可控源音頻大地電磁測深在衛(wèi)寧北山石墨調(diào)查中的應(yīng)用

梁利東，黃 瑞

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)，寧夏 銀川 750021)

石墨是一種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源[1]，近年來我國十分重視石墨資源的保護(hù)、開發(fā)和利用，《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)總體方案(2016)》將石墨納入勘查重點(diǎn)礦種[2]。寧夏地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，主要有煤炭、石膏、石油、天然氣、陶土、石英砂巖、重晶石等，該地區(qū)以往未開展過有關(guān)石墨的調(diào)查工作，石墨資源仍為空白。基于這種前提下，在確定衛(wèi)寧北山內(nèi)蒙一側(cè)存在晶質(zhì)石墨礦后，中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)在此開展“寧夏中衛(wèi)市衛(wèi)寧北山晶質(zhì)石墨礦調(diào)查”項(xiàng)目，旨在通過物探、地質(zhì)等方法尋找可能存在的石墨礦床。

石墨具有低阻高極化率的特點(diǎn)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)在項(xiàng)目實(shí)施過程中，優(yōu)先使用了激發(fā)電極法[3]，但在開展激電中梯和激電測深時(shí)發(fā)現(xiàn)直流信號無法穿透，且不能在深部測得有效數(shù)據(jù)，激電類方法在該區(qū)不適用。在研究和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用了可控源音頻大地電磁測深探尋該區(qū)域可能的石墨異常，并有效地指導(dǎo)了后期的調(diào)查工作。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

調(diào)查區(qū)地層劃屬華北—柴達(dá)木地層大區(qū)，阿拉善地層區(qū)，阿拉善南緣地層分區(qū)景泰—中寧地層小區(qū)。構(gòu)造單元?jiǎng)潓俨襁_(dá)木—華北板塊，阿拉善微陸塊，騰格里早古生代增生楔，衛(wèi)寧北山—香山晚古生代前陸—上疊盆地，衛(wèi)寧北山褶皺帶。區(qū)域上出露有中上奧陶統(tǒng)狼嘴子組，上泥盆統(tǒng)中寧組，下石炭統(tǒng)前黑山—臭牛溝組、上石炭統(tǒng)靖遠(yuǎn)組及羊虎溝組，第四系高阻特性的風(fēng)積層大范圍分布于該區(qū)域地表(圖1)。衛(wèi)寧北山地區(qū)是一個(gè)多構(gòu)造復(fù)合區(qū)，區(qū)域構(gòu)造主體行跡以東西向?yàn)橹鳌嗔褬?gòu)造東西部略有所差異，西部以東西向或近東西向?yàn)橹鳎瑬|部以北西向、南北向?yàn)橹鳎酁樽呋再|(zhì)的逆沖斷層。背向斜、褶皺相間，規(guī)模不大。區(qū)域變質(zhì)作用不發(fā)育，僅在破碎帶等地區(qū)存在動(dòng)力變質(zhì)巖[4]。

區(qū)內(nèi)開展過大量的地質(zhì)礦產(chǎn)、物化探勘查工作，對該區(qū)域金屬礦賦存層位進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，但未對石墨礦進(jìn)行勘查和研究。2013～2018年在衛(wèi)寧北山北部內(nèi)蒙一側(cè)發(fā)現(xiàn)3個(gè)石墨礦(表1)研究發(fā)現(xiàn)，石墨礦所在區(qū)域多呈負(fù)地形，區(qū)域巖石均存在不同程度的變質(zhì)，礦體多賦存于含炭質(zhì)板巖，與無煙煤伴生。通過對內(nèi)蒙的石墨含礦層巖性特征與寧夏衛(wèi)寧北山地層巖性對比(表2)，內(nèi)蒙發(fā)現(xiàn)石墨礦的地層巖石變質(zhì)程度較高，寧夏衛(wèi)寧北山地區(qū)以往資料顯示，變質(zhì)作用不發(fā)育，僅在破碎帶見變質(zhì)巖及羊虎溝組存在一層無煙煤，根據(jù)其地層特征及在臭牛溝組、羊虎溝組以往施工鉆孔取樣情況，初步推斷石墨礦可能賦存于調(diào)查區(qū)內(nèi)石炭系羊虎溝組第一巖段(灰黑色炭質(zhì)頁巖夾炭質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖、粉砂巖及無煙煤)與羊虎溝組第二巖段(灰—灰黑色炭質(zhì)粉砂巖夾中細(xì)粒石英砂巖)，因此確定了本次工作區(qū)位置及范圍。

