井中质子磁力仪与高精度井中磁测方法技术.docx

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井中质子磁力仪与高精度井中磁测方法技术

井中质子磁力仪与高精度井中磁测方法技术

雷振英米宏泽

（中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所）

一、井中高精度质子磁力仪研制

1、研制工作主要进展

在中国地质调查局的项目支持下，研制成功我国首台井中高精度质子磁力仪，为开展中弱磁性井中高精度磁测方法技术研究提供了技术支撑。

主要取得以下研究进展：

（1）研制成功高精度小口径（Φ<45mm）井中质子磁力仪传感器，解决了传感器的尺寸小型化、高精度测量、封装材料及其防水性结构等技术问题。

（2）研制开发了井中仪器磁测电路，包括探头的极化电路、调谐电路、放大电路、锁相环等，以及单片机为核心控制各部分工作的逻辑电路。

（3）采用先进的单片机技术，研制了地面控制采集器，解决了与井中仪器进行数据传输及仪器控制等技术问题。

（4）采用无磁的玻璃钢和钛钢外管材料，研制了适用于小口径深孔磁测的井中仪器结构。

研制的CZJ-1井中质子磁力仪（图1）是利用氢质子磁矩在地磁场中自由旋进的原理制成的高灵敏度弱磁测量装置，主要应用于井中地球磁场总向量的观测，是中弱磁性矿体勘查的有力工具。

CZJ-1井中质子磁力仪的特点是：

高分辨率、全量程自动调谐、点阵式LCD现场显示观测数据和曲线，数据自动记录和存储，全中文菜单，可与电脑串接进行数据处理。

操作简单、结构合理、体积小、重量轻、抗干扰能力强、耗电量小、工作稳定可靠。

CZJ-1井中高精度质子磁力仪研制成功，为我国中—弱磁性矿区开展井中磁测找矿提供了可用设备，填补了我国在这一领域的空白。

2、仪器主要技术指标

CZJ-1井中质子磁力仪的主要技术参数:

①磁场测量范围：

30000nT—70000nT；

②分辨率：

0.1nT；

③磁场测量精度：

≤±5nT；总场绝对强度50000nT时±5nT；

④梯度允许范围：

≤5000nT/m

⑤环境温度：

-15℃～+50℃；

⑥环境湿度：

≤95%（25℃）；

⑦数据存储量：

日变方式：

不少于45h（在典型读数间隔为10秒时），点测方式：

不少于8000个点；

⑧主机电源：

锂离子电池：

12.8V～16.8V/5Ah，连续工作不少于17h（日变方式下，典型读数间隔为10s时）。

探头电源：

锂离子电池：

18V～25.2V/2.2Ah，连续读数不少于2200次；

⑨主机外形尺寸：

（长×宽×高）：

220mm×90mm×200mm；

⑩主机重量：

约2Kg；探头外形尺寸及重量：

φ46mm×1620mm，4Kg。

图1CZJ-1井中高精度质子磁力仪

3、仪器性能测试

仪器经过中国计量科学研究院测试，各项性能指标和功能达到设计要求。

在实验井中进行了两台样机的测试实验,仪器重复性好，三次测量的均方差为1.25nT；仪器的稳定性很好，257次定点测量的均方差为1.04nT；两台仪器一改性良好，排除系统误差后，测量的方差为1.97nT。

经过专家组对仪器的测试以及对中国计量科学研究院“CZJ-1井中质子磁力仪测试证书”、廊坊迪远仪器有限公司“井中高精度质子磁力仪水压实验报告”的审核，一致认为：

CZJ-1型井中高精度质子磁力仪的各项性能指标和功能达到设计书的要求，测试结果真实可靠。

仪器测试过程中，各项操作功能正常，工作稳定可靠。

4、仪器野外试验

CZJ-1井中△T质子磁力仪野外试验工作，分别在海南石碌铁矿、山西刁泉铜矿、江苏牛伏山、安徽当涂等矿区，完成了十几个孔的实测试验，发现了一些需要完善和改进的地方，也初步取得了一定的示范效果。

如海南石碌矿区测量的ZK1102孔，CZJ-1井中△T质子磁力仪和JXC－3井中三分量磁测仪实测结果吻合较好，且质子仪器在孔底显示出异常梯度有增大趋势，效果较好。

