音频大地电磁测深在甘肃红石山蛇绿混杂岩带三维地质建模中的应用

2021-09-18郑小明倪杰才郭刚方维萱王宏伟

矿产勘查 2021年7期

郑小明，倪杰才，郭刚，方维萱，王宏伟

（有色金属矿产地质调查中心，北京 100012）

0 引言

红石山位于甘肃省肃北县马鬃山镇以北约60 km处，北距中蒙边界约30 km，东经97°7′30″北纬42°26′35″，大地构造位置位于西伯利亚、塔里木和华北三大板块的结合部位，总体属古亚洲构造域的一部分。学者们目前对于红石山基性—超基性岩的成因有着不同的观点，一种观点认为红石山地区的超基性—基性岩组合为蛇绿岩套的组成部分（左国朝等，1990；赵茹石等，1994；刘雪亚和王荃，1995；龚全胜等，2002；聂凤军等，2002；何世平等，2002，2005；魏志军等，2004；黄增保和金霞，2006），另一种观点认为红石山基性—超基性岩体是一种岩浆类型的侵入体（王小红等，2013）。此次工作采用音频大地电磁测深（AMT）方法与高精度磁法剖面测量，通过对采集的数据进行处理、反演、解译，初步形成二维剖面模型，结合1∶5万航磁测量数据处理和地质验证，探索建立了红石山地区三维地质结构模型，进而探讨红石山基性—超基性岩的形成机制。

1 区域地质概况

1.1 区域地质特征

研究区位于中亚巨型造山带南缘，属天山—兴安造山系之北山构造带（图1），以若羌－星星峡断裂为西界与东天山相连，以阿尔金－阿拉善断裂为东界与兴蒙造山带相连，北邻蒙古造山带，南接敦煌地块（Xiao et al.,2010；Song et al.,2013，贺振宇等，2015），研究区经历了多期次、多阶段的板块裂解－俯冲－拼合的复杂地质演化过程，具多旋回复合造山的特点（Xiao et al.,2009,2010）。红石山地区出露的蛇绿岩为红石山—百合山—蓬勃山蛇绿混杂岩带的组成部分，该蛇绿岩带位于北山北部红石山深大断裂带中，呈近东西向-北西西向展布，是北山地区目前四条蛇绿混杂岩带（红石山-百合山-蓬勃山，芨芨台子-小黄山，红柳河-牛圈子-洗肠井，辉铜山-帐房山）中最北端的一条（杨合群等，2010；王国强等，2014）。

图1 研究区大地构造位置图（据Xiao et al.,2010）

1.2 区域地球物理特征

东天山—北山区域重力场明显具有东西展布、南北分区的基本格局，呈现相对独立特征差异的重力场区块及其镶嵌关联组合。研究区的重力场总体呈现北部高、南部低的基本分布特征，区内布格重力值最高为-110×10-5m/s2，最低为-260×10-5m/s2，布格重力值相差达150×10-5m/s2。区域重力场中以近东西向、北东东向重力异常为主，其次为近等轴状重力异常；红石山-康古尔重力高值异常区在研究区西北部地带呈近东西向起伏带状展布，南界为著名的康古尔塔格重力梯级带，北界为区外规模更大的吐哈南缘重力梯级带。

东天山—北山区域磁场总体上呈近东西向展布。南北两侧为跳跃变化的正磁场，由一些不同延伸方向、不同规模和形状的异常带组成（异常形态颇为复杂，以条带状为主，还有等轴状、环状、串珠状等异常），中间以平缓变化的负磁场为主，其间分布着一些大小不等的条带状和环状异常。

