郭 鏡，焦彥杰，梁生賢*

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081；2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

0 序言

含炭質(zhì)巖石因其較強(qiáng)的還原能力，對金屬礦化起著重要影響（Poub and Kˇríbek，1986；Gorzhevskiy，1987）。硫酸鹽與有機(jī)質(zhì)形成的還原硫，基本上被定義為許多金屬的大吸收器：形成金屬硫化物后直接沉淀，與金屬硫化物共沉淀或還原非親銅元素（Disnar and Sureau，1990）。在找礦手段匱乏的年代，甚至把炭質(zhì)層稱之為“黑色引導(dǎo)”或“標(biāo)志”（羅鎮(zhèn)寬，1984）。此外，在反映成礦外部環(huán)境變化方面，炭質(zhì)也具有很高的靈敏性（Абаулина et al.，1988）。

特提斯喜馬拉雅地塊內(nèi)有著大量的高炭質(zhì)物含量的沉積變質(zhì)巖，如中—下三疊統(tǒng)呂村組（＞2100m）、涅如組（＞4500m），侏羅系日當(dāng)組（＞900m）等地層。在后碰撞階段，總體上青藏高原地殼應(yīng)力以伸展為特征（侯增謙等，2006）。位于藏南拆離系和雅魯藏布江縫合帶之間的特提斯喜馬拉雅地塊（Yin and Harrison，2000），在25Ma 以來發(fā)育了一系列的構(gòu)造-熱事件，如侵位于特提斯喜馬拉雅片麻巖穹窿帶的淡色花崗巖（Searle et al.，1997；梁維等，2020；張志等，2020），南北向及東西向伸展斷裂等（圖1；Burg et al.，1984；Hodges et al.，1992；Hodges，2000）。在這些構(gòu)造-熱事件發(fā)育過程中，特提斯喜馬拉雅形成了眾多熱液脈型的鉛鋅銻金多金屬礦床（侯增謙等，2006），如沙拉崗銻礦床、得龍銻礦床、馬扎拉金銻礦床、哲古銻金礦床、壤拉銻礦床、車窮卓布銻礦床、查拉普金礦床、吉松鉛鋅礦床、扎西康鉛鋅銻金多金屬礦床等（圖1；孟祥金等，2008；張建芳，2010；鄭有業(yè)等，2007，2014；張進(jìn)江等，2011）。其中，很多礦床賦存于含炭質(zhì)巖石中，如查拉普金礦（鄭有業(yè)等，2007）、折木朗金礦（周峰等，2011）、邦布金礦（韋慧曉等，2010）、扎西康鉛鋅銻多金屬礦（梁維等，2015）等。因此，特提斯喜馬拉雅鉛鋅銻金成礦帶是開展含炭質(zhì)巖石中熱液脈型礦床電法勘探的天然試驗場。

圖1 特提斯喜馬拉雅地質(zhì)礦產(chǎn)簡圖（圖據(jù)張進(jìn)江等，2011修改；數(shù)據(jù)據(jù)孟祥金等，2008；張建芳，2010；鄭有業(yè)等，2007，2014）Fig.1 Schematic map of geology and mineral resources of the Tethyam Himalaya（modified from Zhang et al.，2011；data from Meng et al.，2008；Zhang et al.，2010；Zheng et al.，2007，2014）

沉積巖巖石成因的研究表明，含炭質(zhì)巖石一般由原始的腐殖質(zhì)型炭質(zhì)地層遭受變質(zhì)而成。含有機(jī)質(zhì)的沉積巖在埋深過程中，有機(jī)質(zhì)隨著變質(zhì)程度加深，向石墨方向演化（Durand and Monin，1980）。炭質(zhì)物的石墨化過程，是芳香層有序堆疊和排除雜原子的過程（Oberlin et al.，1980），這兩個過程隨著巖石變質(zhì)程度加強(qiáng)而相輔相成的進(jìn)行（Buseck et al.，1985），使得炭質(zhì)物自由電子增多，導(dǎo)電性增強(qiáng)（莫如爵等，1989）。含炭質(zhì)巖石的導(dǎo)電性隨著其內(nèi)炭質(zhì)物導(dǎo)電性的增強(qiáng)而增強(qiáng)，常與金屬硫化物一樣表現(xiàn)為低阻高極化特征。已有研究表明，特提斯喜馬拉雅鉛鋅銻金成礦帶內(nèi)熱液脈型礦體的體積普遍較小，難以引起較大的電性異常。以上兩方面因素使得在含炭質(zhì)巖石中對熱液脈型礦體進(jìn)行電法勘探存在較大困難。

