综合电法在隐伏矿产勘查中的应用研究

2022-09-14李建华林品荣杜炳锐齐方帅丁卫忠

物探化探计算技术 2022年4期

李建华, 林品荣, 杜炳锐, 齐方帅, 丁卫忠

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000 2.自然资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室，廊坊 065000 3.国家现代地质勘查工程技术研究中心，廊坊 065000)

0 引言

随着地质勘查工作程度的提高和隐伏矿产勘查需求的提升，地表矿、浅部矿以及易识别矿等矿产资源日益减少，找矿难度不断增大，覆盖区与深部找矿已成为当前金属矿产勘查的重要任务，采用合理快速、经济有效的勘查技术对取得隐伏矿产勘查突破至关重要[1-3]。大功率综合电法具有高信噪比、大深度探测等优点，特别是采用多种电法组合测量，可优势互补，克服单一方法的多解性。已有找矿实践成果证实，大功率综合电法在金属矿产勘查中发挥了重要作用并取得了良好的找矿效果，是提高寻找隐伏矿的重要保障[4-8]。

近年来，笔者所在的研究团队采用大功率综合电法在新疆、内蒙、甘肃、云南等地典型多金属矿区,开展了一系列的隐伏矿勘查研究与应用示范[9-12]，并取得了良好效果。笔者以云南西邑铅锌隐伏矿床勘查为例，阐述采用大功率供电的激发极化法(IP)和可控源音频大地电磁测深(CSAMT)的方法技术组合,在隐伏多金属矿勘查中的实际应用效果。结合研究区已知典型区的试验研究，建立了一套适合在矿区深部及外围寻找隐伏矿的地球物理电性标志，并对未知区进行了找矿预测，可为其他类似地区寻找隐伏矿提供参考。

1 研究区地质及地球物理特征

1.1 矿床地质特征[13]

西邑铅锌矿大地构造位于西藏-三江造山系(Ⅶ)的保山微陆块(Ⅶ-8)，Ⅲ级大地构造单元属保山-永德地块(Ⅶ-8-3)的保山地块(Ⅶ-8-3-1)。研究区属于全国首批47个整装勘查区之一“云南保山-龙陵地区铅锌矿整装勘查区”内的大型铅、锌、银、铁多金属矿成矿远景区。

研究区地质构造复杂，断裂、皱褶构造异常发育。矿床产于保山盆地东南边缘，区域性断裂对整个研究区成矿控制作用明显，控制了该区最基本的地层、岩浆岩的分布以及热液的活动，同时为含矿溶液的通道，使成矿溶液喷气至地表，起到了导矿和运矿的作用。相关研究表明，西邑铅锌矿床成因为“海底喷气沉积(SEDEX)型+岩浆热液叠加改造型”铅锌矿床，其既具有海底喷流沉积型铅锌矿床特征，也具有后期热液蚀变交代及矿物穿插等关系。

研究区出露地层以古生界为主，零星出露中生界和新生界地层。出露的地层由老至新主要有志留系向阳寺组浅海相泥质碳酸盐岩夹碎屑岩，泥盆系何元寨组泥灰岩、含生物碎屑灰岩夹粉砂岩、细砂岩，石炭系下统香山组燧石灰岩、含泥质灰岩、含炭质灰岩、灰岩，石炭系上统卧牛寺组玄武岩、凝灰岩夹火山碎屑岩、粉砂岩，三叠系河湾街组白云岩，第四系全新统褐红、黄灰色含砂砾粘土(图1)。西邑铅锌矿主要赋存于石炭系下统香山组地层中，在泥盆系何元寨组中上统地层中也发现了大量铅锌矿化现象。破碎带是最直接的容矿构造，后期构造运动可能对矿体产生了破坏作用。此外，矿区内分布的辉绿岩脉与铅锌矿体空间分布关系密切，部分地段发现了铅锌矿呈脉状、网脉状产于辉绿岩脉中，据此推断热液可能来源于辉绿岩脉，也不排除来源于矿区深部存在酸性岩浆体的可能。

图1 工作区地质概况与工作布置Fig.1 Geology and location in the work area

根据西邑铅锌矿石矿物组合特征，西邑铅锌矿化类型大致可以分为方解石化硫化物型和重晶石化氧化型铅锌矿石两类。前者矿物组合主要为方解石、黄铁矿、方铅矿和闪锌矿，以矿区内董家寨已知矿段和赵寨矿段深部矿体为代表；后者以低品位矿为主，主要矿物组合为重晶石、褐铁矿、方铅矿和闪锌矿，以赵寨矿段浅表矿体为代表，在大坝口、鲁图、双石桥等地也发现了低品位铅锌矿(化)体等。

