音频大地电磁法在相山地区的找矿应用

2013-03-26孔德旭韩飘平郝乐辉

东华理工大学学报(自然科学版) 2013年2期

陈凯，孔德旭，韩飘平，郝乐辉

(江西省核工业地质局二六一大队，江西鹰潭 335001)

Berdichevski等(1969)提出了音频大地电磁法(Audio Magnetotellurics，AMT)。用以研究人类采矿活动深度范围内(几十米至几千米)的地电构造，它的场源主要是有雷电作用产生的频率0.1到几千赫兹的大地电磁场。近些年来，由于铜、铅、锌、金等多金属矿产及煤炭等非金属矿产勘探工作力度的加大，音频大地电磁法的应用得到了广泛推广，并在工程地质及地下水资源勘探中取得了良好效果(曹哲明，2004;王元军等，2007;成江明，2011)。目前国内开展音频大地电磁法最广泛使用的仪器为加拿大Phoenix公司生产的V8系列多功能电法仪、美国Zong公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法仪以及美国Geometrics公司和EMI公司联合生产的EH4电导率成像系统。

1 音频大地电磁法原理

音频大地电磁法(AMT)遵从麦克斯威方程。麦克斯威方程如下:

式中，E为电场强度;H为磁场强度;D为点感应强度;B为磁感应强度;ε0为电常数;ρ为电荷密度;μ0为磁常数;J为总电流密度。

通过对麦克斯威方程进行求解，就能得到介质中电磁场的分布和视电阻率。

根据最大趋肤深度公式:

式中，D为探测深度m;ρ为背景电阻率，f为频率。

可以得出高频电磁波穿透深度小，低频电磁波穿透深度大，故高频部分主要反映浅层的地电信息，而低频部分主要反映深层的地电信息。通过对视电阻率曲线进行反演就可得到深度-视电阻率剖面，从而进行地质解释。

2 地质概况

相山矿田位于赣杭构造火山岩铀成矿带南西段乐安-东乡成矿亚带内的相山中心式火山塌陷盆地中。盆地现代地貌为中高周低的正地形，相山主峰高程1 216.2 m。相山火盆作为破火山口呈盆地形式的负向构造产出，平面上呈近东西向的椭圆形，长轴26.5 km，短轴18 km，面积约400 km2(图1)。

相山火山盆地由纵剖面可见为形成于中元古界基底变质岩(原定为震旦系)之上的“煤、火、红”继承式盆地:晚侏罗世火山杂岩在盆东置于下石炭统华山岭组砂岩和和晚三叠世安源组煤盆之上;火盆西部又被白垩纪红盆沉积物所覆盖。火盆内广泛出露于地表的主体岩性—碎斑熔岩在相山主峰附近与火山管道相连，盆边则为不规则的弧形和半环状的次火山岩体群所环绕。相山主体碎斑熔岩总体产状由四周向中心缓倾斜，上部倾角较缓，向下延伸倾角变陡，形成边部薄、中间厚的盆形负向构造，在剖面上形似一东厚西薄、南北匀称的“蘑菇”(图2)。

图1 相山破火山口地质略图Fig.1 The geological map of Xiangshan caldera

相山破火山口和铀矿田形成过程中构造运动是相当复杂的，既有区域统一应力场作用下在火山活动开始前、火山活动过程中和火山期后发生的断裂构造，也有由于火山作用过程中岩浆动力和重力等作用下发生的火山构造。火山期后的断裂构造在成矿前、成矿期、成矿后都有较强烈的活动。还存在着火山构造与断裂构造的相互利用和相互归并，以及基底构造对火山盖层构造的作用等，这就造成了十分错综复杂的构造演化图景，使相山破火山口具有相当复杂的结构(图3)，表现出的特点有:(1)主火山口偏东，破火山口的东、西两部分的结构存在差异，东部有火山管道，而西部盖层火山岩系较薄;(2)东部发育有环状构造和环状次火山岩体群，而西部为断陷断块构造;(3)火盆西部由于某种原因盖层薄，从而基底构造易于贯穿盖层，火山期后断裂构造发育，而东部则相对不发育;(4)北部由于火山活动前的构造发育，所以在塌陷过程中引张面多，沿之侵入的次火山岩体发育，形态也复杂多变，火山期后的断裂构造也十分发育;(5)相山火山作用中心由北向南逐步迁移，北部火山岩系地层发育齐全，而南部发育不全。

