廣域電磁法在新疆哈密卡拉塔格礦集區(qū)勘查中的應(yīng)用

劉洋，王健，尹志超

(中色杰泰地球物理科技(北京)有限公司，北京 100012)

0 引言

隨著礦產(chǎn)資源勘查逐步走向深部，常規(guī)的直流電測深已無法滿足勘探需求，CSAMT采用人工源，克服了MT及AMT天然場場源隨機、響應(yīng)信號弱的缺點，在資源勘查領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展及應(yīng)用?！霸础钡囊胪瑯右矌砹藞鲈葱?yīng)(石昆法，1999；李金銘2005)，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了眾多研究，然而校正方法尚不成熟(王剛，2012)。就目前的實際應(yīng)用而言，野外作業(yè)時盡量保證在遠區(qū)場觀測依然是最為合理的方案(湯井田等，2013)。

何繼善院士針對CSAMT法近區(qū)觀測的不足，提出廣域電磁法，并在油氣勘探、固體礦產(chǎn)勘探、地?zé)峥碧降阮I(lǐng)域取得了較為廣泛的應(yīng)用(梁維天等，2020；田紅軍等，2020③；王宏宇等，2020)。廣域電磁法放棄了卡尼亞公式的“平面波”思維，精確求解電磁波方程，可以在滿足偶極子條件的廣大區(qū)域開展測量工作，用較小的收發(fā)距可獲得較大的勘探深度(何繼善，2010，2020)。

卡拉塔格礦集區(qū)位于新疆東部，屬于荒漠戈壁景觀區(qū)，區(qū)內(nèi)分布有大量的鹽堿層及覆蓋層，電阻率范圍多在10～80 Ω·m，低阻屏蔽影響勘探深度。雖然增大收發(fā)距，可以增加勘探深度，但電場振幅和磁場振幅迅速減小，礦區(qū)勘查難以獲得有效信號，制約了深部找礦的突破。本文分別以卡拉塔格礦集區(qū)巖漿巖型銅鎳礦和VMS型銅多礦金屬礦勘查為例，開展廣域電磁測深應(yīng)用試驗，經(jīng)與已有CSAMT、激電測深成果對比，除淺部結(jié)果吻合度較高外，還在深部發(fā)現(xiàn)更多的找礦異常線索，探測深度有了很大的突破。

1 地質(zhì)—地球物理背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

卡拉塔格礦集區(qū)位于吐哈盆地南緣晚古生代構(gòu)造“天窗”中(秦克章等，2001；王京彬等，2006)，屬于大南湖—頭蘇泉島弧帶北段。卡拉塔格核部出露一套巨厚的奧陶系大柳溝組火山巖—火山碎屑巖建造(簡稱為卡拉塔格隆起區(qū))，其巖性從玄武巖連續(xù)演化至流紋巖，為卡拉塔格地區(qū)重要的賦礦層位(方同輝等，2002；馬志杰等，2021)，向外過渡為泥盆系大南湖組火山碎屑巖、二疊系阿爾巴薩依組火山巖，以及中新生代沉積物(鄧小華等，2014，2018)。

卡拉塔格地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有北西西、北北西和北東東3組斷裂(圖1)。北西西向卡拉塔格斷裂與區(qū)域構(gòu)造線展布方向一致，形成始于奧陶紀，具有多階段演化、多性質(zhì)轉(zhuǎn)換的特點，是區(qū)內(nèi)重要的控巖控礦斷裂;北北西向斷裂為卡拉塔格斷裂的次級斷裂，具有等距平行相間展布的特點，是區(qū)內(nèi)重要的控礦斷裂;北東東向斷裂為左行走滑斷裂，錯斷北北西向斷裂，切割了后期侵入的花崗巖體。

圖1 卡拉塔格地質(zhì)簡圖(a.據(jù)鄧小華，2018修改)；視電阻率異常平面圖(b)；布格重力異常平面圖(c)；航磁異常平面圖(d)

近年來礦產(chǎn)調(diào)查和綜合研究將本區(qū)礦產(chǎn)劃分為3類成礦系列：核部發(fā)育與早古生代海相火山巖建造有關(guān)的VMS銅鋅多金屬礦；巖體與下古生界地層接觸帶發(fā)育的海西期斑巖—矽卡巖型礦床；外圍上古生界地層中發(fā)育與二疊紀基性巖有關(guān)的銅鎳硫化物礦床。

