EH4音频大地电磁方法在清白山东寻找韧性剪切带型金矿的应用

牛辉，李延清，胡尊平，代俊英，陈实，刘超，夏天

(新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000)

EH-4是1996年由美国EMI与Geometrics两家公司联合研制的，设计基于应用大地电磁测深法，重点解决浅、中深度范围内工程地质等问题的一种双源型电磁系统，工作频率10 Hz～100 kHz。该系统采用先进的电子及计算技术，综合CSAMT和MT的优点，实现天然信号源与人工信号源的采集和处理，具探测深度大、设备轻、速度快、费用低、精度较高等优点。该系统能在各种地形上产生电导率连续剖面，同时，测量远处的天然场源和人工源激发的电场和磁场来计算大地电阻率。测量是在和地下研究深度相对应的频带上进行。频率较高的数据反应浅部的特征，频率较低的数据反应较深地层及岩体的信息[1-3]。本文研究区域位于吐哈盆地南部雅满苏-图兹雷克一带，人烟稀少，交通条件较差。因此，人文干扰较小，便于开展电磁法测深工作。

1 区域地质概况

调查区地理景观属于剥蚀石质戈壁区，地面起伏和缓，局部残坡积土壤发育。区内大面积出露古元古界北山岩群，大理岩十分发育，中部及南部大面积出露英云闪长岩，石英脉较发育。调查区总体位于北山裂谷带系南部，次级断裂较发育(图1)。

1.1 地层

测区内地层主要有第四冲洪积、第四系砂砾、沙土层、北山岩群c岩组(Ar3—Pt1Bc)和蓟县系爱尔基干岩群(JxA)等。

第四系冲洪积分布在测区中部及东部，多呈枝状水系，主要由杂色冲洪积砂石，砂粒组成；第四系砂砾、砂土层在测区中分布面积较大，西部以NW向带状分布，宽约100 m，延伸约1 000 m，中东部则以大面积团块状分布，在沟谷两侧亦有小面积块状分布。

北山岩群c岩组是雅满苏幅1∶25万区调依据区域资料综合对比研究新建的地层单元，为一套变质碳酸盐岩建造，岩石主要为大理岩，夹斜长角闪片岩、石英岩、片岩。c岩组经多次变质变形，岩组内无根褶皱发育，为一套无序地层，沉积环境为较单一的碳酸盐台地沉积，沉积环境为浅海相。

爱尔基干岩群广泛分布于测区内，呈EW向稳定延伸。该套地层岩性以大理岩、白云岩为主，夹少量碎屑岩，变石英砂岩等，地层总体变形及变质较强，达高绿片岩相，原岩的沉积层序特征已无法辨认。

1.2 侵入岩

测区内侵入岩大面积发育，出露岩性分别为英云闪长岩、二长花岗岩、白岗岩。

图1 清白山东地质简图Fig.1 Geological sketch map of QingBaiShanDong

英云闪长岩分布于测区中西部，出露面积最大，东部出露面积较小，局部呈脉状产出。主要侵入下石炭统雅满苏组中基性火山岩、火山碎屑岩中，个别岩体呈小岩株侵入下石炭统阿齐山组和北山岩群。岩石多呈灰色、灰白色，细粒花岗结构，定向构造，由斜长石、石英、黑云母组成，中粒结构，块状构造。

二长花岗岩在测区内呈大的岩基状、岩株状、岩枝状产出，侵入长城系及泥盆系。岩体在遥感影像图上色调呈灰紫、浅紫褐色发灰白。岩石呈浅肉红色，具它形中细粒花岗结构，块状构造。矿物成分有斜长石、钾长石、石英、黑云母、白云母等。白岗岩在测区分布较少，仅在测区西北部和中部南端小面积出露。

