CSAMT在鄂東南某地區(qū)斑巖型銅礦勘查中的應(yīng)用研究

張 笑，郭寧寧，徐玳笠，張小波，劉俊安，李賢軍

（1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院湖北省地質(zhì)勘查技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074；2.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430034）

1 引言

鄂東南礦集區(qū)是長江中下游成礦帶七大礦集區(qū)之一，位于揚子地塊與大別造山帶之間，具有斷隆區(qū)和斷凹區(qū)的過渡性質(zhì)［1］。半個世紀以來，我國在鄂東南地區(qū)開展了大量的鐵、銅、金等金屬礦產(chǎn)的勘探工作，已探明銅山口、銅綠山、雞冠咀等多個大型銅金礦床，主要礦床類型為斑巖型和矽卡巖型［2］。其中，銅山口銅（鉬）礦床是一個大型的矽卡巖—斑巖型復(fù)合型礦床，成礦作用與銅山口花崗閃長斑巖和三疊系大冶組、嘉陵江組碳酸鹽巖有關(guān)，斑巖體內(nèi)部以典型的斑巖型礦化為特征，在斑巖體與碳酸鹽巖的接觸帶則出現(xiàn)典型的矽卡巖型礦化［3］。銅山口巖體周圍存在較多的中酸性小巖體［4］，這些小巖體是否與銅山口巖體一樣能夠成礦是當前的研究方向之一。研究區(qū)位于銅山口礦床外圍，出露多處小巖體和巖脈，其中饒家山小巖體（Ⅳ號）巖性為石英閃長斑巖，圍巖為志留系砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、細砂巖為主的碎屑巖；地表探槽內(nèi)見銅礦化體，Cu品位為0.24%。通過前期工作研究，Ⅳ號小巖體為區(qū)內(nèi)成礦有利巖體，深部具備發(fā)現(xiàn)斑巖型銅礦床的潛力。在后續(xù)對Ⅳ號小巖體深部的規(guī)模和走向控制時，僅依靠地表探槽直接開展鉆探工程依據(jù)不足，具有較大的風(fēng)險；為減少勘探風(fēng)險，需要在前期進行地球物理勘探，對斑巖體及異常的圈定和鉆孔的布設(shè)提供有效的依據(jù)。

地球物理勘探方法作為礦產(chǎn)勘查的重要手段，在鄂東南地區(qū)找礦進程中一直發(fā)揮著重要的作用［5，6］，如可控源音頻大地電磁法、激發(fā)極化法等。其中，可控源音頻大地電磁法（Controlled Source Audio Magnetotelluric，CSAMT）作為在大地電磁法和音頻大地電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種可控源頻率測深方法，具有勘探深度范圍大、分辨能力強、觀測效率高的優(yōu)勢，兼有測深和剖面研究的雙重特點，是研究深部地質(zhì)構(gòu)造和尋找隱伏礦的有效手段［7－11］。近年來，CSAMT在鄂東南地區(qū)斑巖型、矽卡巖型銅金礦床勘查中發(fā)揮著重要的作用［12，13］，尤其是在銅山口礦床深部找礦研究中，建立了該地區(qū)物探找礦模式，對尋找與中酸性侵入巖有關(guān)的斑巖型和矽卡巖型銅、鐵、鉬等類型的礦床具有一定的指導(dǎo)意義［12］。通過前期工作，研究區(qū)具有和銅山口礦床相似的成礦條件，依據(jù)CSAMT在銅山口礦床深部找礦中良好的應(yīng)用效果，本次研究選取CSAMT作為區(qū)內(nèi)斑巖型銅礦勘查物探方法，刻畫了Ⅳ號小巖體的規(guī)模和深部走向，為斑巖體及異常的圈定和鉆孔的布設(shè)提供了有效的依據(jù)。

2 研究區(qū)地質(zhì)與礦床特征

2.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂東南地區(qū)南西部的殷祖巖體與靈鄉(xiāng)巖體之間。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動頻繁，礦產(chǎn)豐富，為鄂東南地區(qū)尋找銅鐵礦的有利地段［2，13］。

