音頻大地電磁測深在甘肅紅石山蛇綠混雜巖帶三維地質建模中的應用

鄭小明，倪杰才，郭剛，方維萱，王宏偉

（有色金屬礦產地質調查中心，北京 100012）

0 引言

紅石山位于甘肅省肅北縣馬鬃山鎮以北約60 km處，北距中蒙邊界約30 km，東經97°7′30″北緯42°26′35″，大地構造位置位于西伯利亞、塔里木和華北三大板塊的結合部位，總體屬古亞洲構造域的一部分。學者們目前對于紅石山基性—超基性巖的成因有著不同的觀點，一種觀點認為紅石山地區的超基性—基性巖組合為蛇綠巖套的組成部分（左國朝等，1990；趙茹石等，1994；劉雪亞和王荃，1995；龔全勝等，2002；聶鳳軍等，2002；何世平等，2002，2005；魏志軍等，2004；黃增保和金霞，2006），另一種觀點認為紅石山基性—超基性巖體是一種巖漿類型的侵入體（王小紅等，2013）。此次工作采用音頻大地電磁測深（AMT）方法與高精度磁法剖面測量，通過對采集的數據進行處理、反演、解譯，初步形成二維剖面模型，結合1∶5萬航磁測量數據處理和地質驗證，探索建立了紅石山地區三維地質結構模型，進而探討紅石山基性—超基性巖的形成機制。

1 區域地質概況

1.1 區域地質特征

研究區位于中亞巨型造山帶南緣，屬天山—興安造山系之北山構造帶（圖1），以若羌－星星峽斷裂為西界與東天山相連，以阿爾金－阿拉善斷裂為東界與興蒙造山帶相連，北鄰蒙古造山帶，南接敦煌地塊（Xiao et al.,2010；Song et al.,2013，賀振宇等，2015），研究區經歷了多期次、多階段的板塊裂解－俯沖－拼合的復雜地質演化過程，具多旋回復合造山的特點（Xiao et al.,2009,2010）。紅石山地區出露的蛇綠巖為紅石山—百合山—蓬勃山蛇綠混雜巖帶的組成部分，該蛇綠巖帶位于北山北部紅石山深大斷裂帶中，呈近東西向-北西西向展布，是北山地區目前四條蛇綠混雜巖帶（紅石山-百合山-蓬勃山，芨芨臺子-小黃山，紅柳河-牛圈子-洗腸井，輝銅山-帳房山）中最北端的一條（楊合群等，2010；王國強等，2014）。

圖1 研究區大地構造位置圖（據Xiao et al.,2010）

1.2 區域地球物理特征

東天山—北山區域重力場明顯具有東西展布、南北分區的基本格局，呈現相對獨立特征差異的重力場區塊及其鑲嵌關聯組合。研究區的重力場總體呈現北部高、南部低的基本分布特征，區內布格重力值最高為-110×10-5m/s2，最低為-260×10-5m/s2，布格重力值相差達150×10-5m/s2。區域重力場中以近東西向、北東東向重力異常為主，其次為近等軸狀重力異常；紅石山-康古爾重力高值異常區在研究區西北部地帶呈近東西向起伏帶狀展布，南界為著名的康古爾塔格重力梯級帶，北界為區外規模更大的吐哈南緣重力梯級帶。

東天山—北山區域磁場總體上呈近東西向展布。南北兩側為跳躍變化的正磁場，由一些不同延伸方向、不同規模和形狀的異常帶組成（異常形態頗為復雜，以條帶狀為主，還有等軸狀、環狀、串珠狀等異常），中間以平緩變化的負磁場為主，其間分布著一些大小不等的條帶狀和環狀異常。

2 研究區地質概況

2.1 研究區地質特征

研究區中部為紅石山蛇綠構造混雜巖帶，北側以掃子山-紅石山斷裂為界，南側以紅石山西南斷裂為界，其內發育一條規模較大的韌性剪切帶，是紅石山地區超基性巖（塊）集中分布的地帶，并構成紅石山超基性巖的主體部分。超基性巖（塊）中分布有大小不等、形態各異的超鎂鐵質巖、輝長巖、鎂鐵質火山巖、硅質巖等巖塊。掃子山-紅石山斷裂以北出露地層為上石炭統干泉組及中—下二疊統雙堡塘組。干泉組為一套中酸性火山巖，巖性組合以灰綠色安山巖、英安巖為主，夾安山玢巖、安山質凝灰巖、灰黑色凝灰質砂巖、硅泥質板巖等；雙堡塘組為一套砂礫巖沉積，為活動型濱淺海環境的產物，主要巖石類型有灰綠色凝灰質礫巖、塊狀礫巖、細礫巖及凝灰質細砂巖。紅石山蛇綠構造混雜巖帶南界被晚石炭紀英云閃長巖所侵入。

