低阻屏蔽地区深部电法勘探试验研究

杨富强，陈康，龙永锋，区小毅，卢胜辉

(1.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074；2.广西壮族自治区地球物理勘察院，广西 柳州 545005；3.广西壮族自治区第七地质队，广西 柳州 545005)

0 引言

在开展电法勘探过程中，有些矿区泥岩、碳质岩的电阻率都非常低，在地表浅部形成了严重的“低阻屏蔽”，对电法工作产生了极大的影响(龚惠民等，2007)。在电法测量过程中，地表为低阻层时，供电电流不能往深部流，而是从表层通过，形成“短路”效应，这就是“低阻屏蔽”；也存在着另外一种低阻屏蔽，即不仅是表层存在高导电层(低阻层)，连深部也存在着高导电层(低阻屏蔽)，这时电流就会往深部及表面分散流动，导致电流更加易于吸收，更加无法达到勘探的目的(薛国强，2004)。

在滨海地区、表土盐渍化严重的河网地区，有些矿化度较高的沙漠干旱区以及在我国南方红层地区(含铁质成分较高)及碳质岩与砂岩、页岩地层地区(广西大部分区域均属于此种类型)等均能形成一个高导电层。这些地区应用电法极为不利，经常遇到供电电流高达数安培、电位差却十分小的情况，导致难以勘探甚至无法勘探，而且由于电流只在表层流过，无法反映深部情况(张作宏等，2014)。

研究区内南华系、震旦系上统陡山沱组地层呈现相对高阻特征，与震旦系老堡组和寒武系清溪组的低阻地层有明显的电性变化界面，老堡组和清溪组等含碳质、低阻地层在区内形成干扰极大的“低阻屏蔽”影响，对电法工作造成了较为严重的影响。如何克服低阻屏蔽的影响是一个比较棘手的问题，本文针对老堡矿区存在严重的“低阻屏蔽”现象，开展了一系列电法试验研究工作，为该地区深部找矿工作提供技术支持。

1 矿区地质及地球物理特征

1.1 矿区地质特征

老堡铅锌矿区(图1)位于广西三江县城西南约30 km 的老堡乡境内，面积约50 km2。区域地理位置上处于江南古陆南缘，桂北台隆九万大山穹褶带东缘，三江-融安深大断裂西侧，平垌岭大断裂东侧(梁金城等，2009)。矿区出露地层较为简单，由老到新有南华系上统黎家坡组(Nh3l)含砾泥岩，厚50～180 m，震旦系上统陡山沱组(Z1d)碳质泥岩夹白云岩，厚27～157 m，震旦系上统老堡组(Z1l)硅质岩，厚27～157 m，寒武系清溪组(C-q)泥岩、砂岩夹灰岩、白云岩，厚780 m，寒武系边溪组(C-b)纹层状变质板岩和第四系(Q)残坡积物等(陈文伦和蒋勇辉，2019)。

图1 老堡矿区地质及试验区位置图(自测)

矿区铅锌矿(化)呈层状、似层状、透镜状，主要产于陡山沱组白云岩(路启福等，2013)、老堡组硅质岩层间构造中，一般厚7.64～33.11 m；矿体产状与地层产状大体一致，走向20～60°，倾角25～75°，并具有地层同步褶曲的现象，明显受层位、岩性的控制(陈文伦和蒋勇辉，2019)。控矿岩性组合为陡山沱组碳泥质岩。白云岩，老堡组硅质岩及寒武系清溪组碳泥质岩。白云岩化学性质活泼、孔隙率高、性脆，易循环交代成矿(廖顺妹等，2013)；硅质岩性脆、高碳、富含球形藻类，易产生层间滑动与破碎，有利成矿物质的沉淀成矿；白云岩和硅质岩上部封闭性的碳泥质岩对成矿流体中有用组分的沉淀、交代起到了良好的屏蔽作用，从而形成老堡矿区后生“层控”铅锌矿床(李文杰等，2009)。

1.2 地球物理特征

研究区内岩(矿)石的电性特征十分复杂，它们之间的电阻率存在很大的差异，中浅部的泥岩、碳质岩等电阻率极低的岩性在区内形成严重的“低阻屏蔽”。从全区物性统计资料及本工作区露头小四极、钻孔岩芯标本电性测定统计显示(表1)，除了金属硫化物矿和碳质岩为中-高极化率岩矿石外，其余岩矿石均呈现较为明显的低极化率特征。矿区内主要低阻层为陡山沱组碳质泥岩及清溪组碳泥质岩、页岩，且以清溪组地层含碳较多低阻明显(陆怀成和陈忠献，2001①，2003②，2007③，2008④)。

