可控源音頻大地電磁法在西秦嶺美武巖體北緣礦產預測中的應用

劉 誠，魏立勇，張 振，李 含，劉寧波

中國地質調查局西安礦產資源調查中心，陜西 西安 710100

1 前 言

論文研究的美武巖體位于西秦嶺造山帶中部，秦嶺造山帶內發育著大量的中生代花崗巖，花崗巖的成因及其形態對理解區域構造運動演化具有重要意義[1]，與此同時花崗巖類的分布及發育狀況同多金屬礦床關系密切，對找礦勘探具有重要的指示意義。而美武巖體作為西秦嶺造山帶內最大的復式巖基，目前對其研究仍顯薄弱，地質、地球物理成果匱乏，具有廣闊的研究空間。近年來，張宏飛、朱永新等對美武巖體中花崗閃長巖和黑云母花崗巖的地球化學特征進行了初步研究[2-3]，駱必繼等對美武巖體進行了鋯石U-Pb年代學、主量元素、微量元素和Sr-Nd同位素的綜合研究,探討了該區的構造演化和深部地球動力學背景[4]。上述研究多是通過地球化學手段對巖體的物質組成、形成年代進行探討，但對于區域成礦機制及找礦前景鮮有討論。這次工作基于前期在區域內完成的水系沉積物測量及巖石地球化學剖面結果，希望通過地球物理手段解決厚覆蓋區下，傳統地質、地球化學手段對美武巖體北緣邊界接觸關系難以判明，巖石地球化學剖面提供的異常缺乏合理解釋等關鍵問題。進而為厘清美武巖體邊界形態及其同地層間的接觸關系，以及為區域礦產預測提供物探依據。

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)為頻率域電磁勘探手段，它克服了音頻大地電磁法(AMT)、大地電磁法(MT)在中低頻段天然場源信號微弱的缺點，具有分辨能力強、勘探深度大、觀測高效等特點，是研究深部地質構造和尋找隱伏礦的有效手段[5-7]。利用CSAMT法對美武巖體北緣周邊開展3條可控源音頻大地電磁剖面測量，為進一步驗證研究區化探異常、確定花崗巖體同圍巖的接觸關系，評價深部地質環境以及圈定找礦有利地段提供重要的地球物理依據。

2 研究區地質概況及野外工作布置

2.1 研究區地質概況

可控源電磁法工作區位于美武巖體北緣那芒庫曲綜合異常區(圖1)，地處西秦嶺造山帶北亞帶，南側以合作―岷縣斷裂與西秦嶺造山帶南亞帶相連，北側以商丹斷裂為界與祁連―北秦嶺造山帶相連。工作區范圍內褶皺斷裂構造發育，巖漿活動強烈，周邊出露多處巖體[8-9]。

區域主要出露有泥盆系、石炭系地層，地層主要分布于東北部的力士山―德合茂北部一帶，位于力士山―新堡復背斜軸部，背斜兩翼依次出露的地層有二疊系和三疊系、侏羅系、第三系及第四系。

西秦嶺廣泛發育中生代侵入體，這些侵入體巖性多樣，主要侵位于顯生宙地層中，這些巖體與區內成礦關系密切，與圍巖呈明顯的侵入接觸關系。其中美武巖體位于西秦嶺造山帶的中部，其地理位置位于合作市東南部，是西秦嶺造山帶內最大的復式巖基。巖體出露于美武鄉—冶力關鄉，在平面展布上呈不規則的金魚形，東窄西寬，東西長約50 km，最寬處約16 km，長軸方向近東西，與區域構造線方向一致，面積約為420 km2，其圍巖構造形跡與巖體邊界基本一致，侵入于石炭紀和二疊紀地層中，與地層呈侵入接觸關系，巖體南緣覆蓋較厚，北緣接觸面均為外傾，傾角30°～80°。

