基于全区视电阻率的CSAMT应用研究——以西藏帮浦—笛给铅锌矿区为例

张叶鹏，谢 亮，李 艳，严家斌，王 红，孔 辉

(1.湖南省有色地质勘查局二四七队，湖南 长沙 410129；2.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；3.陕西省韩城市自然资源局，陕西 韩城 715400)

0 引言

电磁法是根据电磁感应原理研究天然或人工(可控)场源在大地中激励的交变电磁场分布，并由观测到的电磁场分布，研究地下电性及地质特征的一种地球物理方法。按场源，电磁法可分为天然场源的大地电磁法(Magnetotellurics；MT)和人工(可控)源电磁法；在空间上，电磁法又可分为航空电磁法、海底电磁法、井中电磁法和地面电磁法；根据研究的场特性，电磁法可分为频率域电磁法(Frequency-domain Electromagnetics；FEM)和时间域瞬变电磁法(Time-domain/Transient Electromagnetics；TEM)；按勘探方式，电磁法又可划分为电磁测深和一般的剖面电磁勘探。在电磁测深中，根据测深原理，又有几何电磁测深和参数电磁测深两种[1]。

频率域电磁法工作中最常用的是MT、AMT以及CSAMT等方法。MT、AMT方法采用天然场源，存在天然场源的随机性及信号微弱，浅层分辨率低等问题。CSAMT使用接地导线或不接地回线为场源，在波区测量相互正交的电、磁场切向分量，并计算卡尼亚电阻率，因而具有较强的抗干扰能力，且更容易获得对地电变化较灵敏的相位差信息；又由于波区电磁场十分接近平面波，因而其资料处理、解释也较为简便，可以保留AMT法中的许多解释方法。然而CSAMT采集数据中包含了波(远)区、过渡区、近场数据，目前仅限于计算远区数据的卡尼亚视电阻率，在过渡区以及近区场计算的卡尼亚视电阻率会发生畸变，不能反映地下真实的电阻率变化情况，需要校正或有新的计算方法。往往CSAMT野外施工受条件和发射功率的制约，进入远区的最小频率在几十至上百赫兹，深部探测结果严重受影响，如何利用过渡区和近场数据是地质工作者亟需要研究和解决的问题。目前的研究主要成果：电偶源电磁测深全区视电阻率进行了研究[2]；水平多层大地上垂直磁偶极频率测深的全波视电阻率进行了研究[3]；水平电偶源频率域电磁测深全区视电阻率的直接算法进行了研究[4]；CSAMT电场y方向视电阻率的定义及研究[5]；讨论了CSAMT电场x方向全区视电阻率定义及应用[6-7]；利用水平电偶极源层状模型垂直磁场计算全区视电阻率[8]；另外一些学者对非远区校正进行了部分研究，其中包括了牛顿迭代法和遗传算法等[9-12]；探讨了卡尼亚电阻率探深与全区视电阻率探深的差异[13]。笔者分别用水平电场强度Ex和磁场强度Hy推导出相应的全区视电阻率值计算公式，采用数值求解方法求取全区视电阻率的数值解，对于西藏帮浦—笛给矿区实测资料进行计算，将Ex方向全区视电阻率与卡尼亚视电阻率两者互相对比分析研究，依据Ex方向全区视电阻率异常布置了验证钻孔，验证结果显示铅锌矿化体均产于Ex方向全区视电阻率异常线性低阻带以及高低阻梯级带部位，达到了预期目标，对CSAMT数据的处理和解释具有参考价值。

1 CSAMT全区视电阻率

均匀半空间情况下，水平电偶极源在地面上激励产生的电磁场水平分量为

[eik1r(1-ik1r)+(3cos2θ-2)]

(1)

(I1K0-I0K1)]-2cos2θI1K1}

(2)

在CSAMT测量中，当满足远区条件时，视电阻率可采用卡尼亚视电阻率[1]的定义方式来求解：

(3)

(4)

(5)

式中：ρc为由式(4)计算所得的卡尼亚视电阻率，ρ为地下真实电阻率，可见在近区卡尼亚式电阻率不等于地下真实电阻率。其表现为卡尼亚式电阻率曲线在双对视坐标系上成直线45°上升，相应的相位曲线突然由45°趋向0°。由于实际的客观条件的限制，CSAMT法野外观测的低频数据往往会落入近区和过渡区，此时的卡尼亚式电阻率及其相位发生畸变，无法正确的反映地下真实的电性结构，因此为了充分利用CSAMT的全频率域测深数据资料，必须考虑对视电阻率的求解方法进行重新定义。

倘若此时令

F(ik1r)=eik1r(1-ik1r)+(3cos2θ-2)

