隐伏岩浆型铜镍矿空—地—井协同勘查技术体系

2022-06-16黄旭钊范正国何敬梓葛藤菲王思浔满毅王鹏李军王恒

物探与化探 2022年3期

黄旭钊，范正国，何敬梓，2，葛藤菲，2，王思浔，满毅，王鹏，李军，王恒

(1.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083; 2.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院, 北京 100083； 3.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队，新疆哈密 839000)

0 引言

我国正处于对能源和矿产资源需求的高速增长阶段，随着勘查程度的提高，深部找矿成为重大国家战略需求，勘查工作重点正向覆盖区转移，其中浅覆盖区找矿日渐成为找矿突破的关键部位[1]。随着地球物理勘探方法和技术手段的不断发展和革新，越来越多的物探方法投入到隐伏矿床勘探中[2]，从最初的重磁法勘探到大地电磁法，到航空地球物理勘探和地—井瞬变电磁勘探，再到目前开始应用的高分辨率浅层地震勘探，工作平台也从地面扩展到航空和钻孔中，工作方法已多元化，并正在向空—地—井联合勘探方向发展。因此，在同一找矿区域、不同勘查阶段，如何适时开展不同的勘查工作，以及如何配合、协调等从而大大降低找矿成本，提高找矿效果和效率，显得尤为重要，也是目前地球物理勘探需要解决的关键技术之一。

新疆若羌县启鑫一带作为典型覆盖区，具有较好的岩浆型铜镍矿成矿条件，前期开展了一定的地质和地球物理工作[3-5]。笔者通过开展适用于覆盖区深部矿产资源探测的、具有大探测深度及高分辨率的综合航空地球物理探测技术，以及与航空地球物理配套、有效的地面和井中地球物理方法技术，总结、形成了隐伏岩浆型铜镍矿不同找矿阶段的最佳方法技术组合，从而建立了空—地一体化深部矿产快速勘查技术体系。该勘查技术体系丰富了覆盖区找矿方法技术，特别是对隐伏岩浆型铜镍矿勘查找矿有一定的借鉴和示范意义。

1 研究方法及技术路线

岩浆型铜镍矿的成矿规律研究表明，超基性侵入岩是岩浆硫化物型铜镍矿床的重要含矿建造[6]。前人总结认为其地球物理异常可以概括为“三高一低”，并提出“基性—超基性杂岩体+高磁、高重、高极化、低电阻”为核心的地质—地球物理找矿模型，再配合Cu、Ni、Co化探组合异常，这对寻找岩浆型铜镍矿找矿具有指导意义[7]。笔者通过近年的找矿实践发现，通过精细的重磁联合反演、CSAMT和TEM反演等综合物探技术,可以判断基性-超基性岩深部延伸和矿体赋存部位，指导钻探部署[5,8]，在此基础上，形成了空—地—井协同勘查技术体系。

通常,按照勘查目的将找矿划分为3个阶段，即找矿远景区确定阶段、找矿靶区优选阶段和矿产勘查阶段，一般按照时间顺序,由找矿远景区确定阶段→找矿靶区优选阶段→矿产勘查阶段依次开展工作。可实施的航空、地面、井中勘探方法众多，合理部署即建立一套协同勘查技术体系是非常必要的。空—地—井协同勘查技术体系中，“空”指航空地球物理调查技术，“地”指地面地球物理、地球化学和地质调查技术，“井”指槽探、钻探、坑探等探矿工程和测井技术。协同指需要各种方法技术和组织工作的合理组合，遵循精度与经济适宜的原则布置工作，不平均使用工作量。力求以最小的经济投入，取得最好的勘查效果。

