黑龙江省三合屯金矿床深部电性结构与成矿模式

高科宁，邓居智，2，刘文玉，2，余 辉，2，陈 辉，2，周 聪，2，王彦国，2，刘宝山

1.东华理工大学地球物理与测控技术学院，南昌 330013 2.核资源与环境国家重点实验室(东华理工大学)，南昌 330013 3.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳 110034

0 引言

嫩江—黑河构造混杂岩带位于黑龙江省北部，大地构造位置处在兴安地块与松嫩地块结合部位[1]。该带发现了一系列金矿床，如三合屯金矿床、永新金矿床和科洛河金矿床等[2-3]。其中三合屯金矿床处在嫩江—黑河构造混杂岩带西南端，是带内最典型的火山热液型金矿床。前人地球化学、激电测深、槽探和钻探等一系列勘探工作揭示，该矿床主要受早—中侏罗世发生的韧性剪切作用与后期的白垩纪多重火山热液活动控制，石炭纪侵入岩为成矿物质来源，花岗质糜棱岩和糜棱岩化花岗岩为主要含矿地质体[4-5]。钻井(1)刘宝山，丁健，尹龙，等.黑龙江省嫩江县三合屯金铜多金属矿普查报告.齐齐哈尔：黑龙江省地质调查研究总院齐齐哈尔分院，2015.和重磁资料(2)邓居智，刘文玉，王彦国，等. 辽宁凤城和黑龙江多宝山地区物探测量. 南昌：东华理工大学，2021.表明矿体产出于三合屯盆地边缘，且激电测深和钻井结果显示矿体底部尚未封闭，指示出深部找矿潜力巨大。该区域具有较厚的沉积盖层，导致控矿地质体空间分布、隐伏构造空间展布以及控矿界面起伏形态等关键地质信息尚不明确，严重制约了该地区深部金矿资源勘查。因此，急需通过地球物理手段来查明区域深部构造展布，构建成矿模型，为区域找矿勘查以及成矿模式的建立提供依据。

常用的深部地球物理手段有地震勘探、重力勘探和电磁法勘探等[6-8]。其中音频大地电磁法(audio magnetotellurics，AMT)是一种天然源频率域测深方法，因其效率高、成本低的优点在深部资源与能源勘查中具有广泛的应用[9-10]。樊文鑫等[11]采用音频大地电磁法刻画了西藏扎西康铅锌多金属矿床的深部结构；邓居智等[12]通过音频大地电磁法得到了九瑞矿集区三维电性结构并查明了该地区的导矿、储矿构造；邹宗霖等[13]利用音频大地电磁法勾勒了山西河津铁矿的成矿有利区；赵维俊等[14]采用音频大地电磁法圈定了黑龙江省白石砬子地区的金矿(化)区域；Cooper等[15]利用音频大地电磁法在澳大利亚金矿勘查中成功圈定出与金成矿有关的大型控矿构造和与金矿化相关的小规模构造。

为了得到三合屯金矿床成矿要素更精细的深部展布特征，查明三合屯矿区矿体深部延伸情况，在三合屯矿区开展了音频大地电磁数据采集工作，并采用非线性共轭梯度(nonlinear conjugate gradient, NLCG)法对研究区AMT数据进行二维反演，获得了可靠的地下二维电性结构，结合区域地质和地球物理资料，揭示了研究区深部构造展布特征及其对金成矿的控矿作用。

1 研究区地质与地球物理特征

1.1 地层

三合屯金矿床位于嫩江—黑河构造混杂岩带西南端(图1a)，该构造带北西侧为兴安地块，南东侧为松嫩地块[1]。区域出露的地层主要有中元古界、古生界、中生界和新生界(图1b)，依据1∶5万地质图(3)杨晓平，金哲岩，张文龙，等. 区域地质调查报告嫩北农场幅. 哈尔滨：黑龙江省地质调查研究院，2014.得到的地层详细信息如图2所示。

1.2 构造

研究区构造断裂主要为NE、NW和近SN向[17]。其中，NE向断裂带与成矿关系密切，是主要导矿和控矿构造。航磁和1∶5万重力资料(4)邓居智，刘文玉，王彦国，等. 辽宁凤城和黑龙江多宝山地区物探测量. 南昌：东华理工大学，2021.显示研究区主要存在一组NE向断裂构造F1和两组NE向韧性剪切带(S1、S2)。

