可控源音頻大地電磁法在大平山地區(qū)礦產勘探中的應用

林建勇， 杜廣仁， 陳 輝

(1. 江蘇省核工業(yè)二七二地質大隊，江蘇 南京 211102；2. 核工業(yè)二四○研究所，遼寧 沈陽 110032；3. 東華理工大學 地球物理與測控技術學院， 江西 南昌 330013)

大平山地區(qū)是我國重要的鐵銅礦產地之一，位于南京市南郊江寧區(qū)橫溪鎮(zhèn)西部，處于寧蕪火山巖盆地中段邊緣，區(qū)內廣泛分布著中生代陸相火山巖(王少華等，2014；梁峰等，2014)。研究人員曾在南京江寧縣一帶進行過1∶5萬地質調查工作(1)王尹，楊生.2015.南京市江寧區(qū)娘娘山、太平山CSAMT綜合成果報告.江蘇省核工業(yè)二七二地質大隊.。之后，冶金、地質和化工等部門的生產單位也對該地區(qū)進行了大量的礦產普查勘探和地質研究工作，不僅探明了大量的礦產儲量，而且積累了極其豐富的地質資料(張昆等，2015)。

可控源音頻大地電磁測深法(簡稱CSAMT)是為了解決音頻大地電磁法(AMT)天然場源信號弱、干擾大等問題，提出利用人工電磁場源進行發(fā)射的一種頻率域電磁勘探方法(盧鴻飛等，2013；鐘幼生等，2015；黃兆輝等，2006)。該方法具有勘探深度范圍大、觀測效率高、橫向分辨能力高、抗干擾能力強等特點，已被廣泛應用于固體礦產勘探、地熱勘探、環(huán)境工程勘查等方面(崔江偉等，2015；楊振威，2013；湯井田等，2010；許廣春，2011)。

本研究將利用CSAMT法查明大平山地區(qū)斷裂及延伸情況，為礦產勘探提供參考資料。首先，通過收集以往該地區(qū)的地質調查資料及實地的物性資料，總結研究區(qū)的地質地球物理概況，然后對大平山地區(qū)重力數據進行分析處理，簡述CSAMT方法剖面實施的原則，最后詳細講述CSAMT方法的原理、數據處理過程以及反演解釋結果。

1 地質和地球物理概況

1.1 地質概況

大平山地區(qū)內出露的地層主要是下白堊統(tǒng)龍王山組下段(K1l1)以及中下侏羅統(tǒng)象山群上段(J1-2xn2)，少量中三疊統(tǒng)黃馬青組(T2h)，此外有部分次火山巖和侵入巖出露。

大平山測區(qū)的構造主要是北東向、北西向構造。北東向構造主要沿巖體與龍王山組接觸界線展布，此外在龍王山組內部也可見北東向構造。北西向構造主要位于測區(qū)東南部位，構造主要產于龍山組與象山群接觸部位。該區(qū)的構造主要為張性構造。

1.2 重力場特征

為更全面的反映大平山地區(qū)的斷裂分布及延伸情況，CSAMT方法的測量剖面應穿過重力異常，并盡可能垂直于斷裂走向。由大平山地區(qū)布格重力異常圖(圖2)可見，地區(qū)布格重力主要呈中部低，西北高的形態(tài)分布。其中，西北重力高由三個橢圓狀局部重力高組成，最高約22.6 mGal；最低位于地區(qū)中心，異常形態(tài)近似橢圓，最低值約20.2 mGal。為了增強重力異常局部特征，對布格重力異常數據進行水平總梯度處理(圖3)。從圖3中可知，等值線密集(重力異常變化劇烈)區(qū)域的水平總梯度值高，最高值位于研究區(qū)的中心位置，其值約為13 mGal/km。CSAMT測線穿過重力異常及向上延拓后的區(qū)域重力異常，并垂直于主要邊界的走向。

1.3 物性特征

為了研究該區(qū)的地球物理特征，在研究區(qū)內采集大量露頭標本，測定其密度和電阻率參數，測量統(tǒng)計結果見表1。由表1可見，地層巖石電阻率變化規(guī)律與巖性、地質年代密切相關，巖石電阻率因地層和巖性的不同而有很大差異。結合測區(qū)的電阻率參數特征，將電阻率分為3個級別：①小于500 Ω·m為低阻層；②500～2 000 Ω·m為中阻層；③大于2 000 Ω·m為高阻層。地層巖石密度變化規(guī)律與巖性密切相關，同一地層或地層年代相近的地層，巖石密度因巖性的不同而有很大差異。結合各分區(qū)的密度參數特征，將密度分為3個級別：①小于2.4 g/cm3為低密度層，②2.4～2.5 g/cm3為中等密度層，③大于2. 5 g/cm3為高密度層。

