等值反磁通瞬变电磁电阻率谱系法探测铝土矿

赖耀发，席振铢，张峰，石彦良，李红星，向胤合

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙，410083；2.中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南长沙，410083；3.中国冶金地质总局第三地质勘查院，山西太原，030002；4.湖南五维地质科技有限公司，湖南长沙，410083)

随着我国现代化建设的持续推进，对铝资源的需求越来越大，但国内可开发利用的铝土矿后备资源严重不足，长期依赖进口，铝土矿已成为国内紧缺的矿产之一[1]。为了保障国内铝土矿的供应，需要革新资源勘探手段。用钻探方法勘探铝土矿成本过高，可考虑用物探加钻探的方法。古风化壳沉积型铝土矿床是我国铝土矿床的主要类型，但铝土矿不像磁铁矿、黄铜矿以及铅锌矿等金属矿具有明显的电性特征，其电阻率与黏土岩等上覆地层的电阻率相当，很难有相对异常出现。应用传统的地球物理方法寻找金属矿有很多成功的案例[2−7]，但寻找铝土矿的成功案例很少。毕炳坤[8]利用中间梯度法、激电测深法和高密度电阻率法在豫西某矿区成功地寻找到隐伏型铝土矿。张林[9]在河南刘庄铝土矿矿区利用瞬变电磁测深勘查铝土矿，圈定了含矿层位的赋存状态。此外，张西君等[10]应用AMT 在贵州某铝土矿区圈定了含矿有利部位，与钻孔结果基本吻合；马振波等[11]在河南郁山铝土矿开展了CSAMT工作，为深部铝土矿勘查打下了良好的基础。以上这些方法用于铝土矿勘查具备一定的适用性，大体上可以解决铝土矿空间赋存位置问题，但这些方法都将铝土矿含矿岩系(赋存铝土矿的一套岩石组合单元构成的地层)作为同一个电性层，通过探测含矿岩系底部的古侵蚀面灰岩基底来圈定异常，异常细节不够，方法和手段需革新。等值反磁通瞬变电磁法是针对传统瞬变电磁法存在浅层探测盲区而提出来的一种新方法，该方法具有浅层探测盲区受地形影响小、无需接地、野外施工轻便且纵向分辨率高等优点，被广泛应用于金属矿勘探、工程勘察等领域[12−18]。山西省沁源县正义铝土矿是典型的古风化壳沉积型铝土矿床，本文在该矿区开展等值反磁通瞬变电磁勘探工作。不同于其他传统地球物理方法通过探测奥陶系灰岩基底面来圈定铝土矿赋存位置，基于等值反磁通瞬变电磁纵向分辨能力建立对应地质年代地层的电阻率谱系，通过地层层序电阻率谱系变化规律研究该方法能将铝土矿含矿岩系划分清楚，以便获取更多异常信息，为浅部铝土矿勘查提供一种新思路。

1 电阻率谱系法机理

我国铝土矿床主要分为古风化壳沉积型、碎屑沉积型和红土型3类[19]，其中，古风化壳沉积型占很大比例。华北地区铝土矿的主要类型属于古风化壳沉积型矿床，埋深大部分从几十米到300 m不等，大多被第四系覆盖，铝土矿基本上沉积富集在经长期风化剥蚀的奥陶系中统碳酸盐岩顶界面钙红土风化壳之上的石炭系中统本溪组的中上部，成矿时代在晚石炭世本溪期，主要分布在河南、山东和山西等省，组成规模巨大的华北铝土矿成矿区。

对于华北地区铝土矿，奥陶系灰岩古侵蚀面之上赋存有石炭系中统本溪组的一套以铁质黏土岩、铝质岩、黏土岩为主的铁铝岩系地层，称为铝土矿含矿岩系，含矿岩系赋存有铝土矿、耐火黏土矿、山西式铁矿、铁钒土等矿产，具有重大的矿产战略意义。本溪组作为铝土矿的赋矿层位，底界为寒武系—奥陶系的古风化面，呈平行不整合接触，顶界为太原组底部的灰岩或砂岩。根据岩石组合和岩石物性特征，本溪组剖面从下到上大致可以划分为3 个岩性段：下段为铁质黏土岩段，以铁含量高为特征，主要岩性为铁质黏土岩，局部富集构成山西式铁矿；中段为铝土矿段，以铝含量高为特征，主要岩性包括铝土矿、高铝黏土矿等，形成铝土矿床；上段为黏土岩段，以硅含量高为特征，主要岩性为黏土矿、黏土岩、碳质黏土岩等。铝土矿赋存在本溪组，受本溪组严格控制，主要出现在本溪组中段，其直接底板为铁质黏土岩，间接底板为奥陶系灰岩，直接顶板为黏土岩、碳质黏土岩，间接顶板为太原组的生物灰岩、砂岩等，层位稳定，上、中、下三段式构成了铝土矿含矿岩系。

