綜合電法在隱伏礦產(chǎn)勘查中的應用研究

李建華, 林品榮, 杜炳銳, 齊方帥, 丁衛(wèi)忠

(1.中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000 2.自然資源部地球物理電磁法探測技術重點實驗室，廊坊 065000 3.國家現(xiàn)代地質勘查工程技術研究中心，廊坊 065000)

0 引言

隨著地質勘查工作程度的提高和隱伏礦產(chǎn)勘查需求的提升，地表礦、淺部礦以及易識別礦等礦產(chǎn)資源日益減少，找礦難度不斷增大，覆蓋區(qū)與深部找礦已成為當前金屬礦產(chǎn)勘查的重要任務，采用合理快速、經(jīng)濟有效的勘查技術對取得隱伏礦產(chǎn)勘查突破至關重要[1-3]。大功率綜合電法具有高信噪比、大深度探測等優(yōu)點，特別是采用多種電法組合測量，可優(yōu)勢互補，克服單一方法的多解性。已有找礦實踐成果證實，大功率綜合電法在金屬礦產(chǎn)勘查中發(fā)揮了重要作用并取得了良好的找礦效果，是提高尋找隱伏礦的重要保障[4-8]。

近年來，筆者所在的研究團隊采用大功率綜合電法在新疆、內蒙、甘肅、云南等地典型多金屬礦區(qū),開展了一系列的隱伏礦勘查研究與應用示范[9-12]，并取得了良好效果。筆者以云南西邑鉛鋅隱伏礦床勘查為例，闡述采用大功率供電的激發(fā)極化法(IP)和可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)的方法技術組合,在隱伏多金屬礦勘查中的實際應用效果。結合研究區(qū)已知典型區(qū)的試驗研究，建立了一套適合在礦區(qū)深部及外圍尋找隱伏礦的地球物理電性標志，并對未知區(qū)進行了找礦預測，可為其他類似地區(qū)尋找隱伏礦提供參考。

1 研究區(qū)地質及地球物理特征

1.1 礦床地質特征[13]

西邑鉛鋅礦大地構造位于西藏-三江造山系(Ⅶ)的保山微陸塊(Ⅶ-8)，Ⅲ級大地構造單元屬保山-永德地塊(Ⅶ-8-3)的保山地塊(Ⅶ-8-3-1)。研究區(qū)屬于全國首批47個整裝勘查區(qū)之一“云南保山-龍陵地區(qū)鉛鋅礦整裝勘查區(qū)”內的大型鉛、鋅、銀、鐵多金屬礦成礦遠景區(qū)。

研究區(qū)地質構造復雜，斷裂、皺褶構造異常發(fā)育。礦床產(chǎn)于保山盆地東南邊緣，區(qū)域性斷裂對整個研究區(qū)成礦控制作用明顯，控制了該區(qū)最基本的地層、巖漿巖的分布以及熱液的活動，同時為含礦溶液的通道，使成礦溶液噴氣至地表，起到了導礦和運礦的作用。相關研究表明，西邑鉛鋅礦床成因為“海底噴氣沉積(SEDEX)型+巖漿熱液疊加改造型”鉛鋅礦床，其既具有海底噴流沉積型鉛鋅礦床特征，也具有后期熱液蝕變交代及礦物穿插等關系。

