招平断裂侧伏规律的地球物理证据及其意义

刘 振，杜利明，2，3，梅贞华，韩进国，胡创业，2

(1.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院, 济南 250101; 2.山东省地球物理学会深部探测综合地球物理技术工程实验室,济南 250101; 3.中国地质大学(武汉) 高等研究院, 武汉 430074)

招平断裂是胶东地区重要的区域性控矿断裂, 其控制了玲珑、 大秦家、 焦格庄、 大尹格庄、 夏甸等中大型金矿床(图1a)。大尹格庄矿床属于研究区内典型的蚀变岩型金矿床(图1b), 矿体产于招平断裂下盘的玲珑花岗岩中。研究者从不同角度对胶东地区的金成矿理论[1-3]、 招平断裂地质特征及其成矿规律[4-5]等进行了研究, 取得较丰富的研究成果, 认为招平断裂是矿液运移的通道, 具明显的导矿作用; 同时, 它又是容矿构造, 含矿热液在主构造产状变化处及次级断裂等部位易富集成矿[6-7]。随着矿山开采深度的不断增加, 如何在深部找矿成为亟待解决的问题。虽然成矿模式和断裂控矿规律指示断裂深部找矿潜力巨大, 但是具体的深部构造空间展布形态尚不明晰。部分研究者利用物探资料对断裂带的宏观深部结构进行了解译, 取得了一定的效果: 如利用电测深成果可有效圈定浅部蚀变带[8-9], 区域重磁及地震资料对断裂带的宏观走向及深部结构认识有一定的指示[8, 10], 但对深部的断裂侧伏规律及蚀变带的认识尚不清晰。本研究依托“招平断裂带中段深部金矿战略性勘查”项目, 在典型矿床大尹格庄、 焦格庄深部开展可控源音频大地电磁(CSAMT)测量, 利用实测数据进行反演, 建立三维电阻率模型, 研究招平断裂带深部空间电性变化特征, 为分析断裂带的深部展布规律提供地球物理证据。

1 研究背景

1.1 地质背景

研究区位于山东省招远市南部, 交通方便。丘陵地貌, 海拔高度103.3～197.7 m, 地势西高东低。

西部沟谷发育, 基岩裸露, 东部地势平缓, 第四系广布。区内地层较为简单, 主要有古元古界荆山群禄格庄组和第四系沉积层。区域构造主要为NNE—NE向(图1)。

图1 招平断裂带金矿床分布(a)及研究区地质图(b)Fig.1 Distribution of gold deposits along Zhaoping fault(a) and geological map of research area(b)Q—第四系; Htla—荆山群禄格庄组; J3γρLb—玲珑序列笔架山单元; J3ηγLg—玲珑序列郭家店单元; J3ηγLc—玲珑序列崔召单元; Ar3γδοQx—栖霞序列新庄单元; Ar3γδοQh—栖霞序列回龙夼单元; 1—实测和推断断裂; 2—压扭性断裂; 3—蚀变破碎带; 4—地质界线; 5—CSAMT剖面位置; 6—钻孔及编号; 7—金矿床

招平断裂在平面上呈舒缓波状, 大致沿玲珑序列与栖霞序列接触带呈弧形展布, 在研究区断续出露长20 km, 宽40～460 m, 整体走向14°(范围5°～50°), 倾向SE, 倾角21°～58°, 被近EW向后期构造错断分成数段。招平断裂具稳定的主裂面, 在其两侧由糜棱岩、 碎裂岩、 碎裂状岩石组成, 构成破碎带。以稳定的主裂面(断层泥)为中心, 上下两盘的构造岩及热液蚀变呈带状分布, 且破碎程度依次递减, 下盘的构造岩较上盘发育。蚀变类型有黄铁绢英岩化、 钾长石化、 碳酸盐化、 绿泥石化, 局部有金属硫化物和金银矿化。其中黄铁绢英岩化是主要蚀变类型, 与金矿化关系密切。矿体一般分布在主裂面之下至80 m范围内的碎裂岩和碎裂状岩石中[8]。

区内岩浆岩主要有新太古代和中生代侵入岩。新太古代侵入岩是胶东古老结晶基底的重要组成部分, 岩石类型有马连庄序列基性-超基性岩类、 栖霞序列英云闪长岩(图1b)。马连庄序列分布于招平断裂带上盘, 呈零星包体状残存于栖霞谭格庄序列中, 主要岩性为变辉长岩和斜长角闪岩。栖霞谭格庄序列亦分布于招平断裂带上盘, 栖霞序列划分为回龙夼单元和新庄单元闪长质片麻岩。中生代侵入岩分布广泛, 主要为招平断裂带下盘的玲珑序列花岗岩和隐伏郭家岭序列花岗岩。玲珑序列是区内发育最广泛的侵入岩, 其规模大、 分布广, 呈岩基状产出, 为二长花岗岩系列侵入岩, 早期为弱片麻状-片麻状含石榴二长花岗岩类(玲珑型花岗岩), 晚期为块状含黑云母中-粗粒二长花岗岩类(滦家河型花岗岩), 总体呈北北东面状展布。郭家岭序列区内地表未见出露, 属隐伏岩体, 分布于招平断裂带下盘, 岩性为似斑状二长花岗岩。

