2014, Vol. 29
表 1(Table 1)
造山带中岩浆铜镍硫化物矿床的地球物理勘探:现状、问题与展望
引用本文
姚卓森, 秦克章. 2014. 造山带中岩浆铜镍硫化物矿床的地球物理勘探:现状、问题与展望[J]. 地球物理学进展, 29(6): 2800-2817, doi: 10.6038/pg20140649 
YAO Zhuo-sen, QIN Ke-zhang. 2014. Geophysical exploration for magmatic Cu-Ni sulfide deposits in the orogenic belt: current status, problems and vistas. Progress in Geophysics, 29(6): 2800-2817, doi: 10.6038/pg20140649
造山带中岩浆铜镍硫化物矿床的地球物理勘探:现状、问题与展望
1. 中国科学院矿产资源研究重点实验室, 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要：地球物理勘探在众多岩浆铜镍硫化物矿床的发现中起着重要的作用.相对于围岩,硫化物矿石在电学、密度和磁化率等物理性质方面有着显著的差异性,产生高重力、高磁力、高极化和低电阻的地球物理异常,是岩浆铜镍硫化物矿床传统地球物理勘探方法的理论基础.造山带中铜镍硫化物矿床通常具有小岩体成大矿的特征,以中亚造山带的东天山和喀拉通克地区最为突出.这类矿床通常表现出复杂的岩体形态、产状、岩相构成、赋矿岩相和矿体空间展布,给传统地球物理勘查工作提出挑战.国外铜镍矿最大探测深度已达到4000 m,最大开采深度也达到2450 m,而我国同类矿床分别只有1600 m和900 m左右,亟待提高.以高分辨率浅层地震波反射、地-井瞬变电磁法、井中重力勘探和航空电磁法为代表的地球物理新进展则为这一问题带来新思路,可能代表着铜镍硫化物矿床大深度精细勘探的发展趋势.
关键词：
铜镍硫化物矿床
常规地球物理勘探
金属矿地震勘探
地-井瞬变电磁法
航空电磁法
造山带环境
Geophysical exploration for magmatic Cu-Ni sulfide deposits in the orogenic belt: current status, problems and vistas
1. Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Geophysical explorations have played an important role in the discovery of many magmatic Cu-Ni sulfide deposits. Comparing to the surrounding country rocks, sulfide ores posses strong anomaly in many physical properties including electrical property, density and magnetic susceptibility, leading to the geophysical anomalies of higher magnetic force, higher gravity, higher polarizability and lower resistivity, which is the theoretical basis of the traditional geophysical methods for magmatic Cu-Ni sulfide deposits. In Central Asian Orogenic Belt(CAOB), the deposits mostly show the characteristic that large Cu-Ni deposits occurred in small intrusions, especially in Eastern Tianshan Ni-Cu belt and Kalatongke ore district. These Ni-Cu deposits occurred in CAOB are so much complicated in intrusion size, occurrence, lithofacies, ore-bearing lithology and space distribution of orebodies, making the traditional geophysical exploration in the orogenic belts is more difficult. The maximum exploitation depth of foreign Ni-Cu deposits has reached more than 4000 meters, and the largest mining depth is 2450 meters. Whereas, the similar type of deposits are only 1600 meters and 900 meters respectively, which needs to be improved. Recent development in geophysical technology, including high-resolution shallow-level seismic reflection, borehole transient electromagnetic method, borehole gravity and airborne electromagnetic, throw light on these problems, and may represent the development tendency of fine exploration for Cu-Ni deposit in the near future.
Key words:
Cu-Ni sulfide deposit
geophysical exploration
shallow-level seismic prospecting
borehole TEM
airborne electromagnetic
orogenic belt environment
0 引 言
2.1 岩体规模小，形态各异
2.2 成矿类型不同，多期次侵入
2.3 围岩成分复杂，大多受碳质干扰
岩浆型铜镍硫化物矿床是指与镁铁质-超镁铁质岩相关的富含Cu、Ni的硫化物矿床，是世界上铜、镍、铂族元素的最重要来源，同时还可以用于区域大地构造演化、镁铁质-超镁铁质岩浆过程示踪研究，具有重要的经济意义和科学价值(Barnes and Lightfoot， 2005；柴凤梅等，2005；吕林素等，2007).这类矿床的勘探和研究始于1856年加拿大Sudbury矿床的发现，到目前已有近160年的历史.在几代人的努力下，铜镍硫化物矿床的地质研究程度不断加深并日臻成熟，另一方面，随着勘查程度的加深，易于发现的近地表铜镍硫化物矿床已越来越少，对这类矿床的勘探难以单一依靠传统的地质填图和预测，而更多地倚重于地球物理勘探方法，并且物探技术方法在盲矿体的勘探中有着令人印象深刻的表现和贡献(Balch et al., 2010)，故地球物理在铜镍硫化物矿床的勘探中显得愈发重要和迫切.
世界上地球物理勘探持续时间最长、投入精力最多、运用手段最丰富的铜镍矿是Sudbury矿区.它位于加拿大地盾南部，矿区内与成矿相关的基性-超基性岩体呈向斜盆地展布，长60 km，宽约27 km，是世界上最著名的铜镍矿集区，包括40多个矿床，其中储量可达大型矿床的多达十几处(Barnes and Lightfoot， 2005).随后，研究人员将其作为铜镍矿地质研究和地球物理勘探的模板，试图在与其类似的Duluth、Great Dyke、Kieglapait、Muskox、Skaergaard等大型层状岩体底部寻找铜镍硫化物矿床，但是经过半个世纪的努力大多没有取得显著的成果(Maier et al., 2001).与此同时却在小型镁铁质-超镁铁质岩体中发现一系列超大型Ni-Cu硫化物矿床，如中国的金川、俄罗斯的Noril’sk-Talnakkh、加拿大的Voisey’s Bay等，但这几处矿床均产在克拉通内部或其边缘.进一步的研究认为，Sudbury矿床的形成与陨石撞击引起的地壳熔融有关(Mungall et al., 2004)，并不具有典型性，大型铜镍硫化物矿床更多产出于小型基性超基性岩体中.汤中立等(1996ａ，1996ｂ，2006，2007，2011)针对这一现象提出“小岩体成大矿”的重要思想，其中小岩体是一个相对的概念，即侵入岩体的出露面积较小，可以大到n(n<10)km2，小到0.00 nkm2，一般在1 km2左右或者更小，但侵入体内部或周围的矿体呈现出“大且富”的特征，通常达到大型或者超大型的规模，岩体的矿化率(矿体体积/岩体体积×100%)高.世界上著名的Noril’sk-Talnakkh、金川、Voisey’s Bay等超大型岩浆铜镍硫化物矿床，以及中国几乎所有的岩浆铜镍矿床均体现出“小岩体成大矿”的特征，尤其以北疆地区东天山铜镍矿带、喀拉通克岩体群以及吉林红旗岭岩体群最为典型.随着中亚造山带中喀拉通克、黄山、黄山东、图拉尔根、坡一、坡十等一系列造山带中岩浆铜镍硫化物矿床的发现和深部探矿工作的突破，使得北疆地区成为我国最具铜镍找矿前景的地区(秦克章等，2012)，其形成环境也不同于产于克拉通环境的金川以及西伯利亚大火成岩省中的Noril’sk-Talnakkh铜镍铂矿区.总结分析造山带中岩浆铜镍矿床在地球物理场中所表现出的特点和复杂性，从而优化针对性的勘查技术方法组合，提高地质-地球物理模型的精度，在我国相关地区的铜镍矿勘探中显得尤为重要.
随着地球物理勘探方法和技术手段的不断发展和革新，越来越多的物探方法投入到岩浆型铜镍硫化物矿床勘探中(King，2007)，形式更加多样化，从最初的重磁法勘探到大地电磁法，再到目前开始应用的高分辨率浅层地震勘探(Malehmir et al., 2014)和地-井瞬变电磁测量(King，1996；张杰等，2013)，工作平台也从地面延拓到航空和钻孔中，使得有效性和适用性得到极大的提高，也在很大程度上促进了铜镍矿的勘探工作.
