深部金屬礦綜合地球物理響應(yīng)與綜合預(yù)測(cè)方法

曾昭發(fā)　周寧遠(yuǎn)　張建民　霍芷君　宮明旭

摘要：深部金屬礦探測(cè)是目前資源勘查的重要方向，地球物理方法探測(cè)深度大、分辨率高，是深部金屬礦探測(cè)最有效手段之一。以金川銅鎳硫化物礦床為背景，在綜合分析地質(zhì)背景、巖石物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了多尺度分離，確定了在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦區(qū)西南側(cè)深部具有良好的找礦遠(yuǎn)景。綜合利用航磁、重力、CSAMT剖面測(cè)量數(shù)據(jù)的反演結(jié)果，分析各方法異常特征，結(jié)合已知典型巖礦體分布，揭示了構(gòu)造帶附近的中低電阻率、高密度、高磁異常區(qū)為有利的找礦位置。根據(jù)該特征確定了深部找礦靶區(qū)，推測(cè)找礦靶區(qū)深度超過1 000 m，為鉆探提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：金川銅鎳硫化物礦床;深部找礦;地球物理;CSAMT;重磁;聯(lián)合反演

中圖分類號(hào)：TD15 P631 P618.51 文章編號(hào)：1001-1277（2020）09-0022-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20200904

引 言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，中國(guó)銅、鎳等金屬礦產(chǎn)供需矛盾日益突出，開展深部找礦，提高資源保有量，是最可行的緩解手段。深部找礦方法中地球物理勘探深度較大、分辨率高、類型多樣，對(duì)目標(biāo)區(qū)域可進(jìn)行多尺度探測(cè)，可以為深部找礦提供豐富的信息。國(guó)內(nèi)外通過不同的地球物理勘探方法取得了顯著的成果。T.G.Hildenbrand等[1]提出，重磁數(shù)據(jù)的再處理與分析，能夠確定區(qū)域地殼斷裂或斷層，為分析侵入巖和大型金屬礦床的侵位提供了條件。Hassan Kheyrollahi等[2]利用延拓處理和信息增強(qiáng)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)并預(yù)測(cè)了第三系巖漿巖中斑巖型銅礦床分布規(guī)律。Fan Xiao等[3]利用布格重力和航磁數(shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)東部天山地區(qū)斑巖銅鉬多金屬礦進(jìn)行了預(yù)測(cè)。B.M.LEE等[4]利用航空Z軸傾子電磁測(cè)量（ZTEM）數(shù)據(jù)和大地電磁測(cè)深（MT）數(shù)據(jù)建立了加拿大不列顛哥倫比亞莫里森斑巖型銅金鉬礦床的三維電阻率模型。Guoqiang Xue等[5]利用一個(gè)改進(jìn)的大環(huán)瞬變電磁系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了西藏超大型斑巖型鉬礦床。A.K.Shah等[6]綜合利用航磁激發(fā)極化、大地電磁和鉆孔地質(zhì)蝕變、磁化率、密度等數(shù)據(jù)，確定了銅金鉬成礦遠(yuǎn)景。

金川銅鎳硫化物礦床是世界三大鎳銅鉑族元素礦床之一，開采深度達(dá)到1 200 m左右，開展深部找礦對(duì)保證銅鎳資源的供應(yīng)具有重要意義。根據(jù)區(qū)域成礦機(jī)理與模式，礦區(qū)深部具有良好的成礦遠(yuǎn)景，例如：在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ礦段主要巖體、深部礦體還沒有完全揭露的情況下，深部發(fā)現(xiàn)了新礦體[7]。礦區(qū)西部巖體下盤圍巖中具有形成硫化銅鎳礦體的良好地質(zhì)條件[8]。礦區(qū)周邊地區(qū)，巖體在空間上具有呈梯狀排列特征，在主礦體附近發(fā)現(xiàn)了新的含礦巖體[9]。王永才等[10]對(duì)礦區(qū)地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等找礦標(biāo)志進(jìn)行了總結(jié)。通過重磁數(shù)據(jù)解釋，認(rèn)為東灣異常由埋深1 200 m以下的超基性巖引起，對(duì)深部探礦具有積極指示作用[11]。通過對(duì)地質(zhì)背景進(jìn)行分析，結(jié)合巖石地球化學(xué)、高精度磁測(cè)或遙感等綜合信息，對(duì)礦區(qū)南延區(qū)進(jìn)行了找礦預(yù)測(cè)，并圈定了一些不同等級(jí)的找礦靶區(qū)[12-13]。

