广域电磁法对深部岩体的识别及在找矿中的应用：以胶东龙口—土堆金矿区为例
蒋永芳1,2,3，李欢1，颜晓华2,3，张婷2,3，魏兴亮4，孟超2,3，陈庆2,3
1 中南大学地球科学与信息物理学院
2 湖南继善高科技有限公司
3 湖南省深地资源电磁法勘探工程技术研究中心
4 山东烟台鑫泰黄金矿业有限责任公司
通信作者：李欢，博士，教授，博士生导师，从事构造与成矿研究。
导读：
龙口—土堆金矿区位于胶东金矿集中区东部的胶莱盆地东北缘。由于浅部可供开采的有效资源量有限，亟需寻找深部新矿体以缓解矿山生产压力。
该矿床成矿背景受早白垩世郯庐断裂带左行走滑构造体系控制，主要发育于牟平—即墨断裂带南端NE向郭城断裂下盘。关于矿床成因，现有拆离构造控矿、层间滑动角砾岩型及中低温热液构造裂隙充填型等不同认识。可见，以往勘查对矿区深部地质结构掌握不足，尤其对深部断裂构造和隐伏岩体的发育深度、形态及规模刻画不清，制约了矿床成因认识和深部找矿工作。因此，采用新型物探方法开展深部勘探至关重要。
广域电磁法及其仪器已在油气勘探、金属矿勘查、地热资源探测等领域取得显著成效。本研究聚焦胶东龙口—土堆矿区关键控矿要素（岩体、控矿构造、矿化蚀变带），开展大比例尺广域电磁法探测：通过岩石标本物性测定、野外数据系统处理与反演，结合地质综合解译，构建矿区三维地质-地球物理模型，揭示深部地层—构造—岩浆岩成矿空间架构，为深部找矿钻孔布设提供依据。
基于广域GY3线中深部低阻异常带实施的验证钻孔（ZK2）揭露3处矿体及4处矿化带，岩心黄铁矿化发育，证实低阻异常由黄铁矿化带引起；后续沿该矿化带深部延伸方向施工的多个钻孔，共发现9个具规模的金矿（化）体，圈定4条工业矿体（最大厚度6.15 m），表明矿区深部及周边具巨大找矿潜力。据此，结合周边矿床地质特征构建了具有胶莱盆地特色的成矿模型，可供区域找矿勘查时参考和应用。
研究结果表明：广域电磁法可有效识别深部岩体，钻孔揭露的岩体顶界面位置与探测结果高度吻合；该方法对郭城断裂、后夼东断裂、史家断裂等大型构造响应明显，能清晰反映矿化构造蚀变带的走向与延深趋势。
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0600104)
说明：参考文献以原文为准，本推文未作标注。
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0 引言
1 矿区地质特征
2 矿区岩石标本电性特征
3 数据处理方法
4 广域电磁法勘探结果
5 钻孔验证
6 讨论
6.1 岩体与成矿的关系
6.2 岩体的深部形态
7 结论
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0 引言
龙口—土堆金矿区处于胶东金矿集中区东部，矿区已知矿体多，矿体规模小、不连续，分布零散，浅部可供有效开采利用的资源量不多，因此，需寻找深部新的矿体，缓解矿山生产压力。通过对比分析已知的区域地质和矿区成矿条件以及相邻的辽上、西涝口金矿的地质特征发现，预测龙口—土堆金矿区深部具有较大的找矿潜力。深部找矿对缓解矿山目前所面临的现状具有重大深远意义。2014—2019 年，研究者在龙口—土堆金矿区开展了高精度磁法扫面、激发极化法(IP)、可控源测量等物探工作，然而，磁法扫面成果不能对地质体进行准确空间定位，激发极化法与可控音频等探测深度不足等。可见，前期研究对目标地质体的深部延伸情况反映不足，特别是对在本矿区成矿具有重要意义的深部隐伏岩体的发育深度、形态及规模的反映不足，因此，采用新的物探方法对该矿区重新进行深部勘探至关重要。
