音频大地电磁法在深部隐伏锰矿找矿中的应用——以贵州松桃普觉锰矿为例

沈小庆杨炳南何 帅张德实

1.贵州省地质矿产勘查开发局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.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院,湖北 武汉430074

0 引言

贵州铜仁松桃锰矿整装勘查区是中国重要的大型锰矿资源基地 (覃英等,2013;李啸,2014)。近十年来,贵州省地矿局103地质大队通过长期产、学、研、用相结合,提出了一种新的锰矿床类型——气液喷溢沉积型锰矿床,并建立了锰矿裂谷盆地喷溢沉积成矿理论(周琦和杜远生,2019)。运用该成矿理论先后指导发现了整装勘查区4个世界级超大型隐伏锰矿床和1个特大型富锰矿床(周琦等,2016a),实现了国内锰矿找矿有史以来的最大突破(杨胜堂和涂飞飞,2017;李建威等,2019)。贵州松桃普觉锰矿位于锰矿整装勘查区南部,区内锰矿资源找矿潜力巨大(张遂等,2018)。多年来,在区内开展了成矿地质背景、成矿系统、找矿关键技术等大量研究工作(周琦等,2013),但对于矿体深部埋藏与特征、后期保存条件(后生构造)的研究程度不高,研究方式局限,运用有效的物探方法在该区进行深部锰矿勘查,评价后期深部构造与成矿地质体显得尤为重要。

高密度电法(杨玉蕊等,2012)、瞬变电磁(薛国强,2004;闫述等,2009)、激发极化法(李金铭,2004)等传统物探方法仅适合中浅部勘查,高精度磁法在呈弱磁性的深部锰矿体勘探中收效甚微(张传华,1985;熊光楚,1994)。随着物探新理论、新技术、新方法的日趋成熟(底青云等,2019;米宏泽,2019),通过多年的应用研究与实践,具有较大探测深度的音频大地电磁法已成为当前应用最广泛的深部电磁勘探方法之一(何梅兴等,2017;何帅等,2019)。音频大地电磁法以天然的平面电磁波作为场源,通过观测相互正交的电磁场分量来探测地下不同深度介质的导电性结构 (Chave and Jones,2012;李忠等,2021)。近年来,针对锰矿整装勘查区南华纪“大塘坡式”沉积型锰矿床(周琦等,2017;杨炳南等,2018),运用音频大地电磁法识别矿区构造格架、探测地下电性结构、预测矿体展布形态及空间位置,建立了南华纪“大塘坡式”锰矿地质-地球物理找矿模型,有效指导了深部找矿工作。

1 研究区概况

1.1 地质概况

松桃普觉锰矿区位于上扬子东缘成矿带中南段,处于扬子地块东南缘与华夏地块的结合地带,大地构造位置位于扬子陆块与南华活动带过渡区的江南造山带的西南段 (戴传固等,2008,2010)。根据周琦等(2016b)通过对南华纪地层系统和地层分区的研究,研究区位于石阡-松桃-古丈Ⅲ级地堑盆地中的普觉Ⅳ级地堑盆地(图1,图2)。

研究区地层主要有青白口系红子溪组(Pt3h),南华系中统两界河组(Nh2l)、铁丝坳组(Nh2t)、大塘坡组(Nh2d),南华系上统南沱组(Nh3n),震旦系至寒武系老堡组(Z-l)、震旦系下统陡山沱组(Z1d),寒武系第二统九门冲组(2jm)、变马冲 组 (2b)、杷 榔 组 (2p)、清 虚 洞 组(2q),寒武系第三统高台组(3g)、石冷水组(3s),寒武系第三统至芙蓉统娄山关组(3-4ls)及第四系(Q)。研究区位于梵净山穹状背斜北东侧,区内以一系列北北东、北东向断裂、褶曲为主的构造格架(图3)。区内褶皱主要有猴子坳向斜,主要断裂有红石断裂、三阳断裂、扬立掌断裂、木耳断裂、水银厂断裂等。

