激发极化法测井在内蒙古某铁矿中的应用.docx

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激发极化法测井在内蒙古某铁矿中的应用

摘要

本文介绍了激发极化测井在内蒙古某铁矿勘查中的工作方法技术以及野外数据处理，并根据处理结果，结合钻孔编录，对相应的异常带进行分析和地质解释。

通过本激电测井工作，验证了激电异常体的存在，确定了矿区异常体的大致位置，并对引起异常的原因进行了判断为后续矿体的勘探开采提供了地球物理依据。

该地区的实践经验表明，对于磁测井效果不明显的非磁性铁矿勘查，激电测井是一种有效的物探方法并且可以取得较好的成效。

关键字：

激电测井；非磁性铁矿；应用

ABSTRACT

ThisarticledescribestheinducedpolarizationlogginginInnerMongolia,theworkofanironmineexplorationandfielddataprocessingmethodsandtechniques,andaccordingtotheresults,combinedwithdrillingcatalog,withtheexceptionofthecorrespondinganalysisandgeologicalinterpretation.WorkthroughtheIPloggingtoverifytheexistenceofIPanomaliesbodytodeterminethegenerallocationofminingabnormalbody,andthatcausedtheexceptiontodeterminethereasonsforthefollow-upexplorationandexploitationoftheorebodyprovidesageophysicalbasis.Practicalexperienceintheregionshowsthatthemagneticeffectisnotobviousinthenon-magneticloggingironoreexploration,inducedpolarizationgeophysicalloggingisaneffectivemethodandcanobtaingoodresults.

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Keywords:

inducedpolarizationlogging;non-magneticiron;application

目录

1引言1

2激发极化测井技术的发展概况1

3激发极化法的理论基础2

3.1岩、矿石的激发极化成因2

3.1.1电子导体的电极化效应2

3.1.2离子导体的激发极化效应3

3.2岩、矿石的激发极化特性3

3.3体极化电场的模拟方法5

3.4井中激发极化法6

3.4.1井中激发极化法概述6

3.4.2地—井工作方法7

3.4.3井—地方式的工作方法8

4研究区域的基本概况10

4.1地质概况10

4.1.1地层10

4.1.2岩浆岩10

4.1.3构造10

4.2地球物理特征10

5工作方法技术及质量评价11

5.1激电测井11

5.1.1仪器设备11

5.1.2工作方法11

5.2磁测井12

5.3完成工作量与质量评价12

6资料整理及图件绘制13

6.1数据处理13

6.1.1电测井数据处理13

6.1.2磁测井数据处理13

6.2图件的绘制13

7解释推断14

结论15

致谢16

参考文献117

激发极化法测井在内蒙古某铁矿中的应用

1引言

激发极化法的应用很广泛，无论是在金属和非金属矿体勘查中，还是在寻找地下水资源、油气矿藏和地热田方面，都获得了成功的应用。

在过去相当长的时间内，激电法主要用于普查硫化多金属矿。

由于这类矿床往往不含磁性矿物，且矿石多呈浸染状结构，磁法和其他电法的找矿效果欠佳，故激电法成为寻找铜、铅、锌等有色金属矿的主要方法。

近年来，激电法在寻找无磁性或弱磁性黑色金属矿、贵金属矿、稀有金属矿和放射性矿床等方面，也发挥着越来越大的作用。

实践表明，激电法在寻找深部非磁性铁矿（如赤铁矿、褐铁矿）方面表现出了独特的优势。

井中激发极化法是地面激发极化法在地下的延伸。

井中激发极化法是近年来由于生产需要而发展起来的井中物探方法之一。

其原理与地面激发极化法是一样的,但它可以利用钻孔这一有利条件,把测量电极或供电电极放到井中,使之更接近矿体,从而增大了有用信号,扩大了勘探范围。

因此,它不仅可以验证地面物探的推断结果,而且可以发现钻孔周围的盲矿,还可以根据异常特点确定矿体位置。

一般认为，寻找铁矿应当采用磁法勘探，但在弱（无）磁性铁矿区，井中磁测就失去或降低了它的有效作用，为此在这种矿区进行井下物探工作，必须探索新的途径。

通过试验表明，井中激电是一种有效的方法。

井中激电发应用于寻找深部非磁性铁矿资源已经有一定的经验，可是还不够完善，需要大量的实践和进一步的研究。

2激发极化测井技术的发展概况

激发极化电位是因电化学反应而产生的电位，首先将岩石的激发化效应应用于地质目的的思想是法国地球物理学家康拉·斯仑贝尔热1920年提出的，并于1920年在经典著作《电法勘探的研究》第一次确地描述了极化响应。

