青海牛苦头M2矿区深部地球物理异常特征与找矿方向分析

崔明飞，路 瀚，胡登攀，李 进，韩 松，周明霞 ，胡兆国，李 强

(1.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东 济南 250101；2.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074；3.中国冶金地质总局西北地质勘查院，陕西 西安 710119； 4.西安星火地探遥感科技有限公司，陕西 西安 710016；5.云南铜业矿产资源勘查开发有限公司，云南 昆明 650051； 6.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

青海牛苦头矿集区位于东昆仑造山带祁漫塔格地区中段[1-2]，是祁漫塔格找矿成功的典型矿床案例，亦是该区域最大矽卡岩型铅锌矿床之一，已经探明铅锌金属矿资源量达121.57万吨(预测)，磁铁矿达1419.66万吨，硫铁矿矿石量3527.33万吨，铜金属量11.15万吨，铅金属量42.78万吨，锌金属量78.79万吨；伴生银金属量1864.09 t，锡金属量1674.37 t，镉储量有654.53 t[3]。M1、M4及M2三个磁异常区(矿段)为当前主要矿段，M1、M4矿区已成为工业矿床并进行开采，M2矿区为该区域最大的磁异常区，在开采过程中发现与预测成矿深度、成矿区域均不一致，说明M2与M1、M4的成矿系统(源区、涌道、场所)可能不一致或者成矿构造方面存在很大差异，这引起了多家单位、各大高校和研究院所学者的注意，地质工作者做了大量的研究工作[2-9]，均没有取得突破性进展，故M2区块深部综合地球物理勘探成为重点支撑的方法技术和手段。

为了能够对M2矿区控矿断层形成准确的认知，该地区做了详细的地球物理勘探。前人对开采区M1、M4与铅锌多金属矿成矿密切相关的花岗质岩体有丰富的成矿认识[10]，本研究重点针对M2磁异常区已发现具矿化的矽卡岩和铁多金属矿(化)体(特别是ZK0005已发现分布在深部花岗岩凹陷区段的矽卡岩)开展工作，通过重力剖面测量和音频大地电磁剖面测深，结合收集的高精度地磁和航磁资料等综合物探方法，探测M2区块深度约为1000 m铅锌矿的时空分布特点和成矿特征，研究M2磁异常区矽卡岩空间分布特征，基本查明M2磁异常区矿体的矿化特征、形态和规模。通过综合地球物理探测发现，该区块的控矿因素、热液涌道、成矿构造与M1、M4区有所差异。本次研究成果揭示了牛苦头矿区花岗质岩浆岩大致可以为两期，M1和M4矿段的花岗闪长岩为海西期，M2区二长花岗岩应该是印支期。该地区存在深部成矿的有利条件，研究成果将对该区块后期再找矿勘探有着新的指导意义。

1 地质概况

该区在大地构造区域上处于祁漫塔格与柴达木陆块邻接部，构造单元划分隶属于东昆仑晚加里东时期造山带亚带。地层属于秦祁昆仑地层区，牛苦头及外围出露地层主要有古元古界金水口岩群、上奥陶统滩间山群、上泥盆统牦牛山组、下石炭统大干沟组、上石炭统缔敖苏组、中下二叠统打柴沟组和第四系等，可推断出测区在石炭系之下存在下古生界及元古界。区域内侵入岩较发育，受断层控制明显，总体呈NW向展布。侵入活动主要发生在新元古代、泥盆纪、三叠纪等时期。区域内的火山活动主要有两期：①古元古代火山岩经受了强烈的变质变形改造，形成环境应属板内拉张的构造环境；②晚泥盆世火山岩整体变质程度低，该期火山岩可能形成于板内挤压环境。该矿区地质构造复杂，成矿背景良好，区内主要矿种为铜、铅、锌、铁多金属矿，矿床类型有岩浆岩型、矽卡岩型、热液型等，以矽卡岩型为主[11-13]。青海省牛苦头地区铅、锌、铁、铜多金属矿床是近年来发现的规模较大的铁多金属矿床，花岗岩与上石炭统碳酸盐岩接触时形成的含矿矽卡岩带是区内主要的赋矿层位[14-15]。

