可控源音频大地电磁法在西秦岭美武岩体北缘矿产预测中的应用

刘 诚，魏立勇，张 振，李 含，刘宁波

中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710100

1 前 言

论文研究的美武岩体位于西秦岭造山带中部，秦岭造山带内发育着大量的中生代花岗岩，花岗岩的成因及其形态对理解区域构造运动演化具有重要意义[1]，与此同时花岗岩类的分布及发育状况同多金属矿床关系密切，对找矿勘探具有重要的指示意义。而美武岩体作为西秦岭造山带内最大的复式岩基，目前对其研究仍显薄弱，地质、地球物理成果匮乏，具有广阔的研究空间。近年来，张宏飞、朱永新等对美武岩体中花岗闪长岩和黑云母花岗岩的地球化学特征进行了初步研究[2-3]，骆必继等对美武岩体进行了锆石U-Pb年代学、主量元素、微量元素和Sr-Nd同位素的综合研究,探讨了该区的构造演化和深部地球动力学背景[4]。上述研究多是通过地球化学手段对岩体的物质组成、形成年代进行探讨，但对于区域成矿机制及找矿前景鲜有讨论。这次工作基于前期在区域内完成的水系沉积物测量及岩石地球化学剖面结果，希望通过地球物理手段解决厚覆盖区下，传统地质、地球化学手段对美武岩体北缘边界接触关系难以判明，岩石地球化学剖面提供的异常缺乏合理解释等关键问题。进而为厘清美武岩体边界形态及其同地层间的接触关系，以及为区域矿产预测提供物探依据。

可控源音频大地电磁法(CSAMT)为频率域电磁勘探手段，它克服了音频大地电磁法(AMT)、大地电磁法(MT)在中低频段天然场源信号微弱的缺点，具有分辨能力强、勘探深度大、观测高效等特点，是研究深部地质构造和寻找隐伏矿的有效手段[5-7]。利用CSAMT法对美武岩体北缘周边开展3条可控源音频大地电磁剖面测量，为进一步验证研究区化探异常、确定花岗岩体同围岩的接触关系，评价深部地质环境以及圈定找矿有利地段提供重要的地球物理依据。

2 研究区地质概况及野外工作布置

2.1 研究区地质概况

可控源电磁法工作区位于美武岩体北缘那芒库曲综合异常区(图1)，地处西秦岭造山带北亚带，南侧以合作―岷县断裂与西秦岭造山带南亚带相连，北侧以商丹断裂为界与祁连―北秦岭造山带相连。工作区范围内褶皱断裂构造发育，岩浆活动强烈，周边出露多处岩体[8-9]。

区域主要出露有泥盆系、石炭系地层，地层主要分布于东北部的力士山―德合茂北部一带，位于力士山―新堡复背斜轴部，背斜两翼依次出露的地层有二叠系和三叠系、侏罗系、第三系及第四系。

西秦岭广泛发育中生代侵入体，这些侵入体岩性多样，主要侵位于显生宙地层中，这些岩体与区内成矿关系密切，与围岩呈明显的侵入接触关系。其中美武岩体位于西秦岭造山带的中部，其地理位置位于合作市东南部，是西秦岭造山带内最大的复式岩基。岩体出露于美武乡—冶力关乡，在平面展布上呈不规则的金鱼形，东窄西宽，东西长约50 km，最宽处约16 km，长轴方向近东西，与区域构造线方向一致，面积约为420 km2，其围岩构造形迹与岩体边界基本一致，侵入于石炭纪和二叠纪地层中，与地层呈侵入接触关系，岩体南缘覆盖较厚，北缘接触面均为外倾，倾角30°～80°。