1.1 构建协同勘查技术体系的基本思路

1.1.1 协同勘查的基本原则

协同勘查首先需遵循的基本原则是能有效降低找矿成本，提高找矿效果和效率，即协同有序、可实施、有效果、多参数、不重复、经济合理。

协同有序：指在工作的不同阶段、不同实施主体、不同技术方法组合之间遵循总体部署、按照先后顺序配合得当。

可实施性：指协同勘查方法可在通常地理、地形、气候条件下应用于任一个覆盖区。

有效果：指协同勘查方法中的任一种方法均可反映出岩浆熔离型铜镍矿的某种地质、地球物理特征。

多参数：指在同一地区、同一勘查阶段优选出2种及以上的有效勘查方法，作为相互约束、互为补充的技术组合。

不重复：每种勘查方法要从不同侧面提供岩浆型铜镍矿的地质、地球物理找矿信息。

经济合理：协同勘查方法性价比合理。

1.1.2 协同勘查的组成

协同勘查技术体系通过技术协同和组织协同实现。按照策划过程和实施方案，协同勘查技术体系又可细分为纵向协同和横向协同，它们属于技术协同和组织协同的组成部分。

技术协同：以岩浆熔离型铜镍矿为对象，以各勘查阶段目标为导向，分别施以航空物探、地面物探、井中勘探手段，在每个阶段充分发挥不同勘查方法和配套的数据处理和解释方法的技术优势，为达成同一勘查目的，构建共同协作、互为补充和约束的勘查方法技术组合。

组织协同：为了完成同一目标，由两个或两个以上的具有领域知识和经验的、一定的问题求解能力的实施主体，通过一定的信息交换和相互协同机制，分别施以不同的勘查任务共同完成这一目标。

纵向协同：体现串行协同原理，指对同一勘查阶段或不同勘查阶段顺序进行的实施主体的分配与管理。同一勘查阶段内，不同勘查方法技术之间需要有机地统筹、但又不能固定不变，既要充分发挥各自优势、又要充分发挥组合效果；不同勘查阶段的勘查方法技术使用也不是一成不变的，如探矿工程，不一定必须要到验证阶段才使用，只要有足够的依据，在工作初期(远景区选择)就可以使用。

横向协同：体现并行协同原理，指为了提高工作效率和找矿效果，根据需求，将不同勘查方法技术或不同勘查阶段协同在一起工作，如航空物探与地面物探的协同工作、地质矿产调查与物探调查的协同工作等。

1.2 地球物理勘查技术方法选择依据

1)航空物探勘查技术选择依据：①适用于覆盖区的，在通常地理、地形、气候条件下可实施的航空物探勘查技术；②适用于找矿远景区确定阶段的航空物探勘查技术；③具有较好的物性条件，可快速反映出岩浆熔离型铜镍矿的某种地球物理特征，通过航空物探勘查方法圈定间接目标物——超基性岩体或直接目标物——含矿超基性岩体；④能够多参数相互约束、相互补充。

2)地面物探勘查技术选择依据：①适用于覆盖区，在通常地理、地形、气候条件下可实施；②适用于找矿靶区优选阶段；③可通过地面物探勘查方法验证航空物探勘查方法所圈定的间接目标物——超基性岩体或直接目标物——含矿超基性岩体，获取矿化信息。

3)井中物探勘查技术选择依据：① 能够对超基性岩体或含矿超基性岩体(矿体)进行空间定位；②能够获取地下岩(矿)层物性信息，为定量计算和三维地质—地球物理建模提供必要的约束条件。

1.3 有效地球物理勘查方法技术

通过新疆若羌县启鑫示范区所实施的空—地—井勘查方法技术，确定了岩浆型铜镍矿有效勘查方法技术。

1)航空地球物理有效勘查方法技术，包括：①高精度、大比例尺航磁ΔT测量；②航空电磁TEM测量；③航磁、重力2.5D联合反演技术；④ 3D物性反演技术，包括：3D视磁化率反演、3D视密度反演、3D航磁总模量视磁化率反演、3D归一化磁源强度视磁化率反演；⑤三维视密度差和视磁化率融合与地质建模技术；⑥基于重磁数据智能融合的深部地质建模技术；⑦基于人机交互反演的隐式3D地质建模技术。

2)地面地球物理有效勘查方法技术，包括：①高精度、大比例尺地磁ΔT测量；②大比例尺地面重力测量；③地面激发极化面积测量；④ 地面CSAMT测量；⑤地面地球物理剖面精测(包括磁法、重力、激发极化测深、CSAMT测量)；⑥电阻率、极化率换算方法；⑦CSAMT一维反演技术；⑧航磁、重力2.5D联合反演技术；⑨3D物性反演技术，包括：3D视磁化率反演、3D视密度反演、3D航磁总模量视磁化率反演、3D归一化磁源强度视磁化率反演；⑩地质建模技术，包括基于重磁反演结果智能融合的深部地质建模技术、基于人机交互反演的隐式3D地质建模技术。

