吳 玄，劉鐵華

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 地質(zhì)路基設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063)

1 引 言

近百年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，近地表發(fā)現(xiàn)礦床的概率越來越小，礦產(chǎn)勘探逐漸向深部(500～2 000 m)和“難進(jìn)入”地區(qū)轉(zhuǎn)移。隨著深部找礦難度越來越大，對(duì)深部地質(zhì)體的準(zhǔn)確探測(cè)顯得越來越重要?，F(xiàn)階段對(duì)深部地質(zhì)體開展探測(cè)主要依靠的是地球物理手段，包括重磁電震。探索出一套符合地區(qū)地質(zhì)規(guī)律的行之有效的地球物理探測(cè)手段是開展深部地質(zhì)地球物理找礦的關(guān)鍵。

夏河-合作地區(qū)位于甘肅省甘南藏族自治州境內(nèi)，地處青藏高原的東北端，甘肅、青海、四川三省交界處。該區(qū)大地構(gòu)造位于西秦嶺造山帶的西北端，為西秦嶺褶皺帶北部斷褶帶與中部裂陷槽之間的過渡部位，主要覆蓋同德-澤庫弧后前陸盆地與劉嶺前陸盆地，東北方為祁連巖漿弧，西北方為柴達(dá)木地塊，西南方為可可西里-松潘前陸盆地，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，成礦條件優(yōu)越[1-3]，是一個(gè)新近發(fā)現(xiàn)的金礦礦集區(qū)，已探明早子溝金礦(142 t)、加甘灘金礦(>100 t)等數(shù)十個(gè)金礦床。

隨著該地區(qū)地表地質(zhì)調(diào)查工作的不斷推進(jìn)，埋深較淺的金礦體相繼被發(fā)現(xiàn)，地表淺部礦產(chǎn)勘查工作接近尾聲。為進(jìn)一步滿足國家礦產(chǎn)資源需求，促進(jìn)該地區(qū)礦產(chǎn)資源可持續(xù)發(fā)展，在該地區(qū)開展深部地球物理找礦迫在眉睫。

與其他方法相比，重力勘探具有測(cè)量簡(jiǎn)單、覆蓋面積廣泛、成本低、快速高效、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是前期開展地球物理找礦的重要方法。本文結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料以及前人研究成果，通過對(duì)重力資料進(jìn)行異常分離、邊界識(shí)別、人機(jī)交互解釋、密度成像等處理，對(duì)夏河-合作地區(qū)重力異常特征做了研究，識(shí)別了可能的隱伏巖體的范圍、深度、形態(tài)，為該地區(qū)開展深部找礦提供了依據(jù)。

2 區(qū)域研究背景

研究人員在此開展了大量的研究，取得了豐碩的成果。2003年周會(huì)武等[4]在綜合分析總結(jié)夏河-合作地區(qū)典型金礦床的基礎(chǔ)上，得出了構(gòu)造蝕變型、細(xì)粒浸染型金礦為區(qū)域主要金礦類型。2009年呂新彪等[5]利用環(huán)境掃描電鏡、電子探針等手段，對(duì)區(qū)域內(nèi)棗子溝金礦礦化特征、控礦構(gòu)造、物源進(jìn)行了探究，認(rèn)為該礦為典型中低溫?zé)嵋盒徒鸬V，礦體嚴(yán)格受斷裂構(gòu)造控制。2012年柳生詳?shù)萚6]通過總結(jié)區(qū)域礦床特征，得出區(qū)域主要控礦因素是地層、斷裂、巖漿巖。2013年隋吉祥等[7]、靳曉野等[8]對(duì)區(qū)域上棗子溝、老豆金礦的成礦時(shí)代與賦礦形式展開了研究，認(rèn)為金礦成礦時(shí)代與巖漿巖活動(dòng)時(shí)代相近，成礦與巖漿活動(dòng)相關(guān)，賦存形式為自然金與“不可見金”。2019年李建威等[3]通過對(duì)區(qū)域典型礦床礦化特征、地球化學(xué)特征、侵入巖形成演化過程總結(jié)，認(rèn)為還原性侵入巖相關(guān)成礦系統(tǒng)是夏河—合作地區(qū)重要成礦系統(tǒng)，成礦潛力巨大。