表1 老堡矿区岩矿石电性参数统计表

2 电法试验

本文在广西三江县老堡地区北面的石门岭矿段及东南面的黄泥冲矿段开展2.2 km2的时间域激电扫面工作，并在此基础上布置了100 个物理点的可控源音频大地电磁测深(CSAMT)及32 个物理点的激电测深工作。

2.1 时间域激电法(TDIP)勘探效果分析

2.1.1 时间域中间梯度及单极梯度装置试验效果

试验工作先在①号区(黄泥冲)展开(图1)。首先进行试验的电法装置为时间域中间梯度装置(AB ＝1600 m、MN ＝20～80 m、I ＝5000 mA)，结果发现仅在距供电电极200 m 范围内能采集到稳定的电场信号，距供电电极200 m 以外的区域则因一次场信号较弱等因素观测重复性极差或无法观测，受低阻屏蔽的影响较大，时间域中间梯度装置无法按要求完成观测任务，随后改用时间域单极梯度法开展工作取得较明显的浅层激电异常信息(图2)。由于单极梯度法工作繁琐且勘探深度较浅，无法反映出中深部地质体的物探异常信息，故在广西三江县老堡地区再次开展电法试验，试验装置为时间域激电测深装置、可控源音频大地电磁法装置(CSAMT)和频率域激电中梯装置(黎海龙等，2014⑦，2014⑧)。

图2 老堡矿区①号试验区(黄泥冲)单极梯度法极化率异常图

2.1.2 激电平面异常特征及找矿意义分析

原设计面积性激电工作采用中间梯度装置，结果发现仅在距供电电极200 m 范围内能采集到稳定的电场信号，200 m 以外的区域则因一次场信号较弱等因素重复观测误差大或无法观测，受碳质岩层低阻屏蔽的影响较大，时间域中间梯度装置无法按要求完成观测任务，随后改用时间域单极梯度法(类似于“近场源法”)开展工作取得较明显的浅层激电异常信息。单极梯度布设的无穷远极垂直测线且距离测点OC≥2500 m，置于测线的供电电极距AO 为300～500 m，测量电极距MN ＝40 m。单极梯度法观测到的老堡矿区平面激电异常展布特征见图2 与图3。

图3 老堡矿区②号试验区(石门岭)单极梯度法极化率异常图

老堡矿区的①、②号物探试验区是一套泥岩与碳酸盐岩交互的沉积建造地层，且岩性差异较大、组合复杂，且岩性差异较大、组合复杂，主要由泥(页)岩、含碳泥岩、砂岩、硅质岩、白云岩等组成。从取得的平面激电成果来看，反映的浅层激电特征差异也较为明显，平面激电异常主要沿震旦系陡山沱组倾向侧及老堡组、寒武系清溪组展布，南华系黎家坡组基本处于背景场区。

结合矿区的岩性、物性特征及矿体地质特征分析认为，本区激电异常与三方面因素有关:(1)黄铁矿(化)；(2)目标矿——铅锌矿(化)；(3)碳质。黄铁矿(化)是主因，铅锌矿(化)、碳质是次要因素。铅锌矿(化)引起的激电异常叠加于黄铁矿(化)或碳质引起的主异常上，一般较难区分，但从由石门岭矿段已控矿体的分布特点来看，激电异常与矿体分布的关系还是有一定规律可循，富铅锌矿地段激电异常更突出，南北两侧异常较弱，说明本区铅锌矿和黄铁矿化有一定正相关关系，因此激电异常对寻找目标矿——铅锌矿具有较大指示意义。对激电异常的定性还需结合异常所处的地质位置综合分析，如黄泥冲矿段的滩底冲东侧清溪组主极化异常区距含矿层位较远，据已知地质剖面得知该区矿体产状较陡，激电单极梯度扫面勘探深度有限，因此基本可断定该高极化异常带主要是清溪组岩层局部富黄铁矿或石墨化程度较高引起，反映不了深部的铅锌矿异常，找矿意义有限(杨富强等，2021)。

