航空瞬变电磁法在塔源二支线铅锌铜矿床的应用研究

彭莉红， 张 策， 骆 燕， 丁继双， 宁媛丽，朱 琳， 程莎莎

(1.核工业航测遥感中心， 石家庄 050002；2.中核集团 铀资源地球物理勘查技术中心重点实验室， 石家庄 050002；3.黑龙江省地质调查研究总院， 哈尔滨 150036)

0 引言

黑龙江省大兴安岭地区成矿条件优越，找矿潜力巨大[1-3]。但该地区为森林沼泽景观区，植被茂密，沼泽分布广泛、覆盖层厚、基岩出露较少，发育有永久或岛状冻土，采用单纯的地质、化探方法找矿效果不佳，严重影响了该区域矿产资源勘探开发进程[4-6]。航空瞬变电磁法是航空物探常用的测量方法之一，具有成本低，效率高，通行性好，可大面积勘查等优势，尤其适用于自然环境恶劣的地区，(如人类难以接近的森林植被覆盖区、沼泽、高山、沙漠等地区)，具有一般勘探手段难以达到的效果[7-10]。

2013年核工业航测遥感中心独家引进加拿大Geotech公司研发的VTEM航空瞬变电磁测量系统，先后在新疆、黑龙江、内蒙古、青海、吉林等省区成功地开展VTEM地球物理探矿工作。探测结果表明：航空瞬变电磁异常与已知矿体的形态、位置具有较高吻合度，并新发现十余处具有找矿前景的航电异常[11-13]。笔者以大兴安岭地区塔源二支线铅锌铜矿床为例，在开展1∶10 000航空瞬变电磁测量的基础上，利用时间常数、电阻率深度成像(RDI)、Fraser滤波等数据处理方法，研究了矿区已知矿体航空瞬变电磁异常特征，为大兴安岭森林沼泽景观区开展矿产资源勘查提供了方法技术借鉴。

1 航空瞬变电磁法勘探技术

1.1 基本原理

航空瞬变电磁法是基于岩性的电性差异，利用机载线圈向地下发送一次脉冲磁场(或电场)，即在发射回线上供一个电流脉冲，脉冲下降的瞬间，将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强，在一次场消失后，涡流不能立即消失，它将有一个衰减过程，该过程又产生一个衰减的二次场向地下传播，利用接收线圈测量不同延迟时间的二次磁场，通过该二次磁场随时间的衰减特性，进而可知地下不均匀地质体的导电性能和位置，达到探测识别不同电性差异地质体的一种航空物探方法[14](图1)。

图1 航空瞬变电磁勘探原理示意图Fig.1 Diagrarn showing the principle of ATEM

1.2 主要参数求取及其地质意义

1.2.1 时间常数

由电磁感应原理可知，导电体磁通量的变化，会产生与导电体一次磁场变化率成比例的电动势，该电动势会在导电体中形成瞬变衰减涡流。其时间常数(TAU)是目标体导电率(或导电性)和几何形态(规模)的函数[15]。衰减的电流会产生相应的二次场，可由接收线圈测量断电后的感应电压而得到。感应电压(e0)与二次场时间变化率成比例：

e0∝(1/τ)e-(t/τ)。

(1)

其中：τ=L/R，(ms)；L为有效电感(H)；R为有效电阻(Ω)。τ的求取方法较多，常用的是利用“移动τ”的方法，主要是根据衰减曲线，寻找最晚期(4个时间道)dB/dt和B场数据求取时间常数[15]。一般情况下，早期道响应的时间常数，反映的是近地表覆盖层及不良导体，晚期道响应的时间常数，反映的是埋藏相对较深的目标体或良导体。因此，根据dB/dt计算的晚期道响应的时间常数可以圈定航电低阻异常区。

1.2.2 电阻率深度成像

电阻率深度成像(RDI-Resistivity depth imaging)是通过对测量数据进行反褶积，从而将电磁响应衰减数据快速转化为相同意义上电阻率深度断面的一种方法[16]。我们所采用的电阻率—深度转换的RDI算法基于Maxwell A.Meju[17]的视电阻率转换和导电半空间的TEM响应原理。RDI能够提供具有参考价值的导体深度、垂向延伸等信息，并能提供每条测线上的一维层状介质视电阻率断面。根据RDI能够获得VTEM系统的探测深度、视电阻率、初始几何形态和导电体的位置等资料。