區(qū)域內(nèi)出露從志留系－石炭系地層（圖1），總體上呈近東西向展布。其中：志留系—泥盆系是區(qū)內(nèi)出露最老地層，為一套以粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、細砂巖為主的碎屑巖；石炭系地層以灰?guī)r、白云巖為主，少量碎屑巖，分布于志留系地層北側(cè)。志留系地層出露最廣，主要分布于研究區(qū)域南部，組成背斜核部；泥盆系和石炭系地層處于區(qū)域北部，組成皺褶構(gòu)造的翼部。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖及施工布置Fig.1 Geological map and layout of survey plan in the study area

區(qū)域位于殷祖復(fù)式背斜北翼，構(gòu)造活動劇烈，多期構(gòu)造疊加復(fù)合，巖漿沿著各構(gòu)造體系聯(lián)合、復(fù)合的復(fù)雜部位侵溢，變質(zhì)作用、成礦作用強烈，構(gòu)造形跡主要呈北東－北北東向展布。

區(qū)內(nèi)巖漿出露點十余處，其中小巖體3處，其它均為巖脈。其中，饒家山小巖體（Ⅳ號）為見礦巖體，人工露頭沿公路近東西向展布，長65余米，可見寬度5～20m。巖性主要為石英閃長斑巖，局部為石英閃長巖。

區(qū)內(nèi)北東角（殷祖巖體外圍）發(fā)生熱接觸變質(zhì)作用，形成的變質(zhì)巖主要有大理巖、白云質(zhì)大理巖及（云母）角巖，分別由灰?guī)r、白云巖及碎屑巖變質(zhì)而成。

2.2 礦床特征

研究區(qū)銅礦主要產(chǎn)于饒家山小巖體（Ⅳ號），為斑巖型銅礦。斑巖體地表僅見人工露頭，沿133°方向地表長56m，總體形態(tài)不明。組成巖體的巖石為石英閃長斑巖，斑晶發(fā)育；巖體內(nèi)含較多捕虜體。區(qū)內(nèi)熱液蝕變有硅化、碳酸鹽化、綠泥石化、高嶺石化、矽卡巖化等。

區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)銅礦體2個，礦化體7處，主要由鉆孔ZK02控制（圖2）。礦體賦存于石英閃長斑巖體中的硅化破碎帶及沿C／S不整合面發(fā)育的層間破碎部位。礦體厚度及品位由地表向深部有變薄變低的趨勢，地表厚度2.45～5.23m，Cu品位0.2%～0.93%；鉆孔中厚度4.49m，Cu品位0.2%～1.59%。

圖2 ZK02鉆孔銅礦巖芯照片F(xiàn)ig.2 Photos of the core of copper mine in ZK02

礦石為含銅黃鐵化碳酸鹽化云母角巖、含銅黃鐵礦化云母石英巖及含銅黃鐵礦石。礦石中金屬礦物主要為黃鐵礦、黃銅礦，其次有磁黃鐵礦等。礦石構(gòu)造有浸染狀構(gòu)造和致密塊狀構(gòu)造。

3 研究區(qū)物性特征

通過收集統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)及鄰區(qū)巖石物性資料，區(qū)內(nèi)巖礦石的物性見表1。

表1 研究區(qū)巖礦石物性Table 1 The list of physical properties of the rock and ore in the study area

由表1可知：

1）研究區(qū)巖礦石電阻率變化范圍較大，其中碳酸鹽巖類電阻率值最大；侵入巖類、礦石類電阻率較低。

2）沉積巖灰?guī)r、白云巖、石英砂巖為高電阻率特征，炭質(zhì)灰?guī)r、頁巖、粉砂巖等呈低電阻率特征；巖漿巖普遍具中低電阻率；變質(zhì)巖中的大理巖具高阻特征；矽卡巖具低阻特征。

