自然電場(chǎng)法在晶質(zhì)石墨找礦中的應(yīng)用研究

羅小文，王書(shū)春，曹 毅

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖北總隊(duì)，湖北 武漢 430030）

自然電場(chǎng)法在晶質(zhì)石墨找礦中的應(yīng)用研究

羅小文，王書(shū)春，曹 毅

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖北總隊(duì)，湖北 武漢 430030）

以充分利用晶質(zhì)石墨的物性為前提，發(fā)揮自然電場(chǎng)法的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)自然電場(chǎng)法的基本規(guī)律，找出有進(jìn)一步工作的靶區(qū)。

晶質(zhì)石墨；自然電場(chǎng)法；物探異常；異常查證

1 概述

晶質(zhì)石墨作為國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源，在未來(lái)的市場(chǎng)前景十分廣闊。傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用，如：耐火材料行業(yè)、鋼鐵行業(yè)等對(duì)晶質(zhì)石墨的持續(xù)需求；新興產(chǎn)業(yè)的興起，如：高性能石墨導(dǎo)電材料、密封材料、環(huán)保材料、熱交換材料、石墨烯等新興材料以及制品產(chǎn)業(yè)等快速發(fā)展。這給晶質(zhì)石墨資源的勘探、開(kāi)采、產(chǎn)業(yè)整合及規(guī)劃等方面提出了更高的要求。

自然電場(chǎng)法(簡(jiǎn)稱“自電”)是研究巖石、礦石和地下水之間產(chǎn)生的氧化—還原電化學(xué)反應(yīng)(包括在大地電流、雷電放電等電流場(chǎng)長(zhǎng)期激勵(lì)下的電化學(xué)反應(yīng))，以及地下水滲透、擴(kuò)散作用、生物化學(xué)、氣體交換和熱電效應(yīng)等產(chǎn)生的穩(wěn)定或緩慢變化的自然電場(chǎng)的分布規(guī)律，是解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的地球物理方法之一。而晶質(zhì)石墨具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的化學(xué)特性，使得近于地表的晶質(zhì)石墨產(chǎn)生很強(qiáng)的自然電場(chǎng)。所以，用自電方法進(jìn)行晶質(zhì)石墨資源勘查，依據(jù)充分，物理前提具備。

應(yīng)用自電在湖北省某地發(fā)現(xiàn)兩個(gè)重要的石墨資源成礦區(qū)，一個(gè)是湖北省大別山西部“武當(dāng)—桐柏—大別山成礦帶”，地層屬桐柏—大別山地層區(qū)，大面積出露前寒武系變質(zhì)巖系，主要為中元古代紅安巖群及新生代第四系沖積物。而紅安巖群七角山組下段(Pt2q1)的第一巖性段(Pt2q1-1)為一套含晶質(zhì)石墨巖系，主要為白云片巖、白云石英片巖、石墨片巖、含石墨白云片巖、石英巖等，厚約301.5m。這幾種含礦巖石都經(jīng)受過(guò)一定程度的區(qū)域變質(zhì)作用，有利于晶質(zhì)石墨礦的賦存。二個(gè)是湖北省宜昌市霧渡河湘西—鄂西成礦帶，大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)上揚(yáng)子臺(tái)坪鄂中褶斷區(qū)黃陵斷穹北部之圈椅倘穹窿。礦床賦存于上太古界—下元古界水月寺群黃良河組((Ar2-Pt1)h)。

2 自然電場(chǎng)及干擾電場(chǎng)分布規(guī)律

2.1 自電異常分布規(guī)律

(1) 晶質(zhì)石墨所產(chǎn)生有意義的負(fù)異常一般分布在山谷、鞍部和盆地洼地負(fù)地形處。這是因?yàn)榫з|(zhì)石墨礦(化)原巖大都處于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化狀態(tài)，通過(guò)雨水的搬運(yùn)而賦存于此(見(jiàn)圖1)。

