多种物探方法在西林金成矿带深部探测效果分析

宋林君　唐德龙　丁正江　尹召凯　张亮亮　李瑞波

摘要：为了筛选出适用于胶东金矿集中区深部探测的地球物理方法，同时也为查明西林金成矿带深部构造位置、产状及与地质体的关系，总结地球物理找矿标志，构建深部地质地球物理找矿模型，在西林金成矿带开展了AMT、CSAMT和WFEM 3种典型电磁法试验。采用理论分析、实测对比和钻孔验证的方式，重点围绕抗干扰性、探测深度、分辨率及准确度4方面对比分析这3种电磁法的探测效果。试验结果表明，WFEM在抗干扰性、探测深度、分辨率和准确度上均优于其他2种方法，能准确限定测线经过区地质体产出规模、深度，能有效约束西林断裂带发育位置、深部变化及与岩体关系。

关键词：广域电磁法；可控源音频大地电磁法；音频大地电磁法；对比分析；深部探测；西林断裂带

中图分类号：TD15 P631文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2023）07-0023-06doi：10.11792/hj20230704

引 言

西林断裂带是胶东金矿集中区内一条重要的矿化蚀变带，其形成和活动时间与中生代金成矿时代相近［1］，具有良好的成矿地质背景和控矿、赋矿条件。西林断裂带周边小型金矿床的分布显示，该区域具有发现大型金矿床的潜力，但相比胶西北其他3条主要控矿断裂带，西林断裂带研究程度相对较低，勘查深度相对较浅，导致深部找矿突破不大。试验区成矿特征较为特殊，加之交通、电力、通信网络、建筑设施等各类人文电磁干扰较为复杂，近年来，采用过多种物探方法开展工作，但勘探效果不理想，深部找矿少有突破。例如，传统激电方法抗干扰能力强且对金属矿化反映灵敏，但受感应耦合影响［2］，探测深度到500 m已是极限，满足不了深部探测需求；地震勘探，在岩浆岩地区复杂的地质构造和矿脉分布导致地震反射波较弱，信噪比较低，对异常体的边界难以分辨，且岩浆岩地区地形复杂导致施工成本过高［3］；大地电磁法探测深度大，但天然场源因具有随机性和信号微弱的特点而易受干扰，使得大地电磁法的精度和效率都很低［4］；广域电磁法（Wide Field Electronmagneti Method，WFEM）摒弃了传统的平面波理论，利用曲面波电磁勘探理论，使用人工伪随机信号源［5］，可以在“非远区”进行测量［6］，在抗干扰性、探测深度、分辨率、准确度及勘探效率方面均具有一定的优势，正成为新的研究热点［6-7］。为了验证WFEM在西林金成矿带深部探测的适用性，同时查明深部构造位置、产状及与地质体关系，在西林金成矿带开展了音频大地电磁法（Audio-frequency Magnetotelluric，AMT）、可控源音频大地电磁法（Controllable Source Audio-frequency Magnetotelluric，CSAMT）和WFEM 3种典型电磁法试验，对其抗干扰性、探测深度、分辨率、准确度进行深入对比，总结规律，为西林金成矿带深部探测提供支撑。

1 基本原理

1.1 求解AMT/CSAMT卡尼亚视电阻率

由式（3）可知，首先卡尼亚视电阻率采用忽略电场（式（1））和磁场（式（2））中高次项的方式，对公式近似简化，导致公式只适用于远区，探测范围受限。其次，求解卡尼亚视电阻率需同时采集电场和磁场数据，这就意味着实际测量中会受到来自电场和磁场的影响，且电场和磁场的影响呈平方倍放大。

1.2 求解WFEM视电阻率

由均匀大地表面上的水平电流源激发出的电场表达式如下：

式中：I为发射电流（A）；L为场源尺寸（m）；φ为方位角（°）；k为波数；σ为介质电导率（S/m）。

以E-Ex方式进行测量，得到的WFEM视电阻率（ρ）计算公式为［10］：

式中：ΔVMN为观测电位差（V）；KE-Ex为只与观测装置几何尺寸有关的系数；fE-Ex（ikr）为收发距、地下电阻率和发射电流频率组成的复函数。

分析式（4）、式（5）可知，首先，WFEM视电阻率的求解对公式不作简化，计算的是视电阻率严格解，其在测量范围内任何位置都成立，也就是说其观测范围不再局限于远区，能够在较广的区域内观测，增大了观测范围，提高了探测深度；其次，WFEM视电阻率的求解只需要测量電场，只受电场影响且影响程度更小，抗干扰能力更强。

