地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (4): 1556-1562   PDF    
复电阻率法在冷水坑矿集区的应用效果
邓居智1,2, 郑燕青3, 陈辉1,2, 裴俊勇4     
1. 东华理工大学地球物理与测控学院, 南昌 330013
2. 东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室, 南昌 330013
3. 安顺市西秀区水电勘测设计队, 安顺 561000
4. 成都理工大学地球物理学院, 成都 610059
摘要:复电阻率法(Complex Resistivity method,简称CR法)目前在深部找矿探测中应用颇广,主要研究地下地质目标体在近区电磁耦合效应及电极化效应中引起的谱参数异常.本文主要介绍了复电阻率法的基本理论以及野外数据采集参数设置方法,以江西省贵溪市银铅锌矿田勘探为例,通过Cole-Cole数学模型对四条测线实测数据在频率域进行谱参数分解,然后选取视电阻率、视频散率两个谱参数进行数据处理,视频散率选取1 Hz和0.0625 Hz两个频点实测振幅进行计算.进而绘制了视电阻率与视频散率二维拟断面以及二维反演断面,并结合矿集区地质、物性等资料,说明此方法在划分矿集区地下地质构造特别是F2断裂的识别情况上有较好的应用效果,并为后续研究工作提供有效依据.
关键词复电阻率法    频谱参数    冷水坑    拟断面    二维反演    
Application of Complex Resistivity method (CR) in Lengshuikeng ore concentration area
DENG Ju-zhi1,2 , ZHENG Yan-qing3 , CHEN Hui1,2 , PEI Jun-yong4     
1. School of Geophysics Measurement-control Technology, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
2. Key Laboratory of Radioactive Geology and Exploration Technology Fundamental Science for National Defense, East China Institute of Technology, Nanchang 330013, China
3. Hydropower Survey and design team in Xixiu District of Anshun City, Anshun 561000, China
4. School of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
Abstract: Complex Resistivity method(CR)has been widely applied in deep mineral exploration, which is mainly used to study frequency domain parameter anomaly of the underground target body caused by near-field EM coupling effects and induced polarization effect. In this paper, we primarily introduce the basic principle of CR and parameters-setting method of field data acquisition, then we give an example on Lengshuikeng Ag-Pb-Zn ore field exploration in Guixi city, Jiangxi province. By using Cole-Cole mathematical model, four survey lines measured data are decomposed into spectrum parameters in frequency domain, and we select two parameters, one is apparent frequency dispersivity calculated by actual measurement amplitude in 1 Hz and 0.0625 Hz respectively, the other is apparent resistivity. Based on the above work, we draw two-dimensional fitting section and inversion section in both apparent resistivity and apparent frequency dispersivity, combing with the geological and physical property data, the results demonstrate CR has a good application effect on dividing the geological structure (especially for F2 faults) in ore concentration area and can provide effective proof in the later research work.
Key words: complex resistivity method     spectral parameter     Lengshuikeng     pseudo section     two-dimensional inversion    
0 引言

复电阻率法(Complex Resistivity Method,简称CR法)或称为频谱激电法(Spectral Induceed Polarization Method, 简称为SIP法)主要基于岩、矿石电阻率频谱差异为研究基础,是电磁法勘探的一种分支方法,与其他频率域电磁法相比,可获取更多的频谱激电参数,且多参数解释可缩小对地质目标体的勘探范围(蔡军涛等,2007杨振威等,2013张志勇和周峰,2014).

