井地瞬變電磁聯(lián)合探測(cè)在2 000 m 深部找礦中的應(yīng)用

武軍杰，劉 彬，智慶全，鄧曉紅，王興春，楊 毅，劉東明，邱金柱

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.自然資源部地球物理電磁法探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000；3.遼寧省有色地質(zhì)一〇三隊(duì)有限責(zé)任公司，遼寧 丹東 118000)

遼東青城子礦區(qū)位于華北克拉通東北部，是我國(guó)重要的金、銀、鉛、鋅等多金屬礦產(chǎn)集中地，區(qū)內(nèi)先后發(fā)現(xiàn)多個(gè)大中型鉛鋅礦、白云、小佟家堡子、林家三道溝等多個(gè)金礦床以及若干小型礦床和礦點(diǎn)[1-2]。其中白云金礦位于青城子礦田北部，是最重要的大型金礦床之一，深部找礦潛力巨大[3-6]。前人基礎(chǔ)性地質(zhì)研究表明，白云金礦區(qū)經(jīng)歷過(guò)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究還存在薄弱之處[6]。近幾年礦區(qū)開(kāi)展的航磁、航空瞬變電磁、1∶5 萬(wàn)重力、音頻大地電磁等面積性工作對(duì)區(qū)域性地層、構(gòu)造以及巖體分布的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)起到關(guān)鍵作用[7-8]，并預(yù)測(cè)了深部成礦有利區(qū)[9]。礦區(qū)及外圍重點(diǎn)地段開(kāi)展的地面電磁法對(duì)于探測(cè)含礦地層和控礦構(gòu)造的空間形態(tài)和深部延伸情況也獲得了良好效果[10-13]，白云礦區(qū)深部找礦亟待突破。

深部礦產(chǎn)探測(cè)一直都是一個(gè)難題，而瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)是一種礦區(qū)深部找礦重要的地球物理找礦方法。井中TEM 法一般是指地-井瞬變電磁法，是在地面發(fā)射，鉆孔中接收的一種瞬變電磁測(cè)量裝置[14-15]。深部目標(biāo)體受地面發(fā)射框激發(fā)產(chǎn)生的異常場(chǎng)被井中傳感器所測(cè)量，而由于傳感器在鉆孔中測(cè)量，受近地表的干擾小，能夠更接近于深部目標(biāo)體，獲得比地面TEM 更可靠的深部信息[16]。對(duì)于規(guī)模小，埋深大的高電導(dǎo)目標(biāo)礦體，或者存在淺部地質(zhì)干擾的情況下，其優(yōu)勢(shì)就更加突出[17]。因此，利用井中TEM 方法能夠獲得受地面發(fā)射框激發(fā)的鉆孔周圍數(shù)百米范圍內(nèi)的有用地質(zhì)信息，從而提高見(jiàn)礦率和找礦效果[18-19]。

20 世紀(jì)，在加拿大、澳大利亞等國(guó)，井中瞬變電磁被廣泛地應(yīng)用于深部找礦勘查中，并取得了許多重要的找礦成果。在加拿大Sudbury 銅鎳礦，采用地-井瞬變電磁法先后發(fā)現(xiàn)了1 280 m 深處的Linsley 礦體和2 400 m 以深的Victoria 富銅鎳礦床[20]。另外，采用地-井瞬變電磁法還在已開(kāi)采的礦床之下1 200～1 500 m深處發(fā)現(xiàn)了一處高品位的底板礦床，為礦山資源開(kāi)發(fā)作出重大貢獻(xiàn)[21-22]。國(guó)外在資料解釋方面較為成熟，發(fā)展了一維反演、等效電流環(huán)以及三維反演等解釋方法[23-27]。

雖然國(guó)內(nèi)受制于儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集以及解釋技術(shù)等各項(xiàng)技術(shù)，總體發(fā)展較晚，研究程度較低，但是近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究學(xué)者對(duì)于井中瞬變電磁法的研究保持了較大的熱度，主要包括三維正演方法、不同介質(zhì)條件下不同形態(tài)異常體的三分量響應(yīng)特征的分析[28-33]，以及數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用方面的研究[34-41]。而在實(shí)際應(yīng)用案例方面，由于國(guó)內(nèi)金屬礦產(chǎn)鉆孔普遍在1 000 m 以淺，多數(shù)井中TEM 成果反映深度也多在幾百米[35,37]，深井中的TEM 成果報(bào)道更少。

