閩西南大排多金屬礦區地球物理響應特征與找礦啟示

孟小紅， 王俊*， 劉國峰， 陳召曦， 倪建輝， 張達， 譚捍東， 李淑玲， 方圓， 鄭師警

1 中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院， 北京 100083 2 福建省第八地質大隊， 福建龍巖 364000

0 引言

大排多金屬礦區位于武夷山成礦帶，其所處的閩西南地區是特提斯東西向構造與環太平洋北東向構造時空演化交替的典型地區，也是中國東南部重要的成礦聚集區.在長期的地質構造演化過程中，研究區的中上地殼受到多期構造事件改造，形成了不同時期的區域性隆起及坳陷，復雜多變的構造形變格局以及不同時期頻繁的火山-侵入活動，使區內蘊藏著豐富的Fe、Cu、Pb、Zn、Au、Sn等多金屬礦床(點)，具有良好的找礦前景.

大排多金屬礦區的研究歷史相對較長，礦產調查和科研工作經歷了由淺到深的長期積累過程.20世紀70年代，大排多金屬礦區及其外圍就已經進行過了多次礦產勘查工作，當時的研究工作認為大排礦床類型為矽卡巖型，礦體規模較小、儲量少，埋藏有一定深度不易開采.自1999年實施國土資源大調查和2010年馬坑-湯泉鐵多金屬成礦區被列為國家首批整裝礦產勘查區以來，地質礦產部門在大排礦區投入了多個礦產資源評價項目，開展了成礦地質背景、成礦地質條件及成礦規律等研究.比如，在成礦時代方面，趙希林等(2016)采集大排礦區的花崗閃長巖和花崗閃長斑巖樣品，分別進行鋯石U-Pb測年和輝鉬礦Re-Os同位素測試，得到Re-Os等值線年齡為135±4.1 Ma，鋯石U-Pb年齡是127±1.8 Ma.袁遠等(2013)測得大排似斑狀花崗巖鋯石U-Pb年齡為132.35±0.83 Ma及輝鉬礦Re-Os年齡為133±2 Ma，與趙希林等測得數據相近，由此推斷燕山期是本研究區的一個重要的巖體侵位和成礦時期.在控礦構造方面，許乃政等(2008)認為逆沖推覆構造是大排礦區的主要控礦構造，礦體主要賦存在由逆沖推覆構造形成的破碎帶內部.倪建輝(2012)通過對大排礦區詳盡的地質調查，認為經畬組-棲霞組地層和礦區發育的淺層次級逆沖推覆構造是主要的賦礦層位和控礦構造；在礦床成因方面，張振杰等(2014)提出閩西南成礦與早白堊中酸性巖漿相關的礦床主要有鐵、鉛、鋅、銅、鉬等多金屬，大多屬于層控矽卡巖型礦床.倪建輝(2012)認為大排鐵鉛鋅多金屬礦在成因上與區域上的馬坑鐵礦存在相似性，他們同處在閩西南鐵銅多金屬成礦帶上，屬于海相火山沉積-改造礦床.毛建仁等(2014)以鉆探揭露為主要手段，對礦區進行了補充詳查地質工作，投入鉆探工作量16267.00 m/38個，探獲鉛鋅資源量從原來的中型擴大為大型，伴生的鐵礦、銅礦、鉬礦、銀礦、錳礦等資源量達到中型，認為礦床成因為層控-矽卡巖型→層控-熱液疊加改造型.

上述研究工作一方面使得對于大排多金屬礦區的成礦地質背景、成礦地質條件和礦床成因有了深入的了解，同時也建立了該區域新的找礦模型(倪建輝，2012；杜一波，2018；鄭明泉，2019)和“賦礦層位—控礦構造—燕山期巖漿活動”三位一體的找礦思路：即研究區內上石炭船山組至下二疊棲霞組的一套碳酸鹽建造是鉛鋅礦床重要的賦礦層位和礦源層(具多層性)，經畬組碎屑巖與碳酸鹽建造是鐵礦化的主要層位和礦源層；鉛鋅多金屬礦體受一系列規模不等、傾向南東東的疊瓦狀淺層逆沖推覆斷裂和層間裂隙(破碎帶)控制，礦體產狀與地層產狀或斷裂產狀基本一致；燕山晚期二長花崗斑巖從深部帶來了部分成礦物質，同時對已有的礦體起到熱液交代和改造作用.這一新的找礦模型和三位一體的找礦思路，將大排礦區外圍和深部礦產預測工作與推覆構造界面、隱伏巖體分布和賦礦巖層的揭示緊密地聯系起來.前人研究表明，地球物理方法在識別斷裂構造、發現隱伏巖體和確定標志地層等方面具有獨特優勢(Wang and Meng, 2019).但由于大排礦區地表地形復雜、植被覆蓋嚴重，以往很少進行高精度大比例尺的綜合地球物理調查，特別是在本次研究之前，尚未開展過反射地震工作，因此，對隱伏的控礦構造、賦礦層位和火成巖體分布的認識遠不能滿足深部找礦的需求.本次研究通過實施剖面反射地震、可控源音頻大地電磁和大比例尺航磁測量，在成礦理論和找礦模型的指導下采用反射地震真地表偏移技術、可控源音頻大地電磁二維帶地形反演技術和航磁數據精細處理與三維反演技術，提取識別了淺層逆沖推覆控礦構造和賦礦層位的反射地震特征，與成礦關系密切的燕山期火成巖體的地震、電磁特征，以及控礦構造和隱伏巖體平面分布的航磁異常特征.在地表地質和已知鉆孔巖心及物性的約束下，構建了剖面綜合地球物理地質解釋模型，包括淺層推覆構造和控礦地層分布，推斷解釋大斷裂6條、次級斷裂16條和3處較大的隱伏巖體分布，為深入認識研究區的礦床成因和分布規律，指導在外圍和深部找礦提供了地球物理有效響應特征.