大尹格庄金矿床位于招平断裂带中段, 南起勾山水库, 北至道头村南, 累计查明金资源量约110 t, 矿床主要由2个矿体组成, 赋存于主裂面下的黄铁绢英岩化碎裂岩、 黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩和黄铁绢英岩化花岗岩中, 矿体倾向南东。焦格庄金矿床位于招远市城区南部, 受招平断裂控制, 倾向南东, 矿床内共圈定金矿体6个。

1.2 岩石电性特征

区内主要岩石的电性特征如下(表1)。

表1 招平断裂带中段岩石电性特征

(1)古元古代荆山群变质岩: 主要岩性为黑云母片岩, 平均电阻率559 Ωm, 属于相对低阻岩石。

(2)新太古代侵入岩: 斜长角闪岩、 闪长质片麻岩、 片麻状奥长花岗岩, 电阻率平均值在400～941 Ωm, 属中高阻岩石, 电阻率变化范围较大。

(3)中生代侵入岩: 二长花岗岩、 黑云母二长花岗岩、 似斑状二长花岗岩, 电阻率平均值1 834～4 250 Ωm, 呈高阻特征, 电阻率变化范围较大。

(4)断裂破碎蚀变带: 绢英岩化碎裂状花岗岩、 绢英岩化花岗质碎裂岩, 因蚀变和破碎, 电阻较低, 平均值430～460 Ωm; 当岩石具有黄铁矿化时, 电阻率平均值降低, 降低程度和黄铁矿含量呈正相关; 蚀变带内的黄铁绢英岩化糜棱岩平均电阻率最低, 为87 Ωm。

综上所述, 该区栖霞序列片麻岩呈中-高阻特征, 破碎蚀变带整体表现为中-低阻特征, 中生代岩浆岩表现为高阻特征。当断裂带内的岩石黄铁矿化强烈时, 电阻率相对变低, 略小于断裂上盘的新太古代岩浆岩, 而明显小于深部的中生代岩浆岩。

2 技术方法

本次研究采用的地球物理方法为可控源音频大地电磁法(简称CSAMT), 该方法是在MT方法[11-12]基础上发展起来的。为克服MT法天然场源的随机性和信号微弱的缺点, Goldstein等[13]提出了利用人工(可控)场源的音频大地电磁法, 观测正交的电磁场振幅和阻抗相位, 具有抗干扰能力强和信噪比高的优点[14-18]。前人对方法技术本身的分辨率、 静态效应、 反演方法等进行了大量的研究[19-24], 方法理论和技术基本成熟。近年来, 我国在CSAMT方法技术研究和应用方面取得了诸多进展[25-28], 在深部资源勘查、 深部地质结构调查等方面应用较多[29-33], 对划分地层、 圈定构造和岩浆岩等领域有很好的效果。前人的研究成果是本次方法设计、 数据采集、 数据处理及反演计算的理论和方法基础。

本次工作在大尹格庄、 焦格庄典型矿床深部各布置6条CSAMT剖面(图1), 线距240 m, 点距50 m, 测量极距50 m, 其中大尹格庄矿床测线方位112°, 焦格庄矿床测线方位100°。

仪器采用GDP32电法工作站, 发射系统由发电机(DZORG-30 kW)、 发送机(GGT-30 kW)组成, 接收极为GDP32II接收机, 采用ANT/6NF磁探头和不极化电极。设计探测深度为2 500 m, 根据区内物性资料(表1), 除蚀变岩外(相对规模小), 统计计算地下介质平均电阻率约为1 600 Ωm, 采用有效探测深度估算公式

(1)

其中:D为有效探测深度;δ为趋肤深度;ρ为地下平均电阻率;f为测量频率。估算最低测量频率为32.4 Hz, 本次测量频率范围为0.125～8 192 Hz, 满足要求。测量采用赤道装置,AB接地长导线为发射源, 经现场试验, 确定收发距r=10～11.2 km(大于4倍目标最大埋深), 发射极距AB=1.5 km, 发射功率30 kW, 供电电流5～20 A, 既满足了探测深度的需要, 又保障了信号质量。测量范围在供电电极AB中垂线两侧各30°张角, 且收发距r≥10 km的扇形区域内, 平行AB布置测线, 测量时采用多次叠加技术(≥3次), 增加信噪比。测量数据为Ex和Hy振幅和相位, 计算Cagniard视电阻率和阻抗相位

