瞬变电磁法在新疆东天山天宇铜镍矿区的应用效果

武军杰，杨 毅，王兴春，张 杰，邓晓红

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000)



瞬变电磁法在新疆东天山天宇铜镍矿区的应用效果

武军杰，杨 毅，王兴春，张 杰，邓晓红

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000)

为认识新疆东天山地区与基性-超基性岩体有关的岩浆型硫化物铜镍矿床的电性特征，在天宇铜镍矿区开展了TEM方法试验研究。通过TEM试验，获取了地面及地-井装置瞬变电磁法TEM响应、时间常数、电阻率等参数，并分析了它们与矿体、断裂、岩体等地质特征的关系。试验结果表明，瞬变电磁法在硫化物铜镍矿床应用效果良好，能为该种类型矿床的勘查提供一定的参考。

天宇 瞬变电磁 硫化物铜镍矿床 电性特征

Wu Jun-jie, Yang Yi, Wang Xing-chun, Zhang Jie, Deng Xiao-hong. Application of TEM in the Tianyu Cu-Ni deposit in East Tian Shan, Xinjiang [J]. Geology and Exploration, 2015, 51(5):0970-0976.

1 引言

新疆东天山地区是我国重要的Cu-Ni-Au-Fe成矿带(秦克章等，2002、2007；唐冬梅等，2009；焦建刚等，2013；冯宏业等，2014)。该地区产出一系列铜镍矿化镁铁-超镁铁岩体(黄山、香山、图拉尔根、葫芦、马蹄、土墩等)，其中黄山、图拉尔根为大型铜镍矿床，香山、葫芦为中型矿床，还有一系列小型铜镍矿床(唐冬梅等，2009)。另外，从成矿地质环境与相关矿床类型来看，东天山地区也具有很好的岩浆型铂族元素矿床的成矿条件(唐冬梅等，2009)。

白石泉-天宇铜镍矿区是新疆地矿局地质六大队在东天山地区发现的两处镁铁-超镁铁杂岩体有关的铜镍矿床(唐冬梅等，2009)。该地区出露的地层为一套古老的变质岩系，古老基底经历了多次构造运动，伴随着构造运动，岩浆活动极为活跃，侵入岩大面积展布，其漫长的地质活动不但使该地块内构造格架极为复杂，同时也为Fe、Cu、Ni、Pb、Zn、Au、Ag等矿床的形成提供了有利条件(秦克章等，2002；唐冬梅等，2009；邓刚等，2012)。区内发现了白石泉、天宇、天香等铜镍矿床(点)，同时分布有大量的基性-超基性岩体(邓刚等，2012)。

目前国内对于天宇矿区的研究较多，相关学者对于矿区的地质构造、岩相地球化学特征、岩浆演化、成矿模式、同位素物质来源示踪、造岩矿物特征、地质特征找矿方向等方面进行了系统研究，取得了丰硕的科研成果(花林宝等，2002；肖昱，2003；徐国端等，2003；方维萱等，2006；宋林山等，2008、2014；唐冬梅等，2009；邓刚等，2012；黄小文等，2012)。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在天宇铜镍矿区建立了野外实验基地，并且开展了大量的物化探工作，以期总结该种类型的铜镍硫化物矿床的地球物理特征及地球物理模型，从而为新疆东天山一带寻找相同类型的矿床提供有效的勘查技术。

瞬变电磁法(TEM)属于时间域人工源电磁方法，是以大地中岩(矿)石的导电性和导磁性为物性前提，根据电磁感应原理观测、研究电磁场空间和时间分布规律，以寻找地下良导矿体或解决相关地质问题的一种勘查方法。由于TEM方法是通过不接地回线发射，探头接收，不存在接地问题，适合在新疆干旱戈壁地区开展勘查工作。在金属矿勘查中，瞬变电磁法主要用于寻找良导性的致密块状、团块状、网脉状硫化物矿体并取得了良好应用效果(薛国强等，2011；丁志强等，2012；于淼等，2013；张龙飞等2014)。本文试图通过TEM方法的应用来总结天宇矿区内主要目标地质体的电性特征规律。

