斑岩型铜矿床带条件约束的CSAMT数据精细处理和反演解释
黄理善1, 侯一俊2, 杨红3, 王建超1, 赵毅1, 张力1
1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西 桂林 541004
2.国土资源部 信息中心,北京 100812
3.桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林 541004

作者简介: 黄理善(1985-),男,硕士,工程师,毕业于中国地质大学(武汉),主要从事金属矿山地球物理方法的应用与研究工作。E-mail:627006527@qq.com

摘要

金属矿产地球物理资料的反演中,数据的自动反演往往会出现反演模型与客观地质情况不符的现象,而带已知条件约束的反演,能限定反演模型的埋深、形状、尺寸、物性变化的范围等,使反演的地电模型更切合实际。以可控源音频大地电磁法(CSAMT)在广西某斑岩型铜矿床的应用为例,考虑了CSAMT方法的有效性、分辨率和岩矿石物性及矿床特征等因素,使用浅部已知矿体、围岩等条件反演剖面地电模型,对深部矿体进行了定位和预测,经钻孔工程验证,取得了显著的找矿效果。

关键词: 斑岩型铜矿; 可控源音频大地电磁法; 约束反演; 地电模型; 深部找矿
中图分类号:P631.3+4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)04-0817-06
CSAMT data interpretation by fine processing and constraint inversion in the porphyry copper deposit
HUANG Li-Shan1, HOU Yi-Jun2, YANG Hong3, WANG Jian-Chao1, ZHAO Yi1, ZHANG Li1
1.China Nonferrous Metal (Guilin) Geology and Mining Co., Ltd.,Guilin 541004,China
2.Information Center of Ministry of Land and Resources,Beijing 100812,China
3.College of Earth Sciences,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China
Abstract

In geophysical data inversion of metallic ore deposits, the automatic inversion of data retrieval models often appears to be inconsistent with the objective of geological phenomena. However, the depth, shape, size, range and other changes in the physical properties of the inversion model with known constraints can restrict the inversion model, so that the inversion of geoelectric model can become more realistic. In this paper, with the application of the controlled source audio magnetotelluric survey (CSAMT) in a porphyry copper deposit of Guangxi as an example, the authors, taking into account the validity of the CSAMT method, the resolution and physical properties of rocks and minerals and the deposit characteristics and other factors, utilized the shallow known orebodies and wall rocks to perform inversion of profiling geoelectric model and made positioning and forecasting of deep orebodies. Drilling verification shows that remarkable ore-prospecting results have been achieved.

Keyword: porphyry copper deposit; controlled source audio magnetotelluric survey (CSAMT); constrained inversion; geoelectric model; ore-prospecting in the depth

可控源音频大地电磁法(CSAMT)以勘探深度大、抗干扰能力强的优点 13, 在新一轮深部找矿中发挥了重要作用, 其探测的对象可以是具有一定规模矿体, 也可以是控矿、导矿或含矿构造 414。目前, CSAMT数据处理和反演软件基本上实现了自动化和智能化, 软件的自动反演能快速的得到地电模型, 工作效率高, 使地球物理工作者的劳动强度大大减轻。但是, 自动反演得出的模型有时过于理想, 与地下复杂的地质体或构造存在误差甚至不符, 在注重找矿效果的金属矿产勘查工作中, 自动反演往往达不到任务的要求。因此, 对CSAMT法数据先作精细处理后再进行反演解释就显得十分必要 1518

广西苍梧县某以铜为主的矿床, 地层、岩浆岩、构造等地质情况清晰, 铜铅锌矿(化)体主要产于断裂破碎带石英斑岩体、构造角砾岩中, 部分产于流纹岩体内, 伴有大量黄铁矿, 是一个与岩浆岩有关的中低温热液斑岩型矿床。目前, 矿山工程控制的矿体在埋深300 m, 而300 m以下的矿体未探明, 本次勘查的任务则是预测埋深300~700 m的矿体及构造, 为钻探工程提供指导。