这之后的三十年中，人们主要将激发极化的产生应用研究集中在金属矿场领域。

直到1953年Latishov和1966年Schoe和Thrasher等人对离子导电岩石的激发极化进行了研究，提出了把激发化作为泥质含量和渗透率的有用指示器。

之后，激发极化被用于石油测井，人们认为激发极化电位测井与自然电位测井一样是属于电化学测井法。

激发极化法在我国的应用是50年代开始的，地矿系统试图利用它勘探地下的金矿矿藏并取得了显著成果。

激发极化电位测井方法于6代由苏联引进我国，称为人工电位测井。

井中激发极化法是地面激发极化法在钻空中的应用，其物理基础和探测对象与地面方法相同，方法技术类似。

早期（五十年代）是保持供电电流不变记录断电后的激发极化二次长电位差，用于油田、煤田勘探校验井剖面。

其缺点是金属矿区，因受电性影响，这种方式作用作用不大。

六十年代进而发展了时间域和频率域采用电位差比值的井中激发极化测量。

随着普查勘探隐伏矿体的需要，按供电和测量装置所在位置不同，逐渐形成了一套井中激发极化法的工作方式。

该方法在用于发现井旁盲矿、确定其空间位置以指导钻探施工以及圈定和追索矿体、矿化带等方面取得实效。

存在的主要问题是仪器、方法都有待发展。

3激发极化法的理论基础

3.1岩、矿石的激发极化成因（机理）

电子导体的电极化效应（图3-1）

（1）物质条件：

电子导体（致密的金属矿、石墨矿等），含离子的水溶液。

（2）形成过程

（a）偶电层平衡态：

若电子导体与溶液接触发生超电压现象，在其表面形成偶电层，无外电场条件下，则处于平衡电极电位Φ平，由于平衡偶电层呈均匀封闭形成对外稳电场分布。

（b）充电态：

在外电场作用下，导电体内电荷重新分布，负电荷向电流流入端移动形成“阴极”，正电荷向电流流出端移动形成“阳极”，而溶液内在“阴”“阳”极处形成阳离子、阴离子的堆积。

即：

（3.1-1）

式中：

——超电压

充电过程是一个复杂的发生在导电体界面处的电化学过程，由于在界面处电荷传递速度不同，从而表现出附加二次电场△U2充电达到饱和的时间则不同。

若界面处电荷传递速度→∞，则将不会发生激电效应、或△Φ=0。

（c）放电态：

当供电后的外场突然断掉，则新建立的平衡又被失去。

在△Φ作用的电场，使堆积在界面两侧的异性电荷通过界面本身及其两侧的介质（导体、溶液）放电，使其恢复到正常偶电层状态。

离子导体的激发极化效应（图3-2）

（1）物质条件：

离子导体（大多数造岩矿物及其组成的不含电子导体的岩石）颗粒、水溶液。

（2）形成过程：

（a）岩石表面颗粒双电层正电荷分散区形成

一般硅酸盐类的造岩矿物表面呈负电荷的剩余电价力，从而吸引溶液中靠近离子导体表面领域正离子形成偶电荷内的正电荷分散区。

（b）充电态

在外电流场作用下，离子导体表面上的双电层的分散区发生变形（在左侧，因为离子导体界面阻值大而正离子不易沿界面滑移，出现正离子的堆积，右侧离子易在外场作用下移动而离开离子导体界面）。

