遥感测绘技术在地质勘查中的应用研究

高 明,李 杰,王文进,张 敏,潘 幸

(中国冶金地质总局 第二地质勘查院,福建 莆田 351100)

从古至今地理位置优越[1-2],也具备着幅员辽阔的特点,有着丰富的土地资源、矿山资源等。随着时间的沉淀,矿山产地的矿物质在地质深层中[3],其中还包含一些非再生资源,这些资源本身具有较强的价值。由于矿物资源多数处于人迹罕至的位置,在日常勘查中有着较大的难度系数。遥感测绘技术在地质勘探中有着较强的优势,人们多利用该技术进行地质勘探,但遥感测绘技术使用范围有限,会影响勘查效率。为了解决这一问题,对遥感测绘技术在冶金地质勘查中的应用进行了详细研究。

一些研究者以航拍技术为主,采用遥感技术对地质信息进行勘探,从中得出彩色数字地面图形的点、线、面等地质信息,利用遥感技术制定一套地质勘探流程,通过该流程实现地质勘探[4]。有些研究者根据矿山地质的全貌拍摄地质三维GPS图像,并将获取的结果引入到建立的三维影像模型软件中,将GPS、GIS技术与软件相结合,完成地质勘查[5]。还有研究者选取北山区域为研究对象,获取地质环境问题图像,同时将软件与影像合成三维模型,按照该模型对地质目标区域进行解译,得出更加精致的地质图像。该图像可以有效地表现出地质的形态、内容等,完成地质勘查[6]。

但是这些研究只能测得地面信息,难以获取地下信息。为了改进上述方法的缺陷,本文将多物探方法应用至冶金地质勘查中,以期提升冶金地质勘查质量与效率。

1 冶金地质信息获取

1.1 地表数据获取

地形、地貌等地表数据利用遥感测绘技术获取,数据获取流程如图1所示。

图1 基于遥感测绘技术的地表数据获取流程Fig.1 Surface data acquisition process based on remote sensing surveying and mapping technology

冶金矿区属于重干扰区,电磁干扰强烈。利用遥感测绘技术获取冶金矿区地表数据后,通过建立三维地表模型,分析调查区地质体几何特征及影像特征[7-8],能够实现产状量测、地质体出露宽度量测及体积估算,并可提供高清影像三维场景开展遥感地质解译[9-10]。

1.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法又称纯异常场法,属于一种电磁地质测探方法。该方法主要是利用阶跃波形电磁脉冲激发,通过不接地回线向地下发射一次场,在断电后获取由地下介质产生的感应二次场,以此分析地质特征[11]。由于其具有穿透能力强、勘探深度大、干扰小、地质与地形条件影响小以及精度高等特点,已经在地质勘查领域得到广泛应用。其工作原理如图2所示。

图2 瞬变电磁法工作原理Fig.2 The working principle of transient electromagnetic method

分析图2可知,发射线圈产生阶跃电流或电压信号,使得激励线圈中的电流变为0,这种电流的阶跃变换使得线圈周围产生一次磁场。而一次涡流场是伴随一次磁场而生的,一次涡流场在遇到介质中的良导电地质体后,激发使得其内部产生感应电流。感应电流在传输过程中存在一定的热损耗,从而使良导电周围产生一个新的磁场,这部分磁场就称为二次磁场。这种磁场信号包含了与地质体有关的地质信息,随着时间的增加而不断缩减,形成瞬变电磁场,结合瞬变电磁场能够对于地质信息进行感知。

瞬变电磁数据采集与应用流程如图3所示。分析图3可知,利用相关装置获取瞬变电磁数据,并对不同来源的数据格式进行转换,以便后续统一分析与处理。对格式转换后的数据进行异常点剔除、滤波以及圆滑处理,消除异常数据。

采用TEMAVG软件对圆滑处理后的数据进行关断时间校正以及时深转换,结合地质资料和测井资料、高程、地形等绘制初始断面图。找出图中的畸变数据并剔除,从而绘制新的断面图,利用该软件进行数据正反演处理,结合地层等高线等地质资料绘制出电阻率断面图;当电阻率断面图满足要求后,绘制视电阻率切片图,对切片图进行综合分析解释,得到相关的地质勘查资料。

图3 瞬变电磁数据采集与应用流程Fig.3 Transient electromagnetic data acquisition and application process