1.2 地球物理特征

在收集研究区以往电性资料的同时，采集了钻孔岩芯标本测定了电阻率、相位、极化率参数，各电性参数测定结果详见表1[14]。标本测定中，采用面团盒法，相位测定的频率为4 Hz、1 Hz、0.25 Hz，极化率测定的周期为16 s、延时为100 ms、采样时间为180 ms。由测定结果可见，研究区内含砂质泥岩、辉绿岩电阻率值一般低于500 Ω·m，铅锌矿化灰岩、弱黄铁矿化灰岩、碳酸岩化含砂砾质灰岩的电阻率值在1 389 Ω·m～3 264 Ω·m之间，含燧石团块灰岩、褐铁矿化灰岩、构造角砾岩电阻率最高，铅锌矿化体表现为高极化相对中阻特征。可见区内矿(化)体与围岩间存在一定的电性差异，为开展电法勘查提供了物性基础。

表1 工作区主要岩(矿)石标本电性参数统计表Tab.1 The electrical parameters of rock and ore samples in the work area

2 数据采集与处理

2.1 工作布置与数据采集

研究区自80年代开始陆续开展了许多的地质勘查工作，特别是近十年更是实现了隐伏矿地质找矿的突破性进展[13]。但由于区内地质情况复杂、矿体埋深大、干扰因素多，总体上区内既往所开展的物探工作较少，采用的物探方法较单一，开展的一些传统常规电法由于受发射电流小、抗干扰能力差等因素限制，影响了在该区的应用效果，未能发挥物探方法技术在深部地质找矿中的先行和指导作用[15]。

综合考虑研究区地形、地貌、地质、埋深、电性特征，并结合区内的已知矿段区，我们采取了从“已知-未知”的思路，采用大功率IP(包括时域激电和频域激电)及CSAMT三种方法首先在典型已知区开展了对比试验以验证方法技术的有效可行性，总结了地球物理电性标志，并总结了适合于该区的方法技术组合；进一步地采用大功率时域IP和CSAMT在矿区及其外围进行了勘查(图1)。

仪器采用国产大功率多功能电法系统，系统具有大功率供电、大深度探测、性能稳定、多功能多通道接收、稳流精度和同步精度高等优点[16-17]。时间域IP中，采用中间梯度装置，发射极距为2 500 m、接收极距为50 m、供电周期为16 s；频率域IP中，采用偶极-偶极装置，隔离系数1～10、发射极距为200 m、接收极距为200 m、频率为4 Hz、2 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.25 Hz；CSAMT中，采用标量测量，发射极距为1 870 m、接收极距为50 m、收发距≥7 200 m、供电频率范围为8 000 Hz～0.279 Hz。

由于研究区地形起伏较大、植被茂密、土质干硬，减小接地电阻，增大供电电流，是保证信号强度的有效手段，在各种方法野外施工中，均对接地条件进行了有效处理，供电电极采用组合电极、锡箔纸及浇盐水等方法进行布设，测量电极采用性能良好、极差稳定的铅-氯化铅不极化电极。野外工作中，时间域IP与CSAMT供电电流达到20 A以上，频率域IP供电电流一般为2 A～10 A。

2.2 数据处理关键技术

数据处理采用软件是与自主研发的国产大功率多功能电法仪器配套的软件[16]。

时间域IP中，采集的原始数据为基于全波形采样的时间域序列，对原始数据进行处理需要经过多次叠加、归一、傅里叶变换等一系列的数学处理，最终得到各测点的视电阻率和视极化参数[18]。其步骤主要包括：①原始数据分析,用时序浏览软件查看接收机记录的电压时间序列，检查关键采集参数(电压、电流、周期、延时、AB、MN、装置类型等)；②叠加处理,对记录的多个周期相同基波的时间序列数据进行叠加，然后除以叠加次数，形成一个周期的数据，以进一步提高信噪比；③电流归一,使用衰减曲线的数据与发射电流做反褶积计算，得到发射电流为1 A的电位差信号的衰减曲线；④畸变点删除及参数提取,对同一测点多次(>3次)观测的同一参数(振幅、衰减曲线)进行重现性对比，自动删除重现性差或不符合衰减规律的参数，选择多次测量均方误差小于5%的数据计算平均值，得到各测点的视电阻率和视极化率参数。

图2 0线电性特征解释图Fig.2 Characteristic interpretation diagram of line 0(a)频域激电反演电阻率断面;(b)频域激电反演相位断面;(c)时域激电曲线;(d)CSAMT反演电阻率断面图;(e)已知地质剖面

