自然电场法在晶质石墨找矿中的应用研究

罗小文，王书春，曹 毅

（中国建筑材料工业地质勘查中心湖北总队，湖北 武汉 430030）

自然电场法在晶质石墨找矿中的应用研究

罗小文，王书春，曹 毅

（中国建筑材料工业地质勘查中心湖北总队，湖北 武汉 430030）

以充分利用晶质石墨的物性为前提，发挥自然电场法的优势，总结自然电场法的基本规律，找出有进一步工作的靶区。

晶质石墨；自然电场法；物探异常；异常查证

1 概述

晶质石墨作为国家的重要战略资源，在未来的市场前景十分广阔。传统领域的应用，如：耐火材料行业、钢铁行业等对晶质石墨的持续需求；新兴产业的兴起，如：高性能石墨导电材料、密封材料、环保材料、热交换材料、石墨烯等新兴材料以及制品产业等快速发展。这给晶质石墨资源的勘探、开采、产业整合及规划等方面提出了更高的要求。

自然电场法(简称“自电”)是研究岩石、矿石和地下水之间产生的氧化—还原电化学反应(包括在大地电流、雷电放电等电流场长期激励下的电化学反应)，以及地下水渗透、扩散作用、生物化学、气体交换和热电效应等产生的稳定或缓慢变化的自然电场的分布规律，是解决有关地质问题的地球物理方法之一。而晶质石墨具有良好的导电性和稳定的化学特性，使得近于地表的晶质石墨产生很强的自然电场。所以，用自电方法进行晶质石墨资源勘查，依据充分，物理前提具备。

应用自电在湖北省某地发现两个重要的石墨资源成矿区，一个是湖北省大别山西部“武当—桐柏—大别山成矿带”，地层属桐柏—大别山地层区，大面积出露前寒武系变质岩系，主要为中元古代红安岩群及新生代第四系冲积物。而红安岩群七角山组下段(Pt2q1)的第一岩性段(Pt2q1-1)为一套含晶质石墨岩系，主要为白云片岩、白云石英片岩、石墨片岩、含石墨白云片岩、石英岩等，厚约301.5m。这几种含矿岩石都经受过一定程度的区域变质作用，有利于晶质石墨矿的赋存。二个是湖北省宜昌市雾渡河湘西—鄂西成矿带，大地构造位置处于扬子准地台上扬子台坪鄂中褶断区黄陵断穹北部之圈椅倘穹窿。矿床赋存于上太古界—下元古界水月寺群黄良河组((Ar2-Pt1)h)。

2 自然电场及干扰电场分布规律

2.1 自电异常分布规律

(1) 晶质石墨所产生有意义的负异常一般分布在山谷、鞍部和盆地洼地负地形处。这是因为晶质石墨矿(化)原岩大都处于强风化、中风化状态，通过雨水的搬运而赋存于此(见图1)。

图1 湖北省某石墨矿自电负异常分布

(2) 晶质石墨矿的围岩主要为辉长辉绿岩、斜长花岗岩、片麻岩、大理岩等，均产生较高的自电正异常；可高达-80～+450mV，而且分布较广。赋存于某些层位的晶质石墨矿(化)产生的自电负异常一般为-150～-550mV，最低可到-650mV。

(3) 晶质石墨矿所产生的自电负异常均与矿体走向一致。

2.2 “矿致异常”特征

在发现自电异常后(尤其高负值异常)，要特别注意观察附近地形、地质、水文转石等情况，以便对产生的异常原因和性质进行初步判断。总结多年在湖北省自电工作经验，矿致异常的主要特点：每条测线有负异常最大值，异常强度梯度变化率大(指每米变化的异常值)，异常沿测线上有一定的宽度，同时每条测线上最大负值构成较长的异常轴，沿走向延续性好。图2是湖北省某石墨矿矿致异常特征图，异常负值大，常达到-500mV，异常范围小。

