多種物探方法在西林金成礦帶深部探測效果分析

宋林君　唐德龍　丁正江　尹召凱　張亮亮　李瑞波

摘要：為了篩選出適用于膠東金礦集中區(qū)深部探測的地球物理方法，同時也為查明西林金成礦帶深部構(gòu)造位置、產(chǎn)狀及與地質(zhì)體的關(guān)系，總結(jié)地球物理找礦標志，構(gòu)建深部地質(zhì)地球物理找礦模型，在西林金成礦帶開展了AMT、CSAMT和WFEM 3種典型電磁法試驗。采用理論分析、實測對比和鉆孔驗證的方式，重點圍繞抗干擾性、探測深度、分辨率及準確度4方面對比分析這3種電磁法的探測效果。試驗結(jié)果表明，WFEM在抗干擾性、探測深度、分辨率和準確度上均優(yōu)于其他2種方法，能準確限定測線經(jīng)過區(qū)地質(zhì)體產(chǎn)出規(guī)模、深度，能有效約束西林斷裂帶發(fā)育位置、深部變化及與巖體關(guān)系。

關(guān)鍵詞：廣域電磁法；可控源音頻大地電磁法；音頻大地電磁法；對比分析；深部探測；西林斷裂帶

中圖分類號：TD15 P631文獻標志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）07-0023-06doi：10.11792/hj20230704

引 言

西林斷裂帶是膠東金礦集中區(qū)內(nèi)一條重要的礦化蝕變帶，其形成和活動時間與中生代金成礦時代相近［1］，具有良好的成礦地質(zhì)背景和控礦、賦礦條件。西林斷裂帶周邊小型金礦床的分布顯示，該區(qū)域具有發(fā)現(xiàn)大型金礦床的潛力，但相比膠西北其他3條主要控礦斷裂帶，西林斷裂帶研究程度相對較低，勘查深度相對較淺，導(dǎo)致深部找礦突破不大。試驗區(qū)成礦特征較為特殊，加之交通、電力、通信網(wǎng)絡(luò)、建筑設(shè)施等各類人文電磁干擾較為復(fù)雜，近年來，采用過多種物探方法開展工作，但勘探效果不理想，深部找礦少有突破。例如，傳統(tǒng)激電方法抗干擾能力強且對金屬礦化反映靈敏，但受感應(yīng)耦合影響［2］，探測深度到500 m已是極限，滿足不了深部探測需求；地震勘探，在巖漿巖地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和礦脈分布導(dǎo)致地震反射波較弱，信噪比較低，對異常體的邊界難以分辨，且?guī)r漿巖地區(qū)地形復(fù)雜導(dǎo)致施工成本過高［3］；大地電磁法探測深度大，但天然場源因具有隨機性和信號微弱的特點而易受干擾，使得大地電磁法的精度和效率都很低［4］；廣域電磁法（Wide Field Electronmagneti Method，WFEM）摒棄了傳統(tǒng)的平面波理論，利用曲面波電磁勘探理論，使用人工偽隨機信號源［5］，可以在“非遠區(qū)”進行測量［6］，在抗干擾性、探測深度、分辨率、準確度及勘探效率方面均具有一定的優(yōu)勢，正成為新的研究熱點［6-7］。為了驗證WFEM在西林金成礦帶深部探測的適用性，同時查明深部構(gòu)造位置、產(chǎn)狀及與地質(zhì)體關(guān)系，在西林金成礦帶開展了音頻大地電磁法（Audio-frequency Magnetotelluric，AMT）、可控源音頻大地電磁法（Controllable Source Audio-frequency Magnetotelluric，CSAMT）和WFEM 3種典型電磁法試驗，對其抗干擾性、探測深度、分辨率、準確度進行深入對比，總結(jié)規(guī)律，為西林金成礦帶深部探測提供支撐。