1 矿区地质及矿体特征

矿区位于广西苍梧县境内, 处于南华活动带大瑶山隆起的东南部, 构造轮廓雏形于加里东期形成, 发展并定形于印支、燕山期; 区内F1断裂、石英斑岩体控制了Cu、Pb、Zn多金属矿的空间分布, 经历了多期次岩浆活动, 给矿体的富集叠加造成了有利的空间。石英斑岩与矿化关系密切, 成矿元素主要以铜、铅、锌等中低温矿物为主, 围岩具绿泥石化、黄铁绢云化、硅化等特征, 大部分矿体直接产于侵入岩体之中, 为与岩浆岩有关的中低温热液斑岩型矿床。

矿区范围内仅出露寒武系黄洞口组第一段(∈ h1), 分布于矿区的西南角, 为一套砂页岩沉积, 主要岩性为灰绿色变质砂岩、石英杂砂岩、泥质粉砂岩和夹黑色泥岩等。第四系(Q)分布于矿区西部、北部及北东部地势相对低洼地带, 为坡残积— 冲积层, 由砂砾、亚砂土、砂土及黏土物质组成, 面积较小(图1)。

图1 矿区地质及物探CSAMT测线平面布置

由于受印支、燕山等期构造运动的影响, 区域内褶皱及断裂发育。本矿区以出露次级北西向断裂构造F1为主, 规模较大, 走向北西, 倾向南西约192° 。破碎带控制长600 m, 宽10~60 m, 倾角48° ~82° , 带中常见断层角砾。F1是控制矿体及矿化的主要构造。F2逆断层切穿F1逆断层, 北东— 南西向, 倾角85° , 破碎带宽8~10 m, 破碎带内成分主要为构造角砾岩, 局部硅化较强烈, 并伴随黄铁矿化。

出露于矿区中部和东北部的广大地区占矿区一半以上面积, 工作区内出露有燕山期花岗闪长岩(K2γ δ )、石英斑岩(K2λ π )和流纹岩(K2λ )。

矿区主矿体Ⅰ 号矿体以黄铜矿为主, 产于F1断裂破碎带中, 呈陡脉状产出, 总体倾向南西, 一般倾角66° ~82° , 矿带宽1.22~54.95 m, 揭露长度327 m, 斜深90~217 m, 赋存标高为345~0 m, 矿体平均厚度为25.19 m。从探槽工程揭露来看, 地表中断裂破碎带(石英斑岩中)铜硫化物已流失, 个别工程见方铅矿化。矿石矿物以黄铜矿、闪锌矿、方铅矿为主, 围岩蚀变主要为硅化、黄铁绢云化, 绿泥石化、绿帘石化、方解石化等。矿石为铜铅锌矿石, 目前尚未发现矿体有氧化现象, 矿石的构造以浸染状构造、条带状构造、细脉状构造、团块状构造为主。深部矿体顶、底板围岩为花岗闪长岩、流纹岩、变质砂岩、构造角砾岩等。

2 地球物理特征

对矿区常见岩矿石进行了电性测试和统计, 结果见表1

表1 矿区岩矿石标本电性参数统计

蚀变的花岗闪长岩或花岗闪长岩表现为高阻低极化; 不含矿石英斑岩为中阻低极化, 接近矿体边缘时电阻率降低, 极化率升高, 表现为中阻中极化; 流纹岩表现为中阻低极化, 矿化的流纹岩为低阻中等极化; 矿石为低阻高极化。由上述统计结果可见, 低阻高极化是指示矿(矿化)信息的地球物理标志, 而矿石与围岩的电阻率差异明显, 其比值达1∶ 70, 且矿体具有一定的规模, 矿体与围岩界限清晰, 具备运用CSAMT探测的良好地球物理前提。

