胶东牟平-乳山成矿带金青顶金矿广域电磁法探测效果分析

王润生，张保涛，柳 森，王洪军，陈方博，罗怀东，陈大磊，胡创业，赵 磊

(1.山东省物化探勘查院，山东济南 250013；2.山东省地质勘查工程技术研究中心，山东济南 250013；3.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东济南 250013；4.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083；

5.中国地质调查局地球物理调查中心，河北廊坊 065000)

0 引言

胶东地区是我国重要的黄金产地之一，自西向东包括胶西北、栖蓬福和牟乳三大金矿集中区。近年来以胶西北金矿集中区为主，随着勘查力度的不断加大，取得了一系列重大找矿成果(郭春影等，2012；熊玉新等，2018；于学峰等，2019)，发现纱岭、三山岛北部海域、西岭及水旺庄等超大型金矿床。作为胶东金矿区内应用较多的频率域电磁勘探方法，可控源音频大地电磁测量(CSAMT)、大地电磁测深(MT)、频谱激电(SIP)等对相关找矿成果的取得起到了重要的助推作用(董健等，2018；刘永昌和孙婧，2020；刘日富等，2020；王巧云等，2020；杜利明等，2021)。

随着勘探深度及精度需求的不断增加，近年来广域电磁法、反射地震法勘探也投入到胶东金矿勘查及研究工作之中(宋明春等，2019；王洪军等，2020)。

金青顶大型金矿床位于胶东三大金矿集中区最东侧的牟乳成矿带内，属硫化物石英脉型(金牛山式)金矿床，是胶东四大金矿类型之一。矿区内将军石控矿断裂规模远不及胶西北三山岛、焦家、招平等大型控矿构造，且断裂两盘围岩均为相同物性特征的中生代玲珑岩体，矿山开采导致的电磁干扰日益加剧，这些因素导致MT等常规电磁勘探方法的效果不甚理想(雷达等，2010；张凯等，2019；朱怀亮等，2020；曾何胜等，2020，邵炳松等，2021)。本文通过开展广域电磁法试验研究，利用前期已知钻孔控制及CSAMT成果作为对比参照，分析研究广域电磁法对将军石控矿断裂识别的准确度及深部分辨能力，进而探究该方法在本区内的适用性。本次研究结果较为清晰地反映了-2500 m以浅范围内目标断裂的空间几何参数，同时从高阻围岩中识别出控矿断裂内含金硫化物石英脉的线性低阻异常特征，表明广域电磁法能够为胶东牟乳成矿带硫化物石英脉型金矿床提供切实有效的地球物理依据。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

研究区大地构造位置处于胶南-威海隆起区(Ⅱ)威海隆起(Ⅲ)乳山-荣成断隆(Ⅳ)昆嵛山-乳山凸起(Ⅴ)内(李洪奎等，2013)。侏罗纪玲珑序列二长花岗岩广泛分布于研究区西北部及中东部，以九曲单元弱片麻状细中粒含石榴二长花岗岩、郭家店单元中粗粒二长花岗岩为主，同时东南部、中西部分布一定规模的白垩纪伟德山序列及南华纪荣成序列侵入岩，岩性分别为通天岭单元中粗粒二长花岗岩、玉林店单元细中粒含黑云二长花岗质片麻岩。区内地层零星分布，主要为白垩纪莱阳群沉积地层及古元古代荆山群变质基底(图1)。

图1 胶东金青顶金矿地质构造简图

研究区内及周边三条代表性断裂自西向东分别为海阳断裂、金牛山断裂和将军石断裂，黄铁矿化、绢英岩化、钾化、硅化等矿化蚀变主要发育在这些主干断裂或其次级构造内，这些矿化蚀变与金矿化关系密切。金矿类型为硫化物石英脉型(金牛山式)，以沿断裂发育含金硫化物(主要为黄铁矿)石英脉为其主要特征，此类型金矿床的赋矿围岩和控矿构造位置、方向及矿石矿物组合与破碎蚀变岩型(焦家式)金矿床差异明显。NNE向压扭性的将军石断裂是本次研究区内的主要控矿断裂，总体走向5°～10°，总体倾向南东，倾角77°～90°，局部反倾，宽度一般在5～15 m，控制金青顶大型金矿床，矿体最大钻孔控制深度约为1500 m。