1.3 高密度电法

高密度电法是阵列勘探方法的一种[12],在地质勘查过程中,只需要将全部电极放置在观测剖面的各测点上,就能够实现高质量的地质勘查。利用采集装置采集相关数据,并将采集到的数据传输到计算机,对数据进行处理后获取地电断面分布结果。该方法具有测量误差小、获取的地质特征丰富、数据可视化速度快以及解析简单等优势,已经广泛应用在地质勘查领域。高密度电法工作原理如图4所示。

图4 高密度电法工作原理Fig.4 Working principle of high-density electrical method

高密度电法工作原理:利用供电电极AB向地下施加电流强度为I、场强为E的人工电场,利用测量电极以及测量电极对MN,获取该电场在MN之间存在的电势差ΔU,从而计算出此时存在的视电阻率。将该值记在MN中的任意位置,不断移动AB和MN,即可测得某一深度下的所有视电阻率,并利用改变AB极距的方式获取不同深度同一位置的视电阻,从而完成地质勘查。

基于高密度电法的数据采集与处理架构如图5所示。

图5 基于高密度电法的数据采集与处理架构Fig.5 Data acquisition and processing architecture based on high-density electrical method

分析图5可知,主要是通过高密度布点,利用高密度主机以及电极转换器实现地质勘查数据采集。将采集到的数据传输到计算机中,对数据进行格式转换与去噪处理,根据处理后的数据进行地形校准与二维反演处理;根据地下介质间的电性差异分析地质层位的发育情况,并解释成图,从而获取该区域的相关地质勘查信息。

2 冶金地质勘探研究

根据上述利用遥感测绘技术所获取的冶金矿区地表数据,将该影像与多种物探方法相结合,对冶金矿区地质开展勘查研究。

以遥感测绘数据为基础,采用瞬变电磁法中大电流小中心回线与大定源回线等方法[13-14],结合高密度电法获取冶金地质剖面,详情如下。

(1)高密度电法实验剖面。采用高密度电法获取冶金地质高密度剖面,以北东方向为主布设剖面,其测线编号为1号。高密度电法下1号测线的视电阻率异常剖面如图6所示。

图6 高密度电法1号测线视电阻率异常剖面Fig.6 Abnormal profile of apparent resistivity of high-density electrical method line 1

1号测线的冶金地质物探综合剖面如图7所示。

图7 1号线冶金地质物探剖面Fig.7 Metallurgical geophysical prospecting profile of line 1

由图7可知,冶金地质剖面1号测线的260～280 m、75～125 m、60～190 m处分别部署高阻异常ck1、ck2和低阻异常ck3等,部署后冶金地质的视电阻率在750～5 200 Ω·m变化,电阻异常冶金地表附近会显露出几条冶金矿化带,在ck2南部90 m位置处。如果周边存有民采井,说明冶金采空区会导致ck2电阻异常;如果周边有破碎带或者冶金采空区有水流,就会引起ck3冶金采空区异常;而ck1的异常则是由于隐伏冶金采空区造成的。为了更好地勘查出1号线冶金地质周边的地质情况,设置ck1、ck2埋置15～35 m,ck3埋置55 m左右。

为了验证冶金地质1号线勘查结果的准确性,在矿区中施工钻孔,设置孔深为250 m,钻孔的角度在75°,钻孔方向为北西向。通过钻探后,获取冶金地质断层及采空区域断面实际等值线。冶金地质的中断层在38.7～42.1 m,地质中主要包含花岗岩较多,其采取率在89%左右,处于1号线的ck2区域;深入到118.2～120.3 m时属于冶金采空区,大多岩性为绿泥石化及高岭土化,具备较强的蚀变性,其岩心较脆弱、容易破碎,这类岩性的采取率在23%左右,处于1号线的ck1位置。

通过检测结果验证了遥感测绘技术与物探方法勘查的冶金地质与钻探后的冶金地质勘查结果相同,证明了遥感测绘技术的准确性。

(2)冶金地质瞬变电磁等值实验剖面。瞬变电磁法应用下2号线的视电阻率剖面如图8所示。

图8 瞬变电磁法下2号测线视电阻率剖面Fig.8 Apparent resistivity profile of line 2 under transient electromagnetic method

基于测试出的1号线剖面,以北东方向为主,设置该剖面线为2号线,2号线冶金地质物探综合剖面如图9所示。分析图9可知,共勘探出有4处会对冶金地质采空范围造成影响或具有破碎的岩体。其中,这4处的视电阻率在750～6 500 Ω·m变化,异常影响范围在ZKW-12分布线的296～950 m处,多数属于低阻异常;同时,靠近冶金地质地表390～430 m处存在一口竖井。

