岩(矿)石在形成过程中会出现层理、片理等特征, 组成这些岩(矿)石的结晶颗粒会出现包括粒度和组份方面的差异, 从而具有不同层次的结构、构造, 这些构造、结构、微裂隙等导致了地球地壳介质的电性各向异性^[1]。从20世纪60年代开始, 岩石电性各向异性分析不断开展, Brace首先用电阻率二极测量法进行研究^[2], 1986年K.Kurite用4条测线、4个方向, 对电阻率各向异性与地震波各向异性进行对比^[3]。近年来, 国内外研究者针对岩矿石的电性各向异性做了很多实验^{[4, 5, 6]}以及电阻率层析成像实验研究工作^[7], 并且对不同模型进行了很多数值模拟计算^[8], Verner和Pek^[9]利用有限差分法模拟研究了直流电阻率各向异性结构, Bibby利用有限元算法研究轴对称情况^[10]等。

通常状况下, 每个测区做地球物理勘探时都会做物性测试, 但是没有大规模地进行, 前人只是在岩石电性测试中发现电性参数各向异性, 没有专门针对岩石各向异性的数据统计及分析。由于安徽矿产资源丰富, 共发现各类矿产84种, 主要分布于宁芜、庐枞、霍邱、铜陵等矿集区及东至— 泾县矿集带, 因此本文大量选取宁芜、庐枞、霍邱矿集区及东至— 泾县矿集带上的典型矿岩石, 利用加拿大产出的SCIP样本岩芯测试仪和重庆地质仪器厂生产的WDA-1超级数字电法仪, 对样品的电阻率和磁化率分别进行3个方向的测试, 得到4个矿集区岩矿石标本的3个方向的电阻率和极化率值, 通过对垂直方向与水平方向的电阻率比值以及极化率比值数据来分析矿区岩石电性各向异性, 为电法勘探对地下介质构造及裂隙的综合解释提供依据。

安徽省地处多种构造单元交汇处, 地质构造特殊, 成矿条件好。省内北部地区为华北陆块, 邯邢式铁矿、矽卡岩型铜金矿, 深断裂控制的内陆克拉通地区金刚石矿, 石英型金矿、蚀变岩型金矿等均有发现; 省内中南部地区为扬子陆块, 玢岩式铁矿、矽卡岩型铁铜金矿, 斑岩型铜矿, 热液型铅锌矿、构造蚀变岩型金矿等均有发现; 省内西部和中部及东部地区为昆仑— 秦岭褶皱系, 该造山系内的斑岩型钼矿、热液型铅锌矿, 沉积变质型铁矿以及石英型金矿、蚀变岩型金矿等^[11]。

中国地质调查局在全国确定了21个重点成矿带, 其中有4个成矿带通过安徽省, 分别是:长江中下游铁铜成矿带, 安徽省为该成矿带主体部分; 钦杭多金属成矿带, 安徽省南部位于该成矿带东北端部分; 武当— 桐柏— 大别多金属成矿带, 安徽省西部位于该成矿带东端; 郯庐断裂金刚石、铜金成矿带, 安徽省东部位于该成矿带南端^[12]。文中所研究的霍邱矿集区属于于华北陆块, 庐枞矿集区、宁芜矿集区、东至— 泾县成矿带都属于扬子地层区(图1)。

图1

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	图1 安徽省区域构造及采集标本位置示意

沉积岩层理相对清晰, 其电性参数各向异性较为直观, 但是, 沉积变质岩、变质岩、火山沉积岩是否存在各向异性却难以判断。为了解岩矿石各向异性情况, 在不同地区采集了37块标本, 以备电性参数各向异性测试。采样标本大于5 cm× 5 cm× 10 cm, 采样位置详见图1, 样本数量及岩性见表1。

表1

表1

表1 样本取样信息统计 矿区 岩性 数量 标本编号 备注 1 东至 泾县成矿带 沉积变质岩 10 1~10 钻孔样 2 宁芜矿集区 沉积岩 5 11~16 钻孔样 3 庐枞矿集区 沉积岩 5 17~21 地表样 火山沉积岩 2 22~23 地表样 沉积变质岩 5 23~27 钻孔样 4 霍邱矿集区 变质岩 10 28~37 钻孔样