电阻率谱系法的思想类似于条形码，条形码将黑条和空白按一定的编码规则排列来表达特有的信息，而本文采用二进制编码的形式定义各地层的电阻率变化，高阻层为谱系“1”，低阻层为谱系“0”，这样就可以建立各个地层特有的电阻率谱系。对于古风化壳沉积型铝土矿床，一般地，地层沉积序列从老到新依次为奥陶系峰峰组灰岩—石炭系本溪组铁质黏土岩—石炭系本溪组铝土矿—石炭系本溪组黏土岩—石炭系太原组灰岩/砂岩，根据岩性的电阻率特征，铝土矿的电阻率属于中等，略高于直接顶板的黏土岩和直接底板的山西式铁矿或铁质黏土电阻率，按照电阻率谱系法，铝土矿床地层的电阻率谱系为1—0—1—0—1。图1所示为基于此思想建立的铝土矿地层层序与电阻率谱系图，可为物探方法识别铝土矿提供准则。

图1 华北地区铝土矿地层层序与电阻率谱系图Fig.1 Stratigraphic sequence and resistivity pedigree diagram of bauxite in North China

传统物探方法通常是将铝土矿含矿岩系作为同一电性层，因其电阻率与下伏的基底灰岩层有明显差异，可通过探测奥陶系灰岩基底上界面的埋深来确定铝土矿含矿岩系的底部埋深，并且由奥陶系灰岩界面的起伏来推断铝土矿可能的赋存位置。这种方法存在明显缺陷，即铝土矿空间赋存状态细节不够。等值反磁通瞬变电磁法是针对常规瞬变电磁法早期信号失真、存在浅层探测“盲区”等问题而提出来的[20]。该方法具有较高的纵向分辨能力，且与常规的瞬变电磁法相比对电阻率更加敏感，故利用等值反磁通瞬变电磁法结合电阻率谱系法将铝土矿与其底板、顶板岩层划分开来。与以往工作不同的是，不将铝土矿含矿岩系当作同一物性层，这将获得更多的异常细节。

等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)原理与传统的瞬变电磁法原理相同，采用一种与常规瞬变电磁法不同的装置，如图2所示。该装置由上、下2个平行共轴的完全相同线圈通以反向电流组成发射源(双线圈源)，并在该双线圈源的中间平面(一次场零磁通面)测量对地中心耦合的纯二次场，可根据二次场随时间的衰减规律获得地下介质的地电信息[21]。

图2 等值反磁通瞬变电磁法装置示意图Fig.2 Geometry of opposing coils transient electromagnetic method(OCTEM)system

等值反磁通瞬变电磁法的二次垂向磁场时间导数∂hz/∂t响应晚期表达式为

式中：hz为二次垂向磁场强度；I为发射电流；a为发射线圈半径；d为发射线圈和接收线圈的距离；σ为大地电导率；t为衰减时间；C为待定常数；μ0为磁导率。

而发射和接收都置于地表的中心回线装置的均匀半空间(电导率σ)瞬态响应解析解在晚延时段内可以表示为[22]

由式(1)和式(2)可知：等值反磁通瞬变电磁法的二次垂向磁场时间导数响应与大地电导率σ的平方成正比关系，且随时间t的负3 次方衰减，而常规单磁源瞬变电磁法晚期的垂向磁场导数与电导率σ呈3/2 次方关系，且随时间t的负5/2 次方衰减，因而，等值反磁通瞬变电磁法比常规单磁源瞬变电磁法对电阻率异常反映更灵敏，信号衰减变化也更快，即该方法可增强大地电阻率变化的灵敏度。将等值反磁通瞬变电磁法与电阻率谱系法结合，研究其在铝土矿勘查中的应用效果很有必要。基于前面所建立的电阻率谱系10101，建立相对应的地层地电模型(沿用常规电法的称呼为“HKH型”模型)，进行等值反磁通瞬变电磁法的层状模型数值模拟，从理论上证明该方法应用于铝土矿勘查，结果如图3所示。

图3 基于电阻率谱系法的OCTEM二次场响应Fig.3 Secondary field response of OCTEM based on resistivity spectrum method

二次场响应结果表明：等值反磁通瞬变电磁法对铝土矿各地层电阻率异常变化响应敏感，能反映电阻率谱系的变化。这说明采用等值反磁通瞬变电磁电阻率谱系法勘查铝土矿在理论上是可行的。

