高原凍土覆蓋區某鉛鋅礦的多功能電法試驗研究

王珺璐， 林品榮， 劉衛強， 王 萌

(1.中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000 2.中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院，北京 100083 3.中國國土資源航空物探遙感中心， 北京 100083)

0 引言

青藏高原礦產資源極為豐富，現已查明數十條規模巨大的多金屬礦找礦遠景區。合理推進青藏高原礦產資源的勘探與開發，對于保證我國礦產資源的可持續供應具有舉足輕重的地位[1-3]。地球物理探測技術，尤其是綜合電(磁)法探測技術是隱伏礦產地質勘查的重要手段，具有探測深度大、分辨率高、方法手段多元化的特點，在深部找礦勘探中發揮著越來越重要的作用[4-5]。但是青藏高原存在全球中、低緯度地帶海拔最高(平均4 000 m以上)、面積最大(超過100×104km2)的凍土區。該區內氣溫極低、寒凍作用強烈，對儀器設備低溫工作穩定性要求極高；地形復雜，沼澤發育，交通狀況差，大型物探設備運輸及物探工作的開展非常困難；第三系、第四系大面積、大厚度覆蓋，電法測量過程中的儀器布設、接地條件，尤其是對凍土覆蓋層的穿透能力，嚴重影響物探技術的找礦效果。因此，復雜的氣候、地理、地質條件對多種物探技術的開展均有不同程度的制約和干擾。筆者以青藏高原某鉛鋅礦為例，開展了高原凍土礦區多功能電法試驗。

1 研究區地質與地球物理特征

1.1 礦體地質特征

研究區大地構造上位于VII-2-7開心嶺-雜多-景洪巖漿弧(P2-T2)中，屬“三江”多金屬成礦帶北段沱沱河鉛、鋅、銅、銀、鎘成礦遠景區。區內平均海拔5 000 m以上，主要山峰均超過5 300 m，最大高差為600 m，山勢總體呈北西向展布，形成了高原高寒半干旱至干旱沼澤湖泊丘陵景觀類型。

圖1 研究區Pb(-Zn)礦成礦模式圖Fig.1 Pb(-Zn) metallogenic model in the study area

圖2 研究區內含凍土層的鉆孔巖心照片Fig.2 Photos showing drilling core with tundra in the study area(a)凍土巖心；(b)融化后的巖心

研究區Pb(-Zn)礦礦體成因總體表現為中低溫熱液成礦的特征，成礦模式見圖1。區域性斷裂對整個研究區成礦控制作用明顯，來自深源的含礦流體或重力驅動的含礦流體以斷裂為通道發生遷移而到達地殼較淺部，并在其旁側一系列次級構造中富集成礦，這些斷裂為區域的導礦構造，同時也可是容礦構造。經鉆探驗證，在研究區深部發現了厚度大、品位高的鉛鋅礦體。

1.2 凍土分布情況

研究區年平均氣溫在-4.9℃，最高氣溫為20℃，最低氣溫可達-30℃。氣溫低、寒凍作用強烈，致使區內多發育連片凍土及島狀分布的凍土。凍土層厚度隨第四系覆蓋層厚度變化，從幾米到一百余米不等。如0線8號鉆孔(圖2)，凍土層位于地面下2.8 m～3.9 m的范圍內，凍土巖巖心取出地表，很快解凍。此外受季節影響，夏季凍土層表層可融化近2 m。每年5月-6月進入雨季，表層凍土融化形成沼澤。

1.3 電性特征

從研究區巖(礦)石電性統計資料(表1)可以看出，區內砂巖、粉砂巖電阻率最低，泥晶灰巖電阻率相對較高，灰巖、塊層狀灰巖電阻率最高；礦石的極化率普遍高于不含礦巖石，且鉛礦石的電阻率明顯高于鋅礦石。因此，本區含礦巖性與非礦巖性之間存在較明顯的電性差異，這為電磁法深部找礦提供了良好的物性基礎。