2 试验区概况

2.1 地质特征

试验区位于胶东金矿集中区，栖霞臧家庄盆地北缘，西林金成矿带上［11］。西林断裂带为实验区内规模较大且与金矿化关系密切的构造，可见长度35 km，宽300～500 m，总体走向近东西，倾角25°～40°。西林断裂带上盘是中生代莱阳群和青山群，下盘为古元古代荆山群及中生代郭家岭序列。实验区内出露地层从老到新依次为新太古代马连庄和栖霞序列、古元古代荆山群、中生代莱阳群和青山群以及第四系（见图1）［12］。荆山群不整合—韧性剪切覆盖于新太古代侵入岩之上［13］；莱阳群呈超覆不整合于荆山群之上，青山群直接不整合于莱阳群之上；第四系分布在沟谷低洼处，以洪冲积、残坡积为主。试验区内岩浆岩主要有新太古代马连庄序列变辉长岩、栖霞序列英云闪长质片麻岩［14］，中生代郭家岭序列花岗闪长岩及新生代侵入岩［15］。此外，试验区分布闪长玢岩、煌斑岩、花岗闪长斑岩、英安斑岩等多种岩脉［16］。

2.2 地球物理特征

试验区岩石电性参数见表1。由表1可知：试验区内岩石依据视电阻率大体可划分成高阻、中阻和低阻 3类。其中，低阻岩性主要有斜长角闪岩、黑云片岩及第四系黏土等，视电阻率波动较小，平均值小于600 Ω·m；中阻岩性主要有绢英岩化碎裂岩、黑云斜长片麻岩、英云闪长质片麻岩等，平均视电阻率在700～850 Ω·m；高阻岩性主要有英安斑岩、闪长玢岩、花岗闪长岩等，平均视电阻率在2 000 Ω·m以上，视电阻率最高可达8 200 Ω·m，因其岩性、内部结构和构造的不均匀性，致使视电阻率变化较大［17］；另外，当岩石破碎后，经过蚀变或充水，视电阻率会显著低于原岩，在视电阻率曲线上呈现低阻；而当岩石破碎，裂隙被石英脉充填后，其视电阻率会显著高于原岩；如果断裂破碎带中硅化较发育，反映在视电阻率曲线上会呈现低阻带中夹着局部高阻的特征［18-20］。

3 试验剖面与试验参数选择

本次试验采用WFEM、CSAMT和AMT 3种方法对同一剖面进行探测，点号一一对应。WFEM使用继善高科JSGY-2广域电磁系统，点距100 m，点号500～4 300號点，频率0.011 7～8 192 Hz，点数40个，收发距为10 km；CSAMT使用加拿大凤凰公司V8系统，点距50 m，点号1 200～4 200号点，频率1～9 600 Hz，点数41个，收发距为10 km；AMT同样采用V8系统，点距100 m，点号1 000～4 200号点，频率0.35～10 400 Hz，点数60个。

4 实测对比

4.1 WFEM人工场与天然场信号强度对比

WFEM人工场与天然场信号强度对比结果见图2。由图2可知：在高频段，虽然高频电磁波在传播过程中能量衰减大，但其信号强度仍能达到天然场信号强度的3～9倍，说明在信号干扰强烈的高频段也能起到较好的压制作用；随着频率降低，人工场信号强度越来越高，对天然场的压制作用也越来越强，在低频段可达到天然场信号强度的上百倍。由此可以说明WFEM信号强度高，可以有效压制干扰，适用于电磁、人文干扰较强的地区。

4.2 单点曲线对比

2 600号、4 000号点CSAMT、WFEM、AMT单点曲线对比结果见图3。由图3可知：CSAMT单点曲线在高频段部分频点出现畸变，说明受到高频尖峰信号干扰，且在100 Hz左右就已经进入了过渡区，随后呈45°角上升，反映了CSAMT的中、低频段在场源效应的影响下，过早进入了过渡区和近区，说明探测深度有限。相比较，WFEM单点曲线整体更为平滑，无明显畸变点，曲线变化规律更符合实际地质情况，在高频段对高频尖峰信号干扰的压制效果优于CSAMT，且在低频段不存在近场效应，同样是10 km收发距，WFEM的探测深度远大于CSAMT。

