第二深度空間礦產(chǎn)資源探查理念與電磁法找礦實踐

滕吉文， 薛國強(qiáng)*， 宋明春

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029 2 中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院, 北京 100029 3 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院, 北京 100049 4 河北地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 石家莊 050031

0 引言

第一找礦、勘探與開發(fā)深度空間，是指由地表到深度為500 m處；第二深度空間，是指500～2000 m的深度范圍；第三深度空間，系指2000 m以下的找礦、勘探與開發(fā)空間(滕吉文，2003，2006；滕吉文等，2009).當(dāng)前我國礦產(chǎn)資源勘查主要在淺部，公布的各類礦產(chǎn)資源量，大部分為淺部第一深度空間探查的礦產(chǎn)資源量.從理論上看，深部空間是地殼物質(zhì)、能量交換和相互作用的集中區(qū)域，適合成礦元素的聚集和礦床的產(chǎn)生(滕吉文等，2007).在全球范圍內(nèi)，對于第二深度空間的礦產(chǎn)資源的探測和開發(fā)近年取得了明顯的效果(滕吉文等，2016).我國第二深度空間的找礦潛力巨大，但需要借助高科技地球物理勘探來獲取深部信息，以有效識別大型和超大型礦床(滕吉文，2021).

地球物理方法基于物理場在地球介質(zhì)中的響應(yīng)特征，獲取地下目標(biāo)體的物性參數(shù)屬性.在礦產(chǎn)資源探測中，當(dāng)含礦巖體的物理參數(shù)屬性與背景圍巖存在差別時，即可能借助地球物理場實現(xiàn)對礦體的識別和定位，比如地震方法可以給出地下介質(zhì)的彈性波速度屬性，電磁法可獲得電阻率和極化率屬性 (Di et al.，2020a,b；Guo et al，2020)，重力和磁法可以分別得到密度和磁化率屬性.這些地球物理方法是尋找和圈定深部隱伏礦床的重要工具.隨著探測目標(biāo)體埋深的增大，地球物理方法和技術(shù)的革新成為推動第二深度空間礦產(chǎn)資源探測的重要力量.高分辨電磁探測技術(shù)、高精度重力及磁法、高精度地殼寬角反射/折射技術(shù)、高分辨率地震反射技術(shù)和小孔徑精細(xì)三維地震層析成像技術(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn)，為深部隱伏礦床和礦集區(qū)的探查提供了可靠的地球物理手段.

電磁法是礦產(chǎn)資源探測的核心方法之一 (Kaufman and Keller，1981).根據(jù)場源和裝置形式的不同，電磁法可分為：大地電磁法(Magnetotelluric, MT)(Cagniard，1953)、音頻大地電磁法(Audio Magnetotelluric，AMT)、可控源音頻大地電磁法(Controlled Source Audio Magnetotelluric，CSAMT)(Goldstein and Strangway，1975)、廣域電磁法(Wide Field Electromagnetic，WFEM)(何繼善，2010a,b)、長偏移瞬變電磁法(Long Offset Transient Electromagnetic，LOTEM)(Strack，1992；嚴(yán)良俊等，2001)、時頻電磁法(Time Frequency Electromagnetic，TFEM)(何展翔等，2020)和短偏移電磁法(Short Offset Transient Electromagnetic，SOTEM)(薛國強(qiáng)等，2013；何繼善和薛國強(qiáng)，2018)等.上述方法中，除AMT和MT方法外均屬人工源方法，其中CSAMT和WFEM為頻率域方法，LOTEM和SOTEM為時間域方法，TFEM是在CSAMT和LOTEM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的頻率域與時間域混合的雙模方法.電磁法能夠?qū)崿F(xiàn)地下由淺及深的電阻率成像，對深部礦產(chǎn)資源圈定起到至關(guān)重要的作用.如何兼顧探測深度和精度，保障第二深度空間的探測效果，是當(dāng)前電磁新方法和新技術(shù)研究的重要方向.