另外，凍土層的電阻率相對于圍巖一般較高，會在淺部形成高阻屏蔽層。更加不利的是，該區位于三江源地區，進入雨季，降水量非常大。隨著降水量的增加以及淺部凍土的融化，永凍層上部地層的含水量增大，導致電阻率明顯降低，在高阻層上部形成一套連續的低阻層。雨季是高原區野外工作的黃金季節，會給電(磁)法探測工作帶來很大的干擾。

2 工作方法選擇與布設

2.1 方法選擇

激電法是開展多金屬礦產勘查中重要的方法。研究區以往僅開展了雙頻激電和激電中梯測量，由于發射電流小、穿透凍土覆蓋層的能力弱，或因極距及其他工作參數選擇不合適等因素，使得物探電法測量工作未能取得理想的效果。

研究區內第四系大面積覆蓋，加上地表淺部的這一套低-高阻地層，對儀器設備、工作方法及解釋技術提出了很高的要求。當向地下供電時，電流聚集于地表低阻層中，很難穿透高阻永凍層。為增大探測深度，必須增大供電極距。但若發射電流強度不變，必然又會導致信噪比降低，甚至無法測得有效信號(電極端接收的信號強度小于儀器可識別的信號強度)。因此，選擇合適的測量裝置參數，同時改善接地條件，增大供電電流十分關鍵。由于地表低阻層覆蓋，導致激電數據上產生較強的電磁耦合現象，以至于激電效應淹沒其中，無法識別，研究有效的數據處理技術也至關重要。

表1 研究區巖(礦)石電性標本測定統計表

圖3 研究區物探工作布置圖Fig.3 Locations of geophysical method in the study area

對于直流電法而言，增大供電極距固然可以增大探測深度，但必然受到多種因素的制約，無法實現深部(500 m～1 000 m)高分辨率探測。可控源音頻大地電磁法(CSAMT)具有勘探深度大、垂向分辨率高、不受高阻屏蔽影響的特點，在開展深部探測時優勢明顯[6～9]。

因此，針對高原凍土覆蓋區這一特殊地質地理條件，考慮到研究區地質—地球物理條件，在研究區采用國產大功率(30 kW)多功能電法系統(DEM-V)開展工作[10-13]。首先采用TDIP快速查明研究區內視極化率與視電阻率分布情況，圈定異常區；進而在異常區開展偶極-偶極裝置頻譜激電(RPIP)測深測量，確定極化體的埋深及空間分布情況；同時開展可控源大地電磁測深(CSAMT)測量，研究深部地質體的電阻率異常分布情況。具體工作部署見圖3。

2.2 工作參數

為實現有效探測，經實際踏勘和關鍵技術參數實驗，確定了實驗應用的具體技術參數。工作中TDIP裝置供電極距為3 000 m、接收極距為50 m、供電周期為16 s。RPIP裝置供電極距為100 m、接收極距為100 m、點距為50 m、隔離系數3～10；測量頻率4 Hz、2 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.25 Hz。CSAMT采用赤道偶極標量測量方式，最小垂直收發距為7 185.6 m、發射極距為1 100 m；頻率8 000 Hz～0.279 02 Hz、接收極距為50 m、點距為50 m；剖面總長度為6.4 km。

接地處理的質量是凍土區開展電法工作的關鍵。在研究區內區分覆蓋層與基巖，選擇合適區域進行供電電極的布設。采用埋設錫箔紙、銅網、銅電極等方式組合供電。埋設時深挖坑，每條坑的長不小于1 m，寬不小于0.5 m，坑深不小于0.5 m，減小接地電阻，增大供電電流。供電電流不滿足要求時，還可以利用降阻劑、使用低電阻模塊等方法來實現降低接地電阻的目的[14]。工作中TDIP與CSAMT供電電流達到15 A以上；RPIP供電電流一般為2 A～10 A。

3 數據處理關鍵技術

電磁法數據處理包括：①數據解碼；②壞點刪除；③圓滑；④去耦；⑤反演等步驟。由于研究區地表存在的淺部低-高阻地層，導致常規數據處理結果不理想。因此，如何克服凍土覆蓋層及地表低阻層的影響，是數據處理的關鍵。

