廣域電磁法在湖南柏坊銅礦區的應用研究

左昌虎, 劉 騰, 廖仲軻, 楊 超

(1.湖南水口山有色金屬有限責任公司, 湖南 衡陽 421200; 2.湖南省復雜多金屬礦高效利用工程技術研究中心, 湖南 衡陽 421513)

1 前言

湖南柏坊銅礦地處衡陽盆地南緣,礦體小而富,礦化類型多樣,礦體形態各異,成因復雜[1]。眾多學者圍繞柏坊銅礦礦床地質特征[2]、控礦條件[3-5]、成礦規律[4]及找礦方向[5-7]等方面進行了大量研究,形成了多構造疊加控礦理論,礦體的形成與分布與褶皺、斷裂、不整合面、巖溶等密切相關。經過多年的開采,資源逐漸枯竭,自20世紀80年代始,在生產區范圍內開展了大量勘查和研究工作,找礦難度越來越大,因而向地質工作較少的生產區外圍和深部找礦,是維持礦山持續發展的必由之路。為了避免盲目找礦,降低找礦的風險,開展柏坊銅礦邊深部勘查不僅需要成礦理論指導,還要地球物理勘探方法的支持[8],特別是在生產中的礦山開展地球物理勘探,需要具有較強的抗干擾能力,并能有效分辨礦體(化)異常。

2005年何繼善院士提出了廣域電磁法理論,該方法采用大功率發射、寬頻帶頻譜信號發射-接收等技術,提高了頻率數據密度和信噪比,具有勘查深度大、成本低、精度高、抗干擾能力強、環保等優點[9-10],滿足了對小尺度、大埋深、復雜地質條件等深部精細探測要求。目前已廣泛應用于油氣、地熱、采空區、深埋隧道和金屬礦產勘查等多個領域[11-18],尤其在尋找深部隱伏礦體及大型構造控礦型礦床中有較好的指示作用[19]。

本次在柏坊銅礦開展廣域電磁法測量,在前人研究的基礎上,結合驗證性現場地質調查及多元信息綜合研究,通過系統闡述廣域電磁法數據的定性分析、反演解釋及電性特征,探究柏坊銅礦的地質-成礦空間架構,綜合分析礦化空間定位機制與規律,建立地質-地球物理找礦標志,為柏坊銅礦邊深部勘查提供地質地球物理信息支撐[20]。

2 地質概況及物性特征

2.1 地質概況

柏坊銅礦床地處衡陽中生代陸相紅層盆地南緣,塔山東西向構造北側,末臨南北向構造北端,屬多個構造疊合部位,地質圖如圖1所示。區域地層出露較全,除下泥盆統、中三疊統、新近系缺失外,自元古界冷家溪群至第四系均有出露。區域構造受平江-衡陽華夏系拗陷帶影響,形成了一系列南北向、北西西向褶皺和北西西向、北北東向斷裂構造。區域內巖漿活動強烈,主要侵位于印支晚期和燕山早期,多形成中酸性花崗巖體,主要有塔山巖體、大義山花崗巖體、水口山花崗閃長巖體等。區域內成礦條件良好,形成了一系列金屬和非金屬礦產,主要礦種為鎢、錫、鉛、鋅、銅、銀、金、硼、重晶石、煤、高嶺土礦等。

1—株洲-雙牌深大斷裂帶;2—邵陽-郴州基底斷裂帶;3—醴陵-寧遠深大斷裂帶;4—常德-安仁基底斷裂帶;5—羊角塘-五峰仙基底斷裂帶;6—陽明山-大義山基底斷裂帶圖1 華南構造簡圖及衡陽盆地地質圖

