高原冻土覆盖区某铅锌矿的多功能电法试验研究

王珺璐， 林品荣， 刘卫强， 王 萌

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000 2.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083 3.中国国土资源航空物探遥感中心， 北京 100083)

0 引言

青藏高原矿产资源极为丰富，现已查明数十条规模巨大的多金属矿找矿远景区。合理推进青藏高原矿产资源的勘探与开发，对于保证我国矿产资源的可持续供应具有举足轻重的地位[1-3]。地球物理探测技术，尤其是综合电(磁)法探测技术是隐伏矿产地质勘查的重要手段，具有探测深度大、分辨率高、方法手段多元化的特点，在深部找矿勘探中发挥着越来越重要的作用[4-5]。但是青藏高原存在全球中、低纬度地带海拔最高(平均4 000 m以上)、面积最大(超过100×104km2)的冻土区。该区内气温极低、寒冻作用强烈，对仪器设备低温工作稳定性要求极高；地形复杂，沼泽发育，交通状况差，大型物探设备运输及物探工作的开展非常困难；第三系、第四系大面积、大厚度覆盖，电法测量过程中的仪器布设、接地条件，尤其是对冻土覆盖层的穿透能力，严重影响物探技术的找矿效果。因此，复杂的气候、地理、地质条件对多种物探技术的开展均有不同程度的制约和干扰。笔者以青藏高原某铅锌矿为例，开展了高原冻土矿区多功能电法试验。

1 研究区地质与地球物理特征

1.1 矿体地质特征

研究区大地构造上位于VII-2-7开心岭-杂多-景洪岩浆弧(P2-T2)中，属“三江”多金属成矿带北段沱沱河铅、锌、铜、银、镉成矿远景区。区内平均海拔5 000 m以上，主要山峰均超过5 300 m，最大高差为600 m，山势总体呈北西向展布，形成了高原高寒半干旱至干旱沼泽湖泊丘陵景观类型。

图1 研究区Pb(-Zn)矿成矿模式图Fig.1 Pb(-Zn) metallogenic model in the study area

图2 研究区内含冻土层的钻孔岩心照片Fig.2 Photos showing drilling core with tundra in the study area(a)冻土岩心；(b)融化后的岩心

研究区Pb(-Zn)矿矿体成因总体表现为中低温热液成矿的特征，成矿模式见图1。区域性断裂对整个研究区成矿控制作用明显，来自深源的含矿流体或重力驱动的含矿流体以断裂为通道发生迁移而到达地壳较浅部，并在其旁侧一系列次级构造中富集成矿，这些断裂为区域的导矿构造，同时也可是容矿构造。经钻探验证，在研究区深部发现了厚度大、品位高的铅锌矿体。

1.2 冻土分布情况

研究区年平均气温在-4.9℃，最高气温为20℃，最低气温可达-30℃。气温低、寒冻作用强烈，致使区内多发育连片冻土及岛状分布的冻土。冻土层厚度随第四系覆盖层厚度变化，从几米到一百余米不等。如0线8号钻孔(图2)，冻土层位于地面下2.8 m～3.9 m的范围内，冻土岩岩心取出地表，很快解冻。此外受季节影响，夏季冻土层表层可融化近2 m。每年5月-6月进入雨季，表层冻土融化形成沼泽。

1.3 电性特征

从研究区岩(矿)石电性统计资料(表1)可以看出，区内砂岩、粉砂岩电阻率最低，泥晶灰岩电阻率相对较高，灰岩、块层状灰岩电阻率最高；矿石的极化率普遍高于不含矿岩石，且铅矿石的电阻率明显高于锌矿石。因此，本区含矿岩性与非矿岩性之间存在较明显的电性差异，这为电磁法深部找矿提供了良好的物性基础。

另外，冻土层的电阻率相对于围岩一般较高，会在浅部形成高阻屏蔽层。更加不利的是，该区位于三江源地区，进入雨季，降水量非常大。随着降水量的增加以及浅部冻土的融化，永冻层上部地层的含水量增大，导致电阻率明显降低，在高阻层上部形成一套连续的低阻层。雨季是高原区野外工作的黄金季节，会给电(磁)法探测工作带来很大的干扰。

2 工作方法选择与布设

2.1 方法选择

激电法是开展多金属矿产勘查中重要的方法。研究区以往仅开展了双频激电和激电中梯测量，由于发射电流小、穿透冻土覆盖层的能力弱，或因极距及其他工作参数选择不合适等因素，使得物探电法测量工作未能取得理想的效果。

研究区内第四系大面积覆盖，加上地表浅部的这一套低-高阻地层，对仪器设备、工作方法及解释技术提出了很高的要求。当向地下供电时，电流聚集于地表低阻层中，很难穿透高阻永冻层。为增大探测深度，必须增大供电极距。但若发射电流强度不变，必然又会导致信噪比降低，甚至无法测得有效信号(电极端接收的信号强度小于仪器可识别的信号强度)。因此，选择合适的测量装置参数，同时改善接地条件，增大供电电流十分关键。由于地表低阻层覆盖，导致激电数据上产生较强的电磁耦合现象，以至于激电效应淹没其中，无法识别，研究有效的数据处理技术也至关重要。