表1 样本取样信息统计

2.3 试验工作

首先是物性标本浸水试验。样品必须在未经处理的地下清水中浸泡一定时间以达到水饱和状态, 以期岩(矿)石类似于深部赋存状态下的环境。固结致密的样品浸泡24 h以上; 半固结的样品浸泡4 h左右, 未固结的松散沉积物样品可不进行浸泡(表2)。浸泡后的样品分别在阴凉、干燥处放置, 使得样品表面风干。

在充电时间与电流密度试验中, 由于标本电子导电矿物的体积含量和标本结构不同, 电性测定时按照电压达到饱和电压约80%~95%的时间为最佳充电时间(表3)。对于低极化率的岩矿石样品, 充电时间不少于10 s; 对于高极化率的岩矿石样品, 充电时间不少于1~2 min。

表2

表2

表2 岩石物性与标本浸水时间关系 岩(矿)石类型 致密块状岩石 浸染状矿化岩石 疏松状矿化石 空隙状矿石 浸水时间/h 6~72 < 6 几分钟 1~2

表2 岩石物性与标本浸水时间关系

表3

表3

表3 岩石物性与标本充电时间、充电电流密度关系 岩(矿)石类型 致密块状 浸染状矿化岩石 致密块状矿石 疏松状矿(岩)石 充电时间 1.5~2min ≥ 2 min ≥ 8 min ≥ 2 min 充电电流密度 (1~n)× μ A/cm2

表3 岩石物性与标本充电时间、充电电流密度关系

还有电性测定中的供电电流试验。选择具有代表性的岩性标准样, 通过对此标准样测定出充电时间— 极化率相关数据。设置3种不同延时时间(延时时间:100、200、300 ms; 采样宽度:40、80、160、320 ms)分别进行极化率的测试, 样品电阻率值随供电时间和供电电流的改变而基本不变, 其平均相对误差为0.005 6%; 极化率在供电时间为10 s、延时时间为200 ms、取样宽度40 ms时其后基本达到饱和值; 根据试验结果确定仪器设置参数为:采用双向供电方式, 供电时间为8 s, 延时时间和取样宽度等参数设置选择见表4。

表4

表4

表4 岩石物性标本最佳参数设置 类型 参数 供电时间/s 8 延时时间/ms 100 采样宽度/ms 40、40、40、40、40、80、80、80、80、 80、80、160、160、160、320、320、320 叠加次数 2~3次

表4 岩石物性标本最佳参数设置

最后进行电流与物性参数变化试验。分别对良导体、中阻体、高阻体进行电流变化试验, 试验结果表明:饱和电流时电性数值最可靠, 电流过大或过小都引起不正常的物性数据。

2.4 测试

电阻率和极化率测定, 采用对称四极法装置 (图2)。

图2

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	图2 对称四极装置

测定前对仪器主机电源、手簿蓝牙连接情况和岩石标本架装置的A— M— N— B回路各段进行阻值通路检测。

物性标本测量时将岩石标本两端附着含饱和硫酸铜溶液的脱脂棉与供、测电极(铜电极)紧密接触, 并同时将标本悬空, 以避免产生漏电现象。

物性标本架依据对称四极装置进行无水测量(A₀=M₀=L/2), 先测定出标本的真电阻, 并且根

据标本的体积计算出其真电阻率。

极化率参数与电阻率参数同步测定, 根据岩性的激发极化效应中断电后取样时间块的二次场电位差值占供电时间T的总场电位差值的百分比计算求取。

测量时先对标本接触电阻进行调整, 力求控制在1~2 kΩ 以下再进行测量, 测量中分别采用切换不同测程的稳压或稳流方式进行对比测量; 同时对极化率的衰减曲线进行实时监视, 若衰减曲线畸变则调整测量方式测量直至曲线圆滑且达到渐近线为止。

