(Centro de Exploración Geofísica Aérea y Teledetección del Ministerio de Geología y Recursos Minerales, Beijing 100083)
Debido a la escasez de fertilizante potásico en mi país, en el pasado Durante 30 años, la gente ha concedido gran importancia a la investigación de nuevos métodos para encontrar potasio. Estos nuevos métodos incluyen: registro de espectroscopia gamma, espectroscopia gamma aérea, teledetección, gravedad, etc. Este artículo resume brevemente los principales resultados de nuestra investigación en esta área. En 1963, se propusieron y estudiaron el método de registro de espectrometría gamma y el espectrómetro gamma de fondo de pozo. Antes de la década de 1980, el instrumento fue modificado varias veces y los instrumentos y métodos de registro del espectro gamma se utilizaron con éxito en seis provincias. En 1995, se desarrolló un sistema de software de interpretación interactiva para espectros de radiactividad de pozos, que incluía cinco programas funcionales: preprocesamiento, interpretación cuantitativa, análisis de tendencias, visualización gráfica e interpretación integral. A partir de 1984, se llevaron a cabo estudios aéreos de alta sensibilidad para explorar los depósitos de potasio por evaporación en el oeste de China. Generalmente se miden cuatro parámetros: K, Th, U, campo magnético. Para realizar el preprocesamiento de datos, el procesamiento, la estabilización del espectro y el procesamiento de imágenes, se desarrollaron el paquete de software de procesamiento de energía gamma multicanal aerotransportado (AMGPSP) y el paquete de software de procesamiento de imágenes de datos geofísicos aerotransportados (AGIP-SP). Desde mediados de la década de 1980, se han aplicado técnicas de procesamiento de imágenes digitales a la interpretación integrada de datos geofísicos y de teledetección (MSS y TM) para estudiar las cuencas de potasa evaporativa en el oeste de China. A principios de 1993 se desarrolló un paquete de software especial para la visualización tridimensional de campos gravitatorios (3DIG). Primero, se establece una matriz de datos tridimensional del campo de gravedad y luego se muestra en varias formas para revelar las características internas del campo de gravedad.
Espectrómetro gamma en pozos de sal de potasio; espectroscopía gamma de aviación; visualización tridimensional del campo gravitatorio de detección remota
1 método de registro de espectrometría gamma
Según muestran las estadísticas que el 50% de las reservas totales de potasa del mundo se encuentran en pozos. Para buscar sales de potasio y distinguir la interferencia de las lutitas que contienen torio y uranio en las sales de potasio, en 1963 realizamos una investigación sobre los métodos de registro de espectrometría de energía gamma y desarrollamos un espectrómetro de energía gamma de pozo. El instrumento pasó por cinco modificaciones antes de la década de 1980.
El método se basa en el isótopo radiactivo natural 40K. La abundancia de isótopos de 40K es 0,0119, su coeficiente de radiación cuántica γ es 11,6 y su energía media es 1,46 MeV, lo que es adecuado para la detección y el análisis del espectro de energía.
El espectrómetro gamma de cuatro pocillos desarrollado utiliza cristales cilíndricos de yoduro de sodio para detectar el espectro gamma. Los cuatro canales son (Figura 1): canal PK (canal diferencial con un valor máximo de 1,46 MeV a 40 K, su umbral de energía es 1,40 ~ 1,52 MeV); canal LI (canal integral izquierdo, su umbral de energía ≥ 1,30 MeV); canal (canal de integración derecho, umbral de energía ≥ 1,60 MeV y canal TC (canal de conteo total, umbral de energía ≥ 0,2 MeV); Durante el proceso de producción del espectrómetro gamma de pozo, se estudiaron los siguientes puntos técnicos:
1.1 Sensibilidad
Debido a la baja abundancia de isótopos y al coeficiente de radiación gamma de 40K, es necesario mejorar la sensibilidad de los espectrómetros gamma en pozo. Por lo tanto, la longitud del cristal Nal aumenta a 100 ~ 150 mm y, debido a la limitación del diámetro interior del orificio de perforación, su diámetro no puede exceder los 50 mm.
Figura 1 El espectrómetro gamma de cuatro orificios utiliza un cristal cilíndrico de yoduro de sodio para detectar el espectro de energía de los rayos gamma.