1.2 區(qū)域地球物理特征

卡拉塔格一帶重磁高異?？傮w呈東西展布，反映的區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造的隆凹格局，區(qū)域高磁高重異常揭示了其深部存在具有強磁性、高密度隱伏中基性火山巖隆起。早期火山活動產(chǎn)生的高磁、高重基性火山巖隆起受其后多期次火山熱液活動影響，導(dǎo)致巖石蝕變退磁現(xiàn)象較強，磁異常表現(xiàn)出具有復(fù)雜、分布不均勻的特征。核部發(fā)育的與早古生代海相火山巖相關(guān)的VMS銅多金屬礦床多產(chǎn)于具有高磁背景的“低磁盆地”；外圍發(fā)育的與二疊紀幔源巖漿活動形成的基性—超基性雜巖體有關(guān)的銅鎳硫化物礦床多為高磁、高重特征。

卡拉塔格隆起區(qū)核部早古生代地層電阻率范圍為150～650 Ω·m，泥盆系地層電阻率在60～150 Ω·m，下石炭和上二疊統(tǒng)地層視電阻率普遍在50 Ω·m以下，電阻率與地層年代及巖石的基性程度呈正相關(guān)，為電磁測深工作劃分地層、巖體及構(gòu)造提供依據(jù)。本次工作針對的巖漿巖型銅鎳礦點，圍巖為一套具有高阻特征的基性雜巖體，硫化物礦石與輝長巖類、玄武巖及火山碎屑巖等各巖性電性差異明顯；VMS型銅多金屬礦區(qū)，與成礦相關(guān)的流紋斑巖及含礦凝灰?guī)r層與上覆火山角礫巖及下伏的安山巖電阻率差異較大，具備開展電法工作找礦的物性前提。

2 廣域電磁應(yīng)用效果對比

本文分別以卡拉塔格西月牙灣巖漿巖型銅鎳礦點和東部某VMS型銅多金屬礦勘查為例，對比了廣域電磁法與CSAMT和激電測深的應(yīng)用效果。

2.1 銅鎳礦勘查區(qū)

2.1.1 地質(zhì)—地球物理特征

月牙灣銅鎳礦位于卡拉塔格礦集區(qū)西部，其發(fā)現(xiàn)將東天山巖漿巖型硫化物礦床找礦空間向北擴展到大南湖島弧帶內(nèi)(呂曉強等，2019)。礦區(qū)主要發(fā)育有Y1和Y2雜巖體(圖2)，北部Y1巖體呈南北走向，主要賦礦巖性為橄欖輝長巖，圍巖為安山玄武巖、玄武質(zhì)凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r等。巖體為高重(0.1×10-5～0.7×10-5m /s2)、高磁(0～500 nT)、高極化(1%～7%)特征，出現(xiàn)的局部低阻指示了基性—超基性巖體中的礦體賦存部位，具有銅鎳礦床典型的“三高一低”特征。Y2巖體呈北西走向，為高重(0.1～0.6×10-5m/s2)、強負磁(-400～-8000 nT)、高阻特征，由F1斷裂與Y1巖體隔開，東南角局部有弱極化異常。

圖2 月牙灣銅鎳礦地質(zhì)—地球物理綜合異常平面圖

2.1.2 原始數(shù)據(jù)對比

月牙灣Y6測線分別穿過Y1、Y2巖體，測線方位15°，在不同年度分別開展了CSAMT及廣域電磁測深工作，兩種方法工作點距均為50 m。其中，CSAMT測深方法采用TXU-30發(fā)射機和V8接收機，收發(fā)距r=21 km，發(fā)射偶極距2 km，最大發(fā)射電流19 A，采集頻率范圍7600～0.5 Hz。廣域電磁測深使用收發(fā)距11 km，發(fā)射偶極距1.1 km，最大發(fā)射電流71 A，頻率范圍為8192～0.0117 Hz。

