低阻屏蔽地區深部電法勘探試驗研究

楊富強，陳康，龍永鋒，區小毅，盧勝輝

(1.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074；2.廣西壯族自治區地球物理勘察院，廣西 柳州 545005；3.廣西壯族自治區第七地質隊，廣西 柳州 545005)

0 引言

在開展電法勘探過程中，有些礦區泥巖、碳質巖的電阻率都非常低，在地表淺部形成了嚴重的“低阻屏蔽”，對電法工作產生了極大的影響(龔惠民等，2007)。在電法測量過程中，地表為低阻層時，供電電流不能往深部流，而是從表層通過，形成“短路”效應，這就是“低阻屏蔽”；也存在著另外一種低阻屏蔽，即不僅是表層存在高導電層(低阻層)，連深部也存在著高導電層(低阻屏蔽)，這時電流就會往深部及表面分散流動，導致電流更加易于吸收，更加無法達到勘探的目的(薛國強，2004)。

在濱海地區、表土鹽漬化嚴重的河網地區，有些礦化度較高的沙漠干旱區以及在我國南方紅層地區(含鐵質成分較高)及碳質巖與砂巖、頁巖地層地區(廣西大部分區域均屬于此種類型)等均能形成一個高導電層。這些地區應用電法極為不利，經常遇到供電電流高達數安培、電位差卻十分小的情況，導致難以勘探甚至無法勘探，而且由于電流只在表層流過，無法反映深部情況(張作宏等，2014)。

研究區內南華系、震旦系上統陡山沱組地層呈現相對高阻特征，與震旦系老堡組和寒武系清溪組的低阻地層有明顯的電性變化界面，老堡組和清溪組等含碳質、低阻地層在區內形成干擾極大的“低阻屏蔽”影響，對電法工作造成了較為嚴重的影響。如何克服低阻屏蔽的影響是一個比較棘手的問題，本文針對老堡礦區存在嚴重的“低阻屏蔽”現象，開展了一系列電法試驗研究工作，為該地區深部找礦工作提供技術支持。

1 礦區地質及地球物理特征

1.1 礦區地質特征

老堡鉛鋅礦區(圖1)位于廣西三江縣城西南約30 km 的老堡鄉境內，面積約50 km2。區域地理位置上處于江南古陸南緣，桂北臺隆九萬大山穹褶帶東緣，三江-融安深大斷裂西側，平垌嶺大斷裂東側(梁金城等，2009)。礦區出露地層較為簡單，由老到新有南華系上統黎家坡組(Nh3l)含礫泥巖，厚50～180 m，震旦系上統陡山沱組(Z1d)碳質泥巖夾白云巖，厚27～157 m，震旦系上統老堡組(Z1l)硅質巖，厚27～157 m，寒武系清溪組(C-q)泥巖、砂巖夾灰巖、白云巖，厚780 m，寒武系邊溪組(C-b)紋層狀變質板巖和第四系(Q)殘坡積物等(陳文倫和蔣勇輝，2019)。

圖1 老堡礦區地質及試驗區位置圖(自測)

礦區鉛鋅礦(化)呈層狀、似層狀、透鏡狀，主要產于陡山沱組白云巖(路啟福等，2013)、老堡組硅質巖層間構造中，一般厚7.64～33.11 m；礦體產狀與地層產狀大體一致，走向20～60°，傾角25～75°，并具有地層同步褶曲的現象，明顯受層位、巖性的控制(陳文倫和蔣勇輝，2019)。控礦巖性組合為陡山沱組碳泥質巖。白云巖，老堡組硅質巖及寒武系清溪組碳泥質巖。白云巖化學性質活潑、孔隙率高、性脆，易循環交代成礦(廖順妹等，2013)；硅質巖性脆、高碳、富含球形藻類，易產生層間滑動與破碎，有利成礦物質的沉淀成礦；白云巖和硅質巖上部封閉性的碳泥質巖對成礦流體中有用組分的沉淀、交代起到了良好的屏蔽作用，從而形成老堡礦區后生“層控”鉛鋅礦床(李文杰等，2009)。

1.2 地球物理特征

研究區內巖(礦)石的電性特征十分復雜，它們之間的電阻率存在很大的差異，中淺部的泥巖、碳質巖等電阻率極低的巖性在區內形成嚴重的“低阻屏蔽”。從全區物性統計資料及本工作區露頭小四極、鉆孔巖芯標本電性測定統計顯示(表1)，除了金屬硫化物礦和碳質巖為中-高極化率巖礦石外，其余巖礦石均呈現較為明顯的低極化率特征。礦區內主要低阻層為陡山沱組碳質泥巖及清溪組碳泥質巖、頁巖，且以清溪組地層含碳較多低阻明顯(陸懷成和陳忠獻，2001①，2003②，2007③，2008④)。

