航空瞬變電磁法在塔源二支線鉛鋅銅礦床的應用研究

彭莉紅， 張 策， 駱 燕， 丁繼雙， 寧媛麗，朱 琳， 程莎莎

(1.核工業航測遙感中心， 石家莊 050002；2.中核集團 鈾資源地球物理勘查技術中心重點實驗室， 石家莊 050002；3.黑龍江省地質調查研究總院， 哈爾濱 150036)

0 引言

黑龍江省大興安嶺地區成礦條件優越，找礦潛力巨大[1-3]。但該地區為森林沼澤景觀區，植被茂密，沼澤分布廣泛、覆蓋層厚、基巖出露較少，發育有永久或島狀凍土，采用單純的地質、化探方法找礦效果不佳，嚴重影響了該區域礦產資源勘探開發進程[4-6]。航空瞬變電磁法是航空物探常用的測量方法之一，具有成本低，效率高，通行性好，可大面積勘查等優勢，尤其適用于自然環境惡劣的地區，(如人類難以接近的森林植被覆蓋區、沼澤、高山、沙漠等地區)，具有一般勘探手段難以達到的效果[7-10]。

2013年核工業航測遙感中心獨家引進加拿大Geotech公司研發的VTEM航空瞬變電磁測量系統，先后在新疆、黑龍江、內蒙古、青海、吉林等省區成功地開展VTEM地球物理探礦工作。探測結果表明：航空瞬變電磁異常與已知礦體的形態、位置具有較高吻合度，并新發現十余處具有找礦前景的航電異常[11-13]。筆者以大興安嶺地區塔源二支線鉛鋅銅礦床為例，在開展1∶10 000航空瞬變電磁測量的基礎上，利用時間常數、電阻率深度成像(RDI)、Fraser濾波等數據處理方法，研究了礦區已知礦體航空瞬變電磁異常特征，為大興安嶺森林沼澤景觀區開展礦產資源勘查提供了方法技術借鑒。

1 航空瞬變電磁法勘探技術

1.1 基本原理

航空瞬變電磁法是基于巖性的電性差異，利用機載線圈向地下發送一次脈沖磁場(或電場)，即在發射回線上供一個電流脈沖，脈沖下降的瞬間，將產生一個向地下傳播的一次瞬變磁場，在該磁場的激勵下地質體內產生渦流，其大小取決于該地質體的導電能力，導電能力強則感應渦流強，在一次場消失后，渦流不能立即消失，它將有一個衰減過程，該過程又產生一個衰減的二次場向地下傳播，利用接收線圈測量不同延遲時間的二次磁場，通過該二次磁場隨時間的衰減特性，進而可知地下不均勻地質體的導電性能和位置，達到探測識別不同電性差異地質體的一種航空物探方法[14](圖1)。

圖1 航空瞬變電磁勘探原理示意圖Fig.1 Diagrarn showing the principle of ATEM

1.2 主要參數求取及其地質意義

1.2.1 時間常數

由電磁感應原理可知，導電體磁通量的變化，會產生與導電體一次磁場變化率成比例的電動勢，該電動勢會在導電體中形成瞬變衰減渦流。其時間常數(TAU)是目標體導電率(或導電性)和幾何形態(規模)的函數[15]。衰減的電流會產生相應的二次場，可由接收線圈測量斷電后的感應電壓而得到。感應電壓(e0)與二次場時間變化率成比例：

e0∝(1/τ)e-(t/τ)。

(1)

其中：τ=L/R，(ms)；L為有效電感(H)；R為有效電阻(Ω)。τ的求取方法較多，常用的是利用“移動τ”的方法，主要是根據衰減曲線，尋找最晚期(4個時間道)dB/dt和B場數據求取時間常數[15]。一般情況下，早期道響應的時間常數，反映的是近地表覆蓋層及不良導體，晚期道響應的時間常數，反映的是埋藏相對較深的目標體或良導體。因此，根據dB/dt計算的晚期道響應的時間常數可以圈定航電低阻異常區。

1.2.2 電阻率深度成像

電阻率深度成像(RDI-Resistivity depth imaging)是通過對測量數據進行反褶積，從而將電磁響應衰減數據快速轉化為相同意義上電阻率深度斷面的一種方法[16]。我們所采用的電阻率—深度轉換的RDI算法基于Maxwell A.Meju[17]的視電阻率轉換和導電半空間的TEM響應原理。RDI能夠提供具有參考價值的導體深度、垂向延伸等信息，并能提供每條測線上的一維層狀介質視電阻率斷面。根據RDI能夠獲得VTEM系統的探測深度、視電阻率、初始幾何形態和導電體的位置等資料。