图2 相山火山盆地剖面图Fig.2 Cross-sectional view of Xiangshan volcanic basin

图3 相山地区地质构造图Fig.3 Geological structure map of Xiangshan area

3 地层和岩性

相山火山盆地地层由基底和盖层两部分组成。火山盆地基底，为中元古界(Pt2)变质岩系，出露在盆地北、东、南侧。变质岩多属绿片岩相——低角闪岩相，中、低变质程度。岩性以千枚岩、片岩为主均分布在相山东侧。下石炭统华山岭组(C1h)下部为石英砂岩，上部为紫红色砂岩，厚300 m。上三叠统安源组(T3a)为含燧石石英砂岩夹炭质页岩，厚200～500 m。盖层火山岩系地层主要由上侏罗统喷发相的酸性、中酸性火山熔岩、火山碎屑岩以及沉积岩夹层构成。其中以厚层熔岩出露面积最大，为盖层的主体岩性，它以火山喷溢的方式覆盖在先期沉积岩、火山岩和变质岩地层之上，总厚度2 000 m以上，平面分布呈椭圆形，总体产状由四周向中心缓倾斜，上部倾角较缓，向下延伸倾角变陡。形成边部薄中间厚的盆形负向构造。

据岩性岩相组合特征、接触关系、火山喷发韵律和旋回，以及与区域上同期火山岩对比，盆地盖层火山岩系地层划分为两组、八个岩性组合段(层) (图4)。

(1)上侏罗统打鼓顶组(J3d)。该组属盆地盖层最底部地层，分布于盆地四周，呈不完全连续的环形出露，打鼓顶组地层与中元古界变质岩呈沉积不整合接触或断层接触，该组的下部以正常沉积碎屑岩为主，上部以火山熔岩和火山沉积碎屑为主。中酸性火山熔岩、酸性火山碎屑岩和正常沉积碎屑岩构成喷发—沉积相;沉积—喷溢亚相、爆发—沉积亚相和喷溢亚相。

图4 相山矿田火山岩综合柱状图Fig.4 Comprehensive histogram of the volcanic rocks in Xiangshan orefield

据火山喷发韵律、岩性组合特征及岩性岩相相互关系等，将打鼓顶组划分为四个段(层)。总厚度大于863 m。

打鼓组1-2段(J3d1+2)出露于盆地盖层的最外围。与基底岩层为沉积不整合接触或断层接触。为正常沉积碎屑岩夹火山碎屑薄层的喷发—沉积相和沉积—喷溢亚相。

打鼓顶组3-4段(J3d3+4)。主要分布在相山矿田西北部和北部，其次在东部。岩性以一套中酸性熔岩为主，夹少量正常沉积碎屑岩，属喷发—沉积相和喷溢亚相。分为 J3d3，J3d4－1，J3d4－2，J3d4－3四层。J3d3以紫色粉砂岩、细砂岩、含砾砂岩为主，夹灰绿色砂岩呈层状，为机械沉积夹化学沉积。J3d4－1为暗紫色、暗绿色英安岩，为喷溢亚相，J3d4－2以紫红色砂砾岩、含砾砂岩为主，夹薄层晶屑玻屑凝灰岩，属喷发—沉积相。J3d4－3是J3d4的主要岩性段，总厚度为269 m，又分为J3d4－3a灰紫色流纹英安岩，J3d4－3b灰红色流纹英安岩及流纹英安质块熔岩，为喷溢亚相。

(2)上侏罗统鹅湖岭组(J3e)。鹅湖岭组是盖层火山岩系的主体，占盖层面积的80%左右。岩性岩相组合是一巨厚层状的酸性熔岩，少量火山碎屑岩及正常沉积碎屑岩，属沉积—爆发亚相、喷溢亚相和喷溢—侵出亚相。平行不整合于打鼓顶组之上。据火山作用方式和岩性组合的差异划分为四个岩性段(层)。

鹅湖岭组1－2段(J3e1+2)出露于相山主体的四周，岩层厚度一般小于20 m，最大厚度37 m，岩性岩相组合是以火山爆发或火山灰流成因的晶屑玻屑凝灰岩、弱熔结凝灰岩为主，正常沉积碎屑岩为辅的沉积爆发亚相。分二个岩性段(层)，下部J3e1是紫红色为主的杂色砂岩，上部J3e2为晶屑玻屑凝灰岩、弱熔结凝灰岩。