（1）仪器工作性能检验

仪器野外工作性能检验主要检验了仪器的转向差、重复性、稳定性和仪器的梯度容限。

①在石碌镇地磁总基点对CZJ-1仪器进行了转向差和正常场测定，结果表明CZJ-1仪器转向差良好。

其绝对误差范围在1.3nT～4.6nT,能够满足△δ≤5nT的设计要求。

②重复性检验在5个矿区11个钻孔中进行，基本测量采用在各测点上，仪器保持不动，进行5次瞬间读数方法，并用该点5次读数的均值作为测点的测量值。

重复测量在全部基本测量结束后立即进行。

经5个矿区11个钻孔重复测量误差统计，可以看出：

在曲线平稳段，两次测量的均方差小于±3nT。

③稳定性检验在孔中进行，仪器在某一深度保持不动，采用时间采样方法进行自动读数。

采样间隔为5秒，共进行3.5小时。

从稳定性检验曲线图可以看出：

仪器稳定性较好。

经计算仪器稳定性检验的均方差为±1.79nT。

④梯度容限检验在干扰较少的野外（固安）地面进行，在依维柯汽车（5×2×2.2m3）南侧布设南北向测线一条及在依维柯汽车西侧布设东西向测线一条。

测线长10m，测点距0.5m，探头距地面1.5m。

同时用CZM-4磁力仪（地面仪器）作比较测量。

南北向测线测量在距汽车3.5m以内5次读数值发散。

其误差明显超差。

其对应的梯度大于200nT/m。

东西向测线测量在距汽车3.5m以内5次读数值发散。

其误差明显超差。

其对应的梯度大于800nT/m。

通过对CZJ-1井中质子磁力仪转向差、重复性、稳定性和梯度容限的检验，有如下结论：

①仪器在磁场平稳段重复性好。

②仪器长时工作稳定性好。

③仪器的梯度容差太小，以致造成在井中当有不均匀铁磁矿物分布时（如井壁为中基岩）仪器读数严重超差。

④仪器仅能在井壁岩石无磁性的条件下，探测中弱磁性异常。

（2）野外试验

井中ΔT高精度磁测工作地区除海南石碌铁矿区外,还选择了江苏省南京市伏牛山铜矿区、安徽省池州市马头铜钼矿区等。

A、伏牛山井中ΔT磁测结果

伏牛山ZK553孔投入的测量方法有：

磁化率测井、井中三分量磁测、井中高精度△T磁测。

解释结果如下（见图2）：

该孔钻探在613.70～614.35m和618.85～620.00m分别见到两层较薄的磁铁矿，井磁各测量方法对其均有反映。

但井中高精度△T测量结果明显要高于磁化率测井和井中三分量磁测结果。

这主要反映在如下三个方面:

