膠東牟平-乳山成礦帶金青頂金礦廣域電磁法探測(cè)效果分析

王潤(rùn)生，張保濤，柳 森，王洪軍，陳方博，羅懷東，陳大磊，胡創(chuàng)業(yè)，趙 磊

(1.山東省物化探勘查院，山東濟(jì)南 250013；2.山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250013；3.中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，山東濟(jì)南 250013；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083；

5.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心，河北廊坊 065000)

0 引言

膠東地區(qū)是我國(guó)重要的黃金產(chǎn)地之一，自西向東包括膠西北、棲蓬福和牟乳三大金礦集中區(qū)。近年來(lái)以膠西北金礦集中區(qū)為主，隨著勘查力度的不斷加大，取得了一系列重大找礦成果(郭春影等，2012；熊玉新等，2018；于學(xué)峰等，2019)，發(fā)現(xiàn)紗嶺、三山島北部海域、西嶺及水旺莊等超大型金礦床。作為膠東金礦區(qū)內(nèi)應(yīng)用較多的頻率域電磁勘探方法，可控源音頻大地電磁測(cè)量(CSAMT)、大地電磁測(cè)深(MT)、頻譜激電(SIP)等對(duì)相關(guān)找礦成果的取得起到了重要的助推作用(董健等，2018；劉永昌和孫婧，2020；劉日富等，2020；王巧云等，2020；杜利明等，2021)。

隨著勘探深度及精度需求的不斷增加，近年來(lái)廣域電磁法、反射地震法勘探也投入到膠東金礦勘查及研究工作之中(宋明春等，2019；王洪軍等，2020)。

金青頂大型金礦床位于膠東三大金礦集中區(qū)最東側(cè)的牟乳成礦帶內(nèi)，屬硫化物石英脈型(金牛山式)金礦床，是膠東四大金礦類(lèi)型之一。礦區(qū)內(nèi)將軍石控礦斷裂規(guī)模遠(yuǎn)不及膠西北三山島、焦家、招平等大型控礦構(gòu)造，且斷裂兩盤(pán)圍巖均為相同物性特征的中生代玲瓏巖體，礦山開(kāi)采導(dǎo)致的電磁干擾日益加劇，這些因素導(dǎo)致MT等常規(guī)電磁勘探方法的效果不甚理想(雷達(dá)等，2010；張凱等，2019；朱懷亮等，2020；曾何勝等，2020，邵炳松等，2021)。本文通過(guò)開(kāi)展廣域電磁法試驗(yàn)研究，利用前期已知鉆孔控制及CSAMT成果作為對(duì)比參照，分析研究廣域電磁法對(duì)將軍石控礦斷裂識(shí)別的準(zhǔn)確度及深部分辨能力，進(jìn)而探究該方法在本區(qū)內(nèi)的適用性。本次研究結(jié)果較為清晰地反映了-2500 m以淺范圍內(nèi)目標(biāo)斷裂的空間幾何參數(shù)，同時(shí)從高阻圍巖中識(shí)別出控礦斷裂內(nèi)含金硫化物石英脈的線(xiàn)性低阻異常特征，表明廣域電磁法能夠?yàn)槟z東牟乳成礦帶硫化物石英脈型金礦床提供切實(shí)有效的地球物理依據(jù)。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于膠南-威海隆起區(qū)(Ⅱ)威海隆起(Ⅲ)乳山-榮成斷隆(Ⅳ)昆崳山-乳山凸起(Ⅴ)內(nèi)(李洪奎等，2013)。侏羅紀(jì)玲瓏序列二長(zhǎng)花崗巖廣泛分布于研究區(qū)西北部及中東部，以九曲單元弱片麻狀細(xì)中粒含石榴二長(zhǎng)花崗巖、郭家店單元中粗粒二長(zhǎng)花崗巖為主，同時(shí)東南部、中西部分布一定規(guī)模的白堊紀(jì)偉德山序列及南華紀(jì)榮成序列侵入巖，巖性分別為通天嶺單元中粗粒二長(zhǎng)花崗巖、玉林店單元細(xì)中粒含黑云二長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖。區(qū)內(nèi)地層零星分布，主要為白堊紀(jì)萊陽(yáng)群沉積地層及古元古代荊山群變質(zhì)基底(圖1)。