2 案例分析

山西沁源正义铝土矿是典型碳酸盐古风化壳型沉积矿，为此，在该矿区开展等值反磁通瞬变电磁试验，结合电阻率谱系思想，验证方法的实用性。

2.1 矿区地质及地球物理特征

山西正义铝土矿位于沁源县城西北方向，矿区地处太岳山东麓，地势西北高东南低，壕沟发育，地表切割强烈。区内主要出露地层由老到新为：古生界奥陶系中统峰峰组(O2f）；石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)；新生界第四系中上更新统(Q2+3)、全新统(Q4)。矿区内地层总体呈倾向南东的单斜构造，倾角为3°～10°，局部倾角达25°。区内褶皱和断裂不发育，受奥陶系古侵蚀面影响，石炭系及其以上地层呈舒缓波浪状起伏，区内岩浆岩不发育。

正义铝土矿为碳酸盐古风化壳沉积型矿床，该区铝土矿主要赋存于本溪组地层，铝土矿富集受基底奥陶系灰岩古地貌控制，本溪组地层呈平行不整合覆盖于奥陶系中统峰峰组地层之上，在矿区的北、中和西部大面积出露。该组地层可以划分为2段：上段地层以深灰色黏土岩为主，其中夹有黏土页岩、细砂岩、黏土质砂岩和生物碎屑灰岩等，厚度为3.6～40.5 m，平均为24.5 m；下段地层为含矿层，以上段地层底部生物碎屑灰岩为划分界线，一般自上往下依次为黑色页岩夹煤线、黏土岩、硬质耐火黏土矿、铝土矿、铁铝岩和山西式铁矿，厚度为1.18～8.5 m，平均为6.5 m。

该铝土矿矿体赋存于奥陶系侵蚀面之上，受侵蚀面控制，总体呈似层状、透镜状、窝子状产出。矿体产状与围岩产状基本一致，总体倾向南东，倾角为3°～15°，局部受地层影响，倾角有所变大。矿体厚度为0.6～6.0 m，平均为1.82 m。矿体直接顶板为黏土矿，直接底板为铁铝岩或山西式铁矿或铁质黏土岩。矿区矿石的矿物成分主要为一水硬铝石，次为高岭土，含少量金属矿物。矿石结构以碎屑状为主，构造以致密块状为主，其次还可见鲕状、豆状等构造。共生矿产主要为黏土矿，主要位于铝土矿的顶板。黏土矿主要结果呈泥质、致密状、碎屑状，为块状及层状构造，具贝壳状或半贝壳状断口，长期暴露地表易风化成碎块，主要矿物为高岭石、水铝石、次为水云母、氢氧化铁及微量矿物等。

该铝土矿矿区的基底为奥陶系峰峰组灰岩，其电阻率为1 000～10 000 Ω·m，本溪组内的铝土矿含矿岩系地层电阻率为100～1 000 Ω·m，铝土矿的电阻率属于中阻，比直接顶板的黏土岩和直接底板的山西式铁矿或铁质黏土的电阻率略高。此外，本溪组上部有新生界地层覆盖，其电阻率较低，约为30 Ω·m。各地层间存在明显电性差异，且该铝土矿产状平缓，总体呈似层状，这为开展等值反磁通瞬变电磁法工作提供了物性条件和自然条件。

2.2 工作方法

采用湖南五维地质科技有限公司研发的HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬变电磁系统。在矿区布设3 条测线剖面，与矿区勘探线方向一致，3 号和5 号测线长为300 m，7 号测线长为380 m，点距为20 m，物探测线示意图如图4所示。采集过程中采用的参数如下：发射频率为25 Hz，叠加次数为500次，发射电流为10.5 A，关断时间为0.07 ms。

图4 矿区物探测线布置图Fig.4 Line layout plan of mining area

采用HPTEM-18 系统自带数据处理软件进行数据处理。原始数据在进行反演计算前需要进行预处理，剔除随机干扰等引起的飞点，使衰减曲线更加圆滑。采用等值反磁通瞬变电磁特有的瞬态弛豫反演方法进行数据反演。为了能将3条剖面进行比对，统一采用相同的反演参数。对反演后得到的视电阻率成图，得到3条勘探线的瞬变电磁视电阻率等值线反演断面图。

