高頻大地電磁測深法在符山鐵礦深部找礦中的應用

李林生,郝進喜,孫天學,魯興明

(五礦邯邢礦業(yè)有限公司， 河北 邯鄲市 056002)

符山鐵礦經(jīng)過了30余年的開采，礦產(chǎn)資源已接近枯竭，在礦區(qū)范圍深部探查新的資源迫在眉睫。根據(jù)已有的地質(zhì)資料，在礦區(qū)范圍內(nèi)進行過高精度的磁法勘探，從磁測解釋成果來看，特別是在尋找礦區(qū)范圍內(nèi)深部(埋深1000 m以下)隱伏礦體方面，磁異常均不明顯，主要原因是磁法勘探受采空區(qū)區(qū)殘留磁鐵礦的磁性干擾較大，且測量深度相對較淺。在目前情況下，如果再進行補充磁法勘探，礦區(qū)地表環(huán)境條件不具備，礦山經(jīng)過了30余年的開采，礦區(qū)環(huán)境遭受了不同程度的破壞，采空區(qū)上方出現(xiàn)不同程度的地表塌陷和大小不一的地裂縫，對操作人員有一定的安全威脅，再加上磁法勘探一般深度較淺，因而很難達到預期的目標。

高頻大地電磁測深(EH-4)是近幾年應用較廣泛的一種物探方法，在公路、隧道、地質(zhì)構(gòu)造等方面有許多成功的應用實例，受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛認可。與其它物探方法相比，它具有抗干擾強、測量深度大且攜帶方便等特點[4]。通過對比分析，最終選取高頻大地電磁測深(EH-4)來尋找地表埋深在1000 m以下的隱伏磁性礦化體。本文以其在符山鐵礦深部找礦中應用為工程實例，依據(jù)物探方法選取原則，采用高頻大地電磁測深技術，并利用鉆探手段對新探測的異常進行了驗證[2]，對指導同類型礦山進行深部找礦有一定的借鑒意義。

1 高頻大地電磁測深(EH-4)工作原理

1.1 工作原理

EH-4電磁系統(tǒng)的設計原理是應用大地電磁探測法。大地電磁探測法是利用交變電磁場研究地球電性結(jié)構(gòu)的一種地球物理勘探方法。假定電場傳播的介質(zhì)為均勻各向同性，其激發(fā)電源一般是利用雷電等入射到地球上的天然電磁場，其產(chǎn)生的平面電磁波垂直入射到大地介質(zhì)中，將會產(chǎn)生感應的電場和磁場[4]。

在高頻大地電磁測深中，有3個重要的技術參數(shù)，即：波阻抗，趨膚深度，視電阻率。

波阻抗即電場分量與磁場分量之比，其大小與介質(zhì)的電阻率和電磁波頻率有關：

Z(ω,z)=Ex(z)/Hy(z)=(πρμf(1-i))1/2

(1)

由方程式(1) 求得電阻率為:

(2)

式中,μ為真空磁導率，E的單位是mV/ km ，H的單位是nT，f為電磁波頻率，ρ是視電阻率，單位是Ω· m ，在一般的非均勻介質(zhì)中，其不是介質(zhì)的真實電阻率，而是在電磁場分布范圍內(nèi)，介質(zhì)電阻率的綜合反映，故稱為視電阻率。

趨膚深度(δ)是指把電磁場(E、H)在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度。

(3)

由(3)式可知，趨膚深度(δ)將隨電阻率(ρ)和頻率(f)變化，測量是在和地下研究深度相對應的頻帶上進行的。一般來說，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位。由于不同種類的巖石電阻率存在明顯的差異，通過研究電阻率差異來劃分地下異常體。

2 工程應用實例

2.1 地質(zhì)概況

符山鐵礦床地處太行臺拱的武安凹斷折束之西，本區(qū)為我國重要的“邯邢式”鐵礦成礦帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，主要有北北東向克老窯斷層、木井斷層及北東-南西向涉縣斷層。區(qū)內(nèi)與成礦有關的巖漿巖為符山侵入體，其形成于燕山期，巖漿活動過程中沿克老窯斷層與涉縣斷層的交叉處侵入而成，研究表明，巖體的巖性為酸飽和的鈣堿性巖石，巖體在平面展布上呈不規(guī)則的橢圓形南北稍長，東西較短，直徑約10 km，巖體中心自內(nèi)向外巖性依次為下古生界寒武系的頁巖等、奧陶系灰?guī)r。在巖體的內(nèi)部，許多大小不等的灰?guī)r巖體被捕獲，成為捕擄體，在賦礦的有利地段富集成礦，符山鐵礦床就是在這種背景下形成的。

符山鐵礦地表大部被巖石覆蓋，區(qū)內(nèi)已查明的地層巖性較簡單，自下而上依次為寒武系頁巖、灰?guī)r，燕山期閃長巖、奧陶系灰?guī)r和第四系黃土、粘土等。