(6)

G(ik1r)=k1r{sin2θ[6I1K1+ik1r•

(I1K0-I0K1)]-2cos2θI1K1]}

(7)

推导可得

(8)

(9)

根据式(8)和式(9)可分别用电场强度Ex和磁场强度Hy计算出相应的全区视电阻率值[14]，然而波常数k1中仍然带有电阻率的信息，式(8)和式(9)分别为两种全区视电阻率的隐式表达，不能直接求解，本文采用数值求解法求取全区视电阻率的数值解。

2 理论模型计算结果分析

2.1 均匀半空间计算全区视电阻率

设偶极源AB= 1000 m，收发距r= 10000 m，发射电流为4A，发射频率为2-3Hz～213Hz，设定模型电阻率为500 Ω·m。对均匀半空间介质表面水平电偶极子产生的电磁场进行电场全区视电阻率、磁场全区视电阻率以及卡尼亚视电阻率计算(图1)。由图1可见，3条曲线在远区重合，在过渡区和近区存在分离；卡尼亚电阻率在过渡区存在“凹陷”，低于均匀半空间电阻率，在近区呈45°上升趋势；电场和磁场计算的两种全区视电阻率在远区、过渡区及近区均趋于均匀半空间电阻率，客观的反映了地下电性结构的垂向变化特征。

图1 均匀半空间视电阻率对比曲线

2.2 两层模型计算全区视电阻率

参数设置与均匀半空间相同，D型模型的第一层电阻率设置为500 Ω·m，厚度为100 m，第二层电阻率设置为100 Ω·m；G型模型的第一层电阻率设置为500 Ω·m，厚度为100 m，第二层电阻率设置为1000 Ω·m。

采用电场和磁场分别计算全区视电阻率。由图2可见，卡尼亚视电阻率曲线在过渡区和近区存在明显畸变，近区明显呈45°上升；两种全区视电阻率曲线形态清晰，趋于模型电阻率，可客观真实地反映地下地电结构。表明电场和磁场计算的全区视电阻率优于卡尼亚电阻率。

图2 二层模型视电阻率对比曲线Fig.2 Comparison of apparent resistivity curves of two-layered model

3 实例分析

3.1 成矿地质背景

帮浦东段—笛给铅锌多金属矿区位于冈底斯成矿带东段，比邻帮浦、驱龙、甲马，位于林周—直孔成矿带中，成矿地质条件十分优越。前人研究成果显示，下二叠统洛巴堆组大理岩是矿区内的主要赋矿层位。F1断裂是矿区的主要控矿容矿构造。在中新世后碰撞伸展构造环境下，帮浦一带大量的二长花岗斑岩、闪长玢岩侵入及后期构造作用和岩浆期后含矿热液作用是成矿关键。矿床流体的来源及演化过程研究指出，成矿流体来自于岩浆的出熔，金属硫化物直接来源于岩浆，帮浦矿区东段铅锌矿床地质特征及找矿方向研究表明，矿床东段铅锌矿床成因为中低温热液充填—矽卡岩型，矿体主要产于下二叠统洛巴堆组内，严格受EW向断层控制。最新研究指出，该矿床属斑岩型—矽卡岩型—中低温热液充填型复合矿床，对区内找矿具有重要指导意义[15]。

矿区出露主要地层岩性(图3)：下二叠统洛巴堆组(P1l)大理岩，上二叠统旁那组(P2p)片岩夹少量石英岩，古近系古新统典中组(E1d)安山质火山角砾熔岩、安山岩、砂岩夹少量板岩及第四系(Q)。洛巴堆组大理岩为帮浦矿区东段的主要赋矿层位，典中组安山质火山角砾熔岩(E1d1)为笛给矿区的主要赋矿层位、帮浦矿区东段的次要赋矿层位。

图3 帮浦东段—笛给铅锌矿区地质简图Fig.3 Geological sketch map ofthe eastern Bangpu-Digei lead-zinc mining area

区内主要地质体和构造线方向与雅鲁藏布缝合带的走向相一致，即为近EW向，也是区内主要的容矿构造。火山岩在二叠系和古近系中火山岩均较发育，主要为中酸性火山碎屑岩及熔岩等。侵入岩是错木拉二长花岗岩体(ηγ)，位于帮浦矿区东段的东南部，岩性为中粗粒二长花岗岩。侵入岩脉主要为石英斑岩脉。火山岩为英安岩脉。矿体受构造控制明显，走向以近EW为主，矿石主要类型是方铅矿-闪锌矿矿石、闪锌矿-方铅矿矿石，次要类型是黄铜矿-黄铁矿-方铅矿矿石、黄铁矿矿石。