1 基本原理

1.1 求解AMT/CSAMT卡尼亞視電阻率

由式（3）可知，首先卡尼亞視電阻率采用忽略電場（式（1））和磁場（式（2））中高次項的方式，對公式近似簡化，導(dǎo)致公式只適用于遠區(qū)，探測范圍受限。其次，求解卡尼亞視電阻率需同時采集電場和磁場數(shù)據(jù)，這就意味著實際測量中會受到來自電場和磁場的影響，且電場和磁場的影響呈平方倍放大。

1.2 求解WFEM視電阻率

由均勻大地表面上的水平電流源激發(fā)出的電場表達式如下：

式中：I為發(fā)射電流（A）；L為場源尺寸（m）；φ為方位角（°）；k為波數(shù)；σ為介質(zhì)電導(dǎo)率（S/m）。

以E-Ex方式進行測量，得到的WFEM視電阻率（ρ）計算公式為［10］：

式中：ΔVMN為觀測電位差（V）；KE-Ex為只與觀測裝置幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)；fE-Ex（ikr）為收發(fā)距、地下電阻率和發(fā)射電流頻率組成的復(fù)函數(shù)。

分析式（4）、式（5）可知，首先，WFEM視電阻率的求解對公式不作簡化，計算的是視電阻率嚴格解，其在測量范圍內(nèi)任何位置都成立，也就是說其觀測范圍不再局限于遠區(qū)，能夠在較廣的區(qū)域內(nèi)觀測，增大了觀測范圍，提高了探測深度；其次，WFEM視電阻率的求解只需要測量電場，只受電場影響且影響程度更小，抗干擾能力更強。

2 試驗區(qū)概況

2.1 地質(zhì)特征

試驗區(qū)位于膠東金礦集中區(qū)，棲霞臧家莊盆地北緣，西林金成礦帶上［11］。西林斷裂帶為實驗區(qū)內(nèi)規(guī)模較大且與金礦化關(guān)系密切的構(gòu)造，可見長度35 km，寬300～500 m，總體走向近東西，傾角25°～40°。西林斷裂帶上盤是中生代萊陽群和青山群，下盤為古元古代荊山群及中生代郭家?guī)X序列。實驗區(qū)內(nèi)出露地層從老到新依次為新太古代馬連莊和棲霞序列、古元古代荊山群、中生代萊陽群和青山群以及第四系（見圖1）［12］。荊山群不整合—韌性剪切覆蓋于新太古代侵入巖之上［13］；萊陽群呈超覆不整合于荊山群之上，青山群直接不整合于萊陽群之上；第四系分布在溝谷低洼處，以洪沖積、殘坡積為主。試驗區(qū)內(nèi)巖漿巖主要有新太古代馬連莊序列變輝長巖、棲霞序列英云閃長質(zhì)片麻巖［14］，中生代郭家?guī)X序列花崗閃長巖及新生代侵入巖［15］。此外，試驗區(qū)分布閃長玢巖、煌斑巖、花崗閃長斑巖、英安斑巖等多種巖脈［16］。

2.2 地球物理特征

試驗區(qū)巖石電性參數(shù)見表1。由表1可知：試驗區(qū)內(nèi)巖石依據(jù)視電阻率大體可劃分成高阻、中阻和低阻 3類。其中，低阻巖性主要有斜長角閃巖、黑云片巖及第四系黏土等，視電阻率波動較小，平均值小于600 Ω·m；中阻巖性主要有絹英巖化碎裂巖、黑云斜長片麻巖、英云閃長質(zhì)片麻巖等，平均視電阻率在700～850 Ω·m；高阻巖性主要有英安斑巖、閃長玢巖、花崗閃長巖等，平均視電阻率在2 000 Ω·m以上，視電阻率最高可達8 200 Ω·m，因其巖性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的不均勻性，致使視電阻率變化較大［17］；另外，當(dāng)巖石破碎后，經(jīng)過蝕變或充水，視電阻率會顯著低于原巖，在視電阻率曲線上呈現(xiàn)低阻；而當(dāng)巖石破碎，裂隙被石英脈充填后，其視電阻率會顯著高于原巖；如果斷裂破碎帶中硅化較發(fā)育，反映在視電阻率曲線上會呈現(xiàn)低阻帶中夾著局部高阻的特征［18-20］。

