航空瞬變電磁法在塔源二支線鉛鋅銅礦床的應(yīng)用研究

彭莉紅， 張 策， 駱 燕， 丁繼雙， 寧媛麗，朱 琳， 程莎莎

(1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心， 石家莊 050002；2.中核集團(tuán) 鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石家莊 050002；3.黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院， 哈爾濱 150036)

0 引言

黑龍江省大興安嶺地區(qū)成礦條件優(yōu)越，找礦潛力巨大[1-3]。但該地區(qū)為森林沼澤景觀區(qū)，植被茂密，沼澤分布廣泛、覆蓋層厚、基巖出露較少，發(fā)育有永久或島狀凍土，采用單純的地質(zhì)、化探方法找礦效果不佳，嚴(yán)重影響了該區(qū)域礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)進(jìn)程[4-6]。航空瞬變電磁法是航空物探常用的測(cè)量方法之一，具有成本低，效率高，通行性好，可大面積勘查等優(yōu)勢(shì)，尤其適用于自然環(huán)境惡劣的地區(qū)，(如人類難以接近的森林植被覆蓋區(qū)、沼澤、高山、沙漠等地區(qū))，具有一般勘探手段難以達(dá)到的效果[7-10]。

2013年核工業(yè)航測(cè)遙感中心獨(dú)家引進(jìn)加拿大Geotech公司研發(fā)的VTEM航空瞬變電磁測(cè)量系統(tǒng)，先后在新疆、黑龍江、內(nèi)蒙古、青海、吉林等省區(qū)成功地開展VTEM地球物理探礦工作。探測(cè)結(jié)果表明：航空瞬變電磁異常與已知礦體的形態(tài)、位置具有較高吻合度，并新發(fā)現(xiàn)十余處具有找礦前景的航電異常[11-13]。筆者以大興安嶺地區(qū)塔源二支線鉛鋅銅礦床為例，在開展1∶10 000航空瞬變電磁測(cè)量的基礎(chǔ)上，利用時(shí)間常數(shù)、電阻率深度成像(RDI)、Fraser濾波等數(shù)據(jù)處理方法，研究了礦區(qū)已知礦體航空瞬變電磁異常特征，為大興安嶺森林沼澤景觀區(qū)開展礦產(chǎn)資源勘查提供了方法技術(shù)借鑒。

1 航空瞬變電磁法勘探技術(shù)

1.1 基本原理

航空瞬變電磁法是基于巖性的電性差異，利用機(jī)載線圈向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)(或電場(chǎng))，即在發(fā)射回線上供一個(gè)電流脈沖，脈沖下降的瞬間，將產(chǎn)生一個(gè)向地下傳播的一次瞬變磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)的激勵(lì)下地質(zhì)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，其大小取決于該地質(zhì)體的導(dǎo)電能力，導(dǎo)電能力強(qiáng)則感應(yīng)渦流強(qiáng)，在一次場(chǎng)消失后，渦流不能立即消失，它將有一個(gè)衰減過程，該過程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次場(chǎng)向地下傳播，利用接收線圈測(cè)量不同延遲時(shí)間的二次磁場(chǎng)，通過該二次磁場(chǎng)隨時(shí)間的衰減特性，進(jìn)而可知地下不均勻地質(zhì)體的導(dǎo)電性能和位置，達(dá)到探測(cè)識(shí)別不同電性差異地質(zhì)體的一種航空物探方法[14](圖1)。

圖1 航空瞬變電磁勘探原理示意圖Fig.1 Diagrarn showing the principle of ATEM

1.2 主要參數(shù)求取及其地質(zhì)意義

1.2.1 時(shí)間常數(shù)

由電磁感應(yīng)原理可知，導(dǎo)電體磁通量的變化，會(huì)產(chǎn)生與導(dǎo)電體一次磁場(chǎng)變化率成比例的電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)會(huì)在導(dǎo)電體中形成瞬變衰減渦流。其時(shí)間常數(shù)(TAU)是目標(biāo)體導(dǎo)電率(或?qū)щ娦?和幾何形態(tài)(規(guī)模)的函數(shù)[15]。衰減的電流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的二次場(chǎng)，可由接收線圈測(cè)量斷電后的感應(yīng)電壓而得到。感應(yīng)電壓(e0)與二次場(chǎng)時(shí)間變化率成比例：

e0∝(1/τ)e-(t/τ)。

(1)

