引用本文
刘志臣, 吴发刚, 骆红星, 孙远彬, 周晓林, 陈登, 代璨怡. CSAMT法在贵州遵义锰矿整装勘查中的运用[J]. 物探与化探, 2016,40(2): 342-348.
LIU Zhi-Chen, WU Fa-Gang, LUO Hong-Xing, SUN Yuan-Bing, ZHOU Xiao-Lin, CHEN Deng, DAI Chan-Yi. The application of CSAMT method to monoblock exploration in the Zunyi manganese deposit, Guizhou Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(2): 342-348.
Doi:10.11720/wtyht.2016.2.17  
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CSAMT法在贵州遵义锰矿整装勘查中的运用
刘志臣1,2, 吴发刚2, 骆红星2, 孙远彬3, 周晓林2, 陈登2, 代璨怡2
1. 中国地质大学(武汉) 地球科学学院, 湖北 武汉 430074
2. 贵州省地矿局 102地质大队, 贵州 遵义 563003
3. 贵州省地矿局 103地质大队, 贵州 铜仁 554300

作者简介: 刘志臣(1982-), 男, 2011年毕业于贵州大学, 获硕士学位, 在读博士生, 高级工程师, 现主要从事地质矿产勘查与研究工作。

收稿日期: 2015-05-21
基金: 中国地质调查局项目“贵州省遵义锰矿国家级整装勘查项目”(2013-18); 中央地质勘查基金项目 (2011520030); 贵州省地质矿产勘查开发局地质科学研究项目[黔地矿科合(2011)3号]
摘要

为了提高找矿勘查效率,查清锰矿在深部的空间位置和深部构造的发育情况,在贵州省遵义锰矿区首次开展了可控源音频大地电磁法(CSAMT法),采用V8多功能电法勘探系统,选择深溪大型锰矿床延伸部位由西向东布设了4条CSAMT剖面。通过二维反演计算,结合研究区地质特征和岩矿层物性特征,对测量的4条剖面岩矿层及构造特征进行精细的解释,为确定岩矿层在深部空间的位置提供了重要信息。通过钻探验证,其揭露的层位、构造位置和CSAMT方法解释结果吻合较好,找矿效果较为显著,CSAMT法有望作为重要手段在同类型的锰矿找矿预测中推广运用。

关键词: CSAMT法; 整装勘查; 锰矿; V8多功能电法勘探系统; 贵州遵义
中图分类号:P631;P618 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)02-0342-07 doi: 10.11720/wtyht.2016.2.17
The application of CSAMT method to monoblock exploration in the Zunyi manganese deposit, Guizhou Province
LIU Zhi-Chen1,2, WU Fa-Gang2, LUO Hong-Xing2, SUN Yuan-Bing3, ZHOU Xiao-Lin2, CHEN Deng2, DAI Chan-Yi2
1. Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
2. No. 102 Geological Party, Guizhou Bureau of Geology and Exploration and Development of Mineral Resources, Zunyi 563003, China
3. No. 103 Geological Party, Guizhou Bureau of Geology and Exploration and Development of Mineral Resources, Tongren 554300, China
Abstract

With the purpose of meeting the increasing request for the mineral resources, the present exploration is shifting from the near surface layers to deeper horizons, commonly beyond traditional prospecting methods. To improve the efficiency of explorations, the authors used Controlled Source Audio-Frequency Magneto Telluric Method for the first time in this study to locate deep manganese orebody as well as its hosting structure. The V8 multifunction electrical prospecting system was applied in four CSAMT sections eastward in Shenxi, along the strike of the major manganese deposits. Interpretation of the four CSAMT sections based on a two-dimensional inversion method, combined with geological setting and physical properties of the ore-hosting rocks, shed light on the position of the ore-hosting bed, which agrees well with the results of drilling verification in encountered strata and structures. The CSAMT method thus is of the potentiality in the further exploration of similar ore deposits.