2.1.3 激电断面异常特征及找矿意义分析

(1)1020 线激电测深:物探1020 线位于黄泥冲矿段中部(图2)，受到地形、地貌、低阻屏蔽等因素的约束，激电测深装置采用三极装置，供电极距AO(AB/2)为10～800 m，浅、中部极距较密，深部极距逐渐放稀；测量极距MN/2 在1/3～1/5 供电极距(AO)范围内变化，由于低阻屏蔽影响，为了获得稳定数据，MN/2 最大达200 m，正是由于测量极距较大，所获得的测点电场信号因综合了较多外部地质因素而客观性降低。

从激电测深断面图4 可见，由148 点至116 点号段由浅往深出现一个明显、范围较大的中高极化异常，并于124 号点出现分层，上层反映的异常源较浅并逐渐减弱，下部极化异常尚未封闭，反映的异常源较深并有下延趋势。距物探1020 线南侧平距约100 m 的地质400 号勘探线施工的两个钻孔均揭露到铅锌矿体(Ⅳ号矿体)，对比物探1020 线断面激电异常特征和地质400 线实测剖面地质特征可见，赋存于震旦系陡山沱组白云岩的铅锌矿体特征和断面激电异常所反映的异常源位置及产状特征基本一致。断面激电异常范围较宽，是由于其综合了黄铁矿化、铅锌矿(化)及碳质的激电效应。

图4 老堡矿区1020 线物探勘查综合剖面图

(2)1170 线激电测深:物探1170 线位于石门岭段(图3)，和地质131 线重合。测深装置和上述1020 线一致，同样受低阻屏蔽影响严重，使用较大的MN 极距，AO ≤400 m 采集的数据较为稳定，AO ＞400 m 后数据质量略差，需重复多次观测后取相对稳定的平均数据。

由图5 发现，在140～160 点间浅层(AB/2 ＝10～100 m)，极化率值约为2.50%～3.50%，对应寒武系清溪组碳质泥岩地层；140～160 点间中深部观测段(AB/2 ＝160～240 m)，极化率值普遍大于6.00%(最大达10.00%左右)，对应震旦系老堡组石英硅质岩地层及Ⅲ号矿体，异常体深度及异常形态与Ⅲ号矿体(埋藏深度约为120 m)基本相当；168～192 点段对应震旦系老堡组下部及陡山沱组碳质泥岩地层，极化率值介于1.50%～3.50%之间。根据以上分析可断定，寒武系碳质泥岩及震旦系碳质泥岩引起的极化异常值普遍小于3.50%，不是引起高极化异常主因，高极化异常主要与铅锌矿体(Ⅲ号矿体)或其他硫化矿(如黄铁矿)有关。断面激电异常源范围较宽，这是由于多层矿(化)体及多层碳质岩引起极化异常的综合效应；另外可以看出，由于各矿层间距不是很大、厚度也不大，且矿(化)体的引起极化异常与碳质的引起极化异常不能明确区分开，因此激电测深结果并不能将矿层逐个详细反映出来，尤其对深部的I-1 矿体基本不能反映。

图5 老堡矿区1170 线物探勘查综合剖面图

综上所述，虽然本区受黄铁矿化及碳质影响，时间域激电勘探深度较浅，测点电信号综合了较多外围信息，但根据平面激电异常可大致圈定矿化带的平面投影位置，根据断面激电异常特征可以大致推测矿体空间赋存位置及其产状特征，说明时间域激发极化法在本区具有一定找矿效果，可作为本区重要的勘探手段之一，有效应用该方法的关键在于如何改善接地条件及使用较大功率电法仪系统提高供电电流及信噪比，从而获得可靠的数据和更大的勘探深度。

2.2 频率域激电法(SIP)勘探效果分析

由于时间域激电中间梯度装置观测法在老堡矿区很难有效应用，时间域激电测深需要MN 极足够大的情况下才能观测到稳定数据(不符合规范要求)。基于此，我院在老堡矿区进行频率域激电试验，旨在解决低阻屏蔽地区激电勘探深度问题和探讨其可行性。频率域激电试验分别在老堡矿区③号试验区和④号试验区进行(图1)。

③号试验区位于老堡矿区东侧，频率域激电法试验剖面为1250 线和1390 线，测线方位103°，测线跨越寒武系清溪组、震旦系老堡组和陡山沱组及南华系黎家坡组(图6)。采用中间梯度装置，AB ＝1000 m、MN ＝80～120 m，供电电流为6 A。观测发现，在清溪组和老堡组所测得的数据与“理论数据”相反，即低频电位小，高频电位大，计算出的频散率为负值；经采取改变MN 极距和加大电流等改进措施，并检查供电系统及接收系统确保其处于正常状态，再进行多次的试验，观测结果不变。至于为何会产生实测数据与理论数据相反的现象，原因不明(难道说因为一次电场较弱而无法产生极化效应?)，无法进行推断解译，而往东过老堡组地层后则获得低频电位大、高频电位小的“正常”数据，但各测点根据公式计算得到的频散率值差异极小，无法分辨有效异常，最终决定暂停在该区的试验工作。

