廣域電磁法在新疆哈密卡拉塔格礦集區勘查中的應用

劉洋，王健，尹志超

(中色杰泰地球物理科技(北京)有限公司，北京 100012)

0 引言

隨著礦產資源勘查逐步走向深部，常規的直流電測深已無法滿足勘探需求，CSAMT采用人工源，克服了MT及AMT天然場場源隨機、響應信號弱的缺點，在資源勘查領域得到了迅速的發展及應用。“源”的引入同樣也帶來了場源效應(石昆法，1999；李金銘2005)，國內外學者對其進行了眾多研究，然而校正方法尚不成熟(王剛，2012)。就目前的實際應用而言，野外作業時盡量保證在遠區場觀測依然是最為合理的方案(湯井田等，2013)。

何繼善院士針對CSAMT法近區觀測的不足，提出廣域電磁法，并在油氣勘探、固體礦產勘探、地熱勘探等領域取得了較為廣泛的應用(梁維天等，2020；田紅軍等，2020③；王宏宇等，2020)。廣域電磁法放棄了卡尼亞公式的“平面波”思維，精確求解電磁波方程，可以在滿足偶極子條件的廣大區域開展測量工作，用較小的收發距可獲得較大的勘探深度(何繼善，2010，2020)。

卡拉塔格礦集區位于新疆東部，屬于荒漠戈壁景觀區，區內分布有大量的鹽堿層及覆蓋層，電阻率范圍多在10～80 Ω·m，低阻屏蔽影響勘探深度。雖然增大收發距，可以增加勘探深度，但電場振幅和磁場振幅迅速減小，礦區勘查難以獲得有效信號，制約了深部找礦的突破。本文分別以卡拉塔格礦集區巖漿巖型銅鎳礦和VMS型銅多礦金屬礦勘查為例，開展廣域電磁測深應用試驗，經與已有CSAMT、激電測深成果對比，除淺部結果吻合度較高外，還在深部發現更多的找礦異常線索，探測深度有了很大的突破。

1 地質—地球物理背景

1.1 區域地質特征

卡拉塔格礦集區位于吐哈盆地南緣晚古生代構造“天窗”中(秦克章等，2001；王京彬等，2006)，屬于大南湖—頭蘇泉島弧帶北段。卡拉塔格核部出露一套巨厚的奧陶系大柳溝組火山巖—火山碎屑巖建造(簡稱為卡拉塔格隆起區)，其巖性從玄武巖連續演化至流紋巖，為卡拉塔格地區重要的賦礦層位(方同輝等，2002；馬志杰等，2021)，向外過渡為泥盆系大南湖組火山碎屑巖、二疊系阿爾巴薩依組火山巖，以及中新生代沉積物(鄧小華等，2014，2018)。

卡拉塔格地區斷裂構造發育，主要有北西西、北北西和北東東3組斷裂(圖1)。北西西向卡拉塔格斷裂與區域構造線展布方向一致，形成始于奧陶紀，具有多階段演化、多性質轉換的特點，是區內重要的控巖控礦斷裂;北北西向斷裂為卡拉塔格斷裂的次級斷裂，具有等距平行相間展布的特點，是區內重要的控礦斷裂;北東東向斷裂為左行走滑斷裂，錯斷北北西向斷裂，切割了后期侵入的花崗巖體。

圖1 卡拉塔格地質簡圖(a.據鄧小華，2018修改)；視電阻率異常平面圖(b)；布格重力異常平面圖(c)；航磁異常平面圖(d)

近年來礦產調查和綜合研究將本區礦產劃分為3類成礦系列：核部發育與早古生代海相火山巖建造有關的VMS銅鋅多金屬礦；巖體與下古生界地層接觸帶發育的海西期斑巖—矽卡巖型礦床；外圍上古生界地層中發育與二疊紀基性巖有關的銅鎳硫化物礦床。

1.2 區域地球物理特征

卡拉塔格一帶重磁高異常總體呈東西展布，反映的區內大地構造的隆凹格局，區域高磁高重異常揭示了其深部存在具有強磁性、高密度隱伏中基性火山巖隆起。早期火山活動產生的高磁、高重基性火山巖隆起受其后多期次火山熱液活動影響，導致巖石蝕變退磁現象較強，磁異常表現出具有復雜、分布不均勻的特征。核部發育的與早古生代海相火山巖相關的VMS銅多金屬礦床多產于具有高磁背景的“低磁盆地”；外圍發育的與二疊紀幔源巖漿活動形成的基性—超基性雜巖體有關的銅鎳硫化物礦床多為高磁、高重特征。

卡拉塔格隆起區核部早古生代地層電阻率范圍為150～650 Ω·m，泥盆系地層電阻率在60～150 Ω·m，下石炭和上二疊統地層視電阻率普遍在50 Ω·m以下，電阻率與地層年代及巖石的基性程度呈正相關，為電磁測深工作劃分地層、巖體及構造提供依據。本次工作針對的巖漿巖型銅鎳礦點，圍巖為一套具有高阻特征的基性雜巖體，硫化物礦石與輝長巖類、玄武巖及火山碎屑巖等各巖性電性差異明顯；VMS型銅多金屬礦區，與成礦相關的流紋斑巖及含礦凝灰巖層與上覆火山角礫巖及下伏的安山巖電阻率差異較大，具備開展電法工作找礦的物性前提。