符山鐵礦已查明的礦體主要有3個，依次編號為一礦體、四礦體和六礦體，其中四礦體為主礦體。礦體均賦存于奧陶系灰?guī)r與燕山期閃長巖接觸帶。頂板巖性主要為奧陶系灰?guī)r，底板巖性主要為燕山期閃長巖。一礦體為露天開采，于1993年年底閉坑。四礦體采用地下開采，平硐開拓，于2000年一次回采結(jié)束。六礦體采用地下開采，平硐開拓，于1988年年底一次回采結(jié)束。目前，礦山主要以殘礦回收為主，在回采過程中新發(fā)現(xiàn)多個小的獨立盲礦體，均為閃長巖捕擄體，礦體規(guī)模極小。

2.2 礦區(qū)地球物理特征

在物探工作開展之前對符山礦區(qū)的巖礦石標本進行了物性參數(shù)測量。在符山礦區(qū)采集巖礦石標本150余塊，其中巖礦石種類主要有灰?guī)r、閃長巖、大理巖、矽卡巖及磁鐵礦石。巖礦石標本經(jīng)24 h的浸泡后，采用中南大學自主研發(fā)的SQ-3C型雙頻激電儀進行測量，然后對每種巖礦石的電阻率和副頻率測量結(jié)果進行統(tǒng)計分析，分別繪制了5種巖礦石電阻率和副頻率統(tǒng)計結(jié)果圖，見圖1和2。

2.3 探測成果

在符山鐵礦共布設了7條測線，從南向北依次編號為-1線、0線、1線、2線、4線、6線和8線，測線長度分別為900,1300,1260,700,700,700,700 m，網(wǎng)度為(100～200) m×20 m。對-1線、0線、1線的數(shù)據(jù)進行了二維反演解釋，各條線具體探測成果如下。

圖1 五種巖礦石電阻率統(tǒng)計結(jié)果圖

圖2 五種巖礦石副頻率統(tǒng)計結(jié)果

(1) -1線探測成果。從圖3中可以看出，地層大致分為3層，上覆地層電阻率10～1000 Ω·m，推斷為風化的閃長巖，風化裂隙較為發(fā)育，可能含少量的裂隙水，該層厚度約為10～420 m；中間地層電阻率變化范圍20～6000 Ω·m，推斷為灰?guī)r，厚度約680～1300 m，并出露于地表。在灰?guī)r地層中有一低阻異常體，電阻率10～200 Ω·m，異常寬約200 m，向下延伸長度約600 m，為該斷面成礦條件較有利的地段，記為物探異常WT2。在樁號100～200 m之間，電阻率等值線在橫向上梯度變化較大，推斷有一斷層通過，記為F3，傾向南西，傾角約85°。下覆地層電阻率在300～2000 Ω·m范圍內(nèi)變化，推斷為閃長巖。

圖3符山鐵礦-1線高頻大地電磁測深綜合解釋成果

圖4 符山鐵礦0線高頻大地電磁測深綜合解釋成果

(2) 0線探測成果。從圖4中可以看出，地層大致分為3層，上覆地層電阻率150～1000 Ω·m，推斷為風化的閃長巖，風化裂隙較為發(fā)育，可能含少量的裂隙水，該層厚度約為10～400 m；中間地層電阻率變化范圍200～10000 Ω·m，推斷為灰?guī)r，厚度約350～1000 m，并出露于地表。在灰?guī)r地層中有兩個低阻異常體，為該斷面成礦條件較有利的地段，分別記為物探異常WT2和WT3。WT2異常電阻率約200 Ω·m，異常沿測線的延伸約500 m，厚度約150 m。WT3異常電阻率變化范圍100～200 Ω·m，異常沿測線延伸約300 m，向下延伸約500 m。異常WT2和WT3的異常規(guī)模相對較大。在樁號-50～0 m之間，電阻率等值線在橫向上梯度變化較大，推斷有一斷層通過，記為F3，傾向南西，傾角約85°。在樁號450～500 m之間，電阻率等值線在橫向上梯度變化較大，推斷有一斷層通過，記為F4，傾向南東，傾角約85°。下腹地層電阻率在400～2000 Ω·m范圍內(nèi)變化，推斷為閃長巖。

(3) 1線探測成果。從圖5中可以看出，地層大致分為3層，上覆地層電阻率100～1600 Ω·m，推斷為風化的閃長巖，風化裂隙較為發(fā)育，可能含少量的裂隙水，該層厚度約為10～660 m；中間地層電阻率變化范圍300～12000 Ω·m，推斷為灰?guī)r，厚度約500～1100 m，并出露于地表。在灰?guī)r地層中有一低阻異常體，電阻率約300 Ω·m，異常寬約100 m，向下延伸長度約400 m，為該斷面成礦條件較有利的地段，記為物探異常WT3。在樁號-10～140 m之間，電阻率等值線在橫向上梯度變化較大，推斷有一斷層通過，記為F3，南西傾向，傾角約80°。在樁號550～750 m之間，電阻率等值線在橫向上梯度變化較大，推斷有一斷層通過，記為F4，南東傾向，傾角約80°。下腹地層電阻率在1000～5000 Ω·m范圍內(nèi)變化，推斷為閃長巖。

