可控源音频大地电磁法在大平山地区矿产勘探中的应用

林建勇， 杜广仁， 陈 辉

(1. 江苏省核工业二七二地质大队，江苏 南京 211102；2. 核工业二四○研究所，辽宁 沈阳 110032；3. 东华理工大学 地球物理与测控技术学院， 江西 南昌 330013)

大平山地区是我国重要的铁铜矿产地之一，位于南京市南郊江宁区横溪镇西部，处于宁芜火山岩盆地中段边缘，区内广泛分布着中生代陆相火山岩(王少华等，2014；梁峰等，2014)。研究人员曾在南京江宁县一带进行过1∶5万地质调查工作(1)王尹，杨生.2015.南京市江宁区娘娘山、太平山CSAMT综合成果报告.江苏省核工业二七二地质大队.。之后，冶金、地质和化工等部门的生产单位也对该地区进行了大量的矿产普查勘探和地质研究工作，不仅探明了大量的矿产储量，而且积累了极其丰富的地质资料(张昆等，2015)。

可控源音频大地电磁测深法(简称CSAMT)是为了解决音频大地电磁法(AMT)天然场源信号弱、干扰大等问题，提出利用人工电磁场源进行发射的一种频率域电磁勘探方法(卢鸿飞等，2013；钟幼生等，2015；黄兆辉等，2006)。该方法具有勘探深度范围大、观测效率高、横向分辨能力高、抗干扰能力强等特点，已被广泛应用于固体矿产勘探、地热勘探、环境工程勘查等方面(崔江伟等，2015；杨振威，2013；汤井田等，2010；许广春，2011)。

本研究将利用CSAMT法查明大平山地区断裂及延伸情况，为矿产勘探提供参考资料。首先，通过收集以往该地区的地质调查资料及实地的物性资料，总结研究区的地质地球物理概况，然后对大平山地区重力数据进行分析处理，简述CSAMT方法剖面实施的原则，最后详细讲述CSAMT方法的原理、数据处理过程以及反演解释结果。

1 地质和地球物理概况

1.1 地质概况

大平山地区内出露的地层主要是下白垩统龙王山组下段(K1l1)以及中下侏罗统象山群上段(J1-2xn2)，少量中三叠统黄马青组(T2h)，此外有部分次火山岩和侵入岩出露。

大平山测区的构造主要是北东向、北西向构造。北东向构造主要沿岩体与龙王山组接触界线展布，此外在龙王山组内部也可见北东向构造。北西向构造主要位于测区东南部位，构造主要产于龙山组与象山群接触部位。该区的构造主要为张性构造。

1.2 重力场特征

为更全面的反映大平山地区的断裂分布及延伸情况，CSAMT方法的测量剖面应穿过重力异常，并尽可能垂直于断裂走向。由大平山地区布格重力异常图(图2)可见，地区布格重力主要呈中部低，西北高的形态分布。其中，西北重力高由三个椭圆状局部重力高组成，最高约22.6 mGal；最低位于地区中心，异常形态近似椭圆，最低值约20.2 mGal。为了增强重力异常局部特征，对布格重力异常数据进行水平总梯度处理(图3)。从图3中可知，等值线密集(重力异常变化剧烈)区域的水平总梯度值高，最高值位于研究区的中心位置，其值约为13 mGal/km。CSAMT测线穿过重力异常及向上延拓后的区域重力异常，并垂直于主要边界的走向。

1.3 物性特征

为了研究该区的地球物理特征，在研究区内采集大量露头标本，测定其密度和电阻率参数，测量统计结果见表1。由表1可见，地层岩石电阻率变化规律与岩性、地质年代密切相关，岩石电阻率因地层和岩性的不同而有很大差异。结合测区的电阻率参数特征，将电阻率分为3个级别：①小于500 Ω·m为低阻层；②500～2 000 Ω·m为中阻层；③大于2 000 Ω·m为高阻层。地层岩石密度变化规律与岩性密切相关，同一地层或地层年代相近的地层，岩石密度因岩性的不同而有很大差异。结合各分区的密度参数特征，将密度分为3个级别：①小于2.4 g/cm3为低密度层，②2.4～2.5 g/cm3为中等密度层，③大于2. 5 g/cm3为高密度层。