3）砂頁巖電阻率較低，當變質(zhì)為角巖后電阻率明顯增大；火成巖一般表現(xiàn)為中阻，火成巖間電阻率差異不大；古生界沉積地層電阻率最高，但當受構(gòu)造作用破碎后，電阻率明顯降低；致密塊狀硫化礦石電阻率最低，呈低阻反映；斷裂破碎帶內(nèi)由于破碎、礦化等原因呈低阻反應(yīng)。

研究區(qū)主要為志留系墳頭組砂巖分布區(qū)，石炭、泥盆出露較少。目標地質(zhì)體為Ⅳ號石英閃長斑巖體，目標地質(zhì)體的物性模型應(yīng)為中－低阻特征。該區(qū)對于地質(zhì)—地球物理模型識別小巖體是有效的。

4 方法技術(shù)

4.1 方法簡介

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是在大地電磁法（Magnetotelluric Method，MT）和音頻大地電磁法（Audio－frequency Magnetotelluric Method，AMT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率域測深方法，是20世紀70～80年代國際上新發(fā)展起來的一種電法勘探方法［14－16］。我國在20世紀90年代末相繼引進美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP－12和GDP－16多功能電法儀，此時，CSAMT在我國才得以引入和研究應(yīng)用。由于探測深度大、抗干擾能力強、分辨率高，近年來CSAMT已被廣泛地應(yīng)用于金屬礦、石油、天然氣、地?zé)帷⑺目辈榧肮こ?、地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域［17－21］。

CSAMT具有工作效率高、勘探深度大、垂向分辨率高、水平方向分辨能力強、地形影響小及高阻的屏蔽作用小的技術(shù)特點［17－23］。CSAMT就測量方式主要分為張量、矢量和標量3種；就其場源方式又可分為電偶極源和磁偶極源2種。目前，國內(nèi)外通常采用的測量方式一般為電偶極源標量CSAMT測量方式［5］。標量測量裝置如圖3所示［5］。

圖3 CSAMT標量測量示意圖Fig.3 CSAMT scalar measurement diagram

卡尼亞電阻率計算公式為［5，6］

其中：ρ為介質(zhì)的電阻率，單位為Ω·m；f為頻率，單位為Hz；Ex為x方向的電場，單位為V／m；Hy為y方向的磁場，單位為T。

有效穿透深度范圍可估算為［15］

其中：D為有效穿透深度或探測深度，單位為m。

電磁波的有效穿透深度D（或探測深度）與頻率f成反比，即高頻時，探測深度淺；低頻時，探測深度深。因此，可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，達到頻率測深的目的［15］。

4.2 野外工作方法

研究區(qū)域共布置CSAMT剖面6條（圖1），總計4.0km，78個點，點距40m；目的是對Ⅳ號巖體深部進行了解，查明Ⅳ號巖體的規(guī)模、產(chǎn)狀及空間賦存狀態(tài)，對巖體內(nèi)銅礦進行識別。

本次野外工作采用V8系統(tǒng)，設(shè)置頻率為0.125～9600Hz共58個頻點，單頻點的觀測時間為60s，單個排列測深的時間為60min。避開了高壓線、地下輸油管道等干擾物，且在地層相對均一位置布設(shè)電偶極源。根據(jù)實地工作情況，決定工區(qū)發(fā)射的偶極距長度為1.05km，在滿足信號強度前提下有效地避免了近場效應(yīng)。供電電流控制在16～24A，采用大電流提高信噪比，以壓制干擾。同時，電偶極源與接收之間合理避開大型河流及人文干擾較嚴重的城區(qū)。

5 CSAMT測量結(jié)果及解釋

在后期工作中只有鉆孔ZK02見礦，因此本文主要介紹剖面0線和1線測量結(jié)果。

5.1 0線測量結(jié)果及解釋

圖4為0線綜合剖面解釋推斷圖。由圖4可知，0線剖面視電阻率范圍為200～10000Ω·m。低阻區(qū)域視電阻率在600Ω·m以內(nèi)，低阻區(qū)域推測為斷裂破碎角巖或熱液蝕變砂巖等導(dǎo)致；點號1050～1300段標高300m至負100m高阻區(qū)域及點號1450～1500段，推測為砂巖熱變質(zhì)的角巖。