本文以西藏扎西康鉛鋅銻多金屬礦為例，通過音頻大地電磁測深和激電中梯測量等電法勘探，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)呈現(xiàn)低阻高極化背景，礦體賦存位置呈現(xiàn)高阻低極化背景，且礦體所在區(qū)域有顯著的鉛鋅元素異常。結(jié)合炭質(zhì)物含量分析、拉曼光譜、碳同位素、炭質(zhì)物四探針電阻率測試、高分辨率透射電鏡等測試分析方法，本文從炭質(zhì)物含量、性質(zhì)和連通性等方面，研究含炭質(zhì)巖石的電性特征，為合理解釋扎西康礦體呈現(xiàn)高阻低極化特征提供依據(jù)，也為特提斯喜馬拉雅鉛鋅銻金成礦帶內(nèi)含炭質(zhì)巖石中熱液脈型礦床的地球物理勘探提供新的思路和技術(shù)支撐。

1 礦床地質(zhì)背景

扎西康鉛鋅銻多金屬礦是特提斯喜馬拉雅鉛鋅銻金成礦帶內(nèi)唯一的大型—超大型礦床（圖2a；鄭有業(yè)等，2012）。礦體呈脈狀（傾向西，傾角45°～70°；圖2b）賦存于侏羅系日當(dāng)組的斷裂構(gòu)造帶內(nèi)。主要礦脈為南北向的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ及北東向的Ⅶ和Ⅷ（圖2a），以及2015 年探得的Ve礦體，儲量超過140萬噸。V號礦體品位最高且儲量最大，超過100 萬噸（鄭有業(yè)等，2012）。含礦熱液來源主要為巖漿熱液、地層建造流體和大氣水（孟祥金等，2008；Zhou et al.，2017），三者的混合造成了礦質(zhì)沉淀（李應(yīng)栩等，2015）。成礦時間為青藏高原后碰撞伸展成礦期（梁維等，2015；Sun et al.，2018），且主要分為兩期，以鉛鋅為主的成礦期和銻成礦期。

圖2 扎西康礦集區(qū)地質(zhì)簡圖（a）和鉛鋅礦體剖面圖（b）（據(jù)Zhou et al.，2017修改）Fig.2 Geological map of Zhaxikang mining area（a）and profile of lead-zinc ore bodies（b）（modified from Zhou et al.，2017）

日當(dāng)組為一套互層狀的深灰色—灰黑色頁巖、鈣質(zhì)頁巖，含泥灰?guī)r、砂巖、凝灰?guī)r，夾泥質(zhì)灰?guī)r和燧石團(tuán)塊，總厚度大于900m，屬深水相沉積，經(jīng)低級變質(zhì)后形成了炭質(zhì)板巖（梁維，2014）。

2 方法

2.1 AMT的數(shù)據(jù)采集與處理

AMT數(shù)據(jù)采用加拿大鳳凰公司研制的V5 系列儀器采集完成，基準(zhǔn)點(diǎn)距50 m，剖面長度2.3 km，數(shù)據(jù)處理時最低頻率截取到1Hz。由于測區(qū)位于西藏農(nóng)牧區(qū)，無明顯干擾源，因而各測點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量高。AMT數(shù)據(jù)處理與二維反演的相關(guān)算法及技術(shù)成熟，數(shù)據(jù)處理包括極化模式判別（嚴(yán)良俊等，2001）、靜態(tài)校正（王家映，1992）等，二維反演解釋有快速松弛（RRI）（Smith and Booker，1991）、OCCAM（Constable et al.，1987）和共軛梯度反演（Rodi and Mackie，2001）等方法。本次AMT 數(shù)據(jù)反演通過與鉆孔工程以及已知地質(zhì)認(rèn)識對比，發(fā)現(xiàn)Zongmt軟件中的Smoothness constrained反演結(jié)果更能表達(dá)地電斷面的真實情況。因此，AMT 數(shù)據(jù)二維反演采用Smoothness constrained。

2.2 激電中梯面積測量的數(shù)據(jù)采集與處理

激電數(shù)據(jù)采用重慶奔騰大功率激電儀采集完成，數(shù)據(jù)密度為1 ∶1 萬網(wǎng)度（線距100 m，點(diǎn)距40 m），約9 km2，其中，發(fā)射極距1500 m，供電電壓大于500 V，供電電流＞5 A，一次場大于100 mV。激電數(shù)據(jù)采用視極化率和視電阻率成圖分析。