本文首先基于主要岩矿石与围岩间的物性差异，细致分析其物性特点，从方法的物理机制角度论述传统的“重-磁-电”结合的地球物理勘探方法在铜镍硫化物矿床勘探的适用性与有效性.然后，在这一理论前提下，主要以北疆地区东天山铜镍矿带和阿尔泰南缘喀拉通克岩体群为例，研究古生代造山带中铜镍硫化物的特殊性，揭示出其复杂矿床地质条件对传统地球物理勘探方法的有效运用提出很大挑战.继之，分别介绍四种近期才引入到铜镍矿勘探的地球物理方法，各有专长和优势，以期能够解决在北疆地区所遇到的难题，一定程度上代表着当前铜镍硫化物矿床地球物理勘探的新思路和发展趋势，最后对未来的发展方向进行些许展望.
1 铜镍硫化物矿体“三高一低”的物性特征与常规勘探方法
矿物和岩石的物理性质是维系地质背景知识与地球物理数据的纽带，其与地球物理响应间的关系是运用地球物理方法圈定目标含矿岩体特别是矿体的关键所在(Mcgaughey，2007；Chopping and vander Wielen，2011).岩石物性之间存在显著的差异是地球物理勘探方法有效性的物理学基础，而在矿化形成过程中所引起物性的不均匀分布使得其在地面也表现出地球物理的异常响应，从而为相关矿床的勘探提供有用信息，这一点在岩浆型铜镍矿的勘探上体现的尤为明显.
岩浆型铜镍矿的主要矿石矿物为镍黄铁矿、磁黄铁矿和黄铜矿，容矿岩石均为超镁铁质、镁铁质岩石.表 1中总结出铜镍硫化物矿床的矿石矿物与通常的含矿岩石及围岩，在磁化率、密度和电阻率方面的常见范围及平均值，由此可知铜镍硫化物矿体通常具有高磁性、高密度、高极化率、低电阻率的物性特征，称为“三高一低”(邓振球，1990；肖骑彬等，2005；吴华等，2006；惠卫东等，2011；杨学立，2012；邵行来，2012).
正是由于存在如此显著的物性差异，人们在长期以来的勘探工作中逐步建立起一套针对铜镍矿行之有效的“重-磁-电”联合勘探方法，以高精度地面重、磁扫面为先导，然后在优选靶区开展大功率激电和电磁测深，圈定可能的低阻矿体，取得显著的勘探成果.下面将从物性差异的角度分析并估计岩矿体可能的地球物理响应，研究各勘探方法的有效性与合理性，并指出矿区内可能存在的干扰因素. 1.1 铜镍硫化物矿体的高密度、高磁性与重磁勘探
由表 1可知铜镍矿常见的硫化物密度均在4.0 g/cm3以上，相对于常见的围岩类型来说，有着异常显著的密度差异，而通常的容矿岩石——镁铁质、超镁铁质岩石的密度虽然也相对较高(一般在3.0 g/cm3左右)，但对比矿石矿物仍有30%左右的密度差异，故成矿过程中的硫化物液滴经重力分异沉于岩体的底部或在流动分异中汇聚于产状突然变缓部位.密度差异同样也决定区域内的高重力异常，可以直接探测镁铁质、超镁铁质含矿容岩特别是块状硫化物矿石，使其成为铜镍矿勘探的一种有效的区域性圈定方法.
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表 1 铜镍硫化物矿床矿石矿物与含矿容岩的磁化率、密度、电阻率值(据King，2007补充) Table 1 Ni-Cu-Sulphide Ore Mineral and Host rock Magnetic Susceptibilities，Densities and Electrical Resistivites(from King，2007 with some addition) |
但是，如果矿区内块状、半块状、海绵陨铁状、斑杂状矿石(硫化物含量大于30%~60%)并不发育，而多以星点状、浸染状矿石为主(硫化物含量2%~10%)时，由于矿石矿物含量不高，其高密度异常并不明显，使得通过重力勘探直接寻找矿体的效果并不显著，如吉林红旗岭3#岩体处的重力异常主要反映的是岩体的异常，能提取出的矿化信息较少(杨学立，2012).另一方面，岩石中铁的含量也需要引起注意，因为含铁氧化物、较贫铁的铁硫化物(黄铁矿的密度范围为4.9~5.2 g/cm3)以及含铁量较高的镁铁质、超镁铁质岩石(Fo值偏低)也有着较大密度，故而对根据高重力异常直接圈定铜镍硫化物矿体造成一定干扰(King，2007).
值得注意的是，不论岩性如何，只要有一定密度差异和规模都可以形成相应的高重力异常，并不一定对应于含铜镍矿化的镁铁质-超镁铁质岩体.岩体的密度还会受到蚀变的影响，东天山地区的葫芦、马蹄岩体由于地表和浅部受到强烈蚀变作用(纤闪石化和蛇纹石化)，使得其密度普遍减小，在重力测量中反而表现为一定程度的低重力异常(邓振球，1990)，北山坡一、坡十岩体地表出露的蛇纹石化含矿纯橄岩相对周边的辉长岩就表现为重力低异常.所以，不能一概而论，直接将区域内的重力高异常认定为含矿岩体.
重力勘探之外，还经常配合采用磁法勘探，因为主要的矿石矿物——磁黄铁矿具有很高的磁化率(见表 1，平均为1.5×106 SI)，其含量越高，磁性也越强，故矿石磁性与其品位大致呈正相关关系(邵行来，2012).而常见的围岩类型中，中-酸性岩的磁性较弱，花岗岩和沉积岩围岩的磁性最弱，为弱磁-无磁性，使得含矿的镁铁质、超镁铁质岩体在大面积磁测中体现出显著的高磁异常.近期在美国Tamarack附近发现的Eagle铜镍矿即是在磁测图中通过磁异常圈定的一个面积极小的超镁铁质岩体，通过进一步勘探工作确定的(Ding et al., 2010).不过，磁异常强度还与岩体的规模及是否出露地表相关，东天山图拉尔根铜镍矿由于岩体规模小(0.004 km2)，而周围中基性火山岩及闪长岩体的磁性较强，故在航磁图上并无明显的磁异常，而在地面高精度磁测中表现为高达4400 nT的强磁异常(邵行来等，2012).
另一方面，作为铜镍矿床物理响应主要控制因素的磁黄铁矿，其晶格类型不同，结晶温度不同(秦克章等，2007)，磁性也不尽相同.单斜晶系的磁黄铁矿属于300 ℃以下的低温变体，具有中等程度的顺磁性，而高温变体六方晶系磁黄铁矿则不具磁性，这在加拿大的Voisey’s Bay铜镍矿中体现的尤为明显(King，2007).同样，镁铁质、超镁铁质岩石虽通常具有一定的磁性，但并非全部都有，比如Voisey’s Bay的容矿岩石—橄长岩和超镁铁岩就不具磁性.更加值得注意的是，橄榄石在蛇纹石化过程中会析出大量的粉尘状磁铁矿，而在同等含量的前提下，磁铁矿所显示出的磁异常要比磁黄铁矿至少高出10倍，故会对铜镍矿体的勘探产生很大的干扰(姜常义等，2012).但是，磁铁矿只是蛇纹石化的常见产物，并不是任何时候都会出现，其产生与蛇纹石化程度、蛇纹石的重结晶、相互间置换反应、蚀变温度以及SiO2的活度相关(黄瑞芳等，2013).另外，含磁性矿物的沉积物、变质的含矿容岩(蛇纹石化，角闪岩等)以及具有磁性的侵入体(岩浆成因角闪石通常具一定磁性)均对铜镍矿的磁法勘探有着一定程度的影响.
重力和磁法作为先导性的勘探工作，都会受到其它因素的干扰，并不能直接反应铜镍硫化物矿体的地球物理响应，更多的是将两者相互结合来确定地下高密度、强磁性的含矿岩体的存在与否以及赋存空间，即所谓的“重磁同源”.东天山康古尔塔格-黄山断裂带有着显著的重、磁异常高值区，其中存在一系列局部重力异常，并多有高磁异常与之相对应，体现出较好的重、磁局部异常同源性，其平面位置即囊括黄山、土墩、镜儿泉及图拉尔根等重要的成矿区段(惠卫东等，2011；邵行来，2012).在白石泉、黄山、黄山东、葫芦、图拉尔根、喀拉通克等单个矿区中，含矿岩体也都体现出显著的重磁同源特点.2007年在赞比亚南部发现的Munali铜镍矿体赋存于辉长岩中，有较强的变质作用，磁黄铁矿构成66%的硫化物，故在磁法勘探中有着明显的高磁异常.将航磁数据、地面高精度磁测数据、重力勘探数据与该地区的地质图相叠合，发现带状的重磁异常与已经发现的三处矿体位置达到很好的吻合，得出辉长岩体的空间分布关系，从而指导随后的勘探工作(Witherly，2009).