表1 老堡礦區巖礦石電性參數統計表

2 電法試驗

本文在廣西三江縣老堡地區北面的石門嶺礦段及東南面的黃泥沖礦段開展2.2 km2的時間域激電掃面工作，并在此基礎上布置了100 個物理點的可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)及32 個物理點的激電測深工作。

2.1 時間域激電法(TDIP)勘探效果分析

2.1.1 時間域中間梯度及單極梯度裝置試驗效果

試驗工作先在①號區(黃泥沖)展開(圖1)。首先進行試驗的電法裝置為時間域中間梯度裝置(AB ＝1600 m、MN ＝20～80 m、I ＝5000 mA)，結果發現僅在距供電電極200 m 范圍內能采集到穩定的電場信號，距供電電極200 m 以外的區域則因一次場信號較弱等因素觀測重復性極差或無法觀測，受低阻屏蔽的影響較大，時間域中間梯度裝置無法按要求完成觀測任務，隨后改用時間域單極梯度法開展工作取得較明顯的淺層激電異常信息(圖2)。由于單極梯度法工作繁瑣且勘探深度較淺，無法反映出中深部地質體的物探異常信息，故在廣西三江縣老堡地區再次開展電法試驗，試驗裝置為時間域激電測深裝置、可控源音頻大地電磁法裝置(CSAMT)和頻率域激電中梯裝置(黎海龍等，2014⑦，2014⑧)。

圖2 老堡礦區①號試驗區(黃泥沖)單極梯度法極化率異常圖

2.1.2 激電平面異常特征及找礦意義分析

原設計面積性激電工作采用中間梯度裝置，結果發現僅在距供電電極200 m 范圍內能采集到穩定的電場信號，200 m 以外的區域則因一次場信號較弱等因素重復觀測誤差大或無法觀測，受碳質巖層低阻屏蔽的影響較大，時間域中間梯度裝置無法按要求完成觀測任務，隨后改用時間域單極梯度法(類似于“近場源法”)開展工作取得較明顯的淺層激電異常信息。單極梯度布設的無窮遠極垂直測線且距離測點OC≥2500 m，置于測線的供電電極距AO 為300～500 m，測量電極距MN ＝40 m。單極梯度法觀測到的老堡礦區平面激電異常展布特征見圖2 與圖3。

圖3 老堡礦區②號試驗區(石門嶺)單極梯度法極化率異常圖

老堡礦區的①、②號物探試驗區是一套泥巖與碳酸鹽巖交互的沉積建造地層，且巖性差異較大、組合復雜，且巖性差異較大、組合復雜，主要由泥(頁)巖、含碳泥巖、砂巖、硅質巖、白云巖等組成。從取得的平面激電成果來看，反映的淺層激電特征差異也較為明顯，平面激電異常主要沿震旦系陡山沱組傾向側及老堡組、寒武系清溪組展布，南華系黎家坡組基本處于背景場區。

結合礦區的巖性、物性特征及礦體地質特征分析認為，本區激電異常與三方面因素有關:(1)黃鐵礦(化)；(2)目標礦——鉛鋅礦(化)；(3)碳質。黃鐵礦(化)是主因，鉛鋅礦(化)、碳質是次要因素。鉛鋅礦(化)引起的激電異常疊加于黃鐵礦(化)或碳質引起的主異常上，一般較難區分，但從由石門嶺礦段已控礦體的分布特點來看，激電異常與礦體分布的關系還是有一定規律可循，富鉛鋅礦地段激電異常更突出，南北兩側異常較弱，說明本區鉛鋅礦和黃鐵礦化有一定正相關關系，因此激電異常對尋找目標礦——鉛鋅礦具有較大指示意義。對激電異常的定性還需結合異常所處的地質位置綜合分析，如黃泥沖礦段的灘底沖東側清溪組主極化異常區距含礦層位較遠，據已知地質剖面得知該區礦體產狀較陡，激電單極梯度掃面勘探深度有限，因此基本可斷定該高極化異常帶主要是清溪組巖層局部富黃鐵礦或石墨化程度較高引起，反映不了深部的鉛鋅礦異常，找礦意義有限(楊富強等，2021)。