其中：τ=L/R，(ms)；L為有效電感(H)；R為有效電阻(Ω)。τ的求取方法較多，常用的是利用“移動(dòng)τ”的方法，主要是根據(jù)衰減曲線，尋找最晚期(4個(gè)時(shí)間道)dB/dt和B場(chǎng)數(shù)據(jù)求取時(shí)間常數(shù)[15]。一般情況下，早期道響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，反映的是近地表覆蓋層及不良導(dǎo)體，晚期道響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，反映的是埋藏相對(duì)較深的目標(biāo)體或良導(dǎo)體。因此，根據(jù)dB/dt計(jì)算的晚期道響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)可以圈定航電低阻異常區(qū)。

1.2.2 電阻率深度成像

電阻率深度成像(RDI-Resistivity depth imaging)是通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行反褶積，從而將電磁響應(yīng)衰減數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化為相同意義上電阻率深度斷面的一種方法[16]。我們所采用的電阻率—深度轉(zhuǎn)換的RDI算法基于Maxwell A.Meju[17]的視電阻率轉(zhuǎn)換和導(dǎo)電半空間的TEM響應(yīng)原理。RDI能夠提供具有參考價(jià)值的導(dǎo)體深度、垂向延伸等信息，并能提供每條測(cè)線上的一維層狀介質(zhì)視電阻率斷面。根據(jù)RDI能夠獲得VTEM系統(tǒng)的探測(cè)深度、視電阻率、初始幾何形態(tài)和導(dǎo)電體的位置等資料。

1.2.3 Fraser濾波

在測(cè)量過程中若沒有干擾因素，實(shí)測(cè)的dBx/dt曲線的真零交點(diǎn)出現(xiàn)在低阻地質(zhì)體或含水?dāng)嗔褞戏?，以此來識(shí)別和圈定低阻異常體的空間位置(圖2)。實(shí)際應(yīng)用中由于存在地質(zhì)噪聲、相鄰地質(zhì)體及其他(如輸電線路等)干擾因素，以及地形起伏等影響，往往導(dǎo)致剖面上的過零交點(diǎn)與地下隱伏低阻體實(shí)際位置間發(fā)生偏移，甚至不顯示零交點(diǎn)或出現(xiàn)假零交點(diǎn)。因此，對(duì)實(shí)測(cè)資料尚須進(jìn)行真、假零交點(diǎn)的判識(shí)及區(qū)域背景干擾因素的消除等[18]。

Fraser濾波法于1969年由D.C.Fraser首先提出，用于處理甚低頻(VLF)電磁法數(shù)據(jù)，其應(yīng)用的最基本條件是場(chǎng)源固定，探測(cè)目標(biāo)體位于均勻場(chǎng)中，感應(yīng)之二次電流可視為線電流。據(jù)此Crone等人應(yīng)用它處理大定源外的TEM觀測(cè)數(shù)據(jù)，取得令人滿意的結(jié)果，計(jì)算公式為式(2)。

ξ’(x/2)=(-1)n[ξi+ξi+k-ξi+2k-ξi+3k]/N

(2)

式中：i為計(jì)算濾波之起始點(diǎn)號(hào)；k為濾波步長(zhǎng)與測(cè)點(diǎn)距之比；ξ’(x/2)為繪圖點(diǎn)，x=i+3k；n取1或2，取決于希望濾波后曲線之符號(hào)；N一般取1，當(dāng)做不同步長(zhǎng)之濾波時(shí)，取不同值以歸一。該方法利用一個(gè)差分算子將投點(diǎn)或“交點(diǎn)”變成峰值，并用一個(gè)低通濾波器來消除噪聲，濾波結(jié)果把測(cè)量剖面上的拐點(diǎn)或過零交點(diǎn)異常變成極大值(圖2)，其峰值即對(duì)應(yīng)地下低阻異常體[19]。

圖2 傾斜薄板目標(biāo)體響應(yīng)特征示意圖Fig.2 Z, X and Fraser filtered X (FFx) components for “thin” target

2 礦床地質(zhì)地球物理特征

2.1 地質(zhì)背景

黑龍江省大興安嶺地區(qū)塔源二支線鉛鋅銅礦床地處額爾古納島弧西南部環(huán)宇—新林蛇綠混雜巖帶內(nèi)。礦區(qū)內(nèi)出露的與成礦有關(guān)的主要地層為古生界上石炭統(tǒng)新伊根河組(C2x)和中生界下白堊統(tǒng)白音高老組(K1by)。與成礦有關(guān)的侵入巖為燕山中期的閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)玢巖、小巖株或巖脈。近南北向斷裂構(gòu)造控制著燕山中晚期的巖漿侵入和礦體的形成[20-21]。