目前，国内深部勘查手段有限且存在一些不足，传统物理探测方法的探测深度和精度存在一定限制。广域电磁法是何继善研发的一种新的人工源频率域电磁测深方法，与可控源音频大地电磁法的卡尼亚视电阻率法相比，针对电磁波在地下传播的复杂物理波形，广域电磁法可有效求解大地电磁曲面波方程，得到精确的广域视电阻率。广域电磁法视电阻率计算式为
式中：Ke-ex为E-Ex广域电磁法装置系数；ΔVMN为观测点位M 与N 之间的电位差；I 为电流；fe-ex(ikr)为广域电磁法响应函数，i为虚数；k为复波数；r为收发距。
针对地下深部电磁信号微弱的实际情况，为了提高野外电磁信号采集的精度与效率，将广域电磁法与伪随机信号电法相结合的人工源电磁勘探方法具有勘探深度大、观测范围广、工作效率高、测量精度高、适应性强等特点。广域电磁法及其仪器设备已被广泛应用于油气勘探、金属矿勘探、地热勘探、油气压裂三维实时监测等领域，并取得了显著成果。本研究针对胶东龙口—土堆矿区关键控矿因素，以岩体、控矿构造、矿化蚀变带为主要对象，开展大比例尺广域电磁法探测。龙口—土堆金矿区广域电磁法布置见图1。研发并应用大深度高精度物探数据采集、处理和多参数联合正反演、解译技术。结合现场地质调查及多元信息综合研究，对广域电磁法探测成果进行综合解释，研究目标区中深部地层—构造—岩浆岩成矿空间架构，以便为找矿突破提供关键技术支撑。
图1 龙口—土堆金矿区广域电磁法布置图
1 矿区地质特征
龙口—土堆金矿区处于胶东金矿集中区东部、胶莱盆地东北缘、牟平—乳山金成矿带的中南部，受牟平—即墨断裂带南端的NE 向郭城断裂控制，位于该断裂的下盘。其东南存在苏鲁超高压变质带，西南临胶莱盆地，西北为胶北地区(图2)。矿床成矿背景与胶东矿集区乃至华北克拉通东部具有统一的地质成矿动力学背景，受早白垩世郯庐断裂带左行走滑构造体系控制，是中国东部燕山期金爆发式成矿的重要组成部分。
图2 胶东地区金矿分布示意图
区域地层按照由老到新有上太古界胶东群(Ar4j)、下元古界荆山群(Pt1j)、中生界莱阳群(K1l)、青山群(K1q)和王氏群(K1w)及新生界第四系。区域内的断裂构造以NE走向为主，自西向东由桃村断裂、郭城断裂、朱吴—崖子断裂组成区内的主要构造格架，其中前两者控制了胶莱盆地的东北部的边缘，后者切割了马石庄—崖子地区的火山—沉积岩系。该区域在漫长的地质历史发展过程中，不同时代、各种性质不同、样式不同的构造相互叠加制约，形成复杂的构造格局。区内岩浆岩广泛发育，其出露面积约占矿区面积的1/2。主要为晚元古代牧牛山岩体，岩性为中细粒二长花岗岩，形成年龄约2 100 Ma，呈南东向北西顺层侵入于古元古界荆山群地层内，局部呈岩株、岩枝侵入地层内。龙口—土堆金矿区北部出露鹊山岩体，岩性为花岗岩，形成年龄为217～157 Ma，矿区侵入情况未知；矿区南部出露小面积沙子埠岩体，岩性为石英闪长花岗岩，形成年龄约115 Ma，矿区侵入情况未知；区内变质岩主要为荆山群地层，其主要岩石类型为大理岩、变粒岩、斜长角闪岩等，形成年龄约2 500 Ma。
