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望向地球深部的“透视眼” ——深部矿产资源勘探技术综述
作者: 发布于:2018/8/23 14:32:46 点击量:

 矿产资源,是大自然给人类的珍贵馈赠。正是基于对这一馈赠的开发利用,人类才得以从原始的茹毛饮血时代,逐步进入到自给自足的农业时代,进而步入依靠工业化生产满足自身物质、精神需求的现代社会。但要找到矿产并不容易,必须用一定的技术才能使其现出真身。日前,通过科技部验收的“十二五”国家863计划“深部矿产资源勘探技术”重大项目,就是一套能让深部矿产现身的技术。

要有一组“透视眼”该多好

矿,其实就是石头,只是这些石头中含有足够多的人类想利用的元素。专业说法称之为有益元素的丰度,即矿石品位,用以区别矿产的贫富程度。

受地质运动、元素富集条件等因素影响,各类元素在不同岩体甚至同一岩体中的丰度差别很大。因此,人们以现有经济技术条件下开发能获利为标准,确定了不同矿产可开发的丰度值,将其称为工业品位。如果达到工业品位的岩石集中连片分布在一定区域,人们就将其称为矿体。根据集中连片分布的平面面积、空间体积的大小,人们将矿体按规模分为小型、中型、大型、特大型、超大型等不同级别。

要找到蕴藏在岩石内部的矿产困难重重:

一是对裸露的岩石,人们可以通过以前积累的经验判定,并将裸露出的矿称为露头矿。但对蕴藏在岩石内部的矿产分布区域、空间边界、矿体形状及走向等,人们仍无法作出结论。

二是岩石裸露部分所占比例往往很小,山区的岩石往往会被树叶、杂草等覆盖,而山脚下和平原地区的岩石则被厚厚的土层覆盖,有的甚至厚达上千米。

三是同一矿种的矿体在不同地区不同岩石、甚至同一地区同一岩石中赋存形态、分布规律都是有区别的。对此,业内常说“世界上没有完全相同的矿”。

更严峻的是,随着工业化程度的逐年加深,人类对矿产资源的需求日益旺盛,而露头矿却越来越少。不得已,人们将找矿的目光投向地球深部。据统计,一个世纪来,全球矿产勘探深度已由最初的地表延伸到地下500米以深。其中,人类开发矿产的最大深度是南非的Western Deep Level金矿,其最深点已到地下4800米处。

虽说深部的矿更大更富,但勘探发现的难度也更大。因为,无论是对岩石内部还是覆盖层以下的情况,人们既看不到也摸不着。

要是有双能穿透覆盖层或岩石的“透视眼”该有多好!

于是,人们总结已探明矿体与地质运动间的关系,以及其赋存规律、控矿要素等,形成了系列矿产勘查理论,通过应用物理、化学等手段形成了矿产勘探方法技术,逐步提高了对深部矿产的勘探能力。

这次通过科技部验收的深部矿产资源勘探技术,其实就是中国地质人打造的一组“透视眼”,其透视深度可达2000米。有了这组“透视眼”,我国向地球深部进军、发掘深矿产资源潜力的能力得到了进一步提升。

五方面提升矿产探测透视力

这组“透视眼”具备强大的探测透视力,在电性结构探测技术、密度与磁性结构探测技术、速度结构探测技术、钻探及井中探测技术等方面取得创新,涉及重磁、电磁、金属矿地震、井中探测及钻探等5个方面。

在重磁勘探技术与装备方面,突破了高灵敏度微重力测量传感器和铯光泵磁场传感器核心技术;成功研制了地面高精度数字重力仪、地面高精度绝对重力仪,初步实现了产业化。动态激发核磁共振磁传感器和铯光泵磁传感器核心技术取得重大突破,研制成功两型磁力仪样机;开发出国际一流的重磁数据处理反演解释技术和软件系统,实现了复杂地表条件下的重、磁、电、震、地—井联合等多参量三维联合反演解释技术。

在电法及电磁探测技术与设备方面,攻克了高灵敏度宽频感应式电磁传感器技术及检测标定技术,使电磁传感器在一致性、稳定性和重复性上达到国外同类产品水平;研发成功高灵敏度三分量磁通门传感器,技术指标达到国际同类产品水平;研制出分布式多参数电磁探测系统、大功率伪随机广域电磁探测系统和长周期分布式大地电磁观测系统,改变了我国多功能电法仪器高度依赖国外的现状;创新电磁方法体系,构建了适合任意复杂模型的大规模三维电磁正反演与可视化解释软件平台。