根據(jù)高頻大地電磁測深工作原理，在斷面上，電阻率等值線密集帶或橫向斜率突變帶，說明在該處兩側(cè)存在不同地質(zhì)體，往往是不同電性地質(zhì)層的分界處或斷裂帶。從已有的地質(zhì)資料來看，符山鐵礦已查明的礦體主要產(chǎn)于灰?guī)r與閃長巖的接觸帶上，礦體產(chǎn)狀一般較陡，在高頻大地電磁測深反演剖面上一般表現(xiàn)為差異明顯且傾角相對較大的低阻區(qū)。通過對EH-4反演斷面圖進行綜合分析認為，在測線號-1線～1線之間，樁號-300～200 m之間，存在一連續(xù)的低阻異常，命名為WT2，頂?shù)装迓裆罴s200～850 m，從平面圖看，該異常向南方向未封閉。在測線號0線～1線之間，存在一連續(xù)的低阻異常，命名為WT3，頂?shù)装迓裆罴s200～700 m。根據(jù)異常的形態(tài)和規(guī)模，并結(jié)合已有地質(zhì)資料綜合分析認為，異常WT2和WT3由礦化體引起的可能性較大，是礦區(qū)內(nèi)成礦的有利地段。

圖5符山炸藥庫測區(qū)1線高頻大地電磁測深綜合解釋成果

3 EH-4與鉆探成果對比分析

3.1 EH-4與鉆探成果對比分析

鉆探技術是獲得地下蘊藏的真實地質(zhì)資料和直接信息的一種技術。通過鉆探可對所取得的地質(zhì)和礦產(chǎn)資源參數(shù)作出評價[1]。為驗證異常WT2和WT3，分別在地表各布設了一個鉆孔，鉆孔依次編號為ZK01和ZK02，鉆探施工深度分別為850 m和1250 m，兩鉆孔均穿過了異常的中心和底板最低賦存標高。從鉆探成果來看，兩鉆孔均未揭露礦化體，鉆孔揭露出下古生界寒武系地層中的泥質(zhì)灰?guī)r和頁巖厚度較大，具有一定的規(guī)模和走向，經(jīng)取樣化驗呈低電阻特征，對于異常WT2和WT3由泥質(zhì)灰?guī)r和頁巖體引起的可能性較大。因而，綜合分析本次深部找礦成果認為，在符山鐵礦區(qū)范圍內(nèi)自地表垂直向下1500 m以內(nèi)存在隱伏礦化體的可能性較小。

3.2 存在的問題及建議

(1) 高頻大地電磁測深法(EH-4)具有抗干擾強、測量深度大且攜帶方便等特點，盡管此物探方法具有很多優(yōu)點，但單一的方法針對的物性單一，因而在物探方法的選取方面建議要以長補短、與其它物探方法相結(jié)合，對探測成果進行對比分析，以得出較可靠的解釋成果。

(2) EH-4技術的關鍵還是測定各種巖石和礦物的電導率，據(jù)此區(qū)分礦巖，所以在使用此方法前，要結(jié)合礦區(qū)的標準地層，全面準確的測量統(tǒng)計分析各巖層的電導率。本次物探正是因為只測試礦區(qū)巖礦，忽視了古地層巖石的物理特性，所以對引起異常的解釋與鉆探驗證存在偏差，建議在解釋物探資料前,要全面收集礦區(qū)的各種巖礦石的地球物理特征和相應的地質(zhì)資料，以便得出更加合理的解釋成果。

(3) 對于地層中的含水巖層與磁性礦化體的電導率很接近，如何定性、準確的區(qū)分兩者的地球物理學特性是今后在使用高頻大地電磁測深法(EH-4)尋找磁性礦化體方面值得探討的問題。

4 結(jié)束語

高頻大地電磁測深法(EH-4)作為一種新的物探方法，其具有抗干擾強、測量深度大等特點，通過其在符山鐵礦的應用，對探測數(shù)據(jù)進行二維反演解釋，基本反映了符山鐵礦埋深在1500 m以內(nèi)地層的地球物理學特征，利用鉆探對探測的低電阻體異常進行驗證，其反演解釋的低電阻體的規(guī)模、形態(tài)與鉆探揭露基本吻合，因而，高頻大地電磁測深法在探測低電阻體(含水構(gòu)造、含水巖體等)方面有良好的應用前景，但如何定性解釋低電阻體是由哪種介質(zhì)所引起的，這是今后在應用高頻大地電磁測深法(EH-4)值得探討的問題。

參考文獻：

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