2.2 研究區巖（礦）石物性特征

對工作區內341塊不同巖礦石標本進行物性參數測試并進行數學統計，電阻率、磁化率均統計幾何平均值，統計結果見表1。

表1 研究區巖（礦）石物性參數測試統計表

測區內除磁鐵石英巖外，礦石中鉻鐵礦礦石的磁性最強。沉積巖的磁性較低或無磁性。受原巖類型和變質程度因素影響，變質巖磁性變化較大。一般來講，原巖為泥質粉砂質巖石、灰巖或酸性巖漿巖且不含磁性礦物的變質巖磁性較低，如板巖、大理巖和石英巖等，原巖為中基性巖的變質巖磁性普遍較強，如角閃巖、片巖等。大理巖磁性呈規律性變化，從大理巖經透閃石大理巖到透輝石大理巖，隨著大理巖內磁性礦物組分的增加磁性明顯增強。原巖為中基性巖的角閃巖類具有較強的磁性，但某些蝕變作用可使其磁性減弱，綠簾石化角閃巖的磁性相對較弱。矽卡巖往往伴有金屬礦化，含鐵石英巖具有一定的磁性，當其以透鏡體產出且埋深不大時，可引起尖峰磁異常。全區巖漿巖中以基性侵入巖體磁性最強，但由于其規模較小，分布零星，在中小比例尺區域磁力圖上，不足以引起區域磁異常，在大比例尺磁場圖中，可產生一定規模的正磁力高異常。中、酸性侵入巖磁性小于基性巖石，屬中等磁性巖類。上述巖類尤其是酸性巖的磁性變化較大，可以從弱磁性到中等磁性，由于這類侵入巖體規模較大，分布面積廣，可產生一定范圍的正磁力高異常。這里值得注意的是，根據巖體與磁異常對應關系分析，不同時代的酸性侵入體的磁性可產生截然不同的磁場，是引起區域和局部磁異常的主要地質因素之一。

巖（礦）石標本電阻率參數變化范圍較大，幾何平均值從732 Ω·m到7101 Ω·m，同一巖性電阻率參數變化也很大，分析原因可能是標本代表性較差，結合音頻大地地磁測深反演剖面對應的地層巖性電阻率參數，侵入巖及基性雜巖相對為高電阻率，中酸性花崗巖最高、基性雜巖次之，沉積巖為相對低電阻率，火山沉積巖最低、陸相砂巖粉砂巖次之。

巖（礦）石磁化率參數差異較大，磁化率最大為磁鐵石英巖，幾何平均值9842（4π×10-6SI），橄欖巖、鉻鐵礦石磁化率相對較高，幾何平均值平均值在190（4π×10-6SI）～506（4π×10-6SI）之間，其他酸性侵入巖和沉積巖呈弱磁和無磁特征；結合航磁三維磁化率反演對應地層巖性磁化率參數，基性雜巖體磁性最強，中性侵入巖次之，沉積地層巖石呈弱磁性，花崗巖無磁性。

與其他巖石地層對比，構造混雜巖帶具有磁性最強、電阻率為相對高阻的明顯特征，強磁性特征最為明顯。

3 數據處理及解譯推斷

音頻大地電磁測深（AMT），野外數據采集使用加拿大鳳凰公司生產的V8多功能電法采集系統。開工前對V8、3E和磁探頭進行進場標定，儀器設備各項指標合格后方可進行工作。儀器設備的檢測、標定定期進行，相鄰兩次標定結果相對誤差不超過2%。在野外條件下，選擇電磁干擾小的地段進行單點全頻段測定儀器一致性。電極布設根據點位場地實際情況，選擇最佳布設方案，一般采用標準“+”字形布設方式，X方向與剖面方向一致，Y方向垂直剖面方向，在地形不利時采用“L”形或“T”形。物理測點的設計點距100～200 m，嚴格控制偏移距，同時保持測線的基本規則，盡量減少左右跳變。

高精度磁測工作采用加拿大產質子磁力儀GSM-19進行數據采集，該儀器噪聲誤差及一致性誤差滿足《地面高精度磁測技術規程》對儀器精度的要求。施工過程采用Garmin GPS 60 CX進行測量點位，在施工前選擇已知控制點進行配準和校正，利用手持GPS導航定點，為確保定位精度，在接近目標點位時，保證觀測時間。

