激发极化法在山东省南墅地区晶质石墨找矿中的应用

冀鲁雪，牟路路，张 南，崔乐航，韩兰臻

(中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100)

石墨具有耐高温性、导电性、导热性、润滑性、抗热震性等优异性能，广泛应用于冶金、机械、电器电子、环保、新能源汽车、航空航天、国防等工业领域，是支撑高新技术发展的战略资源[1]。山东省不仅是我国石墨资源大省，也是我国重要的石墨成矿区，南墅地区晶质石墨更是因其鳞片大而闻名[2]。1943年日军占领南墅石墨矿区，开始形成真正意义上的开采。至20世纪80年代中期，经历了40余年的开采高峰期，石墨低成本的开采期早已结束，大鳞片晶质石墨资源严重匮乏。部分石墨企业已迁移到黑龙江等地重新组建或合作开发，跨区域调运石墨资源，提高了企业的生产成本[3]。

南墅地区第四系覆盖较厚，石墨含矿地层地表出露较少，但预测具有较好的晶质石墨资源潜力。石墨矿具有低阻高极化的物性特征，尤其在第四系覆盖较厚的地区，利用该物性特征圈定石墨异常是十分有效的物探工作手段。为此，中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队积极在南墅地区成矿有利位置开展了物探工作，共圈定激电异常10处，为下一步地质工作提供了依据，取得了较好的找矿效果。

1 调查区地质概况

调查区位于华北陆块(Ⅰ)胶辽隆起区(Ⅱ)的胶北隆起(Ⅲ)和胶莱盆地西部(Ⅲ)中，胶北断隆(Ⅳ)南部，莱西—即墨断陷(Ⅳ)北部，包括胶北凸起(Ⅴ)、栖霞—马连庄凸起(Ⅴ)、南墅—云山凸起(Ⅴ)、夏格庄凹陷(Ⅴ)。构造行迹多样，岩石类型复杂，东部及东北部出露太古宙变质深成侵入体及唐家庄岩群变质岩，西部出露中生代晚侏罗世玲珑序列花岗岩，二者以招平断裂为界[4]，中南部为荆山群变质岩，与上述侵入岩成断层或韧性变形带接触。其中荆山群及西水夼单元细粒变辉长岩经历了麻粒岩相变质和脆—韧性变形作用改造，形成规模较大的近东西向展布的褶皱构造和韧性变形带。区内出露的地层由老至新可分为中太古代唐家庄岩群、古元古代荆山群、中生代青山群及第四系(图1)。

图1 调查区区域地质图

区内石墨矿床成因类型为沉积变质型晶质石墨矿床，控矿因素包括地层、构造、区域变质作用和混合岩化作用[5]。成矿严格受地层层位控制，赋存于古元古代荆山群陡崖组徐村段，其底板为古元古代荆山群野头组地层，顶板为古元古代荆山群陡崖组水桃林段地层；矿体常呈层状、似层状、透镜状、马鞍状等形态，其产状多与地层产状相一致，且与围岩具有清晰的地质界线；矿体多分布于褶皱构造的两翼和转折部位，褶皱构造可将含矿层弯曲折叠，使矿体厚度增大；矿石具有明显的变质岩结构和片麻状构造，石墨鳞片主要分布于脉石颗粒间，与围岩片理方向一致；含石墨岩系大多遭受了不同程度的混合岩化作用，混合岩化作用越强，石墨品质越高[5-7]。

通过前期开展的地质测量工作发现，调查区内大东馆—李家洼一带石墨矿(化)体分布较密集，多呈北东、北西或近东西向展布，均赋存于荆山群陡崖组徐村段，含矿岩性以石墨变粒岩、石墨黑云斜长片麻岩等为主，围岩主要为荆山群野头组定国寺段透辉岩、透辉大理岩、荆山群野头组祥山段浅粒岩、莱州序列西水夼单元细粒变辉长岩及玲珑序列花岗岩等。物探工作的重点即大东馆—李家洼一带，在前期的填图工作中，未在该区域发现黄铁矿、黄铜矿等金属硫化物出露，工区两侧分别为北墅水库及李家洼水库，为避免水的影响，物探开展时避免靠近水库太近。