圖4 0線綜合剖面解釋推斷Fig.4 The comprehensive profile interpretation inference diagram of line 0

經(jīng)ZK01、ZK02和ZK03三個鉆孔驗證：低阻帶縱向分布段主要由構(gòu)造破碎引起，淺部橫向分布段由角巖及穿插其中石英閃長斑巖體或脈共同引起，其中Ⅵ號巖體下邊界處與低阻帶邊界較吻合。下部中低阻部位的異常與棲霞組地層含炭質(zhì)有關(guān)。

5.2 1線測量結(jié)果及解釋

圖5為1線綜合剖面解釋推斷圖。由圖5可知，1線剖面視電阻率范圍為200～10000Ω·m，高低阻界限明顯。其中，1100點以西小號段、1220～1320點號段向東陡傾的低阻帶構(gòu)造破碎帶；標高300m附近水平展布的低阻帶可能為構(gòu)造破碎帶；高阻異常為志留系碎屑巖角巖化引起，強度不同電阻率變化較大，其中在兩破碎帶之間高阻下部的低阻部分可能為志留系未角巖化的砂頁的反映。

圖5 1線綜合剖面解釋推斷Fig.5 The comprehensive profile interpretation inference diagram of line 1

經(jīng)ZK11和ZK12兩孔驗證：可控源標高300m附近的低阻帶為構(gòu)造破碎帶，ZK11孔內(nèi)僅見薄石英閃長斑巖脈，破碎帶內(nèi)黃鐵礦化發(fā)育；ZK12孔穿過的可控源高阻帶為角巖、其下部低阻部位在0m標高以下（原推測砂頁巖部位）見黃龍組大理巖和棲霞組含炭質(zhì)大理巖。

6 結(jié)論

本次研究通過CSAMT在鄂東南某地區(qū)斑巖型銅礦勘查中應(yīng)用成果研究，可以得出如下結(jié)論：

1）礦區(qū)含礦巖體為石英閃長斑巖，表現(xiàn)為中—低阻；周邊地層為志留系碎屑巖，表現(xiàn)為低阻；斑巖體視電阻率異常特征較為明顯。本次研究采用CSATM法，有效查明了研究區(qū)Ⅳ號石英閃長斑巖小巖體的邊界及產(chǎn)狀、巖體同地層接觸關(guān)系、隱伏構(gòu)造位置等地質(zhì)問題，刻畫了深部小巖體的形態(tài)、展布及礦化情況。通過反演結(jié)果推測Ⅳ號巖體是一直徑為50～70m，沿355°方向陡傾（75°左右）的筒狀巖株體。依據(jù)CSAMT解譯成果施工多個鉆孔，驗證了石英閃長斑巖小巖體的展布特征，在ZK02深部發(fā)現(xiàn)2處銅礦體和1處礦化體。

2）實踐證明，CSAMT法是揭露地下深部地質(zhì)情況的一種有效手段，對小型斑巖巖體邊界具備較好的分辨能力，能夠非常準確地找到礦產(chǎn)資源所在的具體位置，能清晰反應(yīng)控礦、容礦構(gòu)造，可起到間接找礦的作用，對斑巖型銅礦的識別具有較好的指示意義。

3）依據(jù)CSAMT反演結(jié)果判斷斑巖體是否含礦或含礦品位的高低，除了需要了解區(qū)域成礦條件外，還需要有其他地球物理方法進行綜合地質(zhì)—地球物理解釋，如激發(fā)極化法，聯(lián)合已有信息，能夠?qū)碧絽^(qū)域的異常情況進行更加全面的解釋，以此來提高找礦工作的效率。