韧性剪切带主要发育在元古宙和古生代变质地层以及早石炭世侵入岩中，韧性剪切带走向同样为NE向[5]。钻井资料(5)刘宝山，丁健，尹龙，等.黑龙江省嫩江县三合屯金铜多金属矿普查报告.齐齐哈尔：黑龙江省地质调查研究总院齐齐哈尔分院，2015.显示韧性剪切带发育在三合屯火山盆地下方和区域东部的石炭系侵入岩内。

1.3 岩浆岩

侵入岩主要分布于研究区东北部以及东部区域(图3)。岩石类型主要有花岗闪长岩、正长花岗岩、二长花岗岩、花岗质糜棱岩、花岗闪长质糜棱岩、糜棱岩[18-19]。侵入岩为区内主要的含矿地质体，金矿体主要产出于侵入岩边缘位置，侵入岩内部发育的硅化、黄铁矿化和黄铜矿化是寻找金矿的重要标志[5]。白垩纪光华期和甘河期频繁的岩浆活动导致区域喷出岩发育，喷出岩主要分布在研究区西部，岩性主要为气孔杏仁状玄武岩、玄武安山岩和安山岩。

2 岩石物性特征

三合屯矿区不同地层的岩石物性特征存在显著差异。对采集的344块岩石标本进行了电阻率和密度测量，获得了不同岩石电阻率和密度分布(表1)，为地球物理解释工作提供了依据。

研究区内的白垩系沉积岩地层呈现出中、低阻和低密度的物性特征；白垩纪喷出岩表现为低阻和高密度；石炭纪花岗岩具有高阻和高密度特点；石炭纪闪长岩、闪长玢岩存在低阻和高密度的特性；与成矿有关的石炭纪花岗质糜棱岩显现出高密度和高阻的特征。总体来说，不同岩石在电阻率和密度方面存在差异，这种差异可为研究区的地层和岩体识别提供重要的依据。

3 音频大地电磁数据采集、处理与分析

3.1 数据采集

垂直于NE向构造，布设1条NW向AMT剖面，剖面全长约8.5 km，基本点距为500 m，共设计18个测点(图3)。本次数据采集设备为MTU-5A和V8大地电磁仪器，布极方式为“十字”型布极，且采用正南北方向观测。数据采集过程中同时观测电场水平分量Ex、Ey和磁场水平分量Hx、Hy。采集时间不少于1 h，对个别噪声干扰大的地区适当延长采集时间来对噪声进行压制。本次首先利用傅里叶变换将时间域信号转换到频率域，然后利用互参考技术、Robust估计[20]和功率谱挑选，获得了0.35～10 000 Hz频率范围内较高质量的视电阻率和相位数据。图4给出了所有测点的视电阻率和相位曲线图。大部分测点视电阻率和相位曲线较为平滑，数据质量较好。个别测点(S14-14、S14-30、S14-34)死频带和低频数据受到干扰，采取剔除飞点的方式进行处理。

视电阻率曲线类型主要为HK型、K型和A型。位于三合屯盆地的测点(S14-10、S14-12、S14-14、S14-16、S14-18、S14-20)视电阻率曲线形态主要呈现HK型，视电阻率随深度的增加(频率减小)先减小而后增大，在深部又有减小的趋势。相比于三合屯盆地内部，盆地边缘的测点(S14-06、S14-08、S14-22)往往在更高的频率视电阻率值开始减小，初步分析应与盆地下方具有低阻特征的构造破碎带有关[21]。石炭纪二长花岗岩上方测点(S14-24、S14-26、S14-28)视电阻率曲线为A型，且电阻率值较大，与岩石物性测量结果对应良好。剖面东南侧的其他测点视电阻率曲线均为K型。

1. 下白垩统光华组；2. 下白垩统甘河组；3. 上白垩统嫩江组；4. 第四系沉积物；5. 早石炭世花岗闪长岩；6. 早石炭世二长花岗岩；7. 早石炭世正长花岗岩；8. AMT测点位置及测点号；9. 糜棱岩带；10. 金地球化学异常区域；11. 地名；12. 金矿；13. 地质界线；14. 岩相界线；15. 实测断层；16. 黑云斜长片麻岩。