近年来,复电阻率法勘探仪器也得到迅速发展,采集仪器有加拿大凤凰地球物理勘探公司研发的V8多功能电法工作站以及德国Redic研究所研制的复电阻率勘探测量系统,相应的处理软件有中国地质大学(武汉)联合地矿部编写的针对V8电法工作站SIP模块的数据处理软件SFIP-SW2.0及SFIP-SW3.0.由于复电阻率法具有勘探深度大、能够消除近区电磁耦合干扰以及多参数进行解释等优点,复电阻率法已经在矿产、油气和环境等中发挥着重要作用(罗延钟和张桂青,1988Balia et al., 1994; 吴长祥和雍凤军,1996).Kruschwitz和Yaramanci(2004)利用复电阻率法对碎裂岩体进行了探测,发现视电阻率与相位异常能区分地下孔隙度是否含水.刘崧和徐建华(1997)在20世纪90年代就用复电阻率法对新疆塔里木油气藏进行了综合解释,认为在找油气时利用电磁耦合响应和激电响应技术是有效的.许传建等(2004)分析了复电阻率法在渤海湾盆地和苏北盆地油气田勘探的应用效果,根据视电阻率与充电率参数异常可以预测地下地质构造.崔先文等(2004)利用频谱激电法(SIP法)多参数异常对大港油地下断块含油圈闭进行了分析,且得出了“一高三低”(高视充电率、低视时间常数、低视频率相关系数、低视电阻率)谱参数组合特征是确定油气藏圈闭的响应特征.范翠松等(2012)利用2.5维复电阻率反演以安徽某地区斑岩铜矿田勘探为例,说明该方法多参数解释在斑岩型铜矿具较好的应用效果.张焱孙等(2010)在江西北武夷山多金属矿床开展了复电阻率法,结合地质、物性等资料说明该方法多参数能够客观地划分地下岩性.曹蔚杰等(2014)借助于复电阻率法在安徽某铜钼矿中利用频谱参数对勘查区进行了综合对比研究,结合矿区地质资料大致圈定了地下隐伏矿体位置.对于中、深部隐伏矿勘探主要利用地球物理方法,特别是金属矿勘探,无论在方法技术、仪器设备以及野外施工设计都有更高要求,毋庸置疑,复电阻率法是探测中、深部隐伏矿的一种积极、有效探测手段(Binley et al., 1933; Balia et al., 1994; Schmutz et al., 2011; 万汉平等,2013胡英才等,2014张昆等,2014).

纵上所述,本文以冷水坑矿集区勘探为例,在矿集区开展了四条剖面共12.45 km复电阻率法(CR法)测量.一方面从视电阻率和视频散率的拟断面对矿集区地下电性层结构进行综合对比和分析;另一方面根据视电阻率和视频散率二维反演结果,结合已知的地质、物性等资料对矿集区地下电性层异常响应进行综合解释并推断F2推覆断裂带与矿化有直接关系.

1 方法原理和测线布置 1.1 方法原理

复电阻率法(简称CR法)在地面使用超低频段(一般为10-2~n102 Hz)范围内测量复电阻率幅值和相位离散频谱,通常采用偶极-偶极排列装置进行观测,是一种常规的电阻率几何测深方法.通过分析和研究地下地质目标体在激发极化条件下复电阻率分解的谱参数与异常体形态特征之间的关系,达到反演地下目标极化体异常响应大小以及大致埋深范围等参数,最后结合已知地质、物性等资料解决相关地质问题.常规激电法信息量少且含电磁偶合效应以及不能满足评价激电异常要求,CR法恰能克服上述缺点,对分离、提取近区电磁耦合效应以及激电效应有较好的应用效果(Jaggar and Fell, 1988; Xiang et al., 2001).

W.H.Pelton等人通过对岩、矿石的标本露头进行了大量测量实验,实验结果表明:对于地下均匀的岩、矿石由激电效应引起的复电阻率随频率变化关系式可由Cole-Cole数学模型表示(Pelton et al., 1978),定义为

(1)

式中,ρ0为零频电阻率,或称为直流电阻率;m为极化率,或者称为充电率;c为频率相关系数;τ:为时间常数,ρ0mτc均能反映地下目标体电极化特性与导电性质, 多参数进行解释可对异常响应做出较为合理的推断.

Pelton等人还认为,除激电效应外,在低频段的电磁偶合频谱也可由Cole-Cole数学模型来表示.因此,当实测的复电阻率频谱同时含激电效应(IP)和电磁效应(EM)时,可由两个或两个以上的Cole-Cole数学模型之和表示(Pelton et al., 1978),定义为

(2)

式中,m1c1τ1m2c2τ2分别表示激电效应(IP)和电磁效应(EM)的谱参数.