以上研究多是針對(duì)團(tuán)塊狀目標(biāo)礦體(如塊狀銅鎳硫化物礦體)直接找礦的探測(cè)技術(shù)及解釋方法，而現(xiàn)有方法技術(shù)在白云金礦區(qū)并不完全適用。白云礦區(qū)蝕變巖型和石英脈型金礦體本身的規(guī)模都不足以引起電磁場(chǎng)的有效變化，因此，TEM 深部找礦的目標(biāo)并非金礦體本身，而是金的深部有利富集空間，包括地層中片巖和大理巖的分界面、破碎帶以及斷裂的由陡變緩部位[3]，這加大了井中TEM 解釋的難度。而充分利用地面和井中TEM 信息開(kāi)展綜合解釋無(wú)疑會(huì)獲得更合理結(jié)果[42]。因此，為在白云金礦區(qū)500～2 000 m 第二找礦空間中尋找深部金礦，在重點(diǎn)區(qū)開(kāi)展了地面瞬變電磁法的深部探測(cè)，并充分利用在瞬變電磁異常區(qū)實(shí)施的2 000 m 深孔開(kāi)展了井中TEM 測(cè)量，進(jìn)而嘗試將地面和井中TEM 資料進(jìn)行綜合解釋，以期使這2 種裝置優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能夠同時(shí)在縱向和橫向上獲取可靠數(shù)據(jù)，從而更合理地解釋鉆孔周圍的目標(biāo)地質(zhì)體。

1 礦區(qū)地質(zhì)與地球物理概況

1.1 地質(zhì)概況

白云金礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為元古界遼河群上部，由古元古代大石橋組三段、蓋縣組和第四系組成。大石橋組三段下部由中粒大理巖和白云巖大理巖組成，中部由薄層含石墨中粒大理巖和硅質(zhì)帶狀大理巖組成，上部由條紋透閃石片巖和硅質(zhì)條帶大理巖組成。蓋縣組下部為黑云母淺粒巖、變粒巖、透閃石變粒巖夾薄層細(xì)粒大理巖，上部主要為矽線石云母片巖，黑云母片巖、夾黑云母變粒巖、淺粒巖、透閃石變粒巖。第四系地層由礫石、砂、黏土等現(xiàn)代沖洪積層組成。

研究區(qū)構(gòu)造經(jīng)歷過(guò)多期地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，形成了復(fù)雜的褶皺和系列斷層。白云金礦區(qū)主體以東西向構(gòu)造為主，發(fā)育有多個(gè)褶皺和韌-脆性推覆體。東西向構(gòu)造從北向南依次為白云山背斜、陽(yáng)溝向斜、陽(yáng)溝-石湖溝背斜、姚家溝-天橋溝-李家堡子倒轉(zhuǎn)向斜、蘇家堡子翻轉(zhuǎn)背斜和顧家堡子倒轉(zhuǎn)向斜[5-6]。此外，區(qū)內(nèi)還有NW、NE、NS 向斷裂分布。這些斷層大多被石英斑巖、花崗斑巖、閃長(zhǎng)玢巖、二長(zhǎng)斑巖和煌斑巖等脈巖充填。這些巖脈大多已礦化和蝕變[3]。

1.2 地球物理特征

以往資料顯示，片巖具有中高電阻率，大理巖呈高阻，而透輝透閃片巖和含石墨大理巖為低阻顯示。其余巖性單元中石英斑巖、硅鉀蝕變巖平均電阻率為高阻，含金蝕變巖和硅化帶一般表現(xiàn)為中高阻，區(qū)內(nèi)巖石的電阻率受石墨、破碎帶較大影響。結(jié)合物性搜集結(jié)果和鉆孔綜合測(cè)井情況，總結(jié)了工作區(qū)地層電性情況，其中蓋縣組分為兩層以片巖為主，總體呈高阻、低極化特征。大石橋組三段上層呈低阻、低極化特征，其中低電阻主要由透輝透閃片巖引起；中部由薄層含石墨大理巖和硅質(zhì)條帶大理巖組成，呈低阻特征，局部破碎帶呈高極化特征；下層主要為白云石大理巖，呈高阻特征。

2 野外數(shù)據(jù)采集

2.1 采集參數(shù)

為探測(cè)白云礦區(qū)深部礦體，筆者團(tuán)隊(duì)在白云礦區(qū)姚家堡子一帶開(kāi)展了地面定源回線瞬變電磁法測(cè)量，完成多條TEM 測(cè)線。其中，L52 線是較為典型的一條剖面，反演結(jié)果顯示深部仍為低阻，存在大規(guī)模斷裂破碎帶，有利于深部成礦。當(dāng)?shù)氐V山企業(yè)在TEM 異常區(qū)實(shí)施了2 000 m 鉆探，在深部見(jiàn)礦。之后在鉆孔中開(kāi)展了井中瞬變電磁法，進(jìn)一步探測(cè)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間分布。TEM 地面測(cè)線和鉆孔位置如圖1 所示。