(2)

φ=φEx-φHy。

(3)

式中:ρs为Cagniard视电阻率;φ为阻抗相位。处理数据时,首先剔除离差较大的频点数据,再叠加平均生成AVG文件,采用参考相位空间滤波法进行滤波,压制静态效应。反演采用ZONGE-SCS2D软件,对所有测点数据二维移动平均后,以测点平面位置和Bostick深度建立初始模型,反演最低频率设为32 Hz。正反演迭代计算时利用均方根误差(RMS)测评欠拟合度,通过不断修改模型, 使误差足够小时(均方根小于10)完成反演计算。然后根据计算结果绘制拟合曲线图(图2),进行地质推断和解释。

图2 实测及反演拟合曲线Fig.2 Measured data and inversion fitting curves

3 结 果

本次研究对象为招平断裂中段大尹格庄矿床和焦格庄矿床。前人地质工作基本控制了两个矿床1 000 m以浅赋存矿体的破碎蚀变带, 而矿体即赋存在蚀变带内。陈进等[34]研究认为大尹格庄金矿的矿体受招平断裂主裂面展布的控制, 主裂面产状局部变化的部位为应力异常的部位, 成矿流体上升过程中容易在此受到阻碍, 进而与围岩发生化学反应形成矿体。毛先成等[35]通过大数据定量研究大尹格庄金矿床控矿地质因素, 揭示了断裂面的形态特征是控制矿体形成的关键因素。前人对焦格庄矿床的控矿因素和特征研究较少, 理论上应遵从招平断裂的宏观控矿特征, 因此研究断裂深部蚀变带的赋存规律对深部找矿至关重要。

大尹格庄金矿床主蚀变带为招平断裂的一部分, 长约3 000 m, 宽30～78 m, 总体走向20°, 倾向SE, 倾角21°～54°。已控制的主矿体分布于-26～-740 m标高范围内, 平均长度765 m, 平均斜深740 m, 深部未封闭。Y94勘探线地质剖面显示蚀变带倾角由浅及深呈现陡—缓—陡的变化规律。本次工作获得的电阻率断面显示, 浅部低阻地质体反映了新太古代片麻岩, 深部的中高阻地质体反映了玲珑二长花岗岩, 在两者之间存在一个电阻率梯度带, 呈舒缓波状, 电阻率在2 500 Ωm左右, 推断该梯度带为招平断裂带(图3)。

图3 大尹格庄Y94勘探线地质地球物理综合剖面Fig.3 Geological and geophysical comprehensive profile of Y94 exploration line in Dayingezhuang

焦格庄矿床位于招平断裂带的中部, 主矿体受招平断裂带控制, 总体走向北东5°～10°, 倾向南东, 倾角20°～38°。J24勘探线地质剖面显示, 已控制的主矿体赋存标高-377～-736 m, 走向上延长550 m, 倾向上向下延深360 m, 深部未封闭(图4)。矿体靠近招平断裂带主裂面, 随主断裂面的波状弯曲而变化, 呈舒缓波状延伸, 具膨胀夹缩现象。本次工作获得的电阻率断面显示, 浅部低阻地质体反映了新太古代片麻岩, 其中局部椭圆状相对高阻地质体推断为隐伏的古元古代荆山群黑云母片岩, 深部的高阻地质体反映了中生代玲珑二长花岗岩, 在两者之间存在一个电阻率梯度带, 电阻率在2 500 Ωm左右, 推断该梯度带为招平断裂带赋存位置(图4)。

图4 焦格庄J24勘探线地质地球物理综合剖面Fig.4 Geological and geophysical comprehensive profile of J24 exploration line in Jiaogezhuang

为进一步研究大尹格庄矿床和焦格庄矿床深部-1 000～-2 000 m高程范围的断裂带特征, 间接证明断裂深部的展布形态, 利用大尹格庄和焦格庄两个矿床各施测的6条CSAMT剖面, 建立CSAMT三维电阻率模型(图5a、 图6a)及垂向切片图(图5b、 图6b), 结合地质资料对断裂深部的空间展布形态进行综合推断, 认为模型中展示的电阻率由浅至深逐渐增加, 浅部电阻率一般小于2 000 Ωm, 反映了招平断裂带上盘荆山群片岩及新太古代闪长岩质片麻岩; 深部为高阻体, 电阻率一般大于3 000 Ωm, 反映了断裂带下盘的中生代二长花岗岩。浅部与深部之间存在一个电阻率变化梯级带, 电阻率变化范围在2 000～3 000 Ωm, 主要由断裂内破碎蚀变岩构成, 岩性为绢英岩化、 黄铁矿化花岗质碎裂岩、 碎裂状花岗岩等。根据浅部钻孔约束, 设定2 700 Ωm电阻率等值面为断裂中心位置, 大致反映招平断裂带的展布特征。