本文在綜合研究金川銅鎳硫化物礦床成礦地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，分析找礦的地球物理標(biāo)志，利用重磁電等數(shù)據(jù)的處理結(jié)果對(duì)深部有利的成礦靶區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為區(qū)域深部找礦提供重要指導(dǎo)。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征與巖礦石物理性質(zhì)

金川銅鎳硫化物礦區(qū)位于龍首山隆起帶中，含礦超基性巖體不整合侵入長(zhǎng)城系白家嘴子組地層中，該地層巖性主要為片巖、片麻巖、大理巖、條帶狀混合巖等。已發(fā)現(xiàn)礦體與片麻巖、大理巖、條帶狀混合巖直接接觸，呈巖墻產(chǎn)出，總體走向50°，傾向南西，傾角50°～80°，全長(zhǎng)約6 500 m，寬10～500 m，出露面積約1.34 km2。含礦超基性巖體被F8、F16-1、F23斷裂分為4段，自西向東依次對(duì)應(yīng)Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ礦區(qū)（見圖1）。Ⅲ礦區(qū)中西部第四系厚10～40 m，向北增厚，F(xiàn)8斷裂東南側(cè)北東東向凹槽中覆蓋的第四系厚可達(dá)180 m。Ⅰ礦區(qū)出露地層為龍首山群白家嘴子組和塔馬子溝組，巖性以混合巖、片麻巖、片巖和大理巖為主。Ⅱ礦區(qū)出露地層主要為白家嘴子組和第四系，含礦超基性巖體以5°～10°沿?cái)嗔亚治弧＂舻V區(qū)被第四系覆蓋，下部發(fā)育白家嘴子組，由于多期巖漿的侵入作用，部分地層經(jīng)歷了不同程度的混合巖化作用。

按密度、磁性及電阻率等特征，礦區(qū)內(nèi)巖礦石可分為3類：第1類是銅鎳礦石，具有高密度、高磁性、低電阻率特征;第2類是超基性巖，具有高密度、高磁性、中等電阻率特征;第3類是超基性巖體的圍巖，一般具有高電阻率、弱磁性或無磁性、密度普遍較低特征。

2 礦區(qū)重、磁、CSAMT異常特征與深部礦體預(yù)測(cè)

2.1 航磁異常特征

礦區(qū)具有典型的航磁異常，異常幅度大，特征明顯，與含礦超基性巖體密切相關(guān)，是重要的找礦標(biāo)志[15]。通過化極處理消除斜磁化的影響，航磁異常與目標(biāo)地質(zhì)體具有更加良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系（見圖2）。礦區(qū)高值正航磁異常呈北西向串珠狀排列，且兩側(cè)等值線梯級(jí)帶表現(xiàn)出北東陡、南西緩的特征，反映磁性異常巖體向南西陡傾。航磁異常帶北西側(cè)異常帶不連續(xù)的高值正航磁異常分別與已知Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ礦區(qū)對(duì)應(yīng)，且幅值較高，最大值超過2 000 nT。

為獲取更加豐富的航磁異常特征，對(duì)航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了多尺度（一級(jí)到四級(jí)低頻信號(hào)，頻率逐漸降低，分離尺度逐漸增大）分離與制圖（見圖3）。

由圖3可知：隨著分解尺度的增大，淺部高頻信號(hào)的細(xì)節(jié)性信息逐漸減少。Ⅱ礦區(qū)正航磁異常范圍逐漸增大，小尺度分量高值正航磁異常范圍小，呈北西向展布，南北兩側(cè)正負(fù)航磁異常過渡處存在陡峭梯級(jí)帶;大尺度分量高值正航磁異常范圍大且呈現(xiàn)北東陡、南西寬緩的特征。北東側(cè)的負(fù)航磁異常變化范圍不大，且正負(fù)航磁異常過渡處陡峭梯級(jí)帶仍然存在，反映北西向深大斷裂的存在。依據(jù)礦區(qū)高值正航磁異常對(duì)可能含礦的超基性巖體的指示作用及多尺度分離結(jié)果，推測(cè)深大斷裂南西側(cè)分布著規(guī)模較大的超基性巖體，具有良好的找礦前景。

