音頻大地電磁法對(duì)黔東高地錳礦床電性結(jié)構(gòu)及犁式正斷層的識(shí)別

沈小慶，楊炳南，5，周 琦，張德實(shí)，何 帥，沈紅錢(qián)，何永川

(1.貴州省地礦局103地質(zhì)大隊(duì)，貴州 銅仁 554300；2.自然資源部基巖區(qū)礦產(chǎn)資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心，貴州 貴陽(yáng) 550081；3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局，貴州 貴陽(yáng) 550003；4.貴州省地礦局104地質(zhì)大隊(duì)，貴州 都勻 558000；5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引言

近十年來(lái)，貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局103地質(zhì)大隊(duì)在黔東地區(qū)以華南南華紀(jì)含烴氣液噴溢沉積型錳礦床為研究對(duì)象，運(yùn)用錳礦裂谷盆地噴溢沉積成礦理論(周琦 等，2019)，通過(guò)長(zhǎng)期團(tuán)體協(xié)作，聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)錳礦地質(zhì)找礦重大突破(周琦 等，2016，2017)。多年來(lái)，針對(duì)黔東地區(qū)錳礦成礦地質(zhì)背景、成礦系統(tǒng)以及找礦關(guān)鍵技術(shù)等開(kāi)展了大量的研究工作，但對(duì)錳礦體深部埋藏特征與后期保存條件的研究程度不高。因此，在區(qū)內(nèi)開(kāi)展具有較大探測(cè)深度的音頻大地電磁法，研究錳礦體深部埋藏特征具有重要意義。

2 地質(zhì)概況及地球物理特征

2.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于揚(yáng)子地塊與華夏地塊之間的江南造山帶西南段，全國(guó)26個(gè)重要成礦區(qū)帶中的上揚(yáng)子?xùn)|緣成礦帶(陳毓川 等，2006)，處于石阡-松桃-古丈Ⅲ級(jí)地塹盆地中的李家灣-高地-道坨Ⅳ級(jí)地塹盆地中心(圖1)。高地超大型錳礦床屬華南黔湘渝地區(qū)眾多新元古代南華紀(jì)早期菱錳礦床之一，是一種新的錳礦床類(lèi)型——含烴氣液噴溢沉積型錳礦床(周琦 等，2019)。

圖1 黔渝湘毗鄰區(qū)南華紀(jì)早期武陵次級(jí)裂谷盆地結(jié)構(gòu)與構(gòu)造古地理圖(周琦 等，2016)

Guizhou-Hunan-Chongqin Border Area，South China(after Zhou Qi et al.，2016)

1—控制Ⅲ級(jí)斷陷盆地和隆起的同沉積斷層；2—控制Ⅳ級(jí)斷陷盆地和隆起的同沉積斷層；3—Ⅳ級(jí)斷陷盆地及所控制的錳礦床名稱(chēng)；4—Ⅲ級(jí)斷陷盆地范圍；5—Ⅲ級(jí)隆起范圍；6—研究區(qū)大地構(gòu)造位置

2.2 地球物理特征

在綜合分析礦區(qū)及毗鄰礦區(qū)以往物探工作獲取的物性資料基礎(chǔ)上(楊炳南 等，2015)，結(jié)合實(shí)測(cè)毗鄰李家灣錳礦井下含錳巖系物性數(shù)據(jù)、鉆孔巖性物性數(shù)據(jù)、巖礦石地表露頭物性數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析，歸納了包括白云巖、灰?guī)r、砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖、含礫砂巖、錳礦石、板巖等不同巖(礦)石的物性特征(表1)。經(jīng)物性特征分析，區(qū)內(nèi)寒武系中上部婁山關(guān)組至清虛洞組地層巖性主要為灰?guī)r、白云巖，綜合電阻率大于3 000 Ω·m，呈高阻電性特征；寒武系中下部杷榔組至南華系大塘坡組地層巖性主要為頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、含礫砂巖，綜合電阻率小于1 000 Ω·m，呈低阻電性特征；南華系鐵絲坳組至板溪群地層巖性主要為含礫砂巖、板巖，其綜合電阻率大于1 500 Ω·m，呈相對(duì)高阻電性特征?？傮w上研究區(qū)地層巖性由上至下劃分為“碳酸鹽巖-碎屑巖-淺變質(zhì)巖”的三層結(jié)構(gòu)，地下電性結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)呈“高阻-低阻-中高阻”三層模式(圖3)。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)及AMT工作布置簡(jiǎn)圖

