席振銖，朱偉國，張道軍，張良六，馮萬杰，鄧志剛

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083；2. 中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083；3. 長沙五維地科勘察技術(shù)有限責(zé)任公司，長沙 410205；4. 重慶市地質(zhì)勘查局 川東南地質(zhì)大隊(duì)，重慶 400038)

采用音頻大地電磁法間接探測深埋富集鐵礦床

席振銖1,2，朱偉國1,2，張道軍3，張良六4，馮萬杰1,2，鄧志剛3

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083；2. 中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083；3. 長沙五維地科勘察技術(shù)有限責(zé)任公司，長沙 410205；4. 重慶市地質(zhì)勘查局 川東南地質(zhì)大隊(duì)，重慶 400038)

由于深埋富集鐵礦礦體的埋深超過500 m，直接運(yùn)用音頻大地電磁法(AMT法)圈定深埋富集鐵礦礦體異常的縱向分辨率難以實(shí)現(xiàn)，為此，根據(jù)礦床成因、成礦環(huán)境以及礦體賦存空間特征等地質(zhì)因素，建立地質(zhì)模型，在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建地電模型；在地電模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AMT法達(dá)到間接找礦的目的。綦江式鐵礦和寧鄉(xiāng)式鐵礦的勘查實(shí)踐結(jié)果表明，應(yīng)用AMT法能夠確定找礦標(biāo)志、含礦層次和賦礦構(gòu)造等，從而間接實(shí)現(xiàn)探測深埋富集鐵礦床。

綦江式鐵礦；寧鄉(xiāng)式鐵礦；AMT法；地電模型

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對(duì)鐵資源的需求日趨增加，但由于國內(nèi)0～500 m鐵礦資源不足，需加大對(duì)深部鐵礦的勘查力度，以緩解我國對(duì)鐵礦資源需求的壓力。

相對(duì)于幾何電阻率測深法，音頻大地電磁法(Audio-frequency magnetotelluric method, AMT法)[1-2]具有裝置輕便、工作效率高、不受高阻層屏蔽和對(duì)低阻層有較高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，是探測深部鐵礦資源的有效方法[3-4]。

在礦產(chǎn)勘查中，AMT法主要用來劃分地層，探測褶皺斷裂構(gòu)造以及直接探測金屬礦床異常[5-7]，即使面對(duì)埋深較大的目標(biāo)，只要具備了相應(yīng)的地球物理?xiàng)l件，音頻大地電磁測深法也能夠取得較好的效果。但是由于方法本身限制，隨著趨膚深度的增加，音頻大地電磁測深法的分辨率能力也將相應(yīng)降低[8-9]。因此，對(duì)于埋深較大的富集鐵礦，直接運(yùn)用 AMT法來圈定鐵礦異常的難度較大，尤其是在低阻覆蓋層下進(jìn)行探測，降低了 AMT的探測能力，使其無法直接探測出異常的存在[10]。

針對(duì)深埋隱伏富集鐵礦床，運(yùn)用 AMT法難以直接圈定鐵礦異常的情況，本文作者提出根據(jù)礦床成因、成礦環(huán)境以及礦體賦存空間特征等地質(zhì)因素，建立地質(zhì)模型，在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建電性模型；在地電模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AMT法達(dá)到間接找礦的目的。

1 AMT方法原理

AMT法是通過觀測雷電、太陽風(fēng)等天然音頻電磁波在大地產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場來研究地下電性結(jié)構(gòu)的一種地球物理方法[11-12]，采用的天然場源的頻率變化范圍為100 kHz～1 Hz，通過測量地表水平電場分量Ex，與正交的水平磁場分量Hy之比，可確定地下介質(zhì)的電阻率值(ρa(bǔ))。其計(jì)算公式為

式中：f是頻率，Hz；，ρa(bǔ)是視電阻率，?·m；E是電場強(qiáng)度，mV/km；H是磁場強(qiáng)度，nT。在電磁理論中，把電磁場在大地中傳播時(shí)，其振幅衰減到初始值 1/e時(shí)的深度，定義為趨膚深度(δ)，其公式為