M2研究区多为第四系覆盖，局部出露上石炭统缔敖苏组，中部及外围东南部出露奥陶系—志留系滩间山群大理岩、华力西期花岗闪长岩与石英闪长岩，西部出露印支期花岗岩。研究区及外围脉岩较发育，基性岩脉、中性岩脉、酸性岩脉三类均有发育；研究区内构造活动强烈，隐伏断层较为发育，集中在东部地区，且NE向断层对主走向(NW向)断层有明显的错断，断层对研究区的矿化及成矿起着重要的推进作用(图1、图2)。花岗岩与上石炭统碳酸盐岩接触时形成了含矿矽卡岩带，是区内主要的赋矿层位，该区地质现象典型，构造变形复杂，成矿条件优越，主要矿种为铜、铅、锌、铁多金属矿，矿床类型有岩浆岩型、矽卡岩型、热液型等，以矽卡岩型为主要矿类型。研究区矽卡岩整体上可分为两个层带，一是地层上部铅锌矿化型矽卡岩带，形成上部铅锌矿体；二是地层底部的铁矿化、铜矿化型矽卡岩带，形成下部磁铁矿体、黄铜矿体，两矿层之间界线明显，其各自的赋矿矽卡岩类型也不一致。该区域矿石矿物生成早期以磁铁矿、磁黄铁矿和黄铁矿为主，然后为黄铜矿-磁黄铁矿-黄铜矿热液成矿阶段；晚期以方铅矿和闪锌矿组合为主，为方铅矿闪锌矿热液成矿阶段。

图1 东昆仑地区大地构造简图(a)与祁漫塔格地区地质矿产略图(b)(据文献[4，10])

图2 牛苦头矿集区地质简图(据文献[2])

2 地球物理特征

2.1 岩(矿)石物性特征

牛苦头矿区地层属秦祁昆地层区，其中滩间山群和缔敖苏组为赋矿地层。研究矿区地层及岩石的密度、电性、磁性特征是本次地球物理勘探解释与推断工作的基础，经过实际采集测试和物性资料收集统计，形成了本次研究的岩(矿)石物性成果资料(表1)。本次统计均采用平均值统计法，分析采用柱状图与曲线识别法。

通过表1研究分析，研究区电阻率整体表现为高值，仅磁(黄)铁矿为低电阻率(15.6 Ω·m)，其余均超过1000 Ω·m，变化范围在1864.2～7942.8 Ω·m之间；整个研究区的极化率变化范围在1.32%～1.60%之间，而磁(黄)铁矿达到了54.5%，整体属于低极化特征；磁性特征方面，磁(黄)铁矿和磁铁矿化矽卡岩为特强磁性特征，二长花岗岩和花岗闪长岩为弱磁或无磁，其余均为中等偏强磁性，特别注意的是，锌矿化矽卡岩的磁化率为243(4π×10-6SI)；平均密度值与矽卡岩有关的矿化岩石均为3.9 g/cm3，基地花岗岩密度在2.60～2.70 g/cm3之间，方铅矿闪锌矿化矽卡岩与花岗岩的密度差约为2.0 g/cm3，其余多金属矽卡岩矿(化)石与花岗岩的密度差也很大，具有明显的密度差异。

表1 青海牛苦头地区岩层物性参数统计

含炭质大理岩和含炭质灰岩能引起激电异常，将成为研究区的干扰异常。综合分析来看，磁铁矿化矽卡岩和磁铁矿矽卡岩的磁性远强于其他岩(矿)石，矽卡岩性矿体也存在高磁特性，同时磁(黄)铁矿的电阻率远低于其他岩矿石，其极化率却高于其他岩矿石(研究过程需特别注意)。本次研究总体以古生界为主要目标地层，有最老的志留系—奥陶系滩间山群上段(OST3)至最新的二叠系打柴沟组(P1-2d)。早期花岗岩具有无磁性、低极化率、高电阻率、低密度的特性，只有极化率与矽卡岩矿(化)石接近一致，其他均有差异。上石炭统缔敖苏组(C2d)是矽卡岩矿化的主要成矿地层。整个地层由老至新(花岗闪长岩至第四系)，磁性由弱至强，电阻率由高至低，密度由低至高。综上，牛苦头地区的矽卡岩型矿床具有“三高一低”的物性特征，即高磁特征、高密度、高电阻率、低极化率(不含磁黄铁矿)，为深部综合地球物理找矿提供了岩石物性基础。

