湘中地区锰矿地质—地球物理(AMT)模型的研究及应用

杨龙彬， 肖明顺， 丛 源， 高宝龙， 李朗田

(1.中国冶金地质总局 中南地质调查院,湖北 武汉 430080； 2.中国地质科学院 矿产资源研究所 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室,北京 100037)

“无锰不成钢”，同时锰在动力电池、磁性材料等战略新兴产业不断拓展，已成为居铁、铝之后排在第三位的大宗金属。虽然中国是全球最大的锰矿石及锰系材料生产、消费大国，但锰矿石对外依存度超过60%，因此锰矿成为国家十分紧缺的战略矿产之一[1-4]。过去中国锰资源主要以浅表矿或露头矿为主，开发深度一般在500 m以浅，随着多年浅部锰资源的开发利用，现阶段锰资源已经进入隐伏矿勘查时代，开展隐伏构造、含锰岩系空间展布形态的探测方法有效性研究，是锰矿成矿预测的关键。

近年贵州铜仁松桃、遵义锰矿整装勘查及重庆城口地区的矿调工作，采用音频大地电磁测深法(AMT)，研究南华系大塘坡组隐伏含锰岩系的空间展布特征，取得了良好的间接找矿效果[5-11]。但前人的研究更多是针对南华系大塘坡组含锰地层，而对奥陶系磨刀溪组含锰地层研究的较少，同时湘中地区在含锰地层的勘查工作中，较少采用音频大地电磁测深法(AMT)。本文采用音频大地电磁测深法(AMT)对在湖南省桃江县文家湾地区奥陶系磨刀溪组含锰地层和湘潭市九潭冲地区南华系大塘坡组页岩含锰地层的应用效果进行总结，并建立相应的地质—地球物理模型，为后续钻探工程布置提供依据。笔者认为先采用AMT成果勾勒褶皱空间形态，再以钻探工程加以验证，地质与物探相结合的方法是探索覆盖区和隐伏区深部构造特征的有效方法[12]。

1 地质背景

1.1 文家湾地区

文家湾地区位于湖南桃江成锰盆地中心的响涛源—祖塔断陷洼地内，属响涛源—祖塔锰矿找矿远景区中南部；处于冲天蜡向斜核部及其扬起端(图1)。地层由新到老依次出露有第四系、泥盆系、志留系、奥陶系(图2)，其中奥陶系磨刀溪组为含锰地层，该地层在区内呈弧形分布[13]。

图1 文家湾地区地质简图

图2 文家湾地区地层综合柱状图

1.2 九潭冲地区

九潭冲地区位于湘潭成锰沉积盆地东南的九潭冲聚锰地堑槽盆内(图3)。地层由新到老出露有第四系、石炭系、泥盆系、寒武统、震旦系、南华系与板溪群(图4)，其中南华系大塘坡组为含锰地层，属大塘坡式浅海沉积型锰矿床[14]。其层位稳定，产状与围岩一致，矿体的厚度与质量变化严格受岩相古地理条件所控制。

图4 九潭冲地区地层综合柱状图

2 岩石电性特征及电性分层

2.1 文家湾地区

由实测、收集文家湾地区岩性标本，其视电阻率特征如图5所示。该地区地层岩性以志留系新滩组砂岩、寒武系探溪组泥晶灰岩为相对高阻，平均视电阻率分别为2 887、3 142 Ω·m；其次以奥陶系桥亭子组粉砂质板岩为中高阻，平均视电阻率为1 777 Ω·m；再次以奥陶系白水溪组泥质板岩为中阻，平均视电阻率为837 Ω·m；最后以志留系龙马溪组黑色页岩、奥陶系五峰组板岩、奥陶系磨刀溪组黏土岩和寒武系探溪组黑色薄层状灰岩为低阻，平均视电阻率分别为184、465、462和342 Ω·m。单从地层岩性视电阻率值来看，从浅到深岩性整体呈“高—低—高—低—高”的电性特征。由于志留系新滩组砂岩厚度达近1 000 m，而志留系龙马溪组黑色页岩，奥陶系五峰组板岩、磨刀溪组黏土岩、桥亭子组粉砂质板岩和白水溪组泥质板岩每种岩性厚只有几米—十几米，考虑到上下地层在电磁法正反演中的体效应，这五种岩性视电阻率特征基本可以忽略；同时寒武系探溪组黑色薄层状灰岩和泥晶灰岩分别呈低阻、相对高阻特征，所以在该地区从浅到深岩性整体呈“高—低—高”的电性特征，为音频大地电磁测深法间接找矿提供了良好的地球物理工作前提。