1—控制Ⅲ级地堑盆地和地垒的同沉积断层;2—控制Ⅳ级地堑盆地和地垒的同沉积断层;3—Ⅳ级地堑盆地及所控制的锰矿床名称;4—Ⅲ级地堑盆地范围;5—Ⅲ级地垒范围;6—研究区大地构造所在位置;7—同沉积断层编号;8—研究区在石阡-松桃-古丈(Ⅲ级)地堑盆地中的位置图1 黔东及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,2016b)Fig.1 Structural and tectonic paleogeographic sketch of the Wuling secondary rift basin in the Early Nanhua period in eastern Guizhou and its adjacent areas (Zhou et al., 2016b)1-Synsedimentary faults that controlling 3rd-order graben basin and horst; 2-Synsedimentary faults that controlling 4th-order graben basin and horst; 3-Name of the Mn deposits controlled by 4th-order graben basin; 4-Range of 3rd-order graben basin; 5-Range of 3rdorder horst; 6-Geotectonic location of the study area; 7-Number of synsedimentary faults; 8-Location of the study area in the Shiqian-Songtao-Guzhang graben basin

1—两界河期-铁丝坳期砂砾岩沉积;2—大塘坡早期黑色炭质页岩;3—大塘坡中晚期粉砂质页岩;4—同沉积断层;5—菱锰矿体图2 黔渝湘毗邻区南华纪两界河-大塘坡期南华裂谷盆地复原(周琦等,2016b)Fig. 2 Rec onst r uct ion of the Nanhua rift basin in Liangjiehe-Datangpo stages of the Nanhua period in the Guizhou-Hunan-Chongqing border area, South China ( Zhou et al. , 2016b)1-Glutenite deposits in the Liangjiehe-Tiesiao stages;2 - Black carbonaceous shale in the early Datangpo stage; 3 - Silty shale in the middle and late datangpo stages; 4-Synsedimentary fault; 5-Rhodochrosite

区内锰矿是一种新的锰矿床类型——气液喷溢沉积型锰矿床,是典型的南华纪“大塘坡式”沉积型锰矿。锰矿体产于南华系下统大塘坡组第一段(Nh2d1)中,俗称“含锰岩系”,其岩性主要由菱锰矿、炭质页岩、黏土岩组成。区内锰矿为隐伏的锰矿床,矿体形态简单,呈层状、似层状产出,具有品位高、厚度大、延伸展布广等特点。锰矿体顶板为粉砂质炭质页岩,局部顶板为薄层凝灰质黏土岩。锰矿体底板为炭质页岩,少数矿体直接与铁丝坳组含砾砂岩接触,其底板为含砾砂岩。

1—走滑断裂;2—逆断层;3—正断层;4—性质不明断层;5—AMT点位;6—研究区位置图3 研究区主要断裂格局及AMT测线点位布设图Fig.3 Map showing the pattern of main faults and the layout of AMT surveyline points1-Strike-slip fault; 2-Reverse fault; 3-Normal fault; 4-Fault of unknown nature; 5-AMT point; 6-Location of the study area

1.2 物性特征

在系统收集研究区以往物性资料的基础上,采用DZD-6A多功能电法仪补充测量了岩矿石野外露头、钻孔岩心物性数据。经综合分析,归纳了研究区物性特征(表1)。

表1 岩(矿)矿物性特征统计Table 1 Statistics of physical properties of rocks (minerals)

参考岩矿石电阻率特征,将岩性电阻率特征相近的相邻地层进行合并。如寒武系第三统至芙蓉统娄山关组、寒武系第三统石冷水组岩性主要为电阻率特征呈高阻的白云岩,寒武系第二统清虚洞组岩性主要为电阻率特征呈高阻的灰岩,将以上3个地层合并划分为高阻电性层。总体上研究区地下电性结构可划分为“高阻—低阻—中高阻”3层模式(图4)。

