遙感測繪技術在地質勘查中的應用研究

高 明,李 杰,王文進,張 敏,潘 幸

(中國冶金地質總局 第二地質勘查院,福建 莆田 351100)

從古至今地理位置優越[1-2],也具備著幅員遼闊的特點,有著豐富的土地資源、礦山資源等。隨著時間的沉淀,礦山產地的礦物質在地質深層中[3],其中還包含一些非再生資源,這些資源本身具有較強的價值。由于礦物資源多數處于人跡罕至的位置,在日?？辈橹杏兄^大的難度系數。遙感測繪技術在地質勘探中有著較強的優勢,人們多利用該技術進行地質勘探,但遙感測繪技術使用范圍有限,會影響勘查效率。為了解決這一問題,對遙感測繪技術在冶金地質勘查中的應用進行了詳細研究。

一些研究者以航拍技術為主,采用遙感技術對地質信息進行勘探,從中得出彩色數字地面圖形的點、線、面等地質信息,利用遙感技術制定一套地質勘探流程,通過該流程實現地質勘探[4]。有些研究者根據礦山地質的全貌拍攝地質三維GPS圖像,并將獲取的結果引入到建立的三維影像模型軟件中,將GPS、GIS技術與軟件相結合,完成地質勘查[5]。還有研究者選取北山區域為研究對象,獲取地質環境問題圖像,同時將軟件與影像合成三維模型,按照該模型對地質目標區域進行解譯,得出更加精致的地質圖像。該圖像可以有效地表現出地質的形態、內容等,完成地質勘查[6]。

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

1 冶金地質信息獲取

1.1 地表數據獲取

地形、地貌等地表數據利用遙感測繪技術獲取,數據獲取流程如圖1所示。

圖1 基于遙感測繪技術的地表數據獲取流程Fig.1 Surface data acquisition process based on remote sensing surveying and mapping technology

冶金礦區屬于重干擾區,電磁干擾強烈。利用遙感測繪技術獲取冶金礦區地表數據后,通過建立三維地表模型,分析調查區地質體幾何特征及影像特征[7-8],能夠實現產狀量測、地質體出露寬度量測及體積估算,并可提供高清影像三維場景開展遙感地質解譯[9-10]。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法又稱純異常場法,屬于一種電磁地質測探方法。該方法主要是利用階躍波形電磁脈沖激發,通過不接地回線向地下發射一次場,在斷電后獲取由地下介質產生的感應二次場,以此分析地質特征[11]。由于其具有穿透能力強、勘探深度大、干擾小、地質與地形條件影響小以及精度高等特點,已經在地質勘查領域得到廣泛應用。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,發射線圈產生階躍電流或電壓信號,使得激勵線圈中的電流變為0,這種電流的階躍變換使得線圈周圍產生一次磁場。而一次渦流場是伴隨一次磁場而生的,一次渦流場在遇到介質中的良導電地質體后,激發使得其內部產生感應電流。感應電流在傳輸過程中存在一定的熱損耗,從而使良導電周圍產生一個新的磁場,這部分磁場就稱為二次磁場。這種磁場信號包含了與地質體有關的地質信息,隨著時間的增加而不斷縮減,形成瞬變電磁場,結合瞬變電磁場能夠對于地質信息進行感知。

瞬變電磁數據采集與應用流程如圖3所示。分析圖3可知,利用相關裝置獲取瞬變電磁數據,并對不同來源的數據格式進行轉換,以便后續統一分析與處理。對格式轉換后的數據進行異常點剔除、濾波以及圓滑處理,消除異常數據。

采用TEMAVG軟件對圓滑處理后的數據進行關斷時間校正以及時深轉換,結合地質資料和測井資料、高程、地形等繪制初始斷面圖。找出圖中的畸變數據并剔除,從而繪制新的斷面圖,利用該軟件進行數據正反演處理,結合地層等高線等地質資料繪制出電阻率斷面圖;當電阻率斷面圖滿足要求后,繪制視電阻率切片圖,對切片圖進行綜合分析解釋,得到相關的地質勘查資料。