Los cuatro canales son: canal PK (canal diferencial, el valor máximo a 40K es 1,46 MeV, su umbral de energía es 1,40 ~ 1,52 MeV); canal LI (canal integral izquierdo, su umbral de energía ≥ 1,30 MeV) canal RI (canal de integración derecho, umbral de energía ≥ 1,60 MeV); y canal TC (valor total, su umbral de energía ≥ 0,2 MeV)
Transmisión de pulsos 1,2
Para mantener Para la resolución del instrumento, el pulso emitido por el tubo fotomultiplicador debe transmitirse desde el instrumento de fondo de pozo al instrumento de superficie sin distorsión en la forma de onda y amplitud después de pasar a través del preamplificador. Seleccione un esquema de transferencia de tensión-corriente. La resolución de 137Cs permanece sin cambios después de la transmisión a través de un cable de 3600 m (10).
1.3 Estabilidad
El gradiente vertical de temperatura de la corteza terrestre es de aproximadamente 1 ℃ cada 33 m, por lo que la temperatura ambiente a una profundidad de 3500 m en el pozo puede llegar a 100 ℃ . Para lograr una estabilidad confiable del espectrómetro, se tomaron las siguientes tres medidas: seleccionar un cristal de NaI de alta temperatura y un tubo fotomultiplicador utilizando el coeficiente de temperatura positivo de la fuente de alimentación de alto voltaje suministrada al fotomultiplicador para compensar el coeficiente de temperatura negativo de; la ganancia del fotomultiplicador que utiliza el circuito de estabilización automática del espectro 137C mantiene estable la posición del pico.
Cualquier pico fotoeléctrico de un isótopo se superpone a la línea de extensión de Compton del pico fotoeléctrico de mayor energía. El fondo bajo el pico fotoeléctrico de 40K es proporcional a la integral derecha RI (Figura 1), que es la base teórica del método de disolución de K y del análisis de componentes principales. Estudiamos el uso de análisis de componentes principales y métodos de eliminación espectral para suprimir la interferencia. de uranio y torio para obtener anomalías de potasio más puras. El sistema de ecuaciones (1) muestra el proceso matemático del análisis de componentes principales. Su vector de características se obtiene estadísticamente.
Actas del 30º Congreso Geológico Internacional Volumen 20 Geofísica
Donde: x es la variable original; e es la nueva variable, que es una función lineal de la variable original; la matriz unitaria.
En 1995, se desarrolló con éxito el Sistema de software de interpretación del espectro radiactivo de pozo (HRSIS), que consta de cinco programas funcionales: preprocesamiento, interpretación cuantitativa, análisis de tendencias, visualización gráfica e interpretación integral. El sexto grupo son las AYUDAS (función de ayuda). El sistema HRSIS está escrito en lenguaje C en una microcomputadora. La Figura 2 muestra una imagen de ejemplo de los resultados de registros de un pozo ubicado en el centro de actividad sedimentaria en la cuenca Kuntyyi, provincia de Qinghai. En la Figura 2, la capa de KCl muestra una integral izquierda (LI) alta, una diferencia de picos (PK) y un recuento total alto (TC), pero una integral derecha (RI) baja. Además de la capa de KCl, se pueden observar claramente tres etapas de depósito lacustres.
Figura 2 Ejemplo de imagen de registro de pozo
Este pozo está ubicado en el centro de actividad sedimentaria en la cuenca Kunteyi en la provincia de Qinghai.
*En el extremo izquierdo está el registro del espectro gamma original, escalado mediante vectores propios.
*La parte central es la imagen compuesta de tres colores de PK, LI y RI. Las capas de sal gema son de color oscuro debido a su bajo contenido de elementos radiactivos, mientras que las capas de potasa o sal gema son de color brillante, y las capas de rocas arcillosas también son de color brillante debido a su alto contenido de uranio, torio y potasio.
La curva de tendencia de *K y la curva de tendencia de Th-U muestran la disminución de Th y U y el aumento de K, reflejando las tres etapas de evolución de la cuenca: etapa de lago semisalino; etapa de lago salino; seco Etapas alternas de lago salino y lago hipersalino.
*Curvas K obtenidas mediante análisis de componentes principales que muestran capas enriquecidas con polihalita a profundidades de 60 m y 130 m.
