高精度重力测量在金矿采空区探测中的应用研究

高精度重力测量在金矿采空区探测中的应用研究

李 畅

山东黄金矿业 (莱州 )有限公司三山岛金矿， 山东省烟台市莱州市， 261400

摘要：地球重力场是地球系统物质质量分布产生的一个最基本的物理场.它客观反映了由地球各圈层相互作用和动力过程决定的物质空间分布、运动和变化.同时也承载了地球系统演化进程中的一切与其重力场作用机制相关的信息.因此,地球重力场的时空演化是地球系统动力过程的历史再现.

关键词：重力场；量子重力；精密测量

引言

勘查区位于沂蒙山区南部，区内地形起伏较大，地面标高在+200m左右。根据区内岩、矿石物性特征，采用高精度磁测方法圈定磁异常，为下一步钻探工程提供可靠依据。

1高精度重力测量

1到了20世纪,重力测量技术进入了快速发展阶段,相继诞生了光学干涉式和原子干涉式的重力仪.其中,光学干涉式重力仪的典型代表是美国的Micro-gLaCoste公司研制的FG-5型角锥下落式绝对重力仪,其测量精度在2–5μGal.但是角锥每次自由下落到最后都会和托车(角锥提升装置)有硬接触,每次硬接触都会对角锥带来一定的磨损.为了延长落体(角锥)的使用寿命,该型重力仪的测量频率通常设置在1/15Hz左右.原子干涉式绝对重力仪是近30年快速发展起来的量子绝对重力仪,其最佳分辨率已经达到4.2µGal/Hz,其精度已经达到与FG-5相当的水平.该型重力仪的落体是冷原子团,不存在机械磨损等问题,可以有效提升测量频率,目前已经实现测量频率为1–2Hz浙江工业大学研究组(原依托浙江大学)自2002年起开始量子重力仪的研制工作,是国内最早开展量子重力仪研究的研究组之一.2016年,浙江工业大学研究组自主研制的可移动式量子重力仪,是我国首台参与亚太地区绝对重力比对的量子重力仪.在此之后,继续参加了2017年的第10届全球绝对重力仪国际比对,并且比对结果的中心值与此重力仪的测量结果在误差范围内吻合.

2高精度重力测量在金矿采空区探测中的应用

2.1测量过程

考虑到高精度支架零件精度要求较高，环境温度会对零件的测量结果造成一定影响，因此通过软件对零件和三坐标测量机的三个轴进行温度补偿。打开三坐标测量机，进入测量软件界面，将测量头移动至机器零点，进入测头校准程序，实现对测量头进行校准。根据零件的结构，测量时要考虑零件变形对测量结果的影响，所以零件粗建坐标系后，采用再一次精建坐标系的方法来完成零件测量。选择测量头，手动测量出A、B、C三处9mm孔，再选择测量头测量D处9mm孔。连接A、B孔的中心连线，并连接C、D孔的中心连线，以C、D孔的中心连线为Y轴，以A、B孔的中心连线为X轴，建立CSY1坐标系。通过CSY1坐标系，编制测量程序，使三坐标测量机再一次自动测量A、B、C、D四处9mm孔。然后分别连接A、B孔和C、D孔的中心连线，建立CSY2坐标系。

2.2研制的高精度标准电感器的电感定度

结合相关准确度要求准备高频标准电感定度的相关设备，结合串联谐振原理运用品质因数测量仪开展测量工作。结合谐振电容、谐振回路残感、谐振回路指示Q值进行数据计算，计算中要求考虑指示器分辨误差、间接量测量误差。1.1频率测量误差计算中引入LX测量误差概念，在作业中频率测量误差≤±0.03％，通过计算可得出频率测量误差=2×（±0.03％）=0.03。线圈电感量的误差计算中运用谐振法进行，谐振电容Cx测量误差计算中引入LX测量误差，若运行中，电容测量误差为±0.03％则可得出谐振电容Cx测量误差≤0.03%。计算若使用交叉读数法，可得出出谐振电容Cx测量误差≤0.06%。回路指示Q值计算中引入LX测量误差，进行误差数值计算，若Qi≤40，计算中不考虑Q值的影响，此时得出LX测量误差数值≤0.05%。Qi=35，LX测量误差数值=-4.1X10-a。计算可见可以忽略Q值测量误差。

