扎西康多金屬礦含碳質巖石中賦礦斷裂帶的電性變化及找礦意義

郭 鏡, 焦彥杰, 梁生賢

(1. 成都理工大學 地球科學學院，成都 610059；2. 中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081)

含碳質巖石因其強大的還原潛力，對金屬礦化有著重要影響[1-2]。硫酸鹽與有機質形成的還原硫類型，基本上被定義為許多金屬的大吸收器：形成金屬硫化物后直接沉淀，與金屬硫化物共沉淀或還原非親銅元素[3]。在找礦手段匱乏的年代，甚至把碳質層稱之為“黑色引導”或“標志”[4]。且在反映成礦外部環(huán)境變化方面，碳質具有很高的靈敏性[5]。因此，在以地球物理勘查為有效手段來尋找隱伏礦體的大背景下，對含碳質巖石的地球物理找礦方法展開詳盡研究是有必要的。同時，含碳質巖石中的碳質物，往往表現為低阻高極化特征，對電法勘探造成了嚴重干擾。怎樣消除這一干擾，是目前物探方法找礦的一大難點。

前人對含碳質巖石的電性干擾做了較多研究，主要集中于礦體與含碳質巖石地球物理場特征的不同[6-9]，取得了一定成效。從另一方面考慮，尋找一種適合于含碳質巖石的電法勘探方法，則電性干擾問題就隨之解決了。本文以西藏扎西康鉛鋅銻多金屬礦為例，通過分析引起含碳質巖石高導電性的內在因素，并結合構造熱液活動對碳質物電性特征的影響，提出含碳質巖石中以構造熱液活動帶為目標的地球物理找礦方法組合。

1 區(qū)域地質背景

青藏高原的總體格架形成于65～55 Ma B.P.的印度-歐亞板塊碰撞[10-11]。喜馬拉雅地體、拉薩地體和羌塘地體共同組成了青藏高原主體[12](圖1-A)。位于喜馬拉雅地體北部的特提斯喜馬拉雅微地塊[13](圖1-A)，發(fā)育了大量富含有機質的深海沉積，經區(qū)域變質后成為碳質板巖，如奧陶系的則果群[14]，二疊系的破林浦組、比聾組、康馬組、白定浦組[15]，三疊系的呂村組、涅如組等。且在含碳質巖石中發(fā)現了眾多金屬礦床，如查拉普金礦[16]、折木朗金礦[17]、邦布金礦[18]等。

2 礦床地質背景

扎西康鉛鋅銻多金屬礦是特提斯喜馬拉雅鉛鋅銻金成礦帶內唯一的大型—超大型礦床[20](圖1-B)。礦脈主要為南北向的Ⅴ、Ⅵ及北東向的Ⅶ和Ⅷ(圖1-C)，以及2015年探得的Ve(ⅩⅤ)礦體，礦區(qū)總儲量超過1.4×106t，其中Ⅴ號礦體品位最高、儲量最大，超過1.0×106t[20]。礦體傾向西，傾角45°～70°，賦存于侏羅系日當組(圖1-D)。日當組為一套互層狀的深灰色-灰黑色頁巖、鈣質頁巖，含泥灰?guī)r、砂巖、凝灰?guī)r，夾泥質灰?guī)r和燧石團塊，總厚度>900 m，屬深水相沉積[21]。巖石經低級變質后，形成了黑色碳質板巖或含碳鈣質板巖[22]。前人通過含礦熱液來源、礦體賦存特征、構造地質特征和礦床形成時代等多種礦床成因要素，開展了詳細的研究，認為其是含礦熱液沿斷裂構造遷移就位而成礦[23-26]。含礦熱液來源主要為巖漿熱液、地層建造流體和大氣水[27]，三者的混合造成了礦質沉淀[25]。礦床形成于青藏高原后碰撞伸展期[27],成礦期次分為鉛鋅成礦期和富銻成礦期，鉛鋅成礦期主要礦物組合為方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦、鐵菱錳礦、方解石、石英，富銻成礦期以產出銻硫鹽礦物為特征[22]。