2 廣域電磁應用效果對比

本文分別以卡拉塔格西月牙灣巖漿巖型銅鎳礦點和東部某VMS型銅多金屬礦勘查為例，對比了廣域電磁法與CSAMT和激電測深的應用效果。

2.1 銅鎳礦勘查區

2.1.1 地質—地球物理特征

月牙灣銅鎳礦位于卡拉塔格礦集區西部，其發現將東天山巖漿巖型硫化物礦床找礦空間向北擴展到大南湖島弧帶內(呂曉強等，2019)。礦區主要發育有Y1和Y2雜巖體(圖2)，北部Y1巖體呈南北走向，主要賦礦巖性為橄欖輝長巖，圍巖為安山玄武巖、玄武質凝灰巖、角礫凝灰巖等。巖體為高重(0.1×10-5～0.7×10-5m /s2)、高磁(0～500 nT)、高極化(1%～7%)特征，出現的局部低阻指示了基性—超基性巖體中的礦體賦存部位，具有銅鎳礦床典型的“三高一低”特征。Y2巖體呈北西走向，為高重(0.1～0.6×10-5m/s2)、強負磁(-400～-8000 nT)、高阻特征，由F1斷裂與Y1巖體隔開，東南角局部有弱極化異常。

圖2 月牙灣銅鎳礦地質—地球物理綜合異常平面圖

2.1.2 原始數據對比

月牙灣Y6測線分別穿過Y1、Y2巖體，測線方位15°，在不同年度分別開展了CSAMT及廣域電磁測深工作，兩種方法工作點距均為50 m。其中，CSAMT測深方法采用TXU-30發射機和V8接收機，收發距r=21 km，發射偶極距2 km，最大發射電流19 A，采集頻率范圍7600～0.5 Hz。廣域電磁測深使用收發距11 km，發射偶極距1.1 km，最大發射電流71 A，頻率范圍為8192～0.0117 Hz。

分別選取同測點CSAMT及廣域視電阻率數據繪制頻率—視電阻率曲線對比圖(圖3)。由于采用了不同的發射源及計算公式，兩種方法在同測點視電阻率曲線存在差異，但中頻段均呈“H”型曲線，其局部低阻異常對應為高品位礦化體的賦存空間。CSAMT方法受場源效應影響，其視電阻率曲線在20～10 Hz附近有明顯的“過渡區”低阻特征，隨后呈45°上升趨勢，表現為“近場”區特征。廣域電磁法施工由于采用了比CSAMT小一半的收發距，其視電阻率曲線近區特征提前了部分頻點，但曲線未出現與CSAMT相似的“過渡區”特征。廣域視電阻率曲線在2 Hz附近開始趨于水平，表示在當前收發距限制下探測深度已達到極限，其后出現的下降趨勢應與低頻電磁信號中開始出現的激電效應有關。

圖3 975號點視電阻率曲線對比圖

通過兩種方法原始數據曲線對比，廣域電磁法由于采用精確的計算公式，相較于傳統CSAMT方法，可有效利用過渡區及部分近區數據，在縮小收發距、保證信號強度的前提下也能獲得較大的探測深度，但其探測深度仍然受收發距的限制。

2.1.3 綜合異常解釋

結合平面重磁電數據、鉆孔資料及二維反演結果繪制Y6線綜合剖面圖。其中，CSAMT采用非線性共軛梯度法對遠區數據進行反演，廣域電磁法二維反演斷面由繼善高科技術人員提供。

CSAMT反演斷面上低阻異常與鉆孔控制的高品位銅鎳礦體(紅色陰影)位置吻合，主要賦礦巖性為橄欖輝長巖及橄長巖，地表對應“三高一低”異常組合。上部高阻異常對應為相對高阻的輝長巖及角閃輝長巖，鉆孔底部為角礫凝灰巖，外圍的高阻異常體為區內電阻率最高的安山質玄武巖(淺藍色)。CSAMT數據反演時由于截斷了20 Hz以下的過渡區及近場數據，反演斷面電阻率在-200 m標高以下已無明顯變化，深部信息已無法分辨。實際工作已無法再通過單一的改變觀測裝置而顯著地增大探測深度。

廣域電磁測深相較于CSAMT方法在反演深度上成倍提升，然而其反演結果在淺部與CSAMT有較大差異，其淺部電性特征更趨于水平，推測與其僅利用電場信息的計算公式、發射場源、反演算法等因素有關。從宏觀上看，其主要橫向電阻率界面與CSAMT方法基本一致，電性界面推斷F1、F2位置也吻合，鉆孔控制的高品位礦體與局部低阻異常位置吻合。廣域電磁法在探測深度上的優勢明顯，針對CSAMT測深向下延伸的低阻異常是否為未有效反映的巖漿熱液通道的問題及深部是否存在第二巖漿房的推測提供了佐證信息。

