双频激电法在澳大利亚Pilbara地台区寻找盲矿体的应用<br/>——以Calvert金矿为例

双频激电法在澳大利亚Pilbara地台区寻找盲矿体的应用
——以Calvert金矿为例

2021-06-05刘樟乐王宏宇

工程地球物理学报 2021年3期

刘樟乐，王宏宇，杨旭

(1.西藏珠峰资源股份有限公司，上海 200070；2.西北有色地质矿业集团有限公司，陕西西安 710054；3.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083；4.西安西北有色物化探总队有限公司，陕西西安 710068)

1 引言

澳大利亚西澳Pilbara地台因多期构造作用与岩浆作用叠加，具备良好的成矿条件[1,2]，但多数地区第四系覆盖较厚，地表找矿标志罕见，亟需有效的勘查方法探测隐伏盲矿体，以实现找矿突破。

双频激电仪是何继善院士发明的、具有完全自主知识产权的激电仪器，多年来，双频激电法在我国各类矿产的勘查中得到了广泛的应用，并取得了良好的找矿效果[3-10]。本次工作依据矿区地质、地形及物性条件，通过开展双频激电法扫面，圈定激电异常1处，经钻探验证，新发现了隐伏金矿(化)体，表明双频激电法在该地区寻找盲矿体行之有效，具有广泛的应用前景。

2 地质背景

澳大利亚西部Pilbara地台是世界上最古老的地台之一，是一套以经历多期次剧烈构造变形作用及岩浆作用为主要特征的花岗岩绿岩带[11-16]，其次级构造单元中Pilbara地台，主要由De Grey群浊积岩与Whim Creek绿岩带组成。

位于Pilbara地台中部的Mallina盆地是一个经历多期变形作用和岩浆侵入作用的构造沉积盆地，出露地层主要为Mallina组薄层状细粒-中粒杂砂岩和页岩，下覆Constantine组中-粗粒长石石英砂岩和杂砂岩[17]。Mallina剪切带横截Mallina盆地(图1)，其主体产状为近直立或南倾，呈现出剪切结构南侧整体向上错动的迹象，Mallina剪切带膨大部位是主要的金矿赋存位置，是寻找金矿的热点区域，迄今为止已经在剪切带内及其南侧次级构造带中发现多个规模不等、类型各异的金矿床。侵入岩主要有碱性花岗岩、高镁闪长岩和高钾二长花岗岩三类，其中规模最大的Portree花岗杂岩体分布于盆地北部，侵入时间为2 946±6 Ma[18]。

Calvert金矿床位于Mallina剪切带东延与Wohler剪切带的交汇部位(图1)，地形平坦，地表见风成沙、冲积物、崩积物与钙质结砾岩等第四系覆盖物。矿区内地层主要为Mallina组低变质杂砂岩和页岩，主要的构造方向为近东西向，次级构造多见近南北向，少数露头可见规模较小的剪切结构和近直立褶皱，区内岩浆活动不活跃，仅见少量花岗杂岩体。

前人在矿区内开展过地面地质、激电中梯、土壤化探等一系列找矿工作。传统地质工作因地表露头稀少缺乏明显的找矿标志而多无建树；激电中梯扫面因感应耦合强、矿区人文干扰严重等问题，未能达到预期找矿效果；土壤化探发现Au、As元素组合异常，推测该异常位于两条主要构造带的交汇部位，具有较好的成矿背景。

1-Fortescue群；2-Sherlock侵入岩带及Millindinna混合岩；3-Whim Creek群和Bookingarra群；4-De Grey群；5-Mallina组；6-Constantine组；7-Cleaverville组；8-Pilbara Well绿岩带；9-Opaline Well花岗岩；10-Satarist花岗岩；11-Portree花岗混合岩；12-Peawah花岗闪长岩；13-Harding花岗混合岩；14-Caines Well混合岩；15-Yule花岗混合岩；16-花岗岩带；17-绿岩带；18-剪切带；19-金矿点；20-金锑矿点图1 中Pilbara地台Mallina盆地地质构造纲要图(据Bierwirth，2002修改)Fig.1 Geology and structure of Mallina basin, central Pilbara(modified after Bierwirth, 2002)

3 矿区物性特征

矿体主要为砂岩和页岩，含黄铁矿、磁黄铁矿、毒砂、石英及方解石等矿物；围岩主要为杂砂岩和粉砂岩，含石英、长石、方解石和黑云母等。金属硫化物在矿体内含量较高，与金矿化呈正相关的关系，因而可以通过寻找金属硫化物引发的激电异常来圈定具有找矿指示意义的异常，实现间接找矿，指导地质勘查工作。