Pelton等人通过大量岩、矿石复电阻率实测资料测量归纳出:电磁效应频率相关系数比激电效应频率相关大且相对稳定.此外,一般情况下电磁效应时间常数比激电效应时间常数小几个数量级.

1.2 测线布置

野外采集装置采用轴向偶极排列方式进行测量,测量点距100 m,偶极矩200 m, 其装置的实际参数见表 1,GX870线因地形影响,在施工过程中根据实际情况对少数测点的装置几何参数进行了适当调整.主要技术参数为每测点扫频观测41个频点,采集振幅与相位两个参数,低频叠加次数满足10次,高频采集时间满足1分钟.发射系统的极坑采用盐水和泥以降低接地电阻,电极采用60 cm×40 cm铝板8~12块并联供电,供电导线Φ=6.5 m2的198股铜丝线;供电极距200 m,供电与采集距离400 m.

表 1 冷水坑矿集区各剖面轴向偶极装置参数设置 Table 1 Axial dipole array parameter settings of each section in Lengshuikeng deposit

图 1 矿区地质概况和物探工作布置图 1—第四系:2—加里东期混合花岗岩:3—燕山中期花岗斑岩:4—燕山中期石英正长斑岩:5—燕山晚期流纹斑岩:6—震旦系上统老虎塘组:7—侏罗系上统鹅湖岭组下段:8—侏罗系上统鹅湖岭组中段:9—侏罗系上统鹅湖岭组上段:10—燕山晚期钾长花岗斑岩 Figure 1 Geology conditions of mine area and layout of geophysical prospecting work 1—Quaternary; 2—Mixed granite in Caledonian period; 3—Middle-Yanshannian ore-bearing granite porphyry; 4—Middle-Yanshannian quartz syenite porphyry; 5—Late Yanshanian rhyolite porphyry; 6—Sinian Laohutang Formation; 7—The lower segment of upper Jurassic Ehuling Formation; 8—The middle segment of upper Jurassic Ehuling Formation; 9—The upper segment of upper Jurassic Ehuling Formation; 10—Late Yanshannian moyite porphyry.
2 勘查区概况 2.1 区域地质背景

冷水坑矿集区处在杨子板块与华南板块拼接带以南,武夷隆起成矿带与赣西南坳陷带之间.区内褶皱基底岩性为震旦系变质岩,地表主要被侏罗系上统火山岩覆盖,局部出露第四系地层和石炭系地层.区内矿产资源非常丰富,矿种有银、铅、锌铁、锰等,矿床规模有的达到大型或特大型,矿区隶属于江西省冷水坑银铅锌矿田.

区内地质构造较为复杂,主要以北西向、北东向、北北东向深大断裂构造为主,典型断裂有F1、F2断裂,F1断裂在矿区未出露,主要分布在矿集区的南东面,它控制了区域火山构造的边界;F2断裂为逆掩推覆构造,现场勘查发现F2断裂主要分布在小源-冷水-燕山一带,本区控岩控矿构造主要是F2断裂及其派生断裂产生,层控叠生型银铅锌矿床位于F2断裂的下盘,富矿岩性为侏罗系上统火山岩.

矿区地层主要有震旦系地层(Z)老虎塘组、侏罗系地层(J)打鼓顶组和鹅湖岭组及第四系地层(Q).震旦系岩性主要有云母片岩、石英云母片岩及云母石英片岩;侏罗系地层岩性主要以流纹质熔结凝灰岩、火山角砾岩(含矿)、晶屑凝灰岩(含矿)及砂砾岩为主;第四系地层(Q)岩性主要以碎石、沙土、黏土等组成.

① 东华理工大学.2011.《东部铁铜铅锌重要矿集区深部资源勘查技术与示范》成果报告.

区内岩浆岩活动较为强烈,主要以燕山中期岩浆岩为主,加里东中晚期岩浆岩主要以混合花岗岩为主.