圖1 膠東金青頂金礦地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

研究區(qū)內(nèi)及周邊三條代表性斷裂自西向東分別為海陽(yáng)斷裂、金牛山斷裂和將軍石斷裂，黃鐵礦化、絹英巖化、鉀化、硅化等礦化蝕變主要發(fā)育在這些主干斷裂或其次級(jí)構(gòu)造內(nèi)，這些礦化蝕變與金礦化關(guān)系密切。金礦類(lèi)型為硫化物石英脈型(金牛山式)，以沿?cái)嗔寻l(fā)育含金硫化物(主要為黃鐵礦)石英脈為其主要特征，此類(lèi)型金礦床的賦礦圍巖和控礦構(gòu)造位置、方向及礦石礦物組合與破碎蝕變巖型(焦家式)金礦床差異明顯。NNE向壓扭性的將軍石斷裂是本次研究區(qū)內(nèi)的主要控礦斷裂，總體走向5°～10°，總體傾向南東，傾角77°～90°，局部反傾，寬度一般在5～15 m，控制金青頂大型金礦床，礦體最大鉆孔控制深度約為1500 m。

1.2 地球物理特征

研究區(qū)內(nèi)巖(礦)石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表1)，花崗巖類(lèi)和荊山群大理巖電阻率一般較高，可視為高阻類(lèi)巖石，曲河莊采集的中粒二長(zhǎng)花崗巖電阻率平均值為2267(Ω·m，下同)，與荊山群大理巖相近；鄧各莊金礦采集的含金黃鐵礦電阻率最低，平均值僅為72.3，低阻特征明顯；黃鐵礦化石英脈主要為粒狀、填隙結(jié)構(gòu)，構(gòu)造以塊狀、浸染狀為主，其與礦化蝕變巖也呈現(xiàn)較為明顯的低阻特征，平均電阻率變化范圍為243～335，明顯低于花崗質(zhì)圍巖。

表1 研究區(qū)巖(礦)石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of rock (ore) electrical parameters in the research area

研究區(qū)內(nèi)金成礦以含金黃鐵礦石英脈充填為主，破碎蝕變成礦占極次要地位。其中金礦化與黃鐵礦關(guān)系密切，絕大多數(shù)金礦物與其共生。礦脈中黃鐵礦含量可至30%～60%，且結(jié)晶程度一般較高，導(dǎo)致被充填斷裂的電阻率降低，可較明顯區(qū)分于高阻圍巖。以上物性特征為本次使用廣域電磁法識(shí)別將軍石控礦斷裂提供了充分的地球物理前提。

2 廣域電磁法原理

廣域電磁法已廣泛應(yīng)用于油氣、煤炭、金屬礦產(chǎn)及地?zé)岬瓤辈轭I(lǐng)域(Bo et al.，2017；符超，2018；柳建新等，2019；李帝銓等，2020；王宏宇等，2020；危志峰等，2020)。該方法繼承了傳統(tǒng)人工源電磁法的優(yōu)點(diǎn)(真齊輝和底青云，2017；Jiang et al.，2020；Liu et al.，2020)，并采用適合于全域的公式計(jì)算視電阻率，將近區(qū)、過(guò)渡區(qū)及遠(yuǎn)區(qū)有機(jī)統(tǒng)一，改善了非遠(yuǎn)區(qū)的畸變效應(yīng)，拓展了人工源電磁法的觀測(cè)范圍，大大增加了探測(cè)深度。同時(shí)，廣域電磁法從嚴(yán)格的電磁波方程出發(fā)，不做簡(jiǎn)化，保留了理論計(jì)算公式中的高次項(xiàng)，用電磁場(chǎng)的全域精確公式提取視電阻率，且采用一次發(fā)送包含多個(gè)頻率成分且振幅相近的偽隨機(jī)信號(hào)電流，大幅度提高了工作效率和觀測(cè)精度。

