等值反磁通瞬變電磁電阻率譜系法探測鋁土礦

賴耀發(fā)，席振銖，張峰，石彥良，李紅星，向胤合

(1.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙，410083；2.中南大學有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，湖南長沙，410083；3.中國冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院，山西太原，030002；4.湖南五維地質(zhì)科技有限公司，湖南長沙，410083)

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的持續(xù)推進，對鋁資源的需求越來越大，但國內(nèi)可開發(fā)利用的鋁土礦后備資源嚴重不足，長期依賴進口，鋁土礦已成為國內(nèi)緊缺的礦產(chǎn)之一[1]。為了保障國內(nèi)鋁土礦的供應(yīng)，需要革新資源勘探手段。用鉆探方法勘探鋁土礦成本過高，可考慮用物探加鉆探的方法。古風化殼沉積型鋁土礦床是我國鋁土礦床的主要類型，但鋁土礦不像磁鐵礦、黃銅礦以及鉛鋅礦等金屬礦具有明顯的電性特征，其電阻率與黏土巖等上覆地層的電阻率相當，很難有相對異常出現(xiàn)。應(yīng)用傳統(tǒng)的地球物理方法尋找金屬礦有很多成功的案例[2?7]，但尋找鋁土礦的成功案例很少。畢炳坤[8]利用中間梯度法、激電測深法和高密度電阻率法在豫西某礦區(qū)成功地尋找到隱伏型鋁土礦。張林[9]在河南劉莊鋁土礦礦區(qū)利用瞬變電磁測深勘查鋁土礦，圈定了含礦層位的賦存狀態(tài)。此外，張西君等[10]應(yīng)用AMT 在貴州某鋁土礦區(qū)圈定了含礦有利部位，與鉆孔結(jié)果基本吻合；馬振波等[11]在河南郁山鋁土礦開展了CSAMT工作，為深部鋁土礦勘查打下了良好的基礎(chǔ)。以上這些方法用于鋁土礦勘查具備一定的適用性，大體上可以解決鋁土礦空間賦存位置問題，但這些方法都將鋁土礦含礦巖系(賦存鋁土礦的一套巖石組合單元構(gòu)成的地層)作為同一個電性層，通過探測含礦巖系底部的古侵蝕面灰?guī)r基底來圈定異常，異常細節(jié)不夠，方法和手段需革新。等值反磁通瞬變電磁法是針對傳統(tǒng)瞬變電磁法存在淺層探測盲區(qū)而提出來的一種新方法，該方法具有淺層探測盲區(qū)受地形影響小、無需接地、野外施工輕便且縱向分辨率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于金屬礦勘探、工程勘察等領(lǐng)域[12?18]。山西省沁源縣正義鋁土礦是典型的古風化殼沉積型鋁土礦床，本文在該礦區(qū)開展等值反磁通瞬變電磁勘探工作。不同于其他傳統(tǒng)地球物理方法通過探測奧陶系灰?guī)r基底面來圈定鋁土礦賦存位置，基于等值反磁通瞬變電磁縱向分辨能力建立對應(yīng)地質(zhì)年代地層的電阻率譜系，通過地層層序電阻率譜系變化規(guī)律研究該方法能將鋁土礦含礦巖系劃分清楚，以便獲取更多異常信息，為淺部鋁土礦勘查提供一種新思路。

1 電阻率譜系法機理

我國鋁土礦床主要分為古風化殼沉積型、碎屑沉積型和紅土型3類[19]，其中，古風化殼沉積型占很大比例。華北地區(qū)鋁土礦的主要類型屬于古風化殼沉積型礦床，埋深大部分從幾十米到300 m不等，大多被第四系覆蓋，鋁土礦基本上沉積富集在經(jīng)長期風化剝蝕的奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽巖頂界面鈣紅土風化殼之上的石炭系中統(tǒng)本溪組的中上部，成礦時代在晚石炭世本溪期，主要分布在河南、山東和山西等省，組成規(guī)模巨大的華北鋁土礦成礦區(qū)。