图6 ③号试验区激电频散率剖面平面图

④号区的激电中梯勘探装置为AB ＝800 m、MN ＝80 m、供电电流6 A，所测的曲线图详见图7。最终所得结果基本情况为:东段寒武系清溪组、震旦系老堡组地层上数据不可取(非正常变化)，即电场数据呈低频小、高频大；西段南华系黎家坡组及大部分陡山沱组地层上数据正常，并且出现为突变性正常，即从原来的不正常数据突变为正常的数据。

图7 ④号试验区激电频散率剖面平面图

试验结果表明，老堡矿区频率域激电勘探无法获得预期效果，试验暂时失败，有待下一步更换仪器、方法装置进行试验和研究。

2.3 可控源音频大地电磁法(CSAMT)勘探效果分析

(1)1020 线CSAMT:1020 线CSAMT 勘 探(图8)，是在开展时间域激电(扫面和测深)的基础上开展CSAMT 工作，旨在了解本区岩层、构造分布及其深部产状变化情况，探测深部矿化层。主要装置参数为:供电极距AB ＝1500 m，收发距R ＝7800 m，测点距(测点间距离)40 m，MN(测量电极距) ＝40 m，工作频率1～8192 Hz(加密频点观测)，供电电流18 A。

图8 1020 线CSAMT 二维电阻率断面图

由图8 可见，大致以48 点号为界，往深部出现明显的高→低阻电性分界，反演视电阻率等值线呈单斜式往北西西倾斜，大致反映了本区岩层的倾向特征。对比地质勘探400 线(平距物探1020 线南侧约100 m)的剖面(图4b)可见，南华系一侧总体上反映为中高阻异常特征，震旦系、寒武系岩层总体反映为中低电阻率异常特征，尤以寒武系清溪组碳质泥岩为甚。铅锌矿体赋存于陡山沱组白云岩层间破碎带，在CSAMT 反演断面上反映矿化带处于电阻率梯度带或低阻异常带中(黎海龙等，2011⑨)。

(2)1160 线与1170 线CSAMT:物探1160 与石门岭矿段地质勘探129 线重合，1170 线与地质131线基本重合(图1，图3)，是在激电扫面圈定激电异常的基础上选择性开展的CSAMT 工作，1170 线还开展了时间域激电测深。CSAMT 二维反演结果见图9 与图10。物探1160 线、1170 线剖面地电特征相似，寒武系清溪组地层电性变化较大，上部(剖面西侧)粉砂岩出现高、低电阻相间变化特征，下部碳质泥岩则呈现明显的极低阻特征(电阻率值小于1 Ω·m)，是本区引起“低阻屏蔽”现象的主要因素；震旦系老堡组硅质岩、泥岩及陡山沱组碳质泥岩地层亦呈明显低阻特征(电阻率值约为几至几十Ω·m)，无法分辨出矿体所引起的低阻异常；南华系黎家坡组含砾泥岩引起中阻—中高阻异常特征，与上覆震旦系地层有较清晰的电性分界面。铅锌矿体赋存于老堡组硅质岩及陡山沱组白云岩中层间破碎带(或裂隙)中，在CSAMT 反演断面上反映矿化带也处于电阻率梯度带或低阻异常带中。

图9 1160 线CSAMT 二维电阻率断面图

图10 1170 线CSAMT 二维电阻率断面图

综上所述，CSAMT 具有较强的“穿透”低阻屏蔽层能力，反映地层的产状特征明显，并且能较清晰的分辨出震旦系与南华系的电性分界面，但震旦系和寒武系则没有显著的电性界面。对比已知地质剖面发现，虽然矿化层埋深较难定量确定，但矿化层平面位置可依据断面异常大致圈定，由此可见，CSAMT 勘探在本区是有间接找矿效果的，CSAMT 和TDIP 互相配合在本区具有一定的应用空间。

