基于全區(qū)視電阻率的CSAMT應(yīng)用研究
——以西藏幫浦—笛給鉛鋅礦區(qū)為例

張葉鵬，謝 亮，李 艷，嚴(yán)家斌，王 紅，孔 輝

(1.湖南省有色地質(zhì)勘查局二四七隊，湖南 長沙 410129；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.陜西省韓城市自然資源局，陜西 韓城 715400)

0 引言

電磁法是根據(jù)電磁感應(yīng)原理研究天然或人工(可控)場源在大地中激勵的交變電磁場分布，并由觀測到的電磁場分布，研究地下電性及地質(zhì)特征的一種地球物理方法。按場源，電磁法可分為天然場源的大地電磁法(Magnetotellurics；MT)和人工(可控)源電磁法；在空間上，電磁法又可分為航空電磁法、海底電磁法、井中電磁法和地面電磁法；根據(jù)研究的場特性，電磁法可分為頻率域電磁法(Frequency-domain Electromagnetics；FEM)和時間域瞬變電磁法(Time-domain/Transient Electromagnetics；TEM)；按勘探方式，電磁法又可劃分為電磁測深和一般的剖面電磁勘探。在電磁測深中，根據(jù)測深原理，又有幾何電磁測深和參數(shù)電磁測深兩種[1]。

頻率域電磁法工作中最常用的是MT、AMT以及CSAMT等方法。MT、AMT方法采用天然場源，存在天然場源的隨機性及信號微弱，淺層分辨率低等問題。CSAMT使用接地導(dǎo)線或不接地回線為場源，在波區(qū)測量相互正交的電、磁場切向分量，并計算卡尼亞電阻率，因而具有較強的抗干擾能力，且更容易獲得對地電變化較靈敏的相位差信息；又由于波區(qū)電磁場十分接近平面波，因而其資料處理、解釋也較為簡便，可以保留AMT法中的許多解釋方法。然而CSAMT采集數(shù)據(jù)中包含了波(遠)區(qū)、過渡區(qū)、近場數(shù)據(jù)，目前僅限于計算遠區(qū)數(shù)據(jù)的卡尼亞視電阻率，在過渡區(qū)以及近區(qū)場計算的卡尼亞視電阻率會發(fā)生畸變，不能反映地下真實的電阻率變化情況，需要校正或有新的計算方法。往往CSAMT野外施工受條件和發(fā)射功率的制約，進入遠區(qū)的最小頻率在幾十至上百赫茲，深部探測結(jié)果嚴(yán)重受影響，如何利用過渡區(qū)和近場數(shù)據(jù)是地質(zhì)工作者亟需要研究和解決的問題。目前的研究主要成果：電偶源電磁測深全區(qū)視電阻率進行了研究[2]；水平多層大地上垂直磁偶極頻率測深的全波視電阻率進行了研究[3]；水平電偶源頻率域電磁測深全區(qū)視電阻率的直接算法進行了研究[4]；CSAMT電場y方向視電阻率的定義及研究[5]；討論了CSAMT電場x方向全區(qū)視電阻率定義及應(yīng)用[6-7]；利用水平電偶極源層狀模型垂直磁場計算全區(qū)視電阻率[8]；另外一些學(xué)者對非遠區(qū)校正進行了部分研究，其中包括了牛頓迭代法和遺傳算法等[9-12]；探討了卡尼亞電阻率探深與全區(qū)視電阻率探深的差異[13]。筆者分別用水平電場強度Ex和磁場強度Hy推導(dǎo)出相應(yīng)的全區(qū)視電阻率值計算公式，采用數(shù)值求解方法求取全區(qū)視電阻率的數(shù)值解，對于西藏幫浦—笛給礦區(qū)實測資料進行計算，將Ex方向全區(qū)視電阻率與卡尼亞視電阻率兩者互相對比分析研究，依據(jù)Ex方向全區(qū)視電阻率異常布置了驗證鉆孔，驗證結(jié)果顯示鉛鋅礦化體均產(chǎn)于Ex方向全區(qū)視電阻率異常線性低阻帶以及高低阻梯級帶部位，達到了預(yù)期目標(biāo)，對CSAMT數(shù)據(jù)的處理和解釋具有參考價值。

1 CSAMT全區(qū)視電阻率

均勻半空間情況下，水平電偶極源在地面上激勵產(chǎn)生的電磁場水平分量為

[eik1r(1-ik1r)+(3cos2θ-2)]

(1)

(I1K0-I0K1)]-2cos2θI1K1}

(2)

