廣域電磁法在膠西北金礦集中區(qū)深部探測中的應(yīng)用研究

王洪軍，熊玉新

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013；2.山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250013； 3.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟南 250013)

0 引言

膠西北地區(qū)發(fā)育的三山島、焦家、招平3條區(qū)域性主干斷裂構(gòu)造分別控制著一系列超大型—大中型金礦，形成了膠西北金礦富集區(qū)。近年來通過多種地球物理技術(shù)結(jié)合鉆探驗證，又在這些斷裂帶1 500 m以深發(fā)現(xiàn)了紗嶺、三山島北部、西嶺等多個超大型礦床，最大孔深超過4 000 m，新發(fā)現(xiàn)金資源儲量達 1 200 t，資源潛力巨大。但受傳統(tǒng)地球物理技術(shù)方法的限制，覆蓋區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、三山島和焦家斷裂深部構(gòu)造樣式等一系列問題亟需有效的深部地球物理探測技術(shù)。膠西北地區(qū)經(jīng)濟較發(fā)達，區(qū)內(nèi)電力、礦山等引起的電磁噪聲大，遍布建筑物等人工設(shè)施，人文干擾強且復(fù)雜，而現(xiàn)有的大部分物探方法抗干擾能力有限，探測效果不理想。

以往探測深度達到5 km的地球物理方法，如地震法，在巖漿巖區(qū)反射波弱且成本高，施工難度及對環(huán)境影響大；MT法抗干擾能力弱、分辨力低。近年來，我國在地球物理技術(shù)自主研發(fā)方面取得較大發(fā)展，如中南大學(xué)何繼善院士瞄準頻率域電磁法研究的前沿，服務(wù)國家“深地戰(zhàn)略”需求，研制了“大深度高精度廣域電磁勘探技術(shù)與裝備”[1-7]。該方法嚴格地定義了視電阻率參數(shù)，采用偽隨機信號，具有勘探深度大、抗干擾能力強、工作效率高優(yōu)點，對深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測能力強、分辨力高[8]，目前已在油氣、地?zé)岷徒饘俚V產(chǎn)勘查等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[9-15]，具有綠色、高效、低成本特點。因此為驗證該方法在膠西北深部探測的適用性，同時為研究焦家—三山島斷裂之間深部巖體分布、構(gòu)造形態(tài)、斷裂特征等提供依據(jù)，進一步完善深部探測地球物理方法技術(shù)組合，筆者在焦家與三山島金礦區(qū)之間優(yōu)選一條測線開展了廣域電磁法(WFEM)探測應(yīng)用研究，取得了較好的效果。

1 地質(zhì)、地球物理概況

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于膠西北成礦小區(qū)，是膠東金礦集區(qū)重要組成部分，稱為“膠西北金礦集區(qū)”。著名的焦家破碎帶蝕變巖型金礦、玲瓏石英脈型金礦均根據(jù)區(qū)內(nèi)典型礦床命名。成礦小區(qū)總體沿NE向展布(圖1)。

圖1 膠東礦集區(qū)地質(zhì)和金礦分布Fig.1 Geological and gold distribution of Jiaodong ore concentration area

研究區(qū)內(nèi)出露地層較為簡單(圖2)，以新生界第四系沖洪積層、殘坡積層、海積層為主；而新太古代膠東巖群的區(qū)域變質(zhì)巖多呈包體狀殘留于新太古代棲霞序列中[9]。區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，新太古代侵入巖為變質(zhì)變形花崗質(zhì)巖石，主要有馬連莊序列中細粒變輝長巖(斜長角閃巖)、棲霞序列英云閃長質(zhì)片麻巖；中生代巖漿侵入活動強烈而頻繁，與成礦關(guān)系密切，以侏羅紀玲瓏序列黑云二長花崗巖為主，白堊紀郭家?guī)X序列花崗閃長巖侵入玲瓏序列花崗巖內(nèi)。區(qū)內(nèi)閃長玢巖、煌斑巖、輝綠玢巖等脈巖較發(fā)育。