铜镍硫化物矿体有着显著的高密度、高磁化率异常，但是由于重力和磁法勘探多为面积性工作，分辨精度不高，且较多受到蚀变等因素的干扰，更多的是相互配合，运用于大范围的地质构造解译(娄德波等，2008)，并结合“重磁同源”的特点来圈定可能含矿的镁铁质-超镁铁质岩体. 1.2 铜镍硫化物矿体的低电阻率、高极化率与电法勘探
由表 1可知，在电阻率方面铜镍硫化物矿体与含矿围岩之间有着巨大的差异，可达好几个数量级，其极低的电阻率使得电学勘探方法在铜镍矿的勘探中得到极大的应用.从最初的电阻率剖面法到目前的电磁测深法，电法勘探在铜镍矿床的寻找和发现中取得累累硕果，尤其是近期广泛采用的以瞬变电磁法为代表的勘探工作.徐贵东等(2010)在吉林红旗岭铜镍矿勘探中采用瞬变电磁法(TEM)将深部视电阻率低于100 Ωm 的极低阻部分定为矿化体.杨学立(2012)在红旗岭铜镍矿中通过CSAMT二维反演和重磁小波细节分析对3号岩体没有钻孔控制区域的赋矿特征进行评价，圈定部分有利靶区.梁光河等(2007)以新疆图拉尔根铜镍矿为例研究大地电磁测深法(MT，GMS-06系统)在铜镍矿勘探中的应用，采用TE、TM联合模式，进行Rebocc二维反演，认为得到的视电阻率-深度剖面中3个明显相连或断续相连的低阻体对应于矿化岩体，随后得到钻孔证实.邵行来等(2010)在哈密葫芦铜镍矿开展大比例尺的地球物理勘探工作，认为TEM测深所得的视电阻率-深度剖面中，低阻异常不仅与岩体有关，还与区域断裂和变形带有关.沈远超等(2007)在镜儿泉铜镍矿根据连续电阻率成像系统EH4勘探得到的视电阻率-深度剖面，圈定葫芦复式岩体的形态，划分出岩体的不同相带，并推断岩体较低电阻率背景值下的中低电阻率异常区对应矿化区.
铜镍硫化物矿体的低电阻率源于含矿岩石的形成过程中存在许多空隙，其中部分或者全部被高导电性的硫化物所充填.低电阻含矿岩石的导电过程不可能是岩石、矿物本身离子或电子的迁移过程，而是相互连通的高导性硫化物所引起.故对于含矿岩体来说，硫化物含量的不同，其连通性质的差异决定其电阻率值(邵行来等，2010).块状、半块状矿石，或海绵陨铁结构岩石有着极低的电阻率值，Voisey’s Bay铜镍矿中的Ovoid矿体由于有着厚达100 m的块状硫化物矿石，使得其在电磁勘探中引起极大的低电阻率异常，但在大岩体中如果块状矿体规模较小则不能引起同样程度的低电阻率异常.而且，通常情况下较低的电阻率并不只是岩体中含硫化物较多的矿石引起的，还有可能是因为岩体受挤压破碎使流体充填其中而导致的，这无疑增加了电法剖面的解译难度.更为复杂的是，铜镍矿区的围岩中时常会有含碳质、石墨地层存在，由上表可知其电阻率的范围(10-4~5×10-3 Ωm)与硫化物相近，使得整个矿区因处于低电阻率的背景中而难以精确地确定矿体的位置，新疆喀拉通克铜镍矿区、图拉尔根、黄山东矿区均遇到这一情况(邓振球，1990).不过，自然界中形成的石墨层通常情况下厚度有限，并不能像矿体一样有着十几米~百余米的厚度，所以两者在电导值(电阻率×厚度)上还是有着相当大的差异，通过精细的工作，能够在一定程度上对其进行有效的区分，但是对相应仪器的勘探精度提出很高的要求(King，2007).
厚大的块状矿体有着显著低电阻率异常，而脉状、浸染状铜镍硫化物矿体则对应于高极化率异常.从激发极化的原理上来看，块矿属于面极化特性，激发极化发生在其与围岩的界面上，而浸染状矿石属于体极化特性，硫化物颗粒组成极化单元分布于整个岩体中.岩矿石的极化率主要取决于所含电子导电矿物(即硫化物)的体积百分含量，含量增高激电效应增强，故浸染状的铜镍硫化物矿体有着高的极化率值.邹海洋(2002)在喀拉通克铜镍矿区运用双频激电和大功率低频激电测深有效地圈定一个低电阻率、高极化率的板状异常体，埋深180 m.新疆有色704队在东天山图拉尔根铜镍矿开展物探激电工作，以极化率3%~5%圈定的极化率异常与含量岩体分布范围完全一致(三金柱等，2007；惠卫东等，2011).吴华等(2006)在白石泉矿区则以6.5%圈定出7个与含矿岩体相对应的高极化率异常区.而付开泉和李百祥(2006)在金川铜镍矿区选择4%的极化率异常区域作为岩体的边界范围.诚然，高极化率异常的圈定阈值因矿区自身地质情况的不同而异，但是不可否认的是，其在铜镍矿体尤其是浸染状矿化的圈定中发挥出巨大的作用.
但是，通常出现在镁铁质、超镁铁质岩石中的磁铁矿仍会产生一定的干扰，研究认为浸染状的磁铁矿在岩体中也会产生显著的高极化率异常(King，2007)，所以在通过高极化率异常来勘探低品位硫化物矿体时，磁铁矿的含量甚至周边围岩中的磁铁矿与具弱磁性的角闪石的存在需要引起相当的重视和注意.
由上分析可得，块状、半块状矿石和浸染状矿石在电阻率和极化率方面有着不同的表现，前者有着极低的电阻率，而后者则表现为突出的高极化率异常.故在实际勘探中，通常需要两者配合使用，依据低阻高极化的特征来圈定矿体，取得显著的效果.当然，在异常的解译中，还需要考虑排除磁铁矿以及含碳围岩的强干扰作用.
综上，基于岩浆型铜镍硫化物岩矿体所体现出的高密度、高磁化率、高极化率和低电阻率的“三高一低”特征，对“重-磁-电”等勘探手段在岩浆型铜镍矿中运用的有效性进行考量，分析得出每种方法相应的可能干扰因素，认为重磁同源可以很好地圈定含矿的镁铁质-超镁铁质岩体，而低阻高极化特征能够精确刻画硫化物矿体在岩体中的赋存位置，有机结合，综合考虑，能够较好地应用于勘探研究，指导工程布置.但是，这只是从最理想化的物性角度来考虑铜镍矿体勘探，不同矿区含矿岩体分异程度的不同、岩体类型与产状的不同、蚀变程度的不一、含矿性的差异等地质因素都会影响铜镍矿床的物探解译工作.下面以结构复杂，但非常普遍的北疆地区造山带型铜镍矿体作为研究对象，分析论证其特点以及在地球物理勘探过程中需要考虑的地质因素.
2 造山带中铜镍矿的“小岩体”特征及勘探难题
Naldrett (2004)根据岩浆硫化物矿床产出的大地构造环境将其划分为绿岩带型、大陆边缘裂谷型、克拉通型、活动造山带型(阿拉斯加岛弧型)矿床.在国内，汤中立等(2007)将之归纳为:
(1)古大陆边缘局部裂陷构造背景下，与大陆裂解有关的小侵入体矿床.
(2)碰撞造山弛张裂陷构造背景下，与碰撞后张裂相关的小侵入体矿床.
(3)古大陆边缘裂谷构造背景下，与大陆溢流玄武岩有关的小侵入体矿床.
