何帥，楊炳南,3，阮帥，李永剛，韓姚飛，朱大偉

(1．貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 103地質(zhì)大隊，貴州 銅仁 554300； 2.自然資源部 基巖區(qū)礦產(chǎn)資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心，貴州 貴陽 550001； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074； 4．中國地質(zhì)科學(xué)院 深部探測中心，北京 100037; 5．貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局101地質(zhì)大隊，貴州 凱里 556000 )

0 引言

1965年，在貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)馬坪地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)了國內(nèi)含金剛石原生礦的母巖——“東方一號”巖體(D1)，經(jīng)過50余年的勘查，不僅在該區(qū)及毗鄰區(qū)域發(fā)現(xiàn)了大量規(guī)模較小的鉀鎂煌斑巖體(群)[1]，還在系統(tǒng)測試和綜合研究的基礎(chǔ)上，形成了一系列獨特的認(rèn)識:鎮(zhèn)遠(yuǎn)地區(qū)同時具有金伯利巖和鉀鎂煌斑巖，鎮(zhèn)遠(yuǎn)馬坪地區(qū)的含金剛石母巖為角礫凝灰質(zhì)金伯利巖[2]；在鎮(zhèn)遠(yuǎn)馬坪一帶發(fā)現(xiàn)的300余個巖體中，至少有52個巖體含金剛石礦，肯定了該巖體源區(qū)具有形成金剛石的條件[3]；近幾年，隨著大比例尺巖體調(diào)查不斷推進(jìn)，不僅在馬坪地區(qū)菖蒲塘地表發(fā)現(xiàn)了鉀鎂煌斑巖(D33)巖管[4]，還提出馬坪地區(qū)巖體呈環(huán)帶狀分布，推測在其中心可能存在規(guī)模較大的隱伏巖管或巖筒。而以往該地區(qū)地表發(fā)現(xiàn)和鉆孔揭露的巖體僅僅是隱伏巖體(巖管或巖墻)的淺部出露部分，屬于金伯利巖漿體系的淺部相，而非根部相[5-6]。因此，貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)馬坪地區(qū)金剛石原生礦找礦具有較大的潛力，在區(qū)內(nèi)識別金剛石隱伏巖管或巖筒對找礦工作十分必要。

地球物理勘探是研究地球深部電性結(jié)構(gòu)的一種重要手段，其中以設(shè)備輕便、勘探深度大、工作效率高的音頻大地電磁法(AMT)應(yīng)用最為廣泛[7-8]。AMT是以天然交變電磁場為場源，在地表同步觀測其電、磁場分量，并根據(jù)不同分量之間的線性關(guān)系，在頻率域獲取諸如視電阻率、阻抗相位等多種響應(yīng)函數(shù)，最后結(jié)合已有地質(zhì)資料選取合適的反演方法得到電阻率模型，進(jìn)而達(dá)到勘探的目的[9]。該方法已經(jīng)在沉積層覆蓋的簡單和復(fù)雜地質(zhì)條件下均發(fā)現(xiàn)了不同類型的金伯利巖巖脈，在金剛石原生礦勘探中發(fā)揮了重要作用[10-11]。

近年來，隨著大地電磁法三維正演技術(shù)快速發(fā)展[12]，適合類似貴州山區(qū)這種復(fù)雜地電模型的三維模擬已不再是難題[13-14]，能有效避免一、二維反演靜位移假象的三維反演方法也越來越成熟[15-16]。故為高效地探測貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)馬坪地區(qū)金剛石隱伏巖管或巖筒，開展區(qū)內(nèi)金剛石原生礦找礦預(yù)測與評價工作，大比例尺密集網(wǎng)度的音頻大地電磁測深工作顯得尤為關(guān)鍵。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于揚子陸塊南東邊緣部，EW向鎮(zhèn)遠(yuǎn)—貴陽深大斷裂與NW向松桃—三都深大斷裂交匯處之南西側(cè)。區(qū)域上地表巖體產(chǎn)出和分布多受EW、NE向次級斷裂構(gòu)造和層間虛脫空間控制[17]，馬坪地區(qū)所發(fā)現(xiàn)的各類巖體群沿EW向深沖斷層(F7)及其次級斷層密集分布，大部分巖體走向與斷層走向一致，部分與斷層呈銳角斜交；巖體呈巖墻式巖脈、巖床式巖脈、網(wǎng)狀式巖脈侵入寒武系上統(tǒng)石冷水組(∈3s)及芙蓉統(tǒng)婁山關(guān)組(∈4ls)的白云巖中[4](圖1)，其形態(tài)和規(guī)模與侵入圍巖的單層厚度有一定關(guān)系[2]。區(qū)內(nèi)產(chǎn)出的金剛石多為Ⅱa型，國際上普遍認(rèn)為該類型金剛石形成于地幔超深處或熔融的碳酸鹽巖與上地幔的相互反應(yīng)中[18-20]，揭示了該地區(qū)原生金剛石形成源區(qū)深度較深。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)及AMT剖面布設(shè)Fig.1 The geology background and location of AMT profile

2 研究區(qū)地球物理特征

研究區(qū)內(nèi)偏堿性的基性-超基性煌斑巖平均密度為2.76×103kg/m3，與圍巖有0.12×103kg/m3的密度差，磁化率為(35～126)×10-6SI，地面磁場強度最高達(dá)110 nT，相比于圍巖，巖體表現(xiàn)為高密度、正磁性特征[21]。區(qū)域上，研究區(qū)位于1個大型圈閉似環(huán)狀航磁異常內(nèi)，與重力正異常有較好的對應(yīng)及套合關(guān)系。該處重磁異常主要為與原生金剛石賦存有關(guān)的巖體所引起，亦或是巖筒異常引起[22]；且該重磁異常顯示鎮(zhèn)遠(yuǎn)馬坪—施秉地區(qū)出露的巖體為淺部巖枝異常[23]，也為研究區(qū)處于“淺部相”的地質(zhì)環(huán)境提供了有利的支撐。

