广域电磁法在新疆哈密卡拉塔格矿集区勘查中的应用

刘洋，王健，尹志超

(中色杰泰地球物理科技(北京)有限公司，北京 100012)

0 引言

随着矿产资源勘查逐步走向深部，常规的直流电测深已无法满足勘探需求，CSAMT采用人工源，克服了MT及AMT天然场场源随机、响应信号弱的缺点，在资源勘查领域得到了迅速的发展及应用。“源”的引入同样也带来了场源效应(石昆法，1999；李金铭2005)，国内外学者对其进行了众多研究，然而校正方法尚不成熟(王刚，2012)。就目前的实际应用而言，野外作业时尽量保证在远区场观测依然是最为合理的方案(汤井田等，2013)。

何继善院士针对CSAMT法近区观测的不足，提出广域电磁法，并在油气勘探、固体矿产勘探、地热勘探等领域取得了较为广泛的应用(梁维天等，2020；田红军等，2020③；王宏宇等，2020)。广域电磁法放弃了卡尼亚公式的“平面波”思维，精确求解电磁波方程，可以在满足偶极子条件的广大区域开展测量工作，用较小的收发距可获得较大的勘探深度(何继善，2010，2020)。

卡拉塔格矿集区位于新疆东部，属于荒漠戈壁景观区，区内分布有大量的盐碱层及覆盖层，电阻率范围多在10～80 Ω·m，低阻屏蔽影响勘探深度。虽然增大收发距，可以增加勘探深度，但电场振幅和磁场振幅迅速减小，矿区勘查难以获得有效信号，制约了深部找矿的突破。本文分别以卡拉塔格矿集区岩浆岩型铜镍矿和VMS型铜多矿金属矿勘查为例，开展广域电磁测深应用试验，经与已有CSAMT、激电测深成果对比，除浅部结果吻合度较高外，还在深部发现更多的找矿异常线索，探测深度有了很大的突破。

1 地质—地球物理背景

1.1 区域地质特征

卡拉塔格矿集区位于吐哈盆地南缘晚古生代构造“天窗”中(秦克章等，2001；王京彬等，2006)，属于大南湖—头苏泉岛弧带北段。卡拉塔格核部出露一套巨厚的奥陶系大柳沟组火山岩—火山碎屑岩建造(简称为卡拉塔格隆起区)，其岩性从玄武岩连续演化至流纹岩，为卡拉塔格地区重要的赋矿层位(方同辉等，2002；马志杰等，2021)，向外过渡为泥盆系大南湖组火山碎屑岩、二叠系阿尔巴萨依组火山岩，以及中新生代沉积物(邓小华等，2014，2018)。

卡拉塔格地区断裂构造发育，主要有北西西、北北西和北东东3组断裂(图1)。北西西向卡拉塔格断裂与区域构造线展布方向一致，形成始于奥陶纪，具有多阶段演化、多性质转换的特点，是区内重要的控岩控矿断裂;北北西向断裂为卡拉塔格断裂的次级断裂，具有等距平行相间展布的特点，是区内重要的控矿断裂;北东东向断裂为左行走滑断裂，错断北北西向断裂，切割了后期侵入的花岗岩体。

图1 卡拉塔格地质简图(a.据邓小华，2018修改)；视电阻率异常平面图(b)；布格重力异常平面图(c)；航磁异常平面图(d)

近年来矿产调查和综合研究将本区矿产划分为3类成矿系列：核部发育与早古生代海相火山岩建造有关的VMS铜锌多金属矿；岩体与下古生界地层接触带发育的海西期斑岩—矽卡岩型矿床；外围上古生界地层中发育与二叠纪基性岩有关的铜镍硫化物矿床。

1.2 区域地球物理特征

卡拉塔格一带重磁高异常总体呈东西展布，反映的区内大地构造的隆凹格局，区域高磁高重异常揭示了其深部存在具有强磁性、高密度隐伏中基性火山岩隆起。早期火山活动产生的高磁、高重基性火山岩隆起受其后多期次火山热液活动影响，导致岩石蚀变退磁现象较强，磁异常表现出具有复杂、分布不均匀的特征。核部发育的与早古生代海相火山岩相关的VMS铜多金属矿床多产于具有高磁背景的“低磁盆地”；外围发育的与二叠纪幔源岩浆活动形成的基性—超基性杂岩体有关的铜镍硫化物矿床多为高磁、高重特征。

卡拉塔格隆起区核部早古生代地层电阻率范围为150～650 Ω·m，泥盆系地层电阻率在60～150 Ω·m，下石炭和上二叠统地层视电阻率普遍在50 Ω·m以下，电阻率与地层年代及岩石的基性程度呈正相关，为电磁测深工作划分地层、岩体及构造提供依据。本次工作针对的岩浆岩型铜镍矿点，围岩为一套具有高阻特征的基性杂岩体，硫化物矿石与辉长岩类、玄武岩及火山碎屑岩等各岩性电性差异明显；VMS型铜多金属矿区，与成矿相关的流纹斑岩及含矿凝灰岩层与上覆火山角砾岩及下伏的安山岩电阻率差异较大，具备开展电法工作找矿的物性前提。