圖1 湖北省某石墨礦自電負(fù)異常分布

(2) 晶質(zhì)石墨礦的圍巖主要為輝長(zhǎng)輝綠巖、斜長(zhǎng)花崗巖、片麻巖、大理巖等，均產(chǎn)生較高的自電正異常；可高達(dá)-80～+450mV，而且分布較廣。賦存于某些層位的晶質(zhì)石墨礦(化)產(chǎn)生的自電負(fù)異常一般為-150～-550mV，最低可到-650mV。

(3) 晶質(zhì)石墨礦所產(chǎn)生的自電負(fù)異常均與礦體走向一致。

2.2 “礦致異?！碧卣?/h3>

在發(fā)現(xiàn)自電異常后(尤其高負(fù)值異常)，要特別注意觀察附近地形、地質(zhì)、水文轉(zhuǎn)石等情況，以便對(duì)產(chǎn)生的異常原因和性質(zhì)進(jìn)行初步判斷?？偨Y(jié)多年在湖北省自電工作經(jīng)驗(yàn)，礦致異常的主要特點(diǎn)：每條測(cè)線有負(fù)異常最大值，異常強(qiáng)度梯度變化率大(指每米變化的異常值)，異常沿測(cè)線上有一定的寬度，同時(shí)每條測(cè)線上最大負(fù)值構(gòu)成較長(zhǎng)的異常軸，沿走向延續(xù)性好。圖2是湖北省某石墨礦礦致異常特征圖，異常負(fù)值大，常達(dá)到-500mV，異常范圍小。

圖2 湖北省某石墨礦礦致異常特征

2.3 干擾電場(chǎng)及其分布特征

2.3.1 過(guò)濾電場(chǎng)

地下水在巖石裂隙運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，帶走溶解于水中的部分陽(yáng)離子留下陰離子，這樣在上游會(huì)留下多余的陰離子，在下游有多余的陽(yáng)離子，因而破壞了正負(fù)電荷的平衡，形成極化，這種極化的結(jié)果，將沿水流方向產(chǎn)生電位差，叫流動(dòng)電位。在此種極化機(jī)理中，好似水流過(guò)巖石時(shí)，巖石顆粒濾下了部分陰離子，故在電法勘探中形象地稱由此形成的自然極化電流場(chǎng)為過(guò)濾電場(chǎng)。

地殼中的過(guò)濾電場(chǎng)主要有裂隙滲漏電場(chǎng)、上升泉電場(chǎng)、山地電場(chǎng)和河流電場(chǎng)等，這類自然電場(chǎng)都與地下水的流動(dòng)有關(guān)。對(duì)于應(yīng)用自然電場(chǎng)法尋找晶質(zhì)石墨礦來(lái)說(shuō)，各種過(guò)濾電場(chǎng)則是一種干擾。

這種干擾電場(chǎng)與礦致異常所產(chǎn)生的異常相互疊加，使得區(qū)分變得相當(dāng)困難，因此在開(kāi)展自電工作時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)雨季特別是雨后，因?yàn)榇藭r(shí)地表徑流水和地下徑流水非?；钴S，干擾電場(chǎng)很大，這就人為地避開(kāi)了干擾因素。

(1) 水流電場(chǎng)。

研究過(guò)濾電場(chǎng)對(duì)自然電場(chǎng)法電位測(cè)量的干擾程度和在水工物探中利用它的可能性，需要估算它的電位異常幅度極大值ΔUmax?？衫孟率接?jì)算：

式中：ρ水為地下水的電阻率(Ω·m)；ΔP為引起地下水流的水壓差(kPa)，每十米水柱的水壓約等于一個(gè)大氣壓。

(2) 山地電場(chǎng)。

自然電場(chǎng)法電位測(cè)量通過(guò)地形高差80m，山地電場(chǎng)達(dá)-30mV，山地電場(chǎng)與地形剖面呈鏡像反映(見(jiàn)圖3)。

