自然伽玛测井在河北某地区矿产普查中的应用
时间：2023-03-27 09:05:04 来源：千叶帆 本文已影响人
陈学蓉，王 颖
（河北省地质矿产勘查开发局第九地质大队，河北 邢台 054000）
2021年，在河北某稀土矿普查项目1号矿体中部的8个勘探钻孔测井中，自然伽玛测井方法不仅能较准确地确定稀土矿层顶底板的位置、埋深及厚度，弥补了岩心采取率的不足，还可以结合稀土矿取样化验分析结果，利用测井参数进一步推算稀土矿工业品位。
普查区位于太行山中段东麓山区，大地构造位置位于中朝准地台（Ⅰ2）、山西断隆（Ⅱ23）、武安凹断束（Ⅳ233）东南部东侧边缘。
普查区东部紧邻临清台陷，东南部紧邻内黄台拱，区域构造以块状断裂为特点。本区以断裂构造为主，褶皱次之。
区域总的构造形态为一向南东缓倾斜、褶皱平缓开阔的单斜层，但断裂构造发育，形成了一系列的地垒、地堑，分别组成北东向、南北向及北北东向的盖层构造总貌。
区域范围内地层出露较全，最老地层是古生界寒武系，最新地层是新生界第四系。
区内大面积被第四系（Q）所覆盖，面积约28km2，基岩多出露于普查区西部及北部。出露地层由老到新分别为奥陶系中统峰峰组（O2f）；
石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）；
二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）、上统上石盒子组（P2s）；
三叠系下统刘家沟组（T1l）和新生界第四系（Q）。
稀土矿主要赋存于奥陶系碳酸盐岩古风化面之上的含铝岩系中，含铝岩系主要指二叠系下统下石盒子组至石炭系中统本溪组中含铝较高的粘土岩（Al2O3一般含量在20%～55%之间），尤以本溪组中下部铁铝质粘土岩为代表，粘土岩中粘土矿物对“三稀”元素及放射性元素有较强的吸附作用。本区稀土矿赋存于本溪组中下部铁铝质粘土岩中，矿体产状受溶蚀洼地控制，大多倾向南东，倾角4°～25°，为一埋藏浅、厚度较稳定、矿化均匀、规模大的稀土矿床。
矿石结构主要为泥质结构、鲕粒结构。本区的赋矿岩性主要为铁质泥岩、铁铝质泥岩、铝土质泥岩、含铝土质泥岩、含粉砂铝土质泥岩。
该区稀土矿床赋存于含铝岩系本溪组中，本套地层覆于奥陶系碳酸盐岩侵蚀基准面之上，其含矿岩系为铁质粘土岩、含铝粘土岩、粉砂岩、铝土矿等组成的铁铝质建造，形成时代为石炭纪本溪期，约300Ma～310Ma。
本区自奥陶系碳酸盐岩沉积后经过了长达1.4亿年的风化剥蚀作用，形成了一套奥陶系顶部稀土元素初步富集的古风化壳，后期石炭纪海水入侵，对古风化壳进行了剥蚀、搬运、改造、富集、沉积，导致稀土元素的进一步富集，这些富含稀土元素的海水在滨海、泻湖等局限性盆地和溶蚀洼地中，由于物理化学条件的改变而沉淀下来，形成了泻湖相沉积型含铝岩系，完成了稀土矿床的雏形，而后该套地层经过了长期的压实、固结成岩、埋藏变质等作用形成了现代的稀土矿床。
钻孔揭露的地层为第四系、石炭系、奥陶系。第四系主要有粘土、粉砂质粘土、砾石等；
石炭系主要有泥岩、铝土质泥岩、砂岩、煤等；
奥陶系主要为石灰岩、泥质灰岩；
岩浆岩主要有闪长岩、闪长玢岩等。各岩性的天然放射性强度见表1。
表1 天然放射性统计表
由表1可知，天然放射性强度由强到弱为：含铝岩系“三稀”矿、泥岩、砂岩（石炭系）、粘土、粉砂质粘土、泥质灰岩、砂层、砾石、闪长岩、闪长玢岩、石灰岩。而含铝岩系“三稀”矿的放射性强度明显高于其他岩性。由此可知，本区不同岩矿石之间存在明显的放射性差异，具备开展自然伽玛测井工作的物理前提。
4.1 测井仪器
物探测井仪器采用重庆地质仪器厂生产的JGS-1B智能测井系统，包含JGS-1B智能工程测井系统主机、JCH-3绞车控制器、JCH-3000变频自动绞车、R411自然伽玛探管等。测井内容主要包括自然伽玛（API）。
4.2 野外工作方法
使用重庆地质仪器厂生产的JGS-1B智能工程测井系统及配套的电极系、R411自然伽玛探管进行测量。测井前检查了仪器性能及设备工作状态，了解了待测孔的孔内结构及安全情况，做好了准备工作。探管下放至孔底，提升时进行数据采集观测，再次下放探管至检查孔深，提升时进行重复观测质量检查。自然伽玛测井设置采样间隔为0.1m，测井速度10m/分钟。
5.1 资料整理
用智能测井系统4.0软件将自然伽玛曲线进行倒序、记录点对齐、数值计算后，绘制测井曲线图，再结合地质编录进行解译。
5.2 异常解释
8个钻孔的自然伽玛曲线图总体看均有如下特征：第四系地层，自然伽玛一般在30～80（API）之间；
灰岩、闪长玢岩段自然伽玛最低，均小于30（API），其余井段岩性主要为砂岩、泥岩、铝土质泥岩、煤层等，除高值异常段外，自然伽玛一般在30～120（API）之间，砂岩稍低，泥岩稍高。
ZK801主要高值异常段在141.1m～141.5m、145.7m～148.7m井段,自然伽玛大于120（API），极大值为278.0（API），岩性主要为泥岩（稀土矿）。