圖1 白云礦區(qū)地面及井中TEM 野外布置Fig.1 Field layout of surface and borehole TEM in Baiyun mining area

地面及井中野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)見(jiàn)表1。其中，地面點(diǎn)距50 m，鉆孔中測(cè)量基本點(diǎn)距為5 m，一般會(huì)在異常段加密至1～2 m。

表1 野外瞬變電磁數(shù)據(jù)采集參數(shù)Table 1 Parameters of field data collection for TEM

2.2 儀器設(shè)備

野外數(shù)據(jù)采集中使用加拿大Crone PEM 系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括4.8 kW 的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)由5 kW 發(fā)電機(jī)、整流器、發(fā)射機(jī)和回線框組成。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的220 V 交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換為直流電壓，發(fā)射機(jī)根據(jù)采集參數(shù)在回路中發(fā)射雙極梯形波。發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的同步方式是石英鐘。接收系統(tǒng)包括PEM 接收機(jī)、地面探頭和井下探頭。井中瞬變電磁系統(tǒng)照片如圖2 所示。

圖2 Crone 井中TEM 系統(tǒng)Fig.2 Borehole TEM system of Crone

3 結(jié)果及討論

3.1 地面TEM 反演結(jié)果

地面TEM 測(cè)線L52 位置如圖1 所示，圖3 為地面定源回線瞬變電磁法L52 線反演和解釋結(jié)果。由圖3 可知，測(cè)線下方的電性分布總體分為五層，300 m以淺呈高阻，為蓋縣組片巖的反映；300～500 m 呈低阻，為透輝透閃片巖及含石墨大理巖的反映；500～1 400 m總體呈相對(duì)高阻，而高阻特征為南部薄，北部厚；1 400～1 800 m 為低阻，推斷為破碎帶；1 800 m 以下高阻為白云大理巖反映，屬大石橋組三段下部。

圖3 地面瞬變電磁L52 線反演斷面圖Fig.3 Inversion section of surface TEM L52

3.2 井中TEM 曲線特征

為了解不同時(shí)間道瞬變響應(yīng)沿鉆孔的變化特征，將31 個(gè)時(shí)間道分為4 組分別繪制。圖4 為鉆孔ZK1中實(shí)施的井中TEM 實(shí)測(cè)剖面曲線圖，測(cè)量深度950～1 700 m。圖中可以看出，4 組剖面曲線在950～1 300 m段僅在個(gè)別段如970～1 020、1 100、1 140、1 220 m 等出現(xiàn)微弱異常，為巖性互層中含炭質(zhì)薄低阻層的反映。而第4 組(25～31 道)晚期道剖面曲線在1 400～1 650 m段出現(xiàn)明顯負(fù)異常(圖5)，為典型的孔旁異常特征，顯示該段孔旁一定距離存在低阻體。該段鉆孔編錄顯示為煌斑巖、破碎帶、蝕變帶、含石墨大理巖等，為深部斷裂特征。

圖4 鉆孔ZK1 井中TEM 剖面曲線Fig.4 ZK1 borehole TEM plot curves

圖5 鉆孔ZK1 井中TEM 剖面曲線(1 300～1 700 m)Fig.5 TEM plot curves of ZK1 borehole at depths of 1 300 m to 1 700 m

為進(jìn)一步分析該段井中TEM 的瞬變響應(yīng)特征，選擇1 000～1 600 m 段的原始衰減曲線進(jìn)行對(duì)比(圖6)。由圖6 可知，井中TEM 衰減曲線衰減規(guī)律與地面曲線衰減規(guī)律不同。在早、中期道中，瞬變響應(yīng)幅值逐漸增大之后再衰減，這主要由測(cè)點(diǎn)深度、發(fā)射框與鉆孔的相對(duì)位置關(guān)系以及發(fā)射框與下方介質(zhì)耦合關(guān)系綜合導(dǎo)致。1 000、1 100、1 200 和1 300 m 晚期道曲線衰減正常，而1 400 m 開(kāi)始在晚期道出現(xiàn)反號(hào)現(xiàn)象，而且隨著深度增加，反號(hào)的幅值逐漸增大。該現(xiàn)象為典型的極化現(xiàn)象，為深部破碎帶蝕變帶中局部富集的石墨化、黃鐵礦化導(dǎo)致。而前期研究表明，該礦區(qū)金成礦與黃鐵礦化密切相關(guān)，因此，鉆孔中出現(xiàn)的極化現(xiàn)象在一定程度上指示了一定范圍內(nèi)金的富集。而鉆孔編錄也證實(shí)了這一結(jié)論。