2 區(qū)域巖(礦)石電性特征

前人在衛(wèi)寧北山地區(qū)開展過大比例尺激電和中間梯度法測量，并對該區(qū)巖(礦)石電性參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，本次又實(shí)測了衛(wèi)寧北山內(nèi)蒙一測的石墨礦石的電性參數(shù)，綜合確定了該區(qū)域的巖礦石電性特征(表3)。

圖1 衛(wèi)寧北山區(qū)域地質(zhì)圖

表1 內(nèi)蒙石墨礦礦床特征

表2 寧夏與內(nèi)蒙石墨礦含礦地層對比

從表3中電性特征來看，區(qū)內(nèi)各巖性巖石標(biāo)本電阻率測定值的幾何平均值由高到低的順序?yàn)椋簶?gòu)造角礫巖→角礫巖→細(xì)砂巖→粉砂質(zhì)泥巖-泥巖→砂巖→含黃鐵礦細(xì)砂巖→赤褐鐵礦→泥質(zhì)粉砂巖-粉砂巖為→泥質(zhì)角礫巖→炭質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖及無煙煤為→石墨。不同巖石的電阻率最大差值為1 268.96Ω·m，最小差值僅8.66Ω·m，電阻率差異較大，其中石墨(0.2～6.14Ω·m)、炭質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖及無煙煤呈現(xiàn)較低的電阻率(14.8Ω·m)，而炭質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖及無煙煤也為石墨的含礦層，因此可以較好的區(qū)分含礦與非含礦巖石。

調(diào)查區(qū)巖石極化率測定值由高到低分別為：炭質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖及無煙煤為→石墨→含黃鐵礦細(xì)砂巖→構(gòu)造角礫巖→角礫巖。不同巖石極化率最大差值為22.81%，最小差值為0.02%，值相差較大，其中石墨(15%)、炭質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖及無煙煤(23%)呈現(xiàn)出相對較高的極化率，也可較好的區(qū)分礦與非礦。

綜上，在衛(wèi)寧北山地區(qū)呈現(xiàn)低阻高極化率的巖石有炭質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖及無煙煤和石墨，其中炭質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖及無煙煤和石墨也為含礦巖石，與砂巖等非礦巖石物性差異較大，可較好地區(qū)分礦與非礦，因此具備開展激發(fā)極化法及可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)的方法條件[5-6]。

3 物探方法的應(yīng)用選擇及其效果

3.1 激發(fā)極化法

基于石墨礦石低阻高極化率的物性特征，本次在調(diào)查區(qū)內(nèi)同一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了激電中梯剖面的多次測試。

在調(diào)查區(qū)內(nèi)分別進(jìn)行了920m極距和1 600m極距的試驗(yàn)，在920m極距下雖得到均為正數(shù)的是視充電率(千分位)，但其在AB/2區(qū)域20時(shí)間門充電率參數(shù)的衰減特性不符合規(guī)范要求，甚至出現(xiàn)了是充電率增長的情況，后將測量電極移至觀測區(qū)域外即距離發(fā)射B極160m時(shí)，才有較好的衰減特性，但在該范圍內(nèi)測得的視充電率不符合規(guī)范要求，為不準(zhǔn)確值。在1 600m極距下，所得視充電率(千分位)均為負(fù)值，完全無任何衰減特性，無法測得有效的一次場及二次場信號，不符合規(guī)范要求。在920m極距下進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，測得的視充電率無任何衰減特性，重復(fù)性亦不佳，信號較為隨機(jī)。測試結(jié)果沒有達(dá)到預(yù)期效果。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在衛(wèi)寧北山激電中梯無法有效獲得一次場及二次場信號，因此該方法在衛(wèi)寧北山不適用。經(jīng)分析，對于無法獲得有效的一次場及二次場信號的原因是該區(qū)域地層上覆蓋的風(fēng)積砂具有高阻特性，導(dǎo)致電流損耗過大；同時(shí)該地區(qū)地層為炭質(zhì)頁巖與砂巖互層，使得電流在深部傳導(dǎo)中損耗過大，無法有效傳導(dǎo)至深部，無法獲得有效的深部反饋，因此激發(fā)極化法在衛(wèi)寧北山地區(qū)羊虎溝組尋找隱伏礦體并不適用。