其中，造山带中小型镁铁质-超镁铁质岩石产出大型铜镍矿是北疆地区铜镍矿成矿的显著特色，具有特殊性.该区域分布有众多的镁铁质-超镁铁质岩体，成矿潜力巨大，并且新发现一系列铜镍矿床，成矿研究逐步深入，同时又积累了丰富的地球物理资料，是研究造山带中铜镍硫化物矿床成矿特征与地球物理响应耦合关系的绝佳区域.
造山带中铜镍矿床同样具有“三高一低”的物性特征，但是由于其属于“小岩体成大矿”的范畴，含矿岩体规模小，多阶段侵入，岩相分带清楚，成群成带分布(秦克章等，2012)，具有一定的特殊性和复杂性，对传统的勘探手段提出很大挑战.相较于矿石矿物的物性差异，矿区内含矿岩体的规模、岩体形态、矿体形态、矿化类型、矿体赋存部位、岩矿体顶、底板的不同以及围岩类型的差异等，对矿区地球物理勘探工作成果的精细刻画起着决定性作用，而这也正是进一步开展勘探、开采工作所关注的重心，了解它们之间内在的联系和相互关系，是正确解译勘探结果的基础.表 2 即收集部分岩浆型铜镍硫化物矿床的相关地质背景及地球物理特征，以东天山造山带中铜镍矿为主，还包括喀拉通克、红旗岭、金川岩体群，国外的Noril’sk-Talnakkh和Voisey’s Bay铜镍矿和陨石撞击成因的Sudbury铜镍矿作为对比，用来分析传统地球物理勘探在这类矿床中运用的复杂性，以及所遇到的实际困难和勘探难题.
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表 2 典型铜镍硫化物矿床的岩体、矿化、围岩和地球物理特征 Table 2 Rocks, mineralization wall rock and geopysical characteristics of typical magmatic Cu-Ni sulfide deposits |
造山带中铜镍硫化物矿床最大的特点就是岩体规模小，褶皱、断裂构造发育，成矿空间有限，岩体形态与产状复杂，故它不同于Sudbury铜镍矿的韵律层状岩矿体，大多存在多期次的岩浆侵位过程，导致岩体形态各异，如透镜状、脉状、菱形、葫芦状、歪斜漏斗状等，而且与围岩存在复杂的穿插、残留关系，给运用物探方法圈定岩体的形状带来不小的难度.对于重力和磁法勘探来说，在区域性的范围内小岩体往往因为异常值小而被忽略.另外，从岩体-矿体的分布结构形式考虑，无论是岩体群与小岩体矿床形式(如金川、红旗岭、喀拉通克)、大面积溢流玄武岩与侵入小岩体形式(如白马寨、Noril’sk矿床)，还是一个或几个大岩体与附近小岩体矿床形式(如Voisey’ Bay矿床)，区域上总是有性质相似的岩体群或大岩体的存在，使得重磁的背景值处在一个较高的水平，想要在其中圈定出对应于小岩体的微弱异常，对勘探精度提出较高的要求.
图 1中a、b、c分别为东天山地区黄山-镜儿泉镁铁质-超镁铁质岩带，加拿大Sudbury地区和俄罗斯Noril’sk地区的航磁等值线平面图，三者均为世界著名的铜镍成矿区，区域面积相当，比例尺较为一致，具有很强的可比性.图b中的Sudbury地区有着很高的磁场背景值(2000 nT)，在其主要成矿区带上，磁场梯度变化显著，磁力线密集，具有显著的高磁异常.Noril’sk矿区的磁场背景值则相对较低，磁力线的形态主要受区域上大面积分布的西伯利亚溢流玄武岩控制，局部的高磁异常(160~400 nT)则与含浸染状、块状硫化物的侵入体相对应，但是区域内Noril’sk-Kharayelakhsky深大断裂的特征在图中体现的不甚明显.而在北疆东天山地区黄山-镜儿泉镁铁-超镁铁岩带上，由于含铜镍硫化物的侵入体规模较小、岩矿体形态各异，导致区域上的高磁异常均位于铜镍矿体的北侧，推测可能与石炭系火山活动相关.而且区域内的磁场主要受到康古尔-黄山深大断裂的控制，具有明显的磁场梯度带，断裂南侧主要为正异常，北侧为负异常，不同于Noril’sk地区的特征，可能是由于该断裂属于多次序、多级别的巨型韧性剪切带，导致形成一条宽度厚大、结构复杂的巨型构造带所致.
 | 图 1 典型铜镍矿集区的航磁等值线平面图(a)东天山东段，据惠卫东等，2011；(b)Sudbury地区，据Hearst et al., 1994；(c)Noril’sk地区，据Rempel，1994. Fig. 1 Aeromagnetic survey isoline map of typical Cu-Ni ore-concentrated area(a)east section of Eastern Tianshan，from Hui Weidong，2011;(b)Sudbury area，from Hearst，1994;(c)Noril’sk area，from Rempel，1994. |
由于岩体小，矿体相对大而且富，故其不可能从小岩体自身结晶分异而来，汤中立等(2011)汤中立(1996b)认为岩体就位过程中，在深部达到硫化物饱和，于中间岩浆房发生熔离作用和部分结晶作用，分异为不含矿岩浆、含矿岩浆、富矿岩浆和矿浆，然后对容矿空间进行上侵贯入成矿，依据含矿岩浆进入现存空间的方式可分为复式贯入成矿，单式贯入成矿，脉动式贯入成矿和反向复式贯入成矿.
不同的成矿类型，使得相应的地球物理响应也不尽相同.红旗岭铜镍矿1号岩体属于贫矿岩浆、富矿岩浆和矿浆的复式贯入，而3号岩体是由贫矿岩浆贯入聚集成矿，星点状矿石赋存于盆状岩体底部，7号岩体为富矿岩浆贯入成矿，基本全部由海绵陨铁矿石组成，属于单式贯入成矿，故在7号岩体上方有着极强的磁异常(4000 nT)，形态特征明显，而近年来3号岩体深部探矿工作的突破与其单式贯入成因也不无关系；图拉尔根铜镍矿则属于单次脉动式贯入，虽相比红旗岭7号岩体略微复杂，但岩矿体间的关系较为明晰，与物探异常取得较好的耦合关系，也是其勘探工作取得快速突破的原因之一.但是，东天山地区铜镍矿绝大多数属于复式贯入成矿(苏本勋等，2009)，比如黄山、黄山东、香山等，其表现为不含矿岩浆、含矿岩浆、富矿岩浆和矿浆分别多次贯入相同或相近的成矿空间，使得岩矿体的空间分布特征复杂化，矿体形态各异，运用传统地球物理方法很难进行精确厘定.
 | 图 2 常见结晶岩石和矿石的波阻抗特性(据Malehmir et al., 2014) Fig. 2 Acoustic properties of most common crystalline rocks and ores(from Malehmir et al., 2014) |
东天山造山带中的铜镍矿带和喀拉通克岩体群均显示出钙碱系列而非拉斑系列的演化趋势，成矿时代集中在278.6~284 Ma(Qin et al., 2011)，均为早二叠世，虽矿床的成因机制仍存在争议，但不可否认的是其与碰撞造山期后的地壳伸展有密切关系，所以侵入的围岩多为前期俯冲增生阶段相关的泥盆系-石炭系沉凝灰岩、碳质页岩、火山碎屑岩，如喀拉通克、黄山东、葫芦、香山、图拉尔根等铜镍矿床，而不同于金川和红旗岭的古老变质围岩.而沉凝灰岩、碳质页岩、火山碎屑岩的组成并不稳定，其成分变化范围很大，故导致其密度、磁化率、电阻率等物理性质也有着很大的差异性，从而铜镍硫化物矿体在其中的表现也不尽相同.如黄山东岩体地面磁法异常很弱(200 nT，见表 2)，主要含矿岩相辉长岩也表现为弱磁性，但其在航磁中有着明显的异常(也为200 nT，见表 2)，主要是源于围岩的磁性很弱，从而突出了黄山东岩体.而同处于黄山-镜儿泉超镁铁岩带的图拉尔根岩体则正好相反，航磁异常几乎没有，地面磁法异常达到4463 nT，这主要是因为围岩中安山质、角斑质火山岩的磁性较强，而图拉尔根岩体的磁异常被掩没在其中(邵行来，2012).另一方面，区域内喀拉通克、黄山东、葫芦等矿区的围岩中含有碳质，使得电法勘探中的低阻体并不一定对应铜镍矿体，更多的可能为含碳地层，给地球物理勘探的解译工作带来极大的干扰.