2.2 研究區地球物理特征

系統搜集研究區及鄰區各巖礦石的電阻率和極化率參數，發現未發生蝕變的安山巖和閃長巖體均表現為高電阻、低極化率特性，而蝕變后含有金屬硫化物的巖礦石表現為相對低電阻、高極化率的特性。另外區域內砂巖相較于花崗閃長巖、花崗巖等侵入巖則表現為低電阻率特征，但從表1中可知區域內蝕變砂巖和侵入巖體電阻率范圍相互重疊，通過電阻率參數區分嚴格的巖體邊界可能存在一定的困難[10]。同時從采集標本過程中所做的記錄來看，在那芒庫曲工作區，地表覆蓋較厚，幾處采集標本的老探槽中出現砂巖、變質砂巖及侵入巖大量共存的現象，對于從電阻率角度區分蝕變砂巖及巖體具有一定困難。

2.3 野外工作方法

CSAMT測線位置依據在研究區前期完成的巖石地球化學剖面進行布置，主要目的是查明美武巖體北緣邊界在地表厚覆蓋下空間展布形態及分布范圍以及地球化學異常的來源機制。根據巖石地球化學剖面資料設置主剖面同化探剖面重合，即CSAMT剖面呈175°方位角近南北向延伸，垂直于美武巖體北緣接觸帶，為了有效控制異常設置剖面點距40 m，以地球化學巖石剖面為中心線距500 m。

3 CSAMT測量結果及解釋3.1 L500剖面解譯

通過圖2所示的L500線CSAMT二維反演電阻率擬斷面圖可以看出，L500線剖面電阻率主要分為低-高-低的三層電性特征，在剖面近地表20～30 m范圍內基本為100歐姆米以下的低阻異常為主，推斷為近地表低阻的第四紀覆蓋，由圖中可知覆蓋層厚度自北向南逐漸減少，至后期斷裂河谷處覆蓋近乎消失，證明剖面南側逐漸接近巖體核心部位。L500線剖面南北差異顯著，剖面北端以中低電阻率為主，在剖面600 m處南側以超過1 000歐姆米的高阻異常為主，高阻異常近連續，結合前期巖石電性參數實驗推斷其對應美武巖體，高阻異常一直延伸至剖面底部，進一步可推斷巖體自深部大規模上涌侵入原巖地層，高阻異常對應中酸性花崗巖巖體。同時在高阻異常間還出現部分低阻異常的電性過渡帶，結合區域地質推斷其為被巖漿活動破壞改造的砂巖地層，亦可推斷為早期美武巖體形成后多期巖漿上涌，巖漿冷卻成巖過程中具有使向外擴張的“氣球膨脹”模式，故原始圍巖發生壓扁收縮[11-12]，基于上述作用，早期美武巖體邊緣部位產生密集裂隙，進而導致巖體邊緣出現電性不均勻異常。綜合以上兩種推測，在已知大型巖體邊緣部位高低阻異常交錯的電性結構應是多期巖漿活動同原始沉積地層相互作用的表現。

表1 工作區巖、礦石物性參數表Table 1 Electrical parameters of working area rocks and ores

圖2 500線CSAMT反演電阻率擬斷面圖、地球化學綜合異常圖Fig.2 The inversion interpretation of CSAMT on No. L500 line and Petrogeochemical profile

在剖面約500 m深度處，有一南北向近水平高阻異常，異常呈條帶狀，推斷其為深部巖漿熱液上涌通道，依據巖石電阻率實驗其電阻率近1 000 Ω·m，在區域內只可能是花崗巖的反應，但其電阻率略低于其上部的花崗巖體，這進一步證實其通道的性質，同一巖性的巖石其電阻率同礦物組成、含水量、壓實程度、埋深均有密切的關系，在多期巖漿作用過程中，作為巖漿熱液上涌的通道，其本身具備一定的壓強，多次噴流使其壓實程度更高，其電阻率表明在此深度存在一顯著的巖漿運移通道，在通道上方隨著壓力釋放進一步固結成巖。