2 物探工作

在石墨矿找矿工作中，最有效的物探方法是激发极化法[8-10]，有时也应用自然电位法[11]或是二者结合使用[12-13]。在第四系覆盖较厚、地表露头较少时更能发挥物探方法的作用。经分析区内石墨矿床地质特征及石墨物性特征，认为可以利用激电中梯法进行面积性工作圈定石墨异常边界，利用激电测深法了解石墨异常体深部特征。

首先选定一条典型的地质剖面，进行物探技术参数选择试验，最终确定了物探工作参数分别为：供电极距1 200m、测量极距40m、供电周期16s、断电延时150ms、采样宽度40ms。然后在民采坑内及岩性露头发育较好的位置，使用野外露头小四极法，对区内出露的各岩、矿石电性特征进行了测试(表1)，结果表明含石墨矿石极化率最高可达到26.89%，平均值可达到7.5%左右，而围岩的极化率基本都在3%以下，含石墨矿石的极化率平均值约为围岩的3～7倍；与之相反，含石墨矿石的电阻率明显较低，其平均值可与围岩差出一个量级以上，电阻率和极化率差异均较明显，表现出明显的低阻高极化特性，具有开展激电工作的良好物性条件。

表1 岩矿石电性参数统计

激电中梯面积性工作主要布置在大东馆—李家洼一带，少量布置在下庄测区，共11km2。采用100m×40m的网度进行数据采集，在矿体发育较好的位置加密到50m×20m。测线方位角0°(下庄测区90°)，与区内的主要含石墨地层、构造的走向基本垂直。共计完成物理点3623点，质量检查点115点，占总点数的3.2%，视电阻率均方相对误差3.79%，视极化率均方误差3.26%，满足标准Z/T0070-2016《时间域激发极化法技术规程》D中A级精度要求。对野外采集的原始数据进行整理，并经过自检互检确认质量合格后，进行后续的处理与解释工作。由于测区内覆盖较厚，视电阻率值整体不高，且视电阻率易受地形影响呈现出假异常，尤其是石墨矿体及其周边区域，受体积效应的影响，视电阻率值对石墨矿体与围岩的界线反应不明显，表现为大片的低阻区域，此种现象在图6中可明显看出，图中下半部分几乎全是低阻区域，难以圈定矿体边界；反之，极化率异常则具有专属性，有极化率异常，一定有对应的异常源存在，地形不会对其造成假异常，而且对矿体界线的反应较明显，一般表现为闭合的高极化异常，因此在异常圈定过程中，采用视极化率值圈定异常，视电阻率值作为参考。

对整个测区的视极化率数据进行统计，按照异常下限公式[14]计算如下。

异常下限=背景值+(1.5～2.5)N

式中：ηs为各个测点的视极化率值(%)；ηs为全区所有测点视极化率值的平均值(%)；n为测点数量；N值前的系数为置信度系数，数据质量可靠，异常点数占比高，则置信度高，该系数可取小值[14]。此处背景值取平均值4.87%，经计算N为±1.46，置信度系数取1.5，经计算异常下限为7.06%，四舍五入确定以极化率7%作为异常下限进行异常圈定工作。全区共圈定极化率异常10处，也属于低阻区，其中李家洼测区4处(图2)、大东馆测区5处(图3)、下庄测区1处。各异常区均位于石墨的含矿层位荆山群陡崖组徐村段内，异常范围内均可见矿(化)体出露，部分异常在后期进行了槽探验证，为矿致异常。受北墅水库、李家洼水库、北墅监狱及测区内村庄的影响，部分异常未封闭。

3 物探异常解释

区内各异常表现为明显的低阻高极化特征，基本呈条带状分布。通过槽探工程对IP1号、IP2号、IP3号、IP5号、IP6号、IP10号物探异常进行了验证，均揭露有矿体发育；IP4号、IP8号、IP9号异常虽未布设槽探工程，但在异常范围内均有民采坑分布，坑内可见含石墨岩性发育；IP7号异常范围内虽然没有民采坑分布，但地表可见明显矿化现象，有含石墨岩性出露，推测均为矿致异常。本次物探工作取得了较好的效果。