因此，在该区域开展地球物理勘探时，受围岩物性变化较大以及含碳地层的影响，铜镍矿床并不一定完全体现出“三高一低”的特点，勘探工作需要建立在对区域围岩物性充分了解的基础上，针对具体矿床展开具体分析，才能更加客观准确. 2.4 矿体形态、矿化类型多样，赋存位置深浅不一
铜镍硫化物矿体的形态、赋存位置和矿化类型的差异对地球物理测量结果有着极大的影响.区域内矿体在规模较大的岩体中主要表现为似层状、透镜状，而在复式贯入的小岩体中则形态各异，呈透镜状、似层状、盆状、长条状、囊状、巢状等(秦克章等，2012)，并无规律可循.然而，电磁测深勘探数据的处理和正反演多数都是基于平板状低阻体这一假设的，故现实情况下铜镍硫化物矿体形态越复杂，越偏离平板状，得到的解译结果就越不可信.
岩矿石的矿化类型多样化，如稀疏、中等、稠密浸染、海绵陨铁状、半块状、块状等，同一成分不同矿化类型的岩石，物理性质差异很大，对应的物探响应也不尽相同，如喀拉通克Y2岩体底部以稠密浸染状矿化为主，Y3岩体底部则以稀疏浸染状为主，其余地质条件大致相同，但两者在地表所体现的重力异常相差一倍左右.
地表测得的地球物理异常的强弱还取决于矿体的赋存位置，埋深越浅，甚至直接出露到地表，异常越强.金川矿区的岩体和矿体同时出露地表时，磁异常呈锯齿状多峰值，可达2000~4000 nT；而岩体出露，矿体埋深200~300 m时，磁异常曲线变宽，峰值减少至1000~2000 nT，有可能无法检测到矿致异常；若地表有覆盖层，则磁异常进一步减弱(付开泉和李百祥，2006).而造山带中铜镍硫化物矿床矿体的赋存位置多种多样，部分属于上悬矿，有些位于岩体的底部，还有的受岩体构造控制呈透镜状，没有大致的规律性，给地球物理的解译工作提出难题. 2.5 常规物探方法难以满足“勘探深度大”的要求
岩浆型铜镍矿产于镁铁质-超镁铁质岩石中，成矿物质来源于上地幔甚至软流圈、下地幔，岩矿体的赋存严格受到区域上深大断裂的控制，所以理论上矿体的赋存深度可以很深.加拿大Sudbury矿床的勘探深度已经达到2500 m(滕吉文等，2007)，最大探测赋矿深度达到4000多米，Voisey’s Bay矿床也在开展2000 m以上的勘探工作，取得显著的效果.我国金川铜镍矿和红旗岭铜镍矿的勘探深度也在不断增加，已经达到1200 m，虽相对于国外仍有不小的差距，但在储量上也均有突破.而东天山铜镍成矿带和喀拉通克岩体群的勘探深度普遍在700~800 m左右(见表 2)，超过1000 m的钻孔还很少见，仅在黄山东个别钻孔达1500 m深，坡一矿区最深孔达2400 m，整体勘探程度亟待提高.其中，岩体顶底板的判断是指导找矿勘探的前提(秦克章等，2012)，Sudbury铜镍矿床就是通过地震勘探明确岩盆状岩体的底面深度和形态，进而在底板周围发现一系列的铜镍矿体.喀拉通克矿区在先前的Y2岩体钻探工作中，于700~800 m处钻及围岩，认为已经达到岩体底部而停止打钻.最近，随着对围岩角岩化及其强度变化、地球化学特征等的研究(秦克章等，2014)以及坑内钻探工作的开展，发现其47~51线底部于700~850 m的深部出现矿化超基性岩体，推翻之前岩体底板已打穿的判断，从而极大地开拓深部找矿空间.
可见区域内大多数的铜镍矿床深部还存在着相当大的找矿潜力，但是，传统的勘探中重力和磁场随着深度呈二次方衰减，矿体埋深加大，其反映在地表的观测值急剧减弱，圈定和解译这些微弱的异常存在很大难度.而电法勘探能力和精度也随着勘探深度的增加而急剧下降，高密度电法的有效勘探深度在200 m以内，大地电磁测深可达到几十到上百km，但接收的自然信号微弱，抗干扰能力差，分辨率较低(叶益信等，2011).广泛应用的EH-4和CSAMT效果介于二者之间，理论上勘探深度分别为1000 m和2000 m以上，但实际工作中的有效深度在700~1000 m之间(曹令敏，2010)，但仍无法满足铜镍矿深部勘探的要求.同时，这类方法还存在着近区效应、电磁干扰、静态效应等问题.
综上，东天山造山带中铜镍硫化物矿床和阿尔泰造山带南缘喀拉通克岩体群具有“小岩体成大矿”的典型特征，在传统的“三高一低”物性差异之上，考虑岩体形态、规模、矿体形态、矿石类型、赋存部位等地质因素，其特殊性和复杂性可归纳如下：
(1)岩体规模小，形态复杂，多侵入于岩体群或大的中性岩体之中，难以精确圈定，要求较高精度的地球物理勘探.
(2)岩浆熔体和矿浆的贯入方式各异，单式贯入的小岩体结构相对简单，利于勘探，而复式贯入使得岩体和矿体的空间分布复杂化，难以清晰厘定.
(3)侵入围岩多为沉凝灰岩和火山碎屑岩，成分不一，物性范围较大，使得矿体并不一定体现“三高一低”的特点，而且部分围岩中含碳质，对电法勘探造成极大干扰.
(4)铜镍硫化物矿体形态不规则，传统的解译方法并不完全适用，矿化类型多样，赋存位置和埋藏深度不一，使得对应的地球物理响应纷繁复杂.
(5)矿床的勘探深度不足，深部具有很大的找矿空间，但传统地球物理勘探手段受限于原理缺陷和仪器功能，其勘探能力和精度随深度增加而急剧下降.
鉴于东天山造山带中铜镍矿和阿尔泰造山带喀拉通克岩体群因“小岩体成大矿”而表现出的特殊性和复杂性，以往基于“三高一低”物性异常而建立起来的“重-磁-电”常规地球物理勘探方法，已逐渐无法满足深部探矿和精确圈定矿体的勘探要求，需要转换思路，独辟蹊径，探索能够简单有效地圈定深部隐伏硫化物矿体的勘探技术方法，并付诸勘探实践，在实践中检验其有效性，进而改进提升. 3 铜镍硫化物矿床勘探的新思路与新方法
随着地球物理勘探技术的不断发展和铜镍硫化物矿床地质研究的持续深入，在铜镍矿传统的“重-磁-电”勘探方法之上，又涌现出很多新颖、有效而且准确度大大提高的地球物理勘探手段，如高分辨率浅层地震勘探、地-井TEM勘探、井中重力勘探以及航空电磁勘探.这些方法在新一轮的岩浆型铜镍硫化物矿床勘探中发挥着重要作用，极大地提高深部勘探能力和精度，并取得一系列显著的勘探成果. 3.1 高分辨率浅层地震勘探
虽然在人们的传统意识当中，地震勘探并不适用于硬结晶岩地区以及复杂的金属矿勘探之中，但是相比于重、磁、电法勘探，其具有精度高、探测深度大、分辨率高和结果可靠的特点，可以弥补传统非地震勘探方法在寻找深部隐伏矿体方面的理论缺陷和不足(勾丽敏等，2007；Malehmir et al., 2014)，故在铜镍矿的勘探中发挥着日益重要的作用.