3 數據采集

礦區(qū)內的電法勘探主要運用音頻大地電磁測深法和激電中梯剖面測量。激電中梯剖面區(qū)域覆蓋了Ⅴ、Ⅵ和Ve礦體，來揭示各礦體平面上的電性特征。音頻大地電磁測深(AMT)勘探線，穿過了Ve礦體，來揭示Ve礦體深部的電性特征。2種方法的布設位置見圖1-C。

音頻大地電磁測深采用加拿大鳳凰公司研制的V5系列儀器采集完成，測點距平均50 m，數據處理時最低頻率截取到1 Hz。由于測區(qū)位于西藏農牧區(qū)，無明顯干擾源，因而各測點數據質量高，相鄰測點的視電阻率、相位曲線具有可比性，經檢查80%以上頻點相對誤差小于5%。

圖1 扎西康大地構造背景及礦區(qū)地質簡圖Fig.1 Tectonic setting and simplified geological map of Zhaxikang mining area(A)青藏高原大地構造簡圖; (B)扎西康鉛鋅銻多金屬礦整裝勘查區(qū)地質礦產簡圖;(C)扎西康礦集區(qū)地質簡圖(據文獻[19]修改);(D)鉛鋅礦體剖面圖(據文獻[19]修改)

大功率激電中梯剖面法是一種非常成熟的技術方法，對金屬硫化物礦床的勘探有著極佳的效果。本次大功率激電中梯掃面的數據采集，采用重慶地質儀器廠制造的DJF-2大功率激電測量系統(tǒng)完成。發(fā)射機最大輸出功率15 kW，最大供電電流15A。施工過程中AB發(fā)射極設置為2 km，MN接收極40 m。綜合而言，音頻大地電磁測深數據以及激電數據質量可靠，滿足相關規(guī)范以及地球物理推斷解釋的要求。

數據處理與反演是推斷解釋的至關重要環(huán)節(jié)之一。音頻大地電磁測深數據處理與二維反演的相關算法技術成熟，數據處理包括極化模式判別[28]、靜態(tài)校正[29]等，二維反演解釋有快速松弛(RRI)[30]、OCCAM[31]和共軛梯度反演[32]等方法。本文采用Zongmt軟件中的Smoothness consranined least-squares對音頻大地電磁測深數據進行反演。激電數據采用視極化率η1及視電阻率ρ成圖分析，η1為斷電200 ms后的二次場與一次場的比值，ρ為利用裝置系數計算所得的視電阻率。

4 含碳質巖石中的電法勘探

通過對ZK4006鉆孔巖心的電性測試發(fā)現，大部分含碳鈣質板巖呈現低阻高極化的電性特征(圖2)，與前人電性測試結果相近[33-34]；而賦存礦體的含碳鈣質板巖呈現高阻低極化的電性特征(圖2)。通過鉆孔巖心的對比發(fā)現，兩者巖性特征沒有明顯差異，均為碳質板巖或含碳鈣質板巖。

激電中梯測量發(fā)現礦區(qū)呈現高的極化率背景(圖3)，約為9%～20%；而礦體位于低極化率條帶中，約為1%～5%，極化率高值區(qū)的鉆孔不含礦。

激電中梯測量可以在平面上把礦脈定位于寬度為數百米的低極化率條帶內。礦脈的地下產狀則通過音頻大地電磁測深來進行分析。由圖4可知，深部呈現低的電阻率背景值，約為10-0.4～101Ω·m。礦體位于高視電阻率區(qū)域，且寬度250 m的高視電阻率區(qū)域與低視極化率條帶位置較吻合。

圖2 ZK4006鉆孔巖心電阻率與極化率變化曲線圖Fig.2 Curve of drilling core resistivity and polarizability of drilling hole ZK4006 in Zhaxikang deposit

圖3 激電中梯面積測量視極化率及視電阻率圖Fig.3 The plot of apparent polarizability and apparent resistivity measured by ladder area in IP