2.2 区域电阻率特征

矿集区地表主要出露加里东期混合花岗岩、震旦系变质岩以及小范围的第四系地层岩性,为了了解区内电阻率特征,采集了区内36个钻孔429块典型岩石的岩芯标本并进行了电阻率测试,其统计结果见表 2.

表 2 冷水坑矿集区岩石电阻率统计 Table 2 Rock resistivity in Lengshuikeng deposit
3 数据处理与分析对比

为了全面比较和分析冷水坑矿集区4条测线的应用效果.在室内利用加拿大凤凰地球物理公司编写的SFIPX-SW软件对所有测量数据进行了点位偏差校正、去耦分析、曲线平滑、坏点剔除等.视频散率选取1 Hz和0.0625 Hz两个频点实测振幅进行计算,最终从视频散率与视电阻率两个频谱参数对矿集区四条测线的应用效果进行综合分析.

图 2图 3分别为未经过反演的GX70、GX270、GX470、GX870号测线的复电阻率法的视电阻率和视频散率的拟断面图.

图 2 GX70线、GX270线视电阻率与视频散率拟断面 Figure 2 Apparent resistivity and phase section of GX70 line and GX270 line

图 3 GX470线、GX870线视电阻率与视频散率拟断面 Figure 3 Apparent resistivity and phase section of GX470 line and GX870 line

图 2为GX70与GX270测线上的视电阻率、视频散率拟,根据掌握的地质、物性资料,GX70线与GX270线按剖面桩号由小至大以及视电阻率、视频散率量值大小、形态特点可以将其划分为5个异常区块,分别为:第一个高阻异常区块位于断面大号端11900桩号以大-800 m标高以深,异常为封闭的三角形区块,视电阻率值大于2000 Ω·m,异常边缘清晰,走向明显,具沉积地层电性异常特征,与之相对应的视频散率处在中低值范围,推断该套电性层以石炭系黄龙灰岩为主,具较大厚度规模;第二个低阻异常区块位于断面桩号11400到11900之间,呈长块状斜夹于两高阻异常之间,异常中心视电阻率值在100 Ω·m左右,倾角大约45°.宽大缓变的异常中心说明该电性层具一定厚度规模,与上下电性层视电阻率值差异较大,与之相对应的视频散率值较高,推断该套电性层为侏罗系上统低阻火山碎屑岩;第三个高阻异常区域位于断面10500~12000桩号区段,分布范围较大,总体呈一“锅”型搁置于低阻异常之上,异常区视电阻率值大于1000 Ω·m,由三个相对独立的高阻异常体构成,且视频散率值低,主要反映加里东期混合花岗岩与震旦系老虎塘组岩性的存在,其间相对低阻区域为穿插其间花岗斑岩体与侏罗系火山碎屑岩,与之相对的视频散率值较低,形态基本一致;第四个异常区块处在低、高阻异常过渡区,位于断面桩号10600~11400之间,视电阻率异常值在300~800 Ω·m范围内,视频散率值较高,认为该异常由相对低阻的花岗斑岩体引起;第五个异常区块位于断面桩号小号端,因勘查范围限制,在断面上异常不完整,认为该异常由侏罗系地层引起;关于F2断裂,从视电阻率断面异常考虑,F2沿视电阻率异常边缘通过,断裂面波状起伏,在断面上呈一较大的“U”型展布.

据GX470与GX870视电阻率、视频散率拟断面(图 3)可知,GX470线沿剖面地形、地层岩性出露情况及视电阻率、视频散率分布格局与GX70线、GX270线类似,浮于低阻异常之上的高阻标志层下限上抬至-650 m标高左右,反映推覆席体总体厚度向东呈减薄趋势,在断面小号端,高、低阻异常间存在一视电阻率值为500 Ω·m左右的宽缓过渡区,推覆席体“U”底部下界即为F2断裂面,其倾角在断面上南东部略缓于北西;GX870线沿剖面除12100桩号前后出露震旦系老虎塘组、燕山中期花岗斑岩外,其余部分均为加里东期混合花岗岩覆盖.视电阻率拟断面图反映地电结构与其西南侧剖面基本类似,亦为三层地电结构单元.断面中部视电阻率高异常出现的位置与GX70、GX270线相似,相应的视频散率值低于背景值,属同一电性层,底部呈一宽大的“U”形围绕上部高阻电性层分布,其阻值小于400 Ω·m,其视频散率值范围在背景值左右,属侏罗系火山岩.视电阻率、视频散率异常区主要反映上部推覆席体的分布,高阻地质体主体在断面控制深度以浅,推覆席体自西南向东北呈台阶式减薄,一方面反映推覆构造的多期次性,另一方面预示着在4条测线间存在北西向断裂,两种岩性的接触面亦是F2断裂位置.

