東天山某環(huán)狀熔融巖體航空電磁場特征及深部找礦研究

楊波，孫棟華

(1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002； 2.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050002； 3.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點實驗室)，河北 石家莊 050002)

0 前言

新疆東天山地區(qū)是我國重要的金鉛鋅銅鎳鐵等礦產(chǎn)資源的產(chǎn)地[1-3]。前人研究認(rèn)為該地區(qū)的金及鐵銅多金屬礦主要形成于石炭紀(jì)—二疊紀(jì)[4]，其中已發(fā)現(xiàn)的多數(shù)礦產(chǎn)與同時期侵入的環(huán)狀熔融巖體有關(guān)[5]。環(huán)狀熔融巖體，又稱環(huán)狀巖體或環(huán)狀雜巖體，其形態(tài)近似環(huán)狀，由內(nèi)向外巖性分帶明顯，一般位于區(qū)域性深大斷裂邊緣，是特定地質(zhì)事件的產(chǎn)物[4-7]。研究環(huán)狀熔融巖體分布的特征，對于揭示區(qū)域地質(zhì)背景和成礦地質(zhì)條件具有重要意義。

本文研究的環(huán)狀熔融巖體位于新疆東天山卡瓦布拉克深大斷裂南緣。前人已經(jīng)在巖體北緣與地層的外接觸帶中發(fā)現(xiàn)了金鉛鋅礦體，認(rèn)為該巖體不僅是重要的礦源層，也是含礦熱液的主要來源，巖體的形成發(fā)展過程即是礦液運移、沉淀、富集的過程，巖體與礦化關(guān)系十分密切[8]。因此，查明巖體的空間展布特征以及斷裂構(gòu)造發(fā)育情況，是圍繞該巖體下一步找礦的關(guān)鍵。

大部分學(xué)者使用地面磁法和重力來探測巖體，通過對磁法或重力數(shù)據(jù)單獨反演或是磁、重聯(lián)合反演，得到深部磁性、密度結(jié)構(gòu)來查明巖體的空間展布特征[9-12]；也有學(xué)者在此基礎(chǔ)上增加了可控源音頻大地電磁測深方法，從電性角度更加精細(xì)刻畫了巖體的深部結(jié)構(gòu)[13-14]。另外，也有學(xué)者使用地面磁法+地震勘探+大地電磁測深綜合方法[15]，或者使用重力+地震勘探+大地電磁測深綜合方法[16]來探測巖體的深部延伸情況。航空瞬變電磁法作為近年來取得突破發(fā)展的一種新技術(shù)、新方法，具有測量效率高、精度高、速度快、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢[17]，其與常規(guī)的航空磁法一起已經(jīng)在隱伏巖體的識別、構(gòu)造的推斷解釋以及低阻多金屬礦產(chǎn)的勘查等方面取得了較好的效果[18-23]。

航空瞬變電磁測量原理是，由飛行器搭載航空瞬變電磁系統(tǒng)的發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次磁場，地下介質(zhì)由一次磁場激發(fā)下產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在一次場中斷后不會馬上消失，而是在介質(zhì)周圍空間產(chǎn)生二次磁場。通過航空瞬變電磁系統(tǒng)的接收線圈采集二次磁場，對其進(jìn)行處理和分析即可了解異常體的導(dǎo)電性、埋深和規(guī)模。

本文通過對1∶2.5萬高精度航空瞬變電磁和航磁數(shù)據(jù)的處理和分析，大致查明了環(huán)狀熔融巖體的航空電、磁特征，推斷解釋了斷裂構(gòu)造平面延伸情況，圈定了熔融巖體的三維空間展布范圍，初步探討了環(huán)狀熔融巖體的形成機(jī)制；根據(jù)已知礦床的控礦地質(zhì)條件，預(yù)測了2片供下一步找礦的有利地區(qū)。本次研究為該地區(qū)的深部找礦提供了重要資料。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及成礦地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)內(nèi)地層以中泥盆統(tǒng)阿拉塔格組(D2a)為主，局部為下泥盆統(tǒng)阿爾彼什麥布拉克組(D1a)(圖1)。D2a為一套淺海相碳酸鹽巖夾碎屑巖建造，巖性主要為灰白色、白色中厚層狀或塊狀中粗粒大理巖、大理巖化灰?guī)r；D1a巖性主要為變質(zhì)鈣質(zhì)片巖、黑云母石英片巖、綠泥石英片巖、大理巖。