图4 研究区电性结构特征图Fig.4 Diagram showing the resistivity structure of the study area

2 AMT野外数据采集与处理

此次AMT研究工作采用V8多功能电法工作站开展野外数据采集,投入1台主机,型号为V8-6R,1台辅助接收机,型号为RXU-3ER。采用“十”字交叉型布极方式进行四分量张量观测,采集频率范围0.35～10400 Hz,采集参数为磁道数据和电道数据。基于研究经费考虑,完成1条剖面,测线总长11 km,点距50～200 m,共计100个测点的数据采集工作。AMT剖面南东段地形起伏较大、植被茂密。北西段地势相对平缓,观测条件较好。测区总体电磁干扰较弱,主要干扰源为零散分布于测区的村寨民用电线。AMT剖面方位角147°,大致垂直于普觉Ⅳ级地堑盆地空间展布方向,与区内燕山期北东向构造垂直,与北北东向构造斜交。通过开展不同观测时间试验(图5)、不同电极距长度试验(图6)等系列采集参数试验,优选出了适合研究区的野外采集技术参数,即采集参数增益设置为1,低通滤波选择0档,野外采集电极距长度为40 m,单点采集时间大于60 min。

a—观测时间30 min;b—观测时间45 min;c—观测时间60 min图5 不同观测时间测点曲线对比Fig.5 Comparison of measuring point curves at different observation times(a) A 30-minute observation; (b) A 45-minute observation; (c) A 60-minute observation

野外采集的AMT原始资料记录的是测点电场和磁场分量的时间序列,通过数据处理获取测点的视电阻率和相位等AMT参数的响应。首先根据测点班报记录更改测点参数信息,采用Fourier变换法进行AMT的频谱分析,然后使用Robust处理技术计算大地电磁的阻抗张量,获取用于编辑的互功率谱。通过人机交互的方式对子功率谱进行筛选,剔除严重受干扰的功率谱,保留质量高的功率谱参与统计计算。预处理后的AMT资料导入MTSoft2D软件作编辑平滑、静态校正(Jiracek,1990)、地形校正(韩骑等,2015)等进一步处理。图7a—7c为160～164号测点经简单编辑平滑后的电阻率曲线。由图可见,各曲线连续性好,形态明确,表明测点数据质量较好。162号点由于受静态效应影响,xy曲线和yx曲线分离,需作静态校正处理(图7b)。图7d—7f为通过观察相邻测点电阻率数据曲线特征,采用曲线平移法实现162号点静态校正后的曲线(图7e)。

蓝色—xy曲线;红色—yx曲线图7 162号测点静校正前后曲线对比Fig.7 Comparison of curves before and after static correction at measuring point 162Blue-the xy curve;Red-the yx curve

a—电极距为20 m;b—电极距为30 m;c—电极距为40 m图6 不同电极距测点曲线对比Fig.6 Comparison of measuring point curves with different electrode distances(a) A 20-meter electrode spacing; (b) A 30-meter electrode spacing; (c) A 40-meter electrode spacing

3 理论模型反演计算

3.1 理论模型建立

根据研究区地电结构特征,在不考虑地形因素的情况下,建立“高—低—高”3层电性结构的简化构造模型(图8)。模型长度为4 km,深度为3 km,在2.5 km处发育正断层,断层切穿整个模型,断距为0.5 km。模型上部表示为寒武系第二统至芙蓉统碳酸盐岩高阻层,其电阻率填充为1500 Ω·m;模型中部表示为寒武系第二统与南华系碎屑岩低阻层,忽略相对较薄的震旦系下统陡山沱组白云岩高阻夹层,电阻率填充为500 Ω·m,在其底部设置了以炭质页岩和锰矿体为主的含锰岩系低阻层,电阻率填充为50 Ω·m;模型深部表示为青白口系含砾砂岩、浅变质岩为主的高阻层,深部电阻率填充为2500 Ω·m;正断层电阻率填充为100 Ω·m。使用Mtsoft2D正演模块采用50×50的矩形网格剖分单元对该模型进行二维有限元正演(刘向冲,2019)。按照对数等间距在0.35～10400 Hz范围内取与实测频率相同的60个测量频点,模拟计算40个测点TE模式和TM模式的视电阻率和阻抗相位。

图8 正断层地电模型Fig.8 Geoelectric model of the normal fault

图9不同初始模型及参数的NLCG反演成果图Fig.9 NLCG inversion results of different initial models and inversion methods(a)Initial model Occam-TE data+TE inversion;(b) Initial model Occam-TE data+TM inversion; (c) Initial model Occam-TE data+TE&TM inversion; (d) Initial model Bostick-TE data+TE inversion; (e) Initial model Bostick-TM data+TE inversion; (f) Initial model Bostick-(TE+TM)data+TE inversion

a—初始模型Occam-TE数据+TE反演;b—初始模型Occam-TE数据+TM反演;c—初始模型Occam-TE数据+TE&TM反演;d—初始模型Bostick-TE数据+TE反演;e—初始模型Bostick-TM数据+TE反演;f—初始模型Bostick-(TE+TM)数据+TE反演;