综上所述,4条测线视电阻率异常量值与形态在断面上总体呈两高夹一低的三层地电结构, 断面上部由三个相对独立的圈闭高阻地质体组成,且较大范围分布的高阻电性层呈“锅”状搁架于低阻电性层之上;中间为呈“U”型分布的低阻电性层,该电性层在断面西北段与上、下电性层呈等值线密集梯级带过渡,断面北东段等值线则显舒缓,形成一个低阻范围较宽大过渡区带;与之对应的4条测线上视频散率拟断面在量值与形态上存在:高电阻率值对应低视频散率,低电阻率值对应高视频散率这样一个趋势.

4 试验结果及解译

利用SFIPX-SW软件分解的视电阻率与视频散率进行二维反演处理, 反演方法采用最小二乘反演,视频散率物理意义与视极化率、视充电率相同,均能反映岩矿石的电化学活动特性.

图 4展示了冷水坑矿集区GX70线视电阻率与视频散率二维反演结果,GX70测线剖面长3100 m,视电阻率及视频散率二维反演结果所表现出的电性特征基本一致,结合矿区地质、物性及钻孔资料,反演图自上而下可划分为两个电性层:第一层位于F2断面的上部,该层上界至自然地表,下界为F2构造接触,平均深度在标高-100 m左右,该层主要以高阻、低频散率异常为主,夹杂着少量的低阻、高频散率异常区块.现场勘查发现本剖面范围内地表大面积出露加里东期(γm3)混合花岗岩与震旦系老虎塘组(Z2l)地层,推断该层高阻、低频散率异常为加里东期混合花岗岩与震旦系老虎塘组地层综合反映.此外,地表还有小范围的第四系地层(Q)出露,岩性主要以黏土为主,反演剖面表现为中低阻、中高频散率;结合矿区钻孔柱状图,认为F2断裂处在第一层与第二层异常之过渡梯级带部位,呈一大“U”型搁置于低阻、高频散率异常之上,与图 2拟断面分析结果相对应;第二层位于F2断面之下,该层主要以高阻、低频散率为主,夹杂由次级裂隙水引起的低阻、高频散率区域,由于F2为逆掩推覆构造,在震旦系变质岩之下,深部也有打鼓顶组(J3d)和鹅湖岭组(J3e),依据本区的地层岩性特征,认为该层高阻、低频散率异常为侏罗系鹅湖岭组(J3e)和打鼓顶组(J3d)熔结凝灰岩、晶屑凝灰岩共同引起.

图 4 冷水坑矿区GX70测线视电阻率与视频散率二维反演结果 Figure 4 Two-dimension inversion results of the apparent resistivity and frequency dispersivity of the GX70 prospecting line in Lenshuikeng deposit