图2 湖北省某石墨矿矿致异常特征

2.3 干扰电场及其分布特征

2.3.1 过滤电场

地下水在岩石裂隙运动过程中，带走溶解于水中的部分阳离子留下阴离子，这样在上游会留下多余的阴离子，在下游有多余的阳离子，因而破坏了正负电荷的平衡，形成极化，这种极化的结果，将沿水流方向产生电位差，叫流动电位。在此种极化机理中，好似水流过岩石时，岩石颗粒滤下了部分阴离子，故在电法勘探中形象地称由此形成的自然极化电流场为过滤电场。

地壳中的过滤电场主要有裂隙渗漏电场、上升泉电场、山地电场和河流电场等，这类自然电场都与地下水的流动有关。对于应用自然电场法寻找晶质石墨矿来说，各种过滤电场则是一种干扰。

这种干扰电场与矿致异常所产生的异常相互叠加，使得区分变得相当困难，因此在开展自电工作时，应尽量避开雨季特别是雨后，因为此时地表径流水和地下径流水非常活跃，干扰电场很大，这就人为地避开了干扰因素。

(1) 水流电场。

研究过滤电场对自然电场法电位测量的干扰程度和在水工物探中利用它的可能性，需要估算它的电位异常幅度极大值ΔUmax。可利用下式计算：

式中：ρ水为地下水的电阻率(Ω·m)；ΔP为引起地下水流的水压差(kPa)，每十米水柱的水压约等于一个大气压。

(2) 山地电场。

自然电场法电位测量通过地形高差80m，山地电场达-30mV，山地电场与地形剖面呈镜像反映(见图3)。

图3 山地电场

2.3.2 随时间变化的干扰电场

(1) 异常场随季节变化，实际上就是雨季与旱季，雨季异常值变化大(达-100mV)，旱季接近正常值，原负异常变成正异常。

(2) 电场强度与温度有明显的变化关系，温度起伏大，电场变化也剧烈。

由于自然条件复杂，往往区分矿致异常与非矿致异常非常困难，综合考虑各方面因素，特别是地质查证工作是排除干扰场的重要方法。

2.3.3 其他干扰电场

其他干扰电场包括自然界雷电形成的电场、黄铁矿形成的自然电场、变压器接地、高压线、工矿企业形成的散流电场等。这些干扰电场受时间、区域限制，采取措施很容易消除。

3 异常解释与查证

物探异常解释分定性解释和定量解释。定性解释是根据异常的特征，结合工区的地质构造、水文、岩性及物性和其他资料，初步判断引起异常原因的过程。定量解释是在定性解释的基础上，选择异常变化大，典型且具有代表性的剖面(通常称精测剖面)进行测量，利用数学计算或其他方法求出地质体的埋深、产状、空间位置等，有时还可以推算物性参数。

3.1 自电异常解释

3.1.1 自电解释基本原则

物探资料推断解释的基本原则是地质—物性原则，这是正确进行异常解释的基本前提。

石墨具有良好的导电性和活跃的电化学特性；而不含矿的围岩—辉长辉绿岩、斜长花岗岩、片麻岩、大理岩类则呈高阻电性特征和惰寂的电化学特征，两者间的电性差异十分明显。而依据自电和异检工作中所获得的视电阻率异常的形态、赋存深度、延伸展布等特征，可进一步推断地下石墨地质体的赋存特征。

3.1.2 异常分类原则

遵循从已知到未知的原则，以已知的晶质石墨矿物探异常特征为标准，用其他地段的物探异常特征与之对比，并结合测区含矿地层、电性参数、找矿标识、异常地段的地质资料和工程验证结果等情况得出如下认识：