由此可知，趨膚深度將隨電阻率(ρ)和頻率(f )的變化而變化。測量是在和地下研究深度相對(duì)應(yīng)的頻帶上進(jìn)行的。一般來說，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。因此，在一個(gè)寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計(jì)算出視電阻率和相位。

2 綦江式鐵礦找礦應(yīng)用

2.1 構(gòu)建綦江式鐵礦找礦地電模型

根據(jù)地洼學(xué)說理論[13]，調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)區(qū)域大地構(gòu)造處于揚(yáng)子陸塊四川中生代前陸盆地華鎣山碳酸鹽臺(tái)地的南延部位。按照綦江式鐵礦成礦演化地質(zhì)模式(見圖1)，綦江式鐵礦屬內(nèi)陸湖沼相化學(xué)沉積型鐵礦床，也可稱為大陸湖沼型碎屑巖-泥質(zhì)巖-有機(jī)巖層狀赤鐵礦-菱鐵礦礦床[14]。赤鐵礦和菱鐵礦、碎屑巖以及煤層、炭質(zhì)頁巖等有機(jī)巖構(gòu)成了綦江式鐵礦含礦層位的低阻特征，其上覆地層主要是侏羅系的石英砂巖，下伏地層為三疊系的灰?guī)r，都是呈相對(duì)高阻特征。特別是礦體的富集部位與煤層、炭質(zhì)頁巖等有機(jī)巖厚度和品質(zhì)正相關(guān)，在礦體的富集部位，煤層、炭質(zhì)頁巖等有機(jī)巖厚度大、品質(zhì)好，從而大大降低含礦層位的電阻率，增強(qiáng)了低阻異常強(qiáng)度，擴(kuò)大了異常范圍；同時(shí)，由于礦體早期富集在洼地和后期受褶皺構(gòu)造，在空間上形成局部地質(zhì)體，從而引起局部低阻異常。

圖1 綦江式鐵礦成礦演化地質(zhì)模式：1—由沖積中粗粒巖屑石英砂巖組成的侵蝕基地；2—河水流入洼地沉積由侵蝕工風(fēng)化碎屑組成的邊灘石英砂石；3—在蛇曲河邊灘沉積之上發(fā)育的由煤、碳質(zhì)頁巖組成的泥炭湖；4—河水帶入砂、泥質(zhì)、鐵質(zhì)進(jìn)入湖泊；5—主要成鐵時(shí)期、地表和(或)地下水流攜帶粉砂質(zhì)進(jìn)入湖泊，經(jīng)同生-成巖期后的變化形成菱鐵礦、赤鐵礦和燧石；6—粘土巖、泥質(zhì)砂巖、含鐵砂巖組成鐵層頂板或與鐵層相變或缺失Fig. 1 Ore-forming geological evolution mode of Qijiang-type iron deposit

綜合上述分析，針對(duì)綦江式鐵礦 AMT法間接找礦技術(shù)線路如下：1)結(jié)合地質(zhì)資料推斷出侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組和三疊系上統(tǒng)須家河組為巨厚低阻特征的找礦標(biāo)志層位；2)通過標(biāo)志層位確定含礦層位和褶皺的地下空間展布；3)在低阻標(biāo)志層位中，確定閉合的相對(duì)低阻異常，低阻異常就是礦體最富集的部位，從而實(shí)現(xiàn)間接找礦的目的。

2.2 AMT間接探測綦江式鐵礦應(yīng)用

礦區(qū)地處云貴高原與重慶市南部過渡地帶，區(qū)內(nèi)地形大致呈北高南低的趨勢(shì)，山脈延伸大體呈南北向，與地質(zhì)構(gòu)造線的方向基本一致。野外采用EH-4電導(dǎo)率成像儀開展 AMT測線1條，測線方向 60°，測點(diǎn)58個(gè)，點(diǎn)距50 m，電極距50 m，采用連續(xù)電磁陣列剖面的工作方式(CEMAP)，測線總長2 600 m (2 600～5 200 m)。

