遙感測(cè)繪技術(shù)在地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究

高 明,李 杰,王文進(jìn),張 敏,潘 幸

(中國(guó)冶金地質(zhì)總局 第二地質(zhì)勘查院,福建 莆田 351100)

從古至今地理位置優(yōu)越[1-2],也具備著幅員遼闊的特點(diǎn),有著豐富的土地資源、礦山資源等。隨著時(shí)間的沉淀,礦山產(chǎn)地的礦物質(zhì)在地質(zhì)深層中[3],其中還包含一些非再生資源,這些資源本身具有較強(qiáng)的價(jià)值。由于礦物資源多數(shù)處于人跡罕至的位置,在日常勘查中有著較大的難度系數(shù)。遙感測(cè)繪技術(shù)在地質(zhì)勘探中有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),人們多利用該技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)勘探,但遙感測(cè)繪技術(shù)使用范圍有限,會(huì)影響勘查效率。為了解決這一問(wèn)題,對(duì)遙感測(cè)繪技術(shù)在冶金地質(zhì)勘查中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)研究。

一些研究者以航拍技術(shù)為主,采用遙感技術(shù)對(duì)地質(zhì)信息進(jìn)行勘探,從中得出彩色數(shù)字地面圖形的點(diǎn)、線、面等地質(zhì)信息,利用遙感技術(shù)制定一套地質(zhì)勘探流程,通過(guò)該流程實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探[4]。有些研究者根據(jù)礦山地質(zhì)的全貌拍攝地質(zhì)三維GPS圖像,并將獲取的結(jié)果引入到建立的三維影像模型軟件中,將GPS、GIS技術(shù)與軟件相結(jié)合,完成地質(zhì)勘查[5]。還有研究者選取北山區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,獲取地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題圖像,同時(shí)將軟件與影像合成三維模型,按照該模型對(duì)地質(zhì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行解譯,得出更加精致的地質(zhì)圖像。該圖像可以有效地表現(xiàn)出地質(zhì)的形態(tài)、內(nèi)容等,完成地質(zhì)勘查[6]。

但是這些研究只能測(cè)得地面信息,難以獲取地下信息。為了改進(jìn)上述方法的缺陷,本文將多物探方法應(yīng)用至冶金地質(zhì)勘查中,以期提升冶金地質(zhì)勘查質(zhì)量與效率。

1 冶金地質(zhì)信息獲取

1.1 地表數(shù)據(jù)獲取

地形、地貌等地表數(shù)據(jù)利用遙感測(cè)繪技術(shù)獲取,數(shù)據(jù)獲取流程如圖1所示。

圖1 基于遙感測(cè)繪技術(shù)的地表數(shù)據(jù)獲取流程Fig.1 Surface data acquisition process based on remote sensing surveying and mapping technology

冶金礦區(qū)屬于重干擾區(qū),電磁干擾強(qiáng)烈。利用遙感測(cè)繪技術(shù)獲取冶金礦區(qū)地表數(shù)據(jù)后,通過(guò)建立三維地表模型,分析調(diào)查區(qū)地質(zhì)體幾何特征及影像特征[7-8],能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)狀量測(cè)、地質(zhì)體出露寬度量測(cè)及體積估算,并可提供高清影像三維場(chǎng)景開(kāi)展遙感地質(zhì)解譯[9-10]。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法又稱純異常場(chǎng)法,屬于一種電磁地質(zhì)測(cè)探方法。該方法主要是利用階躍波形電磁脈沖激發(fā),通過(guò)不接地回線向地下發(fā)射一次場(chǎng),在斷電后獲取由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場(chǎng),以此分析地質(zhì)特征[11]。由于其具有穿透能力強(qiáng)、勘探深度大、干擾小、地質(zhì)與地形條件影響小以及精度高等特點(diǎn),已經(jīng)在地質(zhì)勘查領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其工作原理如圖2所示。

圖2 瞬變電磁法工作原理Fig.2 The working principle of transient electromagnetic method

分析圖2可知,發(fā)射線圈產(chǎn)生階躍電流或電壓信號(hào),使得激勵(lì)線圈中的電流變?yōu)?,這種電流的階躍變換使得線圈周圍產(chǎn)生一次磁場(chǎng)。而一次渦流場(chǎng)是伴隨一次磁場(chǎng)而生的,一次渦流場(chǎng)在遇到介質(zhì)中的良導(dǎo)電地質(zhì)體后,激發(fā)使得其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流在傳輸過(guò)程中存在一定的熱損耗,從而使良導(dǎo)電周圍產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng),這部分磁場(chǎng)就稱為二次磁場(chǎng)。這種磁場(chǎng)信號(hào)包含了與地質(zhì)體有關(guān)的地質(zhì)信息,隨著時(shí)間的增加而不斷縮減,形成瞬變電磁場(chǎng),結(jié)合瞬變電磁場(chǎng)能夠?qū)τ诘刭|(zhì)信息進(jìn)行感知。

