安徽銅陵舒家店銅礦三維音頻大地電磁探測研究

王永清，湯井田，肖曉，周聰，王顯瑩，任政勇

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安徽銅陵舒家店銅礦三維音頻大地電磁探測研究

王永清1, 2，湯井田1, 2，肖曉1, 2，周聰1, 2，王顯瑩1, 2，任政勇1, 2

(1. 中南大學有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，湖南長沙，410083;2. 中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙，410083)

利用音頻大地電磁法，對安徽省銅陵礦集區舒家店斑巖型銅礦床進行三維探測研究。對經過預處理的實測AMT數據利用相位張量進行維性分析；通過挑選適當的測點和頻域數據，設計合理的參數，利用WSINV3DMT程序進行實測AMT數據3D反演，得到舒家店銅礦床的3D電性模型；利用模型響應與實測AMT數據的擬合對比對反演結果進行評價；利用不同深度、不同方向的空間切片討論3D反演模型的電性結構特征。研究結果表明：該區深部2D/3D構造特征明顯；所選反演模型整體精度較高，僅部分局部精度低；深部與代表巖體的高阻體相間共存的低阻體異常極可能是蝕變巖體或直接是礦體的反映。

斑巖型銅礦床；音頻大地電磁法；三維反演；銅陵礦集區

音頻大地電磁測深法(audio-frequency magnetotellurics，AMT)發展于大地電磁測深法(magnetotellurics，MT)，是以巖礦石的電性差異為基礎，通過在地表測量天然音頻電磁場的正交水平分量，并對其變化規律進行研究，獲取地下電性分布的一種交變電磁勘探方法。該方法探測深度大，工作效率高，是礦產勘查工作的重要手段之一[1?3]。近年來，由于方法理論和計算機技術的發展，三維大地電磁建模與反演取得了長足進步，并逐漸得到應用[4?5]。目前三維反演的方法主要非線性共軛梯度法[6?7]、快速松弛反演[8]等，特別是WSINV3DMT代碼[9?10]已得到廣泛應用[11]。銅陵是我國六大有色金屬基地之一，是我國“矽卡巖型銅礦”的重要礦集區，所發現的矽卡巖型銅礦床在安徽省乃至國內都具重要地位[12?14]。銅陵地區的地表礦產勘查工作程度較高，人們對區內主要大多數地質、物化探異常區進行了驗證或查證，對地表發現的礦床、礦點多進行了鉆探工程控制；在重要礦床的詳查勘探中，控制深度在1 km以下。在區內以尋找地表礦和淺部隱伏礦的時代已經結束，20世紀80年代便進入了以尋找深部隱伏礦為主的艱難時期，自20世紀90年代對區內冬瓜山礦床、焦沖金礦詳查結束后，礦產勘查工作一直未出現明顯進展。但進入21世紀后，發現了姚家嶺大型金多金屬礦，新增了可觀的資源儲量，延長了危機礦山服務年限，取得了良好的經濟效益和社會效益[14?15]。近期，隨著深部找礦的深入開展，區內先后發現了舒家店外圍(深部)斑巖型銅礦、雞冠山銅金礦、桂山鉛鋅多金屬礦、胡村銅鉬礦、蛤蟆嶺金礦等新礦床，證明在銅陵礦集區深部找礦依然具有較大潛力[16?17]。本文利用音頻大地電磁法在舒家店銅礦床開展電性結構研究。在測區部署了60個測點，利用WSINV3DMT代碼[18?19]進行三維反演；分析的侵入巖體的分布形態，并對成礦作用和成礦規律進行 討論。

1 地質背景

舒家店礦床位于舒家店短軸背斜軸部脊軸轉折部位，受巖漿巖與砂質頁巖北西接觸帶巖體內側構造控制。舒家店背斜為一軸向北東不對稱的短軸背斜，巖層產狀一般北西翼地層傾角較小，為20°~55°；南東翼地層傾角較大，為70°左右，部分地段有倒轉現象；北東外傾轉折端因受斷裂影響，產狀較零亂。出露的地層均為志留系上中統墳頭組砂質頁巖、砂巖、粉砂巖及頁巖[20]。