2.3 炭質(zhì)物含量的測試分析

炭質(zhì)物含量的測試采用高頻紅外法，該方法相對于重鉻酸鉀氧化法等傳統(tǒng)的炭質(zhì)物測定方法，具有精度高、操作簡便、分析快速等優(yōu)勢（酈新和王笑笑，2013）。經(jīng)酸試劑處理掉樣品中的無機(jī)碳，干燥后置于高頻紅外碳硫儀中，在富氧條件下，利用高頻振蕩感應(yīng)燃燒（鄒芳，2014），保證炭質(zhì)物被充分氧化成CO2，其在4.26 μm 處具有很強(qiáng)的紅外特征吸收（謝復(fù)新，1987；Sandford and Allamandola，1990），符合朗伯比爾定律，通過測量光強(qiáng)度的變化就能換算出CO2的含量，進(jìn)而得出炭質(zhì)物的含量（顧濤等，2015）。

2.4 拉曼光譜的測試分析

由于拉曼光譜對碳材料中原子結(jié)構(gòu)的改變很靈敏，拉曼光譜對于理解各種炭質(zhì)物的微觀結(jié)構(gòu)有良好效果（Wilhelm et al.，1998；Beyssac et al.，2003）。炭質(zhì)物的一階拉曼光譜存在兩個拉曼特征主峰：D峰（1370 cm-1）和G 峰（1583 cm-1），高度有序、無缺陷的石墨樣品只有G 峰，結(jié)構(gòu)有序度差的石墨樣品則會誘導(dǎo)出D 峰。且無論石墨存在何種形式的無序，D峰都會出現(xiàn)（Wang et al.，1990）。炭質(zhì)物拉曼特征峰，則可作為炭質(zhì)物結(jié)構(gòu)的評價參數(shù)，且前人依此開展了眾多卓有成效的研究。

本文使用Nicolet Almega XR（Thermo Scientific，Yokohama，Japan）以532 nm Nd-YAG 激光通過共焦顯微鏡，以100 為準(zhǔn)，使用準(zhǔn)粒子散射幾何獲得炭質(zhì)物的拉曼光譜。樣品表面的激光功率設(shè)定為5 mW。散射光通過背散射幾何形狀采集，具有25 μm針孔和全息陷波濾波器，最后使用2400 線／mm 光柵分散，并通過256 ×1024 像素的Peltier 冷卻CCD探測器進(jìn)行分析（Andor Technology，Belfast，Northern Ireland）?？臻g分辨率約為1 μm，波數(shù)分辨率約為1 cm-1。通過監(jiān)測來自Ne 燈的等離子體線的位置來校準(zhǔn)拉曼頻帶的頻率。每個樣品測量至少3 個不同的炭質(zhì)物顆粒。

2.5 炭質(zhì)物提取及碳同位素測試

鑒于沉積巖中炭質(zhì)物濃度較低，我們采用化學(xué)萃取法制備所需的炭質(zhì)物樣品等分試樣。原料中硅酸鹽或氧化物礦物的存在可在高溫下形成各種碳化物，因此通過化學(xué)萃取盡可能多地消除這些礦物質(zhì)是必要的。

將巖石樣品（500～800 g）用顎式破碎機(jī)破碎并使用孔徑為74 μm篩網(wǎng)篩分。最初用2 mol／L HCl處理篩分的粉末以除去碳酸鹽、硫化物、硫酸鹽和氫氧化物，然后在幾個大的聚四氟乙烯容器（500 ml）中用HF（48%）處理該溶液并在120 ℃的熱板上干燥。聚四氟乙烯容器中的干殘留物由炭質(zhì)物和新形成的氟化物如隕石和其他復(fù)合氟化物組成。這些氟化物一旦沉淀就難以再溶解，它們會干擾炭質(zhì)物的進(jìn)一步分析，因此，我們在酸處理之前用熱去離子水重復(fù)沖洗。將殘余物在60℃下再次溶解在2 mol／L HCl 中。重復(fù)化學(xué)處理數(shù)次，直到炭質(zhì)物漂浮在溶液中。過濾炭質(zhì)物的上清液并在表面皿上干燥。需說明的是，即使經(jīng)過HF-HCl 酸處理，炭質(zhì)物殘留物仍保留少量礦物質(zhì)，如鋯石，金紅石，鈦鐵礦和黃鐵礦。已有研究表明，HF-HCl酸處理不會改變炭質(zhì)物結(jié)構(gòu)，也不會產(chǎn)生新形成的溶劑可溶性有機(jī)物質(zhì)，除非是非常不成熟的沉積物。

對提純的炭質(zhì)物在同位素比值質(zhì)譜儀中進(jìn)行碳同位素測試，EA載氣流速：180 ml／min；參考?xì)饬魉伲?0 ml／min；反應(yīng)管溫度：960 ℃。