3.2 可控源音頻大地電磁測深

3.2.1 CSAMT 具體工作及成果

在激電類方法不能取得有效作用后，在衛(wèi)寧北山西部設(shè)置了一條CSAMT測試剖面L1(圖2)，其方向?yàn)檎媳毕颍O(shè)計(jì)穿過石炭系羊虎溝組、靖遠(yuǎn)組和臭牛溝組等地層，點(diǎn)距40m，剖面測點(diǎn)編號由南往北為1 000～5 160，測點(diǎn)105個(gè)。經(jīng)過測試，可控源音頻大地電磁測深CSAMT交流信號可以有效穿透屏蔽并測得深部有用信息。

圖2 可控源音頻大地電磁測深剖面工程布置圖

在完成L1剖面后，基于其信號良好的反饋效果，又在在衛(wèi)寧北山實(shí)施了3條可控源音頻大地電磁測深剖面，其中L2剖面完成150個(gè)點(diǎn)，L3剖面完成111個(gè)點(diǎn)，L4剖面完成68個(gè)點(diǎn)，共計(jì)完成CSAMT測點(diǎn)434個(gè)點(diǎn)。通過可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)對4條剖面的測量，指導(dǎo)確定了3個(gè)驗(yàn)證鉆孔。根據(jù)物探異常情況，推斷石墨礦的可能賦存層位在調(diào)查區(qū)西部為羊虎溝組第二巖段底至第一巖性段，在調(diào)查區(qū)東部為羊虎溝組第一巖性段。結(jié)合地表和剖面電性特征情況，推斷斷裂5處，其中在L1線發(fā)現(xiàn)3處(F1′、F2′、F3′)，在L2線發(fā)現(xiàn)1處(F4′)，在L4線發(fā)現(xiàn)1處(F5′)。通過CSAMT測量，在地表巖性變化不明顯地段，利用電性變化對地層分界限進(jìn)行劃分，并大致了解了地層的產(chǎn)狀變化，對地質(zhì)填圖和進(jìn)一步地質(zhì)解譯具有一定的參考借鑒意義。

3.2.2 異常推斷解譯

CSAMT所實(shí)施的4條剖面獲得的反演斷面圖各個(gè)地層的高低阻特性反映比較明顯，且較為一致，各個(gè)剖面距離較遠(yuǎn)，無法進(jìn)行大面積的異常圈定。因此本次重點(diǎn)選擇代表性較好的L1線，對其形成異常進(jìn)行推斷解譯。從L1線反演及解釋剖面圖(圖3)中可以看出，各個(gè)地層的高低阻特性反映比較明顯。整體上石炭系臭牛溝組地層呈高阻特性，其余地層均呈中、低阻特性，剖面整體位于向斜的一翼。根據(jù)電性特征在橫向上的不連續(xù)性，推斷在1240點(diǎn)附近為羊虎溝組三段和四段的分界線(黑色實(shí)線，下同)；2300點(diǎn)附近為羊虎溝三段和二段分界線；結(jié)合地表特征，推斷2000點(diǎn)、2620點(diǎn)附近為隱伏斷層(F1′、F2′)，產(chǎn)狀較陡；3100點(diǎn)附近為羊虎溝一段和二段的分界線； 3480點(diǎn)附近為靖遠(yuǎn)組二段和羊虎溝組一段分界線；3900點(diǎn)附近為靖遠(yuǎn)組二段和一段分界線；4240和4860點(diǎn)附近為靖遠(yuǎn)組一段和臭牛溝組分界線。