中國陸地由多個塊體鑲嵌而成，成礦條件良好，資源潛力巨大.世界三大成礦域在我國均有分布，且最新的成礦理論研究和深部預(yù)測結(jié)果均表明：我國陸地疊加有多期次、大規(guī)模成礦作用，在2000 m深部蘊(yùn)藏著巨量礦產(chǎn)資源.在第二深度空間礦產(chǎn)資源探查理念指導(dǎo)下，有效發(fā)揮地球物理探測技術(shù)，對推動深部礦產(chǎn)資源勘探具有重要的作用.本文以電磁法為例，介紹了近年新發(fā)展的、適于第二深度空間礦產(chǎn)資源探測的電磁法新技術(shù)，并結(jié)合典型礦區(qū)的電磁探測結(jié)果，給出了第二深度空間礦產(chǎn)資源探測的有效范例.

1 第二深度空間礦產(chǎn)資源探查科學(xué)理念

從地球動力學(xué)的角度來看，大型、超大型礦床的時空分布在本質(zhì)上受到深部物質(zhì)運(yùn)移和深層過程的制約，而殼、幔物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造則是控制地殼內(nèi)部大規(guī)模流體的分異、調(diào)整、運(yùn)移、聚集與形成的最主要的深部因素.深入探討巖石圈及與相鄰圈層間物質(zhì)和能量交換及其深層動力過程，有益于認(rèn)識成礦元素的離散與聚集的機(jī)制及時空格局，以及預(yù)測金屬礦床出現(xiàn)的類型和聚集的空間部位，從而為大型、超大型礦床及礦集區(qū)的探查和預(yù)測提供導(dǎo)向(滕吉文等，2007).

礦產(chǎn)資源的形成與聚集，涉及地球深部物質(zhì)與能量的交換和深層動力過程(圖1).因此，在第二深度空間金屬礦產(chǎn)資源探查前，必須從機(jī)理上給出新的認(rèn)識和建立新的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的模型.地面淺表處的金屬礦產(chǎn)資源，包括大型、超大型礦床和多金屬礦集區(qū)的形成，均是由地球內(nèi)部物質(zhì)與能量的交換所致(圖1)，涉及到地球深處殼、幔介質(zhì)與構(gòu)造格局、物質(zhì)狀態(tài)、運(yùn)移行為、物質(zhì)屬性和其空間展布的深層動力過程.這表明：當(dāng)今第一深度空間的已有礦產(chǎn)資源，并非是地下礦產(chǎn)資源的整體或全部，在第二深度空間必然存在著礦體的繼續(xù)伸展和聚集(嚴(yán)加永等，2008).

圖1 第二深度空間流體成礦模型Fig.1 The fluid mineralization model in the second deep space

2 礦產(chǎn)資源電磁探測高分辨方法技術(shù)

隨著地球物理方法和技術(shù)的革新，近年來多種地球物理方法已在第二深度空間探測中發(fā)揮重要作用，比如高精度重力和磁法、電磁法、高精度反射/折射地震法等.新一代的高精度磁力儀，如超導(dǎo)磁力儀、光泵磁力儀和旋進(jìn)式磁力儀，也在近年來得到發(fā)展.分型、遺傳算法、貝葉斯方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等新方法應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理也取得了重要進(jìn)展(Zhang et al.，2004； Chen G X et al.，2015; Chen W Y et al., 2015).結(jié)合地震高精度探測技術(shù)的發(fā)展和對成礦規(guī)律的認(rèn)識，開展礦產(chǎn)資源勘查和成礦動力學(xué)研究是目前重要的研究方向.地震寬角發(fā)射/折射技術(shù)，能夠獲得深部的速度結(jié)構(gòu)、泊松比和深部各向異性信息等，從而描繪出深部成礦帶的空間構(gòu)造和環(huán)境，對定位礦體或含礦構(gòu)造具有重要作用.

