楊振威，張 昆，嚴加永，陳向斌

1 中國地質科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037

2 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037

1 引 言

近年來，隨著淺表礦愈來愈難以發(fā)現(xiàn)，我國礦產(chǎn)資源對外的依存度日益增加，因此，加大勘探深度，開發(fā)深部礦產(chǎn)資源，成為緩解我國資源緊缺狀況的當務之急［1］.長江中下游成礦帶是我國東部重要的多金屬成礦帶，淺部礦產(chǎn)勘探開發(fā)程度較高，而對深部資源的勘探開發(fā)相對滯后.在安徽省銅陵市冬瓜山1km以下發(fā)現(xiàn)的大型銅礦證實了深部勘探開發(fā)的巨大潛力，深部找礦的關鍵在于獲取深部結構構造信息［2］.基于此，開展大型礦集區(qū)深部精細結構探測研究，總結礦集區(qū)成礦模式、揭示成礦規(guī)律、發(fā)現(xiàn)深部礦產(chǎn)，是實現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展的主要途徑.而向深部追蹤地表已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的控礦構造，探討成礦深部控制條件是開展深部找礦的突破口［3］.

寧－蕪盆地位于揚子克拉通東北緣，是在下?lián)P子褶皺帶基礎上發(fā)育起來的繼承性菱形火山巖盆地，呈北東向延伸.東迄方山—小丹陽斷裂，西鄰長江斷裂帶，南至蕪湖斷裂，北以南京—湖熟斷裂為界［4］.盆地內以發(fā)育典型“玢巖鐵礦”著稱，已發(fā)現(xiàn)鐵礦床有梅山、凹山、陶村等大型礦床，還有大平山、銅井等小型銅金礦床.區(qū)域地層主要由古生代—早中生代淺?！詈Ｏ嗵妓猁}巖沉積、早中生代—新生代陸相碎屑巖和火山巖系組成.區(qū)內出露地層為三疊系至第四系.三疊系為淺－半深海碳酸鹽巖和頁巖沉積地層，晚侏羅系—早白堊系為火山－次火山巖，第三系及第四系地層以砂礫巖為主.盆地內褶皺、斷裂發(fā)育廣泛，巖漿活動劇烈，褶皺軸向以北東向或北北東向的寬緩背斜、狹窄向斜為特征，規(guī)模較大的主要是燕山運動早期形成的寧蕪向斜、鐘姑背斜、盆地東緣脊狀背斜［5］.盆地內的基底斷裂具有近似等距的網(wǎng)格狀格局，橫向斷裂主要為北西向，縱向斷裂為北東向.巖漿活動始于晚侏羅世，晚白堊世結束，巖漿多沿斷裂、褶皺軸部侵入，火山巖系覆蓋面積達上千平方公里，由老至新可劃分為龍王山、大王山、姑山和娘娘山四個旋回，巖性主要為輝長巖、輝長閃長玢巖、角閃粗安玢巖和角閃安山玢巖等，分布明顯受深部斷裂控制.盆地中段深部普遍有花崗巖體侵入，后期塊斷上升，被剝蝕改造［6］.

張八嶺隆起位于安徽省東部，為華北板塊和揚子板塊的分界帶，呈北北東向延伸，西界為郯廬斷裂帶，東南接滁州—宿松褶皺沖斷帶［7］.張八嶺隆起南段出露晚太古代—早元古代的肥東群角閃巖相變質雜巖和晚元古代張八嶺群低級變質巖，肥東群變質雜巖與上覆的張八嶺群呈斷層接觸［8］.張八嶺群是揚子板塊北緣的綠片巖相變質基底，在印支期華北板塊與揚子板塊的陸陸碰撞時卷入了造山變形，巖層變形復雜［9］.