首先，从浅层地震反射波勘探的理论基础来考量，最基本的问题便是金属硫化物矿体与围岩间是否存在显著的波阻抗差异，使其能够产生强度足够的、能被地表仪器接收的反射波，与此同时为了达到高分辨率，还需要兼顾考虑矿体的宽度、形态等影响因素.Salisbury等(1996，2000，2003)总结出运用反射地震波直接勘探金属矿体需要满足的三个条件：
1 )矿体的波阻抗必须显著地大于围岩的波阻抗，产生有效的反射系数R(>0.06)
2)矿体必须足够大使得其能够被地震波所探测到.理想状态下，矿体的直径应该达到地震波一个波长的程度才能够被探测到.实际情况中，在给定深度Z处水平矿体能够被地震波识别出的最小的直径为
3)矿体必须能够反射足够多的地震波能量.类似于光的反射，缓倾斜的矿体能够将能量反射回地面，而陡倾斜的矿体则会将地震波能量向下发射.通常情况下，如果矿体的倾角大于60°，则在地表的地震勘探工作将很难进行下去.
结合以上的情况可知，只有当块状铜镍硫化物矿体满足上述条件，有足够的厚度和延伸，连续的缓倾斜，才能在地震反射波勘探中得到有效的识别.
诚然，这样的条件较为苛刻，但是，随着地震勘探仪器设备、资料采集及处理解释方面的进步，其越来越多地运用于硫化物矿床的深部勘探中，并在很多矿区成功地圈定出深部硫化物矿体.Milkereit和Green(1992)以Sudbury铜镍矿为例，通过高分辨率地震勘探确定盘状岩体的界面及构造形态，并圈定深部块状硫化物矿体.在此基础之上，Milkereit等(2000)又在Sudbury地区Trill铜镍硫化物矿区开展三维金属矿地震勘探，建立矿区的地下物质分布模型，其中精细刻画出岩体与下盘围岩的接触界面，圈定1800 m深度处较厚的块状硫化物矿体，并得到钻孔验证.Malehmir等(2009b)在瑞典Kristineberg矿区通过地震勘探在地下2500 m 处识别出块状硫化物矿体，并推测4000 m处存在大规模超基性岩体.同样，在加拿大Halfmile湖地区Bathurst矿区运用3D地震方法描绘出一个位于地下1200 m深度处的块状硫化物盲矿体(Malehmir and Bellefleur， 2009).Malehmir等(2012)在芬兰北部Kevitsa铜镍硫化物矿区，国内梁光河研究组率先在图拉尔根铜镍矿区(肖骑彬等，2005)、白石泉铜镍矿区(吴华等，2006)开展地震勘探工作，虽没有直接圈定矿体，但都有效地识别出容矿岩石的地质构造以及区域内复杂断层、断块，有效地指导随后的勘探工作.
而对于产状较陡的矿体，尤其是铜镍矿中的岩浆通道系统，以及近垂直断层的描述，则普遍采用井下地震勘探方法，比如侧扫声纳，VSP和MSP系统(Eaton et al., 1996；勾丽敏等，2007)，其原理与地面勘探基本相同，只是将检波器放置在井中接收，使得向下反射的地震波信息得以记录下来.Snyder等(2002)在Sudbury的Norman West矿区开展井下地震工作，精细地描述Sudbury矿区火成杂岩体(SIC)钻孔附近的结构构造，并在钻孔附近发现硫化物矿体.Mueller等(2012)在同一矿区进行井下地震研究推测距N40钻孔1800 m处存在矿体.另外，Perozzi等(2012)则将井中地震用于加拿大Voisey’s Bay矿区钻孔附近Ni品位的评估.
另一方面，地震散射波成像或层析成像技术适用于复杂地质体的勘探，可以尝试将其运用于铜镍硫化物矿床(曹令敏，2010)，但是，相关方面研究程度还远远没有达到能够实际应用的地步.姜枚等(2012)将地震层析成像技术运用于金川铜镍矿的勘探中，得到矿区的地震层析剖面速度图像，结合磁法和可控源音频大地电磁法，将其中的近水平透镜状高速低阻体解释为从深部上侵的以超镁铁质岩石为主体的岩浆岩，与“小岩体成大矿”理论中的中间岩浆房相对应. 3.2 地-井瞬变电磁三分量测量系统(地-井TEM系统)
“地-井瞬变电磁三分量测量系统”(地-井TEM系统)，又称“井中电磁勘探”(BoreHole ElectroMagnetic，BHEM)，是岩浆硫化物矿床精细勘探的核心(Qian et al., 2004)，其能有效弥补航空电磁法勘探深度不够、地面电磁勘探分辨率不足的现状，快捷方便地识别出良导体，而且将勘探范围从钻孔本身的几个cm2扩大到钻孔附近300 m以内均可以准确探测矿体.同时，还可以提供关于深部良导体的位置、几何形状、大小和矿化程度等多重信息，所以自上世纪80年代以来逐步应用于铜镍硫化物矿床的勘探中.
地-井TEM系统原理如图 3所示，在钻孔上方或附近地面上一侧放置发射线圈，供以脉冲电流，从而产生激励一次电磁场，用接收探头在钻孔中逐点测量地下介质产生的感应二次场.当发射回线的脉冲电流从峰值跃变到零时，一次场立即消失，而地下介质中的感应涡流并不立即消失，而有一个衰变过程，这个过程的特征与地下电性结构分布有关，导电性越好，衰减过程越缓慢.故而通过研究井中感应二次场在空间和时间上的变化特征，就可以知晓钻孔周围电性分布，发现井旁、井底盲矿，或推断已见矿体的空间分布与延伸方向(张杰等，2013).
 | 图 3 BHEM系统的工作原理及钻孔穿过和未穿过矿体所产生的地球物理响应(据King，1996) Fig. 3 Schematic diagram of a BHEM system and the geophysical response of an intersected conductor and an off-hole conductor(from King，1996) |
针对地-井TEM系统，King(1996)采用Multiloop程序对于自由空间中的导体平板进行正演模拟，图 3中钻孔未穿过矿体时，其测量剖面在矿体对应位置表现为正异常，其中异常的宽度取决于矿体与钻孔间的距离，而倾角可以通过两侧峰值肩部的高度比值来近似确定，时间常数则由信号随时间衰减速率来确定.一旦确定出地质体的有效大小和时间常数，则导体的电导值为
由于区域性的以及局部的地质噪声干扰，加之多重导体复杂的几何形态，使得对于地-井TEM系统测量数据的解释更多的是基于工作人员的个人经验而非正演模型和反演算法.Qian等(2004)在Quebee地区北部Louvicourt矿区开展地-井TEM勘探，发现其中存在两类较大的地质噪声干扰：已存在的Louvicourt矿体的干扰(衰减较慢，对应于较长的波长)和硫化物细脉(尖峰值)的干扰，均对最后的数据解释有着极大的影响.必须详细分析数据的衰减特性，有效剔除两类地质噪声的干扰，才能得出较为合理的地质解译结果.
地-井TEM系统的特点是勘测深度大(一般取决于钻孔深度)，井中接收，受覆盖层和外部电磁干扰小，勘探半径大(250~300 m)，能准确地反映良导体的空间分布状态和规模等几何参数，在铜镍矿的勘探中发挥着日益重要的作用.但是，仍需详细研究可能存在的干扰因素，加深正演模拟和反演算法的研究程度，从而能够更好地解释地-井TEM系统所测得的数据，有利于铜镍矿的深部勘探工作. 3.3 井中重力勘探
井中重力(Borehole Gravity)是将地面重力测量转移到钻孔中测量的一种古老的勘探方式，Smith(1950)探讨了井中重力勘探的可能性，LaCoste ＆ Romberg公司随后开始尝试研发井中重力勘探仪器，在70年代得到完善并将其运用到石油勘探之中，在油气储层探测和评价中发挥着重要作用(王宝仁等，1993；曹辉，2004).但是，其较大的直径以及粗糙的自动水平能力一直限制其运用于金属矿较小直径的钻孔中，直到最近相关技术取得突破，才使得金属矿的井中重力勘探技术日臻成熟，开始进入商业化阶段(Seigel et al., 2007).