2 矿区地质概况

新疆东天山天宇铜镍矿区位于新疆哈密市东南方向约170km，矿区为起伏的低山丘陵区。矿区位于塔里木板块(Ⅰ级)北东侧中天山地块(Ⅱ级)北缘(图1)(唐冬梅等，2009)。该地块为一古陆块，北以阿齐克库都克—沙泉子深大断裂为界与觉罗塔格晚古生代岛弧带相接，南以卡瓦布拉克—红柳河深断裂为界与北山裂谷带相邻，呈近东西带状，略向南突的弧形分布(邓刚等，2012)。矿区出露的地层主要为中元古界长城系星星峡群、蓟县系卡瓦布拉克群，其次有古生界石炭系雅满苏组、底坎尔组、二叠系阿其克布拉克组，局部地势低洼处有第四系冲积砂砾石覆盖。长城系星星峡群整体为一套浅海-滨海相正常沉积碎屑岩与其后中基性-酸性侵入岩经受区域变质作用形成，为区内基性-超基性杂岩体的主要围岩(唐冬梅等，2009)。区内构造较复杂，主要为断裂、褶皱和单斜构造。断裂构造主要为沙泉子深大断裂及其次级断裂，北部及中部表现为单斜构造，南部褶皱构造主要为白虎关复背斜(邓刚等，2012)。华力西期晚期侵入岩是区内基性-超基性杂岩体形成的主要阶段。天宇镍矿、白石泉铜镍矿均与华力西晚期的侵入岩关系密切。矿区根据基性-超基性杂岩体分布特征及规律划分为两个杂岩带：天宇杂岩带和白石泉杂岩带。天宇杂岩带中Σ20号杂岩体规模相对较大，具全岩矿化特征，天宇镍矿1号主矿体产于该杂岩体中。在杂岩体深部超基性岩类(辉石岩、橄榄辉石岩、橄榄岩)全岩矿化，而且橄榄岩即为矿体，一般都产于深部，以盲矿体为主，金属硫化物以磁黄铁矿、磁铁矿为主，镍黄铁矿、黄铜矿、紫硫镍矿、辉铜矿次之。Σ19号杂岩体在浅部具全蚀变，深部与围岩接触部位橄榄岩具弱矿化，部分可达到边界品位。区内超基性岩相对电阻率一般在87Ω·m～1857Ω·m，异常段极化率值一般为1.05%～1.41%，最高可达2.74%，呈低阻高极化特征。辉长岩、片岩、花岗岩、闪长岩等均呈高阻低极化特征。镍矿体主要产出杂岩体中部或中南部，多呈条带状、脉状，个别呈透镜状。含矿岩石主要为橄辉岩及(含橄)辉石岩，次为橄榄岩。矿体围岩主要为辉石岩、橄辉岩，次为元古界的花岗质糜棱岩、片麻状花岗岩、云母斜长片(麻)岩、变粒岩(邓刚等，2012)。

图1 天宇矿区构造位置略图(据唐冬梅等，2009)Fig.1 Map showing geology and deposits in the Tianyu area (after Tang et al.,2009)1-吐哈盆地；2-大南湖岛弧；3-觉罗塔格构造带；4-中天山地块；5-断裂构造线；6-镁铁-超镁铁岩体；7-小型Cu-Ni矿床；8-中型 Cu-Ni矿床；9-大型Cu-Ni矿床；10-大型V-Ti磁铁矿床1-Tuha basin; 2-Dnanhu island area; 3-Jueluotage tectonic belt; 4-Central Tianshan massif; 5-Fault; 6-Mafie ultramafic intrusions; 7-Small scale Cu-Ni deposits; 8-Middle sized Cu-Ni deposits; 9-Large-scale Cu-Ni deposits; 10-Large V-Ti magnetite deposits

3 野外工作方法

根据地质资料按照从已知到未知的部署原则，进行了地面TEM方法面积性的布置。图2为TEM方法测线布置示意图，测线范围为L33～L26，测线与原地质勘探线重合，并在两端延长，测线长度2.5km，线距100m，点距50m。共布置测线17条。

