招平斷裂側伏規(guī)律的地球物理證據(jù)及其意義

劉 振，杜利明，2，3，梅貞華，韓進國，胡創(chuàng)業(yè)，2

(1.中國冶金地質總局山東正元地質勘查院, 濟南 250101; 2.山東省地球物理學會深部探測綜合地球物理技術工程實驗室,濟南 250101; 3.中國地質大學(武漢) 高等研究院, 武漢 430074)

招平斷裂是膠東地區(qū)重要的區(qū)域性控礦斷裂, 其控制了玲瓏、 大秦家、 焦格莊、 大尹格莊、 夏甸等中大型金礦床(圖1a)。大尹格莊礦床屬于研究區(qū)內典型的蝕變巖型金礦床(圖1b), 礦體產(chǎn)于招平斷裂下盤的玲瓏花崗巖中。研究者從不同角度對膠東地區(qū)的金成礦理論[1-3]、 招平斷裂地質特征及其成礦規(guī)律[4-5]等進行了研究, 取得較豐富的研究成果, 認為招平斷裂是礦液運移的通道, 具明顯的導礦作用; 同時, 它又是容礦構造, 含礦熱液在主構造產(chǎn)狀變化處及次級斷裂等部位易富集成礦[6-7]。隨著礦山開采深度的不斷增加, 如何在深部找礦成為亟待解決的問題。雖然成礦模式和斷裂控礦規(guī)律指示斷裂深部找礦潛力巨大, 但是具體的深部構造空間展布形態(tài)尚不明晰。部分研究者利用物探資料對斷裂帶的宏觀深部結構進行了解譯, 取得了一定的效果: 如利用電測深成果可有效圈定淺部蝕變帶[8-9], 區(qū)域重磁及地震資料對斷裂帶的宏觀走向及深部結構認識有一定的指示[8, 10], 但對深部的斷裂側伏規(guī)律及蝕變帶的認識尚不清晰。本研究依托“招平斷裂帶中段深部金礦戰(zhàn)略性勘查”項目, 在典型礦床大尹格莊、 焦格莊深部開展可控源音頻大地電磁(CSAMT)測量, 利用實測數(shù)據(jù)進行反演, 建立三維電阻率模型, 研究招平斷裂帶深部空間電性變化特征, 為分析斷裂帶的深部展布規(guī)律提供地球物理證據(jù)。

1 研究背景

1.1 地質背景

研究區(qū)位于山東省招遠市南部, 交通方便。丘陵地貌, 海拔高度103.3～197.7 m, 地勢西高東低。

西部溝谷發(fā)育, 基巖裸露, 東部地勢平緩, 第四系廣布。區(qū)內地層較為簡單, 主要有古元古界荊山群祿格莊組和第四系沉積層。區(qū)域構造主要為NNE—NE向(圖1)。

圖1 招平斷裂帶金礦床分布(a)及研究區(qū)地質圖(b)Fig.1 Distribution of gold deposits along Zhaoping fault(a) and geological map of research area(b)Q—第四系; Htla—荊山群祿格莊組; J3γρLb—玲瓏序列筆架山單元; J3ηγLg—玲瓏序列郭家店單元; J3ηγLc—玲瓏序列崔召單元; Ar3γδοQx—棲霞序列新莊單元; Ar3γδοQh—棲霞序列回龍夼單元; 1—實測和推斷斷裂; 2—壓扭性斷裂; 3—蝕變破碎帶; 4—地質界線; 5—CSAMT剖面位置; 6—鉆孔及編號; 7—金礦床

招平斷裂在平面上呈舒緩波狀, 大致沿玲瓏序列與棲霞序列接觸帶呈弧形展布, 在研究區(qū)斷續(xù)出露長20 km, 寬40～460 m, 整體走向14°(范圍5°～50°), 傾向SE, 傾角21°～58°, 被近EW向后期構造錯斷分成數(shù)段。招平斷裂具穩(wěn)定的主裂面, 在其兩側由糜棱巖、 碎裂巖、 碎裂狀巖石組成, 構成破碎帶。以穩(wěn)定的主裂面(斷層泥)為中心, 上下兩盤的構造巖及熱液蝕變呈帶狀分布, 且破碎程度依次遞減, 下盤的構造巖較上盤發(fā)育。蝕變類型有黃鐵絹英巖化、 鉀長石化、 碳酸鹽化、 綠泥石化, 局部有金屬硫化物和金銀礦化。其中黃鐵絹英巖化是主要蝕變類型, 與金礦化關系密切。礦體一般分布在主裂面之下至80 m范圍內的碎裂巖和碎裂狀巖石中[8]。