2.2 重力场异常特征

本次研究在M2区块重力、AMT测线方向为NNE向，重力线距200 m、点距40 m，每条剖面1.5 km，总共12条剖面，总长18 km，测线编号由西至东从64号线开始，以8为间隔依次递减至00号线，从00号线向东以第1条07#剖面，以8为间隔依次递增至23#剖面，测点编号由南向北，南段起点为20，以点距40 m递增至北端96号点；音频大地电磁测深(AMT)由西部56#至东端23#勘探线，按400 m间距(跳跃1条重力测线)，总计系统测制了6条音频大地电磁测深剖面(56#、40#、24#、08#、07#、23#)，单剖面长度1.0 km，点距50 m，从重力剖面的南段30号测点开始，以点距50 m递增至80号测点，重力、AMT均以2为间隔由南向北递增点号。

研究区M2区域较小，重力起算点(重力基点)重力值为-979 170.000×10-5m/s2。研究区重力场总体呈西低东高的抬升趋势(图3)，最低值位于西部64线，约-0.2×10-5m/s2，最高值位于东部23线中北段，约4.7×10-5m/s2，布格重力异常形态变化较为复杂，M2区块中部“S”型梯级带将重力场分为东西两个高低不同异常区域。研究区西测布格重力异常总体变化较为平缓，基本是由南北两个变化渐缓的重力低异常区组成。此处地表均为第四系覆盖，在研究区以外西南角发育印支期二长花岗岩，其密度为2.7 g/cm3，是第四系之外密度最低，结合钻孔资料推测该处重力低主要由缔敖苏组(C2d)炭质灰岩等沉积地层和二长花岗岩共同引起。

研究区东部异常较为复杂，总体特点呈NE走向的高背景重力场区叠加多个范围或大或小的局部异常，最大的局部异常中心区域为NWW走向的椭圆形圈闭异常，范围比较大，并有向东延伸的趋势；南侧则为NWW走向的串珠状重力高、低排列，重力值呈低缓异常；东北角同样是高值重力异常，是向SEE方向突出的鼻状异常，对比地质资料发现，这些重力高值区域分别对应着出露地表的上石炭统缔敖苏组，东北角之外出露较大的印支期花岗闪长岩体。根据前期地质和物性参数可知，缔敖苏组岩性主要为灰岩、大理岩等，其平均密度为3.0 g/cm3，而炭质灰岩平均密度为1.6 g/cm3，小于矽卡岩类平均密度，与矿化类矽卡岩的密度差异范围为1.2～2.1 g/cm3，密度差异明显，可以形成明显的高值重力异常，因此可以肯定的是区块东部重力异常是由岩浆沿断层上侵形成隐伏花岗闪长岩体，岩浆与围岩接触融合后形成矿化类矽卡岩，造成了重力异常的高峰值，且埋藏较浅，有可能向西北倾斜。综合分析认为，NE向断层界面对主走向(NW向)断层有明显的挫断，故该区域可能为构造单元与断层共同控矿。

综合分析重力异常特征，结合磁测资料、AMT反演解译结果，在M2区块推断出一级断层2条、二级断层2条、三级断层1条，共计5条主要断层，主要断层的特征明显，推断依据充分，而次级断层的异常特征较弱，推断依据不充分，因此没有对其进行编号。这里对断层级别的划分与地质上没有直接关系。F1、F2为一级断层，F3、F4为二级断层，F5为三级断层，这与图2中的2条断层认识一致。其中，F1、F3为NEE向断层，F2、F4、F5为NWW向断层，研究区隐伏断层较为发育，集中在M2东部地区，且NEE向断层界面对主走向NWW断层有明显的错断，断层对研究区的矿化及成矿起着重要的推进作用。

图3 M2区布格重力异常等值线图

2.3 航磁异常特征

据1∶1万航磁化极后ΔT等值线平面图(图4)，祁漫塔格地区磁场值整体为低值区，总体以平缓负磁异常为主要特征，大面积负磁场背景中发现一些幅值在10～80 nT的正磁异常区域，最高达182 nT的正异常或局部异常，引起磁性较强的岩石主要是不同时期花岗岩类，普遍存在的下古生界片岩、千枚岩等绿片岩相变质岩均为弱磁性岩石。磁场正异常区域规模较小、梯度变化大，主要受NW向和EW向断层控制，许多高异常点与多金属矿有关[16]。研究区内的航磁梯度带，是寻找大型铁多金属矿床的有利部位，这与重力场形成的认识不谋而合。

