深部找矿钻探影响因素分析 深部找矿的成矿系统分析

作者&投稿:学倪 (若有异议请与网页底部的电邮联系)

(一)主要影响因素

影响钻探的因素很多,机理比较复杂,为便于进行研究,本次根据深部找矿钻探实际,认真分析,找出主要影响因素。

1.钻孔深度

钻孔深度是影响钻探施工的重要因素,从某种程度上讲就意味着钻探施工难度。在一 定的工业技术水平下,钻探深度是有限的,难以突破某一深度。这是由于深度增加而难度 随着增加,而且难度增加的幅度会越来越大,而钻探设备、钻具(包括钻杆等)是一定工 业技术水平下的产物,其性能不可能是无限的。在有限的钻孔深度范围内,钻孔深度增加 至少意味着难度增大,效率降低。通常情况下,钻孔深,岩石可钻性差,钻进效率低,钻 头寿命和回次进尺短,提下钻和捞取岩心时间大幅度增加,钻探施工效率大大降低。

2.岩石力学性质

与钻探有关的岩石力学性质有:岩石的硬度、强度、脆性、塑性及研磨性等,它们共 同决定着岩石的可钻性,共同影响着钻进效率。岩石的硬度是岩石的固有特性,是由岩石 的成分、结构和构造决定的,它反映了岩石抗压入的阻力和反抗特性。岩石的硬度和研磨 性是影响岩石可钻性的重要因素。这里,为更加直观地分析深部找矿钻探的影响因素,将 岩石的硬度和研磨性单独作为影响因素进行分析。

(1)岩石的硬度。岩石硬度对钻探施工有着非常大的影响。一般来讲,岩石的硬度大,岩石的可钻性高,机械钻速低,钻头寿命短,施工效率降低,对深孔钻探影响更为明显。

(2)岩石的研磨性。研磨性对钻探施工有很大影响。一般来讲,岩石的研磨性强,岩石的可钻性高,钻速低,钻头寿命短,但若研磨性太弱,会引起钻头打滑,难以进尺。与 研磨性强相比,研磨性太弱对钻探施工影响更大。

3.地层破碎程度

由于受地质成因或地质构造运动产生的多向挤压作用,岩石的结构被破坏,产生裂 纹、裂隙和空间位移,内部受力不均衡,成为力学不稳定地层。当被钻穿后,破坏了地层 原来的平衡状态,在重力和其他外力的作用下,孔壁会产生坍塌、掉块等现象,影响钻探 施工。

在深部找矿钻探中,常见于老地层的断裂、裂隙破碎带,即俗称的硬脆碎地层。岩 石的破碎程度越严重,对钻探施工影响越大,不仅影响钻进效率,缩短钻头寿命和回次进 尺,而且还会引起卡钻、埋钻和断钻杆等孔内事故,严重者还会造成钻孔报废。

4.地层造斜强度

地层的造斜强度由地层的物理力学性质和形态决定,对钻探施工也非常重要。地层 的物理力学性质主要是指岩层的各向异性程度,也就是层理、片理发育的地层,在顺层和 顶层方向其物理力学性质的差异程度。地层的形态是指地层的倾斜程度和层理及片理发育 情况、各层的厚度及软硬变化情况等。当地层层理及片理发育、软硬互层且变化频繁(如 沉积变质岩),而且倾角较大时,其造斜强度就大,钻进过程中,受地层各向异性的影响,易造成钻孔弯曲。对于一定的各向异性造斜地层来讲,地层的倾角是造成钻孔弯曲的决定 因素。研究发现,对直孔而言,当地层倾角大于10°,就可能造成钻孔弯曲;当倾角大于 30° ,就很容易造成钻孔弯曲。

5.地层水敏性

某些岩石(如页岩)受冲洗液或地下水侵入会产生水解、水化作用,含有这类岩石的 地层会发生松散、松软、溶胀、剥落、溶解等现象,一般通称为水敏性地层。钻遇这类地 层,若冲洗液性能达不到要求,会造成钻孔缩径、超径、孔壁剥落、坍塌等现象,严重者 会造成埋钻、夹钻等孔内事故,影响钻探施工,甚至会造成钻孔报废。