El método de registro del espectro gamma se ha aplicado con éxito en seis provincias: Yunnan, Hubei, Sichuan, Shandong, Xinjiang y Qinghai. En zonas mineras como Mengyejing se pueden detectar capas que contienen potasio con un espesor de ≥0,5 my un contenido de KCl de ≥2. El Ministerio de Petróleo ha formulado la política técnica de “promover tanto el petróleo como la sal”. Alentado por esta política, se midió una capa de sal de potasa de 0,8 m de espesor en el campo petrolífero de Jianghan, con un contenido de KCl de hasta 16,8. En Sichuan se encontró una capa de polihalita con un espesor de ≥0,2 m. En 1991, en una nueva zona de exploración en la provincia de Yunnan, se perdieron todos los primeros núcleos de perforación. Sólo el registro de espectroscopia gamma pudo complementar los datos de perforación y se descubrieron varias capas que contienen potasa, evitando la pérdida económica de volver a perforar.
2 Espectrometría aérea de rayos gamma
Desde 1984 se llevan a cabo estudios geofísicos aéreos de alta sensibilidad en el oeste de China, centrándose en la búsqueda de depósitos de evaporita de potasio. Generalmente se registran cuatro parámetros: k, Th, u y campo magnético. Se pueden utilizar espectrómetros gamma aéreos multicanal (512) o de 4 canales. El volumen total del cristal de yoduro de sodio de columna cuadrada utilizado puede alcanzar los 50 dm3, la altura de vuelo es de aproximadamente 90 m, la distancia de la línea es de 1 a 2 km y la escala de medición es de 1:10000 a 1:2000000.
En la década de 1980 se desarrollaron los paquetes de software Aeronautical Multichannel Gamma Spectral Processing (AMGPSP) y Aeronautical Geophysical Image Processing (AGIPSP), ambos escritos en el lenguaje FORIRAN. Utilizando estos dos paquetes de software, es posible realizar estabilización, preprocesamiento y procesamiento de software de espectroscopía gamma, así como procesamiento de imágenes de datos geofísicos aéreos.
La zona donde se busca potasa en el oeste de mi país tiene escasa vegetación y terreno llano, lo que la convierte en una zona ideal para la entrega aérea. El rango dinámico de los datos suele ser el siguiente: k-0 ~ 8, th-(0 ~ 40) × 10-6, u-(0 ~ 15) × 10-6.
La tecnología de procesamiento de imágenes digitales es muy útil para extraer la siguiente información geológica: mapeo litológico; búsqueda directa de potasio; investigación de depósitos de potasa: extracción de rastros estructurales: en algunos casos, también puede determinar anomalías de petróleo y gas. Las mediciones de espectroscopía gamma en el aire son uno de los pocos métodos que pueden detectar directamente ciertos elementos.
Por ejemplo, la imagen ternaria sintetizada a partir de datos de K, Th y U como resultado de la medición del espectro gamma desde el aire es en realidad un mapa geoquímico regional ternario que utiliza imágenes Landsat (TM o MSS) sintéticas. Las imágenes de tres elementos de K, Th y U se pueden dibujar mediante métodos de clasificación supervisados o no supervisados.
Las rocas fangosas (areniscas, lutitas, etc.) son ricas en óxido de potasio y se convierten en la principal interferencia en la búsqueda directa de sales de potasio. Mediante el análisis de imágenes de elementos K y Th y sus diagramas de dispersión, se encontró que existe una cierta correlación lineal entre los contenidos de K y Th en rocas arcillosas. Para determinar directamente el KCl se probaron una serie de técnicas de procesamiento de imágenes, como análisis de componentes principales, transformación del sistema de coordenadas de color, extracción de vegetación, etc.
Con base en los fenómenos anteriores y las pruebas exitosas, se pueden distinguir KCl y óxido de potasio en la arenisca terciaria en la esquina noreste del área de estudio de la cuenca Qaidam. En esta zona de estudio se detectaron 10 nuevas anomalías de KCl, una de las cuales fue verificada en el terreno, y las reservas sólidas de KCl aumentaron en 3,245 millones de toneladas. La salmuera KCl es de especial importancia para los datos de la encuesta. El círculo de agua superficial con K≥0,6 se designa como salmuera de KCl en la imagen.
A través de la clasificación supervisada, se han añadido dos tipos de mapas litológicos a los 14 tipos originales. No solo se distinguieron con éxito KCl y óxido de potasio, sino que también se distinguieron con éxito KCl y KCl arcilloso.
