VLF-EM和EH4在淺覆蓋區螢石礦床勘查中的應用
——以林西水頭螢石礦區為例

夏炳衛,曹華文,裴秋明,楊　冰,武宗林,許　騰,韓術合

(1.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院,北京　100083;2.中國地質調查局 成都地質調查中心,成都　610081;3.赤峰市國土資源局,內蒙古 赤峰　024000)

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VLF-EM和EH4在淺覆蓋區螢石礦床勘查中的應用
——以林西水頭螢石礦區為例

夏炳衛1,曹華文2,裴秋明1,楊冰1,武宗林1,許騰1,韓術合3

(1.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院,北京100083;2.中國地質調查局 成都地質調查中心,成都610081;3.赤峰市國土資源局,內蒙古 赤峰024000)

摘要：為探究甚低頻電磁法(VLF-EM)和EH4連續電導率成像系統(EH4)的組合運用對淺覆蓋區螢石礦床的勘查效果,以內蒙古林西縣水頭螢石礦床為例,開展隱伏-半隱伏螢石礦體的定位預測工作。在野外地質勘查的基礎上,通過對VLF-EM和EH4原始數據的處理和分析解譯,并結合地質事實進行對比驗證。結果表明:VLF-EM可以快速判定淺部(一般<60 m)低阻帶展布特征和定位構造格局, EH4能夠探明構造低阻帶在深部空間(可達1 000 m左右)的延伸變化信息;兩者的有效組合,一淺一深,可以做到相互檢驗和優勢互補,結合地面地質調查和地球化學分析結果,能夠有效地預測隱伏-半隱伏螢石礦體。

關鍵詞：VLF-EM;EH4;螢石礦床;淺覆蓋區;林西地區;內蒙古

螢石是中國重要的戰略性非金屬資源, 主要分布在中國東部的福建、 江西、 浙江等沿海地區, 但隨著螢石的大量開采, 東南沿海地區等傳統螢石工業園區的資源日益枯竭, 后備資源儲量不足, 螢石礦床的找礦勘查重點開始轉向中國北部。 內蒙古林西地區已探明的螢石礦床(礦化點)已逾70處, 如水頭、 盤道溝、 俄力木臺和馬岱溝等中大型螢石礦床, 成為我國北方新興的螢石礦床礦集區。

張壽庭等通過研究浙江省數百個典型螢石礦床, 總結了該類礦床的成礦地質特征和時空演化規律, 提出了螢石礦床的垂向分帶模式[1]。 近年來, 通過在內蒙古林西縣開展螢石資源潛力評價與找礦方法實驗, 發現林西地區螢石礦床為嚴格受斷裂控制的熱液充填脈型礦床[2-4], 符合該垂向分帶模式。 在此基礎上,通過實際調查地表礦化蝕變信息, 配合物化探異常信息, 可以有效地進行隱伏螢石礦體的成礦預測與資源評價。 但林西地區螢石礦床的整體勘查程度不高, 礦床成礦規律研究有待深入, 隱伏-半隱伏螢石礦床的成礦預測仍處于探索階段。 針對上述問題,本文研究VLF-EM和EH4的組合應用,探討兩者對隱伏-半隱伏螢石礦體定位預測效果,為林西螢石礦床的勘查方法探索和下一步探礦工作部署提供參考。

1地質背景

林西水頭螢石礦區地理上位于內蒙古赤峰市的北部, 大地構造位置處于中亞造山帶(CAOB)的東段, 位于索倫-林西縫合帶[5]的兩側, 屬于古亞洲洋成礦域與環太平洋成礦域的疊加區域。

林西地區出露的地層主要為二疊系和侏羅系(圖1), 其中上二疊統林西組海相火山沉積碎屑巖夾碳酸鹽巖是該區中大型螢石礦床的主要賦礦圍巖,地層呈NNE向展布。該區部分中小型螢石礦床賦存在中生代斑狀花崗巖和似斑狀黑云母花崗巖中。研究區巖漿巖發育,花崗閃長斑巖、玢巖和石英脈體分布廣泛; 噴出巖則以流紋巖和凝灰巖為主。礦床的圍巖蝕變以硅化為主,其次為絹云母化、綠泥石化、黃鐵礦化和高嶺土化,蝕變礦物呈帶狀分布,蝕變帶寬度從幾厘米至數十米不等[6]。