6.地层漏失程度

漏失地层也是固体矿产钻探施工中经常遇到的地层。当冲洗液送入孔内时,就会沿地 层中的孔隙、裂隙、洞穴渗漏,流失到地层中,使冲洗液部分或全部不能返回地表。漏失 地层主要有孔隙类、裂隙类和洞穴类三种类型,从漏失情况看有轻微漏失、中等漏失和严 重漏失之分。对轻微以至中等漏失地层,通过调整冲洗液或采取堵漏措施,能够减少或避 免冲洗液漏失;对严重漏失地层,若堵漏失败,冲洗液将不能维持循环,将对平衡地层压 力、保护孔壁、排出岩粉、润滑钻具等非常不利,影响正常钻进,对深孔钻进的影响会更 加严重。

(二)主要影响因素组合

影响深部找矿钻探的客观因素主要有钻孔深度和岩石硬度、破碎程度、造斜强度、水 敏性、漏失程度、研磨性等7个因素,假设每个因素有3种水平(表8-1),则它们的组合有 37=2187种。要想对每一种情况逐一进行分析是十分困难的,为此,运用试验优化技术原 理,采取正交试验法找出具有代表性的组合情况(表8-2)。

表8-1 因素水平表

注:钻孔深度范围各个水平是从下限开始,不包括上限。

表8-2 各种因素水平代表性组合

(三)各种代表性组合的钻孔特征

表8-2中18种代表性组合的钻孔特征见表8-3。

表8-3 各种代表性组合钻孔特征



深部找矿钻探技术难点~

深部找矿地层的特点决定了深孔钻探存在以下技术难点。
1.钻孔结构复杂
深孔钻探,由于钻遇的地层种类较多,地层相对复杂,因此,一般采取多级孔径设 计,需要采用多级套管,开孔及上部孔径加大。钻孔直径的增大会造成地层侧压力的增 加,对于松散破碎且倾角陡斜的地层,孔壁的稳定性变差,不稳定的岩石就会向孔内滑落 和坍塌。因此,具体应采用何种钻孔结构,必须根据钻孔深度、终孔直径、地层以及钻探 方法和工艺等确定,在可能的情况下,应尽量减少孔径级数,缩小钻孔直径。
2.护壁堵漏难
金属矿床多为构造破碎带控矿,硬、脆、碎、酥、漏是多数矿区地层的特点。进行深 部找矿钻探,几乎所有的钻孔都要穿过断层和破碎带。大裂隙发育的地层常发生贯通性的 孔段全漏失;小裂隙多而密集的地层常遇部分漏失或全漏失;疏松地层大部分发生渗漏或 部分漏失。多数钻孔是漏失、坍塌、掉块并存,多层位坍塌、掉块给护壁带来困难,大量 漏失又使冲洗液护壁难度加大,尤其是深孔、斜孔,施工周期长,地层被钻穿后裸露时间 长,易造成孔壁失稳,护壁堵漏就更加困难。用水泥护壁,保持时间短,对泥质、粘土质 多的地层效果不佳,往往不能适应深孔施工周期长的要求;用多级套管护壁效果较好,但 会使钻孔结构复杂,套管越深回收越困难,从而增加钻探成本,经济性差。
3.钻探效率低
硬岩钻进受地层复杂、裂隙发育、岩石破碎、坍塌、掉块、漏失等不利因素的影响,钻进困难。特别是坚硬破碎、可钻性9~12级的岩石(如硅质岩、变粒岩、赤铁矿等)和 结构致密、弱研磨性的打滑地层(如细粒弱研磨性石英岩、高硅化结构致密的砂岩等),钻进就更加困难,不仅机械钻速低,而且钻头寿命和回次进尺短,提下钻和打捞岩心等辅 助时间都大大增加,使钻孔钻探效率大大降低。
4.防斜纠斜难
受成矿条件和地质构造的影响,多数金属矿区地层岩石硬,并发生褶皱、弯曲,地层 倾角较大,特别是层理及片理发育、各向异性明显、软硬互层的地层,造斜强度大,而深 孔钻探,钻杆刚性小,技术规程参数不易控制,又难以采取复杂的防斜措施,因此,易造 成钻孔弯曲,而一旦发生钻孔弯曲,由于地层硬,造斜难,效率低,加上深孔纠斜信号传 递误差大,给深孔纠斜带来很大难题。从目前研究成果和实钻经验来看,基岩地层钻进,地层因素往往是造成钻孔弯曲的主要原因。对于深孔钻探而言,重要的是掌握并利用矿区 钻孔弯曲规律,因地制宜,从改进钻孔设计、钻探技术方法及工艺入手,采取有效的防 斜、纠斜技术措施加以控制解决。对特别易斜复杂地层,要采用受控定向钻探等特殊钻探 技术才能解决,否则,就难以顺利达到设计目的要求,严重的会导致钻孔报废,造成重大 的经济损失。
5.操作难度大
目前,深孔钻探主要采取金刚石WL钻进。为提高钻杆螺纹强度,将接头镦粗,使钻杆与孔壁之间、内管与外管之间间隙进一步减小,压力损失大,泵压高,开泵、停泵时容 易产生压力波动。当钻遇漏失和涌水地层,压力波动会更大。此外,升降钻具过程中所引 起的抽吸力和挤压力也会产生波动,升降钻具速度快,钻具与孔壁间隙越小,冲洗液黏度 和切力越大,压力波动越大。压力波动会影响孔内压力平衡,严重时会造成孔壁失稳,产 生孔内事故,因此,要求升降钻具要平稳,以减少压力波动。