相比于淺部礦產(chǎn)資源探測，深部探測難以采用淺表獲取的數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行約束，因此具有更大的多解性和不確定性.在解釋地球物理反演結(jié)果時，淺表的地質(zhì)與地球物理信息往往作為先驗?zāi)Ｐ?，以獲取合理的球物理解釋.而在深部探測時，這種做法往往會導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏離真實模型.地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物理-化學(xué)環(huán)境狀態(tài)異變，深部礦產(chǎn)資源勘探和開發(fā)的難度更大，此時，地球物理方法的探測精度成為關(guān)鍵.獲取由淺及深高精度探測結(jié)果，成為探測結(jié)果可靠性的有效保障，也是礦產(chǎn)資源探測獲得成功的關(guān)鍵(滕吉文，2021).近年來，在人工源電磁法基本理論的指導(dǎo)下，國內(nèi)先后研發(fā)出兼具大深度和高精度的電磁探測方法，比如廣域電磁法和電性源瞬變電磁法.在這些方法上所涌現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理和反演的新技術(shù)，進(jìn)一步提升了方法的應(yīng)用效果.

廣域電磁法由何繼善院士(2010)提出，它是一種人工源頻率域電磁探測新技術(shù).廣域電磁法的觀測方式類似于可控源音頻大地電磁法，但觀測區(qū)域較后者更大.通過采用更精確的電磁場響應(yīng)定義“廣義視電阻率”，廣域電磁法能夠獲得比CSAMT更為寬廣的觀測區(qū)域、更高的探測效率和更大的勘探深度.目前，廣域電磁法已在國內(nèi)多個礦區(qū)開展了應(yīng)用示范研究，包括隱伏金礦(鄧鋒華等，2013)、多金屬礦區(qū)(梁維天等，2020)等.高精度三維反演將是該方法的研究和應(yīng)用重點.

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地導(dǎo)線向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間隙期間，觀測二次渦流場，以進(jìn)行地下礦產(chǎn)資源勘探的一種電磁勘探方法(李貅等，2007；薛國強(qiáng)等，2007).電性源瞬變電磁法采用接地導(dǎo)線作為發(fā)射源，因其發(fā)射功率較大，能夠開展大深度探測以滿足第二空間礦產(chǎn)資源的勘探需求.根據(jù)觀測區(qū)域與接地導(dǎo)線源之間的相互關(guān)系，可分為長偏移距瞬變電磁法，短偏移距瞬變電磁法和多道瞬變電磁法(MTEM).LOTEM和MTEM主要應(yīng)用于地殼構(gòu)造探測、油氣資源勘探和地?zé)崽讲?Ziolkowski et al.，2007).SOTEM方法由國內(nèi)學(xué)者薛國強(qiáng)等(2013)提出，在近源區(qū)域觀測電磁場信號，偏移距通常為0.3～2倍探測深度.目前SOTEM已在包括煤礦、鐵礦和銀鉛鋅礦等礦產(chǎn)資源探測中獲得成功應(yīng)用(Xue et al.，2014，2018；Chen W Y et al.，2015，2017；Zhou et al.，2016；Chen et al.，2017；Xue et al.，2018；Di et al.，2019；Hou et al.，2019；Li et al.，2019).

電磁法高分辨探測技術(shù)研究主要還包括：

(1) 基于飛行平臺的探測技術(shù).航空電磁法和半航空電磁法是近年得到快速發(fā)展的電磁法技術(shù).通過將全部或者部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備置于飛行平臺上，這兩類方法能夠在復(fù)雜地形和地貌條件下開展探測，尤其在沙漠、沼澤和高原等難以以人力開展數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜環(huán)境下具有明顯優(yōu)勢.此外，該方法具備探測效率高、采樣密集和覆蓋范圍廣等特點，在礦產(chǎn)資源的普查和詳查方面均能發(fā)揮重要作用.經(jīng)過幾十年的發(fā)展和測試，目前時間域航空電磁法已是國內(nèi)外的研發(fā)重點，發(fā)展了VTEM, SkyTEM, HeliTEM等商用探測系統(tǒng)，并已在礦產(chǎn)資源探測中發(fā)揮重要作用(Smith et al.，2010).近年來，國內(nèi)也發(fā)展了包括CHTEM-I和CHTEM-II的航空瞬變電磁探測系統(tǒng)(Lin et al.，2021)，中國地質(zhì)調(diào)查局航遙中心和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所也在相關(guān)科研項目的資助下，開展航空瞬變電磁探測系統(tǒng)的研發(fā)與測試工作.半航空電磁法僅需將接收裝備搭載在飛行平臺上，故可采用小型無人機(jī)開展相關(guān)研發(fā)和測試工作，目前國內(nèi)包括成都理工大學(xué)、驕鵬公司和吉林大學(xué)等，都發(fā)展了半航空電磁探測系統(tǒng)，并開展了實際測試與探測(Wu et al.，2019).

