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物探与化探, 2022, 46(4): 816-823 doi: 10.11720/wtyht.2022.1196

地质调查·资源勘查

东天山某环状熔融岩体航空电磁场特征及深部找矿研究

杨波,1,2,3, 孙栋华1,2,3

1.核工业航测遥感中心,河北 石家庄 050002

2.河北省航空探测与遥感技术重点实验室,河北 石家庄 050002

3.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心(重点实验室),河北 石家庄 050002

Airborne electromagnetic characteristics and deep prospecting of a ringed molten rock mass in eastern Tianshan

YANG Bo,1,2,3, SUN Dong-Hua1,2,3

1. Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry, Shijiazhuang 050002, China

2. Hebei Provincial Key Laboratory of Aerial Detection and Remote Sensing Technology, Shijiazhuang 050002, China

3. CNNC Uranium Resources Geophysical Exploration Technology Center (Key Laboratory), Shijiazhuang 050002, China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2021-04-8   修回日期: 2021-11-1  

基金资助: 新疆维吾尔自治区国土资源厅项目“新疆托克逊县铜花山-彩华沟一带1∶2.5万航空TEM测量”(新国土资函[2015]623号)

Received: 2021-04-8   Revised: 2021-11-1  

作者简介 About authors

杨波(1984-),男,硕士,高级工程师,主要从事航空地球物理勘探及研究工作。Email: yangbo4100064@163.com

摘要

新疆东天山某环状熔融岩体与金铅锌矿成矿关系密切,已知矿化产于岩体与地层外接触带附近的断裂破碎带中,需要查明岩体空间展布特征以及断裂构造发育情况。通过对实测的1∶2.5万高精度航空瞬变电磁和航磁数据的处理和分析,可知环状熔融岩体在航磁上表现为正、负相间排列的环状磁场面貌;沿环状熔融岩体出现了4片NWW向展布的条带状电磁响应强烈区,时间常数一般为0.07~0.18 ms。以dB/dt X分量第23道的电磁响应高值带和5~10 nT航磁磁异常带为标志,推断解释了NWW向断裂7条。综合航空电、磁特征及磁矢量三维反演结果,对研究区岩性、构造重新进行了推断解释,大致查明闪长岩体的三维空间展布特征。结合已知矿成矿地质条件和航空电、磁特征,在环状熔融岩体的西部和西南部的电磁响应强烈区圈定了2片找矿有利地区。本次研究为该岩体的深部找矿提供了重要资料。

关键词： 环状熔融岩体; 航空瞬变电磁; 航磁; 深部找矿; 东天山

Abstract

A ringed molten rock mass in eastern Tianshan, Xinjiang is closely related to Au-Pb-Zn mineralization. Since the mineralization occurs in the fault fracture zone near the outer contact zone between the rock mass and strata, it is necessary to find out the spatial distribution of the rock mass and the development of the fault structure. The processing and analysis of the 1∶25 000 high-resolution airborne transient electromagnetic and aeromagnetic data yielded the following airborne electromagnetic characteristics of the rock mass. The ringed molten rock mass displayed positive and negative alternating ringed aeromagnetic fields. There were four NWW-trending banded zones with strong electromagnetic responses along the ringed molten rock mass, with a time constant of generally 0.07~0.18 ms. Seven NWW-trending faults were inferred and interpreted using the high-value band of the electromagnetic response of the 23rd trace of the dB/dt X component and the aeromagnetic anomaly zone with amplitude of 5~10 nT. By combining the airborne electromagnetic characteristics and three-dimensional inversion results of magnetic vectors, the lithology and structures of the study area were inferred and interpreted again, roughly ascertaining the three-dimensional distribution characteristics of the diorites. Based on these results as well as the known metallogenic geological conditions and the airborne electromagnetic characteristics, two prospecting favorable areas were delineated in the areas with strong electromagnetic responses to the west and southwest of the ringed molten rock mass. This study provides important information on the deep prospecting of the rock mass.