进行深部找矿的关键是要深入研究区域和矿区的成矿规律,重点是成矿环境、成矿系统和成矿演化,以便全面认识矿床之所以产在某一深度空间的原因及其制约因素,据以运用适当手段,发现深部矿床。
1.成矿系统发育的完整程度
按笔者理解,成矿系统是指在一定时空域中,由成矿要素、源-运-储成矿过程、成矿产物及成矿后变化等诸因素构成的成矿整体(翟裕生,1999)。一个发育完整的成矿系统,具有一定的时-空边界,包括三维网络空间,常能包括多个矿种和多种矿床类型。如长江中下游成矿带,具备多种有利的成矿条件,其中的燕山期与岩浆热液有关的成矿系统发育就比较完整,体现了成矿的多样性和复杂性,既有铜、铁、金、银、铅、锌、钴、钒、钛、磷等多个矿种,又有矽卡岩型、斑岩型、脉型、角砾岩型、层控型等多种矿床类型,其形成时间自170~90Ma,又分布在自武汉到上海的沿江毗邻的广阔区域(翟裕生等,1996)。因此,可形成由此及彼、举一反三的找矿思路。
2.成矿系统发育的深度
不同的成矿系统产在不同的构造环境和地壳的不同深度。研究掌握各种成矿系统的发育深度(含深度间隔),有助于从宏观上把握矿床的空间分布规律,包括在垂向上的分布特征。这对于在一个区域中进行深部找矿有直接的指导作用。
根据地质研究和大量探矿、采矿资料,已知变质、受变质矿床多发生在中下地壳中,与幔源基性-超基性岩浆有关的成矿系统产出也较深,可在中下地壳中发生。与花岗岩类有关成矿系统多在上地壳、距地表5~15km的范围内,而产在陆上和海底的火山-次火山活动有关的浅表热液矿床也可延伸至地下3km左右。
海陆盆地中的沉积矿床一般是产在水底的近水平、延伸大的矿层,当其受到区域构造作用时可下降到地壳深处并受到明显的热动力变质改造。
不同成矿系统的发育深度参见图11-4,其中矿源场、中介演化场(中介场)和储矿场等概念是参考引用李人澍(1996)的观点。

图11-4 主要成矿系统发育深度概图

按区域的构造层,可划分出产在古老结晶基底中的成矿系统、早古生代岩层中的成矿系统、晚古生代岩层中的成矿系统、产在中生代和新生代地层中的成矿系统等。越古老的矿床产出的空间局限性越大,越年轻的矿床产出的有利空间越多,可在多个构造层中产出,尤其是产在多旋回构造的地块中的矿床(图11-5)。