表1 岩石标本物性参数表

下白垩统娘娘山组上段为黝方响岩和响岩熔结集块岩，电阻率为705～18 506 Ω·m，均值为4 121 Ω·m；密度为2.45～2.51 g/cm3，均值2.49 g/cm3，为高阻中密度层。下白垩统娘娘山组中段为熔结凝灰岩和熔结火山角砾岩，电阻率为209～78 049 Ω·m，均值为2 101 Ω·m；密度为2.41～2.65 g/cm3，均值2.56 g/cm3，为高阻高密度层。下白垩统娘娘山组下段为粗面质凝灰角砾(熔)岩，电阻率为295～628 Ω·m，均值447 Ω·m；密度为2.28～2.40 g/cm3，均值2.34 g/cm3，为低阻低密度层；下白垩统白头山组上段为粗面质凝灰熔岩，电阻率为643～2 224 Ω·m，均值1 477 Ω·m；密度为2.59～2.67 g/cm3，均值2.65 g/cm3，为中阻高密度层。下白垩统龙王山组下段为安山质火山角砾岩和安山岩，电阻率为258～7 770 Ω·m，均值为1 118 Ω·m；密度为2.12～2.50 g/cm3，均值2.31 g/cm3，为中阻低密度层。侏罗系中下统象山群组上段为长石石英砂岩加碳质页岩泥质粉砂岩，其中泥质粉砂岩电阻率为186～242 Ω·m，均值为212 Ω·m，长石石英砂岩电阻率为293～850 Ω·m，均值为465 Ω·m；密度为2.37～2.45 g/cm3，均值2.42 g/cm3，为低阻中密度层；另外硅化强烈岩石，电阻率为1 118～8 357 Ω·m，均值为3 132 Ω·m密度为2.31～2.60 g/cm3，均值2.54 g/cm3，为高阻高密度层。

区内侵入岩主要以二长斑岩和石英二长斑岩为主，其中岩体石英二长斑岩电阻率为197～1 539 Ω·m，均值为412 Ω·m；密度主要为2.32～2.55 g/cm3，平均密度为2.42 g/cm3，为低阻中密度层。根据前期电法剖面结果显示，岩体在地表50 m以浅表现为低阻，而深部岩体则表现为高阻。物性标本采集均来自地表露头，其低阻特征可能是因为破碎、含水性等因素引起，只能指示地表岩体的电阻率特征。因此，通过重力勘探和CSAMT方法能够比较有效地区分该地区的地层和构造特征，为该区域的深部找矿提供有效的参考。

2 方法技术

2.1 CSAMT方法原理

CSAMT法针对音频大地电磁法天然场源信号弱、不可控以及人为干扰较强等缺点，通过接地长导线激发频率域人工电磁场源，然后在波区仿照AMT的野外工作方式测量相互正交的电磁场分量Ex和Hy，再利用卡尼亚视电阻率计算公式得到视电阻，其视电阻率(ρω)计算公式为：

(1)

式中，μ为磁导率；ω为角频率。由于介质对电磁波有吸收作用，电磁场衰减到1/e时的电磁波传播距离即为趋肤深度δ：

(2)

式中，ρ为介质电阻率，f为电磁波频率。根据经验，探测深度D与工作频率和大地电阻率有如下关系：

(3)

因此，探测深度与电磁波频率有关，电磁波频率增大，探测深度变浅；CSAMT就是利用这一原理，通过改变发射的电磁波频率来改变探测深度，从而达到测深目的。

2.2 数据采集

CSAMT方法数据采集采用的是赤道偶极工作装置，阵列方式采集，大大提高了作业效率和采集数据精度。图4为CSAMT观测系统布置、接收装置布置。工作中，将供电端布设在距离测线7～10 km处，且平行于测线方向放置，测量端以阵列方式，逐个排列进行测量，一台发射机发送信号，主接收机和辅助接收机同时进行测量，用布设不极化罐和埋设磁探头的方式接收电场信号和磁场信号，由于每个接收机有3道，一次可以接收6个极距的数据。频率采集的范围在8.33 Hz到7 680 Hz，采集周期为40分钟，最大供电电流为15 A。结合研究区地质资料和重力场特征，在研究区布设测线一条(图1，2)，共42个测点，点距为25 m。

2.3 数据处理

CSAMT观测数据首先通过V8系统的处理软件系统进行，预处理后的数据导入2D大地电磁二维处理与解释软件。对原始数据进行去噪处理，剔除干扰段数据，并绘制视电阻率-频率断面图和相位-频率断面图，再通过二维反演，绘制出二维反演断面图。通过分析以上图件，划分出异常区域，并结合已有的地质材料，进行综合解释判断，分析断裂构造分布及延伸情况。数据处理步骤如图5示。