2.3 试验分析与验证

本次工作结合铝土矿矿区普查进行，测线方向与矿区勘探线方向一致，可以对等值反磁通瞬变电磁电阻率谱系法的地质效果进行直接检验。结合具体地质条件，对实测3条测线的反演结果进行综合分析和解释推断，结果如图5～7所示。正义铝土矿是沉积型矿床，其产出分布具有明显的规律性。在反演断面中，浅部的低阻部分主要反映地表的新生界低阻地层，为谱系0；底部的高阻异常则是基底灰岩地层的反映，为谱系1。该矿区铝土矿直接顶板是黏土岩，直接底板为铁铝岩或山西式铁矿或铁质黏土岩，电阻率比铝土矿的略低，因而，该矿区地层视电阻率剖面应表现为：基底为奥陶系峰峰组高阻灰岩，灰岩上层是铝土矿含矿岩系层，分3段，由下往上分别为低阻的铁质黏土、中阻的铝土矿、中低阻的黏土矿，铝土矿含矿岩系层与下伏灰岩地层呈平行不整合接触；含矿岩系层上方可能会有一层高阻石炭系生物碎屑灰岩，浅部是黄土等低阻地层，电阻率谱系由上至下表现为010101，沉积序列和地层电阻率谱系变化规律清晰，异常划分简单，找矿思路明确。

图5 矿区3勘探线反演断面图Fig.5 Inversion profiles of Line 3 in mining area

图5所示为矿区3勘探线的等值反磁通瞬变电磁法反演断面图。分析图5可知：在横向和纵向上视电阻率均匀变化，层状规律明显。照电阻率谱系变化规律为010101，结合已有的地质资料和反演断面，可对地层进行划分：浅部低阻地层是第四系残坡积物、松散沉积物和砂岩、页岩等；深部为高阻异常的奥陶系灰岩侵蚀面。在灰岩侵蚀面的上覆地层有明显的相对低—中—低阻的三段式铝土矿含矿岩系层，其电阻率谱系现为010，推断在海拔高度1 320 m左右为铝土矿赋存区域，呈水平条带状分布。钻孔ZK0334 于孔深16 m 处见0.63 m厚的铝土矿，所穿过的岩性主要是砂岩、黏土岩、铝土矿、铁铝岩、含铁黏土岩，至奥陶系灰岩结束。钻孔结果与反演断面推断的铝土矿深度处结果大致吻合。

图6所示为矿区5勘探线的等值反磁通瞬变电磁法反演断面图。从图6可见：5线地形起伏较小，浅层10 m 内为覆盖层的低阻异常，海拔高度1 330～1 315 m段电阻率谱系表现为010，推断为铝土矿含矿岩系；视电阻率异常呈三段式层状分布，基底灰岩界面明显，推断铝土矿层位于海拔1 220 m 附近，下部为高阻基底奥陶系灰岩；5 线异常形态清晰，各层分化较明显；钻孔ZK0524于孔深27 m处见1.96 m厚的铝土矿，其下为3.9 m厚的铁质黏土岩，于孔深32.9 m 处见奥陶系灰岩；钻孔ZK0532 于孔深32 m 处见2.35 m 厚的铝土矿，其下有2.5 m厚的铁铝岩和铁质黏土岩层，于孔深36.9 m 处见奥陶系灰岩。钻孔ZK0524 和ZK0532结果证明铝土矿层大致位于海拔1 220 m附近，与推断结果较吻合。

图6 矿区5勘探线反演断面图Fig.6 Inversion profiles of Line 5 in mining area

图7所示为矿区7勘探线的等值反磁通瞬变电磁法反演断面图。按照铝土矿电阻率谱系变化规律010101，结合反演断面图对地层进行划分，浅部为低阻的新生界地层，是第四系黄土、深色黏土矿夹有黏土页岩、细砂岩、黏土质砂岩和生物碎屑灰岩等的综合反映，表现为谱系0；在海拔高度1 315 m附近的中低阻异常推断为铝土矿，其底板是呈低阻的铁质黏土层，异常形态较平缓；顶板为相对低阻的黏土矿，符合电阻率谱系010的变化规律。7勘探线尚未布设钻孔验证，但推断铝土矿含矿层深度与3线和5线的大致相同。

图7 矿区7勘探线反演断面图Fig.7 Inversion profiles of Line 7 in mining area

综合3 线、5 线和7 线的反演断面图，在该区域内铝土矿含矿层整体呈层状分布，虽有一定地形起伏，但铝土矿整体赋存在海拔1 320 m左右。

3 结论

1)根据铝土矿富集成矿和地层层序之间的规律，可构建相应地电模型电阻率2进制的谱系，建立识别铝土矿的准则。

2)等值反磁通瞬变电磁法二次场响应与大地电导率呈平方关系，对电阻率异常变化更加敏感，与常规瞬变电磁法相比具有较高的灵敏度，为电阻率谱系法探测铝土矿提供了前提条件。

3)等值反磁通瞬变电磁法结合电阻率谱系探测铝土矿准确而有效，对岩层划分准确，在铝土矿勘查中具有广阔应用前景。