VLF-EM和EH4在浅覆盖区萤石矿床勘查中的应用——以林西水头萤石矿区为例

夏炳卫,曹华文,裴秋明,杨　冰,武宗林,许　腾,韩术合

(1.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京　100083;2.中国地质调查局 成都地质调查中心,成都　610081;3.赤峰市国土资源局,内蒙古 赤峰　024000)



VLF-EM和EH4在浅覆盖区萤石矿床勘查中的应用
——以林西水头萤石矿区为例

夏炳卫1,曹华文2,裴秋明1,杨冰1,武宗林1,许腾1,韩术合3

(1.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京100083;2.中国地质调查局 成都地质调查中心,成都610081;3.赤峰市国土资源局,内蒙古 赤峰024000)

摘要：为探究甚低频电磁法(VLF-EM)和EH4连续电导率成像系统(EH4)的组合运用对浅覆盖区萤石矿床的勘查效果,以内蒙古林西县水头萤石矿床为例,开展隐伏-半隐伏萤石矿体的定位预测工作。在野外地质勘查的基础上,通过对VLF-EM和EH4原始数据的处理和分析解译,并结合地质事实进行对比验证。结果表明:VLF-EM可以快速判定浅部(一般<60 m)低阻带展布特征和定位构造格局, EH4能够探明构造低阻带在深部空间(可达1 000 m左右)的延伸变化信息;两者的有效组合,一浅一深,可以做到相互检验和优势互补,结合地面地质调查和地球化学分析结果,能够有效地预测隐伏-半隐伏萤石矿体。

关键词：VLF-EM;EH4;萤石矿床;浅覆盖区;林西地区;内蒙古

萤石是中国重要的战略性非金属资源, 主要分布在中国东部的福建、 江西、 浙江等沿海地区, 但随着萤石的大量开采, 东南沿海地区等传统萤石工业园区的资源日益枯竭, 后备资源储量不足, 萤石矿床的找矿勘查重点开始转向中国北部。 内蒙古林西地区已探明的萤石矿床(矿化点)已逾70处, 如水头、 盘道沟、 俄力木台和马岱沟等中大型萤石矿床, 成为我国北方新兴的萤石矿床矿集区。

张寿庭等通过研究浙江省数百个典型萤石矿床, 总结了该类矿床的成矿地质特征和时空演化规律, 提出了萤石矿床的垂向分带模式[1]。 近年来, 通过在内蒙古林西县开展萤石资源潜力评价与找矿方法实验, 发现林西地区萤石矿床为严格受断裂控制的热液充填脉型矿床[2-4], 符合该垂向分带模式。 在此基础上,通过实际调查地表矿化蚀变信息, 配合物化探异常信息, 可以有效地进行隐伏萤石矿体的成矿预测与资源评价。 但林西地区萤石矿床的整体勘查程度不高, 矿床成矿规律研究有待深入, 隐伏-半隐伏萤石矿床的成矿预测仍处于探索阶段。 针对上述问题,本文研究VLF-EM和EH4的组合应用,探讨两者对隐伏-半隐伏萤石矿体定位预测效果,为林西萤石矿床的勘查方法探索和下一步探矿工作部署提供参考。

1地质背景

林西水头萤石矿区地理上位于内蒙古赤峰市的北部, 大地构造位置处于中亚造山带(CAOB)的东段, 位于索伦-林西缝合带[5]的两侧, 属于古亚洲洋成矿域与环太平洋成矿域的叠加区域。

林西地区出露的地层主要为二叠系和侏罗系(图1), 其中上二叠统林西组海相火山沉积碎屑岩夹碳酸盐岩是该区中大型萤石矿床的主要赋矿围岩,地层呈NNE向展布。该区部分中小型萤石矿床赋存在中生代斑状花岗岩和似斑状黑云母花岗岩中。研究区岩浆岩发育,花岗闪长斑岩、玢岩和石英脉体分布广泛; 喷出岩则以流纹岩和凝灰岩为主。矿床的围岩蚀变以硅化为主,其次为绢云母化、绿泥石化、黄铁矿化和高岭土化,蚀变矿物呈带状分布,蚀变带宽度从几厘米至数十米不等[6]。

