EH4音頻大地電磁方法在清白山東尋找韌性剪切帶型金礦的應(yīng)用

牛輝，李延清，胡尊平，代俊英，陳實(shí)，劉超，夏天

(新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆 烏魯木齊 830000)

EH-4是1996年由美國(guó)EMI與Geometrics兩家公司聯(lián)合研制的，設(shè)計(jì)基于應(yīng)用大地電磁測(cè)深法，重點(diǎn)解決淺、中深度范圍內(nèi)工程地質(zhì)等問題的一種雙源型電磁系統(tǒng)，工作頻率10 Hz～100 kHz。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的電子及計(jì)算技術(shù)，綜合CSAMT和MT的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)天然信號(hào)源與人工信號(hào)源的采集和處理，具探測(cè)深度大、設(shè)備輕、速度快、費(fèi)用低、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)能在各種地形上產(chǎn)生電導(dǎo)率連續(xù)剖面，同時(shí)，測(cè)量遠(yuǎn)處的天然場(chǎng)源和人工源激發(fā)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)來計(jì)算大地電阻率。測(cè)量是在和地下研究深度相對(duì)應(yīng)的頻帶上進(jìn)行。頻率較高的數(shù)據(jù)反應(yīng)淺部的特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反應(yīng)較深地層及巖體的信息[1-3]。本文研究區(qū)域位于吐哈盆地南部雅滿蘇-圖茲雷克一帶，人煙稀少，交通條件較差。因此，人文干擾較小，便于開展電磁法測(cè)深工作。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

調(diào)查區(qū)地理景觀屬于剝蝕石質(zhì)戈壁區(qū)，地面起伏和緩，局部殘坡積土壤發(fā)育。區(qū)內(nèi)大面積出露古元古界北山巖群，大理巖十分發(fā)育，中部及南部大面積出露英云閃長(zhǎng)巖，石英脈較發(fā)育。調(diào)查區(qū)總體位于北山裂谷帶系南部，次級(jí)斷裂較發(fā)育(圖1)。

1.1 地層

測(cè)區(qū)內(nèi)地層主要有第四沖洪積、第四系砂礫、沙土層、北山巖群c巖組(Ar3—Pt1Bc)和薊縣系愛爾基干巖群(JxA)等。

第四系沖洪積分布在測(cè)區(qū)中部及東部，多呈枝狀水系，主要由雜色沖洪積砂石，砂粒組成；第四系砂礫、砂土層在測(cè)區(qū)中分布面積較大，西部以NW向帶狀分布，寬約100 m，延伸約1 000 m，中東部則以大面積團(tuán)塊狀分布，在溝谷兩側(cè)亦有小面積塊狀分布。

北山巖群c巖組是雅滿蘇幅1∶25萬(wàn)區(qū)調(diào)依據(jù)區(qū)域資料綜合對(duì)比研究新建的地層單元，為一套變質(zhì)碳酸鹽巖建造，巖石主要為大理巖，夾斜長(zhǎng)角閃片巖、石英巖、片巖。c巖組經(jīng)多次變質(zhì)變形，巖組內(nèi)無根褶皺發(fā)育，為一套無序地層，沉積環(huán)境為較單一的碳酸鹽臺(tái)地沉積，沉積環(huán)境為淺海相。

愛爾基干巖群廣泛分布于測(cè)區(qū)內(nèi)，呈EW向穩(wěn)定延伸。該套地層巖性以大理巖、白云巖為主，夾少量碎屑巖，變石英砂巖等，地層總體變形及變質(zhì)較強(qiáng)，達(dá)高綠片巖相，原巖的沉積層序特征已無法辨認(rèn)。

1.2 侵入巖

測(cè)區(qū)內(nèi)侵入巖大面積發(fā)育，出露巖性分別為英云閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖、白崗巖。

圖1 清白山東地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch map of QingBaiShanDong

英云閃長(zhǎng)巖分布于測(cè)區(qū)中西部，出露面積最大，東部出露面積較小，局部呈脈狀產(chǎn)出。主要侵入下石炭統(tǒng)雅滿蘇組中基性火山巖、火山碎屑巖中，個(gè)別巖體呈小巖株侵入下石炭統(tǒng)阿齊山組和北山巖群。巖石多呈灰色、灰白色，細(xì)粒花崗結(jié)構(gòu)，定向構(gòu)造，由斜長(zhǎng)石、石英、黑云母組成，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