1.2.3 Fraser濾波

在測量過程中若沒有干擾因素，實測的dBx/dt曲線的真零交點出現在低阻地質體或含水斷裂帶上方，以此來識別和圈定低阻異常體的空間位置(圖2)。實際應用中由于存在地質噪聲、相鄰地質體及其他(如輸電線路等)干擾因素，以及地形起伏等影響，往往導致剖面上的過零交點與地下隱伏低阻體實際位置間發生偏移，甚至不顯示零交點或出現假零交點。因此，對實測資料尚須進行真、假零交點的判識及區域背景干擾因素的消除等[18]。

Fraser濾波法于1969年由D.C.Fraser首先提出，用于處理甚低頻(VLF)電磁法數據，其應用的最基本條件是場源固定，探測目標體位于均勻場中，感應之二次電流可視為線電流。據此Crone等人應用它處理大定源外的TEM觀測數據，取得令人滿意的結果，計算公式為式(2)。

ξ’(x/2)=(-1)n[ξi+ξi+k-ξi+2k-ξi+3k]/N

(2)

式中：i為計算濾波之起始點號；k為濾波步長與測點距之比；ξ’(x/2)為繪圖點，x=i+3k；n取1或2，取決于希望濾波后曲線之符號；N一般取1，當做不同步長之濾波時，取不同值以歸一。該方法利用一個差分算子將投點或“交點”變成峰值，并用一個低通濾波器來消除噪聲，濾波結果把測量剖面上的拐點或過零交點異常變成極大值(圖2)，其峰值即對應地下低阻異常體[19]。

圖2 傾斜薄板目標體響應特征示意圖Fig.2 Z, X and Fraser filtered X (FFx) components for “thin” target

2 礦床地質地球物理特征

2.1 地質背景

黑龍江省大興安嶺地區塔源二支線鉛鋅銅礦床地處額爾古納島弧西南部環宇—新林蛇綠混雜巖帶內。礦區內出露的與成礦有關的主要地層為古生界上石炭統新伊根河組(C2x)和中生界下白堊統白音高老組(K1by)。與成礦有關的侵入巖為燕山中期的閃長巖、閃長玢巖、小巖株或巖脈。近南北向斷裂構造控制著燕山中晚期的巖漿侵入和礦體的形成[20-21]。

2.2 礦床成礦地質環境

礦區內出露地層有上石炭統新伊根河組、下白堊統白音高老組(圖3)。其中，新伊根河組分布在礦區中、北部，呈斷塊方式出露，主要巖性為絹云綠泥板巖、石英砂巖、凝灰巖，是塔源二支線鉛鋅銅礦礦體主要的賦礦層位。白音高老組主要分布在礦區的中部、北西部、南東部，與新伊根河組地層呈斷層接觸，此地層與成礦關系密切，由一套由酸性—中性火山熔巖、火山碎屑巖組合，且普遍遭受熱液蝕變作用。

礦區內巖漿活動強烈，以燕山中期花崗斑巖(γπK1)為主，呈巖株狀分布在礦區西南部，侵位于白音高老組(K1by)。相當于燕山中期的閃長巖、閃長玢巖、小巖株、巖脈非常發育，且與成礦關系密切。

圖3 塔源二支線鉛鋅銅礦區地質圖(據文獻[3]修編)Fig.3 The Geologicl map of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

礦區斷裂構造發育，最大的斷裂為礦區北端的塔哈河斷裂，走向北東東，為扭性斷裂。近南北向斷裂在礦區內最發育，切割了各類地質體，不同程度控制著晚期巖漿的侵入和礦體的生成，為礦區重要的容礦構造。

2.3 礦體分布特征

目前礦區發現鉛、鋅、銅多金屬礦體68條。出露地表礦體4條，隱伏礦體64條，其中邊界品位(工業品位)礦體24條，工業品位以上礦體44條，較具規模的礦體為Ⅰ-10、Ⅰ-32、Ⅰ-5、Ⅰ-4、Ⅰ-52[22]。按礦石組分圈出7種礦石類型，即鉛鋅、鋅、鋅銅、銅、鉛鋅銅、鉛銅、鉬礦。上述礦體大部分賦存在矽卡巖中，傾向為82 °～ 100°，傾角為26° ～ 47°，嚴格受南北向、北北東向地層與巖體接觸帶、構造裂隙帶控制。

2.4 礦床巖(礦)石電性特征

由表1可知：區內巖(礦)石電阻率存在2～3個數量級的差異，其中硅質板巖、含礫凝灰巖電阻率為28 630 Ω·m～44 000 Ω·m，呈高阻特征；弱黃鐵礦化閃長巖、硅化黃鐵礦化板巖、黃鐵礦化含礫凝灰巖電阻率值為1 270 Ω·m～8 250 Ω·m，呈中阻特征；網脈狀鉛鋅礦、團塊狀鉛鋅礦電阻率值為82 Ω·m ～1 310 Ω·m，呈低阻特征，可見圍巖的基本電性特征呈中高阻，隨著礦化程度加強，電性上表現為電阻率逐漸降低。礦區圍巖與礦體存在明顯的電阻率差異，具備開展航空瞬變電磁法工作的物性前提。

