可控源音頻大地電磁法在礦產資源上的應用試驗

張來成

（山東省第七地質礦產勘查院，山東 臨沂 276006）

金剛礦是一種稀有、貴重的非金屬礦產，具有獨特的裝飾功能及廣泛的工業用途，以其超硬性廣泛用于機電、光學、建筑、交通、冶金、地勘、國防等工業領域和現代高、新技術領域，在我國國民經濟建設中發揮著重要的作用。中國是世界上金剛礦產資源貧乏的國家之一，迄今雖在遼寧、貴州、湖南、山東、新疆、江蘇等17個省份均發現金剛石原生礦或與金剛石有關的巖體，但只在遼寧、山東、湖南和江蘇4省有金剛石探明儲量[1]。與國外相比，我國面臨著金剛礦資源儲備嚴重不足的問題。探索新的找礦理論、技術和方法，尋找隱伏礦產資源巖體，實現原生金剛礦的新突破，是國家發展的需求，也是我國金剛礦地質工作者的重要任務。

80年代以來，可控源音頻大地電磁法（CSAMT）方法理論和儀器設備都得到了很大發展。CSAMT法采用人工場源，具有工作效率高、勘探深度范圍大、垂向分辨能力好、水平方向分辨率高、地形影響小、高阻屏蔽作用小的特點，廣泛應用到了固體礦產勘查、煤田地質勘查、地下水以及工程和環境勘查等多個領域，成為中深部找礦的重要技術和手段。在山東蒙陰西峪礦帶的已知礦產資源上，進行了CSAMT法應用試驗，探索礦產資源深部電性分布特征，為在其他地區尋找原生礦提供參考依據。

1 地質和地球物理特征

山東蒙陰礦產資源區位于魯西斷隆區，由常馬莊、西峪、坡里三個礦帶組成，在1000km2的范圍內，共發現107個礦產資源礦體，其中有13種礦體，其余為巖脈，絕大部分巖體含金剛礦，是我國金剛礦原生礦重要產地[2]。西峪巖帶位于新甫山斷塊凸起的中心地帶，圍巖主要是太古代泰山群太平頂組黑云斜長片麻巖，雁翎關組斜長角閃巖、角閃片巖，或古生代寒武系上統薄層灰巖、黃綠色頁巖及奧陶系中統厚層灰巖。礦區斷裂構造發育，主要有北北西向的新泰-垛莊斷裂、銅冶店-蔡莊斷裂和北北東向的上五井斷裂，是西峪礦帶最重要的控礦構造。礦區中生代燕山期巖漿活動頻繁，噴出巖主要分布在蒙陰盆地內，組成白堊系下統青山組[3]。

礦產資源的電阻率與巖石組分、結構、構造、風化程度及次生蝕變有關。蒙陰地區礦產資源電阻率變化較大，其變化范圍在24Ω·m～893Ω·m之間。其中礦產資源碳酸鹽巖角礫巖、礦產資源角礫巖、強碳酸鹽化粗晶礦產資源及金云母粗晶礦產資源的電阻率＞200Ω·m，其他礦產資源的電阻率均＜100Ω·m，圍巖的電阻率都＞100Ω·m[4]。礦產資源中含有較多的液態礦化水，具有比較多的導電“離子”，是一種極易風化充水的巖石，在礦產資源巖體（脈）上部形成一定厚度的風化層，加之嚴格受地質構造控制，在電性特征上顯示低阻異常。不同深度的礦產資源巖，其視電阻率值有所區別，一般隨深度的加大視電阻率增強，但增加的速度比圍巖要慢。

圖1 Xy-1剖面綜合斷面圖

2 工作方法技術

2.1 CSAMT法基本原理

利用人工場源激發地下巖石，在電流流過時產生的電位差，接收不同供電頻率形成的一次場電位，由于不同頻率的場在地層中的傳播深度不同，所反映深度也就與頻率構成一個數學關系，不同電導率的巖石在電流流過時所產生的電位和磁場是不同的，CSAMT法就是利用不同巖石的電導率差異觀測一次場電位和磁場強度變化的一種電磁勘探方法。

CSAMT的基本理論是基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，導出電場（Ex）、磁場（Hy）與視電阻率（ρs）的關系式，只要在地面上觀測到兩個正交的水平電磁場（Ex和Hy）就可獲得觀測點的卡尼亞電阻率，對電阻率進行反演即可獲得探測深度范圍內的巖性結構。

根據電磁波的趨膚效應理論，可導出趨膚深度公式，當電阻率ρs固定時，電磁波的傳播速度（或穿透深度）與頻率成反比，通過改變發射頻率來改變探測深度，從而達到變頻測深的目的。