3.1 時域全波形數據處理技術

對于TDIP數據，由于供電極距較大，雖大電流供電，但是在電阻率極低地區接受信號的信噪比較低。常規在時間域計算視極化率時，僅采用斷電時下降沿附近部分信號，在處理低信噪比信號時會出現較大的誤差。針對這一問題，我們采用了時間域激電全波形采樣的多參數提取數據處理方法[15]。通過對整周期TDIP全波形數據進行傅里葉變換，提取基頻及諧波對應的復電阻幅值、相位，進而可以采用頻域多頻去耦方法計算去耦后的視頻散率以及激電相位。

3.2 頻域多頻去耦技術

由于地表低阻層等的影響，導致測量信號中存在較強的電磁耦合效應。因此，多頻去耦是頻域數據處理的關鍵，包括視頻散率參數去耦與視相位去耦[16-19]。

對于含有較強電磁耦合效應的視頻散率參數，采用冪函數校正模型進行去耦。當由兩組或多組低頻fd和高頻fg實測的到的視頻散率Ps包含電磁耦合效應時，可表示為式(1)[16]。

(1)

式中：A與α為表征電磁耦合頻率特性的參數，對于中梯裝置α=1.5～1.75≈1.6，對于偶極裝置α=1.25～1.4≈1.3；ks為常數(視頻散率系數)，表征純激電效應幅頻特性。由兩組或多組高低頻實測頻散率即可計算ks。

對于視相位參數，認為電磁耦合相位與頻率之間成線性關系且斜率接近于“1”，可用式(2)進行去耦[19]。

(2)

利用上述方法，可以對TDIP全波形數據提取得到的視頻散率以及激電相位進行去耦處理，進而開展定性解釋；也可以對多頻相位激電測深數據進行去耦處理，進而進行視電阻率與視頻散率的二維帶地形反演。

3.3 CSAMT數據處理

研究區內淺層存在斷續的電性不均勻體，因此靜態效應校正是CSAMT數據處理的關鍵。筆者采用基于電磁陣列剖面法(EMAP)的處理方法[20]，該方法建立在寬頻帶采集數據的基礎上，通過可變截止頻率的低通濾波，消除電性構造橫向不均勻性造成的靜態影響。CSAMT數據在完成靜校正等預處理之后，進行視電阻率和相位聯合帶地形擬二維反演。

圖4 研究區激電中梯測量結果Fig.4 Locations of geophysical method in the study area(a)視頻散率系數平面等值線圖；(b)視電阻率平面等值線圖

4 綜合解釋

4.1 激電中梯掃面成果分析

圖4為研究區大功率激電中梯實驗結果。結合研究區巖石電性標本測定結果可以看出：該區激電中梯測得的視電阻率異常范圍與區內各巖性地層分布范圍基本吻合。九十道班組上巖段(P2J2)淺灰白色灰巖平均電阻率24 882 Ω·m，在圖4(b)中表現為東西向高阻異常帶；五道梁組(E3N1W)灰白色泥晶灰巖平均電阻率2 058 Ω·m，在圖中為大面積低阻區域；研究區北部的第四系覆蓋區域視電阻率相對五道梁組泥晶灰較高。另外，在沱沱河組與十道班組之間的角度不整合帶附近裂隙較發育，在圖中表現為東西向低阻條帶。

視頻散率系數等值線圖(圖4(a))中南部的東西向高極化異常帶與鉛鋅礦體在地表的出露范圍吻合較好。

4.2 綜合剖面成果分析

圖5為研究區L00線多方法綜合斷面對比圖。L00線TDIP視頻散率系數曲線在1 000 m～1 600 m范圍內出現高值異常，異常特征與已知礦脈位置、傾向吻合良好。視電阻率曲線在1 900 m兩側出現明顯差別，小號點一側表現為九十道班組(P2J2)與沱沱河組(Et)的高阻地層；大號點一側表現為五道梁組(E3N1W)與第四系(Q4)的低阻地層。視電阻率曲線在鉛鋅礦脈相對位置上偏高，沒有明顯異常顯示。