歸結(jié)起來，如圖1所示，夏河-合作地區(qū)成礦模式主要是以夏河-合作斷裂為界線，斷裂以南為庫澤前陸盆地，是金砷銻汞中低溫元素成礦帶，區(qū)域上已知的典型礦床主要有早子溝金礦、加甘灘金礦、早仁道金礦、隆瓦寺院金礦、桑曲金礦、也赫杰金礦、直合完干金礦、早仁道金礦、索拉貢瑪金礦等[2, 9, 10]。以上金礦成礦條件類似，均受斷裂構(gòu)造控制。斷裂以北為中秦嶺陸緣盆地，是多金屬成礦帶，發(fā)育銅、鐵、鎢、錫、鉬、鉛、鋅、鉍、金、砷等以中高溫元素為主的礦化，礦化受巖體邊緣接觸帶及不同方向斷層交匯部位控制[11]。構(gòu)造與巖體是控制成礦的關(guān)鍵因素[12]。

圖1 夏河-合作成礦模式

但是現(xiàn)階段的地質(zhì)工作主要集中在地表地區(qū)以及夏河-合作核心地帶，難以對(duì)深部地質(zhì)找礦展開有效指導(dǎo)。為了快速了解地區(qū)深部地質(zhì)狀況，進(jìn)一步指導(dǎo)深部找礦，對(duì)夏河-合作地區(qū)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與研究。

3 重力數(shù)據(jù)處理

如圖2所示，重力數(shù)據(jù)覆蓋整個(gè)研究區(qū)，包括整個(gè)夏河縣以及合作市，部分覆蓋同仁縣、澤庫縣、碌曲縣。

圖2 重力數(shù)據(jù)覆蓋范圍

使用克里金插值法對(duì)地面實(shí)測(cè)1∶200 000重力數(shù)據(jù)進(jìn)行了網(wǎng)格化處理，夏河-合作地區(qū)布格重力異常如圖3所示。重力異常幅值在-412.43～-327.93 mGal之間變化，整體上較為平穩(wěn)，呈現(xiàn)明顯的西低東高的趨勢(shì)，由西向東重力異?；境侍荻壬仙厔?shì)，符合我國整體重力異常規(guī)律。大致可以分為四個(gè)帶，在圖上顏色依次為藍(lán)色、綠色、黃色、紅色，藍(lán)色帶異常值主要在-412.43～-393 mGal，主要分布在測(cè)區(qū)西部、西南部，覆蓋科才鎮(zhèn)。綠色帶異常值主要在-393～-376 mGal，主要分布在測(cè)區(qū)中部、中部偏西，覆蓋多哇鎮(zhèn)、?？奇?zhèn)。黃色色帶緊鄰綠色帶，異常值在-376～-363 mGal，覆蓋甘加鎮(zhèn)、夏河縣、博拉鎮(zhèn)、阿木去乎鎮(zhèn)。紅色帶主要分布在測(cè)區(qū)的東北方，覆蓋麻當(dāng)鎮(zhèn)、王格爾塘鎮(zhèn)、合作市、勒秀鎮(zhèn)，異常值在-363～-327.93 mGal。

圖3 夏河-合作布格重力異常

實(shí)測(cè)的布格重力異常是多種地質(zhì)體重力異常疊加在一起形成的總體重力異常，而不同埋深、不同形態(tài)的、不同物性的地質(zhì)體重力異常在實(shí)測(cè)重力異常上表現(xiàn)程度不一樣，這會(huì)給后續(xù)的解譯工作帶來極大的干擾。通過位場(chǎng)分離的技術(shù)，可以有效地分離不同深度地質(zhì)體引起的重力異常[13]。這里使用的是小波分解和向上延拓的方法進(jìn)行重力場(chǎng)的位場(chǎng)分離[14]。