2 研究区地质概况

2.1 研究区地质特征

研究区中部为红石山蛇绿构造混杂岩带，北侧以扫子山-红石山断裂为界，南侧以红石山西南断裂为界，其内发育一条规模较大的韧性剪切带，是红石山地区超基性岩（块）集中分布的地带，并构成红石山超基性岩的主体部分。超基性岩（块）中分布有大小不等、形态各异的超镁铁质岩、辉长岩、镁铁质火山岩、硅质岩等岩块。扫子山-红石山断裂以北出露地层为上石炭统干泉组及中—下二叠统双堡塘组。干泉组为一套中酸性火山岩，岩性组合以灰绿色安山岩、英安岩为主，夹安山玢岩、安山质凝灰岩、灰黑色凝灰质砂岩、硅泥质板岩等；双堡塘组为一套砂砾岩沉积，为活动型滨浅海环境的产物，主要岩石类型有灰绿色凝灰质砾岩、块状砾岩、细砾岩及凝灰质细砂岩。红石山蛇绿构造混杂岩带南界被晚石炭纪英云闪长岩所侵入。

2.2 研究区岩（矿）石物性特征

对工作区内341块不同岩矿石标本进行物性参数测试并进行数学统计，电阻率、磁化率均统计几何平均值，统计结果见表1。

表1 研究区岩（矿）石物性参数测试统计表

测区内除磁铁石英岩外，矿石中铬铁矿矿石的磁性最强。沉积岩的磁性较低或无磁性。受原岩类型和变质程度因素影响，变质岩磁性变化较大。一般来讲，原岩为泥质粉砂质岩石、灰岩或酸性岩浆岩且不含磁性矿物的变质岩磁性较低，如板岩、大理岩和石英岩等，原岩为中基性岩的变质岩磁性普遍较强，如角闪岩、片岩等。大理岩磁性呈规律性变化，从大理岩经透闪石大理岩到透辉石大理岩，随着大理岩内磁性矿物组分的增加磁性明显增强。原岩为中基性岩的角闪岩类具有较强的磁性，但某些蚀变作用可使其磁性减弱，绿帘石化角闪岩的磁性相对较弱。矽卡岩往往伴有金属矿化，含铁石英岩具有一定的磁性，当其以透镜体产出且埋深不大时，可引起尖峰磁异常。全区岩浆岩中以基性侵入岩体磁性最强，但由于其规模较小，分布零星，在中小比例尺区域磁力图上，不足以引起区域磁异常，在大比例尺磁场图中，可产生一定规模的正磁力高异常。中、酸性侵入岩磁性小于基性岩石，属中等磁性岩类。上述岩类尤其是酸性岩的磁性变化较大，可以从弱磁性到中等磁性，由于这类侵入岩体规模较大，分布面积广，可产生一定范围的正磁力高异常。这里值得注意的是，根据岩体与磁异常对应关系分析，不同时代的酸性侵入体的磁性可产生截然不同的磁场，是引起区域和局部磁异常的主要地质因素之一。

岩（矿）石标本电阻率参数变化范围较大，几何平均值从732 Ω·m到7101 Ω·m，同一岩性电阻率参数变化也很大，分析原因可能是标本代表性较差，结合音频大地地磁测深反演剖面对应的地层岩性电阻率参数，侵入岩及基性杂岩相对为高电阻率，中酸性花岗岩最高、基性杂岩次之，沉积岩为相对低电阻率，火山沉积岩最低、陆相砂岩粉砂岩次之。

岩（矿）石磁化率参数差异较大，磁化率最大为磁铁石英岩，几何平均值9842（4π×10-6SI），橄榄岩、铬铁矿石磁化率相对较高，几何平均值平均值在190（4π×10-6SI）～506（4π×10-6SI）之间，其他酸性侵入岩和沉积岩呈弱磁和无磁特征；结合航磁三维磁化率反演对应地层岩性磁化率参数，基性杂岩体磁性最强，中性侵入岩次之，沉积地层岩石呈弱磁性，花岗岩无磁性。

与其他岩石地层对比，构造混杂岩带具有磁性最强、电阻率为相对高阻的明显特征，强磁性特征最为明显。

3 数据处理及解译推断

音频大地电磁测深（AMT），野外数据采集使用加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法采集系统。开工前对V8、3E和磁探头进行进场标定，仪器设备各项指标合格后方可进行工作。仪器设备的检测、标定定期进行，相邻两次标定结果相对误差不超过2%。在野外条件下，选择电磁干扰小的地段进行单点全频段测定仪器一致性。电极布设根据点位场地实际情况，选择最佳布设方案，一般采用标准“+”字形布设方式，X方向与剖面方向一致，Y方向垂直剖面方向，在地形不利时采用“L”形或“T”形。物理测点的设计点距100～200 m，严格控制偏移距，同时保持测线的基本规则，尽量减少左右跳变。