岩(矿)石标本物性参数测定本着磁性— 密度— 电性的顺序原则进行测定。电阻率、极化率采用加拿大出产的SCIP样本岩芯测试仪。测试结果详见表5、表6。

表5

表5

表5 物性标本不同方向电阻率参数测定成果 序号 工区名称 标本编号 岩矿石名称 ρ /(Ω · m) 垂向与水平方向 电阻率比值 x方向 y方向 z方向 1 东至— 泾县成 矿带 黄山岭ZK4506-W551 条带状大理岩 628 817 1758 2.43 2 黄山岭ZK4506-W554 792 573 5194 7.61 3 黄山岭ZK4506-W557 367 464 604 1.46 4 黄山岭ZK4506-W566 578 632 750 1.24 5 黄山岭ZK4506-W567 1375 925 5898 5.13 6 西山ZK709-W736 角岩化石英砂岩 917 592 4609 6.11 7 西山ZK2301-W746 786 540 1513 2.28 8 西山ZK2301-W748 792 783 1742 2.21 9 西山ZK2301-W749 546 290 1193 2.85 10 西山ZK2301-W752 310 222 864 3.24 11 宁芜矿集区 汤沟西MZK001-W12 粉砂质泥岩 126 132 257 1.99 12 汤沟西MZK001-W17 166 145 242 1.56 13 汤沟西MZK001-W18 172 171 214 1.25 14 汤沟西MZK001-W20 142 240 346 1.81 15 姑山ZZK5-1-W148 泥晶灰岩 995 788 3965 4.45 16 马口铁矿-W20(地表) 长石石英砂岩 293 200 400 1.62 17 马口铁矿-W27(地表) 295 243 441 1.64 18 马口铁矿-W35(地表) 241 193 502 2.32 19 马口铁矿-W40(地表) 133 154 219 1.52 20 马口铁矿-W43(地表) 358 284 798 2.49 21 花山ZK01-W83 大理岩化条带状灰岩 376 440 2591 6.35 22 花山ZK01-W87 744 603 11870 17.62 23 花山ZK01-W88 432 496 689 1.49 24 花山ZK01-W95 829 441 5846 9.20 25 花山ZK01-W96 1103 601 33968 39.86 沿江地区沉积岩、沉积变质岩平均比值 5.19 26 庐枞矿集区 马口铁矿-W86(地表) 粗面质熔结凝灰岩 1541 1032 18241 14.18 27 马口铁矿-W130(地表) 粗安岩 969 980 6816 6.99 火山沉积岩平均比值 10.59 28 霍邱矿集区 ZK617-W3 条纹条带(条痕状) 混合岩 1114 554 11268 13.51 29 ZK2514-W47 882 837 1904 2.21 30 ZK1203-W6 1236 1181 9611 7.95 31 ZK1203-W11 1889 916 4415 3.15 32 ZK75-W13 2039 884 9827 6.72 33 ZK412-W3 黑云斜长片麻岩 338 492 2722 6.56 34 ZK111-W4 564 559 600 1.07 35 ZK481-W12 663 485 1089 1.90 36 ZK644-W15 495 322 946 2.31 37 ZK1601-W8 850 684 3779 4.93 华北陆块南缘太古代平均比值 5.03 所有标本平均比值 5.44