①在钻探见到的磁铁矿层，磁化率曲线和三分量曲线反映十分明显，可以用来划分矿层厚度。

但井中高精度△T测量曲线反映一般，这有可能是测量采用的是5m的测量间距，矿层较薄跳过了矿层；也有可能是仪器阀值较高，压制了强磁干扰。

②从两条△T，曲线可见，全孔大致呈较为宽缓的反‘S’形，在此背景上井中高精度△T测量曲线对该孔所见中等磁性的矽卡岩层位有很好的显示。

充分显示了该仪器的独特之处。

③在该孔680～730m井段，井中高精度△T曲线显示出明显的反‘C’形旁侧异常。

该异常宽度约50m，△T强度最大值达5000nT。

因什么引起有待查证。

B、马头井中ΔT磁测结果

（A）ZK901孔井中磁测及解释结果

该孔投入的测量方法有：

磁化率测井、井中三分量磁测、井中高精度△T磁测。

测量井段：

30～430m，解释结果如下：

a.磁化率测井资料显示，该孔未见明显强磁性矿层，全孔磁化率在300～480×10-4SI；b.高精度△T和三分量测井结果均未见较大异常。

图2ZK553孔实测井曲线

（B）ZK902孔井中磁测及解释结果

该孔投入的测量方法有：

磁化率测井、井中高精度△T磁测。

测量井段：

50～760m（760m以下孔内遇阻未测），解释结果如下：

a.磁化率测井资料显示，该孔未见明显强磁性矿层，全孔磁化率在280～340×10-4SI；b.高精度△T测井结果未见较大异常。

（C）ZK903孔井中磁测及解释结果

该孔投入的测量方法有：

磁化率测井、井中高精度△T磁测。

测量井段：

50～690m。

解释意见如下：

a.磁化率测井资料显示，全孔磁化率在360～500×10-4SI。

其中在85～100m，磁化率为410～480×10-4SI，528～690m，磁化率为360～460×10-4SI，为相对高磁化率，解释为黄铜矿化引起，综观全孔为低磁化率偶夹相对高磁化率岩性特征；b.高精度△T测井资料显示，全孔△T在0～6000nT，其中在70～100m，510～690m△T值增大，解释为黄铜矿化引起。

（D）ZK905孔井中磁测及解释结果

该孔投入的测量方法有：

磁化率测井、井中高精度△T磁测。

测量井段：

10～430m，解释意见如下：

a.磁化率测井资料显示，该孔未见明显强磁性矿层，全孔磁化率在320～340×10-4SI；b.高精度△T测井结果未见较明显异常。

（E）ZK1101孔井中磁测及解释结果

该孔投入的测量方法有：

磁化率测井、井中三分量磁测；3.井中高精度△T磁测。

测量井段：

90～530m，解释意见如下：

a.磁化率测井资料显示，全孔磁化率在270～500×10-4SI。

其中在108～132m，磁化率为285～440×10-4SI，430～530m，磁化率为270～360×10-4SI，为相对高磁化率，解释为含弱磁性矿层，综观全孔为低磁化率偶夹相对高磁化率岩性特征；b.高精度△T测井资料显示，全孔△T在0～4000nT，其中在90～140m，250～350m，420～530m△T值增大，解释为含弱磁性矿物引起；c、三分量磁测结果未见较大异常。

（F）ZK1301孔井中磁测及解释结果

该孔投入的测量方法有：

磁化率测井、井中高精度△T磁测。

测量井段：

5～300m（300m以下孔内遇阻未测），解释意见如下：

a.磁化率测井资料显示，该孔未见明显强磁性矿层，全孔磁化率在300～350×10-4SI；b.高精度△T测井结果未见较大异常。

C、西庄多金属矿井中ΔT磁测结果

ZK1001孔投入的测量方法有：

磁化率测井、井中三分量磁测、井中高精度△T磁测。

测量井段：

30～540m（540m以下孔内遇阻未测），解释结果如下：

a.磁化率测井资料显示，该孔未见明显强磁性矿层，全孔磁化率在260～400×10-4SI；b.高精度△T和三分量测井结果均未见较大异常。

D、杨庄铁矿井中ΔT磁测结果

ZK112孔投入的测量方法有：

磁化率测井、井中三分量磁测、井中高精度△T磁测。

解释结果（见图3）如下：

该孔钻探在912.33～1081.87m井段见到多层磁铁矿化石膏和磁铁矿化粉砂岩；1098.87～1212.87m井段见到多层磁铁矿。

磁化率测井和井中三分量磁测结果对其均有明显反映，并对其做出了较为详细的分层解释。

该孔500～900m井段△T‘曲线呈‘S’形，特别是井中高精度△T测量结果较三分量磁测结果异常明显得多。

该异常的△T‘强度大致在－1200～2500nT之间，呈较为宽缓状。

其负极值和正极值分别对应井深大约在640m和760m处，中心埋深约在690～700m。

上述测量结果表明，CZJ-1型井中高精度△T质子磁力仪的灵敏度高于JCX－2型井中三分量磁力仪。

E、石碌铁矿井中ΔT磁测结果

在石碌矿区利用CZJ-1型仪器测量共计三个孔，其中ZK1102效果较好。

在ZK1102孔中往返两次测量的四条曲线形态基本一致，重复性良好。

同时明显反映出了ZK1102井旁盲矿异常。

特别是接近孔底时，从570m开始仪器读数逐步在增大，从下表中数据可以看出，600～640m井段△T梯度增加了65.16nT，显示出了井底弱开口异常趋势，获得了较好的应用效果。

图3ZK112孔实测井曲线

二、高精度井中磁测方法技术

（一）主要进展

物化探所于2007年承担了国家危机矿山接替资源找矿地下物探示范项目“井中磁测及井—地联合正反演技术示范研究”，并在海南石碌、安徽马头等矿区完成了17个钻孔的数据采集工作。

