CSAMT法在江西银珠山铜多金属矿区水文地质勘查中的应用

2021-03-24余越星孟涛涛高海东曾广亮

东华理工大学学报(自然科学版) 2021年1期

杨强，余越星，孟涛涛，方磊，高海东，曾广亮

(1.江西省核工业地质调查院，江西南昌 330038；2. 江西省地质矿产勘查开发局九〇二地质大队，江西新余 338000)

随着国民经济的发展，铜多金属矿的需求量与日俱增，老矿山的资源枯竭日益临近，开发利用新矿山迫在眉睫。银珠山铜多金属矿区地质情况复杂，断裂纵横交错，地下水含量丰富，对铜多金属的开发利用提出了严峻的考验。在矿山开采前需通过水文地质勘查为矿山的开发利用方案提供基础水文资料，为开采方案的比选提供技术支持(王家映，1997)。可控源音频大地电磁法(CSAMT)是一种具有探测深度大、分辨率高、抗干扰能力强等特点的地球物理勘探新技术。该方法已受到人们的广泛认可，在金属矿产、地下水、地热等勘探中发挥着重要作用(王若等，2003；任宏等，2017；林建勇等，2020;曾昭发等,2020;张利,2020;张思远,2020;张西君等,2020)。

笔者利用CSAMT法对江西银珠山铜多金属矿区进行水文地质勘查，结合该地区已有地质及地球物理资料进行分析与解译，基本查明了区内的水文地质情况，为下一步矿山开发利用提供了参考。

1 矿区地质与地球物理特征

1.1 矿区地层

矿区广泛出露的地层有震旦系上统老虎塘组、侏罗系上统，零星出露石炭系下统及第四系等。

(1)震旦系上统老虎塘组(Z2l)，主要分布在矿区北西及南西部，变质程度较深，岩性主要有云母石英片岩、石英云母片岩、黑云斜长片麻岩等。岩石有不同程度的混合岩化作用，形成混合岩化岩石或混合岩等。

(2)石炭系仅在矿区北部及北东部出露，为一套海陆交互相—浅海相含煤建造及碳酸盐岩建造。该系划分为下统梓山组(C1z)和上统黄龙组(C2h)，梓山组(C1z)岩性主要有石英砂砾岩、石英砂岩及紫红色粉砂岩，间夹炭质泥岩及煤线；黄龙组(C2h)为灰白色、紫灰色厚层状灰岩夹紫红色薄层状含泥灰岩、粉砂质泥岩。黄龙组与梓山组呈假整合接触；石炭系与下伏地层呈不整合接触。

(3)侏罗系在矿区及外围广泛出露，为一套钙碱性-碱钙性系列的陆相火山岩系。该系划分为打鼓顶组(J3d)和鹅湖岭组(J3e)，二者为假整合接触或喷发不整合接触。

1.2 构造

本区主要构造为逆掩推覆构造(FD2)，是勘查区重要控岩控矿构造，控制长度约6 km。FD2上盘变质岩厚数十米至数百米不等，总体走向为北东，倾向北西，倾角变化较大。

1.3 岩浆岩

区内主要出露燕山期花岗岩和加里东期混合花岗岩。混合花岗岩和石英正长斑岩非侵入态。燕山中期主要形成花岗斑岩、石英正长斑岩及火山碎屑岩，燕山晚期则主要形成流纹斑岩和钾长花岗斑岩。

1.4 地球物理特征

(1)地磁异常。根据2010年1∶1万地面高精度磁测成果(1)江西省地质矿产勘查开发局九〇二地质大队，2010.江西省贵溪市冷水坑矿田燕山-麻地矿区1∶1万地面高精度磁测勘查报告[R].，在区内发现有二个正负梯度较大的磁异常，异常大致呈马蹄形，一般正值为100～400 nT，负值为100～200 nT，属弱磁异常。异常分布于岩体与火山岩的接触带，其特征与冷水坑矿田相吻合。区内磁性较强的岩石主要有中细粒辉石正长岩和铁锰碳酸盐岩。根据异常的分布位置，初步推断该磁异常为铁锰碳酸盐岩所引起。