龙口—土堆金矿床自被发现以来，由于其特殊的矿化类型和成矿地质背景引起了众多学者的关注，并取得了一定的研究成果。在矿床成因方面。孙丰月认为矿床是受拆离构造体系控矿的金矿床；沈远超等认为矿床为层间滑动角砾岩型金矿床，刘玉强认为矿床为中低温热液构造裂隙充填型金矿床。在成矿期次方面，谭俊等将其分为3 个阶段，沈远超等将其分为4 个阶段。在成矿流体特征方面，杨春福认为成矿流体环境为中高盐度的H2O-CO2-NaCl-CaCl2 体系；李红梅认为成矿流体主体为岩浆水，并有部分后期大气水参与。在成矿物质来源方面，李红梅等认为成矿物质来源于下地壳或地幔。
2 矿区岩石标本电性特征
对工作区内地层和岩浆岩的岩石标本物性进行测量，测量原理如图3所示。利用直流电阻率法及双频激电法，采用双频激电仪SQ-3C 对岩石样本电阻率和幅频率进行测定。
图3 岩(矿)石标本物性测量工作原理
采集岩矿石标本162 个，标本所在地层包括荆山群大理岩(Pt1j)、荆山群变粒岩(Pt1j)、牧牛山岩体中细粒二长花岗岩(J3ηγ)、白垩系莱阳群砾岩(K1l)，含黄铁矿化岩石，所测得电性参数见表1。
表1 岩(矿)石样品电性参数统计
结果表明，矿区各类岩石之间的电阻率存在较明显差异，具有以下电性特征：
1) 工区不同岩性的电阻率整体较高，主要在1 000～40 000 Ω·m之间。
2) 碎裂状变粒岩、矿(化)岩、含石墨片麻岩等电阻率基本小于1 000 Ω·m，显示为低阻特征；
3) 岩石电阻率与其蚀变、黄铁矿化、硅化和碎裂程度紧密相关，硅化使岩石电阻率升高，破碎或黄铁矿化使岩石电阻率降低。
4) 牧牛山岩体与荆山群老地层电阻率大部分为中高阻，且电阻率相近，浅部牧牛山岩体又反复穿插于荆山群中，无法通过电阻率差异直接区分；荆山群和牧牛山岩体接触带及附近往往具有较强的蚀变和矿化，有明显的电性异常界面。
3 数据处理方法
采用由继善高科自主研发的广域电磁处理解释一体化V2.0系统进行数据处理，该系统操作界面简洁高效，能够进行广域原始数据的预处理，并实现包含地形和场源因素的一维、二维反演。广域电磁法的数据处理工作同样遵循从原始数据的定性分析再到定量分析的处理流程。本文结合广域电磁法布置测线范围广、地形跨度大、地表接地不均等野外施工特点以及测区识别深部岩体界面形态的地质要求，总结了适用于深部岩体识别的广域室内数据处理步骤，见图4。
图4 广域电磁法数据处理流程
1) 结合地质任务，测试工区主要地层物性，特别是深部鹊山岩体电阻率，并整理研究以前大量的物探、地质资料。
2) 在预处理过程中，紧密结合野外施工班报，综合考虑施工过程中的各项干扰因素，对数据进行合理调整。地表水塘、大型工厂、村庄城镇等可能引起持续噪声，对广域数据单点113、114、115这3 个点的频率测深曲线去噪，结果见图5，曲线静态效应处理结果见图6。对地形进行校正处理，结果见图7。
图5 广域数据单点曲线去噪处理
图6 广域数据静态校正
图7 广域数据地形校正
3) 广域电磁法的定性分析主要针对几幅预处理后、反演前的原始图像，是广域数据处理的重点。通过定性分析能够大致判断工区地层的分布区域、主要构造的延展特征，其中，据视电阻率拟断面图，底部高阻界面的起伏可以在一定程度上反映深部岩体的展布特征。图8 所示为其中GY07 测线的频率-视电阻率拟断面图经过预处理前后的对比效果。从图8 可见：测点原始数据经过预处理后，视电阻率拟断面反映地质体真实电性特征的分辨率提高，并且均保留了原始数据的信息。
图8 数据预处理前后视电阻率拟断面对比