圖6 不同深度測(cè)點(diǎn)井中TEM 衰減曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of borehole TEM decay curves at different depths

3.3 TEM 井-地聯(lián)合解釋結(jié)果

為更詳細(xì)了解鉆孔周圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及研究礦區(qū)深部金的有利富集部位，嘗試將地面TEM 結(jié)果與井中TEM 測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析。測(cè)線L52 和鉆孔ZK1 的相對(duì)位置關(guān)系如圖1 所示，鉆孔與地面測(cè)線直線距離約為400 m?？紤]到兩者同處顧家堡子倒轉(zhuǎn)向斜北翼的同一構(gòu)造區(qū)，地質(zhì)背景相似，且地面和井中TEM 的地面發(fā)射框亦有疊合之處，對(duì)于深部2 000 m目標(biāo)體的激發(fā)也有相似的激發(fā)條件，因此，嘗試將地面L52 線TEM 反演結(jié)果和鉆孔ZK1 井中TEM 實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合解釋，以分析2 000 m 深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及成礦有利部位。

圖7 為地面和井中TEM 綜合解釋圖，綜合了L52線瞬變電磁反演結(jié)果、井中TEM 曲線、視電阻率曲線以及鉆孔編錄資料。

首先，地面TEM 反演結(jié)果中縱向電性分布與視電阻率測(cè)井曲線基本一致，地表300 m 以淺為高阻，300～500 m 為低阻，500～1 400 m 整體呈高阻含局部低阻薄層，而1 400～1 750 m 呈低阻。其中300 m 處的高低阻界面為片巖和大理巖分界面。是淺部金的有利成礦層位。

其次，在井中瞬變電磁1 400～1 650 m 段出現(xiàn)的負(fù)異常，是由0～200 號(hào)點(diǎn)下方1 400～1 800 m 段低阻團(tuán)塊引起的，其異常中心距離鉆孔約100 m。在點(diǎn)號(hào)200～500 號(hào)下方不同深度多處出現(xiàn)明顯的電阻率不連續(xù)之處，推斷為隱伏斷裂，如圖7 所示。該隱伏斷裂形態(tài)呈上陡下緩的特征，而這種形態(tài)為深部金及其伴生的黃鐵礦化的局部富集提供了條件，而正是富集的黃鐵礦化引起了井中TEM 響應(yīng)晚期出現(xiàn)極化效應(yīng)。目前在1 400～1 500 m 處已經(jīng)鉆探見(jiàn)礦，還可推斷深部1 600～2 000 m 仍是深部成礦有利區(qū)。

圖7 中文字部分是根據(jù)鉆孔編錄資料總結(jié)的大致巖性情況，地面和井中TEM 結(jié)果與鉆孔編錄資料基本吻合，也證實(shí)了地面TEM 的探測(cè)深度和反映的電性結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖7 地面和井中瞬變電磁綜合解釋結(jié)果Fig.7 Comprehensive interpretation result of surface and borehole TEM

4 結(jié)論

a.井中TEM 勘探，由于接收探頭沿鉆孔深入地下，獲得更加可靠的深部地質(zhì)體及目標(biāo)礦體的信息，包括局部低阻異常體引起的剖面曲線異常特征，以及斷裂中富集的與金密切相關(guān)的黃鐵礦化引起的激電效應(yīng)，因此，井中TEM 能夠在深部金礦探測(cè)中起到重要作用。

b.遼東白云礦區(qū)2 000 m 深孔地面和井中TEM綜合解釋結(jié)果表明，地面TEM 能夠大致反映總體的地下電性結(jié)構(gòu)，井中TEM 深入地下可以獲取更為可靠的縱向電性分布情況，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)可以提供更加合理的解釋成果。

c.井中TEM 方法由于充分利用鉆孔深入地下，因此，可以獲得高縱向分辨率的可靠深部信息。本次僅是將地面和井中聯(lián)合進(jìn)行了綜合解釋，建議下一步深入研究地面和井中數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演方法，獲得更加合理可靠的地下電性分布情況，從而更加廣泛應(yīng)用于金屬礦、煤炭、地下水等領(lǐng)域深部勘探中。

致謝：遼寧省有色地質(zhì)一〇三隊(duì)有限責(zé)任公司劉福興總工、王偉正高級(jí)工程師以及李生輝高級(jí)工程師提供了白云礦區(qū)地質(zhì)資料，并且為地面、地-井TEM 野外施工提供諸多幫助，在此表示感謝。