湘中地區錳礦地質—地球物理(AMT)模型的研究及應用

楊龍彬， 肖明順， 叢 源， 高寶龍， 李朗田

(1.中國冶金地質總局 中南地質調查院,湖北 武漢 430080； 2.中國地質科學院 礦產資源研究所 自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室,北京 100037)

“無錳不成鋼”，同時錳在動力電池、磁性材料等戰略新興產業不斷拓展，已成為居鐵、鋁之后排在第三位的大宗金屬。雖然中國是全球最大的錳礦石及錳系材料生產、消費大國，但錳礦石對外依存度超過60%，因此錳礦成為國家十分緊缺的戰略礦產之一[1-4]。過去中國錳資源主要以淺表礦或露頭礦為主，開發深度一般在500 m以淺，隨著多年淺部錳資源的開發利用，現階段錳資源已經進入隱伏礦勘查時代，開展隱伏構造、含錳巖系空間展布形態的探測方法有效性研究，是錳礦成礦預測的關鍵。

近年貴州銅仁松桃、遵義錳礦整裝勘查及重慶城口地區的礦調工作，采用音頻大地電磁測深法(AMT)，研究南華系大塘坡組隱伏含錳巖系的空間展布特征，取得了良好的間接找礦效果[5-11]。但前人的研究更多是針對南華系大塘坡組含錳地層，而對奧陶系磨刀溪組含錳地層研究的較少，同時湘中地區在含錳地層的勘查工作中，較少采用音頻大地電磁測深法(AMT)。本文采用音頻大地電磁測深法(AMT)對在湖南省桃江縣文家灣地區奧陶系磨刀溪組含錳地層和湘潭市九潭沖地區南華系大塘坡組頁巖含錳地層的應用效果進行總結，并建立相應的地質—地球物理模型，為后續鉆探工程布置提供依據。筆者認為先采用AMT成果勾勒褶皺空間形態，再以鉆探工程加以驗證，地質與物探相結合的方法是探索覆蓋區和隱伏區深部構造特征的有效方法[12]。

1 地質背景

1.1 文家灣地區

文家灣地區位于湖南桃江成錳盆地中心的響濤源—祖塔斷陷洼地內，屬響濤源—祖塔錳礦找礦遠景區中南部；處于沖天蠟向斜核部及其揚起端(圖1)。地層由新到老依次出露有第四系、泥盆系、志留系、奧陶系(圖2)，其中奧陶系磨刀溪組為含錳地層，該地層在區內呈弧形分布[13]。

圖1 文家灣地區地質簡圖

圖2 文家灣地區地層綜合柱狀圖

1.2 九潭沖地區

九潭沖地區位于湘潭成錳沉積盆地東南的九潭沖聚錳地塹槽盆內(圖3)。地層由新到老出露有第四系、石炭系、泥盆系、寒武統、震旦系、南華系與板溪群(圖4)，其中南華系大塘坡組為含錳地層，屬大塘坡式淺海沉積型錳礦床[14]。其層位穩定，產狀與圍巖一致，礦體的厚度與質量變化嚴格受巖相古地理條件所控制。