3 CSAMT数据的精细处理和反演
3.1 CSAMT方法的选择

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁法(MT)和音频大地电磁法(AMT)基础上发展起来的一种可控源频率测深方法。它具有勘探深度范围大、分辨能力强、观测效率高, 兼有测深和剖面研究双重特点, 是研究深部地质构造和寻找隐伏矿的有效手段 13。国内外有CSAMT方法在金属矿产方面成功应用的许多例子 414, 18

CSAMT有许多优点, 但在使用时须考虑以下几个问题。

勘探深度:主要取决于地层电阻率、收发距和测量频率等因素, 目前理论的勘探深度是10 ~3 000 m, 金属矿产勘查常见的勘探深度为10~2 000 m。

分辨能力:分横向和纵向分辨力, 横向分辨力与电场偶极尺寸有关, 粗略的估计是TM模式下, 分辨力与偶极的长度相当, 并随着深度的增加而降低; 纵向分辨力与地质体的横向尺寸、厚度、埋深及地质体与围岩的电阻率比值有关[2]。分辨力可以用一维、二维或三维数值模拟测算和估计。

此外, 还要考虑地形的影响, 目前带地形的二维反演算法和程序已经成熟, 使地形的影响大大降低。使用何种勘探模式(标量、张量或矢量)或方式(TM或TE)取决于要解决的问题和地质构造的情况。

3.2 关于静态效应的问题

在大地电磁测深(MT)中, 静态效应引起的视电阻率曲线漂移会对深部资料造成影响, 使解释产生误差甚至错误, 所以, 在大尺度测量中, 大地电磁资料的静态校正是必要的[2, 3]。然而, 在金属矿产频率域电磁测深(CSAMT或AMT)中, 引起静态效应的不均匀体往往就是需要寻找的目标体(矿床或矿体)。由此可以看出, 静态效应是相对探测目标、探测深度而言的, 对于寻找浅表或隐伏金属矿产, 静态效应包含丰富的信息。

静态偏移可以部分看作一个分辨率问题, 当波长与物探尺寸之比为中等且直接在物体上作测深时, 可以直接分辨物体; 但在低频段视电阻率存在偏移。当波长与物体尺寸之比很大, 且测深点在物体或其以外时, 物体是不可分辨的, 它能引起测量结果的偏移[2, 3]。静态效应的校正方法主要有2类:一是使用空间滤波等方法, 二是对引起静态效应的地质体进行理论计算[15, 17]

3.3 矿区地质— 地电模型

CSAMT勘查工作中, 地质— 地电模型是联系地质和地球物理场的纽带, 数据的反演须以地质模型为基础, 才能得出符合地质现象的地电模型。图2为矿区某一剖面地质简图, 本矿区铜铅锌矿(化)体主要产于断层破裂带石英斑岩体、构造角砾岩中, 部分产于流纹岩体内, 石英斑岩体内小断裂、小裂隙往往是矿化富集地方, 呈浸染状、粒状、团块状或细脉浸染状富集, 常伴有大量黄铁矿。F1断层破碎带内, 具石英斑岩体侵入, 均有铜铅锌矿化, 尤其铜矿化较好。矿体的顶、底板围岩分别为变质砂岩和花岗闪长岩、构造角砾岩。图2中可看出, 矿体与围岩岩性较简单, 矿体(含矿构造)与围岩界限明显。由此, 确定了本矿区的CSAMT法的找矿地电模型(图3), 地电模型的主要特点是低阻异常呈带状倾斜分布, 在一定深度异常减弱, 异常延伸的深度, 即为矿体(含矿构造)的延伸深度, 以此来作为深部找矿地球物理依据。