2.6 電阻率四探針測試

對提純的炭質(zhì)物粉末進(jìn)行壓實處理后，用四探針法進(jìn)行電阻率測試。該方法由于原理簡單、精度高及操作簡便，是測試半導(dǎo)體材料電阻率或電導(dǎo)率的首選方法之一。讓四根等距（1 mm 左右）探針豎直的排成一排，同時施加適當(dāng)?shù)膲毫ψ屍鋲涸跇悠返谋砻嫔弦孕纬蓺W姆接觸，樣品相對探針距可理想地視為無限大。利用恒流源給兩個外探針1、4 通以小電流，電流值由被測樣品電阻率范圍確定，然后用高輸入阻抗精準(zhǔn)電壓表測量兩個中間探針2、3 上的電壓降。根據(jù)厚塊原理和薄層原理推導(dǎo)的理論公式即可計算出樣品的電阻率，此即為常規(guī)四探針法的測試原理（李建昌等，2011）。

2.7 高分辨率透射電鏡

有機(jī)物在沉積、埋深的過程中向石墨化方向演化。主要分為兩個方面：雜原子的排出和碳層堆的堆疊。雜原子的排出可以通過碳同位素進(jìn)行描述。碳層堆在從一維雜亂結(jié)構(gòu)，向三維石墨結(jié)構(gòu)演化的過程中形成可探測的紋理結(jié)構(gòu)。本次試驗采用JEOL2100 透射電子顯微鏡，把巖石樣品制備成厚度＜100 nm的薄片放入電鏡中拍照。以6000、30000、100000、400000 的不同放大倍數(shù)拍攝樣品的形貌照片，觀察炭質(zhì)物的紋理結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 扎西康炭質(zhì)板巖中的電法勘探

激電中梯測量發(fā)現(xiàn)礦區(qū)呈現(xiàn)高的極化率背景（圖3a），約為9%～20%，而礦體位于低極化率條帶中，約為1～5%，極化率高值區(qū)的鉆孔不含礦。激電中梯測量可以在平面上把礦脈定位于寬度n ×100 米內(nèi)的低極化率條帶內(nèi)。礦脈的地下產(chǎn)狀則通過音頻大地電磁測深來進(jìn)行分析。由圖3c可知，深部呈現(xiàn)低的電阻率背景值，約為10-0.4～100Ω·m。礦體位于高視電阻率區(qū)域。且寬度250 m的高視電阻率區(qū)域與低視極化率條帶位置較吻合。

圖3 扎西康炭質(zhì)板巖中的電法勘探結(jié)果圖a.大功率激電中梯掃面視極化率圖；b.大功率激電中梯掃面視電阻率圖；c.音頻大地電磁測深剖面圖Fig.3 Results of electric prospecting of carbonaceous rocks in Zhaxikang mining area

3.2 扎西康炭質(zhì)板巖低阻高極化背景研究

通過對扎西康ZK406 鉆孔的巖心進(jìn)行XRD 分析得知，巖石中含有約三分之一的黏土礦物（表1），黏土礦物成分主要以高嶺石為主（表2）。黏土礦物的存在，使得含炭質(zhì)巖石極易鎖住地層水分。

表1 扎西康炭質(zhì)板巖主要礦物成分含量表Table 1 Contents of main minerals in carbonaceous slate in Zhaxikang mining area

表2 扎西康炭質(zhì)板巖主要黏土礦物成分含量表Table 2 Contents of main clay minerals in carbonaceous slate in Zhaxikang mining area

通過對扎西康ZK406、ZK4006 鉆孔中所取的炭質(zhì)板巖樣品進(jìn)行高溫燃燒法測量，得出巖石中的炭質(zhì)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.58%～1.15%，平均為0.79%（表3；作者已發(fā)表數(shù)據(jù)是約2%，經(jīng)重新測試認(rèn)為0.79%為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，在此更正；郭鏡等，2019）。實驗測得炭質(zhì)物電阻率在6.1 ×10-5～6.8 ×10-4Ω·m之間，顯示極好的導(dǎo)電性（表3），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的炭質(zhì)物足以使變質(zhì)巖的電阻率降低一個數(shù)量級（Léger et al.，1996）。通過炭質(zhì)物拉曼特征峰，依據(jù)經(jīng)驗公式（Beyssac et al.，2002；Yui et al.，2014），計算扎西康炭質(zhì)板巖的變質(zhì)溫度約在300 ±25℃～340 ±25℃之間（圖4），且變質(zhì)溫度隨深度增加而增加。根據(jù)炭質(zhì)物的密度大多在1.4～1.5 g／cm3之間，而扎西康炭質(zhì)板巖的密度約為2.7 g／cm3（郭鏡等，2019），可以把炭質(zhì)物0.79%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算為1.49%的體積分?jǐn)?shù)，這相當(dāng)于在巖石中注入了1.49%的離子水溶液。