圖1　林西縣水頭螢石礦區地質簡圖(據文獻[4]修改)Fig.1　Simplified geological map of the Shuitou fluorite deposit Q4—第四系;J3m—滿克頭鄂博組砂礫巖;P3l—林西組砂板巖;P1ds—大石寨組凝灰巖;P1ss—壽山溝組砂巖—燕山期花崗巖—印支期花崗巖—海西期花崗巖

林西經歷了復雜的構造演化過程,板塊間的拼貼結合和構造體制的轉換作用,導致區域上發育火山盆地和多條深大斷裂。這些深大斷裂構成了本區網狀的構造格局,并為燕山期流體的大規模成礦提供運移通道和成礦空間(圖1)。礦區內螢石礦體以脈狀、扁豆狀和不規則透鏡狀充填于區域NE-NNE向主控礦斷裂破碎帶中,礦體走向與構造斷裂帶延伸方向趨于一致。此外,該區還可見近EW和NNW向構造斷裂帶。

2VLF-EM和EH4概述

林西水頭螢石礦區受構造擠壓,原巖破碎嚴重,其間充填大量的斷層泥和裂隙水,礦化蝕變強烈,導致斷裂帶與兩側圍巖的電阻率差異顯著,呈現出明顯的低阻特征[7-9],為VLF-EM和EH4勘查提供了應用前提。

甚低頻電磁法(VLF-EM)是一種被動源電磁法,以15～25 kHz頻率波段的無線電波為場源,無線電波(一次場)通過淺部地下良導體在電磁感應作用下會產生二次場,一次場與二次場的矢量疊加形成橢圓極化場。甚低頻電磁儀則是通過測定橢圓極化場的參數變化,來探查淺部電性差異或構造斷裂,從而進行礦體的空間定位和構造格局解析。該方法現廣泛應用于淺覆蓋區地下水和地下溶洞等工程勘查和礦區及其外圍的異常掃面[10-12]。此外在熱液脈型螢石礦床的找礦勘查中,VLF-EM亦有許多成功的應用實例[13-17]。

EH4連續電導率成像系統屬于部分可控源與天然源相結合的一種電磁測深系統。深部構造通過頻率為10～100 kHz的天然背景場源成像;淺部構造則依靠人工發射1～100 kHz電磁訊號來補償天然訊號的不足,得到高分辨率的電磁成像。EH4的核心仍是被動源電磁法,該系統穿透能力強,探測深度大,不受淺部高阻層影響。依據地表淺部電性不均一性質,通過測量礦區不同深度地質體的地電參數,并利用傅里葉公式將其自動轉化為對應的測深數據。目前EH4主要應用于工程地質勘查和深部金屬礦產勘查。利用EH4對于深部異常勘查的有效性[18-23],將其拓展應用到斷裂控礦型螢石礦床的勘查工作中。

3VLF-EM和EH4的數據解譯

3.1VLF-EM數據解譯

采取磁傾角法開展異常掃面, 首先選擇平坦開闊的勘查區域,避免地形起伏和地層陡傾的影響; 盡量遠離高壓電線、 電纜和金屬等人工導體, 避免其造成的電磁異常干擾。 其次, 通過GPS與測繩結合布設54條勘查線, 線距50 m, 點距10 m, 剖面測量方向與礦區構造斷裂帶或礦化蝕變帶走向近垂直。 最后, 選擇電磁波穩定的時段, 進行電磁掃面工作。 為減小地形起伏等非礦致異常和地質條件復雜性影響, 運用Fraser濾波方法[24]處理原始數據, 將剖面線磁傾角值(D值)的零值轉化為Fraser濾波值(F值)的峰值, 并通過線性濾波處理繪制等效電流密度圖, 分析低阻異常的淺部形態變化; 繪制Fraser濾波值等值線平面圖(圖2), 能夠清晰地解析異常帶在平面上的淺層展布, 并對礦化有利的區段進行重點解譯, 從而初步確立成礦靶區。