柏坊銅礦礦區內廣泛出露晚古生代石炭紀、二疊紀及中生代白堊紀的地層,其他地層缺失。其中,石炭系主要是一套淺海-濱海相碳酸鹽建造;二疊系為一套海陸交互相砂頁巖建造;白堊系紅層以角度不整合覆蓋于石炭系及二疊系之上,是區內砂巖型銅礦的主要賦礦層位。區內構造主要為褶皺、斷層、不整合面和巖溶構造,其中褶皺主要有柏坊向斜、憩山嶺背斜、銅鼓塘倒轉向斜及五背沖背斜等,區內礦體多賦存于褶皺倒轉翼和傾伏端;斷裂構造主要由北東-北北東向(F11、F24、F33等)和近東西向(F20、F22、F40等)兩組斷裂構造組成,F22為區內重要控礦構造;不整合面主要為白堊系和下伏石炭統間的接觸面,既是區內容礦構造又是導礦構造;礦區內不同構造體系疊加復合,呈多期次活動的特點,控制著區內礦體的形態、分布及賦存。區內巖溶主要發育于石炭系灰巖和白云質灰巖中,區內淋濾再造型礦體多沿巖溶邊緣分布。區內巖漿巖不發育,僅在礦區南部出露有呈串珠狀展布的小巖體,巖性為花崗閃長斑巖,屬富鉀巖體,以高硅高鋁貧鈣為特征,銅、鉛的背景值較高,銀元素較富集。

2.2 物性特征

物性特征是定性解釋和定量反演的首要約束條件,將地層巖性與物性資料相結合,可探究不同電性及巖性組構地層、分辨地質構造及礦化地質體和分辨侵入巖體界面,為建立地質-地球物理模型提供依據。本次研究系統采集了柏坊礦區不同類型的巖(礦)石標本220件,采用KT-10磁鐵磁化率儀測定磁化率、采用SQ-3C雙頻激電儀測量電阻率和極化率,具體參數見表1,柏坊銅礦不同類型巖(礦)石的物性差異主要表現以下幾個方面。

表1 柏坊銅礦巖(礦)石物性參數表

(1)白堊系泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和斗嶺組碳質砂頁巖總體表現為低阻低極化和低-中等磁極化特征;壺天群灰巖具高阻低極化低磁極化特征;閃長花崗斑巖具中高阻低極化低磁化率特征。

(2)含銅礦石總體表現為低阻高極化高磁極化特征,與地層相比較,明顯電阻率更低、極化率和磁極化率均更高。

(3)區內巖(礦)石的電性差異較明顯,根據電性體的分布特征可以推測白堊系與壺天群不整合接觸界面;當含礦地質體品位較高、厚度達一定規模時,也可以較好的通過電性差異進行識別。

(4)區內巖(礦)石的磁性差異較小,壺天群灰巖基本無磁性,白堊系砂泥巖層含鐵銅等金屬元素時表現出一定的磁化率,含礦巖石的磁化率則更高。

區內不同巖(礦)石較明顯的物性差異,可以為開展廣域電磁法工作和解釋提供基礎。

3 研究方法及工作布置

3.1 研究方法

廣域電磁法是根據水平電流場源和垂直磁場源在半均勻空間地面的電磁場解析表達式,建立的以曲面波為核心的電磁勘探理論,構建了全息電磁勘探技術體系,實現了頻率域電磁法由平面波到曲面波的理論跨越。廣域電磁法將電流-頻率-位置-大地電阻率-磁導率等全部信息考慮在內,用電磁場的全域精確公式提取視電阻率,增加了探測深度,同時通過一次發送包含多個頻率成分且振幅接近的偽隨機信號電流,提高了觀測精度和效率。

本次廣域電磁法測量采用人工電流源激發,觀測水平電場分量。大地表面水平電偶極源的電場分量為

(1)

廣域視電阻率定義為

(2)

(3)

ΔVMN=Ex·MN

(4)

式中:KE-Ex為裝置系數;φ為方位角;FE-Ex(ikr)為電磁響應函數,k為波數,k2=ω2με-iωμσ;ε為介電常數;μ為磁導率;ω為圓頻率;ΔVMN為觀測電位差;MN為點距;I為發射電流;dL為供電極距;r為收發距。