2.2 礦床成礦地質(zhì)環(huán)境

礦區(qū)內(nèi)出露地層有上石炭統(tǒng)新伊根河組、下白堊統(tǒng)白音高老組(圖3)。其中，新伊根河組分布在礦區(qū)中、北部，呈斷塊方式出露，主要巖性為絹云綠泥板巖、石英砂巖、凝灰?guī)r，是塔源二支線鉛鋅銅礦礦體主要的賦礦層位。白音高老組主要分布在礦區(qū)的中部、北西部、南東部，與新伊根河組地層呈斷層接觸，此地層與成礦關(guān)系密切，由一套由酸性—中性火山熔巖、火山碎屑巖組合，且普遍遭受熱液蝕變作用。

礦區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，以燕山中期花崗斑巖(γπK1)為主，呈巖株?duì)罘植荚诘V區(qū)西南部，侵位于白音高老組(K1by)。相當(dāng)于燕山中期的閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)玢巖、小巖株、巖脈非常發(fā)育，且與成礦關(guān)系密切。

圖3 塔源二支線鉛鋅銅礦區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[3]修編)Fig.3 The Geologicl map of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，最大的斷裂為礦區(qū)北端的塔哈河斷裂，走向北東東，為扭性斷裂。近南北向斷裂在礦區(qū)內(nèi)最發(fā)育，切割了各類地質(zhì)體，不同程度控制著晚期巖漿的侵入和礦體的生成，為礦區(qū)重要的容礦構(gòu)造。

2.3 礦體分布特征

目前礦區(qū)發(fā)現(xiàn)鉛、鋅、銅多金屬礦體68條。出露地表礦體4條，隱伏礦體64條，其中邊界品位(工業(yè)品位)礦體24條，工業(yè)品位以上礦體44條，較具規(guī)模的礦體為Ⅰ-10、Ⅰ-32、Ⅰ-5、Ⅰ-4、Ⅰ-52[22]。按礦石組分圈出7種礦石類型，即鉛鋅、鋅、鋅銅、銅、鉛鋅銅、鉛銅、鉬礦。上述礦體大部分賦存在矽卡巖中，傾向?yàn)?2 °～ 100°，傾角為26° ～ 47°，嚴(yán)格受南北向、北北東向地層與巖體接觸帶、構(gòu)造裂隙帶控制。

2.4 礦床巖(礦)石電性特征

由表1可知：區(qū)內(nèi)巖(礦)石電阻率存在2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的差異，其中硅質(zhì)板巖、含礫凝灰?guī)r電阻率為28 630 Ω·m～44 000 Ω·m，呈高阻特征；弱黃鐵礦化閃長(zhǎng)巖、硅化黃鐵礦化板巖、黃鐵礦化含礫凝灰?guī)r電阻率值為1 270 Ω·m～8 250 Ω·m，呈中阻特征；網(wǎng)脈狀鉛鋅礦、團(tuán)塊狀鉛鋅礦電阻率值為82 Ω·m ～1 310 Ω·m，呈低阻特征，可見圍巖的基本電性特征呈中高阻，隨著礦化程度加強(qiáng)，電性上表現(xiàn)為電阻率逐漸降低。礦區(qū)圍巖與礦體存在明顯的電阻率差異，具備開展航空瞬變電磁法工作的物性前提。

表1 塔源二支線鉛鋅礦區(qū)巖(礦)石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表[22]Tab.1 Statistics for the electric parameters of rock in Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

3 礦體航空瞬變電磁特征

3.1 實(shí)測(cè)dB/dt剖面曲線特征

在實(shí)測(cè)dB/dtZ分量剖面曲線圖上，礦區(qū)上方多條測(cè)線均有不同強(qiáng)度的電磁響應(yīng)顯示，其中測(cè)線L5060～L5140響應(yīng)較為明顯，表現(xiàn)為北低、南高的雙峰異常(圖4)，但曲線雙峰特征不明顯，資料解釋過程中極易誤判為單峰異常。

3.2 時(shí)間常數(shù)影像特征

礦區(qū)時(shí)間常數(shù)總體表現(xiàn)為背景場(chǎng)上疊加橢圓狀時(shí)間常數(shù)高值區(qū)(圖5)，長(zhǎng)軸呈北東向。背景場(chǎng)值一般小于0.2 ms，為硅質(zhì)板巖、凝灰?guī)r等圍巖的反應(yīng)；時(shí)間常數(shù)高值區(qū)位于閃長(zhǎng)巖體與上石炭統(tǒng)新伊根河組接觸帶部位，其值一般為0.2 ms ～0.28 ms，最大為0.32 ms，已知礦體均位于該高值區(qū)北側(cè)。