Keyword: CSAMT method; monoblock exploration; manganese deposit; V8 multifunction electrical prospecting system; Zunyi in Guizhou Province

锰是我国十分紧缺的战略矿产之一, 广泛使用于冶金工业。近年来, 随着工业化、城镇化和农业现代化的加快推进, 我国锰矿资源供需矛盾日益突出, 对外依存度进一步攀升, 并面临国际竞争日益加剧的局面, 加大深部锰矿资源的勘查研究力度, 提高战略资源储备迫在眉睫。为了缓解资源危机, 找矿勘查工作已由地表转向深部, 传统的找矿勘查方法受到了一定限制。贵州省遵义锰矿是贵州首次发现具有工业价值的大型锰矿床, 位于贵州省遵义市城区南东方向直距约10 km, 位于全国二十个重要成矿带中的川滇黔成矿带内, 锰矿成矿背景和成矿条件十分有利, 找矿潜力巨大, 是重要的锰矿资源和深加工基地, 并有力地支持着成渝经济集聚区与黔中经济集聚区间经济走廊的建设和发展。

贵州遵义锰矿属典型的二叠系沉积型碳酸盐锰矿, 开展过系统、全面的找矿勘查和理论研究工作。遵义锰矿自1954年发现以来, 已发现大中型锰矿床十多个, 探明资源量达1.7亿t, 是我国重要锰矿成矿区, 也是贵州省重要的锰矿资源基地, 被列为国家级整装勘查区。前人分别从遵义锰矿矿床地质特征、矿床成因、成矿环境和成矿模式等方面开展了不同程度的研究和分析, 取得了丰富的成果[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] 。研究区以往找矿勘查工作大多集中在200~500 m深度范围内, 主要通过钻探手段进行找矿勘查, 物探工作程度较低, 随着遵义锰矿地质科研工作的不断深入和找矿勘探程度的不断提高, 找矿工作由地表转向深部, 主要找寻深部隐伏矿体, 现勘探深度已超过800 m, 目前作为主要锰矿找矿工作的钻探方法找矿风险越来越大, 为了降低找矿风险, 提高找矿勘查效率, 有必要引用新的找矿方法和手段。基于研究区锰矿地质和地球物理特征及探测埋深较大的考虑, 传统的直流电法(包括五极纵轴测深)、瞬变电磁法等方法难以取得较好的探测效果。因此, 选用可控源音频大地电磁法(CSAMT法)作为本次工作的主要物探方法。

CSAMT法对寻找深部隐伏矿体、探测深部不同岩层和构造空间分布较为有效, 它具有探测深度大、抗干扰强、分辨率高的特点, 在深部找矿中, 特别是对金矿、铅锌矿、铝土矿等矿种找矿效果明显[11, 12, 13, 14, 15], 但对锰矿的找寻, 还缺乏应用研究。本次在研究区首次试用了该方法, 结果取得良好的效果, 有效地探测和判断了深部锰矿体赋存位置和构造的发育情况, 更好地指导了深部锰矿找矿勘查工作, 这为区域内同类型的深部矿床找矿提供了详实的依据和借鉴。

1 区域地质概况

研究区大地构造位置属上扬子古陆块二级构造单元, 跨扬子陆块南部被动边缘褶冲带的凤冈滑脱褶皱带、毕节前陆褶皱带、织金宽缓褶皱带三个构造单元, 属稳定的陆块区。区域上断裂发育, 主要以北东向、北北东向断裂为主, 其次为北西向断裂; 褶皱型式主要为隔槽式— 类隔槽式— 疏密波式— 箱状褶皱。总体来看, 自东(南东)向西(北西)褶皱和断裂的强度均减弱, 逆冲断层也减少或规模变小, 主要发育高角度正断层。遵义锰矿分布区构造特点为向斜开阔, 常形成复式向斜, 背斜较紧凑, 且背斜北西翼较陡, 南东翼较缓, 北西翼及近轴部发育一系列高角度逆断层。主要出露寒武系、二叠系、三叠系等地层, 无岩浆岩和变质岩出露[16]。二叠系为区内唯一产锰矿床的地层。遵义锰矿研究区主要位于虾子复向斜和铜锣井背斜两翼, 已圈定矿床14个, 其中大型矿床3个(铜锣井、深溪、小金沟锰矿), 中型矿床3个(永安、转龙庙、龙坪锰矿), 小型矿床8个(冯家湾、共青湖、铁司、西台、高山、毛家山、木杠台、蒜叶沟锰矿), 找矿潜力巨大。本次CSAMT工作区位于深溪大型锰矿床向东南延伸部分, 锰矿体埋深300~800 m(图1)。