研究區(qū)出露地層以古生界為主，零星出露中生界和新生界地層。出露的地層由老至新主要有志留系向陽寺組淺海相泥質碳酸鹽巖夾碎屑巖，泥盆系何元寨組泥灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r夾粉砂巖、細砂巖，石炭系下統(tǒng)香山組燧石灰?guī)r、含泥質灰?guī)r、含炭質灰?guī)r、灰?guī)r，石炭系上統(tǒng)臥牛寺組玄武巖、凝灰?guī)r夾火山碎屑巖、粉砂巖，三疊系河灣街組白云巖，第四系全新統(tǒng)褐紅、黃灰色含砂礫粘土(圖1)。西邑鉛鋅礦主要賦存于石炭系下統(tǒng)香山組地層中，在泥盆系何元寨組中上統(tǒng)地層中也發(fā)現(xiàn)了大量鉛鋅礦化現(xiàn)象。破碎帶是最直接的容礦構造，后期構造運動可能對礦體產(chǎn)生了破壞作用。此外，礦區(qū)內分布的輝綠巖脈與鉛鋅礦體空間分布關系密切，部分地段發(fā)現(xiàn)了鉛鋅礦呈脈狀、網(wǎng)脈狀產(chǎn)于輝綠巖脈中，據(jù)此推斷熱液可能來源于輝綠巖脈，也不排除來源于礦區(qū)深部存在酸性巖漿體的可能。

圖1 工作區(qū)地質概況與工作布置Fig.1 Geology and location in the work area

根據(jù)西邑鉛鋅礦石礦物組合特征，西邑鉛鋅礦化類型大致可以分為方解石化硫化物型和重晶石化氧化型鉛鋅礦石兩類。前者礦物組合主要為方解石、黃鐵礦、方鉛礦和閃鋅礦，以礦區(qū)內董家寨已知礦段和趙寨礦段深部礦體為代表；后者以低品位礦為主，主要礦物組合為重晶石、褐鐵礦、方鉛礦和閃鋅礦，以趙寨礦段淺表礦體為代表，在大壩口、魯圖、雙石橋等地也發(fā)現(xiàn)了低品位鉛鋅礦(化)體等。

1.2 地球物理特征

在收集研究區(qū)以往電性資料的同時，采集了鉆孔巖芯標本測定了電阻率、相位、極化率參數(shù)，各電性參數(shù)測定結果詳見表1[14]。標本測定中，采用面團盒法，相位測定的頻率為4 Hz、1 Hz、0.25 Hz，極化率測定的周期為16 s、延時為100 ms、采樣時間為180 ms。由測定結果可見，研究區(qū)內含砂質泥巖、輝綠巖電阻率值一般低于500 Ω·m，鉛鋅礦化灰?guī)r、弱黃鐵礦化灰?guī)r、碳酸巖化含砂礫質灰?guī)r的電阻率值在1 389 Ω·m～3 264 Ω·m之間，含燧石團塊灰?guī)r、褐鐵礦化灰?guī)r、構造角礫巖電阻率最高，鉛鋅礦化體表現(xiàn)為高極化相對中阻特征。可見區(qū)內礦(化)體與圍巖間存在一定的電性差異，為開展電法勘查提供了物性基礎。

表1 工作區(qū)主要巖(礦)石標本電性參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 The electrical parameters of rock and ore samples in the work area

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 工作布置與數(shù)據(jù)采集

研究區(qū)自80年代開始陸續(xù)開展了許多的地質勘查工作，特別是近十年更是實現(xiàn)了隱伏礦地質找礦的突破性進展[13]。但由于區(qū)內地質情況復雜、礦體埋深大、干擾因素多，總體上區(qū)內既往所開展的物探工作較少，采用的物探方法較單一，開展的一些傳統(tǒng)常規(guī)電法由于受發(fā)射電流小、抗干擾能力差等因素限制，影響了在該區(qū)的應用效果，未能發(fā)揮物探方法技術在深部地質找礦中的先行和指導作用[15]。

綜合考慮研究區(qū)地形、地貌、地質、埋深、電性特征，并結合區(qū)內的已知礦段區(qū)，我們采取了從“已知-未知”的思路，采用大功率IP(包括時域激電和頻域激電)及CSAMT三種方法首先在典型已知區(qū)開展了對比試驗以驗證方法技術的有效可行性，總結了地球物理電性標志，并總結了適合于該區(qū)的方法技術組合；進一步地采用大功率時域IP和CSAMT在礦區(qū)及其外圍進行了勘查(圖1)。