1 地質背景

大排多金屬礦區位于福建省西南部，在大地構造位置上屬于華南地塊內的華夏地塊(圖1).政和—大埔斷裂將福建省分為兩部分，其中西部為永安—梅州凹陷帶，東部為閩東火山斷坳帶，本次研究區則位于永安—梅州凹陷帶的西南部分，是東西向特提斯構造與東北向太平洋大陸邊緣構造重疊的典型區域(Yang et al., 2017).

圖1 研究區構造地質圖(修改自李培等，2019)Fig.1 Simplified structural geological map of the study area (modified from Li et al., 2019)

研究區目前的構造格局是不同時期、不同構造作用疊加改造后的結果.根據前人的總結基本可概括如下：晉寧運動期，晚太古代的古老陸塊與早元古代麻源群發生強烈變形、變質作用，形成了較穩定的結晶基底；加里東運動期，該區域的造山作用使其結晶基底發生了變質及褶皺變化，伴隨有大量殼源型花崗巖的侵入，形成了該區域的褶皺基底；海西—印支運動期是區內沉積蓋層形成的主要階段，在該時期，地層以升降作用為主，形成了張性的較為封閉的裂谷盆地.期間，從晚泥盆紀至早三疊紀接受到了來自其北部和西部的陸源碎屑，形成了巨厚的海相沉積建造，伴隨有基性海相火山活動，形成了研究區晚古生代拗陷帶.目前，在石炭紀地層中發現了大量Pb、Zn、Mn礦床及礦點，Cu、Pb、Zn、Ag、Sb礦床大多產于石炭紀和早侏羅紀地層中，在二疊紀地層中局部也有礦床分布.早三疊紀晚期，印支造山運動導致洋盆開始閉合，區內由拉張的裂谷環境轉化為以擠壓為主的造山環境，以特提斯構造域為主體的構造格局漸變為以環太平洋活動大陸邊緣為主的構造格局；燕山運動期，研究區全面轉入中國東部大陸邊緣活動階段，以斷陷盆地發育和中酸性火山-侵入巖漿活動為主要特征，奠定了現今的構造格局，該期構造活動對先期形成的礦體起到熱液疊加和改造作用，使礦床明顯受斷裂和裂隙控制(許乃政等，2008)，圖4為研究區地質圖.

根據地層巖性、巖相、變質特征及接觸關系，研究區的地層可劃分為前泥盆紀基底巖系、晚古生代-中三疊紀以海相沉積為主的蓋層巖系以及中新生代陸相碎屑-火山巖系(張達，1999；林東燕，2011)，即從泥盆系到第四系地層均有發育.出露的地層主要有石炭系船山組，二疊系棲霞組、文筆山組、童子巖組和翠屏山組地層，較老的地層則在鉆孔中揭露.其中，船山組-棲霞組地層是經歷了海相-淺海相沉積形成的碳酸鹽地層，巖性為灰巖和大理巖等，頂部和上覆的文筆山組、童子巖組地層以斷層或整合接觸；文筆山組地層是在瀉湖相環境下沉積形成的，巖性為泥質粉砂巖、細砂巖等，與下伏船山組-棲霞組碳酸鹽巖地層的斷層接觸面常形成較寬的破碎帶，并發生熱液蝕變和鐵、錳、鉛鋅等礦化.童子巖組地層巖性主要是泥巖、粉砂巖和砂巖等，巖性較軟，與下伏文筆山組地層斷層或整合接觸，在斷層面和層間滑動面上可看到硅化、黃鐵礦化、絹云母化等蝕變現象；翠屏山組地層巖性為粉砂巖、細砂巖和泥巖夾煤層的海陸交互相碎屑巖，與下伏的童子巖組地層之間常發育斷層，斷層面可見硅質和鐵錳礦化.圖2是研究區的主要出露地層的巖性柱狀圖.

圖2 大排礦區主要地層巖性柱狀圖(修改自杜一波，2018)Fig.2 Lithology histogram of the main strata in Dapai deposit (modified from Du, 2018)

研究區位于中國東南大陸中生代火山—侵入巖帶西部，巖漿活動具多旋回性，十分頻繁，每個構造發展階段都有相應的巖漿巖組合出現，在大排礦區侵入巖的巖性主要以酸性-中酸性為主，在地表出露較少，主要是隱伏巖體，經過鉆孔巖心取樣和觀察(圖3)，巖性有二長花崗巖、花崗閃長巖斑巖、花崗斑巖、輝綠巖等以及少量的基性巖，其中，似斑狀二長花崗巖和花崗閃長巖在侵位空間和侵位時代上與大排礦區成礦關系密切.同時，研究區位于閩西南逆沖推覆構造體系的南平—龍巖逆沖推覆構造帶上，屬于王莊—樟坑逆沖推覆構造帶的南部.燕山早期形成的由一系列北北東向或近南北向逆沖斷層組成的淺層次級推覆構造，為巖漿熱液提供了通道，其形成的構造斷裂面是礦質重新運移、沉淀、富集的重要部位，鉛鋅多金屬礦多賦存于該系列斷層及其平行的裂隙中.本次研究重點針對控礦構造、賦礦層位和與礦產關系密切的隱伏巖體開展了地球物理特征提取和推斷解釋.