表1 研究区岩石物性统计表

图4 研究区视电阻率和相位曲线

3.2 维性分析

对音频大地电磁数据进行维性分析是了解地下介质复杂结构和选择合适反演方法的关键[22]。因此，本文通过相位张量分解[23-24]获得了剖面下方的维性特征(图5)。相位张量极小值(φmin)能够反映地下介质电性的变化，如图5a中相位张量椭圆由蓝色到红色的渐变过程指示地下电性由高阻特征转为低阻特征，剖面下方整体表现为高阻特征，仅在剖面西北侧的浅部表现为低阻特征。二维偏离度βs的绝对值小于5并且在一段频率内保持不变时，指示地下结构为非三维结构，反之则表明地下电性具有较为复杂的三维特征[25]。从本次的分析结果来看，图5b中除少部分测点的二维偏离度值在低频部分较大之外，绝大多数测点的二维偏离度绝对值均落在0～5之间，表明研究区地下结构虽然存在局部的三维特征，但仍然以二维特征为主。因此，研究区的AMT数据适合用二维反演方法进行反演。

3.3 构造走向分析

相位张量椭圆主轴方向可以揭示地下导电介质的电性主轴方向，并可以据此推断不同深度的构造走向[24]。从图6a中可以看出，剖面下方整体上具有较为明显的电性主轴方向，表现为北偏东40°。鉴于沿剖面方向存在明显的岩性分布差异，本文分别统计了剖面西北侧甘河组处8个点和剖面东南侧嫩江组处10个点的相位张量椭圆主轴方向，结果表明，甘河组下方电性主轴方向约为北偏东45°，而嫩江组下方的电性主轴方向约为北偏东25°。从图6b—d可以看出，相位张量椭圆主轴方向统计结果显示在100～10 000 Hz频率范围内较为离散，不存在明显的电性主轴方向。随着频率的降低(0.35～100 Hz)，相位张量椭圆主轴方向统计结果则显示明显的方向性，其电性主轴方向约为35°。这与1∶5万地质图(6)杨晓平，金哲岩，张文龙，等. 区域地质调查报告嫩北农场幅. 哈尔滨：黑龙江省地质调查研究院，2014.揭示的NE向构造对应良好。由此可见，沿剖面方向存在两处差异较大的电性主轴方向。为了获得更为合理的反演结果，本文对甘河组和嫩江组地区的AMT数据采用不同的角度进行主轴旋转，旋转角度分别为45°和25°，以满足二维结构的理论假设。在此基础之上，通过采用不同极化模式的数据进行二维反演试算来获得可以更加突出地质结构特征的结果[26]。

a. 最小主相位；b. 二维偏离度绝对值。

a. 区域地质图，图例同图3，左下角玫瑰图表示全测点全频率相位张量椭圆主轴方向统计结果，上方玫瑰图表示西北侧甘河组处8个测点全频率相位张量椭圆主轴方向统计结果，右下方玫瑰图表示东南侧嫩江组处10个测点全频率相位张量椭圆主轴方向统计结果；b、c、d.测区频率段分别在1 000～10 000、100～1 000、0.35～100 Hz相位张量椭圆主轴方向。

4 音频大地电磁数据二维反演

4.1 反演参数试算

本文采用非线性共轭梯度法[27]对大地电磁数据进行二维反演，为了得到更能反映地下结构的反演结果，需采用不同的极化模式进行二维反演试算[28]。反演试算的初始电阻率设置为100 Ω·m，正则化因子τ设为5。3次试算的数据拟合差相差较大(图7)，TE模式的数据拟合差RMS为2.85，反演结果表现为浅部低阻、深部高阻。大范围的低阻、高阻层与钻井资料(7)刘宝山，丁健，尹龙，等.黑龙江省嫩江县三合屯金铜多金属矿普查报告.齐齐哈尔：黑龙江省地质调查研究总院齐齐哈尔分院，2015.不符，究其原因是TE模式需要满足较为严格的二维近似程度，而设计测线方向垂直于地层走向方向，TE模式视电阻率曲线受此影响呈现快速上升的虚假特征。TM模式的数据拟合差为1.93，电阻率断面浅部多具有低阻特征，中深部低--高阻交替出现，但是在剖面东南侧出现大片低阻异常，与维性分析结果相差较大，究其原因是TM模式易受三维高阻结构影响，而剖面东南侧在维性分析结果上显现出较强的三维性，致使TM模式反演结果不准确。TE+TM模式数据拟合差为1.77，与测区的实际地质情况相符程度高，均方根误差也较小。因此本文采用TE+TM模式对于研究区的AMT数据进行二维反演。

