國外許多大型礦山勘探開采深度已超過1 000m, 如南非在4 000 m以下的深度找到了金礦, 澳大利亞在3 000 m深度發(fā)現(xiàn)了儲量大于300萬噸的富銅礦床[ 1] 。我國絕大多數(shù)礦山的開采深度一般不足500 m, 考慮到現(xiàn)行勘探和開采技術(shù)在500 ～1 000 m深度范圍內(nèi)的可行性, 礦山無疑存在深部第二找礦空間、第三找礦空間。我國銅陵冬瓜山大型銅礦床的產(chǎn)出深度在1 000 m左右[ 1] , 大冶鐵礦在1 000 m左右見到第三臺階厚大礦體[ 2]等, 我國現(xiàn)有礦山的深部仍具有極大的找礦潛力。

 

  用于深部隱伏礦勘查的地面金屬礦物探方法主要有高精度重力勘查、高精度磁測、瞬變電磁法勘查、可控源音頻大地電磁、三頻激電、井中聲波透視、地下電磁波、深穿透地球化學(xué)方法等[ 3] 。由于重要金屬礦區(qū)及外圍大多地形復(fù)雜, 地面物探工作效率很低, 施工困難, 多數(shù)地面物探測量工區(qū)分布面積偏小, 在一定程度上影響了礦山深部及外圍找礦效果。

 

  2003年以來, 采取引進和自行研制相結(jié)合的方針, 成功地研制集成了吊艙式直升機頻率域電磁、磁綜合測量系統(tǒng)和硬架式直升機磁、放綜合測量系統(tǒng),投入生產(chǎn)并獲得了良好的勘查效果。目前國內(nèi)直升機最大勘探比例尺已達1∶5 000, 并且這兩套直升機航空物探測量系統(tǒng)可以沿地形起伏飛行, 探頭離地高度最低可達30 ～ 80 m, 采樣間隔可達1 ～ 3 m左右, DGPS平面定位精度好于1 m, 尤其適合于地形復(fù)雜地區(qū)的礦產(chǎn)勘查工作。同地面物探相比, 直升機測量具有速度快、測量精度高、信息豐富、異常分辨率高等優(yōu)點。在礦區(qū)做較大的測量面積不僅可對礦區(qū)深部磁性地質(zhì)體產(chǎn)生的弱緩異常反映完整, 而且便于磁異常綜合對比分析, 有助于發(fā)現(xiàn)礦區(qū)周圍未知礦床。大冶1∶1萬高分辨率航磁找礦成功經(jīng)驗表明, 以直升機物探方法獲取的高精度資料為基礎(chǔ),采用精細反演方法, 可以實現(xiàn)深部找礦目的。

 

  1 直升機航空物探方法

 

  1.1 測量系統(tǒng)組成

 

  1.1.1 吊艙式系統(tǒng)

 

  吊艙式直升機頻率域電磁、磁測量系統(tǒng)是我國在從加拿大引進的IMPULSE六頻電磁儀和磁力儀基礎(chǔ)上, 自行集成的一套測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由IMPULSE頻率域電磁系統(tǒng)、CS-3 磁力儀、DS3 數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、高度測量系統(tǒng)、模擬記錄儀和電源系統(tǒng)組成, 可同時測量電磁、磁2 種參數(shù), 其性能指標(biāo)達到了世界同類產(chǎn)品的先進水平[ 4] 。

 

  IMPLUSE電磁系統(tǒng)為新型的數(shù)字化和寬帶系統(tǒng), 有2對發(fā)射和接收線圈(水平共面線圈對和垂直同軸線圈對), 每對線圈的發(fā)射磁矩為800 A·m2 , 發(fā)射3個頻率, 頻率范圍870 ～ 23 250 Hz, 其中水平共面線圈對層狀大地的導(dǎo)電率有較高的分辨率, 而垂直同軸線圈對垂直導(dǎo)體分辨率較高。該系統(tǒng)記錄6個頻率的電磁響應(yīng), 采樣率每秒30次, 在直升機時速120 km/h時, 相當(dāng)于沿著飛行測線每1m一個采樣。

 

  2004年在內(nèi)蒙古烏達煤礦區(qū)進行了國內(nèi)首次吊倉式直升機航空磁、電磁綜合測量。測線飛行采用沿地形起伏飛行的方法, 測網(wǎng)密度為50 m×250 m, 測線間距50 m。直升機吊艙(探頭)平均離地高度49 m;導(dǎo)航定位精度好于2.58 m;測線偏航距通常小于20 m。

 

  1.1.2 硬架式系統(tǒng)

 

  硬架式直升機航磁測量系統(tǒng)是中國國土資源航空物探遙感中心新研制、具有國際先進水平的航空物探測量系統(tǒng)。

 