圖4 九潭沖地區地層綜合柱狀圖

2 巖石電性特征及電性分層

2.1 文家灣地區

由實測、收集文家灣地區巖性標本，其視電阻率特征如圖5所示。該地區地層巖性以志留系新灘組砂巖、寒武系探溪組泥晶灰巖為相對高阻，平均視電阻率分別為2 887、3 142 Ω·m；其次以奧陶系橋亭子組粉砂質板巖為中高阻，平均視電阻率為1 777 Ω·m；再次以奧陶系白水溪組泥質板巖為中阻，平均視電阻率為837 Ω·m；最后以志留系龍馬溪組黑色頁巖、奧陶系五峰組板巖、奧陶系磨刀溪組黏土巖和寒武系探溪組黑色薄層狀灰巖為低阻，平均視電阻率分別為184、465、462和342 Ω·m。單從地層巖性視電阻率值來看，從淺到深巖性整體呈“高—低—高—低—高”的電性特征。由于志留系新灘組砂巖厚度達近1 000 m，而志留系龍馬溪組黑色頁巖，奧陶系五峰組板巖、磨刀溪組黏土巖、橋亭子組粉砂質板巖和白水溪組泥質板巖每種巖性厚只有幾米—十幾米，考慮到上下地層在電磁法正反演中的體效應，這五種巖性視電阻率特征基本可以忽略；同時寒武系探溪組黑色薄層狀灰巖和泥晶灰巖分別呈低阻、相對高阻特征，所以在該地區從淺到深巖性整體呈“高—低—高”的電性特征，為音頻大地電磁測深法間接找礦提供了良好的地球物理工作前提。

圖5 文家灣地區地層巖性標本電性特征圖

2.2 九潭沖地區

由實測、收集九潭沖地區巖性標本，其視電阻率特征如圖6所示。該地區地層巖性以泥盆系棋梓橋組灰巖為最高，平均視電阻率為5 253 Ω·m；其次以震旦系金家洞組白云巖、南華系南沱組冰磧礫巖和板溪群粉砂質板巖為中高阻，平均視電阻率分別為2 601、2 653和2 413 Ω·m；再次以泥盆系岳麓山組泥質灰巖和南華系富祿組砂巖為中阻，平均視電阻率分別為1 470和1 079 Ω·m；最后以泥盆系跳馬澗組泥質粉砂巖、寒武系小煙溪組硅質頁巖和南華系大塘坡組黑色頁巖為低阻，平均視電阻率分別為514、379和585 Ω·m。單從地層巖性視電阻率值來看，從淺到深巖性整體呈“高—低—高—低—高”的電性特征，但由于泥盆系棋梓橋組灰巖受第四系覆蓋及淺部構造的影響，其橫向上分布不均勻；泥盆系岳麓山組泥質灰巖與炭質頁巖互層(由鉆孔巖心得知)；震旦系金家洞組白云巖厚度可達400多米，但巖心破碎，多呈碎塊狀，整體視電阻率都有所降低；南華系南沱組冰磧礫巖和富祿組砂巖巖心厚度只有不到1 m，考慮到上下地層在電磁法正反演中的體效應，這兩種巖性視電阻率特征基本可以忽略；而板溪群粉砂質板巖作為基底，整體呈高阻特征，所以在該地區從淺到深巖性整體呈“局部高—低—高”的電性特征。

圖6 九潭沖地區地層巖性標本電性特征圖

3 野外數據采集及處理方法技術

采用V8電法工作站的音頻大地電磁測深法開展測深工作，采集頻帶10 400～0.35 Hz，文家灣地區布設3條5 km長剖面，點距50～100 m，合計音頻大地電磁測深法測深點203個，質檢點7個，質檢率為3.45%；九潭沖地區布設2條剖面，點距100 m，合計音頻大地電磁測深法測深點132個，質檢點5個，質檢率為3.79%(表1)。

表1 實測工作量統計表

3.1 數據采集

采用加拿大鳳凰公司生產的V8電法工作站，該系統包括一系列適應野外觀測的輕便多道采集盒子和配套的數據查看、處理、編輯軟件。采集盒子之間通過全球衛星定位系統(GPS)與世界通用協調時間(UTC)同步。野外數據采集工作過程包括選點、測點布置和觀測等內容[3](圖7)。

圖7 V8音頻大地電磁測深觀測系統示意圖

3.1.1測點選擇

測點的選擇一般是根據地質任務設計好的，但是具體工作中要考慮地形和環境干擾因素，宜選擇在地勢開闊平坦的區域，避開起伏地形和地表電性不均勻體的位置，同時盡量遠離人文電磁干擾。