Keywords： ringed molten rock mass; airborne transient electromagnetic; aeromagnetic; deep prospecting; eastern Tianshan

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本文引用格式

杨波, 孙栋华. 东天山某环状熔融岩体航空电磁场特征及深部找矿研究[J]. 物探与化探, 2022, 46(4): 816-823 doi:10.11720/wtyht.2022.1196

YANG Bo, SUN Dong-Hua. Airborne electromagnetic characteristics and deep prospecting of a ringed molten rock mass in eastern Tianshan[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(4): 816-823 doi:10.11720/wtyht.2022.1196

0 前言

新疆东天山地区是我国重要的金铅锌铜镍铁等矿产资源的产地[13]。前人研究认为该地区的金及铁铜多金属矿主要形成于石炭纪—二叠纪[4],其中已发现的多数矿产与同时期侵入的环状熔融岩体有关[5]。环状熔融岩体,又称环状岩体或环状杂岩体,其形态近似环状,由内向外岩性分带明显,一般位于区域性深大断裂边缘,是特定地质事件的产物[47]。研究环状熔融岩体分布的特征,对于揭示区域地质背景和成矿地质条件具有重要意义。

本文研究的环状熔融岩体位于新疆东天山卡瓦布拉克深大断裂南缘。前人已经在岩体北缘与地层的外接触带中发现了金铅锌矿体,认为该岩体不仅是重要的矿源层,也是含矿热液的主要来源,岩体的形成发展过程即是矿液运移、沉淀、富集的过程,岩体与矿化关系十分密切[8]。因此,查明岩体的空间展布特征以及断裂构造发育情况,是围绕该岩体下一步找矿的关键。

大部分学者使用地面磁法和重力来探测岩体,通过对磁法或重力数据单独反演或是磁、重联合反演,得到深部磁性、密度结构来查明岩体的空间展布特征[9-12];也有学者在此基础上增加了可控源音频大地电磁测深方法,从电性角度更加精细刻画了岩体的深部结构[13-14]。另外,也有学者使用地面磁法+地震勘探+大地电磁测深综合方法[15],或者使用重力+地震勘探+大地电磁测深综合方法[16]来探测岩体的深部延伸情况。航空瞬变电磁法作为近年来取得突破发展的一种新技术、新方法,具有测量效率高、精度高、速度快、成本低、绿色环保等优势[17],其与常规的航空磁法一起已经在隐伏岩体的识别、构造的推断解释以及低阻多金属矿产的勘查等方面取得了较好的效果[18-23]。

航空瞬变电磁测量原理是,由飞行器搭载航空瞬变电磁系统的发射线圈产生的一次磁场,地下介质由一次磁场激发下产生感应电流,感应电流在一次场中断后不会马上消失,而是在介质周围空间产生二次磁场。通过航空瞬变电磁系统的接收线圈采集二次磁场,对其进行处理和分析即可了解异常体的导电性、埋深和规模。

本文通过对1∶2.5万高精度航空瞬变电磁和航磁数据的处理和分析,大致查明了环状熔融岩体的航空电、磁特征,推断解释了断裂构造平面延伸情况,圈定了熔融岩体的三维空间展布范围,初步探讨了环状熔融岩体的形成机制;根据已知矿床的控矿地质条件,预测了2片供下一步找矿的有利地区。本次研究为该地区的深部找矿提供了重要资料。

1 研究区地质概况及成矿地质特征

1.1 地质概况

研究区内地层以中泥盆统阿拉塔格组(D2a)为主,局部为下泥盆统阿尔彼什麦布拉克组(D1a)(图1)。D2a为一套浅海相碳酸盐岩夹碎屑岩建造,岩性主要为灰白色、白色中厚层状或块状中粗粒大理岩、大理岩化灰岩;D1a岩性主要为变质钙质片岩、黑云母石英片岩、绿泥石英片岩、大理岩。

图1

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图1   研究区及金铅锌矿区地质简图

Fig.1   Geological sketch of the study area and gold-lead-zinc mining area


环状熔融岩体岩性主要为形成于华力西期的闪长岩,围岩主要为大理岩。岩体整体呈椭圆形,长轴近EW向,侵入于D1a和D2a中。

1.2 成矿地质特征

在岩体与地层的外接触带——断裂蚀变破碎带中,已发现4条金铅锌矿体,矿体厚度变化不大,沿接触带下延伸。矿体主要赋存于EW向断裂破碎带中,主要矿体位于EW向断裂弯曲膨大部位,特别是在断裂面产状由陡变缓的位置,矿体与断裂关系较为密切,矿体呈脉状分布于岩体的接触带中。闪长岩体中Au平均含量为12.7×10-9,高于中国闪长岩中Au平均值(1.0×10-12)达12 000倍以上[8]。此外,主要矿化蚀变带均分布于岩体接触带,其枝脉与大理岩接触部位均有不同程度的蚀变,硅化、褐铁矿化、酸盐化、绿泥石化等发育普遍。说明闪长岩体不仅是重要的矿源层,也是含矿热液的主要来源,岩体的形成发展过程即是环状断裂形成、矿液运移沉淀富集的过程。由此可见,岩体与矿化关系十分密切。