(2) 噪聲去除技術(shù).當(dāng)今電磁法勘探大多要處于干擾環(huán)境中實施，即須在強(qiáng)干擾的背景下提取微弱有效信號，電磁法噪聲去除技術(shù)成為探測取得成功的前提條件之一.近年來，基于原始數(shù)據(jù)的噪聲去除技術(shù)得以發(fā)展，這其中既包括了在硬件系統(tǒng)設(shè)計時在噪聲壓制方面的考慮和設(shè)計，也包括對采集的原始時間序列的各種噪聲壓制技術(shù).在硬件噪聲壓制方面，低噪聲磁場傳感器、等值反磁通傳感器和磁通門的研發(fā)和設(shè)計能在一定程度上提高信噪比，同時也包括空心線圈傳感器的優(yōu)化設(shè)計等(劉長勝等，2019；裴易峰等，2019；劉騰，2019；王銀等，2017).在基于算法的噪聲壓制技術(shù)方面，近年來發(fā)展了基于數(shù)字遞歸陷波的噪聲周期噪聲壓制(張文偉等，2020)、基于Hilbert-Huang的時頻域噪聲去除(朱通，2018；Li et al.，2016)和基于正交多項式法的航空電磁運(yùn)動噪聲去除(黃威等，2019)等新技術(shù)，基于深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)開始被應(yīng)用于瞬變電磁數(shù)據(jù)的噪聲壓制(Wu et al.，2020).盡管新的噪聲壓制技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但是目前還沒有一種對于各類噪聲均適用的去除技術(shù).在礦產(chǎn)資源探測的實際應(yīng)用中，噪聲源的定位和分析對于規(guī)避可能的噪聲干擾至關(guān)重要.同時，記錄并分析測區(qū)的純噪聲信息也能夠為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供必要的基礎(chǔ).

(3) 反演成像技術(shù).隨著儀器裝備的發(fā)展，近年來在航空和地空電磁方法的數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和正反演方法的研究方面也取得了一系列研究成果.其中，作為從數(shù)據(jù)到電阻率映射的核心環(huán)節(jié)，反演和成像研究是近年來的研究熱點，這其中包括視電阻率成像、橫向約束反演、貝葉斯反演和2D/3D反演等技術(shù)(Xue et al.，2020).針對航空和半航空電磁探測系統(tǒng)的特殊性，對地面電磁法中得到有效應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行改造和拓展，發(fā)展了小波去噪技術(shù)、視電阻率成像和合成孔徑成像等數(shù)據(jù)處理和成像方法(李肅義等，2013；李貅等，2015).在反演方面，基于一維正演算子，橫向約束反演在航空電磁法中已成為數(shù)據(jù)反演的主流方法(Christensen et al.，2009；Vallée and Smith，2009).基于隨機(jī)采樣的貝葉斯方法近年來也得到有效應(yīng)用，在恢復(fù)模型電阻率的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步的提供模型參數(shù)的不確定性，能夠為數(shù)據(jù)的解釋提供更堅實的支撐(Hawkins et al.，2018；Killingbeck et al.，2020).在數(shù)據(jù)的高維反演方面，基于Footprint的基本概念所發(fā)展的高維反演方法，已完成模型測試和部分實測數(shù)據(jù)的反演(Yin et al.，2014，2015).電磁數(shù)據(jù)的高維反演一般采用高斯-牛頓法(GN)、擬牛頓法(QN)、L-BFGS或非線性共軛梯度法(NLCG).其中L-BFGS和NLCG每次迭代僅需開展一次正演模擬和一次伴隨正演，無需計算海森矩陣，在電磁數(shù)據(jù)的高維反演中應(yīng)用較多(殷長春等，2015).但是，L-BFGS和NLCG方法的收斂速度較慢，當(dāng)具有高效的數(shù)值模擬算子時，GN和QN方法是更好的選擇.