为提升反演精度和模型可信性，本文选取0.1～300之间共12个正则化因子进行反演试算，然后通过L曲线法来选定最适合的τ值[29]。试算迭代结果如图8a所示：二者的折中曲线(L曲线)整体趋势表明较小的正则化因子反演结果可以获得更粗糙的模型和理想的数据拟合差，而大的正则化因子反演结果可以获得更圆滑的模型；当正则化因子τ=5时，曲线产生拐点，这表示在此处反演结果既能达到理想的拟合差，又能获得粗糙度适中的模型。因此，本文最后确定使用τ=5来进行二维反演。

RMS. 数据拟合差。

图8b给出了RMS值随迭代次数的变化，在迭代超过10次之后，RMS值逐渐趋近于1，表明反演可信度较高。图8c给出了各测点的RMS值，从中可以发现，大部分测点的RMS值小于2，都能达到目标数据拟合差的收敛要求。在反演迭代过程中图9显示了剖面上所有观测数据和反演模型响应数据的视电阻率与相位对比情况，可以看出，实测数据和模型响应数据能够反映出相近的电性结构，证明本文反演得到的结果是可靠的。

4.2 三合屯矿区电性结构

研究区电性结构具有明显的横向分区、纵向分层的特征(图10)。横向上：剖面西北为三合屯盆地，盆地内为典型的低-高阻两层结构，上部为厚度在100～1 000 m的低阻层C1，电阻率小于2 000 Ω·m，下部为电阻率大于6 000 Ω·m的高阻层R1；测线东南部电性结构主体表现为高阻，但是在其内部含具有中--低阻特征的电性带。纵向上：研究区1 000 m以浅在西北侧呈现低阻特征，在东南侧显示出高阻特征，研究区1 000 m以深整体表现为高阻特征。根据钻井资料(8)刘宝山，丁健，尹龙，等.黑龙江省嫩江县三合屯金铜多金属矿普查报告.齐齐哈尔：黑龙江省地质调查研究总院齐齐哈尔分院，2015.结合岩石物性，推断浅部低阻区C1对应白垩系甘河组火山岩和九峰山组岩屑砂岩。依照1∶5万地质图(9)杨晓平，金哲岩，张文龙，等. 区域地质调查报告嫩北农场幅. 哈尔滨：黑龙江省地质调查研究院，2014.，结合钻井与岩石物性资料(表1)，推测高阻区R1、R2和R3与石炭纪侵入岩有关，其中R1与R2为石炭纪二长花岗岩的电性反映，而具有高密度特征的R3与石炭纪花岗闪长岩对应良好。

a. 不同正则化因子的模型粗糙度和拟合误差；b. 当τ=3时二维反演RMS随迭代次数变化曲线图；c. 当τ=3时各测点RMS分布图。

a. 观测视电阻率xy分量; b. 观测阻抗相位xy分量; c. 模型响应视电阻率xy分量; d. 模型响应阻抗相位xy分量; e. 观测视电阻率yx分量; f. 观测阻抗相位yx分量; g. 模型响应视电阻率yx分量; h. 模型响应阻抗相位yx分量。