3 结论

(1)本区的岩层、岩矿石电性特征可归纳为:南华系黎家坡组含砾砂质泥岩为相对高阻特征，震旦系陡山沱组泥岩夹白云岩、细砂岩反映为中-中高阻特征，震旦系老堡组硅质岩为中-中低阻特征，寒武系清溪组碳质泥岩则主要反映为低阻特征，前两者与后两者地层之间有明显的电性变化界面。老堡组硅质岩和清溪组含碳质、低阻岩层在区内形成“低阻屏蔽”层，对电法勘探造成了较为严重的影响。除清溪组碳质泥岩具有一定强度极化效应外，其他岩层岩性极化效应较弱。

(2)本区电法勘探具有如下的规律:即由于受“低阻屏蔽”的影响，在寒武系清溪组范围内接收电位信号小、观测较困难，南华系范围内接收的电位信号较大、观测较易，震旦系则处于两者之间。

(3)前期开展的时间域激电中间梯度装置观测在老堡矿区很难有效应用，单极梯度装置观测有一定效果但勘探深度较浅。由激电异常特征和已知矿体特征对比可见，高极化异常与已知矿体平面投影位置及空间赋存位置、产状特征对应较好，说明由激电异常圈定矿化带可信度较高。高极化异常主要是由黄铁矿(化)、铅锌矿(化)为主引起，局部地段还叠加了清溪组碳质岩引起的干扰异常，对激电异常的定性要结合具体的地质环境分析。总之，时间域激发极化法在本区间接找矿有一定的勘探效果，关键在于要解决勘探深度浅的问题，可尝试使用较大功率(如30 kW)的发射系统，通过大幅度改善供电电流达到增大勘探深度的目的。

(4)本区使用国产DEM 大功率电法仪在老堡矿区开展的频率域激电(SIP)试验无法取得预期效果，在清溪组和老堡组实测数据与“理论数据”相反，即低频电位小，高频电位大，计算出的频散率为负值，视为无效数据，经反复试验均如此，是仪器原因或其他原因还不明，有待以后更换其他仪器及方法装置试验。

(5)由CSAMT 勘探结果可见，寒武系清溪组地层区反映的大地视电阻率仅几至几十Ω·m，震旦系地层区反映的大地视电阻率几十至几百Ω·m，南华系地层区反映的大地视电阻率几百至几万Ω·m，高低阻异常分带比较明显。CSAMT 反演断面上，各条断面的形态总体上是一致的，纵向上由浅表到深部岩层电阻率由低阻向高阻渐进，横向上视电阻率由清溪组→老堡组→陡山沱组→黎家坡组岩层逐渐增大，显示岩性层与电性层有较好的对应关系，根据视电阻率异常变化规律可大致划分出地层界线。铅锌矿体赋存于老堡组硅质岩及陡山沱组白云岩层间破碎带(或裂隙)内，在CSAMT 反演断面上反映矿化带处于电阻率梯度带或低阻异常带中。CSAMT 在本区有效勘探深度可达千米以上，说明该方法在“低阻屏蔽”地区有较强的“穿透力”，可有效运用于类似矿区的深部找矿。CSAMT 属于电磁法勘探范畴，除此外，可在类似矿区开展大地电磁法测量(AMT)或瞬变电磁法测量(TEM)。

注 释

①陆怀成，陈忠献.2001.广西武宣古立铅锌矿区电探工作简报[R].柳州:广西地球物理勘察院.

②陆怀成，陈忠献.2003.广西岑溪市龙湾铅锌矿区物探工作报告[R].柳州:广西地球物理勘察院.

③陆怀成，陈忠献.2007.广西武宣县朋村铅锌矿区激电工作报告[R].柳州:广西地球物理勘察院.

④陆怀成，陈忠献.2008.广西岑溪市大塘铅锌矿区电探工作报告[R].柳州:广西地球物理勘察院.

⑤广西地质勘查总院第一勘查院.2004.广西三江县老堡铅锌矿预查报告[R].桂林:广西地质勘查总院第一勘查院.

⑥广西271 地质队.2005.广西三江县老堡铅锌矿普查工作总结[R].桂林:广西271 地质队.

⑦黎海龙，刘秀飞，等.2014.广西重点地区深部岩体圈定与形态研究报告[R].柳州:广西地球物理勘察院.

⑧黎海龙，陆怀成，等.2014.综合物化探在铅锌矿勘查中的应用研究报告[R].柳州:广西地球物理勘察院.

⑨黎海龙，朱国器，等.2011.电磁法在矿产勘查中的应用研究成果报告[R].柳州:广西地球物理勘察院.