圖3 山地電場(chǎng)

2.3.2 隨時(shí)間變化的干擾電場(chǎng)

(1) 異常場(chǎng)隨季節(jié)變化，實(shí)際上就是雨季與旱季，雨季異常值變化大(達(dá)-100mV)，旱季接近正常值，原負(fù)異常變成正異常。

(2) 電場(chǎng)強(qiáng)度與溫度有明顯的變化關(guān)系，溫度起伏大，電場(chǎng)變化也劇烈。

由于自然條件復(fù)雜，往往區(qū)分礦致異常與非礦致異常非常困難，綜合考慮各方面因素，特別是地質(zhì)查證工作是排除干擾場(chǎng)的重要方法。

2.3.3 其他干擾電場(chǎng)

其他干擾電場(chǎng)包括自然界雷電形成的電場(chǎng)、黃鐵礦形成的自然電場(chǎng)、變壓器接地、高壓線、工礦企業(yè)形成的散流電場(chǎng)等。這些干擾電場(chǎng)受時(shí)間、區(qū)域限制，采取措施很容易消除。

3 異常解釋與查證

物探異常解釋分定性解釋和定量解釋。定性解釋是根據(jù)異常的特征，結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、水文、巖性及物性和其他資料，初步判斷引起異常原因的過(guò)程。定量解釋是在定性解釋的基礎(chǔ)上，選擇異常變化大，典型且具有代表性的剖面(通常稱精測(cè)剖面)進(jìn)行測(cè)量，利用數(shù)學(xué)計(jì)算或其他方法求出地質(zhì)體的埋深、產(chǎn)狀、空間位置等，有時(shí)還可以推算物性參數(shù)。

3.1 自電異常解釋

3.1.1 自電解釋基本原則

物探資料推斷解釋的基本原則是地質(zhì)—物性原則，這是正確進(jìn)行異常解釋的基本前提。

石墨具有良好的導(dǎo)電性和活躍的電化學(xué)特性；而不含礦的圍巖—輝長(zhǎng)輝綠巖、斜長(zhǎng)花崗巖、片麻巖、大理巖類則呈高阻電性特征和惰寂的電化學(xué)特征，兩者間的電性差異十分明顯。而依據(jù)自電和異檢工作中所獲得的視電阻率異常的形態(tài)、賦存深度、延伸展布等特征，可進(jìn)一步推斷地下石墨地質(zhì)體的賦存特征。

3.1.2 異常分類原則

遵循從已知到未知的原則，以已知的晶質(zhì)石墨礦物探異常特征為標(biāo)準(zhǔn)，用其他地段的物探異常特征與之對(duì)比，并結(jié)合測(cè)區(qū)含礦地層、電性參數(shù)、找礦標(biāo)識(shí)、異常地段的地質(zhì)資料和工程驗(yàn)證結(jié)果等情況得出如下認(rèn)識(shí)：

