扎西康多金属矿含碳质岩石中赋矿断裂带的电性变化及找矿意义

郭 镜, 焦彦杰, 梁生贤

(1. 成都理工大学 地球科学学院，成都 610059；2. 中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081)

含碳质岩石因其强大的还原潜力，对金属矿化有着重要影响[1-2]。硫酸盐与有机质形成的还原硫类型，基本上被定义为许多金属的大吸收器：形成金属硫化物后直接沉淀，与金属硫化物共沉淀或还原非亲铜元素[3]。在找矿手段匮乏的年代，甚至把碳质层称之为“黑色引导”或“标志”[4]。且在反映成矿外部环境变化方面，碳质具有很高的灵敏性[5]。因此，在以地球物理勘查为有效手段来寻找隐伏矿体的大背景下，对含碳质岩石的地球物理找矿方法展开详尽研究是有必要的。同时，含碳质岩石中的碳质物，往往表现为低阻高极化特征，对电法勘探造成了严重干扰。怎样消除这一干扰，是目前物探方法找矿的一大难点。

前人对含碳质岩石的电性干扰做了较多研究，主要集中于矿体与含碳质岩石地球物理场特征的不同[6-9]，取得了一定成效。从另一方面考虑，寻找一种适合于含碳质岩石的电法勘探方法，则电性干扰问题就随之解决了。本文以西藏扎西康铅锌锑多金属矿为例，通过分析引起含碳质岩石高导电性的内在因素，并结合构造热液活动对碳质物电性特征的影响，提出含碳质岩石中以构造热液活动带为目标的地球物理找矿方法组合。

1 区域地质背景

青藏高原的总体格架形成于65～55 Ma B.P.的印度-欧亚板块碰撞[10-11]。喜马拉雅地体、拉萨地体和羌塘地体共同组成了青藏高原主体[12](图1-A)。位于喜马拉雅地体北部的特提斯喜马拉雅微地块[13](图1-A)，发育了大量富含有机质的深海沉积，经区域变质后成为碳质板岩，如奥陶系的则果群[14]，二叠系的破林浦组、比聋组、康马组、白定浦组[15]，三叠系的吕村组、涅如组等。且在含碳质岩石中发现了众多金属矿床，如查拉普金矿[16]、折木朗金矿[17]、邦布金矿[18]等。

2 矿床地质背景

扎西康铅锌锑多金属矿是特提斯喜马拉雅铅锌锑金成矿带内唯一的大型—超大型矿床[20](图1-B)。矿脉主要为南北向的Ⅴ、Ⅵ及北东向的Ⅶ和Ⅷ(图1-C)，以及2015年探得的Ve(ⅩⅤ)矿体，矿区总储量超过1.4×106t，其中Ⅴ号矿体品位最高、储量最大，超过1.0×106t[20]。矿体倾向西，倾角45°～70°，赋存于侏罗系日当组(图1-D)。日当组为一套互层状的深灰色-灰黑色页岩、钙质页岩，含泥灰岩、砂岩、凝灰岩，夹泥质灰岩和燧石团块，总厚度>900 m，属深水相沉积[21]。岩石经低级变质后，形成了黑色碳质板岩或含碳钙质板岩[22]。前人通过含矿热液来源、矿体赋存特征、构造地质特征和矿床形成时代等多种矿床成因要素，开展了详细的研究，认为其是含矿热液沿断裂构造迁移就位而成矿[23-26]。含矿热液来源主要为岩浆热液、地层建造流体和大气水[27]，三者的混合造成了矿质沉淀[25]。矿床形成于青藏高原后碰撞伸展期[27],成矿期次分为铅锌成矿期和富锑成矿期，铅锌成矿期主要矿物组合为方铅矿、闪锌矿、黄铁矿、铁菱锰矿、方解石、石英，富锑成矿期以产出锑硫盐矿物为特征[22]。

3 数据采集

矿区内的电法勘探主要运用音频大地电磁测深法和激电中梯剖面测量。激电中梯剖面区域覆盖了Ⅴ、Ⅵ和Ve矿体，来揭示各矿体平面上的电性特征。音频大地电磁测深(AMT)勘探线，穿过了Ve矿体，来揭示Ve矿体深部的电性特征。2种方法的布设位置见图1-C。

音频大地电磁测深采用加拿大凤凰公司研制的V5系列仪器采集完成，测点距平均50 m，数据处理时最低频率截取到1 Hz。由于测区位于西藏农牧区，无明显干扰源，因而各测点数据质量高，相邻测点的视电阻率、相位曲线具有可比性，经检查80%以上频点相对误差小于5%。

