音频大地电磁法对黔东高地锰矿床电性结构及犁式正断层的识别

沈小庆，杨炳南，5，周 琦，张德实，何 帅，沈红钱，何永川

(1.贵州省地矿局103地质大队，贵州 铜仁 554300；2.自然资源部基岩区矿产资源勘查工程技术创新中心，贵州 贵阳 550081；3.贵州省地质矿产勘查开发局，贵州 贵阳 550003；4.贵州省地矿局104地质大队，贵州 都匀 558000；5.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074)

1 引言

近十年来，贵州省地质矿产勘查开发局103地质大队在黔东地区以华南南华纪含烃气液喷溢沉积型锰矿床为研究对象，运用锰矿裂谷盆地喷溢沉积成矿理论(周琦 等，2019)，通过长期团体协作，联合攻关，实现了我国锰矿地质找矿重大突破(周琦 等，2016，2017)。多年来，针对黔东地区锰矿成矿地质背景、成矿系统以及找矿关键技术等开展了大量的研究工作，但对锰矿体深部埋藏特征与后期保存条件的研究程度不高。因此，在区内开展具有较大探测深度的音频大地电磁法，研究锰矿体深部埋藏特征具有重要意义。

2 地质概况及地球物理特征

2.1 地质概况

研究区位于扬子地块与华夏地块之间的江南造山带西南段，全国26个重要成矿区带中的上扬子东缘成矿带(陈毓川 等，2006)，处于石阡-松桃-古丈Ⅲ级地堑盆地中的李家湾-高地-道坨Ⅳ级地堑盆地中心(图1)。高地超大型锰矿床属华南黔湘渝地区众多新元古代南华纪早期菱锰矿床之一，是一种新的锰矿床类型——含烃气液喷溢沉积型锰矿床(周琦 等，2019)。

图1 黔渝湘毗邻区南华纪早期武陵次级裂谷盆地结构与构造古地理图(周琦 等，2016)

Guizhou-Hunan-Chongqin Border Area，South China(after Zhou Qi et al.，2016)

1—控制Ⅲ级断陷盆地和隆起的同沉积断层；2—控制Ⅳ级断陷盆地和隆起的同沉积断层；3—Ⅳ级断陷盆地及所控制的锰矿床名称；4—Ⅲ级断陷盆地范围；5—Ⅲ级隆起范围；6—研究区大地构造位置

2.2 地球物理特征

在综合分析矿区及毗邻矿区以往物探工作获取的物性资料基础上(杨炳南 等，2015)，结合实测毗邻李家湾锰矿井下含锰岩系物性数据、钻孔岩性物性数据、岩矿石地表露头物性数据，进行对比分析，归纳了包括白云岩、灰岩、砂岩、炭质页岩、页岩、含砾砂岩、锰矿石、板岩等不同岩(矿)石的物性特征(表1)。经物性特征分析，区内寒武系中上部娄山关组至清虚洞组地层岩性主要为灰岩、白云岩，综合电阻率大于3 000 Ω·m，呈高阻电性特征；寒武系中下部杷榔组至南华系大塘坡组地层岩性主要为页岩、炭质页岩、含砾砂岩，综合电阻率小于1 000 Ω·m，呈低阻电性特征；南华系铁丝坳组至板溪群地层岩性主要为含砾砂岩、板岩，其综合电阻率大于1 500 Ω·m，呈相对高阻电性特征。总体上研究区地层岩性由上至下划分为“碳酸盐岩-碎屑岩-浅变质岩”的三层结构，地下电性结构对应呈“高阻-低阻-中高阻”三层模式(图3)。

图2 研究区地质及AMT工作布置简图

锰矿成矿地质体(大塘坡组第一段，即含锰岩系)主要由炭质、粉砂质粘土岩夹条带状、块状菱锰矿等组成，综合电性特征呈低阻。其上覆的南沱组(Nh3n)含砾粉砂岩和下伏铁丝坳组(Nh2t)含砾砂岩均为高阻电性特征。含锰岩系与上覆、下伏地层岩性电性特征差异明显，具备音频大地电磁法测量前提条件。