图2 天宇矿区地面TEM方法工作布置图Fig.2 TEM survey layout in Tianyu deposit area1-中元古界长城系星星峡组：1a-中亚组第五岩性段花岗质糜棱岩为主、黑云母石英片岩；1b-中亚组第四岩性段花岗片麻岩、角闪斜长片麻岩；1c-中亚组第三岩性段黑云母斜长片麻岩；1d-中亚第一岩性段云母石英片岩；1e-下亚组混合岩化花岗岩；2-片麻状花岗岩；3-辉长岩； 4-以辉石岩、橄辉岩、橄榄岩、为主的基性-超基性岩体；5-片理化细粒闪长岩；6-镍矿体； 7-断裂；8-TEM测线1-Meso-Proterozoic Changcheng series Xingxingxia formation stratum：1a-No.5 lithology granitemylonite,mica quartz slot of middle sub-formation; 1b-No.4 lithology granitic gneiss, hornblende plagioclase gneiss slot of middle sub-formation; 1c-No.3 lithology biotite plagioclase gneiss slot of middle sub-formation; 1d-No.1 lithology mica quartz slot of middle sub-formation; 1e-hybrid granite of lower sub-formation;2-gneissose granite; 3-gabbro; 4-basic-ultrabasic rock bodies; 5-foliated fine-grained diorite; 6-Ni-ore body; 7-faults; 8-TEM survey lines

TEM仪器使用加拿大Crone公司Digital PEM型瞬变电磁仪，装置为中心回线，发射框100m×100m，发射电流15A，发射时基20ms(基频12.5Hz)，下降沿500μs,叠加次数512。同步使用无线电同步，接收使用PEM探头(等效面积3850m2)测量Z分量感应电动势dB/dt数据。

4 TEM成果

图3为试验矿区TEM场值平面图。图中利用了实测第10道感应电动势值。图中给出了区内几条主要断裂以及镍矿体出露地表的大致位置。可以看出在170～220点号之间出现一条瞬变响应高值异常带。根据地质资料，该异常带反应的低阻体应为镍矿体下延部分，可以看出矿体整体上是向北倾的。出现的高值异常位置与TEM发射框的耦合关系有关，矿体由于陡倾使得TEM在矿体露头正上方并非最佳耦合位置，异常主要反映矿体下延部位。在位置关系上，矿体异常带基本位于F4和F5断裂之间，说明矿体受此两断裂控制。

图3 试验区TEM场值等值线图Fig.3 Contours of TEM response in the test area

图4为试验矿区L2线TEM拟二维反演电阻率断面等值线图。图中在160～195点号范围内出现相对低阻异常，电阻率约为100Ω·m，为已知Σ20号含矿杂岩体的反应。图中130、160、200点处分别为F5、F12和F4断裂的显示。在此断面上图中Σ19杂岩体反应明显，在230～310点号下方显示为低阻异常反应，电阻率约为100Ω·m。该低阻异常反应可能为Σ19号岩体在地下延伸部分的反应，而且局部电阻率与Σ20号含矿岩体反演电阻率接近，此部分岩体可能含矿。

图5为L14线TEM拟二维反演电阻率断面等值线图。图中在170～220点号以及240～260点号范围内出现相对低阻异常。图中可以看出两异常应均为Σ20号含矿岩体的反应。在此测线上Σ20号岩体异常范围有所扩大。160点号处为F5断裂的反应。此外290号点下方的异常显示应为岩性变化界面的反应。

图4 L2线TEM电阻率断面等值线图Fig.4 Contour profile of TEM apparent resistivity of Line 2

图5 L14线TEM电阻率断面等值线图Fig.5 Contour profile of TEM apparent resistivity of Line 14

图6为L18线TEM拟二维反演电阻率断面等值线图。图中在170～200点号以及260～275点号范围内出现相对低阻异常。根据地质资料并结合L14线反演结果，这两处低阻异常显示应均为Σ20号含矿岩体的反应。说明矿体在L14线开始出现分叉，在L18测线分叉更为明显。160、210点号处应

图6 L18线TEM电阻率断面等值线图Fig.6 Contour profile of TEM apparent resistivity of Line 18

为F5、F4断裂的反应。

在电阻率反演断面图中可以看出，矿体呈低阻显示，基性-超基性杂岩体由于具有矿化或者蚀变的性质，而显示出低阻的特性。断裂在反演图中反应明显，主要体现在高低阻的过渡带上。长城系背景地层一般显示为高阻，并且在岩性的分界面上电阻率略有所变化。

不同目标地质体在衰减曲线的显示也不相同。图7为L11线上不同目标地质体上方实测TEM衰减曲线。图中列出了Σ20号杂岩体正上方、边界部位，Σ19号杂岩体以及研究区南部和北部长城系地层背景部位的瞬变响应曲线对比情况。图中可以看出，Σ20号岩体为赋矿岩体，矿体为致密块状硫化物铜镍矿体，电阻率很低，其反映到瞬变响应曲线上则表现为衰减较慢，而长城系地层背景的瞬变响应曲线则较陡，衰减较快。Σ20号岩体的边界以及Σ19号岩体的瞬变响应曲线则介于两者之间。