表1 研究区岩(矿)石电性标本测定统计表

图3 研究区物探工作布置图Fig.3 Locations of geophysical method in the study area

对于直流电法而言，增大供电极距固然可以增大探测深度，但必然受到多种因素的制约，无法实现深部(500 m～1 000 m)高分辨率探测。可控源音频大地电磁法(CSAMT)具有勘探深度大、垂向分辨率高、不受高阻屏蔽影响的特点，在开展深部探测时优势明显[6～9]。

因此，针对高原冻土覆盖区这一特殊地质地理条件，考虑到研究区地质—地球物理条件，在研究区采用国产大功率(30 kW)多功能电法系统(DEM-V)开展工作[10-13]。首先采用TDIP快速查明研究区内视极化率与视电阻率分布情况，圈定异常区；进而在异常区开展偶极-偶极装置频谱激电(RPIP)测深测量，确定极化体的埋深及空间分布情况；同时开展可控源大地电磁测深(CSAMT)测量，研究深部地质体的电阻率异常分布情况。具体工作部署见图3。

2.2 工作参数

为实现有效探测，经实际踏勘和关键技术参数实验，确定了实验应用的具体技术参数。工作中TDIP装置供电极距为3 000 m、接收极距为50 m、供电周期为16 s。RPIP装置供电极距为100 m、接收极距为100 m、点距为50 m、隔离系数3～10；测量频率4 Hz、2 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.25 Hz。CSAMT采用赤道偶极标量测量方式，最小垂直收发距为7 185.6 m、发射极距为1 100 m；频率8 000 Hz～0.279 02 Hz、接收极距为50 m、点距为50 m；剖面总长度为6.4 km。

接地处理的质量是冻土区开展电法工作的关键。在研究区内区分覆盖层与基岩，选择合适区域进行供电电极的布设。采用埋设锡箔纸、铜网、铜电极等方式组合供电。埋设时深挖坑，每条坑的长不小于1 m，宽不小于0.5 m，坑深不小于0.5 m，减小接地电阻，增大供电电流。供电电流不满足要求时，还可以利用降阻剂、使用低电阻模块等方法来实现降低接地电阻的目的[14]。工作中TDIP与CSAMT供电电流达到15 A以上；RPIP供电电流一般为2 A～10 A。

3 数据处理关键技术

电磁法数据处理包括：①数据解码；②坏点删除；③圆滑；④去耦；⑤反演等步骤。由于研究区地表存在的浅部低-高阻地层，导致常规数据处理结果不理想。因此，如何克服冻土覆盖层及地表低阻层的影响，是数据处理的关键。

3.1 时域全波形数据处理技术

对于TDIP数据，由于供电极距较大，虽大电流供电，但是在电阻率极低地区接受信号的信噪比较低。常规在时间域计算视极化率时，仅采用断电时下降沿附近部分信号，在处理低信噪比信号时会出现较大的误差。针对这一问题，我们采用了时间域激电全波形采样的多参数提取数据处理方法[15]。通过对整周期TDIP全波形数据进行傅里叶变换，提取基频及谐波对应的复电阻幅值、相位，进而可以采用频域多频去耦方法计算去耦后的视频散率以及激电相位。

3.2 频域多频去耦技术

由于地表低阻层等的影响，导致测量信号中存在较强的电磁耦合效应。因此，多频去耦是频域数据处理的关键，包括视频散率参数去耦与视相位去耦[16-19]。

对于含有较强电磁耦合效应的视频散率参数，采用幂函数校正模型进行去耦。当由两组或多组低频fd和高频fg实测的到的视频散率Ps包含电磁耦合效应时，可表示为式(1)[16]。

(1)

式中：A与α为表征电磁耦合频率特性的参数，对于中梯装置α=1.5～1.75≈1.6，对于偶极装置α=1.25～1.4≈1.3；ks为常数(视频散率系数)，表征纯激电效应幅频特性。由两组或多组高低频实测频散率即可计算ks。

对于视相位参数，认为电磁耦合相位与频率之间成线性关系且斜率接近于“1”，可用式(2)进行去耦[19]。

(2)

利用上述方法，可以对TDIP全波形数据提取得到的视频散率以及激电相位进行去耦处理，进而开展定性解释；也可以对多频相位激电测深数据进行去耦处理，进而进行视电阻率与视频散率的二维带地形反演。

3.3 CSAMT数据处理

研究区内浅层存在断续的电性不均匀体，因此静态效应校正是CSAMT数据处理的关键。笔者采用基于电磁阵列剖面法(EMAP)的处理方法[20]，该方法建立在宽频带采集数据的基础上，通过可变截止频率的低通滤波，消除电性构造横向不均匀性造成的静态影响。CSAMT数据在完成静校正等预处理之后，进行视电阻率和相位联合带地形拟二维反演。

图4 研究区激电中梯测量结果Fig.4 Locations of geophysical method in the study area(a)视频散率系数平面等值线图；(b)视电阻率平面等值线图