(4) 綜合解釋技術(shù).反演能夠從采集的電磁數(shù)據(jù)中獲取電阻率信息，但是為了進(jìn)一步推測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)或地質(zhì)目標(biāo)體，仍然需要結(jié)合地質(zhì)信息和其他地球物理結(jié)果.數(shù)據(jù)融合和模式識別技術(shù)的發(fā)展，使得電磁數(shù)據(jù)的自動化或者解釋成為一種新的趨勢.這種解釋方法的速度更快，且更具客觀性，能夠?qū)μ綔y目標(biāo)體進(jìn)行快速、定量化預(yù)測.Campanyà等(2019)采用統(tǒng)計分析方法將電測井分類結(jié)果映射到電阻率成像剖面進(jìn)行融合.Gulbrandsen等(2017)融合電磁法和測井?dāng)?shù)據(jù)，并將其直接用于地質(zhì)建模.數(shù)據(jù)融合算法和不斷增加的多源數(shù)據(jù)，使得相關(guān)研究逐步成為可能(Marker et al.，2017；Koch et al.，2014；He et al.，2014).此外，基于不同數(shù)據(jù)的誤差范圍，給出數(shù)據(jù)解釋的可靠性評價，也對數(shù)據(jù)的綜合解釋具有重要意義(Minsley et al.，2021).隨著重點測區(qū)多源地球物理場、地質(zhì)構(gòu)造和物理參數(shù)測井?dāng)?shù)據(jù)的不斷增加，使得綜合解釋成為一個重要的研究方向.

3 深部礦產(chǎn)資源地球物理探測實例

3.1 河北圍場銀窩溝銅多金屬礦SOTEM探測

河北圍場地處華北地臺北緣的內(nèi)蒙地軸中段，區(qū)內(nèi)太古宙-古元古代發(fā)生了角閃巖相和麻粒巖相區(qū)域變質(zhì)作用，形成了良好的金多金屬礦源層.中生代處于燕山陸內(nèi)造山帶北部，經(jīng)歷了印支運(yùn)動、燕山運(yùn)動和多期強(qiáng)烈的構(gòu)造巖漿活動，具有非常有利的金、銀、多金屬成礦的地質(zhì)條件.測區(qū)屬燕山山系，海拔標(biāo)高一般為1000～1300 m，地形起伏嚴(yán)重，以往探測深度300 m.

測區(qū)出露主要地層為侏羅系張家口組火山巖地層，局部為白堊系花吉營組.張家口組分布在區(qū)內(nèi)大部分地域，由于風(fēng)化強(qiáng)烈，產(chǎn)狀不甚清楚，大致沿火山口呈環(huán)狀向外傾斜的低角度產(chǎn)出.地表局部覆蓋淺層殘坡積物和洪沖積物.測區(qū)位于烏龍溝-上黃旗“Y”型斷裂東支西側(cè)，受區(qū)域構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育兩組斷裂構(gòu)造，主要是北東向，其次是北西向.兩組斷裂構(gòu)造共同控制著區(qū)內(nèi)六楞溝火山機(jī)構(gòu)，環(huán)狀及放射狀次級斷裂也較為發(fā)育，為礦液的運(yùn)移、沉淀提供了有利的構(gòu)造空間.

以往資料表明，不含金屬礦物類巖石的電阻率均值多在2500 Ωm以上，而含金屬礦物類巖石的電阻率視礦物的含量而定，一般小于不含礦巖石，如含銅品位3%左右的浸染狀銅礦石電阻率約為200 Ωm.因此，礦區(qū)內(nèi)礦化異常體表現(xiàn)為低電阻率特性.