3.2 工作布置

廣域電磁法測線盡量垂直主要含礦地層或主干構造走向,同時兼顧有小巖體出露的地段,在控制主要控礦構造和含礦地層的同時,探測深部是否存在大型隱伏巖體及其有關的熱液型礦化。

本次研究布設7條廣域電磁法測量剖面,其中北東向廣域電磁法剖面5條,自西向東編號為SGY1～SGY5,剖面間距500～1 400 m,點距40 m,剖面與區內主干構造線基本垂直,基本覆蓋柚子塘礦段、銅鼓塘礦段等;北西向廣域電磁法剖面2條,自北向南編號為SGY6～SGY7,剖面間距1 400 m,點距40 m,SGY6剖面控制柚子塘礦段、憩山嶺背斜及F11斷裂,SGY7剖面控制礦區南部出露花崗閃長斑巖脈及F26斷裂。

4 數據采集及處理

4.1 數據采集

野外數據采集采用廣域電磁法的E-Ex裝置,即采用一對接地電極形成的電流源作為場源,測量電場的水平分量中與供電電極方向平行的Ex分量。

場源電極(A、B)根據實際地形、地物情況,在30°范圍內接受發射信號,AB場源近乎平行于測線方向布設,具體如圖2所示,圖中虛線場源①位于蓬塘村,r≈8.7～12 km,AB≈1.20 km,MN=40 m,方位角39.5°,有效電流值100 A左右,與測線方位角誤差小于1°;場源②位于黃橋村,r≈9.3～10.8 km,AB≈0.95 km,MN=40 m,方位角122.3°,有效電流值107 A左右,與測線方位角誤差小于1°。

……為廣域電磁測深測線,測線到場源的垂直距離為收發距圖2 廣域電磁場源與測線布置示意圖(多線多排列)

4.2 數據處理

本次廣域電磁法數據處理以及反演采用“地球物理資料綜合處理解釋一體化系統(GME_3DI)”。首先,評價原始數據質量,并進行去噪、靜態校正、數據濾波及地形校正等預處理,計算廣域視電阻率;其次,進行定性分析,分析“頻率-視電阻率”曲線類型,確定地下介質在曲線上的響應,分析視電阻率擬斷面圖,初步確定構造系統的劃分和原始數據與構造區域的對應關系;再次,依據礦區地質、地球物理資料,對實測的電性斷面進行地質解釋,定性分析頻率域的成果,進行后期反演成像與定量解釋;最后,不斷優化反演參數,選擇最優數據處理解釋方案,采取連續介質和層狀介質反演,建立地質-地球物理找礦標志。

5 資料解釋及地質分析

5.1 定性分析

通過綜合分析研究初始成果的視電阻率曲線類型、等頻率曲線圖及“頻率-視電阻率”擬斷面圖,可以有效提高定性分析的準確度。本次對廣域電磁數據進行系統的處理與定量反演計算(以SGY2線為例),反演深度2 000 m達到標高-1 800 m。

廣域電磁測量SGY2線的視電阻率測深曲線如圖3(a)所示,從曲線形態上多表現為復雜的“KH”型,少量簡單的“K”型、“H”型,表明視電阻率在該剖面總體上從淺到深具低→高→低→高→低→高的變化趨勢,局部點位從淺到深具低→高→低或高→低→高的變化趨勢。部分地段曲線形態紊亂(點138～144)代表構造發育、巖性變化或礦化蝕變導致的電性不穩定,需重點關注。統計視電阻率原始數據,發現本區背景視電阻率較大,說明本次廣域視電阻率測量結果為相對視電阻率。

圖3 SGY2線廣域電磁法定性分析

廣域電磁測量SGY2線的視電阻率等頻率曲線如圖3(b)所示,反映了各頻率在剖面上的變化特點,頻率曲線下凹代表該處電阻率相對較低,向上突起則反映該處視電阻率相對周邊較高,不同頻率均表現為下凹可能代表該處斷裂發育導致出現連續的低阻異常,是綜合分析斷裂構造的基礎。