儀器采用國產(chǎn)大功率多功能電法系統(tǒng)，系統(tǒng)具有大功率供電、大深度探測、性能穩(wěn)定、多功能多通道接收、穩(wěn)流精度和同步精度高等優(yōu)點[16-17]。時間域IP中，采用中間梯度裝置，發(fā)射極距為2 500 m、接收極距為50 m、供電周期為16 s；頻率域IP中，采用偶極-偶極裝置，隔離系數(shù)1～10、發(fā)射極距為200 m、接收極距為200 m、頻率為4 Hz、2 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.25 Hz；CSAMT中，采用標量測量，發(fā)射極距為1 870 m、接收極距為50 m、收發(fā)距≥7 200 m、供電頻率范圍為8 000 Hz～0.279 Hz。

由于研究區(qū)地形起伏較大、植被茂密、土質干硬，減小接地電阻，增大供電電流，是保證信號強度的有效手段，在各種方法野外施工中，均對接地條件進行了有效處理，供電電極采用組合電極、錫箔紙及澆鹽水等方法進行布設，測量電極采用性能良好、極差穩(wěn)定的鉛-氯化鉛不極化電極。野外工作中，時間域IP與CSAMT供電電流達到20 A以上，頻率域IP供電電流一般為2 A～10 A。

2.2 數(shù)據(jù)處理關鍵技術

數(shù)據(jù)處理采用軟件是與自主研發(fā)的國產(chǎn)大功率多功能電法儀器配套的軟件[16]。

時間域IP中，采集的原始數(shù)據(jù)為基于全波形采樣的時間域序列，對原始數(shù)據(jù)進行處理需要經(jīng)過多次疊加、歸一、傅里葉變換等一系列的數(shù)學處理，最終得到各測點的視電阻率和視極化參數(shù)[18]。其步驟主要包括：①原始數(shù)據(jù)分析,用時序瀏覽軟件查看接收機記錄的電壓時間序列，檢查關鍵采集參數(shù)(電壓、電流、周期、延時、AB、MN、裝置類型等)；②疊加處理,對記錄的多個周期相同基波的時間序列數(shù)據(jù)進行疊加，然后除以疊加次數(shù)，形成一個周期的數(shù)據(jù)，以進一步提高信噪比；③電流歸一,使用衰減曲線的數(shù)據(jù)與發(fā)射電流做反褶積計算，得到發(fā)射電流為1 A的電位差信號的衰減曲線；④畸變點刪除及參數(shù)提取,對同一測點多次(>3次)觀測的同一參數(shù)(振幅、衰減曲線)進行重現(xiàn)性對比，自動刪除重現(xiàn)性差或不符合衰減規(guī)律的參數(shù)，選擇多次測量均方誤差小于5%的數(shù)據(jù)計算平均值，得到各測點的視電阻率和視極化率參數(shù)。

圖2 0線電性特征解釋圖Fig.2 Characteristic interpretation diagram of line 0(a)頻域激電反演電阻率斷面;(b)頻域激電反演相位斷面;(c)時域激電曲線;(d)CSAMT反演電阻率斷面圖;(e)已知地質剖面

研究區(qū)內人文干擾較為嚴重、淺層存在斷續(xù)的電性不均勻體，因此壓制電磁干擾和靜態(tài)效應校正是CSAMT數(shù)據(jù)處理的關鍵。本區(qū)的CSAMT數(shù)據(jù)處理流程主要為：①原始數(shù)據(jù)解編,通過時序瀏覽軟件檢查原始觀測的電場或磁場曲線是否有飽和現(xiàn)象，對未飽和的原始時間域數(shù)據(jù)進行解編；②噪聲壓制,在分析干擾數(shù)據(jù)特征的基礎上，采用高低通濾波、整周期疊加、陷波等數(shù)字濾波方法對50 Hz及其諧波工頻干擾進行壓制[16]；③參數(shù)求取,求取觀測點不同頻率經(jīng)發(fā)射電流歸一后的電場，并結合觀測裝置，通過迭代求解視電阻率與阻抗相位參數(shù)；④靜態(tài)位移校正,針對工作區(qū)可能存在的近地表電性不均勻體，采用基于電磁陣列剖面法(EMAP)的處理方法進行視電阻率靜態(tài)位移校正[19]；⑤反演,對已求取的視電阻率和阻抗相位聯(lián)合進行帶地形擬二維反演。