圖4 扎西康炭質(zhì)板巖中炭質(zhì)物的拉曼特征峰及其變質(zhì)溫度Fig.4 Raman characteristic peak and metamorphic temperature of carbonaceous matter of carbonaceous slate in Zhaxikang mining area

表3 扎西康炭質(zhì)板巖的炭質(zhì)物含量及炭質(zhì)物電阻率Table 3 Organic carbon contents and resistivity of carbonaceous slate in Zhaxikang mining area

炭質(zhì)物之間的連通程度會對炭質(zhì)板巖的電性特征產(chǎn)生重要影響。炭質(zhì)板巖中0.79%含量的炭質(zhì)物，并不能保證炭質(zhì)物之間是完全連通的。炭質(zhì)物有著特殊的拉曼特征峰，可以通過拉曼線掃描來研究微米尺度的炭質(zhì)物連通性。在炭質(zhì)板巖中選取100 μm長度的區(qū)域，以2 μm 的光束1 μm 的間隔，對炭質(zhì)板巖進(jìn)行線掃描。由圖5 可知，每個光斑都有炭質(zhì)物拉曼特征峰，可以推斷炭質(zhì)物在微米尺度是連通的。同時，每個光斑的炭質(zhì)物拉曼強(qiáng)度有所變化，D1 峰（約在1345 cm-1處）的最小強(qiáng)度約1.8×104，最大約12 ×104（圖5），而拉曼峰的強(qiáng)度跟區(qū)域內(nèi)特征物質(zhì)的含量有關(guān)，說明在100 μm 范圍內(nèi)炭質(zhì)物的分布是不均一的。因此，需要更小尺度的方法來研究炭質(zhì)物的連通特征。

圖5 炭質(zhì)板巖的拉曼線掃描Fig.5 Results of Raman line scanning of carbonaceous slate in Zhaxikang mining area

隨著含炭質(zhì)巖石的變質(zhì)程度加強(qiáng)，其中的炭質(zhì)物向石墨化方向演化，同時形成特殊的炭質(zhì)紋理結(jié)構(gòu)，為高分辨率透射電鏡研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。圖6e的選區(qū)電子衍射圖顯示炭質(zhì)物的特征衍射，說明圖6b 中不連續(xù)的黑色點(diǎn)狀物為炭質(zhì)物。放大400000 倍后，圖6d隱約可見炭質(zhì)紋理結(jié)構(gòu)，也說明黑色點(diǎn)狀物為炭質(zhì)物。圖6a 的黑色塊狀物進(jìn)行400000 倍放大后，圖6f 可見明顯的炭質(zhì)紋理結(jié)構(gòu)，說明其是炭質(zhì)物。通過不同倍數(shù)的透射電鏡研究，扎西康炭質(zhì)板巖中的炭質(zhì)物呈現(xiàn)以下幾點(diǎn)特征：（1）炭質(zhì)物的顆粒大小不均一，在n～n ×100 nm之間；（2）炭質(zhì)物分布不均勻（圖6b）；（3）炭質(zhì)物顆粒在納米尺度是部分連通的（圖6c、d）；（4）炭質(zhì)物主要呈現(xiàn)從一維雜亂結(jié)構(gòu)向三維石墨層結(jié)構(gòu)過渡的二維結(jié)構(gòu)（圖6f）。

圖6 高分辨率透射電鏡觀察不同尺度炭質(zhì)物的連通性展示圖a.放大6000 倍樣品基本形貌圖；b.放大30000 倍樣品形貌圖；c.放大100000 倍樣品形貌圖；d.放大400000 倍樣品形貌圖；e.圖b的選區(qū)電子衍射圖；f.圖a中紅圈區(qū)域放大400000 倍樣品形貌圖Fig.6 The connectivity of carbonaceous matter observed by HTEM at different scales

因此，炭質(zhì)板巖呈現(xiàn)低阻高極化電性特征的原因為：巖石中的炭質(zhì)物有著極好的導(dǎo)電性，在微米尺度是連通的，在納米尺度是部分連通的；巖石中含有大量黏土礦物，且一般黏土礦物多以納米結(jié)構(gòu)存在，其易吸附地層水的性質(zhì)，會改善炭質(zhì)物之間的連通性。以上兩方面耦合使得炭質(zhì)板巖呈現(xiàn)低阻高極化特征。