環(huán)狀熔融巖體巖性主要為形成于華力西期的閃長巖，圍巖主要為大理巖。巖體整體呈橢圓形，長軸近EW向，侵入于D1a和D2a中。

1.2 成礦地質(zhì)特征

在巖體與地層的外接觸帶——斷裂蝕變破碎帶中，已發(fā)現(xiàn)4條金鉛鋅礦體，礦體厚度變化不大，沿接觸帶下延伸。礦體主要賦存于EW向斷裂破碎帶中，主要礦體位于EW向斷裂彎曲膨大部位，特別是在斷裂面產(chǎn)狀由陡變緩的位置，礦體與斷裂關(guān)系較為密切，礦體呈脈狀分布于巖體的接觸帶中。閃長巖體中Au平均含量為12.7×10-9，高于中國閃長巖中Au平均值(1.0×10-12)達(dá)12 000倍以上[8]。此外，主要礦化蝕變帶均分布于巖體接觸帶，其枝脈與大理巖接觸部位均有不同程度的蝕變，硅化、褐鐵礦化、酸鹽化、綠泥石化等發(fā)育普遍。說明閃長巖體不僅是重要的礦源層，也是含礦熱液的主要來源，巖體的形成發(fā)展過程即是環(huán)狀斷裂形成、礦液運移沉淀富集的過程。由此可見，巖體與礦化關(guān)系十分密切。

2 航空瞬變電磁探測技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)來源

選用VTEMplus系統(tǒng)開展1∶2.5萬時間域電磁測量，該系統(tǒng)同時搭載高精度銫光泵822A磁探頭采集航磁數(shù)據(jù)[17,24]。本次使用時間域電磁數(shù)據(jù)和航磁數(shù)據(jù)對環(huán)狀熔融巖體進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括航電數(shù)據(jù)處理和航磁數(shù)據(jù)處理。航電數(shù)據(jù)處理主要包括基本處理、B場計算、視電阻率計算、時間常數(shù)計算等，航磁數(shù)據(jù)處理包括修正處理、數(shù)據(jù)調(diào)平、總場及水平梯度計算、位場轉(zhuǎn)換處理和磁性體反演等。

2.2.1 航電時間常數(shù)計算

航空瞬變電磁曲線變化速率的大小取決于異常體的電性好壞和幾何形態(tài)，其電性和幾何形態(tài)反映在它的時間常數(shù)上，因此，異常體的時間常數(shù)決定瞬變場衰減速率的大小，是確定異常體電性好壞的重要參數(shù)。幾何形態(tài)相同的礦體，導(dǎo)電性越好，其時間常數(shù)越大。

時間常數(shù)τ的計算方法有很多種，對于VTEMplus系統(tǒng)觀測的數(shù)據(jù)，通常采用“移動窗口”技術(shù)來計算時間常數(shù)τ(圖2)。計算原理是沿電磁響應(yīng)的衰減曲線滑動時間窗口，根據(jù)噪聲水平和預(yù)設(shè)的信號閾值水平，確定最晚期的4個時間道。然后對最晚的4個時間道進(jìn)行最小二乘擬合獲得時間常數(shù)[25]。

2.2.2 航電X分量Fraser濾波

在測量過程中若無干擾，實測X分量dB/dt曲線的真零交點出現(xiàn)在低阻地質(zhì)體或含水?dāng)嗔褞戏?，以此來識別和圈定低阻異常體的空間位置。實際應(yīng)用中，由于存在地質(zhì)噪聲、相鄰地質(zhì)體及其他(如輸電線路等)干擾因素，以及地形起伏等影響，往往導(dǎo)致剖面上的過零交點與地下隱伏低阻體實際位置發(fā)生偏移(圖3a)，甚至不顯示零交點或出現(xiàn)假零交點。因此，對實測資料尚須進(jìn)行真、假零交點的判識及區(qū)域背景干擾因素的消除等[26]。