收集矿区周边岩芯和地表采集的各类岩(矿)石标本资料(表1)显示，含矿岩石幅频率在2.4 %～8.4 %之间，算术平均值3.9 %，电阻率在26～390 Ω·m之间，平均电阻率200 Ω·m；围岩幅频率在0.7 %～3.2 %之间，算术平均值1.93 %；砂岩、页岩电阻率在15～210 Ω·m之间，平均电阻率为95 Ω·m；花岗混合岩的电阻率在165～870 Ω·m之间，平均电阻率为470 Ω·m。总体上含矿岩石与围岩之间幅频率、电阻率有明显差异，矿体表现为高极化中电阻特征，砂页岩表现为低极化低电阻特征，花岗混合岩表现为低极化高电阻特征，含矿岩石与围岩电性差异明显，具有开展电法勘查的地球物理基础[19]，可以通过发现反映金属硫化物的高极化中电阻异常达到间接找矿的目的。

表1 矿区岩矿石物性参数

岩矿石标本幅频率、金品位及黄铁矿含量三者间总体呈正相关关系，矿石金平均品位与幅频率总体趋势上呈现近正相关性(图2)，矿石与围岩的黄铁矿含量差异较大，且黄铁矿含量与金品位也成正相关性。表明在矿区开展双频激电，查证化探异常，寻找金矿是可行的，具备良好的地球物理勘查基础。

图2 幅频率与金品位相关性统计曲线Fig.2 The amplitude-frequency and gold grade correlation curve

矿石金品位与幅频率大体呈现近似正相关的关系，利用高斯函数曲线拟合方法，幅频率与金品位相关性函数：f(x)=3.085*exp{-[(x-3.078)/2.631]2}，其中f(x)代表幅频率曲线，x为金品位。一般黄铁矿物含量越高，幅频率也越高,但幅频率的高低不仅与黄铁矿含量的多少有关，还与黄铁矿在矿石中的分布形态有关，以及赋矿岩性有关。一般赋矿岩性中页岩含量较多，黄铁矿呈块状、条带状，矿石的激电特征越明显(表2)。

表2 矿石金品位与幅频率

续表2

4 野外工作方法

地球物理勘探工作能否取得良好的效果，合理部署野外工作、正确选择工作方法、设定可靠的技术参数、采取有效的抗干扰措施等，都十分重要。本次在Calvert矿区开展的物探工作，选用我国自主研发的SQ-3C双频激电仪，采用双频2频点的4 Hz、4/13 Hz频组和偶极-偶极装置，同时采取了一系列减小电磁耦合效应的措施，最终取得了良好的找矿效果。

4.1 野外工作布置

物探扫面采用100 m×20 m的规则测网布设(图3)，测线垂直主体构造方向，测点位置使用RTK进行定位，偶极距40 m，隔离因子3，记录点在接收电极中点，观测参数为视幅频率和视电阻率。共完成测线11条、测点484个。

图3 测线布置Fig.3 Dipole-dipole array

4.2 工作装置的选择

电法扫面工作常用中间梯度、偶极-偶极等装置[20]。其中中间梯度装置在我国应用最广，具有供电电极移动次数较少，野外施工操作便捷；一次供电多台接收机测量，效率高；极化体位于电极中部时，异常形态简单，容易解释等优势。中间梯度装置也存在着低电阻地区电磁耦合效应强、极化体不在装置中部时异常形态复杂难以解释[21]等弊端。

相对于中间梯度排列而言，偶极-偶极排列具有以下主要优势：

1)偶极-偶极剖面对各类产状和位置的极化体都有较好的反映，这是由于电极在不同位置激发极化体时，更容易使极化体处于较好的极化状态，从而测得特征显著的极化异常，同时多位置不同极距的剖面测量结果可用于绘制剖面拟断面图，更好地反应极化体的产状和形态。

2)偶极-偶极装置供电电极与测量电极完全分开，相比中间梯度装置抗感应耦合效应更强[22,23]。

3)虽然偶极-偶极装置相对中梯装置异常较为复杂，但由于其数据量更大、包含的信息更多，使得偶极-偶极装置更加容易发现激电异常[24]。

4)偶极-偶装置对陡倾极化体的分辨能力明显优于中梯装置。

Mallina盆地内早期曾开展过激电中梯扫面，供电极距3 000 m，而矿区内氧化矿体走向长度多在数十米，原生矿赋存深度多在300 m之内，供电极距过大直接导致异常分辨能力下降，物探成果不尽如人意，而随后进行的钻探验证也未能见矿。减小供电极距则由于测线较长还需布设另一组供电极、旁测线数量减少，严重影响工作效率。同时考虑到由于矿体产状较陡、矿区地表电阻率仅10～40 Ω·m，偶极-偶极装置对陡极化体的分辨力、对低阻屏蔽的抗耦合能力明显强于中梯装置[25]，故本次工作选取偶极-偶极装置。

4.3 工作频组的选择

矿区主要含矿岩石具有硫化物含量高、且多呈细粒侵染状的特征，选取双频激电高频段频组，可取得较强的幅频率异常；同时为取得准确测值一般需接收至少4个周期的双频信号，选用高频频组的工作效率更高。而偶极装置的最高工作频率据以下依公式进行计算：

(1)