3.3 扎西康鉛鋅礦脈分布于高阻低極化異常帶的原因

由圖3a可知，平面上高極化區(qū)域的鉆孔不含礦，含礦鉆孔位于低極化異常區(qū)。由圖3b、c 可知，深部礦體位于高視電阻率區(qū)域，且寬度250 m的高視電阻率區(qū)域與低視極化率條帶位置較吻合。綜上可知，大功率激電中梯掃面和音頻大地電磁測深，在扎西康炭質(zhì)板巖中的找礦效果顯著。那么250 m寬的高阻低極化率條帶是否為礦致異常？本文認(rèn)為并非礦致異常：扎西康礦區(qū)鉛鋅礦石的視電阻率、視極化率等呈現(xiàn)低阻高極化的電性特征，視極化率約為8%～20%（焦彥杰等，2015，2017），與炭質(zhì)板巖電性相近，兩者疊加不會出現(xiàn)1%～5%低極化率條帶。

從以下兩方面來分析礦體賦存于高阻低極化條帶的原因：構(gòu)造熱液活動對炭質(zhì)物連通性的影響；構(gòu)造熱液活動對炭質(zhì)物性質(zhì)的影響。

3.3.1 構(gòu)造熱液活動對炭質(zhì)物連通性的影響

扎西康的成礦過程是多期多階段的，且在礦石的形成過程中伴隨著大量脈石礦物的形成，如石英、方解石（圖7）。

圖7 斷裂帶中脈石、礦石及炭質(zhì)板巖的空間關(guān)系照片a.脈石礦物切斷了含炭質(zhì)巖石；b.脈石礦物包裹著閃鋅礦、炭質(zhì)板巖等的角礫；c.脈石與礦石共同夾持于含炭質(zhì)巖石中Fig.7 Photographs showing the spatial relations among gangue，ore and carbonaceous slate in fault zones

在巖石中炭質(zhì)物處于連通的情況下，可以用并聯(lián)和串聯(lián)模型來分析巖石的電阻率（Schulgasser，1976，1977），等效電阻率計算公式為：

其中，Rp為并聯(lián)電路的等效電阻率；Rs為串聯(lián)電路的等效電阻率同；Rx、Ry 分別為巖石中不同礦物的等效電阻率；fx、fy為對應(yīng)礦物的體積分?jǐn)?shù)。

設(shè)炭質(zhì)物（石墨）的電阻率為10-5Ω·m，體積分?jǐn)?shù)1%～5%；礦石的電阻率為1 Ω·m，體積分?jǐn)?shù)1%～5%；石英、方解石等脈石礦物的電阻率為103Ω·m，體積分?jǐn)?shù)5%～10%；造巖礦物的電阻率為102～103Ω·m，體積分?jǐn)?shù)80%～95%。如圖8a 所示，斷裂形成前，地層的等效電阻率模型，約為10-3～10-2Ω·m；如圖8b 所示，斷裂形成后，礦石、脈石等礦物填充斷裂，破壞了炭質(zhì)物的連通性，地層的等效電阻率模型，約為102～103Ω·m。也就是說，斷裂帶破壞了炭質(zhì)物的連通性，引起了明顯的巖石電阻率變化。且根據(jù)扎西康礦床脈石礦物大量發(fā)育，可能10 倍于礦石礦物（唐菊興等，2012），通過正演模擬，發(fā)現(xiàn)大量的脈石礦物能夠引起可探測的高電阻率異常（圖9）。

圖8 構(gòu)造熱液活動對炭質(zhì)物連通性影響的等效電路模型圖a.構(gòu)造熱液活動前，炭質(zhì)物的連通性未被破壞，炭質(zhì)物與造巖礦物組成并聯(lián)電路模型；b.構(gòu)造熱液活動后，炭質(zhì)物的連通性被脈石破壞，炭質(zhì)物與脈石礦物組成串聯(lián)電路模型Fig.8 An equivalent circuit model for the effect of hydrothermal activity on the connectivity of carbonaceous matter

圖9 脈石礦物電阻率異常的正演模擬Fig.9 Forward modeling of resistivity anomalies of gangue minerals