布格重力異常位場(chǎng)分離過程中，小波變化的多分辨率分解能力可以將重力異常數(shù)據(jù)逐層分解為低頻信息和高頻信息。低頻信息主要代表了重力異常的逼近分量即深部場(chǎng)，高頻信息主要代表了重力異常的細(xì)節(jié)分量即淺部場(chǎng)以及可能存在的噪聲[15, 16]。

據(jù)此對(duì)夏河-合作布格重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了五階小波分解，得到了五階分解的逼近和細(xì)節(jié)分量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 研究區(qū)重力異常多維小波分解逼近場(chǎng)

由圖4可以看到，隨著小波分解的階數(shù)上升，逼近分量和細(xì)節(jié)分量所包含的信息越來越少。小波分解五階細(xì)節(jié)圖上基本上只剩下兩個(gè)團(tuán)塊狀異常低值和兩個(gè)團(tuán)塊狀異常高值，五階逼近圖上主要信息為東北異常高值向西北異常低值平穩(wěn)均勻過度，異常等值線平滑且近平行，因此可以判定，小波五階逼近基本可以反映基底的變化，基底的重力異常分布特點(diǎn)為西南部低東北部高。隨著階數(shù)的升高，逼近分量的變化不大，主要是因?yàn)閰^(qū)域整體重力異常較為平整均勻。但是細(xì)節(jié)分量變化較為劇烈。一階、二階、三階細(xì)節(jié)包含的信息較多，正負(fù)異常犬牙交錯(cuò)，大小、形態(tài)各異。四階、五階細(xì)節(jié)正負(fù)異?；境善膱F(tuán)塊狀分布，輪廓信息較少，形態(tài)變化不明顯。同時(shí)對(duì)小波分解的結(jié)果進(jìn)行了場(chǎng)源似深度分析[17]，結(jié)果如圖5所示，一階到四階細(xì)節(jié)所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)源似深度分別為1 501 m、3 676 m、7 016 m、11 559 m。結(jié)合信息量與場(chǎng)源似深度分析的結(jié)果，這里選取二階逼近作為區(qū)域場(chǎng)，其剩余場(chǎng)為局部場(chǎng)。

圖5 研究區(qū)重力異常多維小波分解逼近場(chǎng)

同樣，使用向上延拓的方法可以得到上延局部場(chǎng)，這里選取上延4 km異常場(chǎng)作為區(qū)域場(chǎng)，對(duì)比小波分解得到的局部場(chǎng)與向上延拓得到的局部場(chǎng)，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果大體上相符，異常變化的細(xì)節(jié)兩者都有很好的體現(xiàn)，異常的起伏趨勢(shì)大體一致，幅值不同，但是小波分解得到的局部場(chǎng)對(duì)一些弱異常信息的提取和刻畫明顯更好，上延得到的局部場(chǎng)對(duì)整體的體現(xiàn)更完全。

圖6 研究區(qū)場(chǎng)源似深度及重力局部場(chǎng)

4 巖體解譯

巖石物性的差別是使用地球物理手段對(duì)該地區(qū)開展地質(zhì)解譯的依據(jù)和基礎(chǔ)。根據(jù)重力異常開展解譯主要依賴于不同巖石、地質(zhì)體之間密度不同[18]。

4.1 巖礦石密度分析

為了得到準(zhǔn)確的巖石物性數(shù)據(jù)，對(duì)夏河-合作地區(qū)巖石進(jìn)行了巖石物性參數(shù)測(cè)量。本次樣本巖性測(cè)試共采集了23個(gè)鉆孔共113塊巖石樣本，測(cè)量了包括密度、電阻率、激化率在內(nèi)的巖石物性參數(shù)，其主要密度參數(shù)見表1。

