雙頻激電法在澳大利亞Pilbara地臺區(qū)尋找盲礦體的應(yīng)用
——以Calvert金礦為例

劉樟樂，王宏宇，楊 旭

(1.西藏珠峰資源股份有限公司，上海 200070；2.西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；3.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410083；4.西安西北有色物化探總隊(duì)有限公司，陜西 西安 710068)

1 引 言

澳大利亞西澳Pilbara地臺因多期構(gòu)造作用與巖漿作用疊加，具備良好的成礦條件[1,2]，但多數(shù)地區(qū)第四系覆蓋較厚，地表找礦標(biāo)志罕見，亟需有效的勘查方法探測隱伏盲礦體，以實(shí)現(xiàn)找礦突破。

雙頻激電儀是何繼善院士發(fā)明的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的激電儀器，多年來，雙頻激電法在我國各類礦產(chǎn)的勘查中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的找礦效果[3-10]。本次工作依據(jù)礦區(qū)地質(zhì)、地形及物性條件，通過開展雙頻激電法掃面，圈定激電異常1處，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，新發(fā)現(xiàn)了隱伏金礦(化)體，表明雙頻激電法在該地區(qū)尋找盲礦體行之有效，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 地質(zhì)背景

澳大利亞西部Pilbara地臺是世界上最古老的地臺之一，是一套以經(jīng)歷多期次劇烈構(gòu)造變形作用及巖漿作用為主要特征的花崗巖綠巖帶[11-16]，其次級構(gòu)造單元中Pilbara地臺，主要由De Grey群濁積巖與Whim Creek綠巖帶組成。

位于Pilbara地臺中部的Mallina盆地是一個(gè)經(jīng)歷多期變形作用和巖漿侵入作用的構(gòu)造沉積盆地，出露地層主要為Mallina組薄層狀細(xì)粒-中粒雜砂巖和頁巖，下覆Constantine組中-粗粒長石石英砂巖和雜砂巖[17]。Mallina剪切帶橫截Mallina盆地(圖1)，其主體產(chǎn)狀為近直立或南傾，呈現(xiàn)出剪切結(jié)構(gòu)南側(cè)整體向上錯(cuò)動的跡象，Mallina剪切帶膨大部位是主要的金礦賦存位置，是尋找金礦的熱點(diǎn)區(qū)域，迄今為止已經(jīng)在剪切帶內(nèi)及其南側(cè)次級構(gòu)造帶中發(fā)現(xiàn)多個(gè)規(guī)模不等、類型各異的金礦床。侵入巖主要有堿性花崗巖、高鎂閃長巖和高鉀二長花崗巖三類，其中規(guī)模最大的Portree花崗雜巖體分布于盆地北部，侵入時(shí)間為2 946±6 Ma[18]。

Calvert金礦床位于Mallina剪切帶東延與Wohler剪切帶的交匯部位(圖1)，地形平坦，地表見風(fēng)成沙、沖積物、崩積物與鈣質(zhì)結(jié)礫巖等第四系覆蓋物。礦區(qū)內(nèi)地層主要為Mallina組低變質(zhì)雜砂巖和頁巖，主要的構(gòu)造方向?yàn)榻鼥|西向，次級構(gòu)造多見近南北向，少數(shù)露頭可見規(guī)模較小的剪切結(jié)構(gòu)和近直立褶皺，區(qū)內(nèi)巖漿活動不活躍，僅見少量花崗雜巖體。

前人在礦區(qū)內(nèi)開展過地面地質(zhì)、激電中梯、土壤化探等一系列找礦工作。傳統(tǒng)地質(zhì)工作因地表露頭稀少缺乏明顯的找礦標(biāo)志而多無建樹；激電中梯掃面因感應(yīng)耦合強(qiáng)、礦區(qū)人文干擾嚴(yán)重等問題，未能達(dá)到預(yù)期找礦效果；土壤化探發(fā)現(xiàn)Au、As元素組合異常，推測該異常位于兩條主要構(gòu)造帶的交匯部位，具有較好的成礦背景。