研究区内人文干扰较为严重、浅层存在断续的电性不均匀体，因此压制电磁干扰和静态效应校正是CSAMT数据处理的关键。本区的CSAMT数据处理流程主要为：①原始数据解编,通过时序浏览软件检查原始观测的电场或磁场曲线是否有饱和现象，对未饱和的原始时间域数据进行解编；②噪声压制,在分析干扰数据特征的基础上，采用高低通滤波、整周期叠加、陷波等数字滤波方法对50 Hz及其谐波工频干扰进行压制[16]；③参数求取,求取观测点不同频率经发射电流归一后的电场，并结合观测装置，通过迭代求解视电阻率与阻抗相位参数；④静态位移校正,针对工作区可能存在的近地表电性不均匀体，采用基于电磁阵列剖面法(EMAP)的处理方法进行视电阻率静态位移校正[19]；⑤反演,对已求取的视电阻率和阻抗相位联合进行带地形拟二维反演。

3 方法试验研究与异常标志建立

3.1 已知剖面电性异常综合特征

为验证采用的大功率激电和CSAMT在该区获取激电异常的可行性，在研究区的已知区首先开展了方法技术的有效性试验。以往资料表明，董家寨矿段已发现了具一定规模的工业矿体，已知钻孔也较多，在已知的0号测线上，浅部为V2矿体(h<400 m、245号～265号点)，深部为V3矿体(h≥400 m)，呈似层状产于隐伏的缓倾斜断层破碎带中，并受破碎带F17及香山组地层控制，在走向及倾向上均具波状起伏特征，最大埋深约800 m[13]。

采用前述的数据处理方法对观测的原始数据进行处理，得到IP的视电阻率、视极化率与视相位，以及CSAMT的视电阻率与阻抗相位参数。对时间域激电参数绘制曲线图，对CSAMT参数进行反演后绘制反演电阻率断面图，正反演拟合良好，经47次迭代反演，最大拟合误差为4.72%，说明反演结果可靠。图2揭示了0线的电性特征与已知矿体分布对比情况。由图2可见，在已知破碎带(矿体)区间，大功率时间域IP的视极化率在187.5号点处由低值陡然上升，呈现出明显的高极化率特征，视电阻率相对较稳定，整条剖面数值变化不大；CSAMT反演电阻率断面清晰的反映出了破碎带(矿体)的倾向，破碎带(矿体)所处位置表现出的电阻率特征为由高值变为低值(高低阻交汇部位)；频率域IP反演电阻率断面与CSAMT反映电阻率断面具有较好的对应性，也体现出地质体的走向和分布特征，但其反映的深度较浅，破碎带(矿体)所处位置的相位反映为低值与高值的交界处并倾向于高值区。

3.2 电性异常标志及方法特点分析

由图2可见，通过对0线已知剖面大功率综合电法异常特征的综合分析，可以看出在空间上电性异常与隐伏铅锌矿体对应关系十分清晰，大功率时间域IP剖面测量、CSAMT或频率域IP剖面测深获取的视极化率、视相位、视电阻率等异常特征可作为间接找矿标志，体现出识别断裂构造、追踪矿化体等方面的有效性。据此，建立了适合于研究区的地球物理电性找矿标志，同时对各方法在该区的特点进行了分析总结。

1)时间域IP。已知矿(化)体反映出的激电特征为中低阻中高极化，该法工作效率较高，可以快速捕获地下极化体的视电阻率与视极化率异常信息，发现并圈定异常范围。

2)CSAMT。较好地反映出地下矿(化)体的位置、埋深、和倾向，矿(化)体赋存部位为电阻率中高阻与低阻的过渡处，并趋向于低阻区，该法工作效率较高，可有效确定极化体的埋深及空间分布。

3)频率域IP。较好地反映出浅部(h<400 m)地下极化体的空间分布特征，已知矿(化)体赋存部位表现的激电特征为低阻向高阻过渡区及高相位区。由于受地形起伏大、土质干硬、矿体埋深大的影响，在该区开展频率域激电测深的效率较低、工作难度较大，建议该法不宜大面积开展，可适当开展。

4 应用示范与找矿预测

在开展已知剖面上的综合电法可行性试验研究的基础上，在研究区董家寨及其外围按照50 m×200 m网度布设了8条测线的大功率IP与CSAMT进行了应用示范(图1)，并开展了找矿预测研究。

4.1 电性异常平面特征

通过大功率IP测量，获取了研究区各测点的视极化率及视电阻率，基本上查明了区内视极化率及视电阻率的分布特征。由图3和图4可以看出，两类异常形态具带状特征，且走向一致。区内视极化率总体较低且平稳，视极化率背景场值一般小于1%，极大值小于3%；东北部总体视电阻率值明显低于其西部及测区西南部。