1.3 脉岩

区内岩脉较发育，共分为2类，分别为石英脉和闪长岩脉。其特征如下：

石英脉 区内普遍发育，脉体走向大部分为近EW向，脉体宽多为0.5～3 m，长约3～20 m。部分发育褐铁矿化，小型石英脉多呈孤包状不连续出露。

闪长岩脉 仅在区内中部呈NS向细脉状产出，脉体宽多为1～5 m。局部因第四系覆盖呈不连续的多段断续出露。

1.4 构造

工作区内NE向构造发育，其次发育少量NW向断裂；褶皱较发育，形成了背向斜构造，主要分布于三架山南一带、磁海西一带，多为紧闭褶皱。

测区内岩层产状较单一，但变质岩变形较强，产状不稳定，整体特征为西南部英云闪长岩主体以南总体产状为南倾，产状范围：195°～215°∠52°～70°；英云闪长岩主体以北总体产状为北倾，在区内东北部，这种表现最为显著，产状范围：4°～30°∠42°～80°。

该区内韧性剪切带走向为NWW，EW向延伸至区外，岩性为长英质石英岩，糜棱岩在地表出露，具糜棱结构，定向构造。受糜棱岩化影响，两侧岩石片理化较为强烈。韧性剪切产生时间应晚于岩体侵入时代，或者为前后两期韧性剪切，对地层影响较大，对岩体影响较小，仅在接触部位较发育。

1.5 矿化蚀变特征

区内矿化蚀变发育，主要有矽卡岩化、褐铁矿化、硅化以及金铅锌矿化等。褐铁矿化在区内发育较普遍，在石英脉与英云闪长岩局部发育弱褐铁矿化，在白云石大理岩中，多见较强的褐铁矿化蚀变。

围岩蚀变主要有黄铁矿化、硅化、绢云母化、绿泥石化、碎裂岩化等，越靠近矿体蚀变越强，相反则表现为减弱。铅锌矿化主要见于白云石大理岩中，经快速分析仪测试，褐铁矿化蚀变明显的白云石大理岩中均显示出明显的铅锌矿化。矽卡岩化、硅化亦多见于大理岩中，前者多见于大理岩与英云闪长岩的接触部位附近，蚀变较弱。金铅矿(化)体位于酸性岩体的北侧外接触带，破碎蚀变韧性剪切带内。带内表层见轻度的糜棱岩化，碎裂岩化、褐铁矿化、黄钾铁矾化、硅化、高岭土化、绿泥石化普遍，破碎蚀变带宽约4～50 m，长约800 m。

2 研究区音频大地电磁方法与技术

2.1 工作区岩矿石物性参数测量

矿区出露主要有硅化、局部褐铁矿化的爱尔基干大理岩、糜棱岩、英云闪长岩、砂砾岩、变粒岩、花岗岩、石英岩、闪长岩。该区糜棱岩具脆性变形特征，糜棱岩发生破碎，并沿裂隙面发生错位。

工作区岩矿石的电阻率参数可分为3类。①0～300 Ω·m的岩石有爱尔基干大理岩，为相对低阻；②300～600 Ω·m为第四系砂砾岩、变粒岩及英云闪长岩属于中等电阻率；③闪长岩、石英岩及花岗岩属高阻岩矿石。由于糜棱岩多存在于韧性剪切带中且易发生破碎，无法采集到呈块状的岩矿石标本，因而电阻率信息无法获得，但糜棱岩与金、铅矿化蚀变有关，推测为低阻(表1)。

表1 岩(矿)石电性参数统计表Table 1 Electrical parameters statistics of rock and ore

2.2 音频大地电磁测深仪器装置

音频大地电磁测深仪器装置采用的是EH-4(Ⅱ)电磁仪，携带轻便，适用各种复杂地形。该装置受场源效应和静态效应影响较小，探测深度一般大于1 500 m。

EH4根据天然场500 Hz以上波段受人文活动干扰较大的特点，采用EMI磁场源专利技术，将标量发射的电可控源改为张量发射的磁可控源。采用一组垂直布置的磁偶极子作为人工场源，汽车电瓶供电，发射频率从69 kHz～830 Hz，以弥补大地电磁场的寂静区和几百赫兹附近的人文造成的电磁干扰谐波，从而提高了浅层的频率信息，而达到提高分辨率的目的。