1-Fortescue群；2-Sherlock侵入巖帶及Millindinna混合巖；3-Whim Creek群和Bookingarra群；4-De Grey群；5-Mallina組；6-Constantine組；7-Cleaverville組；8-Pilbara Well綠巖帶；9-Opaline Well花崗巖；10-Satarist花崗巖；11-Portree花崗混合巖；12-Peawah花崗閃長巖；13-Harding花崗混合巖；14-Caines Well混合巖；15-Yule花崗混合巖；16-花崗巖帶；17-綠巖帶；18-剪切帶；19-金礦點(diǎn)；20-金銻礦點(diǎn)圖1 中Pilbara地臺Mallina盆地地質(zhì)構(gòu)造綱要圖(據(jù)Bierwirth，2002修改)Fig.1 Geology and structure of Mallina basin, central Pilbara(modified after Bierwirth, 2002)

3 礦區(qū)物性特征

礦體主要為砂巖和頁巖，含黃鐵礦、磁黃鐵礦、毒砂、石英及方解石等礦物；圍巖主要為雜砂巖和粉砂巖，含石英、長石、方解石和黑云母等。金屬硫化物在礦體內(nèi)含量較高，與金礦化呈正相關(guān)的關(guān)系，因而可以通過尋找金屬硫化物引發(fā)的激電異常來圈定具有找礦指示意義的異常，實(shí)現(xiàn)間接找礦，指導(dǎo)地質(zhì)勘查工作。

收集礦區(qū)周邊巖芯和地表采集的各類巖(礦)石標(biāo)本資料(表1)顯示，含礦巖石幅頻率在2.4 %～8.4 %之間，算術(shù)平均值3.9 %，電阻率在26～390 Ω·m之間，平均電阻率200 Ω·m；圍巖幅頻率在0.7 %～3.2 %之間，算術(shù)平均值1.93 %；砂巖、頁巖電阻率在15～210 Ω·m之間，平均電阻率為95 Ω·m；花崗混合巖的電阻率在165～870 Ω·m之間，平均電阻率為470 Ω·m?？傮w上含礦巖石與圍巖之間幅頻率、電阻率有明顯差異，礦體表現(xiàn)為高極化中電阻特征，砂頁巖表現(xiàn)為低極化低電阻特征，花崗混合巖表現(xiàn)為低極化高電阻特征，含礦巖石與圍巖電性差異明顯，具有開展電法勘查的地球物理基礎(chǔ)[19]，可以通過發(fā)現(xiàn)反映金屬硫化物的高極化中電阻異常達(dá)到間接找礦的目的。

表1 礦區(qū)巖礦石物性參數(shù)

巖礦石標(biāo)本幅頻率、金品位及黃鐵礦含量三者間總體呈正相關(guān)關(guān)系，礦石金平均品位與幅頻率總體趨勢上呈現(xiàn)近正相關(guān)性(圖2)，礦石與圍巖的黃鐵礦含量差異較大，且黃鐵礦含量與金品位也成正相關(guān)性。表明在礦區(qū)開展雙頻激電，查證化探異常，尋找金礦是可行的，具備良好的地球物理勘查基礎(chǔ)。

圖2 幅頻率與金品位相關(guān)性統(tǒng)計(jì)曲線Fig.2 The amplitude-frequency and gold grade correlation curve

礦石金品位與幅頻率大體呈現(xiàn)近似正相關(guān)的關(guān)系，利用高斯函數(shù)曲線擬合方法，幅頻率與金品位相關(guān)性函數(shù)：f(x)=3.085*exp{-[(x-3.078)/2.631]2}，其中f(x)代表幅頻率曲線，x為金品位。一般黃鐵礦物含量越高，幅頻率也越高,但幅頻率的高低不僅與黃鐵礦含量的多少有關(guān)，還與黃鐵礦在礦石中的分布形態(tài)有關(guān)，以及賦礦巖性有關(guān)。一般賦礦巖性中頁巖含量較多，黃鐵礦呈塊狀、條帶狀，礦石的激電特征越明顯(表2)。