圖3 大排礦區主要侵入巖巖心(修改自杜一波，2018)Fig.3 Main invade rock cores of Dapai deposit (modified from Du, 2018)

2 地球物理數據采集與處理

為了能夠更有針對性地開展地球物理工作，我們對研究區內的主要巖石類型的物性資料進行了系統的收集和整理，同時對采集的巖心標本進行了密度、P波速度測量(表1)，總體來說研究區內與物探關系密切的大類巖性中各類砂巖、粉砂巖、灰巖的磁化率呈弱磁性或無磁性，平均密度為2.6 g·cm-3，平均P波速度為5894 m·s-1，電阻率為102～104Ωm；泥巖的磁化率也呈弱磁性或無磁性，平均密度較灰巖略低，為2.57 g·cm-3，平均P波速度為5923 m·s-1，泥巖隨著泥質的增加，電阻率也不斷降低，平均為10～102Ωm；花崗巖類具有相對較高的磁化率，平均密度與泥巖接近，為2.57 g·cm-3，P波速度較低，為5490 m·s-1，電阻率較高，為6×(102～105) Ωm；研究區內，與其他巖類相比，二長花崗巖、花崗閃長斑巖、輝綠巖以及矽卡巖具有較高的磁化率(80～2200(4π×10-6SI))和較高的電阻率(6×(102～105) Ωm)，與灰巖伴生的大理巖或大理巖化的巖石具有較低的P波速度(3947 m·s-1).這些大類巖性之間的物性差異，為開展物探工作奠定了地質地球物理物性基礎.

表1 巖心物性參數表Table 1 Physical properties of drilling core

本次研究實施了約100 km2的1∶10000直升機航磁測量，約13.5 km長的剖面反射地震測量和可控源音頻大地電磁測量，對實測數據進行了精細處理和真地表偏移成像和反演.圖4是研究區地質圖和航磁測區范圍以及剖面地震、可控源音頻大地電磁測線位置分布.

圖4 研究區地質圖和測區測線位置圖(地震和CSAMT剖面)Fig.4 Geological map with survey line location of Dapai deposit (seismic and CSAMT profiles)

2.1 航磁數據采集與處理

航磁數據采集使用的是AS-350B3型直升機搭載航空磁測系統，配備有CS-3型高精度銫光泵磁力儀，PEI MAG Comp航磁補償系統、Hemisphere R320導航定位系統和TRA-3000雷達高度計等，地面日變觀測站使用GB-4A氦光泵磁力儀，空中數據收錄系統采用航空操作平臺IMPAC，實時顯示測量曲線、監測各參量的工作質量.采用沿地形起伏飛行方式，飛行方向為EW向，平均飛高為112 m，主測線間距為100 m，測量區域基本覆蓋了礦床的整個范圍.同時測量了總長40.2 km的重復線進行精度控制.經各項改正及調平后全區航磁異常總精度為±0.02 nT.利用Geosoft公司的Oasis montaj軟件對航測數據進行了網格化處理，網度為100 m×100 m，圖5a為實測總場磁異常圖，由于研究區地表地形復雜、植被茂密覆蓋率高，地面面積性磁測工作幾乎難以進行，本次采集的航磁數據消除了地表地形和隨機干擾的影響，是研究區首次獲得的高精度高質量大比例尺的磁測數據.

由于磁性地質體受地磁場斜磁化的影響，所產生的磁異常往往不對稱且極值位置與異常體的中心位置相偏移，給解釋工作帶來困難，因此，磁異常數據處理首先需要把斜磁化的磁異常轉化為垂直磁化的磁異常，以消除斜磁化對磁異常形態的影響.本次研究采用非對稱因子化極計算方法(Guo et al., 2013)，選擇測區中心位置的磁傾角37°25′和磁偏角-3°35′，對實測航磁數據進行了化極處理(圖5b).

實測磁異常是下半空間所有磁性地質體產生的磁異常的疊加，為了將區域磁異常和局部剩余磁異常有效分離，我們采用自動趨勢面分析方法對化極后的磁異常進行了異常分離處理(Obasi et al., 2016).利用多項式擬合區域背景，通過與研究區內大型地質結構的形態對比，確定多項式近似的階次為二次，擬合區域異常(圖5c)，然后將實測異常減去區域異常獲得了局部剩余異常(圖5d).定性分析認為，區域磁異常主要由變質巖基底形態引起，總體呈“南高北低”趨勢，形態上類似于“傾斜臺階”異常，反應了研究區基底構造形態表現為特提斯東西向構造特征，在區域異常西部疊加了一個形狀類似于“柱體”的異常，推測深部存在有磁性火山機構；剩余磁異常整體上表現為環太平洋北東向構造特征，測區西部較大的正異常，推測為深部磁性火山機構在淺部的延續，測區中部和東部可明顯看出有北西向展布的正異常區和北西、北東向交叉展布的正異常區，推測為北西向淺層推覆構造和北東向火山機構造成的巖漿通道所致.剩余磁異常主要由基底以上磁性地質體和不同深度的線性構造(包括斷裂)所引起，因此，下面的異常特征提取和三維反演主要針對剩余磁異常進行.