1—第四系；2—白堊紀郭家?guī)X序列花崗閃長巖；3—侏羅紀玲瓏序列黑云二長花崗巖；4—新太古代棲霞序列含角閃黑云英云閃長質(zhì)片麻巖；5—新太古代馬連莊序列中細粒變輝長巖(斜長角閃巖)；6—石英脈；7—閃長玢巖脈；8—蝕變帶；9—實測及推斷斷裂；10—鉆孔編號及孔深；11—金礦床；12—廣域電磁剖面1—Quaternary；2—Cretaceous granodiorite of Guojialing sequence；3—Jurassic biotite monzonitic granite of Linglong sequence；4—Neoarchean tonalitic gneiss of Qixia sequence；5—Neoarchean medium fine grained metagabbro of Malianzhuang sequence (plagioclase amphibolite)；6—quartz vein；7—diorite porphyrite vein；8—alteration zone；9—measured and inferred faults；10—drilling number and depth；11—gold deposits；12—wide field electromagnetic profile圖2 研究區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)簡圖Fig.2 Geological and mineral map and section layout of the study area

研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以NE向斷裂為主，是金礦的重要控(賦)礦構(gòu)造，三山島、焦家、招平斷裂及分布于其間的次級控礦構(gòu)造(如望兒山、靈北斷裂等)對金礦礦床控制作用十分明顯。

焦家斷裂帶平面上呈“S”型，總體走向20°，傾向NW，傾角22°～40°。中部的新城地段沿新太古代馬連莊序列與中生代玲瓏序列接觸帶展布，其他地段主要展布于玲瓏花崗巖內(nèi)。斷裂沿走向及傾向均呈舒緩波狀，膨脹夾縮、分支復(fù)合特征明顯。主裂面沿斷裂破碎帶中部展布，絹英巖化發(fā)育，礦體主要賦存于主裂面下盤蝕變程度較高的蝕變巖中。

三山島斷裂陸地出露長12 km，寬50～200 m，平面上呈“S”型展布，總體走向40°～50°,傾向SE,傾角30°～40°，局部可達75°。斷裂主要沿玲瓏花崗巖與新太古代變質(zhì)巖系的接觸帶展布，破碎蝕變強烈，主裂面呈舒緩波狀，發(fā)育有連續(xù)穩(wěn)定的斷層泥。礦體均位于斷裂帶主裂面下盤，沿斷裂帶傾向延伸。

金礦體多沿斷裂傾角的平緩部位和陡緩轉(zhuǎn)折部位賦存[10]，深部找礦應(yīng)由找“異?！鞭D(zhuǎn)變?yōu)樘綔y研究賦礦結(jié)構(gòu)面的變化，根據(jù)賦礦規(guī)律進而圈定找礦靶區(qū)。

1.2 地球物理特征

據(jù)以往研究成果，膠西北巖礦石電阻率可分為高、中、低阻3類。玲瓏、郭家?guī)X花崗巖為高阻，其電阻率平均值一般在2 800 Ω·m以上，且電性不均勻，電阻率變化范圍較大；其次為蝕變花崗巖及碎裂花崗巖，其電阻率平均值一般為800～1 740 Ω·m；低阻介質(zhì)包括斜長角閃巖、黑云母片巖、變粒巖等和第四系松散沉積物，電阻率值較穩(wěn)定，平均值在300 Ω·m左右(表1)。當巖石經(jīng)破碎蝕變后，其電阻率比原巖明顯降低，反映在視電阻率曲線上會表現(xiàn)為明顯的低阻特征。

表1 研究區(qū)主要巖(礦)石電性參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistical table of main rock (ore) electrical parameters in the study area

