激發(fā)極化法在山東省南墅地區(qū)晶質(zhì)石墨找礦中的應(yīng)用

冀魯雪，牟路路，張 南，崔樂航，韓蘭臻

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100)

石墨具有耐高溫性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、潤滑性、抗熱震性等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于冶金、機械、電器電子、環(huán)保、新能源汽車、航空航天、國防等工業(yè)領(lǐng)域，是支撐高新技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源[1]。山東省不僅是我國石墨資源大省，也是我國重要的石墨成礦區(qū)，南墅地區(qū)晶質(zhì)石墨更是因其鱗片大而聞名[2]。1943年日軍占領(lǐng)南墅石墨礦區(qū)，開始形成真正意義上的開采。至20世紀(jì)80年代中期，經(jīng)歷了40余年的開采高峰期，石墨低成本的開采期早已結(jié)束，大鱗片晶質(zhì)石墨資源嚴(yán)重匱乏。部分石墨企業(yè)已遷移到黑龍江等地重新組建或合作開發(fā)，跨區(qū)域調(diào)運石墨資源，提高了企業(yè)的生產(chǎn)成本[3]。

南墅地區(qū)第四系覆蓋較厚，石墨含礦地層地表出露較少，但預(yù)測具有較好的晶質(zhì)石墨資源潛力。石墨礦具有低阻高極化的物性特征，尤其在第四系覆蓋較厚的地區(qū)，利用該物性特征圈定石墨異常是十分有效的物探工作手段。為此，中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊積極在南墅地區(qū)成礦有利位置開展了物探工作，共圈定激電異常10處，為下一步地質(zhì)工作提供了依據(jù)，取得了較好的找礦效果。

1 調(diào)查區(qū)地質(zhì)概況

調(diào)查區(qū)位于華北陸塊(Ⅰ)膠遼隆起區(qū)(Ⅱ)的膠北隆起(Ⅲ)和膠萊盆地西部(Ⅲ)中，膠北斷隆(Ⅳ)南部，萊西—即墨斷陷(Ⅳ)北部，包括膠北凸起(Ⅴ)、棲霞—馬連莊凸起(Ⅴ)、南墅—云山凸起(Ⅴ)、夏格莊凹陷(Ⅴ)。構(gòu)造行跡多樣，巖石類型復(fù)雜，東部及東北部出露太古宙變質(zhì)深成侵入體及唐家莊巖群變質(zhì)巖，西部出露中生代晚侏羅世玲瓏序列花崗巖，二者以招平斷裂為界[4]，中南部為荊山群變質(zhì)巖，與上述侵入巖成斷層或韌性變形帶接觸。其中荊山群及西水夼單元細粒變輝長巖經(jīng)歷了麻粒巖相變質(zhì)和脆—韌性變形作用改造，形成規(guī)模較大的近東西向展布的褶皺構(gòu)造和韌性變形帶。區(qū)內(nèi)出露的地層由老至新可分為中太古代唐家莊巖群、古元古代荊山群、中生代青山群及第四系(圖1)。

圖1 調(diào)查區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

區(qū)內(nèi)石墨礦床成因類型為沉積變質(zhì)型晶質(zhì)石墨礦床，控礦因素包括地層、構(gòu)造、區(qū)域變質(zhì)作用和混合巖化作用[5]。成礦嚴(yán)格受地層層位控制，賦存于古元古代荊山群陡崖組徐村段，其底板為古元古代荊山群野頭組地層，頂板為古元古代荊山群陡崖組水桃林段地層；礦體常呈層狀、似層狀、透鏡狀、馬鞍狀等形態(tài)，其產(chǎn)狀多與地層產(chǎn)狀相一致，且與圍巖具有清晰的地質(zhì)界線；礦體多分布于褶皺構(gòu)造的兩翼和轉(zhuǎn)折部位，褶皺構(gòu)造可將含礦層彎曲折疊，使礦體厚度增大；礦石具有明顯的變質(zhì)巖結(jié)構(gòu)和片麻狀構(gòu)造，石墨鱗片主要分布于脈石顆粒間，與圍巖片理方向一致；含石墨巖系大多遭受了不同程度的混合巖化作用，混合巖化作用越強，石墨品質(zhì)越高[5-7]。

通過前期開展的地質(zhì)測量工作發(fā)現(xiàn)，調(diào)查區(qū)內(nèi)大東館—李家洼一帶石墨礦(化)體分布較密集，多呈北東、北西或近東西向展布，均賦存于荊山群陡崖組徐村段，含礦巖性以石墨變粒巖、石墨黑云斜長片麻巖等為主，圍巖主要為荊山群野頭組定國寺段透輝巖、透輝大理巖、荊山群野頭組祥山段淺粒巖、萊州序列西水夼單元細粒變輝長巖及玲瓏序列花崗巖等。物探工作的重點即大東館—李家洼一帶，在前期的填圖工作中，未在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)黃鐵礦、黃銅礦等金屬硫化物出露，工區(qū)兩側(cè)分別為北墅水庫及李家洼水庫，為避免水的影響，物探開展時避免靠近水庫太近。