二長(zhǎng)花崗巖在測(cè)區(qū)內(nèi)呈大的巖基狀、巖株?duì)睢r枝狀產(chǎn)出，侵入長(zhǎng)城系及泥盆系。巖體在遙感影像圖上色調(diào)呈灰紫、淺紫褐色發(fā)灰白。巖石呈淺肉紅色，具它形中細(xì)粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦物成分有斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、黑云母、白云母等。白崗巖在測(cè)區(qū)分布較少，僅在測(cè)區(qū)西北部和中部南端小面積出露。

1.3 脈巖

區(qū)內(nèi)巖脈較發(fā)育，共分為2類，分別為石英脈和閃長(zhǎng)巖脈。其特征如下：

石英脈 區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育，脈體走向大部分為近EW向，脈體寬多為0.5～3 m，長(zhǎng)約3～20 m。部分發(fā)育褐鐵礦化，小型石英脈多呈孤包狀不連續(xù)出露。

閃長(zhǎng)巖脈 僅在區(qū)內(nèi)中部呈NS向細(xì)脈狀產(chǎn)出，脈體寬多為1～5 m。局部因第四系覆蓋呈不連續(xù)的多段斷續(xù)出露。

1.4 構(gòu)造

工作區(qū)內(nèi)NE向構(gòu)造發(fā)育，其次發(fā)育少量NW向斷裂；褶皺較發(fā)育，形成了背向斜構(gòu)造，主要分布于三架山南一帶、磁海西一帶，多為緊閉褶皺。

測(cè)區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀較單一，但變質(zhì)巖變形較強(qiáng)，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，整體特征為西南部英云閃長(zhǎng)巖主體以南總體產(chǎn)狀為南傾，產(chǎn)狀范圍：195°～215°∠52°～70°；英云閃長(zhǎng)巖主體以北總體產(chǎn)狀為北傾，在區(qū)內(nèi)東北部，這種表現(xiàn)最為顯著，產(chǎn)狀范圍：4°～30°∠42°～80°。

該區(qū)內(nèi)韌性剪切帶走向?yàn)镹WW，EW向延伸至區(qū)外，巖性為長(zhǎng)英質(zhì)石英巖，糜棱巖在地表出露，具糜棱結(jié)構(gòu)，定向構(gòu)造。受糜棱巖化影響，兩側(cè)巖石片理化較為強(qiáng)烈。韌性剪切產(chǎn)生時(shí)間應(yīng)晚于巖體侵入時(shí)代，或者為前后兩期韌性剪切，對(duì)地層影響較大，對(duì)巖體影響較小，僅在接觸部位較發(fā)育。

1.5 礦化蝕變特征

區(qū)內(nèi)礦化蝕變發(fā)育，主要有矽卡巖化、褐鐵礦化、硅化以及金鉛鋅礦化等。褐鐵礦化在區(qū)內(nèi)發(fā)育較普遍，在石英脈與英云閃長(zhǎng)巖局部發(fā)育弱褐鐵礦化，在白云石大理巖中，多見較強(qiáng)的褐鐵礦化蝕變。

圍巖蝕變主要有黃鐵礦化、硅化、絹云母化、綠泥石化、碎裂巖化等，越靠近礦體蝕變?cè)綇?qiáng)，相反則表現(xiàn)為減弱。鉛鋅礦化主要見于白云石大理巖中，經(jīng)快速分析儀測(cè)試，褐鐵礦化蝕變明顯的白云石大理巖中均顯示出明顯的鉛鋅礦化。矽卡巖化、硅化亦多見于大理巖中，前者多見于大理巖與英云閃長(zhǎng)巖的接觸部位附近，蝕變較弱。金鉛礦(化)體位于酸性巖體的北側(cè)外接觸帶，破碎蝕變韌性剪切帶內(nèi)。帶內(nèi)表層見輕度的糜棱巖化，碎裂巖化、褐鐵礦化、黃鉀鐵礬化、硅化、高嶺土化、綠泥石化普遍，破碎蝕變帶寬約4～50 m，長(zhǎng)約800 m。

2 研究區(qū)音頻大地電磁方法與技術(shù)