根據(jù)區(qū)內(nèi)深度為3 266.06m的ZK01孔資料，淺部28.7 m以淺為低阻的第四系，28.70～1 321.84m主要為棲霞序列英云閃長質(zhì)片麻巖和馬連莊序列斜長角閃巖(變輝長巖)，表現(xiàn)為低阻特征，下部主要為高阻的玲瓏序列黑云二長花崗巖，其中2 466 m以下為焦家斷裂破碎帶，礦化蝕發(fā)育。該孔測井資料顯示，視電阻率曲線起伏波動比較大，變化范圍主要在38～100 000 Ω·m，平均1 318.5 Ω·m。視電阻率的高值區(qū)一般為致密的巖石或具有不同程度的蝕變,如絹云母化、硅化、鉀化及脈巖發(fā)育段，1 800 m以下整體上電阻率表現(xiàn)出相對高阻夾低阻的強烈震蕩特征，為底部花崗巖影響。 較典型視電阻率的低值區(qū)處于斷裂構(gòu)造、巖石破碎、裂隙較為發(fā)育層段[11]。因此，可以利用研究區(qū)各類巖(礦)石及構(gòu)造帶的電阻率差異，追索斷裂破碎帶，研究礦集區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。

2 廣域電磁法及工作布置

2.1 工作原理

以往該區(qū)深部探測非震方法主要采用CSAMT及MT，CSAMT電阻率采用近似公式，探測深度淺，1.5 km以下可靠程度低，采用天然場的MT法分辨力低，抗干擾能力差。本次采用的廣域電磁法是通過人工接地電偶極場源建立諧變電磁場，向地下發(fā)送不同頻率的偽隨機信號，在廣大的、不局限于傳統(tǒng)“遠區(qū)”的區(qū)域內(nèi)，觀測一個或多個電磁場分量，采用不做簡化的全區(qū)電阻率計算公式迭代計算電阻率，達到探測不同埋深地質(zhì)目標體的一種頻率域電磁測深方法。目前廣域電磁法已經(jīng)成為“深地”戰(zhàn)略的關(guān)鍵支撐技術(shù)，廣泛應(yīng)用于深部金屬礦產(chǎn)、油氣資源、地?zé)豳Y源及采空區(qū)等探測領(lǐng)域， 在江西朱溪世界級鎢礦、膠東金礦、地調(diào)局油氣及頁巖氣勘查中取得了較好的效果，具有綠色、高效、低成本特點。

廣域電磁法主要采用電流源激勵，觀測水平電場分量。均勻大地表面水平電偶極源的電場分量表示為：

(1)

廣域視電阻率定義為：

(2)

式中：KE-Ex為裝置系數(shù)；φ為方位角；FE-Ex(ikr)為電磁響應(yīng)函數(shù)，k為波數(shù)，k2=ω2με-iωμσ；ε為介電常數(shù)；μ為磁導(dǎo)率；ω為圓頻率；ΔVMN為觀測電位差；MN為點距；I為發(fā)射電流；dL為供電極距；r為收發(fā)距。

由式(2)可以看出：只需測量一個電場分量Ex、發(fā)送電流以及有關(guān)的極距參數(shù)，再通過迭代就能獲得廣域視電阻率。相比需測量電場和磁場分量的CSAMT法，廣域電磁法裝備簡單輕便，勘探精度和效率也更高。

2.2 剖面布設(shè)

本次布設(shè)1條廣域電磁法勘探試驗線GY-01，西起三山島東部，經(jīng)吳一村東至寺莊村東部(如圖1)，方位106°，總長度13.46 km， 共265個測點，點距50 m。剖面東部控制焦家主干斷裂，西部控制三山島斷裂帶的中深部，可全面控制兩帶之間的深部交匯部位的構(gòu)造變化。

該剖面施工鉆孔較多，其中深度為3 266.06 m的中國巖金“第一見礦深鉆”ZK01孔和“中國巖金勘探第一深鉆”孔深4 006.1 m的西嶺金礦區(qū)ZK96-5孔位于剖面附近。

3 數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

野外數(shù)據(jù)采集采用廣域電磁法的E-Ex裝置，即采用一對接地電極形成的電流源作為場源，測量電場的水平分量中與供電電極方向平行的Ex分量。E-Ex的觀測范圍位于場源AB中垂線兩側(cè)30°角扇形范圍內(nèi)。AB場源平行于測線方向布設(shè)，方位角誤差小于1°(圖3)。綜合研究區(qū)實際情況，本次偶極電源的長度AB=1.2 km，收發(fā)距r=15 km，點距=MN=50 m。