區(qū)內巖漿巖主要有新太古代和中生代侵入巖。新太古代侵入巖是膠東古老結晶基底的重要組成部分, 巖石類型有馬連莊序列基性-超基性巖類、 棲霞序列英云閃長巖(圖1b)。馬連莊序列分布于招平斷裂帶上盤, 呈零星包體狀殘存于棲霞譚格莊序列中, 主要巖性為變輝長巖和斜長角閃巖。棲霞譚格莊序列亦分布于招平斷裂帶上盤, 棲霞序列劃分為回龍夼單元和新莊單元閃長質片麻巖。中生代侵入巖分布廣泛, 主要為招平斷裂帶下盤的玲瓏序列花崗巖和隱伏郭家?guī)X序列花崗巖。玲瓏序列是區(qū)內發(fā)育最廣泛的侵入巖, 其規(guī)模大、 分布廣, 呈巖基狀產(chǎn)出, 為二長花崗巖系列侵入巖, 早期為弱片麻狀-片麻狀含石榴二長花崗巖類(玲瓏型花崗巖), 晚期為塊狀含黑云母中-粗粒二長花崗巖類(灤家河型花崗巖), 總體呈北北東面狀展布。郭家?guī)X序列區(qū)內地表未見出露, 屬隱伏巖體, 分布于招平斷裂帶下盤, 巖性為似斑狀二長花崗巖。

大尹格莊金礦床位于招平斷裂帶中段, 南起勾山水庫, 北至道頭村南, 累計查明金資源量約110 t, 礦床主要由2個礦體組成, 賦存于主裂面下的黃鐵絹英巖化碎裂巖、 黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖和黃鐵絹英巖化花崗巖中, 礦體傾向南東。焦格莊金礦床位于招遠市城區(qū)南部, 受招平斷裂控制, 傾向南東, 礦床內共圈定金礦體6個。

1.2 巖石電性特征

區(qū)內主要巖石的電性特征如下(表1)。

表1 招平斷裂帶中段巖石電性特征

(1)古元古代荊山群變質巖: 主要巖性為黑云母片巖, 平均電阻率559 Ωm, 屬于相對低阻巖石。

(2)新太古代侵入巖: 斜長角閃巖、 閃長質片麻巖、 片麻狀奧長花崗巖, 電阻率平均值在400～941 Ωm, 屬中高阻巖石, 電阻率變化范圍較大。

(3)中生代侵入巖: 二長花崗巖、 黑云母二長花崗巖、 似斑狀二長花崗巖, 電阻率平均值1 834～4 250 Ωm, 呈高阻特征, 電阻率變化范圍較大。

(4)斷裂破碎蝕變帶: 絹英巖化碎裂狀花崗巖、 絹英巖化花崗質碎裂巖, 因蝕變和破碎, 電阻較低, 平均值430～460 Ωm; 當巖石具有黃鐵礦化時, 電阻率平均值降低, 降低程度和黃鐵礦含量呈正相關; 蝕變帶內的黃鐵絹英巖化糜棱巖平均電阻率最低, 為87 Ωm。

綜上所述, 該區(qū)棲霞序列片麻巖呈中-高阻特征, 破碎蝕變帶整體表現(xiàn)為中-低阻特征, 中生代巖漿巖表現(xiàn)為高阻特征。當斷裂帶內的巖石黃鐵礦化強烈時, 電阻率相對變低, 略小于斷裂上盤的新太古代巖漿巖, 而明顯小于深部的中生代巖漿巖。

