國(guó)外許多大型礦山勘探開(kāi)采深度已超過(guò)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(chǔ)量大于300萬(wàn)噸的富銅礦床[ 1] 。我國(guó)絕大多數(shù)礦山的開(kāi)采深度一般不足500 m, 考慮到現(xiàn)行勘探和開(kāi)采技術(shù)在500 ～1 000 m深度范圍內(nèi)的可行性, 礦山無(wú)疑存在深部第二找礦空間、第三找礦空間。我國(guó)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(jiàn)到第三臺(tái)階厚大礦體[ 2]等, 我國(guó)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(cè)、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(cè)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(lái), 采取引進(jìn)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(jī)頻率域電磁、磁綜合測(cè)量系統(tǒng)和硬架式直升機(jī)磁、放綜合測(cè)量系統(tǒng),投入生產(chǎn)并獲得了良好的勘查效果。目前國(guó)內(nèi)直升機(jī)最大勘探比例尺已達(dá)1∶5 000, 并且這兩套直升機(jī)航空物探測(cè)量系統(tǒng)可以沿地形起伏飛行, 探頭離地高度最低可達(dá)30 ～ 80 m, 采樣間隔可達(dá)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(jī)測(cè)量具有速度快、測(cè)量精度高、信息豐富、異常分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。在礦區(qū)做較大的測(cè)量面積不僅可對(duì)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(duì)比分析, 有助于發(fā)現(xiàn)礦區(qū)周?chē)粗V床。大冶1∶1萬(wàn)高分辨率航磁找礦成功經(jīng)驗(yàn)表明, 以直升機(jī)物探方法獲取的高精度資料為基礎(chǔ),采用精細(xì)反演方法, 可以實(shí)現(xiàn)深部找礦目的。

 

  1 直升機(jī)航空物探方法

 

  1.1 測(cè)量系統(tǒng)組成

 

  1.1.1 吊艙式系統(tǒng)

 

  吊艙式直升機(jī)頻率域電磁、磁測(cè)量系統(tǒng)是我國(guó)在從加拿大引進(jìn)的IMPULSE六頻電磁儀和磁力儀基礎(chǔ)上, 自行集成的一套測(cè)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(cè)量系統(tǒng)、模擬記錄儀和電源系統(tǒng)組成, 可同時(shí)測(cè)量電磁、磁2 種參數(shù), 其性能指標(biāo)達(dá)到了世界同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)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(duì)發(fā)射和接收線圈(水平共面線圈對(duì)和垂直同軸線圈對(duì)), 每對(duì)線圈的發(fā)射磁矩為800 A·m2 , 發(fā)射3個(gè)頻率, 頻率范圍870 ～ 23 250 Hz, 其中水平共面線圈對(duì)層狀大地的導(dǎo)電率有較高的分辨率, 而垂直同軸線圈對(duì)垂直導(dǎo)體分辨率較高。該系統(tǒng)記錄6個(gè)頻率的電磁響應(yīng), 采樣率每秒30次, 在直升機(jī)時(shí)速120 km/h時(shí), 相當(dāng)于沿著飛行測(cè)線每1m一個(gè)采樣。

 

  2004年在內(nèi)蒙古烏達(dá)煤礦區(qū)進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次吊倉(cāng)式直升機(jī)航空磁、電磁綜合測(cè)量。測(cè)線飛行采用沿地形起伏飛行的方法, 測(cè)網(wǎng)密度為50 m×250 m, 測(cè)線間距50 m。直升機(jī)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(cè)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(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)是中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心新研制、具有國(guó)際先進(jìn)水平的航空物探測(cè)量系統(tǒng)。

 

  機(jī)載航空物探設(shè)備包括HC— 2000K航空磁力儀、DSC— 1航磁補(bǔ)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(jìn)行了硬架式直升機(jī)航空物探(磁)測(cè)量工作① 。測(cè)線飛行采用沿地形起伏飛行的方法, 測(cè)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(cè)線偏航距通常小于11 m, 測(cè)量總精度小于2nT。

 

  1.2 系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活

 

  在直升機(jī)爬升率允許的范圍內(nèi), 直升飛機(jī)升降自如, 非常適合于目的性比較強(qiáng)的小規(guī)模精細(xì)探測(cè);由于直升機(jī)轉(zhuǎn)彎靈活, 也可以多次重復(fù)飛行, 直到得到滿(mǎn)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(xì)獲取航空物探測(cè)量數(shù)據(jù), 這是固定翼飛機(jī)無(wú)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(jī)爬升率一般為2.5 m/s左右, 遠(yuǎn)低于其通常5m/s左右的爬升率, 但是直升機(jī)水平飛行速度低的特點(diǎn)使其在相同的距離上贏得了更充足的爬升時(shí)間, 一般可以贏得比Y-12等固定翼飛機(jī)多一倍的爬升時(shí)間, 因此直升機(jī)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(shí)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(jī)航空物探系統(tǒng)飛行高度(50 m過(guò)山頭)曲線和固定翼飛機(jī)最大低飛理論曲線對(duì)比圖。固定翼最大低飛高度理論曲線設(shè)計(jì)依據(jù)主要是飛機(jī)地速7.5 m/s, 爬升率5m/s, 過(guò)山頭高度100 m。由圖可見(jiàn), 直升機(jī)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(shì)。

 

  1.3 系統(tǒng)分辨率高

 