2 航空瞬变电磁探测技术

2.1 数据来源

选用VTEMplus系统开展1∶2.5万时间域电磁测量,该系统同时搭载高精度铯光泵822A磁探头采集航磁数据[17,24]。本次使用时间域电磁数据和航磁数据对环状熔融岩体进行分析。

2.2 数据处理

数据处理包括航电数据处理和航磁数据处理。航电数据处理主要包括基本处理、B场计算、视电阻率计算、时间常数计算等,航磁数据处理包括修正处理、数据调平、总场及水平梯度计算、位场转换处理和磁性体反演等。

2.2.1 航电时间常数计算

航空瞬变电磁曲线变化速率的大小取决于异常体的电性好坏和几何形态,其电性和几何形态反映在它的时间常数上,因此,异常体的时间常数决定瞬变场衰减速率的大小,是确定异常体电性好坏的重要参数。几何形态相同的矿体,导电性越好,其时间常数越大。

时间常数τ的计算方法有很多种,对于VTEMplus系统观测的数据,通常采用“移动窗口”技术来计算时间常数τ(图2)。计算原理是沿电磁响应的衰减曲线滑动时间窗口,根据噪声水平和预设的信号阈值水平,确定最晚期的4个时间道。然后对最晚的4个时间道进行最小二乘拟合获得时间常数[25]。

图2

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图2   移动Tau法计算时间常数示意

Fig.2   Demonstration of sliding Tau algorithm to calculate Time Constants


2.2.2 航电X分量Fraser滤波

在测量过程中若无干扰,实测X分量dB/dt曲线的真零交点出现在低阻地质体或含水断裂带上方,以此来识别和圈定低阻异常体的空间位置。实际应用中,由于存在地质噪声、相邻地质体及其他(如输电线路等)干扰因素,以及地形起伏等影响,往往导致剖面上的过零交点与地下隐伏低阻体实际位置发生偏移(图3a),甚至不显示零交点或出现假零交点。因此,对实测资料尚须进行真、假零交点的判识及区域背景干扰因素的消除等[26]。

图3

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图3   薄板状体在X分量及经FF滤波的X分量响应示意

Fig.3   X and Fraser filtered X (FFx) components for thin target


Fraser滤波法于1969年由D.C. Fraser首先提出,用于处理甚低频(VLF)电磁法数据,其应用的最基本条件是场源固定,探测目标体位于均匀场中,感应的二次电流可视为线电流。该方法利用一个差分算子将投点或“交点”变成峰值,并用一个低通滤波器来消除噪声,滤波后测量剖面上的拐点或过零交点异常变成极大值,其峰值即对应地下低阻异常体[27](图3b)。Crone等人应用Fraser滤波处理大定源外的TEM观测数据,取得了令人满意的结果。

2.2.3 航电电阻率深度成像(RDI)

电阻率深度成像(resistivity depth imaging,RDI)是通过对测量的数据进行反褶积,从而将电磁响应衰减数据快速转化为相同意义上电阻率深度断面的一种方法,所采用的电阻率—深度转换的RDI算法是基于Maxwell A.Meju的视电阻率转换和导电半空间的TEM响应原理。

RDI能够提供具有参考价值的导体深度、垂向延伸等信息,并能准确提供每条测线上的一维介质视电阻率断面。根据RDI能够获得VTEM系统的探测深度、电阻率、初始导电体的位置等资料。