近年來，在寧蕪礦集區(qū)開展了許多構造學、礦物學、巖石學方面的研究［10］，對礦集區(qū)淺部結構構造形態(tài)已有相當?shù)牧私?，但對深?0km以上的上地殼結構的研究，尚屬空白，而深部結構控制著成礦系統(tǒng)和成礦作用的形成，因此，開展典型礦集區(qū)深部結構探測，具有重要的意義.礦集區(qū)西緣的張八嶺隆起南端也開展過大地電磁測深研究，提供了深至上地幔的深部電性結構特征，但多為長剖面，測點間距較大，且數(shù)據(jù)處理及反演方法都不夠先進［11－12］.本文根據(jù)寧蕪礦集區(qū)及其西緣的布設的2條大地電磁測深剖面數(shù)據(jù)，采用先進的大地電磁數(shù)據(jù)處理及反演方法，結合區(qū)域地質資料及重力多尺度邊緣檢測結果對區(qū)域上地殼結構進行了的研究，取得了一些新的認識.

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 測線布置

大地電磁測深2線縱貫寧蕪礦集區(qū)，南起姑山，北達南京市江寧區(qū)，近南北向，測線長度49km，點距1km；3線近東西向，西起巢湖市，東至當涂縣，測線長度84km，點距1km，穿過了肥東群超高壓變質巖出露區(qū)、滁河斷裂、長江斷裂.測線位置如圖1所示.為避開人文電磁噪聲干擾，部分實際的測點坐標與設計點坐標有一定偏移，但點位誤差不超過100m.

2.2 數(shù)據(jù)采集

圖1 大地電磁探測2、3線測線位置圖Fig.1 Location map of MT profile line 2and line 3

數(shù)據(jù)采集使用加拿大Phoenix公司生產(chǎn)的V5型五分量大地電磁儀.采集頻率范圍為3.2×102～3.0×10－4Hz，儀器使用自帶的 GPS衛(wèi)星同步.為使數(shù)據(jù)有足夠的疊加次數(shù)，每個測點的數(shù)據(jù)采集時長不少于20h.

為了進一步壓制人文電磁噪聲，獲得高質量的大地電磁測深數(shù)據(jù)，野外數(shù)據(jù)觀測時還采用了遠參考道大地電磁觀測技術，遠參考觀測技術是利用置于遠離觀測站的弱噪聲地區(qū)的遠參考站測得的磁場分量和本地測點測得的磁場分量計算互功率譜，從而達到消除自功率譜的目的.遠參考站與觀測站的距離的選擇是滿足噪聲相關與否的關鍵因素，根據(jù)電磁場遠區(qū)場和近區(qū)場劃分數(shù)值模擬結果，噪聲源與觀測點的距離大于5倍趨膚深度δ時，可以認為該噪聲源是信號源，小于5倍趨膚深度時，應視為噪聲信號.基于此，若遠參考點與觀測點的距離達到10倍趨膚深度時，可以認為兩測點干擾信號是不相關的.根據(jù)趨膚深度δ與勘探深度D的關系，δ＝，即遠參考點距離選擇14倍勘探目標層時，滿足噪聲不相關的條件［13］.本次探測目標層深度為10km，遠參考站布設在距觀測點140km以外的人文電磁干擾少的地方，長期連續(xù)觀測，與觀測站同步采集數(shù)據(jù).

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用傅里葉變換對大地電磁時間序列文件進行頻譜分析，將時域信號轉換為頻域信號，然后計算電磁場的自功率譜和互功率譜，并采用Robust估算阻抗張量元素［14］.經(jīng)遠參考處理、功率譜挑選等數(shù)據(jù)處理技術，最終得到123個測點的阻抗張量及其視電阻率和相位曲線.遠參考技術明顯改善了視電阻率、阻抗相位曲線，圖2為視電阻率曲線和相位曲線在遠參考處理前后的對比圖，由圖可知，經(jīng)遠參考處理后，數(shù)據(jù)質量得到明顯提高.