图1　林西县水头萤石矿区地质简图(据文献[4]修改)Fig.1　Simplified geological map of the Shuitou fluorite deposit Q4—第四系;J3m—满克头鄂博组砂砾岩;P3l—林西组砂板岩;P1ds—大石寨组凝灰岩;P1ss—寿山沟组砂岩—燕山期花岗岩—印支期花岗岩—海西期花岗岩

林西经历了复杂的构造演化过程,板块间的拼贴结合和构造体制的转换作用,导致区域上发育火山盆地和多条深大断裂。这些深大断裂构成了本区网状的构造格局,并为燕山期流体的大规模成矿提供运移通道和成矿空间(图1)。矿区内萤石矿体以脉状、扁豆状和不规则透镜状充填于区域NE-NNE向主控矿断裂破碎带中,矿体走向与构造断裂带延伸方向趋于一致。此外,该区还可见近EW和NNW向构造断裂带。

2VLF-EM和EH4概述

林西水头萤石矿区受构造挤压,原岩破碎严重,其间充填大量的断层泥和裂隙水,矿化蚀变强烈,导致断裂带与两侧围岩的电阻率差异显著,呈现出明显的低阻特征[7-9],为VLF-EM和EH4勘查提供了应用前提。

甚低频电磁法(VLF-EM)是一种被动源电磁法,以15～25 kHz频率波段的无线电波为场源,无线电波(一次场)通过浅部地下良导体在电磁感应作用下会产生二次场,一次场与二次场的矢量叠加形成椭圆极化场。甚低频电磁仪则是通过测定椭圆极化场的参数变化,来探查浅部电性差异或构造断裂,从而进行矿体的空间定位和构造格局解析。该方法现广泛应用于浅覆盖区地下水和地下溶洞等工程勘查和矿区及其外围的异常扫面[10-12]。此外在热液脉型萤石矿床的找矿勘查中,VLF-EM亦有许多成功的应用实例[13-17]。

EH4连续电导率成像系统属于部分可控源与天然源相结合的一种电磁测深系统。深部构造通过频率为10～100 kHz的天然背景场源成像;浅部构造则依靠人工发射1～100 kHz电磁讯号来补偿天然讯号的不足,得到高分辨率的电磁成像。EH4的核心仍是被动源电磁法,该系统穿透能力强,探测深度大,不受浅部高阻层影响。依据地表浅部电性不均一性质,通过测量矿区不同深度地质体的地电参数,并利用傅里叶公式将其自动转化为对应的测深数据。目前EH4主要应用于工程地质勘查和深部金属矿产勘查。利用EH4对于深部异常勘查的有效性[18-23],将其拓展应用到断裂控矿型萤石矿床的勘查工作中。

3VLF-EM和EH4的数据解译

3.1VLF-EM数据解译

采取磁倾角法开展异常扫面, 首先选择平坦开阔的勘查区域,避免地形起伏和地层陡倾的影响; 尽量远离高压电线、 电缆和金属等人工导体, 避免其造成的电磁异常干扰。 其次, 通过GPS与测绳结合布设54条勘查线, 线距50 m, 点距10 m, 剖面测量方向与矿区构造断裂带或矿化蚀变带走向近垂直。 最后, 选择电磁波稳定的时段, 进行电磁扫面工作。 为减小地形起伏等非矿致异常和地质条件复杂性影响, 运用Fraser滤波方法[24]处理原始数据, 将剖面线磁倾角值(D值)的零值转化为Fraser滤波值(F值)的峰值, 并通过线性滤波处理绘制等效电流密度图, 分析低阻异常的浅部形态变化; 绘制Fraser滤波值等值线平面图(图2), 能够清晰地解析异常带在平面上的浅层展布, 并对矿化有利的区段进行重点解译, 从而初步确立成矿靶区。