2.2.4 航磁三维反演

航磁三维反演时通常假设地球磁场方向与磁异常磁场方向相同,只考虑感磁影响。但是近年来的研究发现,剩磁及其他因素的影响是普遍存在的,此时磁异常的磁场方向与地球磁场方向并不相同,使得在磁三维反演计算时会出现较大偏差,进而影响对资料的认知程度,导致资料解释不准确。Robert G. Ellis于2012年提出了磁化强度矢量反演(magnetization vector inversion,MVI),该技术在无需事先了解剩磁方向或强度的前提下,加入了剩磁和感磁。在MVI处理过程中,ΔT总场数据被转化为磁三分量矢量数据,其反演结果不仅有3D矢量信息,还包括一个标量的MVI视磁化率信息。

3 岩体电、磁场特征及解释

3.1 电场特征

研究区实测大理岩、花岗岩和闪长岩的电阻率均大于1 000 Ω·m,呈高阻特征,而实测褐铁矿化、黄铁矿化绢云母化、碎裂岩化的岩石电阻率一般小于200 Ω·m,呈低阻特征。

研究区范围内主要有4片NWW向展布的电磁响应强烈区(图4)。第一片位于环状熔融岩体北部,时间常数为0.07~0.12 ms,目前已发现一个金铅锌矿床;第二片位于中部,整体呈条带状横穿环状熔融岩体,时间常数一般为0.08~0.16 ms;第三片位于环状岩体西南部,时间常数一般为0.10~0.18 ms;第四片位于环状熔融岩体南部,时间常数在0.12~0.33 ms。这4片电磁响应强烈区表明了深部有低阻体存在,其中与负磁异常相对应的第二片区推测与环状熔融岩体中不同岩性界面或构造破碎带有关,而第四片区的时间常数值最高,可能与地层中顺层发育的构造破碎带有关,构造破碎带可能为后期成矿提供良好条件。

图4

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图4   研究区航电时间常数影像

Fig.4   VTEM time constant (Tau) image of the study area


在dB/dt早期道(10道)电磁响应影像图(图5)中,可见早期道的电磁响应以单峰异常为主,这可能是构造、含矿构造或矿化带在浅地表形成的一层近水平的低阻风化壳或矿化层的反映。

图5

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图5   航电dB/dt早期道(10道)电磁响应影像

Fig.5   VTEM dB/dt z component channel 10 image


对dB/dt的 X分量进行Fraser滤波处理,其第23道的电磁响应见图6。可看出研究区内出现数个近EW向展布的条带状异常,推断为岩体与地层的接触带及隐伏断裂的反映。

图6

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图6   航电dB/dt X分量经Fraser滤波后第23道电磁响应影像

Fig.6   VTEM dB/dt X component fraser filtered channel 23 image


利用Geosoft Oasis Montaj的voxel模块制作研究区电阻率三维分布图(图7)。研究区范围内主要有4片NWW向展布的低阻区,与4片时间常数响应强烈区对应,其中研究区中部的低阻区与航磁负异常对应。

图7

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图7   研究区低阻体三维分布及部分测线电阻率断面叠合

Fig.7   3D low resistivity voxels with survey line resistivity-depth sections


3.2 磁场特征

实测闪长岩磁化率6 000×10-5 SI以上,属强磁体;大理岩、花岗岩磁化率不超过400×10-5 SI,为弱磁性体。

航磁总场化极影像图(图8)出现总体排列成环状的众多不规则的强磁异常,磁场值一般为30~80 nT,最高可达250 nT,推测为闪长岩体的反映。在其内部可见近椭圆形、环形的负磁异常,磁场值一般为-40~-10 nT,最低为-140 nT,推测为变质岩地层或花岗岩体的反映。这种正、负环形相间排列的环形磁场面貌特征,正是岩体内部环状熔融特征在航磁上的反映。

图8

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图8   航磁总场化极影像

Fig.8   Reduced to pole total magnetici intensity (TMI) image


由航磁垂向一阶导数影像图(图9)可知,研究区范围内具有NW—NWW、近EW和NE向3组构造,其中,NW—NWW、近EW向这二组构造明显切割岩体或沿岩体与地层的接触带展布,为岩浆热液和矿源的沉淀和富集提供了通道,是岩体周围成矿的关键因素之一。

图9

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图9   航磁垂向一阶导数影像

Fig.9   Magnetic first vertical derivative image


对航磁数据进行了磁矢量三维反演,反演结果如图10所示。根据实测结果,将反演磁化率大于0.06 SI的强磁体推断为闪长岩。图中可清晰看到岩体在整个研究区的空间展布情况。推测的闪长岩体东、西两侧外倾,延伸深度大于3 500 m,中部向下延伸约2 000 m,整体呈“拱门”状。