高精度磁测工作采用加拿大产质子磁力仪GSM-19进行数据采集，该仪器噪声误差及一致性误差满足《地面高精度磁测技术规程》对仪器精度的要求。施工过程采用Garmin GPS 60 CX进行测量点位，在施工前选择已知控制点进行配准和校正，利用手持GPS导航定点，为确保定位精度，在接近目标点位时，保证观测时间。

3.1 AMT数据处理

AMT资料处理解释采用有色金属矿产地质调查中心自主研发的EMpro2.0处理系统，并辅以WingLink、SCS2D、Geosoft和等软件进行。首先对取得的原始数据进行去噪处理，然后采用Bostick反演。反演处理是频率测深资料解释的重要环节，也称为定量解释。由于初始模型的给定方式不同，使得反演的方法也随之不同。Bostick反演结果是唯一的，忠实于原始资料，为减少反演结果的多解性和提高解释推断异常的可靠性，可依据Bostick反演的结果建立初始的地电模型（徐新学等，2004）。在此基础上再进行一维连续介质反演、二维连续介质反演，依据标本物性资料、AMT电阻率分布资料，研究地层、岩性与电性的对应规律，对实测的电性断面进行成像处理、地质解释和综合信息建模。

3.2 磁法数据处理

磁法的数据处理软件主要采用Geosoft、RGIS 2012系统，进行磁法资料的常规处理和反演解释。本次主要进行了如下的处理工作。

化极：实测磁法数据是在地磁场斜磁化条件下的磁异常，在斜磁化条件下，即使是一个简单的磁性体，所产生的异常也是正负伴生，异常中心和异常体不对应，与磁性体的实际位置有偏移。因此要进行化极处理，将斜磁化条件实测的数据经频率域变换，计算出垂直磁化条件下的ΔT异常，简化异常和异常源的对应关系，突出磁性体。

延拓：根据在地面实测的磁场数据可以计算出距地面不同高度的磁场分布，称之为延拓。由于不同地质体的规模、埋深不尽相同，其磁场沿垂向衰减变化率是不相同的，利用向上延拓可以判别异常源的埋深及延伸等特征，从而选择反映深部场源的最佳延拓高度，使浅部场源信息基本消失，突出深源场特征。从滤波的角度考虑，向上延拓相当于低通滤波，延拓的越高，磁场越平滑。常用此方法来提取区域场，研究深部地质体特征等，而且效果较佳。

异常分离：由于实测的磁力异常是地下由浅至深各类磁性地质体的综合叠加效应，而我们感兴趣的是与金属矿床有关的局部异常。加之深部信息受浅部地质体物性不均匀的影响，其信噪比差，所以必须用现代计算机数据处理技术，从综合叠加场中将要研究的目标场分离或提取出来，并尽可能压抑或消除干扰噪声，增强有用信息，以提高利用磁力异常综合解决复杂地质问题的能力。

3.3 AMT剖面解释

经大地音频电磁测深（AMT），结合地面高精度磁力测量、航磁异常三维反演切面及地质特征等综合研究，对L3剖面各异常区段进行分析解释。

为了减少单一磁法的多解性、提高三维反演地质解释的可靠性，解释中辅助了L3南北音频大地电磁（AMT）测深剖面，联合电阻率和磁化率双参数、及地表岩性共同解释，作为磁化率三维解释的依据，对L3剖面各异常区段进行分析（图2）。

图2 研究区L3线物探地质综合剖面图

（1）0～1200 m、4500～7000 m位置，该区段高磁剖面表现为低磁，AMT剖面电阻率表现为中高阻，高磁三维反演切面图该部位地表低磁性、隐伏部位有中高磁性。结合现场踏勘，综合推断中高阻中高磁异常是隐伏闪长岩引起的，与岩矿石标本闪长岩的中低阻、高磁性相吻合。