3 數(shù)據(jù)分析與反演

3.1 電性結構維性分析

二維偏離度是度量地下介質逼近二維程度的指標［15］，定義：s＝為二維偏離度.目前，s值還沒有明確的定量指標，s越小，地下介質電性結構愈接近二維.一般認為，s小于0.3，即可認為地下介質具有二維地電結構特征，模型可以二維近似，圖3（a，b）是采用阻抗張量分解算法對2線、3線大地電磁數(shù)據(jù)計算得到的二維偏離度示意圖.由圖可以看出：2線、3線中多數(shù)測點大部分頻點的二維偏離度都不大于0.3，只有2線中段（15～35km）、3線東段（35～80km）部分低頻點二維偏離度超過0.3，總體來看，剖面電性結構可以用二維模型近似，對2、3線大地電磁數(shù)據(jù)進行二維反演可以近似反映地下一定測深范圍內的電性結構特征.

圖2 未經(jīng)遠參考處理（a，c）、遠參考處理后（b，d）視電阻率和相位曲線對比圖（紅色曲線為TE模式，綠色曲線為TM模式）Fig.2 The contrast diagram of apparent resistivity and phase curve（a，c）and processed by remote reference（b，d）（the red line is TE mode and the green line is TM mode）

圖3 2線（a）、3線（b）大地電磁測深點二維偏離度圖圖中橫軸表示測點位置，縱軸表示周期求對數(shù)，色棒顏色由藍至紅表示二維偏離度值由小到大（0～1）Fig.3 Two dimensional skewness of MT site along the survey line 2（Fig.a）and 3（Fig.b）

3.2 區(qū)域構造走向分析

傾子是分析構造走向的一個主要參數(shù)［16］，根據(jù)傾子走向可以判斷研究區(qū)構造的走向，圖4給出了2線所有測點3個頻率點的傾子走向方位圖，反映了不同測深的構造走向信息，圖中每條短線方位角表示每個測點傾子的方位角，也即構造走向方位角.由圖可知，三個頻率點的傾子走向基本呈現(xiàn)北西向的構造走向特征，2線基本垂直區(qū)域構造走向，二維反演可以近似反映區(qū)域電性結構特征.值得注意的是：圖4（a，b）傾子走向的規(guī)律性較差，表明寧蕪礦集區(qū)淺部構造較復雜，圖4c絕大部分測點傾子方向為北西向，表明礦集區(qū)深部構造主要為北西向.

4 反演與解釋

4.1 反演計算

二維反演前，為了保證判斷TE、TM曲線的準確性和所有測得資料旋轉方向相同，將阻抗張量旋轉到垂直測線方向.反演采用非線性共軛梯度（NLCG）反演方法［17］，運用 TE、TM、TE＋TM 模式反復反演計算，初始模型是帶地形的二維反演模型，以使反演模型盡量與實測地表環(huán)境一致，背景電阻率為100Ωm的均勻半空間，光滑因子為10，經(jīng)過100次迭代后，擬合差小于3%.根據(jù)區(qū)域地質資料，對三種極化模式反演計算得到的反演模型進行對比、分析，認為TM模式反演得到的電性結構模型對地下結構分辨率高，且電性結構相對更為合理.確定了兩條剖面的電性結構模型，即TM模式反演計算得到的電性結構模型［18－19］.

4.2 區(qū)域巖石電性特征

巖石物性參數(shù)是地球物理解釋的基礎，為了對剖面電性結構更準確的解譯，搜集了研究區(qū)電性參數(shù)信息，如表1所示.從表中可以看出，巖石電阻率存在較大差異，同一類巖石電阻率變化范圍也較大，另外，隨深度的增加，巖石電阻率會有所增加，但不同巖石間的電阻率相對高低不會發(fā)生太大變化.從標本測定電阻率來看，巖石電阻率由大至小依次為：千枚巖、變粒巖、灰?guī)r、侵入巖、火山巖、砂巖、砂礫巖、泥巖.通過區(qū)域電性資料，結合地質資料，可以根據(jù)大地電磁剖面的電性結構，揭示一定測深范圍內的地層及構造特征.