3.1 AMT數據處理

AMT資料處理解釋采用有色金屬礦產地質調查中心自主研發的EMpro2.0處理系統，并輔以WingLink、SCS2D、Geosoft和等軟件進行。首先對取得的原始數據進行去噪處理，然后采用Bostick反演。反演處理是頻率測深資料解釋的重要環節，也稱為定量解釋。由于初始模型的給定方式不同，使得反演的方法也隨之不同。Bostick反演結果是唯一的，忠實于原始資料，為減少反演結果的多解性和提高解釋推斷異常的可靠性，可依據Bostick反演的結果建立初始的地電模型（徐新學等，2004）。在此基礎上再進行一維連續介質反演、二維連續介質反演，依據標本物性資料、AMT電阻率分布資料，研究地層、巖性與電性的對應規律，對實測的電性斷面進行成像處理、地質解釋和綜合信息建模。

3.2 磁法數據處理

磁法的數據處理軟件主要采用Geosoft、RGIS 2012系統，進行磁法資料的常規處理和反演解釋。本次主要進行了如下的處理工作。

化極：實測磁法數據是在地磁場斜磁化條件下的磁異常，在斜磁化條件下，即使是一個簡單的磁性體，所產生的異常也是正負伴生，異常中心和異常體不對應，與磁性體的實際位置有偏移。因此要進行化極處理，將斜磁化條件實測的數據經頻率域變換，計算出垂直磁化條件下的ΔT異常，簡化異常和異常源的對應關系，突出磁性體。

延拓：根據在地面實測的磁場數據可以計算出距地面不同高度的磁場分布，稱之為延拓。由于不同地質體的規模、埋深不盡相同，其磁場沿垂向衰減變化率是不相同的，利用向上延拓可以判別異常源的埋深及延伸等特征，從而選擇反映深部場源的最佳延拓高度，使淺部場源信息基本消失，突出深源場特征。從濾波的角度考慮，向上延拓相當于低通濾波，延拓的越高，磁場越平滑。常用此方法來提取區域場，研究深部地質體特征等，而且效果較佳。

異常分離：由于實測的磁力異常是地下由淺至深各類磁性地質體的綜合疊加效應，而我們感興趣的是與金屬礦床有關的局部異常。加之深部信息受淺部地質體物性不均勻的影響，其信噪比差，所以必須用現代計算機數據處理技術，從綜合疊加場中將要研究的目標場分離或提取出來，并盡可能壓抑或消除干擾噪聲，增強有用信息，以提高利用磁力異常綜合解決復雜地質問題的能力。

3.3 AMT剖面解釋

經大地音頻電磁測深（AMT），結合地面高精度磁力測量、航磁異常三維反演切面及地質特征等綜合研究，對L3剖面各異常區段進行分析解釋。

為了減少單一磁法的多解性、提高三維反演地質解釋的可靠性，解釋中輔助了L3南北音頻大地電磁（AMT）測深剖面，聯合電阻率和磁化率雙參數、及地表巖性共同解釋，作為磁化率三維解釋的依據，對L3剖面各異常區段進行分析（圖2）。

圖2 研究區L3線物探地質綜合剖面圖

（1）0～1200 m、4500～7000 m位置，該區段高磁剖面表現為低磁，AMT剖面電阻率表現為中高阻，高磁三維反演切面圖該部位地表低磁性、隱伏部位有中高磁性。結合現場踏勘，綜合推斷中高阻中高磁異常是隱伏閃長巖引起的，與巖礦石標本閃長巖的中低阻、高磁性相吻合。

（2）1200～4500 m位置，該區段高磁剖面表現為低磁，AMT剖面電阻率表現為高阻，高磁三維反演切面圖該部位反應的是低磁性。結合現場踏勘，綜合推斷該高磁異常是由隱伏花崗巖引起的，與巖礦石標本花崗巖的中高阻、低磁性相吻合。

（3）8600～13600 m位置，該區段AMT剖面電阻率表現為中低阻，高磁三維反演切面圖該部位反應的是高磁，結合地質填圖成果，綜合推斷該高磁異常與巖礦石標本橄欖巖的中低阻、高磁性相吻合。

（4）14800～15200 m位置，該區段高磁剖面表現為中高異常，AMT剖面電阻率表現為中低阻，高磁三維反演切面圖該部位反應的是中高磁，結合現場踏勘，綜合推斷該高磁異常是隱伏蛇綠巖引起的，與巖礦石標本橄欖巖的中低阻、高磁性相吻合。

（5）16000～18400 m位置，該區段高磁剖面表現為低磁性，AMT剖面電阻率表現為中高阻，高磁三維反演切面圖該部位反應的是低磁，結合現場踏勘，綜合推斷該高磁異常是由二疊系沉積巖引起的。

（6）AMT剖面7600～10000m位置地表以下2000m深部，該區段AMT剖面電阻率表現為低阻，高磁三維反演切面圖該部位反應的是低磁，推斷該異常是由石炭系沉積巖引起的。

（7）AMT剖面12800～18400 m位置地面以下2000 m深部，該區段AMT剖面電阻率表現為低阻，高磁三維反演切面圖該部位反應的是中高磁，推斷該異常是由石炭系火山巖引起的。