  機載航空物探設(shè)備包括HC— 2000K航空磁力儀、DSC— 1航磁補償儀、GPS導(dǎo)航定位設(shè)備、GPS差分定位設(shè)備、數(shù)據(jù)顯示設(shè)備等。

 

  2005年在湖北黃石地區(qū)進行了硬架式直升機航空物探(磁)測量工作① 。測線飛行采用沿地形起伏飛行的方法, 測線間距100 m。導(dǎo)航定位精度好于1 m;平均飛行高度為144 m, 測線偏航距通常小于11 m, 測量總精度小于2nT。

 

  1.2 系統(tǒng)機動靈活

 

  在直升機爬升率允許的范圍內(nèi), 直升飛機升降自如, 非常適合于目的性比較強的小規(guī)模精細探測;由于直升機轉(zhuǎn)彎靈活, 也可以多次重復(fù)飛行, 直到得到滿意結(jié)果為止。在一些地形陡峭的地區(qū), 甚至可以利用慢速和懸停功能, 精細獲取航空物探測量數(shù)據(jù), 這是固定翼飛機無法比擬的。

 

  盡管在海拔高度2 500 m以上的高原地區(qū), 直升機爬升率一般為2.5 m/s左右, 遠低于其通常5m/s左右的爬升率, 但是直升機水平飛行速度低的特點使其在相同的距離上贏得了更充足的爬升時間, 一般可以贏得比Y-12等固定翼飛機多一倍的爬升時間, 因此直升機航空物探系統(tǒng)在山前和山后飛行高度也可以明顯降低, 真正實現(xiàn)隨地形起伏飛行方式。圖1為湖北黃石地區(qū)硬架式直升機航空物探系統(tǒng)飛行高度(50 m過山頭)曲線和固定翼飛機最大低飛理論曲線對比圖。固定翼最大低飛高度理論曲線設(shè)計依據(jù)主要是飛機地速7.5 m/s, 爬升率5m/s, 過山頭高度100 m。由圖可見, 直升機航空物探系統(tǒng)在山前和山后等地區(qū)降低飛行高度方面具有明顯的優(yōu)勢。

 

  1.3 系統(tǒng)分辨率高

 

  由于直升機航空物探系統(tǒng)靈活、飛行高度低, 因此明顯提高了系統(tǒng)對探測目標(biāo)物的分辨率。圖2是黑龍江料甸地區(qū)硬架式直升機航空物探系統(tǒng)試驗測量結(jié)果② 。區(qū)內(nèi)南部為華力西晚期中粒至斑狀花崗巖、花崗閃長巖類;中部局部存在二疊系砂巖、厚層大理巖夾頁巖和石灰?guī)r, 含石墨層;北部為白堊系中酸性和中基性火山巖。根據(jù)DEM資料分析, 在料甸試驗區(qū)7 km×20 km范圍內(nèi)在1960年進行過1∶10萬航磁測量, 使用25型儀器, 目視領(lǐng)航, 平均飛行高度200 m。為了突出對比效果, 我們截取了1960年相同范圍固定翼系統(tǒng)測量數(shù)據(jù), 并按照本次試驗所采用的相同方法和網(wǎng)格距形成了等值線平面圖(圖2a)。圖2b和圖2c是利用硬架式直升機航空物探測量數(shù)據(jù)繪制的等值線圖(飛行高度分別為100 m和30 m)。對比新老資料, 雖然磁場總體趨勢基本一致, 但老資料磁場信息較為平緩, 沒有反映出局部磁異常的分布特點。主要是當(dāng)時的儀器精度低、測量高度大、收錄方式等問題造成, 部分原因也可能是因為40年來的礦產(chǎn)開改變了一些磁場形態(tài);值得說明是, 硬架式直升機航空物探30 m飛行高度的測量結(jié)果比100 m飛行高度的測量結(jié)果信息更為豐富,同時磁場值也相應(yīng)增大, 這進一步說明了直升機航空物探低高度飛行測量的高分辨率特性。

 

  2005年硬架式直升機航空物探系統(tǒng)在湖北黃石地區(qū)開展的1∶1 萬高分辨航空物探測量中, 共新編航磁異常97 處, 其中甲類礦致異常13 處, 而1993年該區(qū)曾開展1∶2.5萬航磁測量, 僅選編異常22處[ 5] 。其主要原因是由于儀器測量精度、定位精度的提高, 以及飛行高度的降低, 提高了系統(tǒng)的分辨率[ 5] , 發(fā)現(xiàn)了一些原有被遺漏的弱小異常, 異常信息量的增加為下一步找礦工作部署提供了依據(jù)。

 

  1.4 精細反演方法

 

  1.4.1 單剖面反演

 