2 技術方法

本次研究采用的地球物理方法為可控源音頻大地電磁法(簡稱CSAMT), 該方法是在MT方法[11-12]基礎上發(fā)展起來的。為克服MT法天然場源的隨機性和信號微弱的缺點, Goldstein等[13]提出了利用人工(可控)場源的音頻大地電磁法, 觀測正交的電磁場振幅和阻抗相位, 具有抗干擾能力強和信噪比高的優(yōu)點[14-18]。前人對方法技術本身的分辨率、 靜態(tài)效應、 反演方法等進行了大量的研究[19-24], 方法理論和技術基本成熟。近年來, 我國在CSAMT方法技術研究和應用方面取得了諸多進展[25-28], 在深部資源勘查、 深部地質結構調查等方面應用較多[29-33], 對劃分地層、 圈定構造和巖漿巖等領域有很好的效果。前人的研究成果是本次方法設計、 數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理及反演計算的理論和方法基礎。

本次工作在大尹格莊、 焦格莊典型礦床深部各布置6條CSAMT剖面(圖1), 線距240 m, 點距50 m, 測量極距50 m, 其中大尹格莊礦床測線方位112°, 焦格莊礦床測線方位100°。

儀器采用GDP32電法工作站, 發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)電機(DZORG-30 kW)、 發(fā)送機(GGT-30 kW)組成, 接收極為GDP32II接收機, 采用ANT/6NF磁探頭和不極化電極。設計探測深度為2 500 m, 根據(jù)區(qū)內物性資料(表1), 除蝕變巖外(相對規(guī)模小), 統(tǒng)計計算地下介質平均電阻率約為1 600 Ωm, 采用有效探測深度估算公式

(1)

其中:D為有效探測深度;δ為趨膚深度;ρ為地下平均電阻率;f為測量頻率。估算最低測量頻率為32.4 Hz, 本次測量頻率范圍為0.125～8 192 Hz, 滿足要求。測量采用赤道裝置,AB接地長導線為發(fā)射源, 經(jīng)現(xiàn)場試驗, 確定收發(fā)距r=10～11.2 km(大于4倍目標最大埋深), 發(fā)射極距AB=1.5 km, 發(fā)射功率30 kW, 供電電流5～20 A, 既滿足了探測深度的需要, 又保障了信號質量。測量范圍在供電電極AB中垂線兩側各30°張角, 且收發(fā)距r≥10 km的扇形區(qū)域內, 平行AB布置測線, 測量時采用多次疊加技術(≥3次), 增加信噪比。測量數(shù)據(jù)為Ex和Hy振幅和相位, 計算Cagniard視電阻率和阻抗相位

(2)

φ=φEx-φHy。

(3)

式中:ρs為Cagniard視電阻率;φ為阻抗相位。處理數(shù)據(jù)時,首先剔除離差較大的頻點數(shù)據(jù),再疊加平均生成AVG文件,采用參考相位空間濾波法進行濾波,壓制靜態(tài)效應。反演采用ZONGE-SCS2D軟件,對所有測點數(shù)據(jù)二維移動平均后,以測點平面位置和Bostick深度建立初始模型,反演最低頻率設為32 Hz。正反演迭代計算時利用均方根誤差(RMS)測評欠擬合度,通過不斷修改模型, 使誤差足夠小時(均方根小于10)完成反演計算。然后根據(jù)計算結果繪制擬合曲線圖(圖2),進行地質推斷和解釋。

圖2 實測及反演擬合曲線Fig.2 Measured data and inversion fitting curves

3 結 果

本次研究對象為招平斷裂中段大尹格莊礦床和焦格莊礦床。前人地質工作基本控制了兩個礦床1 000 m以淺賦存礦體的破碎蝕變帶, 而礦體即賦存在蝕變帶內。陳進等[34]研究認為大尹格莊金礦的礦體受招平斷裂主裂面展布的控制, 主裂面產(chǎn)狀局部變化的部位為應力異常的部位, 成礦流體上升過程中容易在此受到阻礙, 進而與圍巖發(fā)生化學反應形成礦體。毛先成等[35]通過大數(shù)據(jù)定量研究大尹格莊金礦床控礦地質因素, 揭示了斷裂面的形態(tài)特征是控制礦體形成的關鍵因素。前人對焦格莊礦床的控礦因素和特征研究較少, 理論上應遵從招平斷裂的宏觀控礦特征, 因此研究斷裂深部蝕變帶的賦存規(guī)律對深部找礦至關重要。