2.3钻探验证

对圈定的磁异常布置了钻孔进行验证。ZK1钻孔布置在磁异常中心，钻遇3层磁铁矿化纤闪石化辉长岩，第一层揭露孔深184.00m~188.00m，视厚度为4.00m，品位为TFe23.33%、mFe15.90%；第二层揭露孔深194.00m~196.00m，视厚度2.00m，品位TFe26.17%、mFe18.91%；第三层揭露孔深208.00m~210.00m，视厚度为2.00m，品位为TFe22.31%、mFe15.13%。通过验证证实磁异常是由侵入于花岗闪长岩体中的磁铁矿化辉长岩磁铁矿体引起，倾向东，与反演结果基本吻合，得到了较好的验证。

2.4测高仪测量

选用Micro－hite600型测高仪测量，选择合适的测头，并进行测头校准。(1)35±0．012mm尺寸的测量。将零件装夹在精密平口钳上，用测高仪找正零件上C、D两处9mm孔中心轴线与测量平台平行，然后将零件夹紧。测高仪选择测量程序F3，即测量孔之间的距离，使测头在C孔上下接触一下，此时测高仪显示0．000。将测头分别移至A、B两处9mm孔内，分别测量，记录测量结果。(2)5±0．012mm尺寸的测量。将精密平口钳翻转90°，测高仪选择测量程序F3，使测头在C孔上下接触一下，此时测高仪显示0．000。将把测头分别移至A、B两处9mm孔内，分别测量，记录测量结果。采用测高仪常规方法进行测量，需要将零件装夹在精密平口钳上，找正C、D两处9mm孔的中心轴线与工作台面平行，找正过程烦琐。另外，在装夹零件时，也受到零件两端面平行误差的影响，造成端面与A、B两处9mm孔的中心轴线不平行，测量结果的可信度较差。

2.5隔振系统

量子重力仪是通过测量自由下落的冷原子团和拉曼反射镜之间的相位差来获得重力加速度的.拉曼反射镜的振动噪声是小型化量子重力仪的主要噪声来源之一,尤其是在野外测量时,振动环境复杂多变,振动噪声会直接影响仪器的测量精度.用于重力仪的隔振系统主要可以分为被动式(无源)隔振系统和主动式(有源)隔振系统两大类.重力仪被动式隔振系统的类型之一是基于长周期的零长弹簧设计.该型被动隔振系统主要包括零长弹簧结构、几何反弹簧结构、欧拉压杆结构和扭秤弹簧结构等.目前意大利计量院研制的IMGC-02型(光学干涉式)绝对重力仪就是使用该原理的被动隔振系统.由于被动隔振系统的本质是利用特殊结构的弹性元件使系统获得较好的隔振效果,所以该隔振系统容易受到弹性材料蠕变和温漂等因素影响,无法长期保持良好的隔振性能.清华大学研究组通过反馈控制补偿零长弹簧的蠕动和温漂的方法,使得被动隔振系统能够维持本征频率32s长达1年以上.

结束语

根据本区岩、矿石物性参数，选取高精度磁测方法。依据地面磁测资料在工作区内圈定了高磁异常，并对磁异常进行了钻探验证，验证结果钻遇磁铁矿体，对高精度地面磁测工作进行了较好的验证。区内侵入新太古代早期泰山序列花岗闪长岩体中的辉长岩脉是重要的赋矿层位；区内高磁异常形态规则，呈北北西走向，经钻探证实为隐伏的磁铁矿体所引起，揭示了区内具有较高的找矿潜力，为开展下一步地质工作做好了铺垫。

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作者简介：李 畅（1996.08），性别：男，民族：汉，籍贯：山东省烟台市福山区，学历：本科，职称：助理工程师，研究方向：测绘工程。