自电异常属性特征：指强度(负的幅值)、规模(长×宽)、剖面形态特征等。

异常检查属性特征：指精测剖面异常的形态特征、联剖和电测深异常(反映)特征等。

异常所处矿化地质条件：指异常部位的岩性、构造特征和地面石墨矿化发育特征，主要看是否赋存在含矿层位，是否见大理岩分布等。

工程验证情况：指见矿情况。

3.1.3 异常分类

根据异常分类原则，把异常分为：

(1) 甲类—矿致异常。

已验证见到晶质石墨矿(化)的异常，表明自电异常由晶质石墨矿引起者。

(2) 乙类—推断矿异常。

与已见矿异常具有良好的可比性的异常，推断为晶质石墨矿(化)引起者。

(3) 丙类—性质不明异常。

本次工作尚无法判断其地质属性者。

(4) 丁类—无找矿意义异常。

经工作查实为属其他(包括人文干扰)因素引起或因异常规模太小而无找晶质石墨矿意义者。

3.1.4 自电负异常半定量解释

由于自电负异常受地形、围岩和覆盖层不均匀的影响，加之矿体形态千差万别，定量解释的条件得不到满足，所以，解释的精度通常也不高，故称之为半定量解释。

对于晶质石墨矿体所产生的自电负异常，根据经验，有两种方法可以计算晶质石墨矿体顶深h0，即q值法(即半极值法)和m法(见图4)。

图4 自电负异常半定量解释图

(1) q值法—半极值法：求出自电曲线左右枝的半极值点，读取曲线左右枝半极值点连线的长度q，运用下列公式求得晶质石墨矿体顶深h0；

h0=0.4q。

(2) m法：画出自电曲线左右枝的切线，得到左右枝的m1和m2，读取连接m1、m2线段的长度，运用下列公式求得晶质石墨矿体顶深h0；

h0=0.5(m1+m2)/2。

通常可结合实际情况，对两种方法求得的晶质石墨矿体顶深h0进行对比分析后，或取两者的平均值、或作出取舍作为最终解释结果。

3.2 自电负异常查证

异常查证目的是确定异常是否存在，追踪异常源，了解异常源所处的地质环境，对异常作出解释、评价。

3.2.1 物探异常查证

物探异常查证通常选择异常变化大，典型且具有代表性的剖面(通常称精测剖面)进行针对性的物探剖面测量。主要采用联合剖面法和电测深法。

联合剖面法是由两个三极装置联合组成的视电阻测量方法，具有分辨能力高、异常明显的特点，是寻找产状陡倾的层状或脉状低阻体或断裂破碎带及良导球状矿体的有效方法。而不同极距的联合剖面可以判断地质体倾向，因为当地质体倾角＜90°时，两条ρs曲线是不对称的。这是由于倾斜的低阻薄脉向下吸引电流时，使得倾斜方向上的ρs曲线普遍下降所致。由于曲线不对称，正交点也略向倾斜方向位移。小极距反映浅部情况，大极距反映深部情况，若大小极距的低阻正交点位置重合说明地质体直立，若其有位移说明地质体倾斜。

电测深法简称点测探，又名电阻率垂向测探。在地面上选择一条测线作为剖面，以自电负异常最小值的测点做为测深点(即MN极的中点)，通过变换供电电极AB极距的大小，测量同一点的视电阻率ρs值，研究这个测深点下不同深度的地质断面情况，推断各层的厚度、深度等。

湖北省某晶质石墨矿测区63线物探异常查证所布置的联合剖面和电测深工作，在17.5点/63线～42.5点/63线测线段，共施测了26个联合剖面观测点、1个电测深点，成果资料见图5。

图5 湖北省某石墨矿测区63线综合剖面图

联合剖面采用MN=40m、AO=140m极距40m点距进行了观测，以研究不同深度矿化地质体变化特征。由图5可发现，联合剖面的ρsB曲线变化幅度更大，并且在30.5号点有明显的极小值，在32.5点出现交点，且ρsA、ρsB交点两侧极不对称，又因石墨为低阻介质，故可推断该矿体在该区域呈倾斜状态，倾向小号点(南西)方向；由图亦能看出ρsA、ρsB两条曲线交点离开矿体顶端向小号点位移，且位移较大，可推断出该矿体倾角较小。ρsB曲线极大值出现在40.5号点，指示了该矿体在北东端的端点位置。ρsA曲线在26.5号点附近开始增大，ρsB曲线在26.5号点附近开始减小，指示了该矿体最西南端的端点位置。

该剖面施测电测深点一个，34号点/63线，由图5可见，表面第四纪覆盖层电阻率较高，在100～400 Ω·m之间，在埋深50m处，电阻率骤降，至埋深90m左右趋于平稳，这指示了低阻石墨矿体在该区域的埋深。