2 物探工作

在石墨礦找礦工作中，最有效的物探方法是激發(fā)極化法[8-10]，有時也應(yīng)用自然電位法[11]或是二者結(jié)合使用[12-13]。在第四系覆蓋較厚、地表露頭較少時更能發(fā)揮物探方法的作用。經(jīng)分析區(qū)內(nèi)石墨礦床地質(zhì)特征及石墨物性特征，認為可以利用激電中梯法進行面積性工作圈定石墨異常邊界，利用激電測深法了解石墨異常體深部特征。

首先選定一條典型的地質(zhì)剖面，進行物探技術(shù)參數(shù)選擇試驗，最終確定了物探工作參數(shù)分別為：供電極距1 200m、測量極距40m、供電周期16s、斷電延時150ms、采樣寬度40ms。然后在民采坑內(nèi)及巖性露頭發(fā)育較好的位置，使用野外露頭小四極法，對區(qū)內(nèi)出露的各巖、礦石電性特征進行了測試(表1)，結(jié)果表明含石墨礦石極化率最高可達到26.89%，平均值可達到7.5%左右，而圍巖的極化率基本都在3%以下，含石墨礦石的極化率平均值約為圍巖的3～7倍；與之相反，含石墨礦石的電阻率明顯較低，其平均值可與圍巖差出一個量級以上，電阻率和極化率差異均較明顯，表現(xiàn)出明顯的低阻高極化特性，具有開展激電工作的良好物性條件。

表1 巖礦石電性參數(shù)統(tǒng)計

激電中梯面積性工作主要布置在大東館—李家洼一帶，少量布置在下莊測區(qū)，共11km2。采用100m×40m的網(wǎng)度進行數(shù)據(jù)采集，在礦體發(fā)育較好的位置加密到50m×20m。測線方位角0°(下莊測區(qū)90°)，與區(qū)內(nèi)的主要含石墨地層、構(gòu)造的走向基本垂直。共計完成物理點3623點，質(zhì)量檢查點115點，占總點數(shù)的3.2%，視電阻率均方相對誤差3.79%，視極化率均方誤差3.26%，滿足標(biāo)準(zhǔn)Z/T0070-2016《時間域激發(fā)極化法技術(shù)規(guī)程》D中A級精度要求。對野外采集的原始數(shù)據(jù)進行整理，并經(jīng)過自檢互檢確認質(zhì)量合格后，進行后續(xù)的處理與解釋工作。由于測區(qū)內(nèi)覆蓋較厚，視電阻率值整體不高，且視電阻率易受地形影響呈現(xiàn)出假異常，尤其是石墨礦體及其周邊區(qū)域，受體積效應(yīng)的影響，視電阻率值對石墨礦體與圍巖的界線反應(yīng)不明顯，表現(xiàn)為大片的低阻區(qū)域，此種現(xiàn)象在圖6中可明顯看出，圖中下半部分幾乎全是低阻區(qū)域，難以圈定礦體邊界；反之，極化率異常則具有專屬性，有極化率異常，一定有對應(yīng)的異常源存在，地形不會對其造成假異常，而且對礦體界線的反應(yīng)較明顯，一般表現(xiàn)為閉合的高極化異常，因此在異常圈定過程中，采用視極化率值圈定異常，視電阻率值作為參考。

對整個測區(qū)的視極化率數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，按照異常下限公式[14]計算如下。

異常下限=背景值+(1.5～2.5)N

式中：ηs為各個測點的視極化率值(%)；ηs為全區(qū)所有測點視極化率值的平均值(%)；n為測點數(shù)量；N值前的系數(shù)為置信度系數(shù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，異常點數(shù)占比高，則置信度高，該系數(shù)可取小值[14]。此處背景值取平均值4.87%，經(jīng)計算N為±1.46，置信度系數(shù)取1.5，經(jīng)計算異常下限為7.06%，四舍五入確定以極化率7%作為異常下限進行異常圈定工作。全區(qū)共圈定極化率異常10處，也屬于低阻區(qū)，其中李家洼測區(qū)4處(圖2)、大東館測區(qū)5處(圖3)、下莊測區(qū)1處。各異常區(qū)均位于石墨的含礦層位荊山群陡崖組徐村段內(nèi)，異常范圍內(nèi)均可見礦(化)體出露，部分異常在后期進行了槽探驗證，為礦致異常。受北墅水庫、李家洼水庫、北墅監(jiān)獄及測區(qū)內(nèi)村莊的影響，部分異常未封閉。

3 物探異常解釋

區(qū)內(nèi)各異常表現(xiàn)為明顯的低阻高極化特征，基本呈條帶狀分布。通過槽探工程對IP1號、IP2號、IP3號、IP5號、IP6號、IP10號物探異常進行了驗證，均揭露有礦體發(fā)育；IP4號、IP8號、IP9號異常雖未布設(shè)槽探工程，但在異常范圍內(nèi)均有民采坑分布，坑內(nèi)可見含石墨巖性發(fā)育；IP7號異常范圍內(nèi)雖然沒有民采坑分布，但地表可見明顯礦化現(xiàn)象，有含石墨巖性出露，推測均為礦致異常。本次物探工作取得了較好的效果。