Fraser濾波法于1969年由D.C. Fraser首先提出，用于處理甚低頻(VLF)電磁法數(shù)據(jù)，其應(yīng)用的最基本條件是場源固定，探測目標(biāo)體位于均勻場中，感應(yīng)的二次電流可視為線電流。該方法利用一個差分算子將投點或“交點”變成峰值，并用一個低通濾波器來消除噪聲，濾波后測量剖面上的拐點或過零交點異常變成極大值，其峰值即對應(yīng)地下低阻異常體[27](圖3b)。Crone等人應(yīng)用Fraser濾波處理大定源外的TEM觀測數(shù)據(jù)，取得了令人滿意的結(jié)果。

2.2.3 航電電阻率深度成像(RDI)

電阻率深度成像(resistivity depth imaging，RDI)是通過對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行反褶積，從而將電磁響應(yīng)衰減數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化為相同意義上電阻率深度斷面的一種方法，所采用的電阻率—深度轉(zhuǎn)換的RDI算法是基于Maxwell A.Meju的視電阻率轉(zhuǎn)換和導(dǎo)電半空間的TEM響應(yīng)原理。

RDI能夠提供具有參考價值的導(dǎo)體深度、垂向延伸等信息，并能準(zhǔn)確提供每條測線上的一維介質(zhì)視電阻率斷面。根據(jù)RDI能夠獲得VTEM系統(tǒng)的探測深度、電阻率、初始導(dǎo)電體的位置等資料。

2.2.4 航磁三維反演

航磁三維反演時通常假設(shè)地球磁場方向與磁異常磁場方向相同，只考慮感磁影響。但是近年來的研究發(fā)現(xiàn)，剩磁及其他因素的影響是普遍存在的，此時磁異常的磁場方向與地球磁場方向并不相同，使得在磁三維反演計算時會出現(xiàn)較大偏差，進(jìn)而影響對資料的認(rèn)知程度，導(dǎo)致資料解釋不準(zhǔn)確。Robert G. Ellis于2012年提出了磁化強度矢量反演(magnetization vector inversion，MVI),該技術(shù)在無需事先了解剩磁方向或強度的前提下，加入了剩磁和感磁。在MVI處理過程中,ΔT總場數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為磁三分量矢量數(shù)據(jù)，其反演結(jié)果不僅有3D矢量信息,還包括一個標(biāo)量的MVI視磁化率信息。

3 巖體電、磁場特征及解釋

3.1 電場特征

研究區(qū)實測大理巖、花崗巖和閃長巖的電阻率均大于1 000 Ω·m，呈高阻特征，而實測褐鐵礦化、黃鐵礦化絹云母化、碎裂巖化的巖石電阻率一般小于200 Ω·m，呈低阻特征。

研究區(qū)范圍內(nèi)主要有4片NWW向展布的電磁響應(yīng)強烈區(qū)(圖4)。第一片位于環(huán)狀熔融巖體北部，時間常數(shù)為0.07～0.12 ms，目前已發(fā)現(xiàn)一個金鉛鋅礦床；第二片位于中部，整體呈條帶狀橫穿環(huán)狀熔融巖體，時間常數(shù)一般為0.08～0.16 ms；第三片位于環(huán)狀巖體西南部，時間常數(shù)一般為0.10～0.18 ms；第四片位于環(huán)狀熔融巖體南部，時間常數(shù)在0.12～0.33 ms。這4片電磁響應(yīng)強烈區(qū)表明了深部有低阻體存在，其中與負(fù)磁異常相對應(yīng)的第二片區(qū)推測與環(huán)狀熔融巖體中不同巖性界面或構(gòu)造破碎帶有關(guān)，而第四片區(qū)的時間常數(shù)值最高，可能與地層中順層發(fā)育的構(gòu)造破碎帶有關(guān)，構(gòu)造破碎帶可能為后期成礦提供良好條件。