水头萤石矿区构造格局呈网状展布(图2), 主要为NNE、 近SN和NNW向, 其中NNE向为研究区的主控矿构造方向。 平面内5条物探异常带沿近SN、 NNE和NNW向3个方向延伸稳定, 异常强度有所变化, 其中NNE向为异常带的主延伸方向。

结合野外资料发现,Ⅰ带为已知萤石矿脉, 在平面图(图2)显示为Fraser峰值和低阻异常, 且该低阻异常带连续性好,呈现波状起伏变化, 与野外地质特征一致,验证了VLF-EM的有效性; Ⅱ和Ⅲ带为含萤石矿化石英岩脉和强硅化蚀变带, 周围可见褐铁矿化, 分别对应中高阻异常和弱低阻异常, 为下一步重点勘查地段。 Ⅰ和Ⅱ带在矿区南段异常有叠加趋势, 表明该石英脉和萤石脉可能会在南段在深部汇合成为一个整体。 F1和F2异常带无明显矿化蚀变, 推测为隐伏构造断裂。

图2　水头萤石矿区Fraser滤波值等值线平面图Fig.2　Planar distribution of dip-angle anomaly by Fraser filtering in Shuitou fluorite deposit

平面上13和30线为多处高-低阻异常的交汇区域, 实际沿线勘查时可见多处矿化蚀变, 成矿机率相对较大, 对矿区成矿预测有重要的指示意义, 故对水头矿区13和30线重点进行VLF-EM浅部异常解析。

(1)13线D-F图(图3a)有5处较明显的Fraser滤波值峰值, 在等效电流密度图(图3b)中呈现出低阻异常的浅部变化。Ⅰ异常在图3a中510 m处出现Fraser值峰值,呈现明显的低阻异常,此处D剖面线未出现零交点;图3b显示该低阻异常体略向西倾斜;此处实际为倾向西的已知开采萤石矿脉,证明了VLF-EM的有效性。Ⅱ和Ⅲ异常在430和340 m显示弱低阻异常,且低阻异常体呈近垂直向延伸;结合野外资料,该区域可见蛋白石和石英岩脉出露,且发育萤石矿化和强褐铁矿化,故推测为石英岩脉和硅质顶盖引起的阻值异常。剖面两侧160和660 m处F1和F2异常与D剖面线的零交点处一致; 两处异常均为近垂直延伸, 其中F1异常宽度大且与其SE侧低阻异常在深部复合; 野外此两处异常均为第四系所覆盖, 周围无萤石矿化和硅质顶盖且F2异常穿过电线, 推测F1和F2异常分别为隐伏构造断裂和人工导体所致。 综上所述,水头13线300～500 m低阻异常较明显, 可见萤石矿化和围岩蚀变, 具有一定的成矿潜力, 适宜做低阻异常的深部延伸探查。

(2)30线D-F图(图4a)有4处较明显的异常, 在等效电流密度图(图4b)呈现不同的异常强度。Ⅰ异常在图4a中350 m处出现Fraser值峰值, 此处D剖面线为零交点; 图4b显示该低阻异常体略向西倾斜; 此处第四系覆盖但其NW侧为萤石矿化硅质顶盖, 推测为北部已知萤石脉体在南部的深部延伸导致的低阻异常。 Ⅱ异常在图4a中210 m显示近垂向的高阻异常, 且其两侧均为明显的低阻异常, 整体呈“低阻—高阻—低阻”的双峰式异常, 且此点探槽揭露含萤石矿化的石英岩脉。 Ⅲ异常在图4a中120 m处出现负Fraser值的峰值, 此处D剖面线未出现零交点; 图4b中显示近垂直延伸的高阻异常;结合野外资料, 可见强硅质顶盖,故推测为隐伏萤石矿体。 F2异常在剖面SE侧500 m处呈现明显的Fraser值峰值, 此时D剖面线为零交点; 野外覆盖严重且未见硅质顶盖和萤石矿化, 推测为隐伏断裂。 综上所述, 水头30线100～400 m具有多处明显的低阻异常, 且探槽揭露处可见明显的萤石矿化和围岩蚀变, 具有一定的成矿潜力, 适宜做异常的深部探查。