瞬變電磁數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用流程如圖3所示。分析圖3可知,利用相關(guān)裝置獲取瞬變電磁數(shù)據(jù),并對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以便后續(xù)統(tǒng)一分析與處理。對(duì)格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常點(diǎn)剔除、濾波以及圓滑處理,消除異常數(shù)據(jù)。

采用TEMAVG軟件對(duì)圓滑處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)斷時(shí)間校正以及時(shí)深轉(zhuǎn)換,結(jié)合地質(zhì)資料和測(cè)井資料、高程、地形等繪制初始斷面圖。找出圖中的畸變數(shù)據(jù)并剔除,從而繪制新的斷面圖,利用該軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)正反演處理,結(jié)合地層等高線等地質(zhì)資料繪制出電阻率斷面圖;當(dāng)電阻率斷面圖滿足要求后,繪制視電阻率切片圖,對(duì)切片圖進(jìn)行綜合分析解釋,得到相關(guān)的地質(zhì)勘查資料。

圖3 瞬變電磁數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用流程Fig.3 Transient electromagnetic data acquisition and application process

1.3 高密度電法

高密度電法是陣列勘探方法的一種[12],在地質(zhì)勘查過(guò)程中,只需要將全部電極放置在觀測(cè)剖面的各測(cè)點(diǎn)上,就能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的地質(zhì)勘查。利用采集裝置采集相關(guān)數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后獲取地電斷面分布結(jié)果。該方法具有測(cè)量誤差小、獲取的地質(zhì)特征豐富、數(shù)據(jù)可視化速度快以及解析簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)廣泛應(yīng)用在地質(zhì)勘查領(lǐng)域。高密度電法工作原理如圖4所示。

圖4 高密度電法工作原理Fig.4 Working principle of high-density electrical method

高密度電法工作原理:利用供電電極AB向地下施加電流強(qiáng)度為I、場(chǎng)強(qiáng)為E的人工電場(chǎng),利用測(cè)量電極以及測(cè)量電極對(duì)MN,獲取該電場(chǎng)在MN之間存在的電勢(shì)差ΔU,從而計(jì)算出此時(shí)存在的視電阻率。將該值記在MN中的任意位置,不斷移動(dòng)AB和MN,即可測(cè)得某一深度下的所有視電阻率,并利用改變AB極距的方式獲取不同深度同一位置的視電阻,從而完成地質(zhì)勘查。

基于高密度電法的數(shù)據(jù)采集與處理架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于高密度電法的數(shù)據(jù)采集與處理架構(gòu)Fig.5 Data acquisition and processing architecture based on high-density electrical method

分析圖5可知,主要是通過(guò)高密度布點(diǎn),利用高密度主機(jī)以及電極轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)采集。將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與去噪處理,根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校準(zhǔn)與二維反演處理;根據(jù)地下介質(zhì)間的電性差異分析地質(zhì)層位的發(fā)育情況,并解釋成圖,從而獲取該區(qū)域的相關(guān)地質(zhì)勘查信息。

2 冶金地質(zhì)勘探研究

根據(jù)上述利用遙感測(cè)繪技術(shù)所獲取的冶金礦區(qū)地表數(shù)據(jù),將該影像與多種物探方法相結(jié)合,對(duì)冶金礦區(qū)地質(zhì)開(kāi)展勘查研究。

以遙感測(cè)繪數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用瞬變電磁法中大電流小中心回線與大定源回線等方法[13-14],結(jié)合高密度電法獲取冶金地質(zhì)剖面,詳情如下。

(1)高密度電法實(shí)驗(yàn)剖面。采用高密度電法獲取冶金地質(zhì)高密度剖面,以北東方向?yàn)橹鞑荚O(shè)剖面,其測(cè)線編號(hào)為1號(hào)。高密度電法下1號(hào)測(cè)線的視電阻率異常剖面如圖6所示。

圖6 高密度電法1號(hào)測(cè)線視電阻率異常剖面Fig.6 Abnormal profile of apparent resistivity of high-density electrical method line 1

1號(hào)測(cè)線的冶金地質(zhì)物探綜合剖面如圖7所示。

圖7 1號(hào)線冶金地質(zhì)物探剖面Fig.7 Metallurgical geophysical prospecting profile of line 1