對于華北地區(qū)鋁土礦，奧陶系灰?guī)r古侵蝕面之上賦存有石炭系中統(tǒng)本溪組的一套以鐵質(zhì)黏土巖、鋁質(zhì)巖、黏土巖為主的鐵鋁巖系地層，稱為鋁土礦含礦巖系，含礦巖系賦存有鋁土礦、耐火黏土礦、山西式鐵礦、鐵釩土等礦產(chǎn)，具有重大的礦產(chǎn)戰(zhàn)略意義。本溪組作為鋁土礦的賦礦層位，底界為寒武系—奧陶系的古風化面，呈平行不整合接觸，頂界為太原組底部的灰?guī)r或砂巖。根據(jù)巖石組合和巖石物性特征，本溪組剖面從下到上大致可以劃分為3 個巖性段：下段為鐵質(zhì)黏土巖段，以鐵含量高為特征，主要巖性為鐵質(zhì)黏土巖，局部富集構(gòu)成山西式鐵礦；中段為鋁土礦段，以鋁含量高為特征，主要巖性包括鋁土礦、高鋁黏土礦等，形成鋁土礦床；上段為黏土巖段，以硅含量高為特征，主要巖性為黏土礦、黏土巖、碳質(zhì)黏土巖等。鋁土礦賦存在本溪組，受本溪組嚴格控制，主要出現(xiàn)在本溪組中段，其直接底板為鐵質(zhì)黏土巖，間接底板為奧陶系灰?guī)r，直接頂板為黏土巖、碳質(zhì)黏土巖，間接頂板為太原組的生物灰?guī)r、砂巖等，層位穩(wěn)定，上、中、下三段式構(gòu)成了鋁土礦含礦巖系。

電阻率譜系法的思想類似于條形碼，條形碼將黑條和空白按一定的編碼規(guī)則排列來表達特有的信息，而本文采用二進制編碼的形式定義各地層的電阻率變化，高阻層為譜系“1”，低阻層為譜系“0”，這樣就可以建立各個地層特有的電阻率譜系。對于古風化殼沉積型鋁土礦床，一般地，地層沉積序列從老到新依次為奧陶系峰峰組灰?guī)r—石炭系本溪組鐵質(zhì)黏土巖—石炭系本溪組鋁土礦—石炭系本溪組黏土巖—石炭系太原組灰?guī)r/砂巖，根據(jù)巖性的電阻率特征，鋁土礦的電阻率屬于中等，略高于直接頂板的黏土巖和直接底板的山西式鐵礦或鐵質(zhì)黏土電阻率，按照電阻率譜系法，鋁土礦床地層的電阻率譜系為1—0—1—0—1。圖1所示為基于此思想建立的鋁土礦地層層序與電阻率譜系圖，可為物探方法識別鋁土礦提供準則。

圖1 華北地區(qū)鋁土礦地層層序與電阻率譜系圖Fig.1 Stratigraphic sequence and resistivity pedigree diagram of bauxite in North China

傳統(tǒng)物探方法通常是將鋁土礦含礦巖系作為同一電性層，因其電阻率與下伏的基底灰?guī)r層有明顯差異，可通過探測奧陶系灰?guī)r基底上界面的埋深來確定鋁土礦含礦巖系的底部埋深，并且由奧陶系灰?guī)r界面的起伏來推斷鋁土礦可能的賦存位置。這種方法存在明顯缺陷，即鋁土礦空間賦存狀態(tài)細節(jié)不夠。等值反磁通瞬變電磁法是針對常規(guī)瞬變電磁法早期信號失真、存在淺層探測“盲區(qū)”等問題而提出來的[20]。該方法具有較高的縱向分辨能力，且與常規(guī)的瞬變電磁法相比對電阻率更加敏感，故利用等值反磁通瞬變電磁法結(jié)合電阻率譜系法將鋁土礦與其底板、頂板巖層劃分開來。與以往工作不同的是，不將鋁土礦含礦巖系當作同一物性層，這將獲得更多的異常細節(jié)。

等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM)原理與傳統(tǒng)的瞬變電磁法原理相同，采用一種與常規(guī)瞬變電磁法不同的裝置，如圖2所示。該裝置由上、下2個平行共軸的完全相同線圈通以反向電流組成發(fā)射源(雙線圈源)，并在該雙線圈源的中間平面(一次場零磁通面)測量對地中心耦合的純二次場，可根據(jù)二次場隨時間的衰減規(guī)律獲得地下介質(zhì)的地電信息[21]。

圖2 等值反磁通瞬變電磁法裝置示意圖Fig.2 Geometry of opposing coils transient electromagnetic method(OCTEM)system

