تشخیص نوع و بافت کانی‌سازی با استفاده از پارامترهای طیفی داده‌های پلاریزاسیون القائی در حوزه زمان در مجتمع معدنی ایرانکوه اصفهان

دسته ژئوفیزیک
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و نهمین گردهمایی علوم زمین
نویسنده دکتر نادر فتحیان پور مهندس اکبر لوافان
تاريخ برگزاری ۰۱ آبان ۱۳۸۴

Abstract
One of the most important issues in searching for metallic ores is to discriminate between different types and mineralization textures. Using Cole-Cole impedance model for the subsurface it is possible to calculate the apparent Cole-Cole parameters by a curve matching technique in a least squares sense. In the current study, SIP measurements have been obtained using six chargeability slices of the transient decay curve after a ۲ seconds square wave current on time at the Irankuh lead and zinc ore deposit complex.  It is shown that the SIP measurements will give additional valuable textural and structural information which can be of great help in determining and delineating ore blocks for a systematic exploration program.  It was found that the increase in time constant is associated with the ore zones with continuous and greater grain size of IP sources.  The average frequency exponent for the vein type ores was found to be about three times larger than that of the disseminated ore zones.

چکیده
یکی از مسائل بسیار مهم در اکتشاف کانسارهای فلزی تشخیص و جداسازی نوع کانسار فلزی و بافت کانسنگ می‌باشد. با استفاده از مدل امپدانس کل-کل می‌توان پارامترهای ظاهری کل-کل را با استفاده از تکنیک برازش منحنی بروش حداقل مربعات محاسبه نمود.  در مطالعه حاضر، اندازه‌گیریهای SIP از طریق 6 برش زیر سطح منحنی بارپذیری از منحنی افت ولتاژ ناشی از یک جریان مربعی با دو ثانیه‌ زمان وصل در مجتمع معدنی ایرانکوه بدست آمده است. در این مقاله نشان داده شده است که اندازه‌گیریهای SIP قادرند اطلاعات اضافی بسیار با ارزشی را در خصوص ساخت، بافت و نوع کانسنگ ارائه دهند بطوریکه این اطلاعات در یک برنامه اکتشاف سیستماتیک می‌تواند مفید واقع گردد. مشخص گردید که افزایش ثابت زمانی در نواحی که دارای منابع IP پیوسته و درشت دانه هستند ظاهرمی‌گردند. همچنین نتایج نشان میدهد که میانگین ثابت توانی اثر فرکانس برای کانسارهای رگه‌ای در حدود سه برابر بزرگتر از کانسنگهای با بافت افشان می‌باشد.
مقدمه