3 Mediciones de teledetección
Los datos de TM en siete bandas tienen mayor espectro energético y resolución espacial, y son más útiles para el estudio de cuencas de evaporación que contienen potasio.
Aunque siempre se espera utilizar tantas bandas como sea posible para extraer información geológica, sigue siendo inseparable de una imagen de tres valores con el mejor efecto de visualización. La mejor imagen de tres valores debe contener la mayor cantidad de información y tener la correlación más baja entre las tres bandas. El factor de correlación de combinación q sirve como medida y base para la combinación óptima.
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Donde: Si es el cambio en la banda I; Ri es el coeficiente de correlación.
La mejor imagen de tres valores debe tener el valor q más grande. Por ejemplo, en los datos TM de la cuenca Quintyyi, la combinación de las bandas 1, 4 y 7 funciona mejor. La cuenca de Quintyyi es un lago salado moderno, que tiene cierta importancia para la exploración de sales de potasio. Se encuentra en el noroeste de la cuenca Qaidam en la provincia de Qinghai. La Figura 3a es una imagen en blanco y negro que muestra claramente el paisaje general de la Cuenca Quintyyi. Es un lago salado seco cerrado en forma de diamante, de 80 kilómetros de largo y 30 kilómetros de ancho, por el que pasa una carretera. El lago salado seco limita con las montañas Altun al norte y dos anticlinales al este, al oeste y al sur. Algunos de los anticlinales contienen campos petrolíferos con valor industrial.
Figura 3 Paisaje de la cuenca Kuntiyi
La imagen compuesta de datos A-TM en las bandas 1, 4 y 7 muestra claramente el paisaje general de la cuenca Kuntiyi en el oeste de China. Es un lago salado seco cerrado en forma de diamante de 80 kilómetros de largo y 30 kilómetros de ancho. B: Al realizar la conversión de KL en los datos de las bandas 1, 4, 5, 6 y 7, se obtiene una imagen anormal valiosa, en la que el KCl aparece como un punto blanco brillante.
Para establecer los signos anormales de las sales sólidas de potasio, se tomaron muestras de la imagen, se seleccionaron 14 objetivos geológicos en la imagen y se contaron sus valores de brillo en 7 bandas de TM. Los resultados del muestreo de imágenes se muestran en la Figura 4. El KCl sólido (números 12 y 13) tiene características espectrales claramente distinguibles, lo que proporciona una base para la interpretación.
Con base en el análisis espectral, las anomalías de las sales sólidas de potasio se extrajeron mediante transformación KL (análisis de componentes principales) y corte y estiramiento segmentados (Figura 3b). Además de detectar KCl, también se estudiaron las características estructurales, las características de deposición de sal y la revelación de la fuente de los materiales de la cuenca salina.
Figura 4 Resultados del muestreo de imágenes
La curva es el valor de brillo de la banda TM7 de 14 objetivos geológicos. El KCl sólido (No. 12 y 13) tiene características espectrales claramente distinguibles, lo que proporciona una base para establecer signos anormales de sales sólidas de potasio.
Figura 5 Ejemplo de resultados de interpretación del paquete de software 3D ig
Imagen similar a una tomografía computarizada de la anomalía negativa local número 20 en el campo de gravedad de Mengla, Yunnan: B-65 del número 20. 20 anomalía negativa a lo largo del eje mayor, sección 438 00, revela la morfología interna anormal y describe específicamente la deformación de las formaciones rocosas y su relación tridimensional con las fallas de la cuenca.
Figura 6 Los resultados de la interpretación de la anomalía negativa local número 20 calculada manualmente por buscadores geofísicos en la provincia de Yunnan.
A - el plano de diferencia de gravedad residual promedio en el círculo con radios r1, r2, r3, r4, r5; b - sección de interpretación c - el resultado de la interpretación obtenido - sección del cuerpo de sal gema; /p>
Figura 7 Perfil del campo gravitatorio de Mengla
La imagen de perfil de corte principal que recorre todo el campo gravitatorio de Mengla de norte a sur y de sureste está marcada con isolíneas. Debido a limitaciones de visualización, toda la sección se cortó en 4 secciones.
Visualización 3D de 4 campos de gravedad
La diferencia de densidad entre la capa de sal y el medio circundante suele ser superior a 0,3 g/cm3, mientras que la diferencia de densidad entre NaCl y KCl es de aproximadamente 0,15g/cm3, por lo que tradicionalmente la exploración de yacimientos salinos se ha realizado mediante prospección por gravedad.