表2 礦石金品位與幅頻率

續(xù)表2

4 野外工作方法

地球物理勘探工作能否取得良好的效果，合理部署野外工作、正確選擇工作方法、設(shè)定可靠的技術(shù)參數(shù)、采取有效的抗干擾措施等，都十分重要。本次在Calvert礦區(qū)開展的物探工作，選用我國自主研發(fā)的SQ-3C雙頻激電儀，采用雙頻2頻點(diǎn)的4 Hz、4/13 Hz頻組和偶極-偶極裝置，同時(shí)采取了一系列減小電磁耦合效應(yīng)的措施，最終取得了良好的找礦效果。

4.1 野外工作布置

物探掃面采用100 m×20 m的規(guī)則測網(wǎng)布設(shè)(圖3)，測線垂直主體構(gòu)造方向，測點(diǎn)位置使用RTK進(jìn)行定位，偶極距40 m，隔離因子3，記錄點(diǎn)在接收電極中點(diǎn)，觀測參數(shù)為視幅頻率和視電阻率。共完成測線11條、測點(diǎn)484個(gè)。

圖3 測線布置Fig.3 Dipole-dipole array

4.2 工作裝置的選擇

電法掃面工作常用中間梯度、偶極-偶極等裝置[20]。其中中間梯度裝置在我國應(yīng)用最廣，具有供電電極移動次數(shù)較少，野外施工操作便捷；一次供電多臺接收機(jī)測量，效率高；極化體位于電極中部時(shí)，異常形態(tài)簡單，容易解釋等優(yōu)勢。中間梯度裝置也存在著低電阻地區(qū)電磁耦合效應(yīng)強(qiáng)、極化體不在裝置中部時(shí)異常形態(tài)復(fù)雜難以解釋[21]等弊端。

相對于中間梯度排列而言，偶極-偶極排列具有以下主要優(yōu)勢：

1)偶極-偶極剖面對各類產(chǎn)狀和位置的極化體都有較好的反映，這是由于電極在不同位置激發(fā)極化體時(shí)，更容易使極化體處于較好的極化狀態(tài)，從而測得特征顯著的極化異常，同時(shí)多位置不同極距的剖面測量結(jié)果可用于繪制剖面擬斷面圖，更好地反應(yīng)極化體的產(chǎn)狀和形態(tài)。

2)偶極-偶極裝置供電電極與測量電極完全分開，相比中間梯度裝置抗感應(yīng)耦合效應(yīng)更強(qiáng)[22,23]。

3)雖然偶極-偶極裝置相對中梯裝置異常較為復(fù)雜，但由于其數(shù)據(jù)量更大、包含的信息更多，使得偶極-偶極裝置更加容易發(fā)現(xiàn)激電異常[24]。

4)偶極-偶裝置對陡傾極化體的分辨能力明顯優(yōu)于中梯裝置。

Mallina盆地內(nèi)早期曾開展過激電中梯掃面，供電極距3 000 m，而礦區(qū)內(nèi)氧化礦體走向長度多在數(shù)十米，原生礦賦存深度多在300 m之內(nèi)，供電極距過大直接導(dǎo)致異常分辨能力下降，物探成果不盡如人意，而隨后進(jìn)行的鉆探驗(yàn)證也未能見礦。減小供電極距則由于測線較長還需布設(shè)另一組供電極、旁測線數(shù)量減少，嚴(yán)重影響工作效率。同時(shí)考慮到由于礦體產(chǎn)狀較陡、礦區(qū)地表電阻率僅10～40 Ω·m，偶極-偶極裝置對陡極化體的分辨力、對低阻屏蔽的抗耦合能力明顯強(qiáng)于中梯裝置[25]，故本次工作選取偶極-偶極裝置。

4.3 工作頻組的選擇

礦區(qū)主要含礦巖石具有硫化物含量高、且多呈細(xì)粒侵染狀的特征，選取雙頻激電高頻段頻組，可取得較強(qiáng)的幅頻率異常；同時(shí)為取得準(zhǔn)確測值一般需接收至少4個(gè)周期的雙頻信號，選用高頻頻組的工作效率更高。而偶極裝置的最高工作頻率據(jù)以下依公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