圖2所示為綦江縣某鐵礦AMT電阻率斷面圖，除地表風(fēng)化低阻層外，地下可分為3個(gè)電性變化區(qū)，由淺到深，分別定為層①、層②、層③。斷面圖表層下伏出現(xiàn)的高阻層，推斷為侏羅系中統(tǒng)和下統(tǒng)組成的高阻層①，主要由含有石英砂巖高阻巖性組成；1)下伏出現(xiàn)的低阻層，推斷為地層侏羅系下統(tǒng)和三疊系上統(tǒng)組成的低阻層②，主要由赤鐵礦和菱鐵礦、碎屑巖以及煤層、炭質(zhì)頁巖等有機(jī)巖組成；2)下伏出現(xiàn)的高阻層，即斷面圖底部的高阻層，推斷為地層三疊系組成的高阻層③，主要為灰?guī)r。從斷面成果圖又可以看出，高阻層①、低阻層②和高阻層③呈現(xiàn)拱形特征，推斷是東溪背斜引起，背斜軸部在里程3 150 m附近。從斷面圖不難發(fā)現(xiàn)在3 100～4 600 m里程段存在閉合低阻異常，推測為煤層、炭質(zhì)頁巖等有機(jī)巖，厚度大和品質(zhì)好，為赤鐵礦和菱鐵礦富集部位。所以，3 100～4 600 m里程段是找礦最為有利的地段。ZK4101和ZK4103的鉆孔資料揭示礦體厚度在1～5 m之間，品位約在20%左右，品位較低，而ZK4105孔礦體厚度在8～12 m之間，品位約在40%左右，品位較高，可見，從ZK4101鉆孔、ZK4103鉆孔再到ZK4105鉆孔礦體逐漸富集。低阻異常雖然不能直接反映礦體，但是可以反映礦體富集早期的洼地區(qū)，間接實(shí)現(xiàn)找礦的目的。

3 寧鄉(xiāng)式鐵礦找礦應(yīng)用

3.1 構(gòu)建寧鄉(xiāng)式鐵礦找地電模型

調(diào)查區(qū)大地構(gòu)造位置位于上揚(yáng)子陸塊南部碳酸鹽臺(tái)地武隆凹褶束[13]。按照寧鄉(xiāng)式鐵礦成礦演化地質(zhì)模式(見圖3[15])，該類鐵礦為沉積巖型礦床，成礦時(shí)代為晚泥盆系黃家磴期，控礦的古地理為鄂西海盆西北部海灣濱海環(huán)境，濱海相鄰濱亞相，主礦層賦存于上泥盆統(tǒng)黃家磴組上部鐵質(zhì)碎屑巖建造，其分布嚴(yán)格受含礦地層(上泥盆統(tǒng))控制[16-17]。泥盆系上統(tǒng)黃家磴組為主要的含赤鐵礦和菱鐵礦礦層位，其巖性主要為泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，砂巖、頁巖、粉砂巖等，其電性為低阻特征；其下伏地層志留系中統(tǒng)羅惹坪組巖性主要為頁巖、砂質(zhì)頁巖，夾砂巖，整體表現(xiàn)為低阻特征；而其上覆地層為石炭系中統(tǒng)黃龍組，其巖性主要為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r及硅質(zhì)灰?guī)r，表現(xiàn)為高阻特征。

圖2 綦江縣某鐵礦AMT法電阻率斷面深度—里程圖[10]：1—電性分界線；2—物探推測成礦帶；3—斷層破碎帶；4—侏羅紀(jì)石英砂巖、粉砂巖帶；5—侏羅紀(jì)泥巖、頁巖帶；6—三疊系石英砂巖、粉砂巖帶；7—石英砂巖；8—泥巖Fig. 2 Depth—distance plots of cross section of resistivity from AMT in Qijiang county[10]: 1—Electrical line; 2—Geophysical speculating ore belt; 3—Fault zone; 4—Jurassic quartz sandstone and siltstone; 5—Jurassic mudstone and shale; 6—Triassic quartz sandstone, siltstone; 7—Quartz sandstone; 8—Mudstone