表1 礦區(qū)巖(礦)石標(biāo)本密度測(cè)量值

密度測(cè)量的結(jié)果如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)域圍巖地層(各類板巖)密度介于(2.58～2.79)×103kg/m3之間，除了赤褐鐵礦化粉砂質(zhì)板巖密度為2.58×103kg/m3較小，大部分密度均大于2.70×103kg/m3；礦化相關(guān)的侵入巖：脈閃長(zhǎng)玢巖、石英閃長(zhǎng)玢巖、黑云母閃長(zhǎng)玢巖等密度介于(2.65～2.722)×103kg/m3之間，大部分處于2.66×103kg/m3左右。含輝銻礦巖脈、輝銻礦礦石密度處于(2.81～2.99)×103kg/m3之間，大部分大于2.80×103kg/m3。整體上，巖體的密度相對(duì)較小，含輝銻礦的礦石密度相對(duì)較大，圍巖地層處于二者之間。即從密度數(shù)據(jù)看，礦化相關(guān)侵入巖<圍巖<礦體。

圖7 礦區(qū)巖(礦)石標(biāo)本密度測(cè)量值

4.2 地層密度分析

由區(qū)域地質(zhì)圖可以發(fā)現(xiàn)，如圖8所示，區(qū)域內(nèi)地層分布較為完整與均一，除侵入巖與第四系地層外，整體地層基本呈現(xiàn)較為平整、順序排列。地層從東北到西南基本是從老到新排列，依次是石炭系下統(tǒng)巴都組、二疊系上統(tǒng)石關(guān)組、三疊系下統(tǒng)江里溝組、三疊系中上統(tǒng)大河壩組。

圖8 研究區(qū)地質(zhì)圖

石炭紀(jì)巴都組主要在研究區(qū)東北角出露，主要以砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖為主，部分含有細(xì)晶灰?guī)r和礫屑灰?guī)r。二疊紀(jì)石關(guān)組主要覆蓋研究區(qū)東北方，巖性以灰色粉砂質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖為主。三疊紀(jì)江里溝組從西北到東南橫貫整個(gè)研究區(qū)，巖性以粉砂質(zhì)板巖、長(zhǎng)石砂巖為主。三疊紀(jì)大河壩組主要在研究區(qū)西南部出露，巖性以長(zhǎng)石砂巖和粉砂質(zhì)、泥質(zhì)板為主。新近紀(jì)和第四紀(jì)在研究區(qū)散亂分布，主要巖性以砂礫巖、砂礫石互層為主。根據(jù)巖石物性資料分析，區(qū)域巖石密度整體上呈現(xiàn)東高西低趨勢(shì)，與區(qū)域重力異常較為吻合。

4.3 巖體解譯

巖體由于其類型不同，在重力異常上的表現(xiàn)也不盡相同，表2總結(jié)和歸納了各種巖體在重力上的異常特征[19-21]。

表2 巖體重力異常特征

根據(jù)地質(zhì)資料可知，夏河-合作地區(qū)內(nèi)主要發(fā)育中酸性巖體，主要巖性有細(xì)晶閃長(zhǎng)(玢)巖、閃長(zhǎng)玢巖、黑云閃長(zhǎng)玢巖、石英閃長(zhǎng)玢巖、花崗閃長(zhǎng)斑巖、斜長(zhǎng)花崗斑巖，外圍有輝綠玢巖，均為淺成侵入體，多具斑狀結(jié)構(gòu)。結(jié)合巖體異常特征和巖石物性資料分析結(jié)果可知，夏河-合作地區(qū)巖體密度相對(duì)較小，反映到區(qū)域布格重力異常圖上為局部的重力異常低值。這里選取小波局部場(chǎng)作為重力異常場(chǎng)，對(duì)其進(jìn)行了異常等值線提取，把異常-0.2 mGal、-0.4 mGal、-0.6 mGal、-0.8 mGal、-1 mGal的范圍作為可能的巖體范圍。結(jié)果如圖9。