在dB/dt早期道(10道)電磁響應(yīng)影像圖(圖5)中，可見早期道的電磁響應(yīng)以單峰異常為主，這可能是構(gòu)造、含礦構(gòu)造或礦化帶在淺地表形成的一層近水平的低阻風(fēng)化殼或礦化層的反映。

圖5 航電dB/dt早期道(10道)電磁響應(yīng)影像

對dB/dt的X分量進(jìn)行Fraser濾波處理，其第23道的電磁響應(yīng)見圖6?？煽闯鲅芯繀^(qū)內(nèi)出現(xiàn)數(shù)個近EW向展布的條帶狀異常，推斷為巖體與地層的接觸帶及隱伏斷裂的反映。

圖6 航電dB/dt X分量經(jīng)Fraser濾波后第23道電磁響應(yīng)影像

利用Geosoft Oasis Montaj的voxel模塊制作研究區(qū)電阻率三維分布圖(圖7)。研究區(qū)范圍內(nèi)主要有4片NWW向展布的低阻區(qū)，與4片時間常數(shù)響應(yīng)強烈區(qū)對應(yīng)，其中研究區(qū)中部的低阻區(qū)與航磁負(fù)異常對應(yīng)。

圖7 研究區(qū)低阻體三維分布及部分測線電阻率斷面疊合

3.2 磁場特征

實測閃長巖磁化率6 000×10-5SI以上，屬強磁體；大理巖、花崗巖磁化率不超過400×10-5SI，為弱磁性體。

航磁總場化極影像圖(圖8)出現(xiàn)總體排列成環(huán)狀的眾多不規(guī)則的強磁異常，磁場值一般為30～80 nT，最高可達(dá)250 nT，推測為閃長巖體的反映。在其內(nèi)部可見近橢圓形、環(huán)形的負(fù)磁異常，磁場值一般為-40～-10 nT，最低為-140 nT，推測為變質(zhì)巖地層或花崗巖體的反映。這種正、負(fù)環(huán)形相間排列的環(huán)形磁場面貌特征，正是巖體內(nèi)部環(huán)狀熔融特征在航磁上的反映。

圖8 航磁總場化極影像

由航磁垂向一階導(dǎo)數(shù)影像圖(圖9)可知，研究區(qū)范圍內(nèi)具有NW—NWW、近EW和NE向3組構(gòu)造，其中，NW—NWW、近EW向這二組構(gòu)造明顯切割巖體或沿巖體與地層的接觸帶展布，為巖漿熱液和礦源的沉淀和富集提供了通道，是巖體周圍成礦的關(guān)鍵因素之一。

圖9 航磁垂向一階導(dǎo)數(shù)影像

對航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了磁矢量三維反演，反演結(jié)果如圖10所示。根據(jù)實測結(jié)果，將反演磁化率大于0.06 SI的強磁體推斷為閃長巖。圖中可清晰看到巖體在整個研究區(qū)的空間展布情況。推測的閃長巖體東、西兩側(cè)外傾，延伸深度大于3 500 m，中部向下延伸約2 000 m，整體呈“拱門”狀。

圖10 研究區(qū)推斷巖體空間分布及部分測線反演磁化率

3.3 電、磁資料推斷解釋

根據(jù)上述分析，對研究區(qū)巖性、構(gòu)造重新進(jìn)行了推斷解釋，結(jié)果見圖11。與已知地質(zhì)圖相比，本次推斷的巖體范圍擴(kuò)大，由3片不規(guī)則巖體組成。

圖11 推斷解釋巖性構(gòu)造

根據(jù)航磁三維反演資料推斷了巖體空間三維展布形態(tài)。已知斷裂以NE、NW向為主，本次推斷以NW向為主，尤其是編號F3、F5、F6、F7為本次新推斷斷裂，這幾條斷裂穿過巖體或位于巖體邊緣，所具備的電磁特征與已知礦的控礦構(gòu)造基本一致。