ZK802主要高值异常段在179.5m～179.7m、184.0m～190.0m井段,自然伽玛大于120（API），极大值分别为224.0（API）、270.0（API），岩性主要为铝土质泥岩。
ZK803全孔未见矿，自然伽玛亦无明显高值异常，基本都在120（API）以内变化。
ZK804全孔未见含铝岩系“三稀”矿。
ZK1601主要高值异常段在84.5m～98.5m井段,自然伽玛大于120（API），极大值为418.0（API），岩性主要为铝土质泥岩、铁铝质泥岩、角砾岩。35.0m～35.5m井段,自然伽玛相对高，大于120（API），极大值为176.0（API），岩性为炭质泥岩。
ZK1602自然伽玛主要高值异常段在134.4m～135.8m、139.8m～145.6m井段,自然伽玛大于120（API），极大值为280.0（API），岩性主要为含铁铝土质泥岩、铝土质泥岩。
ZK1603主要高值异常段在143.3m～143.9m、147.0m～155.0m井段,自然伽玛大于120（API），极大值为418.0（API），岩性主要为铝土质泥岩。
ZK1604主要高值异常段在123.9m～137.2m井段,自然伽玛大于120（API），极大值为368.0（API），岩性主要为铝土质泥岩、含铝土质泥岩、含铁铝质泥岩。
图1是ZK1604孔测井曲线图，测井资料与钻探、化学分析结果对比可看出：物探解释与钻探及化学分析结果相吻合。由图可见，稀土矿与围岩的物性差异非常明显，自然伽玛测井曲线划分地层界面显示清晰，所以利用自然伽玛测井曲线能够确定稀土矿的埋深和厚度，且效果明显。并能够有效地弥补钻探过程中因取芯不足造成的错划、漏编情况。
图1 ZK1604孔实测曲线
由以上八个钻孔自然伽玛异常形态分析，总体上看，找矿目的层段自然伽玛值相对全孔来说，一般均为高值异常区，且异常明显。
为便于解译分析自然伽玛强度与石炭系本溪组铝土质泥岩及铁铝质泥岩中稀土矿品位REO(轻稀土氧化物)的关系，对本次工作的8个钻孔，选取取样段的自然伽玛曲线及轻稀土氧化物(REO)进行了对比分析，并分别绘制了表图，蓝线表示实测自然伽玛曲线，紫线表示轻稀土氧化物(REO)，横轴代表取样段，横轴上红粗线表示见矿段，横轴上青绿线表示非矿段含铝岩系目的层。
本次工作8个钻孔中，有ZK801、ZK802、ZK1601、ZK1602、ZK1603、ZK1604共6个 孔 见 矿， 有ZK803、ZK804共2个孔未见矿。由该8个钻孔的稀土矿品位（REO）与自然伽玛值（API）关系的综合曲线图看，在目的层取样段的下部见矿段，6个见矿孔，均显示高品位（REO大于500＊10-6）对应高值放射性（自然伽玛一般大于100API）。除此之外，在8个孔取样段的非矿段，基本上均显示，低品位（REO）对应低值放射性（自然伽玛）；
仅在局部小段，显示低品位（REO）对应高值放射性（自然伽玛），其所对应岩性也基本均为铝土质泥岩。
经以上对比分析可知，自然伽玛与REO基本呈正相关关系，尤其在目的层下部见矿段尤为明显。
矿区6个见矿孔的27个不同层位稀土矿样轻稀土氧化物含量REO(%)与自然伽玛γ值关系散点图，由图可见轻稀土氧化物含量REO(%)与自然伽玛γ值基本呈线性关系，因此可以用线性回归方法建立数学模型，进而预报稀土矿工业品位。经数学计算，轻稀土氧化物含量REO(%)与自然伽玛γ值间的回归方程为：
REO=0.0005γ+0.0047
求取其相关系数r=0.88（一般来说取绝对值后r在0～0.09表示为没有相关性，0.1～0.3为弱相关，0.3～0.5为中等相关，0.5～1为强相关）可知，自然伽玛与轻稀土氧化物REO为正相关且强相关关系，完全可以利用上式进行稀土矿工业品位预测。
用该回归方程对区内5个钻孔共27个不同深度稀土矿样品的轻稀土氧化物含量进行了预测，并对比了各钻孔化学分析品位。回归效果与化学分析数据大致吻合。预测结果相对误差基本上均小于0.02%。
通过对该回归方程的进一步实践与检验，表明自然伽玛值与稀土矿的轻稀土氧化物含量REO间，确实存在着显著相关关系，利用该方程进行稀土矿品位预测是可行的，其预测结果完全可以达到野外生产的实用程度。这进一步说明利用自然伽玛测井方法不仅能划分钻孔地质剖面、弥补钻探的取芯不足，还能估算稀土矿工业品位，为储量计算提供参考依据。
结合本次及以往工作成果，石炭系本溪组铝土质泥岩及铁铝质泥岩等含稀土矿层有明显的高放射性特征，说明自然伽玛测井对稀土矿寻找具有重要指导意义。
通过进行钻孔自然伽玛测量和测井解释，能较准确地划分矿层埋深、厚度，对于验证钻探质量和弥补见矿深度、厚度误差提供了可利用的数据。
用数理统计方法对稀土矿品位作定量解释也行之有效。在矿心采取率低的情况下能够起到验证和弥补品位资料不足的作用，为稀土矿勘探提供有用信息。
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