3.2 矿区地球物理特征

标本主要采集于钻孔岩心、露头及坑道，涵盖了矿区各个地层。电性参数测定使用GDD-SCIP型电参数测量仪，测量参数为视电阻率和视极化率；磁性参数测定使用SM3.0磁化率仪。测试统计结果见表1。

表1 帮浦东段—笛给矿区及外围岩矿石物性参数特征Table 1 List of physical parameters of rocks and ores in the eastern Bangpu-Digei lead-zinc mining area and its periphery

1)视极化率特征：含矿岩类(铅锌矿化、黄铁矿化)视极化率常见值大于15%，具有高极化率特征；碳质板岩视极化率常见值为8.9%，具有中高极化率特征，根据目前在开采中发现的断层控制铅锌矿体附近多存在碳质板岩，可将碳质板岩作为找矿标志层；围岩视极化率常见值均小于4%，形成矿区的视极化率背景场；氧化矿的视极化率常见值为1.97%，远低于原生矿，是因为其铁质成分被氧化为褐铁矿，硫质成分减少所导致，依据其视极化率常见值无法区分氧化矿与围岩。

2)视电阻率特征：各类矿石视电阻率均小于700 Ω·m，围岩视电阻率一般大于1600 Ω·m，表明矿石具有低阻特征，围岩具有中高阻特征，视电阻率差异明显。

3)磁化率特征：黑云母二长花岗岩具有一定磁性，为本区磁性最强岩石；铅锌矿石、氧化矿石以及强黄铁矿化矿石具有弱磁性；其他岩石不具磁性；黑云母二长花岗岩属于酸性花岗岩，一般为无磁性或弱磁性，只有其与围岩接触部位产生磁性壳或岩体本身产生蚀变而呈现弱磁异常，而矿区黑云母二长花岗岩的磁性测定和地面磁测均显示磁性的存在，钻探结果显示岩体与围岩接触部位蚀变明显，且岩体内局部蚀变明显，表明该岩体的磁性由蚀变引起[15]。

综上，矿区含矿岩类具有明显的低阻高极化、弱磁特征，与围岩物性差异明显，具备了地球物理勘探的物性前提条件；氧化铅锌矿与围岩物性差异不明显，单凭物性无法区分，但是氧化矿一般产出在近地表，原生矿的顶部，可利用此特征筛查氧化铅锌矿。

3.3 可控源音频大地电磁法测量

本次可控源大地电磁测深(CSAMT)[16-18]采用GDP32Ⅱ多功能电法工作站，以100 m×40 m网度开展工作，采用TM模式标量方法进行测量，发射极距AB=1800 m，AB与测线方向相平行，收发距为13.0 km～13.3 km，Ex测量极距MN=40 m，测量点距为40 m，每7个点测量一个中间点的Hy，测量频率为0.125 Hz～8192 Hz，数据处理选择卡尼亚电阻率和Ex定义的全区视电阻率计算结果。以200线244点为例，校正前、后视电阻率曲线对比(图4)，可见两者在远区曲线形态类似，在近场卡尼亚电阻率呈近45°上升，计算结果大于地下真实的电阻率，Ex全区视电阻率在近场曲线平缓。将区内采集CSAMT数据的卡尼亚电阻率与Ex全区视电阻率计算结果采用二维带地形圆滑反演，反演结果见图5、图6。

图4 200线244点校正前后视电阻率曲线对比图Fig.4 Comparison diagram of apparent resistivity curves of244 site in line 210 before and after correction

图5显示，卡尼亚电阻率剖面异常整体规律性较为明显，深部均存在大规模低阻体，浅部均以“两高夹一低”形态展布。结合区内地质特征分析，将深部低阻体推断为含矿隐伏岩体[19]；将“两高夹一低”中的“两高”推断为二叠系和古近系，“一低”推断为岩体侵位通道或岩体侵位挤压地层形成的角砾岩带。但其缺少能够反映含矿斑岩体形态的深部信息和能够探索含矿断裂的细节信息，无法直接确定寻找铅锌矿的钻孔位置。

图5 CSAMT卡尼亚视电阻率异常成果图Fig.5 CSAMT Cagniard apparent resistivity anomaly result diagram

图6 CSAMT Ex全区视电阻率异常成果图Fig.6 CSAMT Ex full-region apparent resistivity anomaly result diagram