4 综合解释

4.1 激电中梯扫面成果分析

图4为研究区大功率激电中梯实验结果。结合研究区岩石电性标本测定结果可以看出：该区激电中梯测得的视电阻率异常范围与区内各岩性地层分布范围基本吻合。九十道班组上岩段(P2J2)浅灰白色灰岩平均电阻率24 882 Ω·m，在图4(b)中表现为东西向高阻异常带；五道梁组(E3N1W)灰白色泥晶灰岩平均电阻率2 058 Ω·m，在图中为大面积低阻区域；研究区北部的第四系覆盖区域视电阻率相对五道梁组泥晶灰较高。另外，在沱沱河组与十道班组之间的角度不整合带附近裂隙较发育，在图中表现为东西向低阻条带。

视频散率系数等值线图(图4(a))中南部的东西向高极化异常带与铅锌矿体在地表的出露范围吻合较好。

4.2 综合剖面成果分析

图5为研究区L00线多方法综合断面对比图。L00线TDIP视频散率系数曲线在1 000 m～1 600 m范围内出现高值异常，异常特征与已知矿脉位置、倾向吻合良好。视电阻率曲线在1 900 m两侧出现明显差别，小号点一侧表现为九十道班组(P2J2)与沱沱河组(Et)的高阻地层；大号点一侧表现为五道梁组(E3N1W)与第四系(Q4)的低阻地层。视电阻率曲线在铅锌矿脉相对位置上偏高，没有明显异常显示。

RPIP测深反演得到的频散率、电阻率断面与TDIP反应信息基本一致。频散率断面在1 000 m～1 800 m范围内出现高值异常带，倾向北东，这与已知铅锌矿脉的空间位置、展布形态吻合良好。异常带存在两个异常中心，分别位于1 050 m～1 250 m、1 550 m～1 700 m处，异常中心与锌含量高的矿脉位置出现一定的吻合。电阻率断面在1 000～1 800 m范围内出现明显北东倾的电阻率过渡带，铅锌矿脉整体存在于电阻率的明显过渡带附近；在图5中1 100 m～1 300 m附近，4 400 m～4 700 m高程附近的锌含量较高的矿脉，出现低阻显示；其他铅矿脉出现中高阻显示。

CSAMT探测深度大，本次工作反演深度接近1 000 m。从CSAMT反演电阻率断面(图5(d))可以看出，其浅部与RPIP测深电阻率断面吻合良好。1 300 m～1 800 m处的高阻异常没有向深部延伸，高阻异常带下部出现明显低阻带。结合图1可以看出，CSAMT电阻率断面与成矿模式图反应信息基本吻合，深部的低阻带可能与两条断裂带有关。

综合分析三种方法处理结果可以看出：三种方法取得的同种物性参数特征基本一致，尤其是多频相位激电测深与可控源音频大地电磁测深电阻率断面反应浅部的地下电性结构基本一致；极化率参数与已知矿脉分布吻合良好，大功率激电中梯能快速反应矿脉范围，多频相位激电测深能详细刻画矿脉的位置、形态等特征；电阻率也基本能够反应矿脉的电性变化特征；矿脉整体存在于电阻率的明显过渡带附近；电阻率高低与矿脉中铅、锌的含量有关。

图5 L00线多方法综合断面解释Fig.5 Locations of geophysical method in the study area(a)TDIP剖面图；(b)RPIP测深频散率反演断面图；(c)RPIP测深电阻率反演断面图；(d)CSAMT测深电阻率反演断面图

4.3 三维空间展布

四条CSAMT测线电阻率反演结果一致性良好，与已知地质资料吻合度较高。依据CSAMT测量结果，建立了研究区深度1 000 m范围内的三维电阻率结构(图6)。据此，可以研究深部电性结构，对该区成矿模式研究与深部找矿具有一定借鉴意义。

5 结论

以沱沱河地区某铅锌矿为例，开展高寒冻土区厚覆盖条件下的隐伏矿综合电磁法探测试验。获得以下结论：

图6 CSAMT反演电阻率三维结构Fig.6 3D resistivity structure of CSAMT

1)电阻率参数对地质界线与地下岩体结构刻画准确，对矿脉的电性变化特征也具有一定分辨；极化率参数与已知矿脉分布吻合良好。

2)利用大功率激电中梯可以快速查明研究区构造分布与矿脉范围；利用多频相位激电测深可以详细刻画矿脉的位置、形态等特征；利用可控源音频大地电磁测深可以研究测地表以下1 km深度范围内的电阻率分布特征，研究深部地质体结构。

3)在冻土区进行电磁探测工作时，为克服冻土层的影响，需要合理布设工作装置，选择合理地点布设发射源，进行大电流供电。

4)受冻土层的影响，会在地表浅部形成低-高阻地层，导致常规数据处理结果不理想。因此，要选择适合冻土覆盖层的数据处理方法，包括时间域激电全波形采样的多参数提取数据处理方法、频率域激电的多频去耦数据处理方法、音频大地电磁静校正数据处理方法等。致谢野外工作期间，得到了青海省第五地质矿产勘查院刘长征、刘群等同志的大力支持与帮助，在此表示感谢！