等值反磁通瞬變電磁法的二次垂向磁場時間導數(shù)?hz/?t響應(yīng)晚期表達式為

式中：hz為二次垂向磁場強度；I為發(fā)射電流；a為發(fā)射線圈半徑；d為發(fā)射線圈和接收線圈的距離；σ為大地電導率；t為衰減時間；C為待定常數(shù)；μ0為磁導率。

而發(fā)射和接收都置于地表的中心回線裝置的均勻半空間(電導率σ)瞬態(tài)響應(yīng)解析解在晚延時段內(nèi)可以表示為[22]

由式(1)和式(2)可知：等值反磁通瞬變電磁法的二次垂向磁場時間導數(shù)響應(yīng)與大地電導率σ的平方成正比關(guān)系，且隨時間t的負3 次方衰減，而常規(guī)單磁源瞬變電磁法晚期的垂向磁場導數(shù)與電導率σ呈3/2 次方關(guān)系，且隨時間t的負5/2 次方衰減，因而，等值反磁通瞬變電磁法比常規(guī)單磁源瞬變電磁法對電阻率異常反映更靈敏，信號衰減變化也更快，即該方法可增強大地電阻率變化的靈敏度。將等值反磁通瞬變電磁法與電阻率譜系法結(jié)合，研究其在鋁土礦勘查中的應(yīng)用效果很有必要?；谇懊嫠⒌碾娮杪首V系10101，建立相對應(yīng)的地層地電模型(沿用常規(guī)電法的稱呼為“HKH型”模型)，進行等值反磁通瞬變電磁法的層狀模型數(shù)值模擬，從理論上證明該方法應(yīng)用于鋁土礦勘查，結(jié)果如圖3所示。

圖3 基于電阻率譜系法的OCTEM二次場響應(yīng)Fig.3 Secondary field response of OCTEM based on resistivity spectrum method

二次場響應(yīng)結(jié)果表明：等值反磁通瞬變電磁法對鋁土礦各地層電阻率異常變化響應(yīng)敏感，能反映電阻率譜系的變化。這說明采用等值反磁通瞬變電磁電阻率譜系法勘查鋁土礦在理論上是可行的。

2 案例分析

山西沁源正義鋁土礦是典型碳酸鹽古風化殼型沉積礦，為此，在該礦區(qū)開展等值反磁通瞬變電磁試驗，結(jié)合電阻率譜系思想，驗證方法的實用性。

2.1 礦區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

山西正義鋁土礦位于沁源縣城西北方向，礦區(qū)地處太岳山東麓，地勢西北高東南低，壕溝發(fā)育，地表切割強烈。區(qū)內(nèi)主要出露地層由老到新為：古生界奧陶系中統(tǒng)峰峰組(O2f）；石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)；新生界第四系中上更新統(tǒng)(Q2+3)、全新統(tǒng)(Q4)。礦區(qū)內(nèi)地層總體呈傾向南東的單斜構(gòu)造，傾角為3°～10°，局部傾角達25°。區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂不發(fā)育，受奧陶系古侵蝕面影響，石炭系及其以上地層呈舒緩波浪狀起伏，區(qū)內(nèi)巖漿巖不發(fā)育。

正義鋁土礦為碳酸鹽古風化殼沉積型礦床，該區(qū)鋁土礦主要賦存于本溪組地層，鋁土礦富集受基底奧陶系灰?guī)r古地貌控制，本溪組地層呈平行不整合覆蓋于奧陶系中統(tǒng)峰峰組地層之上，在礦區(qū)的北、中和西部大面積出露。該組地層可以劃分為2段：上段地層以深灰色黏土巖為主，其中夾有黏土頁巖、細砂巖、黏土質(zhì)砂巖和生物碎屑灰?guī)r等，厚度為3.6～40.5 m，平均為24.5 m；下段地層為含礦層，以上段地層底部生物碎屑灰?guī)r為劃分界線，一般自上往下依次為黑色頁巖夾煤線、黏土巖、硬質(zhì)耐火黏土礦、鋁土礦、鐵鋁巖和山西式鐵礦，厚度為1.18～8.5 m，平均為6.5 m。