3 CSAMT方法在大平山地区的应用

视电阻率和相位曲线随时间的变化特征可以定性的反应出地下地质情况随深度的变化特点，从而可以很直观地对典型结构做出初步判断(王艳等，2009；郑秋月等，2015；陈龙伟等，2012)。资料的定性分析是针对频率域的资料进行的，依据不同地质构造、电性分布特征的大地电磁响应规律，分析提取原始资料中的地质信息，定性地把握地下电性层的分布特征、地层起伏变化情况、局部构造、构造单元划分等，为进一步的定量解释提供依据，同时评价、检验、落实定量解释成果的可靠性(吴琼等，2015；马国庆等，2012；高玉文等，2012；许闯等，2013)。然后对CSAMT数据进行二维连续介质反演，并结合剖面的重力异常及重力水平总梯度异常，得到最终的解释成果。对测量得到的CSAMT数据，先通过定性分析方法得到视电阻率-频率断面图和相位-频率断面图。

为更好的得到大平山地区的断裂分布及延伸情况，结合重力剖面数据与二维连续介质反演电阻率断面图，进行综合解释，结果如图6所示。由图6可知，测线大部分区域出露白垩系下统龙王山组下段地层，岩性以安山质火山角砾岩、角砾集块岩为主。测线中部1 800～2 150点及测线南端出露侏罗系中下统象山群，岩性以长石石英砂岩为主，偶夹有粉砂岩、炭质页岩，进一步进行地电分析，划分断裂和地层。

地电分析：电法剖面垂向上以高阻团块为标志，可分为3段。横向上变化较大，呈现高-低-高-低-高的变化趋势，低阻与高阻间隔。

断裂划分：F6-1，位于2 400点附近，为地层内部断裂。重力水平总梯度有异常显示，二维电法剖面中显示为低阻，推断为断层破碎带或者低阻岩类如炭质页岩、粉砂岩等引起。根据电法剖面异常判断，该断裂深度可能在海拔-600 m以深，断裂方向NE向，倾角60°，倾向SE，断裂性质为正断裂，推测断距为60 m。

F6-2，位于2 150～2 200点之间，为地层内部断裂。地表有出露，重力水平总梯度有异常显示，二维电法剖面中显示为低阻，推断为断层破碎带或者低阻岩类如炭质页岩、粉砂岩等引起。根据电法剖面异常判断，该断裂深度可能在海拔-600 m以深，断裂方向NE向，倾角60°，倾向SE，断裂性质为正断裂，推测断距为100 m。

F6-3，位于1 500点附近，为象山群内部断裂，上被龙王山组覆盖。重力水平总梯度有异常显示，二维电法剖面中显示为低阻，推断为断层破碎带或者低阻岩类如炭质页岩、粉砂岩等引起。根据电法剖面异常判断，该断裂深度可能在海拔-600 m以深，断裂方向NE向，倾角70°，倾向SE，断裂性质为逆断裂，推测断距为50 m。

地层划分：根据电法剖面显示，该剖面整体为一个背斜构造，南部为向斜构造。背斜核部出露象山群，向斜核部为龙王山组。从上往下可以分为3层，北部上层高阻-次高阻对应龙王山组，南部向斜核部龙王山组则表现为低阻，可能为破碎带等因素引起，厚度小于150 m。中部中阻夹低阻团块地层为象山群地层，厚度小于400 m，低阻可能为断层破碎带或者低阻岩类如炭质页岩、粉砂岩等引起。下部中-高阻为三叠系黄马青组，在工区SE角有出露，未见底。

通过对CSAMT和重力两种不同数据进行综合分析，确定了大平山地区的地层和断裂构造的地下空间分布及延伸情况。结合岩石的物性参数、含矿岩体、成岩成矿背景及钻探等综合的地质、地球物理资料，CSAMT方法可针对性的勘查控矿因素以断裂构造为主的矿床。

4 结论

从太平山地区测线断距分析可知，一般断距在100 m以内，多数在50 m左右。断裂深度多数在海拔-600 m以深，断裂走向以NE、NW向为主。结合该地区钻井资料得到较好的验证。综合利用地表地质、电法及重力资料，可以划分出各个剖面的断裂。断裂在地表一般表现为岩脉充填、可见破碎带，电法剖面一般可见相对低阻，重力水平总梯度呈现异常，说明CSAMT方法在分析断裂构造分布和延伸情况时，能够取得较好的效果。在进行相关解释时，建议综合参考其他的地质和地球物理材料，使解释结果更准确，分析更全面。