  精細反演是指利用直升機航空物探高精度測量數(shù)據(jù), 即通過詳細測量或收集測區(qū)內(nèi)地表及井下各類巖石的物性資料, 采用二維[ 6] 或三維正演方法去除已知地質(zhì)體引起的物探異常, 求取剩余異常和利用剩余異常反演地下地質(zhì)體空間位置的方法技術(shù)。

 

  1.4.2 多剖面聯(lián)合反演

 

  精細剖面反演可以依據(jù)航磁資料, 結(jié)合地面勘探線位置, 進行多剖面聯(lián)合反演。此種反演特點是在綜合考慮已知或推測礦體、磁性巖體在走向延伸情況, 特別是剖面旁測磁性體的影響前提下來設(shè)計磁性體斷面特征及走向延伸長度。因此, 能夠更加全面地推斷地下磁性體空間展布特征。

 

  2 深部找礦效果

 

  直升機航空物探系統(tǒng)分辨率高、多參數(shù)測量, 解釋中可以互相印證, 能夠減少異常多解性, 再加上測量面積較大, 可以從區(qū)域上分析解釋異常成因, 因而可以提供較為可靠的找礦信息。

 

  2004年航遙中心與加拿大INCO公司合作在遼東—吉南成礦帶的樺甸—和龍銅鎳成礦遠景地區(qū)的3個區(qū)塊開展了1∶2.5萬直升機電磁、磁綜合測量取得了明顯的效果, 確定了多處對尋找銅鎳礦有意義的找礦目標(biāo);2005年航遙中心在湖北黃石開展了1∶1萬硬架式直升機航磁測量, 依據(jù)精細解釋結(jié)果所布設(shè)的鉆孔, 已有三孔見礦, 分述如下。

 

  圖3是象鼻山礦段精細反演結(jié)果。Fe3 和Fe4是兩個新推斷的未知礦體。2006 年10月, 在Fe4礦體上布設(shè)的ZK21-8 孔, 于孔深721.98 ～ 770.37m間發(fā)現(xiàn)了6層鐵礦體, 累計厚14.8 m, 礦石礦物主要為磁鐵礦, 磁黃鐵礦、黃銅礦等, 鐵的品位目估為20% ～ 45%, 銅的品位目估為0.5%。采用同樣的方法, 在獅子山西側(cè)布設(shè)了ZK26-6孔于732 m見礦, 見鐵礦體厚度為4.44 m。

 

  圖4是龍洞礦段13勘探線反演結(jié)果。首先根據(jù)勘探線地質(zhì)剖面圖及勘探線經(jīng)過區(qū)的巖相變化,對圍巖進行計算, 其基本能產(chǎn)生背景場的異常曲線;然后再將現(xiàn)有鉆孔控制礦體(Fe1)、掛幫礦(Fe4)加入, 得出計算曲線與異常主尖峰仍有較大剩余異常存在。觀察異常曲線形態(tài)可以得出, 異常主峰較陡,故推斷強磁性體埋藏深度較淺, 同時Fe3所處位置均為年代較早鉆孔, 鉆孔深度不大, 并對應(yīng)于主峰異常正下方, 通過反演計算也在淺部得出強磁性體, 故推斷在海拔標(biāo)高-50 ～ -120 m附近存在Fe3鐵礦體。增加Fe3模型后, 在剖面9.4 km附近, 仍存在部分剩余異常, 結(jié)合成礦理論及相鄰12勘探線推斷成礦位置, 故推斷得出在海拔標(biāo)高-580 ～ -680 m上下存在Fe2鐵礦體。2007年13線設(shè)計鉆孔位置(JY13-1)附近布設(shè)的ZK13-8 于孔深703.49 ～732.66 m之間見到3層鐵礦, 總厚度為11 m。

 

  ZK21-8、ZK26-6、ZK13-8孔見礦, 實現(xiàn)了大冶鐵礦深部找礦的又一次重要進展, 進一步證實了大冶鐵礦龍洞—象鼻山地段深部存在3個臺階成礦的認識, 增強了在深部找礦的信心。

 

  3 應(yīng)用前景

 

  由于直升機航空物探系統(tǒng)靈活、分辨率高, 在國際上大多用于礦區(qū)、礦區(qū)外圍, 以及重點成礦靶區(qū)的精細測量工作, 并且在鐵礦、及多金屬深部找礦方面取得了明顯的效果;目前, 國內(nèi)已經(jīng)完成了幾個測區(qū)的直升機航空物探測量工作, 也取得了顯著的勘查效果, 并在大冶鐵礦的深部找礦中取得了突破。由于我國的鐵礦、多金屬礦區(qū), 以及重點成礦靶區(qū)大多地形復(fù)雜, 地面施工困難, 礦區(qū)及外圍的區(qū)域性物探研究程度并不高, 為了提高資源評價進程, 開展直升機航空物探測量是十分必要的。