3)井中有效勘查方法技术，包括：①井中磁化率测量；②井中密度测量；③井中TEM测量。

2 快速协同勘查技术体系框架及勘查技术组合

2.1 技术体系框架

空—地—井协同勘查技术体系如图1所示，它是在多种能源矿产协同勘查体系研究基础上而建立的[9-14]。整体结构按照勘查目的划分为3个阶段，每个阶段根据目标部署勘查方法，但不同阶段之间根据实际需求，可局部、有效地插入到其他阶段中。整个技术体系依托纵向协同和横向协同提供全方位支撑。每个勘探阶段依据纵向协同支持，技术协同负责采取最优的方法技术组合，组织协同保障其正常进行；横向协同主要负责不同勘查阶段之间的协同，技术协同根据实际需求，将后续勘查阶段的某种方法技术，在某个时间点插入到前一个或某个勘查阶段，或前期勘查阶段的数据和成果复用到后续勘查阶段，组织协同协调各实施主体关系，保障其高效、有序进行。

2.2 快速协同勘查技术组合

2.2.1 找矿远景区确定阶段协同勘查技术

找矿远景区主要依据深大断裂、基性-超基性杂岩体、Cu、Ni化探组合异常、航磁异常、重力梯度带和航磁梯度带来划分。此阶段航空地球物理勘查起主要支撑作用，可以快速、有效地、经济地达到该阶段目标。涉及的基础资料主要为：填图比例尺不小于1∶20万的地质矿产资料、测量比例尺不小于1∶20万的区域化探资料、测量比例尺不小于1∶5万的航磁ΔT调查资料和测量比例尺不小于1∶20万的地面重力调查资料。因此，基础技术组合为：1∶20万地质矿产填图+1∶20万区域化探测量(可选)+1∶5万航磁ΔT测量+1∶20万重力测量。

2.2.2 找矿靶区优选阶段协同勘查技术

找矿靶区优选主要依据重力、磁场和极化率的高异常以及电阻率低异常，简称“三高一低”模式。获取“三高一低”基础数据要分阶段、高效有序进行，航空地球物理勘探作为排头兵首先开展工作，确定重点异常区；在此基础上，地面的地质矿产调查、地球物理调查和地球化学调查同时跟进，开展工作。

1)航空地球物理勘查技术组合：测量比例尺不小于1∶2.5万的航磁ΔT搭载航空TEM电磁测量，在覆盖不严重的地区，若同时缺少填图比例尺大于及等于1∶20万地质资料，可考虑开展测量比例尺不小于1∶2.5万的航空伽马能谱测量，飞行高度参照相关规范执行。

2)数据处理包括基础数据处理和位场数据转换处理，参照相关规范执行。当剩磁较大且磁化方向与总场方向角度较大时，需要求取总场模量或归一化磁源强度，作为3D视磁化率反演的基础数据。航空TEM电磁数据处理技术包括电阻率换算和极化率换算。航空伽马能谱数据处理技术包括K、U、Th聚类分析和地质单元航空伽马能谱核素含量统计分析。

3)开展定性和定量解释，重点是区分基性、超基性岩体以及含矿超基性杂岩体引起的异常。航磁定性解释方法参照《磁测资料应用技术要求》[15]，定量解释方法主要包括：2.5D航磁ΔT和梯度联合反演、2.5D航磁ΔT和分量联合反演、欧拉反褶积法计算岩体顶面埋深、3D物性反演。航空TEM电磁定量解释即航空电磁一维反演。在解释过程中，可进行必要的野外物性补充测量，或进行地面踏勘和三级异常查证，发现蚀变矿化可挖探槽，取标本和化学样进行化验、鉴定。