图3　水头萤石矿区13线综合剖面图Fig.3　VLF-EM profile of Line 13 in Shuitou fluorite deposit a—D-F剖面图; b—等效电流密度图;c—地质剖面图; d—EH4剖面图

图4　水头萤石矿区30线综合剖面图Fig.4　VLF-EM profile of Line 30 in Shuitou fluorite deposit a—D-F剖面图;b—等效电流密度图;c—地质剖面图; d—EH4剖面图

3.2EH4数据解译

对矿区电磁扫面中重点区段中的异常作深部延伸研究, 利用GPS和测绳布设2条EH4勘查线, 剖面长度分别为700和600 m, 点距10或20 m, 剖面方向与隐伏矿体或断裂走向近垂直。 仪器在野外数据采集过程中, 自动将采集的时间域数据经傅里叶变换转换成频率域数据, 给出一维反演结果； 待剖面全部测量完成后将数据再进行地形校正等预处理，给出二维反演结果； 最终用Surfer绘制两条测线的剖面二维电阻率等值线断面图。 经研究发现, 隐伏萤石矿体异常主要分布在EH4剖面低阻区的中部或高低阻区之间的过渡梯度带上。

(1)13线EH4剖面图(图3d)解析。

剖面垂向上的地质体有明显的电性差异: 以海拔700 m为界, 上部相对低阻区以二叠系林西组为主体, 为矿区赋矿地层; 下部高阻区推断为花岗闪长岩; 剖面浅部电阻变化显著, 呈现多处低阻异常;深部电性差异不大; 海拔200～700 m分布有面积很大的高阻异常带, 推测为侵入岩体; 海拔800～1 100 m高低异常带交替穿插分布, 且产状较陡, 倾向向西, 推测为构造断裂带或矿化蚀变带; 地表低阻异常明显, 推测为第四系松散沉积物所致。

剖面沿线地质特征分析:测线200～500 m内的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ异常带与野外勘查的已知萤石矿脉、萤石矿化石英岩脉和强硅化蚀变带相吻合,推测为隐伏萤石脉体;剖面两端的F1和F2异常带低阻异常明显,实地勘测为地表沟壑,无明显矿化和围岩蚀变,推测为隐伏断裂。综上所述,水头矿区13线显示Ⅱ和Ⅲ异常带延伸深度近400 m,具有良好的成矿潜力。

(2)30线EH4剖面图(图4d)解析。

剖面垂向上的地质体电性差异明显:海拔0～700 m为深部高阻体，被一深大构造低阻带F2所切断;海拔800～1 100 m电性差异明显,为高低异常带近垂向延伸。剖面SE向一侧400～600 m、地下深度200 m内均显示为大面积的低阻异常,推测为松散第四系覆盖所致。

剖面沿线地质分析: 测线100～400 m探槽处可见硅质顶盖和萤石矿化的石英岩脉, 剖面上Ⅰ、 Ⅱ和Ⅲ异常带延伸深度达300 m, 其中Ⅰ和Ⅲ为硅质顶盖引起的低阻异常; Ⅱ为含萤石矿化石英脉导致的中高阻异常,整体呈现双峰式异常, 其下部的弱低阻异常可能为隐伏萤石矿体。 F2异常带延伸深度远超过400 m, 推测为隐伏深大断裂。 综上所述, 水头矿区30线200～400 m的Ⅱ和Ⅲ异常带延伸深度可达到400 m, 具有一定的成矿潜力。

4VLF-EM和EH4的组合应用

综合对比VLF-EM和EH4对于林西水头萤石矿床的勘查效果,得出以下信息：

(1)图3和图4中的VLF-EM和EH4异常基本都能找到良好的对比验证,证明了两种方法对电阻异常勘测的有效性,能够有效地探查地表出露的异常体在地下深部延伸信息。

(2)图3a和图4a中Fraser滤波值剖面线多处极大值与D(磁倾角)剖面线的零交点不对应。由于实际地质问题的复杂性,如地质噪声和实际多个低阻体异常叠加等,造成零交点的偏移或者改变;可以通过除去背景异常、优化处理手段和方法等减小误差,使其更趋向于地质事实。