綜合上述分析，針對(duì)寧鄉(xiāng)式鐵礦 AMT法間接找礦的技術(shù)線路如下：石炭系和泥盆系具有明顯的電性差異，通過界定石炭系和泥盆系的層位空間的變化形態(tài)，就能夠確定深部含礦層位褶皺形態(tài)、賦存地下空間位置，達(dá)到指導(dǎo)深部找礦的目的。

3.2 AMT間接探測寧鄉(xiāng)式鐵礦應(yīng)用

調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)位于渝東、鄂西接壤的巫山山脈，屬中山深切割溶蝕地貌。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣布，巖溶地貌發(fā)育，地勢(shì)劇烈起伏。野外開展AMT測線1條，測線方向134°，平行于地質(zhì)勘探線，測點(diǎn)251個(gè)，點(diǎn)距20 m，電極距20 m，采用連續(xù)電磁陣列剖面的工作方式(CEMAP)，測線總長 5 000 m (0～5 000 m)。

圖3 寧鄉(xiāng)式鐵礦成礦演化地質(zhì)模式[15]Fig. 3 Ore-forming geological evolution mode of Ningxiang-type iron deposit[15]

圖4 巫山縣某鐵礦AMT法電阻率斷面深度—里程圖：1—物探推測地層界線；2—斷層破碎帶；3—三疊系灰?guī)r帶；4—二疊系泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖帶；5—泥盆系炭質(zhì)頁巖、粘土巖、砂巖、赤鐵礦帶Fig. 4 Depth—distance plots of cross section of resistivity from AMT in Wushan county: 1—Geophysical speculating stratigraphic boundaries; 2—Fault zone; 3—Triassic limestone; 4—Dyasargillaceous limestone and shale; 5—Devonian black cat, claystone,sandstone, haematite

從巫山縣某鐵礦AMT法電阻率斷面圖(見圖4)可以看出：1)根據(jù)斷面圖、地層信息結(jié)果，以及等值線電性變化，除地表風(fēng)化低阻層外，地下可分為3個(gè)電性變化區(qū)，由淺到深，分別定為 L1、L2、L3。斷面圖最右端大約4 000 m到5 000 m里程出現(xiàn)的高阻層，推斷為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組和大冶組組成的高阻層L1，主要由灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r高阻巖性組成；①左邊大約里程2 600 m到4 000 m出現(xiàn)的高低阻互層，推斷為二疊系中統(tǒng)、上統(tǒng)以及石炭系中統(tǒng)黃龍組組成的高低阻互層L2，主要含灰色中厚層夾薄層含泥質(zhì)灰?guī)r及黑色頁巖和煤線以及淺棕色、灰色含鈣質(zhì)頁巖，形成高低阻互層；②左邊深部，約0～2 000 m里程的低阻層，推斷為由泥盆系上統(tǒng)黃家橙組、中統(tǒng)云臺(tái)觀以及志留系中統(tǒng)羅惹坪組組成的低阻層L3，主要含灰黑色炭質(zhì)頁巖或煤線、灰白、淡紅色粘土巖、砂巖(含鐵質(zhì)類砂巖)、赤鐵礦(褐鐵礦)等低阻巖層組成。2)根據(jù)斷面圖視電阻率變化，可以看出高阻層L2、高低阻互層L2和低阻層L3在小號(hào)里程呈現(xiàn)拱形特征，推斷是賀家坪背斜引起，背斜軸部在里程1 850 m附近；同樣高阻層L1、高低阻互層L2之間的分界線在測線中間里程呈向下方向，推斷為石磙槽向斜西翼邊緣形狀。3)根據(jù)鉆孔資料，推測巫山層鐵礦主要位于高低阻互層L2底板，低阻層L3頂板，即L2與L3交界層位處，并推出此層位隨著賀家坪背斜西翼的變化方向和石磙槽向斜西翼的延伸方向向深部拓展，且賀家坪背斜東翼向小里程方向向下延伸，其核部鐵礦層標(biāo)高最大；鐵礦層隨L2與L3交界層位處向大里程趨于深部，其埋深較大。