舒家店背斜受來自北西與南東2個方向的力，在礦床附近受北西方向力的影響較大，礦床北東端地層即行向南轉折。在南北方向力作用下，礦區產生了北東向壓性斷裂，巖漿巖即沿此通道上升。巖體軸向約為NE40°，與區域性的高角度壓性逆斷裂方向基本一致。構造破碎帶呈北東方向，也是礦區主要控礦構造。礦區出露的主要侵入巖可分為3個巖體6種巖相帶，總體呈巖株狀產于背斜北西翼近軸部的墳頭組砂頁巖中。結合區域巖漿巖活動規律和一些特征微量元素對比，可判定本區火成巖屬于同源巖漿分異的產物。由同位素鉀氬法年齡測定結果和巖體之間穿插及突變關系，確認3個巖體形成的先后順序是：最早為花崗閃長巖體(由中心相花崗閃長巖和邊緣相花崗閃長斑巖組成)，年齡為214 Ma；其次為石英閃長斑巖體(可穿插于花崗閃長巖體中，亦可被輝石閃長巖、閃長巖穿插或包裹)，年齡為178 Ma，屬燕山期；最后為輝石閃長巖體(由中心相輝石閃長巖、過渡相閃長巖及邊緣相閃長玢巖組成)，年齡為134~148 Ma，處于燕山中期[19?21]。主要巖體屬于中淺成相，各巖體邊緣相出露較廣，自變質作用較強，脈巖較發育，巖體內見圍巖的頂垂體(花崗閃長巖體的南段較多)，由此可知舒家店巖體屬于淺成剝蝕。

礦床位于繁昌火山盆地邊緣，舒家店短軸背斜軸部脊軸轉折部位，為受接觸帶內側巖株體內構造控制的板狀與脈狀礦體。礦床埋深在150 m以下，剝蝕程度較淺。與區內礦化密切相關的蝕變主要是鉀長石化，其次是硅化、綠泥石化，蝕變和礦化程度也一致。黃銅礦與鉀長石化關系較密切，鏡鐵礦主要在鈉長石化、伊利石化等巖石中比較發育。礦石構造以浸染狀為主，細脈和小細脈次之，粗脈較少。巖體與圍巖界限不明顯。金屬礦物組分較簡單，主要是黃銅礦、黃鐵礦，礦石含銅品位較低而穩定。礦床賦存的主要巖體為閃長巖和輝石閃長巖，無斑狀結構，雖然閃長玢巖、石英閃長斑巖具有斑狀結構，但主要礦體不賦存在此類巖石中，礦床成因與輝石閃長巖、閃長巖有關，與閃長巖關系更為密切。按成礦作用劃分，舒家店礦床類型為斑巖型銅礦床[19, 22]。

2 AMT數據處理及分析

2.1 數據采集與處理

測區簡化地質圖與音頻大地電磁測點分布如圖1所示，在測區內共部署音頻大地電磁測點60個。數據采集使用加拿大鳳凰公司的MTU-5A系統，配備AMTC-30磁傳感器。同時對電場和磁場進行測量，共有6套儀器同時采集，采集頻率范圍為0.35~10 400 Hz。每個測點的數據采集時間大于60 min，濾波頻率設為50 Hz。利用高精度GPS實時同步測量平面坐標與高程。利用MTU-5A系統配套的SSMT2000數據處理軟件進行處理，并對部分含強干擾的數據進行時間域濾波處理[23?26]和Rhoplus擬合[27]。依據DZ/T 0173—1997以及SY/T 5820—1999標準對AMT數據進行質量評價。結果表明數據質量符合規范要求，可以進行反演解釋。經過處理后的典型數據(部分頻率)如圖2中AMT數據三維的方形點和圓形點所示。

2.2 維性分析

在進行3D反演之前，需對數據進行維性分析，以判別3D反演的必要性，并對觀測數據進行定性分析。電性結構維性判別有很多方法，主要有：基于阻抗張量的方法如阻抗極化橢圓分析[28]和基于相位張量的方法[29]。基于相位張量的方法可以有效地消除淺層電性不均勻體的影響，從而可呈現可靠的深部電性結構的維性。