4)综合解释，确定重点异常区范围。

5)在重点异常区，部署地质、地面地球物理、地球化学勘查工作，技术组合：不小于1∶1万的地质草测、不小于1∶1万的地面重力测量、不小于1∶1万的激电测量、不小于1∶1万的CSAMT测量(可选)、不小于1∶1万的TEM电磁测量(可选)、不小于1∶1万或1∶2.5万的岩石(屑)或土壤化探面积测量(局部可开展1∶5 000或1∶1万比例尺的剖面测量)。

6)地面地球物理勘探同步安排物性测量，包括磁化率、密度、电性、能谱测量(可选)，尽可能保证相同点位采集物性数据；有条件可采集岩心的磁化率、密度、电性数据。对于磁化率不小于2 000×10-5SI的地方，需采集岩石定向标本，送实验室进行剩磁测定。

7)开展地面数据处理，参照相关规范执行。对于重力测量，当区域场与局部异常叠加较严重时，需作剩余异常处理,计算时滤波波长根据局部异常规模确定。

8)综合开展定性、定量解释，对矿致异常实施浅钻和槽探，取样进行物性测定、岩(矿)石鉴定和地球化学分析。

9)以槽探和浅钻物性数据和电法反演剖面为约束条件，利用航磁数据和地面重力数据，进行3D重磁物性建模。

10)根据地质、地球物理、化探综合特征，开展找矿潜力研究，优选找矿靶区。

2.2.3 矿产勘探阶段协同勘查技术

矿产勘探阶段即工程验证阶段，按照精测→钻探→取样化验、井中测量→精细反演→再验证的基本思路开展工作。

1)在重点找矿靶区布置地质—物探综合精测剖面，以确定钻孔位置，可选择直接验证或2.5D精细联合反演之后再进行验证。2.5D重磁联合反演计算以激电测深反演剖面进行约束进行，确定含矿岩体形态、埋深，布置钻孔。

2)直接验证可根据实际情况选择钻探或坑探。

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3)取样品化学分析确定岩体含矿性，同步进行岩心物性测量。也可开展井中TEM，圈定矿体范围或发现旁侧盲矿体。

4)在钻孔验证结果的约束下，再次进行2.5D重磁联合反演。以此结果作为约束条件，再次利用大比例尺重、磁数据开展3D地球物理-地质建模，确定深部找矿有利区，提供钻孔位置。

5)再次验证，并计算资源量，提交矿产地。

3 应用实例

现通过在新疆北山启鑫地区开展岩浆型铜镍矿勘查的应用实例来简述空—地—井协同勘查技术体系的建立过程。找矿远景区确定阶段协同勘查技术与找矿靶区优选阶段协同勘查技术有许多相似之处，仅测量精度要求有所不同，限于篇幅不再赘述。

3.1 岩浆型铜镍矿地质特征

研究岩浆型铜镍矿的成矿地质条件、成矿特征，是确定不同勘探阶段和不同勘探目标所应实施的地球物理技术的前提条件。

新疆若羌县启鑫杂岩带处于塔里木板块东北缘新疆北山古生代裂谷构造带核部，属于北山构造岩浆岩带。区内出露地层为古元古界敦煌岩群，侵入岩发育，基性—超基性至酸性岩类均有出露，岩浆活动具多期次、多类型特征，白山深大断裂在区内规模最大。启鑫基性—超基性杂岩带形成于晚古生代碰撞后拉伸的大陆裂谷环境，并经多次活化，杂岩带长40.3 km，宽6.1～12.2 km，呈NE向带状展布，走向严格受白山深大断裂的控制，带内多个杂岩体在深部可能联通。启鑫杂岩体平面形态呈NE向椭圆状，侵入于古元古代敦煌岩群中，杂岩体主要由辉长岩、橄长岩、橄辉岩、辉橄岩、橄榄岩等岩相构成，其中占主要成分的辉长岩呈深灰色—绿灰色，辉长结构，块状构造。岩浆硫化物型铜镍矿建造主要分布于启鑫杂岩体的北东部及西部的辉橄岩中，受构造控制[16]。启鑫杂岩体赋存的铜镍矿与新疆北山地区的红石山—笔架山基性—超基性杂岩带内的红石山大型镍矿、蚕西镍矿、红石山东镍矿等镍矿[17-19]，以及坡北杂岩带中的坡一超大型镍矿、坡十大型镍矿等[20]有类似的地质、矿床特征(图2)。因此，该基性-超基性杂岩带可成为直接或间接寻找岩浆型铜镍矿床的目标区，具有寻找铜镍矿床的潜力。