圖3 廣域電磁場源布設(shè)示意Fig.3 Schematic diagram of wide field electromagnetic work layout

數(shù)據(jù)采集采用JSGY-2廣域電磁接收機(8通道)及180 kW大功率發(fā)送系統(tǒng)。廣域電磁儀器能夠測量12個頻組80個頻率，頻率范圍8 192 Hz～5/512 Hz。本次數(shù)據(jù)采集采用11、9、7、5、3、1頻組，共40個頻點，頻率范圍8 192 Hz～3/256 Hz。高頻采集周期為8 s，低頻采集周期為256 s。采集次數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量決定采集時間和次數(shù)，高頻采集次數(shù)20次左右，中頻15次左右，低頻6～10次左右。

3.2 數(shù)據(jù)處理解釋

廣域電磁法資料處理首先評價原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，進行去噪、靜態(tài)校正、地形校正等預(yù)處理；然后對其進行定性分析，分析“頻率—視電阻率”曲線類型，確定地下介質(zhì)在曲線上的響應(yīng)，分析視電阻率擬斷面圖，初步確定構(gòu)造系統(tǒng)的劃分，同時確定原始數(shù)據(jù)與構(gòu)造區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系；遵循由已知到未知的原則，利用研究區(qū)的地質(zhì)資料、物性資料，合理地對實測的電性斷面進行地質(zhì)解釋，進行后期反演成像定量解釋；針對研究區(qū)地質(zhì)特征，采取連續(xù)介質(zhì)反演，建立地球物理—地質(zhì)模型，人機交互建模綜合反演，使反演結(jié)果更符合客觀地質(zhì)。

資料處理和反演解釋流程見圖4。

圖4 廣域電磁法數(shù)據(jù)處理解釋流程Fig.4 Data processing and interpretation flow chart of wide field electromagnetic method

4 應(yīng)用效果分析

4.1 定性分析

圖5為該剖面的廣域電磁法曲線類型圖、擬地震圖和頻率—視電阻率擬斷面圖，主要反映測點上視電阻率隨頻率在縱向上的變化，同時可以比較不同測點曲線形態(tài)的差異，曲線凌亂性反映相應(yīng)測點所在位置的構(gòu)造特征。工作區(qū)曲線類型以HKH型為主，高頻段(淺部)H型中低阻主要對應(yīng)著新太古代變質(zhì)變形巖體，中頻段(中部)K型高阻對應(yīng)玲瓏花崗巖，低頻段(深部)H型低阻為厚度較大的蝕變帶的反映，底部高阻為深部高阻的花崗巖引起。在擬地震圖中出現(xiàn)多個電磁法同相軸，反映了界面電性特征的變化，同相軸變化不大的地段，說明地質(zhì)體變化單一，構(gòu)造簡單；相反就是地層起伏大，構(gòu)造復(fù)雜，往往就是斷裂發(fā)育區(qū)。

圖5 GY-01線廣域電磁法定性分析Fig.5 Qualitative analysis diagram of wide field electromagnetic of GY-01 line

頻率—視電阻率擬斷面圖可以定性地了解測線上的電性分布、基底的起伏、斷層的分布、電性層的劃分等斷面特征。在深部(低頻段)視電阻率等值線的起伏形態(tài)與基底起伏相對應(yīng)，而視電阻率等值線密集、扭曲和畸變的地方又往往與斷層有關(guān)。在高頻段明顯存在一個低視電阻率電性層，東段局部高阻呈零狀分布，推斷受礦山開采等干擾有關(guān)；中頻段視電阻率較低頻段視電阻率低，反映了中高阻向高阻過渡變化，其中橫向高阻電性連續(xù)性較差，說明該段構(gòu)造發(fā)育。高視電阻率在斷面中表現(xiàn)為中間深，兩端淺，系兩大斷裂帶相向而傾反映。