AMT单点曲线整体畸变点较多，频点较为离散，即使在低频段同样会受到干扰，反映出AMT天然场源信号弱对电磁干扰较敏感的特点。另外，AMT不存在场源效应问题，理论探测深度要大于CSAMT，与WFEM相比AMT的频率为0.1～10 000 Hz，WFEM频率为0.011 7～8 192 Hz，由此可见，理论上WFEM的探测深度要大于AMT。

4.3 反演效果对比

WFEM、CSAMT和AMT 3种方法反演效果对比结果见图4。由图4可知：这3种方法反演结果图形较为相似，对各地质构造单元、断裂带及岩性接触面都有不同程度的反映。

CSAMT在2 000 m深度以下已经难以正确反映地质体电性特征（见图4-a））；对1 600号点处的采空区形成的低阻异常反映明显，但体积效应较大；对于高、低阻电性分界面反映清晰，但对阻值差异相对较小的地质体分辨能力较差；对断裂带形态的反映偏陡、偏深。

AMT对2 500 m深度以下地质体的反映呈近似水平层状（见图4-b）），已经达到探测深度极限；在浅部，能识别出1 600号点的采空区低阻异常及1 800～2 600号点、3 200～4 250号点处的中高阻薄层，但反映不明显；在深部，受探测深度影响，对于3 400～4 250号点2 100 m深度以下低阻异常体的整体形态反映不全；对断裂带的形态分辨较差，电性分界面不明显。

WFEM对于深度2 000～3 000 m地质体电性异常识别效果良好，在3 000 m深度以下地质体电性特征仍有所反映（见图4-b））。在浅部，能准确分辨出1 600号点处的露天采空区充水形成的低阻异常，且体积效应较小，对浅部1 800～4 200号点，低阻层中夹的中高阻薄层分辨较好；在深部，对于高阻体中包裹的中低阻体识别较好（1 400～2 400号点，深度1 200～2 200 m），对于低阻中裹挟的中高阻体识别较好（3 500～4 250号点，深度1 600～2 000 m），对于底部的低阻地质体仍能有效分辨（3 000～4 250号点，2 100 m深度以下）；对断裂带形态特征的刻画较精细，形态清晰，且断裂带上、下盘电性分界面较明显。

对比这3种方法的反演结果可以看出，WFEM在探测深度上明显大于CSAMT和AMT，对高阻地质体、中高阻地质体、中低阻地质体及低阻地质体的电性特征分辨均较好，对于断裂带形态刻画更精细。

4.4 综合推断与钻孔验证

WFEM二维反演断面与钻孔验证结果见图5。由图5可知，剖面大致可划分为4个主要电性层，上部低阻层（视电阻率50～150 Ω·m）、中部中阻层（视电阻率200～300 Ω·m）、下部低阻层（视电阻率100～270 Ω·m）及左侧高阻层（视电阻率500～1 700 Ω·m）。结合岩石物性资料和试验区地质资料分析，推断上部低阻层为中生代沉积地层，钻孔XLZK01于-9.1～-615.0 m标高揭露，其中包裹的带状中高阻异常体推断为闪长玢岩，钻孔XLZK01于-119.5～-183.1 m标高揭露；推断下部低阻层为古元古代荆山群，钻孔XLZK01于-1 226.3～-2 002.2 m标高揭露；推断中部中阻层为英安斑岩侵入荆山群中形成，钻孔于-1 704.5～-1 977.2 m标高揭露；推断左侧高阻层为中生代郭家岭序列侵入岩，未经钻孔验证，其中存在1处中低阻异常圈闭，推断为新太古代马连庄序列捕掳体，未经钻孔验证。另外，在上部低阻层与中部中低阻层之间存在一条等值线较密集的电性分界面，倾角15°～40°，整体形态呈上陡下缓、波状起伏的铲式构造，推断为西林断裂带，该断裂带由浅至深沿古元古代荆山群边缘展布，其上盘为中生代沉积地层，下盘为古元古代荆山群和中生代郭家岭序列与已知地质资料相符，钻孔XLZK01于-687.3～-1 226.3 m标高揭露构造蚀变带。