表5 物性标本不同方向电阻率参数测定成果

表6

表6

表6 物性标本不同方向极化率参数测定成果 序号 工区名称 标本编号 岩矿石名称 η /% 垂向与水平方向 极化率比值 x方向 y方向 z方向 1 东至— 泾县成 矿带 黄山岭ZK4506-W551 条带状大理岩 1.84 1.57 3.02 1.77 2 黄山岭ZK4506-W554 1.53 1.32 3.64 2.55 3 黄山岭ZK4506-W557 1.18 1.10 1.19 1.04 4 黄山岭ZK4506-W566 1.24 1.16 1.13 0.95 5 黄山岭ZK4506-W567 1.32 1.32 1.54 1.17 6 西山ZK709-W736 角岩化石英砂岩 9.75 9.75 3.12 0.32 7 西山ZK2301-W746 8.25 7.18 20.34 2.64 8 西山ZK2301-W748 3.16 3.29 4.10 1.27 9 西山ZK2301-W749 5.79 9.87 4.11 0.52 10 西山ZK2301-W752 21.06 20.95 15.93 0.76 11 宁芜矿集区 汤沟西MZK001-W12 粉砂质泥岩 1.39 1.43 1.34 0.96 12 汤沟西MZK001-W17 1.57 1.51 1.66 1.08 13 汤沟西MZK001-W18 1.86 1.65 1.92 1.09 14 汤沟西MZK001-W20 1.28 1.49 1.13 0.82 15 姑山ZZK5-1-W148 泥晶灰岩 0.95 0.96 1.76 1.84 16 庐枞矿集区 马口铁矿-W20(地表) 长石石英砂岩 2.36 2.31 2.18 0.93 17 马口铁矿-W27(地表) 1.97 1.75 2.13 1.15 18 马口铁矿-W35(地表) 2.07 2.09 2.61 1.26 19 马口铁矿-W40(地表) 1.52 1.78 1.32 0.80 20 马口铁矿-W43(地表) 1.61 1.69 2.33 1.41 21 花山ZK01-W83 大理岩化条带状灰岩 3.13 1.92 10.38 4.11 22 花山ZK01-W87 1.25 0.86 7.61 7.21 23 花山ZK01-W88 2.73 1.05 1.83 0.97 24 花山ZK01-W95 0.59 0.77 0.35 0.51 25 花山ZK01-W96 0.30 0.76 0.88 1.65 沿江地区沉积岩、沉积变质岩平均比值 1.55 26 庐枞矿集区 马口铁矿-W86(地表) 粗面质熔结凝灰岩 0.29 0.70 1.25 2.52 27 马口铁矿-W130(地表) 粗安岩 0.74 1.60 5.66 4.83 火山沉积岩平均比值 3.68 28 霍邱矿集区 ZK617-W3 条纹条带(条痕状) 混合岩 0.87 1.41 2.29 2.01 29 ZK2514-W47 1.94 1.69 2.06 1.13 30 ZK1203-W6 1.06 0.90 0.86 0.88 31 ZK1203-W11 0.88 1.10 0.68 0.69 32 ZK75-W13 0.70 1.17 1.44 1.54 33 ZK412-W3 黑云斜长片麻岩 2.55 2.32 2.58 1.06 34 ZK111-W4 3.58 3.28 12.31 3.59 35 ZK481-W12 1.12 0.88 2.31 2.30 36 ZK644-W15 2.26 2.02 1.12 0.52 37 ZK1601-W8 1.48 1.27 2.18 1.59 华北陆块南缘太古代平均比值 1.53 所有标本平均比值 1.66

表6 物性标本不同方向极化率参数测定成果

垂直方向与水平方向电阻率比值(以下简称比值)分析如下。

1)扬子陆块沿江地区以古生代及中生代沉积岩、沉积变质岩(序号1~25)为主, 比值一般都在1~8之间, 平均比值5.19(表5、图3)。序号3、4、11、12、13、14、16、17、19、23标本电阻率与同类岩石比较相对较低, 其比值在1~2之间, 粉砂质泥岩阻值最低, 比值最小, 其次为长石石英砂岩; 序号1、2、5、6、7、8、9、10、15、18、20、21标本电阻率与同类岩石比较相对较高, 其比值在2~8之间; 个别阻值高的其比值> 8, 如标本序号22、24、25为大理岩化条带状灰岩, 其阻值相对较高, 比值大于8, 特别是标本序号25电阻率远高于同类岩石, 其比值高达39.86。

2)火山沉积岩因其电阻率中等偏高, 其比值较高。

3)华北陆块南缘以太古代变质岩(序号28~37)为主, 比值变化范围较大(1.07~13.51), 平均比值5.03(表5、图3), 也据有电阻率越高比值越大的特征, 因其整体阻值高于沿江地区, 所以其各向异性弱于沿江地区。

综上所述, 垂直方向与水平方向电阻率比值具有如下特征:① 垂直方向与水平方向电阻率比值都大于1; ② 整体趋势:电阻率越大, 比值越大; ③ 粉砂质泥岩电阻率最小, 各向异性比值最小, 其次为长石石英砂岩; ④ 火山沉积岩因其电阻率中等偏高, 其比值较大; ⑤ 一般沉积岩、沉积变质岩电阻率各向异性比值为1~8范围内; ⑥ 太古代变质岩电阻率存在各向异性, 比值变化范围较大(1.07~13.51); ⑦ 华北陆块南缘太古代变质岩各向异性整体弱于扬子陆块沿江地区古生代及中生代沉积岩、沉积变质岩。