图1 遵义锰矿区区域地质图(据《贵州省区域地质志》, 1987改编)

研究区出露地层均为沉积岩地层, 分别有二叠系中统茅口组(P2m)、二叠系上统龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)、三叠系下统夜郎组(T1y)、茅草铺组(T1m)、三叠系中统松子坎组(T2s)、狮子山组(T2sh)[16](见图2、图3)。

图2 遵义锰矿区地质简图

图3 遵义锰矿区综合地层柱状图

研究区含锰岩系位于二叠系上统龙潭组底部, 以假整合接触关系覆盖于二叠系中统茅口组硅质灰岩之上, 一般厚1.09 ~5.17 m, 平均厚3.29 m, 主要由浅灰、灰绿、灰黑色的含黄铁矿的黏土岩、碳酸盐锰矿及粉砂质泥岩所组成。锰矿体产于含锰岩系下部, 矿体总体呈层状、似层状产出, 严格受层位控制, 局部有大小不一的无矿天窗, 无矿天窗面积均小于0.06 km2, 矿体厚度为0.5~3.67 m, 一般为1.16 m, w(Mn)为10.58%~33.33%, 一般为16.88%。主要为碳酸盐锰矿, 矿石矿物以菱锰矿为主, 其次为钙菱锰矿、锰方解石、水褐锰矿等。脉石矿物以粘土矿物为主, 次为硫化物、炭质、铝土质等。矿石以碎屑结构为主, 其次是鲕粒、球粒结构; 主要为块状构造、层理构造。w(Mn)/w(Fe)一般为1.5< 2.5、[w(CaO)+w(MgO)]/[w(SiO2)+w(Al2O3)]< 0.5, 矿石自然

类型为碳酸盐锰矿, 工业类型为高硫、中— 高铁、低磷、低硅贫锰矿石, 矿床成因主要为喷流热水沉积成因, 其次为成岩期改造作用成因[7, 8, 9, 10]。研究区锰矿沉积环境为台沟相, 由台沟中心向外依次为锰矿带— 边缘带— 黏土质硫铁矿带; 从空间分布位置看, 台沟中心相内锰矿集中、富集、价值大, 均为大中型锰矿床[17]。整体上, 本区锰矿矿体形态简单, 厚度变化较小, 矿石质量较稳定, 矿体平面延伸规模巨大, 具有形成大型、超大型矿床规模的成矿条件。

2 电性特征
2.1 岩矿石电性特征

研究区采用小四极法在不同层位不同岩性露头上实测了82个物性点, 包括黏土、白云岩、泥岩、灰岩和块状锰矿石5类不同岩矿石的电阻率参数物性特征(表1)。测量装置参数为AB/2分别取2、4、6 m, MN/2分别取1、1.5、2 m。采用DZD-6A电法仪进行测量, 测试位置选择岩性单一、露头好、接地好的地点。研究区第四系黏土、龙潭组(P3l)上部泥岩(为含锰岩系直接顶板)及块状锰矿石电阻率值较低(< 400 Ω · m); 茅草铺组(T1m)白云岩的电阻率平均值介于400~600 Ω · m之间; 夜郎组(T1y)和长兴组(P3c)、茅口组(P2m)灰岩电阻率较高, 平均值在1 000~2 000 Ω · m之间。

表1 岩(矿)石物性特征统计

综合分析认为, 研究区内含锰岩系主要由含锰黏土岩及碳酸盐锰矿层等组成, 其综合电性特征为低电阻率, 与其他岩性差异明显, 具备电法物探勘查条件[18]。P3c灰岩和P2m灰岩同为高电阻率特征, 是判断P3l地层存在的间接标志, 但有时由于P3l上部泥岩厚度大, 可能会减弱泥岩与含锰岩系的电性差异。