1.2 地球物理特征

研究区内岩(矿)石电性参数统计结果显示(表1)，花岗岩类和荆山群大理岩电阻率一般较高，可视为高阻类岩石，曲河庄采集的中粒二长花岗岩电阻率平均值为2267(Ω·m，下同)，与荆山群大理岩相近；邓各庄金矿采集的含金黄铁矿电阻率最低，平均值仅为72.3，低阻特征明显；黄铁矿化石英脉主要为粒状、填隙结构，构造以块状、浸染状为主，其与矿化蚀变岩也呈现较为明显的低阻特征，平均电阻率变化范围为243～335，明显低于花岗质围岩。

表1 研究区岩(矿)石电性参数统计表Table 1 Statistics of rock (ore) electrical parameters in the research area

研究区内金成矿以含金黄铁矿石英脉充填为主，破碎蚀变成矿占极次要地位。其中金矿化与黄铁矿关系密切，绝大多数金矿物与其共生。矿脉中黄铁矿含量可至30%～60%，且结晶程度一般较高，导致被充填断裂的电阻率降低，可较明显区分于高阻围岩。以上物性特征为本次使用广域电磁法识别将军石控矿断裂提供了充分的地球物理前提。

2 广域电磁法原理

广域电磁法已广泛应用于油气、煤炭、金属矿产及地热等勘查领域(Bo et al.，2017；符超，2018；柳建新等，2019；李帝铨等，2020；王宏宇等，2020；危志峰等，2020)。该方法继承了传统人工源电磁法的优点(真齐辉和底青云，2017；Jiang et al.，2020；Liu et al.，2020)，并采用适合于全域的公式计算视电阻率，将近区、过渡区及远区有机统一，改善了非远区的畸变效应，拓展了人工源电磁法的观测范围，大大增加了探测深度。同时，广域电磁法从严格的电磁波方程出发，不做简化，保留了理论计算公式中的高次项，用电磁场的全域精确公式提取视电阻率，且采用一次发送包含多个频率成分且振幅相近的伪随机信号电流，大幅度提高了工作效率和观测精度。

本次广域电磁法工作采用E-Ex观测方式，该方式具有野外装置布设和收拢方便、机动灵活、采集信号强度大等优点，观测人工电流源激发的水平电场分量Ex表达式为：

根据上式定义广域意义上的视电阻率公式(何继善，2010，2019)，其表达式为：

其中：

ΔVMN=Ex·MN；

FE-Ex(ikr)=1-3sin2φ+e-ikr(1+ikr)

式中：I为供电电流；dL为AB供电极距；r为收发距；φ为AB中心到接收点矢径与AB的夹角；KE-Ex为装置系数；ΔVMN为观测电位差；MN为接收电极距。

3 工作布置及采集效果

本次在研究区内金青顶金矿北侧布设GY1广域电磁法剖面，用以研究该方法对于将军石控矿断裂的识别效果。剖面基本垂直于目标断裂，西起金青顶金矿以北(1000/GY1点)，东至车家夼村东北(2850/GY1点)，剖面长度1.85 km，方位角106°(图2)。剖面自西向东地势缓慢升高，无明显起伏，地表高程约为70～156 m。

图2 测线布设示意图

图3 场源布设示意图

由于本次测线距离矿山较近，为了试验人工广域电磁信号强度能否压制矿山电磁干扰，对矿区天然场信号进行了采集，以天然场扰动强度为参考调节发射电流，保证接收端能够采集到有效信号，本次采集使用的最高发射电流为54.7 A。将广域电磁信号和天然场信号的电场数据进行对比，分析实测数据的有效性。图4显示，广域电磁信号可以完全压制住天然场信号的干扰，在1/64～1000 Hz频段，广域电场数值远高于天然电场，大致为后者的8～160倍；在大于1000 Hz频段，勘探深度减小，采集的人工电场数值也随之减小，但也为天然电场的3倍～10倍。图5显示，断裂低阻异常区及背景高阻岩体区内的频率-电场-视电阻率曲线圆滑，无锯齿状跳跃状变化。综上可知，实际工作中很好地压制了天然场干扰，能够采集到高质量的广域电磁数据。