图5 文家湾地区地层岩性标本电性特征图

2.2 九潭冲地区

由实测、收集九潭冲地区岩性标本，其视电阻率特征如图6所示。该地区地层岩性以泥盆系棋梓桥组灰岩为最高，平均视电阻率为5 253 Ω·m；其次以震旦系金家洞组白云岩、南华系南沱组冰碛砾岩和板溪群粉砂质板岩为中高阻，平均视电阻率分别为2 601、2 653和2 413 Ω·m；再次以泥盆系岳麓山组泥质灰岩和南华系富禄组砂岩为中阻，平均视电阻率分别为1 470和1 079 Ω·m；最后以泥盆系跳马涧组泥质粉砂岩、寒武系小烟溪组硅质页岩和南华系大塘坡组黑色页岩为低阻，平均视电阻率分别为514、379和585 Ω·m。单从地层岩性视电阻率值来看，从浅到深岩性整体呈“高—低—高—低—高”的电性特征，但由于泥盆系棋梓桥组灰岩受第四系覆盖及浅部构造的影响，其横向上分布不均匀；泥盆系岳麓山组泥质灰岩与炭质页岩互层(由钻孔岩心得知)；震旦系金家洞组白云岩厚度可达400多米，但岩心破碎，多呈碎块状，整体视电阻率都有所降低；南华系南沱组冰碛砾岩和富禄组砂岩岩心厚度只有不到1 m，考虑到上下地层在电磁法正反演中的体效应，这两种岩性视电阻率特征基本可以忽略；而板溪群粉砂质板岩作为基底，整体呈高阻特征，所以在该地区从浅到深岩性整体呈“局部高—低—高”的电性特征。

图6 九潭冲地区地层岩性标本电性特征图

3 野外数据采集及处理方法技术

采用V8电法工作站的音频大地电磁测深法开展测深工作，采集频带10 400～0.35 Hz，文家湾地区布设3条5 km长剖面，点距50～100 m，合计音频大地电磁测深法测深点203个，质检点7个，质检率为3.45%；九潭冲地区布设2条剖面，点距100 m，合计音频大地电磁测深法测深点132个，质检点5个，质检率为3.79%(表1)。

表1 实测工作量统计表

3.1 数据采集

采用加拿大凤凰公司生产的V8电法工作站，该系统包括一系列适应野外观测的轻便多道采集盒子和配套的数据查看、处理、编辑软件。采集盒子之间通过全球卫星定位系统(GPS)与世界通用协调时间(UTC)同步。野外数据采集工作过程包括选点、测点布置和观测等内容[3](图7)。

图7 V8音频大地电磁测深观测系统示意图

3.1.1测点选择

测点的选择一般是根据地质任务设计好的，但是具体工作中要考虑地形和环境干扰因素，宜选择在地势开阔平坦的区域，避开起伏地形和地表电性不均匀体的位置，同时尽量远离人文电磁干扰。

3.1.2测点布置及观测

(1) 用森林罗盘测定装置方向，用皮尺测定距离，x轴指向磁北，y轴指向正东。水平分量磁探头分别沿x轴和y轴方向埋入地下30 cm左右，且保持水平，距离“十”字中心点10 m左右。

(2) 不极化电极分别沿x轴和y轴方向埋入地下20 cm左右，保持垂直，并确定其与测站中心点的距离。测量不极化电极间的接地电阻及电位差，观察接地电阻是否<2 kΩ·m，AC电位差是否<150 mV。当接地电阻>2 kΩ·m时，通过加深电极坑、注盐水、用泥土包裹不极化电极或更换地点等方式减小接地电阻。

(3) 使用屏蔽线进行绝缘检查后，将其作为传输电缆。绝缘电阻应>2 MΩ·m，传输线之间不得交叉和悬空。

(4) 为保证每个测点能够完成相应的地质任务，全区所有测点电测信号使用相同的频率范围，并设置合适的采集参数。每个测点有效采集时间≥45 min，在干扰严重及接收信号微弱时，要延长观测时间，增加叠加次数，提高数据采集质量。

3.2 数据处理与分析

首先对数据采集的时间序列进行人机交互总览，观测各道数据的整体质量。由于受人文干扰随机性的影响，不同时序段受干扰畸变影响程度不同。然后对照野外记录班报进行去噪和筛选，采用SSMT2000软件进行阻抗张量估算，利用Robust统计方法进行阻抗估算以压制噪声干扰，个别受人文干扰强的子功率谱通过MT-editor进行删除，以保留高质量的子功率谱信息[15-16]。

3.3 极化模式选择

SCS-2D平滑反演采用2维有限元算法来计算天然场AMT数据。平滑反演不需要预先知道地质构造资料，观测数据自动转换成地下构造的电阻率断面模型[17-23]。

为验证SCS-2D平滑反演对音频大地电磁测深数据的反演效果，现结合实际工作中所采用的参数来进行理论模型的正反演。参与正反演的频点数为实际工作所采用的56个频点：最高频率为10 400 Hz，最小频率为1 Hz，点距为100 m。模型采用初始电阻率值为1 000 Ω·m的均匀半空间介质，起伏状低阻模型电阻率值为100 Ω·m，

由图8从三种模式反演结果与理论模型的对比中得出以下结论：三种模式的反演结果中低阻异常带的中心位置和理论模型都有很好的对应，但TE、TM模式对低阻异常体都有不同程度的放大效应，而TE+TM模式则对低阻异常体的形态、边界都有很好的吻合和刻画。故本文中实测AMT数据采用TE+TM模式进行2D反演。