表1 塔源二支線鉛鋅礦區巖(礦)石電性參數統計表[22]Tab.1 Statistics for the electric parameters of rock in Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

3 礦體航空瞬變電磁特征

3.1 實測dB/dt剖面曲線特征

在實測dB/dtZ分量剖面曲線圖上，礦區上方多條測線均有不同強度的電磁響應顯示，其中測線L5060～L5140響應較為明顯，表現為北低、南高的雙峰異常(圖4)，但曲線雙峰特征不明顯，資料解釋過程中極易誤判為單峰異常。

3.2 時間常數影像特征

礦區時間常數總體表現為背景場上疊加橢圓狀時間常數高值區(圖5)，長軸呈北東向。背景場值一般小于0.2 ms，為硅質板巖、凝灰巖等圍巖的反應；時間常數高值區位于閃長巖體與上石炭統新伊根河組接觸帶部位，其值一般為0.2 ms ～0.28 ms，最大為0.32 ms，已知礦體均位于該高值區北側。

3.3 經Fraser濾波后特征

Fraser濾波利用一個差分算子將投點或“交點”變成峰值，并用一個低通濾波器來消除噪聲，濾波結果把測量剖面上的拐點或過零交點異常變成極大值，其峰值即對應地下低阻異常體。以L5070測線為例，在實測的dB/dtZ分量剖面曲線圖上礦體上方對應一特征不明顯的雙峰異常(圖6a)，在dB/dtX分量剖面曲線圖上礦體上方對應一由正到負的異常響應(圖6b)，經Fraser濾波后，在dB/dt X分量曲線拐點處表現為極大值異常，與已知礦體產出位置一致(圖6(c)、圖6(d))。

圖4 塔源二支線鉛鋅銅礦區dB/dtZ剖面曲線圖Fig.4 The dB/dt Z component profiles of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

圖5 塔源二支線鉛鋅銅礦區時間常數影像圖Fig.5 The time constant (TAU) map of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

在礦區實測dBx/dt分量第25道Fraser濾波后的平面影像圖上，存在一北東向串珠狀展布的線性高值帶(圖7)，控制長度約900 m，寬度約170 m，與已知礦體平面位置一致，為無可爭議的礦致異常。經Feaser濾波后的平面影像圖能清楚的揭示礦體走向延伸和空間展布規律，準確地顯示礦體的平面位置。

圖6 Fraser濾波效果圖Fig.6 The result map of Fraser filtered

圖7 塔源二支線鉛鋅銅礦區dB/dt X分量(25道)Fraser濾波平面影像圖Fig.7 The Fraser filtered map of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

3.4 視電阻率斷面特征

Ⅰ-10、Ⅰ-32、Ⅰ-5，Ⅰ-4、Ⅰ-52等礦體位于T6150線X=582 900～583 600之間，長度為2 00 m ～4 00 m，厚度為4.5 m ～9.2 m，礦體延深(斜深)87 m ～589 m(部分礦體未完全控制、繼續延伸)，傾向為82°～94°，傾角為33°～41°，礦體類型為鉛、鋅、銅、鉬多金屬礦體。在T6150線多測道dB/dtZ分量(15道～47道)剖面曲線上表現為一西陡東緩的單峰高值異常(圖6)；視電阻率斷面圖相應位置表現為與圍巖有明顯電阻率差異的低阻體(視電阻率約為190 Ω·m ～240 Ω·m)，其頂板埋深約為100 m，向東傾斜，傾角約為31°，向下延伸約500 m。通過與已知礦體及收集的106號勘探線地質剖面圖對比分析發現，低阻體的產狀與已知礦體產狀基本一致。

4 結論

1)航空瞬變電磁測量在塔源二支線鉛鋅銅礦床應用效果顯著。已知礦體航空瞬變電磁異常特征明顯，dB/dt剖面曲線呈北低、南高的雙峰異常，礦體集中分布在值為0.2 ms～0.28 ms團塊狀時間常數高值區北側，對應視電阻率值為190 Ω·m ～240 Ω·m、向東傾斜的低阻體，經Fraser濾波后對應一北東向串珠狀展布的線性高值帶。

圖8 塔源二支線鉛鋅銅礦礦體綜合信息顯示圖Fig.8 Comprehensive information of ore body of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orebody

2)在航空瞬變電磁測量中，應用時間常數、Fraser濾波及電阻率深度成像(RDI)等技術，可以有效地揭示礦體走向延伸與礦化富集部位，礦體形態、產狀、埋深等特征，為優選靶區及礦體預測提供依據。

3)航空瞬變電磁法能有效揭示森林沼澤景觀區鉛鋅銅多金屬礦體的空間展布特征，為同類型地區開展礦產資源勘查提供方法技術借鑒。