中国地质大学（武汉）于2007年至2009年承担并完成了全国危机矿山接替资源找矿项目“磁测井与地面磁测联合反演技术示范”，完成了“磁测井与地面磁测三维联合反演”软件的编制，并以湖北大冶铁矿为例，对区内的地面高精度磁测资料与井中三分量磁测资料做了处理解释，取得了良好的地质找矿效果。

华东有色地勘局目前已经完成了“二度半磁测井与地面磁测联合反演软件”的研制。

张大莲等（2008）、刘双等（2008）、张丽霞（2008）利用井中磁测资料和地面磁测资料对二度体作了一些反演解释工作。

冯杰等（2010）介绍了三维磁测井与地面磁测联合反演的方法原理，并对湖北大冶铁矿某矿区的实测资料进行了三维井地联合反演，取得了较好的地质找矿效果。

（二）井中磁测与地面磁测联合反演

1、任意形状三度体井地磁测三维可视化反演

我们研究了任意形状三度体数值积分三维可视化反演方法，其基本思路是用一组相互平行的地质体截面来刻画一个任意形态的地质体，并采用数值积分的方法正演计算地质体的重磁场。

在可视化反演过程中，通过修改地质体各个截面的形态来改变地质体的形状，达到实时反演的目的。

在WindowsXP环境下，利用面向对象编程语言VisualC++6.0以及OpenGL技术，从公式的推导简化到实用性强的复杂模型的图形编辑中的拓扑关系分析、组织、实时策略进行了研究，实现了任意形状地质体三维可视化实时重磁异常正反演。

2、三维可视化反演方法的实现

“可视化”反演在图形显示上，提供了三种模式：

活动截面平面模式（可编辑状态）、三维断面排列模式以及三维立体显示模式，通过切换按钮进行切换显示。

在模型编辑上提供了添加（删除、移动）地质体、添加（删除、移动）地质体截面、修改地质体物性参数、添加（删除、移动）地质体截面角点、图形缩放、图形平移滚动、勘探线与测网相对位置预览、读写地质模型等功能，几乎可以实现可视化反演过程中的所有操作。

（1）模型的数据结构

按照从小到大（即点组成线、线组成面、面组成体）的原则来构造重磁场的几何地质模型。

采用了两种结构来组成一个地质模型：

①为三维显示而设计：

地质模型由一个观测面（地形）和多个具有不同物性参数的三维地质体所组成。

每个三维地质体则被一组相互平行的地质断面所切，得到一组数量不等、形状各异的地质体截面，而地质体截面则用任意形状的多边形来描述，每个多边形由多边形的顶点（角点）所组成。

②为编辑地质体而设计：

我们这样描述，地质模型是由一组相互平行的断面（勘探线处的地质端面）组成，这些断面切过三维地质体和地形，因此，每个断面有来自不同地质体的截面以及一条地形线，不同的地质体截面有其不同的参数，各个地质体截面是任意形状的多边形，多边形由角点所组成。

在数据存储方式上，构成地质模型的各个元素都采用指针链表，以使两种结构的紧密联系，即对其中一种结构中元素的修改同时使另一种结构中的相应元素也得到同步改变。

（2）模型的建立

获得物理地质模型的一个常用方法是综合已知信息，如地震解释结果、钻井、测井、物性等建立初始模型，在此基础上计算磁场，并与观测场进行对比，在不满足精度要求时对模型进行修改，再进行计算和对比，上述过程可迭代多次直到满足精度要求为止，最终获得物理地质模型。

由于任意形状地质体的磁场正演计算不是用一个数学解析式来求解，而是通过数值积分法来求解，因此当y方向积分步长很小，x方向的地质断面很多的情况下，正演的计算量将很大。

为此，在可视化过程中，利用一些一般可视化实时计算中常用的技术，即只计算改变量、实时消息中断、现场保留等方法技术，使正反演计算达到了实时响应的效果。

3D井地磁测联合人机交互反演技术在国家危机矿山深部找矿中取得了很好的应用效果。

该方法在三维建模、正反演计算等方面的精度较高，但是建模过程等环节相对较为复杂，实用性受到了限制。

因此包括井地磁测资料联合反演和井地重磁资料联合反演在内的井地联合反演方面的研究工作还需加强。