(2)电性异常。根据2010年在工作区北部施测的3条剖面可控源音频大地电磁测深和15个复电阻率法测点资料(2)江西省地质矿产勘查开发局九〇二地质大队，2010.江西省贵溪市冷水坑矿田燕山-麻地矿区复电阻率(CR)法补充勘查报告[R].，认为①推断地表出露的震旦系属推覆体，厚度为200 m左右，局部较厚；基底为震旦系或前震旦系。②勘查区范围内普遍存在岩体侵入。③发现的4处相对较高的充电率异常，认为其中3处与矿化现象相关，与地球化学异常有一定的相关性。

(3)岩石电性特征。根据以往对ZK10025，ZK10026，ZK15701，ZK12580，ZK21101，ZK21102，ZK21103等7个钻孔岩芯电性的测定结果(表1)，并结合地表岩石标本电性测定资料，本区可分为3个电性层。①高阻电性层，主要岩性为混合花岗岩、流纹斑岩、熔结凝灰岩、正长斑岩、玢岩、伟晶岩类等，其实测电阻率相对较高，一般大于1 500 Ω·m，构成本区高阻背景场，即加里东期岩浆岩以脉状形式穿插各地层之中，规模不大。②中阻电性层，属震旦系老虎塘组浅变质岩系。③低阻电性层，主要岩性为花岗斑岩、晶屑凝灰岩，其量值一般低于800 Ω·m，花岗斑岩规模相对较小，低阻异常背景主要反映侏罗系晶屑凝灰岩。若花岗斑岩侵位于晶屑凝灰岩，仅靠电阻率特性难以区分，此2类岩性均为本区控矿层组。在对各电性层具体地质属性划分时，需结合区内地层岩性分布及时空组合关系综合考虑。视电阻率断面异常表现形式取决于电性层的厚度、深度及空间组合关系。

表1 银珠山铜多金属矿区外围钻孔岩芯电性参数Table 1 Electrical parameters of drill core in Yinzhushan copper poly-metallic deposit

侏罗系晶屑凝灰岩可作为工作区标志性电性层，因其相对其他地层低阻特征十分明显。震旦系变质杂砂岩、千枚岩及混合花岗岩电阻率相对较高，一般都可达数千 Ω·m，呈高阻异常特征，与岩体(花岗斑岩除外)电阻率在同一个量级，单从电阻率差异上难以将其划分，但岩体与震旦系岩性异常形态特征不同，前者主要为不同规则可叠加于其他早时代地层之上，后者异常范围严格受地层分布范围控制。

2 野外工作方法与技术

2.1 CSAMT方法原理

CSAMT法是针对大地电磁测深法(MT)的场源随机性、信号微弱和观测困难的弱点，改用人工控制场源以获得更好的探测效果的一种电磁测深法。它通过改变发射源的发射频率达到测深目的，用测量相互正交的电场和磁场分量计算卡尼亚视电阻率和阻抗相位(林建勇等，2020)。

卡尼亚视电阻率：

阻抗相位：

φz=φEx-φHy

式中，ρs为卡尼亚视电阻率(Ω·mv)；f为频率(Hz)；Ex为水平电场分量(V/m)；Hy水平磁场分量(A·m)，φz为阻抗相位。

CSAMT采用人工源，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信息、野外数据质量高、重复性好，解释与处理方法简单、解释剖面横向分辨率高、勘探深度较大及工作成本低廉、高阻层屏蔽作用小等特点；其不足之处是场源效应影响时常存在，静偏移严重，受地形的影响较大(傅良魁，1983；葛纯朴等，2007)。