表1 岩(矿)石物性特征统计

续表

图3 研究区电性结构特征图

3 AMT数据采集与处理

大地电磁法(MT)是一种采用天然交变电磁场为场源，对地下目标体进行探测的地球物理方法(Cagnaird，1953；Chave and Jones，2012)。经过多年来的深入研究与实践，大地电磁法已经逐步成为应用最广泛的电磁勘探方法之一。音频大地电磁法(AMT)是大地电磁法在高频段的衍生，被广泛的应用在地热、矿产、工程、环境及地灾勘探中(郑彦丰 等，2017；严小丽 等，2019)，具有探测深度大、不受高阻屏蔽、对低阻层分辨率高、施工简单等优点(刘国兴，2005)。

3.1 数据采集

图4 音频大地电磁测深观测系统示意图Fig.4 Diagram of AMT measuring device

3.2 数据处理

使用凤凰公司的SSMT2000软件对数据进行预处理。首先按照野外班报记录更改每个测点的参数信息，然后对原始的时间序列的AMT记录进行傅氏变换，之后用Robust功能模块对每个测点的数据进行再处理，得到了用于编辑的互功率谱，使用MTeditor进行子功率谱挑选，剔除受干扰而畸变的子功率谱。预处理后的数据导入MTSoft2D软件，进行编辑平滑、极化模式识别(Egbert et al.，1986)、静态校正(Jiracek，1990)、地形校正(韩骑 等，2015)、空间滤波等处理。

4 正断层模型建立与反演计算

4.1 正断层模型建立

据ZK3504、ZK3111等钻孔资料，研究区主要岩性自上而下依次为娄山关组白云岩、石冷水组白云岩、清虚洞组灰岩、杷榔组页岩、变马冲组页岩及炭质页岩、南沱组含砾砂岩、大塘坡组第二段粉砂质页岩、大塘坡组第一段炭质页岩及锰矿体、铁丝坳组含砾砂岩。结合物性特征，建立电性结构特征为“高-低-高”三层的简化正断层模型。通过钻孔揭露的上部碳酸盐岩高阻组合层厚度约为1 km，中部碎屑岩低阻组合层厚度约为1 km，含锰岩系(锰矿成矿地质体)位于低阻层底部。不考虑地形和岩层产状因素，建立了如图5所示的简单的正断层理论地电模型，通过选取不同的反演参数进行反演计算，定性分析其对断裂构造的识别效果，以此确定实测AMT数据的最优反演参数。

图5 正断层地电模型Fig.5 Normal fault geoelectric model

4.2 正断层模型反演计算

目前，音频大地电磁法常用的反演方法较多，国内较主流的有Bostick反演法(周虬，1985)、非线性共轭梯度反演法(Rodi W L et al.，2001)、Occam反演法等(Groothedlin C et al.，1990)。Bostick反演法是一种拟二维的近似反演方法，其优点是能够快速直观的反映视电阻率随深度的变化情况，但其反演结果精度不高。Occam反演法是求一个多层地球物理模型的最光滑解，具有稳定的收敛性，对初始模型和参数依赖较弱，但其反演耗时长。非线性共轭梯度反演法(NLCG)属于非启发式非线性反演方法，反演过程无需求取雅克比矩阵G和GT，利用麦克斯韦方程组的叠加原理和格林函数性质，通过雅克比矩阵与一向量乘积的整体运算大大降低了反演时间，相对于其他反演方法，其效率高，计算稳定，对构造模型反映更加准确，但对初始模型的依赖性较强。基于以上常用反演方法优缺点对比(康敏 等，2017)，分别以Bostick和一维Occam反演为初始模型进行二维非线性共轭梯度反演来对比优选反演参数。

图6为采用不同初始模型及反演参数对正断层模型开展二维NLCG反演的结果对比。其中，a是以一维Occam-TE数据为初始模型的NLCG-TE数据二维反演结果；b是以一维Occam-TE数据为初始模型的NLCG-TM数据二维反演结果；c是以一维Occam-TE数据为初始模型的NLCG-TE&TM数据二维反演结果；d是以Bostick-TE数据为初始模型的NLCG-TE数据二维反演结果；e是以Bostick-TE数据为初始模型的NLCG-TM数据二维反演结果；f是以Bostick-TE数据为初始模型的NLCG-TE&TM数据二维反演结果。六种反演模式在整体上均反映出了模型“高-低-高”的三层电性结构特征，但细节上表现上有所不同。以一维Occam-TE数据为初始模型的反演结果对中部低阻层厚度的反映更为客观，而以Bostick-TE数据为初始模型的反演结果所反映的中部低阻层厚度小于模型中该低阻层设计的厚度。在对正断层的识别能力方面，b、c、e、f均呈现有断裂异常特征，a和d的断裂异常特征不够明显，表明无论采用一维Occam或Bostick作初始模型， NLCG+TE数据二维反演对横向电性变化反映不灵敏，对断层的识别效果较差。b、c、e、f中b和c能更好的识别出正断层属性，断层上盘、下盘的错动特征显著。由此认为，采用一维Occam-TE数据为初始模型更有利于断层的识别。b和c效果较相似，但b在识别断层的同时更好的呈现了低阻层整体层状特征。综合分析认为，采用b反演模式对“高-低-高”三层电性结构的正断层模型识别效果较佳，本次研究区实测AMT数据反演采用一维Occam-TE数据为初始模型进行NLCG-TM的二维反演方法来实现。

