井地瞬变电磁联合探测在2 000 m 深部找矿中的应用

武军杰，刘 彬，智庆全，邓晓红，王兴春，杨 毅，刘东明，邱金柱

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.自然资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室，河北 廊坊 065000；3.辽宁省有色地质一〇三队有限责任公司，辽宁 丹东 118000)

辽东青城子矿区位于华北克拉通东北部，是我国重要的金、银、铅、锌等多金属矿产集中地，区内先后发现多个大中型铅锌矿、白云、小佟家堡子、林家三道沟等多个金矿床以及若干小型矿床和矿点[1-2]。其中白云金矿位于青城子矿田北部，是最重要的大型金矿床之一，深部找矿潜力巨大[3-6]。前人基础性地质研究表明，白云金矿区经历过多期构造运动，地质结构复杂，深部地质结构研究还存在薄弱之处[6]。近几年矿区开展的航磁、航空瞬变电磁、1∶5 万重力、音频大地电磁等面积性工作对区域性地层、构造以及岩体分布的进一步认识起到关键作用[7-8]，并预测了深部成矿有利区[9]。矿区及外围重点地段开展的地面电磁法对于探测含矿地层和控矿构造的空间形态和深部延伸情况也获得了良好效果[10-13]，白云矿区深部找矿亟待突破。

深部矿产探测一直都是一个难题，而瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)是一种矿区深部找矿重要的地球物理找矿方法。井中TEM 法一般是指地-井瞬变电磁法，是在地面发射，钻孔中接收的一种瞬变电磁测量装置[14-15]。深部目标体受地面发射框激发产生的异常场被井中传感器所测量，而由于传感器在钻孔中测量，受近地表的干扰小，能够更接近于深部目标体，获得比地面TEM 更可靠的深部信息[16]。对于规模小，埋深大的高电导目标矿体，或者存在浅部地质干扰的情况下，其优势就更加突出[17]。因此，利用井中TEM 方法能够获得受地面发射框激发的钻孔周围数百米范围内的有用地质信息，从而提高见矿率和找矿效果[18-19]。

20 世纪，在加拿大、澳大利亚等国，井中瞬变电磁被广泛地应用于深部找矿勘查中，并取得了许多重要的找矿成果。在加拿大Sudbury 铜镍矿，采用地-井瞬变电磁法先后发现了1 280 m 深处的Linsley 矿体和2 400 m 以深的Victoria 富铜镍矿床[20]。另外，采用地-井瞬变电磁法还在已开采的矿床之下1 200～1 500 m深处发现了一处高品位的底板矿床，为矿山资源开发作出重大贡献[21-22]。国外在资料解释方面较为成熟，发展了一维反演、等效电流环以及三维反演等解释方法[23-27]。

虽然国内受制于仪器设备、数据采集以及解释技术等各项技术，总体发展较晚，研究程度较低，但是近年来，国内相关研究学者对于井中瞬变电磁法的研究保持了较大的热度，主要包括三维正演方法、不同介质条件下不同形态异常体的三分量响应特征的分析[28-33]，以及数据处理和应用方面的研究[34-41]。而在实际应用案例方面，由于国内金属矿产钻孔普遍在1 000 m 以浅，多数井中TEM 成果反映深度也多在几百米[35,37]，深井中的TEM 成果报道更少。

以上研究多是针对团块状目标矿体(如块状铜镍硫化物矿体)直接找矿的探测技术及解释方法，而现有方法技术在白云金矿区并不完全适用。白云矿区蚀变岩型和石英脉型金矿体本身的规模都不足以引起电磁场的有效变化，因此，TEM 深部找矿的目标并非金矿体本身，而是金的深部有利富集空间，包括地层中片岩和大理岩的分界面、破碎带以及断裂的由陡变缓部位[3]，这加大了井中TEM 解释的难度。而充分利用地面和井中TEM 信息开展综合解释无疑会获得更合理结果[42]。因此，为在白云金矿区500～2 000 m 第二找矿空间中寻找深部金矿，在重点区开展了地面瞬变电磁法的深部探测，并充分利用在瞬变电磁异常区实施的2 000 m 深孔开展了井中TEM 测量，进而尝试将地面和井中TEM 资料进行综合解释，以期使这2 种装置优势互补，能够同时在纵向和横向上获取可靠数据，从而更合理地解释钻孔周围的目标地质体。

1 矿区地质与地球物理概况

1.1 地质概况

白云金矿区内出露地层主要为元古界辽河群上部，由古元古代大石桥组三段、盖县组和第四系组成。大石桥组三段下部由中粒大理岩和白云岩大理岩组成，中部由薄层含石墨中粒大理岩和硅质带状大理岩组成，上部由条纹透闪石片岩和硅质条带大理岩组成。盖县组下部为黑云母浅粒岩、变粒岩、透闪石变粒岩夹薄层细粒大理岩，上部主要为矽线石云母片岩，黑云母片岩、夹黑云母变粒岩、浅粒岩、透闪石变粒岩。第四系地层由砾石、砂、黏土等现代冲洪积层组成。