該鋁土礦礦體賦存于奧陶系侵蝕面之上，受侵蝕面控制，總體呈似層狀、透鏡狀、窩子狀產(chǎn)出。礦體產(chǎn)狀與圍巖產(chǎn)狀基本一致，總體傾向南東，傾角為3°～15°，局部受地層影響，傾角有所變大。礦體厚度為0.6～6.0 m，平均為1.82 m。礦體直接頂板為黏土礦，直接底板為鐵鋁巖或山西式鐵礦或鐵質(zhì)黏土巖。礦區(qū)礦石的礦物成分主要為一水硬鋁石，次為高嶺土，含少量金屬礦物。礦石結(jié)構(gòu)以碎屑狀為主，構(gòu)造以致密塊狀為主，其次還可見鮞狀、豆狀等構(gòu)造。共生礦產(chǎn)主要為黏土礦，主要位于鋁土礦的頂板。黏土礦主要結(jié)果呈泥質(zhì)、致密狀、碎屑狀，為塊狀及層狀構(gòu)造，具貝殼狀或半貝殼狀斷口，長期暴露地表易風化成碎塊，主要礦物為高嶺石、水鋁石、次為水云母、氫氧化鐵及微量礦物等。

該鋁土礦礦區(qū)的基底為奧陶系峰峰組灰?guī)r，其電阻率為1 000～10 000 Ω·m，本溪組內(nèi)的鋁土礦含礦巖系地層電阻率為100～1 000 Ω·m，鋁土礦的電阻率屬于中阻，比直接頂板的黏土巖和直接底板的山西式鐵礦或鐵質(zhì)黏土的電阻率略高。此外，本溪組上部有新生界地層覆蓋，其電阻率較低，約為30 Ω·m。各地層間存在明顯電性差異，且該鋁土礦產(chǎn)狀平緩，總體呈似層狀，這為開展等值反磁通瞬變電磁法工作提供了物性條件和自然條件。

2.2 工作方法

采用湖南五維地質(zhì)科技有限公司研發(fā)的HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)。在礦區(qū)布設(shè)3 條測線剖面，與礦區(qū)勘探線方向一致，3 號和5 號測線長為300 m，7 號測線長為380 m，點距為20 m，物探測線示意圖如圖4所示。采集過程中采用的參數(shù)如下：發(fā)射頻率為25 Hz，疊加次數(shù)為500次，發(fā)射電流為10.5 A，關(guān)斷時間為0.07 ms。

圖4 礦區(qū)物探測線布置圖Fig.4 Line layout plan of mining area

采用HPTEM-18 系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理。原始數(shù)據(jù)在進行反演計算前需要進行預處理，剔除隨機干擾等引起的飛點，使衰減曲線更加圓滑。采用等值反磁通瞬變電磁特有的瞬態(tài)弛豫反演方法進行數(shù)據(jù)反演。為了能將3條剖面進行比對，統(tǒng)一采用相同的反演參數(shù)。對反演后得到的視電阻率成圖，得到3條勘探線的瞬變電磁視電阻率等值線反演斷面圖。

2.3 試驗分析與驗證

本次工作結(jié)合鋁土礦礦區(qū)普查進行，測線方向與礦區(qū)勘探線方向一致，可以對等值反磁通瞬變電磁電阻率譜系法的地質(zhì)效果進行直接檢驗。結(jié)合具體地質(zhì)條件，對實測3條測線的反演結(jié)果進行綜合分析和解釋推斷，結(jié)果如圖5～7所示。正義鋁土礦是沉積型礦床，其產(chǎn)出分布具有明顯的規(guī)律性。在反演斷面中，淺部的低阻部分主要反映地表的新生界低阻地層，為譜系0；底部的高阻異常則是基底灰?guī)r地層的反映，為譜系1。該礦區(qū)鋁土礦直接頂板是黏土巖，直接底板為鐵鋁巖或山西式鐵礦或鐵質(zhì)黏土巖，電阻率比鋁土礦的略低，因而，該礦區(qū)地層視電阻率剖面應(yīng)表現(xiàn)為：基底為奧陶系峰峰組高阻灰?guī)r，灰?guī)r上層是鋁土礦含礦巖系層，分3段，由下往上分別為低阻的鐵質(zhì)黏土、中阻的鋁土礦、中低阻的黏土礦，鋁土礦含礦巖系層與下伏灰?guī)r地層呈平行不整合接觸；含礦巖系層上方可能會有一層高阻石炭系生物碎屑灰?guī)r，淺部是黃土等低阻地層，電阻率譜系由上至下表現(xiàn)為010101，沉積序列和地層電阻率譜系變化規(guī)律清晰，異常劃分簡單，找礦思路明確。