在CSAMT測量中，當(dāng)滿足遠區(qū)條件時，視電阻率可采用卡尼亞視電阻率[1]的定義方式來求解：

(3)

(4)

(5)

式中：ρc為由式(4)計算所得的卡尼亞視電阻率，ρ為地下真實電阻率，可見在近區(qū)卡尼亞式電阻率不等于地下真實電阻率。其表現(xiàn)為卡尼亞式電阻率曲線在雙對視坐標(biāo)系上成直線45°上升，相應(yīng)的相位曲線突然由45°趨向0°。由于實際的客觀條件的限制，CSAMT法野外觀測的低頻數(shù)據(jù)往往會落入近區(qū)和過渡區(qū)，此時的卡尼亞式電阻率及其相位發(fā)生畸變，無法正確的反映地下真實的電性結(jié)構(gòu)，因此為了充分利用CSAMT的全頻率域測深數(shù)據(jù)資料，必須考慮對視電阻率的求解方法進行重新定義。

倘若此時令

F(ik1r)=eik1r(1-ik1r)+(3cos2θ-2)

(6)

G(ik1r)=k1r{sin2θ[6I1K1+ik1r?

(I1K0-I0K1)]-2cos2θI1K1]}

(7)

推導(dǎo)可得

(8)

(9)

根據(jù)式(8)和式(9)可分別用電場強度Ex和磁場強度Hy計算出相應(yīng)的全區(qū)視電阻率值[14]，然而波常數(shù)k1中仍然帶有電阻率的信息，式(8)和式(9)分別為兩種全區(qū)視電阻率的隱式表達，不能直接求解，本文采用數(shù)值求解法求取全區(qū)視電阻率的數(shù)值解。

2 理論模型計算結(jié)果分析

2.1 均勻半空間計算全區(qū)視電阻率

設(shè)偶極源AB= 1000 m，收發(fā)距r= 10000 m，發(fā)射電流為4A，發(fā)射頻率為2-3Hz～213Hz，設(shè)定模型電阻率為500 Ω·m。對均勻半空間介質(zhì)表面水平電偶極子產(chǎn)生的電磁場進行電場全區(qū)視電阻率、磁場全區(qū)視電阻率以及卡尼亞視電阻率計算(圖1)。由圖1可見，3條曲線在遠區(qū)重合，在過渡區(qū)和近區(qū)存在分離；卡尼亞電阻率在過渡區(qū)存在“凹陷”，低于均勻半空間電阻率，在近區(qū)呈45°上升趨勢；電場和磁場計算的兩種全區(qū)視電阻率在遠區(qū)、過渡區(qū)及近區(qū)均趨于均勻半空間電阻率，客觀的反映了地下電性結(jié)構(gòu)的垂向變化特征。

圖1 均勻半空間視電阻率對比曲線

2.2 兩層模型計算全區(qū)視電阻率

參數(shù)設(shè)置與均勻半空間相同，D型模型的第一層電阻率設(shè)置為500 Ω·m，厚度為100 m，第二層電阻率設(shè)置為100 Ω·m；G型模型的第一層電阻率設(shè)置為500 Ω·m，厚度為100 m，第二層電阻率設(shè)置為1000 Ω·m。

采用電場和磁場分別計算全區(qū)視電阻率。由圖2可見，卡尼亞視電阻率曲線在過渡區(qū)和近區(qū)存在明顯畸變，近區(qū)明顯呈45°上升；兩種全區(qū)視電阻率曲線形態(tài)清晰，趨于模型電阻率，可客觀真實地反映地下地電結(jié)構(gòu)。表明電場和磁場計算的全區(qū)視電阻率優(yōu)于卡尼亞電阻率。

圖2 二層模型視電阻率對比曲線Fig.2 Comparison of apparent resistivity curves of two-layered model