根据剖面电性分界面和低阻分布特征结合重磁资料(10)邓居智，刘文玉，王彦国，等. 辽宁凤城和黑龙江多宝山地区物探测量. 南昌：东华理工大学，2021.，本文推断出1条NE向断裂和3条NE韧性剪切带。其中韧性剪切带S1位于三合屯盆地西北缘，对应着石炭纪侵入岩和白垩系沉积岩的接触带，倾向为SE向，沿高阻异常R1向深部延伸，是成矿物质迁移富集的重要部位；韧性剪切带S2位于三合屯盆地东南缘，钻井资料(11)刘宝山，丁健，尹龙，等.黑龙江省嫩江县三合屯金铜多金属矿普查报告.齐齐哈尔：黑龙江省地质调查研究总院齐齐哈尔分院，2015.显示其具有NW倾向的特征，是已查明的三合屯金矿赋存位置，是区内重要的控矿构造；韧性剪切带S3处在花岗岩与闪长岩交界地带，在深部具有NW倾向的趋势。断裂F1垂直往深部延伸，很可能是含矿热液的上涌通道。

a. 布格重力异常曲线；b. 地面岩性分布；c. AMT二维反演结果。

5 三合屯矿区成矿模式

嫩江—黑河构造混杂岩带早石炭世—中三叠世经历了古亚洲洋的闭合过程[30-34]，晚三叠世—早侏罗世又受到了蒙古—鄂霍茨克洋俯冲的影响[34-38]，中—晚侏罗世—早白垩世蒙古—鄂霍茨克洋俯冲作用的影响逐渐减小以及古太平洋板块俯冲后回撤[32,39-41]。受此影响，该区域处在低角度伸展背景下[42-43]，区内原有的韧性剪切带和断裂发生活化，并形成了一系列新的NE向断裂和破碎带[5]。同时岩浆携带大量含矿地幔物质上涌[17]，与大气降水混合形成含矿热液[19]。

结合前人研究，厘定了三合屯金矿床的成矿模式(图11)。晚石炭世区内处于板块碰撞贴合的后伸展背景[44]，大规模花岗质岩浆的上侵定位[45]，形成区内的花岗岩和闪长岩，这是区内成矿物质的最初来源。在早—中侏罗世蒙古—鄂霍茨克洋闭合和伊泽奈吉板块向东亚大陆双向俯冲作用下，区域剪切作用形成一系列NE向韧性剪切带[35,46-47]，推测研究区内韧性剪切带S1、S2和断裂F1形成于此时期，这为区内热液流体的迁移提供了有利通道，金元素进一步的迁移和富集形成了初始矿床。早白垩世晚期，研究区处在拉伸背景下[40,48-49]，同时代的火山沉积盆地在该背景下形成[50-51]，据此推断三合屯火山盆地在早白垩世成型。该时期岩浆活动频繁[52]。推断岩浆热液携带成矿物质沿着韧性剪切带S1和断裂F1上涌，受韧性剪切带S1、S2和断裂F1控制，成矿热液流体向三合屯火山盆地边缘运移，沿着侵入岩中的脆性小断裂就位;在此过程中不断萃取围岩中的金元素，在热液的作用下，金元素逐渐向有利的断裂构造部位运移，后期在侵入岩内部的小断裂中逐渐沉淀富集成矿。

图11 三合屯金床成矿模式简图

6 结论

通过在多宝山矿集区三合屯地区开展深部电性结构研究，主要取得以下几点认识：

1)浅部呈现的低阻异常指示了白垩系沉积岩、火山岩的空间分布特征，深部的高阻区与石炭纪侵入岩对应良好。高低阻之间的转换带指示了韧性剪切带和断裂等导矿、储矿构造的空间分布。

2)三合屯盆地下方NE向的韧性剪切带和断裂是区内重要的控矿构造。韧性剪切带S1和断裂F1具有往深部延伸的特点，认为这两组构造控制着岩浆热液的上涌，为成矿流体向上运移提供了有利通道；浅层的构造破碎带、裂隙和韧性剪切带为金元素的沉淀富集提供了有利空间。

3)早—中侏罗世的含矿热液在断裂和韧性剪切带的控制下进一步的迁移富集，不断萃取石炭纪侵入岩中的金元素形成初始矿床。白垩纪多期热液活动使得成矿物质不断向三合屯盆地边缘的韧性剪切带(S1、S2)中迁移，后期在侵入岩内部的小裂隙中沉淀成矿。

致谢：沈阳地质调查中心邵军、吴新伟等专家对本次研究给予了大力支持和帮助，课题组覃田赐、王宇、骆东德、冯敏等同学参与了三合屯矿区AMT数据采集及处理工作，在此表示衷心感谢。