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“上天入地”,创新技术的用武之地

——2016中国国际矿业大会“矿产勘查技术-地球物理技术论坛”侧记

2016-9-26 17:33:46 来源:中国矿业报 本报记者:赵京燕

“杨文采院士是地球物理学家,中国大陆科学钻探主要参与者,中国地质科学院地质研究所研究员。2005年当选为中国科学院院士。杨文采在泛函分析的基础上建立了一个对各种勘探地球物理方法都适用的反演理论框架,改进了多种地震反演方法。以混沌理论、非线性地震反演方法,开拓了非线性地震反演的新方向,将该理论与方法应用于矿产勘查及建设工程基础调查,对大陆科学钻探主孔岩性构造进行了预测,后续的岩心钻探结果基本证实。”9月22日下午,当记者来到2016中国国际矿业大会矿产勘查技术-地球物理技术论坛现场,论坛主持人——中国地质调查局总工程师严光生对演讲嘉宾的介绍,把我们的思绪带到了地球深部的研究世界。在中国地质调查局首次设立的勘查技术论坛上,与会嘉宾围绕空中、地面、地下深部勘查技术等方面进行了充分的探讨。

关于雅江地球科学的话题

“在松潘-甘孜复理石盆地,三叠纪沉积主要是大陆边缘斜坡的浊积岩相矿床,这里有与浊积岩相矿床相似的泥岩和灰岩,位于被深水覆盖的大陆坡上的三叠纪浊流环境。雅江地区的复理石沉积包括一些结晶基地岩石穹窿,表现为出露的复理石盆地的根。2003年,一家石油公司在这里进行了勘探,发现了很多宝藏,比如初露的复理石盆地的根。在里面有各种各样的红色层级,慢慢渗透到表面上来,老旧的层级和新的层级重叠在一起。第一层级含有一些结晶的岩石,我们把它称作新鲜的盆地。矿体之上的复理石岩表面结构有的像海绵一样,有的像水晶一样透明。”杨院士通过PPT上面图像,给我们揭示了地层深部的一个个奥秘。

“为什么锂出现在雅江复理石残留盆地中?锂怎样变成锂辉石矿?锂辉石矿怎样抬升接近地表,成为可开采的矿?”为了回答这些问题,杨文采为我们分析了雅江盆地的构造演化和锂辉石矿化的成因。

“首先,我们利用三维密度成像方法对地壳结构进行分析,得到各层构造的密度分区图;用重力数据推断出雅江复理石盆地的动力学过程,将其划分为3个不同的阶段:第一个阶段在新生代之前,雅江地区的构造演化与松潘-甘孜地块是相同的。但是在新生代的时候,雅江地区的地壳结构发生了很大的变化,大洋板块往下,两个大地板块汇聚到一起,大海变得越来越小,很多层级在这个阶段形成了,所以松潘甘孜和钱塘江辐射到西边的古特提斯洋中。古特提斯洋的海水在俯冲过程中向下渗入地幔,锂的密度远远轻于海水中的钠和钾,难以在俯冲过程中向下渗入地幔。古特提斯洋的海水中的锂可以累积在海底,在俯冲过程中沉积在复理石盆地中,为后来锂辉石矿化提供了物质来源。在第二阶段,当海水一直流下来的时候,岩石变湿,温度开始变高,造成岩石圈部分发生了熔融,形成了地壳当中的岩浆房。因为地壳岩石的固结和重结晶变质,上面形成丰富的锂矿沉积,继续稳固并向下方蔓延。锂辉石矿在复理石盆地底部形成,受到冲蚀的地表物质填充了盆地,形成了巨厚的复理石沉积。上地壳流变得更加密集,形成三种不同的结构,下地壳流能够腐蚀其它地壳,在中地壳流变成物质向上挤出,使得中地壳增厚。在第三阶段,青藏高原的下地壳流东行到雅江复理石盆地,后造山热流上涌产生低粘度下地壳流,使复理石盆地得到抬升和冲蚀 ,雅江地区变成一个残留复理石盆地,锂辉石沉积在近地表出露。”

“通过以上分析,我们得出结论。”杨文采介绍,当海洋中的盐水向下渗透,穿过俯冲带,富锂盐水在浮力影响下集聚在海底;之后在雅江复理石盆地底部,岩浆热液作用导致锂矿化,产生最初的锂辉石矿体;当地壳增厚上升,并风化和冲蚀之后,锂辉石沉积才能抬升到近地表,成为具有开发价值的能源资源;对围岩和矿体进行化学分析的测试,验证了锂矿成矿作用模型。复理石盆地在全世界广泛分布,它们其中的一些盆地已经抬升,锂辉石具有开发潜力。