图10

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图10   研究区推断岩体空间分布及部分测线反演磁化率

Fig.10   Inferred spatial distribution of rock mass with survey line magnetic susceptibility-depth sections


3.3 电、磁资料推断解释

根据上述分析,对研究区岩性、构造重新进行了推断解释,结果见图11。与已知地质图相比,本次推断的岩体范围扩大,由3片不规则岩体组成。

图11

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图11   推断解释岩性构造

Fig.11   Inferred and interpreted lithological structure


根据航磁三维反演资料推断了岩体空间三维展布形态。已知断裂以NE、NW向为主,本次推断以NW向为主,尤其是编号F3、F5、F6、F7为本次新推断断裂,这几条断裂穿过岩体或位于岩体边缘,所具备的电磁特征与已知矿的控矿构造基本一致。

3.4 已知矿电、磁特征

已知金铅锌矿位于航磁异常边缘的梯度带上,在航磁垂向一阶导数图中可见弱磁异常,其值为 0.5~0.005 nT/km。从磁三维反演结果可知,金铅锌矿位于闪长岩体与围岩的接触带上,受断裂构造F7控制。已知金铅锌矿航电特征较为明显,异常呈NW向展布,其早期道(10道)值普遍为1.36~2.89 pV/(A·m4),最大值可达4.08 pV/(A·m4),比背景值高1~2倍;航电X分量经Faser滤波一般为0.000 86~0.002 1 pV/(A·m4),最大值可达0.004 1 pV/(A·m4),比背景值升高1~3倍。

4 成矿远景区预测

综合以上物探及地质资料,进行成矿有利区预测,圈定成矿有利区2片。这2片地段位于闪长岩体外围或内部与地层的接触带上,且有断裂构造通过,与研究区内已发现的矿床具有类似的成矿地质条件,推测是下一步深部找矿的有利区段。

Ⅰ区位于研究区西部,闪长岩体西缘与地层的接触带上,断裂构造发育;航电呈双峰特征,电磁特征为在时间常数值为0.02~0. 06 ms的低值区叠加的NWW向的中间低两侧高的中、高值带;航磁表现为负磁场背景,局部可见有升高5~10 nT的磁异常。该区的地质—地球物理特征与已知金铅锌矿的特征相符,因此推断其为多金属成矿有利区。

Ⅱ区位于研究区西南部,出露地层为下泥盆统,位于闪长岩体与地层的接触带上。电磁特征为时间常数值为0.02~0.06 ms的低值区叠加的NWW向的中间低两侧高的中、高值带;航磁特征为正负相间排列的环形磁异常西缘及其外围。根据航磁三维反演推测,该闪长岩体为半隐伏岩体,在南部仍然有大面积的岩体隐伏于地层之下。Ⅱ区东部位于环形磁异常西缘,磁场变化快、梯度陡、幅值高,场值一般为-140~80 nT,推测可能由环形的闪长岩和花岗岩质岩类引起。Ⅱ区中西部位于-50~-30 nT的负磁场中,推测由隐伏的花岗岩引起,在花岗岩与地层接触带位置是研究区内成矿较为有利的地段。

5 结论

1)环状熔融岩体内可以划分为3个环形的闪长岩体。结合MVI结果,推测岩浆可能从研究区西部和东部两个方向先后侵入地层形成闪长岩体。在闪长岩体形成过程中,岩体与地层发生熔融形成环状熔融岩体,同时在闪长岩体与地层的接触带附近的断裂构造中形成了金铅锌矿化。

2)利用航空电磁及航磁数据结合地质信息,大致查明了环状熔融岩体的空间分布特征,推断出7条断裂,其中6条为新断裂,提出了一种利用航电、航磁数据解决地质问题的新思路。

3)通过提取航电、航磁特征信息,圈定找矿有利区2片。它们位于环状熔融岩体的西部和西南部,这些地段具有与已知矿床类似的地质条件,是下一步深部找矿的有利区段。

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黑龙江下嘎来奥伊河上游铅锌多金属矿航空电磁异常特征及找矿意义

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