圖3 瞬變電磁數據采集與應用流程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],在地質勘查過程中,只需要將全部電極放置在觀測剖面的各測點上,就能夠實現高質量的地質勘查。利用采集裝置采集相關數據,并將采集到的數據傳輸到計算機,對數據進行處理后獲取地電斷面分布結果。該方法具有測量誤差小、獲取的地質特征豐富、數據可視化速度快以及解析簡單等優勢,已經廣泛應用在地質勘查領域。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向地下施加電流強度為I、場強為E的人工電場,利用測量電極以及測量電極對MN,獲取該電場在MN之間存在的電勢差ΔU,從而計算出此時存在的視電阻率。將該值記在MN中的任意位置,不斷移動AB和MN,即可測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,從而完成地質勘查。

基于高密度電法的數據采集與處理架構如圖5所示。

圖5 基于高密度電法的數據采集與處理架構Fig.5 Data acquisition and processing architecture based on high-density electrical method

分析圖5可知,主要是通過高密度布點,利用高密度主機以及電極轉換器實現地質勘查數據采集。將采集到的數據傳輸到計算機中,對數據進行格式轉換與去噪處理,根據處理后的數據進行地形校準與二維反演處理;根據地下介質間的電性差異分析地質層位的發育情況,并解釋成圖,從而獲取該區域的相關地質勘查信息。

2 冶金地質勘探研究

根據上述利用遙感測繪技術所獲取的冶金礦區地表數據,將該影像與多種物探方法相結合,對冶金礦區地質開展勘查研究。

以遙感測繪數據為基礎,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],結合高密度電法獲取冶金地質剖面,詳情如下。

(1)高密度電法實驗剖面。采用高密度電法獲取冶金地質高密度剖面,以北東方向為主布設剖面,其測線編號為1號。高密度電法下1號測線的視電阻率異常剖面如圖6所示。

圖6 高密度電法1號測線視電阻率異常剖面Fig.6 Abnormal profile of apparent resistivity of high-density electrical method line 1

1號測線的冶金地質物探綜合剖面如圖7所示。

圖7 1號線冶金地質物探剖面Fig.7 Metallurgical geophysical prospecting profile of line 1

由圖7可知,冶金地質剖面1號測線的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,部署后冶金地質的視電阻率在750～5 200 Ω·m變化,電阻異常冶金地表附近會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,說明冶金采空區會導致ck2電阻異常;如果周邊有破碎帶或者冶金采空區有水流,就會引起ck3冶金采空區異常;而ck1的異常則是由于隱伏冶金采空區造成的。為了更好地勘查出1號線冶金地質周邊的地質情況,設置ck1、ck2埋置15～35 m,ck3埋置55 m左右。

為了驗證冶金地質1號線勘查結果的準確性,在礦區中施工鉆孔,設置孔深為250 m,鉆孔的角度在75°,鉆孔方向為北西向。通過鉆探后,獲取冶金地質斷層及采空區域斷面實際等值線。冶金地質的中斷層在38.7～42.1 m,地質中主要包含花崗巖較多,其采取率在89%左右,處于1號線的ck2區域;深入到118.2～120.3 m時屬于冶金采空區,大多巖性為綠泥石化及高嶺土化,具備較強的蝕變性,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號線的ck1位置。

通過檢測結果驗證了遙感測繪技術與物探方法勘查的冶金地質與鉆探后的冶金地質勘查結果相同,證明了遙感測繪技術的準確性。

(2)冶金地質瞬變電磁等值實驗剖面。瞬變電磁法應用下2號線的視電阻率剖面如圖8所示。

圖8 瞬變電磁法下2號測線視電阻率剖面Fig.8 Apparent resistivity profile of line 2 under transient electromagnetic method

基于測試出的1號線剖面,以北東方向為主,設置該剖面線為2號線,2號線冶金地質物探綜合剖面如圖9所示。分析圖9可知,共勘探出有4處會對冶金地質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,多數屬于低阻異常;同時,靠近冶金地質地表390～430 m處存在一口豎井。