大尹格莊金礦床主蝕變帶為招平斷裂的一部分, 長約3 000 m, 寬30～78 m, 總體走向20°, 傾向SE, 傾角21°～54°。已控制的主礦體分布于-26～-740 m標高范圍內, 平均長度765 m, 平均斜深740 m, 深部未封閉。Y94勘探線地質剖面顯示蝕變帶傾角由淺及深呈現(xiàn)陡—緩—陡的變化規(guī)律。本次工作獲得的電阻率斷面顯示, 淺部低阻地質體反映了新太古代片麻巖, 深部的中高阻地質體反映了玲瓏二長花崗巖, 在兩者之間存在一個電阻率梯度帶, 呈舒緩波狀, 電阻率在2 500 Ωm左右, 推斷該梯度帶為招平斷裂帶(圖3)。

圖3 大尹格莊Y94勘探線地質地球物理綜合剖面Fig.3 Geological and geophysical comprehensive profile of Y94 exploration line in Dayingezhuang

焦格莊礦床位于招平斷裂帶的中部, 主礦體受招平斷裂帶控制, 總體走向北東5°～10°, 傾向南東, 傾角20°～38°。J24勘探線地質剖面顯示, 已控制的主礦體賦存標高-377～-736 m, 走向上延長550 m, 傾向上向下延深360 m, 深部未封閉(圖4)。礦體靠近招平斷裂帶主裂面, 隨主斷裂面的波狀彎曲而變化, 呈舒緩波狀延伸, 具膨脹夾縮現(xiàn)象。本次工作獲得的電阻率斷面顯示, 淺部低阻地質體反映了新太古代片麻巖, 其中局部橢圓狀相對高阻地質體推斷為隱伏的古元古代荊山群黑云母片巖, 深部的高阻地質體反映了中生代玲瓏二長花崗巖, 在兩者之間存在一個電阻率梯度帶, 電阻率在2 500 Ωm左右, 推斷該梯度帶為招平斷裂帶賦存位置(圖4)。

圖4 焦格莊J24勘探線地質地球物理綜合剖面Fig.4 Geological and geophysical comprehensive profile of J24 exploration line in Jiaogezhuang

為進一步研究大尹格莊礦床和焦格莊礦床深部-1 000～-2 000 m高程范圍的斷裂帶特征, 間接證明斷裂深部的展布形態(tài), 利用大尹格莊和焦格莊兩個礦床各施測的6條CSAMT剖面, 建立CSAMT三維電阻率模型(圖5a、 圖6a)及垂向切片圖(圖5b、 圖6b), 結合地質資料對斷裂深部的空間展布形態(tài)進行綜合推斷, 認為模型中展示的電阻率由淺至深逐漸增加, 淺部電阻率一般小于2 000 Ωm, 反映了招平斷裂帶上盤荊山群片巖及新太古代閃長巖質片麻巖; 深部為高阻體, 電阻率一般大于3 000 Ωm, 反映了斷裂帶下盤的中生代二長花崗巖。淺部與深部之間存在一個電阻率變化梯級帶, 電阻率變化范圍在2 000～3 000 Ωm, 主要由斷裂內破碎蝕變巖構成, 巖性為絹英巖化、 黃鐵礦化花崗質碎裂巖、 碎裂狀花崗巖等。根據(jù)淺部鉆孔約束, 設定2 700 Ωm電阻率等值面為斷裂中心位置, 大致反映招平斷裂帶的展布特征。

圖5 大尹格莊礦床深部三維電阻率模型Fig.5 3D resistivity model of the deep in Dayingezhuang deposit

大尹格莊礦床深部招平斷裂電阻率等值面(約2 700 Ωm, 圖5b)及垂直和水平切片(圖5c、d), 清晰地反映了招平斷裂的三維空間展布和平面投影特征: 該斷裂破碎帶向SE(112°)傾伏, 傾角30°～50°, 且斷裂向NE(22°)側伏, 側伏角10°～40°。斷裂面整體呈舒緩波狀, 局部存在凸起或凹陷(圖5b)。