圖4 2線3個頻點的傾子走向圖（a）10Hz；（b）0.1Hz；（c）0.001Hz.Fig.4 The tipper strike of three frequency point（10Hz，0.1Hz and 0.001Hz）at line 2

4.3 上地殼導電性結構

圖5和圖6是寧蕪礦集區(qū)2線和3線大地電磁數(shù)據(jù)應用非線性共軛梯度算法（NLCG）進行二維反演得到的電阻率斷面圖.剖面揭示了地表至10km深處的地下電性結構特征.通常情況下，電性梯度帶、錯斷帶及畸變帶常指示斷裂等地質構造的存在.3線剖面自西向東穿過滁河斷裂、長江斷裂帶等大型斷裂構造帶，剖面上的電性梯度帶和地質構造帶吻合較好，2線與3線交界處電性結構相似，如圖7所示，說明反演模型較好的反映了剖面深部結構.

4.3.1 姑山—江寧區(qū)剖面（2線）

剖面電性結構相對簡單，具有橫向分塊的電性特征，高低阻體之間呈漸變過渡，從南到北，整體上呈現(xiàn)低—高—低的結構特點.剖面南端姑山附近有一傾向南，向上延伸至淺部的低阻帶，電阻率值在10Ωm左右；剖面中部小丹陽附近存在略向南傾的高阻體，頂面埋深2000m，由淺至深，電阻率值逐漸增大，至深部最大，超過104Ωm，與姑山附近的低阻區(qū)域呈漸變過渡.剖面北端鶯山附近存在大片低阻區(qū)域，電阻率值小于10Ωm，低阻區(qū)域淺部被局部高阻體分割，在深部連通，近于直立，相比較于姑山附近的低阻區(qū)域，鶯山附近的低阻區(qū)域具有分布范圍廣，在淺部（5000m）被局部高阻體分隔的特點.

在反演斷面圖上，電阻率等值線的分布特征表明，剖面上不具有層狀的電性結構特征.南北兩端上地殼存在兩個高導體，發(fā)育深度大，向上延伸至淺部，中部發(fā)育巨型高阻體，高低阻體之間呈漸變過渡關系.

4.3.2 巢湖—當涂剖面（3線）

從圖6中的電阻率等值線斷面圖可以看出，在巢湖—當涂剖面上，西段巢湖附近和中段長江附近存在兩組電性梯度帶，發(fā)育深度大，近于直立.剖面西段呈現(xiàn)高阻的電性特征，電阻率值超過104Ωm；剖面中部含山縣附近，存在一呈“W”型的相對低阻區(qū)域，電阻率值在100Ωm左右，中間夾高阻體電阻率值達104Ωm，有幾個局部高導體鑲嵌在低阻區(qū)域中，電阻率值不大于10Ωm.剖面東段，深部存在高導體，發(fā)育深度大，向上延伸至3000m，傾向偏西，電阻率值小于10Ωm.

整體來看，巢湖—當涂剖面電性結構相對復雜，上地殼具有橫向分塊的電性特征，與姑山—江寧區(qū)剖面不同，在巢湖—當涂剖面位置，上地殼存在兩組電性梯度帶，傾向略偏東，向下延伸超過10km，剖面東段的高導體與姑山—江寧區(qū)剖面南段的高導體應是同一電性異常體在兩條剖面上的反映.

表1 研究區(qū)巖石電性參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 The statistical table of electric parameters of rock in study area

圖5 2號測線大地電磁二維反演模型Fig.5 Resisivity model from 2Dinversion of line 2

圖6 3號測線大地電磁二維反演模型Fig.6 Resisivity model from 2Dinversion of line 3

圖7 寧蕪礦集區(qū)及其西緣大地電磁測深數(shù)據(jù)二維反演模型三維效果圖Fig.7 Three dimensional diagram obtained by constructing 2Dinvention model of magnetotelluric sounding data in Ning-Wu ore district and its western marginal area