3 實例分析

3.1 成礦地質(zhì)背景

幫浦東段—笛給鉛鋅多金屬礦區(qū)位于岡底斯成礦帶東段，比鄰幫浦、驅(qū)龍、甲馬，位于林周—直孔成礦帶中，成礦地質(zhì)條件十分優(yōu)越。前人研究成果顯示，下二疊統(tǒng)洛巴堆組大理巖是礦區(qū)內(nèi)的主要賦礦層位。F1斷裂是礦區(qū)的主要控礦容礦構(gòu)造。在中新世后碰撞伸展構(gòu)造環(huán)境下，幫浦一帶大量的二長花崗斑巖、閃長玢巖侵入及后期構(gòu)造作用和巖漿期后含礦熱液作用是成礦關(guān)鍵。礦床流體的來源及演化過程研究指出，成礦流體來自于巖漿的出熔，金屬硫化物直接來源于巖漿，幫浦礦區(qū)東段鉛鋅礦床地質(zhì)特征及找礦方向研究表明，礦床東段鉛鋅礦床成因為中低溫?zé)嵋撼涮睢◣r型，礦體主要產(chǎn)于下二疊統(tǒng)洛巴堆組內(nèi)，嚴(yán)格受EW向斷層控制。最新研究指出，該礦床屬斑巖型—矽卡巖型—中低溫?zé)嵋撼涮钚蛷?fù)合礦床，對區(qū)內(nèi)找礦具有重要指導(dǎo)意義[15]。

礦區(qū)出露主要地層巖性(圖3)：下二疊統(tǒng)洛巴堆組(P1l)大理巖，上二疊統(tǒng)旁那組(P2p)片巖夾少量石英巖，古近系古新統(tǒng)典中組(E1d)安山質(zhì)火山角礫熔巖、安山巖、砂巖夾少量板巖及第四系(Q)。洛巴堆組大理巖為幫浦礦區(qū)東段的主要賦礦層位，典中組安山質(zhì)火山角礫熔巖(E1d1)為笛給礦區(qū)的主要賦礦層位、幫浦礦區(qū)東段的次要賦礦層位。

圖3 幫浦東段—笛給鉛鋅礦區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.3 Geological sketch map ofthe eastern Bangpu-Digei lead-zinc mining area

區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)體和構(gòu)造線方向與雅魯藏布縫合帶的走向相一致，即為近EW向，也是區(qū)內(nèi)主要的容礦構(gòu)造。火山巖在二疊系和古近系中火山巖均較發(fā)育，主要為中酸性火山碎屑巖及熔巖等。侵入巖是錯木拉二長花崗巖體(ηγ)，位于幫浦礦區(qū)東段的東南部，巖性為中粗粒二長花崗巖。侵入巖脈主要為石英斑巖脈?；鹕綆r為英安巖脈。礦體受構(gòu)造控制明顯，走向以近EW為主，礦石主要類型是方鉛礦-閃鋅礦礦石、閃鋅礦-方鉛礦礦石，次要類型是黃銅礦-黃鐵礦-方鉛礦礦石、黃鐵礦礦石。

3.2 礦區(qū)地球物理特征

標(biāo)本主要采集于鉆孔巖心、露頭及坑道，涵蓋了礦區(qū)各個地層。電性參數(shù)測定使用GDD-SCIP型電參數(shù)測量儀，測量參數(shù)為視電阻率和視極化率；磁性參數(shù)測定使用SM3.0磁化率儀。測試統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 幫浦東段—笛給礦區(qū)及外圍巖礦石物性參數(shù)特征Table 1 List of physical parameters of rocks and ores in the eastern Bangpu-Digei lead-zinc mining area and its periphery

1)視極化率特征：含礦巖類(鉛鋅礦化、黃鐵礦化)視極化率常見值大于15%，具有高極化率特征；碳質(zhì)板巖視極化率常見值為8.9%，具有中高極化率特征，根據(jù)目前在開采中發(fā)現(xiàn)的斷層控制鉛鋅礦體附近多存在碳質(zhì)板巖，可將碳質(zhì)板巖作為找礦標(biāo)志層；圍巖視極化率常見值均小于4%，形成礦區(qū)的視極化率背景場；氧化礦的視極化率常見值為1.97%，遠低于原生礦，是因為其鐵質(zhì)成分被氧化為褐鐵礦，硫質(zhì)成分減少所導(dǎo)致，依據(jù)其視極化率常見值無法區(qū)分氧化礦與圍巖。

2)視電阻率特征：各類礦石視電阻率均小于700 Ω·m，圍巖視電阻率一般大于1600 Ω·m，表明礦石具有低阻特征，圍巖具有中高阻特征，視電阻率差異明顯。

3)磁化率特征：黑云母二長花崗巖具有一定磁性，為本區(qū)磁性最強巖石；鉛鋅礦石、氧化礦石以及強黃鐵礦化礦石具有弱磁性；其他巖石不具磁性；黑云母二長花崗巖屬于酸性花崗巖，一般為無磁性或弱磁性，只有其與圍巖接觸部位產(chǎn)生磁性殼或巖體本身產(chǎn)生蝕變而呈現(xiàn)弱磁異常，而礦區(qū)黑云母二長花崗巖的磁性測定和地面磁測均顯示磁性的存在，鉆探結(jié)果顯示巖體與圍巖接觸部位蝕變明顯，且?guī)r體內(nèi)局部蝕變明顯，表明該巖體的磁性由蝕變引起[15]。