廣域電磁測量SGY2線的“頻率-視電阻率”擬斷面如圖3(c)所示,可見由淺至深的視電阻率特征大致呈現低→高→低→高變化,結合電性測試成果,推測高阻可能是碳酸鹽巖地層引起,低阻則可能與白堊系砂泥巖層、斗嶺組煤系地層、斷裂構造、礦化蝕變、巖石破碎含水等因素有關;橫向電阻率不連續和低阻縱向上成帶分布說明該段可能構造較發育,視電阻率等值線密集、扭曲和畸變亦為斷裂或巖漿侵入的反映。

5.2 反演解釋

通過分析實測的廣域電磁視電阻率,對比區內各巖(礦)石物性特征及地層柱狀圖,得到初始的地電模型,計算出該模型在地表的視電阻率理論值,并與實測值相對比;通過不斷調整反演參數,直至理論值與實測值的最小二乘偏差達到最小,則該模型即為反演成果,它定量給出了不同電性介質在地下的分布規律,反演可以通過人機交互的方法實現。

一維反演是假設地下介質的電性僅隨深度發生變化,沿水平方向不變的一種反演方法,可有效避免人為因素的影響。采用一維連續介質反演方法,假定地下介質沿深度(縱向)是連續變化的,具體如圖4(a)所示,在縱向上需離散化,即用一系列薄層來描述介質的電性分布,通過最佳擬合大地電磁響應函數,可求得各個薄層的電阻率值。

圖4 SGY2線廣域電磁法反演解譯斷面圖

二維反演是假定大地電性結構為二維的,即地下介質的電性在垂直于勘探剖面的方向上不變,而沿剖面方向和隨深度發生變化的一種反演方法。本次以二維反演結果作為地質推斷的主要依據,以一維連續介質反演成果作為二維連續介質反演的初始模型,在不受任何先驗認識的約束下,將剖面進行薄層單元分塊劃分,而后進行電性擬合,求得各單元的電阻率,以此進行地質解釋與推斷。在斷面上呈現出電性分布的等值線具體如圖4(b)所示。

5.3 綜合解釋

本次研究將廣域電磁法的7條測線按-200 m、-400 m、-600 m、-800 m標高編制視電阻率等值線平面圖,具體如圖5所示,在平面上和高程上反映各電性異常體之間的聯系與變化特征。

圖5 柏坊銅礦廣域電磁法不同標高標高視電阻率等值線平面圖

(1)地層表現:白堊系地層主要發育于礦區西南角和西北角,由上至下分布范圍逐漸縮小;壺天群和梓門橋組灰巖主要出現在SGY4線以西、-600 m標高以內,至-800 m標高僅在2線和4線中部有零星發育,即在中部分布范圍大、厚度大、埋藏深,往東深度埋藏淺、往西厚度較薄等特點;測水組及下部地層則主要發育在SGY4線以東。

(2)斷裂構造表現:F20在走向和傾向上均有較明顯的異常反映,SGY4線以東F20發生明顯轉折,反映被F11錯斷平移的特點;主控礦構造F22在-600 m標高以上SGY4～SGY5線均有較好的異常體現,往西被F11錯斷后異常特征不明顯;此外,在西部SGY1～SGY3線之間可見三條平面上和高程上均較連續的的斷裂構造,分別為SGY1線TF9～SGY2線TF6(傾向SW)、SGY1線TF5～SGY3線TF4(傾向NNE)、SGY1線TF4～SGY3線TF2(傾向S),其中斷裂構造SGY1線TF4～SGY3線TF2與礦區主要控礦構造F22展布規律基本一致,可能為與F22同期的斷裂構造。