式中，a為偶極子長度(m);n為隔離因子，ρs為大地電阻率Ω·m;AB為電極距離(m);fmax為雙頻頻組的高頻頻率(Hz)。SQ-3C雙頻激電儀有(1，1/13 Hz)、(2，2/13 Hz)、(4，4/13 Hz)和(8，8/13 Hz)四個(gè)工作頻組。綜合以上因素考慮，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最終采用雙頻2頻點(diǎn)的(4，4/13 Hz)頻組開展工作。

4.4 降低電磁耦合效應(yīng)的措施

考慮到電法測量中電磁耦合現(xiàn)象難以完全避免，除采用了抗干擾能力更強(qiáng)的偶極-偶極裝置[26]，還采取了以下措施以減小電磁耦合效應(yīng)：

1)降低接地電阻。采取多根電極并聯(lián)供電的方式，增加了土壤與電極棒的接觸面積，同時(shí)在供電電極位置澆灌大量鹽水，達(dá)到了減小接地電阻、提高導(dǎo)電性的目的，降低了接地電阻上的能耗，提高了電源的利用效率，保證了測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

2)采用更加穩(wěn)定的測量電極。選取化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定的紫銅質(zhì)電極作為測量電極，提高了測量電極的穩(wěn)定性。同時(shí)在測量時(shí)對電極維持灑灌鹽水，使得電極間接地電阻小于2 000 Ω·m，確保了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3)避免雨天作業(yè)及導(dǎo)線不過水，降低電容耦合效應(yīng)。偶極-偶極裝置的電容耦合效應(yīng)由以下公式進(jìn)行計(jì)算[27-32]：

(3)

式中，ΔFs為電容耦合效應(yīng)誤差強(qiáng)度；n為隔離因子；a為偶極子長度，m；R為接地電阻，Ω；c為導(dǎo)線分布電容,PF;f為頻率,Hz。由公式分別計(jì)算雙頻激電儀4個(gè)高頻組的電容耦合效應(yīng)導(dǎo)致的幅頻率相對誤差，參數(shù)取值c=20 PF，R=1 000 Ω，a=100 m，n=3。計(jì)算電容耦合導(dǎo)致的幅頻率相對誤差結(jié)果如表2所示。

表2 電容耦合效應(yīng)導(dǎo)致的幅頻率相對誤差

表2中的計(jì)算結(jié)果表明，電容耦合效應(yīng)在一般情況下影響不大，但當(dāng)導(dǎo)線處于水中或鋪設(shè)在較為潮濕的地表時(shí)，分布電容c可達(dá)干燥環(huán)境中的數(shù)十倍，從而導(dǎo)致電容耦合效應(yīng)急劇增加，因此，野外工作中需避免雨天及雨后地表潮濕時(shí)作業(yè)。

盡管礦區(qū)存在電磁耦合效應(yīng)干擾的可能，經(jīng)實(shí)踐證明，采取上述3項(xiàng)措施后，已在可控范圍內(nèi)將其影響降至最低，保證了測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

5 成果解釋及鉆探驗(yàn)證

雙頻激電掃面發(fā)現(xiàn)較好的視幅頻率異常(圖4)，鉆探驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)較好的工業(yè)礦體。證明雙頻激電法是該區(qū)尋找與硫化物有關(guān)的金盲礦體的有效和可行的重要手段，可為本區(qū)找礦突破提供更多、更大的技術(shù)支撐。

圖4 雙頻激電視幅頻率和視電阻率等值線平面Fig.4 Dual frequency IP apparent amplitude frequency and resistivity plane