2.2 工作布置

结合矿区地质特征及工作目的，布置3条CSAMT法测线(图1)，分别为L133线、L123线、L3线，剖面总长6.12 km，测点点距40 m。L133线、L123线剖面方位135°，测点桩号从北西至南东按顺序编号；L3线剖面方位45°，测点桩号从南西至北东按顺序编号。收发距为18.8 km，供电偶极距为1.4 km，人工场源布置方位与测线方向平行，测线观测范围在场源偶极AB中垂线两侧30°夹角范围内。CSAMT法测量采用V8系统主机接收。布置6个电道(Ex)和1个磁道(Hy)，最低工作频率为1 Hz，最高工作频率为9 600 Hz。磁探头长轴方向垂直于电偶极方向布设；发射与接收采用GPS卫星时间同步，精度为0.1 ns。

图1 矿区CSAMT法测线布置图Fig.1 The arrangement sketch showing the CSAMT method of the mining area1.第四系；2.侏罗系鹅湖岭组；3.震旦系老虎塘组；4.混合花岗岩；5.石英正长斑岩；6.燕山早期花岗斑岩；7.燕山晚期流纹斑岩；8.燕山晚期正长花岗斑岩；9.石炭系梓山组；10.CSAMT法实测点位及测线编号；11.SIP测线及实测极(点)位

3 资料处理与成果解释

3.1 资料处理

数据采用成都理工大学MTsoft2D软件进行处理，包括近场校正、去除跳点、静态位移校正、电阻率反演结果成图等数据处理流程(葛纯朴等，2007)。电法的地质解释主要是根据实测视电阻率断面图结合区内地表地质及钻孔情况进行电阻率对比判断，从而确定异常源的地质属性，最终绘制地质推断成果图(雷晓东等，2018；余永鹏等，2012；龚显坤等，2014；何国丽等2018)。

3.2 成果解释

3.2.1 解释依据

参考区内2008年施测的SIP法L123(图2)参数异常特征及资料解释结论(3)江西省地质矿产开发局九○二地质大队，2008.江西省贵溪市冷水坑矿安燕山-麻地矿区频谱激电法(SIP)勘查报告[R].，其中与CSAMT法关系密切的为视电阻率参数异常，ρs异常断面图反映地电结构为3层地电结构单元。ρs1异常区量值达1 000 Ω·m以上，为相对高阻电性层；ρs2异常区范围较大，与东南段ρs5相连为一整体低阻异常，呈一底部宽大的“U”形围绕上部高阻电性层分布，其阻值<400 Ω·m，该区域等值线分布均匀，走向明显，向高阻异常中心匀缓递增，反映其电性层厚度相对稳定，规模较大，属侏罗系火山岩；ρs3异常区主要反映上部推覆体的分布，在断面图上，ρs3异常值<1 000 Ω·m，反映较高阻地质体主体在断面控制深度以浅，推覆体自西南向东北呈台阶式减薄，一方面反映推覆构造的多期次性，另一方面预示着测区存在北西向断裂。ρs1与ρs2高、低阻异常以较密集梯级带过渡，两种岩性的接触面亦是FD2断裂位置。

图2 L123线SIP法电阻率参数异常图(4)江西省地质矿产开发局九○二地质大队，2008.江西省贵溪市冷水坑矿安燕山-麻地矿区频谱激电法(SIP)勘查报告[R].Fig.2 Resistivity parameter anomaly of SIP method of Line123

通过以上研究认为：①上部加里东期混合花岗岩与震旦系老虎塘组是以推覆体形式覆盖于侏罗系火山岩之上，似一柄朝东之“勺”状，西厚东薄呈台阶式变化；本次测线L133及L123北西段过推覆体，厚度往南东逐渐变薄；②侏罗系主要分布于在推覆体之下，呈东部厚度较大之特征；③燕山期岩体较发育，穿插于推覆体、侏罗系及其深部；④高充电率异常主要分布在L123线北西部，550 m深度以浅，具较大分布范围，为成矿有利部位。

3.2.2 各条测线成果解译

本次研究对L133、L123、L3线反演电阻率断面分别进行了地质解译(图3，4)。

图3 L133线反演电阻率断面及地质解释图Fig.3 Diagram showing the inversion resistivity cross section of L133 line and the geological interpretation map