圖5 礦區(qū)3勘探線反演斷面圖Fig.5 Inversion profiles of Line 3 in mining area

圖5所示為礦區(qū)3勘探線的等值反磁通瞬變電磁法反演斷面圖。分析圖5可知：在橫向和縱向上視電阻率均勻變化，層狀規(guī)律明顯。照電阻率譜系變化規(guī)律為010101，結(jié)合已有的地質(zhì)資料和反演斷面，可對地層進行劃分：淺部低阻地層是第四系殘坡積物、松散沉積物和砂巖、頁巖等；深部為高阻異常的奧陶系灰?guī)r侵蝕面。在灰?guī)r侵蝕面的上覆地層有明顯的相對低—中—低阻的三段式鋁土礦含礦巖系層，其電阻率譜系現(xiàn)為010，推斷在海拔高度1 320 m左右為鋁土礦賦存區(qū)域，呈水平條帶狀分布。鉆孔ZK0334 于孔深16 m 處見0.63 m厚的鋁土礦，所穿過的巖性主要是砂巖、黏土巖、鋁土礦、鐵鋁巖、含鐵黏土巖，至奧陶系灰?guī)r結(jié)束。鉆孔結(jié)果與反演斷面推斷的鋁土礦深度處結(jié)果大致吻合。

圖6所示為礦區(qū)5勘探線的等值反磁通瞬變電磁法反演斷面圖。從圖6可見：5線地形起伏較小，淺層10 m 內(nèi)為覆蓋層的低阻異常，海拔高度1 330～1 315 m段電阻率譜系表現(xiàn)為010，推斷為鋁土礦含礦巖系；視電阻率異常呈三段式層狀分布，基底灰?guī)r界面明顯，推斷鋁土礦層位于海拔1 220 m 附近，下部為高阻基底奧陶系灰?guī)r；5 線異常形態(tài)清晰，各層分化較明顯；鉆孔ZK0524于孔深27 m處見1.96 m厚的鋁土礦，其下為3.9 m厚的鐵質(zhì)黏土巖，于孔深32.9 m 處見奧陶系灰?guī)r；鉆孔ZK0532 于孔深32 m 處見2.35 m 厚的鋁土礦，其下有2.5 m厚的鐵鋁巖和鐵質(zhì)黏土巖層，于孔深36.9 m 處見奧陶系灰?guī)r。鉆孔ZK0524 和ZK0532結(jié)果證明鋁土礦層大致位于海拔1 220 m附近，與推斷結(jié)果較吻合。

圖6 礦區(qū)5勘探線反演斷面圖Fig.6 Inversion profiles of Line 5 in mining area

圖7所示為礦區(qū)7勘探線的等值反磁通瞬變電磁法反演斷面圖。按照鋁土礦電阻率譜系變化規(guī)律010101，結(jié)合反演斷面圖對地層進行劃分，淺部為低阻的新生界地層，是第四系黃土、深色黏土礦夾有黏土頁巖、細砂巖、黏土質(zhì)砂巖和生物碎屑灰?guī)r等的綜合反映，表現(xiàn)為譜系0；在海拔高度1 315 m附近的中低阻異常推斷為鋁土礦，其底板是呈低阻的鐵質(zhì)黏土層，異常形態(tài)較平緩；頂板為相對低阻的黏土礦，符合電阻率譜系010的變化規(guī)律。7勘探線尚未布設(shè)鉆孔驗證，但推斷鋁土礦含礦層深度與3線和5線的大致相同。

圖7 礦區(qū)7勘探線反演斷面圖Fig.7 Inversion profiles of Line 7 in mining area

綜合3 線、5 線和7 線的反演斷面圖，在該區(qū)域內(nèi)鋁土礦含礦層整體呈層狀分布，雖有一定地形起伏，但鋁土礦整體賦存在海拔1 320 m左右。

3 結(jié)論

1)根據(jù)鋁土礦富集成礦和地層層序之間的規(guī)律，可構(gòu)建相應(yīng)地電模型電阻率2進制的譜系，建立識別鋁土礦的準則。

2)等值反磁通瞬變電磁法二次場響應(yīng)與大地電導率呈平方關(guān)系，對電阻率異常變化更加敏感，與常規(guī)瞬變電磁法相比具有較高的靈敏度，為電阻率譜系法探測鋁土礦提供了前提條件。

3)等值反磁通瞬變電磁法結(jié)合電阻率譜系探測鋁土礦準確而有效，對巖層劃分準確，在鋁土礦勘查中具有廣闊應(yīng)用前景。