3.3.2 構(gòu)造熱液活動對炭質(zhì)物性質(zhì)的影響

沉積巖巖石成因的研究表明，含炭質(zhì)巖石一般由原始的腐殖質(zhì)型炭質(zhì)地層遭受變質(zhì)而成。含有機(jī)質(zhì)的沉積巖在埋深增大過程中，其中有機(jī)質(zhì)通過釋放氫、氮和氧，日益成熟、富碳以及晶體有序度升高，最終成為晶質(zhì)石墨（Durand and Monin，1980），且該過程是隨溫壓系數(shù)漸進(jìn)變化而連續(xù)進(jìn)化的（Buseck et al.，1985；Beyssac et al.，2002）。

從分子層面看，石墨化是巖石中炭質(zhì)物更多的碳原子層堆垛成了碳層堆，且部分碳層堆的取向趨于一致，即開始出現(xiàn)分子定向排列，造成了炭質(zhì)物結(jié)構(gòu)的有序度升高，這是炭質(zhì)物導(dǎo)電的關(guān)鍵（黃伯鈞，1987）。這也是含炭質(zhì)巖石存在電性干擾的根本原因。

不同含炭質(zhì)巖石發(fā)生區(qū)域和接觸變質(zhì)作用時，炭質(zhì)物在結(jié)構(gòu)有序度增高的方向按下列順序發(fā)生連續(xù)的變化：瀝青-碳瀝青-次石墨-石墨。然而，賦存于含石墨或次石墨巖石中的熱液型鈾、金、多金屬等礦床，在礦石中常出現(xiàn)低變質(zhì)的硫瀝青。在成礦流體蝕變下發(fā)生了“逆石墨化”（使炭質(zhì)脫碳化、非晶質(zhì)化），使炭質(zhì)物按下列順序發(fā)生連續(xù)的變化：石墨-次石墨-碳瀝青-硫瀝青（黃伯鈞，1987）。

石墨、次石墨具有高的電子導(dǎo)電性，電性特征的呈現(xiàn)形式為低阻（＜10-5Ω·m）高極化（＞40%）特征。但是硫瀝青是無定形物質(zhì)，并且所含有的氫、氧、硫等混合物達(dá)50%。因缺失滑動面，它對電流具有絕緣體的性質(zhì)，電性特征的呈現(xiàn)形式為高電阻率（＞105）和低極化率（＜2%）（Εвстигнеев et al.，1991）。由此可見，炭質(zhì)物性質(zhì)的變化會引起較大的電性變化（圖10）。

圖10 炭質(zhì)物性質(zhì)變化對巖石電性特征影響的示意圖Fig.10 Schematic diagram of the influence of carbonaceous matter property changes on the electrical characteristics of rocks

通過研究炭質(zhì)物的結(jié)構(gòu)和成分變化來探討其性質(zhì)變化。炭質(zhì)物的結(jié)構(gòu)隨地質(zhì)溫度的升高向石墨結(jié)構(gòu)演化，可以用炭質(zhì)物的地質(zhì)溫度計來描述其結(jié)構(gòu)變化。炭質(zhì)物的成分變化則用13C 描述（VPDB）。通過炭質(zhì)物的碳同位素分析可知，扎西康炭質(zhì)板巖中炭質(zhì)物呈現(xiàn)有機(jī)碳同位素特征，變質(zhì)溫度300℃～340℃左右（表5）。且圍巖、鉛鋅礦、鐵錳碳酸鹽、石英四種樣品的炭質(zhì)物（除圍巖外，其他的炭質(zhì)物均提取自與鉛鋅礦、鐵錳碳酸鹽、石英接觸的炭質(zhì)板巖）碳同位素、變質(zhì)溫度和電阻率無明顯變化（表4）。可以推斷，構(gòu)造熱液活動未對炭質(zhì)物產(chǎn)生結(jié)構(gòu)、成分和電性特征上的明顯改造（表4）。因此，高阻低極化異常帶的形成，主要是構(gòu)造熱液活動形成的脈石礦物破壞了炭質(zhì)地層的連通性造成的。

表4 不同巖性炭質(zhì)物碳同位素、變質(zhì)溫度、電阻率統(tǒng)計表Table 4 Statistics of carbon isotopes，metamorphism temperature and resistivity of carbonaceous matter of different lithology

綜上，炭質(zhì)板巖的低阻高極化特征主要受兩個因素影響：巖石中的炭質(zhì)物有著極好的導(dǎo)電性，在微米尺度是連通的，在納米尺度是部分連通的；巖石中的黏土礦物極易吸附地層水，吸附的地層水會改善炭質(zhì)物之間的連通性。兩個因素的耦合使得炭質(zhì)板巖呈現(xiàn)低阻高極化特征。扎西康構(gòu)造熱液活動并未改變炭質(zhì)物的結(jié)構(gòu)和成分，其形成的大量脈石礦物，是炭質(zhì)板巖中的高阻低極化異常的根本原因，可以作為間接找礦的標(biāo)志。