4 地质—地球物理找矿模型建立及剖面解释

4.1 文家湾地区

4.1.1文家湾地区正演模型

根据区内的岩石电阻率分层特征(高—低—高)，结合地层厚度，建立正演模型，如图9所示。

图9 文家湾地区地质—地球物理模型图

4.1.2文家湾地区二维反演剖面解释和地质推断

根据区内电性结构圈定存在的构造和对含锰岩系的破坏程度，结合志留系新滩组相对高阻和奥陶系磨刀溪组相对低阻的延伸展布，相应识别磨刀溪组空间展布形态。根据钻孔、地质剖面、岩性资料及电阻率等值线连续的原则，鉴于岩性的物性差异和音频大地电磁测深法的分辨率，对地质剖面进行电性分层及相关层位的合并(图10-图12)。

图10 AMT03剖面二维反演成果推断图

图11 AMT02剖面二维反演成果推断图

图12 AMT01剖面二维反演成果推断图

3条AMT剖面二维反演视电阻率曲线特征总体呈西部低阻、东部中高阻的“东斜”状，很好地显示了冲天蜡向斜构造特征，所不同的是AMT01线深部低阻带呈现向西倾斜，分析认为是由于平距3 800 m附近深部低阻带向西的范围较大，与剖面小号点深部大范围低阻带连为一体，因此综合呈现出往西倾的特征。文家湾地区地层岩性所对应的电阻率特征基本与电性参数特征一致，只是深部明显呈低阻带，推测与寒武系地层有关。从AMT02剖面已施工的ZK1701、ZK1702孔(图11)分别在孔深492、1 035 m附近见到含锰层位，综合推断奥陶系中统磨刀溪组含矿层主要沿梯度带延伸，总体呈向东倾覆的向斜单翼状展布，局部略有起伏。

4.2 九潭冲地区

4.2.1九潭冲地区正演模型

根据区内的岩石电阻率分层特征(局部高—低—高)，结合地层厚度，建立正演模型，如图13所示。

图13 九潭冲地区地质—地球物理模型图

4.2.2九潭冲地区二维反演剖面解释和地质推断

根据地区电性结构圈定区内存在的构造和对含锰岩系的破坏程度，结合大塘坡组横向相对低阻和下伏板溪群相对高阻，相应识别出大塘坡组空间展布形态。根据钻孔、地质剖面、岩性资料及电阻率等值线连续的原则，鉴于岩性的物性差异和音频大地电磁测深法的分辨率，对地质剖面进行电性分层及相关层位的合并(图14-图15)。

图14 AMT04剖面二维反演成果推断图

图15 AMT05剖面二维反演成果推断图

对比2条AMT剖面深部高阻接触带呈凹陷与隆起状特征，其轴向沿NE向呈线状组成向斜与背斜核部，沿NW向呈复式向斜、背斜形态起伏，推测与向斜轴部泥盆系和寒武系地层起伏延伸关系密切。在凹陷部位向斜地层厚度增大，主要与西南部位断续出露的寒武系地层呈NE向起伏延伸有关；反之在隆起地段地层厚度减小。该特征很好地显示了加里东期NE向“三向两背”褶皱的深部形态，同时也反映了NW向印支期向斜特征，显示出泥盆系覆盖区的地层西高东低。从已施工ZK2308孔在孔深1 205 m附近见到含锰层位，综合推断南华系大塘坡组页岩(含矿层)主要沿向斜、背斜相互交替状的板溪群顶界面高阻梯度带延伸。

综上所述,先采用AMT成果勾勒褶皱空间形态，再以钻探工程验证，地质与物探相结合的方法是探索覆盖区和隐伏区深部构造特征的有效方法。

5 结论

(1) 通过对岩矿石标本电性数据特征分析，结合地质、钻孔资料，建立文家湾、九潭冲地区的地电模型，其地层从浅到深的电性呈“高—低—高”特征。

(2) 通过SCS-2D平滑反演并结合实际工作中所采用的参数进行理论模型的正反演，认为TE+TM模式对低阻异常体的形态、边界都有很好的吻合和刻画。

(3) 采用音频大地电磁测深法(ATM)对文家湾地区奥陶系磨刀溪组、九潭冲地区南华系大塘坡组等含锰地层的应用效果进行总结：大致推断出褶皱、断裂构造，特别是隐伏构造的空间形态及展布特点，为区域地质填图提供参考资料；同时认为奥陶系中统磨刀溪组含矿层主要沿志留系新滩组下界面的高阻梯度带延伸，南华系大塘坡组页岩(含矿层)主要沿板溪群顶界面的高阻梯度带延伸，并建立相应的地质—地球物理模型，为后续钻探工程布置提供依据。

(4) 先采用AMT成果勾勒褶皱空间形态，再以钻探工程验证，地质与物探相结合的方法是探索覆盖区和隐伏区深部构造特征的有效方法。

致谢：感谢陈旭教授级高级工程师和黄飞高级工程师提供的地质、钻孔资料及在成文过程给予的建议。