錳礦成礦地質(zhì)體(大塘坡組第一段，即含錳巖系)主要由炭質(zhì)、粉砂質(zhì)粘土巖夾條帶狀、塊狀菱錳礦等組成，綜合電性特征呈低阻。其上覆的南沱組(Nh3n)含礫粉砂巖和下伏鐵絲坳組(Nh2t)含礫砂巖均為高阻電性特征。含錳巖系與上覆、下伏地層巖性電性特征差異明顯，具備音頻大地電磁法測(cè)量前提條件。

表1 巖(礦)石物性特征統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

圖3 研究區(qū)電性結(jié)構(gòu)特征圖

3 AMT數(shù)據(jù)采集與處理

大地電磁法(MT)是一種采用天然交變電磁場(chǎng)為場(chǎng)源，對(duì)地下目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè)的地球物理方法(Cagnaird，1953；Chave and Jones，2012)。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的深入研究與實(shí)踐，大地電磁法已經(jīng)逐步成為應(yīng)用最廣泛的電磁勘探方法之一。音頻大地電磁法(AMT)是大地電磁法在高頻段的衍生，被廣泛的應(yīng)用在地?zé)?、礦產(chǎn)、工程、環(huán)境及地災(zāi)勘探中(鄭彥豐 等，2017；嚴(yán)小麗 等，2019)，具有探測(cè)深度大、不受高阻屏蔽、對(duì)低阻層分辨率高、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)(劉國(guó)興，2005)。

3.1 數(shù)據(jù)采集

圖4 音頻大地電磁測(cè)深觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagram of AMT measuring device

3.2 數(shù)據(jù)處理

使用鳳凰公司的SSMT2000軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先按照野外班報(bào)記錄更改每個(gè)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)信息，然后對(duì)原始的時(shí)間序列的AMT記錄進(jìn)行傅氏變換，之后用Robust功能模塊對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，得到了用于編輯的互功率譜，使用MTeditor進(jìn)行子功率譜挑選，剔除受干擾而畸變的子功率譜。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MTSoft2D軟件，進(jìn)行編輯平滑、極化模式識(shí)別(Egbert et al.，1986)、靜態(tài)校正(Jiracek，1990)、地形校正(韓騎 等，2015)、空間濾波等處理。

4 正斷層模型建立與反演計(jì)算

4.1 正斷層模型建立

據(jù)ZK3504、ZK3111等鉆孔資料，研究區(qū)主要巖性自上而下依次為婁山關(guān)組白云巖、石冷水組白云巖、清虛洞組灰?guī)r、杷榔組頁(yè)巖、變馬沖組頁(yè)巖及炭質(zhì)頁(yè)巖、南沱組含礫砂巖、大塘坡組第二段粉砂質(zhì)頁(yè)巖、大塘坡組第一段炭質(zhì)頁(yè)巖及錳礦體、鐵絲坳組含礫砂巖。結(jié)合物性特征，建立電性結(jié)構(gòu)特征為“高-低-高”三層的簡(jiǎn)化正斷層模型。通過(guò)鉆孔揭露的上部碳酸鹽巖高阻組合層厚度約為1 km，中部碎屑巖低阻組合層厚度約為1 km，含錳巖系(錳礦成礦地質(zhì)體)位于低阻層底部。不考慮地形和巖層產(chǎn)狀因素，建立了如圖5所示的簡(jiǎn)單的正斷層理論地電模型，通過(guò)選取不同的反演參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，定性分析其對(duì)斷裂構(gòu)造的識(shí)別效果，以此確定實(shí)測(cè)AMT數(shù)據(jù)的最優(yōu)反演參數(shù)。