分別選取同測點CSAMT及廣域視電阻率數(shù)據(jù)繪制頻率—視電阻率曲線對比圖(圖3)。由于采用了不同的發(fā)射源及計算公式，兩種方法在同測點視電阻率曲線存在差異，但中頻段均呈“H”型曲線，其局部低阻異常對應(yīng)為高品位礦化體的賦存空間。CSAMT方法受場源效應(yīng)影響，其視電阻率曲線在20～10 Hz附近有明顯的“過渡區(qū)”低阻特征，隨后呈45°上升趨勢，表現(xiàn)為“近場”區(qū)特征。廣域電磁法施工由于采用了比CSAMT小一半的收發(fā)距，其視電阻率曲線近區(qū)特征提前了部分頻點，但曲線未出現(xiàn)與CSAMT相似的“過渡區(qū)”特征。廣域視電阻率曲線在2 Hz附近開始趨于水平，表示在當(dāng)前收發(fā)距限制下探測深度已達到極限，其后出現(xiàn)的下降趨勢應(yīng)與低頻電磁信號中開始出現(xiàn)的激電效應(yīng)有關(guān)。

圖3 975號點視電阻率曲線對比圖

通過兩種方法原始數(shù)據(jù)曲線對比，廣域電磁法由于采用精確的計算公式，相較于傳統(tǒng)CSAMT方法，可有效利用過渡區(qū)及部分近區(qū)數(shù)據(jù)，在縮小收發(fā)距、保證信號強度的前提下也能獲得較大的探測深度，但其探測深度仍然受收發(fā)距的限制。

2.1.3 綜合異常解釋

結(jié)合平面重磁電數(shù)據(jù)、鉆孔資料及二維反演結(jié)果繪制Y6線綜合剖面圖。其中，CSAMT采用非線性共軛梯度法對遠區(qū)數(shù)據(jù)進行反演，廣域電磁法二維反演斷面由繼善高科技術(shù)人員提供。

CSAMT反演斷面上低阻異常與鉆孔控制的高品位銅鎳礦體(紅色陰影)位置吻合，主要賦礦巖性為橄欖輝長巖及橄長巖，地表對應(yīng)“三高一低”異常組合。上部高阻異常對應(yīng)為相對高阻的輝長巖及角閃輝長巖，鉆孔底部為角礫凝灰?guī)r，外圍的高阻異常體為區(qū)內(nèi)電阻率最高的安山質(zhì)玄武巖(淺藍色)。CSAMT數(shù)據(jù)反演時由于截斷了20 Hz以下的過渡區(qū)及近場數(shù)據(jù)，反演斷面電阻率在-200 m標高以下已無明顯變化，深部信息已無法分辨。實際工作已無法再通過單一的改變觀測裝置而顯著地增大探測深度。

廣域電磁測深相較于CSAMT方法在反演深度上成倍提升，然而其反演結(jié)果在淺部與CSAMT有較大差異，其淺部電性特征更趨于水平，推測與其僅利用電場信息的計算公式、發(fā)射場源、反演算法等因素有關(guān)。從宏觀上看，其主要橫向電阻率界面與CSAMT方法基本一致，電性界面推斷F1、F2位置也吻合，鉆孔控制的高品位礦體與局部低阻異常位置吻合。廣域電磁法在探測深度上的優(yōu)勢明顯，針對CSAMT測深向下延伸的低阻異常是否為未有效反映的巖漿熱液通道的問題及深部是否存在第二巖漿房的推測提供了佐證信息。

2.2 VMS型銅多金屬礦勘查

2.2.1 地質(zhì)—地球物理特征

測區(qū)位于北西西向卡拉塔格斷裂北側(cè)，北側(cè)出露上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)荒草坡群大柳溝組第三段火山碎屑巖建造，局部發(fā)育北西向展布的流紋斑巖次火山巖建造，區(qū)內(nèi)主要激電異常與之相關(guān)。

根據(jù)平面異常在同線部署激電測深及廣域電磁測深剖面，由南至北分別穿過IP1、IP2極化率異常中心，在IP3處僅控制其在東南方向延伸的尾部，幾處異常均為低阻、高極化組合，為區(qū)內(nèi)硫化物富集段。

圖4 激電中梯剖面(a)；重磁剖面(b)；地質(zhì)簡圖(c)；CSAMT反演斷面圖(d)；廣域反演斷面圖(e)

2.2.2 工作方法簡述

激電測深使用聯(lián)合三級裝置，a=50 m、隔離系數(shù)n=1～16、MN=100 m，采用Res2dinv軟件反演。

廣域電磁測深點距100 m，收發(fā)距r=21 km，發(fā)射偶極距為1.1 km，最大發(fā)射電流93 A，觀測頻率范圍8192～0.0117 Hz，頻點數(shù)40個。