本次廣域電磁法工作采用E-Ex觀測(cè)方式，該方式具有野外裝置布設(shè)和收攏方便、機(jī)動(dòng)靈活、采集信號(hào)強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，觀測(cè)人工電流源激發(fā)的水平電場(chǎng)分量Ex表達(dá)式為：

根據(jù)上式定義廣域意義上的視電阻率公式(何繼善，2010，2019)，其表達(dá)式為：

其中：

ΔVMN=Ex·MN；

FE-Ex(ikr)=1-3sin2φ+e-ikr(1+ikr)

式中：I為供電電流；dL為AB供電極距；r為收發(fā)距；φ為AB中心到接收點(diǎn)矢徑與AB的夾角；KE-Ex為裝置系數(shù)；ΔVMN為觀測(cè)電位差；MN為接收電極距。

3 工作布置及采集效果

本次在研究區(qū)內(nèi)金青頂金礦北側(cè)布設(shè)GY1廣域電磁法剖面，用以研究該方法對(duì)于將軍石控礦斷裂的識(shí)別效果。剖面基本垂直于目標(biāo)斷裂，西起金青頂金礦以北(1000/GY1點(diǎn))，東至車(chē)家夼村東北(2850/GY1點(diǎn))，剖面長(zhǎng)度1.85 km，方位角106°(圖2)。剖面自西向東地勢(shì)緩慢升高，無(wú)明顯起伏，地表高程約為70～156 m。

圖2 測(cè)線(xiàn)布設(shè)示意圖

圖3 場(chǎng)源布設(shè)示意圖

由于本次測(cè)線(xiàn)距離礦山較近，為了試驗(yàn)人工廣域電磁信號(hào)強(qiáng)度能否壓制礦山電磁干擾，對(duì)礦區(qū)天然場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行了采集，以天然場(chǎng)擾動(dòng)強(qiáng)度為參考調(diào)節(jié)發(fā)射電流，保證接收端能夠采集到有效信號(hào)，本次采集使用的最高發(fā)射電流為54.7 A。將廣域電磁信號(hào)和天然場(chǎng)信號(hào)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。圖4顯示，廣域電磁信號(hào)可以完全壓制住天然場(chǎng)信號(hào)的干擾，在1/64～1000 Hz頻段，廣域電場(chǎng)數(shù)值遠(yuǎn)高于天然電場(chǎng)，大致為后者的8～160倍；在大于1000 Hz頻段，勘探深度減小，采集的人工電場(chǎng)數(shù)值也隨之減小，但也為天然電場(chǎng)的3倍～10倍。圖5顯示，斷裂低阻異常區(qū)及背景高阻巖體區(qū)內(nèi)的頻率-電場(chǎng)-視電阻率曲線(xiàn)圓滑，無(wú)鋸齒狀跳躍狀變化。綜上可知，實(shí)際工作中很好地壓制了天然場(chǎng)干擾，能夠采集到高質(zhì)量的廣域電磁數(shù)據(jù)。