2.1.3 激電斷面異常特征及找礦意義分析

(1)1020 線激電測深:物探1020 線位于黃泥沖礦段中部(圖2)，受到地形、地貌、低阻屏蔽等因素的約束，激電測深裝置采用三極裝置，供電極距AO(AB/2)為10～800 m，淺、中部極距較密，深部極距逐漸放稀；測量極距MN/2 在1/3～1/5 供電極距(AO)范圍內變化，由于低阻屏蔽影響，為了獲得穩定數據，MN/2 最大達200 m，正是由于測量極距較大，所獲得的測點電場信號因綜合了較多外部地質因素而客觀性降低。

從激電測深斷面圖4 可見，由148 點至116 點號段由淺往深出現一個明顯、范圍較大的中高極化異常，并于124 號點出現分層，上層反映的異常源較淺并逐漸減弱，下部極化異常尚未封閉，反映的異常源較深并有下延趨勢。距物探1020 線南側平距約100 m 的地質400 號勘探線施工的兩個鉆孔均揭露到鉛鋅礦體(Ⅳ號礦體)，對比物探1020 線斷面激電異常特征和地質400 線實測剖面地質特征可見，賦存于震旦系陡山沱組白云巖的鉛鋅礦體特征和斷面激電異常所反映的異常源位置及產狀特征基本一致。斷面激電異常范圍較寬，是由于其綜合了黃鐵礦化、鉛鋅礦(化)及碳質的激電效應。

圖4 老堡礦區1020 線物探勘查綜合剖面圖

(2)1170 線激電測深:物探1170 線位于石門嶺段(圖3)，和地質131 線重合。測深裝置和上述1020 線一致，同樣受低阻屏蔽影響嚴重，使用較大的MN 極距，AO ≤400 m 采集的數據較為穩定，AO ＞400 m 后數據質量略差，需重復多次觀測后取相對穩定的平均數據。

由圖5 發現，在140～160 點間淺層(AB/2 ＝10～100 m)，極化率值約為2.50%～3.50%，對應寒武系清溪組碳質泥巖地層；140～160 點間中深部觀測段(AB/2 ＝160～240 m)，極化率值普遍大于6.00%(最大達10.00%左右)，對應震旦系老堡組石英硅質巖地層及Ⅲ號礦體，異常體深度及異常形態與Ⅲ號礦體(埋藏深度約為120 m)基本相當；168～192 點段對應震旦系老堡組下部及陡山沱組碳質泥巖地層，極化率值介于1.50%～3.50%之間。根據以上分析可斷定，寒武系碳質泥巖及震旦系碳質泥巖引起的極化異常值普遍小于3.50%，不是引起高極化異常主因，高極化異常主要與鉛鋅礦體(Ⅲ號礦體)或其他硫化礦(如黃鐵礦)有關。斷面激電異常源范圍較寬，這是由于多層礦(化)體及多層碳質巖引起極化異常的綜合效應；另外可以看出，由于各礦層間距不是很大、厚度也不大，且礦(化)體的引起極化異常與碳質的引起極化異常不能明確區分開，因此激電測深結果并不能將礦層逐個詳細反映出來，尤其對深部的I-1 礦體基本不能反映。

圖5 老堡礦區1170 線物探勘查綜合剖面圖

綜上所述，雖然本區受黃鐵礦化及碳質影響，時間域激電勘探深度較淺，測點電信號綜合了較多外圍信息，但根據平面激電異常可大致圈定礦化帶的平面投影位置，根據斷面激電異常特征可以大致推測礦體空間賦存位置及其產狀特征，說明時間域激發極化法在本區具有一定找礦效果，可作為本區重要的勘探手段之一，有效應用該方法的關鍵在于如何改善接地條件及使用較大功率電法儀系統提高供電電流及信噪比，從而獲得可靠的數據和更大的勘探深度。

2.2 頻率域激電法(SIP)勘探效果分析

由于時間域激電中間梯度裝置觀測法在老堡礦區很難有效應用，時間域激電測深需要MN 極足夠大的情況下才能觀測到穩定數據(不符合規范要求)。基于此，我院在老堡礦區進行頻率域激電試驗，旨在解決低阻屏蔽地區激電勘探深度問題和探討其可行性。頻率域激電試驗分別在老堡礦區③號試驗區和④號試驗區進行(圖1)。

③號試驗區位于老堡礦區東側，頻率域激電法試驗剖面為1250 線和1390 線，測線方位103°，測線跨越寒武系清溪組、震旦系老堡組和陡山沱組及南華系黎家坡組(圖6)。采用中間梯度裝置，AB ＝1000 m、MN ＝80～120 m，供電電流為6 A。觀測發現，在清溪組和老堡組所測得的數據與“理論數據”相反，即低頻電位小，高頻電位大，計算出的頻散率為負值；經采取改變MN 極距和加大電流等改進措施，并檢查供電系統及接收系統確保其處于正常狀態，再進行多次的試驗，觀測結果不變。至于為何會產生實測數據與理論數據相反的現象，原因不明(難道說因為一次電場較弱而無法產生極化效應?)，無法進行推斷解譯，而往東過老堡組地層后則獲得低頻電位大、高頻電位小的“正常”數據，但各測點根據公式計算得到的頻散率值差異極小，無法分辨有效異常，最終決定暫停在該區的試驗工作。