图4 研究区干扰试验对比曲线图

图5 1800点(a,异常区)、2400点(b,背景区)频率-电场-视电阻率曲线图

4 资料解释及探测效果分析

4.1 定性分析

依据广域视电阻率曲线类型图、视电阻率拟断面图及等频率视电阻率曲线图对初始成果进行定性分析及解译，三者综合研究可有效提高定性推断的准确度(王洪军和熊玉新，2020；李帝铨等，2021)。将军石控矿断裂被低阻黄铁矿石英脉所充填，可较明显与高阻花岗质围岩相区分，在曲线类型图中主要表现为曲线类型的突变、曲线内视电阻率幅值的整体降低；曲线类型图中较为明显的低阻断裂反映也会在对应拟断面图中以视电阻率异常或其等值线特征局部改变的方式体现，拟断面图中所反映的断裂特征相比曲线类型图更加直观；利用等频率视电阻率曲线图，可了解剖面横向、垂向电性分布和整测线范围内采集频率与岩层视电阻率的相关变化规律，适用于具有高角度、局部直立甚至反倾特征的低阻将军石断裂的定性解译。

结合上述“频率-视电阻率”相关初始图件对GY1广域电磁法剖面进行定性分析。曲线类型图(图6)显示，主断裂以西1025点～1425点区间内，曲线特征基本一致，视电阻率相对平稳，反映了该地段单一岩性的高阻玲珑序列郭家店单元二长花岗岩体分布；自1475点起，从中频段50 Hz附近视电阻率向中低频逐渐降低，该降低趋势随点号东移更加明显，至1775点～2075点区间曲线类型过渡至KH型。将军石断裂以其内部充填脉体较为宽大的含金黄铁矿石英脉为主要成矿特征，而断裂的低阻地电特征与黄铁矿化直接相关，由此推断中频段视电阻率的降低主要由控矿断裂内的低阻矿化所引起，依据曲线类型的变化区间可初步推断控矿断裂的分布范围及其整体东倾特征；断裂以东2125点～2825点范围内同为高阻岩体分布，曲线形态与断裂西侧存在相似性，且视电阻率整体幅值明显高于断裂分布地段。

图6 GY1剖面频率-视电阻率曲线类型图

视电阻率拟断面特征(图7)与曲线类型高度关联，推断两侧高阻区内主要为玲珑岩体分布，将军石断裂形成较为明显的近似漏斗状低阻异常，被两侧高阻背景场所夹。等频率曲线图(图8)中，各同频曲线在控矿断裂区间存在明显的低阻下凹，且降幅最明显处与拟断面图中低阻异常中心点位置吻合。综上可知，各类初始成果图相互关联，定性分析结果基本一致，控矿断裂处的低阻异常响应较为明显，为后续二维反演解释提供了良好的前提条件。

图7 GY1剖面频率-视电阻率拟断面图

图8 GY1剖面等频率视电阻率曲线图

4.2 二维反演解译

以二维反演计算结果作为本次地质推断的主要依据，二维反演假定大地电性结构为二维，即地下介质的电性在垂直于勘探剖面方向不变，而沿剖面方向和深度发生变化。与一维反演相比，二维反演的假设更接近于真实的地电情况，最终的推断解释成果建立在二维反演基础上。本次采用二维连续介质反演方法，以一维连续介质反演成果作为二维连续介质反演的初始模型，将剖面进行单元分块剖分，而后进行电性拟合，求得各单元的电阻率，在断面上呈现电性分布的等值线图，以此进行地质解释与推断。

将军石控矿主断裂在GY1剖面内被第四系覆盖，剖面涉及的Ⅱ号主矿体主要沿主裂面上盘发育，矿体已知控制深度约1100 m。由中浅部钻探工程控制可知，断裂总体倾向南东，局部直立或反倾，倾角70°～85°，主断面常见断层泥，两侧为构造蚀变岩，黄铁矿化明显，断裂倾向变化复杂，深部展布情况不明(图9)。

图9 金青顶矿区GY1地质剖面图

图10为GY1剖面广域电磁法二维反演解译断面图，经二维反演处理后，电性分布特征及断裂异常响应较定性分析结果更加精确和细化。背景电阻率主要呈现高阻，变化区间约为2600～15000 Ω·m，推断为玲珑序列郭家店单元岩体的反映，两侧高阻分布将1475点～2025点区间内将军石断裂的线性低阻异常衬托得十分明显。在-1100 m标高以浅的钻孔控制区内，将军石断裂的低阻特征与钻孔控制情况较为吻合，其中-500 m以浅断裂南东倾约77°，等值线同形“V”型下凹特征明显，电阻率介于600～2600 Ω·m；-500 ～-1100 m标高区间断裂近乎直立，略微向北西侧反倾，对应上下两侧低阻区的鞍部位置，电阻率约3000 Ω·m，较断裂其他部位略有抬升，推断其原因为-1100 m以浅的局部采空对断裂在该区间内的低阻响应产生了一定影响。深部-1100 ～-2500 m区间内，控矿断裂线性串珠状低阻特征显著，电阻率明显降低，介于1200～1600 Ω·m，可与围岩郭家店单元二长花岗岩的高阻特性明显区分，推断该区间断裂总体呈南东倾向，整体倾角约82°。