图7 L11线不同地质体衰减曲线对比图Fig.7 Decay curves of d1fferent bodies

图8为矿区不同目标地质体τs(时间常数)值对比图。选取全部区内实测曲线，根据每一测点实测曲线计算τs值。共计完成785个测点的计算，其中矿体上方测点63个，τs平均值为0.50ms。不含矿杂岩体上(Σ20边缘、Σ19岩体)测点65个，τs平均值为0.33ms。背景地层测点657个，τs平均值为0.23ms。可以看出矿体衰减时间常数较大，不含矿岩体次之，背景长城系地层最低。

图8 不同目标地质体时间常数对比图Fig.8 Time constants of d1fferent bodies

图9为矿区反演电阻率三维表面图，图中展示了低阻异常在空间的分布形态。整体东部电阻率相对较高，西部较低。从图中低阻异常的分布看出，东面异常较浅、范围小，西面有变宽变深的趋势。局部来看，矿体在一些位置出现规模不大的分叉，可能与小的断裂构造有关。

图9 试验矿区TEM反演电阻率三维表面图Fig. 9 3D diagram of TEM apparent resistivity from data inversion of study area

图10为矿体上见矿钻孔地-井装置瞬变电磁法Z分量实测曲线。为展示实测剖面曲线随时间变化的特征，图中将实测数据分成早中晚三组分别绘制。图中1～8道为早期道，曲线图中可以看出在矿体下方数据突然变小且聚集在一起。而在中期道(9～16道)中在矿体位置处为正值异常(见矿异常)，矿体上方230m处以及矿体下方270m处曲线开始出现负异常的趋势。在晚期道(17～24道)曲线中异常特征更加明显，矿体位置较强的正异常，对应矿体中心，在230m和270m处出现负异常，对应矿体的上下边界。通过对比可以看出地-井瞬变电磁装置由于探头在钻孔内，更接近矿体，因此异常反应更明显和可靠。不同时间道对于异常的反应形态有所不同，可以看出，晚期道曲线更加可靠些。这是因为良导异常体TEM响应在晚期道还很强，而背景响应到晚期道已经很弱，因此使得异常对比更加明显。

5 结论

在新疆天宇铜镍矿开展的TEM勘查工作，并且对目标地质体开展了TEM特征的对比试验，试验结果表明，瞬变电磁方法在新疆东天山天宇铜镍矿区获得了良好的应用效果，能够反映控矿断裂和矿体以及岩体的分布状态。天宇铜镍矿是与基性-超基性岩体有关的硫化物铜镍矿，连通性较好，适合瞬变电磁法的勘查。本项工作对于总结该种类型的矿床电性特征规律能够起到一定的参考作用。

图10 地-井TEM剖面曲线Fig.10 Ground-well TEM response curves

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Application of TEM in the Tianyu Cu-Ni Deposit in East Tian Shan, Xinjiang

WU Jun-jie, YANG Yi, WANG Xing-chun, ZHANG Jie, DENG Xiao-hong

(InstituteofGeophysicalandGeochemicalExplorationCAGS,Langfang,Hebei065000)

An experiment of the transient electromagnetic method (TEM) was carried out in the Tianyu Cu-Ni deposit in East Tian Shan, Xinjiang. The purpose was to investigate the electrical characteristic of magmatic sulfide Cu-Ni deposits related to basic ultrabasic rock bodies. This test has collected the data of TEM response, time constant and resistivity using the ground-based and ground-borehole devices. This work also analyzed the relationship of these electric features with ore bodies, rock bodies and faults. The experimental results show a good application effect of the TEM in the sulfide Cu-Ni deposit, which can provide some reference for exploration of deposits of the same type.

Tianyu, transient electromagnetic method (TEM), sulfide Cu-Ni deposit, electrical characteristic

2014-12-14；

2015-08-03；[责任编辑]陈伟军。

老矿山深部和外围找矿专项(编号：12120113085800)、国土资源大调查项目(编号：12120113100500)和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(编号：AS2012P03)资助。

武军杰(1979年-)，男，高级工程师，长安大学在读博士生，主要从事电磁法应用研究。E-mail:wujunjie@igge.cn。

P631

A

0495-5331(2015)05-0970-07