圖5 測區(qū)地質(zhì)—地球物理簡圖1—第四系覆蓋；2—下泥盆統(tǒng)大南湖組第一段；3—下泥盆統(tǒng)大南湖組第二段；4—上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)荒草坡群大柳溝組第三段；5—上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)荒草坡群大柳溝組第四段；6—灰?guī)r；7—流紋斑巖；8—視極化率等值線；9—視電阻率剖平圖；10—測深剖面

2.2.3 綜合異常解釋

在剖面方向提取的網(wǎng)格化重磁電數(shù)據(jù)，結(jié)合激電測深及廣域電磁法反演結(jié)果繪制綜合剖面圖(圖6)。

圖6 激電中梯剖面(a)；重磁剖面(b)；極化率反演斷面圖(c)；電阻率反演斷面圖(d)；廣域反演斷面圖(e)

激電測深結(jié)果顯示在100～400 m標高處存在一個局部低阻層位，對應(yīng)為高極化異常。根據(jù)已有的4個鉆孔資料，淺部覆蓋層以下為高阻的火山角礫巖；中部150～350 m段為硫化物斷續(xù)發(fā)育的含礦凝灰?guī)r層，黃鐵礦含量普遍在5%以上，局部呈脈狀或致密團塊狀；底部為高阻的安山巖。激電測深所反映的電性界面深度與鉆孔信息吻合，低阻、高極化異常處于局部高重力、低磁空間，異常組合特征與區(qū)內(nèi)VMS型礦床相似。

同線開展的廣域電磁測深雖然采用了100 m點距，但其反演結(jié)果在500 m深度之內(nèi)整體與激電測深電阻率斷面有相似的電性特征，異常細節(jié)存在些許差異。區(qū)域布格重力異常在測線方向上北高南低，反映高密度基底界面向北有逐步抬升的趨勢，兩種方法深部高阻界面在北側(cè)均有抬升的趨勢與區(qū)域重力特征吻合。激電測深反演結(jié)果在深度上更為準確，高阻界面與鉆孔揭露安山巖位置一致，廣域反演結(jié)果上高、低阻電性分界面的深度相對偏大，但其探測深度遠大于激電測深。

測深剖面在900號點附近區(qū)域重力異常有局部下降趨勢，視極化率異常陡立，兩種方法反演斷面圖上有明顯的斷裂特征，與地表實測的北西向斷裂F2位置一致，此處出現(xiàn)的局部高磁異常反映了沿斷裂侵入的高磁性火山巖。根據(jù)廣域電磁測深結(jié)果，推斷的F2斷裂向深部有一定規(guī)模的延伸趨勢，傾向為北東，產(chǎn)狀陡立。F2斷裂北側(cè)高阻界面向北逐步抬升，推斷北側(cè)為向上抬升的逆斷層上盤，與區(qū)域上早古生代卡拉塔格隆起區(qū)產(chǎn)生的高重力異常特征一致。南側(cè)深部在-600 m標高處的低阻異常區(qū)與北側(cè)100 m處的低阻異常推測應(yīng)為同一層位，受卡拉塔格核部隆起的影響而抬升。結(jié)合鉆探資料在300 m深度附近揭露的硫化物聚集的低阻、高極化凝灰?guī)r層，推斷深部具有較好的找礦潛力。

3 結(jié)論與建議

(1)本文結(jié)合地質(zhì)、鉆探及綜合物探資料對廣域電磁測深在卡拉塔格礦集區(qū)巖漿巖型銅鎳礦和VMS型銅多金屬礦勘查中的應(yīng)用效果進行了對比，相較于常規(guī)探測手段，廣域電磁法在探測深度上的優(yōu)勢明顯。

(2)卡拉塔格荒漠戈壁低阻覆蓋區(qū)CSAMT方法勘探深度受近場條件限制大，廣域電磁法采用全區(qū)視電阻率定義，改善了非遠區(qū)的畸變效應(yīng)，可在使用較小收發(fā)距的前提下增加勘探深度和信噪比。

(3)根據(jù)本次工作也對廣域電磁法提出以下兩點疑問：高頻段普遍出現(xiàn)的虛假異常是否與采集信號的篩選機制有關(guān)；卡尼亞視電阻率公式采用電場和磁場的比值進行了歸一化，實測視電阻率與場源無明顯相關(guān)性，僅采用電場分量計算的廣域視電阻率在裝置參數(shù)不變時，實測視電阻率會因發(fā)射源選取出現(xiàn)整體抬升或下降，是否會引起反演結(jié)果深度的不準確。