图10 GY1剖面广域电磁法二维反演解译断面图

4.3 探测效果对比

前期该剖面开展了CSAMT法测量，WFEM法与CSAMT法所采用的工作频率分别为8192 Hz～0.0156 Hz、8192 Hz～1 Hz，收发距分别为15.5 km、7 km，最大发射电流分别为54.7 A、11 A，发射极距分别为1.1 km、1 km。将CSAMT法反演成果(图11)与本次WFEM法成果对比分析可知：在-1100 m以浅，将军石断裂及金矿体受已知勘查钻孔控制，WFEM法二维反演结果与实际情况吻合较好，虽受局部金矿采空影响导致低阻响应不如深部明显，但仍能够反映出断裂的局部反倾特征，同时CSAMT法在该深度区间表现为断续的局部低阻，与已知断裂形态吻合度低于WFEM法探测成果。在-1100～-1600 m范围，CSAMT法反映的断裂低阻“V”型特征明显，与已知断裂吻合度较高，但因该方法远区测量的局限性，其探测深度有限。WFEM法在-1100～-2500 m电性异常响应明显，与CSAMT法在剖面内整体反映出的断裂低阻下凹特征不同，WFEM法的深部断裂响应特征表现为线性串珠状低阻异常，对深部局部低阻体的识别能力更强。综上所述，CSAMT法总体能够反映出将军石控矿断裂的垂向特征，但对断裂倾向上的局部变化识别难度较大，该方法受场源发射功率的限制，其收发距有限，且伴随近区效应，因此难以达到很大的勘探深度及较高的探测精度(李帝铨和胡艳芳，2015；高鹏等，2017；李英宾等，2019)。广域电磁法对将军石断裂的低阻异常响应十分明显，反映了控矿断裂垂向反“S”型展布特征，尤其对深部断裂中的局部低阻矿化体识别效果明显，在-1500～-2500 m区间仍能保持较高的深部分辨能力。

图11 以往CSAMT反演解译断面图

5 结论

(1)本研究首次在胶东牟乳成矿带硫化物石英脉型金矿床开展广域电磁法探测试验，取得了较为理想的探测效果。在数据采集方面，广域电磁信号可以完全压制住天然场信号的波动干扰，采集的电场数据曲线平滑无畸变，数据质量较高。在探测解译方面，广域电磁法二维反演结果能够清晰反映出将军石控矿断裂反“S”型垂向展布形态，在-1100 m以浅解译结果与钻孔控制情况高度吻合，且至-2500 m深度仍然保持较高的断裂分辨能力。

(2)本次探测结果表明，广域电磁法能够克服金青顶矿区内目标体规模小、围岩物性单一、断裂倾向变化复杂以及矿山电磁干扰等一系列因素，从高阻背景岩体中清晰提取出将军石控矿断裂的线性低阻异常特征。同时通过方法对比，广域电磁法在勘查深度及精度方面的探测效果均优于常规CSAMT电磁勘探法，前者对控矿断裂倾向变化所引起的地电异常响应识别更加精细，尤其对深部断裂中低阻矿化目标体的局部识别能力更强。

(3)MT、CSAMT法作为以往研究区内较为主流的频率域电磁勘探方法，其有效性也被成功的勘查实例所证明，但随着区内矿山建设及开采所带来的工业电磁干扰日益加剧，MT法场源随机且抗干扰能力差的弊端逐渐显现，同时CSAMT法受非远区畸变效应所限，也逐渐难以满足矿山目前的勘查深度需要。本次研究表明，广域电磁法能够同时满足区内高精度、大深度探测需求，其解译成果能够精细反映深部控矿断裂的展布规律，一定程度降低了深部钻探验证的风险，可为矿区内今后开展深部金矿勘查及研究工作提供较为充分的地球物理依据。