5 结 论

1）WFEM视电阻率计算公式不作简化适用于全区，扩展了观测范围，增大了探测深度，求解只需要测量电场，只受电场影响且影响程度更小，抗干扰能力更强；卡尼亚视电阻率计算公式采用忽略电场和磁场公式中高次项的方式，对公式近似简化，导致公式只适用于远区，探测范围受限，求解需要同时测量电场和磁场，受到电场和磁场的同时干扰且电场和磁场的影响呈平方倍放大。

2）WFEM人工场信号强度远高于天然场，可以有效压制干扰，单点曲线平滑稳定无明显畸变点，在高频段信号强度优于CSAMT，在低频段不存在近场效应，具备更大的探测深度；CSAMT在高频段信号较弱，易受干扰，在中低频段受场源效应影响过早进入了过渡区和近区，探测深度有限；AMT采集天然场源信号对电磁干扰较敏感，数据畸变点较多易受干扰，不存在场源效应问题，探测深度要大于CSAMT，受音频频率范围限制探测深度小于WFEM。

3）CSAMT有效探测深度在2 000 m以浅，对于高、低阻电性分界面反映清晰，但对电阻率差异相对较小的地质体分辨能力较差，所反映的低阻异常的体积效应明显，对断裂带形态的反映偏陡、偏深；AMT探测深度达到2 500 m，能识别出低阻中的高阻薄层，但分辨率较低，对断裂带的形态分辨较差，电性分界面不明显；WFEM揭示了3 000 m深度以浅各地质构造单元、断裂蚀变带及岩性接触面空间分布特征，对于低阻、中低阻、中高阻及高阻体分辨率均较高，对于断裂带形态刻画更精细，对构造蚀变带的深部变化趋势和深部地层接触关系分辨良好。

4）WFEM推断成果与钻孔揭露的地质体、地层及构造蚀变带基本吻合，准确限定了试验区附近地质体产出规模、深度，确定了新太古代马连庄序列和中生代郭家岭序列侵入岩体与古元古代荆山群和中生代莱阳群沉积地层的深部关系，约束了西林断裂带发育位置、深部变化及与岩体关系，同时证实了该方法在西林金成矿带深部探测的有效性，为胶东金矿集中区深部探测提供了切实可行的地球物理方法。

［参 考 文 献］

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Analysis of the effectiveness of multiple geophysical methods in the deep exploration of the Xilin gold metallogenic belt

Song Linjun1，2，3，Tang Delong1，2，3，Ding Zhengjiang1，2，3，Yin Zhaokai1，2，3，Zhang Liangliang1，2，3，Li Ruibo1，2，3

（1.No.6 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources;2.MNR Technology Innovation Center for Deep Gold Resources Exploration and Mining;3.Shandong Provincial Engineering Laboratory of Application and Development of Big Data for Deep Gold Exploration）

Abstract：In order to select suitable geophysical methods for deep exploration in the Jiaodong gold concentration area，and to determine the deep structural position，occurrence，and relationship with geological bodies of the Xilin gold metallogenic belt，this study summarized the geophysical exploration indicators and constructed a deep geological-geophysical exploration model.3 typical electromagnetic methods，including AMT，CSAMT，and WFEM，were conducted in the Xilin gold metallogenic belt.The detection results of the 3 electromagnetic methods were compared and analyzed in terms of anti-interference ability，detection depth，resolution，and accuracy through theoretical analysis，field measurements，and drilling verification.The experimental results showed that WFEM outperformed the other two methods in terms of anti-interference ability，detection depth，resolution，and accuracy.It can accurately determine the scale and depth of geological bodies along the measured lines，effectively constrain the development position and deep changes of the Xilin fault zone，as well as its relationship with the rock mass.

Keywords：wide-field electromagnetic method;controlled-source audio MT;audio-frequency MT;comparative analysis;deep exploration;Xilin fault zone

收稿日期：2023-04-11；  修回日期：2023-05-03

基金項目：山东省财政地质勘查项目（鲁勘字〔2021〕29号）；山东省地矿局地质勘查与科技创新项目（KY202105）；山东省地矿局科技攻关项目（KY202208，KY201916）；广东省科技计划项目（2020B1212060055）

作者简介：宋林君（1989—），男，工程师，硕士，从事固体矿产地球物理勘查工作；E-mail：734012714@qq.com

*通信作者：唐德龙（1988—），男，工程师，从事固体矿产地球物理勘查工作；E-mail：455900288@qq.com