可控源音频大地电磁测深在卫宁北山石墨调查中的应用

2020-04-30梁利东

中国非金属矿工业导刊 2020年2期

梁利东，黄瑞

(中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队，宁夏银川 750021)

石墨是一种战略性矿产资源[1]，近年来我国十分重视石墨资源的保护、开发和利用，《找矿突破战略行动总体方案(2016)》将石墨纳入勘查重点矿种[2]。宁夏地区矿产资源丰富，主要有煤炭、石膏、石油、天然气、陶土、石英砂岩、重晶石等，该地区以往未开展过有关石墨的调查工作，石墨资源仍为空白。基于这种前提下，在确定卫宁北山内蒙一侧存在晶质石墨矿后，中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队在此开展“宁夏中卫市卫宁北山晶质石墨矿调查”项目，旨在通过物探、地质等方法寻找可能存在的石墨矿床。

石墨具有低阻高极化率的特点，根据以往经验在项目实施过程中，优先使用了激发电极法[3]，但在开展激电中梯和激电测深时发现直流信号无法穿透，且不能在深部测得有效数据，激电类方法在该区不适用。在研究和实验的基础上，采用了可控源音频大地电磁测深探寻该区域可能的石墨异常，并有效地指导了后期的调查工作。

1 区域地质背景

调查区地层划属华北—柴达木地层大区，阿拉善地层区，阿拉善南缘地层分区景泰—中宁地层小区。构造单元划属柴达木—华北板块，阿拉善微陆块，腾格里早古生代增生楔，卫宁北山—香山晚古生代前陆—上叠盆地，卫宁北山褶皱带。区域上出露有中上奥陶统狼嘴子组，上泥盆统中宁组，下石炭统前黑山—臭牛沟组、上石炭统靖远组及羊虎沟组，第四系高阻特性的风积层大范围分布于该区域地表(图1)。卫宁北山地区是一个多构造复合区，区域构造主体行迹以东西向为主。断裂构造东西部略有所差异，西部以东西向或近东西向为主，东部以北西向、南北向为主，多为走滑性质的逆冲断层。背向斜、褶皱相间，规模不大。区域变质作用不发育，仅在破碎带等地区存在动力变质岩[4]。

区内开展过大量的地质矿产、物化探勘查工作，对该区域金属矿赋存层位进行了详细的调查，但未对石墨矿进行勘查和研究。2013～2018年在卫宁北山北部内蒙一侧发现3个石墨矿(表1)研究发现，石墨矿所在区域多呈负地形，区域岩石均存在不同程度的变质，矿体多赋存于含炭质板岩，与无烟煤伴生。通过对内蒙的石墨含矿层岩性特征与宁夏卫宁北山地层岩性对比(表2)，内蒙发现石墨矿的地层岩石变质程度较高，宁夏卫宁北山地区以往资料显示，变质作用不发育，仅在破碎带见变质岩及羊虎沟组存在一层无烟煤，根据其地层特征及在臭牛沟组、羊虎沟组以往施工钻孔取样情况，初步推断石墨矿可能赋存于调查区内石炭系羊虎沟组第一岩段(灰黑色炭质页岩夹炭质中细粒石英砂岩、粉砂岩及无烟煤)与羊虎沟组第二岩段(灰—灰黑色炭质粉砂岩夹中细粒石英砂岩)，因此确定了本次工作区位置及范围。

2 区域岩(矿)石电性特征

前人在卫宁北山地区开展过大比例尺激电和中间梯度法测量，并对该区岩(矿)石电性参数进行了统计，本次又实测了卫宁北山内蒙一测的石墨矿石的电性参数，综合确定了该区域的岩矿石电性特征(表3)。

图1 卫宁北山区域地质图

表1 内蒙石墨矿矿床特征

表2 宁夏与内蒙石墨矿含矿地层对比

从表3中电性特征来看，区内各岩性岩石标本电阻率测定值的几何平均值由高到低的顺序为：构造角砾岩→角砾岩→细砂岩→粉砂质泥岩-泥岩→砂岩→含黄铁矿细砂岩→赤褐铁矿→泥质粉砂岩-粉砂岩为→泥质角砾岩→炭质中细粒石英砂岩及无烟煤为→石墨。不同岩石的电阻率最大差值为1 268.96Ω·m，最小差值仅8.66Ω·m，电阻率差异较大，其中石墨(0.2～6.14Ω·m)、炭质中细粒石英砂岩及无烟煤呈现较低的电阻率(14.8Ω·m)，而炭质中细粒石英砂岩及无烟煤也为石墨的含矿层，因此可以较好的区分含矿与非含矿岩石。

调查区岩石极化率测定值由高到低分别为：炭质中细粒石英砂岩及无烟煤为→石墨→含黄铁矿细砂岩→构造角砾岩→角砾岩。不同岩石极化率最大差值为22.81%，最小差值为0.02%，值相差较大，其中石墨(15%)、炭质中细粒石英砂岩及无烟煤(23%)呈现出相对较高的极化率，也可较好的区分矿与非矿。

综上，在卫宁北山地区呈现低阻高极化率的岩石有炭质中细粒石英砂岩及无烟煤和石墨，其中炭质中细粒石英砂岩及无烟煤和石墨也为含矿岩石，与砂岩等非矿岩石物性差异较大，可较好地区分矿与非矿，因此具备开展激发极化法及可控源音频大地电磁测深(CSAMT)的方法条件[5-6]。