3 試驗剖面與試驗參數(shù)選擇

本次試驗采用WFEM、CSAMT和AMT 3種方法對同一剖面進行探測，點號一一對應(yīng)。WFEM使用繼善高科JSGY-2廣域電磁系統(tǒng)，點距100 m，點號500～4 300號點，頻率0.011 7～8 192 Hz，點數(shù)40個，收發(fā)距為10 km；CSAMT使用加拿大鳳凰公司V8系統(tǒng)，點距50 m，點號1 200～4 200號點，頻率1～9 600 Hz，點數(shù)41個，收發(fā)距為10 km；AMT同樣采用V8系統(tǒng)，點距100 m，點號1 000～4 200號點，頻率0.35～10 400 Hz，點數(shù)60個。

4 實測對比

4.1 WFEM人工場與天然場信號強度對比

WFEM人工場與天然場信號強度對比結(jié)果見圖2。由圖2可知：在高頻段，雖然高頻電磁波在傳播過程中能量衰減大，但其信號強度仍能達到天然場信號強度的3～9倍，說明在信號干擾強烈的高頻段也能起到較好的壓制作用；隨著頻率降低，人工場信號強度越來越高，對天然場的壓制作用也越來越強，在低頻段可達到天然場信號強度的上百倍。由此可以說明WFEM信號強度高，可以有效壓制干擾，適用于電磁、人文干擾較強的地區(qū)。

4.2 單點曲線對比

2 600號、4 000號點CSAMT、WFEM、AMT單點曲線對比結(jié)果見圖3。由圖3可知：CSAMT單點曲線在高頻段部分頻點出現(xiàn)畸變，說明受到高頻尖峰信號干擾，且在100 Hz左右就已經(jīng)進入了過渡區(qū)，隨后呈45°角上升，反映了CSAMT的中、低頻段在場源效應(yīng)的影響下，過早進入了過渡區(qū)和近區(qū)，說明探測深度有限。相比較，WFEM單點曲線整體更為平滑，無明顯畸變點，曲線變化規(guī)律更符合實際地質(zhì)情況，在高頻段對高頻尖峰信號干擾的壓制效果優(yōu)于CSAMT，且在低頻段不存在近場效應(yīng)，同樣是10 km收發(fā)距，WFEM的探測深度遠大于CSAMT。

AMT單點曲線整體畸變點較多，頻點較為離散，即使在低頻段同樣會受到干擾，反映出AMT天然場源信號弱對電磁干擾較敏感的特點。另外，AMT不存在場源效應(yīng)問題，理論探測深度要大于CSAMT，與WFEM相比AMT的頻率為0.1～10 000 Hz，WFEM頻率為0.011 7～8 192 Hz，由此可見，理論上WFEM的探測深度要大于AMT。

4.3 反演效果對比

WFEM、CSAMT和AMT 3種方法反演效果對比結(jié)果見圖4。由圖4可知：這3種方法反演結(jié)果圖形較為相似，對各地質(zhì)構(gòu)造單元、斷裂帶及巖性接觸面都有不同程度的反映。

CSAMT在2 000 m深度以下已經(jīng)難以正確反映地質(zhì)體電性特征（見圖4-a））；對1 600號點處的采空區(qū)形成的低阻異常反映明顯，但體積效應(yīng)較大；對于高、低阻電性分界面反映清晰，但對阻值差異相對較小的地質(zhì)體分辨能力較差；對斷裂帶形態(tài)的反映偏陡、偏深。

AMT對2 500 m深度以下地質(zhì)體的反映呈近似水平層狀（見圖4-b）），已經(jīng)達到探測深度極限；在淺部，能識別出1 600號點的采空區(qū)低阻異常及1 800～2 600號點、3 200～4 250號點處的中高阻薄層，但反映不明顯；在深部，受探測深度影響，對于3 400～4 250號點2 100 m深度以下低阻異常體的整體形態(tài)反映不全；對斷裂帶的形態(tài)分辨較差，電性分界面不明顯。