2.2 断层电性特征

断层异常特征常常呈现二维板状体形态, 向下延伸较深。相对于围岩介质的电阻率, 断层可表现为低阻断层或高阻断层, 决定于断层的物质成份、胶结程度、破碎带宽度、含水性等特性和围岩电阻率特性。一般来说, 活动断层电阻率值较低, 断层越老, 胶结程度越强, 电阻率值越高; 断层破碎带越宽, 越破碎, 电阻率相对越小; 地下和地表水越丰富, 电阻率越小; 压性断层少水, 则为高阻, 张性断层富水, 则为低阻。因此, 判断断层最直接的依据是视电阻率断面图的横向电性是否连续。也就是说, 横向电性即横向的视电阻率曲线发生了较明显的下陷或上凸, 使其两侧的电性差异明显, 表现为一个很明显的不连续性。

3 野外工作方法及数据

研究区运用的可控源音频大地电磁法(CSAMT)测量仪器采用加拿大著名的凤凰地球物理公司研制的V8多功能电法勘探系统。野外观测采用AB=2 km的双极源, 旁侧Ex/Hy装置, 标量Ex/Hy测量模式, 测量电极距MN=200 m, 收发距大于6 km, 测深频段0.4~4 096 Hz。本次CSAMT法工作共布置了4条剖面, 分别为103、111、119、127号线, 每条剖面长度均为1 600 m、方位155° 、9个记录点。观测点采用高精度eTrex手持GPS卫星定位仪导航定点, 点位误差为± 5 m。研究区采集数据质量主要从三个方面进行控制:

1) 对主要异常点、背景点、干扰点进行复测, 超过规范要求5%的复测检查量, 对于同一点位复测的电阻率-频率曲线形态基本一致;

2) 确保发射源接地正常, 信号发射稳定, 发射与接收端频率匹配;

3) 接收端接收信号操作员实时监控, 确保数据质量可靠, 饱和数据数量在规则允许范围之内。为确保可控源音频大地电磁法(CSAMT)测量的数据可靠, 进行下步数据处理和分析解释。

数据处理流程主要为:

1) 数据预处理:对原始数据进行逐一检查, 删除离差大及明显错误的数据、编辑测点位及地形(STN)文件、编辑反演参数(MED)文件;

2) 一维及二维反演:利用专用反演软件对实测的卡尼亚电阻分区分块进行最优化拟合, 求取理论电性层的的参数分布, 当达到一定的误差要求后, 停止拟合, 获得一维及二维理想断面的拟电阻率分布图进行精细解释;

3) 图形文件格式转换:从可控源图形文件格式转换成Surfer图形文件格式, 再从Surfer图形文件格式转换成CAD图形文件格式。

4 CSAMT法成果解释及钻探验证
4.1 CSAMT法成果解释

经过数据预处理和二维反演, 生成了研究区电阻率分布图, 研究区锰矿层位于二叠系龙潭组(P3l)底部和茅口组(P2m)硅质灰岩古风壳接触面上, 矿层受沉积基底形态控制。含锰岩系底板为厚度巨大的茅口组灰岩, 其高阻特征明显; 顶板为厚度巨大的龙潭组泥岩、粉砂质泥岩、砂岩及灰岩, 出现了相对低阻区。根据含锰岩系顶底板电性差异, 可圈定出含锰岩系的空间分布位置、形态和深部的延伸情况, 以及深部构造分布特征, 为钻探施工和找矿预测提供一定的依据[19, 20, 21] 。

通过对研究区地质特征和物性特征进行综合分析研究, 分别对各剖面反演结果进行解释。

1) 各剖面地形起伏较大, 地表植被发育, 总体为一单斜构造。在0~200 m深度范围内, 为中— 低阻区, 推测岩性为泥岩、粉砂质泥岩, 为三叠系下统夜郎组九节滩段(T1y3)泥岩地层; 在剖面的浅表部位出现水滴状、片状的低阻区, 也许是反演模型不成熟和浅部风化层吸水造成的; 在200~500 m深度范围内, 出现相对高阻区, 推测岩性为灰岩, 应该为三叠系下统夜郎组玉龙山段(T1y2)和二叠系上统长兴组(P3c)灰岩地层; 在500~700 m深度范围内, 为相对低阻区, 推测为泥岩、砂岩, 应该为二叠系上统龙潭组(P3l)砂泥岩地层; 在700 m深度以下范围为高阻区, 推测为二叠系中统茅口组(P2m)灰岩地层, 含锰岩系在剖面上呈现相对条带状低阻特征, 其中含锰岩系具体处于龙潭组低阻区和茅口组高阻区突变的位置处。