由圖7可知,冶金地質(zhì)剖面1號(hào)測(cè)線的260～280 m、75～125 m、60～190 m處分別部署高阻異常ck1、ck2和低阻異常ck3等,部署后冶金地質(zhì)的視電阻率在750～5 200 Ω·m變化,電阻異常冶金地表附近會(huì)顯露出幾條冶金礦化帶,在ck2南部90 m位置處。如果周邊存有民采井,說(shuō)明冶金采空區(qū)會(huì)導(dǎo)致ck2電阻異常;如果周邊有破碎帶或者冶金采空區(qū)有水流,就會(huì)引起ck3冶金采空區(qū)異常;而ck1的異常則是由于隱伏冶金采空區(qū)造成的。為了更好地勘查出1號(hào)線冶金地質(zhì)周邊的地質(zhì)情況,設(shè)置ck1、ck2埋置15～35 m,ck3埋置55 m左右。

為了驗(yàn)證冶金地質(zhì)1號(hào)線勘查結(jié)果的準(zhǔn)確性,在礦區(qū)中施工鉆孔,設(shè)置孔深為250 m,鉆孔的角度在75°,鉆孔方向?yàn)楸蔽飨?。通過(guò)鉆探后,獲取冶金地質(zhì)斷層及采空區(qū)域斷面實(shí)際等值線。冶金地質(zhì)的中斷層在38.7～42.1 m,地質(zhì)中主要包含花崗巖較多,其采取率在89%左右,處于1號(hào)線的ck2區(qū)域;深入到118.2～120.3 m時(shí)屬于冶金采空區(qū),大多巖性為綠泥石化及高嶺土化,具備較強(qiáng)的蝕變性,其巖心較脆弱、容易破碎,這類巖性的采取率在23%左右,處于1號(hào)線的ck1位置。

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了遙感測(cè)繪技術(shù)與物探方法勘查的冶金地質(zhì)與鉆探后的冶金地質(zhì)勘查結(jié)果相同,證明了遙感測(cè)繪技術(shù)的準(zhǔn)確性。

(2)冶金地質(zhì)瞬變電磁等值實(shí)驗(yàn)剖面。瞬變電磁法應(yīng)用下2號(hào)線的視電阻率剖面如圖8所示。

圖8 瞬變電磁法下2號(hào)測(cè)線視電阻率剖面Fig.8 Apparent resistivity profile of line 2 under transient electromagnetic method

基于測(cè)試出的1號(hào)線剖面,以北東方向?yàn)橹?設(shè)置該剖面線為2號(hào)線,2號(hào)線冶金地質(zhì)物探綜合剖面如圖9所示。分析圖9可知,共勘探出有4處會(huì)對(duì)冶金地質(zhì)采空范圍造成影響或具有破碎的巖體。其中,這4處的視電阻率在750～6 500 Ω·m變化,異常影響范圍在ZKW-12分布線的296～950 m處,多數(shù)屬于低阻異常;同時(shí),靠近冶金地質(zhì)地表390～430 m處存在一口豎井。

設(shè)置在冶金地質(zhì)剖面的1 020 m處施工鉆井,其鉆井深度為250 m,以北西方向?yàn)橹?角度75°。根據(jù)冶金地質(zhì)勘查時(shí)獲取的反演斷面等值線得知,在冶金地質(zhì)深處164.2～166.5 m時(shí),屬于冶金采空區(qū),其內(nèi)部主要為呈黑云母形態(tài)的花崗巖;深入地質(zhì)后,深度為213.2～215.2 m時(shí),其地質(zhì)巖性為具有黃鐵礦物質(zhì)的花崗巖,它的采取率僅在左右;距離這類巖性物質(zhì)不遠(yuǎn)處,深度為199.7～203.8 m處,存有偉晶巖。

圖9 2號(hào)線冶金地質(zhì)物探剖面Fig.9 Metallurgical geophysical prospecting profile of line 2

由以上勘查結(jié)果可知,遙感測(cè)繪技術(shù)和多物探方法的結(jié)合,與實(shí)測(cè)鉆探結(jié)果基本一致,表明了冶金地質(zhì)勘探結(jié)果的精準(zhǔn)性、有效性。

利用遙感測(cè)繪技術(shù)與多物勘探方法結(jié)合,獲取了冶金地質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)形成原因以及出現(xiàn)異常的影響因素,得知邊界條件的限制及冶金地質(zhì)勘探成果的多樣性。依據(jù)以上勘探結(jié)果,完成了冶金地質(zhì)勘查研究。

3 冶金地質(zhì)特征分析

根據(jù)冶金地質(zhì)勘查信息提取冶金地質(zhì)礦區(qū)內(nèi)部構(gòu)造及特征,獲取冶金礦石品位等級(jí)變化規(guī)律,以期為冶金地質(zhì)勘查工作的開(kāi)展提供指導(dǎo)。