水頭螢石礦區構造格局呈網狀展布(圖2), 主要為NNE、 近SN和NNW向, 其中NNE向為研究區的主控礦構造方向。 平面內5條物探異常帶沿近SN、 NNE和NNW向3個方向延伸穩定, 異常強度有所變化, 其中NNE向為異常帶的主延伸方向。

結合野外資料發現,Ⅰ帶為已知螢石礦脈, 在平面圖(圖2)顯示為Fraser峰值和低阻異常, 且該低阻異常帶連續性好,呈現波狀起伏變化, 與野外地質特征一致,驗證了VLF-EM的有效性; Ⅱ和Ⅲ帶為含螢石礦化石英巖脈和強硅化蝕變帶, 周圍可見褐鐵礦化, 分別對應中高阻異常和弱低阻異常, 為下一步重點勘查地段。 Ⅰ和Ⅱ帶在礦區南段異常有疊加趨勢, 表明該石英脈和螢石脈可能會在南段在深部匯合成為一個整體。 F1和F2異常帶無明顯礦化蝕變, 推測為隱伏構造斷裂。

圖2　水頭螢石礦區Fraser濾波值等值線平面圖Fig.2　Planar distribution of dip-angle anomaly by Fraser filtering in Shuitou fluorite deposit

平面上13和30線為多處高-低阻異常的交匯區域, 實際沿線勘查時可見多處礦化蝕變, 成礦機率相對較大, 對礦區成礦預測有重要的指示意義, 故對水頭礦區13和30線重點進行VLF-EM淺部異常解析。

(1)13線D-F圖(圖3a)有5處較明顯的Fraser濾波值峰值, 在等效電流密度圖(圖3b)中呈現出低阻異常的淺部變化。Ⅰ異常在圖3a中510 m處出現Fraser值峰值,呈現明顯的低阻異常,此處D剖面線未出現零交點;圖3b顯示該低阻異常體略向西傾斜;此處實際為傾向西的已知開采螢石礦脈,證明了VLF-EM的有效性。Ⅱ和Ⅲ異常在430和340 m顯示弱低阻異常,且低阻異常體呈近垂直向延伸;結合野外資料,該區域可見蛋白石和石英巖脈出露,且發育螢石礦化和強褐鐵礦化,故推測為石英巖脈和硅質頂蓋引起的阻值異常。剖面兩側160和660 m處F1和F2異常與D剖面線的零交點處一致; 兩處異常均為近垂直延伸, 其中F1異常寬度大且與其SE側低阻異常在深部復合; 野外此兩處異常均為第四系所覆蓋, 周圍無螢石礦化和硅質頂蓋且F2異常穿過電線, 推測F1和F2異常分別為隱伏構造斷裂和人工導體所致。 綜上所述,水頭13線300～500 m低阻異常較明顯, 可見螢石礦化和圍巖蝕變, 具有一定的成礦潛力, 適宜做低阻異常的深部延伸探查。

(2)30線D-F圖(圖4a)有4處較明顯的異常, 在等效電流密度圖(圖4b)呈現不同的異常強度。Ⅰ異常在圖4a中350 m處出現Fraser值峰值, 此處D剖面線為零交點; 圖4b顯示該低阻異常體略向西傾斜; 此處第四系覆蓋但其NW側為螢石礦化硅質頂蓋, 推測為北部已知螢石脈體在南部的深部延伸導致的低阻異常。 Ⅱ異常在圖4a中210 m顯示近垂向的高阻異常, 且其兩側均為明顯的低阻異常, 整體呈“低阻—高阻—低阻”的雙峰式異常, 且此點探槽揭露含螢石礦化的石英巖脈。 Ⅲ異常在圖4a中120 m處出現負Fraser值的峰值, 此處D剖面線未出現零交點; 圖4b中顯示近垂直延伸的高阻異常;結合野外資料, 可見強硅質頂蓋,故推測為隱伏螢石礦體。 F2異常在剖面SE側500 m處呈現明顯的Fraser值峰值, 此時D剖面線為零交點; 野外覆蓋嚴重且未見硅質頂蓋和螢石礦化, 推測為隱伏斷裂。 綜上所述, 水頭30線100～400 m具有多處明顯的低阻異常, 且探槽揭露處可見明顯的螢石礦化和圍巖蝕變, 具有一定的成礦潛力, 適宜做異常的深部探查。