图3

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	图3 垂直方向与水平方向电阻率比值散点图

垂直方向与水平方向极化率比值(以下简称比值)分析如下。除炭质岩石外, 岩石极化率主要反映硫化物分布, 其次为氧化物, 本次岩石标本不含炭质。

1)垂直方向与水平方向极化率比值(表6、图4)多数> 1, 可能与深部热液活动整体向上(硫化物沿热液活动方向分布)有关。岩石沉积及变质过程中, 硫化物分布具有层状特征, 同时热液活动也具有顺层特征, 所以部分岩石标本极化率< 1。从比值数据看规律性不强。

2)粉砂质泥岩、长石石英砂岩本身硫化物分布较少, 其极化率数值较小, 极化率各向异性比值接近1, 不存在极化率各向异性。

3)火山沉积岩(标本序号26、27)硫化物含量较高, 其比值平均值为3.68。

4)标本序号27、34因其极化率比同类岩石高, 其比值也高, 同时电阻率比值不高, 应与硫化物垂向分布有关。

5)标本序号22极化率较低, 比值高, 同时电阻率比值也高, 可能与硫化物垂向分布有关, 也可能与垂向测试中供电电流偏大有关。

6)从数据分析, 极化率比值的大小与电阻率比值没有关联。

综上所述, 垂直方向与水平方向极化率比值具有如下特征:① 垂向极化率整体大于水平分析, 规律性不强; ② 粉砂质泥岩、长石石英砂岩极化率各向异性比值接近1, 不存在极化率各向异性; ③ 火山沉积岩具有高极化特征, 其比值亦较高; ④ 极化率较高, 比值较高, 电阻率比值较小的, 与硫化物分布方向有关; ⑤ 极化率比值较高的且电阻率比值较大的, 可能与硫化物垂向分布有关, 也可能与垂向测试中供电电流偏大有关; ⑥ 垂直方向与水平方向极化率比值的大小与电阻率比值没有关联。

图4

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	图4 垂直方向与水平方向极化率比值散点图

垂向电阻率、极化率与水平方向电阻率、极化率平均值的比值反映电性参数各向异性, 比值越大, 各向异性越大。各向异性统计结果(表5)表明, 沉积岩、沉积变质岩、火山沉积岩、太古代变质岩都存在电阻率各向异性, 极化率各向异性规律性不强。主要特点为:① 水平方向(x、y)电阻率、极化率差异小; ② 垂直方向(z)电阻率远大于水平方向, 垂直方向与水平方向电阻率平均比值5.44; ③ 垂直方向与水平方向极化率比值规律性不强, 平均比值1.66; ④ 安徽省沿江地区沉积岩、沉积变质岩垂直方向与水平方向电阻率平均比值为5.19, 极化率平均比值为1.55; 火山沉积岩(标本偏少)电阻率平均比值10.59, 极化率平均比值3.68; 华北陆块南缘霍邱太古代电阻率平均比值为5.03, 极化率平均比值为1.53。

不同地区沉积岩、沉积变质岩、火山沉积岩、变质岩都存在电阻率各向异性, 规律性较强, 阻值越高, 各向异性越明显, 电阻率各向异性整体比值为5.44。扬子陆块粉砂质泥岩、长石石英砂岩标本电阻率较低, 电阻率各向异性比值较小; 安徽省沿江地区古生代及中生代沉积岩、沉积变质岩标本垂直方向与水平方向电阻率平均比值为5.19, 华北陆块南缘霍邱太古代变质岩标本平均比值为5.03, 太古代变质岩阻值明显高于沿江地区, 而比值与阻值又呈正比, 所以华北陆块南缘太古代变质岩各向异性整体弱于扬子陆块沿江地区古生代及中生代沉积岩、沉积变质岩; 火山沉积岩(标本偏少)标本电阻率平均比值10.59, 火山沉积岩阻值相对较高, 电阻率各向异性明显。

极化率亦存在各向异性, 但规律性不强, 与硫化物等分布方向有关, 与电阻率大小无关。垂直方向与水平方向极化率平均比值1.66, 可能与热液活动垂向运动有关, 比值< 1的与硫化物顺层分布有关; 粉砂质泥岩、长石石英砂岩标本硫化物分布较少, 不存在极化率各向异性; 安徽省沿江地区岩石标本垂直方向与水平方向极化率平均比值为1.55, 华北陆块南缘霍邱太古代标本电阻率平均比值为5.03, 两者较为接近, 无明显规律。火山沉积岩(标本偏少)标本极化率平均比值3.68, 火山沉积岩标本具有明显的极化率各向异性。