設置在冶金地質剖面的1 020 m處施工鉆井,其鉆井深度為250 m,以北西方向為主,角度75°。根據冶金地質勘查時獲取的反演斷面等值線得知,在冶金地質深處164.2～166.5 m時,屬于冶金采空區,其內部主要為呈黑云母形態的花崗巖;深入地質后,深度為213.2～215.2 m時,其地質巖性為具有黃鐵礦物質的花崗巖,它的采取率僅在左右;距離這類巖性物質不遠處,深度為199.7～203.8 m處,存有偉晶巖。

圖9 2號線冶金地質物探剖面Fig.9 Metallurgical geophysical prospecting profile of line 2

由以上勘查結果可知,遙感測繪技術和多物探方法的結合,與實測鉆探結果基本一致,表明了冶金地質勘探結果的精準性、有效性。

利用遙感測繪技術與多物勘探方法結合,獲取了冶金地質內部物質形成原因以及出現異常的影響因素,得知邊界條件的限制及冶金地質勘探成果的多樣性。依據以上勘探結果,完成了冶金地質勘查研究。

3 冶金地質特征分析

根據冶金地質勘查信息提取冶金地質礦區內部構造及特征,獲取冶金礦石品位等級變化規律,以期為冶金地質勘查工作的開展提供指導。

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

(2)礦層冶金地質特征。礦區冶金地質主要為5層磷礦,其巖層大多呈層狀,各個礦層所代表的層次均不相同。Ⅱ層為主礦層,長度長達7 854 m,礦層斜深最大在721 m,走向、傾向具有相關性,厚度也處于穩定狀態。但沿傾向方向的礦石品位有著下降的趨勢,礦區地表內礦石冶金普遍為Ⅰ、Ⅱ級,逐漸步入深部地表后品級會隨之增加到Ⅲ品級及Ⅲ品級以上[17-18]。

為了能夠精準分析冶金地質特征,對冶金礦區地層實行剖析。冶金地質礦區的x-y地質剖面如圖10所示。從圖10可以看出,礦區冶金地質共有3個層次,分別為Ⅰ層、Ⅲ層、V2層,其中1y2代表冶金地質斷面。

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

分析V2號礦體可以得出,礦體層次的總長度為6 700 m。這類礦層的中部區域厚度較大,礦層長度越大南北兩端會愈加薄弱,還會出現分支情況,其厚度約為3 m,V2號礦體的礦石、冶金均為Ⅰ、Ⅱ品級,具有連續性較差的劣勢。礦體底部位置為泥巖、砂石等,頂部位置為細砂巖、粗砂巖等,中間部分則為白云質粉砂巖。這類層次的礦體冶金地質特征[19-20]見表1。

根據表1中的數據獲取冶金礦石的變化規律,Ⅰ礦體含品位最高,而Ⅱ礦體含品位最低,以Ⅱ礦體為基礎向V3礦體品位遞增。橫向上趨勢來看,各礦體的品位會出現遞增或遞減的情況,其品位等級不同,而V2礦體的品位等級則會出現波形變化。

表1 礦區冶金地質特征分析Tab.1 Analysis of metallurgical geological characteristics of mining area

根據以上變化規律可以得出,礦區冶金礦石的品位等級變化與礦層的厚度產生關系,具有負相關,而冶金礦石的氧化效果與品位等級呈正相關?？梢?氧化效果越高,說明冶金礦石的品位等級越高;反之,層次越厚,冶金礦石的品位等級越低。

4 結語

由于當前地質勘探系統不完善,研究了遙感測繪技術在冶金地質勘查中的應用。利用遙感測繪技術獲取冶金礦區地表數據后,通過建立三維地表模型,分析調查區地質體幾何特征及影像特征,以此開展遙感地質解譯。以遙感地質解譯為基礎,結合瞬變電磁法、高密度電法等多物探方法,繪制電阻率切片圖以及地質層位發育情況圖等,得到獲取冶金地質信息,主要包括冶金地質礦區內部構造及特征,從而獲取冶金礦石品位等級變化規律。根據冶金地質信息得知冶金地質內部物質的多樣性,同時也驗證了本文研究的冶金地質勘查方法的有效性,可以為后續的勘查研究奠定堅實的基礎,促進冶金地質勘查工作的順利進行。