2 广域电磁应用效果对比

本文分别以卡拉塔格西月牙湾岩浆岩型铜镍矿点和东部某VMS型铜多金属矿勘查为例，对比了广域电磁法与CSAMT和激电测深的应用效果。

2.1 铜镍矿勘查区

2.1.1 地质—地球物理特征

月牙湾铜镍矿位于卡拉塔格矿集区西部，其发现将东天山岩浆岩型硫化物矿床找矿空间向北扩展到大南湖岛弧带内(吕晓强等，2019)。矿区主要发育有Y1和Y2杂岩体(图2)，北部Y1岩体呈南北走向，主要赋矿岩性为橄榄辉长岩，围岩为安山玄武岩、玄武质凝灰岩、角砾凝灰岩等。岩体为高重(0.1×10-5～0.7×10-5m /s2)、高磁(0～500 nT)、高极化(1%～7%)特征，出现的局部低阻指示了基性—超基性岩体中的矿体赋存部位，具有铜镍矿床典型的“三高一低”特征。Y2岩体呈北西走向，为高重(0.1～0.6×10-5m/s2)、强负磁(-400～-8000 nT)、高阻特征，由F1断裂与Y1岩体隔开，东南角局部有弱极化异常。

图2 月牙湾铜镍矿地质—地球物理综合异常平面图

2.1.2 原始数据对比

月牙湾Y6测线分别穿过Y1、Y2岩体，测线方位15°，在不同年度分别开展了CSAMT及广域电磁测深工作，两种方法工作点距均为50 m。其中，CSAMT测深方法采用TXU-30发射机和V8接收机，收发距r=21 km，发射偶极距2 km，最大发射电流19 A，采集频率范围7600～0.5 Hz。广域电磁测深使用收发距11 km，发射偶极距1.1 km，最大发射电流71 A，频率范围为8192～0.0117 Hz。

分别选取同测点CSAMT及广域视电阻率数据绘制频率—视电阻率曲线对比图(图3)。由于采用了不同的发射源及计算公式，两种方法在同测点视电阻率曲线存在差异，但中频段均呈“H”型曲线，其局部低阻异常对应为高品位矿化体的赋存空间。CSAMT方法受场源效应影响，其视电阻率曲线在20～10 Hz附近有明显的“过渡区”低阻特征，随后呈45°上升趋势，表现为“近场”区特征。广域电磁法施工由于采用了比CSAMT小一半的收发距，其视电阻率曲线近区特征提前了部分频点，但曲线未出现与CSAMT相似的“过渡区”特征。广域视电阻率曲线在2 Hz附近开始趋于水平，表示在当前收发距限制下探测深度已达到极限，其后出现的下降趋势应与低频电磁信号中开始出现的激电效应有关。

图3 975号点视电阻率曲线对比图

通过两种方法原始数据曲线对比，广域电磁法由于采用精确的计算公式，相较于传统CSAMT方法，可有效利用过渡区及部分近区数据，在缩小收发距、保证信号强度的前提下也能获得较大的探测深度，但其探测深度仍然受收发距的限制。

2.1.3 综合异常解释

结合平面重磁电数据、钻孔资料及二维反演结果绘制Y6线综合剖面图。其中，CSAMT采用非线性共轭梯度法对远区数据进行反演，广域电磁法二维反演断面由继善高科技术人员提供。

CSAMT反演断面上低阻异常与钻孔控制的高品位铜镍矿体(红色阴影)位置吻合，主要赋矿岩性为橄榄辉长岩及橄长岩，地表对应“三高一低”异常组合。上部高阻异常对应为相对高阻的辉长岩及角闪辉长岩，钻孔底部为角砾凝灰岩，外围的高阻异常体为区内电阻率最高的安山质玄武岩(浅蓝色)。CSAMT数据反演时由于截断了20 Hz以下的过渡区及近场数据，反演断面电阻率在-200 m标高以下已无明显变化，深部信息已无法分辨。实际工作已无法再通过单一的改变观测装置而显著地增大探测深度。

广域电磁测深相较于CSAMT方法在反演深度上成倍提升，然而其反演结果在浅部与CSAMT有较大差异，其浅部电性特征更趋于水平，推测与其仅利用电场信息的计算公式、发射场源、反演算法等因素有关。从宏观上看，其主要横向电阻率界面与CSAMT方法基本一致，电性界面推断F1、F2位置也吻合，钻孔控制的高品位矿体与局部低阻异常位置吻合。广域电磁法在探测深度上的优势明显，针对CSAMT测深向下延伸的低阻异常是否为未有效反映的岩浆热液通道的问题及深部是否存在第二岩浆房的推测提供了佐证信息。