通過編制SGY1～SGY5線的聯合地質剖面圖,可以較清晰的看到各測線上的相同地質體和構造能較好的對應連接,具體剖面如圖6所示。從聯合地質剖面圖可以看出以下幾個方面內容。

圖6 柏坊銅礦廣域電磁法SGY1～SGY5線聯合地質剖面圖

(1)上古生界與中生界不整合接觸界面呈波狀起伏展布,總體上中北部深部淺、厚度大,往兩側埋深逐漸增大、厚度減小,在斷裂F20附近顯示為被錯斷位移,上盤抬升、下盤下降,并在SGY1線和SGY2線錯距較大,往東錯距減小,SGY3線和SGY4線的厚度大、分布范圍廣。

(2)斷裂構造F20在走向和傾向上延伸穩定,主要控礦構造F22在SGY4線和SGY5線有較好的電性反映,深部被F22錯斷后電性異常不明顯。

(3)SGY5線主要為測水組下部地層,淺部僅在北面局部發育棲霞組、壺天群、梓門橋組灰巖等高阻電性體。

(4)SGY5線118～120號測點間地表出露花崗閃長斑巖,因出露規模較小且被風化,表現為中低阻,中深部往北東向陡傾角延伸,表現為中高阻,推測深部可能存在隱伏巖體。

5.4 分析與討論

柏坊銅礦地處衡陽盆地南緣多構造疊加復合部位,礦體的形成與分布受褶皺、斷裂、不整合面、巖溶等控制,綜合分析區內(原生)銅礦化特征、成礦地質條件、控礦因素,總結區內礦體的空間定位機制與規律。

(1)研究區內主要含礦巖系為白堊系和中上石炭統壺天群,其中,白堊系紅色碎屑巖可能為成礦提供了部分成礦物質(其銅元素含量為上地殼的6～11倍),且長石石英砂巖滲透性好、孔隙度大,加之構造活動形成的一系列節理裂隙,以及紅色碎屑巖孔隙度底、滲透性差可作為良好的遮擋層,具有利于礦液運移、賦存的成礦條件;壺天群灰巖中古巖溶內部巖石破碎,具有很好的容礦空間,有利于礦液運移賦存。

(2)研究區處于多個構造體系相交處,早期構造控制了后期構造的形成,后期構造在早期構造的基礎上形成、發展,成礦期及以前的構造是礦體賦存的良好空間,控制著礦體的形成和分布,而成礦后期構造則對礦體起到破壞的作用。F22斷裂破碎帶是區內最重要的導礦和容礦構造,該斷裂是褶皺倒轉翼巖波狀起伏的巖性界面推滑而形成,由于推滑形成的滑脫空間是礦化富集的有利部位,礦體主要賦存在斷裂帶內凹部位。

(3)研究區不整合面為不規則復雜曲面,對成礦起控制作用,一是作為容礦構造,不整合面下凹部位的礫巖層厚度大且裂隙發育,是礦體賦存的有利部位;二是作為導礦構造,成礦物質沿不整合面下滲,在基底巖層裂隙中聚集成礦。

(4)研究區內巖溶發育,主要發育于中上石炭統壺天群和下二疊統棲霞組灰巖中,區內部分原生銅礦體明顯沿中生界/上古生界不整合接觸界面附近的上古生界(主要為壺天群)斷裂破碎帶控制的古構造巖溶系統發育。

根據廣域電磁法成果,結合礦體的空間定位機制與規律,建立成礦地質體-地球物理找礦標志:區內斷裂構造巖石破碎、含水古巖溶、礦化蝕變顯示為串珠狀、帶狀低阻異常特征,且斷裂構造常造成地層錯斷,體現為電性體被切割、錯斷、下拉,可以很好的識別;白堊系地層與古生界地層之間的不整合接觸界面,裂隙發育,是破碎角礫巖型銅礦體賦存部位,存在較明顯的電性差異;巖體與圍巖接觸界面通常存在熱液蝕變,往往具有明顯的低視電阻率電性特征,結合深部隱伏巖體具高視電阻率電性特征,可以圈定深部隱伏巖體的空間分布。