圖9 研究區(qū)異常等值線

重力異常低值在全區(qū)均有出現(xiàn)，比較集中的幾處為：①甘加鎮(zhèn)-王格爾塘鎮(zhèn)-麻當(dāng)鎮(zhèn)重力負(fù)異常，異常呈長(zhǎng)條狀分布，形似V字型。②夏河縣-桑科鎮(zhèn)重力負(fù)異常，異常呈團(tuán)塊狀、橢圓狀分布。③合作市-卡加曼鄉(xiāng)東側(cè)重力負(fù)異常，異常呈團(tuán)塊狀分布。④博拉鎮(zhèn)-阿木去乎鎮(zhèn)西北側(cè)重力負(fù)異常，異常形態(tài)為三角狀分布。⑤科才鎮(zhèn)東北側(cè)重力負(fù)異常，異常呈團(tuán)塊狀分布。除此之外，區(qū)域內(nèi)還零散分布有一些重力負(fù)異常區(qū)。

結(jié)合已知的地質(zhì)資料，將地質(zhì)圖上的巖體與等值線圖進(jìn)行疊加分析，如圖9，可以清楚地看到地質(zhì)資料已知的巖體多分布在合作市-?？奇?zhèn)-多哇鎮(zhèn)一線北側(cè)，與重力異常解譯巖體對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，這一線南側(cè)基本沒有地質(zhì)資料記錄的巖體。

4.4 巖體形態(tài)推測(cè)

合作市-?？奇?zhèn)-多哇鎮(zhèn)一線北側(cè)巖體主要可以分為五個(gè)部分：

1)德合日二長(zhǎng)花崗巖體-三索瑪花崗閃長(zhǎng)巖體：甘加鎮(zhèn)-王格爾塘鎮(zhèn)一線，如圖10所示，異常等值線圖中記為T1，T1區(qū)巖體的形態(tài)和位置與局部場(chǎng)等值線低值形態(tài)和位置對(duì)應(yīng)良好，基本上巖體沿西北方向平移一段距離就可以與等值線位置、形態(tài)基本吻合，巖體與異常對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖中黑色虛線所示，反映了此處巖體往深部延伸方向主要是西北向，平均位移距離6 314 m，結(jié)合場(chǎng)源似深度的結(jié)果3 676 m，可以估算T1巖體傾角在30.21°左右。

圖10 T1巖體側(cè)伏趨勢(shì)示意圖

2)德烏魯-美武巖體：卡加曼鄉(xiāng)-合作市一線東側(cè)，如圖11所示，異常等值線圖中記作T2，其分布在重力數(shù)據(jù)測(cè)量范圍之外，但是其形態(tài)與合作市-卡加曼鄉(xiāng)重力負(fù)異常形態(tài)非常吻合，位置上經(jīng)過平移也基本可以重合。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖中黑色虛線所示，反映了T2巖體往深部延伸方向是西北向，位移在11 580 m左右，估算T2巖體傾角在18°左右。

圖11 T2巖體側(cè)伏趨勢(shì)示意圖

3)雜恰勒布-固倉-將其那梁-庫日腦喀花崗巖體：夏河縣-?？奇?zhèn)一線東南側(cè)，如圖12所示，異常等值線圖中記作T3，此處巖體地表露頭非常破碎，雜亂分布，沒有較為完整的形態(tài)和分布規(guī)律，因此較難直接確定其與重力負(fù)異常的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于地表露頭是深部完整巖體在地表的露頭，所以深部巖體在形態(tài)應(yīng)該較為完整，據(jù)此圈定了可能的巖體范圍，推測(cè)巖體與重力負(fù)異常對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖12所示，位移距離在5 185 m左右，據(jù)此估算的巖體傾角在35.34°左右。

圖12 T3巖體側(cè)伏趨勢(shì)示意圖

4)多哇鎮(zhèn)附近，異常等值線圖中記作T4，此處巖體露頭零散分布，形似倒寫的V,與重力負(fù)異常區(qū)整體形態(tài)較為吻合，推測(cè)的可能的巖體與負(fù)異常區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖13所示。從圖13上看，此處巖體與異常并非簡(jiǎn)單的平移關(guān)系，而是擴(kuò)散，考慮此處巖體產(chǎn)狀應(yīng)該較為陡峭，可能是一個(gè)直立的巖體，估算巖體傾角不小于70°。