GX270测线剖面长3500 m,视电阻率、视频散率反演断面图(图 5)自上而下可划分为两个电性层:第一层位于F2断面图之上,该层上界至自然地表,下界为F2构造接触,平均深度在标高-100 m左右.本剖面第一层电性结构划分与GX70测线剖面基本一致,地表大面积出露加里东混合花岗岩与震旦系老虎塘组岩性,视电阻率反演断面上主要以高阻、低频散率为主,推断此异常带为混合花岗岩与震旦系老虎塘组地层综合反映;在接近测线小号端点处,视电阻率断面在表层主要以中低阻为主,频散率值相对较高,推断此异常由燕山中期花岗斑岩与震旦系变质岩共同引起.在F2断裂附近,地表有小范围第四系地层(Q)出露,反演断面(图 5)呈现中低阻、高频散率异常特征,同样认为F2断裂处在第一层与第二层异常过度梯级带部位;第二层位于断面之下,依据本区岩性特征,认为期间的高阻、低频散率异常为侏罗系打鼓顶组(J3d)和鹅湖岭组(J3e)火山沉积建造引起,其高阻岩性为熔结凝灰岩.此外,层间断裂破碎带主要发育在矿区深部侏罗系上统火山碎屑岩夹白云质灰岩、铁锰碳酸硅盐等层位中,视电阻率与视频散率反演断面在F2断裂附近处由于层间水或裂隙水存在,视电阻率、视频散率反演断面出现明显的低阻、高频散率圈闭区域,以连续或断续分布.

图 5 冷水坑矿区GX270测线视电阻率与视频散率二维反演结果 Figure 5 Two-dimension inversion results of the apparent resistivity and frequency dispersivity of the GX270 prospecting line in Lenshuikeng deposit

GX470测线长2900 m,视电阻率、频散率反演断面(图 6)自上而下可划分为两个电性层:第一层岩性与GX70测线划分大致一样,明显的差异主要体现在测点号11700往小号一端处,视电阻率值较低、频散率值相对较高,根据矿区地质资料,推断认为是震旦系上统老虎唐组变质岩性与加里东期混合花岗岩共同引起,变质岩性比重稍大.第二层位于F2断面之下,依据本区岩性特征,该层高阻、低频散率区块推断认为是侏罗系打鼓顶组熔结凝灰岩所致,同样在F2断裂附近处由于层间水或裂隙水的存在,期间会出现低阻高频散率异常响应.

图 6 冷水坑矿区GX470测线视电阻率与视频散率二维反演结果 Figure 6 Two-dimension inversion results of the apparent resistivity and frequency dispersivity of the GX470 prospecting line in Lenshuikeng deposit

GX870测线长度为2950 m,反演剖面(图 7)自上而下同样可划分为两个电性层:划分情况与GX70、GX270、GX470测线反演断面基本一样,唯一区别是在断裂F2向右出露燕山中期花岗斑岩,反演断面图上显示中低阻、中高频散率.此外,其余部分前后出露震旦系老虎塘组岩性及加里东期混合花岗岩,反演断面显示中低阻、中高频率,F2断裂接触的层间破碎带深度范围变大,反演断面图上显示中低阻、高频散率异常响应.

图 7 冷水坑矿区GX870测线视电阻率与视频散率二维反演结果 Figure 7 Two-dimension inversion results of the apparent resistivity and frequency dispersivity of the GX870 prospecting line in Lenshuikeng deposit

综上所述,层间破碎带与成矿有较为密切的关系,后期成矿热液沿其充填交代沉淀形成银铅锌(金)矿体或铅锌银矿体.根据已有的钻孔柱状图,认为矿体主要位于第二层内,上下均有低阻体存在,低阻体由次级构造裂隙水引起,矿体产于次级条带状高阻之间.

5 结论

在深部控矿构造探测试验中,本文借助于冷水坑矿集区开展了复电阻率法(CR法),试验结果表明:

(1) 通过对比,我们可以看出,四条剖面视电阻率、视频散率反演结果均能较好地区分出高阻异常和低阻异常,且依据视电阻率、视频散率参数剖面异常,结合已知地质、物性等资料,能够客观地划分沿各剖面矿集区地层岩性及电性结构的空间展布情况,特别是与F2推覆断裂接触的富矿层位.

(2) 依据矿集区视电阻率与视频散率拟断面及二维反演断面图,不难发现高电阻率对应低频散率、低电阻率对应高频散率这样一个规律.且多参数进行综合对比分析研究可以提高解释精度.

(3) 坚持从已知到未知、简单到复杂的解释原则,要想获得高精的地质解释必须结合已知的地质、物性等资料,目的是圈定有利的成矿靶区,为后续钻探工作提供借鉴和参考.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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