1.2.3 Fraser滤波

在测量过程中若没有干扰因素，实测的dBx/dt曲线的真零交点出现在低阻地质体或含水断裂带上方，以此来识别和圈定低阻异常体的空间位置(图2)。实际应用中由于存在地质噪声、相邻地质体及其他(如输电线路等)干扰因素，以及地形起伏等影响，往往导致剖面上的过零交点与地下隐伏低阻体实际位置间发生偏移，甚至不显示零交点或出现假零交点。因此，对实测资料尚须进行真、假零交点的判识及区域背景干扰因素的消除等[18]。

Fraser滤波法于1969年由D.C.Fraser首先提出，用于处理甚低频(VLF)电磁法数据，其应用的最基本条件是场源固定，探测目标体位于均匀场中，感应之二次电流可视为线电流。据此Crone等人应用它处理大定源外的TEM观测数据，取得令人满意的结果，计算公式为式(2)。

ξ’(x/2)=(-1)n[ξi+ξi+k-ξi+2k-ξi+3k]/N

(2)

式中：i为计算滤波之起始点号；k为滤波步长与测点距之比；ξ’(x/2)为绘图点，x=i+3k；n取1或2，取决于希望滤波后曲线之符号；N一般取1，当做不同步长之滤波时，取不同值以归一。该方法利用一个差分算子将投点或“交点”变成峰值，并用一个低通滤波器来消除噪声，滤波结果把测量剖面上的拐点或过零交点异常变成极大值(图2)，其峰值即对应地下低阻异常体[19]。

图2 倾斜薄板目标体响应特征示意图Fig.2 Z, X and Fraser filtered X (FFx) components for “thin” target

2 矿床地质地球物理特征

2.1 地质背景

黑龙江省大兴安岭地区塔源二支线铅锌铜矿床地处额尔古纳岛弧西南部环宇—新林蛇绿混杂岩带内。矿区内出露的与成矿有关的主要地层为古生界上石炭统新伊根河组(C2x)和中生界下白垩统白音高老组(K1by)。与成矿有关的侵入岩为燕山中期的闪长岩、闪长玢岩、小岩株或岩脉。近南北向断裂构造控制着燕山中晚期的岩浆侵入和矿体的形成[20-21]。

2.2 矿床成矿地质环境

矿区内出露地层有上石炭统新伊根河组、下白垩统白音高老组(图3)。其中，新伊根河组分布在矿区中、北部，呈断块方式出露，主要岩性为绢云绿泥板岩、石英砂岩、凝灰岩，是塔源二支线铅锌铜矿矿体主要的赋矿层位。白音高老组主要分布在矿区的中部、北西部、南东部，与新伊根河组地层呈断层接触，此地层与成矿关系密切，由一套由酸性—中性火山熔岩、火山碎屑岩组合，且普遍遭受热液蚀变作用。

矿区内岩浆活动强烈，以燕山中期花岗斑岩(γπK1)为主，呈岩株状分布在矿区西南部，侵位于白音高老组(K1by)。相当于燕山中期的闪长岩、闪长玢岩、小岩株、岩脉非常发育，且与成矿关系密切。

图3 塔源二支线铅锌铜矿区地质图(据文献[3]修编)Fig.3 The Geologicl map of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

矿区断裂构造发育，最大的断裂为矿区北端的塔哈河断裂，走向北东东，为扭性断裂。近南北向断裂在矿区内最发育，切割了各类地质体，不同程度控制着晚期岩浆的侵入和矿体的生成，为矿区重要的容矿构造。

2.3 矿体分布特征

目前矿区发现铅、锌、铜多金属矿体68条。出露地表矿体4条，隐伏矿体64条，其中边界品位(工业品位)矿体24条，工业品位以上矿体44条，较具规模的矿体为Ⅰ-10、Ⅰ-32、Ⅰ-5、Ⅰ-4、Ⅰ-52[22]。按矿石组分圈出7种矿石类型，即铅锌、锌、锌铜、铜、铅锌铜、铅铜、钼矿。上述矿体大部分赋存在矽卡岩中，倾向为82 °～ 100°，倾角为26° ～ 47°，严格受南北向、北北东向地层与岩体接触带、构造裂隙带控制。

2.4 矿床岩(矿)石电性特征

由表1可知：区内岩(矿)石电阻率存在2～3个数量级的差异，其中硅质板岩、含砾凝灰岩电阻率为28 630 Ω·m～44 000 Ω·m，呈高阻特征；弱黄铁矿化闪长岩、硅化黄铁矿化板岩、黄铁矿化含砾凝灰岩电阻率值为1 270 Ω·m～8 250 Ω·m，呈中阻特征；网脉状铅锌矿、团块状铅锌矿电阻率值为82 Ω·m ～1 310 Ω·m，呈低阻特征，可见围岩的基本电性特征呈中高阻，随着矿化程度加强，电性上表现为电阻率逐渐降低。矿区围岩与矿体存在明显的电阻率差异，具备开展航空瞬变电磁法工作的物性前提。