2.1 工作區(qū)巖礦石物性參數(shù)測(cè)量

礦區(qū)出露主要有硅化、局部褐鐵礦化的愛爾基干大理巖、糜棱巖、英云閃長(zhǎng)巖、砂礫巖、變粒巖、花崗巖、石英巖、閃長(zhǎng)巖。該區(qū)糜棱巖具脆性變形特征，糜棱巖發(fā)生破碎，并沿裂隙面發(fā)生錯(cuò)位。

工作區(qū)巖礦石的電阻率參數(shù)可分為3類。①0～300 Ω·m的巖石有愛爾基干大理巖，為相對(duì)低阻；②300～600 Ω·m為第四系砂礫巖、變粒巖及英云閃長(zhǎng)巖屬于中等電阻率；③閃長(zhǎng)巖、石英巖及花崗巖屬高阻巖礦石。由于糜棱巖多存在于韌性剪切帶中且易發(fā)生破碎，無法采集到呈塊狀的巖礦石標(biāo)本，因而電阻率信息無法獲得，但糜棱巖與金、鉛礦化蝕變有關(guān)，推測(cè)為低阻(表1)。

表1 巖(礦)石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Electrical parameters statistics of rock and ore

2.2 音頻大地電磁測(cè)深儀器裝置

音頻大地電磁測(cè)深儀器裝置采用的是EH-4(Ⅱ)電磁儀，攜帶輕便，適用各種復(fù)雜地形。該裝置受場(chǎng)源效應(yīng)和靜態(tài)效應(yīng)影響較小，探測(cè)深度一般大于1 500 m。

EH4根據(jù)天然場(chǎng)500 Hz以上波段受人文活動(dòng)干擾較大的特點(diǎn)，采用EMI磁場(chǎng)源專利技術(shù)，將標(biāo)量發(fā)射的電可控源改為張量發(fā)射的磁可控源。采用一組垂直布置的磁偶極子作為人工場(chǎng)源，汽車電瓶供電，發(fā)射頻率從69 kHz～830 Hz，以彌補(bǔ)大地電磁場(chǎng)的寂靜區(qū)和幾百赫茲附近的人文造成的電磁干擾諧波，從而提高了淺層的頻率信息，而達(dá)到提高分辨率的目的。

2.3 野外測(cè)點(diǎn)布設(shè)及儀器性能試驗(yàn)

(1)野外測(cè)點(diǎn)布設(shè)采取的是40 m點(diǎn)距，測(cè)線角度7°，垂直韌性剪切帶方向，在韌性剪切帶上方點(diǎn)距加密到20 m，沿剪切帶共布設(shè)了一條測(cè)線，各10個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)200 m；

(2)野外測(cè)量采取高頻TM+TE模式進(jìn)行，即采集到4分量數(shù)據(jù)(2組電道EX、EY和2組磁道HX、HY)，EH4工作站布設(shè)如圖2所示；

圖2 EH-4工作連接圖Fig.2 Linkage of EH4 units

(3)使用4個(gè)電極，2根高頻磁探頭，其中2個(gè)電極組成一組電偶極子，平行于測(cè)線方向的為Ex，垂直于測(cè)線方向的為Ey。兩根高頻探頭水平放置于地面，一根平行于測(cè)線方向?yàn)镠x，一根垂直于測(cè)線方向?yàn)镠y，要求埋入地下10 cm，以確保測(cè)量期間高頻探頭不發(fā)生位移。使用森林羅盤進(jìn)行測(cè)線方位和兩根磁探頭垂直位置的確定，誤差范圍控制在2°；

(4)前置放大器(AFE)的接地電極要放置在測(cè)點(diǎn)上，為減少對(duì)電極和磁探頭的影響，AFE裝置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離磁探頭并放置在兩對(duì)電偶極子的中心位置；

(5)主機(jī)要遠(yuǎn)離前置放大器(AFE)、磁探頭和電極，且在地勢(shì)平坦處，在減少電磁干擾的同時(shí)，方便操作員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