4.2 綜合分析

圖6為該剖面的反演剖面成果圖和地質(zhì)解釋綜合剖面。從GY-01測線的反演剖面成果圖可以看出，剖面由西至東、由淺至深的電阻率異常特征明顯，淺部呈低阻，中深部均高阻特征。斷裂蝕變帶引起的低阻帶與圍巖高阻體界線明顯，視電阻率等值線密集。

1—第四系；2—侏羅紀玲瓏序列黑云二長花崗巖；3—新太古代棲霞序列英云閃長質(zhì)片麻巖；4—新太古代馬連莊序列中細粒變輝長巖(斜長角閃巖)；5—實測及推斷斷裂；6—含金蝕變帶；7—推斷含金蝕變帶；8—鉆孔位置及編號；9—鉆孔深度(單位：m)1—Quaternary；2—Jurassic biotite monzonitic granite of Linglong sequence；3—Neoarchean tonalitic gneiss of Qixia sequence；4—Neoarchean medium fine grained metagabbro of Malianzhuang sequence (plagioclase amphibolite)；5—measured and inferred faults；6—gold bearing alteration zone；7—inferred gold bearing alteration zone；8—drilling location and number；9—drilling depth(m)圖6 GY-01線廣域電磁法反演解釋Fig.6 Inversion and interpretation of wide field electromagnetic method of GY-01 line

4.2.1 斷裂蝕變帶

焦家斷裂帶：在剖面東端350～360點附近，廣域視電阻率圈定一向西及深部延伸的低阻帶，與兩側(cè)高阻形成的梯級帶特征明顯。低阻帶延伸深度大于 4 km，且深部有變寬的趨勢。焦家斷裂在剖面東端出露，傾向NW，以傾角30°左右向深部延伸。據(jù)ZK01深鉆資料，在孔深2 428.00～3 234.16 m發(fā)現(xiàn)焦家金蝕變帶，蝕變帶到深部傾角逐步變緩，破碎帶厚度變大。廣域視電阻率圈定的低阻帶基本刻畫了焦家斷裂帶的特征。

三山島斷裂蝕變帶：在斷面西端95～140點、深度1 000～4 000 m之間，廣域反演斷面顯示一傾向東的低阻帶，低阻帶產(chǎn)狀略陡，深部變緩變寬，且與東部焦家?guī)б鸬牡妥鑾嘟弧Ｔ摰妥鑾槿綅u斷裂帶引起，該斷裂帶傾向SE, 傾角30°～40°，局部可達75°，斷裂帶在測線范圍內(nèi)發(fā)育于玲瓏花崗巖體內(nèi)。

西由斷裂：位于斷面中部190點附近，深度1 000～2 000 m左右，等值線表現(xiàn)為近水平的梯級帶向下彎曲轉(zhuǎn)折，梯級帶傾向SE，ρ西高東低，且在195點深度1 500 m左右出現(xiàn)一等值線同向彎曲的“U”字型低阻，推斷為西由斷裂帶的反映。該斷裂帶傾向SE、傾角60°左右。淺部發(fā)育在棲霞序列中，深部進入玲瓏花崗巖體，驗證鉆孔深約1 500 m見到了較厚的斷裂蝕變帶。

后鄧家斷裂：位于剖面西部160點附近，廣域斷面反演結(jié)果在淺部呈層狀展布，致使斷裂在淺部反應(yīng)不明顯，在160點深度1 000 m以下等值線為同向彎曲的“U”字型低阻。

F6斷裂：位于剖面中部，在ZK01孔620 m左右見破碎帶、斷層泥，該斷裂淺部在230～240點等值線表現(xiàn)為緩慢的向下轉(zhuǎn)折彎曲，1 000 m以下在240～250點之間等值線同向彎曲。斷裂發(fā)育在新太古代變質(zhì)變形體內(nèi)。

在剖面東部300點以東，2 000 m以下，圈定兩條西傾的低阻帶，由于該地段位于金礦采礦區(qū)，受干擾嚴重，可靠程度低，且位于巖體深部，暫未進行研究。

4.2.2 地層、巖漿巖展布

剖面范圍內(nèi)巖性比較簡單，淺部除低阻第四系、局部中低阻的膠東群變質(zhì)巖殘留體外，主要為新太古代變質(zhì)變形巖體，均為中低阻特征，與斷面淺部的800 Ω·m以下的中低阻分布區(qū)大體一致，除東部采礦干擾區(qū)出現(xiàn)高阻外，斷面淺部的中低阻基本反映了變質(zhì)變形巖體的展布。