图2 矿区剖面地质简图

图3 矿区地质简图对应的理想地电模型

3.4 反演结果

3.4.1 数据自动反演结果

在1线布设了CSAMT测深剖面, 共30个测深点, 点距30 m, 剖面长900 m。测线及测点布置如图1所示。采用GDP32自带的AMT数据反演程序SCS2D进行自动反演, 初始模型采用二维滑动平均数据, 水平和垂向的圆滑度均采用系统默认值。图4为1线剖面的二维电阻率模型, 图5则为反演后的电阻率剖面, 从图5的结果看出, 低阻异常(低于1 500 Ω · m)位于剖面10~16号点, 从地表到标高100 m范围(红色、黄色和绿色范围), 对比图2的地质剖面, 图5的电阻率自动反演结果模型过于圆滑, 深部异常的信息显示不明显, 对下一步的找矿工作无法提供充分的地球物理依据。由此, 须对数据作深入分析, 精细处理, 极大限度发挥CSAMT方法的优势。

图4 矿区1线二维圆滑地电模型

图5 矿区1线二维圆滑模型电阻率反演结果

3.4.2 地质条件约束的反演结果

自动反演结果显示, 低阻异常无论在横向范围还是纵向深度上都与已知的钻孔资料及周围的地质信息存在偏差, 为了使反演结果更接近实际情况, 提高反演的精度, 现利用钻孔信息并结合地质资料, 对反演模型的埋深、形状、尺寸、电阻率进行约束。由于矿体内部岩石、矿石的多样性和不均匀性, 现实中很难用单一的电阻率数值去描述几何尺寸较大的矿体, 但宏观上可以用一个较为合理的电阻率数值整体表达。根据在坑道矿体上小四极测量及矿石标本测量结果, 将矿体电阻率值选定为 50 Ω · m。根据ZK103、ZK101资料将矿体宽度约束在点号(宽)12~16之间, 深度约束在-100 m范围内, 水平和垂向圆滑系数采用0.15及0.3, 使用二维滑动平均数据建立模型, 如图6所示。图6图4地电模型的差异在于电性的形态及模型的分辨率。对图6的模型采用同种方法反演, 反演结果如图7所示。

图6 矿区1线加约束后的二维圆滑地电模型

图7 矿区1线约束后电阻率反演结果与推断解释

图7的结果显示, 低阻异常位于12~16号点, 异常呈直立状, 从地表延深至标高-500 m。ZK101、ZK103已经控制了标高-100 m以上的矿体, 低阻异常的形态表明含矿断裂构造带往深部有延伸, 深部(标高-100 m以下)仍有较好的找矿空间, 但规模比浅部小。根据CSAMT的结果, 设计验证孔ZK107, 钻孔斜深800 m、倾角75° 。钻孔在斜深700~730 m范围(标高约-440 m处)见真厚度8 m的矿体。对比可见, 加条件约束后, 电阻率的反演结果相对于自动反演更能真实的反映实际情况, 从而提高了物探解释工作的准确性。

4 几点认识

(1) 使用CSAMT法进行勘查时, 除对方法本身有充分的了解, 还须充分研究矿区地质情况等前期施工信息, 明确探测目标物, 对探测目标物的电性、几何尺寸及埋深进行深入了解, 才能最大限度发挥方法的作用。

(2) 确定好约束条件是约束反演取得良好效果的前提, 在此次约束反演的工作中, 用矿石标本测量结果及坑道小四极获取矿体电阻率值, 结合前期钻孔资料对矿体的宽度、埋深、形状进行约束。根据CSAMT电阻率剖面, 预测矿体埋深达700多米, 对深部异常作出评价并设计深部钻孔, 钻孔结果验证了此次约束反演的有效性及CSAMT方法在矿产预测应用上的可行性。

(3) 使用浅部已知矿体、围岩等条件优化反演剖面地电模型、在自动反演的基础上加上人为干预而不是单纯依靠数学计算, 不仅有效地减少了反演的多解性问题, 更提高了地球物理解释的精度。

(4) 生产工作中的约束反演十分必要, 使用软件自动反演可能会导致模型与实际情况存在较大误差。自动— 人机交互的反演方式使得反演结果趋于合理, 是金属矿产地球物理软件开发和生产工作值得注意的问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

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