(2)

式中，a为偶极子长度(m);n为隔离因子，ρs为大地电阻率Ω·m;AB为电极距离(m);fmax为双频频组的高频频率(Hz)。SQ-3C双频激电仪有(1，1/13 Hz)、(2，2/13 Hz)、(4，4/13 Hz)和(8，8/13 Hz)四个工作频组。综合以上因素考虑，根据计算结果，最终采用双频2频点的(4，4/13 Hz)频组开展工作。

4.4 降低电磁耦合效应的措施

考虑到电法测量中电磁耦合现象难以完全避免，除采用了抗干扰能力更强的偶极-偶极装置[26]，还采取了以下措施以减小电磁耦合效应：

1)降低接地电阻。采取多根电极并联供电的方式，增加了土壤与电极棒的接触面积，同时在供电电极位置浇灌大量盐水，达到了减小接地电阻、提高导电性的目的，降低了接地电阻上的能耗，提高了电源的利用效率，保证了测量数据的稳定性。

2)采用更加稳定的测量电极。选取化学性质更加稳定的紫铜质电极作为测量电极，提高了测量电极的稳定性。同时在测量时对电极维持洒灌盐水，使得电极间接地电阻小于2 000 Ω·m，确保了观测数据的质量。

3)避免雨天作业及导线不过水，降低电容耦合效应。偶极-偶极装置的电容耦合效应由以下公式进行计算[27-32]：

(3)

式中，ΔFs为电容耦合效应误差强度；n为隔离因子；a为偶极子长度，m；R为接地电阻，Ω；c为导线分布电容,PF;f为频率,Hz。由公式分别计算双频激电仪4个高频组的电容耦合效应导致的幅频率相对误差，参数取值c=20 PF，R=1 000 Ω，a=100 m，n=3。计算电容耦合导致的幅频率相对误差结果如表2所示。

表2 电容耦合效应导致的幅频率相对误差

表2中的计算结果表明，电容耦合效应在一般情况下影响不大，但当导线处于水中或铺设在较为潮湿的地表时，分布电容c可达干燥环境中的数十倍，从而导致电容耦合效应急剧增加，因此，野外工作中需避免雨天及雨后地表潮湿时作业。

尽管矿区存在电磁耦合效应干扰的可能，经实践证明，采取上述3项措施后，已在可控范围内将其影响降至最低，保证了测量数据的质量。

5 成果解释及钻探验证

双频激电扫面发现较好的视幅频率异常(图4)，钻探验证发现较好的工业矿体。证明双频激电法是该区寻找与硫化物有关的金盲矿体的有效和可行的重要手段，可为本区找矿突破提供更多、更大的技术支撑。

图4 双频激电视幅频率和视电阻率等值线平面Fig.4 Dual frequency IP apparent amplitude frequency and resistivity plane

5.1 激电异常特征

异常区近南北走向集中于测区中部，异常强度大，幅频率Fs值接近4 %，矿区西南部异常未圈闭，推测矿区西南方向外围仍存在极化体的延伸部分。以3.1 %的幅频率值来圈定异常，则可获得一处南北走向长300 m，东西宽250 m的封闭异常区A1，对应电阻率中阻异常。测区地表虽然罕有岩浆侵入体露头，但图4(b)中西北部电阻率高值异常可能反映的是深部岩体、侵入体，大范围的电阻率中低阻异常反映了矿区地层以浊流沉积的砂岩、页岩和粉砂岩为主的特征。近南北向的电阻率异常梯度带，表明地层可能受到剪切作用，存在了南北向的次级构造，从电阻率异常分析，不排除本矿区的矿化体可能与岩浆作用存在密切关联。Calvert矿区位于两处区域断裂的交汇部位，地表未见到明显的岩浆作用迹象，与Mallina盆地内同样位于区域断裂交汇部位的断层控矿型金矿Opaline Well矿床(图1)的构造特征类似。根据视幅频率异常A1，结合物性参数测量结果，推测Calvert矿区中浅部可能存在一处金矿化体。通过本次物探工作将A1异常区作为Calvert矿区内的重点找矿靶区，在下一步的勘查工作中优先布置钻探验证工作。

5.2 钻探验证结果

根据物探异常靶区A1的分布范围和异常规模与强度，在矿区内沿异常区A1走向布设了第一批5个浅钻验证工程，按走向100 m的网度进行深度75 m内的钻探控制，5个钻孔均见矿(图5)；随后展开第二批加密控制及外围探索钻探工程(图5)，探索矿体连续性及延展性，结果显示绝大部分见矿钻孔均位于A1异常区内，异常区外仅两孔见矿且紧邻异常区A1边界。以上钻探工程结果证实矿区内存在一处南北走向金工业矿体(图5)，矿体呈似层状，平均品位1.2 g/t，平均厚度24.5，倾角35°～43°，矿体内黄铁矿含量高于1 %，围岩中含量则跌至背景值，矿体范围与A1异常区高度吻合。