3.1.2測點布置及觀測

(1) 用森林羅盤測定裝置方向，用皮尺測定距離，x軸指向磁北，y軸指向正東。水平分量磁探頭分別沿x軸和y軸方向埋入地下30 cm左右，且保持水平，距離“十”字中心點10 m左右。

(2) 不極化電極分別沿x軸和y軸方向埋入地下20 cm左右，保持垂直，并確定其與測站中心點的距離。測量不極化電極間的接地電阻及電位差，觀察接地電阻是否<2 kΩ·m，AC電位差是否<150 mV。當接地電阻>2 kΩ·m時，通過加深電極坑、注鹽水、用泥土包裹不極化電極或更換地點等方式減小接地電阻。

(3) 使用屏蔽線進行絕緣檢查后，將其作為傳輸電纜。絕緣電阻應>2 MΩ·m，傳輸線之間不得交叉和懸空。

(4) 為保證每個測點能夠完成相應的地質任務，全區所有測點電測信號使用相同的頻率范圍，并設置合適的采集參數。每個測點有效采集時間≥45 min，在干擾嚴重及接收信號微弱時，要延長觀測時間，增加疊加次數，提高數據采集質量。

3.2 數據處理與分析

首先對數據采集的時間序列進行人機交互總覽，觀測各道數據的整體質量。由于受人文干擾隨機性的影響，不同時序段受干擾畸變影響程度不同。然后對照野外記錄班報進行去噪和篩選，采用SSMT2000軟件進行阻抗張量估算，利用Robust統計方法進行阻抗估算以壓制噪聲干擾，個別受人文干擾強的子功率譜通過MT-editor進行刪除，以保留高質量的子功率譜信息[15-16]。

3.3 極化模式選擇

SCS-2D平滑反演采用2維有限元算法來計算天然場AMT數據。平滑反演不需要預先知道地質構造資料，觀測數據自動轉換成地下構造的電阻率斷面模型[17-23]。

為驗證SCS-2D平滑反演對音頻大地電磁測深數據的反演效果，現結合實際工作中所采用的參數來進行理論模型的正反演。參與正反演的頻點數為實際工作所采用的56個頻點：最高頻率為10 400 Hz，最小頻率為1 Hz，點距為100 m。模型采用初始電阻率值為1 000 Ω·m的均勻半空間介質，起伏狀低阻模型電阻率值為100 Ω·m，

由圖8從三種模式反演結果與理論模型的對比中得出以下結論：三種模式的反演結果中低阻異常帶的中心位置和理論模型都有很好的對應，但TE、TM模式對低阻異常體都有不同程度的放大效應，而TE+TM模式則對低阻異常體的形態、邊界都有很好的吻合和刻畫。故本文中實測AMT數據采用TE+TM模式進行2D反演。

4 地質—地球物理找礦模型建立及剖面解釋

4.1 文家灣地區

4.1.1文家灣地區正演模型

根據區內的巖石電阻率分層特征(高—低—高)，結合地層厚度，建立正演模型，如圖9所示。

圖9 文家灣地區地質—地球物理模型圖

4.1.2文家灣地區二維反演剖面解釋和地質推斷

根據區內電性結構圈定存在的構造和對含錳巖系的破壞程度，結合志留系新灘組相對高阻和奧陶系磨刀溪組相對低阻的延伸展布，相應識別磨刀溪組空間展布形態。根據鉆孔、地質剖面、巖性資料及電阻率等值線連續的原則，鑒于巖性的物性差異和音頻大地電磁測深法的分辨率，對地質剖面進行電性分層及相關層位的合并(圖10-圖12)。