圖4 研究區(qū)干擾試驗(yàn)對(duì)比曲線(xiàn)圖

圖5 1800點(diǎn)(a,異常區(qū))、2400點(diǎn)(b,背景區(qū))頻率-電場(chǎng)-視電阻率曲線(xiàn)圖

4 資料解釋及探測(cè)效果分析

4.1 定性分析

依據(jù)廣域視電阻率曲線(xiàn)類(lèi)型圖、視電阻率擬斷面圖及等頻率視電阻率曲線(xiàn)圖對(duì)初始成果進(jìn)行定性分析及解譯，三者綜合研究可有效提高定性推斷的準(zhǔn)確度(王洪軍和熊玉新，2020；李帝銓等，2021)。將軍石控礦斷裂被低阻黃鐵礦石英脈所充填，可較明顯與高阻花崗質(zhì)圍巖相區(qū)分，在曲線(xiàn)類(lèi)型圖中主要表現(xiàn)為曲線(xiàn)類(lèi)型的突變、曲線(xiàn)內(nèi)視電阻率幅值的整體降低；曲線(xiàn)類(lèi)型圖中較為明顯的低阻斷裂反映也會(huì)在對(duì)應(yīng)擬斷面圖中以視電阻率異?；蚱涞戎稻€(xiàn)特征局部改變的方式體現(xiàn)，擬斷面圖中所反映的斷裂特征相比曲線(xiàn)類(lèi)型圖更加直觀；利用等頻率視電阻率曲線(xiàn)圖，可了解剖面橫向、垂向電性分布和整測(cè)線(xiàn)范圍內(nèi)采集頻率與巖層視電阻率的相關(guān)變化規(guī)律，適用于具有高角度、局部直立甚至反傾特征的低阻將軍石斷裂的定性解譯。

結(jié)合上述“頻率-視電阻率”相關(guān)初始圖件對(duì)GY1廣域電磁法剖面進(jìn)行定性分析。曲線(xiàn)類(lèi)型圖(圖6)顯示，主斷裂以西1025點(diǎn)～1425點(diǎn)區(qū)間內(nèi)，曲線(xiàn)特征基本一致，視電阻率相對(duì)平穩(wěn)，反映了該地段單一巖性的高阻玲瓏序列郭家店單元二長(zhǎng)花崗巖體分布；自1475點(diǎn)起，從中頻段50 Hz附近視電阻率向中低頻逐漸降低，該降低趨勢(shì)隨點(diǎn)號(hào)東移更加明顯，至1775點(diǎn)～2075點(diǎn)區(qū)間曲線(xiàn)類(lèi)型過(guò)渡至KH型。將軍石斷裂以其內(nèi)部充填脈體較為寬大的含金黃鐵礦石英脈為主要成礦特征，而斷裂的低阻地電特征與黃鐵礦化直接相關(guān)，由此推斷中頻段視電阻率的降低主要由控礦斷裂內(nèi)的低阻礦化所引起，依據(jù)曲線(xiàn)類(lèi)型的變化區(qū)間可初步推斷控礦斷裂的分布范圍及其整體東傾特征；斷裂以東2125點(diǎn)～2825點(diǎn)范圍內(nèi)同為高阻巖體分布，曲線(xiàn)形態(tài)與斷裂西側(cè)存在相似性，且視電阻率整體幅值明顯高于斷裂分布地段。

圖6 GY1剖面頻率-視電阻率曲線(xiàn)類(lèi)型圖

視電阻率擬斷面特征(圖7)與曲線(xiàn)類(lèi)型高度關(guān)聯(lián)，推斷兩側(cè)高阻區(qū)內(nèi)主要為玲瓏巖體分布，將軍石斷裂形成較為明顯的近似漏斗狀低阻異常，被兩側(cè)高阻背景場(chǎng)所夾。等頻率曲線(xiàn)圖(圖8)中，各同頻曲線(xiàn)在控礦斷裂區(qū)間存在明顯的低阻下凹，且降幅最明顯處與擬斷面圖中低阻異常中心點(diǎn)位置吻合。綜上可知，各類(lèi)初始成果圖相互關(guān)聯(lián)，定性分析結(jié)果基本一致，控礦斷裂處的低阻異常響應(yīng)較為明顯，為后續(xù)二維反演解釋提供了良好的前提條件。

圖7 GY1剖面頻率-視電阻率擬斷面圖

圖8 GY1剖面等頻率視電阻率曲線(xiàn)圖

4.2 二維反演解譯

以二維反演計(jì)算結(jié)果作為本次地質(zhì)推斷的主要依據(jù)，二維反演假定大地電性結(jié)構(gòu)為二維，即地下介質(zhì)的電性在垂直于勘探剖面方向不變，而沿剖面方向和深度發(fā)生變化。與一維反演相比，二維反演的假設(shè)更接近于真實(shí)的地電情況，最終的推斷解釋成果建立在二維反演基礎(chǔ)上。本次采用二維連續(xù)介質(zhì)反演方法，以一維連續(xù)介質(zhì)反演成果作為二維連續(xù)介質(zhì)反演的初始模型，將剖面進(jìn)行單元分塊剖分，而后進(jìn)行電性擬合，求得各單元的電阻率，在斷面上呈現(xiàn)電性分布的等值線(xiàn)圖，以此進(jìn)行地質(zhì)解釋與推斷。