2) 受龙潭组中上部的菱铁质灰岩、炭质泥岩及菱铁矿结核等低阻体影响, 在103号剖面、127号剖面出现SY-1、SY-2、SY-4、SY-5四个相对较集中的低阻扁状体异常。在111剖面中推测为二叠系上统长兴组灰岩地层里, 存在一个封闭的椭圆形的低阻异常, 推测为含地下水岩溶异常G3。在127剖面中推测为三叠系下统夜郎组玉龙山段灰岩中, 出现封闭的椭圆的低阻异常G4, 推断是受地下水岩溶的影响。

3) 在103、111、127号剖面中未见明显断层异常, 仅在119号剖面在5号测点附近, 出现视电阻率等值线横向不连续, 推测为一隐伏断层, 异常倾向南东, 视倾角约65° (图4)。

图4 遵义锰矿区测线CSAMT剖面

4.2 钻探验证

本区开展锰矿整装勘查首次试用了可控源音频大地电磁法对该区深部含锰岩系和构造进行了解, 为了验证成果解释的可靠性和该方法对深部含锰岩系勘查的实用性和有效性, 在103、111、127、129四条线上均布置了钻探工程(ZK10303、ZK11103、ZK11902、ZK12702)进行揭露和验证(图2)。其中, 钻孔ZK11103孔深为559.94 m(图5), 施工至169.47 m揭穿夜郎组九节滩段泥岩, 在373.14 m揭穿夜郎组玉龙山段灰岩, 在438.08 m揭穿长兴组灰岩, 在孔深为551.59~566.89 m揭露含锰岩系, 锰矿体真厚1.85 m, 锰矿品位16.12%, 见矿较好; 钻孔ZK10303孔深400.48 m, 揭露锰矿体真厚0.57 m, 锰矿品位12%, 见矿良好; 另外, 钻孔ZK11902、ZK12702两孔也在相应的位置揭露含锰岩系。施工完成的各钻孔揭露的相应层位、含锰岩系位置与可控源音频大地电磁法CSAMT断面相对应的电性特征界面吻合较好, 解释的断层形态和位置在地表填图验证中也吻合, 该方法应用在遵义锰矿整装勘查中找寻和预测含锰岩系是有效的, 对勘查工作指导效果较好。今后的勘查中, 在找矿重点区域增加物探工作量, 将CSAMT法取得的成果与地质及钻孔资料结合, 进行综合分析、处理及研究, 为下步找矿突破提供更为详实的资料指导整装勘查工作。

图5 研究区111线CSAMT剖面及钻孔验证

5 结论

1) 研究区各类岩矿石电性特征差异明显, 泥岩及锰矿石电阻率值较低, 其值低于400 Ω · m; 白云岩电阻率值介于400~600 Ω · m之间; 灰岩、白云质灰岩、硅质灰岩视电阻率值较高, 平均值在1 000~2 000 Ω · m之间。

2) 研究区首次采用了可控源音频大地电磁法开展整装勘查工作, 探测含锰矿层及其上覆、下伏地层的电性差异。该方法在垂向及水平方向上对不同岩性层的分辨效果明显, 根据相对低阻与相对高阻的电性差异, 可有效地判断深部含锰岩系的空间分布特征和深部构造的发育情况。

3) 经施工的钻孔验证, 揭露的岩矿石层位和CSAMT方法解释得位置吻合较好, 找矿效果较为显著, 该方法有望为后续研究区内锰矿勘查工作和区域同类型的锰矿找矿预测提供一定依据。

致谢:本文得到中国科学院地球化学研究所周家喜副研究员, 中国地质大学(武汉)地球科学院颜佳新教授, 贵州省地矿局102地质大队总工程师王劲松、副队长张远国, 贵州省地矿局103地质大队高级工程师周明平的悉心指导以及遵义锰矿整装勘查项目部全体同仁的帮助, 在此表示衷心的感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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