图2 李家洼测区物探视极化率异常图

图3 大东馆测区物探视极化率异常图

以IP5号激电异常为例进行详细分析(图4～图6)，该异常位于石庙村、大东馆村南侧，皮家园村、北墅监狱北侧，起自北墅水库终至大东馆村以南，条带状，走向南东东，长约2 300m，平均宽度约120m。该异常基本都被第四系覆盖，在整个异常区范围内断续分布有大量民采坑，坑内可见含石墨岩性发育，采坑的走向与异常走向基本一致。异常幅值高，连续性好，极化率为8%～10%，最大值位于北墅水库东侧200线1 000点，达到23.66%，后期经探槽揭露有含石墨岩性。异常西侧为北墅水库，无法继续向西追索，异常西侧未封闭，结合异常形态及大小，推测异常体向西仍有延伸，且宽度有变大的趋势。异常东端在轴向上发生错断，推测该处有构造发育(即图4右下角断层)。从视电阻率等值线图上来看(图6)，异常区基本位于低阻区域，仅东端错断部分位于由高阻向低阻过渡的梯度带上。除个别测点外，视电阻率值基本在10～120Ω·m之间，呈低阻高极化特征。图中并没有形成闭合的低阻异常，而是表现为大片的低阻区域，与异常区南侧围岩的界限不明显，推测应为体积效应的影响。

图4 5号激电异常地质简图

图5 5号异常视极化率平面等值线图

图6 5号异常视电阻率平面等值线图

为了解异常体在深部的形态特征，在IP5号异常中段偏西位置布设大东馆测区1号激电测深剖面(图5、图7)，同样按照极化率7%异常下限圈定异常，在1号测深剖面120～320号点下方，存在明显高极化异常，倾向南，覆盖层较厚，推测覆盖厚度约为10～20m，异常宽约200m，向下延伸至剖面底部仍未闭合。异常区位置与地质剖面中的荆山群陡崖组徐村段地层基本吻合，在异常范围内圈定出大东馆Ⅰ号矿体(图4)，与视极化率拟断面图中异常区最高值(195号点下方)对应较好。

4 结论与建议

图7 1号激电测深剖面视极化率拟断面图

通过物性测试，表明含石墨岩性相对围岩具有明显的低阻高极化特征，利用该物性特征，选用激电中梯测量和激电测深测量分别圈定异常体的平面和深部形态特征，以极化率7%作为异常下限，共圈定10处物探异常，为闭合的高极化异常，条带状分布，除下庄测区为南北向外，其余均为近东西向，各异常推测均为矿致异常，表明应用激发极化法在覆盖区寻找石墨矿可以取得较好的效果，为圈定石墨矿体范围及找矿靶区提供了依据。有以下几点认识。

(1)石墨矿体具有明显的低阻高极化特征，与围岩存在明显的物性差异是开展物探工作的前提，也是物探工作可以取得较好成果的保证。

(2)要与地质调查相结合，一定要选好典型的地质剖面，进行技术参数选择实验，确定合适的供电极距、测量极距、供电周期、断电延时、采样宽度等技术参数，以取得质量较好的观测数据。

(3)物探野外施工过程中，要注意观察地表有无矿(化)体出露，以及民采坑的分布情况，记录其位置、地层产状等，这些均可作为数据处理过程中圈定异常的依据。在异常圈定过程中，还要结合地质工作取得的成果，合理圈定异常。

(4)要探讨可能会对物探施工造成影响的因素，如地形、覆盖层以及硫化物等。视电阻率易受地形影响造成假异常，正地形易形成低阻异常，负地形易形成高阻异常；在覆盖层较厚的情况下，视电阻率值也会受此影响而降低，若覆盖层导电性良好，甚至会形成低阻屏蔽；硫化物、水等也表现为低阻高极化的物性特征，与含石墨岩性类似，异常解释时应排除此类影响。

(5)在实际工作中发现，极化率的高低与固定碳含量有一定的关系，固定碳含量越高，极化率越高，在接下来的工作中，可以加强该方面的研究，以发现其中规律，为野外初步估计固定碳含量提供依据。