2.2 VMS型铜多金属矿勘查

2.2.1 地质—地球物理特征

测区位于北西西向卡拉塔格断裂北侧，北侧出露上奥陶统—下志留统荒草坡群大柳沟组第三段火山碎屑岩建造，局部发育北西向展布的流纹斑岩次火山岩建造，区内主要激电异常与之相关。

根据平面异常在同线部署激电测深及广域电磁测深剖面，由南至北分别穿过IP1、IP2极化率异常中心，在IP3处仅控制其在东南方向延伸的尾部，几处异常均为低阻、高极化组合，为区内硫化物富集段。

图4 激电中梯剖面(a)；重磁剖面(b)；地质简图(c)；CSAMT反演断面图(d)；广域反演断面图(e)

2.2.2 工作方法简述

激电测深使用联合三级装置，a=50 m、隔离系数n=1～16、MN=100 m，采用Res2dinv软件反演。

广域电磁测深点距100 m，收发距r=21 km，发射偶极距为1.1 km，最大发射电流93 A，观测频率范围8192～0.0117 Hz，频点数40个。

图5 测区地质—地球物理简图1—第四系覆盖；2—下泥盆统大南湖组第一段；3—下泥盆统大南湖组第二段；4—上奥陶统—下志留统荒草坡群大柳沟组第三段；5—上奥陶统—下志留统荒草坡群大柳沟组第四段；6—灰岩；7—流纹斑岩；8—视极化率等值线；9—视电阻率剖平图；10—测深剖面

2.2.3 综合异常解释

在剖面方向提取的网格化重磁电数据，结合激电测深及广域电磁法反演结果绘制综合剖面图(图6)。

图6 激电中梯剖面(a)；重磁剖面(b)；极化率反演断面图(c)；电阻率反演断面图(d)；广域反演断面图(e)

激电测深结果显示在100～400 m标高处存在一个局部低阻层位，对应为高极化异常。根据已有的4个钻孔资料，浅部覆盖层以下为高阻的火山角砾岩；中部150～350 m段为硫化物断续发育的含矿凝灰岩层，黄铁矿含量普遍在5%以上，局部呈脉状或致密团块状；底部为高阻的安山岩。激电测深所反映的电性界面深度与钻孔信息吻合，低阻、高极化异常处于局部高重力、低磁空间，异常组合特征与区内VMS型矿床相似。

同线开展的广域电磁测深虽然采用了100 m点距，但其反演结果在500 m深度之内整体与激电测深电阻率断面有相似的电性特征，异常细节存在些许差异。区域布格重力异常在测线方向上北高南低，反映高密度基底界面向北有逐步抬升的趋势，两种方法深部高阻界面在北侧均有抬升的趋势与区域重力特征吻合。激电测深反演结果在深度上更为准确，高阻界面与钻孔揭露安山岩位置一致，广域反演结果上高、低阻电性分界面的深度相对偏大，但其探测深度远大于激电测深。

测深剖面在900号点附近区域重力异常有局部下降趋势，视极化率异常陡立，两种方法反演断面图上有明显的断裂特征，与地表实测的北西向断裂F2位置一致，此处出现的局部高磁异常反映了沿断裂侵入的高磁性火山岩。根据广域电磁测深结果，推断的F2断裂向深部有一定规模的延伸趋势，倾向为北东，产状陡立。F2断裂北侧高阻界面向北逐步抬升，推断北侧为向上抬升的逆断层上盘，与区域上早古生代卡拉塔格隆起区产生的高重力异常特征一致。南侧深部在-600 m标高处的低阻异常区与北侧100 m处的低阻异常推测应为同一层位，受卡拉塔格核部隆起的影响而抬升。结合钻探资料在300 m深度附近揭露的硫化物聚集的低阻、高极化凝灰岩层，推断深部具有较好的找矿潜力。

3 结论与建议

(1)本文结合地质、钻探及综合物探资料对广域电磁测深在卡拉塔格矿集区岩浆岩型铜镍矿和VMS型铜多金属矿勘查中的应用效果进行了对比，相较于常规探测手段，广域电磁法在探测深度上的优势明显。

(2)卡拉塔格荒漠戈壁低阻覆盖区CSAMT方法勘探深度受近场条件限制大，广域电磁法采用全区视电阻率定义，改善了非远区的畸变效应，可在使用较小收发距的前提下增加勘探深度和信噪比。

(3)根据本次工作也对广域电磁法提出以下两点疑问：高频段普遍出现的虚假异常是否与采集信号的筛选机制有关；卡尼亚视电阻率公式采用电场和磁场的比值进行了归一化，实测视电阻率与场源无明显相关性，仅采用电场分量计算的广域视电阻率在装置参数不变时，实测视电阻率会因发射源选取出现整体抬升或下降，是否会引起反演结果深度的不准确。