將軍石控礦主斷裂在GY1剖面內(nèi)被第四系覆蓋，剖面涉及的Ⅱ號(hào)主礦體主要沿主裂面上盤(pán)發(fā)育，礦體已知控制深度約1100 m。由中淺部鉆探工程控制可知，斷裂總體傾向南東，局部直立或反傾，傾角70°～85°，主斷面常見(jiàn)斷層泥，兩側(cè)為構(gòu)造蝕變巖，黃鐵礦化明顯，斷裂傾向變化復(fù)雜，深部展布情況不明(圖9)。

圖9 金青頂?shù)V區(qū)GY1地質(zhì)剖面圖

圖10為GY1剖面廣域電磁法二維反演解譯斷面圖，經(jīng)二維反演處理后，電性分布特征及斷裂異常響應(yīng)較定性分析結(jié)果更加精確和細(xì)化。背景電阻率主要呈現(xiàn)高阻，變化區(qū)間約為2600～15000 Ω·m，推斷為玲瓏序列郭家店單元巖體的反映，兩側(cè)高阻分布將1475點(diǎn)～2025點(diǎn)區(qū)間內(nèi)將軍石斷裂的線(xiàn)性低阻異常襯托得十分明顯。在-1100 m標(biāo)高以淺的鉆孔控制區(qū)內(nèi)，將軍石斷裂的低阻特征與鉆孔控制情況較為吻合，其中-500 m以淺斷裂南東傾約77°，等值線(xiàn)同形“V”型下凹特征明顯，電阻率介于600～2600 Ω·m；-500 ～-1100 m標(biāo)高區(qū)間斷裂近乎直立，略微向北西側(cè)反傾，對(duì)應(yīng)上下兩側(cè)低阻區(qū)的鞍部位置，電阻率約3000 Ω·m，較斷裂其他部位略有抬升，推斷其原因?yàn)?1100 m以淺的局部采空對(duì)斷裂在該區(qū)間內(nèi)的低阻響應(yīng)產(chǎn)生了一定影響。深部-1100 ～-2500 m區(qū)間內(nèi)，控礦斷裂線(xiàn)性串珠狀低阻特征顯著，電阻率明顯降低，介于1200～1600 Ω·m，可與圍巖郭家店單元二長(zhǎng)花崗巖的高阻特性明顯區(qū)分，推斷該區(qū)間斷裂總體呈南東傾向，整體傾角約82°。