(6)收發(fā)距是指發(fā)射偶極位置與觀測(cè)測(cè)線的距離，收發(fā)距的合理選取是克服近場(chǎng)效應(yīng)最有效和最直接的辦法。系統(tǒng)由于采用了大功率發(fā)射系統(tǒng)，提高了儀器的觀測(cè)靈敏度。收發(fā)距以大于3倍的勘探深度(h=356×SQRT(ρ/f))為原則，但不超過最大發(fā)射距離400 m。

(7)野外施工時(shí)由于只有一套EH4系統(tǒng)，為檢測(cè)儀器工作是否正常，進(jìn)行了儀器平行試驗(yàn)。具體做法是將兩根高頻磁探頭調(diào)水平后相隔5 m，平行放置，電極與高平探頭保證垂直，EX0EY0使用同一根電極，EX1EY1也使用同一根電極，在共用同一可控源的條件下開始正常數(shù)據(jù)采集，觀測(cè)電場(chǎng)、磁場(chǎng)通道的時(shí)間序列信號(hào)，分別為低頻和高頻段磁場(chǎng)、電場(chǎng)信號(hào)波形圖。由圖3可見，兩個(gè)方向通道的波形形態(tài)和強(qiáng)度均基本一致，說明儀器工作正常；

圖3 平行試驗(yàn)檢查儀器通道相關(guān)性波形圖Fig.3 Wave form of relativity on Parallel test

(8)采集的數(shù)據(jù)使用電磁法數(shù)據(jù)處理工作在電法專業(yè)軟件Winglink平臺(tái)內(nèi)完成。WinGlink是一款意大利GEOSYSTEM公司開發(fā)的綜合解釋平臺(tái)，主要側(cè)重于大地電磁的建模和數(shù)據(jù)處理，能結(jié)合重磁資料和大地電磁的聯(lián)合處理解釋，解釋功能較齊全，包含了靜態(tài)校正及地形校正等，并實(shí)現(xiàn)了鉆孔等資料的約束反演(圖4，5)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大地電磁的一、二維反演，并可進(jìn)行三維大地電磁的模擬，其正演采用了Randy Mackie的二維交錯(cuò)采樣有限差分迭代算法程序，反演采用了計(jì)算穩(wěn)定、精度較高的非線性共軛梯度法進(jìn)行計(jì)算，非線性共軛梯度算法(NLCG)是目前國(guó)際上最成熟的大地電磁測(cè)深反演方法之一，該算法速度快，反演結(jié)果穩(wěn)定性好，且支持大數(shù)據(jù)集的反演［4-5］。

在數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先使用Winglink軟件集成的文件轉(zhuǎn)換工具將EH4系統(tǒng)采集的Z文件轉(zhuǎn)化為單點(diǎn)阻抗張量EDI文件，這里需要注意的是EH4系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)必須使用矢量方式進(jìn)行，如果采用標(biāo)量方式進(jìn)行，文件轉(zhuǎn)換工具則無法完成轉(zhuǎn)換。

由于在測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)，EX方向是按照測(cè)線(即垂直構(gòu)造或目標(biāo)體)方向布設(shè)的，因此，不需要進(jìn)行電性主軸的分析。將轉(zhuǎn)換好的EDI文件導(dǎo)入工程文件后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，曲線的畸變點(diǎn)直接刪除，并參考相干度信息低于0.5的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，不進(jìn)行反演運(yùn)算。然后選擇測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性共軛梯度法反演，反演參數(shù)設(shè)置如下：視電阻率誤差20%，相位誤差15%，光滑系數(shù)10，橫縱光滑閉α=1，經(jīng)過30次迭代，擬合誤差最終達(dá)15%，表明反演得到的地電模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有很好的一致性，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的RMS(均方根誤差)大部分小于15%(圖6)，其他測(cè)點(diǎn)的RMS基本小于20%，可知數(shù)據(jù)與模型響應(yīng)較好，反演得到的電阻率模型可靠。

圖6 清白山東CS0測(cè)線及CS13號(hào)測(cè)線NLGC二維反演單點(diǎn)RMS誤差Fig.6 RMS misfit of each site in 2D NLCG inversion for data from CS0 and CS13 of QingBaiShanDong profile