(3)EH4在地表多显示低阻异常,而VLF-EM显示地表高低阻体交插分布,因为地表覆盖层电性差异不大,EH4对浅部(<100 m)低阻异常反映不灵敏;而VLF-EM可以比较灵敏地反映地表的电阻差异。

5结论

(1)VLF-EM平面Ⅰ异常带和已开采的矿脉对应良好, 证明其对断裂控矿萤石矿床勘查的有效性。 该方法便捷高效, 对浅部异常反应灵敏, 适合大规模的电磁扫面, 初步确立异常勘查靶区; 并在水头矿区圈定的Ⅱ和Ⅲ异常带, 矿化蚀变特征与异常预测基本相符, 表明本区具有良好的找矿潜力。

(2)通过EH4勘查水头矿区异常带的深部延伸和空间展布,其探测深度大,适宜断裂(矿化)带深部延伸研究,显示水头构造断裂带或矿化蚀变带向下延伸300～400 m,而目前林西萤石矿床的开采深度为120 m,表明林西萤石矿床仍有很大的工业开采价值。

(3)VLF-EM和EH4异常反映的地质信息基本吻合, 既相互验证,又互相补充, 两者的合理组合能够探究含矿性异常带在深部空间的展布延伸, 对隐伏矿体或构造断裂的探测深度可达1 000 m, 从而为萤石矿床的快速勘查和深部资源评价提供指导与支撑。

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文章编号:1674-9057(2016)02-0228-06

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.005

收稿日期：2015-7-14

基金项目：中国地质调查局地质调查项目(1212011220925)； 中央高校基本科研业务费专项资金项目(2652015398); 内蒙古林西县人民政府资助项目(2-7-2011-04)

作者简介：夏炳卫(1990—),男,硕士研究生,矿产普查与勘探专业, xiabw2015@163.com。

通讯作者：曹华文,博士,助理研究员,caohuawen1988@126.com。

中图分类号：P619.215;P631.325

文献标志码：A

Exploration of fluorite deposit by the combination of VLF-EM and EH4 on shallow-covered area—A case study of the Shuitou deposit

XIA Bing-wei1,CAO Hua-wen2,PEI Qiu-ming1,YANG Bing1,WU Zong-lin1,XU Teng1,HAN Shu-he3

(1.School of Earth Science and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.Chengdu Center,China Geological Survey,Chengdu 610081,China;3.Chifeng Municipal Bureau of Land and Resources,Chifeng 024000,China)

Abstract:To explore the effect of VLF-EM and EH4 for semi-concealed fluorite deposits in the grassland,Shuitou fluorite deposit in Linxi area is selected as the case study. Through the raw data processed and interpreted on the basis of the geological fact, the results show that VLF-EM can rapidly evaluate the shallow (less than 60 m) distribution features of the structures with low resistivity to ore or mineralized bodies.The survey with EH4 can reveal the spread distribution of structural belts in deep space(almost reach 1 000 m). Based on the geological or geochemistry data, the effective combination of VLF-EM and EH4 can be efficient to forecast the location of the buried ore bodies. It has many advantages over traditional models.(1)The two methods, from shallow to deep, can be compared and complemented one another.(2)It can provide a scientific basis for further exploration of fluorite deposits.(3) It is one way of exploring the concealed and semi-concealed deposits.

Key words:very-low-frequency electromagnetic method(VLF-EM); stratagem EH4 electromagnetic imaging system(EH4); fluorite deposit; shallow-covered area; Linxi; Inner Mongolia

引文格式：夏炳卫,曹华文,裴秋明,等. VLF-EM和EH4在浅覆盖区萤石矿床勘查中的应用——以林西水头萤石矿区为例 [J].桂林理工大学学报，2016,36(2):228-233.