結合上圖所示化探巖石剖面，元素富集位置均處于CSAMT反演電阻率擬斷面圖中電性梯度帶或存在低阻異常的區域，巖漿攜帶深部地殼元素在砂巖邊界及后期裂隙中富集，而在剖面100～1 200 m處連續大規模高阻異常位置以及1 600～1 700 m處位置，均出現了化探異常極低值，這證明在大型巖體的中心部位難以形成元素富集，只有小巖株及其邊緣才是元素富集成礦帶有利位置，進一步尋找新成礦靶區的工作應瞄準美武巖體邊界的過渡地帶，結合物化探異常在小巖株、侵入巖體邊界附近開展工作。

3.2 L700線解譯

結合實地測量工作發現，工作區地表覆蓋較厚，基本無明顯露頭，但在剖面北端發現多處老探槽，探槽內已被嚴重覆蓋，但探槽周邊發現多處變質砂巖。

圖3 L700線可控源音頻大地電磁反演電阻率擬斷面圖Fig.3 The inversion interpretation of CSAMT on No. L700 line

通過二維反演電阻率剖面圖(圖3)可以看出，在L700線剖面下方主要呈現南北分區，深淺分層的電性特征。在剖面自北向南1 600 m范圍內，近地表20～30 m范圍內存在一薄層低阻異常，異常延伸至地表河谷附近圈閉。這一近地表的低阻異常反映了側線北端的第四紀覆蓋，覆蓋層厚度自南向北逐漸增厚，南至河谷附近已出現大量巖體露頭，異常同地表觀測結果一致。L700線剖面總體呈現南北分區，以剖面200 m處為界分為電性差異顯著的兩部分，其北側電阻率整體偏低，南側為大規模連續高阻異常，在剖面200 m～400 m間為兩部分過渡地帶。結合目前地質認識，L700線位于美武巖體北邊界同早石炭紀地層的接觸部位，CSAMT電阻率擬斷面圖清晰的刻畫了美武巖體北邊界的侵入范圍，推斷認為在剖面北側兩百米范圍內為原石炭紀砂巖地層，呈現中低電阻率異常。剖面200 m以南已經出現了不同程度的巖漿巖侵入，在200 m～600 m范圍內剖面顯示多處間隔出現的高低阻異常，推斷其為多條清晰的巖漿侵入通道，沿原巖地層薄弱部位上涌進而冷卻減壓，在破壞改造石炭紀砂巖地層的同時固結膨脹成巖。結合同測線平行的地球化學巖石剖面，此段區域元素富集最為明顯，證實美武巖體北緣邊界同原巖地層發生了充分的成礦物質交換并沉淀富集，在巖漿侵入原巖地層過程中一定伴隨應力作用使接觸部分及周邊出現破碎，為礦物富集提供有利空間，可以結合化探異常作為下一步工作方向。

在剖面600 m以南，顯示為大面積高阻異常，其電阻率均在1 000歐姆米以上，結合前期測定搜集的巖石電性參數，推斷此處大規模高阻異常對應美武巖體，深部巖漿自南側及深部向外擴散，隨著深度的下降電阻率呈緩慢下降趨勢，因其壓強及巖體密實度逐漸增加，其電阻率呈均勻緩慢下降是巖體侵位于不同深度的表現。在剖面1 500 m處，有一低阻異常，結合地表來看，此處低阻異常對應河谷位置，推測此處異常應為巖漿侵入后發生構造運動，形成后期斷裂進而演化為河谷。

在剖面600～2 000 m范圍內的連續高阻區域均出現了化探異常極低值，這證明深部成礦物質均勻分布，故在大型巖體的中心部位難以富集成礦，只有小巖株及其邊緣才是元素富集成礦帶有利位置，在下一步尋找新成礦靶區的過程中應瞄準美武巖體邊界的過渡地帶，結合物化探異常在小巖株、侵入巖體邊界附近開展工作。