焦格莊地區(qū)斷裂電阻率等值面(約2 700 Ωm, 圖6b)及垂直和水平切片(圖6c、d)顯示, 該區(qū)招平斷裂帶的空間展布特征和大尹格莊地區(qū)類似, 斷裂向SE(110°)傾伏, 傾角30°～50°, 局部傾角有變化, 存在淺部陡、 深部緩的趨勢; 同時斷裂帶向NE(10°)方向側伏, 側伏角5°～30°, 呈現(xiàn)淺部側伏角大、 深部側伏角小的特點。斷裂帶整體亦呈舒緩波狀特征, 局部存在凸起或凹陷。

圖6 焦格莊礦床深部三維電阻率模型Fig.6 3D resistivity model of the deep in Jiaogezhuang deposits

通過上述地球物理反演和三維建模, 較清晰地刻畫了大尹格莊礦床及焦格莊礦床深部斷裂形態(tài), 推測斷裂深部向SE傾, 且向NE側伏, 較精確地限定了傾角和側伏角范圍, 從地球物理角度證明了招平斷裂的深部賦存巖性和空間展布規(guī)律, 為深部找礦預測及勘查鉆孔設計提供了科學依據(jù)。

4 成果及討論

招平斷裂帶深部傾角變化部位是構造運動和活動強烈地段, 有利于金元素富集, 具有良好的賦礦空間。前人在大尹格莊礦床Y94勘探線已施工ZK1和ZK3鉆孔, 分別在796.5～838.9 m、 966.6～1 028.8 m控制招平斷裂及蝕變帶, 蝕變帶內賦存金礦體, 礦體深部未封閉。在焦格莊礦床J24勘探線已施工ZK4鉆孔, 在763.6～885.1 m控制招平斷裂及蝕變帶, 局部具金礦化。結合招平斷裂的控礦特點和已有的鉆探成果資料, 應用本次建立的地球物理三維模型及其反映的斷裂深部側伏規(guī)律, 綜合研究后, 在大尹格莊礦床深部1 400 m和焦格莊礦床深部1 200 m上下各圈定一個找個靶區(qū), 編號分別為找礦靶區(qū)Ⅰ(圖5b、c)、 找礦靶區(qū)Ⅱ(圖6b、c)。

在找礦靶區(qū)Ⅰ處布置鉆孔ZK5進行驗證(圖3、 圖5), 終孔深度1 470.2 m, 其中在1 326.9～1 385.1 m控制招平斷裂帶, 在斷裂帶內見真厚度3.10 m、 金平均品位2.74×10-6的金礦體。在找礦靶區(qū)Ⅱ處布置鉆孔ZK6進行驗證(圖4、 圖6), 終孔深度1 452.6 m, 其中在970.8～1 210 m控制招平斷裂帶, 局部存在金礦化。

5 結 論

本次工作在系統(tǒng)總結招平斷裂帶中段地質背景及物性特征的基礎上, 針對研究區(qū)深部招平斷裂帶的側伏規(guī)律缺乏有效證據(jù)、 具體空間展布形態(tài)認識不清的問題, 通過CSAMT測量及反演, 建立了三維電阻率模型, 并通過切面和等值面等方式, 從不同角度分析了大尹格莊和焦格莊2個典型礦床深部斷裂帶的空間展布, 得出如下結論:

(1)利用CSAMT方法探測招平斷裂深部金礦相關構造是可行的, 其構建的三維電阻率模型能夠反映招平斷裂深部側伏規(guī)律。結合區(qū)內巖石物性特征, 反演電阻率模型有效反映了2 500 m以淺的斷裂特征, 對提高該區(qū)礦產(chǎn)勘查效果有一定的指導意義。

(2)三維電阻率模型從不同角度直觀顯示了斷裂帶的空間展布。證明了斷裂帶局部向NE側伏的規(guī)律, 并給出相對精確的傾角和側伏角范圍, 其中大尹格莊礦床深部向SE傾伏、 NE側伏, 傾角30°～50°, 側伏角10°～40°; 焦格莊地區(qū)向SE傾伏、 NE側伏, 傾角30°～50°, 側伏角5°～30°。斷裂局部傾角有變化, 淺部陡、 深部緩的趨勢較明顯。

(3)結合前人獲得的斷裂帶淺部地質信息, 依據(jù)本文建立的模型及推斷的斷裂帶側伏規(guī)律, 預測了2處深部找礦靶區(qū), 并得到鉆探工程驗證。