圖6 ③號試驗區激電頻散率剖面平面圖

④號區的激電中梯勘探裝置為AB ＝800 m、MN ＝80 m、供電電流6 A，所測的曲線圖詳見圖7。最終所得結果基本情況為:東段寒武系清溪組、震旦系老堡組地層上數據不可取(非正常變化)，即電場數據呈低頻小、高頻大；西段南華系黎家坡組及大部分陡山沱組地層上數據正常，并且出現為突變性正常，即從原來的不正常數據突變為正常的數據。

圖7 ④號試驗區激電頻散率剖面平面圖

試驗結果表明，老堡礦區頻率域激電勘探無法獲得預期效果，試驗暫時失敗，有待下一步更換儀器、方法裝置進行試驗和研究。

2.3 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)勘探效果分析

(1)1020 線CSAMT:1020 線CSAMT 勘 探(圖8)，是在開展時間域激電(掃面和測深)的基礎上開展CSAMT 工作，旨在了解本區巖層、構造分布及其深部產狀變化情況，探測深部礦化層。主要裝置參數為:供電極距AB ＝1500 m，收發距R ＝7800 m，測點距(測點間距離)40 m，MN(測量電極距) ＝40 m，工作頻率1～8192 Hz(加密頻點觀測)，供電電流18 A。

圖8 1020 線CSAMT 二維電阻率斷面圖

由圖8 可見，大致以48 點號為界，往深部出現明顯的高→低阻電性分界，反演視電阻率等值線呈單斜式往北西西傾斜，大致反映了本區巖層的傾向特征。對比地質勘探400 線(平距物探1020 線南側約100 m)的剖面(圖4b)可見，南華系一側總體上反映為中高阻異常特征，震旦系、寒武系巖層總體反映為中低電阻率異常特征，尤以寒武系清溪組碳質泥巖為甚。鉛鋅礦體賦存于陡山沱組白云巖層間破碎帶，在CSAMT 反演斷面上反映礦化帶處于電阻率梯度帶或低阻異常帶中(黎海龍等，2011⑨)。

(2)1160 線與1170 線CSAMT:物探1160 與石門嶺礦段地質勘探129 線重合，1170 線與地質131線基本重合(圖1，圖3)，是在激電掃面圈定激電異常的基礎上選擇性開展的CSAMT 工作，1170 線還開展了時間域激電測深。CSAMT 二維反演結果見圖9 與圖10。物探1160 線、1170 線剖面地電特征相似，寒武系清溪組地層電性變化較大，上部(剖面西側)粉砂巖出現高、低電阻相間變化特征，下部碳質泥巖則呈現明顯的極低阻特征(電阻率值小于1 Ω·m)，是本區引起“低阻屏蔽”現象的主要因素；震旦系老堡組硅質巖、泥巖及陡山沱組碳質泥巖地層亦呈明顯低阻特征(電阻率值約為幾至幾十Ω·m)，無法分辨出礦體所引起的低阻異常；南華系黎家坡組含礫泥巖引起中阻—中高阻異常特征，與上覆震旦系地層有較清晰的電性分界面。鉛鋅礦體賦存于老堡組硅質巖及陡山沱組白云巖中層間破碎帶(或裂隙)中，在CSAMT 反演斷面上反映礦化帶也處于電阻率梯度帶或低阻異常帶中。

圖9 1160 線CSAMT 二維電阻率斷面圖

圖10 1170 線CSAMT 二維電阻率斷面圖

綜上所述，CSAMT 具有較強的“穿透”低阻屏蔽層能力，反映地層的產狀特征明顯，并且能較清晰的分辨出震旦系與南華系的電性分界面，但震旦系和寒武系則沒有顯著的電性界面。對比已知地質剖面發現，雖然礦化層埋深較難定量確定，但礦化層平面位置可依據斷面異常大致圈定，由此可見，CSAMT 勘探在本區是有間接找礦效果的，CSAMT 和TDIP 互相配合在本區具有一定的應用空間。