航空地球物理勘查技术快速发展

“熊盛青是中国国土资源航空勘探遥感中心副主任、总工程师、博士生导师,长期从事航空地理遥控技术研究和科学管理工作,荣获国家省部级科技奖,出版多部专著。”主持人把下一位嘉宾请到了台上。

“‘十二五’以来,能源和矿产资源更加呈现刚性需求,国家持续加强了战略性资源的地质调查与勘查工作,航空物探工作量保持在每年约50万公里~60万公里。通过推进‘空地一体化’战略,各地加大了对航空物探异常的查证,全国新发现了一批矿床和矿产地。”熊盛青教授介绍,国家“863”计划主题项目《航空地球物理勘查技术与装备》等的实施,促进了我国航空物探自主创新,形成了以自主研发仪器为主的现代化航空物探技术体系,尤其是航磁全轴梯度测量技术、航空重力测量技术和航空电磁测量技术得到快速发展。

“在航空地理物理勘查技术方面,我国取得了多项进展。”熊盛青说,首先,航磁测量技术实现多参量测量,航磁全轴梯度勘查系统实现工程化应用;其次,研制成功航磁三分量测量系统样机,试验飞行取得了可靠的数据,为开展航磁矢量测量奠定了坚实基础;第三,研制集成无人机航磁测量系统,初步达到实用化;第四,航空重力勘查技术的理论和装备研发取得突破,研制出新型航空重力测量系统,填补了国内空白。新型航空重力仪广泛应用于陆海油气调查和勘查,在黄海、渤海、新疆、塔里木等陆海区域油气调查中得到广泛应用,获取了大量高精度航空重力数据。

“在航空电磁测量技术方面,时间域测量技术发展迅速,开始工程化应用。”熊盛青介绍了系统的发展:直升机时间域航空电磁勘查系统目前已达到实用化,攻克了磁矩、噪声、深度等关键技术,用于金属矿产勘查和地下找水,在河南、内蒙古和黑龙江等地开展了矿产勘查、水文地质勘查应用,发现多处航空电磁异常,获取了高精度的电性参数信息。固定翼时间域航空电磁勘查系统试飞成功,并获取可靠数据,为实用化奠定基础。

先进的技术要在实践中得到证实。在谈到航空地球物理勘查技术应用取得了哪些实现效果时,熊教授介绍:一是被广泛用于中国航空航天领域,2011年以来,在重点成矿区带和重要油气盆地开展了1∶5万高精度航空物探调查和综合地质研究,为找矿快速突破提供了丰富的异常信息、基础资料及综合研究成果,完成航空物探测量300万千米以上,覆盖面积100万平方千米以上;发现异常23000处,划分找矿预测区491处;查证航磁异常938处;发现铁、铜、铅、锌、铀等金属矿产地118处。二是空地一体化助推找矿突破。航空重力测量在新疆进行油气空间探测,提出塔里木盆地前寒武系发育“裂-坳沉积体系”烃源岩的新认识;优选5处重点油气预测区块,为区域油气调查评价与战略选区提供参考信息。三是编制出版了首套中国陆域航磁-地质构造-矿产预测系列图、全国航磁油气调查成果图,为深化全国大地构造研究、油气资源远景评价做出了贡献。基本摸清全国铁矿资源潜力,预测全国铁矿资源量约1935亿吨、已探明储量601亿吨、资源潜力约1334亿吨。

“以满足国家需求为导向,以国际先进水平和增强生产能力为目标,以关键技术研究为突破口,以提高航空物探测量系统整体性能和测量精度为重点,在技术水平与调查能力等方面得到快速发展。”熊盛青向与会者介绍了航空地球物理探测技术的明确发展目标:提高探测分辨率、探测深度和探测效率,发展航磁矢量测量和全张量测量技术,自主研制勘查系统,全面实现航磁多参量测量;研制适用于资源勘查和环境监测的新型高能量分辨航空伽马能谱测量系统;大力发展航空重力和航空重力梯度测量技术,实现仪器和软件的国产化;开发大磁矩时间域航空电磁测量系统,探测深度达到800米~1200米,为深部找矿和环境调查提供新的技术手段等。