（2）1200～4500 m位置，该区段高磁剖面表现为低磁，AMT剖面电阻率表现为高阻，高磁三维反演切面图该部位反应的是低磁性。结合现场踏勘，综合推断该高磁异常是由隐伏花岗岩引起的，与岩矿石标本花岗岩的中高阻、低磁性相吻合。

（3）8600～13600 m位置，该区段AMT剖面电阻率表现为中低阻，高磁三维反演切面图该部位反应的是高磁，结合地质填图成果，综合推断该高磁异常与岩矿石标本橄榄岩的中低阻、高磁性相吻合。

（4）14800～15200 m位置，该区段高磁剖面表现为中高异常，AMT剖面电阻率表现为中低阻，高磁三维反演切面图该部位反应的是中高磁，结合现场踏勘，综合推断该高磁异常是隐伏蛇绿岩引起的，与岩矿石标本橄榄岩的中低阻、高磁性相吻合。

（5）16000～18400 m位置，该区段高磁剖面表现为低磁性，AMT剖面电阻率表现为中高阻，高磁三维反演切面图该部位反应的是低磁，结合现场踏勘，综合推断该高磁异常是由二叠系沉积岩引起的。

（6）AMT剖面7600～10000m位置地表以下2000m深部，该区段AMT剖面电阻率表现为低阻，高磁三维反演切面图该部位反应的是低磁，推断该异常是由石炭系沉积岩引起的。

（7）AMT剖面12800～18400 m位置地面以下2000 m深部，该区段AMT剖面电阻率表现为低阻，高磁三维反演切面图该部位反应的是中高磁，推断该异常是由石炭系火山岩引起的。

L3剖面综合地质解释认为：南部以侵入岩为主，中间部分为闪长岩岩块，北部主要为沉积地层，南北之间为构造混合杂岩带，杂岩带受F1和F2断裂控制，杂岩带宽约5 km，产状北倾近直立、延伸大。

L3剖面综合地质解释表明，杂岩体磁化率最高，中性侵入岩次之，酸性侵入岩磁化率最低，地层磁化率为弱磁背景。如图2所示岩石地层和磁化率、电阻率具有较好的对应关系，为整个地下三维地质解释划分结构提供了依据。

3.4 航磁数据处理及解译

收集研究区1∶5万航磁测量（中国国土资源航空物探遥感中心，2005）ΔT平面等值线图，通过数字化后获得航磁数据，数据网格为250 m×250 m。为了从航磁数据中获取尽可能多的信息，对勘查测区数据进行了航磁ΔT化极处理、延拓处理、垂向一次导数处理、剩余异常处理、斜导数处理以及解析信号处理等。同时对测区航磁△T数据进行三维磁化率反演，得到地下磁化率的三维分布信息。为了对地层构造的进一步研究，在研究区中部开展了垂直贯穿于区域地层的南北（L3）AMT测深剖面测量，进行电阻率约束下三维磁化率岩性构造解释。

从研究区1∶5万航磁化极ΔT异常原始数据资料可以看出，△T磁异常最小值为-603 nT，最大值为1299 nT，平均值为65 nT。以地表填绘构造混合杂岩带的南边界为界，磁场可大致划分为南北两个区（图3），北部高背景区对应杂岩带、石炭纪和二叠纪地层，南部低背景区，主要对应酸性侵入岩体。研究区内主要异常以近东西向展布，与区域构造走向一致。北部高磁异常区对应地表填绘构造混合杂岩带，周围被近东西向线性带状高磁异常包围，对应于控制杂岩体的构造断裂。航磁综合解释显示主要断裂构造有5条，其中F1和F2走向近东西向，分布于杂岩带的南北两侧，控制着区域构造混合杂岩带，为本区最大的断裂带；F3和F4走向近东西向，分布于杂岩体的南北两侧，为杂岩体的边界；F5位于图幅的东南角，走向北北东向，横切南部侵入岩体。