3.2 找矿靶区优选阶段协同勘查技术应用

3.2.1 航空地球物理调查

在启鑫远景区实施了1∶1万的航磁ΔT、航磁梯度、航磁三分量、航空伽马能谱和航空电磁TEM测量，通过分析圈定了启北找矿靶区，图3为启鑫远景区部分成果图件。

3.2.2 地质测量

3.2.3 地面地球物理调查

对启北找矿靶区实施了1∶1万比例尺的地面磁法、重力、激电面积测量，1∶1万比例尺的CSAMT测量，同步还开展了物性测量。根据综合分析优选出2处重点找矿靶区，进行了综合剖面测量，并布置了相应的钻孔，如图4所示。多数见矿钻孔处于局部弱磁异常边部、剩余重力异常高的边部、低阻区和中等视极化率。

a—航磁ΔT立体阴影图；b—航磁垂向梯度立体阴影图；c—航磁垂向分量立体阴影图；d—航空电磁TEM第0道立体阴影图；e—航空伽马能谱总道立体阴影图；f—推断岩性构造图,白色框为启北找矿有利区范围;1—推断超基性侵入岩；2—推断以负磁场为特征的基性侵入岩；3—推断以正磁场为特征的基性侵入岩；4—推断橄榄苏长岩、辉石橄长岩、辉长辉绿岩；5—推断弱磁性橄榄辉长岩；6—推断闪长岩；7—推断二叠纪酸性侵入岩；8—推断二叠系红柳河组；9—推断石炭系干墩组；10—推断古元古界敦煌岩群；11—推断断裂a—shadow map of aeromagnetic ΔT; b—shadow map of aeromagnetic vertical gradient; c—shadow map of aeromagnetic vertical component; d—shadow map of the 0th track of airborne electromagnetic (TEM); e—shadow map of total trace of airborne gamma spectrum; f—inferred lithologic structure map, the white frame is the range of favorable prospecting area in Qibei; 1—inferred ultrabasic intrusive rock; 2—infer basic intrusive rocks characterized by negative magnetic field; 3—infer basic intrusive rocks characterized by positive magnetic field; 4—inferred olivine norite, pyroxene olivine and gabbro diabase; 5—inferred weakly magnetic olivine gabbro; 6—inferred diorite; 7—inferred Permian acid intrusive rock; 8—inferred Hongliuhe formation of Permian; 9—inferred Carboniferous Gandun formation; 10—inferred Paleoproterozoic Dunhuang rock group; 11—inferred fracture图3 启鑫远景区部分成果图件Fig.3 Part achievement maps of Qixin prospecting area

a—地磁ΔT等值线平面图；b—剩余重力等值线平面图；c—视电阻率等值线平面图；d—视极化率等值线平面图a—ground magnetic ΔT contour map; b—residual gravity contour map; c—apparent resistivity contour map; d—apparentpolarizabilitycontour map图4 启北找矿靶区综合物探成果Fig.4 Comprehensive geophysical map of Qibei prospecting target area

3.2.4 地面地球化学调查

在启北找矿靶区开展了1∶5万比例尺的地球化学测量。区内杂岩带以镍、铬元素强度高，铜、钴相对较低，元素套合较好，浓集中心明显。铜异常幅值为270×10-6，镍异常幅值为1 434×10-6，钴异常幅值为118×10-6，铬异常幅值为1 496×10-6；异常形态呈不规则的近似月牙状，异常面积大，走向与区内橄榄辉长岩一致，呈NNE向。镍、铜具有内带和外带。