綜上，礦區(qū)含礦巖類具有明顯的低阻高極化、弱磁特征，與圍巖物性差異明顯，具備了地球物理勘探的物性前提條件；氧化鉛鋅礦與圍巖物性差異不明顯，單憑物性無法區(qū)分，但是氧化礦一般產(chǎn)出在近地表，原生礦的頂部，可利用此特征篩查氧化鉛鋅礦。

3.3 可控源音頻大地電磁法測量

本次可控源大地電磁測深(CSAMT)[16-18]采用GDP32Ⅱ多功能電法工作站，以100 m×40 m網(wǎng)度開展工作，采用TM模式標(biāo)量方法進行測量，發(fā)射極距AB=1800 m，AB與測線方向相平行，收發(fā)距為13.0 km～13.3 km，Ex測量極距MN=40 m，測量點距為40 m，每7個點測量一個中間點的Hy，測量頻率為0.125 Hz～8192 Hz，數(shù)據(jù)處理選擇卡尼亞電阻率和Ex定義的全區(qū)視電阻率計算結(jié)果。以200線244點為例，校正前、后視電阻率曲線對比(圖4)，可見兩者在遠區(qū)曲線形態(tài)類似，在近場卡尼亞電阻率呈近45°上升，計算結(jié)果大于地下真實的電阻率，Ex全區(qū)視電阻率在近場曲線平緩。將區(qū)內(nèi)采集CSAMT數(shù)據(jù)的卡尼亞電阻率與Ex全區(qū)視電阻率計算結(jié)果采用二維帶地形圓滑反演，反演結(jié)果見圖5、圖6。

圖4 200線244點校正前后視電阻率曲線對比圖Fig.4 Comparison diagram of apparent resistivity curves of244 site in line 210 before and after correction

圖5顯示，卡尼亞電阻率剖面異常整體規(guī)律性較為明顯，深部均存在大規(guī)模低阻體，淺部均以“兩高夾一低”形態(tài)展布。結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)特征分析，將深部低阻體推斷為含礦隱伏巖體[19]；將“兩高夾一低”中的“兩高”推斷為二疊系和古近系，“一低”推斷為巖體侵位通道或巖體侵位擠壓地層形成的角礫巖帶。但其缺少能夠反映含礦斑巖體形態(tài)的深部信息和能夠探索含礦斷裂的細節(jié)信息，無法直接確定尋找鉛鋅礦的鉆孔位置。

圖5 CSAMT卡尼亞視電阻率異常成果圖Fig.5 CSAMT Cagniard apparent resistivity anomaly result diagram

圖6 CSAMT Ex全區(qū)視電阻率異常成果圖Fig.6 CSAMT Ex full-region apparent resistivity anomaly result diagram

Ex全區(qū)視電阻率反演結(jié)果表明，其有效地利用了過渡區(qū)和近場數(shù)據(jù)，反演有效深度達3000 m，完好地反映了深部含礦隱伏巖體的形態(tài)，巖體三度體特征明顯，由SSW向NNE向侵位，巖體頂面西高東低，最淺高程4500 m。190、200線呈現(xiàn)出明顯的“U”型低阻異常，“U”型兩翼則為巖漿侵位通道，南側(cè)通道位于錯木拉巖體和穿插在二疊系凝灰?guī)r中的碳質(zhì)板巖之間，北側(cè)位于二疊系凝灰?guī)r和三疊系凝灰?guī)r之間，南側(cè)通過寬度通道較為緊閉，北側(cè)通道較寬，呈開口狀，通道中的物質(zhì)為含礦角礫巖，推斷由巖體侵位過程中擠壓地層形成。地質(zhì)證據(jù)：南部錯木拉巖體測齡為60 Ma，二疊系凝灰?guī)r測齡約為290 Ma，三疊系凝灰?guī)r測齡約為250 Ma，地表錯木拉巖體與二疊系凝灰?guī)r之間存在角礫巖，二疊系凝灰?guī)r與三疊系凝灰?guī)r之間存在角礫巖，這些地質(zhì)現(xiàn)象佐證了異常兩翼為巖漿侵位通道的準(zhǔn)確性，且兩翼角礫巖均為構(gòu)造角礫巖。