图1 扎西康大地构造背景及矿区地质简图Fig.1 Tectonic setting and simplified geological map of Zhaxikang mining area(A)青藏高原大地构造简图; (B)扎西康铅锌锑多金属矿整装勘查区地质矿产简图;(C)扎西康矿集区地质简图(据文献[19]修改);(D)铅锌矿体剖面图(据文献[19]修改)

大功率激电中梯剖面法是一种非常成熟的技术方法，对金属硫化物矿床的勘探有着极佳的效果。本次大功率激电中梯扫面的数据采集，采用重庆地质仪器厂制造的DJF-2大功率激电测量系统完成。发射机最大输出功率15 kW，最大供电电流15A。施工过程中AB发射极设置为2 km，MN接收极40 m。综合而言，音频大地电磁测深数据以及激电数据质量可靠，满足相关规范以及地球物理推断解释的要求。

数据处理与反演是推断解释的至关重要环节之一。音频大地电磁测深数据处理与二维反演的相关算法技术成熟，数据处理包括极化模式判别[28]、静态校正[29]等，二维反演解释有快速松弛(RRI)[30]、OCCAM[31]和共轭梯度反演[32]等方法。本文采用Zongmt软件中的Smoothness consranined least-squares对音频大地电磁测深数据进行反演。激电数据采用视极化率η1及视电阻率ρ成图分析，η1为断电200 ms后的二次场与一次场的比值，ρ为利用装置系数计算所得的视电阻率。

4 含碳质岩石中的电法勘探

通过对ZK4006钻孔岩心的电性测试发现，大部分含碳钙质板岩呈现低阻高极化的电性特征(图2)，与前人电性测试结果相近[33-34]；而赋存矿体的含碳钙质板岩呈现高阻低极化的电性特征(图2)。通过钻孔岩心的对比发现，两者岩性特征没有明显差异，均为碳质板岩或含碳钙质板岩。

激电中梯测量发现矿区呈现高的极化率背景(图3)，约为9%～20%；而矿体位于低极化率条带中，约为1%～5%，极化率高值区的钻孔不含矿。

激电中梯测量可以在平面上把矿脉定位于宽度为数百米的低极化率条带内。矿脉的地下产状则通过音频大地电磁测深来进行分析。由图4可知，深部呈现低的电阻率背景值，约为10-0.4～101Ω·m。矿体位于高视电阻率区域，且宽度250 m的高视电阻率区域与低视极化率条带位置较吻合。

图2 ZK4006钻孔岩心电阻率与极化率变化曲线图Fig.2 Curve of drilling core resistivity and polarizability of drilling hole ZK4006 in Zhaxikang deposit

图3 激电中梯面积测量视极化率及视电阻率图Fig.3 The plot of apparent polarizability and apparent resistivity measured by ladder area in IP

图4 AMT反演解译图Fig.4 Inversion and interpretation of AMT

综上可知，大功率激电和音频大地电磁测深，在扎西康含碳质岩石中的找矿效果显著。那么250 m宽的高阻低极化率条带是否为矿致异常？本文认为并非矿致异常，主要理由为：①扎西康矿区铅锌矿石的视电阻率、视极化率等呈现低阻高极化的电性特征，约为8%～20%[33-34]，两者叠加不会出现1%～5%低极化率条带；②矿体赋存于约占岩石总体积10%左右的连通孔隙中，而碳质物均匀分布于约占岩石总体积80%左右的颗粒中。通过对扎西康ZK406钻孔69件样品进行高温燃烧法测量，得出岩石中的有机碳质量分数为1%～3%，平均为2.0%(图5)。而质量分数为0.7%的有机碳足以使变质岩的电阻率降低一个数量级[35]。质量分数高达2.0%的碳质物所引起的电性异常可能要远大于甚至掩盖矿体所引起的异常。因此，含碳质岩石中高阻低极化率条带的地球物理响应，需要进行深入研究。

5 讨 论

沉积岩成因的研究表明，含碳质岩石一般由原始的腐殖质型碳质地层遭受变质而成[36]。含有机质的沉积岩在埋藏加深过程中日益成熟，富碳以及晶体有序度升高，最终成为晶质石墨[36]，且该过程是随温压系数渐进变化而连续进化的[36-38]。

从碳质物的成分和结构演化来说，碳质物的石墨化过程，为芳香层有序堆叠和排除杂原子的过程[39-40]。这2个过程随着岩石变质程度加强而相辅相成地进行[37,41]，使得自由电子增多，导电性增强[42-43]。 这也是含碳质岩石高导电性的根本原因。芳香层的堆叠反映在碳质物结构有序度的增加，石墨晶体的三维生长[44]；杂原子的排出反映在碳元素相对含量的增加[45]。