3.2 理论模型反演计算

目前,针对AMT资料较为成熟的反演方法有Bostick反演法(周虬,1985)、快速松弛反演法(Smith and Booker,1991)、二维Occam反演法(De Groot-Hedlin and Constable,1990)、非线性共轭梯度反演法 (Rodi and Mackie,2001)。Bostick反演法是一种拟二维的近似反演方法,可以快速直观地显示视电阻率随深度的变化情况,但具有反演结果精度不高的缺点。快速松弛反演法是通过减少正演的次数,从而减少反演运算时间,该方法的反演结果具有多解性。二维Occam反演法相对于快速松弛反演法具有稳定的收敛性,但其反演计算时间较长。非线性共轭梯度反演法(NLCG)相对于其他反演方法具有计算结果稳定、效率高等优点,但其对初始模型的依赖性较强。通过对比各反演方法的优缺点(康敏等,2017),笔者分别选用Bostick和Occam一维反演结果作为初始模型,采用非线性共轭梯度反演法优选适合于理论模型的二维反演模式,将该反演模式运用于研究区实测数据的反演。

理论模型的6种不同模式反演结果如图9所示,以Occam-TE模式一维反演为初始模型,二维反演采用TE模式、TM模式、TE和TM联合模式的反演结果如图9a—9c。以Bostick-TE模式一维反演为初始模型,二维反演采用TE模式、TM模式、TE和TM联合模式的反演结果如图9d—9f。NLCG 6种不同模式的反演结果在纵向上均呈现了“高—低—高”的3层电性结构,各层厚度与理论模型相当。但对于横向电性特征的辨识以及构造的识别表现不一。在图9a—9c中,通过上部2.5 km附近和中部低阻层的电阻率不连续性,较好地识别了断层性质及其发育特征,对由于断层错动引起的地层横向变化有较高的灵敏度。特别是在图9b模式下的反演结果与理论模型最为吻合。在图9d—9f中,中部低阻层在横向上从左至右具有抬升趋势,这是模型横向电性变化的综合反映,对构造识别不敏感。另外,理论模型反演结果可见,电性特征呈低阻的含锰岩系在反演断面中并非位于低阻层中部电阻率值最低的位置,而是位于低阻层底部,电阻率由低向高渐变的过渡带。这为实测剖面推测含锰岩系埋深及其空间展布提供了理论支撑。

通过反演结果对比分析,认为采用图9b中的模式,即以Occam-TE一维反演为初始模型的二维NLCG-TM反演模式更能客观反映理论模型电性结构特征,有利于断裂构造的识别。实测AMT数据经处理后,采用上述反演模式进行二维带地形反演。

4 实测AMT剖面电性结构分析

根据岩性资料、物性资料以及电阻率等值线连续的原则,鉴于地层岩性电性差异和AMT的分辨率,参考剖面地质模型(图10),对反演图(图11)相关岩性相近的地层层位进行了电性层合并,划分出了a、b、c、d共4个电性区块。其中,a为高阻层,反映了寒武系第三统至芙蓉统娄山关组至寒武系第二统清虚洞组碳酸盐岩地层;b为低阻层,反映了以页岩、炭质页岩等碎屑岩为主的寒武系第二统至南华系中上统地层;c为高阻层,是青白口系变余砂岩、板岩电性特征的综合反映;d为由b至c的过渡层,即是低阻向高阻过渡的相对中高阻层。通过理论模型反演分析,含锰岩系位于断面低阻体下部,处于由低阻向高阻渐变的过渡带。结合断面低阻体形态,推测了含锰地质体大致空间形态,其埋深由北西至南东逐渐加大,整体呈单斜状。