2.3 野外测点布设及仪器性能试验

(1)野外测点布设采取的是40 m点距，测线角度7°，垂直韧性剪切带方向，在韧性剪切带上方点距加密到20 m，沿剪切带共布设了一条测线，各10个测点，共计200 m；

(2)野外测量采取高频TM+TE模式进行，即采集到4分量数据(2组电道EX、EY和2组磁道HX、HY)，EH4工作站布设如图2所示；

图2 EH-4工作连接图Fig.2 Linkage of EH4 units

(3)使用4个电极，2根高频磁探头，其中2个电极组成一组电偶极子，平行于测线方向的为Ex，垂直于测线方向的为Ey。两根高频探头水平放置于地面，一根平行于测线方向为Hx，一根垂直于测线方向为Hy，要求埋入地下10 cm，以确保测量期间高频探头不发生位移。使用森林罗盘进行测线方位和两根磁探头垂直位置的确定，误差范围控制在2°；

(4)前置放大器(AFE)的接地电极要放置在测点上，为减少对电极和磁探头的影响，AFE装置应尽量远离磁探头并放置在两对电偶极子的中心位置；

(5)主机要远离前置放大器(AFE)、磁探头和电极，且在地势平坦处，在减少电磁干扰的同时，方便操作员进行数据采集；

(6)收发距是指发射偶极位置与观测测线的距离，收发距的合理选取是克服近场效应最有效和最直接的办法。系统由于采用了大功率发射系统，提高了仪器的观测灵敏度。收发距以大于3倍的勘探深度(h=356×SQRT(ρ/f))为原则，但不超过最大发射距离400 m。

(7)野外施工时由于只有一套EH4系统，为检测仪器工作是否正常，进行了仪器平行试验。具体做法是将两根高频磁探头调水平后相隔5 m，平行放置，电极与高平探头保证垂直，EX0EY0使用同一根电极，EX1EY1也使用同一根电极，在共用同一可控源的条件下开始正常数据采集，观测电场、磁场通道的时间序列信号，分别为低频和高频段磁场、电场信号波形图。由图3可见，两个方向通道的波形形态和强度均基本一致，说明仪器工作正常；

图3 平行试验检查仪器通道相关性波形图Fig.3 Wave form of relativity on Parallel test

(8)采集的数据使用电磁法数据处理工作在电法专业软件Winglink平台内完成。WinGlink是一款意大利GEOSYSTEM公司开发的综合解释平台，主要侧重于大地电磁的建模和数据处理，能结合重磁资料和大地电磁的联合处理解释，解释功能较齐全，包含了静态校正及地形校正等，并实现了钻孔等资料的约束反演(图4，5)。该系统实现了大地电磁的一、二维反演，并可进行三维大地电磁的模拟，其正演采用了Randy Mackie的二维交错采样有限差分迭代算法程序，反演采用了计算稳定、精度较高的非线性共轭梯度法进行计算，非线性共轭梯度算法(NLCG)是目前国际上最成熟的大地电磁测深反演方法之一，该算法速度快，反演结果稳定性好，且支持大数据集的反演［4-5］。

在数据处理时，首先使用Winglink软件集成的文件转换工具将EH4系统采集的Z文件转化为单点阻抗张量EDI文件，这里需要注意的是EH4系统在进行数据采集时必须使用矢量方式进行，如果采用标量方式进行，文件转换工具则无法完成转换。

由于在测点布设时，EX方向是按照测线(即垂直构造或目标体)方向布设的，因此，不需要进行电性主轴的分析。将转换好的EDI文件导入工程文件后对原始数据进行编辑，曲线的畸变点直接删除，并参考相干度信息低于0.5的频点数据，不进行反演运算。然后选择测点数据进行非线性共轭梯度法反演，反演参数设置如下：视电阻率误差20%，相位误差15%，光滑系数10，横纵光滑闭α=1，经过30次迭代，拟合误差最终达15%，表明反演得到的地电模型与实测数据有很好的一致性，各个测点的RMS(均方根误差)大部分小于15%(图6)，其他测点的RMS基本小于20%，可知数据与模型响应较好，反演得到的电阻率模型可靠。