2.2 研究区地球物理特征

系统搜集研究区及邻区各岩矿石的电阻率和极化率参数，发现未发生蚀变的安山岩和闪长岩体均表现为高电阻、低极化率特性，而蚀变后含有金属硫化物的岩矿石表现为相对低电阻、高极化率的特性。另外区域内砂岩相较于花岗闪长岩、花岗岩等侵入岩则表现为低电阻率特征，但从表1中可知区域内蚀变砂岩和侵入岩体电阻率范围相互重叠，通过电阻率参数区分严格的岩体边界可能存在一定的困难[10]。同时从采集标本过程中所做的记录来看，在那芒库曲工作区，地表覆盖较厚，几处采集标本的老探槽中出现砂岩、变质砂岩及侵入岩大量共存的现象，对于从电阻率角度区分蚀变砂岩及岩体具有一定困难。

2.3 野外工作方法

CSAMT测线位置依据在研究区前期完成的岩石地球化学剖面进行布置，主要目的是查明美武岩体北缘边界在地表厚覆盖下空间展布形态及分布范围以及地球化学异常的来源机制。根据岩石地球化学剖面资料设置主剖面同化探剖面重合，即CSAMT剖面呈175°方位角近南北向延伸，垂直于美武岩体北缘接触带，为了有效控制异常设置剖面点距40 m，以地球化学岩石剖面为中心线距500 m。

3 CSAMT测量结果及解释3.1 L500剖面解译

通过图2所示的L500线CSAMT二维反演电阻率拟断面图可以看出，L500线剖面电阻率主要分为低-高-低的三层电性特征，在剖面近地表20～30 m范围内基本为100欧姆米以下的低阻异常为主，推断为近地表低阻的第四纪覆盖，由图中可知覆盖层厚度自北向南逐渐减少，至后期断裂河谷处覆盖近乎消失，证明剖面南侧逐渐接近岩体核心部位。L500线剖面南北差异显著，剖面北端以中低电阻率为主，在剖面600 m处南侧以超过1 000欧姆米的高阻异常为主，高阻异常近连续，结合前期岩石电性参数实验推断其对应美武岩体，高阻异常一直延伸至剖面底部，进一步可推断岩体自深部大规模上涌侵入原岩地层，高阻异常对应中酸性花岗岩岩体。同时在高阻异常间还出现部分低阻异常的电性过渡带，结合区域地质推断其为被岩浆活动破坏改造的砂岩地层，亦可推断为早期美武岩体形成后多期岩浆上涌，岩浆冷却成岩过程中具有使向外扩张的“气球膨胀”模式，故原始围岩发生压扁收缩[11-12]，基于上述作用，早期美武岩体边缘部位产生密集裂隙，进而导致岩体边缘出现电性不均匀异常。综合以上两种推测，在已知大型岩体边缘部位高低阻异常交错的电性结构应是多期岩浆活动同原始沉积地层相互作用的表现。

表1 工作区岩、矿石物性参数表Table 1 Electrical parameters of working area rocks and ores

图2 500线CSAMT反演电阻率拟断面图、地球化学综合异常图Fig.2 The inversion interpretation of CSAMT on No. L500 line and Petrogeochemical profile

在剖面约500 m深度处，有一南北向近水平高阻异常，异常呈条带状，推断其为深部岩浆热液上涌通道，依据岩石电阻率实验其电阻率近1 000 Ω·m，在区域内只可能是花岗岩的反应，但其电阻率略低于其上部的花岗岩体，这进一步证实其通道的性质，同一岩性的岩石其电阻率同矿物组成、含水量、压实程度、埋深均有密切的关系，在多期岩浆作用过程中，作为岩浆热液上涌的通道，其本身具备一定的压强，多次喷流使其压实程度更高，其电阻率表明在此深度存在一显著的岩浆运移通道，在通道上方随着压力释放进一步固结成岩。