2.2 綜合重磁電數(shù)據(jù)反演與深部找礦預(yù)測(cè)

為開展典型異常的深部找礦研究，區(qū)域內(nèi)共完成了6條剖面的反演與分析，本次選擇2條剖面（AA′和BB′）（見圖1）解釋重磁數(shù)據(jù)和可控源音頻電磁（CSAMT）數(shù)據(jù)反演結(jié)果，并進(jìn)行綜合靶區(qū)分析。

2.2.1 剖面AA′

剖面AA′穿過Ⅱ礦區(qū)，該礦區(qū)沿北西向出露的超鎂鐵質(zhì)巖體位于F16-1斷裂以南及F17斷裂以北，長(zhǎng)約2 500 m，整體上寬度由西向東逐漸變大，寬度變化范圍20～320 m，傾向南西，傾角較大（70°～80°），延深超過700 m。沿AA′剖面開展CSAMT測(cè)量和重力測(cè)量等地球物理工作。

剖面AA′航磁、重力、CSAMT反演剖面及靶區(qū)預(yù)測(cè)圖見圖4。視電阻率差異明顯，高阻與低阻過渡界線明顯，形態(tài)復(fù)雜，與CSAMT電阻率二維反演結(jié)果對(duì)應(yīng)，代表富礦體的紅色區(qū)處于中低阻區(qū)且在下部，為高阻體與低阻體過渡位置（見圖4-c）），這符合礦體處于巖體下部的規(guī)律。利用SLO范數(shù)約束的方法獲得航磁和重力反演結(jié)果（見圖4-a）、b））中的高磁性體和高密度體分布范圍，與CSAMT電阻率二維反演結(jié)果中的中低阻范圍及已知礦體所在位置對(duì)應(yīng)較好，且均具有繼續(xù)向左下延深的趨勢(shì)，特別是重力異常的反演結(jié)果，其共反演出2個(gè)目標(biāo)地質(zhì)體，右側(cè)上部重力異常與已知礦體具有非常良好的吻合關(guān)系，下部左側(cè)重力異常深度較大（1 400～1 900 m），重磁電反演結(jié)果良好吻合，該位置是主要的深部找礦靶區(qū)。

結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)圖、成礦規(guī)律及巖礦石物性參數(shù)，對(duì)已知礦體深部及邊部有利的賦礦位置進(jìn)行分析，認(rèn)為已知礦體左下方深部不同物性過渡區(qū)域的舒緩處，即斷裂傾角較小的位置，是深部找礦的有利部位，推測(cè)具體位置為剖面AA′ 400～1 000 m、標(biāo)高200～400 m處（見圖4-c）中黑色虛線范圍）。該位置低阻異常對(duì)應(yīng)位置也表現(xiàn)出了高磁、高重力異常特征。因此，認(rèn)為該中低阻區(qū)亦具有較大賦存超基性巖體及礦體的可能性，該位置為重要的找礦靶區(qū)。

2.2.2 剖面BB′

剖面BB′穿過Ⅳ礦區(qū)，Ⅳ礦區(qū)已知超鎂鐵質(zhì)巖體長(zhǎng)1 160 m，被第四系完全覆蓋，覆蓋層厚度60～140 m，覆蓋層以下發(fā)育白家嘴子組及含礦超基性巖體。礦體以低品位礦石為主，①號(hào)礦體為主礦體，產(chǎn)于含礦超基性巖體底板下凹地段，呈透鏡狀，上部與下部小，中間大。剖面AA′穿過①號(hào)礦體，靠近10號(hào)勘探線，沿此剖面進(jìn)一步開展重力和CSAMT工作，有利于進(jìn)一步探獲礦體。