4) 广域定量分析的方法主要是将地表所测得的视电阻率通过数值模拟计算，得到地下不同深度的电阻率，所得电阻率分布剖面反映地表测线下方的电性分布特征，是广域电磁法的重要地质解释依据。通过深度矫正等的各测线电阻率剖面，可精确划分深部岩体的具体界面(见图9)。
图9 GY07线一维连续介质反演电阻率断面图
5) 根据剖面解译成果，确定各测线深部岩体分布界面，首先建立二维数值模型，再联合生成三维数值模型，最终在三维成图软件中通过插值计算，建立整体的地质—地球物理三维模型，以揭示整个测区的鹊山岩体分布形态。
4 广域电磁法勘探结果
本研究在龙口—土堆矿区实施了9条广域勘探测线，其中，6条北西向广域测线垂直于矿区主要地层和构造，主要探测矿区地层、岩体、构造的分布形态，分析深部构造蚀变带和矿化带的延伸情况。广域电磁法勘探结果联合剖面见图10。剖面浅部电性以低电阻率为主，局部夹中、高电阻率；中部电性主要为中、高电阻率，局部夹中电阻率；深部电性为大范围高电阻率。本次广域工作分3个时间段(分别在2019年、2020年、2023年开展)，由于布线场源方向等不同，本身剖面电阻率之间存在一定差异，不利于数据测线间插值。根据地质解译对不同电性层位的认定成果，通过cord等地质建模软件对各条测线剖面进行地层界线划分(见图11)，建立二维地质—地球物理剖面，通过联剖图的形式能够清楚地显示各电性体的空间展布情况，从而为矿区深部找矿提供帮助。荆山群地层电阻率主要为中高电阻率，在电性剖面上，从浅部到中深部都具有较明显的电性响应，浅地表受风化或含水影响表现为低电阻率，中深部发育断裂构造蚀变带，局部出现低电阻率带。牧牛山岩体电阻率为中高电阻率，风化后电阻率有一定程度降低，在电性剖面上显示为从南东向北西侵位，在地表大面积出露。鹊山岩体电阻率较高，电阻率显示的岩体顶部界线位于标高-1 200 m 以下，深部以大规模岩基的形态出现。本次广域视电阻率反演剖面较完整地反映了矿区深部地质体的空间架构，可为下一步找矿提供依据。
图10 广域电磁法视电阻率解译联合剖面图
图11 广域电磁法地质解译成果联剖图
5 钻孔验证
广域GY2 测线验证钻孔ZK1 岩芯与该位置的电性对比结果见图12。从图12 可见：当标高为200～0 m 时，中、高电阻率岩为大理岩夹二长花岗岩；当标高为0～-400 m时，中、低电阻率岩为碎裂变粒岩夹黄铁矿化蚀变岩；当标高为-400～-700 m时，中、高电阻率岩为大理岩和变粒岩；当标高为-700～-1 150 m时，中电阻率岩为变粒岩夹闪长玢岩；当标高为-1 150～-1 450 m时，中、低电阻率岩为大理岩夹构造蚀变岩；当标高为-1 450～-1 780 m时，中阻为变粒岩；当标高为-1 780 m 以下时，为糜棱花岗岩。广域反演电阻率剖面解译的岩体界线位于约1 720 m处，验证钻孔揭露的岩体界线约在1 780 m处，钻孔岩体界线与广域视电阻率解译界线较吻合，且该钻孔首次矿区在深部出现鹊山岩体顶界面。整条测线的广域视电阻率等值线变化特征能较好地反映剖面主要地层分布特征、深部岩体起伏形态、构造蚀变带的异常规模，对下一步找矿意义重大，也证明广域电磁法在矿区深部岩体探测方面能发挥有效的指导作用，并可提供可靠的物探依据，为实现深部找矿突破奠定了基础。
图12 广域电磁法GY2线剖面钻孔验证