图6 清白山东CS0测线及CS13号测线NLGC二维反演单点RMS误差Fig.6 RMS misfit of each site in 2D NLCG inversion for data from CS0 and CS13 of QingBaiShanDong profile

3 二维反演成果及解释

韧性剪切带是岩石在塑性状态下发生连续变形的狭窄高应变带，一般不出现破裂面或不连续面，剪切带中间变形最强，向两侧逐渐减弱。在剪切带的中心部位，由于受到强烈挤压变形破碎后往往形成典型的韧性剪切带动力变质岩-糜棱岩。天山经历了印支—燕山期，地壳不断抬升剥蚀，先期形成的糜棱岩被抬升至近地表发生脆性变形加之侧向挤压和后期多期次热液活动，造成韧性剪切带中部破碎和蚀变强烈，与其围岩英云闪长岩存在明显的结构差异，因此电性结构在韧性剪切带中与围岩应存在电性梯度带或畸变带，基于此使用EH4方法具可行性[6-8]。

由图7可见，近地表为低阻层，电阻率为10～100 Ω·m，应该是由第四系覆盖及表层的岩石风化破碎的综合反映。在埋深40 m处为近似水平状的高阻层，电阻率为1 000～5 000 Ω·m，通过地表探槽揭露高阻异常与英云闪长岩，爱尔基干大理岩及石英岩脉位置对应较好，而在测点26～20表层低阻与地表破碎程度高，并伴有褐铁矿化的千糜岩相套合。在20～24号测点正下方，埋深40 m的近水平状的高阻层出现了明显的电性梯度带，与下端椭圆状二维低阻体呈近似贯通状态，因此推断韧性剪切带中心位置处于测点20～24之间，宽约50 m。埋深100 m的二维低阻体电阻率为10～100 Ω·m，呈椭圆状，半径30 m，处于剪切带中心位置下端，并与深部低阻异常相通，类似热液活动通道，推断为成矿有利部位，低阻异常为可能的矿体及矿化蚀变引起的综合异常。

图7 CS13号测线数据二维反演电阻率模型Fig.7 Resistivity model from 2D inversion of CS13 profile

ZK1301钻孔验证，钻孔沿近水平的高阻异常边部打穿，在同一垂直深度岩心中取得岩石样本为石英岩，结合地表高阻异常对应的岩石出露并与物性标本的测量结果相比，测线中高阻体与石英岩、英云闪长岩具成因上的联系，应为英云闪长岩、石英岩的综合反映。钻孔沿二维低阻异常体中心边部打穿，其规律为自上而下，糜棱岩化，褐铁矿化，黄铁矿化逐渐变强，到中心位置达到最强，同时Au元素品位达到最大，由此推测矿化蚀变为引起低阻异常的主要原因。

4 结论

矿体与围岩存在较大的电性结构差异，是使用基于大地电磁理论找矿方法的前提，该区域存在韧性剪切带，并在剪切带中心部位岩石破碎程度高，伴有较强的褐铁矿化、黄铁矿化等蚀变作用，与周围中酸性岩体，变质岩存在明显的电性结构差异，加之EH4音频大地电磁方法本身对低阻反映较好，因此，使用EH4方法确定剪切带中心位置及寻找隐伏矿体切实可行。需要指出的是电磁法测深所圈定的异常往往是蚀变矿化的综合反映，异常范围是目标体宏观位置，并不能具体到蚀变类型和矿化。

前期对成矿区域地质资料的掌握及实地勘察，对预测地球物理模型和构建有极大帮助，有助于后期二维反演运算，最终达到预期物探找矿的目的。

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