3 方法試驗研究與異常標志建立

3.1 已知剖面電性異常綜合特征

為驗證采用的大功率激電和CSAMT在該區(qū)獲取激電異常的可行性，在研究區(qū)的已知區(qū)首先開展了方法技術的有效性試驗。以往資料表明，董家寨礦段已發(fā)現(xiàn)了具一定規(guī)模的工業(yè)礦體，已知鉆孔也較多，在已知的0號測線上，淺部為V2礦體(h<400 m、245號～265號點)，深部為V3礦體(h≥400 m)，呈似層狀產(chǎn)于隱伏的緩傾斜斷層破碎帶中，并受破碎帶F17及香山組地層控制，在走向及傾向上均具波狀起伏特征，最大埋深約800 m[13]。

采用前述的數(shù)據(jù)處理方法對觀測的原始數(shù)據(jù)進行處理，得到IP的視電阻率、視極化率與視相位，以及CSAMT的視電阻率與阻抗相位參數(shù)。對時間域激電參數(shù)繪制曲線圖，對CSAMT參數(shù)進行反演后繪制反演電阻率斷面圖，正反演擬合良好，經(jīng)47次迭代反演，最大擬合誤差為4.72%，說明反演結果可靠。圖2揭示了0線的電性特征與已知礦體分布對比情況。由圖2可見，在已知破碎帶(礦體)區(qū)間，大功率時間域IP的視極化率在187.5號點處由低值陡然上升，呈現(xiàn)出明顯的高極化率特征，視電阻率相對較穩(wěn)定，整條剖面數(shù)值變化不大；CSAMT反演電阻率斷面清晰的反映出了破碎帶(礦體)的傾向，破碎帶(礦體)所處位置表現(xiàn)出的電阻率特征為由高值變?yōu)榈椭?高低阻交匯部位)；頻率域IP反演電阻率斷面與CSAMT反映電阻率斷面具有較好的對應性，也體現(xiàn)出地質體的走向和分布特征，但其反映的深度較淺，破碎帶(礦體)所處位置的相位反映為低值與高值的交界處并傾向于高值區(qū)。

3.2 電性異常標志及方法特點分析

由圖2可見，通過對0線已知剖面大功率綜合電法異常特征的綜合分析，可以看出在空間上電性異常與隱伏鉛鋅礦體對應關系十分清晰，大功率時間域IP剖面測量、CSAMT或頻率域IP剖面測深獲取的視極化率、視相位、視電阻率等異常特征可作為間接找礦標志，體現(xiàn)出識別斷裂構造、追蹤礦化體等方面的有效性。據(jù)此，建立了適合于研究區(qū)的地球物理電性找礦標志，同時對各方法在該區(qū)的特點進行了分析總結。

1)時間域IP。已知礦(化)體反映出的激電特征為中低阻中高極化，該法工作效率較高，可以快速捕獲地下極化體的視電阻率與視極化率異常信息，發(fā)現(xiàn)并圈定異常范圍。

2)CSAMT。較好地反映出地下礦(化)體的位置、埋深、和傾向，礦(化)體賦存部位為電阻率中高阻與低阻的過渡處，并趨向于低阻區(qū)，該法工作效率較高，可有效確定極化體的埋深及空間分布。