研究区构造经历过多期地质运动，形成了复杂的褶皱和系列断层。白云金矿区主体以东西向构造为主，发育有多个褶皱和韧-脆性推覆体。东西向构造从北向南依次为白云山背斜、阳沟向斜、阳沟-石湖沟背斜、姚家沟-天桥沟-李家堡子倒转向斜、苏家堡子翻转背斜和顾家堡子倒转向斜[5-6]。此外，区内还有NW、NE、NS 向断裂分布。这些断层大多被石英斑岩、花岗斑岩、闪长玢岩、二长斑岩和煌斑岩等脉岩充填。这些岩脉大多已矿化和蚀变[3]。

1.2 地球物理特征

以往资料显示，片岩具有中高电阻率，大理岩呈高阻，而透辉透闪片岩和含石墨大理岩为低阻显示。其余岩性单元中石英斑岩、硅钾蚀变岩平均电阻率为高阻，含金蚀变岩和硅化带一般表现为中高阻，区内岩石的电阻率受石墨、破碎带较大影响。结合物性搜集结果和钻孔综合测井情况，总结了工作区地层电性情况，其中盖县组分为两层以片岩为主，总体呈高阻、低极化特征。大石桥组三段上层呈低阻、低极化特征，其中低电阻主要由透辉透闪片岩引起；中部由薄层含石墨大理岩和硅质条带大理岩组成，呈低阻特征，局部破碎带呈高极化特征；下层主要为白云石大理岩，呈高阻特征。

2 野外数据采集

2.1 采集参数

为探测白云矿区深部矿体，笔者团队在白云矿区姚家堡子一带开展了地面定源回线瞬变电磁法测量，完成多条TEM 测线。其中，L52 线是较为典型的一条剖面，反演结果显示深部仍为低阻，存在大规模断裂破碎带，有利于深部成矿。当地矿山企业在TEM 异常区实施了2 000 m 钻探，在深部见矿。之后在钻孔中开展了井中瞬变电磁法，进一步探测深部地质结构的空间分布。TEM 地面测线和钻孔位置如图1 所示。

图1 白云矿区地面及井中TEM 野外布置Fig.1 Field layout of surface and borehole TEM in Baiyun mining area

地面及井中野外数据采集参数见表1。其中，地面点距50 m，钻孔中测量基本点距为5 m，一般会在异常段加密至1～2 m。

表1 野外瞬变电磁数据采集参数Table 1 Parameters of field data collection for TEM

2.2 仪器设备

野外数据采集中使用加拿大Crone PEM 系统，该系统包括4.8 kW 的发射系统和接收系统。发射系统由5 kW 发电机、整流器、发射机和回线框组成。发电机产生的220 V 交流电经整流器转换为直流电压，发射机根据采集参数在回路中发射双极梯形波。发射系统和接收系统的同步方式是石英钟。接收系统包括PEM 接收机、地面探头和井下探头。井中瞬变电磁系统照片如图2 所示。

图2 Crone 井中TEM 系统Fig.2 Borehole TEM system of Crone

3 结果及讨论

3.1 地面TEM 反演结果

地面TEM 测线L52 位置如图1 所示，图3 为地面定源回线瞬变电磁法L52 线反演和解释结果。由图3 可知，测线下方的电性分布总体分为五层，300 m以浅呈高阻，为盖县组片岩的反映；300～500 m 呈低阻，为透辉透闪片岩及含石墨大理岩的反映；500～1 400 m总体呈相对高阻，而高阻特征为南部薄，北部厚；1 400～1 800 m 为低阻，推断为破碎带；1 800 m 以下高阻为白云大理岩反映，属大石桥组三段下部。

图3 地面瞬变电磁L52 线反演断面图Fig.3 Inversion section of surface TEM L52

3.2 井中TEM 曲线特征

为了解不同时间道瞬变响应沿钻孔的变化特征，将31 个时间道分为4 组分别绘制。图4 为钻孔ZK1中实施的井中TEM 实测剖面曲线图，测量深度950～1 700 m。图中可以看出，4 组剖面曲线在950～1 300 m段仅在个别段如970～1 020、1 100、1 140、1 220 m 等出现微弱异常，为岩性互层中含炭质薄低阻层的反映。而第4 组(25～31 道)晚期道剖面曲线在1 400～1 650 m段出现明显负异常(图5)，为典型的孔旁异常特征，显示该段孔旁一定距离存在低阻体。该段钻孔编录显示为煌斑岩、破碎带、蚀变带、含石墨大理岩等，为深部断裂特征。