圖3所示為舒家店礦床60個測點在頻率分別為 3 600，900，115和13.7 Hz相位張量橢圓圖。從圖3可見：整體上說，舒家店礦床部分測點在部分頻率下呈現明顯三維構造，表明了本文進行3D反演的必要性；而在局部，維性分析的結果呈現了本區深部地質體構造分布的定性特征。一維電性特征常對應于橫向均勻分布的地質體，如水平地層和巖席、水平巖墻或其他均質侵入體；二維電性特征常對應于構造走向明確的地質體，如褶皺樞紐水平的沉積巖地層、片理方向穩定的變質巖等；三維電性特征常對應于無明確構造走向的地質體，褶皺樞紐傾伏或直立、疊加褶皺、斷裂錯距校大的地層或非均質地質體等，如混合巖化巖體、雜巖體、復合巖體等。

舒家店斑巖銅礦床位于永村橋—舒家店背斜的軸線上，受控于志留系地層和舒家店閃長斑巖體[19?20, 22]。平面上，AMT測線測點也是分布以上2套地質體之上。結合測點分布圖(圖1)，從測點相位張量橢圓分布圖(圖3)可以看出：在高頻段(3 600 Hz)，受地形的影響，淺地表三維特征明顯；在中高頻段(900 Hz)，除在電性梯度帶外，漸顯一維特征，反映物性在不同段趨于單一；在中低頻段(115 Hz)，除個別頻點受噪聲影響外，一維特征非常明顯，說明在此深度范圍內物性整體趨于單一；在低頻段(13.7 Hz)，二維特征增強，反映在此深度物性可能明顯區別于上部地質體(115 Hz)。

(a) 測點S4114視電阻率；(b) 測點S4115視電阻率；(c) 測點S4114相位；(d) 測點S4115相位；(e) 測點S0412視電阻率；(b) 測點S4118視電阻率；(c) 測點S0412相位；(d) 測點S4118相位

3 AMT數據3D反演

3.1 3D反演參數

3D反演初始模型選擇電阻率為100 Ω·m的均勻半空間。圖4所示為局部坐標系中的3D反演網格示意圖。坐標原點為60個AMT測點的中心點。在局部坐標系中，方向垂直向下，方向仍為NS向，方向仍為EW向。圖4(a)中，網格的生成嚴格滿足測點位于四邊形單元的中心，并且相鄰測點必須被2個四邊形單元隔離。這2種要求保證了計算的反演算法中正演的精度[4]。沿方向有73個網格，沿方向有58個網格，沿方向有20個網格(＞0)，空氣中網格數目為7(＜0)。因此，模型網格數為=73×58×27= 114 318個。

反演迭代目標均方根誤差(RMS)設定為1。圖5所示為反演迭代過程中得到的幾類模型參數。其中，模型范數表征模型的粗糙程度，均方根誤差表征觀測數據的擬合程度，為Lagrange 乘子。數據空間Occam方法的處理步驟[4]是：首先通過改變使均方根誤差達到最小值，然后在保持均方根誤差的同時，通過改變尋找模型范數最小的模型。從圖5可見：經過20次迭代后，均方根誤差變化不大。第16次迭代的模型范數為1 630，均方根誤差為6.136(=1)，該模型均方根誤差接近最小，模型范數最小。

頻率/Hz：(a)3 600.0；(b) 900.0；(c) 115.0；(d) 13.7

(a) z=0切面；(b) x=0的切面

(a) 模型范數；(b) 均方根誤差；(c) Lagrange乘子

3.2 3D反演模型

為評價3D反演所得模型的精度，可將3D反演模型的響應(偏對角阻抗元素計算的視電阻率和相位數據)與實測數據結果進行對比，部分結果如圖2所示。總體上，數據擬合較好，表明反演結果相對可靠，所得模型可被接受，并可作為進一步分析解釋的依據。