井中重力测量的原理与地面高精度重力测量相似，都是测量重力加速度的垂直变化，只是井中重力被限制在地面以下钻孔中的垂直方向，通过在井中一系列测点上停放仪器进行测量、读数，从而获得不同深度上的重力值(如图 4).钻孔中所测得的重力值需要进行合理的校正，包括深度校正，维度校正，气压校正，重力偏移校正以及潮汐校正，同时还应考虑地形以及地下坑道等的影响(Nind et al., 2007).
 | 图 4 井中重力勘探的工作原理及其在Sudbury地区Kelly Lake铜镍矿的应用(据Nind et al., 2007) Fig. 4 Schematic diagram of a borehole gravity system and its application in the Kelly Lake Ni-Cu deposit in the Sudbury mining camp(from Nind et al，2007) |
实际测量时，仪器置于近似水平地层的界面，故可利用水平地层重力效应的基本公式来讨论井中重力勘探中的重力响应(Seigel et al., 2007)：若距离为ΔZ的两测量点之间的重力差值为Δg，则两测点间地层的视密度为
若钻孔旁侧存在未被穿过的高密度硫化物矿体时，测量所得的垂向重力异常值在矿体中心上部会增大，下部会减小；其与零值的交叉点大致对应于矿化中心的深度，还可以通过两个峰值间的距离来估计矿体中心与钻孔的距离(Nind et al., 2007).图 4中Sudbury矿区Kelly Lake的铜镍矿钻孔300 m位置处即体现出这样的特征，同时垂向重力异常梯度值(Δg/Δz)表现为高密度正异常，暗示该钻孔300 m深度处180 m的水平范围内有可能存在高密度矿体.若钻孔未超过矿体的中心深度，则钻孔底部垂向重力异常值会体现出增加的趋势.通过这一响应，即可判断钻孔之下是否还有隐伏的矿体，从而合理确定钻孔的终孔深度，对于铜镍矿勘探中岩矿体顶底板的确定显得愈发重要.
虽然前述的地-井TEM系统可以高精度地刻画出钻孔及钻孔附近的低阻体，但是并不能确定其就是硫化物矿体，还有可能是围岩中不含金属的石墨层或碳质层，甚至是含水的构造剪切带.它们均表现出低阻的特征，但在密度上有着很大的差异，故井中重力探测可以弥补地-井TEM的不足，从中区分出密度较大的硫化物矿体.
井中重力勘探作为地面高精度重力资料的补充，可以减少地面重力资料解译中的多解性，将密度分布的测量从钻孔延伸到周围岩体，得到对硫化物矿体深度、形状的精确估计，并从一定程度上剔除碳质围岩对地-井TEM系统的干扰. 3.4 时间域航空电磁勘探
航空电磁法(Airborne Electromagnetic Method，AEM)是应用电磁感应的测量原理，以飞机为测量载体进行的地球物理勘探手段，用以探查大地电性及磁性的变化规律，分为频率域航空电磁和时间域航空电磁.1950年加拿大首先研制成功名为“INCO”的世界上第一套频率域航空电磁系统，而第一套时间域航空电磁系统INPUT也于1959年成功问世.由于频率域航空电磁系统通常是在几个固定频率上发射接收电磁波(n×102 Hz~n×104 Hz)，发射磁矩一般较小(<n×103 Am2)，导致理论勘探深度大致在150m左右(李军峰，2010；孙东明，2010).相对来说，时间域航空电磁法具有更大的勘探深度，信息量更为丰富，所以得到长足的发展，在铜镍矿的勘探中发挥着越来越大的作用.
时间域航空电磁系统最初测量的是磁场的变化率，即dB/dt，但是考虑到铜镍硫化物极强的导电性，感应涡流有可能在整个测量时间内都没有明显的衰减，降低分辨能力，从而极大地限制该方法所能探测到的硫化物矿体的电阻率范围.20世纪90年代末出现的GEOTEM系统开始直接测量磁场值B，极大地提高勘探效果(Smith and Annan， 1998；Richard et al., 2002).同时，由于时间域航空电磁系统是运用瞬间变化的电磁场来进行观测的，存在发射线圈激励一次场的on-time阶段和接受线圈接收二次感应场的off-time阶段.由于on-time阶段发射线圈功率很大，会覆盖微弱的二次感应场并引入大量的噪声，所以传统意义上，航空电磁系统一般只在off-time阶段进行测定.随着研究程度的加深，时间域航空电磁开始在on-time阶段也进行观测，并通过一定手段将一次场去除，使得整个系统更敏感于高电导率的铜镍硫化物矿体(Balch et al., 2003).
不同的大地电性结构，感应二次场的衰减过程便有所不同，通过测量和分析接收到的二次感应场响应，可以确定地下的电性分布结构，获得矿体的位置、形态、构造等信息.由于在矿体中二次场的衰减速度很慢，故在同一时间测得的剖面中矿体上方的二次场因衰减较慢而使其对应的测量值较大.同时，结合剖面中峰值的大小和对称性还可以大致判断地下对应矿体的电导率、产状和延伸.图 5中，厚垂直矿体在Z轴方向上的测量值为对称的单一峰，而在水平X轴方向上表现为小幅度的从负值向正值转换的交叉点.水平矿体在Z轴和X轴方向的响应类似于垂直矿体，但峰值宽度范围大.而陡倾斜薄矿体在Z轴方向上表现为两个并不对称的峰值，在X轴上表现为从倾斜方向的负值向正值转变的交叉点，其幅值大小与Z轴方向上的幅值大小相一致.
时间域航空电磁法从发展之初，就因为搭载平台的不同而分为固定翼航空电磁系统和直升机航空电磁系统.固定翼航空电磁系统通常情况下将发射回线架设在飞机上，而接收机安放在吊舱内，与飞机主体有一定的距离.由于发射线圈是以飞机为主体建立的，所以，其发射磁矩很大，相对来说则具有较大的勘探深度，可以探测到地表以下超过400 m深度处的导体(Balch et al., 2010).但是，由于发射线圈和接受器之间有较远的间隔，会导致矿体定位的不确定性，使得剖面的侧向分辨率也随之降低.直升机航空电磁系统，相当于把整个地面时间域电磁法系统用直升飞机吊起来，在空中进行测量(如图 5).由于通常情况下on-time阶段测量，一次场的强度又会对二次场测量进行干扰，所以导致该系统的发射磁矩一般较小，对于大部分靶区而言，勘探深度一般在150 m以内.但是，由于其发射线圈和接受线圈间的距离很近，能够准确定位目标体的位置，侧向分辨率较高.故两类系统各有所长，需结合实际的勘探要求，选用合适的航空电磁系统.
 | 图 5 直升机时间域航空电磁勘探系统的原理示意图及垂直厚矿体、陡倾斜薄矿体和水平矿体在X轴和Z轴方向上的电磁响应(据Balch et al., 2003) Fig. 5 Schematic diagram of Helicopter-borne time-domain systems and the electromagnetic response from a thick vertical conductor、a thin steeply dipping conductor and a horizontal conductor in X-axis and Z-axis coil(from Balch et al., 2003) |
1999年，AeroTEM系统横空出世，其将固定翼系统的大穿透深度和直升机系统的高分辨率融合起来，具有相对高的偶极矩4×104 A-m2和on-time测量功能，标志着“航空勘探直接指导钻井工作”时代的来临(Balch et al., 2010).由于其比传统航空物探分辨率高，勘探深度大，相对于地面勘探又省时省力，性价比高，故从诞生之日起，就广泛应用于金属矿尤其是铜镍硫化物矿床的勘探中，如Lac Rocher地区的Quebec铜镍矿(Richard et al., 2002；Boyko，2001)，Northern Ontario地区McFaulds Lake的Eagle’s Nest和AT-12铜镍矿带(Balch et al., 2010)以及Ontario地区的Powerline矿床(Balch et al., 2003). 4 目前存在的问题及未来发展方向
自Sudbury铜镍矿的发现开始，经过100多年来不断的尝试和验证，人们对于岩浆型铜镍硫化物矿床的地质认识不断加深，从寻找层状大岩体中的铜镍矿到“小岩体成大矿”和“岩浆通道式成矿”，同时用于铜镍矿勘探的地球物理手段也取得长足的进步，从最初的“重-磁-电”综合勘探到如今的高分辨率浅层地震勘探、地-井TEM系统、井中重力勘探以及航空电磁法勘探.不过，其中仍存在着很多问题亟待解决，下面试作简要分析，以期为今后铜镍矿地球物理勘探的发展方向提供些许帮助.