為調(diào)查區(qū)內(nèi)控礦、賦礦構(gòu)造，圈定找礦靶區(qū)，在礦區(qū)范圍內(nèi)共布設(shè)10條SOTEM測線，每條測線長度為800 m，測線間距為50 m，測點間距20 m，共有410個測點.發(fā)射源沿測區(qū)西南向村莊附近的一條道路布設(shè)，發(fā)射源方位大致為東偏南46°，長度為750 m.測線L1距離發(fā)射源最近，線中心距發(fā)射源中心距離為645 m，測線L10距離發(fā)射源最遠(yuǎn)，中心點距離為1090 m(圖2).

圖2 測線布置示意圖Fig.2 Schematic of the layout of the survey line

對10條測線的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波與反演成像，得到每條線的電阻率-高程斷面圖.反演中，模型最大深度為1500 m.圖3給出了L4和L7線的反演結(jié)果.處理結(jié)果顯示測區(qū)內(nèi)電阻率由淺及深逐漸增高，由淺部的幾十歐姆增大到深部的幾千歐姆.橫向上，一定深度范圍內(nèi)的電阻率出現(xiàn)幾處高低阻的突變.結(jié)合地質(zhì)工作查明的斷裂情況，推斷電阻率-高程斷面圖中出現(xiàn)的橫向電阻率突變位置對應(yīng)于斷裂帶穿過的地方.因此，在圖中可以定性地圈定出幾條斷裂，如圖3中紅線所示.

圖3 L4、L7線反演電阻率-高程斷面圖Fig.3 The section of recovered resistivity-elevation for L4 and L7

將所有測線處理結(jié)果匯總成三維立體圖，如圖4所示.根據(jù)成礦理論及礦床富集規(guī)律，特別是針對該區(qū)的巖漿成礦機(jī)制，斷裂帶附近尤其是多個斷裂交匯處是成礦元素容易隨巖漿運(yùn)移、匯集的區(qū)域，是找礦的主要目標(biāo)區(qū).圖5所示的電阻率平面圖中，均可以圈定幾處明顯的斷裂交匯導(dǎo)致的低阻區(qū)域，結(jié)合地表踏勘及已有地質(zhì)資料，認(rèn)為該區(qū)域可能是礦體的富集區(qū).

圖4 三維立體圖與平面等值線圖Fig.4 3D demonstration of the recovered resistivity

根據(jù)SOTEM電阻率-高程斷面圖及不同深度的電阻率平面圖，我們推斷出6處為可能的賦礦位置，如圖5所示，建議實施鉆探驗證，建議鉆探深度600 m，并有可能對鉆孔1和鉆孔6鉆進(jìn)至1000 m.鉆孔結(jié)果證實深部發(fā)現(xiàn)了鉛、鋅、銅、鐵等礦化巖石(表1).

圖5 電阻率平面分布圖與建議鉆孔位置Fig.5 Plane view of resistivity distribution and the position of the suggested drill holes

表1 鉆孔揭露含礦巖石信息Table 1 Drill holes to reveal information about ore-bearing rocks

3.2 膠東焦家金礦田CSAMT深部探測

膠東位于華北克拉通東南邊緣，是中國最重要的金成礦區(qū)，已探明金資源量超過5000 t，占全國的近1/3，其中，近年探明的500～2000 m第二深度空間金資源量已達(dá)第一深度空間的2倍(宋明春等，2019).地球物理方法在第二深度空間找礦中發(fā)揮了重要作用(Song et al.，2012a；宋明春，2015；宋明春等，2020).

焦家金礦田處于膠東的西北部，其西側(cè)鄰近渤海灣.該區(qū)主要由早前寒武紀(jì)變質(zhì)巖系和侏羅—白堊紀(jì)花崗巖類組成，地表被第四系松散沉積物淺覆蓋.焦家斷裂是焦家金礦田的控礦斷裂，該斷裂長約60 km，寬50～500 m.斷裂總體走向NNE，但變化較大，在10°～75°之間呈S型變化；斷裂傾角10°～78°，呈淺部緩、深部陡，陡、緩交替的鏟式階梯狀特征.斷裂下盤發(fā)育較多與走向平行或呈“入”字型相交的次級斷裂.斷裂總體發(fā)育于早前寒武紀(jì)變質(zhì)巖系與侏羅—白堊紀(jì)花崗巖類接觸部位.該斷裂控制了焦家、新城、河?xùn)|、河西等20余處金礦床，已探明的第一深度空間金資源量約500 t，第二深度空間金資源量超過1000 t.