1—红子溪组;2—清水江组;3—两界河组;4—铁丝坳组;5—大塘坡组第二段;6—南沱组;7—震旦系;8—牛蹄塘组;9—九门冲组;10—变马冲组;11—杷榔组;12—清虚洞组;13—寒武系第三统至芙蓉统;14—板岩;15—变余砂岩;16—推测含锰岩系;17—粉砂质页岩;18—含砾砂岩;19—砂岩;20—炭质页岩;21—灰岩;22—白云岩;23—第四系松散堆积体;24—推测断层图10 900号剖面地质模型图Fig.10 Geological model of the profile 9001-The Hongzixi formation; 2-The Qingshuijiang formation; 3-The Liangjiehe formation; 4-The Tiesiao formation; 5-The second section of the Datangpo formation; 6-The Nantuo formation; 7-The Sinian system; 8-The Niutitang formation; 9-The Jiumenchong formation; 10-The Bianmachong formation; 11-The Palang formation; 12-The Qingxudong formation; 13-Cambrian third system to Furong system; 14-Slate; 15-Blastopsammite; 16-Supposed manganese-bearing rock series; 17-Sand shale; 18-Pebbled sandstone;19-Sandstone; 20-Coaly shale; 21-Limestone; 22-Dolomite; 23-Quaternary loose deposits; 24-Supposed fault

断面浅部156号点附近两侧电阻率差异明显,表现为高阻与低阻的岩性分界面,推测为研究区主要的控矿断层F0,F0断层延伸较深,深部未对含锰岩系造成破坏。180至210号点低阻层电阻率等值线不连续,推测是由已知断层F1引起。240至280号点之间,电阻率等值线横向不连续,具有明显的低阻上凸特征,推测是由F2、F3断层引起。300号点下方横向的电阻率等值线发生了较明显的低阻上凸,在其深部伴有电性分界面,推测由F4断层与隐伏的F5断层组合成的“锲形”构造。

由于剖面地层产状较陡,构造较发育,纵向电性结构在不同区段有所不同。在112～156号点范围,为单一的高阻结构;在156～210号点范围,电性结构为“低阻—相对高阻”渐变的双层模式;在210～230号点范围,电性结构为“高阻—低阻—相对高阻”的3层模式;230～310号点范围,电性结构为“高阻—低阻”的双层模式。

a—寒武系娄山关组和清虚洞组岩性组合层;b—寒武系第二统至南华系中上统岩性组合层;c—青白口系地层;d—南华系与青白口系过渡带岩性组合层;1—推测地层界线;2—推测断层及编号;3—推测含锰地质体图11 900号剖面NLCG反演成果图Fig.11 Results of the profile 900 from the NLCG inversion(a) Lithologic combination layers of the Cambrian Loushanguan formation and the Qingxudong formation; (b) Lithologic combination layers from the second Cambrian to the middle-upper Nanhua system; (c) The Qingbaikou formation; (d) Lithologic assemblage layer in the transitional zone between the Nanhua system and the Qingbaikou system 1-Supposed stratigraphic boundaries; 2-Supposed faults and numbers; 3-Supposed manganese-bearing geological bodies

5 结论

(1)通过岩矿石电性特征分析,建立了研究区总体“高阻—低阻—中高阻”3层的电性结构分层模式。实测AMT剖面地表不同位置出露地层岩性和电性差异较大,地层产状较陡,剖面电性结构为单层、双层、三层的多元组合类型。

(2)建立与研究区地电结构近似的构造理论模型,采用6种不同反演模式对理论模型进行反演计算,通过反演结果对比分析,优选出了适合研究区的最佳反演参数组合:初始模型Occam-TE数据+NLCG-TM反演,即选用Occam反演法对TE数据做一维反演,以一维反演结果为初始模型对TM数据做非线性共轭梯度反演。

(3)AMT剖面反演成果清晰地反映了地层岩性空间展布和构造格架。通过理论模型正反演分析,含锰岩系位于断面低阻层底部,结合实测数据反演剖面低阻层的展布特征,间接地识别了含锰地质体的空间展布形态,查明了后期构造F0等断层与含锰地质体的接触关系,为分析研究区锰矿成矿地质条件和深部找矿预测提供了地球物理依据。

(4)研究表明,音频大地电磁法能够有效的识别研究区地电结构及深部构造展布特征。通过理论模型的反演研究,优选最佳反演方案,能够更加客观地对实测数据进行反演和解释,为区内锰矿深部找矿提供地球物理支撑。