(1)缺乏细致而系统的物性研究.浅层地震勘探方法正广泛应用于全球范围内的铜镍矿勘探中，但与此形成鲜明对比的是，目前鲜有关于岩矿石在结晶岩环境下波阻抗性质的研究(Malehmir et al., 2013).岩矿石的波阻抗与其中的硫化物含量有何关系呢？ Salisbury等(1996)在最初的研究中认为，硫化物含量一定的矿石，其波阻抗决定于岩石和矿物两个端元的线性组合，但数据量太少； Malehmir等(2012)收集并研究Kevitsa铜镍矿区深部钻孔中11000块岩石样品的波阻抗，认为P波速度与岩石硫化物含量间并无明显相关关系，但其主要矿石矿物磁黄铁矿理应对地震波速度有负相关作用.如果今后能够系统分析岩矿石的波阻抗随硫化物含量的变化关系，则通过浅层地震勘探则不仅能够圈定块状硫化物矿体，还能够有效区分贫富矿体.与此同时，岩矿石波阻抗的各向异性，其电阻率、极化率随硫化物含量的变化关系等，也都是硫化物矿石物性研究中不可或缺的一环.
(2)成矿模型中，硫化物的物理性行为应受到重视.随着对岩浆型铜镍硫化物矿床认识的不断深入，逐步建立起成熟的成矿模型，从区域性地质背景、成矿元素的熔离和分配、硫化物饱和、围岩混染、硫化物与岩浆交换反应等角度进行归纳总结(Naldrett，1999；Barnes and Lightfoot， 2005；Lightfoot，2007；Maier and Groves， 2011).但是，对矿床形成时硫化物在硅酸岩熔体和结晶相中运移、沉淀、聚集、连通等物理性行为的研究仍十分薄弱，仅Mungall和Su(2005)通过二面角研究硫化物液滴在硅酸岩熔体中的湿润性，以及Chung和Mungall(2009)基于物理学分析得出不混溶的硫化物液滴在部分熔融的硅酸岩中的运移行为.如果能够完整地分析硫化物液滴在矿床形成过程中的物理性行为，得出普适的规律性结论，则能够更好地理解矿床内岩石和矿体间的空间分布关系，服务于铜镍矿的地球物理勘探和解译工作.
(3)部分勘探方法的原理亟待完善.前述的高分辨率浅层地震反射波勘探对于铜镍矿体有着严格的要求，主要是源于很多矿体遵循惠更斯-菲涅尔原理，产生散射地震波.无论在理论层面还是方法技术上，都需要使用更广义的散射波地震理论来解决铜镍矿的勘探问题，从散射观点出发进行地震资料的采集、处理和解译(勾丽敏等，2007;尹军杰等，2009)，但目前的研究程度还远远达不到实际应用的程度.现广泛应用于铜镍矿勘探的可控源音频大地电磁法由于近场效应以及原理的缺陷等问题，导致其勘探深度并不能达到现在的勘探需求，研究人员正尝试从不同的途径来努力完善大地电磁方法的原理和技术手段，以期满足金属矿的深部勘探要求.
(4)地球物理反演算法需要不断改进.地球物理反演算法在重力、磁场、电阻率剖面法、激发极化法、频率域电磁法、时间域电磁法等的三维模拟和反演方面取得长足的进步(Oldenburg and Pratt， 2007).重磁的三维反演技术已经广泛应用到勘探工作中，另外，对已有的重磁数据进行重新处理提取出其中蕴含的深度信息对铜镍矿勘探有着很大帮助(Romeo et al., 2008；杨学立，2012；姚绍萍等，2012)，激发极化法的二维、三维技术也逐渐成为常规的解释工具，而电磁勘探的三维反演方面则一直推进缓慢.此外，地-井TEM系统、井中重力勘探等新兴勘探方法的反演算法研究还处于初级阶段，需要进一步深入研究和改进，才能逐步应用于实际铜镍矿勘探的解译工作中.未来的发展趋势是反演软件操作的简单化和一体化，反演算法研究的有效化和科学化，以期在三维电磁和新兴物探方法的反演方面有较大的突破(Oldenburg and Pratt， 2007).
(5)多元数据融合，试图建立地质-地球物理模型.由于目标勘探深度的增加，地质环境更加复杂，加之地球物理的多解性，使得单一的地球物理勘探方法早已无法满足现代矿床勘探的要求，多元数据融合，多种方法综合运用，联合反演，相互印证，成为主流.这一思路在很多地区的铜镍矿勘探中都得到体现，如Thompson铜镍成矿带、Voisey’s Bay、Sudbury、图拉尔根铜镍矿等.其中，以Sudbury矿区最为典型，几乎运用所有的地球物理勘探手段.瑞典北部Kristineberg矿区开展大量的地质、地球物理勘探工作，在详尽的反演和解释基础之上，将多种方法和多元数据综合起来，针对该地区建立起可靠而精细的地质—地球物理模型(Malehmir et al., 2006，2009a，2009b；Tryggvason et al., 2006)，代表着未来矿床勘探的发展方向. 5 结 语
地球物理勘探方法在岩浆型铜镍矿的勘查中扮演着重要角色，很多矿床都是在早期物探异常的指导下，开展进一步地质和钻探工作后发现的.最初，从铜镍硫化物矿体所具有的“三高一低”(高密度，高磁化率，高极化率，低电阻率)物性特征出发，建立起一套广泛运用的地球物理勘探组合——即“重-磁-电”物探方法的有机结合，运用重磁同源异常圈定可能含矿的镁铁质、超镁铁质岩体，并在此基础上，开展瞬变电磁测深、大功率激电等电法勘探，寻找“低阻高极化”的铜镍硫化物矿体.然而，位于中亚造山带之中的北疆地区东天山造山带型铜镍矿带和阿尔泰造山带喀拉通克岩体群体现出显著的“小岩体成大矿”特征，因岩体形态、成矿类型、矿体形状、赋存深度、碳质围岩干扰等因素的复杂性，而使得传统地球物理勘探方法在小岩体类型铜镍硫化物矿床的勘探中遇到瓶颈和难题.幸运的是，随着地球物理理论和勘探技术方法的不断发展和进步，一系列勘探深度更大、分辨能力更高、针对性更强、更为新颖有效的物探方法开始逐渐应用于岩浆型铜镍硫化物的勘探工作中，如高分辨率浅层地震勘探、地-井TEM系统、井中重力观测系统和航空电磁勘探.其中高分辨率浅层地震勘探可以直接圈定深部块状硫化物矿体，地-井TEM系统能够精细刻画钻孔周围矿体的形状、大小和矿化程度，井中重力观测则可以有效地排除围岩中碳质层的干扰，而航空电磁通常用于覆盖区铜镍矿的高精度勘探，可以直接指导随后的地面钻探工作，它们代表着铜镍矿勘探的发展方向.随着理论的不断完善和方法技术的日益改进，包括物性的系统测定与研究，硫化物的物理性行为的理解更为深入，针对陡倾斜岩矿体的勘探方法原理的完善，地球物理反演算法特别是电磁勘探的三维反演的改进，以及多元数据融合、建立高质量的地质-地球物理模型，这些新的技术方法，连同传统技术方法的与时俱进、不断更新，必将更多地运用到复杂地质背景下小岩体型铜镍硫化物矿床的发现与勘探中，为我国古老造山带中岩浆铜镍矿的深部找矿勘探工作提供更大、更有效的帮助.
致 谢 在野外工作期间，得到新疆新鑫矿业股份公司党新生高工、何永胜高工，新疆有色地勘局侯启尧高工，新疆305项目办邵行来高工，新疆地矿局第四地质大队秦纪华总工、何立新副总工和喀拉通克铜镍矿王勇、王斌高工及地测科同行的大力支持.其间，还向危机矿山接替资源找矿项目办的刘士毅总工程师、颜廷杰高工，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的邓晓红研究员、徐明才研究员，中国地质大学刘天佑教授请教相关问题.在本文写作过程中，中国科学院地质与地球物理研究所李光明副研究员给予很大鼓励和帮助，薛国强研究员和梁光河副研究员悉心审阅稿件，并提出宝贵意见，在此一并致以衷心的感谢！参考文献
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