圖3　水頭螢石礦區13線綜合剖面圖Fig.3　VLF-EM profile of Line 13 in Shuitou fluorite deposit a—D-F剖面圖; b—等效電流密度圖;c—地質剖面圖; d—EH4剖面圖

圖4　水頭螢石礦區30線綜合剖面圖Fig.4　VLF-EM profile of Line 30 in Shuitou fluorite deposit a—D-F剖面圖;b—等效電流密度圖;c—地質剖面圖; d—EH4剖面圖

3.2EH4數據解譯

對礦區電磁掃面中重點區段中的異常作深部延伸研究, 利用GPS和測繩布設2條EH4勘查線, 剖面長度分別為700和600 m, 點距10或20 m, 剖面方向與隱伏礦體或斷裂走向近垂直。 儀器在野外數據采集過程中, 自動將采集的時間域數據經傅里葉變換轉換成頻率域數據, 給出一維反演結果； 待剖面全部測量完成后將數據再進行地形校正等預處理，給出二維反演結果； 最終用Surfer繪制兩條測線的剖面二維電阻率等值線斷面圖。 經研究發現, 隱伏螢石礦體異常主要分布在EH4剖面低阻區的中部或高低阻區之間的過渡梯度帶上。

(1)13線EH4剖面圖(圖3d)解析。

剖面垂向上的地質體有明顯的電性差異: 以海拔700 m為界, 上部相對低阻區以二疊系林西組為主體, 為礦區賦礦地層; 下部高阻區推斷為花崗閃長巖; 剖面淺部電阻變化顯著, 呈現多處低阻異常;深部電性差異不大; 海拔200～700 m分布有面積很大的高阻異常帶, 推測為侵入巖體; 海拔800～1 100 m高低異常帶交替穿插分布, 且產狀較陡, 傾向向西, 推測為構造斷裂帶或礦化蝕變帶; 地表低阻異常明顯, 推測為第四系松散沉積物所致。

剖面沿線地質特征分析:測線200～500 m內的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ異常帶與野外勘查的已知螢石礦脈、螢石礦化石英巖脈和強硅化蝕變帶相吻合,推測為隱伏螢石脈體;剖面兩端的F1和F2異常帶低阻異常明顯,實地勘測為地表溝壑,無明顯礦化和圍巖蝕變,推測為隱伏斷裂。綜上所述,水頭礦區13線顯示Ⅱ和Ⅲ異常帶延伸深度近400 m,具有良好的成礦潛力。

(2)30線EH4剖面圖(圖4d)解析。

剖面垂向上的地質體電性差異明顯:海拔0～700 m為深部高阻體，被一深大構造低阻帶F2所切斷;海拔800～1 100 m電性差異明顯,為高低異常帶近垂向延伸。剖面SE向一側400～600 m、地下深度200 m內均顯示為大面積的低阻異常,推測為松散第四系覆蓋所致。

剖面沿線地質分析: 測線100～400 m探槽處可見硅質頂蓋和螢石礦化的石英巖脈, 剖面上Ⅰ、 Ⅱ和Ⅲ異常帶延伸深度達300 m, 其中Ⅰ和Ⅲ為硅質頂蓋引起的低阻異常; Ⅱ為含螢石礦化石英脈導致的中高阻異常,整體呈現雙峰式異常, 其下部的弱低阻異常可能為隱伏螢石礦體。 F2異常帶延伸深度遠超過400 m, 推測為隱伏深大斷裂。 綜上所述, 水頭礦區30線200～400 m的Ⅱ和Ⅲ異常帶延伸深度可達到400 m, 具有一定的成礦潛力。

4VLF-EM和EH4的組合應用

綜合對比VLF-EM和EH4對于林西水頭螢石礦床的勘查效果,得出以下信息：

(1)圖3和圖4中的VLF-EM和EH4異常基本都能找到良好的對比驗證,證明了兩種方法對電阻異常勘測的有效性,能夠有效地探查地表出露的異常體在地下深部延伸信息。

(2)圖3a和圖4a中Fraser濾波值剖面線多處極大值與D(磁傾角)剖面線的零交點不對應。由于實際地質問題的復雜性,如地質噪聲和實際多個低阻體異常疊加等,造成零交點的偏移或者改變;可以通過除去背景異常、優化處理手段和方法等減小誤差,使其更趨向于地質事實。