3)頻率域IP。較好地反映出淺部(h<400 m)地下極化體的空間分布特征，已知礦(化)體賦存部位表現(xiàn)的激電特征為低阻向高阻過渡區(qū)及高相位區(qū)。由于受地形起伏大、土質干硬、礦體埋深大的影響，在該區(qū)開展頻率域激電測深的效率較低、工作難度較大，建議該法不宜大面積開展，可適當開展。

4 應用示范與找礦預測

在開展已知剖面上的綜合電法可行性試驗研究的基礎上，在研究區(qū)董家寨及其外圍按照50 m×200 m網(wǎng)度布設了8條測線的大功率IP與CSAMT進行了應用示范(圖1)，并開展了找礦預測研究。

4.1 電性異常平面特征

通過大功率IP測量，獲取了研究區(qū)各測點的視極化率及視電阻率，基本上查明了區(qū)內視極化率及視電阻率的分布特征。由圖3和圖4可以看出，兩類異常形態(tài)具帶狀特征，且走向一致。區(qū)內視極化率總體較低且平穩(wěn)，視極化率背景場值一般小于1%，極大值小于3%；東北部總體視電阻率值明顯低于其西部及測區(qū)西南部。

結合研究區(qū)巖石標本電性測定結果，可以看出：該區(qū)時域IP實測的視電阻率分布特征與區(qū)內各巖性地層分布特征基本吻合。測區(qū)東北角大范圍分布的三疊系河灣街組角礫狀白云巖和第四系粘土電阻率最低，西部及南部大范圍分布的泥盆系何元寨組灰?guī)r電阻率最高，石炭系香山組泥質灰?guī)r、夾炭質灰?guī)r和臥牛寺組玄武巖呈中阻(中低阻)特征。

根據(jù)圖3顯示的視極化率特征及前述的電性異常找礦標志，并以“異常具有一定的規(guī)模且連續(xù)較好，相鄰測線均有異常顯示”為激電異常圈定原則，劃分出了3個相對高極化區(qū)，分別以編號IP-1～IP-3示意。三個異常帶總體走向近北東向，異常形態(tài)大致平行，與區(qū)內的地層走向相一致。IP-1異常區(qū)位于工作區(qū)中部，該區(qū)已有鉆孔密集，為礦區(qū)的主礦體賦存部位，在該異常處的多條測線(0、8、16)的185號點附近視極化率數(shù)值均出現(xiàn)了陡然上升的現(xiàn)象，之后異常范圍較寬，幅值變化較為平緩，主要為中高極化特征，視電阻率特征反映為相對中阻，結合董家寨礦段已知礦體特征分析認為，初步分析該處異常為賦存于香山組地層的鉛鋅礦體所引起；IP-2異常區(qū)位于IP-1區(qū)的北東側，其激電特征為低阻高極化，該區(qū)的視極化率數(shù)值明顯高于IP-1區(qū)，視電阻率值低于IP-1區(qū)，IP-2異常區(qū)不考慮為IP-1區(qū)的延伸；IP-3異常區(qū)位于已知區(qū)的西側，激電特征為中阻高極化，視極化率異常明顯，異常范圍較大，幅值高，異常兩側梯度變化較陡，其地質體對應于何元寨組的泥質灰?guī)r。

圖3 大功率IP的視極化率等值線平面圖Fig.3 Apparent polarizability contour plane of high power IP

4.2 電性異常空間特征

為了解構造、礦體埋深變化情況，在大功率IP圈定異常的重點剖面，開展了CSAMT測深以獲取地質體在地下的電性分布特征。圖5為CSAMT反演電阻率剖面，從整體上展示了西邑鉛鋅礦床地下電性的分布結構，可以清晰地看出地下電阻率在縱向和橫向的延伸分布情況。