3 二維反演成果及解釋

韌性剪切帶是巖石在塑性狀態(tài)下發(fā)生連續(xù)變形的狹窄高應(yīng)變帶，一般不出現(xiàn)破裂面或不連續(xù)面，剪切帶中間變形最強(qiáng)，向兩側(cè)逐漸減弱。在剪切帶的中心部位，由于受到強(qiáng)烈擠壓變形破碎后往往形成典型的韌性剪切帶動(dòng)力變質(zhì)巖-糜棱巖。天山經(jīng)歷了印支—燕山期，地殼不斷抬升剝蝕，先期形成的糜棱巖被抬升至近地表發(fā)生脆性變形加之側(cè)向擠壓和后期多期次熱液活動(dòng)，造成韌性剪切帶中部破碎和蝕變強(qiáng)烈，與其圍巖英云閃長(zhǎng)巖存在明顯的結(jié)構(gòu)差異，因此電性結(jié)構(gòu)在韌性剪切帶中與圍巖應(yīng)存在電性梯度帶或畸變帶，基于此使用EH4方法具可行性[6-8]。

由圖7可見，近地表為低阻層，電阻率為10～100 Ω·m，應(yīng)該是由第四系覆蓋及表層的巖石風(fēng)化破碎的綜合反映。在埋深40 m處為近似水平狀的高阻層，電阻率為1 000～5 000 Ω·m，通過地表探槽揭露高阻異常與英云閃長(zhǎng)巖，愛爾基干大理巖及石英巖脈位置對(duì)應(yīng)較好，而在測(cè)點(diǎn)26～20表層低阻與地表破碎程度高，并伴有褐鐵礦化的千糜巖相套合。在20～24號(hào)測(cè)點(diǎn)正下方，埋深40 m的近水平狀的高阻層出現(xiàn)了明顯的電性梯度帶，與下端橢圓狀二維低阻體呈近似貫通狀態(tài)，因此推斷韌性剪切帶中心位置處于測(cè)點(diǎn)20～24之間，寬約50 m。埋深100 m的二維低阻體電阻率為10～100 Ω·m，呈橢圓狀，半徑30 m，處于剪切帶中心位置下端，并與深部低阻異常相通，類似熱液活動(dòng)通道，推斷為成礦有利部位，低阻異常為可能的礦體及礦化蝕變引起的綜合異常。

圖7 CS13號(hào)測(cè)線數(shù)據(jù)二維反演電阻率模型Fig.7 Resistivity model from 2D inversion of CS13 profile

ZK1301鉆孔驗(yàn)證，鉆孔沿近水平的高阻異常邊部打穿，在同一垂直深度巖心中取得巖石樣本為石英巖，結(jié)合地表高阻異常對(duì)應(yīng)的巖石出露并與物性標(biāo)本的測(cè)量結(jié)果相比，測(cè)線中高阻體與石英巖、英云閃長(zhǎng)巖具成因上的聯(lián)系，應(yīng)為英云閃長(zhǎng)巖、石英巖的綜合反映。鉆孔沿二維低阻異常體中心邊部打穿，其規(guī)律為自上而下，糜棱巖化，褐鐵礦化，黃鐵礦化逐漸變強(qiáng)，到中心位置達(dá)到最強(qiáng)，同時(shí)Au元素品位達(dá)到最大，由此推測(cè)礦化蝕變?yōu)橐鸬妥璁惓５闹饕颉?/p>

4 結(jié)論

礦體與圍巖存在較大的電性結(jié)構(gòu)差異，是使用基于大地電磁理論找礦方法的前提，該區(qū)域存在韌性剪切帶，并在剪切帶中心部位巖石破碎程度高，伴有較強(qiáng)的褐鐵礦化、黃鐵礦化等蝕變作用，與周圍中酸性巖體，變質(zhì)巖存在明顯的電性結(jié)構(gòu)差異，加之EH4音頻大地電磁方法本身對(duì)低阻反映較好，因此，使用EH4方法確定剪切帶中心位置及尋找隱伏礦體切實(shí)可行。需要指出的是電磁法測(cè)深所圈定的異常往往是蝕變礦化的綜合反映，異常范圍是目標(biāo)體宏觀位置，并不能具體到蝕變類型和礦化。

前期對(duì)成礦區(qū)域地質(zhì)資料的掌握及實(shí)地勘察，對(duì)預(yù)測(cè)地球物理模型和構(gòu)建有極大幫助，有助于后期二維反演運(yùn)算，最終達(dá)到預(yù)期物探找礦的目的。

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