WFEM對于深度2 000～3 000 m地質(zhì)體電性異常識別效果良好，在3 000 m深度以下地質(zhì)體電性特征仍有所反映（見圖4-b））。在淺部，能準確分辨出1 600號點處的露天采空區(qū)充水形成的低阻異常，且體積效應(yīng)較小，對淺部1 800～4 200號點，低阻層中夾的中高阻薄層分辨較好；在深部，對于高阻體中包裹的中低阻體識別較好（1 400～2 400號點，深度1 200～2 200 m），對于低阻中裹挾的中高阻體識別較好（3 500～4 250號點，深度1 600～2 000 m），對于底部的低阻地質(zhì)體仍能有效分辨（3 000～4 250號點，2 100 m深度以下）；對斷裂帶形態(tài)特征的刻畫較精細，形態(tài)清晰，且斷裂帶上、下盤電性分界面較明顯。

對比這3種方法的反演結(jié)果可以看出，WFEM在探測深度上明顯大于CSAMT和AMT，對高阻地質(zhì)體、中高阻地質(zhì)體、中低阻地質(zhì)體及低阻地質(zhì)體的電性特征分辨均較好，對于斷裂帶形態(tài)刻畫更精細。

4.4 綜合推斷與鉆孔驗證

WFEM二維反演斷面與鉆孔驗證結(jié)果見圖5。由圖5可知，剖面大致可劃分為4個主要電性層，上部低阻層（視電阻率50～150 Ω·m）、中部中阻層（視電阻率200～300 Ω·m）、下部低阻層（視電阻率100～270 Ω·m）及左側(cè)高阻層（視電阻率500～1 700 Ω·m）。結(jié)合巖石物性資料和試驗區(qū)地質(zhì)資料分析，推斷上部低阻層為中生代沉積地層，鉆孔XLZK01于-9.1～-615.0 m標高揭露，其中包裹的帶狀中高阻異常體推斷為閃長玢巖，鉆孔XLZK01于-119.5～-183.1 m標高揭露；推斷下部低阻層為古元古代荊山群，鉆孔XLZK01于-1 226.3～-2 002.2 m標高揭露；推斷中部中阻層為英安斑巖侵入荊山群中形成，鉆孔于-1 704.5～-1 977.2 m標高揭露；推斷左側(cè)高阻層為中生代郭家?guī)X序列侵入巖，未經(jīng)鉆孔驗證，其中存在1處中低阻異常圈閉，推斷為新太古代馬連莊序列捕擄體，未經(jīng)鉆孔驗證。另外，在上部低阻層與中部中低阻層之間存在一條等值線較密集的電性分界面，傾角15°～40°，整體形態(tài)呈上陡下緩、波狀起伏的鏟式構(gòu)造，推斷為西林斷裂帶，該斷裂帶由淺至深沿古元古代荊山群邊緣展布，其上盤為中生代沉積地層，下盤為古元古代荊山群和中生代郭家?guī)X序列與已知地質(zhì)資料相符，鉆孔XLZK01于-687.3～-1 226.3 m標高揭露構(gòu)造蝕變帶。

5 結(jié) 論

1）WFEM視電阻率計算公式不作簡化適用于全區(qū)，擴展了觀測范圍，增大了探測深度，求解只需要測量電場，只受電場影響且影響程度更小，抗干擾能力更強；卡尼亞視電阻率計算公式采用忽略電場和磁場公式中高次項的方式，對公式近似簡化，導(dǎo)致公式只適用于遠區(qū)，探測范圍受限，求解需要同時測量電場和磁場，受到電場和磁場的同時干擾且電場和磁場的影響呈平方倍放大。

2）WFEM人工場信號強度遠高于天然場，可以有效壓制干擾，單點曲線平滑穩(wěn)定無明顯畸變點，在高頻段信號強度優(yōu)于CSAMT，在低頻段不存在近場效應(yīng)，具備更大的探測深度；CSAMT在高頻段信號較弱，易受干擾，在中低頻段受場源效應(yīng)影響過早進入了過渡區(qū)和近區(qū)，探測深度有限；AMT采集天然場源信號對電磁干擾較敏感，數(shù)據(jù)畸變點較多易受干擾，不存在場源效應(yīng)問題，探測深度要大于CSAMT，受音頻頻率范圍限制探測深度小于WFEM。