地面 ZK5101、ZK5102、ZK5104、ZK5106 和ZK5108鉆孔揭示的石炭系和泥盆系的地質(zhì)界線對(duì)應(yīng)AMT電阻率斷面圖反映的高低組界面，即高阻電性層L2與低阻電性層L3的接觸面；但是，ZK5110鉆孔在1 050 m的孔深位置還是二疊系的灰?guī)r，說明賀家坪背斜東西兩翼并不對(duì)稱，西緩東陡，這一地質(zhì)特征與AMT反映的結(jié)果吻合?？梢?，AMT可以有效確定深部褶皺構(gòu)造的展布以及深埋礦體的賦存狀態(tài)。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)綦江式鐵礦的成因和地質(zhì)背景，應(yīng)用AMT法首先推斷出侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組和三疊系上統(tǒng)須家河組為巨厚低阻特征的找礦標(biāo)志層位；然后通過標(biāo)志層位確定含礦層位和褶皺的地下空間展布；最后在低阻標(biāo)志層位中，根據(jù)有機(jī)巖與鐵礦關(guān)系確定閉合的相對(duì)低阻異常就是礦體最富集的部位，從而實(shí)現(xiàn)間接找礦的目的。

2) 針對(duì)寧鄉(xiāng)式鐵礦的地質(zhì)成因和地質(zhì)背景，石炭系和泥盆系具有明顯的電性差異，應(yīng)用 AMT法界定石炭系和泥盆系的層位空間的變化形態(tài)，確定深部含礦層位褶皺形態(tài)、賦存地下空間位置，達(dá)到指導(dǎo)深部找礦的目的。

3) 在綦江式鐵礦和寧鄉(xiāng)式鐵礦的勘查實(shí)踐表明，在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上建立電性模型，根據(jù)地電模型，應(yīng)用AMT法能夠間接實(shí)現(xiàn)探測深埋富集鐵礦床。

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Indirectly exploit buried deposits of rich iron by audio-frequency magnetotelluric method

XI Zhen-zhu1,2, ZHU Wei-guo1,2, ZHANG Dao-jun3, ZHANG Liang-liu4, FENG Wan-jie1,2, DENG Zhi-gang3
(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education,Central South University, Changsha 410083, China;3. Changsha 5D Geo-survey and Technical Co., Ltd., Changsha 410205, China;4. Geological Team of Southeastern Sichuan, Chongqing Bureau of Geological Exploration and Exploitation of Mineral Resources, Chongqing 400038, China)

When the enrichment iron ore is buried more than 500 m, it is difficult to achieve the longitudinal resolution of iron ore abnormalities by using audio-frequency magnetotelluric (AMT) method directly. For this reason, based on the geological factors of the ore genesis, metallogenic environment, ore controlling space, and so on, the geological model was made and then the electrical model was set up, which was used to achieve the aim of indirect ore prospection by AMT method. The prospecting tests results in Qijiang-type iron deposit and Ningxiang-type iron deposit prove that the AMT method can deterimine prespecting mark, ore-bearing strata, ore-bearing structure and so on. So, indirectly detect deep-buried rich iron ore.

Qijiang-type iron deposit; Ningxiang-type iron deposit; AMT method; geoelectric model

P631.3

A

1004-0609(2012)03-0928-06

2011-12-01；

2012-01-04

席振銖，教授，博士；電話：13873150690; E-mail: xizhenzhu@163.com

(編輯 龍懷中)