图11-5 产于不同构造层和不整合面上的各时代矿床An?—前寒武纪;Pz—古生代;Mz-K—中-新生代

3.成矿系统网络结构与矿床分带
矿床分带性指矿床的物质组成、矿石组构、矿化强度(品位)、矿化类型及所在岩石、构造等在区域和矿床内的空间变化规律。研究阐明矿床分带特征,尤其是矿床垂直分带特征,对找寻深部矿床有重要意义。
从成矿系统观点看,成矿系统的网络性表现为系统内部各成员(矿床、矿点、围岩、构造、流体及各类矿化异常)间的有序分布和相互关联,表现为共生、过渡、复合、重叠和多通道性。作为一个网络,它有自己的内部结构和外部边界(三维的),它包括矿化分带,具有比矿化分带更为广阔的内涵。在深部找矿中要着重研究矿化网络的垂向变化趋势。
以上讲的是在一次成矿作用中一个成矿系统的结构及分带性,至于由多个成矿系统叠合交织形成的网络就更加复杂,影响因素就更多。
研究矿床的垂直分带即矿化网络由浅向深的变化趋势,包括以下主要问题:①变化内容:有矿种变化(如浅部银、铅、锌,深部铜、钼等);矿化类型变化(如上部为脉型、细脉型,下部为斑岩型及矽卡岩型等);含矿岩石变化(碎屑岩、碳酸盐岩、泥质岩等及其组合);成矿强度变化(矿石品位和矿体规模),以及由大气、地下水作用制约的氧化带深度等。②变化形式(指矿体由浅到深的变化)复杂多样,可概括为(矿体)连续型、断续型、多层型、叠加型,以及构造断开型等(图11-6)。要强调指出的是,每个矿床都有其形态产状特征,如再经过后来的构造变动,将更加难以辨认和测定。因此,要做详细的调研和缜密的思考判断,包括采用大比例尺立体填图等精细方法,而不宜套用某种现有模式。

图11-6 矿床主要垂向变化型式

如何根据已知的浅表矿床信息推断其向下延伸方向,涉及因素很多,有几点可作参考:
1)利用矿床模型或矿床地球化学模型的完整性。一个完整的矿床模型,应能清楚地显示出矿床的顶部特征和根部特征(蚀变的、构造的、元素组合晕等)及整个矿床的蚀变矿化结构,作为预测深部矿体的重要标志。如斑岩铜矿模型(以矿化蚀变分带为主体)可以作为帮助探寻深部矿的依据,如美国斑岩型Kalamazoo矿床深部找矿成功的实例(Guilbert et al.,1986);又如金矿脉的地化原生晕模型可帮助判断矿头、矿身、矿尾的部位,从而有助于指出深部找矿方向(李惠等,1998)。
2)构造控矿研究。构造是控制矿体向深部延伸的重要因素,大型垂直断裂及其中的角砾岩筒、岩墙等控制的矿体可深达1km以上,主要断裂与分支断裂的交点常是富矿囊定位处。而复式褶皱的顶缘虚脱部位也是富矿石聚集部位。一般可依据含矿断层的断距、断裂带宽度、断裂性质推测该断层的垂向深度及相应的矿体尖灭深度;也要注意矿化系统垂向的多通道性对矿床规模及产状的控制(翟裕生等,1993)。
除垂向构造外,不同岩层界面、不同构造层界面、不整合面、拆离和滑脱断层带及隐伏岩体接触带也应注意研究,因为这些有显著物化性质差异的临界面和突变带,常是含矿流体运移道路上的物理化学障,是深部矿体的就位场所。
矿床的垂向变化参见图11-7,深部矿床产状十分复杂,这里只是概括地加以表述。该图中的多型多层型常表现为高硫的浅成低温矿床和深部斑岩铜矿床的套叠(Telesco-ping),这在很多地区是常见的(Hedenquist et al.,1999)。另外,矿床由浅到深的变化,除表现在矿体的形态产状外,在成矿元素、蚀变类型等方面也会有变化,如著名的澳大利亚芒特艾莎矿床在浅部以铅锌矿为主,到1500m±的深度则以铜矿石为主(Perkins,1990)。
4.深部矿床的示踪标志
大多数矿床包括深部矿床与周围的不含矿地质体有明显的物理和化学性质差别,表现为种种异常。在矿床的形成过程中,一般都经历了由矿源、流体输运到矿石沉淀聚集的整个过程。在这个过程中含矿流体在所经地质体中会遗留下或多或少的成矿痕迹(踪迹)。这类成矿过程的遗迹的分布范围较广,过去对它们的关注和研究不够。它们和矿体本身的异常都可以作为追踪和指示矿体存在的标志,对它们作全面研究是深部找矿的一个必要手段。也就是说,对矿床(储矿场)本身的矿化异常研究要扩展到对整个成矿系统包括矿源场、中介场(输运场)和储矿场的矿化异常的研究。这在找矿难度日益增大的条件下,是提高找矿成效的必要手段,也是对矿化异常理论研究范围的扩大和突破(图11-7)。
矿体和矿化通道中的各类异常不是孤立的,而是密切关联的。运用综合的和整体的观点,对地、物、化、遥异常,宏观异常与微观异常,直接异常与间接异常,原生异常与次生异常等作综合研究,可以建立起各类成矿系统(区域的、矿田的)的综合异常模型(翟裕生等,1999),这对找矿是很有帮助的(图11-7)。
除图11-8中标出的各种异常外,在岩石、矿物尺度上的异常还有标型矿物晕、矿相学特征等,在微观尺度上还有矿物流体包裹体特征、地气晕、显微及超微结构特征等。
上述异常信息都各有其有用性和局限性,偏宏观的异常信息如地球物理、构造及岩石异常等能反映成矿的构造岩石环境及矿体的间接信息可用于优选靶区;而蚀变岩石、找矿矿物学和各类地球化学晕是接近矿体的信息,可据以逼近矿体。实际工作中,应综合运用各类信息筛选出各种异常的复合带、浓集带,它们常是大型矿床(体)的示踪标志。