 

  3.1 鐵礦

 

  我國鐵礦資源勘探程度總體呈現(xiàn)東高、西低, 鞍本、邯邢、寧蕪、魯中、鄂東等鐵礦區(qū), 勘探和詳查礦區(qū)可達87%;勘探程度較低的遼西、五臺、密懷、蒙中, 以及西部地區(qū)的祁連山、阿爾泰山、東西天山等,多數(shù)礦區(qū)僅達到普查階段。我國鐵礦床勘探深度,絕大部分在250 ～ 700 m之間, 平均500 m, 其中東部地區(qū)部分礦區(qū)大于700 m, 個別達1 000 m, 西部地區(qū)不少礦區(qū)小于200 m。東部地區(qū)絕大多數(shù)鐵礦床, 礦體沿走向和傾向延伸(深)很大, 外圍和隱伏區(qū)找礦有望, 重點是鞍本、冀東等鐵礦化集中區(qū), 擴大鐵礦儲量, 延長礦山服務(wù)年限。中、西部地區(qū)的五臺、蒙中、東西天山、阿爾泰山以及東部地區(qū)的遼西等成礦區(qū), 工作程度低, 是今后找礦重點, 有望發(fā)現(xiàn)一批新的鐵礦資源基地。

 

  3.2 多金屬礦

 

  近年來, 遼寧青城子鉛鋅礦經(jīng)過綜合研究和勘查, 在礦區(qū)外圍發(fā)現(xiàn)了一系列大中型金礦床, 累計探明儲量近200 t, 使青城子地區(qū)一躍成為超大型金銀多金屬礦田;江西德興銅礦外圍發(fā)現(xiàn)的金山、銀山等大型金礦, 探明資源儲量近百噸。

 

  由于在我國的成礦遠景區(qū)帶中的礦化蝕變帶、銅及多金屬礦床通常具有一定的導(dǎo)電性, 若能夠在我國的重點銅及多金屬礦山及外圍開展高分辨率的直升機航空物探綜合測量, 充分利用航空電磁測量速度快, 工作部署面積大, 數(shù)據(jù)成果反饋迅速的優(yōu)勢, 結(jié)合已知礦區(qū)電磁異常找礦模型, 快速對礦區(qū)外圍及有利礦帶的延伸區(qū)域開展評價, 就有可能發(fā)現(xiàn)新的礦產(chǎn)資源基地。

 

  3.3 找礦靶區(qū)

 

  中國地調(diào)局確定的16個重點金屬找礦區(qū)帶中劃分的許多成礦遠景區(qū)及靶區(qū), 由于地形復(fù)雜、地質(zhì)和物探研究程度受到限制。航空物探勘查多為20世紀(jì)70年代前后開展的固定翼航空磁測、定位精度較低、測量比例尺多為1∶20萬, 少數(shù)為1∶5萬, 且飛行高度較大, 很可能遺漏許多有找礦意義的異常。

 

  并且受當(dāng)時技術(shù)條件限制, 物探異常評價較粗略, 精細反演工作很有限。另外在“16個重點區(qū)片”中有許多重要銅、及多金屬礦床, 如長江中下游成礦帶的銅陵銅礦、德興大型銅礦, 南嶺成礦帶的水口山銅礦, 以及豫西成礦區(qū)的中條山大型銅礦等, 川滇黔相鄰成礦帶的東川銅礦、大理銅錫礦等;因此, 在16個重點區(qū)片中的重點成礦靶區(qū)開展直升機航空物探測量十分必要。

 

  值得說明的是, 新發(fā)現(xiàn)礦區(qū)未開采前工業(yè)設(shè)施等人文干擾較少, 此時若能夠開展高分辨率航空物探測量, 有利于提取深部或盲礦體相關(guān)異常信息和外圍找礦預(yù)測工作。同時將其測量結(jié)果作為基礎(chǔ)地質(zhì)資料進行存儲, 作為今后礦區(qū)進一步找礦勘探的原始背景資料, 可為礦山后續(xù)開發(fā)提供依據(jù)。

 

  4 結(jié) 論

 

  為適應(yīng)國家經(jīng)濟發(fā)展需求, 擴大我國礦產(chǎn)資源潛力, 發(fā)揮直升機航空物探速度快, 飛行高度低的優(yōu)勢, 開展重點金屬成礦靶區(qū)及危機礦山區(qū)高分辨率航空物探勘查工作, 提供勘查區(qū)物探基礎(chǔ)調(diào)查資料,建立找礦模型, 擴大礦山儲量, 實現(xiàn)大比例尺找礦定位方法技術(shù)的突破, 爭取獲得重大找礦成果。