圖5 (a) 航磁總場磁異常； (b) 航磁化極異常； (c) 區域磁異常； (d) 剩余磁異常Fig.5 (a) Aeromagnetic total field magnetic anomaly; (b) Reduced-to-pole magnetic anomaly; (c) Regional magnetic anomaly; (d) Residual magnetic anomaly

2.2 反射地震數據采集與處理

本次研究采用的是Sercel 428XLTM數字地震儀，所采集的地震數據是在閩西南大排多金屬礦區首次開展的反射地震探測.因工區常年植被覆蓋，地形陡峭，施工難度極大，且無經驗可循.在現場反復試驗后，確定的采集系統和采集參數為：2D直線觀測，中間激發兩邊接收，64次覆蓋，單井炸藥震源，平均藥量8 kg，井深14 m，采樣間隔0.5 ms，采樣長度5 s，炮點距60 m，檢波點距20 m.

由于地表的非均勻性和地表高差變化較大等自然因素，所采集的地震數據信噪比較低，幾乎在野外單炮記錄中看不到有效的地震信號，采用常規處理流程處理后，疊前時間偏移亦未獲得很好的成像效果，剖面上很難識別有效的同相軸，難以進行構造和巖性等地質解釋，因此我們投入了大量精力，針對復雜地表情況，開展了改進成像效果的方法技術研究.

通過分析前人研究和前期工作積累，我們認識到能否真實地保留近地表信息是影響復雜地表條件下金屬礦地震勘探成像效果的重要因素之一.地震常規處理針對的是目的層較深的情況，經常將近地表信息視為干擾，通過建立浮動基準面靜校正后，一般更注意深部的成像結果，不太關注淺層500 m甚至更深的近地表信息，而這些淺層信息在隱伏固體礦產勘探中經常是要向下追蹤的控礦構造，有時甚至是直接要尋找的礦體的有效信息.因此，金屬礦地震資料處理除了要獲取深層地質信息外，還需要真實地保留近地表信息，才能夠保證目標深度成像結果的清晰性和與地表地質情況的連續性.

另外，地震資料處理分為基于時間偏移的處理流程和基于深度偏移的處理流程，前者通過靜校正和時間偏移實現聚焦，后者通過深度域速度模型和深度偏移實現地下位置的正確歸位，前者的優點是便于聚焦，但構造成像位置不準，后者的優點是構造成像位置準確，但在沒有地震同相軸的原始資料上不能直接使用.因此，深度域速度模型是實現深度偏移，進而實現精確構造成像的關鍵.深度域速度模型的建立，首先要保證在時間域成像已經聚焦的同相軸在深度域成像中仍然可以聚焦，即要求深度域速度模型和時間域速度模型等效，同時又要求深度域速度接近真實，只有在精確地構建了全深度域速度模型的基礎上，進行從真地表開始的深度偏移成像，才能保證在復雜地表條件下深度偏移成像結果聚焦和位置準確.基于以上認識，我們開展了保留近地表信息、構建全深度域速度模型、進行從真地表開始的深度偏移成像方法研究與應用.

首先，我們開展了從真地表開始的疊前深度偏移成像研究(Liu et al., 2018)，這需要解決兩個問題：一是數據消除靜校正量后回到地表；二是結合近地表速度建模建立全深度域的速度模型.我們將進行完反褶積后的地震數據重新恢復到地表面上，得到了包含了整個處理流程在地表上的地震數據.然后是速度建模方面，主要也包含兩部分：一是近地表速度建模，采用初至波波形反演獲得；二是深部速度，采用常規處理手段獲得.然后將二者拼合成統一的速度模型，即全深度域速度模型，進一步應用全波形反演修改完善全深度域速度模型，再進行真地表疊前深度偏移成像.

圖6是基于全深度域速度模型和全波形反演的真地表深度偏移成像結果，可以看出，剖面上界面反射同相軸、層位產狀變化、斷面波形態等非常清楚，清晰地反應了3000 m深度上的地層結構和斷裂構造特征.

圖6 反射地震真地表深度偏移成像Fig.6 Depth migration imaging of reflection seismic data from real surface

2.3 可控源大地電磁數據采集與處理

為了克服大地電磁法中天然場源的隨機性及信號微弱的缺點，加拿大學者提出了利用CSAMT方法，該方法使用接地導線或不接地回線為場源，在波區測量相互正交的電場、磁場切向分量，并根據測量結果計算出卡尼亞視電阻率及阻抗相位，目前已應用于普查、金屬礦產、石油勘探等方面.