从岩石的成分和结构来说，由于石墨(电导率为105S/m)和硅酸盐矿物(例如橄榄石电导率<10-2S/m)之间的巨大导电性差异，在石墨矿物相互连通的基础上可以大幅度提高岩石电导率[46-48]。若是石墨或碳质物之间的连通性受到破坏，则岩石的导电性也会产生变化。

图5 矿区ZK406岩心有机碳含量Fig.5 Organic carbon content of cores from the drilling hole ZK406 in Zhaxikang ore deposit

下文着重从断裂带中含矿热液对碳质物的性质以及碳质物在岩石中连通性的影响，来讨论含碳质岩石中断裂带的电性变化。

5.1 构造热液活动对碳质物性质的影响

芳香层的有序堆叠是不可逆过程[45]，因此，碳质物在结构有序度增高的方向按下列顺序发生连续的变化：沥青→碳沥青→次石墨→石墨[5]。同时，在一定条件下，碳质物层间杂原子的排出与插入是可逆的[49-50]，含有二氧化碳、甲烷、硫酸氢根等成分的水溶液会造成碳质物的蚀变[51]。在实地研究中发现，赋存于含石墨或次石墨岩石中的热液型铀、金等多金属矿床，在矿石中常出现低变质的硫沥青，在含矿热液蚀变下碳质物发生了“逆石墨化”(使碳质物脱碳化、非晶质化)，按下列顺序发生连续变化：石墨→次石墨→碳沥青→硫沥青[5]。

石墨、次石墨具有高的导电性，电性特征的呈现形式为低阻(<10-5Ω·m)高极化(>40%)特征。但是硫沥青是无定形物质，并且所含有的氢、氧、硫等混合物达50%，它对电流具有绝缘的性质，电性特征的呈现形式为高电阻率(>105Ω·m)和低极化率(<2%)[52]。

如图6所示，含碳质岩石埋深、变质的“石墨化”过程，提高了碳质物的结构有序度，增加了其导电性；而含碳质岩石经受热液蚀变的过程，杂原子的插入大幅度降低了碳质物的导电性。因此，断裂带中的热液活动会改变碳质物的电性特征，进而影响断裂带的电性特征。

5.2 构造热液活动对碳质物连通性的影响

扎西康多金属矿的成矿过程是多期多阶段的，且在矿石的形成过程中伴随着大量脉石矿物的形成，如石英、方解石(图7)。

在岩石中碳质物处于连通的情况下，可以用并联和串联模型来分析岩石的电阻率[53-54]，等效电阻率计算公式为

ρp=ρx·ρy/(φy·ρx+φx·ρy)

ρs=φx·ρx+φy·ρy

其中：ρp为并联电路的等效电阻率；ρs为串联电路的等效电阻率；ρx、ρy分别为岩石中不同矿物的等效电阻率；φx、φy为对应矿物的体积分数。

设碳质物(石墨)的电阻率为10-5Ω·m[55](扎西康矿区未测定碳质物的电阻率，用石墨电阻率代替)，体积分数为1%～5%；矿石的电阻率为1 Ω·m，体积分数为1%～5%；石英、方解石等脉石矿物的电阻率为103Ω·m，体积分数为5%～10%；造岩矿物的电阻率为102～103Ω·m，体积分数为80%～95%。如图8-A所示，断裂形成前，地层的等效电阻率模型，约为10-3～10-2Ω·m；如图8-B所示，断裂形成后，矿石、脉石等矿物填充断裂，破坏了碳质物的连通性，地层的等效电阻率模型，约为102～103Ω·m。也就是说，断裂带破坏了碳质物的连通性，引起了明显的岩石电阻率变化。

图6 碳质物性质变化引起的电性特征变化的示意图Fig.6 Changes in electrical characteristics caused by changes in carbonaceous properties

图7 断裂带中脉石、矿石及碳质板岩的空间关系Fig.7 Photographs showing spatial relationship among gangue, ore and carbonaceous slate in the fault zone(A)脉石矿物切断了含碳质岩石; (B)脉石矿物包裹着闪锌矿、碳质板岩等的角砾；(C)脉石与矿石共同夹持于含碳质岩石中

图8 构造热液活动对碳质物连通性影响的等效电路模型Fig.8 An equivalent circuit about the connectivity of carbonaceous material influenced by hydrothermal activity(A)构造热液活动前，碳质物的连通性未被破坏，碳质物与造岩矿物组成并联电路模型；(B)构造热液活动后，碳质物的连通性被脉石破坏，碳质物与脉石矿物组成串联电路模型