為了更好地與卡尼亞電阻率反演結(jié)果對比，截取了與卡尼亞電阻率反演深度相同的數(shù)據(jù)在本文中成圖(圖6)。由圖6顯示，中淺部信息大規(guī)模的完整高阻體變換成了局部高阻體，高阻體間的線性低阻帶反映了碳質(zhì)地層和次級構(gòu)造的存在，更加接近礦區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)分布實際情況，為探索含礦構(gòu)造提供了科學(xué)依據(jù)，也表明Ex全區(qū)視電阻率反演結(jié)果對低阻體反映更加敏銳。

3.4 鉆孔驗證

ZK1601鉆孔驗證結(jié)果顯示(圖7、圖8)，在136.2～143.1 m為鉛鋅礦化體，礦體之下為大理巖，卡尼亞電阻率反演結(jié)果顯示鉛鋅礦化體部位存在局部低阻體，Ex全區(qū)視電阻率改正后反演結(jié)果顯示鉛鋅礦化體部位存在線性低阻帶，礦體傾向與低阻帶傾向一致，下部高阻體為大理巖。

ZK1801鉆孔驗證結(jié)果(圖7、圖8)顯示，在420 m以上為二疊系凝灰?guī)r，局部存在蝕變凝灰?guī)r，卡尼亞電阻率和Ex全區(qū)視電阻率反演結(jié)果均為中阻特征，差異之處在于Ex全區(qū)視電阻率反演結(jié)果在此處夾有局部低阻，該局部低阻反映的是蝕變凝灰?guī)r；在427.4～530 m為凝灰?guī)r和角礫巖互相交叉產(chǎn)出，存在5層鉛鋅礦化體，礦體產(chǎn)于角礫巖裂隙和破碎帶中，且在終孔530m處礦體并未封閉，結(jié)合目前探采需求予以終孔。鉆孔驗證結(jié)果指示了深部隱伏巖體侵位“通道”北翼角礫巖為含礦構(gòu)造角礫巖，且礦源極有可能為深部隱伏巖體?？醽嗠娮杪屎虴x全區(qū)視電阻率反演結(jié)果均顯示礦化體產(chǎn)于高低阻過渡帶部位，兩者具有高度一致性。

圖7 210線CSAMT卡尼亞視電阻率異常與鉆孔驗證圖Fig.7 Drilling verification diagram and CSAMT Cagniard apparent resistivity anomaly in line 2101—驗證鉆孔及編號 2—鉛鋅礦化體

圖8 210線CSAMT Ex全區(qū)視電阻率異常與鉆孔驗證圖Fig.8 Drillin verification diagram and CSAMT Ex full-region apparent resistivity anomaly in line 2101—驗證鉆孔及編號 2—鉛鋅礦化體

4 結(jié)論與建議

CSAMT采集數(shù)據(jù)包含了遠區(qū)、過渡區(qū)和近場數(shù)據(jù)，僅利用了遠區(qū)數(shù)據(jù)計算卡尼亞電阻率，過渡區(qū)和近場依然包含很多視電阻率信息，研究電場強度Ex和磁場強度Hy，計算相應(yīng)的全區(qū)視電阻率，可以充分地利用過渡區(qū)和近場數(shù)據(jù)，極大地提高了采集數(shù)據(jù)的可利用性。

通過實例計算，反演、鉆孔驗證，顯示Ex全區(qū)視電阻率校正可加大和豐富深部信息，對于推斷深部隱伏巖體形態(tài)可描述得更確切，中淺部異常細節(jié)刻畫得更明顯。重新認識了“U”型低阻異常，剖析了深部含礦隱伏巖體和含礦構(gòu)造角礫巖，對于本區(qū)深部勘探和采礦的深部開拓具有重大意義。以210線為例，最為明顯的是將中淺部大規(guī)模完整的高阻體分解為多個高、低阻體，以充分識別高阻中夾的局部低阻，已有鉆孔資料顯示這些局部低阻對于區(qū)內(nèi)中淺部找礦十分有利，也是近期工作布置的重點部位。表明了CSAMT方法利用電場強度Ex計算全區(qū)視電阻率的有效性。磁場強度Hy計算的全區(qū)視電阻率需進一步研究，倘若有效，那么在今后CSAMT數(shù)據(jù)中，除了利用卡尼亞電阻率以外，應(yīng)加強對電場強度Ex和磁場強度Hy計算相應(yīng)的全區(qū)視電阻率的研究，可將三者相結(jié)合利用，給予CSAMT成果更加豐富、可靠的地質(zhì)解釋。