圖7 (a) CSAMT數據采集觀測系統； (b) CSAMT源與測試位置圖Fig.7 (a) Data acquisition and observation system of CSAMT; (b) The source of CSAMT and its location

本次研究CSAMT數據采集設備采用GDP-32，采集系統如圖7所示，接收機位于排列中央，兩側各布置三個不極化電極，與接收機處不極化電極形成六道電道，不極化電極間點距80 m，排列總長480 m.采用兩個有限長導線發射源，赤道裝置，最大電流分別為15 A和14 A，發射源和采集線間距離6 km，每個采集點包含6個接收電極和一個與之垂直的接收磁極，采集頻率為8192～0.125 Hz，17個頻點采集數據，手動換頻，發射和接收采用石英鐘XMT對時，保證時間上嚴格一致.

在CSAMT數據處理中，進行了干擾數據剔除、靜校正和過渡區校正等常規處理.反演計算中用有限差分法模擬考慮地形的CSAMT響應，用偽δ函數來代替場源直接計算總場，采用自主研發的帶地形的反演方法(Lin et al., 2018; Zhang et al., 2016)進行了二維反演.帶地形的CSAMT反演與地震數據的真地表偏移成像具有相同的成像空間，為后續的地質解釋奠定了基礎，圖8是剖面的二維帶地形反演結果，可以看出在接近地表(深度500 m以內)處以小范圍的高阻體和低阻體交錯分布為主，隨著深度的增加，視電阻率逐漸增加，呈現出以高阻為主的態勢.剖面上從西向東視電阻率由相對低向相對高變化，分布有三個規模較大、深度較深的高阻異常體，推測這三個高阻體可能與巖漿活動有關.剖面東部有一個規模較大形狀倒置的高阻異常體，推測可能與推覆體構造有關.

圖8 CSAMT數據反演的電阻率剖面Fig.8 Inverted resistivity profile from CSAMT data

3 地球物理有效特征提取與綜合解釋

在獲得了高質量的一手實測數據和處理結果后，我們首先利用航磁異常數據在平面上的分辨能力，對局部剩余磁異常進行了線性特征提取和三維反演，推斷解釋了22條平面斷裂分布和3處隱伏磁性巖體分布.

在對剖面成像結果進行地質解釋時，我們首先對地震剖面附近的兩口深井進行了巖心采樣和物性測量，建立了井旁水平層狀介質模型，通過與模型正演對比，對地震真地表深度偏移成像剖面的有效反射層位和地層進行了標定和識別，同時利用地震剖面上的斷面波形態以及層位產狀變化和視電阻率剖面上的高阻與低阻交界位置進行了斷裂構造交互識別.進一步綜合地震剖面上的無反射特征、視電阻率剖面上的高阻異常、航磁三維反演結果給出的高磁化率異常和鉆井資料，進行了剖面隱伏巖體識別.最終構建了包括巖性、斷層和巖體的剖面地質地球物理綜合解釋模型.

3.1 基于航磁線性構造特征和三維物性反演的平面構造體系劃分和隱伏巖體分布推斷

磁異常線性特征提取與增強是突出與斷裂構造或地質體邊界相對應的構造信息的一種重要方法.Wang和Meng(2019)利用傾斜角方法對大排礦區的磁異常進行了斷裂推斷，本次研究在其基礎上將多種線性構造增強算法(總水平導數、θ圖、歸一化標準差)應用于剩余磁異常，綜合分析開展了基于航磁數據的隱伏斷裂推斷.共推斷大斷裂6條、次級斷裂16條，其中大斷裂與已有研究結果基本一致，次級斷裂則存在著一定的差別.

圖9是總水平導數法處理后的剩余磁異常線性特征與推斷斷裂的疊合圖，其中，標號F的斷裂(F1—F16)為研究區已知斷裂，標號D的斷裂(D1—D6)和標號S的斷裂(S1—S16)為本次研究推斷的大斷裂和次級斷裂.

圖9 研究區推斷斷裂和磁異常線性特征疊合Fig.9 The overlap of fault inference with magnetic linear features of the study area

將已知斷裂和推斷斷裂分別疊合在區域磁異常和剩余磁異常圖上(圖10)，從區域磁異常疊合圖10a中可看出，已知斷裂中的F1、F2、F4、F10，推斷次級斷裂中的S1、S2和S3 等北東向斷裂與區域磁異常北東向分布趨勢具有較好的對應性，反映出北東向斷裂與研究區磁性基底構造特征具有很好的繼承性.從剩余磁異常疊合圖10b中可看出，北西向主要斷裂D1、D2、D5，南北向主斷裂D3、D4等基本位于磁性巖體的邊界，北西向和南北向次級斷裂中的S6、S7、S8、S9、S16等也都位于磁性巖體的邊界位置或和磁性巖體的走向一致(后期的反演結果也可看出)，說明由磁性特征推斷的北西向和南北向斷裂與研究區蓋層中的磁性巖漿活動密切相關，很好地反映了磁性巖體的巖漿侵入通道和賦存狀態.

圖10 研究區斷裂推斷圖(a)在區域磁異常上的疊加圖；(b)在剩余磁異常上的疊加圖Fig.10 The deduced faults in the study area overlay image on (a) regional magnetic map; (b) residual magnetic map

圖11 研究區航磁3D反演結果(a) 3D反演結果透視圖，其中紅線、藍線是推斷斷裂，黑線是剖面AB位置; (b) 3D反演結果在剖面AB處的切片.Fig.11 3D inversion result of magnetic data in the study area(a) Perspective view of the inversion result. The red and blue lines are the inferred faults, and the black line is profile AB; (b) Slices along profile AB of the 3D inverse result.