图4 钻孔ZK1 井中TEM 剖面曲线Fig.4 ZK1 borehole TEM plot curves

图5 钻孔ZK1 井中TEM 剖面曲线(1 300～1 700 m)Fig.5 TEM plot curves of ZK1 borehole at depths of 1 300 m to 1 700 m

为进一步分析该段井中TEM 的瞬变响应特征，选择1 000～1 600 m 段的原始衰减曲线进行对比(图6)。由图6 可知，井中TEM 衰减曲线衰减规律与地面曲线衰减规律不同。在早、中期道中，瞬变响应幅值逐渐增大之后再衰减，这主要由测点深度、发射框与钻孔的相对位置关系以及发射框与下方介质耦合关系综合导致。1 000、1 100、1 200 和1 300 m 晚期道曲线衰减正常，而1 400 m 开始在晚期道出现反号现象，而且随着深度增加，反号的幅值逐渐增大。该现象为典型的极化现象，为深部破碎带蚀变带中局部富集的石墨化、黄铁矿化导致。而前期研究表明，该矿区金成矿与黄铁矿化密切相关，因此，钻孔中出现的极化现象在一定程度上指示了一定范围内金的富集。而钻孔编录也证实了这一结论。

图6 不同深度测点井中TEM 衰减曲线对比Fig.6 Comparison of borehole TEM decay curves at different depths

3.3 TEM 井-地联合解释结果

为更详细了解钻孔周围地质结构以及研究矿区深部金的有利富集部位，尝试将地面TEM 结果与井中TEM 测量结果进行综合对比分析。测线L52 和钻孔ZK1 的相对位置关系如图1 所示，钻孔与地面测线直线距离约为400 m。考虑到两者同处顾家堡子倒转向斜北翼的同一构造区，地质背景相似，且地面和井中TEM 的地面发射框亦有叠合之处，对于深部2 000 m目标体的激发也有相似的激发条件，因此，尝试将地面L52 线TEM 反演结果和钻孔ZK1 井中TEM 实测结果进行联合解释，以分析2 000 m 深部地质结构及成矿有利部位。

图7 为地面和井中TEM 综合解释图，综合了L52线瞬变电磁反演结果、井中TEM 曲线、视电阻率曲线以及钻孔编录资料。

首先，地面TEM 反演结果中纵向电性分布与视电阻率测井曲线基本一致，地表300 m 以浅为高阻，300～500 m 为低阻，500～1 400 m 整体呈高阻含局部低阻薄层，而1 400～1 750 m 呈低阻。其中300 m 处的高低阻界面为片岩和大理岩分界面。是浅部金的有利成矿层位。

其次，在井中瞬变电磁1 400～1 650 m 段出现的负异常，是由0～200 号点下方1 400～1 800 m 段低阻团块引起的，其异常中心距离钻孔约100 m。在点号200～500 号下方不同深度多处出现明显的电阻率不连续之处，推断为隐伏断裂，如图7 所示。该隐伏断裂形态呈上陡下缓的特征，而这种形态为深部金及其伴生的黄铁矿化的局部富集提供了条件，而正是富集的黄铁矿化引起了井中TEM 响应晚期出现极化效应。目前在1 400～1 500 m 处已经钻探见矿，还可推断深部1 600～2 000 m 仍是深部成矿有利区。

图7 中文字部分是根据钻孔编录资料总结的大致岩性情况，地面和井中TEM 结果与钻孔编录资料基本吻合，也证实了地面TEM 的探测深度和反映的电性结构的可靠性。

图7 地面和井中瞬变电磁综合解释结果Fig.7 Comprehensive interpretation result of surface and borehole TEM

4 结论

a.井中TEM 勘探，由于接收探头沿钻孔深入地下，获得更加可靠的深部地质体及目标矿体的信息，包括局部低阻异常体引起的剖面曲线异常特征，以及断裂中富集的与金密切相关的黄铁矿化引起的激电效应，因此，井中TEM 能够在深部金矿探测中起到重要作用。

b.辽东白云矿区2 000 m 深孔地面和井中TEM综合解释结果表明，地面TEM 能够大致反映总体的地下电性结构，井中TEM 深入地下可以获取更为可靠的纵向电性分布情况，两者优势互补可以提供更加合理的解释成果。

c.井中TEM 方法由于充分利用钻孔深入地下，因此，可以获得高纵向分辨率的可靠深部信息。本次仅是将地面和井中联合进行了综合解释，建议下一步深入研究地面和井中数据的联合反演方法，获得更加合理可靠的地下电性分布情况，从而更加广泛应用于金属矿、煤炭、地下水等领域深部勘探中。

致谢：辽宁省有色地质一〇三队有限责任公司刘福兴总工、王伟正高级工程师以及李生辉高级工程师提供了白云矿区地质资料，并且为地面、地-井TEM 野外施工提供诸多帮助，在此表示感谢。