4 討 論

4.1 美武巖體北緣邊界

研究區3條CSAMT反演電阻率剖面(圖4)電性異常較為相似，總體呈現北側低阻南側高阻的特征，由于美武巖體同原沉積地層間電阻率差異明顯，故剖面異常形態高低分明。具體到美武巖體同北側石炭紀砂巖邊界位置，通過前文可知，美武巖體北緣呈現出一個復雜而連續的邊界形態，巖漿由深部攜帶能量和物質上涌，在其動能無限減弱時形成巖體邊界，伴隨巖漿冷卻固結成巖的膨脹過程，未固結巖漿一定沿原巖地層軟弱地帶的所有可能方向延伸，而且結合地球化學對巖體物質組成的分析[2-3]，區域內發生多期巖漿活動，后期巖漿活動會對已有侵入部分再次改造，并沿前期巖漿冷卻膨脹成巖過程中形成的隱伏斷裂裂隙再次充填，并進一步向外擠壓膨脹。故美武巖體邊界并不能找到一個陡立明確的邊界，深部巖漿上涌多期次改造北緣邊界，CSAMT工作展示的正是一個高低阻電性異常交錯的多期巖漿活動的邊界狀態。如果簡單對邊界予以區分，剖面200 m處以北的區域以低阻的早石炭紀砂巖地層為主，其南側美武巖體均不同程度侵入，電性結構同砂巖地層存在顯著差異，故可以將其稱之為巖性分界位置，但所展示的復雜連續的巖體同原巖地層的邊界形態仍不可忽視。

圖4 那芒庫曲異常區CSAMT反演電阻率聯合斷面圖Fig.4 The apparent resistivity inversion joint section of L300-L700 by CSAMT in Namangkuqu

4.2 區域成礦潛力

通過這次工作同化探巖石剖面的綜合研究，化探異常均位于反演電阻率擬斷面圖中高阻異常邊緣的電性梯度帶位置，即美武巖體同圍巖接觸部位的破碎蝕變帶以及巖體內部裂隙部位；而大規模高阻異常對應巖體中心位置反而出現了含礦元素的極低值。結合以上證據可知，深部巖漿上涌過程中其所攜帶的深源物質在巖漿熱液中均勻分布，而成礦位置則是深源物質通過地質作用富集在有限的空間內的結果[13-14]。諸如美武巖體此類大規模巖基，其中心部位一定是巖漿大規模快速上升形成的，其缺乏同原巖及上覆地層的物質交換過程，故其成礦潛力有限。反而是在巖體邊界，巖漿活動上升動力減弱，巖漿熱液冷卻過程中膨脹作用給圍巖帶來巨大的擠壓應力，從而形成一系列不同尺度的裂隙，這些裂隙區域是水巖反應和成礦物質沉淀卸載的有利場所，同時不同期次巖漿活動在早期巖體邊界再次侵入時，也可能造成成礦物質的二次富集，上述位置對應CSAMT工作中高阻異常邊緣的電性過渡帶。結果中顯示的低阻異常規模大、切割深，同傳統的地質認知不盡相同，究其原因主要是上述多期巖漿活動造成巖體邊界的斷裂、裂隙內巖石破碎、蝕變發育，而且其周邊裂隙同樣發育，這些異常較為細微，勢必將造成比構造破碎蝕變帶范圍更大的低阻體，而且僅能從電性特征予以反映[15]。因此推斷美武巖體北緣多處巖體邊界及內部的低阻電性梯度帶為成礦有利區域，下步可在區域內進一步開展工作，在巖體邊界及內部尋找儲礦有利空間。

5 結 論

通過在甘肅省美武巖體北緣邊界完成的可控源音頻大地電磁法探測工作可以得出如下結論：

(1)依據CSAMT反演電阻率擬斷面圖特征，有效查明了研究區巖體邊界、巖體同地層接觸關系、隱伏構造位置等地質問題，刻畫了厚覆蓋區下方美武巖體北緣邊界形態及展布，認為多期巖漿活動造就了美武巖體北緣連續復雜的邊界，并形成多處成礦潛力較大的破碎蝕變帶。

(2)實踐證明可控源音頻大地電磁法是揭露厚覆蓋區地下情況的一種有效手段，對大型巖體邊界具備較好的分辨能力。結合電性異常以及巖石地球化學剖面確定的破碎蝕變帶即可為下步工作提供有利的成礦靶區，又對區域成礦機制給予合理的推斷解釋。