圖4 AMT反演解譯圖Fig.4 Inversion and interpretation of AMT

綜上可知，大功率激電和音頻大地電磁測深，在扎西康含碳質巖石中的找礦效果顯著。那么250 m寬的高阻低極化率條帶是否為礦致異常？本文認為并非礦致異常，主要理由為：①扎西康礦區(qū)鉛鋅礦石的視電阻率、視極化率等呈現低阻高極化的電性特征，約為8%～20%[33-34]，兩者疊加不會出現1%～5%低極化率條帶；②礦體賦存于約占巖石總體積10%左右的連通孔隙中，而碳質物均勻分布于約占巖石總體積80%左右的顆粒中。通過對扎西康ZK406鉆孔69件樣品進行高溫燃燒法測量，得出巖石中的有機碳質量分數為1%～3%，平均為2.0%(圖5)。而質量分數為0.7%的有機碳足以使變質巖的電阻率降低一個數量級[35]。質量分數高達2.0%的碳質物所引起的電性異?？赡芤h大于甚至掩蓋礦體所引起的異常。因此，含碳質巖石中高阻低極化率條帶的地球物理響應，需要進行深入研究。

5 討 論

沉積巖成因的研究表明，含碳質巖石一般由原始的腐殖質型碳質地層遭受變質而成[36]。含有機質的沉積巖在埋藏加深過程中日益成熟，富碳以及晶體有序度升高，最終成為晶質石墨[36]，且該過程是隨溫壓系數漸進變化而連續(xù)進化的[36-38]。

從碳質物的成分和結構演化來說，碳質物的石墨化過程，為芳香層有序堆疊和排除雜原子的過程[39-40]。這2個過程隨著巖石變質程度加強而相輔相成地進行[37,41]，使得自由電子增多，導電性增強[42-43]。 這也是含碳質巖石高導電性的根本原因。芳香層的堆疊反映在碳質物結構有序度的增加，石墨晶體的三維生長[44]；雜原子的排出反映在碳元素相對含量的增加[45]。

從巖石的成分和結構來說，由于石墨(電導率為105S/m)和硅酸鹽礦物(例如橄欖石電導率<10-2S/m)之間的巨大導電性差異，在石墨礦物相互連通的基礎上可以大幅度提高巖石電導率[46-48]。若是石墨或碳質物之間的連通性受到破壞，則巖石的導電性也會產生變化。

圖5 礦區(qū)ZK406巖心有機碳含量Fig.5 Organic carbon content of cores from the drilling hole ZK406 in Zhaxikang ore deposit

下文著重從斷裂帶中含礦熱液對碳質物的性質以及碳質物在巖石中連通性的影響，來討論含碳質巖石中斷裂帶的電性變化。

5.1 構造熱液活動對碳質物性質的影響

芳香層的有序堆疊是不可逆過程[45]，因此，碳質物在結構有序度增高的方向按下列順序發(fā)生連續(xù)的變化：瀝青→碳瀝青→次石墨→石墨[5]。同時，在一定條件下，碳質物層間雜原子的排出與插入是可逆的[49-50]，含有二氧化碳、甲烷、硫酸氫根等成分的水溶液會造成碳質物的蝕變[51]。在實地研究中發(fā)現，賦存于含石墨或次石墨巖石中的熱液型鈾、金等多金屬礦床，在礦石中常出現低變質的硫瀝青，在含礦熱液蝕變下碳質物發(fā)生了“逆石墨化”(使碳質物脫碳化、非晶質化)，按下列順序發(fā)生連續(xù)變化：石墨→次石墨→碳瀝青→硫瀝青[5]。

石墨、次石墨具有高的導電性，電性特征的呈現形式為低阻(<10-5Ω·m)高極化(>40%)特征。但是硫瀝青是無定形物質，并且所含有的氫、氧、硫等混合物達50%，它對電流具有絕緣的性質，電性特征的呈現形式為高電阻率(>105Ω·m)和低極化率(<2%)[52]。

如圖6所示，含碳質巖石埋深、變質的“石墨化”過程，提高了碳質物的結構有序度，增加了其導電性；而含碳質巖石經受熱液蝕變的過程，雜原子的插入大幅度降低了碳質物的導電性。因此，斷裂帶中的熱液活動會改變碳質物的電性特征，進而影響斷裂帶的電性特征。