表1 巖石標本物性參數表

下白堊統(tǒng)娘娘山組上段為黝方響巖和響巖熔結集塊巖，電阻率為705～18 506 Ω·m，均值為4 121 Ω·m；密度為2.45～2.51 g/cm3，均值2.49 g/cm3，為高阻中密度層。下白堊統(tǒng)娘娘山組中段為熔結凝灰?guī)r和熔結火山角礫巖，電阻率為209～78 049 Ω·m，均值為2 101 Ω·m；密度為2.41～2.65 g/cm3，均值2.56 g/cm3，為高阻高密度層。下白堊統(tǒng)娘娘山組下段為粗面質凝灰角礫(熔)巖，電阻率為295～628 Ω·m，均值447 Ω·m；密度為2.28～2.40 g/cm3，均值2.34 g/cm3，為低阻低密度層；下白堊統(tǒng)白頭山組上段為粗面質凝灰熔巖，電阻率為643～2 224 Ω·m，均值1 477 Ω·m；密度為2.59～2.67 g/cm3，均值2.65 g/cm3，為中阻高密度層。下白堊統(tǒng)龍王山組下段為安山質火山角礫巖和安山巖，電阻率為258～7 770 Ω·m，均值為1 118 Ω·m；密度為2.12～2.50 g/cm3，均值2.31 g/cm3，為中阻低密度層。侏羅系中下統(tǒng)象山群組上段為長石石英砂巖加碳質頁巖泥質粉砂巖，其中泥質粉砂巖電阻率為186～242 Ω·m，均值為212 Ω·m，長石石英砂巖電阻率為293～850 Ω·m，均值為465 Ω·m；密度為2.37～2.45 g/cm3，均值2.42 g/cm3，為低阻中密度層；另外硅化強烈?guī)r石，電阻率為1 118～8 357 Ω·m，均值為3 132 Ω·m密度為2.31～2.60 g/cm3，均值2.54 g/cm3，為高阻高密度層。

區(qū)內侵入巖主要以二長斑巖和石英二長斑巖為主，其中巖體石英二長斑巖電阻率為197～1 539 Ω·m，均值為412 Ω·m；密度主要為2.32～2.55 g/cm3，平均密度為2.42 g/cm3，為低阻中密度層。根據前期電法剖面結果顯示，巖體在地表50 m以淺表現為低阻，而深部巖體則表現為高阻。物性標本采集均來自地表露頭，其低阻特征可能是因為破碎、含水性等因素引起，只能指示地表巖體的電阻率特征。因此，通過重力勘探和CSAMT方法能夠比較有效地區(qū)分該地區(qū)的地層和構造特征，為該區(qū)域的深部找礦提供有效的參考。

2 方法技術

2.1 CSAMT方法原理

CSAMT法針對音頻大地電磁法天然場源信號弱、不可控以及人為干擾較強等缺點，通過接地長導線激發(fā)頻率域人工電磁場源，然后在波區(qū)仿照AMT的野外工作方式測量相互正交的電磁場分量Ex和Hy，再利用卡尼亞視電阻率計算公式得到視電阻，其視電阻率(ρω)計算公式為：

(1)

式中，μ為磁導率；ω為角頻率。由于介質對電磁波有吸收作用，電磁場衰減到1/e時的電磁波傳播距離即為趨膚深度δ：

(2)

式中，ρ為介質電阻率，f為電磁波頻率。根據經驗，探測深度D與工作頻率和大地電阻率有如下關系：

(3)

因此，探測深度與電磁波頻率有關，電磁波頻率增大，探測深度變淺；CSAMT就是利用這一原理，通過改變發(fā)射的電磁波頻率來改變探測深度，從而達到測深目的。

2.2 數據采集

CSAMT方法數據采集采用的是赤道偶極工作裝置，陣列方式采集，大大提高了作業(yè)效率和采集數據精度。圖4為CSAMT觀測系統(tǒng)布置、接收裝置布置。工作中，將供電端布設在距離測線7～10 km處，且平行于測線方向放置，測量端以陣列方式，逐個排列進行測量，一臺發(fā)射機發(fā)送信號，主接收機和輔助接收機同時進行測量，用布設不極化罐和埋設磁探頭的方式接收電場信號和磁場信號，由于每個接收機有3道，一次可以接收6個極距的數據。頻率采集的范圍在8.33 Hz到7 680 Hz，采集周期為40分鐘，最大供電電流為15 A。結合研究區(qū)地質資料和重力場特征，在研究區(qū)布設測線一條(圖1，2)，共42個測點，點距為25 m。

2.3 數據處理

CSAMT觀測數據首先通過V8系統(tǒng)的處理軟件系統(tǒng)進行，預處理后的數據導入2D大地電磁二維處理與解釋軟件。對原始數據進行去噪處理，剔除干擾段數據，并繪制視電阻率-頻率斷面圖和相位-頻率斷面圖，再通過二維反演，繪制出二維反演斷面圖。通過分析以上圖件，劃分出異常區(qū)域，并結合已有的地質材料，進行綜合解釋判斷，分析斷裂構造分布及延伸情況。數據處理步驟如圖5示。