鹅湖岭组3－4段(J3e3+4)分二个岩性组合段(层)，下段(层)J3e3暗紫色、暗紫灰色凝灰质含砾粉砂岩、细砂岩，与下伏J3e2晶屑玻屑凝灰岩、弱熔凝灰岩呈平行不整合接触。上段(层)(J3e4)是盆地盖层火山岩系的主体。出露面积250 km2，占盖层面积的80%。总体产状与下伏地层呈火山喷溢覆盖接触，局部侵入接触。由盆地四周向中心缓倾斜，形成边部薄中间厚的不对称的盆形负向构造。岩性岩相为一套具“火山碎屑结构”特征的喷溢亚相的巨厚熔岩。J3e4分为三个亚相:底板喷溢亚相(J3e4a)熔灰状碎斑熔岩;中间喷溢亚相(J3e4b)碎斑熔岩;中心—侵入亚相(J3e4c)碎斑熔岩。

4 地球物理特征

根据相山地区揭露的地层和类似地区的电性特征，可以将本区地层大致归并为以下几个电性界面，各界面和岩体、矿体的电性特征见表1。

表1 相山地区地层电性简表Table 1 The stratum of electric property in Xiangshan area

5 物探成果

根据音频大地电磁反演结果与地质剖面(居隆庵矿床第64勘探线)对比图(图5)可得:

在剖面约100 m处存在一规模较小的电性异常，电性异常较弱，说明构造对岩石所造成的破坏程度有限，在地质剖面图位置上对应F21。在剖面250～350 m范围存在一规模较大的电性异常，低阻异常特征明显，说明岩石破碎程度较严重，在地质剖面图位置上对应F7，构造陡向东倾。在剖面约900 m和1 300 m处存在一规模较小的电性异常，电性异常较弱。在剖面1 550～1 700 m范围存在一规模较大的电性异常，低阻异常特征明显，地质剖面图位置上对应F17，造成异常范围宽的原因可能是在该构造带附近还存在其他次级断裂带。

基底(低阻岩体)埋深变化由西向东逐渐变深然后趋于平直，到1 500 m附近基底抬升，总体来说基底起伏不大(标高约－650 m)。基底埋深受F7断裂带影响。

次高阻岩石埋深变化受断裂破碎带影响而变化较大。

盖层(高阻岩石)厚度总体来说是西薄东厚，F7断裂带为界。富矿部位位于断裂带附近和次高阻岩体内。

埋深较浅的低阻异常圈晕可能是由于岩石破碎或者是含金属量较高有关。

综合地质信息和物探成果可得:物探反演解译结果与钻探结果一致，矿体大致分布在断裂带附近和岩性界面附近。

图5 音频大地电磁法反演成果与地质剖面对比图Fig.5 Comparison chart of AMT inversion results and geological section

例如:F7断裂带所在的居隆庵铀矿床。居隆庵铀矿床矿体主要富集于:①断裂扭曲、膨胀部位，②F7断裂尖灭再现或尖灭侧现部位。③F7断裂上盘次级断裂、裂隙与F7断裂呈入字相交部位。④F7断裂与火山岩层组间界面复合部位之F7断裂附近部位。⑤火山岩层组间界面附近，尤其是组间界面变异部位。组间界面附近是矿床矿体主要富集部位。1981年提交的勘探报告所圈定的矿体主要在F7断裂内，而且2010年提交的详查报告在F7断裂带圈定了多个工业矿体。以上成矿有利部位在反演成果图中均有所反应，因此，音频大地电磁法在相山地区的找矿应用主要是寻找以上成矿有利部位①程纪星.2008.江西省崇仁县刁元村及乐安县龙巴岭地区综合地球物理测量成果报告.核工业北京地质研究院.②刘牛明，李芳，谢迎宪，等.2010.江西省乐安县居隆庵铀矿床44—70线详查地质报告.江西省核工业地质局二六一大队.。

虽然音频大地电磁法在相山地区的找矿应用仅列举了一条勘探剖面与已知地质情况进行对比(主要原因是开展音频大地电磁法地区中本地区地质情况最清楚)，但是由此可推在相山其他地区开展音频大地电磁法也是有效的。

总之，音频大地电磁法反演成果与钻探结果一致性很好，反应了音频大地电磁法在相山地区铀矿地质勘查的有效性③应阳根，陈凯，孔德旭，等.2012.音频大地电磁法在阳家山地区的应用.江西省核工业地质局二六一大队.。利用音频大地电磁法寻找断裂破碎带、探查“三界面”并结合相山地区成矿规律，能为“攻深找盲”提供相山地区地球物理信息。