圖2 李家洼測區(qū)物探視極化率異常圖

圖3 大東館測區(qū)物探視極化率異常圖

以IP5號激電異常為例進行詳細分析(圖4～圖6)，該異常位于石廟村、大東館村南側(cè)，皮家園村、北墅監(jiān)獄北側(cè)，起自北墅水庫終至大東館村以南，條帶狀，走向南東東，長約2 300m，平均寬度約120m。該異?；径急坏谒南蹈采w，在整個異常區(qū)范圍內(nèi)斷續(xù)分布有大量民采坑，坑內(nèi)可見含石墨巖性發(fā)育，采坑的走向與異常走向基本一致。異常幅值高，連續(xù)性好，極化率為8%～10%，最大值位于北墅水庫東側(cè)200線1 000點，達到23.66%，后期經(jīng)探槽揭露有含石墨巖性。異常西側(cè)為北墅水庫，無法繼續(xù)向西追索，異常西側(cè)未封閉，結(jié)合異常形態(tài)及大小，推測異常體向西仍有延伸，且寬度有變大的趨勢。異常東端在軸向上發(fā)生錯斷，推測該處有構(gòu)造發(fā)育(即圖4右下角斷層)。從視電阻率等值線圖上來看(圖6)，異常區(qū)基本位于低阻區(qū)域，僅東端錯斷部分位于由高阻向低阻過渡的梯度帶上。除個別測點外，視電阻率值基本在10～120Ω·m之間，呈低阻高極化特征。圖中并沒有形成閉合的低阻異常，而是表現(xiàn)為大片的低阻區(qū)域，與異常區(qū)南側(cè)圍巖的界限不明顯，推測應(yīng)為體積效應(yīng)的影響。

圖4 5號激電異常地質(zhì)簡圖

圖5 5號異常視極化率平面等值線圖

圖6 5號異常視電阻率平面等值線圖

為了解異常體在深部的形態(tài)特征，在IP5號異常中段偏西位置布設(shè)大東館測區(qū)1號激電測深剖面(圖5、圖7)，同樣按照極化率7%異常下限圈定異常，在1號測深剖面120～320號點下方，存在明顯高極化異常，傾向南，覆蓋層較厚，推測覆蓋厚度約為10～20m，異常寬約200m，向下延伸至剖面底部仍未閉合。異常區(qū)位置與地質(zhì)剖面中的荊山群陡崖組徐村段地層基本吻合，在異常范圍內(nèi)圈定出大東館Ⅰ號礦體(圖4)，與視極化率擬斷面圖中異常區(qū)最高值(195號點下方)對應(yīng)較好。

4 結(jié)論與建議

圖7 1號激電測深剖面視極化率擬斷面圖

通過物性測試，表明含石墨巖性相對圍巖具有明顯的低阻高極化特征，利用該物性特征，選用激電中梯測量和激電測深測量分別圈定異常體的平面和深部形態(tài)特征，以極化率7%作為異常下限，共圈定10處物探異常，為閉合的高極化異常，條帶狀分布，除下莊測區(qū)為南北向外，其余均為近東西向，各異常推測均為礦致異常，表明應(yīng)用激發(fā)極化法在覆蓋區(qū)尋找石墨礦可以取得較好的效果，為圈定石墨礦體范圍及找礦靶區(qū)提供了依據(jù)。有以下幾點認識。

(1)石墨礦體具有明顯的低阻高極化特征，與圍巖存在明顯的物性差異是開展物探工作的前提，也是物探工作可以取得較好成果的保證。

(2)要與地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合，一定要選好典型的地質(zhì)剖面，進行技術(shù)參數(shù)選擇實驗，確定合適的供電極距、測量極距、供電周期、斷電延時、采樣寬度等技術(shù)參數(shù)，以取得質(zhì)量較好的觀測數(shù)據(jù)。

(3)物探野外施工過程中，要注意觀察地表有無礦(化)體出露，以及民采坑的分布情況，記錄其位置、地層產(chǎn)狀等，這些均可作為數(shù)據(jù)處理過程中圈定異常的依據(jù)。在異常圈定過程中，還要結(jié)合地質(zhì)工作取得的成果，合理圈定異常。

(4)要探討可能會對物探施工造成影響的因素，如地形、覆蓋層以及硫化物等。視電阻率易受地形影響造成假異常，正地形易形成低阻異常，負地形易形成高阻異常；在覆蓋層較厚的情況下，視電阻率值也會受此影響而降低，若覆蓋層導(dǎo)電性良好，甚至?xí)纬傻妥杵帘?；硫化物、水等也表現(xiàn)為低阻高極化的物性特征，與含石墨巖性類似，異常解釋時應(yīng)排除此類影響。

(5)在實際工作中發(fā)現(xiàn)，極化率的高低與固定碳含量有一定的關(guān)系，固定碳含量越高，極化率越高，在接下來的工作中，可以加強該方面的研究，以發(fā)現(xiàn)其中規(guī)律，為野外初步估計固定碳含量提供依據(jù)。