图5 大尹格庄矿床深部三维电阻率模型Fig.5 3D resistivity model of the deep in Dayingezhuang deposit

大尹格庄矿床深部招平断裂电阻率等值面(约2 700 Ωm, 图5b)及垂直和水平切片(图5c、d), 清晰地反映了招平断裂的三维空间展布和平面投影特征: 该断裂破碎带向SE(112°)倾伏, 倾角30°～50°, 且断裂向NE(22°)侧伏, 侧伏角10°～40°。断裂面整体呈舒缓波状, 局部存在凸起或凹陷(图5b)。

焦格庄地区断裂电阻率等值面(约2 700 Ωm, 图6b)及垂直和水平切片(图6c、d)显示, 该区招平断裂带的空间展布特征和大尹格庄地区类似, 断裂向SE(110°)倾伏, 倾角30°～50°, 局部倾角有变化, 存在浅部陡、 深部缓的趋势; 同时断裂带向NE(10°)方向侧伏, 侧伏角5°～30°, 呈现浅部侧伏角大、 深部侧伏角小的特点。断裂带整体亦呈舒缓波状特征, 局部存在凸起或凹陷。

图6 焦格庄矿床深部三维电阻率模型Fig.6 3D resistivity model of the deep in Jiaogezhuang deposits

通过上述地球物理反演和三维建模, 较清晰地刻画了大尹格庄矿床及焦格庄矿床深部断裂形态, 推测断裂深部向SE倾, 且向NE侧伏, 较精确地限定了倾角和侧伏角范围, 从地球物理角度证明了招平断裂的深部赋存岩性和空间展布规律, 为深部找矿预测及勘查钻孔设计提供了科学依据。

4 成果及讨论

招平断裂带深部倾角变化部位是构造运动和活动强烈地段, 有利于金元素富集, 具有良好的赋矿空间。前人在大尹格庄矿床Y94勘探线已施工ZK1和ZK3钻孔, 分别在796.5～838.9 m、 966.6～1 028.8 m控制招平断裂及蚀变带, 蚀变带内赋存金矿体, 矿体深部未封闭。在焦格庄矿床J24勘探线已施工ZK4钻孔, 在763.6～885.1 m控制招平断裂及蚀变带, 局部具金矿化。结合招平断裂的控矿特点和已有的钻探成果资料, 应用本次建立的地球物理三维模型及其反映的断裂深部侧伏规律, 综合研究后, 在大尹格庄矿床深部1 400 m和焦格庄矿床深部1 200 m上下各圈定一个找个靶区, 编号分别为找矿靶区Ⅰ(图5b、c)、 找矿靶区Ⅱ(图6b、c)。

在找矿靶区Ⅰ处布置钻孔ZK5进行验证(图3、 图5), 终孔深度1 470.2 m, 其中在1 326.9～1 385.1 m控制招平断裂带, 在断裂带内见真厚度3.10 m、 金平均品位2.74×10-6的金矿体。在找矿靶区Ⅱ处布置钻孔ZK6进行验证(图4、 图6), 终孔深度1 452.6 m, 其中在970.8～1 210 m控制招平断裂带, 局部存在金矿化。

5 结 论

本次工作在系统总结招平断裂带中段地质背景及物性特征的基础上, 针对研究区深部招平断裂带的侧伏规律缺乏有效证据、 具体空间展布形态认识不清的问题, 通过CSAMT测量及反演, 建立了三维电阻率模型, 并通过切面和等值面等方式, 从不同角度分析了大尹格庄和焦格庄2个典型矿床深部断裂带的空间展布, 得出如下结论:

(1)利用CSAMT方法探测招平断裂深部金矿相关构造是可行的, 其构建的三维电阻率模型能够反映招平断裂深部侧伏规律。结合区内岩石物性特征, 反演电阻率模型有效反映了2 500 m以浅的断裂特征, 对提高该区矿产勘查效果有一定的指导意义。

(2)三维电阻率模型从不同角度直观显示了断裂带的空间展布。证明了断裂带局部向NE侧伏的规律, 并给出相对精确的倾角和侧伏角范围, 其中大尹格庄矿床深部向SE倾伏、 NE侧伏, 倾角30°～50°, 侧伏角10°～40°; 焦格庄地区向SE倾伏、 NE侧伏, 倾角30°～50°, 侧伏角5°～30°。断裂局部倾角有变化, 浅部陡、 深部缓的趋势较明显。

(3)结合前人获得的断裂带浅部地质信息, 依据本文建立的模型及推断的断裂带侧伏规律, 预测了2处深部找矿靶区, 并得到钻探工程验证。