图4 M2区块化极后ΔT航磁异常图

研究区磁场总体呈叠加在低背景磁场上的似椭圆形单体高磁异常，长轴走向为NW—SE，异常中心部位呈现明显的条带状强磁异常，异常幅值在80～160 nT之间。根据研究区的岩矿石磁性特征及钻探资料，该区深部发现了方铅矿闪锌矿、磁黄铁矿矿石，局部地段见较弱黄铁矿化、磁黄铁矿化的大理岩；低空航磁成果认为，该高背景磁场是隐伏的印支期岩体引起，岩体埋深较大，而梯度大的尖峰式条带异常主要是磁黄铁矿和矽卡岩的反映。通过分析岩石磁性特征，笔者认为奥陶系大理岩等变质岩系是形成高背景磁场的主要因素，而磁黄铁矿和矽卡岩等引起大梯度尖峰式条带异常。

2.4 电性结构特征

AMT实测断面内电阻率随深度变化情况反映了岩(矿)石之间存在电阻率差异，这种差异既有横向又有纵向，电阻率的横向变化反映水平方向上可能的岩性变化，或者构造特征的存在，垂直方向的电阻率等值线密集地段(梯度带)往往为断层位置；电阻率的纵向变化，反映电阻率随深度的变化，这种变化往往由岩性的变化引起，并且水平等值线密集带中心深度一般推测为岩性水平分界面位置。

M2区块磁(黄)铁矿石、多金属矿石为低阻，而矽卡岩、大理岩、花岗闪长岩为高阻。由于反演电性结构所反映的电阻率分布不仅仅是岩矿石本身电阻率的影响，在实际条件下更多受到岩石的节理发育层度、构造变动等多种因素影响。整个电阻率特征由浅入深形成似“V”字形相对低阻区域，两侧高阻体将相对低阻区包裹在内(图5)，该高阻体可能与侵入岩类的活动有关。研究发现花岗岩在同一钻井中多层产出，多层花岗岩类之间多为变质大理岩，且未见到大段的花岗岩基，故此认为深部高阻体可能并非花岗岩的反映。

图5 AMT联合反演综合图(非线性共轭梯度反演TE+TM)

二维反演的电性结构划分了F1、F2、F3、F4、F5共5条断层，这与重磁结合划分的断层一致，与成矿存在着直接或者决定性的关系，后面将会详细研讨。结合前人的MT测深、高精度磁法资料，并与本次AMT剖面联合分析，认为M2区块浅部为矿化的矽卡岩，具有高磁低电阻率的特性。

以8线为中轴，由浅入深形成“V”字形相对低阻区域，两侧高阻体将“V”字型相对低阻区包裹在内。图6为电阻率三维分布情况，高阻体可能与侵入岩类的活动有关。

图6 M2研究区三维电阻率切片图

3 成矿模式分析

3.1 成矿阶段

依据岩(矿)石物性差异特征分析以及地质、化探、钻井资料综合研究，结合前人的研究经验[16-24]，对该区域的成矿模式进行分析。笔者与前人认识基本一致，矿床大体形成两个成矿阶段。①硅卡岩阶段：早期以造岩矿物-透辉石、硅灰石等无水矽卡岩矿物形成为标志，此阶段几乎未见金属矿物的生成；晚期以含水硅酸盐矿物-绿泥石、绿帘石、透闪石等生成为标志，该阶段磁铁矿少量出现。②热液阶段：早期以形成含水硅酸盐矿物绿泥石、蛇纹石、阳起石为标志；晚期主要以大量的金属硫化物形成为明显标志[25-27]。硫化物多呈脉状、稀疏—稠密浸染状、团块状等，为本阶段晚期产物。磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿形成较早，随之为方铅矿、黄铜矿的形成。