該區(qū)深部主要為玲瓏花崗巖體，表現(xiàn)為相對高阻特征，與斷面中深度1 000 m以下，電阻率1 000 Ω·m以上高阻的分布大體一致。高阻中的局部低阻帶為巖體內(nèi)或接觸帶附近發(fā)育的斷裂蝕變帶。

4.2.3 三山島與焦家斷裂帶深部相互關(guān)系

焦家斷裂帶與三山島斷裂帶是構(gòu)成膠西北金礦控礦斷裂構(gòu)造體系的主要區(qū)域性控礦構(gòu)造，兩斷裂傾向相反，表現(xiàn)出鏟式斷裂特征。廣域電磁法試驗在兩大成礦帶深部均表現(xiàn)為明顯的相對低阻特征，是目前在該區(qū)5 km深度勘探深度，斷裂蝕變帶特征較明顯的地面地球物理方法之一。據(jù)廣域電磁深部探測結(jié)果，焦家斷裂帶與三山島斷裂帶在位于西由—吳家莊子—原家一線附近深部相互交匯，交匯深度大致在地表以下4 000 m左右。根據(jù)一維反演斷面深部低阻帶變寬，推斷交匯部位破碎帶厚度較大。

5 結(jié)論及討論

1) 廣域電磁法在膠西北巖漿巖分布區(qū)探測低阻斷裂帶具有較好的效果，且探測深度大，是該區(qū)深部探測很好的非震地球物理方法，能夠?qū)Φ叵? 000 m以上的斷裂構(gòu)造的變化規(guī)律進行識別。以往探測玲瓏巖體內(nèi)的斷裂帶，MT、CSAMT等方法的ρ等值線僅表現(xiàn)為由淺到深逐漸增大的過渡帶特征，而廣域ρ等值線反映為高阻中的低阻帶，刻畫低阻斷裂帶與高阻巖體特征明顯。

2) 深部探測需要目標體具有一定的規(guī)模和明顯的物性差異，ZK01深鉆揭示焦家斷裂帶深部厚度增大至800多m,能夠在高阻中形成低阻帶反映，而像淺部一些規(guī)格較小的斷裂只能引起ρ等值線的轉(zhuǎn)折、彎曲等。

3) 廣域電磁法采用偽隨機多頻信號發(fā)射，僅需要觀測電場信號便能達到相應(yīng)的勘探效果，在膠西北人文干擾大且復(fù)雜區(qū)能夠取得較好的效果，說明目前該方法抗干擾能力優(yōu)于其他電(磁)法。

4) 隨著探測深度的增加，對“礦體”的分辨能力降低，深部找礦應(yīng)由找“異?！薄⒄摇暗V體”模式，轉(zhuǎn)為探測成礦地質(zhì)體、賦礦結(jié)構(gòu)面，再根據(jù)成礦規(guī)律圈定成礦有利地段。研究區(qū)金礦多賦存在斷裂傾角的平緩部位和陡緩轉(zhuǎn)折部位，這就需要進一步提高廣域電磁法野外采集精度，改進反演處理技術(shù)，結(jié)果能較準確地刻畫斷裂帶的“賦礦臺階”。

5) 廣域電磁法也隨探測深度的增大，分辨能力降低。本次研究中，廣域電磁法反映了成礦帶在深部交匯，但對交匯型式無法識別，而以往深反射地震認為研究區(qū)以三山島斷裂為主，該斷裂繼續(xù)向深部延伸，有待今后進一步研究。

6) 部分地段反演深度與鉆孔揭露深度存在偏差，同時剖面部分地段尤其是淺部，反演的電阻率呈層狀展布，不符合巖漿巖分布區(qū)電阻率斷面特征，需要以后在算法及反演方面進一步研究改進。