  由于直升機(jī)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(duì)探測(cè)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(jī)航空物探系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)巖類(lèi);中部局部存在二疊系砂巖、厚層大理巖夾頁(yè)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(yàn)區(qū)7 km×20 km范圍內(nèi)在1960年進(jìn)行過(guò)1∶10萬(wàn)航磁測(cè)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(duì)比效果, 我們截取了1960年相同范圍固定翼系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù), 并按照本次試驗(yàn)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(jī)航空物探測(cè)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(duì)比新老資料, 雖然磁場(chǎng)總體趨勢(shì)基本一致, 但老資料磁場(chǎng)信息較為平緩, 沒(méi)有反映出局部磁異常的分布特點(diǎn)。主要是當(dāng)時(shí)的儀器精度低、測(cè)量高度大、收錄方式等問(wèn)題造成, 部分原因也可能是因?yàn)?0年來(lái)的礦產(chǎn)開(kāi)改變了一些磁場(chǎng)形態(tài);值得說(shuō)明是, 硬架式直升機(jī)航空物探30 m飛行高度的測(cè)量結(jié)果比100 m飛行高度的測(cè)量結(jié)果信息更為豐富,同時(shí)磁場(chǎng)值也相應(yīng)增大, 這進(jìn)一步說(shuō)明了直升機(jī)航空物探低高度飛行測(cè)量的高分辨率特性。

 

  2005年硬架式直升機(jī)航空物探系統(tǒng)在湖北黃石地區(qū)開(kāi)展的1∶1 萬(wàn)高分辨航空物探測(cè)量中, 共新編航磁異常97 處, 其中甲類(lèi)礦致異常13 處, 而1993年該區(qū)曾開(kāi)展1∶2.5萬(wàn)航磁測(cè)量, 僅選編異常22處[ 5] 。其主要原因是由于儀器測(cè)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(xì)反演方法

 

  1.4.1 單剖面反演

 

  精細(xì)反演是指利用直升機(jī)航空物探高精度測(cè)量數(shù)據(jù), 即通過(guò)詳細(xì)測(cè)量或收集測(cè)區(qū)內(nèi)地表及井下各類(lèi)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(xì)剖面反演可以依據(jù)航磁資料, 結(jié)合地面勘探線位置, 進(jìn)行多剖面聯(lián)合反演。此種反演特點(diǎn)是在綜合考慮已知或推測(cè)礦體、磁性巖體在走向延伸情況, 特別是剖面旁測(cè)磁性體的影響前提下來(lái)設(shè)計(jì)磁性體斷面特征及走向延伸長(zhǎng)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(jī)航空物探系統(tǒng)分辨率高、多參數(shù)測(cè)量, 解釋中可以互相印證, 能夠減少異常多解性, 再加上測(cè)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(yuǎn)景地區(qū)的3個(gè)區(qū)塊開(kāi)展了1∶2.5萬(wàn)直升機(jī)電磁、磁綜合測(cè)量取得了明顯的效果, 確定了多處對(duì)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(kāi)展了1∶1萬(wàn)硬架式直升機(jī)航磁測(cè)量, 依據(jù)精細(xì)解釋結(jié)果所布設(shè)的鉆孔, 已有三孔見(jiàn)礦, 分述如下。

 

  圖3是象鼻山礦段精細(xì)反演結(jié)果。Fe3 和Fe4是兩個(gè)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(jì)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(jiàn)礦, 見(jiàn)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(guò)區(qū)的巖相變化,對(duì)圍巖進(jìn)行計(jì)算, 其基本能產(chǎn)生背景場(chǎng)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(jì)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(qiáng)磁性體埋藏深度較淺, 同時(shí)Fe3所處位置均為年代較早鉆孔, 鉆孔深度不大, 并對(duì)應(yīng)于主峰異常正下方, 通過(guò)反演計(jì)算也在淺部得出強(qiáng)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(jì)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(jiàn)到3層鐵礦, 總厚度為11 m。

 

  ZK21-8、ZK26-6、ZK13-8孔見(jiàn)礦, 實(shí)現(xiàn)了大冶鐵礦深部找礦的又一次重要進(jìn)展, 進(jìn)一步證實(shí)了大冶鐵礦龍洞—象鼻山地段深部存在3個(gè)臺(tái)階成礦的認(rèn)識(shí), 增強(qiáng)了在深部找礦的信心。

 

  3 應(yīng)用前景

 

  由于直升機(jī)航空物探系統(tǒng)靈活、分辨率高, 在國(guó)際上大多用于礦區(qū)、礦區(qū)外圍, 以及重點(diǎn)成礦靶區(qū)的精細(xì)測(cè)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(guó)內(nèi)已經(jīng)完成了幾個(gè)測(cè)區(qū)的直升機(jī)航空物探測(cè)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(guó)的鐵礦、多金屬礦區(qū), 以及重點(diǎn)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(píng)價(jià)進(jìn)程, 開(kāi)展直升機(jī)航空物探測(cè)量是十分必要的。

 

  3.1 鐵礦

 

  我國(guó)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(dá)87%;勘探程度較低的遼西、五臺(tái)、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(dá)到普查階段。我國(guó)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(gè)別達(dá)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(diǎn)是鞍本、冀東等鐵礦化集中區(qū), 擴(kuò)大鐵礦儲(chǔ)量, 延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限。中、西部地區(qū)的五臺(tái)、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(diǎn), 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(lái), 遼寧青城子鉛鋅礦經(jīng)過(guò)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(jì)探明儲(chǔ)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(chǔ)量近百?lài)崱?/div>