研究表明，焦家斷裂為淺部傾角陡向深部變緩的鏟式斷裂，而且由淺至深顯示陡、緩交替變化的臺階式或坡坪式特點，礦體厚大部位賦存于臺階的陡緩轉(zhuǎn)折和平緩部分，在2000 m垂向深度以淺出現(xiàn)淺部和深部兩個大規(guī)模的賦礦臺階(或稱礦化富集帶，其中各有多個小規(guī)模的賦礦臺階)，二者之間為無礦間隔或弱礦化帶.由此建立了膠東深部金礦階梯成礦模式，金礦控礦斷裂沿傾向出現(xiàn)若干個傾角由陡變緩的變化臺階，破碎帶蝕變巖型礦體主要沿臺階的陡、緩轉(zhuǎn)折和平緩部位富集，構(gòu)成階梯式分布型式(圖6)(Song et al.，2012b；宋明春等，2010，2020).根據(jù)階梯成礦模式和與成礦有關(guān)地質(zhì)體的物性特征，首先采用頻率域電磁探測深部構(gòu)造和有利賦礦部位，識別控礦斷裂向深部傾角變緩的臺階，即在地表通過高精度地球物理探測，查明控礦斷裂或成礦地質(zhì)體向深部的結(jié)構(gòu)變化，根據(jù)階梯模式推斷深部礦的位置、規(guī)模，這一找礦方法被稱為深部金礦階梯找礦方法(宋明春等，2020).

圖6 膠東深部金礦階梯成礦模式(Song et al.，2012b，2021)Fig.6 The Ladder mineralization mode for the deep-seated gold deposit at Jiaodong area

在焦家金礦田的寺莊礦區(qū)360勘探線施工的CSAMT剖面，揭示了焦家斷裂的深部特征和深部礦體位置.剖面長度3.2 km，探測深度2.0 km.探測結(jié)果表明，視電阻率曲線可分為中上部的低阻帶、底部的高阻帶和之間的過渡梯級帶(圖7).根據(jù)該區(qū)主要地質(zhì)體的物性特征推斷，剖面中上部的低電阻率電性層與新太古代變質(zhì)巖系相對應(yīng)，底部的高阻電性層與侏羅紀(jì)玲瓏花崗巖相對應(yīng).淺部礦體已得到鉆孔控制.過渡梯級帶等值線自上而下呈舒緩波狀定向延深，與焦家斷裂帶相對應(yīng).在2200號測點以東的已知鉆孔控制區(qū)域，2300—2750號點之間見有多層金礦體，該段的視電阻率等值線顯示間距寬大、同步向下彎曲的特征，為斷裂傾角較緩段，符合階梯成礦特征.在2200—0號測點之間的未知地段，視電阻率等值線顯示有4段向下彎曲變化相對較大、等值線間距相對較大的區(qū)段，分別位于1900—2200號點間、1200—1500號點間、700—1000號點間和0—300號點間，推斷為斷裂傾角變化的臺階位置，即為深部成礦的有利部位.

圖7 寺莊礦區(qū)360線CSAMT法剖面和推斷的深部地質(zhì)成礦特征1-已控制斷裂蝕變帶； 2-推測斷裂蝕變帶； 3-已控制金礦體； 4-推斷深部礦體； 5-已施工鉆孔位置.Fig.7 The resistivity section of CSAMT survey and the deduced features of deep geological mineralization1-Controlled fracture alteration zone； 2-Deduced fracture alteration zone； 3-Controlled gold orebody； 4-Deduced deep orebody； 5-Drill holes.