图11-7 成矿系统及综合异常网络图解

关于深部找矿的浅部示踪标志,可以举内生铁矿床为例。笔者1956年研究河北承德大庙-黑山钒-钛-磁铁矿矿床时,注意到:在矿区地表的矿体露头中显示有伟晶状矿脉,有大量的分支状小型贯入式矿体且其围岩蚀变比较轻微,这些都是铁矿床的浅部标志。依据这些浅部标志,结合在本区发现的显著高磁异常,还有对矿区岩石、构造及区域风化剥蚀程度的分析,以及已揭露矿体已深达300m等信息的综合分析,提出“大庙矿床有工业意义,尤其是贯入式矿体价值最大。从成矿的先决条件分析,区域内钛磁铁矿矿床很有远景”(翟裕生,1957)。近年来的危机矿山深部找矿工作已经钻探证明黑山矿床的铁矿体延深已经超过1000m,矿量有较大增长,此外还在大庙邻区找到新的同类矿床。
再以湖北大冶铁矿床为例,翟裕生、石准立、姚书振等于20世纪70年代在其露天采场观察时,发现贯入式富矿体的浅部特征,包括:富矿体边缘闪长岩中有裂隙充填的小矿脉,且在铁矿体中有闪长岩板条(中石)定向排列;富铁矿体边缘发育有晶洞,中间有磁铁矿晶簇;富矿体的围岩蚀变轻微;以及在灵乡矿区发现有矿浆-热液过渡型铁矿体等,认为这些都是大型铁矿床的浅部标志。近几年的危机矿山探矿增储项目,在铁山矿床经钻探在1000m以下深度发现新的富矿体。
深部矿床(体)的各种异常,如果在矿床形成后未经重大变化,则原生异常保存较好,但由于位置较深,其反映在浅部的异常信号一般比较微弱。这需要充分利用已有钻孔、坑道中揭露的每一个直接间接矿化信息,作精细的观察、研究和判断;注意开展钻井中和坑道内的物化探等工作,从近距离捕捉矿化异常。同时,也要针对深部矿床的种种特点,研究发现新的异常和新的探测方法。一些有效的常规地质方法也可提供重要信息,例如,找矿区内成矿后岩脉或断层如在深部切过矿体,则可能将破碎的矿石块(粉)带到浅部,从而提供深部存在矿体的证据。勘查地球化学表明,当地气(Geogas)通过矿床或矿床周围的原生分散晕时,会将超微细颗粒乃至纳米级的成矿元素带到更浅部位直到地表,从而提供比较可靠的有关深部可能存在大型矿床的信息(谢学锦,2002;王学求等,2010)。
5.结语及建议
当前在中国中东部广大地区,已逐步进入深部找矿的新阶段。深部找矿的经济和社会意义重大,同时也是发展成矿学和矿产勘查学的一个良好机遇,希望同行专家多加关注。近期内可先制定工作规划,坚持产学研相结合的调查研究路线,深入解剖代表性矿山,充分收集整理分析已有的大量地矿资料,研究矿床成因和就位机制,阐明矿化网络,建立深部矿床的精细结构模型,并以工程查证,以期找到深部矿体。
深部找矿既要有系统观和整体观,又要精细观测,见微知著。既要通过类比从已知到未知,寻找与已知矿床类型类似和同类的矿床;又要善于求异创新,注意那些与已知矿床类型不同的新矿床类型和新矿种,以及相应的新的成矿环境和控矿因素(翟裕生,2003)。

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