3）CSAMT有效探測深度在2 000 m以淺，對于高、低阻電性分界面反映清晰，但對電阻率差異相對較小的地質(zhì)體分辨能力較差，所反映的低阻異常的體積效應(yīng)明顯，對斷裂帶形態(tài)的反映偏陡、偏深；AMT探測深度達到2 500 m，能識別出低阻中的高阻薄層，但分辨率較低，對斷裂帶的形態(tài)分辨較差，電性分界面不明顯；WFEM揭示了3 000 m深度以淺各地質(zhì)構(gòu)造單元、斷裂蝕變帶及巖性接觸面空間分布特征，對于低阻、中低阻、中高阻及高阻體分辨率均較高，對于斷裂帶形態(tài)刻畫更精細，對構(gòu)造蝕變帶的深部變化趨勢和深部地層接觸關(guān)系分辨良好。

4）WFEM推斷成果與鉆孔揭露的地質(zhì)體、地層及構(gòu)造蝕變帶基本吻合，準確限定了試驗區(qū)附近地質(zhì)體產(chǎn)出規(guī)模、深度，確定了新太古代馬連莊序列和中生代郭家?guī)X序列侵入巖體與古元古代荊山群和中生代萊陽群沉積地層的深部關(guān)系，約束了西林斷裂帶發(fā)育位置、深部變化及與巖體關(guān)系，同時證實了該方法在西林金成礦帶深部探測的有效性，為膠東金礦集中區(qū)深部探測提供了切實可行的地球物理方法。

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Analysis of the effectiveness of multiple geophysical methods in the deep exploration of the Xilin gold metallogenic belt

Song Linjun1，2，3，Tang Delong1，2，3，Ding Zhengjiang1，2，3，Yin Zhaokai1，2，3，Zhang Liangliang1，2，3，Li Ruibo1，2，3

（1.No.6 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources;2.MNR Technology Innovation Center for Deep Gold Resources Exploration and Mining;3.Shandong Provincial Engineering Laboratory of Application and Development of Big Data for Deep Gold Exploration）

Abstract：In order to select suitable geophysical methods for deep exploration in the Jiaodong gold concentration area，and to determine the deep structural position，occurrence，and relationship with geological bodies of the Xilin gold metallogenic belt，this study summarized the geophysical exploration indicators and constructed a deep geological-geophysical exploration model.3 typical electromagnetic methods，including AMT，CSAMT，and WFEM，were conducted in the Xilin gold metallogenic belt.The detection results of the 3 electromagnetic methods were compared and analyzed in terms of anti-interference ability，detection depth，resolution，and accuracy through theoretical analysis，field measurements，and drilling verification.The experimental results showed that WFEM outperformed the other two methods in terms of anti-interference ability，detection depth，resolution，and accuracy.It can accurately determine the scale and depth of geological bodies along the measured lines，effectively constrain the development position and deep changes of the Xilin fault zone，as well as its relationship with the rock mass.

Keywords：wide-field electromagnetic method;controlled-source audio MT;audio-frequency MT;comparative analysis;deep exploration;Xilin fault zone

收稿日期：2023-04-11；? 修回日期：2023-05-03

基金項目：山東省財政地質(zhì)勘查項目（魯勘字〔2021〕29號）；山東省地礦局地質(zhì)勘查與科技創(chuàng)新項目（KY202105）；山東省地礦局科技攻關(guān)項目（KY202208，KY201916）；廣東省科技計劃項目（2020B1212060055）

作者簡介：宋林君（1989—），男，工程師，碩士，從事固體礦產(chǎn)地球物理勘查工作；E-mail：734012714@qq.com

*通信作者：唐德龍（1988—），男，工程師，從事固體礦產(chǎn)地球物理勘查工作；E-mail：455900288@qq.com