圖13 T4巖體側(cè)伏趨勢(shì)示意圖

5)多哇鎮(zhèn)西北部，異常等值線圖中記作T5，由于巖體位于地質(zhì)圖的邊緣，所以左側(cè)不完整，僅以右側(cè)來看與重力負(fù)異常對(duì)應(yīng)較好，形態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖14所示。巖體與異常較為滿足平移加擴(kuò)散的關(guān)系，平移距離為7 364 m，估算巖體的傾角大約在26.53°。

圖14 T5巖體側(cè)伏趨勢(shì)示意圖

通過對(duì)比T1、T2、T3、T4、T5這五處巖體與重力負(fù)異常等值線，可以清晰地發(fā)現(xiàn)，巖體基本與重力負(fù)異常區(qū)有所對(duì)應(yīng)，總體來說，對(duì)應(yīng)效果良好。同時(shí)由于地質(zhì)資料上巖體反映的是地表的巖體分布，而重力局部場(chǎng)負(fù)異常區(qū)是由深部巖體的重力異常引起，反映的是深部的巖體分布，所以兩者之間有的能很好吻合，有的則需要位移一段距離，這一定程度上反映了巖體往深部的位置和延伸方向，合作市-桑科鎮(zhèn)-多哇鎮(zhèn)一線北側(cè)巖體主要走向?yàn)楸蔽飨?，與區(qū)域斷裂走向相符，產(chǎn)狀較為平緩，少數(shù)較為陡峭。

鑒于合作市-?？奇?zhèn)-多哇鎮(zhèn)一線北側(cè)已知巖體與重力負(fù)異常良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及中酸性巖體重力異常特征，對(duì)合作-夏河區(qū)域深部巖體進(jìn)行了解譯，結(jié)果如圖15所示。

圖15 夏河-合作區(qū)域深部巖體解譯

4.5 研究區(qū)人機(jī)交互解釋與密度成像

結(jié)合地質(zhì)鉆孔以及電性剖面數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了2.5D人機(jī)交互反演與密度成像，結(jié)果如圖16、圖17所示，模型正演曲線與實(shí)測(cè)重磁資料較為符合，密度成像低值區(qū)域與解譯巖體結(jié)果吻合較好。

圖16 重磁聯(lián)合巖體解譯

5 結(jié) 論

通過使用小波分解、向上延拓等方法對(duì)實(shí)測(cè)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行了位場(chǎng)分離的處理，得到了夏河-合作地區(qū)重力局部場(chǎng)異常，并對(duì)局部場(chǎng)進(jìn)行了場(chǎng)源似深度分析，確定了局部場(chǎng)布格重力異常反映的深度范圍。結(jié)合實(shí)測(cè)巖石物性參數(shù)與地表地質(zhì)資料，對(duì)該地區(qū)布格重力異常局部場(chǎng)進(jìn)行了解譯。對(duì)地質(zhì)圖上已有的5大巖體在識(shí)別的基礎(chǔ)上，對(duì)其深部延伸方向、傾向、傾角進(jìn)行了計(jì)算，刻畫了其深部形態(tài)，同時(shí)識(shí)別了14個(gè)在地表地質(zhì)資料上沒有顯示但是重力異常較為明顯的可能的隱伏巖體的范圍，彌補(bǔ)了地表地質(zhì)資料的不足，填補(bǔ)了區(qū)域深部巖體構(gòu)造的空白。

通過對(duì)比解譯巖體與已知巖體，可以發(fā)現(xiàn)重力對(duì)巖體的指示作用非常明確，借助于重力資料，可以較為準(zhǔn)確地描述深部巖體的位置和大致形態(tài)，極大地彌補(bǔ)了地表地質(zhì)資料的不足，對(duì)尋找隱伏礦體、巖體作用顯著。同時(shí)結(jié)合地面巖體露頭、密度成像資料還可以確定隱伏礦體巖體的大致傾向，可以較為完整地勾畫出深部地質(zhì)體的空間形態(tài)，進(jìn)一步指導(dǎo)深部找礦工作的開展。