綜上,通過巖(礦)石的電阻率特征,可以反映相關成礦地質體的空間形態及位置關系,在研究區內開展成礦預測工作(以SGY4線為例)。SGY4線整體電性特征表現為:淺部顯示低阻,往下高阻、低阻交替出現,反映地層電性特征;多處局部低阻帶狀電性特征明顯,電阻率曲線被下拉、切割,斷裂構造帶低阻帶與圍巖高阻體界線清晰明顯,具體剖面如圖7所示。靶區甲f-1位于F22與F20斷裂交匯部位,F22斷裂在該處呈彎曲低緩南傾,低阻異常范圍較大、異常值較低;此外CK218、ZK4401在深部揭露F22斷裂破碎帶并見銅礦化,綜合分析認為該靶區具有較好探尋斷裂破碎帶充填型礦體的潛力。

圖7 柏坊銅礦廣域電磁法SGY4線成礦預測剖面圖

5.5 鉆探工程驗證情況

在SGY4線施工鉆孔ZK2022-2,通過鉆探工程揭露情況可看出:0～6.40 m為第四系紅褐色、棕黃色黏土層;6.40～65.92 m為淺灰色灰巖夾黑色炭質頁巖,未見礦化;65.92～369.87 m為淺黃褐色、淺紅褐色含方解石脈白云巖,未見礦化;369.87～472.15 m為青灰色-淺灰白色含方解石脈灰巖,其中384.96～393.00 m見含黃鐵礦角礫及星點狀輝銅礦;472.15～482.72 m為角礫巖,未見礦化;482.72～594.61 m為灰巖,未見礦化;594.61～596.58 m為斷裂破碎帶,未見礦化;596.58～628.25 m為白云質灰巖,未見礦化;628.25～648.23 m為硅質巖,未見礦化;648.23～1107.06 m為砂巖夾炭質砂頁巖,未見礦化。

廣域電磁法推測F22與F20斷裂交匯部位與工程驗證情況較為吻合;地層電性特征淺部顯示低阻與白堊系地層對應較好,往下高阻、低阻交替出現特征反映石炭系灰巖及裂隙帶的發育,而深部低阻低極化特征相對應的砂巖夾炭質砂頁巖應為二疊系斗嶺組而非石炭系。綜上,廣域電磁法在本區地層分層及構造識別中具有較好效果。

6 結論

(1)系統總結了柏坊銅礦巖(礦)石電性特征和地質體電性規律,建立地質體電性特征空間架構:不同地層巖(礦)石具有明顯的電性差異,同一地層內巖性組構變化較小電性差異小,礦石具有明顯的低阻高極化電性特點與圍巖差異明顯;斷裂構造常顯示為低阻串珠狀或帶狀異常特征。

(2)依據廣域電磁法等頻率曲線圖、“頻率-視電阻率”擬斷面圖、反演地質解釋擬斷面圖及相關地質資料,開展地質解釋工作,推斷了區內主要地層、構造、巖漿巖等地質體的界線,揭示了區內紅層盆地和基底隆起凹陷的深部形態,并對礦區東南部深處是否存在隱伏花崗閃長斑巖提供了依據。

(3)綜合分析廣域電磁法成果,結合礦體的空間定位機制與規律,建立成礦地質體-地球物理找礦標志,有效圈定賦礦靶區;通過鉆孔工程驗證,廣域電磁法成果與揭露地層、構造帶較為吻合,為后續找探礦工作部署提供依據。

(4)廣域電磁法具有勘探深度大、觀測范圍廣、測量精度高、抗干擾能力強等優點,較好地解決研究區干擾因素多、礦(化)體識別難度大的問題,降低了深部鉆探驗證的風險,為開展邊深部勘查提供了較為充分的地球物理依據。