图6 不同初始模型及参数的NLCG反演结果

5 实测剖面反演结果分析

以AMT31反演剖面为例分析(图7)。总体上，电阻率反演剖面北西段(左侧)垂向电性结构为“高-低-中高”的三层结构，剖面南东段(右侧)垂向电性结构为“低-中高”的二层结构。根据剖面电阻率等值线特征，结合钻孔工程控制，划分了a、b、c、d四个岩性组合区块。其中，a区块呈高阻电性特征，推测为奥陶统-下寒武统岩性以碳酸盐岩为主地层组合；b+c区块呈低阻电性特征，推测为下寒武统-南华统岩性以碎屑岩为主地层组合，结合剖面上ZK3110等九个钻孔对大塘坡组顶界和锰矿体的控制，划分c区块为大塘坡组地层；d区块上部呈相对低阻，中下部呈中高阻，根据正断层模型反演计算结果，位于低阻层下方的中高阻层电阻率等值线在反演断面上呈现由低阻向中高阻渐变的特征，推测d为铁丝坳组和清水江组地层组合。

根据钻孔对锰矿体的揭露情况，圈定了150-205号点范围内大塘坡组及锰矿体的空间展布形态，锰矿体位于大塘坡组地层底部，断面图上表现为相对低阻的综合电性特征，位于由低阻向中高阻渐变的过渡带，其表现特征与模型反演结果一致。结合大塘坡组横向呈低阻和下伏铁丝坳组、清水江组呈高阻的延伸展布特征以及钻孔控制的大塘坡组厚度，推测了锰矿体和大塘坡组地层在断面上的空间展布形态，锰矿体埋深由北西至南东呈较缓阶梯状减小，海拔由-1 750 m抬升至海拔50 m。

图7 AMT31号剖面NLCG反演成果图

AMT25和AMT31两条反演剖面在钻孔控制范围所划分的岩性区块界线均受到钻孔约束(图8)，其在断面上所呈现的特征与理论模型反演结果相似，由此推测出了钻孔空白区岩性区块界线及锰矿体展布形态。两条剖面F3断层电性特征相似。在上部根据电阻率高低分界面和钻孔约束圈定了其倾角约为60°高角度展布形态；在中深部根据钻孔约束圈定了其倾角逐渐变缓的展布形态；在断面深部，以往认为，F3断层深部变陡并对锰矿体造成破坏，根据断面深部中高阻电性层横向上连续展布的特征，推测F3断层未切割含锰岩系，对锰矿体未造成破坏。F3正断层具有犁式发育特征，随着断层向下延伸，倾角逐渐变缓，直至延伸至大塘坡组软弱岩层后尖灭。对F3断层所取得了新的认识，为分析区内成锰地质条件、资源评价和三维地质建模提供了地球物理信息。

图8 AMT剖面反演综合成果图

6 结论

(1)在物性分析的基础上，结合钻孔资料，建立了“高-低-中高”三层电性结构的简单正断层理论模型，通过选用不同初始模型及参数对理论模型进行反演计算，优选出了以一维Occam-TE为初始模型的NLCG-TM二维反演模式，用于研究区AMT实测数据反演。

(2)根据电阻率等值线特征，结合钻孔工程控制，查明了研究区地下电性结构。区内北西方向电性结构呈“高-低-中高”的三层结构，南东方向为“低-中高”的二层结构。识别了区内大塘坡地层及锰矿体在剖面的空间展布形态。

(3)音频大地电磁法有效的识别了犁式正断层(F3)的空间展布形态，对其在深部的发育情况获得了新的认识，即犁式正断层(F3)上陡下缓，延伸至大塘坡组地层可能已经尖灭，可能未对含锰岩系造成破坏。因此，高地锰矿床北西深部仍具有较大的找矿潜力。