因此，高阻低极化率条带的地球物理响应，可能存在2种解释。一种解释是断裂带中的热液活动对岩石中碳质物的性质影响：成矿流体可以在流动溶液中以淋滤方式搬运物质，也可以在停滞不动的溶液中以扩散方式搬运[56]。碳质物的蚀变程度取决于流体系统的温压和氧化-还原参数及原来碳质物的结构有序度[5]。扎西康含矿断裂带中心，以淋滤方式形成了约10 m宽[57]的矿体，而整个断裂带以物质扩散及热传导方式维持了碳质物蚀变所需要的温压条件和氧化-还原参数，形成了宽度为250 m的碳质物蚀变带。所以，图3-A中V及Ve矿脉所处的低极化率条带，可能为碳质物性质变化引起的地球物理响应。

另一种解释是断裂带中的热液活动对岩石中碳质物连通性的影响：断裂带核部形成了约10 m宽的矿体，而整个断裂破碎带被方解石、石英等脉石矿物充填。所以，图3-A中V及Ve矿脉所处的低极化率条带，也可能为碳质物连通性变化引起的地球物理响应。

5.3 含碳质岩石中构造热液活动的找矿意义

在寻找热液型矿床时，往往“跳过”含矿热液而直接找矿了，这样损失一道环节就会漏掉很多信息，造成找矿成功率的降低，甚至造成找矿的重大失误。在碳质地层赋矿的矿区(如西藏扎西康)，含矿热液在含碳质岩石断裂带中形成矿体的同时，可能蚀变碳质物或破坏碳质物的连通性，即矿体形成与碳质物蚀变或碳质物连通性破坏是构造热液活动的标志物。在含碳质岩石中运用电法手段寻找隐伏矿体时，对目标体大(宽数百米)、电性变化大的构造热液活动带的勘查，比对目标体小(宽10 m)、与围岩电性相近矿脉的勘查更加可靠。那么，可以通过构造热液活动引起的电性异常，指示成矿流体的路径，最终找到矿体。该找矿思路本质上来说是以寻找一种地球物理响应大的成矿流体标志物(构造热液活动带)，来间接确定另一种地球物理响应小的成矿流体标志物(矿体)。通过激电中梯测量可以在平面上定位构造热液活动带。其地下产状则通过音频大地电磁测深来进行分析。

含碳质岩石中以构造热液活动带为勘探目标的找矿思路有重要意义。广义上的找矿意义：碳质物在铀、金等稀有金属或贵金属的成矿过程中起到重要作用[58-59]，所以该找矿思路对赋存于含碳质岩石中难以引起较大地球物理异常的稀有金属或贵金属矿脉的地球物理找矿有实际意义。

地域上的找矿意义：扎西康铅锌锑多金属矿是特提斯喜马拉雅铅锌锑金成矿带内的典型矿床。青藏高原隆升的过程是岩石变质程度加剧的过程，也是碳质物石墨化程度加深的过程，导电性增强的过程；后碰撞伸展作用，是深部流体上涌的过程[60]，也是碳质物的性质及连通性变化的过程，导电性减弱的过程。一隆升一伸展，构造热液活动所造成的碳质物性质和连通性的变化，会引起含碳质岩石电性特征的较大变化。那么本文提出的以构造热液活动带为目标的找矿思路，对特提斯喜马拉雅铅锌锑金成矿带内以含碳质岩石为围岩的热液型矿床勘探有借鉴意义。

6 结 论

a. 音频大地电磁测深和激电中梯剖面测量，发现碳质板岩呈现低阻(10-0.4～101Ω·m)高极化(9%～20%)特征，赋矿断裂呈现高阻(102～103Ω·m)低极化(1%～5%)特征。高温燃烧法的测量，发现有机碳的质量分数高达2%。高含量的碳质物会影响岩石的电性特征。

b. 通过分析构造热液活动对碳质物性质和碳质物连通性的影响，认为高阻低极化条带的形成存在2种可能的解释：含碳质岩石经受热液蚀变，杂原子的插入大幅度降低了碳质物的导电性；热液形成的脉石矿物破坏了碳质物的连通性。

c. 提出了赋存于含碳质岩石断裂带中热液型矿床新的找矿思路：根据成矿流体在含碳质岩石中形成矿体的同时，还蚀变碳质物或破坏碳质物连通性的可能，提出在含碳质岩石中通过寻找有规律变化的电性异常来识别构造热液活动，达到间接找矿的目的。通过激电中梯测量可以在平面上定位构造热液活动带。其地下产状则通过音频大地电磁测深来进行分析。

d. 提出含碳质岩石中以构造热液活动带为勘探目标的找矿思路有重要意义，对赋存于含碳质岩石中难以引起较大地球物理异常的稀有金属或贵金属矿脉的地球物理找矿有实际意义。青藏高原的隆升和伸展过程中，构造热液活动所造成的碳质物性质和连通性的变化，会引起含碳质岩石电性特征的较大变化；且特提斯喜马拉雅成矿带内发育了巨厚的含碳质岩石和众多多金属矿床，为上述找矿方法的应用提供了足够的空间基础。