5.2 構造熱液活動對碳質物連通性的影響

扎西康多金屬礦的成礦過程是多期多階段的，且在礦石的形成過程中伴隨著大量脈石礦物的形成，如石英、方解石(圖7)。

在巖石中碳質物處于連通的情況下，可以用并聯和串聯模型來分析巖石的電阻率[53-54]，等效電阻率計算公式為

ρp=ρx·ρy/(φy·ρx+φx·ρy)

ρs=φx·ρx+φy·ρy

其中：ρp為并聯電路的等效電阻率；ρs為串聯電路的等效電阻率；ρx、ρy分別為巖石中不同礦物的等效電阻率；φx、φy為對應礦物的體積分數。

設碳質物(石墨)的電阻率為10-5Ω·m[55](扎西康礦區(qū)未測定碳質物的電阻率，用石墨電阻率代替)，體積分數為1%～5%；礦石的電阻率為1 Ω·m，體積分數為1%～5%；石英、方解石等脈石礦物的電阻率為103Ω·m，體積分數為5%～10%；造巖礦物的電阻率為102～103Ω·m，體積分數為80%～95%。如圖8-A所示，斷裂形成前，地層的等效電阻率模型，約為10-3～10-2Ω·m；如圖8-B所示，斷裂形成后，礦石、脈石等礦物填充斷裂，破壞了碳質物的連通性，地層的等效電阻率模型，約為102～103Ω·m。也就是說，斷裂帶破壞了碳質物的連通性，引起了明顯的巖石電阻率變化。

圖6 碳質物性質變化引起的電性特征變化的示意圖Fig.6 Changes in electrical characteristics caused by changes in carbonaceous properties

圖7 斷裂帶中脈石、礦石及碳質板巖的空間關系Fig.7 Photographs showing spatial relationship among gangue, ore and carbonaceous slate in the fault zone(A)脈石礦物切斷了含碳質巖石; (B)脈石礦物包裹著閃鋅礦、碳質板巖等的角礫；(C)脈石與礦石共同夾持于含碳質巖石中

圖8 構造熱液活動對碳質物連通性影響的等效電路模型Fig.8 An equivalent circuit about the connectivity of carbonaceous material influenced by hydrothermal activity(A)構造熱液活動前，碳質物的連通性未被破壞，碳質物與造巖礦物組成并聯電路模型；(B)構造熱液活動后，碳質物的連通性被脈石破壞，碳質物與脈石礦物組成串聯電路模型

因此，高阻低極化率條帶的地球物理響應，可能存在2種解釋。一種解釋是斷裂帶中的熱液活動對巖石中碳質物的性質影響：成礦流體可以在流動溶液中以淋濾方式搬運物質，也可以在停滯不動的溶液中以擴散方式搬運[56]。碳質物的蝕變程度取決于流體系統(tǒng)的溫壓和氧化-還原參數及原來碳質物的結構有序度[5]。扎西康含礦斷裂帶中心，以淋濾方式形成了約10 m寬[57]的礦體，而整個斷裂帶以物質擴散及熱傳導方式維持了碳質物蝕變所需要的溫壓條件和氧化-還原參數，形成了寬度為250 m的碳質物蝕變帶。所以，圖3-A中V及Ve礦脈所處的低極化率條帶，可能為碳質物性質變化引起的地球物理響應。

另一種解釋是斷裂帶中的熱液活動對巖石中碳質物連通性的影響：斷裂帶核部形成了約10 m寬的礦體，而整個斷裂破碎帶被方解石、石英等脈石礦物充填。所以，圖3-A中V及Ve礦脈所處的低極化率條帶，也可能為碳質物連通性變化引起的地球物理響應。