(3)EH4在地表多顯示低阻異常,而VLF-EM顯示地表高低阻體交插分布,因為地表覆蓋層電性差異不大,EH4對淺部(<100 m)低阻異常反映不靈敏;而VLF-EM可以比較靈敏地反映地表的電阻差異。

5結論

(1)VLF-EM平面Ⅰ異常帶和已開采的礦脈對應良好, 證明其對斷裂控礦螢石礦床勘查的有效性。 該方法便捷高效, 對淺部異常反應靈敏, 適合大規模的電磁掃面, 初步確立異常勘查靶區; 并在水頭礦區圈定的Ⅱ和Ⅲ異常帶, 礦化蝕變特征與異常預測基本相符, 表明本區具有良好的找礦潛力。

(2)通過EH4勘查水頭礦區異常帶的深部延伸和空間展布,其探測深度大,適宜斷裂(礦化)帶深部延伸研究,顯示水頭構造斷裂帶或礦化蝕變帶向下延伸300～400 m,而目前林西螢石礦床的開采深度為120 m,表明林西螢石礦床仍有很大的工業開采價值。

(3)VLF-EM和EH4異常反映的地質信息基本吻合, 既相互驗證,又互相補充, 兩者的合理組合能夠探究含礦性異常帶在深部空間的展布延伸, 對隱伏礦體或構造斷裂的探測深度可達1 000 m, 從而為螢石礦床的快速勘查和深部資源評價提供指導與支撐。

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文章編號:1674-9057(2016)02-0228-06

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.005

收稿日期：2015-7-14

基金項目：中國地質調查局地質調查項目(1212011220925)； 中央高校基本科研業務費專項資金項目(2652015398); 內蒙古林西縣人民政府資助項目(2-7-2011-04)

作者簡介：夏炳衛(1990—),男,碩士研究生,礦產普查與勘探專業, xiabw2015@163.com。

通訊作者：曹華文,博士,助理研究員,caohuawen1988@126.com。

中圖分類號：P619.215;P631.325

文獻標志碼：A

Exploration of fluorite deposit by the combination of VLF-EM and EH4 on shallow-covered area—A case study of the Shuitou deposit

XIA Bing-wei1,CAO Hua-wen2,PEI Qiu-ming1,YANG Bing1,WU Zong-lin1,XU Teng1,HAN Shu-he3

(1.School of Earth Science and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.Chengdu Center,China Geological Survey,Chengdu 610081,China;3.Chifeng Municipal Bureau of Land and Resources,Chifeng 024000,China)

Abstract:To explore the effect of VLF-EM and EH4 for semi-concealed fluorite deposits in the grassland,Shuitou fluorite deposit in Linxi area is selected as the case study. Through the raw data processed and interpreted on the basis of the geological fact, the results show that VLF-EM can rapidly evaluate the shallow (less than 60 m) distribution features of the structures with low resistivity to ore or mineralized bodies.The survey with EH4 can reveal the spread distribution of structural belts in deep space(almost reach 1 000 m). Based on the geological or geochemistry data, the effective combination of VLF-EM and EH4 can be efficient to forecast the location of the buried ore bodies. It has many advantages over traditional models.(1)The two methods, from shallow to deep, can be compared and complemented one another.(2)It can provide a scientific basis for further exploration of fluorite deposits.(3) It is one way of exploring the concealed and semi-concealed deposits.

Key words:very-low-frequency electromagnetic method(VLF-EM); stratagem EH4 electromagnetic imaging system(EH4); fluorite deposit; shallow-covered area; Linxi; Inner Mongolia

引文格式：夏炳衛,曹華文,裴秋明,等. VLF-EM和EH4在淺覆蓋區螢石礦床勘查中的應用——以林西水頭螢石礦區為例 [J].桂林理工大學學報，2016,36(2):228-233.