3.3 經(jīng)Fraser濾波后特征

Fraser濾波利用一個(gè)差分算子將投點(diǎn)或“交點(diǎn)”變成峰值，并用一個(gè)低通濾波器來消除噪聲，濾波結(jié)果把測(cè)量剖面上的拐點(diǎn)或過零交點(diǎn)異常變成極大值，其峰值即對(duì)應(yīng)地下低阻異常體。以L5070測(cè)線為例，在實(shí)測(cè)的dB/dtZ分量剖面曲線圖上礦體上方對(duì)應(yīng)一特征不明顯的雙峰異常(圖6a)，在dB/dtX分量剖面曲線圖上礦體上方對(duì)應(yīng)一由正到負(fù)的異常響應(yīng)(圖6b)，經(jīng)Fraser濾波后，在dB/dt X分量曲線拐點(diǎn)處表現(xiàn)為極大值異常，與已知礦體產(chǎn)出位置一致(圖6(c)、圖6(d))。

圖4 塔源二支線鉛鋅銅礦區(qū)dB/dtZ剖面曲線圖Fig.4 The dB/dt Z component profiles of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

圖5 塔源二支線鉛鋅銅礦區(qū)時(shí)間常數(shù)影像圖Fig.5 The time constant (TAU) map of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

在礦區(qū)實(shí)測(cè)dBx/dt分量第25道Fraser濾波后的平面影像圖上，存在一北東向串珠狀展布的線性高值帶(圖7)，控制長(zhǎng)度約900 m，寬度約170 m，與已知礦體平面位置一致，為無可爭(zhēng)議的礦致異常。經(jīng)Feaser濾波后的平面影像圖能清楚的揭示礦體走向延伸和空間展布規(guī)律，準(zhǔn)確地顯示礦體的平面位置。

圖6 Fraser濾波效果圖Fig.6 The result map of Fraser filtered

圖7 塔源二支線鉛鋅銅礦區(qū)dB/dt X分量(25道)Fraser濾波平面影像圖Fig.7 The Fraser filtered map of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

3.4 視電阻率斷面特征

Ⅰ-10、Ⅰ-32、Ⅰ-5，Ⅰ-4、Ⅰ-52等礦體位于T6150線X=582 900～583 600之間，長(zhǎng)度為2 00 m ～4 00 m，厚度為4.5 m ～9.2 m，礦體延深(斜深)87 m ～589 m(部分礦體未完全控制、繼續(xù)延伸)，傾向?yàn)?2°～94°，傾角為33°～41°，礦體類型為鉛、鋅、銅、鉬多金屬礦體。在T6150線多測(cè)道dB/dtZ分量(15道～47道)剖面曲線上表現(xiàn)為一西陡東緩的單峰高值異常(圖6)；視電阻率斷面圖相應(yīng)位置表現(xiàn)為與圍巖有明顯電阻率差異的低阻體(視電阻率約為190 Ω·m ～240 Ω·m)，其頂板埋深約為100 m，向東傾斜，傾角約為31°，向下延伸約500 m。通過與已知礦體及收集的106號(hào)勘探線地質(zhì)剖面圖對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，低阻體的產(chǎn)狀與已知礦體產(chǎn)狀基本一致。

4 結(jié)論

1)航空瞬變電磁測(cè)量在塔源二支線鉛鋅銅礦床應(yīng)用效果顯著。已知礦體航空瞬變電磁異常特征明顯，dB/dt剖面曲線呈北低、南高的雙峰異常，礦體集中分布在值為0.2 ms～0.28 ms團(tuán)塊狀時(shí)間常數(shù)高值區(qū)北側(cè)，對(duì)應(yīng)視電阻率值為190 Ω·m ～240 Ω·m、向東傾斜的低阻體，經(jīng)Fraser濾波后對(duì)應(yīng)一北東向串珠狀展布的線性高值帶。

圖8 塔源二支線鉛鋅銅礦礦體綜合信息顯示圖Fig.8 Comprehensive information of ore body of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orebody

2)在航空瞬變電磁測(cè)量中，應(yīng)用時(shí)間常數(shù)、Fraser濾波及電阻率深度成像(RDI)等技術(shù)，可以有效地揭示礦體走向延伸與礦化富集部位，礦體形態(tài)、產(chǎn)狀、埋深等特征，為優(yōu)選靶區(qū)及礦體預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

3)航空瞬變電磁法能有效揭示森林沼澤景觀區(qū)鉛鋅銅多金屬礦體的空間展布特征，為同類型地區(qū)開展礦產(chǎn)資源勘查提供方法技術(shù)借鑒。