3.2.2 地质查证

地质异常查证是地质调查中的一个过程，目的是确定异常是否存在，了解异常源地质环境，并对异常作出评价。

在湖北省某晶质石墨矿地质调查评价中进行了二级查证，配合1∶1万地质填图，查证区域地质特征的含矿层位为中元古代红安岩群七角山组下段，成矿时代为中元古代，该区域的晶质石墨矿(化)体的分布严格受地层控制，红安岩群七角山组下段为一套中—深程度的变质岩系，主要岩性为片岩类、大理岩及石英岩，推测其原岩为一套陆源碎屑岩，这些片岩层构成了矿源层，经区域变质作用使有用组分富集成矿，构造活动加速了有用组分的进一步富集，形成了石墨矿，该区域石墨矿类型为沉积—变质矿床。

地层属桐柏—大别山地层区，大面积出露前寒武系变质岩系，主要为中元古代红安岩群及新生代第四系冲积物。大地构造位置处于高桥—浠水断裂的西侧，区内南侧构造不发育，北侧构造较发育主要以脆韧性为特征，主要发育有褶皱、断层和韧性剪切带。

矿体呈层状产出，产状与地层产状基本一致，倾向236～239°，倾角54～57°，自电异常明显，由一个探矿工程控制，厚度为6.03m，走向长度为1 303m，矿石固定碳含量为4.21%，矿石自然类型为石墨片岩、含石墨白云石英片岩，呈黑色，鳞片粒状变晶结构，片状构造，主要矿物成分为石英、云母、石墨等；石墨矿物呈鳞片状或板片状，片径一般为0.002～0.03mm。

按规定测制地质、化探、物探典型剖面图，对槽探工程进行编录、素描及刻槽取样；同时采集与异常有关的岩矿石标本，进行室内鉴定和研究。

在湖北省某晶质石墨矿测区63线展开地质查证(见图6)，异常值与固定碳含量成正比关系，异常值越大，固定碳含量越高(见下表)，图6与该表是矿致异常对应情况。

图6 湖北省某石墨矿测区63线地质调查剖面查证图

固定碳含量基本分析结果

地质异常查证结果与物探异常检查相吻合，为该测区的晶质石墨矿进一步勘查提供了地球物理资料和依据。

4 问题与建议

利用自电方法进行晶质石墨资源勘查，依据充分，物理前提具备。由于仪器简单，操作方便，工作效率高，效益好。尤其岩石出露少，植被茂盛的测区，自电是晶质石墨野外勘查和地质填图的一种重要方法。

在湖北省大别山西部武当—桐柏—大别山成矿带和湖北省宜昌市雾渡河湘西—鄂西成矿带上，利用自电快速圈出异常靶区，通过地质工作，初步预测湖北省大别山西部晶质石墨矿达到中型矿床，湖北省宜昌市雾渡河石墨矿达到大型矿床。同时也意识到靠单一的自电方法很难采集到满意的地质数据，给异常解译推断带来一定的困难。建议在进行晶质石墨勘查时，充分利用地球物理前提条件和地质条件，采用激化极化法进行物探验证，二者相互印证，提高解译推断的准确性。

[1]李林，解立发.自然电场法在晶质石墨资源勘查中的应用[J].中国非金属矿工业导刊，2006(1)：57-60.

[2]刘中用，宋文涛，王建.地球化学异常的检查方法及效果浅析[J].黑龙江科技，2011(31)：29.

[3]罗延中.激电异常的半定量解释方法[J].物探与化探，1979(2)：39-47.

[4]沈万慈，康飞宇，黄正宏，等.石墨产业的现状与发展[J].中国非金属矿工业导刊，2013(2)：1-3，43.

Application of Natural Electric Field Method in Crystalline Graphite Prospecting

LUO Xiao-wen, WANG Shu-chun, CAO Yi
(China Construction Materials Industry Geological Exploration Center, Hubei Corps, Wuhan 430030, China)

By making full use of the physical properties of crystalline graphite, the advantages of natural electric field method are brought into play, and the basic law of natural electric field method is summarized to find out the target area for further work.

crystalline graphite; natural electric field method; geophysical anomaly; abnormal verification

P631.321； P619.252

A

1007-9386(2017)04-0026-05

2017-04-18