L3剖面綜合地質解釋認為：南部以侵入巖為主，中間部分為閃長巖巖塊，北部主要為沉積地層，南北之間為構造混合雜巖帶，雜巖帶受F1和F2斷裂控制，雜巖帶寬約5 km，產狀北傾近直立、延伸大。

L3剖面綜合地質解釋表明，雜巖體磁化率最高，中性侵入巖次之，酸性侵入巖磁化率最低，地層磁化率為弱磁背景。如圖2所示巖石地層和磁化率、電阻率具有較好的對應關系，為整個地下三維地質解釋劃分結構提供了依據。

3.4 航磁數據處理及解譯

收集研究區1∶5萬航磁測量（中國國土資源航空物探遙感中心，2005）ΔT平面等值線圖，通過數字化后獲得航磁數據，數據網格為250 m×250 m。為了從航磁數據中獲取盡可能多的信息，對勘查測區數據進行了航磁ΔT化極處理、延拓處理、垂向一次導數處理、剩余異常處理、斜導數處理以及解析信號處理等。同時對測區航磁△T數據進行三維磁化率反演，得到地下磁化率的三維分布信息。為了對地層構造的進一步研究，在研究區中部開展了垂直貫穿于區域地層的南北（L3）AMT測深剖面測量，進行電阻率約束下三維磁化率巖性構造解釋。

從研究區1∶5萬航磁化極ΔT異常原始數據資料可以看出，△T磁異常最小值為-603 nT，最大值為1299 nT，平均值為65 nT。以地表填繪構造混合雜巖帶的南邊界為界，磁場可大致劃分為南北兩個區（圖3），北部高背景區對應雜巖帶、石炭紀和二疊紀地層，南部低背景區，主要對應酸性侵入巖體。研究區內主要異常以近東西向展布，與區域構造走向一致。北部高磁異常區對應地表填繪構造混合雜巖帶，周圍被近東西向線性帶狀高磁異常包圍，對應于控制雜巖體的構造斷裂。航磁綜合解釋顯示主要斷裂構造有5條，其中F1和F2走向近東西向，分布于雜巖帶的南北兩側，控制著區域構造混合雜巖帶，為本區最大的斷裂帶；F3和F4走向近東西向，分布于雜巖體的南北兩側，為雜巖體的邊界；F5位于圖幅的東南角，走向北北東向，橫切南部侵入巖體。

圖3 研究區航磁ΔT數據巖性構造解譯平面圖

4 三維地質結構模型的建立

4.1 航磁磁化率三維反演

為了對異常進行定量解釋，建立研究區三維地質模型，本次工作對1∶5萬航磁數據進行了三維反演（圖4），直觀地展示了磁化率在地下三維空間的展布特征，左圖為模型全貌視圖，右圖為南北向L3線（切圖）（AMT測深）剖面視圖，異常定量解釋的參數主要是其模型得出的。

圖4 研究區1∶5萬航磁測量三維反演結果模型圖

4.2 構造雜巖帶三維地質模型

依據L3剖面綜合地質解釋給出的巖性和磁化率的對應關系，對航磁磁化率三維反演結果進行地質解釋，主要劃分出構造混合雜巖帶中蝕變輝石橄欖巖體的空間分布（圖5）。

圖5 三維反演磁化率圈定蝕變輝石橄欖巖帶模型圖

蝕變輝石橄欖巖帶（雜巖體）在本區呈最強磁性特征，采用反演磁化率K值大于0.015 SI，近似圈定蝕變輝石橄欖巖帶，該雜巖帶沿F1—F2區域斷裂帶分布，產狀近直立，寬0～3 km，最大延伸可達3 km。

5 結論

（1）通過磁化率三維反演，認為紅石山蛇綠混雜巖帶總體為無根狀的大型透鏡體，淺部石炭系被卷入蛇綠構造混雜巖帶中，深部卷入地層可能為石炭系，呈現兩處向上凸起的低阻體，從而進一步說明紅石山基性—超基性巖體為構造成因而非侵入體。

（2）紅石山蛇綠混雜巖帶深部具有相連接特征，向東端深部蛇綠混雜巖帶規模減小，向西端側伏并隱伏在深部，與地面高精度磁法測量揭示深部存在隱伏磁性體（基性巖—超基性巖）相吻合。

（3）利用音頻大地電磁測深（AMT）技術能較好反映剖面的巖體地層整體電性特征、突出局部異常，對斷裂構造、巖性變化有較準確的刻劃。

（4）推斷的斷裂除F5為北北東走向外，其余均為近東西走向，斷裂位置與區域地質資料的斷裂特征較為吻合。

注 釋

①中國國土資源航空物探遙感中心.2005.甘肅北山地區1∶5萬航空物探綜合站勘查成果報告[R].1-173.