圖3 L1線反演及解釋剖面

剖面位于調(diào)查區(qū)西部與地質(zhì)剖面5-5′位置一致，從剖面實(shí)測情況來看，物探地層界線與地質(zhì)剖面所測地層界線對應(yīng)程度較好，僅有微小差異，以靖遠(yuǎn)組二段和羊虎溝組一段分界線為例，實(shí)測地質(zhì)剖面地層界線位于物探剖面3140點(diǎn)附近處，物探顯示在3100點(diǎn)處，二者僅相差40m，可較好地對應(yīng)地表工作。由圖3可知，該區(qū)域地層均呈中、低阻特性，在圖中編號2900～3500中，存在明顯的低阻區(qū)。對比內(nèi)蒙地區(qū)發(fā)現(xiàn)的石墨物探異常，確定了將電阻率＜3Ω·m圈定為石墨異常，異常區(qū)剖面方向上寬600m，埋深215m，隨著其深度增加，電阻率明顯變低，對比內(nèi)蒙地區(qū)石墨礦，其物探特征具有一致性，均顯示在一定深度內(nèi)，隨著深度變深，其物探異常更加明顯，據(jù)此將確定的異常區(qū)水平投影至地表 (圖4)。

3.2.3 異常查證

根據(jù)可控源音頻大地電磁測深剖面進(jìn)行分析，確定其存在的異常地層及深度，布置施工ZK03，鉆孔孔深350.65m，進(jìn)行鉆探深部驗(yàn)證。選取10件石墨鱗片片度較好的樣品，在電子顯微鏡下顯示：部分樣品僅見炭質(zhì)集合體，無石墨存在，個(gè)別樣品顯示存在石墨，但鱗片片度＜1μm(圖5)，固定碳值平均7.65%，未達(dá)隱晶質(zhì)石墨工業(yè)指標(biāo)。其他3條剖面上石墨固定碳平均值3.99%，石墨鱗片片度＜1μm，為隱晶質(zhì)石墨(圖5)。此次調(diào)查工作雖未找到達(dá)到工業(yè)指標(biāo)的晶質(zhì)石墨礦及隱晶質(zhì)石墨礦，但通過鉆探及取樣驗(yàn)證，證明了該區(qū)域內(nèi)存在石墨礦，也佐證了在該區(qū)域內(nèi)可控源音頻大地電磁測深是尋找隱伏礦體的有效方式。

圖4 可控源音頻大地電磁測深平面投影

圖5 隱晶質(zhì)石墨在電鏡下形態(tài)

4 結(jié)論與討論

(1)研究表明，當(dāng)激發(fā)極化法不能獲取深部有效反饋時(shí)，可以采用可控源音頻大地電磁測深來確定深部地層接觸關(guān)系，深部構(gòu)造特征以及圈定石墨異常。本次在衛(wèi)寧北山地區(qū)尋找其他物性特征較明顯的隱伏礦體時(shí)，可控源音頻大地電磁測深也具有較好的效果。

(2)通過本次工作確定了衛(wèi)寧北山地區(qū)存在石墨礦，但其鱗片片度＜1μm，未達(dá)到晶質(zhì)石墨礦工業(yè)指標(biāo)，且其固定炭含量也未達(dá)隱晶質(zhì)石墨礦工業(yè)指標(biāo)。

(3)對比內(nèi)蒙一側(cè)已發(fā)現(xiàn)的石墨礦巖心及地層特征，與本次調(diào)查區(qū)內(nèi)具有一定相似性。雖然本次石墨調(diào)查沒有達(dá)到預(yù)期的目的，建議進(jìn)一步加強(qiáng)石墨區(qū)域成礦條件的綜合研究，以期實(shí)現(xiàn)寧夏境內(nèi)的石墨找礦突破。

致謝：文章提交過程中得到中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陳正國總工程師的悉心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝！