广域电磁法在辽东新房金矿深部勘查中的应用

doi:10.11720/wtyht.2025.1087

广域电磁法在辽东新房金矿深部勘查中的应用

梁维天^,¹^,², 冯家新¹, 李帝铨^,², 郑军¹

1.辽宁省第五地质大队有限责任公司,辽宁营口 115100

2.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙 410083

Application of the wide-field electromagnetic method in the deep exploration of the Xinfang gold deposit,eastern Liaoning Province

LIANG Wei-Tian^,¹^,², FENG Jia-Xin¹, LI Di-Quan^,², ZHENG Jun¹

1. Liaoning Fifth Geological Brigade Co., Ltd., Yingkou 115100, China

2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China

通讯作者: 李帝铨(1982-),男,教授,从事矿产资源电磁法探测理论与技术研究工作。Email:lidiquan@126.com

第一作者: 梁维天(1984-),男,博士,教授级高级工程师,长期从事地质矿产勘查及地球物理勘查方法研究工作。Email:15009869686@163.com

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2024-03-11 修回日期: 2025-03-30

基金资助:

辽宁省2019年财政出资项目(LNZC2019-0078)

Received: 2024-03-11 Revised: 2025-03-30

摘要

新房金矿位于辽宁东部金多金属矿集区内,从区域成矿规律和已有的勘查成果来看,新房金矿所在的鸭绿江断裂带南部具有较大的金矿资源潜力。随着勘查工作的进一步深入,有望发现更多的金矿体。但目前由于缺少有效的深部勘查手段,该金矿区进一步的勘探开发研究工作进度不明显,不能很好地揭示该地区岩性界面延深特征及断裂构造分布情况。因此,本文应用广域电磁法首次在该地区进行勘查,根据数据结果结合地质工程资料对3 km以浅的电性层位进行了厘定,查明了新元古界盖层的厚度,并推测出多条断裂带,结合现有的地质资料认为深1 km左右的低阻异常带为韧性剪切发育的伸展构造面,为辽东地区地质找矿模型的建立提供了有效的地球物理数据,对该地区地质矿产勘查具有较高的研究意义。

关键词： 广域电磁法; 金矿; 深部勘查; 低阻异常

Abstract

The Xinfang gold deposit resides in the gold polymetallic ore concentration area in eastern Liaoning Province. Based on regional metallogenic patterns and existing exploration results, the southern part of the Yalu River fault zone, where the Xinfang gold deposit is located, shows significant potential for gold resources. As exploration progresses, more gold ore bodies are expected to be discovered in the gold deposit area. However, the lack of effective deep exploration techniques limits further exploration and exploitation in the area, failing to effectively reveal the extensions of lithological boundaries and the distributions of fault structures in the area. This study presented the first application of the wide-field electromagnetic method in the area. Based on the obtained results and geological engineering information, this study delineated the electrical layers within a depth of 3 km, determining the thickness of the Neoproterozoic cap rocks and inferring several fault zones. Combined with existing geological data, this study identified the low-resistivity anomaly zone at a depth of about 1 km as an extensional structural plane caused by ductile shearing. Overall, this study provides valuable geophysical data for establishing a geological prospecting model for eastern Liaoning Province, holding significant research value for geological and mineral exploration in the area.

Keywords： wide-field electromagnetic method; gold deposit; deep exploration; low-resistivity anomaly

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本文引用格式

梁维天, 冯家新, 李帝铨, 郑军. 广域电磁法在辽东新房金矿深部勘查中的应用[J]. 物探与化探, 2025, 49(5): 1061-1069 doi:10.11720/wtyht.2025.1087

LIANG Wei-Tian, FENG Jia-Xin, LI Di-Quan, ZHENG Jun. Application of the wide-field electromagnetic method in the deep exploration of the Xinfang gold deposit,eastern Liaoning Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(5): 1061-1069 doi:10.11720/wtyht.2025.1087

0 引言

辽东地区目前已探明金矿储量超过千吨,且根据最新研究结果及区域地质特征等综合分析,金矿资源潜力巨大,有望成为 “数千吨级” 黄金资源战略基地。朱日祥及其研究团队结合区域地质资料,建立了辽东地区乃至华北东部金矿床成矿模式,认为辽东早白垩世金矿床应为 “克拉通破坏型金矿” 或 “胶东型金矿”。新房金矿地处辽东半岛,周边金多金属矿床发育,具有较好的金属矿成矿条件^[1-4]。该地区先后有多家单位及研究团队进行过勘查研究工作,对该区成矿模式有了一定认识,但是由于缺少有效的深部勘查手段,对前人认为的金矿体赋存的有利部位存在于青白口系地层与下伏太古宇地层间的接触部位,以及西部地区发育的韧性剪切构造^[5-7]深部延伸情况不能很好地验证与揭示,导致对该金矿区成矿规律研究、矿体赋存状态以及矿床的进一步勘探开发缺少深部地球物理数据及地质参考资料。

随着国家对胶东及辽东金属矿产深入勘查开发的要求,辽宁省自然资源厅在该矿区部署了多种勘查技术手段,对矿床进行了进一步研究。广域电磁法作为一种大功率深部勘查手段,具有探测深度大、分辨率高、抗干扰能力强等优点,本次拟运用该方法对3 km以浅的地层电性界面进行划分,判断发育的构造断裂带,并结合地质及钻探工程资料对该地区中深部进行地球物理分析,为该地区进一步地质矿产勘查及研究工作提供有效的地球物理资料,以期在辽东地区金多金属矿找矿行动中取得新突破。

1 研究区地质、地球物理特征

1.1 研究区地质特征

新房金矿床区域大地构造单元属中朝准地台胶辽台隆复州台陷,位于庄河—桓仁断裂上盘,区域内前寒武系地层发育,断裂构造和岩浆活动较为频繁。区域出露地层为太古宇鞍山群、古元古界辽河群、新元古界青白口系、古生界寒武系、中生界白垩系和新生界第四系^[8-9],地层出露相对较为齐全(图1)。

图1

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图1 辽东新房金矿地质构造简图

1—第四系冲积、海积;2—第四系洪积;3—白垩系普兰店组;4—寒武系中统;5—寒武系下统;6—新元古界青白口系钓鱼台组;7—新元古界青白口系桥头组;8—新元古界青白口系南芬组;9—古元古界盖县组;10—古元古界大石桥组;11—太古宙黑云斜长片麻岩;12—太古宙黑云二长片麻岩;13—晚侏罗世太平岭单元花岗闪长岩; 14—金属矿点;15—地质界线;16—断裂构造带

Fig.1 Schematic diagram of geological formations of Xinfang Gold Mine in Liaodong

1—Quaternary alluvial and marine deposits; 2—Quaternary pluvial deposits; 3—Pulandian Formation of Cretaceous; 4—Cambrian middle series; 5—Cambrian lower series; 6—Neoproterozoic Qingbaikou System Diaoyutai Formation; 7—Qingbaikou System Qiaotou Formation of Neoproterozoic; 8—Qingbaikou System Nanfen Formation of Neoproterozoic; 9—Gaixian Formation of Paleoproterozoic; 10—Dashiqiao Formation of Paleoproterozoic; 11—Archean biotite plagioclase gneiss; 12—Archean biotite monzonite gneiss; 13—late Jurassic Taipingling unit granodiorite; 14—metal ore occurrence; 15—geological boundary; 16—fracture tectonic zone

1.1.1 地层

研究区出露地层有太古宇鞍山群、古元古界辽河群、新元古界青白口系、古生界寒武系和新生界第四系。

太古宇鞍山群除研究区西南部外在研究区大面积出露,主要岩性为黑云角闪斜长片麻岩、黑云二长片麻岩,其次为斜长角闪岩、黑云变粒岩。岩层总体走向NW向或近SN向,倾向东,倾角在30°~60°之间。

古元古界辽河群主要于研究区南部刘家屯—周家屯—宫家圈一带呈近EW向分布,倾向南,倾角北部陡、南部缓,约在20°~50°之间。出露的岩性为大石桥岩组白云石大理岩和盖县岩组绢云母石英片岩、千枚岩等,与下伏太古宇鞍山群呈断层接触。

新元古界青白口系分布于研究区中部,出露面积较大,与下伏地层呈断层接触,包括钓鱼台组、南芬组、桥头组各类岩性。

古生界寒武系在研究区西部高家沟一带有少量分布,与下伏青白口系地层呈整合接触,包括寒武系下统、寒武系中统各类岩性。

新生界第四系在研究区内沿沟谷和坡地广泛分布,由黄褐色砂石土、砂质黏土和砂砾石组成,第四系中砂金分布较广^[10-13]。

1.1.2 构造特征

研究区位于庄河—桓仁断裂的上盘,受其影响,区内褶皱构造和断裂构造极为发育。

研究区内褶皱构造发育相对较简单,仅新房—老金山一带青白口系地层中发育一向形构造,该构造轴走向近南北,东西宽度200~800 m。除该向形构造外,研究区其他地层均呈单斜产出,岩层倾向南或南西,倾角在20°~60°之间。

研究区内可见发育近SN向、NE向、NW向和近EW向4组断裂构造,其中近SN向和NW向构造是新房矿区金矿体主要的容矿构造。

1.1.3 岩浆岩特征

研究区岩浆岩发育程度一般,见小面积出露的晚侏罗世太平岭单元花岗闪长岩和脉岩。

晚侏罗世太平岭单元花岗闪长岩仅见于研究区西北部兰家店北部,呈小岩株产出,岩石总体呈灰白色,中细粒花岗结构,块状构造。

脉岩类在研究区内出露较为常见,主要有闪长岩脉、闪长玢岩脉、煌斑岩脉、石英斑岩脉、硅钾脉及石英脉等。这些脉岩规模普遍不大,个别闪长岩脉及石英斑岩脉具金矿化。

1.2 成矿条件分析

新房金矿床区域大地构造位置为中朝准地台胶辽台隆中部,属滨太平洋断裂体系,矿床产出于太古宙片麻岩系,属于典型的绿岩型金矿床。其地层、构造条件与胶东部分金矿、吉林夹皮沟金矿床,以及朝鲜南浦、清津等地产于太古宙地层中的金矿极为相似,以上地区不乏资源储量超百吨的大型、特大型金矿产出,因此新房及周边地区金矿区域有较好的成矿条件。

从辽宁省内太古宙片麻岩系的分布来看,本区产出的鞍山群城子坦组与抚顺—清源地区的茨沟组、辽西建平群小塔子沟组岩性基本一致,金矿体均产于黑云角闪片麻岩、黑云片麻岩、黑云斜长片麻岩中,这些片麻岩原为拉斑玄武岩,具有较高的金丰度值,为这些地区金矿富集提供了物质来源。这些地区也都有中、小型金矿床分布,更有众多的金矿点。研究区断裂体系处于庄河—桓仁断裂的上盘,区内断裂构造极为发育。庄河—桓仁断裂为左行走滑断裂,具多期活动特征,其次级构造在区内分布广泛。从矿床勘查成果来看,区内主要容矿构造为近SN向构造和NW向构造,主控矿构造为近SN向构造。新房金矿床周边地区这两类构造均较发育,找矿潜力较大。

此外,新房金矿床青白口系地层与下伏太古宇地层间的接触部位,以及西部地区发育韧性剪切构造,这些韧性剪切构造使金矿成矿物质初步富集,对矿床的形成起到了决定作用。研究区中部和东部此类构造较发育,这些地区同样具备了金矿体富集的先决条件^[7,12-13]。

1.3 工区地球物理特征

地层岩石的电阻率差异是引起电性异常的基本因素,也是开展物探工作与综合地质解释工作的基础,是联接电法异常与地质解释的“桥梁”。因此,了解地层岩石的电阻率参数是做好广域电磁勘探资料解释工作的基础之一。本次广域电磁法工作采集了区内钻孔岩芯及周边岩石样品,并对样品进行了物性测定,将岩芯标本加工成等轴状,采集的标本加工成长10 cm长方体,将标本放入水中浸泡24 h,使其饱和后晾干,使用岩石标本物性测定仪器对其进行测量,并对测量采集数据进行分类统计(表1)。

表1 物性统计

Table 1 Physical property statistics

岩性	样本数	幅频率F平均值/%	电阻率ρ平均值/ (Ω·m)
片麻岩	55	1.4	1700.5
闪长岩	35	1.1	2480.6
变质砂岩	35	1.6	3054.6
泥质板岩	30	5.4	1021.7
大理岩	40	1.6	2350.1
矿化岩脉体	25	8.5	65.6

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区域地质资料显示,桥头组由灰色、灰白色石英砂岩、粉砂岩组成,夹薄层黄色板岩;钓鱼台组主要岩性为石英岩、石英砂岩,有时见底砾岩;南芬组地层主要由一套浅变质岩石组成,主要岩性为千枚状板岩、钙质板岩、砂质板岩、泥质板岩等,有时见大理岩透镜体。结合该区地质资料与表1实测物性资料可以发现,新元古界的桥头组与钓鱼台组均表现为中高阻特征,南芬组由于泥质板岩的低阻特性表现为低阻。已知钻孔统计成果显示,脉岩主要穿插于片麻岩中,电性特征表现为高阻。太古宇主要岩性为片麻岩,电性特征主要表现为中低阻,受矿化影响的表现为低阻。该研究区各岩性组之间电性参数均存在一定差异,各地层岩性可以通过电性参数进行区分,矿化岩脉体具有低阻、高幅频的特点,因此运用广域电磁法可以在该区各层位地层的接触界面及构造断裂位置获得有效反映。

2 工作技术方法

2.1 广域电磁法原理

广域电磁法是相对于传统的可控源音频大地电磁法(CSAMT)和磁偶源频率测深法(MELOS)提出的。CSAMT要求在远区测量一对相互正交的电场、磁场分量,计算二者之比(阻抗)来提取地下的视电阻率。为了在不满足“远区”条件的广大区域能够进行电磁测深,何继善院士提出了广域电磁测深法。所谓“广域”,是指突破“远区”的局限,在包括远区,也包括非远区的广大地区进行测量,把电磁测深的观测范围扩大到包括非远区的广大区域。其算法是完全抛弃国际上的粗放做法,不做简化,严格从电磁波方程出发,求基本解。经过复杂推导得出电场强度表达式为:

(1)$E_{x}=\frac{I \mathrm{~d} L}{2 \pi \sigma r^{3}}\left[1-3 \sin ^{2} \varphi+\mathrm{e}^{-\mathrm{i} k r}(1+\mathrm{i} k r)\right],$

式(1)是均匀大地表面上水平电偶极源的E_x的严格、精确表达式。根据式(1)可以定义广域意义上的视电阻率:

(2)$\rho_{a}=K_{E-E_{x}} \frac{\Delta V_{M N}}{I} \frac{1}{F_{E-E_{x}}(\mathrm{i} k r)},$

式中:$K_{E-E_{x}}=\frac{2 \pi r^{3}}{\mathrm{~d} L \cdot M N}$ ; $\Delta V_{M N}=E_{x} \cdot M N$。

式(2)构成了广域电阻率的计算基础。在包括远区也包括部分非远区在内的广大区域进行测量,观测人工源电磁场的一个分量(而不是彼此正交的一组电、磁分量),计算广域视电阻率值,这就是广域电磁法的基本原理^[14-16]。

2.2 主要技术参数

首先通过多项实验对工作参数及仪器一致性进行测量分析,确定测量电极距MN为50 m,收发距10 km,供电AB距为1 km,调节AB两极接地电阻使供电电流达到100 A,测量频率范围为0.01~8 192 Hz。通过计算仪器一致性得到相对均方误差为0.9%(图2),符合工作要求。

图2

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图2 仪器一致性对比曲线

Fig.2 Instrument consistency comparison graph

共布设7条广域电磁剖面(图3),分别为L1~L7线,测线方位75°。在剖面测量时,对每一对MN都进行电阻测量,保证每个测量电极接地电阻在2 000 Ω以下,并在L5线场源覆盖重合位置进行重复测量,在广域野外规程允许范围内调整场源AB线角度、接地电阻等,使得L5线场源重复位置在不同场源下原始数据曲线形态基本一致(图4),最大限度消除多源对数据造成的影响。

图3

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图3 广域剖面布设

Fig.3 Wide field section deployment diagram

图4

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图4 不同场源L5线10号点原始曲线对比

Fig.4 Comparison of original curves at point 10 of L5 with different field sources

2.3 广域电磁法首支测量

广域电磁法的视电阻率首支曲线(也就是高频部分),由于趋肤深度很浅,其视电阻率能相对比较准确地反映该地层实际的电阻率特征。结合本次完成的数据采集工作量将L4线与L7线数据整合成一条长剖面,用于首支统计工作^[17]。

经统计数据显示(如图5),青白口系南芬组主要呈低阻特征,钓鱼台组呈高阻特征;新太古界总体呈中阻特征;花岗斑岩脉呈高阻特征;南华系整体呈中阻特征。通过分析首支测量及数据采集位置的分布,发现广域电磁法数据与现有的地质认识及物性分布情况基本吻合。

图5

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图5 视电阻率首支统计曲线

Fig.5 The first statistical curve of apparent resistivity

3 应用成果分析

3.1 对比剖面分析

广域电磁法施工初始设计的剖面线中,首先选择最典型的剖面进行分析对比,本次工作选取横穿现有金矿点的L3线进行测量分析(图6)。根据地质资料L3线主要出露地层有新元古界青白口系桥头组及南芬组、太古宇及第四系地层。原始数据的等频率曲线图是推断断裂构造的主要技术手段,在均匀介质中相同频率的视电阻率曲线应是连续、有一定规律的,在断裂构造发育地段,由于岩石物性差异,曲线会有剧烈的异常波动。图6中红框处曲线表现相对凌乱,推断该区域构造发育。与现有资料尤其是钻孔资料进行对比分析,广域电磁法浅部的电性反应与已知的地质资料和钻孔岩性资料吻合度较高,基于浅表深度分析进行总体约束反演,从而使数据资料更接近真实深度。

图6

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图6 L3线广域综合解释

Fig.6 L3 wide field comprehensive interpretation diagram

反演成果显示L3线剖面左侧有不规则电性异常,其中以1 400 m左右表现最明显,说明此处可能构造发育,剖面右侧深部有明显低阻电性异常,面积较大,形态不完整。在中深部以剖面3 000 m左右为界限,视电阻率总体表现为左高右低的电性特点。在剖面深度1 200~1 700 m存在低阻异常带,具有一定起伏。剖面深度约1 400 m向下,视电阻率在1 500 Ω·m左右,推测为太古宇基底,右侧深约2 200 m向下,视电阻率在200~500 Ω·m左右,反演形态显示不完整,且不规律,推断可能由深部构造活动引起。

通过广域电磁剖面的成果结合地质认识进行地质解释:

1)地表的低阻异常与片麻岩含水或第四系有关;

2)剖面深度1 200~1 700 m存在低阻异常带为青白口系地层与下伏太古宇地层间的接触部位,由西向东逐渐变浅,该低阻异常带及附近区域为成矿有利部位;

3)地表出露有多处金矿化细脉,地下低阻异常带也应与金属矿化有关,异常梯度变化巨烈位置应为多期叠加矿化的反映。

4) 约1 400 m以下高阻异常带为太古宇基底,局部视电阻率变小应为构造活动等引起的。

3.2 广域电磁法剖面综合分析

对每条剖面分别进行分析后,在平面上把7条剖面联系起来进行综合解释(图7)。整个区域地层分层均较明显,地层对应性较好,L1~L4线与L5~L7线由于中间部位存在较大断裂构造,岩性存在一定差距,但总体吻合。结合对该工区金矿成矿类型的认识,推断新房金矿床青白口系地层与下伏太古宇地层间的接触部位由西向东逐渐变薄直至出露地表。东部地区发育韧性剪切构造,这些地质构造都是金矿成矿物质富集的先决条件,且都具有一定规模。