圖10 AMT03剖面二維反演成果推斷圖

圖11 AMT02剖面二維反演成果推斷圖

圖12 AMT01剖面二維反演成果推斷圖

3條AMT剖面二維反演視電阻率曲線特征總體呈西部低阻、東部中高阻的“東斜”狀，很好地顯示了沖天蠟向斜構造特征，所不同的是AMT01線深部低阻帶呈現向西傾斜，分析認為是由于平距3 800 m附近深部低阻帶向西的范圍較大，與剖面小號點深部大范圍低阻帶連為一體，因此綜合呈現出往西傾的特征。文家灣地區地層巖性所對應的電阻率特征基本與電性參數特征一致，只是深部明顯呈低阻帶，推測與寒武系地層有關。從AMT02剖面已施工的ZK1701、ZK1702孔(圖11)分別在孔深492、1 035 m附近見到含錳層位，綜合推斷奧陶系中統磨刀溪組含礦層主要沿梯度帶延伸，總體呈向東傾覆的向斜單翼狀展布，局部略有起伏。

4.2 九潭沖地區

4.2.1九潭沖地區正演模型

根據區內的巖石電阻率分層特征(局部高—低—高)，結合地層厚度，建立正演模型，如圖13所示。

圖13 九潭沖地區地質—地球物理模型圖

4.2.2九潭沖地區二維反演剖面解釋和地質推斷

根據地區電性結構圈定區內存在的構造和對含錳巖系的破壞程度，結合大塘坡組橫向相對低阻和下伏板溪群相對高阻，相應識別出大塘坡組空間展布形態。根據鉆孔、地質剖面、巖性資料及電阻率等值線連續的原則，鑒于巖性的物性差異和音頻大地電磁測深法的分辨率，對地質剖面進行電性分層及相關層位的合并(圖14-圖15)。

圖14 AMT04剖面二維反演成果推斷圖

圖15 AMT05剖面二維反演成果推斷圖

對比2條AMT剖面深部高阻接觸帶呈凹陷與隆起狀特征，其軸向沿NE向呈線狀組成向斜與背斜核部，沿NW向呈復式向斜、背斜形態起伏，推測與向斜軸部泥盆系和寒武系地層起伏延伸關系密切。在凹陷部位向斜地層厚度增大，主要與西南部位斷續出露的寒武系地層呈NE向起伏延伸有關；反之在隆起地段地層厚度減小。該特征很好地顯示了加里東期NE向“三向兩背”褶皺的深部形態，同時也反映了NW向印支期向斜特征，顯示出泥盆系覆蓋區的地層西高東低。從已施工ZK2308孔在孔深1 205 m附近見到含錳層位，綜合推斷南華系大塘坡組頁巖(含礦層)主要沿向斜、背斜相互交替狀的板溪群頂界面高阻梯度帶延伸。

綜上所述,先采用AMT成果勾勒褶皺空間形態，再以鉆探工程驗證，地質與物探相結合的方法是探索覆蓋區和隱伏區深部構造特征的有效方法。

5 結論

(1) 通過對巖礦石標本電性數據特征分析，結合地質、鉆孔資料，建立文家灣、九潭沖地區的地電模型，其地層從淺到深的電性呈“高—低—高”特征。

(2) 通過SCS-2D平滑反演并結合實際工作中所采用的參數進行理論模型的正反演，認為TE+TM模式對低阻異常體的形態、邊界都有很好的吻合和刻畫。

(3) 采用音頻大地電磁測深法(ATM)對文家灣地區奧陶系磨刀溪組、九潭沖地區南華系大塘坡組等含錳地層的應用效果進行總結：大致推斷出褶皺、斷裂構造，特別是隱伏構造的空間形態及展布特點，為區域地質填圖提供參考資料；同時認為奧陶系中統磨刀溪組含礦層主要沿志留系新灘組下界面的高阻梯度帶延伸，南華系大塘坡組頁巖(含礦層)主要沿板溪群頂界面的高阻梯度帶延伸，并建立相應的地質—地球物理模型，為后續鉆探工程布置提供依據。

(4) 先采用AMT成果勾勒褶皺空間形態，再以鉆探工程驗證，地質與物探相結合的方法是探索覆蓋區和隱伏區深部構造特征的有效方法。

致謝：感謝陳旭教授級高級工程師和黃飛高級工程師提供的地質、鉆孔資料及在成文過程給予的建議。