3 物探方法的应用选择及其效果

3.1 激发极化法

基于石墨矿石低阻高极化率的物性特征，本次在调查区内同一区域内进行了激电中梯剖面的多次测试。

在调查区内分别进行了920m极距和1 600m极距的试验，在920m极距下虽得到均为正数的是视充电率(千分位)，但其在AB/2区域20时间门充电率参数的衰减特性不符合规范要求，甚至出现了是充电率增长的情况，后将测量电极移至观测区域外即距离发射B极160m时，才有较好的衰减特性，但在该范围内测得的视充电率不符合规范要求，为不准确值。在1 600m极距下，所得视充电率(千分位)均为负值，完全无任何衰减特性，无法测得有效的一次场及二次场信号，不符合规范要求。在920m极距下进行重复性试验，测得的视充电率无任何衰减特性，重复性亦不佳，信号较为随机。测试结果没有达到预期效果。

根据试验结果，在卫宁北山激电中梯无法有效获得一次场及二次场信号，因此该方法在卫宁北山不适用。经分析，对于无法获得有效的一次场及二次场信号的原因是该区域地层上覆盖的风积砂具有高阻特性，导致电流损耗过大；同时该地区地层为炭质页岩与砂岩互层，使得电流在深部传导中损耗过大，无法有效传导至深部，无法获得有效的深部反馈，因此激发极化法在卫宁北山地区羊虎沟组寻找隐伏矿体并不适用。

3.2 可控源音频大地电磁测深

3.2.1 CSAMT 具体工作及成果

在激电类方法不能取得有效作用后，在卫宁北山西部设置了一条CSAMT测试剖面L1(图2)，其方向为正南北向，设计穿过石炭系羊虎沟组、靖远组和臭牛沟组等地层，点距40m，剖面测点编号由南往北为1 000～5 160，测点105个。经过测试，可控源音频大地电磁测深CSAMT交流信号可以有效穿透屏蔽并测得深部有用信息。

图2 可控源音频大地电磁测深剖面工程布置图

在完成L1剖面后，基于其信号良好的反馈效果，又在在卫宁北山实施了3条可控源音频大地电磁测深剖面，其中L2剖面完成150个点，L3剖面完成111个点，L4剖面完成68个点，共计完成CSAMT测点434个点。通过可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)对4条剖面的测量，指导确定了3个验证钻孔。根据物探异常情况，推断石墨矿的可能赋存层位在调查区西部为羊虎沟组第二岩段底至第一岩性段，在调查区东部为羊虎沟组第一岩性段。结合地表和剖面电性特征情况，推断断裂5处，其中在L1线发现3处(F1´、F2´、F3´)，在L2线发现1处(F4´)，在L4线发现1处(F5´)。通过CSAMT测量，在地表岩性变化不明显地段，利用电性变化对地层分界限进行划分，并大致了解了地层的产状变化，对地质填图和进一步地质解译具有一定的参考借鉴意义。

3.2.2 异常推断解译

CSAMT所实施的4条剖面获得的反演断面图各个地层的高低阻特性反映比较明显，且较为一致，各个剖面距离较远，无法进行大面积的异常圈定。因此本次重点选择代表性较好的L1线，对其形成异常进行推断解译。从L1线反演及解释剖面图(图3)中可以看出，各个地层的高低阻特性反映比较明显。整体上石炭系臭牛沟组地层呈高阻特性，其余地层均呈中、低阻特性，剖面整体位于向斜的一翼。根据电性特征在横向上的不连续性，推断在1240点附近为羊虎沟组三段和四段的分界线(黑色实线，下同)；2300点附近为羊虎沟三段和二段分界线；结合地表特征，推断2000点、2620点附近为隐伏断层(F1´、F2´)，产状较陡；3100点附近为羊虎沟一段和二段的分界线； 3480点附近为靖远组二段和羊虎沟组一段分界线；3900点附近为靖远组二段和一段分界线；4240和4860点附近为靖远组一段和臭牛沟组分界线。

图3 L1线反演及解释剖面

剖面位于调查区西部与地质剖面5-5′位置一致，从剖面实测情况来看，物探地层界线与地质剖面所测地层界线对应程度较好，仅有微小差异，以靖远组二段和羊虎沟组一段分界线为例，实测地质剖面地层界线位于物探剖面3140点附近处，物探显示在3100点处，二者仅相差40m，可较好地对应地表工作。由图3可知，该区域地层均呈中、低阻特性，在图中编号2900～3500中，存在明显的低阻区。对比内蒙地区发现的石墨物探异常，确定了将电阻率＜3Ω·m圈定为石墨异常，异常区剖面方向上宽600m，埋深215m，随着其深度增加，电阻率明显变低，对比内蒙地区石墨矿，其物探特征具有一致性，均显示在一定深度内，随着深度变深，其物探异常更加明显，据此将确定的异常区水平投影至地表 (图4)。

3.2.3 异常查证

根据可控源音频大地电磁测深剖面进行分析，确定其存在的异常地层及深度，布置施工ZK03，钻孔孔深350.65m，进行钻探深部验证。选取10件石墨鳞片片度较好的样品，在电子显微镜下显示：部分样品仅见炭质集合体，无石墨存在，个别样品显示存在石墨，但鳞片片度＜1μm(图5)，固定碳值平均7.65%，未达隐晶质石墨工业指标。其他3条剖面上石墨固定碳平均值3.99%，石墨鳞片片度＜1μm，为隐晶质石墨(图5)。此次调查工作虽未找到达到工业指标的晶质石墨矿及隐晶质石墨矿，但通过钻探及取样验证，证明了该区域内存在石墨矿，也佐证了在该区域内可控源音频大地电磁测深是寻找隐伏矿体的有效方式。