结合上图所示化探岩石剖面，元素富集位置均处于CSAMT反演电阻率拟断面图中电性梯度带或存在低阻异常的区域，岩浆携带深部地壳元素在砂岩边界及后期裂隙中富集，而在剖面100～1 200 m处连续大规模高阻异常位置以及1 600～1 700 m处位置，均出现了化探异常极低值，这证明在大型岩体的中心部位难以形成元素富集，只有小岩株及其边缘才是元素富集成矿带有利位置，进一步寻找新成矿靶区的工作应瞄准美武岩体边界的过渡地带，结合物化探异常在小岩株、侵入岩体边界附近开展工作。

3.2 L700线解译

结合实地测量工作发现，工作区地表覆盖较厚，基本无明显露头，但在剖面北端发现多处老探槽，探槽内已被严重覆盖，但探槽周边发现多处变质砂岩。

图3 L700线可控源音频大地电磁反演电阻率拟断面图Fig.3 The inversion interpretation of CSAMT on No. L700 line

通过二维反演电阻率剖面图(图3)可以看出，在L700线剖面下方主要呈现南北分区，深浅分层的电性特征。在剖面自北向南1 600 m范围内，近地表20～30 m范围内存在一薄层低阻异常，异常延伸至地表河谷附近圈闭。这一近地表的低阻异常反映了侧线北端的第四纪覆盖，覆盖层厚度自南向北逐渐增厚，南至河谷附近已出现大量岩体露头，异常同地表观测结果一致。L700线剖面总体呈现南北分区，以剖面200 m处为界分为电性差异显著的两部分，其北侧电阻率整体偏低，南侧为大规模连续高阻异常，在剖面200 m～400 m间为两部分过渡地带。结合目前地质认识，L700线位于美武岩体北边界同早石炭纪地层的接触部位，CSAMT电阻率拟断面图清晰的刻画了美武岩体北边界的侵入范围，推断认为在剖面北侧两百米范围内为原石炭纪砂岩地层，呈现中低电阻率异常。剖面200 m以南已经出现了不同程度的岩浆岩侵入，在200 m～600 m范围内剖面显示多处间隔出现的高低阻异常，推断其为多条清晰的岩浆侵入通道，沿原岩地层薄弱部位上涌进而冷却减压，在破坏改造石炭纪砂岩地层的同时固结膨胀成岩。结合同测线平行的地球化学岩石剖面，此段区域元素富集最为明显，证实美武岩体北缘边界同原岩地层发生了充分的成矿物质交换并沉淀富集，在岩浆侵入原岩地层过程中一定伴随应力作用使接触部分及周边出现破碎，为矿物富集提供有利空间，可以结合化探异常作为下一步工作方向。

在剖面600 m以南，显示为大面积高阻异常，其电阻率均在1 000欧姆米以上，结合前期测定搜集的岩石电性参数，推断此处大规模高阻异常对应美武岩体，深部岩浆自南侧及深部向外扩散，随着深度的下降电阻率呈缓慢下降趋势，因其压强及岩体密实度逐渐增加，其电阻率呈均匀缓慢下降是岩体侵位于不同深度的表现。在剖面1 500 m处，有一低阻异常，结合地表来看，此处低阻异常对应河谷位置，推测此处异常应为岩浆侵入后发生构造运动，形成后期断裂进而演化为河谷。

在剖面600～2 000 m范围内的连续高阻区域均出现了化探异常极低值，这证明深部成矿物质均匀分布，故在大型岩体的中心部位难以富集成矿，只有小岩株及其边缘才是元素富集成矿带有利位置，在下一步寻找新成矿靶区的过程中应瞄准美武岩体边界的过渡地带，结合物化探异常在小岩株、侵入岩体边界附近开展工作。