2.2 工作參數選擇

本次CSAMT法試驗工作使用加拿大鳳凰公司生產的V8多功能電法儀，裝置形式選擇赤道（旁側）裝置，標量測量方式；測量使用的工作頻率范圍確定為1Hz～7680Hz，收發距r=10km，發射偶極距AB=2km，接收偶極距MN=20m。

2.3 數據處理與反演

將野外采集的原始數據進行整理，采用CSAMT數據處理軟件進行編輯處理，對照野外記錄觀察原始曲線形態，判斷并剔除飛點、跳點，圓滑曲線，壓制噪聲。

采用MtSoft2D反演軟件對經過處理的數據進行Bostick變換反演，生成點位、深度、電阻率一一對應的Surfer格式的數據文件，經編輯后采用GeoIPAS軟件繪制視電阻率反演斷面圖。

3 成果分析

本次試驗工作在西峪巖帶6-7-18-22-28號礦體群上進行，施測CSAMT法剖面6條，剖面方位角336.5°，剖面距離70m，測點點距20m。對數據處理反演得到視電阻率反演斷面圖。

3.1 剖面分析

該區CSAMT法剖面間距較小，相鄰剖面視電阻率反演斷面圖特征有類似之處，選擇具有代表性的Xy-1、Xy-3、Xy-5三條剖面分析如下：

(1)Xy-1剖面：圖1為Xy-1剖面視電阻率反演斷面圖及6號、7號礦體空間分布圖（據山東省第七地質隊1975），Xy-1剖面地表穿過6號、7號礦體，剖面長度460米。按照電性分布特征的不同，該剖面可劃分為兩個有明顯區別的電性段。第一段由剖面起點至1800點，為變化的低阻電性段，由地表至垂深約250m為寬緩的低阻異常，電阻率等值線稀疏，電性變化較小，視電阻率值在400Ω.m左右，為斷裂破碎巖石及礦體風化導致電阻率降低引起；南側深部垂深約500m以下等值線間隔較密且圓滑，視電阻率值逐漸升高至約2000Ω.m，為完整的二長花崗巖的反映；中部垂深250m以下為一“U”型低阻凹陷區，向北陡傾斜，向下延深較深，等值線間隔較稀，視電阻率值在500Ω.m～800Ω.m間，為斷裂破碎帶與低阻礦體的綜合反映。第二段由1800點至剖面終點為相對穩定的高阻電性段，垂深150以淺受淺部構造影響，高阻異常畸變，等值線扭曲；下部等值線間隔密集近垂向分布，視電阻率值約2200Ω.m，為完整二長花崗巖的反映。

剖面小結：剖面范圍內斷裂構造發育且向下延深較深，視電阻率反演斷面圖低阻凹陷區基本反映了構造框架發育情況，巖體嚴格受構造控制，6號巖體分布范圍與低阻凹陷區基本一致，7號巖體則分布在低阻凹陷區與北部高阻區的梯度帶上。

圖2 Xy-3剖面綜合斷面圖

（2）Xy-3剖面：圖2為Xy-3剖面視電阻率反演斷面圖及18號礦體空間分布圖（據山東省第七地質隊1975），Xy-3剖面地表穿過18號礦體，剖面長度580米。淺層低阻電性層由第四系及基巖風化引起；垂深40m左右水平高阻電性層由相對完整的二長花崗巖引起，局部被構造斷開不連續；垂深40m～100m低阻層為構造發育、交匯導致巖石破碎充水引起。深部按照電性分布特征的不同劃分為兩個電性段。第一段由剖面起點至1700點為變化的低阻電性段，該段內斷裂構造發育，向北傾斜的F2、F5、F30及向南傾斜的F7、F4斷裂交匯，在1600點左右形成一近似直立的低阻凹陷區，向下延深較深，等值線間隔較稀，視電阻率值在500Ω.m左右；南側深部垂深300m～600m內形成一相對高阻封閉圈，為相對完整的二長花崗巖引起，視電阻率值約650Ω.m。第二段由1700點至剖面終點為變化的高阻電性段，該段視電阻率值相對較高在1200Ω.m左右，為相對完整的二長花崗巖的反映，北側受向南傾斜的F4、F1斷裂影響形成寬度約100m向南陡傾斜的低阻凹陷區。