3 CSAMT方法在大平山地區(qū)的應用

視電阻率和相位曲線隨時間的變化特征可以定性的反應出地下地質情況隨深度的變化特點，從而可以很直觀地對典型結構做出初步判斷(王艷等，2009；鄭秋月等，2015；陳龍偉等，2012)。資料的定性分析是針對頻率域的資料進行的，依據不同地質構造、電性分布特征的大地電磁響應規(guī)律，分析提取原始資料中的地質信息，定性地把握地下電性層的分布特征、地層起伏變化情況、局部構造、構造單元劃分等，為進一步的定量解釋提供依據，同時評價、檢驗、落實定量解釋成果的可靠性(吳瓊等，2015；馬國慶等，2012；高玉文等，2012；許闖等，2013)。然后對CSAMT數據進行二維連續(xù)介質反演，并結合剖面的重力異常及重力水平總梯度異常，得到最終的解釋成果。對測量得到的CSAMT數據，先通過定性分析方法得到視電阻率-頻率斷面圖和相位-頻率斷面圖。

為更好的得到大平山地區(qū)的斷裂分布及延伸情況，結合重力剖面數據與二維連續(xù)介質反演電阻率斷面圖，進行綜合解釋，結果如圖6所示。由圖6可知，測線大部分區(qū)域出露白堊系下統(tǒng)龍王山組下段地層，巖性以安山質火山角礫巖、角礫集塊巖為主。測線中部1 800～2 150點及測線南端出露侏羅系中下統(tǒng)象山群，巖性以長石石英砂巖為主，偶夾有粉砂巖、炭質頁巖，進一步進行地電分析，劃分斷裂和地層。

地電分析：電法剖面垂向上以高阻團塊為標志，可分為3段。橫向上變化較大，呈現高-低-高-低-高的變化趨勢，低阻與高阻間隔。

斷裂劃分：F6-1，位于2 400點附近，為地層內部斷裂。重力水平總梯度有異常顯示，二維電法剖面中顯示為低阻，推斷為斷層破碎帶或者低阻巖類如炭質頁巖、粉砂巖等引起。根據電法剖面異常判斷，該斷裂深度可能在海拔-600 m以深，斷裂方向NE向，傾角60°，傾向SE，斷裂性質為正斷裂，推測斷距為60 m。

F6-2，位于2 150～2 200點之間，為地層內部斷裂。地表有出露，重力水平總梯度有異常顯示，二維電法剖面中顯示為低阻，推斷為斷層破碎帶或者低阻巖類如炭質頁巖、粉砂巖等引起。根據電法剖面異常判斷，該斷裂深度可能在海拔-600 m以深，斷裂方向NE向，傾角60°，傾向SE，斷裂性質為正斷裂，推測斷距為100 m。

F6-3，位于1 500點附近，為象山群內部斷裂，上被龍王山組覆蓋。重力水平總梯度有異常顯示，二維電法剖面中顯示為低阻，推斷為斷層破碎帶或者低阻巖類如炭質頁巖、粉砂巖等引起。根據電法剖面異常判斷，該斷裂深度可能在海拔-600 m以深，斷裂方向NE向，傾角70°，傾向SE，斷裂性質為逆斷裂，推測斷距為50 m。

地層劃分：根據電法剖面顯示，該剖面整體為一個背斜構造，南部為向斜構造。背斜核部出露象山群，向斜核部為龍王山組。從上往下可以分為3層，北部上層高阻-次高阻對應龍王山組，南部向斜核部龍王山組則表現為低阻，可能為破碎帶等因素引起，厚度小于150 m。中部中阻夾低阻團塊地層為象山群地層，厚度小于400 m，低阻可能為斷層破碎帶或者低阻巖類如炭質頁巖、粉砂巖等引起。下部中-高阻為三疊系黃馬青組，在工區(qū)SE角有出露，未見底。

通過對CSAMT和重力兩種不同數據進行綜合分析，確定了大平山地區(qū)的地層和斷裂構造的地下空間分布及延伸情況。結合巖石的物性參數、含礦巖體、成巖成礦背景及鉆探等綜合的地質、地球物理資料，CSAMT方法可針對性的勘查控礦因素以斷裂構造為主的礦床。

4 結論

從太平山地區(qū)測線斷距分析可知，一般斷距在100 m以內，多數在50 m左右。斷裂深度多數在海拔-600 m以深，斷裂走向以NE、NW向為主。結合該地區(qū)鉆井資料得到較好的驗證。綜合利用地表地質、電法及重力資料，可以劃分出各個剖面的斷裂。斷裂在地表一般表現為巖脈充填、可見破碎帶，電法剖面一般可見相對低阻，重力水平總梯度呈現異常，說明CSAMT方法在分析斷裂構造分布和延伸情況時，能夠取得較好的效果。在進行相關解釋時，建議綜合參考其他的地質和地球物理材料，使解釋結果更準確，分析更全面。