3.4 對找礦的指導(dǎo)意義

熱液脈型礦床因其礦體體積較小，增加了礦床勘查的難度。同時，金屬硫化物與含炭質(zhì)巖石相似的電性特征，使得以含炭質(zhì)巖石為圍巖的熱液脈型礦床勘查更是難上加難。扎西康礦區(qū)前期勘探由于沒有研究低阻高極化的異常成因，造成外圍礦床勘查鉆孔的失敗（圖3a、b）。

前人對含炭質(zhì)巖石的電性干擾做了較多研究，主要集中于礦體與含炭質(zhì)巖石地球物理場特征的不同（羅延鐘，1982；曾森甫和許建仁，1993，1994；周寧和李發(fā)清，1994），取得一定成效，但鑒于目前物探儀器的分辨率等問題，在實際找礦應(yīng)用中很難區(qū)分礦體與含炭質(zhì)巖石。

本文以扎西康鉛鋅銻多金屬礦為例，通過實驗分析得出，巖石中炭質(zhì)物含量為0.79%，變質(zhì)溫度在300℃～340℃的炭質(zhì)板巖，呈現(xiàn)與金屬硫化物相似的低阻高極化電性特征。炭質(zhì)板巖低阻高極化特征是巖石中的炭質(zhì)物與黏土礦物、地層水耦合造成的，并不是礦致異常。構(gòu)造熱液活動形成的大量脈石礦物，可以在炭質(zhì)板巖內(nèi)引起高阻低極化異常，從而可作為找礦的間接標(biāo)志。特提斯喜馬拉雅成礦帶沉積了大量的含炭質(zhì)巖石，其中發(fā)育了眾多熱液脈型礦床（鄭有業(yè)等，2007；周峰等，2011；韋慧曉等，2010；梁維等，2015）。青藏高原隆升的過程是巖石變質(zhì)程度加劇的過程，也是炭質(zhì)物石墨化程度加深的過程和導(dǎo)電性增強(qiáng)的過程；后碰撞伸展作用有利于深部流體上涌，是大量脈石礦物和礦石礦物形成的過程，也是含炭質(zhì)巖石導(dǎo)電性減弱的過程。因此，本文提出的以構(gòu)造熱液活動帶中脈石礦物引起的高阻低極化異常為目標(biāo)的找礦思路，對特提斯喜馬拉雅鉛鋅銻金成礦帶內(nèi)以含炭質(zhì)巖石為圍巖的熱液脈型礦床勘探具有重要意義。此外，一些貴金屬或稀有金屬礦床難以引起可探測的地球物理異常，可以通過對含炭質(zhì)巖石中賦存貴金屬或稀有金屬的脈石礦物引起的電性異常進(jìn)行勘查，達(dá)到間接找礦的目的。根據(jù)炭質(zhì)板巖的電性特征和脈石礦物引起的電性異常，提出找礦方法組合：通過激電中梯測量可以在平面上定位構(gòu)造熱液活動帶，其地下產(chǎn)狀則通過音頻大地電磁測深來進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

（1）扎西康炭質(zhì)板巖中炭質(zhì)物平均含量約為0.79%，變質(zhì)溫度約在300 ±25℃～340 ±25℃，顯示極好的導(dǎo)電性。炭質(zhì)板巖的低阻高極化主要受兩種因素影響：巖石中的炭質(zhì)物有著極好的導(dǎo)電性，在微米尺度是連通的，在納米尺度是部分連通的；巖石中的黏土礦物極易吸附地層水，吸附的地層水會改善炭質(zhì)物之間的連通性。兩種因素的耦合使得炭質(zhì)板巖呈現(xiàn)低阻高極化特征。

（2）扎西康構(gòu)造熱活動并未改變炭質(zhì)物的結(jié)構(gòu)和成分，其形成的大量脈石礦物，是形成炭質(zhì)板巖中高阻低極化異常帶的根本原因。

（3）提供含炭質(zhì)巖石中的新的找礦思路和技術(shù)方法組合：金屬硫化物與含炭質(zhì)巖石有著相近的低阻高極化電性特征，不具備直接針對金屬硫化物目標(biāo)體進(jìn)行勘探的物性條件，但成礦熱液形成的大量脈體，可以在含炭質(zhì)巖石中引起明顯的高阻低極化異常帶，從而作為間接的找礦標(biāo)志。通過激電中梯測量可以在平面上定位構(gòu)造熱液活動帶，其地下產(chǎn)狀則通過音頻大地電磁測深來進(jìn)行分析。