设置在冶金地质剖面的1 020 m处施工钻井,其钻井深度为250 m,以北西方向为主,角度75°。根据冶金地质勘查时获取的反演断面等值线得知,在冶金地质深处164.2～166.5 m时,属于冶金采空区,其内部主要为呈黑云母形态的花岗岩;深入地质后,深度为213.2～215.2 m时,其地质岩性为具有黄铁矿物质的花岗岩,它的采取率仅在左右;距离这类岩性物质不远处,深度为199.7～203.8 m处,存有伟晶岩。

图9 2号线冶金地质物探剖面Fig.9 Metallurgical geophysical prospecting profile of line 2

由以上勘查结果可知,遥感测绘技术和多物探方法的结合,与实测钻探结果基本一致,表明了冶金地质勘探结果的精准性、有效性。

利用遥感测绘技术与多物勘探方法结合,获取了冶金地质内部物质形成原因以及出现异常的影响因素,得知边界条件的限制及冶金地质勘探成果的多样性。依据以上勘探结果,完成了冶金地质勘查研究。

3 冶金地质特征分析

根据冶金地质勘查信息提取冶金地质矿区内部构造及特征,获取冶金矿石品位等级变化规律,以期为冶金地质勘查工作的开展提供指导。

(1)矿区构造。矿区褶皱主要呈西南走向、多为斜坡,冶金地质底层大多物质为白云岩,受风力影响斜坡断层容易遭受破坏或残缺[15-16]。而矿区产生的断层角度在35°～90°,破碎带宽度在10 m以上,该断层由粉末状白云岩构成。

(2)矿层冶金地质特征。矿区冶金地质主要为5层磷矿,其岩层大多呈层状,各个矿层所代表的层次均不相同。Ⅱ层为主矿层,长度长达7 854 m,矿层斜深最大在721 m,走向、倾向具有相关性,厚度也处于稳定状态。但沿倾向方向的矿石品位有着下降的趋势,矿区地表内矿石冶金普遍为Ⅰ、Ⅱ级,逐渐步入深部地表后品级会随之增加到Ⅲ品级及Ⅲ品级以上[17-18]。

为了能够精准分析冶金地质特征,对冶金矿区地层实行剖析。冶金地质矿区的x-y地质剖面如图10所示。从图10可以看出,矿区冶金地质共有3个层次,分别为Ⅰ层、Ⅲ层、V2层,其中1y2代表冶金地质断面。

图10 冶金矿区地层剖面分析Fig.10 Analysis of stratigraphic profile in metallurgical mining area

分析V2号矿体可以得出,矿体层次的总长度为6 700 m。这类矿层的中部区域厚度较大,矿层长度越大南北两端会愈加薄弱,还会出现分支情况,其厚度约为3 m,V2号矿体的矿石、冶金均为Ⅰ、Ⅱ品级,具有连续性较差的劣势。矿体底部位置为泥岩、砂石等,顶部位置为细砂岩、粗砂岩等,中间部分则为白云质粉砂岩。这类层次的矿体冶金地质特征[19-20]见表1。

根据表1中的数据获取冶金矿石的变化规律,Ⅰ矿体含品位最高,而Ⅱ矿体含品位最低,以Ⅱ矿体为基础向V3矿体品位递增。横向上趋势来看,各矿体的品位会出现递增或递减的情况,其品位等级不同,而V2矿体的品位等级则会出现波形变化。

表1 矿区冶金地质特征分析Tab.1 Analysis of metallurgical geological characteristics of mining area

根据以上变化规律可以得出,矿区冶金矿石的品位等级变化与矿层的厚度产生关系,具有负相关,而冶金矿石的氧化效果与品位等级呈正相关。可见,氧化效果越高,说明冶金矿石的品位等级越高;反之,层次越厚,冶金矿石的品位等级越低。

4 结语

由于当前地质勘探系统不完善,研究了遥感测绘技术在冶金地质勘查中的应用。利用遥感测绘技术获取冶金矿区地表数据后,通过建立三维地表模型,分析调查区地质体几何特征及影像特征,以此开展遥感地质解译。以遥感地质解译为基础,结合瞬变电磁法、高密度电法等多物探方法,绘制电阻率切片图以及地质层位发育情况图等,得到获取冶金地质信息,主要包括冶金地质矿区内部构造及特征,从而获取冶金矿石品位等级变化规律。根据冶金地质信息得知冶金地质内部物质的多样性,同时也验证了本文研究的冶金地质勘查方法的有效性,可以为后续的勘查研究奠定坚实的基础,促进冶金地质勘查工作的顺利进行。