عدم توانائی تشخیص نوع توده‌های بارپذیر توسط روشهای سنتی پلاریزاسیون القائی (IP) در حوزه‌های زمانی و فرکانسی منجر به ابداع و توسعه اندازه‌گیریهای پلاریزاسیون القائی طیفی (SIP) در هر دو حوزه زمانی و فرکانسی گردید. اولین کاربرد موفقیت آمیز اندازه‌گیریهای SIP توسط پلتن و همکاران در سال 1978 در حوزه فرکانسی و در دامنه 10-2تا105هرتز گزارش گردید.  آنها جهت تفسیر داده‌های بدست آمده از مدل امپدانس کل-کل ( Cole-Cole)  که در ابتدا توسط برادران کل(1941) جهت مطالعه پراکندگی و جذب بار درمواد دی‌الکتریک بکار رفته بود، بر روی 26 مورد کانسارهای ماسیوسولفید، گرافیتی، مگنتیتی، پیروتیتی و مس پرفیری استفاده نمودند. گرچه آنان در حذف اثرات کوپلینگ  و تعیین معیارهائی برای جداسازی آنومالیهای ناشی ازگرافیتها از آنومالی ناشی از کانسارهای سولفیدی موفق بودند ولیکن بدلیل ماهیت تحقیقاتی کارشان و پر هزینه و زمان بر بودن اندازه‌گیریها در دامنه وسیعی از فرکانسها، نتوانستند بطور مؤثری الگوی کاری خود را بطور وسیع در برنامه‌های اکتشاف معدنی وارد نمایند. قبلأ زونگ و همکاران (1975) نیز با اندازه‌گیری زاویه فاز نسبی در حوزه فرکانسی رفتار مقاومت ویژه مختلط را بر روی انواع کانسارها مورد بررسی و مطالعه قرار داده بودند. .  تمب (1981) اولین کسی بود که امکان‌پذیری استنتاج پارامترهای طیفی را از اندازه‌گیریهای حوزه زمانی مورد مطالعه قرار داد و نشان داد که می‌توان با استفاده از مدل کل-کل در حوزه زمانی، شیلهای سیاه را از کانسارهای سولفیدی جدا نمود. عدم توانائی تمب در جداسازی انواع بیشتری از کانسارها بطور عمده  ناشی از ضعف تکنولوژیکی دستگاههای بکار گرفته شده در آن زمان بوده است.
 جانسون (1984) روش جدیدی را جهت استخراج پارامترهای طیفی با استفاده از دستگاههای گیرنده نسل جدید که قادر به اندازه‌گیری سطح زیر منحنی افت ولتاژ در برشهای مجزا بودند، ارائه داد.  ون‌‌هالا و پلتونیمی (1992) و سیجل و همکاران (1997) با استفاده از الگوریتم جانسون از روش SIP جهت تشخیص و تفکیک کانی‌سازیهای مختلف استفاده نمودند.  در آخرین تحقیقات چاپ شده در این زمینه لو و زونگ (1998) و روت و الدنبرگ (1988) روش‌هائی را جهت تعیین پارامترهای طیفی با استفاده از مدل کل-کل از طریق معکوس سازی داده‌های SIP حوزه فرکانسی ارائه نمودند.
در این مقاله با استفاده از تئوریهای بکار گرفته شده توسط تمب و جانسون و بکارگیری روش حداقل مربعات اقدام به استخراج پارامترهای طیفی بارپذیری در حوزه زمانی جهت تعبیر و تفسیر نوع ساخت و بافت کانسار سولفیدی سرب و روی تپه سرخ از مجتمع معادن ایرانکوه واقع در 20 کیلومتری جنوب شهرستان اصفهان گردیده است.
 