圖5 正斷層地電模型Fig.5 Normal fault geoelectric model

4.2 正斷層模型反演計(jì)算

目前，音頻大地電磁法常用的反演方法較多，國(guó)內(nèi)較主流的有Bostick反演法(周虬，1985)、非線性共軛梯度反演法(Rodi W L et al.，2001)、Occam反演法等(Groothedlin C et al.，1990)。Bostick反演法是一種擬二維的近似反演方法，其優(yōu)點(diǎn)是能夠快速直觀的反映視電阻率隨深度的變化情況，但其反演結(jié)果精度不高。Occam反演法是求一個(gè)多層地球物理模型的最光滑解，具有穩(wěn)定的收斂性，對(duì)初始模型和參數(shù)依賴(lài)較弱，但其反演耗時(shí)長(zhǎng)。非線性共軛梯度反演法(NLCG)屬于非啟發(fā)式非線性反演方法，反演過(guò)程無(wú)需求取雅克比矩陣G和GT，利用麥克斯韋方程組的疊加原理和格林函數(shù)性質(zhì)，通過(guò)雅克比矩陣與一向量乘積的整體運(yùn)算大大降低了反演時(shí)間，相對(duì)于其他反演方法，其效率高，計(jì)算穩(wěn)定，對(duì)構(gòu)造模型反映更加準(zhǔn)確，但對(duì)初始模型的依賴(lài)性較強(qiáng)?；谝陨铣Ｓ梅囱莘椒▋?yōu)缺點(diǎn)對(duì)比(康敏 等，2017)，分別以Bostick和一維Occam反演為初始模型進(jìn)行二維非線性共軛梯度反演來(lái)對(duì)比優(yōu)選反演參數(shù)。

圖6為采用不同初始模型及反演參數(shù)對(duì)正斷層模型開(kāi)展二維NLCG反演的結(jié)果對(duì)比。其中，a是以一維Occam-TE數(shù)據(jù)為初始模型的NLCG-TE數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果；b是以一維Occam-TE數(shù)據(jù)為初始模型的NLCG-TM數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果；c是以一維Occam-TE數(shù)據(jù)為初始模型的NLCG-TE&TM數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果；d是以Bostick-TE數(shù)據(jù)為初始模型的NLCG-TE數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果；e是以Bostick-TE數(shù)據(jù)為初始模型的NLCG-TM數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果；f是以Bostick-TE數(shù)據(jù)為初始模型的NLCG-TE&TM數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果。六種反演模式在整體上均反映出了模型“高-低-高”的三層電性結(jié)構(gòu)特征，但細(xì)節(jié)上表現(xiàn)上有所不同。以一維Occam-TE數(shù)據(jù)為初始模型的反演結(jié)果對(duì)中部低阻層厚度的反映更為客觀，而以Bostick-TE數(shù)據(jù)為初始模型的反演結(jié)果所反映的中部低阻層厚度小于模型中該低阻層設(shè)計(jì)的厚度。在對(duì)正斷層的識(shí)別能力方面，b、c、e、f均呈現(xiàn)有斷裂異常特征，a和d的斷裂異常特征不夠明顯，表明無(wú)論采用一維Occam或Bostick作初始模型， NLCG+TE數(shù)據(jù)二維反演對(duì)橫向電性變化反映不靈敏，對(duì)斷層的識(shí)別效果較差。b、c、e、f中b和c能更好的識(shí)別出正斷層屬性，斷層上盤(pán)、下盤(pán)的錯(cuò)動(dòng)特征顯著。由此認(rèn)為，采用一維Occam-TE數(shù)據(jù)為初始模型更有利于斷層的識(shí)別。b和c效果較相似，但b在識(shí)別斷層的同時(shí)更好的呈現(xiàn)了低阻層整體層狀特征。綜合分析認(rèn)為，采用b反演模式對(duì)“高-低-高”三層電性結(jié)構(gòu)的正斷層模型識(shí)別效果較佳，本次研究區(qū)實(shí)測(cè)AMT數(shù)據(jù)反演采用一維Occam-TE數(shù)據(jù)為初始模型進(jìn)行NLCG-TM的二維反演方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 不同初始模型及參數(shù)的NLCG反演結(jié)果