剖面小結：剖面范圍內斷裂構造發育且向下延深較深，視電阻率反演斷面圖低阻凹陷區基本反映了構造框架發育情況，18號巖體分布在低阻凹陷區與北部高阻區的梯度帶上。

（3）Xy-5剖面：圖3為Xy-5剖面視電阻率反演斷面圖及28號礦體空間分布圖（據山東省第七地質隊1975），Xy-5剖面長度580米，地表穿過一段約50m寬的礦化角礫巖帶，僅見兩條寬約10cm的礦脈。淺層低阻電性層由第四系及基巖風化引起；垂深50m左右水平高阻電性層由相對完整的二長花崗巖引起，局部被構造斷開不連續；垂深80m左右低阻層為構造發育、交匯導致巖石破碎充水引起。深部按照電性分布特征的不同劃分為三個電性段。南部相對高阻電性段由剖面起點至1600點，斷面等值線垂向分布，向南逐漸升高至約850Ω.m，為相對完整的二長花崗巖引起。剖面中部1600點至1780點間呈低阻凹陷，近似直立，視電阻率值約500Ω.m，反映了剖面內構造發育的主要部位。1780點向北為高阻電性段，斷面等值線較密集呈垂向分布，垂深300m左右形成高阻封閉，視電阻率值約1100Ω.m，為完整二長花崗巖的反映，深部電阻率降低，反映了深部構造發育情況。

剖面小結：剖面范圍內中部斷裂構造發育且向下延深較深，視電阻率反演斷面圖低阻凹陷區基本反映了構造框架發育情況，隱伏的28號巖體嚴格受F5斷裂控制，分布在斷面等值線低阻凹陷區及兩側梯度帶上。

3.2 綜合研究

礦產資源巖體的產出位置、大小、邊界、形態變化都受構造控制，不同方向、不同性質的構造對巖體的控制各不相同。通過對CSAMT法測量剖面視電阻率反演斷面圖及巖體、構造空間分布特征的對照分析，有以下兩點認識：

（1）CSAMT法測量對分辨斷裂構造具有良好的效果。斷面等值線的轉折變化部位、低阻凹陷區、近豎直的梯度變化帶等都清晰的反映了構造的發育部位、產狀、延深等情況；通過測區各個垂深的等深度視電阻率等值線圖可勾勒出測區構造框架，從而縮小靶區，圈定有利于巖體產出的部位（圖4）。

圖3 Xy-5剖面綜合斷面圖

圖4 垂深450m視電阻率等值線圖（據山東省第七地質隊 1975）

（2）礦體空間分布位置在反演斷面圖上的電性特征主要有三種情況：①淺部巖體巖石風化充水導致電阻率降低，受周圍同樣為低阻的第四系或風化圍巖影響，低阻特征并不明顯；隨著深度增加，巖體較周圍圍巖更易風化且受構造控制，當寬度較大時，在反演斷面圖上表現為低緩的低阻凹陷區。②在局部范圍內有多條構造發育，在反演斷面圖上表現為寬度較大、延深較深的“U”型低阻凹陷區。當巖體產出在斷裂帶中部，巖體本身的低阻特征與斷裂帶的低阻特征迭加，在反演斷面圖上與低阻凹陷區位置吻合。③當巖體產出在斷裂帶邊部，受低阻斷裂帶及高阻圍巖的綜合影響，規模相對較小的巖體低阻特征被淹沒，在反演斷面圖上表現為垂向分布的電性梯度帶。

4 結語

隨著我國經濟的快速發展，礦產資源的需求量在逐漸增長，加強深部找礦，開辟第二找礦空間，對于加快實現找礦重大突破、確實提高資源保障能力、促進經濟社會全面協調可持續發展，具有十分重要的意義。實際應用結果表明,在金剛石原生礦的勘查工作中，CSAMT法一方面能夠滿足探測深度較大的地質勘查工作要求，對判定構造發育情況有良好的效果，巖體產出部位與地電異常特征有明顯的對應關系，在前期地質勘查、工程施工過程中能提高效率、降低成本、減少風險；另一方面由于引起地下電阻率變化的因素很多,利用CSAMT法勘查需要結合已知地質、地球物理特征和其它有關資料進行綜合研究,合理地進行地質解釋，才能取得良好的效果。

[1]毛承英,李祖能,楊先杰.可控源音頻大地電磁法在公路隧道勘察中的應用研究[J].現代隧道技術,2017,54(6)：32-37.

[2]胡嘯,余傳濤,劉鴻福,等.可控源音頻大地電磁法在厚松散層隱伏區找煤工作中的應用[J].煤炭技術,2016,35(11)：120-122.

[3]康方平,柳建新,韓中驥,等.綜合電法在湖南祁陽太平圩地熱資源勘查中的應用[J].地質與勘探,2017,53(6)：1155-1163.

[4]許磊,劉永團.CSAMT法在陽山金礦深部找礦中的應用[J].中國礦業,2017,26(S2)：260-264.