圖10 GY1剖面廣域電磁法二維反演解譯斷面圖

4.3 探測(cè)效果對(duì)比

前期該剖面開(kāi)展了CSAMT法測(cè)量，WFEM法與CSAMT法所采用的工作頻率分別為8192 Hz～0.0156 Hz、8192 Hz～1 Hz，收發(fā)距分別為15.5 km、7 km，最大發(fā)射電流分別為54.7 A、11 A，發(fā)射極距分別為1.1 km、1 km。將CSAMT法反演成果(圖11)與本次WFEM法成果對(duì)比分析可知：在-1100 m以淺，將軍石斷裂及金礦體受已知勘查鉆孔控制，WFEM法二維反演結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，雖受局部金礦采空影響導(dǎo)致低阻響應(yīng)不如深部明顯，但仍能夠反映出斷裂的局部反傾特征，同時(shí)CSAMT法在該深度區(qū)間表現(xiàn)為斷續(xù)的局部低阻，與已知斷裂形態(tài)吻合度低于WFEM法探測(cè)成果。在-1100～-1600 m范圍，CSAMT法反映的斷裂低阻“V”型特征明顯，與已知斷裂吻合度較高，但因該方法遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量的局限性，其探測(cè)深度有限。WFEM法在-1100～-2500 m電性異常響應(yīng)明顯，與CSAMT法在剖面內(nèi)整體反映出的斷裂低阻下凹特征不同，WFEM法的深部斷裂響應(yīng)特征表現(xiàn)為線(xiàn)性串珠狀低阻異常，對(duì)深部局部低阻體的識(shí)別能力更強(qiáng)。綜上所述，CSAMT法總體能夠反映出將軍石控礦斷裂的垂向特征，但對(duì)斷裂傾向上的局部變化識(shí)別難度較大，該方法受場(chǎng)源發(fā)射功率的限制，其收發(fā)距有限，且伴隨近區(qū)效應(yīng)，因此難以達(dá)到很大的勘探深度及較高的探測(cè)精度(李帝銓和胡艷芳，2015；高鵬等，2017；李英賓等，2019)。廣域電磁法對(duì)將軍石斷裂的低阻異常響應(yīng)十分明顯，反映了控礦斷裂垂向反“S”型展布特征，尤其對(duì)深部斷裂中的局部低阻礦化體識(shí)別效果明顯，在-1500～-2500 m區(qū)間仍能保持較高的深部分辨能力。

圖11 以往CSAMT反演解譯斷面圖

5 結(jié)論

(1)本研究首次在膠東牟乳成礦帶硫化物石英脈型金礦床開(kāi)展廣域電磁法探測(cè)試驗(yàn)，取得了較為理想的探測(cè)效果。在數(shù)據(jù)采集方面，廣域電磁信號(hào)可以完全壓制住天然場(chǎng)信號(hào)的波動(dòng)干擾，采集的電場(chǎng)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)平滑無(wú)畸變，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。在探測(cè)解譯方面，廣域電磁法二維反演結(jié)果能夠清晰反映出將軍石控礦斷裂反“S”型垂向展布形態(tài)，在-1100 m以淺解譯結(jié)果與鉆孔控制情況高度吻合，且至-2500 m深度仍然保持較高的斷裂分辨能力。

(2)本次探測(cè)結(jié)果表明，廣域電磁法能夠克服金青頂?shù)V區(qū)內(nèi)目標(biāo)體規(guī)模小、圍巖物性單一、斷裂傾向變化復(fù)雜以及礦山電磁干擾等一系列因素，從高阻背景巖體中清晰提取出將軍石控礦斷裂的線(xiàn)性低阻異常特征。同時(shí)通過(guò)方法對(duì)比，廣域電磁法在勘查深度及精度方面的探測(cè)效果均優(yōu)于常規(guī)CSAMT電磁勘探法，前者對(duì)控礦斷裂傾向變化所引起的地電異常響應(yīng)識(shí)別更加精細(xì)，尤其對(duì)深部斷裂中低阻礦化目標(biāo)體的局部識(shí)別能力更強(qiáng)。

(3)MT、CSAMT法作為以往研究區(qū)內(nèi)較為主流的頻率域電磁勘探方法，其有效性也被成功的勘查實(shí)例所證明，但隨著區(qū)內(nèi)礦山建設(shè)及開(kāi)采所帶來(lái)的工業(yè)電磁干擾日益加劇，MT法場(chǎng)源隨機(jī)且抗干擾能力差的弊端逐漸顯現(xiàn)，同時(shí)CSAMT法受非遠(yuǎn)區(qū)畸變效應(yīng)所限，也逐漸難以滿(mǎn)足礦山目前的勘查深度需要。本次研究表明，廣域電磁法能夠同時(shí)滿(mǎn)足區(qū)內(nèi)高精度、大深度探測(cè)需求，其解譯成果能夠精細(xì)反映深部控礦斷裂的展布規(guī)律，一定程度降低了深部鉆探驗(yàn)證的風(fēng)險(xiǎn)，可為礦區(qū)內(nèi)今后開(kāi)展深部金礦勘查及研究工作提供較為充分的地球物理依據(jù)。