在金属矿地震探测及处理解释技术与装备方面,研制出适合复杂山地条件的小型化扫频可控震源和轻便分布式遥测金属矿地震勘探采集系统。该系统在轻便主站、混合遥测交叉站和小型可控震源技术等方面具有很强的创新性,同时兼具大型地震采集系统的高分辨、高保真地震信号实时采集功能和超万道采集能力;研发的金属矿地震处理、解释新技术与软件系统和三维地震数据采集与观测系统设计软件,代表了国内最为完善和领先的金属矿地震数据采集和处理解释方法技术体系。

在地下与井中地球物理探测技术与装备方面,实现了井中电磁波大功率脉冲调制等多项关键技术创新,突破了3000米小口径多参数测井仪器的耐高温高压技术和实用工艺;研发了大功率坑—井—地三维电磁成像系统、井间电磁波层析成像系统、井中多道激发极化仪、大深度小口径多参数测井仪等4种地下和井中探测仪器,技术指标总体达到国际同类产品水平,部分达到国际领先水平;创新了地下和井中探测方法技术体系,构建了功能齐全的地下物探数据处理、反演解释软件系统。

在大深度、小口径岩心智能钻探技术与装备方面,自主研制成功4000米地质岩心钻探成套装备和自动化智能化钻探技术,实现了系列技术和工艺的创新;建立了典型孔内工况判别准则和优化钻进模型,研发出了岩心钻探智能化钻进监控硬件系统和软件系统。

还需进一步精细打磨

“深部矿产资源勘探技术”重大项目,是2014年在科技部支持下正式启动的。4年来,在自然资源部中国地质调查局矿产资源研究所的组织下,18个单位、300多名科技人员联合攻关、持续创新,终于打磨出这组“透视眼”。

有了这组“透视眼”,我国全面突破了2000米以浅矿产资源勘探方法、技术、装备障碍,形成了从地面到地下、从结构探测到物性探测、适应复杂地质条件的立体探测技术体系。今后,我国向地球深部进军、实现深部矿产勘探突破有了有力技术支撑。

对这双组透视眼,参加验收的专家给予了高度评价:经过4年研发,在关键技术攻关、仪器设备研发与完善、地球物理方法创新和软件研制等方面形成了系列成果,大幅提高了我国深部资源勘查技术自主研发能力,提升了国际竞争力。

但无论是参加验收的专家,还是参与研发的科技人员都表示:这组“透视眼”并不是万能的,还需要实施一系列后续项目,做进一步的精细打磨。

首先,虽然我国的深部矿产地球物理勘探技术体系已经建立,但仍有一些技术指标与国外先进水平存在差距。在重磁探测方面,绝对重力仪的精度仍需进一步提高,动态激发核磁共振磁传感器和铯光泵磁传感器等仍需攻关。在电磁探测方面,电磁传感器的灵敏度、频带范围和噪声水平还需进一步提升、仪器系统的全三维观测能力及软件的多参数联合反演解释能力有待加强。在金属矿地震勘探方面,适合于金属矿探测的三维高密点长排列采集技术、弱信息提取技术、综合解释技术等还不完善。在井中探测方面,仪器设备的发射功率、噪声水平、接收灵敏度等尚有提升空间。在钻探方面,需要进一步研究更大深度、更高智能化的地质岩心钻探技术与装备。

其次,我国深部矿产资源勘查技术与装备的产业化和商品化程度与国外相比尚有较大差距。国外由于技术研发起步较早,产学研一体化链条完善,目前已实现了高度商品化。国外CG-5、GSM等重磁仪器,V8、GDP-32等电磁仪器,Sercel428等地震仪器仍在我国占据市场主流。而我国的核心技术与装备刚刚研发成功,成果的商品化、产业化程度还较低。因此,需要进一步提升仪器工艺和实用化水平,包括:轻便性、稳定性、抗干扰能力、制作工艺等,同时还要与高新技术企业加强合作,加速实现技术和装备研发成果的商品化。

此外,我国目前研发的勘探地球物理仪器内部所用的高端关键元器件仍有相当部分依赖进口,部分高端电子元器件和传感器对我国高度禁运。目前,在中国市场上可以获取的一些高端元器件专用模块与芯片产品质量往往不稳定,使用这些“高端元器件”的仪器设备,会造成性能不稳定、甚至整体瘫痪。因此,我国还需要在芯片、FPGA、ARM、DSP、高位低速ADC、弱信号检测电路等核心电子信息技术方面进行研发,真正实现核心技术不受制于人。

要真正实现我国深部矿产资源的透明化、立体化探测,任重而道远,仍需广大科研人员团结一心、再接再厉,为祖国的地质矿产勘查事业奉献力量。

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