RPIP測深反演得到的頻散率、電阻率斷面與TDIP反應信息基本一致。頻散率斷面在1 000 m～1 800 m范圍內出現高值異常帶，傾向北東，這與已知鉛鋅礦脈的空間位置、展布形態吻合良好。異常帶存在兩個異常中心，分別位于1 050 m～1 250 m、1 550 m～1 700 m處，異常中心與鋅含量高的礦脈位置出現一定的吻合。電阻率斷面在1 000～1 800 m范圍內出現明顯北東傾的電阻率過渡帶，鉛鋅礦脈整體存在于電阻率的明顯過渡帶附近；在圖5中1 100 m～1 300 m附近，4 400 m～4 700 m高程附近的鋅含量較高的礦脈，出現低阻顯示；其他鉛礦脈出現中高阻顯示。

CSAMT探測深度大，本次工作反演深度接近1 000 m。從CSAMT反演電阻率斷面(圖5(d))可以看出，其淺部與RPIP測深電阻率斷面吻合良好。1 300 m～1 800 m處的高阻異常沒有向深部延伸，高阻異常帶下部出現明顯低阻帶。結合圖1可以看出，CSAMT電阻率斷面與成礦模式圖反應信息基本吻合，深部的低阻帶可能與兩條斷裂帶有關。

綜合分析三種方法處理結果可以看出：三種方法取得的同種物性參數特征基本一致，尤其是多頻相位激電測深與可控源音頻大地電磁測深電阻率斷面反應淺部的地下電性結構基本一致；極化率參數與已知礦脈分布吻合良好，大功率激電中梯能快速反應礦脈范圍，多頻相位激電測深能詳細刻畫礦脈的位置、形態等特征；電阻率也基本能夠反應礦脈的電性變化特征；礦脈整體存在于電阻率的明顯過渡帶附近；電阻率高低與礦脈中鉛、鋅的含量有關。

圖5 L00線多方法綜合斷面解釋Fig.5 Locations of geophysical method in the study area(a)TDIP剖面圖；(b)RPIP測深頻散率反演斷面圖；(c)RPIP測深電阻率反演斷面圖；(d)CSAMT測深電阻率反演斷面圖

4.3 三維空間展布

四條CSAMT測線電阻率反演結果一致性良好，與已知地質資料吻合度較高。依據CSAMT測量結果，建立了研究區深度1 000 m范圍內的三維電阻率結構(圖6)。據此，可以研究深部電性結構，對該區成礦模式研究與深部找礦具有一定借鑒意義。

5 結論

以沱沱河地區某鉛鋅礦為例，開展高寒凍土區厚覆蓋條件下的隱伏礦綜合電磁法探測試驗。獲得以下結論：

圖6 CSAMT反演電阻率三維結構Fig.6 3D resistivity structure of CSAMT

1)電阻率參數對地質界線與地下巖體結構刻畫準確，對礦脈的電性變化特征也具有一定分辨；極化率參數與已知礦脈分布吻合良好。

2)利用大功率激電中梯可以快速查明研究區構造分布與礦脈范圍；利用多頻相位激電測深可以詳細刻畫礦脈的位置、形態等特征；利用可控源音頻大地電磁測深可以研究測地表以下1 km深度范圍內的電阻率分布特征，研究深部地質體結構。

3)在凍土區進行電磁探測工作時，為克服凍土層的影響，需要合理布設工作裝置，選擇合理地點布設發射源，進行大電流供電。

4)受凍土層的影響，會在地表淺部形成低-高阻地層，導致常規數據處理結果不理想。因此，要選擇適合凍土覆蓋層的數據處理方法，包括時間域激電全波形采樣的多參數提取數據處理方法、頻率域激電的多頻去耦數據處理方法、音頻大地電磁靜校正數據處理方法等。致謝野外工作期間，得到了青海省第五地質礦產勘查院劉長征、劉群等同志的大力支持與幫助，在此表示感謝！