圖6所示為舒家店礦床測區音頻大地電磁3D反演模型沿著幾條典型測線的垂直電阻率切面圖。需要說明的是，成圖時，對3D反演模型進行了插值處理，插值方法是空間3D距離倒數法。從圖6可以看出：縱向上，總體呈現為3層結構，各測線500 m以內覆蓋有低阻層，SJD04線在淺部的低阻背景中含有3個明顯的高阻異常體；在500~1 700 m處為一相對高阻層；在1 700~2 000 m處則主要表現為相對中阻的基底。橫向上，淺部的覆蓋層呈現高、低阻相間特征，但差異較小；而500~1700 m范圍內的高、低阻分段特征更為明顯，且相間分布的高、低阻體均展現出較明顯的垂直條帶狀特征；1 700 m以下整體為中低阻背景，其間分布有與上部相貫通的高阻體。

圖7所示為3D反演模型在不同深度的平面切面。從圖6和圖7可知：1) 100 m以淺以低阻覆蓋為主，局部分布有零星的高阻體；2) 100~600 m內高低阻分區域相間分布，整體電阻率隨深度增加逐步升高； 3) 600~1 700 m為相對中高阻層，高、低阻的分布在橫向上表現出一定的分塊特征；4) 在1 700~2 000 m，電阻率相對降低，高阻體的范圍縮小。

圖6 舒家店礦床測區音頻大地電磁3D反演模型的2D切面

圖7 舒家店礦床測區音頻大地電磁3D反演模型的不同深度平面切面

4 討論

在對地下電性結構所代表的地質意義進行分析之前，必然要先確定影響電性結構的主控因素。舒家店礦區地表巖性較簡單，主要為志留系砂頁巖和輝石閃長巖，礦體賦存于巖體之中而巖體的圍巖為志留系地層。由已往舒家店礦區的物性測量經驗可知志留系砂頁巖電阻率變化較大，但相對于巖體其電阻率平均值總體偏低，約為2 500 Ω·m，而巖體平均值可達14 000 Ω·m[18]。值得注意的是，相對形成于燕山期的巖體，志留系及其下伏地層則經歷更長地質歷史時間的改造而更易形成錯綜復雜的斷裂系統，地質流體的下滲充填更易進一步降低地層的電阻率。因此，這2種主要地質單元之間顯著的物性差異是電磁法探測的有利基礎。盡管如此，由于礦床在形成過程中同時產生了典型的斑巖型銅礦蝕變分帶(蝕變類型主要有鈣硅酸鹽化、鉀化、青盤巖化、長石分解蝕變，局部分育矽卡巖化)[20]，而巖石的蝕變必然帶來物性上的劇烈變化，不同的蝕變類型和蝕變程度直接影響巖石的電阻率，目前尚無針對蝕變巖石的詳細物性測定，這給地質解釋帶來一定的困難。對蝕變影響的正確分析是突破對地球物理找礦認識限制的必經之路。

分析蝕變規律發現：鉀化主要發育在巖體的深部，淺部不太發育，其蝕變主要有3種形式，分別為彌漫狀、脈狀及脈體暈，主要蝕變生成礦物為鉀長石、黑云母等含鉀礦物；而青磐巖化主要分布在巖體的中部，主要生成礦物為綠簾石+綠泥石，其中綠泥石化發育的范圍較大；長石分解蝕變(石英—絹云母—綠泥石—黏土化)則疊加在新鮮巖石及早期蝕變組合上，蝕變強度也最大[19]。由此可知，3次主要的蝕變過程生成的礦物主體為陽離子Fe和Na的含水礦物，而這類礦物的電阻率相對蝕變原巖中的主要礦物(斜長石、鉀長石、石英)要低幾個數量級[30]。而最后一期、強度最大的長石分解蝕變疊加在早期的蝕變之上更是生成了大量的含水礦物(相對于白云母含更多水的絹云母、綠泥石、黏土礦物)。在將巖石作為均質并且各向同性的多相多晶集合體的Hashin-Shtrikman模型中[31?32]，代入各礦物的電阻率和體積分數可估算出這類蝕變會顯著降低地質體的電阻率[33?34]。

與此同時，由于成礦流體中大量H2O和其他氣體(如CO2)的加入，蝕變通常并非等體積反應，蝕變后的地質體均存在一定的膨脹系數，結合與礦化蝕變有直接成因聯系的巖體的早期隱爆作用、成礦期后的冷卻收縮至裂作用、礦石礦物的沉淀等過程，在后期地表水的下滲過程中均起到降低相應地質體電阻率的作用。