(1)L133线反演电阻率断面及地质解译成果。图3为CSAMT法L133线视电阻率反演断面及推断地质成果图，测线方位135°，剖面长2 880 m。其中频谱曲线类型小号端大部分为“H型曲线”，桩号1 360号点两侧曲线差异较大，推测为电阻率过渡界面，桩号1 500至2 800段“H型曲线”中部电阻率值明显低于高频段和低频段，推测中部为一相对低阻地层所致，桩号3 100南东曲线形态由“H型”向“A型”过渡，说明岩性已发生变化，南东端浅部呈低阻异常特征，深部呈相对高阻异常特征。

视电阻率反演断面垂向上总体呈高—低—高的3层“H型”空间分布特征，结合钻孔ZK13307揭露的地层分布规律，推断浅部为震旦系老虎塘组与混合花岗岩，中部为侏罗系火山岩，底部为石炭系与震旦系老虎塘组。其中1 000桩号地表至1 800桩号-500 m标高一线存在一条低阻异常带，并在1 500桩号-300 m标高处左右两侧具有明显的电阻率差异，结合地质资料推断为断裂破碎带(FD4)的反映，该断裂倾向南东、倾角>40°；2 000桩号地表至2 300桩号-100 m标高一线的低阻异常带，推断为断裂破碎带FD3，其倾向东南，倾角>40°；2 500桩号地表往北西端1 000桩号-300 m标高一线存在一条明显视电阻率异常梯级带，根据ZK13307钻孔，在标高-65～-85 m揭露到构造角砾岩。因此推断该视电阻率异常梯级带应为推覆断裂FD2的反映，该断裂为岩性分界面，上部为震旦系老虎塘组与混合花岗岩、下部为侏罗系鹅湖岭组；3 300桩号地表往北西2 000桩号-1 300 m标高一线两侧具有明显不同的电性异常特征，其北西侧为低阻、东南侧为总体高阻特征，其空间位置与区域断裂FD1相吻合，因此推断该视电阻率异常梯级带应为区域断裂FD1的反映。

此外，在1 500至3 000桩号段的中深部存在大范围的低阻异常区，而地层均为侏罗系火山岩，此处地表河流水系发育，ZK13307钻孔在钻进过程中有揭涌、漏水现象。因此推断该低阻异常区是由于侏罗系火山岩强赋水性引起。

(2)L123线反演电阻率断面及地质解译成果。图4a为L123线视电阻率反演与推断地质成果图，测线方位315°，测线剖面长1 440 m(36个CSAMT法物理点)，北西段与2008年施测的L123线SIP法部分重合，SIP法桩号9 300至10 300与CSAMT法桩号1 200至2 200段重合。CSAMT法L123线视电阻率异常特征与L133线异常特征类似。断面中部的相对低阻异常规模从L133线的桩号1 500至3 000缩小至L123线桩号1 800至2 600，垂向上变化不大。

图4 L123和L3线反演电阻率断面及地质解释图Fig.4 Diagram showing the inversion resistivity cross section of L123 and L3 lines and the geological interpretation map

(3)L3线反演电阻率断面及地质解译成果。图4b为L3线CSAMT法视电阻率反演与推断地质成果图，测线方位45°，剖面总长1 800 m。图4b中上部频谱曲线图中大部分曲线以高频(浅部)视电阻率偏高、低频(深部)视电阻率相对偏低异常特征，桩号1 900至2 000段及2 300至2 400段曲线中部呈相对低阻异常特征，推测为一套相对低阻异常的地层反映。

视电阻率反演断面图从纵向上分析，呈浅部高阻、深部低电阻率异常特征。其中相对高电阻率异常区推断为震旦系老虎塘组与混合花岗岩的综合反映，相对低阻异常区为侏罗系鹅湖岭组火山岩反映，二者分界面推断为构造断裂带(FD2)的反映，断裂走向与测线近似平行。横向上1 000桩号地表至1 400桩号-500 m标高以及1 850桩号地表至1 750桩号-400 m标高两处的相对低阻异常带推断为含水断裂破碎带FD3的反映；2 400桩号地表至2 300桩号-150 m标高的相对低阻异常带推断为倾向北西的次级含水断裂破碎带的反映。