剖面BB′航磁、重力、CSAMT反演剖面及靶區(qū)預(yù)測(cè)見圖5。剖面中下部相應(yīng)位置具有明顯的大范圍高磁、高密度異常區(qū)，均具有向左上方延伸的特征（見圖5-a）、b））。CSAMT電阻率二維反演結(jié)果表明，剖面中部的電阻率相對(duì)較低，右側(cè)的電阻率相對(duì)較高，過渡帶向深部由陡變緩（見圖5-c））。與航磁和重力的反演結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)高密度、高磁高密度、中低電阻率區(qū)與中低電阻率區(qū)一致。綜合礦區(qū)地質(zhì)圖、附近地質(zhì)勘探線剖面及巖礦石物性參數(shù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行解釋，認(rèn)為本區(qū)淺層低密度、低磁、低阻區(qū)主要為第四系，而右側(cè)高阻區(qū)為白家嘴子組的反映，高密度、高磁及接觸帶上部的中低阻異常對(duì)應(yīng)Ⅳ礦區(qū)已知的含礦超基性巖。此外，推測(cè)右側(cè)不同電阻率過渡帶為斷裂，是超基性巖漿侵入白家嘴子組的通道。根據(jù)物探模型和成礦規(guī)律，推測(cè)深部高密度、高磁、中低阻異常區(qū)是有利的找礦靶區(qū)，位置大致在剖面BB′ 2 400～3 100 m、埋深1 200～1 700 m處（見圖5-c））。

3 結(jié) 論

地球物理方法是深部金屬礦產(chǎn)勘查的重要支撐技術(shù)，以金川銅鎳硫化物礦床為研究對(duì)象，采用航磁、重力、CSAMT等方法進(jìn)行深部勘查，反演結(jié)果所顯示的高磁、高密度、中低阻區(qū)與淺部已知含礦巖體對(duì)應(yīng)較好，也顯示了深部有利的成礦位置，并在深部圈定了有利找礦靶區(qū)。采用多種地球物理方法研究金川銅鎳硫化物礦床深部的找礦潛力具有重要意義，為礦區(qū)及周邊地區(qū)進(jìn)一步深部探礦提供了良好的參考，同時(shí)也很好地證明了利用地球物理方法探測(cè)深部金屬礦山的可行性和有效性。根據(jù)這些工作，獲得如下結(jié)論：

1）金川銅鎳硫化物礦床礦體與超基性巖體緊密相關(guān)，地球物理找礦標(biāo)志明顯，表現(xiàn)為中低阻、高磁和高密度特征，為深部找礦提供了重要指導(dǎo)。

2）利用剖面的二維重磁反演結(jié)果及可控源音頻電磁數(shù)據(jù)反演結(jié)果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析，確定成礦目標(biāo)地質(zhì)體，為鉆探提供重要指導(dǎo)。

3）高精度剖面測(cè)量數(shù)據(jù)的反演具有重要作用，特別是對(duì)脈狀礦體的預(yù)測(cè)，二維剖面反演算法可靠、反演穩(wěn)定，具有良好的推廣應(yīng)用潛力。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] HILDENBRAND T G，BERGER B，JACHENS R C，et al.Regional crustal structures and their relationship to the distribution of ore deposits in the western United States，based on magnetic and gravity data[J].Economic Geology，2000，95（8）：1 583-1 603.

[2] KHEYROLLAHI H，ALINIA F，GHODS A.Regional magnetic litho-logies and structures as controls on porphyry copper deposits：evidence from Iran[J].Exploration Geophysics，2016，49（1）：98-110.

[3] XIAO F，WANG Z H.Geological interpretation of Bouguer gravity and aeromagnetic data from the Gobi-desert covered area，Eastern Tianshan，China：implications for porphyry Cu-Mo polymetallic deposits exploration[J].Ore Geology Reviews，2017，80：1 042-1 055.

[4] LEE B M，UNSWORTH M J，HUBERT J，et al.3D joint inversion of magnetotelluric and airborne tipper data：a case study from the Morrison porphyry Cu-Au-Mo deposit，British Columbia，Canada[J].Geophysical Prospecting，2018，66（2）：397-421.

[5] XUE G Q，QIN K Z，LI X，et al.Discovery of a large-scale porphyry molybdenum deposit in Tibet through a modified TEM exploration method[J].Journal of Environmental & Engineering Geophysics，2012，17（1）：19-25.

[6] SHAH A K，BEDROSIAN P A，ANDERSON E D，et al.Integrated geophysical imaging of a concealed mineral deposit：a case study of the world-class Pebble porphyry deposit in southwestern Alaska[J].Geophysics，2013，78：B317-B328.