表1 塔源二支线铅锌矿区岩(矿)石电性参数统计表[22]Tab.1 Statistics for the electric parameters of rock in Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

3 矿体航空瞬变电磁特征

3.1 实测dB/dt剖面曲线特征

在实测dB/dtZ分量剖面曲线图上，矿区上方多条测线均有不同强度的电磁响应显示，其中测线L5060～L5140响应较为明显，表现为北低、南高的双峰异常(图4)，但曲线双峰特征不明显，资料解释过程中极易误判为单峰异常。

3.2 时间常数影像特征

矿区时间常数总体表现为背景场上叠加椭圆状时间常数高值区(图5)，长轴呈北东向。背景场值一般小于0.2 ms，为硅质板岩、凝灰岩等围岩的反应；时间常数高值区位于闪长岩体与上石炭统新伊根河组接触带部位，其值一般为0.2 ms ～0.28 ms，最大为0.32 ms，已知矿体均位于该高值区北侧。

3.3 经Fraser滤波后特征

Fraser滤波利用一个差分算子将投点或“交点”变成峰值，并用一个低通滤波器来消除噪声，滤波结果把测量剖面上的拐点或过零交点异常变成极大值，其峰值即对应地下低阻异常体。以L5070测线为例，在实测的dB/dtZ分量剖面曲线图上矿体上方对应一特征不明显的双峰异常(图6a)，在dB/dtX分量剖面曲线图上矿体上方对应一由正到负的异常响应(图6b)，经Fraser滤波后，在dB/dt X分量曲线拐点处表现为极大值异常，与已知矿体产出位置一致(图6(c)、图6(d))。

图4 塔源二支线铅锌铜矿区dB/dtZ剖面曲线图Fig.4 The dB/dt Z component profiles of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

图5 塔源二支线铅锌铜矿区时间常数影像图Fig.5 The time constant (TAU) map of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

在矿区实测dBx/dt分量第25道Fraser滤波后的平面影像图上，存在一北东向串珠状展布的线性高值带(图7)，控制长度约900 m，宽度约170 m，与已知矿体平面位置一致，为无可争议的矿致异常。经Feaser滤波后的平面影像图能清楚的揭示矿体走向延伸和空间展布规律，准确地显示矿体的平面位置。

图6 Fraser滤波效果图Fig.6 The result map of Fraser filtered

图7 塔源二支线铅锌铜矿区dB/dt X分量(25道)Fraser滤波平面影像图Fig.7 The Fraser filtered map of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orefield

3.4 视电阻率断面特征

Ⅰ-10、Ⅰ-32、Ⅰ-5，Ⅰ-4、Ⅰ-52等矿体位于T6150线X=582 900～583 600之间，长度为2 00 m ～4 00 m，厚度为4.5 m ～9.2 m，矿体延深(斜深)87 m ～589 m(部分矿体未完全控制、继续延伸)，倾向为82°～94°，倾角为33°～41°，矿体类型为铅、锌、铜、钼多金属矿体。在T6150线多测道dB/dtZ分量(15道～47道)剖面曲线上表现为一西陡东缓的单峰高值异常(图6)；视电阻率断面图相应位置表现为与围岩有明显电阻率差异的低阻体(视电阻率约为190 Ω·m ～240 Ω·m)，其顶板埋深约为100 m，向东倾斜，倾角约为31°，向下延伸约500 m。通过与已知矿体及收集的106号勘探线地质剖面图对比分析发现，低阻体的产状与已知矿体产状基本一致。

4 结论

1)航空瞬变电磁测量在塔源二支线铅锌铜矿床应用效果显著。已知矿体航空瞬变电磁异常特征明显，dB/dt剖面曲线呈北低、南高的双峰异常，矿体集中分布在值为0.2 ms～0.28 ms团块状时间常数高值区北侧，对应视电阻率值为190 Ω·m ～240 Ω·m、向东倾斜的低阻体，经Fraser滤波后对应一北东向串珠状展布的线性高值带。

图8 塔源二支线铅锌铜矿矿体综合信息显示图Fig.8 Comprehensive information of ore body of the Tayuan Erzhixian Pb-Zn-Cu orebody

2)在航空瞬变电磁测量中，应用时间常数、Fraser滤波及电阻率深度成像(RDI)等技术，可以有效地揭示矿体走向延伸与矿化富集部位，矿体形态、产状、埋深等特征，为优选靶区及矿体预测提供依据。

3)航空瞬变电磁法能有效揭示森林沼泽景观区铅锌铜多金属矿体的空间展布特征，为同类型地区开展矿产资源勘查提供方法技术借鉴。