从而达到新的平衡，出现极化附加电场△U2。

（c）放电状态

双电层分散区变形效应，在外电流场作用下断样后，它都将恢复到原平衡态，堆积电荷通过溶液放电而消失。

3.2岩、矿石的激发极化特性

为研究简化，将岩、矿石的激发极化分为理想面极化和体极化两类。

浸染状金属矿和矿化、石墨化岩石的激发极化属于体极化，实质是多个面极化微元的总体激电效应。

（1）面极化特征

这类物体的激电效应仅发生在体表面，如：

块状致密的金属矿体、石墨矿体和基岩裂隙水体等电子导体。

通过对石墨和黄铜矿标本的测定其阴、阳极过电位，其规律如下:

1）对石墨矿标本和黄铜矿充、放电曲线相似，随着j0上升，其充电饱和时间变短，因为实际工作中，j0＜1μA/m2，故需两、或五分钟以上也达不到饱和态。

2）j0较大时（石墨：

j0≥40μA/cm2，黄铜矿：

j0≥5μA/cm2），不同j0值归一化的充放电曲线不重合，而且△Φ+≠△Φ－，表明△Φ与j0非线性关系。

石墨：

j0↑，由△Φ+＞△Φ－，过渡到△Φ+＜△Φ－

→△Φ-/△Φ+≈2.5；

黄铜矿：

j0↑始终△Φ+＜△Φ－→△Φ-/△Φ+≈1.35；

3）j。

较小时呈线性性

△Φ=－Kjn（3.2-1）

式中K：

激电状态下的面阻抗——面极化系数。

其值与充放电时间、电子导体和周围溶液的性质有关。

对水溶液中铜极化试验，引入比例系数：

λ=k/ρ水=-△Φ/En

可得：

△Φ=-λEn（3.2-2）

△Φ∝En=jnρ水

（2）体极化特征

这类物体是由体内的元极化体组成，激发效应发生在体内。

如，侵染状金属矿和矿化、石墨化岩石，第四纪含水砂岩等，实质是多个面极化微元的总体激电效应。

△U（T）=△U1+△U2（T）。

利用小四极对黄铁矿化标本试验，结果表明其极化规律：

1）体极化的充、放电速度比面极化的快，主要由于极化体积小，阴、阳极间短路效应明显，易于达到新平衡和恢复平衡。

2）在供电强度I较大范围内（j。

≥100μA/cm2），在一定的误差范围（≤10%）内：

△U2∝I，

并与供电方向无关。

这些十分接近实际野外工作条件。

引入激发激化法的测量参数极化率：

η（T，t）=△U2（T，t）/△U（T）×100%（3.2-3）

并有:

极限极化率

（3.2-4）

初始极化率：

（3.2-5）

及

（3.2-6）

3）η主要决定于所含电子导体矿物体积分数ξ及其结构，一般ξ越大，导电颗粒越细小，矿化岩石越致密，η值越大。

对完全不含电子导体矿物的岩石，η=1—2%，最大η≈3—4%。

这是激电找金属矿和水的物理—化学基础。

表1各类岩矿石的极化率

3.3体极化电场的模拟方法

（1）数值模拟方法

利用等效电阻率法，首先将地下极化体的真电阻率ρj替换成给定频率ω下按柯尔-柯尔模型计算的复电阻率

（3.3-1）

利用电阻率法中无激电效应的所谓一次场电位数值模拟方法，模拟计算体极化时频率域的总场电位值，进而计算视复电阻率ρs（iω），从而实现复电阻率法或频谱激电法的正演计算。