3.2.5 3D地球物理建模

启鑫地区杂岩体受剩磁影响反磁化现象严重，表现为强烈负磁异常，这给直接利用航磁ΔT场进行三维反演带来极大困难，因此，为了消除剩磁的影响，通过该区1∶1万比例尺的实测航磁三分量数据计算了航磁总模量(图5a)，将其作为磁化率反演的数据源，采用3D航磁总模量视磁化率反演得到磁化率网格模型；重力数据采用1∶5万比例尺的地面布格重力数据，以4 km波长高通滤波求取的剩余异常，将此剩余异常作为重力反演数据(图5b)，采用UBC-GIF剩余重力的三维物性反演得到视密度差。从视总磁化强度模量和视密度的三维数据体中，提取6条剖面所在位置地下的垂直切片(断面)数据，然后采用物性数据融合技术得到各断面的视磁化率和视密度融合结果。4950剖面为通过视密度(图6a)和视磁化率(图6b)融合处理，划分出的11类物性体(图6c)，各类物性体的视磁化率和视密度如表1所示，该剖面可以作为2.5D精细反演的初始模型[8]。

3.3 矿产勘探阶段协同勘查技术

3.3.1 地面地球物理剖面精测

布置了多条综合物化探剖面，位置如图4所示。4号剖面上施工探槽TC3和钻孔ZK4-1、ZK4-2、ZK4-3，见Ni2号矿体，赋矿岩性为辉橄岩。4号综合剖面上重力高和弱磁异常对应，根据CSAMT视电阻率断面图推断，辉长岩呈块状高阻，超基性岩相穿插其中，该剖面有南北2个热液通道，北部的岩浆通道离地表矿体较近，深度为0～200 m，南部岩浆通道规模较大，深度在500～800 m，推测2个通道为矿浆来源(图7)。

图5 3D地球物理反演源数据Fig.5 3D geophysical inversion source data

图6 4950剖面所在截面视密度(a)、视磁化率(b)及其断面融合分类结果(c)Fig.6 Apparent density(a), apparent susceptibility (b) and fusion classification result(c) of cross section 4950

3.3.2 探槽、浅钻调查

启北靶区施工钻孔5个，目的是对地表矿体进行追索，其中钻孔ZK4-2、ZK4-3控制了矿体，见镍工业矿1层、硫化镍贫矿2层。矿体呈板状，走向53°，倾向155°，倾角约51°～58°。平面上矿体长370 m，剖面矿体延伸为354 m。

表1 4950剖面所在截面视磁化率与视密度融合分类

3.3.3 地球物理测井

对ZK4-2进行了磁三分量和激电测井，结果见图8。激电测井视电阻率及视极化率曲线整体变化相对较大，视电阻率常见值为10～200 Ω·m，视极化率常见值为0.3%～4%。孔深150～160 m见一相对低阻高极化异常，视电阻率25 Ω·m，视极化率11%。该异常对应镍矿化层，由于镍矿化层较薄，磁三分量测井曲线上所反应出的矿体延伸信息不明显。

3.3.4 井中地球化学

ZK4-2中硫化镍矿层段显示Cu、Co、Ni元素同高。

图7 启鑫勘查区4线综合剖面成果Fig.7 Comprehensive section results of line 4 in Qixin exploration area

3.3.5 3D地球物理-地质建模

将钻孔物性、CSAMT反演和数据融合剖面，作为2.5D精细反演剖面的初始模型，对启鑫杂岩体开展系列剖面2.5D精细反演。根据地球物理反演结果，结合地表地质填图、钻探资料，在Geomodeller平台上构建3D隐式地质模型，确定了赋矿围岩(辉橄岩)的空间位置，如图9所示。

图8 启鑫勘查区ZK4-2孔测井曲线Fig.8 Logging curve of hole ZK4-2 in Qixin exploration area

图9 启鑫杂岩体三维地质模型Fig.9 Three dimensional geological model of Qixin complex

3.3.6 验证结果

通过地质、地球物理、地球化学及探矿工程等工作，初步查明了基性-超基性岩体的空间分布特征，并发现了铜镍矿体7条。成矿地质体定位预测结果，启北基性-超基性岩体的找矿预测标志较好。地质-地球物理三维建模结果，基性-超基性岩体向下延伸超过3 000 m且规模大，估算潜在资源量(334？)：工业矿石资源量4 485万t，镍金属资源量27.19万t，低品位矿石资源量6 774万t，低品位矿石镍资源量25.31万t。目前，根据探矿工程，探求资源量(333+334？)矿石量380.13万t、镍金属10 103 t，伴生Cu金属2 334 t、钴708 t。