[7] 高亞林.金川礦區(qū)地質(zhì)特征、時(shí)空演化及深邊部找礦研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2009.

[8] 宋謝炎，胡瑞忠，陳列錳.中國(guó)巖漿銅鎳硫化物礦床地質(zhì)特點(diǎn)及其啟示[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2018，54（2）：221-235.

[9] 魏錚.甘肅金川銅鎳礦床58號(hào)礦體成因及成礦預(yù)測(cè)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[10] 王永才，焦建剛，閆海卿.金川銅鎳硫化物礦床找礦指標(biāo)體系探討[J].礦床地質(zhì)，2010，29（增刊1）：895-896.

[11] 張翔，趙曉平，謝志峰.重磁方法在金川銅鎳礦東延M-15異常勘查中的應(yīng)用[J].物探與化探，2010，34（2）：139-143.

[12] 彭橋梁，曾南石，李天虎，等.金川南延地區(qū)地質(zhì)特征及找礦遠(yuǎn)景分析[J].金屬礦山，2012（10）：97-100.

[13] 文美蘭，羅先熔，曾南石，等.金川銅鎳礦床深邊部多元地學(xué)信息勘查技術(shù)綜合找礦研究[M].北京：地質(zhì)出版社，2013.

[14] MAO X C，LI L J，LIU Z K，et al.Multiple magma conduits Model of the Jinchuan Ni-Cu-（PGE） Deposit，Northwestern China：constraints from the geochemistry of platinum-group elements[J].Minerals，2019，9（3）：187.

[15] 張林，宋小超，賈嵩，等.金川礦區(qū)深邊部物探資料綜合整理與勘查技術(shù)應(yīng)用研究[R].北京：中色地科礦產(chǎn)勘查股份有限公司，2017.

Comprehensive geophysical responses and comprehensive prediction method for deep metal deposit

—A case study of Jinchuan super-large Cu-Ni sulfide deposit

Zeng Zhaofa，Zhou Ningyuan，Zhang Jianmin，Huo Zhijun，Gong Mingxu

（College of Geoexploration Science and Technology，Jilin University）

Abstract：Deep metal deposit prospecting is an important direction of resource exploration at present，and the geophysical method is one of the most effective methods for deep metal deposit prospecting with deep reach and high resolution.In the case study of Jinchuan Cu-Ni sulfide deposit，on the basis of comprehensive analysis of geological setting and petrophysical properties，the aeromagnetic data are separated in a multiscale way，and the deep part of the southwest part of Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅵ districts is determined to have a good prospecting prospect.The data inversion results of aeromagnetic，gravity and controlled source audio frequency magnetotelluric sounding （CSAMT） survey profiles are comprehensively used to analyze the abnormal features of each method and the geophysical marks of typical ore bodies，the medium-low resistivity，high density and high magnetic anomalous area near the tectonic belt are revealed to be favorable spots for ore prospecting based on the distribution of known typical rock ore bodies.The target area of deep prospecting has been determined on the basis of the characteristics and the target area is estimated to be more than 1 000 meters deep.The study provides important basis for drilling.

Keywords：Jinchuan Cu-Ni sulfide deposit;deep prospecting;geophysics;CSAMT;gravity and magnetic method;joint inversion

收稿日期：2020-06-12; 修回日期：2020-07-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2016YFC0600505）

作者簡(jiǎn)介：曾昭發(fā)（1966—），男，廣西全州人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)閼?yīng)用地球物理;主持的重大項(xiàng)目有國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目“興蒙造山帶構(gòu)造疊合與大規(guī)模成礦作用”（2013CB429800），國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“深部礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)理論與方法”（2016—2020），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目5項(xiàng)，國(guó)家“十二五”863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”，吉林省新能源重大專項(xiàng)“深部地?zé)豳Y源（含干熱巖）勘查與開發(fā)利用”，吉林省地勘基金項(xiàng)目“長(zhǎng)白山玄武巖覆蓋區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查”等30項(xiàng)科研項(xiàng)目;獲得的重大獎(jiǎng)項(xiàng)有省部科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng);長(zhǎng)春市西民主大街938號(hào)，吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，130026;E-mail：zengzf@jlu.edu.cn

*通信作者，E-mail：zjm16@mails.jlu.edu.cn，18843199417