4.4 反演模型與重力多尺度邊緣檢測對比分析

Hornby首先提出了多尺度邊緣檢測的概念，由于檢測結果形態(tài)類似蜿蜒爬行的蠕蟲，又稱WORMS法，其原理是由一系列上延到不同高度的重磁數(shù)據(jù)的水平極大值點組成，數(shù)據(jù)處理過程約束了位場梯度的位置和強度，按照不同的延拓高度，將檢測點按一定的邏輯規(guī)則連接成線，即為WORMS線［20］.WORMS線反映了具有密度或者磁性差異的地質體的邊界，如斷裂構造和各類接觸面.線束的密集程度與邊界構造的切割深度成正比，線束稀疏表示切割發(fā)育深度淺，反之表示切割深度大；線束組合越寬表示構造傾向越緩，反之表示該邊界構造發(fā)育產(chǎn)狀較陡［21］.圖8是重力多尺度邊緣檢測結果與2線大地電磁反演斷面的立體集成圖.對比分析發(fā)現(xiàn)：紅色帶狀密集約束線表明深部存在產(chǎn)狀較陡的深斷裂，顯示斷裂的位置與大地電磁反演模型的南北兩端的兩個高導體位置基本一致，認為高導體的形成與深斷裂有關.

圖8 重力多尺度邊緣檢測與2線MT反演模型立體集成圖線顏色從藍色到紅色表示延拓高度200m至50km的檢測結果.Fig.8 Perspective map of gravity WORMS and line 2inversion modelThat the color of line blue to red represents detection results of continuation hight from 200mto 50km

圖9 重力多尺度邊緣檢測與3線MT反演模型立體集成圖Fig.9 Perspective map of gravity WORMS and line 3inversion model

圖9是重力多尺度邊緣檢測與3線大地電磁反演模型的立體集成圖，從圖中可以看出，線束與長江斷裂等構造界限對應，3線中段含山附近的‘W’型低阻區(qū)與綠色密集約束線位置一致，指示含山附近存在斷裂構造的可能性很大，從約束線的顏色藍色來看，斷裂發(fā)育深度不及2線剖面南段和北段的斷裂發(fā)育深度大.此外，根據(jù)檢測線的密集程度與斷裂產(chǎn)狀的相關性，認為中段含山附近的檢測線密集，斷裂面較陡；東段邊緣檢測線較疏，指示斷裂面較緩.

5 認識與討論

通過在寧蕪礦集區(qū)及其西緣的大地電磁測深剖面的二維電性結構，結合重力多尺度邊緣檢測結果及前人研究成果，獲得如下幾點認識：

（1）寧蕪礦集區(qū)及其西緣上地殼電性結構具有不連續(xù)、分塊的特點，發(fā)育大規(guī)模、不連續(xù)、產(chǎn)狀各異的高阻體，電阻率值最高達104Ωm，局部高導體電阻率值小于10Ωm.

（2）從姑山—江寧區(qū)（2線）電性結構來看，寧蕪礦集區(qū)深部電性結構呈低—高—低的電性特征，礦集區(qū)南部姑山附近存在略向南傾的高導體向下延伸且逐漸增大，推測是燕山期巖漿上涌侵位的通道，姑山礦田形成可能與該通道有關.礦集區(qū)北部梅山礦田的形成的高導體的成因似與南部高導體相同.

剖面中部的巨型高阻體是大型巖基，推測為花崗質巖性，這一認識與已知的寧蕪礦集區(qū)花崗質巖主要產(chǎn)于中段、出露零星，多成小巖體產(chǎn)出，在深部連成一片，南北兩端向深部傾沒的地質資料相符.

（3）從巢湖—當涂剖面（3線）電性結構來看，巢湖東側的電性畸變帶與滁河斷裂吻合，滁河斷裂附近的高阻體是肥東群超高壓變質巖的電性反映，長江附近的電性梯度帶對應長江斷裂帶，斷裂帶西側的高阻體可能是超高壓變質巖體的電性反映.

從電性結構和邊緣檢測線反映的密度體產(chǎn)狀較陡的信息來看，含山附近呈“W”型的低阻體可能是揚子板塊向華北板塊俯沖后快速折返的電性證據(jù).

整體來看，剖面從電性結構上反映了區(qū)域的推覆構造特征，這可能與造山過程中的揚子板塊向華北板塊俯沖的強擠壓變形環(huán)境有關.

（4）寧蕪礦集區(qū)深部構造呈北西向，認為是揚子板塊早期呈北東向向華北板塊俯沖形成的，后期受郯廬斷裂走滑剪切改造，淺部具有北東向的構造特征.

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