根據(jù)階梯成礦模式的電磁探測結(jié)果，經(jīng)過系統(tǒng)的深部鉆探，在940～2030 m深度范圍內(nèi)探獲金金屬量389 t(宋國政等，2017)，探獲礦體的分布范圍和位置與本文上述的描述大致一致，驗證了階梯找礦方法在膠東深部找礦中的有效性.通過深部金礦勘探還發(fā)現(xiàn)，以往認(rèn)為獨立分布的焦家、馬塘、寺莊、寺莊深部、馬塘深部、焦家深部、紗嶺-前陳等金礦床，其主礦體在第二深度找礦空間相互連接，實際屬于同一金礦床，這一礦床已累計探明金資源量超過1200 t，為一世界罕見的超巨型金礦床(宋明春等，2019).

4 結(jié)論

我國處于快速工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時期，亟需巨量礦產(chǎn)資源作為支撐，礦產(chǎn)資源的緊缺已成為現(xiàn)實，對外依存度不斷增高，實施第二深度空間金屬礦產(chǎn)資源的找礦、勘探和開發(fā)已迫不及待.在深部金屬礦產(chǎn)資源的探查和開發(fā)中，必須依靠新的認(rèn)識和新的理念，采用先進(jìn)的、高精度的地球物理探測方法和技術(shù)，并建立起有自主特色的深部礦產(chǎn)資源探查理論、方法和技術(shù)體系.本文所舉的兩個實例證實了在第二深度空間探查與發(fā)現(xiàn)大型和超大型礦床有著極大的遠(yuǎn)景，有力地支撐了第二深度空間礦產(chǎn)資源成礦理論的發(fā)展.今后的地球物理找礦研究還應(yīng)該關(guān)注以下幾個方向：

(1) 加大第三深度空間地球物理精細(xì)探查工作.開展第二深度空間探測時，厘清深部礦產(chǎn)資源的形成、演化和分布規(guī)律，開展成礦作用和地殼深部結(jié)構(gòu)以及深層動力學(xué)研究，是確保探測結(jié)果可靠性和延續(xù)性的重要手段.為此，開展第二深度空間礦產(chǎn)資源探測，不應(yīng)將目光僅局限在500～2000 m的第二深度賦礦空間，而應(yīng)探索更深部的地球物理參數(shù)分布，解譯深部的成礦和構(gòu)造環(huán)境，揭示礦產(chǎn)資源的垂向分布和演化.因此，地球物理方法和技術(shù)的創(chuàng)新，應(yīng)不斷向更大深度的探測空間延伸，著力發(fā)展具有更大探測深度潛力的地球物理方法.

(2) 研發(fā)立體化探測新技術(shù)體系.地球物理數(shù)據(jù)采集通常僅能在地表有限區(qū)域開展.隨著近年鉆探能力的提升和航空飛行器等裝備的飛速發(fā)展，在地下深處和空中也能觀測到地球物理數(shù)據(jù).這些數(shù)據(jù)與地面觀測的數(shù)據(jù)能夠形成交叉互補(bǔ)，會極大的減弱觀測數(shù)據(jù)反演結(jié)果的多解性.盡可能利用潛在的觀測空間，開展井中-地面-空中立體探測，成為獲取深部可靠信息的重要方向.當(dāng)前立體化探測仍然出于分散研發(fā)和粗放應(yīng)用階段，如何發(fā)展一體化探測方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，是開展大規(guī)模、集成化深部探測的重要途經(jīng).

(3) 綜合利用多源地學(xué)信息.礦產(chǎn)資源的形成與地球內(nèi)部物質(zhì)和能量交換，及其深部過程和動力學(xué)機(jī)制密切相關(guān).加強(qiáng)第二深度空間的找礦工作，離不開地球物理學(xué)與相關(guān)學(xué)科的交叉和互促.尤其將地球科學(xué)作為整體開展研究時，如何有效整合多學(xué)科數(shù)據(jù)和信息，開展基礎(chǔ)和理論性研究，從多方位、多角度解析多源信息，地球科學(xué)從定性分析向定量刻畫挺進(jìn).凝練交叉學(xué)科的核心科學(xué)問題，推動地球科學(xué)學(xué)科交叉融合，將成為新時代找礦勘查的重要方向.

致謝感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李海和陳衛(wèi)營副研究員在本文成文過程中提供的幫助.