图7

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图7 广域电磁法剖面综合解释

Fig.7 Comprehensive interpretation map of WFEM

图8可以从整体角度对勘探区域的断裂构造、地层界限起伏等形成认识。结合区域断裂特点,将各断点进行连接,对比分析推断区域内的断裂示意线,共推断NW向断裂4条,近SN向断裂4条,近EW向断裂1条。结合现有的地质资料分析近SN向断裂走向在350°~10°之间,倾向东,断裂南北延长超过2 km,宽5~40 m;为张扭性断层,具有明显多期活动特征。断层主要赋存在鞍山群城子坦组片麻岩中,局部也切穿了上覆青白口系地层,但深度不大。该类断层带内赋存有多个金矿体,为成矿有利位置发育部位。其他NW向、EW向断裂对金矿的形成具有破坏作用,在进行下一步工程施工时要考虑其影响。

图8

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图8 广域剖面断裂构造解译平面

Fig.8 Interpretation plan of wide field section fault structure

3.3 广域电磁法效果讨论

广域电磁法野外数据采集只需要测量电磁场的一个分量,如电场的水平分量E_x、磁场的垂直分量H_z等,一次发送包含多个有效频率,故在工作效率和采集精度上均有提高,工作效率提高的同时,野外成本大幅降低。与传统电磁法相比,广域电磁法在抗干扰能力方面也有很大提升,不需要在远区进行测量,可以减小收发距,从而使得接收信号大大增加,提高了信噪比,探测分辨率得到大幅提高^[18-20]。新房金矿部署的广域电磁法剖面采集的电性参数与浅表横向岩性电阻率参数吻合度较高,在纵向钻孔控制的深度范围内,与广域电磁法采集到的视电阻率分层界面形态基本一致,视电阻率出现低阻异常的岩性主要由硅化、钾化蚀变岩带和变质砂岩、板岩等引起,下部即为青白口系地层与下伏太古宇地层间的接触部位,钻孔揭示的金矿脉也多产出于该接触面附近,验证了认为青白口系地层与下伏太古宇地层间的接触部位是金矿体赋存的有利部位的观点。通过浅表地质资料进行约束后进行的广域电磁剖面的反演解释具有较高的可信度,7条剖面的中深部低阻异常带位于新太古代片麻岩中,具有很大研究价值,参考辽东地区金矿成矿模式以及该区地层资料,可推断为韧性剪切发育的伸展构造面。

综上所述,广域电磁法所取得的资料成果为该地区深部三维建模和地质找矿模型建立提供了有效的地球物理数据,对该地区实现深部找矿突破具有重要意义。

4 结语

1)广域电磁法具有大深度、高精度、抗干扰能力强等优点,在新房金矿应用中推断的电性界面与钻孔揭示的岩性资料吻合度高,充分说明该方法在该区勘查的有效性,可以推广至类似矿产勘查工作中。

2)本次运用广域电磁法对3 km以浅的地层电性界面进行了划分,对青白口系地层与下伏太古宇地层间的接触层面整体形态进行了地球物理揭示,为辽东地球地质找矿模型建立提供了有效的地球物理数据。

3)结合该区地层特征及以往研究认识,在L1~L4线1~1.5 km左右深度发现的低阻异常带,推断为韧性剪切发育的伸展构造面,具有较高的研究价值,该方法的使用对辽东地区金及多金属矿矿产资源勘查研究具有重要意义。

参考文献

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被引期刊影响因子

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李浩, 韩吉龙, 王功文, 等.

辽东矿集区大东沟金矿床成矿时代和成因: 地质、年代学、地球化学和同位素制约

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