Ex全区视电阻率反演结果表明，其有效地利用了过渡区和近场数据，反演有效深度达3000 m，完好地反映了深部含矿隐伏岩体的形态，岩体三度体特征明显，由SSW向NNE向侵位，岩体顶面西高东低，最浅高程4500 m。190、200线呈现出明显的“U”型低阻异常，“U”型两翼则为岩浆侵位通道，南侧通道位于错木拉岩体和穿插在二叠系凝灰岩中的碳质板岩之间，北侧位于二叠系凝灰岩和三叠系凝灰岩之间，南侧通过宽度通道较为紧闭，北侧通道较宽，呈开口状，通道中的物质为含矿角砾岩，推断由岩体侵位过程中挤压地层形成。地质证据：南部错木拉岩体测龄为60 Ma，二叠系凝灰岩测龄约为290 Ma，三叠系凝灰岩测龄约为250 Ma，地表错木拉岩体与二叠系凝灰岩之间存在角砾岩，二叠系凝灰岩与三叠系凝灰岩之间存在角砾岩，这些地质现象佐证了异常两翼为岩浆侵位通道的准确性，且两翼角砾岩均为构造角砾岩。

为了更好地与卡尼亚电阻率反演结果对比，截取了与卡尼亚电阻率反演深度相同的数据在本文中成图(图6)。由图6显示，中浅部信息大规模的完整高阻体变换成了局部高阻体，高阻体间的线性低阻带反映了碳质地层和次级构造的存在，更加接近矿区地质矿产分布实际情况，为探索含矿构造提供了科学依据，也表明Ex全区视电阻率反演结果对低阻体反映更加敏锐。

3.4 钻孔验证

ZK1601钻孔验证结果显示(图7、图8)，在136.2～143.1 m为铅锌矿化体，矿体之下为大理岩，卡尼亚电阻率反演结果显示铅锌矿化体部位存在局部低阻体，Ex全区视电阻率改正后反演结果显示铅锌矿化体部位存在线性低阻带，矿体倾向与低阻带倾向一致，下部高阻体为大理岩。

ZK1801钻孔验证结果(图7、图8)显示，在420 m以上为二叠系凝灰岩，局部存在蚀变凝灰岩，卡尼亚电阻率和Ex全区视电阻率反演结果均为中阻特征，差异之处在于Ex全区视电阻率反演结果在此处夹有局部低阻，该局部低阻反映的是蚀变凝灰岩；在427.4～530 m为凝灰岩和角砾岩互相交叉产出，存在5层铅锌矿化体，矿体产于角砾岩裂隙和破碎带中，且在终孔530m处矿体并未封闭，结合目前探采需求予以终孔。钻孔验证结果指示了深部隐伏岩体侵位“通道”北翼角砾岩为含矿构造角砾岩，且矿源极有可能为深部隐伏岩体。卡尼亚电阻率和Ex全区视电阻率反演结果均显示矿化体产于高低阻过渡带部位，两者具有高度一致性。

图7 210线CSAMT卡尼亚视电阻率异常与钻孔验证图Fig.7 Drilling verification diagram and CSAMT Cagniard apparent resistivity anomaly in line 2101—验证钻孔及编号 2—铅锌矿化体

图8 210线CSAMT Ex全区视电阻率异常与钻孔验证图Fig.8 Drillin verification diagram and CSAMT Ex full-region apparent resistivity anomaly in line 2101—验证钻孔及编号 2—铅锌矿化体

4 结论与建议

CSAMT采集数据包含了远区、过渡区和近场数据，仅利用了远区数据计算卡尼亚电阻率，过渡区和近场依然包含很多视电阻率信息，研究电场强度Ex和磁场强度Hy，计算相应的全区视电阻率，可以充分地利用过渡区和近场数据，极大地提高了采集数据的可利用性。

通过实例计算，反演、钻孔验证，显示Ex全区视电阻率校正可加大和丰富深部信息，对于推断深部隐伏岩体形态可描述得更确切，中浅部异常细节刻画得更明显。重新认识了“U”型低阻异常，剖析了深部含矿隐伏岩体和含矿构造角砾岩，对于本区深部勘探和采矿的深部开拓具有重大意义。以210线为例，最为明显的是将中浅部大规模完整的高阻体分解为多个高、低阻体，以充分识别高阻中夹的局部低阻，已有钻孔资料显示这些局部低阻对于区内中浅部找矿十分有利，也是近期工作布置的重点部位。表明了CSAMT方法利用电场强度Ex计算全区视电阻率的有效性。磁场强度Hy计算的全区视电阻率需进一步研究，倘若有效，那么在今后CSAMT数据中，除了利用卡尼亚电阻率以外，应加强对电场强度Ex和磁场强度Hy计算相应的全区视电阻率的研究，可将三者相结合利用，给予CSAMT成果更加丰富、可靠的地质解释。