（2）物理模拟方法

仍利用等效电阻率原理，通过导电纸或电阻网络方式，实现体极化场的物理模拟．

1）按地下地质体的真电阻率（ρi）构筑物理模型，测量出一次场电位；

2）利用

极限等效电阻率构筑同样形体几何大小的“等效”模型，测量出“等效”激电总场电位；

（3）体极化场模拟准则

与电阻率法相同：

尺寸成线性比例，电参数相同。

3.4井中激发极化法

井中激发极化法概述

井中激发极化法是地面激发极化法借助钻孔向地下深处的探测，也是激发极化测井向四外空间的扩展。

井中激发极化法和地面激发极化法所使用的电极排列、仪器设备和方法技术亦相类似。

在金属矿区，随着普查勘探深部隐伏矿体的需要，为了扩大钻孔的有效半径，按供电和测量装置所在位置的不同，逐渐形成了一整套井中激发极化法的工作方式，它可分为以下三种。

地表-井中工作方式

地表-井中工作方式，简称地-井方式，即供电电极A置于地面，供电电极B离井口相当远，作为无穷远极。

测量电极M、N（常用梯度装置）则置于钻孔中并沿井进行激发极化测量。

常用的有两种排列。

1）一种是把金属套管用作A电极，即所谓井口接地地-井方式（r=0）。

2）另一种是供电电极A置于距井口某一距离，并改变其相对于钻孔的方位，称作地-井方式方位测量。

它可用来查明井旁盲矿并确定其空间位置。

（2）井中-地表工作方式

井中-地表工作方式，简称井-地方式，即把供电电极A放入钻孔中，供电电极B仍为无穷远极，测量装置则置于地面。

常用的有两种排列。

剖面测量：

固定井中供电点源A的深度，在地面按一定网格（通常是方格网，也可用以井口为中心的辐射网）沿剖面测量的排列，称为井-地方位剖面测量，它主要用来圈定和追索矿体或矿化带范围。

激电测深：

若在井中改变供电点源的深度，在地面移动测量装置M、N，或距井口某一距离固定测量装置进行激发极化测量的排列，称作井-地方式激电测深，它主要用来预报并查明盲矿。

（3）井中-井中工作方式

井中-井中工作方式，简称井-井方式。

常用的有两种排列。

单井井-井方式：

其中把供电和测量装置放入同一钻孔中进行激发极化测量，称单井井-井方式。

激发极化测井、大极距三极梯度排列等均属此类。

双井井-井方式：

把供电电极A放入一个钻孔中某一深度，电极B仍在地面为无穷远极（B也可放入井中），而把测量装置（梯度或电位）放入相邻的另一钻孔中进行激电测量的排列称作双井井-井方式。