通过高精度重力和AMT方法勘探工作，综合分析研究认为，该矿区上部矽卡岩型铅锌矿化带，其间多为方铅矿闪锌矿，多受地层产状及层间裂隙所控制。研究区内主要成矿类型为矽卡岩型和热液型，其控矿因素主要为印支晚期的侵入岩、有利围岩和断层，这与地球物理异常特征推断结果完全一致。下部矽卡岩型铁矿化、铜矿化带，其间多为磁黄铁矿、磁铁矿、黄铜矿，多为岩体所控制，岩体与围岩(大理岩)的接触面倾角越大，越有利于含铁铜溶液沿地层产状及层间裂隙渗入围岩中，然后富集成矿。

3.2 控矿因素

研究区主体为两层矿体，主要赋矿岩石为矽卡岩，控制矽卡岩带形成的因素就是控矿因素。深部矿床产状与花岗岩类产状总体上一致，浅层矿体产状与部分地层产状基本相同，两层矿体的控矿因素各不一致。上部矽卡岩型铅锌矿化带，其间多为方铅矿闪锌矿，多受地层产状及层间裂隙所控制；下部矽卡岩型铁矿化、铜矿化带，其间多为磁黄铁矿、磁铁矿、黄铜矿，受岩体所控制，岩体与围岩(大理岩)的接触面倾角越大，越有利于含铁铜溶液沿地层产状及层间裂隙渗入围岩中，然后富集成矿，AMT反演结果验证了这一特点。所以区内主要控矿因素有构造(尤其是侵入接触面构造)、岩浆岩和侵入岩物质组分等。

4 成矿靶区预测

牛苦头地区主要为矽卡岩型成因，据其分布特征可以看出，矿产多分布于上奥陶统、中下石炭统碳酸盐岩与华力西期、印支期、燕山期中酸性岩浆岩的接触带上，并受到以NWW向为主的断层控制明显，后期受到NEE向断层控制。成矿晚期主要受NEE向断层控制。区域中部花岗岩类岩体、石炭系和上奥陶统碳酸盐岩以及NWW向断层较集中分布，在矿区内圈定的铁多金属矿体均赋存在深部花岗岩与上石炭统碳酸盐岩的外接触带上以及近地表远离花岗岩体上石炭统碳酸盐岩内部形成的矽卡岩中，与矽卡岩有密切的伴生关系。

4.1 重磁场源分析及与成矿关系

对M2研究区重磁资料的详细分析研究，从重磁异常等值线图上看出研究区西部重磁异源，表现为重力低、磁场强；东部区域重磁可能同源，表现为重力高、磁场强。整体分析认为，高磁场源为矽卡岩矿化的多金属矿体或矿化体，高密度体上层应为磁铁矿化矽卡岩，下部接触带为铅锌矿化矽卡岩，中部可能夹杂其他矿化矽卡岩。

笔者认为，具有“高密度、中-高磁性、高电阻率”的异常体为矽卡岩类及其矿化体，但不一定就是矽卡岩化矿体，磁(黄)铁矿是唯一具有低电阻率、高极化的特征，分析电性结构特征，上部的低电阻率、高极化体为矽卡岩化矿体，下部为铅锌矿化矽卡岩；下部矽卡岩带靠近岩体，其规模可能较大，矿体赋存在矽卡岩带内，M2区块矽卡岩与成矿地质体属于伴生互层关系。整体而言，研究区矽卡岩型铅锌矿集中分布在M2高磁异常的东部区块，东侧延展亦具有很高的成矿研究价值。

4.2 成矿靶区预测

研究区内多金属矿化与花岗岩有较密切的成因联系，最有利成矿的区段在花岗岩与大理岩接触部位形成的矽卡岩带上。根据上述重力异常、视电阻率异常的分析，结合研究区成矿机制，对研究区的有利成矿靶区进行了圈定，圈出一级有利成矿靶区2个，二级有利成矿靶区2个(图7)。

图7 成果解释与成矿预测图

4.2.1 一级有利成矿靶区

Ⅰ-1区 Ⅰ-1区主要跨越07#线、15#线和23#线剖面，紧邻断层F4和F5，位于研究区东部，重力异常幅值较高、范围大，是东部最重要的NWW走向重力异常，也是异常范围较大、低幅值的视电阻率异常C1和C3区。前述已知矿化矽卡岩具有高密度、中等磁化率、高极化率低阻的物性特征，F4和F5断层发育，有利于岩浆热液的运移及发生矿化作用形成矿化矽卡岩和含矿矽卡岩，西部0#线的ZK0005钻孔已经发现星点状磁黄铁矿化、方铅矿化等多金属矿化体，因此认为Ⅰ-1区是研究区最有利的成矿靶区，也是有望发现较大矿体的重点区块。