El personal de exploración geofísica de la provincia de Yunnan suele utilizar la diferencia en la gravedad residual promedio en círculos con diferentes radios para evaluar la forma y el tamaño de los yacimientos de mineral de sal (Fórmula 3).
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Donde: gr1 y gr2 son los datos del campo de gravedad residual en el círculo con radios r1 y r2. N1, n2 son puntos del círculo con radio r1 y r2 se utiliza para el cálculo promedio.
En principio, esta diferencia de gravedad residual promedio está cerca de la primera derivada vertical de la gravedad. Varios ejemplos interpretados de esta manera han sido confirmados mediante perforaciones.
La contribución de nuestro trabajo radica en la visualización tridimensional de los datos de gravedad para una mejor visibilidad y una interpretación más rápida. En 1993, se desarrolló un paquete de software (3DIG) utilizado específicamente para la visualización tridimensional de campos de gravedad utilizando el lenguaje FORTRAN. Utiliza métodos como la extensión hacia arriba y las diferencias de gravedad residual promedio circunferencial de diferentes radios para establecer una matriz de datos tridimensional del campo de gravedad y luego la muestra en diferentes formas.
Este paquete de software se utilizó para estimar el campo gravitatorio del condado de Mengla, que contiene sal en el suroeste de China. El rango dinámico del campo gravitatorio es -3,5×10-5 ~ 2,9×10-5m/S2. Hay 20 anomalías negativas locales. Se estudia cada anomalía local y los resultados se expresan en forma de grupos de secciones y formas "CT", que pueden revelar la relación entre el interior de la sección y el medio circundante, y describir en detalle la deformación de la formación rocosa y su relación tridimensional con las fallas de la cuenca. La Figura 5 es un ejemplo de una imagen de este tipo para la anomalía negativa local número 20, y esta anomalía también se calculó manualmente para comparar. La figura 6 es el resultado del cálculo manual. Las Figuras 5 y 6 revelan las características internas de la anomalía negativa local No. 20. La Figura 7 muestra las principales secciones de corte del campo de gravedad a lo largo de toda la región de norte a sur y sureste, marcadas con contornos. Debido a limitaciones de visualización, toda la sección se cortó en cuatro secciones.
Las escalas de profundidad se pueden obtener utilizando análisis de correlación (por ejemplo, ajuste de mínimos cuadrados) de los resultados de perforación y los datos del perfil. Una vez que se obtiene la escala de profundidad aproximada, el software puede calcular fácilmente la profundidad del entierro, el espesor y las reservas de la capa de sal de potasa o sodio.
Gracias a los camaradas Mi, Li Shoutian, Chen Xianyao y otros por participar en el desarrollo de métodos y espectrómetros gamma en pozo. También agradecemos a los geofísicos de la provincia de Yunnan por sus esfuerzos para medir la gravedad de las minas de sal. Gracias a Zhu Yue'e y Shi por su trabajo en el desarrollo de software, y al camarada Xu por completar el estudio geofísico aéreo de Qinghai. También agradezco al camarada Gao por su apoyo al sistema de procesamiento de imágenes S600. Además, también nos gustaría agradecer al camarada Yang y al camarada Li Yi por componer e imprimir el texto y el mapa de este artículo.
Referencia
[1] Zhang Yujun, Wang Naidong, Zhang Zhimin. Paquete de software de procesamiento de datos de espectrómetro multicanal de rayos gamma aerotransportado.
Tecnología informática de exploración geofísica y geoquímica, 1989, 11: 11 ~ 21.
[2] Zhang Yujun. Investigación sobre tecnología de restauración de imágenes de datos de radiación aérea. Acta Geophysica Sinica, 1990, 33: 405~412.
[3] Zhang Yujun. Estudio de anomalías aeromagnéticas y de radiación en un campo de petróleo y gas utilizando tecnología de procesamiento de imágenes. Chinese Journal of Geophysics, 1994, 37: 505~515.
[4] Zhang Yujun. Procesamiento de imágenes digitales de datos magnéticos aéreos de la cuenca Qaidam. Descripción general de la geofísica de exploración de China. Tulsa, Sociedad Estadounidense de Geofísicos de Exploración 1989, 517-535.