自電異常屬性特征：指強(qiáng)度(負(fù)的幅值)、規(guī)模(長(zhǎng)×寬)、剖面形態(tài)特征等。

異常檢查屬性特征：指精測(cè)剖面異常的形態(tài)特征、聯(lián)剖和電測(cè)深異常(反映)特征等。

異常所處礦化地質(zhì)條件：指異常部位的巖性、構(gòu)造特征和地面石墨礦化發(fā)育特征，主要看是否賦存在含礦層位，是否見(jiàn)大理巖分布等。

工程驗(yàn)證情況：指見(jiàn)礦情況。

3.1.3 異常分類

根據(jù)異常分類原則，把異常分為：

(1) 甲類—礦致異常。

已驗(yàn)證見(jiàn)到晶質(zhì)石墨礦(化)的異常，表明自電異常由晶質(zhì)石墨礦引起者。

(2) 乙類—推斷礦異常。

與已見(jiàn)礦異常具有良好的可比性的異常，推斷為晶質(zhì)石墨礦(化)引起者。

(3) 丙類—性質(zhì)不明異常。

本次工作尚無(wú)法判斷其地質(zhì)屬性者。

(4) 丁類—無(wú)找礦意義異常。

經(jīng)工作查實(shí)為屬其他(包括人文干擾)因素引起或因異常規(guī)模太小而無(wú)找晶質(zhì)石墨礦意義者。

3.1.4 自電負(fù)異常半定量解釋

由于自電負(fù)異常受地形、圍巖和覆蓋層不均勻的影響，加之礦體形態(tài)千差萬(wàn)別，定量解釋的條件得不到滿足，所以，解釋的精度通常也不高，故稱之為半定量解釋。

對(duì)于晶質(zhì)石墨礦體所產(chǎn)生的自電負(fù)異常，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，有兩種方法可以計(jì)算晶質(zhì)石墨礦體頂深h0，即q值法(即半極值法)和m法(見(jiàn)圖4)。

圖4 自電負(fù)異常半定量解釋圖

(1) q值法—半極值法：求出自電曲線左右枝的半極值點(diǎn)，讀取曲線左右枝半極值點(diǎn)連線的長(zhǎng)度q，運(yùn)用下列公式求得晶質(zhì)石墨礦體頂深h0；

h0=0.4q。

(2) m法：畫(huà)出自電曲線左右枝的切線，得到左右枝的m1和m2，讀取連接m1、m2線段的長(zhǎng)度，運(yùn)用下列公式求得晶質(zhì)石墨礦體頂深h0；

h0=0.5(m1+m2)/2。

通?？山Y(jié)合實(shí)際情況，對(duì)兩種方法求得的晶質(zhì)石墨礦體頂深h0進(jìn)行對(duì)比分析后，或取兩者的平均值、或作出取舍作為最終解釋結(jié)果。

3.2 自電負(fù)異常查證

異常查證目的是確定異常是否存在，追蹤異常源，了解異常源所處的地質(zhì)環(huán)境，對(duì)異常作出解釋、評(píng)價(jià)。

3.2.1 物探異常查證

物探異常查證通常選擇異常變化大，典型且具有代表性的剖面(通常稱精測(cè)剖面)進(jìn)行針對(duì)性的物探剖面測(cè)量。主要采用聯(lián)合剖面法和電測(cè)深法。

聯(lián)合剖面法是由兩個(gè)三極裝置聯(lián)合組成的視電阻測(cè)量方法，具有分辨能力高、異常明顯的特點(diǎn)，是尋找產(chǎn)狀陡傾的層狀或脈狀低阻體或斷裂破碎帶及良導(dǎo)球狀礦體的有效方法。而不同極距的聯(lián)合剖面可以判斷地質(zhì)體傾向，因?yàn)楫?dāng)?shù)刭|(zhì)體傾角＜90°時(shí)，兩條ρs曲線是不對(duì)稱的。這是由于傾斜的低阻薄脈向下吸引電流時(shí)，使得傾斜方向上的ρs曲線普遍下降所致。由于曲線不對(duì)稱，正交點(diǎn)也略向傾斜方向位移。小極距反映淺部情況，大極距反映深部情況，若大小極距的低阻正交點(diǎn)位置重合說(shuō)明地質(zhì)體直立，若其有位移說(shuō)明地質(zhì)體傾斜。

電測(cè)深法簡(jiǎn)稱點(diǎn)測(cè)探，又名電阻率垂向測(cè)探。在地面上選擇一條測(cè)線作為剖面，以自電負(fù)異常最小值的測(cè)點(diǎn)做為測(cè)深點(diǎn)(即MN極的中點(diǎn))，通過(guò)變換供電電極AB極距的大小，測(cè)量同一點(diǎn)的視電阻率ρs值，研究這個(gè)測(cè)深點(diǎn)下不同深度的地質(zhì)斷面情況，推斷各層的厚度、深度等。