它主要用来发现井间盲矿，确定已被钻孔揭露的矿层间的电性连续性（电相关性）。

地—井工作方法

将供电电极A、B置于地面，其中A距井口距离为r米处和在r=0m的井口；B极置于∝处。

测量电极M、N置于井中探测。

选择工作参数，包括：

（1）测量装置和点距选择

确定测量装置和点距：

常用梯度装置，一般取MN=5～10m，只有当二次场电位差太小才加大极距。

点距：

一般取点距等于MN距，或取MN距之半。

根据情况在极值点、拐点、0值点进行加密探测。

（2）最佳r与方位数确定

地—井方式激电异常的幅值与r有关，通常r大时，方位探测范围也大，但非正比关系。

通常：

孔深500m以内r取100～300m；孔深为500～1000m，r取300～500m。

方位一般按勘探剖面方向取定四个正交方位，至少主反方位和r=0的必测。

用梯度装置，设Rb为无穷远处B极距离，h为探测的井深δ为B极在测量点产生的极化场电位与A极在该产生的极化场电位的百分比，则有：

（3.4-1）

Ra—A极离井口的距离

（3）定无穷远B极距离；

地—井方式探测常用两个参数：

视极化率ηs和二次异常电位差：

ηs=△V2/△V×100％（3.4-2）

（3.4-3）

—视极化率背景值

V2—实测的二次场电位差，

△V—实测的总场电位差。

（4）选定参数和背景值。

主要误差来源：

1）无穷远B极在观测点产生的电位引起的误差。

2）仪器器件、线路造成的误差。

因而要求仪器高灵敏又稳定。

3）点位不准确引起的误差。

因而必须对准点位。

4）工作过程中供电电流变化引起的误差。

应注意检查电流。

5）观测人员的视差。

6）自然电位、电极电位的变化，以及外来干扰引起的误差等等。

资料解释：

利用地—井方式方位测量资料判定异常体的位置。

以球体为例，设分别在A1，A6，A7，A8，A5供电（见上图），1、6、7、8、5号曲线为对应的二次异常场和视极化率曲线

由此可得出下述结论：

1）供电电源位于球体所在方位时获得强异常，曲线呈上正下负“反S形”；在其反方位时异常强度明显减小，曲线呈上负下正“正S形”。

在井口套管供电A7曲线也呈现明显的异常，而且异常极大值深度与球心埋深相近。

因此采用井口供电与方位测量组合便于发现井旁盲矿。

2）曲线特征与曲线一致，A1和A6（主方位）供电的1、6曲线呈上正下负“反S形”，在其反方位时异常强度明显减小，曲线呈上负下正“正S形”。

在井口套管供电曲线幅度小而平稳，用来确定计算值的视极化率背景值，或用作整个井段的视极化率背景曲线。

井—地方式的工作方法

A极置于井内某一选定深度，B在无穷远处的地面，测量电极MN布在地面,沿测线进行探测。

（国外称沉降电极或埋藏电极法）包括剖面测量（横剖面和纵剖面测量），向量测量，以及井—地方式激电测深。

1）A、B电极位置确定

A极用刷子电极做成。

对于浸染状的体极化体，取在矿层底板或其中下部为充电位置；对于致密块状的面极化体，A极置于顶面上方，以便在地面获得较大的二次场读数，对于钻孔未穿过矿层的井旁盲矿，可将充电A极选在地—井方式盲矿异常最大处或偏下一点的深度上。

B极至井位的连线应垂直于测线。

并距测区距离足够远，距离为

。

如图3-4所示,设地下为均匀各向同性介质，电阻率ρ1、极化率η1，A极深度Z0，B极垂直于测线（为y向），对△Vy影响最大，只计算B极对边缘测线上△Vy的影响。

A极和B

极在观测点产生的极化场电位差分别为

。

（3.4-4）

（3.4-5）

其比值为：

（3.4-6）

可得到确定的关系式：

（3.4-7）

其中：

Y：

坐标原点到最边缘测线的距离；

：

最边缘测线到B极的距离；

δ：

允许误差（不能超过的A极在此产生的极化场的百分数）

4研究区域的基本概况

4.1地质概况

地层

区内出露的地层主要为下二迭三面井组及额里图组。

三面井组：

为一套正常陆源碎屑岩，是在温暖潮湿气候条件下的浅海至滨海相沉积，由细砂岩、粉砂岩、粉砂质板岩、含炭板状页岩似层状、透镜状灰岩、硅质岩、铁质岩组成。

额里图组：

额里图组是在强烈的构造运动和火山喷发的条件下沉积的一套由正常陆源碎屑岩与火山碎屑岩、熔岩相间迭替和混积的产物。

岩性主要为英安岩、英安质凝灰岩、英安质凝灰砂岩；花岗细晶岩、花岗伟晶岩、流纹岩。

岩浆岩

主要为二叠纪的石英闪长岩，多呈岩脉或岩株状产出。

构造

区内以断裂构造为主，构造行迹不甚清晰，从整体区域构造特征以及相邻矿区控矿构造特征分析，区内构造总体以北东向的断裂构造为主。

沿此断裂构造形成的次级断裂与成矿关系密切。

经钻探验证在ZK1、ZK2、号孔中，均发现了较强的蚀变及不同程度的矿化。

其中在ZK2的231.82—266.00米段，黄铁矿化、磁黄铁矿矿化较强，呈细脉状、网脉状、浸染状，产于强蚀变的安山岩中。

根据化学分析结果：

Cu含量0.08—0.20℅。

围岩具有较强青磐岩化。

次生矿物绿帘石、阳起石、绿泥石含量较高或很高，具有非常好的成矿条件。

4.2地球物理特征

通过地面物探测量，圈定磁异常2处，C-1、C-2分别位于390/370点及570/110点，390/370点磁异常已进行了钻探验证，发现约20米厚的铜矿化，Cu最高品位0.5%。