فرمول‌بندی مسئله
روشهای استخراج پارامترهای طیفی SIP را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم نمود.  در روش اول از مجموعه منحنی‌های استانداردی که از قبل برای پارامترهای مختلف کل-کل تهیه شده جهت مقایسه با منحنی افت ولتاژ در داده‌های حقیقی اندازه‌گیری شده استفاده می‌شود (تمب، 1981).  از آنجائیکه در این روش نیاز به مقادیر افت ولتاژ در زمانهائی پس از قطع جریان می‌باشد و در اندازه‌گیریهای متداول امروزی سطح زیرمنحنی افت ولتاژ در برشهای زمانی مختلف ثبت می‌شوند و همچنین بدلیل سرعت کم و عدم دقت زیاد از این روش استفاده چندانی نمی‌شود.  بنابراین در این مقاله از فرمولاسیون ارائه شده توسط جانسون (1984) که در آن از بارپذیری در برشهای زمانی مختلف پس از قطع جریان استفاده شده است، در الگوریتم توسعه داده شده در این مقاله بهره گرفته شده است.
مدل کل-کل که برای اولین بار توسط پلتون و همکاران (1978) بکار گرفته شده، معرف مدار معادل زمینی است که حاوی یک توده بارپذیر می‌باشد و به صورت روبرو تعریف می‌شود.
معادله 1  
که در آن Z0 مقاومت DC مدل بر حسب اهم متر و w فرکانس زاویه‌ای می‌باشد.   همانطور که از معادله 1 دیده می‌شود، سه پارامتر تعریف کننده توده بارپذیر در مدل کل-کل شامل ثابت زمانی (t) ، ثابت توانی اثر فرکانسی C  و بارپذیری حقیقی (m) می‌باشند.  پارامتر m  بارپذیری  حقیقی توده بارپذیر بوده و بصورت حاصل تقسیم ولتاژ درست  پس از قطع به ولتاژ اشباء قبل از قطع جریان می‌باشد و حدود تغییرات آن از 0 تا 1 تغییر می‌کند. پارامتر t معرف نرخ افت ولتاژ باقیمانده پس از قطع جریان بوده و مقدار آن تابعی از مربع میانگین ابعاد دانه‌های کانه‌های فلزی در توده بارپذیر می‌باشد.  در عمل مشخص شده است که این پارامتر در دامنه وسیعی از میلی ثانیه تا هزاران ثانیه تغییر می‌کند.  پارامتر C کنترل کننده انحناء منحنی افت در سیستم مختصات دو محور لگاریتمی بوده و  از نظر فیزیکی توزیع دانه‌بندی ذرات فلزی در توده بارپذیر را نشان می‌دهد.  دامنه تغییرات مقادیر C در محدوده 0 تا 1 تغییر نموده و برای دامنه تغییرات دانه‌بندی وسیع حدود 0.1 و دامنه دانه‌بندی کم حدود 0.6 مشاهده شده است (سیجل و همکاران 1997).  در مطالعه حاضر ابتدا از فرمولاسیون افت ولتاژ پس از قطع جریان که توسط تمب (1981) ارائه شده، شروع می‌کنیم.
معادله 2  
که در آن Im معرف مؤلفه مجازی و Z امپدانس می‌باشد.  از آنجائیکه گیرنده‌های حوزه زمانی IP از قبیل سری‌های  IPR  ساخت سینترکس بارپذیری را در برشهای زمانی  اندازه‌گیری می‌کنند لذا برایiامین برش خواهیم داشت.
که در آن tiو  ti+1فواصل انتگرال‌گیری برای برش iام بوده و Vp میانگین ولتاژ در زمان وصل جریان می‌باشد.  حال اگر از علائم بکار گرفته شده توسط جانسون (1984) با تعریف تابع G به صورت زیر استفاده کنیم، خواهیم داشت:
معادله 3           
با ترکیب معادلات 1 و 2 و داخل کردن تابع G نتیجه می‌شود:
معادله 4                    
همچنین مقدار تئوریک ولتاژ اولیه در حین وصل جریان نیز برابر خواهد بود با:
معادله 5           
که در آن taو tbفاصله زمانی وصل جریان می‌باشند.  بنابراین با ترکیب کردن معادله 4 و 5 خواهیم داشت:
معادله 6            
جهت تخمین پارامترهای SIP لازم است تا بهترین انطباق بین برشهای بارپذیری اندازه‌گیری شده با منحنی‌های استاندارد تئوریک که از معادله 6 نتیجه می‌شود، را بدست آورد.
 