湖北省某晶質(zhì)石墨礦測(cè)區(qū)63線物探異常查證所布置的聯(lián)合剖面和電測(cè)深工作，在17.5點(diǎn)/63線～42.5點(diǎn)/63線測(cè)線段，共施測(cè)了26個(gè)聯(lián)合剖面觀測(cè)點(diǎn)、1個(gè)電測(cè)深點(diǎn)，成果資料見(jiàn)圖5。

圖5 湖北省某石墨礦測(cè)區(qū)63線綜合剖面圖

聯(lián)合剖面采用MN=40m、AO=140m極距40m點(diǎn)距進(jìn)行了觀測(cè)，以研究不同深度礦化地質(zhì)體變化特征。由圖5可發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合剖面的ρsB曲線變化幅度更大，并且在30.5號(hào)點(diǎn)有明顯的極小值，在32.5點(diǎn)出現(xiàn)交點(diǎn)，且ρsA、ρsB交點(diǎn)兩側(cè)極不對(duì)稱，又因石墨為低阻介質(zhì)，故可推斷該礦體在該區(qū)域呈傾斜狀態(tài)，傾向小號(hào)點(diǎn)(南西)方向；由圖亦能看出ρsA、ρsB兩條曲線交點(diǎn)離開(kāi)礦體頂端向小號(hào)點(diǎn)位移，且位移較大，可推斷出該礦體傾角較小。ρsB曲線極大值出現(xiàn)在40.5號(hào)點(diǎn)，指示了該礦體在北東端的端點(diǎn)位置。ρsA曲線在26.5號(hào)點(diǎn)附近開(kāi)始增大，ρsB曲線在26.5號(hào)點(diǎn)附近開(kāi)始減小，指示了該礦體最西南端的端點(diǎn)位置。

該剖面施測(cè)電測(cè)深點(diǎn)一個(gè)，34號(hào)點(diǎn)/63線，由圖5可見(jiàn)，表面第四紀(jì)覆蓋層電阻率較高，在100～400 Ω·m之間，在埋深50m處，電阻率驟降，至埋深90m左右趨于平穩(wěn)，這指示了低阻石墨礦體在該區(qū)域的埋深。

3.2.2 地質(zhì)查證

地質(zhì)異常查證是地質(zhì)調(diào)查中的一個(gè)過(guò)程，目的是確定異常是否存在，了解異常源地質(zhì)環(huán)境，并對(duì)異常作出評(píng)價(jià)。

在湖北省某晶質(zhì)石墨礦地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)中進(jìn)行了二級(jí)查證，配合1∶1萬(wàn)地質(zhì)填圖，查證區(qū)域地質(zhì)特征的含礦層位為中元古代紅安巖群七角山組下段，成礦時(shí)代為中元古代，該區(qū)域的晶質(zhì)石墨礦(化)體的分布嚴(yán)格受地層控制，紅安巖群七角山組下段為一套中—深程度的變質(zhì)巖系，主要巖性為片巖類、大理巖及石英巖，推測(cè)其原巖為一套陸源碎屑巖，這些片巖層構(gòu)成了礦源層，經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用使有用組分富集成礦，構(gòu)造活動(dòng)加速了有用組分的進(jìn)一步富集，形成了石墨礦，該區(qū)域石墨礦類型為沉積—變質(zhì)礦床。

地層屬桐柏—大別山地層區(qū)，大面積出露前寒武系變質(zhì)巖系，主要為中元古代紅安巖群及新生代第四系沖積物。大地構(gòu)造位置處于高橋—浠水?dāng)嗔训奈鱾?cè)，區(qū)內(nèi)南側(cè)構(gòu)造不發(fā)育，北側(cè)構(gòu)造較發(fā)育主要以脆韌性為特征，主要發(fā)育有褶皺、斷層和韌性剪切帶。