綜合來看研究區內已知和由磁異常線性特征推斷的隱伏斷裂主要有北東向、近南北向和北西向三組，其中中部為近南北走向斷裂，西部和東部為北西、北東向斷裂，斷裂的性質和成因為燕山早期形成的逆沖斷層所組成的淺層次級推覆構造，這些斷裂構造反映了與成礦關系密切的巖漿侵入通道和巖體賦存狀態，根據礦床成因和找礦模式研究，其形成的構造斷裂面是礦質運移、沉淀和富集的重要部位，對在外圍和深部找礦具有參考意義.

磁異常三維反演可生成具有磁化率對比的三維地質體分布，可有效地用于確定潛在磁性場源體形狀和深度.本研究采用經典的3D物性反演算法對研究區航磁數據進行了反演成像.反演中將地下劃分為一組棱柱體單元，同時假設每個單元內的磁化率恒定，初始值設置為磁化率為零的常數模型，反演過程中，加入了深度約束與物性約束.分析認為，異常應由地下3 km內的場源引起的，所以反演深度范圍為0～3 km.整個測區被劃分了170×100×30=510000個棱柱體單元，每個棱柱體單元的維度是100 m×100 m×100 m.

圖11為研究區航磁剩余異常3D反演結果的透視圖和在AB剖面上的切片.從透視圖11a可以看出，研究區內由西向東存在著三個較大的磁性巖體，磁性異常體及其邊界分別與化極磁異常的高值部分和推斷的斷裂有很好的吻合，進一步說明了研究區磁異常特征很好地反映了磁性巖漿侵入通道和巖體的賦存狀態.從剖面切片圖11b可以看出，在剖面所處位置以下分布著兩個磁性體，其中位于西側、在兩個鉆孔zk1001和zk2001附近的磁性體體積相對較大，頂部位于地下150 m左右，深部可達到2800 m，整體呈近似楔形，沿著近北西—南東方向展布，東側的磁性巖體相對較小較淺，深度范圍為地下150～1600 m，磁性體在上部150～700 m深度時是三個獨立部分，700 m以下三個獨立部分相連通構成了一個整體.另外，在剖面以外研究區的東北部存在著一個較大的磁性巖體，從地下350 m一直延伸至2500 m左右，異常體北側部分沿著近北東向展布，南側部分沿著近南東向展布.

根據前人研究，研究區內燕山晚期(127.0±1.8 Ma)侵入的巖漿巖與成礦關系密切，為成礦提供了含多金屬礦化熱液，對沉積介質中的鐵鉛鋅多金屬起到活化、疊加、轉移和富集的作用.鉆井巖心顯示，侵入巖巖性為二長花崗巖、花崗閃長巖斑巖、花崗斑巖和輝綠巖等，呈灰色或深灰色，含暗色礦物成分較多，具有相對較高的磁性，是研究區磁異常的主要場源.因此磁異常三維反演結果給出了與成礦關系密切的巖漿巖巖體的空間賦存狀態.

3.2 鉆孔巖心取樣與井旁地震正演模擬

鉆孔zk1001和zk2001位于地震和電法剖面附近(圖12)，其中，zk1001鉆孔距離剖面垂直距離約300 m，井深800 m，zk2001鉆孔距離測線垂直距離約600 m，井深1100 m，兩個鉆孔均在鉆到火成巖后停鉆，并保留有完整的巖心，按照巖心地層序列，我們在這兩口鉆井中進行了巖心采樣，在實驗室內采用超聲脈沖法測量了巖石樣品的縱速度，并通過測量標本的質量和體積，獲得到了巖心的密度，表1是實驗室獲得的主要巖心的物性參數.

圖12 巖心的巖性及其合成地震記錄(a) zk1001; (b) zk2001.Fig.12 The lithology and the synthetic seismic trace of (a) zk1001, (b) zk2001

根據鉆井巖心資料以及實驗室內測量的巖心物性參數，建立了對應于兩個井位層位的水平層狀介質模型(忽略了厚度小于10m的地層以及溶洞等形態構造)，計算了界面處的反射系數，采用雷克子波與反射系數褶積獲得了物性結構的合成地震記錄，如圖13連井地震剖面所示，其中右圖為左圖的放大顯示，合成地震記錄置于地震剖面中，可以看出，剖面的反射同相軸與合成地震記錄具有較好的對應關系.在大理巖出露層位由于速度較低與圍巖差異顯著，形成較強的阻抗，在合成地震記錄上表現為較強的反射.

圖13 連井地震剖面，右圖為左圖的放大顯示Fig.13 Well seismic profiles, the right picture is the enlarged display of the left one

前人研究表明，研究區內礦床的主要含礦巖系為晚石炭系經畬組和中二疊系棲霞組的濱海—淺海相碎屑巖及灰巖.深孔揭露結果顯示，經畬組灰巖大部分變質成白色、乳白色大理巖或淺色大理巖化灰巖；棲霞組灰巖大部分也已大理巖化或成為大理巖.