进一步利用广域电磁法勘探成果，对广域GY3 线的中深部低阻异常带施工钻孔进行验证。钻孔ZK2共揭露3处矿体和4处矿化，钻孔ZK2揭露的矿化蚀变特征见图13。从图13 可见：岩芯黄铁矿化较发育，证明广域反演剖面低阻带为矿体(化)的异常响应。根据该钻孔揭露的黄铁矿化带往深部的延伸方向上施工了多个钻孔，共揭露9处具有一定规模的金矿(化)体。其中，在龙口矿区施工的8个钻孔揭露出矿化带长为800 m、厚为200 m、赋存深度为地表往下800～1 000 m，矿化带内圈出4条工业矿体，最厚可达6.15 m，显示了矿区深部及周边具有很大的找矿潜力。
图13 验证钻孔ZK2揭露的矿化蚀变特征
6 讨论
6.1 岩体与成矿的关系
龙口—土堆矿区成矿构造系统多、岩浆侵入期次多、矿床类型多、矿体产状多，形成了盆地独有的成矿模型，见图14，表明该矿区具有巨大的成矿潜力。物探解译结果揭露了不同期次的岩体深部展布特征以及不同地质体的岩性界面特征，为进一步找矿勘查提供了重要线索。
图14 胶莱盆地成矿模型
6.2 岩体的深部形态
浅部的牧牛山岩体从南东方向侵入，在矿区大面积出露，南东向埋深逐渐增加。沙子埠岩体由南西向北东侵入，止于牧牛山岩体。在矿区南部沙子埠岩体以北施工6 个钻孔，未见沙子埠岩体。GY8 线剖面成果见图15，可见沙子埠岩体中浅部未大规模侵入土堆矿区，也不排除深部高阻的岩体为沙子埠岩体的可能。通过多个揭露鹊山岩体的钻孔与广域各测线成果深部高阻界线，在前期二维地质-地球物理剖面联剖图的基础上，建立三维地质-地球物理模型(见图16)，对工区鹊山岩体的界线进行厘定，结果表明鹊山岩体在本矿区内有岩突、岩凹。从整体形态看，推测鹊山岩体深部岩体侵位方向为：由南东向北西方向侵入，向北到龙口—辽上矿区，向北西到土堆矿区。
图15 GY8线视电阻率剖面地质解释图
图16 鹊山岩体三维地质-地球物理界面模型
龙口—土堆矿区北部辽上矿区的牧牛山岩体下盘与荆山群接触带为有利找矿部位，东部西涝口矿区的牧牛山岩体下盘与鹊山岩体接触带为有利找矿部位。根据广域电磁法三维地质-地球物理模型发现鹊山岩体深部上凸部位分别与现有矿区龙口、土堆、东刘家这3个矿段位置相对应。这是由于在岩体上侵过程中，岩凸部位盖层遭受脆性变形，导致裂隙发育，形成不同方向的断裂构造，同时与早期断裂构造相连通，有利于金矿富集。由此推测，岩体其他上凸地带同样具有较好的构造空间和成矿的可能性。
根据鹊山岩体三维地质-地球物理界面模型(见图16)和广域电磁法三维地质-地球物理模型(见图17)。并结合胶莱盆地、辽上、西涝口矿区的成矿模式，推测牧牛山岩体下盘与荆山群地层接触带、牧牛山岩体与鹊山岩体相交位置、牧牛山与鹊山岩体脆性接触带都为较有利的找矿地段。
图17 广域电磁法三维地质-地球物理模型
7 结论
1) 多个见鹊山岩体的验证钻孔结果与广域测线结果相比，深部高阻界线及变化趋势较吻合，说明广域电磁法能够反映本矿区成矿具有重要意义的深部隐伏岩体的发育深度、形态及规模。
2) 断裂构造裂隙发育，使地层岩性电阻率降低，在广域剖面形成低电阻率，切割高阻区域，降低高电阻率。广域电磁法对于大的断裂构造(导岩、导矿)具有明显的电性响应，能够有效识别郭城断裂、后夼东断裂、史家断裂、F21、F19等。
3) 广域电磁法对本矿区深部鹊山岩体、断裂构造及矿化构造蚀变带等信息均能进行有效识别，可用于指导金属矿的找矿工作。
4) 通过建立三维地质—地球物理模型，采用广域电磁法勘探结果建立了金属矿矿区的空间格架，并对矿区深部岩体、构造的界线进行厘定，对异常进行定性分析，研究结果可为下一步深部找矿提供依据。
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