礦體呈層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致，傾向236～239°，傾角54～57°，自電異常明顯，由一個(gè)探礦工程控制，厚度為6.03m，走向長(zhǎng)度為1 303m，礦石固定碳含量為4.21%，礦石自然類型為石墨片巖、含石墨白云石英片巖，呈黑色，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、云母、石墨等；石墨礦物呈鱗片狀或板片狀，片徑一般為0.002～0.03mm。

按規(guī)定測(cè)制地質(zhì)、化探、物探典型剖面圖，對(duì)槽探工程進(jìn)行編錄、素描及刻槽取樣；同時(shí)采集與異常有關(guān)的巖礦石標(biāo)本，進(jìn)行室內(nèi)鑒定和研究。

在湖北省某晶質(zhì)石墨礦測(cè)區(qū)63線展開(kāi)地質(zhì)查證(見(jiàn)圖6)，異常值與固定碳含量成正比關(guān)系，異常值越大，固定碳含量越高(見(jiàn)下表)，圖6與該表是礦致異常對(duì)應(yīng)情況。

圖6 湖北省某石墨礦測(cè)區(qū)63線地質(zhì)調(diào)查剖面查證圖

固定碳含量基本分析結(jié)果

地質(zhì)異常查證結(jié)果與物探異常檢查相吻合，為該測(cè)區(qū)的晶質(zhì)石墨礦進(jìn)一步勘查提供了地球物理資料和依據(jù)。

4 問(wèn)題與建議

利用自電方法進(jìn)行晶質(zhì)石墨資源勘查，依據(jù)充分，物理前提具備。由于儀器簡(jiǎn)單，操作方便，工作效率高，效益好。尤其巖石出露少，植被茂盛的測(cè)區(qū)，自電是晶質(zhì)石墨野外勘查和地質(zhì)填圖的一種重要方法。

在湖北省大別山西部武當(dāng)—桐柏—大別山成礦帶和湖北省宜昌市霧渡河湘西—鄂西成礦帶上，利用自電快速圈出異常靶區(qū)，通過(guò)地質(zhì)工作，初步預(yù)測(cè)湖北省大別山西部晶質(zhì)石墨礦達(dá)到中型礦床，湖北省宜昌市霧渡河石墨礦達(dá)到大型礦床。同時(shí)也意識(shí)到靠單一的自電方法很難采集到滿意的地質(zhì)數(shù)據(jù)，給異常解譯推斷帶來(lái)一定的困難。建議在進(jìn)行晶質(zhì)石墨勘查時(shí)，充分利用地球物理前提條件和地質(zhì)條件，采用激化極化法進(jìn)行物探驗(yàn)證，二者相互印證，提高解譯推斷的準(zhǔn)確性。

[1]李林，解立發(fā).自然電場(chǎng)法在晶質(zhì)石墨資源勘查中的應(yīng)用[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2006(1)：57-60.

[2]劉中用，宋文濤，王建.地球化學(xué)異常的檢查方法及效果淺析[J].黑龍江科技，2011(31)：29.

[3]羅延中.激電異常的半定量解釋方法[J].物探與化探，1979(2)：39-47.

[4]沈萬(wàn)慈，康飛宇，黃正宏，等.石墨產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2013(2)：1-3，43.

Application of Natural Electric Field Method in Crystalline Graphite Prospecting

LUO Xiao-wen, WANG Shu-chun, CAO Yi
(China Construction Materials Industry Geological Exploration Center, Hubei Corps, Wuhan 430030, China)

By making full use of the physical properties of crystalline graphite, the advantages of natural electric field method are brought into play, and the basic law of natural electric field method is summarized to find out the target area for further work.

crystalline graphite; natural electric field method; geophysical anomaly; abnormal verification

P631.321； P619.252

A

1007-9386(2017)04-0026-05

2017-04-18