3.4 已知礦電、磁特征

已知金鉛鋅礦位于航磁異常邊緣的梯度帶上，在航磁垂向一階導(dǎo)數(shù)圖中可見弱磁異常，其值為 0.5～0.005 nT/km。從磁三維反演結(jié)果可知，金鉛鋅礦位于閃長巖體與圍巖的接觸帶上，受斷裂構(gòu)造F7控制。已知金鉛鋅礦航電特征較為明顯，異常呈NW向展布，其早期道(10道)值普遍為1.36～2.89 pV/(A·m4)，最大值可達(dá)4.08 pV/(A·m4)，比背景值高1～2倍；航電X分量經(jīng)Faser濾波一般為0.000 86～0.002 1 pV/(A·m4)，最大值可達(dá)0.004 1 pV/(A·m4)，比背景值升高1～3倍。

4 成礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測

綜合以上物探及地質(zhì)資料，進(jìn)行成礦有利區(qū)預(yù)測，圈定成礦有利區(qū)2片。這2片地段位于閃長巖體外圍或內(nèi)部與地層的接觸帶上，且有斷裂構(gòu)造通過，與研究區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的礦床具有類似的成礦地質(zhì)條件，推測是下一步深部找礦的有利區(qū)段。

Ⅰ區(qū)位于研究區(qū)西部，閃長巖體西緣與地層的接觸帶上，斷裂構(gòu)造發(fā)育；航電呈雙峰特征，電磁特征為在時間常數(shù)值為0.02～0. 06 ms的低值區(qū)疊加的NWW向的中間低兩側(cè)高的中、高值帶；航磁表現(xiàn)為負(fù)磁場背景，局部可見有升高5～10 nT的磁異常。該區(qū)的地質(zhì)—地球物理特征與已知金鉛鋅礦的特征相符，因此推斷其為多金屬成礦有利區(qū)。

Ⅱ區(qū)位于研究區(qū)西南部，出露地層為下泥盆統(tǒng)，位于閃長巖體與地層的接觸帶上。電磁特征為時間常數(shù)值為0.02～0.06 ms的低值區(qū)疊加的NWW向的中間低兩側(cè)高的中、高值帶；航磁特征為正負(fù)相間排列的環(huán)形磁異常西緣及其外圍。根據(jù)航磁三維反演推測，該閃長巖體為半隱伏巖體，在南部仍然有大面積的巖體隱伏于地層之下。Ⅱ區(qū)東部位于環(huán)形磁異常西緣，磁場變化快、梯度陡、幅值高，場值一般為-140～80 nT，推測可能由環(huán)形的閃長巖和花崗巖質(zhì)巖類引起。Ⅱ區(qū)中西部位于-50～-30 nT的負(fù)磁場中，推測由隱伏的花崗巖引起，在花崗巖與地層接觸帶位置是研究區(qū)內(nèi)成礦較為有利的地段。

5 結(jié)論

1)環(huán)狀熔融巖體內(nèi)可以劃分為3個環(huán)形的閃長巖體。結(jié)合MVI結(jié)果，推測巖漿可能從研究區(qū)西部和東部兩個方向先后侵入地層形成閃長巖體。在閃長巖體形成過程中，巖體與地層發(fā)生熔融形成環(huán)狀熔融巖體，同時在閃長巖體與地層的接觸帶附近的斷裂構(gòu)造中形成了金鉛鋅礦化。

2)利用航空電磁及航磁數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)信息，大致查明了環(huán)狀熔融巖體的空間分布特征，推斷出7條斷裂，其中6條為新斷裂，提出了一種利用航電、航磁數(shù)據(jù)解決地質(zhì)問題的新思路。

3)通過提取航電、航磁特征信息，圈定找礦有利區(qū)2片。它們位于環(huán)狀熔融巖體的西部和西南部，這些地段具有與已知礦床類似的地質(zhì)條件，是下一步深部找礦的有利區(qū)段。