5.1 激電異常特征

異常區(qū)近南北走向集中于測區(qū)中部，異常強(qiáng)度大，幅頻率Fs值接近4 %，礦區(qū)西南部異常未圈閉，推測礦區(qū)西南方向外圍仍存在極化體的延伸部分。以3.1 %的幅頻率值來圈定異常，則可獲得一處南北走向長300 m，東西寬250 m的封閉異常區(qū)A1，對應(yīng)電阻率中阻異常。測區(qū)地表雖然罕有巖漿侵入體露頭，但圖4(b)中西北部電阻率高值異?？赡芊从车氖巧畈繋r體、侵入體，大范圍的電阻率中低阻異常反映了礦區(qū)地層以濁流沉積的砂巖、頁巖和粉砂巖為主的特征。近南北向的電阻率異常梯度帶，表明地層可能受到剪切作用，存在了南北向的次級構(gòu)造，從電阻率異常分析，不排除本礦區(qū)的礦化體可能與巖漿作用存在密切關(guān)聯(lián)。Calvert礦區(qū)位于兩處區(qū)域斷裂的交匯部位，地表未見到明顯的巖漿作用跡象，與Mallina盆地內(nèi)同樣位于區(qū)域斷裂交匯部位的斷層控礦型金礦Opaline Well礦床(圖1)的構(gòu)造特征類似。根據(jù)視幅頻率異常A1，結(jié)合物性參數(shù)測量結(jié)果，推測Calvert礦區(qū)中淺部可能存在一處金礦化體。通過本次物探工作將A1異常區(qū)作為Calvert礦區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)找礦靶區(qū)，在下一步的勘查工作中優(yōu)先布置鉆探驗(yàn)證工作。

5.2 鉆探驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)物探異常靶區(qū)A1的分布范圍和異常規(guī)模與強(qiáng)度，在礦區(qū)內(nèi)沿異常區(qū)A1走向布設(shè)了第一批5個(gè)淺鉆驗(yàn)證工程，按走向100 m的網(wǎng)度進(jìn)行深度75 m內(nèi)的鉆探控制，5個(gè)鉆孔均見礦(圖5)；隨后展開第二批加密控制及外圍探索鉆探工程(圖5)，探索礦體連續(xù)性及延展性，結(jié)果顯示絕大部分見礦鉆孔均位于A1異常區(qū)內(nèi)，異常區(qū)外僅兩孔見礦且緊鄰異常區(qū)A1邊界。以上鉆探工程結(jié)果證實(shí)礦區(qū)內(nèi)存在一處南北走向金工業(yè)礦體(圖5)，礦體呈似層狀，平均品位1.2 g/t，平均厚度24.5，傾角35°～43°，礦體內(nèi)黃鐵礦含量高于1 %，圍巖中含量則跌至背景值，礦體范圍與A1異常區(qū)高度吻合。

1-見礦鉆孔；2-未見礦鉆孔；3-礦化體范圍；4-異常區(qū)A1范圍圖5 異常范圍與礦化體及鉆孔分布Fig.5 The geophysical anomaly and ore body and drill holes layout

6 結(jié) 論

1)Calvert礦區(qū)礦石與圍巖之間存在明顯的電性差異，可通過圈定激電異常達(dá)到間接找礦的目的，礦區(qū)內(nèi)具有開展激電測量的地球物理前提。

2)在巖漿作用不顯著的地區(qū)，含金屬硫化物的金礦體多賦存于構(gòu)造交匯膨大部位，雙頻激電法可以在此類地區(qū)以幅頻率異常、電阻率異常為標(biāo)志，達(dá)到間接探索金礦化的目的；

3)Pilbara地臺區(qū)域地形地貌具有較高的一致性，本次工作因地制宜，對物探裝置和工作頻組的選擇，以及采取的降低電磁耦合干擾的措施均取得良好的效果，對Pilbara地臺區(qū)硫化物含量高的礦床開展相似物探電法工作具有重要的借鑒意義。

4)通過鉆探工程驗(yàn)證結(jié)果直接證實(shí)了雙頻激電方法在澳大利亞Pilbara地臺地表覆蓋嚴(yán)重區(qū)域?qū)ふ颐さV體的可行性，成功將我國自主研發(fā)的新型物探方法和物探儀器引入礦業(yè)大國，為該地區(qū)未來勘查工作提供了一個(gè)新的手段，有望打開該地區(qū)探礦活動的新局面。