2.2 VMS型銅多金屬礦勘查

2.2.1 地質—地球物理特征

測區位于北西西向卡拉塔格斷裂北側，北側出露上奧陶統—下志留統荒草坡群大柳溝組第三段火山碎屑巖建造，局部發育北西向展布的流紋斑巖次火山巖建造，區內主要激電異常與之相關。

根據平面異常在同線部署激電測深及廣域電磁測深剖面，由南至北分別穿過IP1、IP2極化率異常中心，在IP3處僅控制其在東南方向延伸的尾部，幾處異常均為低阻、高極化組合，為區內硫化物富集段。

圖4 激電中梯剖面(a)；重磁剖面(b)；地質簡圖(c)；CSAMT反演斷面圖(d)；廣域反演斷面圖(e)

2.2.2 工作方法簡述

激電測深使用聯合三級裝置，a=50 m、隔離系數n=1～16、MN=100 m，采用Res2dinv軟件反演。

廣域電磁測深點距100 m，收發距r=21 km，發射偶極距為1.1 km，最大發射電流93 A，觀測頻率范圍8192～0.0117 Hz，頻點數40個。

圖5 測區地質—地球物理簡圖1—第四系覆蓋；2—下泥盆統大南湖組第一段；3—下泥盆統大南湖組第二段；4—上奧陶統—下志留統荒草坡群大柳溝組第三段；5—上奧陶統—下志留統荒草坡群大柳溝組第四段；6—灰巖；7—流紋斑巖；8—視極化率等值線；9—視電阻率剖平圖；10—測深剖面

2.2.3 綜合異常解釋

在剖面方向提取的網格化重磁電數據，結合激電測深及廣域電磁法反演結果繪制綜合剖面圖(圖6)。

圖6 激電中梯剖面(a)；重磁剖面(b)；極化率反演斷面圖(c)；電阻率反演斷面圖(d)；廣域反演斷面圖(e)

激電測深結果顯示在100～400 m標高處存在一個局部低阻層位，對應為高極化異常。根據已有的4個鉆孔資料，淺部覆蓋層以下為高阻的火山角礫巖；中部150～350 m段為硫化物斷續發育的含礦凝灰巖層，黃鐵礦含量普遍在5%以上，局部呈脈狀或致密團塊狀；底部為高阻的安山巖。激電測深所反映的電性界面深度與鉆孔信息吻合，低阻、高極化異常處于局部高重力、低磁空間，異常組合特征與區內VMS型礦床相似。

同線開展的廣域電磁測深雖然采用了100 m點距，但其反演結果在500 m深度之內整體與激電測深電阻率斷面有相似的電性特征，異常細節存在些許差異。區域布格重力異常在測線方向上北高南低，反映高密度基底界面向北有逐步抬升的趨勢，兩種方法深部高阻界面在北側均有抬升的趨勢與區域重力特征吻合。激電測深反演結果在深度上更為準確，高阻界面與鉆孔揭露安山巖位置一致，廣域反演結果上高、低阻電性分界面的深度相對偏大，但其探測深度遠大于激電測深。

測深剖面在900號點附近區域重力異常有局部下降趨勢，視極化率異常陡立，兩種方法反演斷面圖上有明顯的斷裂特征，與地表實測的北西向斷裂F2位置一致，此處出現的局部高磁異常反映了沿斷裂侵入的高磁性火山巖。根據廣域電磁測深結果，推斷的F2斷裂向深部有一定規模的延伸趨勢，傾向為北東，產狀陡立。F2斷裂北側高阻界面向北逐步抬升，推斷北側為向上抬升的逆斷層上盤，與區域上早古生代卡拉塔格隆起區產生的高重力異常特征一致。南側深部在-600 m標高處的低阻異常區與北側100 m處的低阻異常推測應為同一層位，受卡拉塔格核部隆起的影響而抬升。結合鉆探資料在300 m深度附近揭露的硫化物聚集的低阻、高極化凝灰巖層，推斷深部具有較好的找礦潛力。

3 結論與建議

(1)本文結合地質、鉆探及綜合物探資料對廣域電磁測深在卡拉塔格礦集區巖漿巖型銅鎳礦和VMS型銅多金屬礦勘查中的應用效果進行了對比，相較于常規探測手段，廣域電磁法在探測深度上的優勢明顯。

(2)卡拉塔格荒漠戈壁低阻覆蓋區CSAMT方法勘探深度受近場條件限制大，廣域電磁法采用全區視電阻率定義，改善了非遠區的畸變效應，可在使用較小收發距的前提下增加勘探深度和信噪比。

(3)根據本次工作也對廣域電磁法提出以下兩點疑問：高頻段普遍出現的虛假異常是否與采集信號的篩選機制有關；卡尼亞視電阻率公式采用電場和磁場的比值進行了歸一化，實測視電阻率與場源無明顯相關性，僅采用電場分量計算的廣域視電阻率在裝置參數不變時，實測視電阻率會因發射源選取出現整體抬升或下降，是否會引起反演結果深度的不準確。