圈定激电异常4处，编号分别为JD-1、JD-2、JD-3、JD-4。

分别位于勘查区北西侧、北侧及南侧。

其中JD-2号激电异常经地质观察，推断由主要由炭质板岩引起。

JD-1号激电异常，南侧主要炭质板岩引起，北侧应与金属硫化物矿化有关（在地层与岩体的接触带附近发现有褐铁矿化脉及铜矿化，地表岩石测量有Cu、Au异常），JD-4号异常进行了钻探验证，异常可能与炭质泥岩、黄铁矿化有关。

JD-3号异常与C-1号磁异常吻合，但异常强度相对较弱，极化率ηs=2.0%左右。

由于从邻区铜矿床延推到勘探区内的预测成矿带上激电异常较弱，怀疑矿化体埋深较大，激电异常显示不明显，故在此激电异常带处，沿南北方向布置CSAMT（可控源音频大地电磁法）测量剖面4条。

测量结果显示，有低阻体存在，建议钻探验证。

对于该区的物性特征，总结地面、地下激电资料和磁测资料可知，硫化矿床黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿矿化较强，围岩电阻率为103-104Ω.M，极化率为2-4%，原生矿层电阻率为1000Ω.M，极化率为6%，围岩与原生矿层之间存在着较大的物性差异。

在磁性特征方面，强磁性的磁黄铁矿类矿石与其它类岩类差异很明显。

应用激电、井中激发极化法和磁测井能够划分钻孔剖面，有效地区分钻孔周围高极化体和高磁性。

用以发现并追索和圈定深部盲矿，以及确定矿体被钻孔穿过的空间位置。

上述地球物理前提，给井中激电、井中激发极化法和磁测井的应用提供了有力条件。

5工作方法技术及质量评价

5.1激电测井

仪器设备

使用仪器为中装集团重庆地质仪器厂生产的DZD-6A多功能直流电法（激电）仪,观测方式为手动点测。

其主要技术指标如下：

接收部分：

电压测量范围：

±6V；

电压测量精度：

±1%1个字；

输入阻抗：

＞50MΩ；

视极化率测量精度：

±1%1个字；

电流测量范围：

5A；

电流测量精度：

±1%1个字；

对50HZ工频干扰压制优于80dB；

SP补偿范围：

±1V。

发射部分：

最大供电电压：

900V；

最大供电电流：

5A；

供电脉冲宽度：

1～59s，占空比1：

1；

整机电流：

≤60mA。

工作方法

（1）激电测井：

电极系选择：

选用B15A3.5M的梯度电极系，点距5m,采用手动方式观测。

观测参数为视电阻率（ρs）、视极化率（ηs）。

（2）井中激发极化法（地—井方式）：

观测参数为视极化率ηS。

1）MN极距的选择：

MN选用3.5m；测量点距5m。

2）

无穷远距离的选择：

无穷远距离的确定根据公式计算得出：

=

（5.1-1）

其中：

r为A极至井口的距离;h为测量井深；

δ为B极影响的允许误差δ=5%。

3）

距离的选择和方位的选择：

选用

=100m。

方位选用东、南、西方位。

5.2磁测井

使用仪器为中装集团重庆地质仪器厂生产的JGS-1B智能工程测井系统,观测方式为自动连测。

其主要技术指标如下：

倾角测量范围：

0～450，误差小于0.20；

方位角测量范围：

0～3600，误差小于20（倾角≥30）；

磁场分辨率：

＜5nT;磁场测量范围：

≤99999nT；

传输方式：

RS232数字输出。

开工前均对上述仪器进行了性能鉴定,仪器性能稳定可靠,各项技术指标满足规范要求。

测量点距1m。

观测方法为自动连测。

观测参数为磁场垂直分量Z、磁场水平分量X、Y。

5.3完成工作量与质量评价

矿区共测井1个，因钻孔孔口存有42m套管和井底坍塌，ZK5孔实际测井深度242米，测井过程中对下井电缆进行了检测，潮湿状态绝缘电阻大于5兆欧，满足大于2兆欧的要求。

工作中各个环节，严格执行《井中磁测工作规范》物物二〔1982〕246号和《井中激发极化技术规程》DZ/T0204-1999。

通过系统的质量检查对观测精度进行了全面评价，所得成果质量可靠，满足设计及规范要求。