基于上述討論，結合舒家店礦床的實際勘探認 識[35?41]，舒家店銅礦床的三維電性結構具有以下 特征：

1) 測區北西和南東部在近地表(?500 m以上)的低阻層代表了志留系地層的分布和延伸。

2) 測區中部沿北東—南西走向的近地表高阻體代表了未蝕變的新鮮閃長類巖體；存在低阻體，其原因可能是巖體內存在頂垂體或巨型包體、蝕變巖體或礦體。

3) 深部的高阻體基本代表了未蝕變巖體的范圍，但由于志留系中較高電阻率的石英砂巖與新鮮閃長類巖體不存在顯著的物性差別，故不排除高阻體為產狀較陡立的志留系的可能。

4) 深部的低阻體尤其是圍繞高阻體的低阻體異常可能為蝕變巖體或礦體。因為在深部巖體演變成孤立的巖株狀概率較小，這類與高阻巖體共存的低阻體便極可能是在巖體蝕變過程中形成，甚至直接為礦體的反映。

總體而言，3D模型勾畫了銅陵地區的空間電性框架。但須注意的是：參與3D反演的實測AMT測點偏少，頻率稀，空間分布不均勻，且數據本身存在一定的觀測誤差，加之反演精度有限，所得到的3D電性模型較粗糙，所得結果可能存在偏差。

5 結論

1) 舒家店礦床地下電性主要呈3D分布，進行3D反演是必要的。

2) 利用WSINV3DMT得到舒家店測區的3D反演電性模型。模型響應結果與實測結果擬合效果較好，表明該反演模型整體合理，可作為解釋的依據。

3) 舒家店礦床深部與代表巖體的高阻體相間共存的低阻體異常為蝕變巖體或礦體。

4) 所得舒家店礦區的3D電性模型可為認識舒家店礦床的成礦作用和成礦規律提供參考。由于參與3D反演實測AMT的數據測點少，頻率稀，空間分布不均勻，且數據本身存在一定的觀測誤差，所得3D電性模型較粗糙，難以提供更加精確的地質信息，因此，本次得到的3D電性模型仍有待完善，在數據密度、反演方法、參數設計、模型約束以及地質認識等方面需進一步研究。

致謝 安徽省地質調查院對本文研究提供了幫助，Siripunwaraporn教授提供了WSINV3DMT反演代碼，在此一并致謝！

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(編輯 陳燦華)

Three dimensional audio-frequency magnetotellurics prospecting for copper deposit in Shujiadian, Tongling, Anhui Province

WANG Yongqing1, 2, TANG Jingtian1, 2, XIAO Xiao1, 2, ZHOU Cong1, 2, WANG Xianying1, 2, REN Zhengyong1, 2

(1.Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, Changsha 410083, China;2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Audio-frequency magnetotelluric method and 3D inversion code were used to study the porphyry copper deposit in Shujiadian, Tongling, Anhui Province. A 3D inversion was demanded. Sites data were selected and frequencies were decided, and the WSINV3DMT code was used with a reasonable parameter design to obtain the 3D conductivity structure. The electrical characteristics and structure framework of the 3D model were discussed by slices of the model with different depths and orientations. The results show that 2D/3D characteristics for the deep structure of the region are obvious. The model is proved to be high in precision by comparison between the observed data and the model response. Combined with the discussion of properties of the main geological body, the deep low resistivity anomaly between the high resistivity rock mass may be the reflection of altered rock or the ore body.

porphyry copper deposit; audio-frequency magnetotellurics; 3D inversion; Tongling ore district

P33

A

1672?7207(2017)04?1018?09

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.04.023

2016?06?12；

2016?08?25

國家深部探測專項(SinoProbe-3)；國家自然科學基金資助項目(41574120, 41174105)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2014AA06A602)(Project(SinoProbe-3) supported by the Key Program of Deep Exploration in China; Projects(41574120, 41174105 ) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014AA06A602) supported by the National High Technology Research and Development Program(863 Program) of China)

肖曉，博士，副教授，從事地球物理信號處理及反演成像等研究；E-mail：csuxiaox@csu.edu.cn