彩虹无人机大幅度提高作业质量

“石文研究员现任中国航天空气动力技术研究院无人机飞行器总体设计师,是这个领域里著名的专家,长期从事飞行机的总体和气动力设计实验阶段,技术经验丰富。作为总体和气动力技术负责人,牵头突破了多项关键技术,取得了很多丰硕成果。”严光生总工程师的介绍,把与会者带到了无人机的世界。

“我们知道,航空物探既是一个长时间的枯燥工作,也是一个超低空飞行的危险工作。而无人机没有驾驶员,能够自主飞行,尤其是比较长航时的远程,它可以昼夜飞行,现在达到连续飞行50多个小时,未来几年可以中低空飞行100多个小时,过两年航程可以达到1万公里,一次出动作业时间大幅度增加,作业效率大幅度提高。”谈到无人机的发展,石文研究员信心满满。

“近些年来,我们在无人机发展方面取得了显著成效:2013年,我们与中国地调局物化探所和航遥中心合作,将无人机用于航空物探,航磁和航放的技术改装和初期试验,2014年进行了改进,2015年进一步完善,实现无人机平台与航磁航放系统集成,解决了无人机航磁航放系统总体、气动、电磁兼容综合集成等方面的技术问题;在国内外首次实现搭载多参数航空物探载荷的中小型无人机航空物探综合站。”

石文介绍,在关键应用方面,解决了超低空地形跟随技术;通过电子地图的加载与显示,解决了规划过程中航迹点添加、编辑、作业区域确定、航线间距等问题;对于一些要跨越的大高度山体障碍,通过提供友好的人机交互界面、航迹点编辑、辅助工具等,方便了任务航迹规划,增强了危险点自动提取与高度切换航迹点添加功能;突破低成本、超低空飞行远程测控技术,通过海事卫星、超短波电台等技术手段,成功实现大范围、超远距离的数据实时通信。

先进的技术需要成果的验证,石文介绍,在黑龙江嫩江县多宝山整装勘查区,CH-3航空物探系统在大比例尺作业飞行中具有较大优势,数据采样密度较大,具备较强的实际作业能力。2015年,在新疆喀什地区开展了1∶2.5万航磁应用示范工作,设计工作量10000测线公里,实际完成工作量11651测线公里,超额完成了任务,测线分布均匀,保持比较好,满足了设计要求。

“我们愿开放心态,与国内无人机同行及地质调查部门开展广泛合作,促进共同发展,以突破传统概念制约和提倡创新为主题,将航空物探需求和工业部门的技术潜能及发展相互结合,为无人机成为我国未来的主力航空物探装备之一做出应有的贡献。”石文表示。

电磁探测技术须向三维进军

“林品荣是中国地质科学院的高级教授,主要从事电磁技术探测研究,组织承担了国家重大的仪器设备和863的一些重点项目,对我国自主大深度、多功能电磁探测系统进行了研究并进行推广。”随着严光生总工程师的介绍,又把与会者带入了一个三维探测的世界。

“我们知道,电磁探测技术以获取的参量多,探测深度大,在地质调查和深部探测研究中得到广泛应用,特别是在多金属矿产、地下水资源、油气资源和深部地质结构探测等方面发挥越来越大的作用。”

林品荣教授首先介绍了国外这方面发展的情况:加拿大凤凰地球物理公司开发了以30KW为主的V8多功能电法系统,在我国的地质调查中应用效果较好,超过了200套;加拿大矿泰公司开发了大功率的激电与音频大地电磁测深相结合的全景三维分布式电磁法系统等。这些系统的人工源电磁法部分,受发射功率和探测深度的限制,主要适用于中浅部(2000米内)的资源勘查。目前国外正在向更大的大功率或级联式的大功率大深度全三维电磁探测方向研究发展。

林品荣介绍,在国内,中国科学院地质与地球物理研究所开发了可控源音频大地电磁测深与大地电磁测深相结合的SEP系统。中南大学开发出超过100KW的广域电磁法系统。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在国家“863”重点项目支持下,开发出60KW的国产大功率多功能电磁法系统(DEM-V),实现了时间域激电、频率域激电、可控源音频大地电磁测深、音频大地电磁测深的测量,填补了国内空白,并取得了良好的应用效果。

“总体来讲,国内开发的仪器大部分是样机,基本上是适用于一维二维探测。而地下地质体大多呈现二维三维的分布,所以说现有技术不能满足地下三维地质体的精细勘查。基于这种现状,我们提出研发大功率、大深度勘查的三维电磁探测技术,满足复杂条件下的二三维探查需要。”林品荣提出了三维电磁探测技术的研究目标。□

矿产勘查技术-地球物理技术论坛现场

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