结合研究区岩石标本电性测定结果，可以看出：该区时域IP实测的视电阻率分布特征与区内各岩性地层分布特征基本吻合。测区东北角大范围分布的三叠系河湾街组角砾状白云岩和第四系粘土电阻率最低，西部及南部大范围分布的泥盆系何元寨组灰岩电阻率最高，石炭系香山组泥质灰岩、夹炭质灰岩和卧牛寺组玄武岩呈中阻(中低阻)特征。

根据图3显示的视极化率特征及前述的电性异常找矿标志，并以“异常具有一定的规模且连续较好，相邻测线均有异常显示”为激电异常圈定原则，划分出了3个相对高极化区，分别以编号IP-1～IP-3示意。三个异常带总体走向近北东向，异常形态大致平行，与区内的地层走向相一致。IP-1异常区位于工作区中部，该区已有钻孔密集，为矿区的主矿体赋存部位，在该异常处的多条测线(0、8、16)的185号点附近视极化率数值均出现了陡然上升的现象，之后异常范围较宽，幅值变化较为平缓，主要为中高极化特征，视电阻率特征反映为相对中阻，结合董家寨矿段已知矿体特征分析认为，初步分析该处异常为赋存于香山组地层的铅锌矿体所引起；IP-2异常区位于IP-1区的北东侧，其激电特征为低阻高极化，该区的视极化率数值明显高于IP-1区，视电阻率值低于IP-1区，IP-2异常区不考虑为IP-1区的延伸；IP-3异常区位于已知区的西侧，激电特征为中阻高极化，视极化率异常明显，异常范围较大，幅值高，异常两侧梯度变化较陡，其地质体对应于何元寨组的泥质灰岩。

图3 大功率IP的视极化率等值线平面图Fig.3 Apparent polarizability contour plane of high power IP

4.2 电性异常空间特征

为了解构造、矿体埋深变化情况，在大功率IP圈定异常的重点剖面，开展了CSAMT测深以获取地质体在地下的电性分布特征。图5为CSAMT反演电阻率剖面，从整体上展示了西邑铅锌矿床地下电性的分布结构，可以清晰地看出地下电阻率在纵向和横向的延伸分布情况。

图4 大功率IP的视电阻率等值线平面图Fig.4 Apparent resistivity contour plane of high power IP

由图5可见，0线、8线、16线、24线四条剖面电阻率反演断面影像具有良好的可比性，反映了它们具有相似的地电结构；32线、44线、52线三条测线具有相似的地电结构。IP-1覆盖的主要是0线、8线和16线的180～270号点之间，CSAMT反演电阻率横向分布特征很好地反映出了地层的分布特征，浅部电阻率特征与大功率IP的视电阻率特征基本一致，对破碎带首枝的反映位置为高值向低值的过渡区，之后向西往深部延伸的低阻区为破碎带(矿体)的赋存空间。IP-2覆盖的主要是24线、32线、44线和52线的245～300号点之间，CSAMT反演电阻率显示24线该段为中高阻向低阻的过渡地段且深部向西延伸，推断异常由已知破碎带(矿体)引起；32线该段反映为低阻区；44线该段反映为较浅部是低阻区并向深部往西延伸；52线与44线的地层分布特征具有较高的相似性，推测两测线异常为同源异常。IP-3覆盖的主要是24线、32线和36线75～110号点之间，CSAMT反演电阻率显示的电性特征与其南侧的测线发生变化，IP-3段电阻率特征反映为从相对中高阻向低阻的过渡且深部为低阻区，推断深部有岩性界面或构造破碎带存在。

图5 CSAMT反演电阻率剖面图Fig.5 Inversion resistivity profile of CSAMT

4.3 找矿预测

通过对各类异常分布特征及可靠程度分析，按照异常空间位置吻合程度，结合电性异常标志，圈定了找矿靶区，并对其进行找矿潜力评价。采取的靶区圈定标准为：①异常特征与已知典型矿床特征或建立的找矿模型类似，与控矿因素关系密切；②同时具备激电异常特征、电法测深空间分布异常特征；③各异常展布形态近似，重合性完好；④异常横跨两条测线以上，规模较大；⑤所处位置的自然条件好，环境干扰小。

依据上述原则，综合分析认为IP-3异常区深部找矿潜力大，可考虑作为找矿靶区。该区位于研究区内的莫家寨附近，在已知铅锌矿西北部，跨越24线、32线和36线三条测线，呈NW-NE向展布，面积约为0.14 km2，综合电性异常明显，激电特征为中阻高极化，视极化率异常明显，异常范围较大，幅值高，异常两侧梯度变化较陡，CSAMT测深推断深部有岩性界面或构造破碎带存在。异常区位于晚古生代泥盆系何元寨组和石炭系香山组地层，NE向与NW断裂交汇处附近，重晶石化、方解石化、褐铁矿化发育，综合分析推测该异常是由深部隐伏含矿破碎带所致，可作为下一步找矿的重点勘查区。