圖4 大功率IP的視電阻率等值線平面圖Fig.4 Apparent resistivity contour plane of high power IP

由圖5可見，0線、8線、16線、24線四條剖面電阻率反演斷面影像具有良好的可比性，反映了它們具有相似的地電結構；32線、44線、52線三條測線具有相似的地電結構。IP-1覆蓋的主要是0線、8線和16線的180～270號點之間，CSAMT反演電阻率橫向分布特征很好地反映出了地層的分布特征，淺部電阻率特征與大功率IP的視電阻率特征基本一致，對破碎帶首枝的反映位置為高值向低值的過渡區(qū)，之后向西往深部延伸的低阻區(qū)為破碎帶(礦體)的賦存空間。IP-2覆蓋的主要是24線、32線、44線和52線的245～300號點之間，CSAMT反演電阻率顯示24線該段為中高阻向低阻的過渡地段且深部向西延伸，推斷異常由已知破碎帶(礦體)引起；32線該段反映為低阻區(qū)；44線該段反映為較淺部是低阻區(qū)并向深部往西延伸；52線與44線的地層分布特征具有較高的相似性，推測兩測線異常為同源異常。IP-3覆蓋的主要是24線、32線和36線75～110號點之間，CSAMT反演電阻率顯示的電性特征與其南側的測線發(fā)生變化，IP-3段電阻率特征反映為從相對中高阻向低阻的過渡且深部為低阻區(qū)，推斷深部有巖性界面或構造破碎帶存在。

圖5 CSAMT反演電阻率剖面圖Fig.5 Inversion resistivity profile of CSAMT

4.3 找礦預測

通過對各類異常分布特征及可靠程度分析，按照異常空間位置吻合程度，結合電性異常標志，圈定了找礦靶區(qū)，并對其進行找礦潛力評價。采取的靶區(qū)圈定標準為：①異常特征與已知典型礦床特征或建立的找礦模型類似，與控礦因素關系密切；②同時具備激電異常特征、電法測深空間分布異常特征；③各異常展布形態(tài)近似，重合性完好；④異常橫跨兩條測線以上，規(guī)模較大；⑤所處位置的自然條件好，環(huán)境干擾小。

依據(jù)上述原則，綜合分析認為IP-3異常區(qū)深部找礦潛力大，可考慮作為找礦靶區(qū)。該區(qū)位于研究區(qū)內的莫家寨附近，在已知鉛鋅礦西北部，跨越24線、32線和36線三條測線，呈NW-NE向展布，面積約為0.14 km2，綜合電性異常明顯，激電特征為中阻高極化，視極化率異常明顯，異常范圍較大，幅值高，異常兩側梯度變化較陡，CSAMT測深推斷深部有巖性界面或構造破碎帶存在。異常區(qū)位于晚古生代泥盆系何元寨組和石炭系香山組地層，NE向與NW斷裂交匯處附近，重晶石化、方解石化、褐鐵礦化發(fā)育，綜合分析推測該異常是由深部隱伏含礦破碎帶所致，可作為下一步找礦的重點勘查區(qū)。

5 結論

以云南保山西邑鉛鋅礦為例，開展大功率綜合電法的隱伏礦探測試驗與應用示范研究，獲得了以下結論。

1)采用“已知-建立找礦標志-未知”的手段，開展“大功率激電掃面+測深方法空間定位”綜合電法組合，可經(jīng)濟、有效的實現(xiàn)隱伏礦探測。獲取的多種參數(shù)相互佐證，提高異常推斷解釋的準確性，可為下一步地質工程提供重要的地球物理依據(jù)。

2)在高山區(qū)開展隱伏礦體的地球物理電法勘查，建議使用較輕便的觀測設備，采用大極距、大收發(fā)距、大電流供電、延長數(shù)據(jù)采集時間、增加疊加次數(shù)、抗干擾數(shù)據(jù)采集與處理等技術手段，提高信噪比，以客觀反映深部地質體的電性特征。

3)本礦例采用的技術方法和取得的勘查成果具有較好的代表性，對其他類似地區(qū)尋找隱伏礦床能夠起到一定的啟示和參考作用。