تخمین پارامترهای SIP
همانطور که جانسون (1984) نیز اشاره کرده است، لازم است تا بهترین انطباق را بین داده‌های اندازه‌گیری شده و مقادیر تئوریک مدل کل-کل برای هر اندازه‌گیری منحنی افت ولتاژ بدست آورد.  در این تحقیق از روش حداقل مربعات جهت تخمین پارامترهای t، C و M از طریق یافتن کمینه آماره RMS که توسط معادله زیر میشود، استفاده شده است.
معادله 7           
که در آن Mi بارپذیری ظاهری اندازه‌گیری شده برای برش iام و Si  مقدار تئوریک همان برش می‌باشد.  در مطالعه حاضر به منظور سرعت دادن به برداشتهای صحرائی از جریان قطع و وصل مربعی شکل با زمان 2 ثانیه وصل و قطع و 6 برش زمانی استفاده شده است که در انتها و از طریق برازش منحنی بروش حداقل مربعات پارامترهای t،  C و m استخراج گردیده‌اند.
 
کاربرد عملی
الگوریتم روش معرفی شده در این مقاله بزبان ویژوآل‌بیسیک برنامه‌نویسی و سپس بر روی داده‌های چند مقطع در محدوده غرب معدن سرب و روی تپه سرخ از مجتمع معادن ایرانکوه واقع در 20 کیلومتری جنوب شهرستان اصفهان اجرا شده است.  طول متوسط پروفیلها 450 متر و امتداد آنها عمود بر روند کانی‌سازی احتمالی انتخاب گردیدند.  آرایه دوقطبی-دوقطبی با فواصل بین دوقطبیهای جریان و پتانسیل برابر 20 متر و پرشهای 20 متری تا حداکثر جدایش n = 8  بکار گرفته شده است.  یکی از مشکلات اکتشافی عمده در این ناحیه معدنی تشخیص نوع و بافت کانی‌سازی می‌باشد.  اگر چه مشکلاتی از قبیل حضور زونهای افشان پیریتی، زونهای رسی و برشی تکتونیزه نیز به عنوان منابع پارازیتی منابع IP محسوب می‌گردند، ولیکن تشخیص این زونها با استفاده از سایر اطلاعات زمین‌شناسی، شبه مقاطع فاکتور فلزی و مقاومت ویژه امکان‌پذیر گردید.  نمودارهای 1 و 2 مقادیر شبه مقاطع پارامترهای SIP را برای t،  C و m  برای دو پروفیل 300W و 400W واقع در غرب معدن تپه سرخ نشان می‌دهند.  براساس نتایج بدست آمده برای پارامترهای SIP و توزیع مقاومت ویژه و توده‌های بارپذیر از معکوس سازی شبه مقاطع مقاومت ویژه ظاهری  و بارپذیری ظاهری، دو محل برای حفاری کنترلی پیشنهاد و حفر گردیدند.  پس از مطالعه مغزه‌های حفاری از طریق مقاطع صیقلی زونهای مینرالیزه، آنالیزهای ژئوشیمیائی مغزه‌های حفاری و بررسیهای ماکروسکوپی ساخت وبافت زونهای مینرالیزه مشاهده گردید که عیار متوسط در زون مینرالیزه مقطع 300W کمتر از میانگین عیار زون مینرالیزه مقطع 400W می‌باشد.  همچنین کوچکتر بودن متوسط ثابت زمانی (t) و بزرگتر بودن ثابت توانی فرکانسی C در مقطع W نسبت به W در هماهنگی کامل و تأئیدی بر مطالعات مقاطع صیقلی مبنی بر افشان بودن بافت کانی‌سازی و زونهای پیریتیزه افشان در مقطع W و رگه‌ای و پرعیار در مقطع 400W می‌باشد.  نتایج مطالعات میکروسکوپی کانسنگ  نشانگر بافت افشان زون مینرالیزه سولفیدی در مقطع 300W بود.
  
بحث و نتیجه‌گیری
بر اساس نتایج مطالعات بدست آمده از این تحقیق مشخص می‌گردد که می‌توان اطلاعات بافتی و ساختی که در درون داده‌های IP نهفته است را از طریق اندازه‌گیری طیفی داده‌های IP بدست آورد.  در بسیاری از برنامه‌های اکتشافی تشخیص بافت کانسنگ نقش مهمی در ارزیابی فنی-اقتصادی کانسار دارد.  لذا با استفاده از الگوریتم فوق و بکارگیری مدل امپدانس کل-کل می‌توان بسادگی پارامترهای طیفی زونهای مینرالیزه را از داده‌های اندازه‌گیری شده بصورت طیفی استخراج نمود.  تفسیر همزمان شبه مقاطع پارامترهای طیفی t،  C و m  میتواند بطور مؤثری در تشخیص و تفکیک بلوکهای با خواص بافتی و ساختی یکنواخت بکار رود.  در خاتمه پیشنهاد می‌شود که بدلیل عدم تحمیل هزینه اضافی به  برداشتهای سنتی IP، از اندازه‌گیریهای طیفی SIP استفاده گردد تا بتوان از مزیت اطلاعات اضافی موجود در داده‌ها بهره‌مند شد.

کلید واژه ها: ایرانکوه اصفهان پلاریزاسیونالقائی ژئوفیزیک