(1)礦區(qū)構(gòu)造。礦區(qū)褶皺主要呈西南走向、多為斜坡,冶金地質(zhì)底層大多物質(zhì)為白云巖,受風(fēng)力影響斜坡斷層容易遭受破壞或殘缺[15-16]。而礦區(qū)產(chǎn)生的斷層角度在35°～90°,破碎帶寬度在10 m以上,該斷層由粉末狀白云巖構(gòu)成。

(2)礦層冶金地質(zhì)特征。礦區(qū)冶金地質(zhì)主要為5層磷礦,其巖層大多呈層狀,各個(gè)礦層所代表的層次均不相同。Ⅱ?qū)訛橹鞯V層,長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)7 854 m,礦層斜深最大在721 m,走向、傾向具有相關(guān)性,厚度也處于穩(wěn)定狀態(tài)。但沿傾向方向的礦石品位有著下降的趨勢(shì),礦區(qū)地表內(nèi)礦石冶金普遍為Ⅰ、Ⅱ級(jí),逐漸步入深部地表后品級(jí)會(huì)隨之增加到Ⅲ品級(jí)及Ⅲ品級(jí)以上[17-18]。

為了能夠精準(zhǔn)分析冶金地質(zhì)特征,對(duì)冶金礦區(qū)地層實(shí)行剖析。冶金地質(zhì)礦區(qū)的x-y地質(zhì)剖面如圖10所示。從圖10可以看出,礦區(qū)冶金地質(zhì)共有3個(gè)層次,分別為Ⅰ層、Ⅲ層、V2層,其中1y2代表冶金地質(zhì)斷面。

圖10 冶金礦區(qū)地層剖面分析Fig.10 Analysis of stratigraphic profile in metallurgical mining area

分析V2號(hào)礦體可以得出,礦體層次的總長(zhǎng)度為6 700 m。這類礦層的中部區(qū)域厚度較大,礦層長(zhǎng)度越大南北兩端會(huì)愈加薄弱,還會(huì)出現(xiàn)分支情況,其厚度約為3 m,V2號(hào)礦體的礦石、冶金均為Ⅰ、Ⅱ品級(jí),具有連續(xù)性較差的劣勢(shì)。礦體底部位置為泥巖、砂石等,頂部位置為細(xì)砂巖、粗砂巖等,中間部分則為白云質(zhì)粉砂巖。這類層次的礦體冶金地質(zhì)特征[19-20]見(jiàn)表1。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)獲取冶金礦石的變化規(guī)律,Ⅰ礦體含品位最高,而Ⅱ礦體含品位最低,以Ⅱ礦體為基礎(chǔ)向V3礦體品位遞增。橫向上趨勢(shì)來(lái)看,各礦體的品位會(huì)出現(xiàn)遞增或遞減的情況,其品位等級(jí)不同,而V2礦體的品位等級(jí)則會(huì)出現(xiàn)波形變化。

表1 礦區(qū)冶金地質(zhì)特征分析Tab.1 Analysis of metallurgical geological characteristics of mining area

根據(jù)以上變化規(guī)律可以得出,礦區(qū)冶金礦石的品位等級(jí)變化與礦層的厚度產(chǎn)生關(guān)系,具有負(fù)相關(guān),而冶金礦石的氧化效果與品位等級(jí)呈正相關(guān)?？梢?jiàn),氧化效果越高,說(shuō)明冶金礦石的品位等級(jí)越高;反之,層次越厚,冶金礦石的品位等級(jí)越低。

4 結(jié)語(yǔ)

由于當(dāng)前地質(zhì)勘探系統(tǒng)不完善,研究了遙感測(cè)繪技術(shù)在冶金地質(zhì)勘查中的應(yīng)用。利用遙感測(cè)繪技術(shù)獲取冶金礦區(qū)地表數(shù)據(jù)后,通過(guò)建立三維地表模型,分析調(diào)查區(qū)地質(zhì)體幾何特征及影像特征,以此開(kāi)展遙感地質(zhì)解譯。以遙感地質(zhì)解譯為基礎(chǔ),結(jié)合瞬變電磁法、高密度電法等多物探方法,繪制電阻率切片圖以及地質(zhì)層位發(fā)育情況圖等,得到獲取冶金地質(zhì)信息,主要包括冶金地質(zhì)礦區(qū)內(nèi)部構(gòu)造及特征,從而獲取冶金礦石品位等級(jí)變化規(guī)律。根據(jù)冶金地質(zhì)信息得知冶金地質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)的多樣性,同時(shí)也驗(yàn)證了本文研究的冶金地質(zhì)勘查方法的有效性,可以為后續(xù)的勘查研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),促進(jìn)冶金地質(zhì)勘查工作的順利進(jìn)行。