5.3 含碳質巖石中構造熱液活動的找礦意義

在尋找熱液型礦床時，往往“跳過”含礦熱液而直接找礦了，這樣損失一道環(huán)節(jié)就會漏掉很多信息，造成找礦成功率的降低，甚至造成找礦的重大失誤。在碳質地層賦礦的礦區(qū)(如西藏扎西康)，含礦熱液在含碳質巖石斷裂帶中形成礦體的同時，可能蝕變碳質物或破壞碳質物的連通性，即礦體形成與碳質物蝕變或碳質物連通性破壞是構造熱液活動的標志物。在含碳質巖石中運用電法手段尋找隱伏礦體時，對目標體大(寬數百米)、電性變化大的構造熱液活動帶的勘查，比對目標體小(寬10 m)、與圍巖電性相近礦脈的勘查更加可靠。那么，可以通過構造熱液活動引起的電性異常，指示成礦流體的路徑，最終找到礦體。該找礦思路本質上來說是以尋找一種地球物理響應大的成礦流體標志物(構造熱液活動帶)，來間接確定另一種地球物理響應小的成礦流體標志物(礦體)。通過激電中梯測量可以在平面上定位構造熱液活動帶。其地下產狀則通過音頻大地電磁測深來進行分析。

含碳質巖石中以構造熱液活動帶為勘探目標的找礦思路有重要意義。廣義上的找礦意義：碳質物在鈾、金等稀有金屬或貴金屬的成礦過程中起到重要作用[58-59]，所以該找礦思路對賦存于含碳質巖石中難以引起較大地球物理異常的稀有金屬或貴金屬礦脈的地球物理找礦有實際意義。

地域上的找礦意義：扎西康鉛鋅銻多金屬礦是特提斯喜馬拉雅鉛鋅銻金成礦帶內的典型礦床。青藏高原隆升的過程是巖石變質程度加劇的過程，也是碳質物石墨化程度加深的過程，導電性增強的過程；后碰撞伸展作用，是深部流體上涌的過程[60]，也是碳質物的性質及連通性變化的過程，導電性減弱的過程。一隆升一伸展，構造熱液活動所造成的碳質物性質和連通性的變化，會引起含碳質巖石電性特征的較大變化。那么本文提出的以構造熱液活動帶為目標的找礦思路，對特提斯喜馬拉雅鉛鋅銻金成礦帶內以含碳質巖石為圍巖的熱液型礦床勘探有借鑒意義。

6 結 論

a. 音頻大地電磁測深和激電中梯剖面測量，發(fā)現碳質板巖呈現低阻(10-0.4～101Ω·m)高極化(9%～20%)特征，賦礦斷裂呈現高阻(102～103Ω·m)低極化(1%～5%)特征。高溫燃燒法的測量，發(fā)現有機碳的質量分數高達2%。高含量的碳質物會影響巖石的電性特征。

b. 通過分析構造熱液活動對碳質物性質和碳質物連通性的影響，認為高阻低極化條帶的形成存在2種可能的解釋：含碳質巖石經受熱液蝕變，雜原子的插入大幅度降低了碳質物的導電性；熱液形成的脈石礦物破壞了碳質物的連通性。

c. 提出了賦存于含碳質巖石斷裂帶中熱液型礦床新的找礦思路：根據成礦流體在含碳質巖石中形成礦體的同時，還蝕變碳質物或破壞碳質物連通性的可能，提出在含碳質巖石中通過尋找有規(guī)律變化的電性異常來識別構造熱液活動，達到間接找礦的目的。通過激電中梯測量可以在平面上定位構造熱液活動帶。其地下產狀則通過音頻大地電磁測深來進行分析。

d. 提出含碳質巖石中以構造熱液活動帶為勘探目標的找礦思路有重要意義，對賦存于含碳質巖石中難以引起較大地球物理異常的稀有金屬或貴金屬礦脈的地球物理找礦有實際意義。青藏高原的隆升和伸展過程中，構造熱液活動所造成的碳質物性質和連通性的變化，會引起含碳質巖石電性特征的較大變化；且特提斯喜馬拉雅成礦帶內發(fā)育了巨厚的含碳質巖石和眾多多金屬礦床，為上述找礦方法的應用提供了足夠的空間基礎。