本次鉆井資料分析和巖心物性測量亦發現，鉛鋅礦和磁鐵礦出現的位置伴隨著大理巖巖層分布，而大理巖或大理巖化灰巖與圍巖縱波速度有較大差異，反映在地震剖面上就是強的反射同相軸.將合成地震記錄并入到地震剖面所在位置，并進行能量平衡后，可以看出，井旁合成地震記錄中的強反射與地震剖面中的強反射有很好的對應，在磁鐵礦和鉛鋅礦出現的位置，因為大理巖的存在產生了明顯的反射，且振幅較強，雖然磁鐵礦和鉛鋅礦礦體的厚度較薄，頂底反射不能夠分辨，但因為伴生的大理巖巖層的存在，所產生的強反射同相軸為間接識別賦礦層位提供了信息，可據此配合振幅級別等，推斷橫向主要控礦層位展布和相鄰縱向層位分布.

3.3 基于地震真地表深度偏移成像和CSAMT帶地形二維反演的剖面地質解釋與綜合建模

獲得“賦礦層位—控礦構造—燕山期巖漿活動”信息是綜合地球物理精細解釋的目標，閩西南大排礦區屬于推覆控礦構造，成礦和控礦的主要地質要素之一是推覆斷裂和推覆體內部結構，同時，燕山期的巖漿作用是礦區成礦物質的主要來源，也是成礦賦存的重要標志.在實施了剖面精細探測的基礎上，利用剖面反射地震成像、視電阻率反演和航磁三維反演結果剖面切片，結合鉆井巖心和物性資料，對剖面進行了聯合解釋和建模.

地震剖面上因為斷面波和層位產狀的變化明顯，首先進行推覆斷層的識別.為了進一步判斷所識別斷層的準確性，將從地震成像結果中識別出的斷層線拖曳到視電阻率剖面上，可以清晰地看出，大部分斷層線的位置位于高阻與低阻的轉換位置，以此為依據，在視電阻率剖面中識別出在地震剖面上特征不夠明顯的斷層，并將其添加到地震剖面上，依此交互識別交互驗證.最后以地表地質圖上的已知斷裂向下追蹤對識別出的主要斷層進行確定，以保證整體斷層識別的可信度，綜合勾畫出推覆斷層的框架.

由于巖體內部的物質分布相對均勻，沒有明顯的定向沉積，在地震剖面上呈現隨機反射的特點，波形雜亂，表現為無明顯反射的空白帶.另外，前述章節物性統計分析給出，研究區巖漿巖巖體具有相對較高的電阻率，在視電阻率剖面上表現為高阻，根據這兩個特征，在地震剖面和視電祖率剖面上交互進行了火成巖巖體的識別.首先在地震剖面上圈出明顯無反射的區域，將其拖曳到視電阻率剖面上，通過視電阻率高阻異常邊界對地震識別的巖體進行修改，將修改后的巖體分布拖回到地震剖面，進行交互修改交互驗證.進一步與磁異常三維反演切片獲得的視磁化率剖面進行對比，剖面左側的巖體在磁化率剖面上顯示高磁性，進一步證明了其為巖體的可能，剖面中部的巖體無明顯磁異常，考慮到研究區的地質背景，地震和電法剖面上圈定的這個巖體有可能是無磁性或極弱磁性的酸性巖體，也可能是林地組砂巖巖體，有待于進一步驗證，剖面右側的高磁異常，對應了視電阻率剖面上的高阻異常，因此，亦推斷為小型隱伏巖體.

圖14是從地震剖面、電阻率剖面和磁法反演剖面上聯合識別的推覆斷層、隱伏巖體結果.結合圖12和圖13的巖心資料以及井震對比分析，再結合測區的地質情況以及不同巖性的物理性質，在圖15給出了地層、斷層和巖體的綜合解釋結果.從圖中可以看出，剖面由淺到深，地層依次為：第四系、早二疊紀童子山組、早二疊紀文筆山組、早二疊紀棲霞組、石炭紀經畬組和石炭紀林地組，地層特征明顯穩定并表現出被推覆構造錯段向上逆沖的趨勢，其中石炭世經畬組到早二疊紀棲霞組為本區的主要含礦層位，由于其伴生的大理巖層速度較低，產生了明顯的反射，且振幅較強，通過井資料標定后為研究區控礦地層識別和地層解釋提供了依據.剖面從西到東，發育了一系列淺層逆沖推覆構造，其中，剖面右側的兩條斷裂向西傾斜，其他斷裂向東傾斜，根據研究區地質概況，大排外圍北側的構造格局為NNW 傾伏的復式倒轉背斜和南北向斷裂的組合，倒轉背斜的軸面傾向北東，走向北北西，沿著背斜兩翼發育有逆沖斷裂，同時也發育滑脫斷裂，斷裂以走向近南北為主.由于本研究剖面位于倒轉背斜南端末尾，因此，剖面上所看到的這兩種傾斜方向的斷裂反映的是北側背斜構造特征的延續.在背斜構造核部即剖面上4 km位置附近——大排鐵鉛鋅多金屬礦區，推覆構造、隱伏巖體和賦礦層位共存，斷裂為花崗巖體的侵入和成礦熱液的運移提供了通道，賦礦層位為成礦成藏提供了儲存空間，另外，在12 km處較小的磁性巖體所對應的電阻率高阻值異常出現上下倒置現象(位于地表低阻值異常體上方，即較老地層上覆于新地層之上)，推測可能為區域逆沖推覆體，根據推覆構造控礦特征，推覆體結構的重合是深部找礦的重要依據，因此推覆體下層是深部找礦需要關注的區域.