3 結論

(1)本區的巖層、巖礦石電性特征可歸納為:南華系黎家坡組含礫砂質泥巖為相對高阻特征，震旦系陡山沱組泥巖夾白云巖、細砂巖反映為中-中高阻特征，震旦系老堡組硅質巖為中-中低阻特征，寒武系清溪組碳質泥巖則主要反映為低阻特征，前兩者與后兩者地層之間有明顯的電性變化界面。老堡組硅質巖和清溪組含碳質、低阻巖層在區內形成“低阻屏蔽”層，對電法勘探造成了較為嚴重的影響。除清溪組碳質泥巖具有一定強度極化效應外，其他巖層巖性極化效應較弱。

(2)本區電法勘探具有如下的規律:即由于受“低阻屏蔽”的影響，在寒武系清溪組范圍內接收電位信號小、觀測較困難，南華系范圍內接收的電位信號較大、觀測較易，震旦系則處于兩者之間。

(3)前期開展的時間域激電中間梯度裝置觀測在老堡礦區很難有效應用，單極梯度裝置觀測有一定效果但勘探深度較淺。由激電異常特征和已知礦體特征對比可見，高極化異常與已知礦體平面投影位置及空間賦存位置、產狀特征對應較好，說明由激電異常圈定礦化帶可信度較高。高極化異常主要是由黃鐵礦(化)、鉛鋅礦(化)為主引起，局部地段還疊加了清溪組碳質巖引起的干擾異常，對激電異常的定性要結合具體的地質環境分析。總之，時間域激發極化法在本區間接找礦有一定的勘探效果，關鍵在于要解決勘探深度淺的問題，可嘗試使用較大功率(如30 kW)的發射系統，通過大幅度改善供電電流達到增大勘探深度的目的。

(4)本區使用國產DEM 大功率電法儀在老堡礦區開展的頻率域激電(SIP)試驗無法取得預期效果，在清溪組和老堡組實測數據與“理論數據”相反，即低頻電位小，高頻電位大，計算出的頻散率為負值，視為無效數據，經反復試驗均如此，是儀器原因或其他原因還不明，有待以后更換其他儀器及方法裝置試驗。

(5)由CSAMT 勘探結果可見，寒武系清溪組地層區反映的大地視電阻率僅幾至幾十Ω·m，震旦系地層區反映的大地視電阻率幾十至幾百Ω·m，南華系地層區反映的大地視電阻率幾百至幾萬Ω·m，高低阻異常分帶比較明顯。CSAMT 反演斷面上，各條斷面的形態總體上是一致的，縱向上由淺表到深部巖層電阻率由低阻向高阻漸進，橫向上視電阻率由清溪組→老堡組→陡山沱組→黎家坡組巖層逐漸增大，顯示巖性層與電性層有較好的對應關系，根據視電阻率異常變化規律可大致劃分出地層界線。鉛鋅礦體賦存于老堡組硅質巖及陡山沱組白云巖層間破碎帶(或裂隙)內，在CSAMT 反演斷面上反映礦化帶處于電阻率梯度帶或低阻異常帶中。CSAMT 在本區有效勘探深度可達千米以上，說明該方法在“低阻屏蔽”地區有較強的“穿透力”，可有效運用于類似礦區的深部找礦。CSAMT 屬于電磁法勘探范疇，除此外，可在類似礦區開展大地電磁法測量(AMT)或瞬變電磁法測量(TEM)。

注 釋

①陸懷成，陳忠獻.2001.廣西武宣古立鉛鋅礦區電探工作簡報[R].柳州:廣西地球物理勘察院.

②陸懷成，陳忠獻.2003.廣西岑溪市龍灣鉛鋅礦區物探工作報告[R].柳州:廣西地球物理勘察院.

③陸懷成，陳忠獻.2007.廣西武宣縣朋村鉛鋅礦區激電工作報告[R].柳州:廣西地球物理勘察院.

④陸懷成，陳忠獻.2008.廣西岑溪市大塘鉛鋅礦區電探工作報告[R].柳州:廣西地球物理勘察院.

⑤廣西地質勘查總院第一勘查院.2004.廣西三江縣老堡鉛鋅礦預查報告[R].桂林:廣西地質勘查總院第一勘查院.

⑥廣西271 地質隊.2005.廣西三江縣老堡鉛鋅礦普查工作總結[R].桂林:廣西271 地質隊.

⑦黎海龍，劉秀飛，等.2014.廣西重點地區深部巖體圈定與形態研究報告[R].柳州:廣西地球物理勘察院.

⑧黎海龍，陸懷成，等.2014.綜合物化探在鉛鋅礦勘查中的應用研究報告[R].柳州:廣西地球物理勘察院.

⑨黎海龍，朱國器，等.2011.電磁法在礦產勘查中的應用研究成果報告[R].柳州:廣西地球物理勘察院.