Ⅰ-2区 Ⅰ-2区跨越剖面08#线、00#线、07#线，横穿F2断层，其北侧是F4断层，位于研究区东北部。重力场呈NW走向的串珠状重力高，幅值最大的局部重力异常位于08#线42号点附近，7#剖面位于范围大、幅值低的视电阻率异常C3的边部，08#剖面处于大范围的低视电阻率C5区。00#剖面上的3个钻孔分布发现了多金属矿化体。据岩矿石物性特征及重电异常圈定为一级有利成矿靶区，靶心区很可能在08#剖面相应区段。

4.2.2 二级有利成矿靶区

Ⅱ-1区 Ⅱ-1区包括00#、08#和16#剖面，沿F1断层分布，并且是F1和F2、F4、F5断层交汇区，位于研究区中部，处于最大的NE走向梯级带的东侧重力高值区，垂向导数异常呈现串珠状异常区，在08#剖面上分别位于有一定宽度的低视电阻率异常C6区。断层有利于岩浆上侵从而利于矿化蚀变的发生，08#剖面上ZK0801钻孔深部发现了黄铁矿化、褐铁矿化及铅矿细脉等现象。依据前述研究区的成矿机制和异常特点，圈定Ⅱ-1区为研究区二级有利成矿靶区，靶心区在08#剖面上F1和F4断层交汇区。

Ⅱ-2区 Ⅱ-2区位于研究区东北部，位于07#剖面北段，处于F1断层下盘，处于研究区最大的NE走向梯级带的东侧重力高值区，局部异常的梯度变化较大，也位于视电阻率异常C4区和高低视电阻率异常转换带。处于F1和F5断层交汇区，断层及其交汇区有利于岩浆热液的上涌及发生矽卡岩化，发生成矿化作用，但也可能只形成矽卡岩矿化，埋深较浅范围有限，因此将Ⅱ-2区定为二级有利成矿靶区，靶心区位于07#剖面74号点附近。

5 结论

基于重力、航磁、AMT地球物理异常特征，综合地质、钻孔资料及前人在该地区研究成果，笔者对重点区块给出成矿靶区预测，为下一步钻孔设计提供了新的地球物理支撑。后经过15号测线中部位置钻孔得到初步验证，发现两个层位的铅锌矿层，初步揭示了矽卡岩矿化体的分布特征及形成通道；本次研究首次详细划分了该区域构造断裂，划分了F1、F2、F3、F4、F5共5条主控断层；明确了地质构造演化特征，矽卡岩矿化的主控因素等信息；查明了花岗岩类及其接触带展布情况；确定了M2研究区岩浆侵入方式，侵入的主要通道为F1断层。依据花岗岩浆侵入通道和花岗岩空间分布特征，推测矽卡岩位于深部花岗岩段附近，浅部低阻异常体即便是矽卡岩，可能遭到破坏无法形成连续有开采价值的矿床。后期钻孔验证了低阻体C1、07测线高阻体R2及23测线高阻体R1的存在，解释结果比较准确。

通过对M2研究区重力、磁法、电法资料的精细化处理与解释，形成了该区域丰富的地球物理资料，研究了断裂构造位置分布、形成期次、以及主要的成矿因素；分析了牛苦头矿区M2区块西侧重磁场源相异性及成因，研究M2矿区东侧上部为矽卡岩矿化的黄铁矿，中间夹有过度底层带，向下为地层矽卡岩矿化体。笔者认为该地区矿床主要受断层控制及热液岩浆上侵影响，依据重磁电异常特征、异常形态及时空特点划分圈闭的异常区域，推断成矿有利区块4处，建议将重点区域向东延展至研究区的东南部。

致谢：本文得到了云南铜业矿产资源勘查开发有限公司大力支持，感谢李小龙工程师、张燕博士，感谢审稿专家提出宝贵修改意见。