5 實(shí)測(cè)剖面反演結(jié)果分析

以AMT31反演剖面為例分析(圖7)?？傮w上，電阻率反演剖面北西段(左側(cè))垂向電性結(jié)構(gòu)為“高-低-中高”的三層結(jié)構(gòu)，剖面南東段(右側(cè))垂向電性結(jié)構(gòu)為“低-中高”的二層結(jié)構(gòu)。根據(jù)剖面電阻率等值線特征，結(jié)合鉆孔工程控制，劃分了a、b、c、d四個(gè)巖性組合區(qū)塊。其中，a區(qū)塊呈高阻電性特征，推測(cè)為奧陶統(tǒng)-下寒武統(tǒng)巖性以碳酸鹽巖為主地層組合；b+c區(qū)塊呈低阻電性特征，推測(cè)為下寒武統(tǒng)-南華統(tǒng)巖性以碎屑巖為主地層組合，結(jié)合剖面上ZK3110等九個(gè)鉆孔對(duì)大塘坡組頂界和錳礦體的控制，劃分c區(qū)塊為大塘坡組地層；d區(qū)塊上部呈相對(duì)低阻，中下部呈中高阻，根據(jù)正斷層模型反演計(jì)算結(jié)果，位于低阻層下方的中高阻層電阻率等值線在反演斷面上呈現(xiàn)由低阻向中高阻漸變的特征，推測(cè)d為鐵絲坳組和清水江組地層組合。

根據(jù)鉆孔對(duì)錳礦體的揭露情況，圈定了150-205號(hào)點(diǎn)范圍內(nèi)大塘坡組及錳礦體的空間展布形態(tài)，錳礦體位于大塘坡組地層底部，斷面圖上表現(xiàn)為相對(duì)低阻的綜合電性特征，位于由低阻向中高阻漸變的過(guò)渡帶，其表現(xiàn)特征與模型反演結(jié)果一致。結(jié)合大塘坡組橫向呈低阻和下伏鐵絲坳組、清水江組呈高阻的延伸展布特征以及鉆孔控制的大塘坡組厚度，推測(cè)了錳礦體和大塘坡組地層在斷面上的空間展布形態(tài)，錳礦體埋深由北西至南東呈較緩階梯狀減小，海拔由-1 750 m抬升至海拔50 m。

圖7 AMT31號(hào)剖面NLCG反演成果圖

AMT25和AMT31兩條反演剖面在鉆孔控制范圍所劃分的巖性區(qū)塊界線均受到鉆孔約束(圖8)，其在斷面上所呈現(xiàn)的特征與理論模型反演結(jié)果相似，由此推測(cè)出了鉆孔空白區(qū)巖性區(qū)塊界線及錳礦體展布形態(tài)。兩條剖面F3斷層電性特征相似。在上部根據(jù)電阻率高低分界面和鉆孔約束圈定了其傾角約為60°高角度展布形態(tài)；在中深部根據(jù)鉆孔約束圈定了其傾角逐漸變緩的展布形態(tài)；在斷面深部，以往認(rèn)為，F(xiàn)3斷層深部變陡并對(duì)錳礦體造成破壞，根據(jù)斷面深部中高阻電性層橫向上連續(xù)展布的特征，推測(cè)F3斷層未切割含錳巖系，對(duì)錳礦體未造成破壞。F3正斷層具有犁式發(fā)育特征，隨著斷層向下延伸，傾角逐漸變緩，直至延伸至大塘坡組軟弱巖層后尖滅。對(duì)F3斷層所取得了新的認(rèn)識(shí)，為分析區(qū)內(nèi)成錳地質(zhì)條件、資源評(píng)價(jià)和三維地質(zhì)建模提供了地球物理信息。

圖8 AMT剖面反演綜合成果圖

6 結(jié)論

(1)在物性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆孔資料，建立了“高-低-中高”三層電性結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單正斷層理論模型，通過(guò)選用不同初始模型及參數(shù)對(duì)理論模型進(jìn)行反演計(jì)算，優(yōu)選出了以一維Occam-TE為初始模型的NLCG-TM二維反演模式，用于研究區(qū)AMT實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演。

(2)根據(jù)電阻率等值線特征，結(jié)合鉆孔工程控制，查明了研究區(qū)地下電性結(jié)構(gòu)。區(qū)內(nèi)北西方向電性結(jié)構(gòu)呈“高-低-中高”的三層結(jié)構(gòu)，南東方向?yàn)椤暗?中高”的二層結(jié)構(gòu)。識(shí)別了區(qū)內(nèi)大塘坡地層及錳礦體在剖面的空間展布形態(tài)。

(3)音頻大地電磁法有效的識(shí)別了犁式正斷層(F3)的空間展布形態(tài)，對(duì)其在深部的發(fā)育情況獲得了新的認(rèn)識(shí)，即犁式正斷層(F3)上陡下緩，延伸至大塘坡組地層可能已經(jīng)尖滅，可能未對(duì)含錳巖系造成破壞。因此，高地錳礦床北西深部仍具有較大的找礦潛力。