4 讨 论

4.1 美武岩体北缘边界

研究区3条CSAMT反演电阻率剖面(图4)电性异常较为相似，总体呈现北侧低阻南侧高阻的特征，由于美武岩体同原沉积地层间电阻率差异明显，故剖面异常形态高低分明。具体到美武岩体同北侧石炭纪砂岩边界位置，通过前文可知，美武岩体北缘呈现出一个复杂而连续的边界形态，岩浆由深部携带能量和物质上涌，在其动能无限减弱时形成岩体边界，伴随岩浆冷却固结成岩的膨胀过程，未固结岩浆一定沿原岩地层软弱地带的所有可能方向延伸，而且结合地球化学对岩体物质组成的分析[2-3]，区域内发生多期岩浆活动，后期岩浆活动会对已有侵入部分再次改造，并沿前期岩浆冷却膨胀成岩过程中形成的隐伏断裂裂隙再次充填，并进一步向外挤压膨胀。故美武岩体边界并不能找到一个陡立明确的边界，深部岩浆上涌多期次改造北缘边界，CSAMT工作展示的正是一个高低阻电性异常交错的多期岩浆活动的边界状态。如果简单对边界予以区分，剖面200 m处以北的区域以低阻的早石炭纪砂岩地层为主，其南侧美武岩体均不同程度侵入，电性结构同砂岩地层存在显著差异，故可以将其称之为岩性分界位置，但所展示的复杂连续的岩体同原岩地层的边界形态仍不可忽视。

图4 那芒库曲异常区CSAMT反演电阻率联合断面图Fig.4 The apparent resistivity inversion joint section of L300-L700 by CSAMT in Namangkuqu

4.2 区域成矿潜力

通过这次工作同化探岩石剖面的综合研究，化探异常均位于反演电阻率拟断面图中高阻异常边缘的电性梯度带位置，即美武岩体同围岩接触部位的破碎蚀变带以及岩体内部裂隙部位；而大规模高阻异常对应岩体中心位置反而出现了含矿元素的极低值。结合以上证据可知，深部岩浆上涌过程中其所携带的深源物质在岩浆热液中均匀分布，而成矿位置则是深源物质通过地质作用富集在有限的空间内的结果[13-14]。诸如美武岩体此类大规模岩基，其中心部位一定是岩浆大规模快速上升形成的，其缺乏同原岩及上覆地层的物质交换过程，故其成矿潜力有限。反而是在岩体边界，岩浆活动上升动力减弱，岩浆热液冷却过程中膨胀作用给围岩带来巨大的挤压应力，从而形成一系列不同尺度的裂隙，这些裂隙区域是水岩反应和成矿物质沉淀卸载的有利场所，同时不同期次岩浆活动在早期岩体边界再次侵入时，也可能造成成矿物质的二次富集，上述位置对应CSAMT工作中高阻异常边缘的电性过渡带。结果中显示的低阻异常规模大、切割深，同传统的地质认知不尽相同，究其原因主要是上述多期岩浆活动造成岩体边界的断裂、裂隙内岩石破碎、蚀变发育，而且其周边裂隙同样发育，这些异常较为细微，势必将造成比构造破碎蚀变带范围更大的低阻体，而且仅能从电性特征予以反映[15]。因此推断美武岩体北缘多处岩体边界及内部的低阻电性梯度带为成矿有利区域，下步可在区域内进一步开展工作，在岩体边界及内部寻找储矿有利空间。

5 结 论

通过在甘肃省美武岩体北缘边界完成的可控源音频大地电磁法探测工作可以得出如下结论：

(1)依据CSAMT反演电阻率拟断面图特征，有效查明了研究区岩体边界、岩体同地层接触关系、隐伏构造位置等地质问题，刻画了厚覆盖区下方美武岩体北缘边界形态及展布，认为多期岩浆活动造就了美武岩体北缘连续复杂的边界，并形成多处成矿潜力较大的破碎蚀变带。

(2)实践证明可控源音频大地电磁法是揭露厚覆盖区地下情况的一种有效手段，对大型岩体边界具备较好的分辨能力。结合电性异常以及岩石地球化学剖面确定的破碎蚀变带即可为下步工作提供有利的成矿靶区，又对区域成矿机制给予合理的推断解释。