圖14 地震剖面、電阻率剖面、磁化率剖面綜合解釋斷層和巖體Fig.14 Joint interpretation of faults and magma invasion from seismic profile, resistivity profile and magnetic susceptibility profile

圖15 剖面綜合地質解釋Fig.15 Comprehensive geological interpretation of profile AB

4 結論與認識

綜合研究區成礦理論、找礦模型和綜合地球物理解釋結果，我們對閩西南大排多金屬礦區的地球物理響應特征及其找礦意義有了如下認識：

(1)研究區存在一系列規模不等的燕山早中期疊瓦狀逆沖推覆斷裂和層間裂隙，這些斷裂和斷層一方面為巖漿熱液提供了通道，同時，其形成的構造斷裂面是礦質重新運移、沉淀、富集重要部位，是研究區的主要控礦構造.

航磁異常線性構造增強平面特征清晰地給出了與隱伏巖體邊界和侵位關系密切的斷裂構造的平面分布信息，據此推斷出大斷裂6條，次級斷裂16條，其中大斷裂與已有研究結果基本一致，次級斷裂則多為首次推斷的隱伏斷裂；在反射地震成像剖面上，斷面波形態以及層位產狀變換等特征明顯，對推覆斷層結構給出了清晰的勾畫，剖面左側有兩條北西傾向斷層，中部和右側有多條北東傾向斷層、構造面傾角為30°～45°不等，地層被斷層錯斷明顯，表現出向上逆沖的趨勢；在視電祖率剖面上，高阻和低阻的邊界對地震斷層解釋給出了進一步的補充和修正，進一步通過地表已知斷裂向下追蹤延伸，驗證了剖面斷層解釋的正確性.

(2)研究區內主要巖漿巖為燕山晚期二長花崗斑巖、花崗閃長巖、花崗斑巖和輝綠巖，鉆孔巖心顯示其顏色呈深黑色，說明其所含暗色礦物成分相對較多，物性測量結果顯示其具有較高的磁化率和電祖率，是研究區航磁剩余異常和視電祖率高阻異常的主要成因.

磁異常三維反演結果給出，在約100 km2的磁測區域內有三個較大的隱伏磁性巖體分布；視電阻率剖面上在4 km、9 km、12 km位置處存在三個規模較大的高阻異常體，視電阻率數值達到了8000 Ωm；地震偏移成像剖面上巖體表現為波形雜亂無明顯反射的空白特征，通過地震、電法交互識別并與航磁反演結果疊合，勾畫出了剖面上的巖體分布特征.其中，平面左側巖體的北部邊界對應于大排礦區的位置，剖面4 km處的巖體給出了其縱向分布特征，這些隱伏巖體為礦區成礦作用提供了多金屬礦化熱液，對沉積介質中的鐵鉛鋅多金屬礦起到活化、疊加、轉移和富集的作用，同時也是開展深部和外圍找礦的重要指示標志之一.

(3)研究區的主要含礦巖系為晚石炭系經畬組和中二疊系棲霞組的濱海-淺海相碎屑巖及灰巖.其中，經畬組的巖性變化相對較大，棲霞組下部巖性為灰-深灰中厚層狀含燧石灰巖、夾泥灰巖等，其中部分的灰巖已大理巖化或成大理巖；通過鉆井資料分析和巖心物性測量，鉛鋅礦出現的位置往往伴隨著大理巖層分布，而大理巖或大理巖化灰巖表現出了與圍巖縱波速度上的較大差異，這個差異反映在地震剖面上就是強的反射同相軸，為間接判斷賦礦層位提供了依據.

(4)大排礦區地表起伏大，橫向速度變化強烈，傳統的反射地震基于靜校正的處理以及時間偏移成像方法無法對近地表構造進行精確成像，本次研究采用真地表成像技術，通過層析和深層速度體的速度拼合構建全深度域速度模型，實現了從真地表開始的深度偏移成像；同時，采用帶地形的CSAMT數據反演，從地表起算的電法成像結果與真地表地震成像剖面保持了相同的坐標位置，為構造綜合解釋奠定了很好的基礎.

(5)綜合地表地質、鉆孔巖心、真地表地震深度偏移成像剖面、帶地形的視電阻率剖面和航磁三維反演開展了剖面地質模型建模解釋.地震剖面、視電阻率剖面和航磁反演剖面交互驗證互為約束，勾畫了構造形態、巖體分布，地表地質向下延伸、鉆孔巖心橫向標定賦予了剖面斷層、巖體和地層的地質內涵，最終給出了從真地表到3000 m深度的綜合解釋地質模型，清晰地給出了推覆構造、控礦層位以及巖體分布，為三位一體的找礦思路提供了地球物理響應特征.

致謝本研究受國家自然科學基金重點基金項目“推覆構造控礦的地球物理響應研究”(41530321)資助.