運用直流電法儀在野外進(jìn)行標(biāo)本實測，包括巖石露頭187處、坑道內(nèi)圍巖和巖體20處、鉆孔巖心66件，總結(jié)了區(qū)內(nèi)巖(礦)石電阻率特征(表1)。

表1 測區(qū)巖(礦)石電阻率特征

根據(jù)表1的實測數(shù)據(jù)，結(jié)合地層巖性綜合分析，劃分了研究區(qū)的電性層：寒武系婁山關(guān)組(∈4ls)、石冷水組(∈3s)、高臺組(∈3g)、清虛洞組(∈2q)巖性以白云巖、灰?guī)r為主，平均電阻率大于1 300 Ω·m，表現(xiàn)為中—高電阻率特征，該巖性組合層為區(qū)內(nèi)第一電性層；寒武系中統(tǒng)杷榔組(∈2p)和九門沖組(∈2jm)巖性以粉砂質(zhì)頁巖為主，夾少量炭質(zhì)頁巖，平均電阻率為262～407 Ω·m,表現(xiàn)為低—中電阻率特征，為區(qū)內(nèi)第二電性層；震旦系的白云巖以及南華系上統(tǒng)南坨組(Nh3n)的含礫砂巖，平均電阻率大于1 300 Ω·m，表現(xiàn)為中—高電阻率特征，為區(qū)內(nèi)第三電性層；雖然南華系中統(tǒng)大塘坡組(Nh2d)以粉砂質(zhì)頁巖為主，但其埋藏較深，且地層厚度較薄(<180 m)，在剖面圖上很難區(qū)分開，故將該巖性層劃分到區(qū)內(nèi)第三電性層(圖2)。

圖2 研究區(qū)內(nèi)電性結(jié)構(gòu)特征Fig.2 The resistivity structure map of study region

從地表調(diào)查和鉆孔揭露資料分析，除研究區(qū)內(nèi)“東風(fēng)一號”巖體(D1)外，其余巖體在區(qū)內(nèi)主要以強風(fēng)化的形態(tài)呈現(xiàn)，實測電阻率較低，綜合表現(xiàn)為低阻特征，與圍巖差異較明顯。

3 AMT數(shù)據(jù)采集與信噪分析

AMT測量使用加拿大鳳凰公司的V8多功能電法站，剖面按SN向布設(shè)，大致垂直于深沖斷層(F7)，野外數(shù)據(jù)采集按80 m×40 m網(wǎng)度進(jìn)行，采用 “十”字型觀測裝置，觀測頻率范圍0.35～10 400 Hz，低通濾波(LP Filter)為1檔，磁道和電道增益均為1。為增加視電阻率及阻抗相位原始數(shù)據(jù)的疊加次數(shù)，保證相應(yīng)曲線圓滑連續(xù)，根據(jù)觀測時間長度實驗，最終確定測深點的最少觀測時間為75 min。

通過2個磁場分量和2個電場分量獲得了阻抗張量，圖3所示為觀測參考道和處理后的張量預(yù)測值之比(信噪比)。AMT測點隨頻率變化的電場與磁場分量之間的相干度較高，接近于1(圖3b)，表明工區(qū)噪聲水平較低，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。但也存在極個別相干度稍差的測點，如L10測線的22號點(圖3a)，可以看到5 000～1 000 Hz頻段因為“死頻帶”、400～130 Hz頻段因為人文噪聲，數(shù)據(jù)相干度稍小但總體超過0.8。

圖3 AMT測點觀測參考道和預(yù)測值間的相干度Fig.3 Coherence map between observed reference path and predicted value of AMT measuring point

數(shù)據(jù)采集和處理過程中，采取了以下措施進(jìn)行噪聲壓制：①野外數(shù)據(jù)采集前，開展儀器和磁棒標(biāo)定工作，盡量消除儀器自身漂移；②數(shù)據(jù)采集使用極差配對小于2 mV的不極化電極，改善DC漂移；③數(shù)據(jù)處理中，采用時窗傅里葉變換互相重疊，采用基于全局相干度自動robust選譜過程，得到初步處理結(jié)果，然后基于視電阻率方差指標(biāo)再進(jìn)行細(xì)致選譜，最終人工剔除每個頻點偏差較大的互功率譜，盡量使視電阻率曲線和相位曲線平滑。

4 基于三維正演的AMT阻抗相位校正技術(shù)

雖然近年來MT、AMT技術(shù)的應(yīng)用成果表明阻抗相位數(shù)據(jù)不容易受靜態(tài)位移影響[24]，但本次在復(fù)雜地形下開展AMT二維、三維帶地形正演研究的結(jié)果表明：在定性解釋中，阻抗相位是非常重要且客觀的參數(shù)，無論初始模型深部有無低阻含金剛石巖管或巖筒， TE模式(電場沿構(gòu)造走向極化)和TM模式(電場垂直構(gòu)造走向極化)的阻抗相位和其旋轉(zhuǎn)不變量均受地形影響。鑒于此，利用區(qū)內(nèi)地形數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料建立了2個三維模型(一個為背景模型，另一個為低阻巖筒異常模型)，在三維正演的基礎(chǔ)上，提出了AMT阻抗相位校正技術(shù)[25]，實測資料經(jīng)校正后能有效圈出低阻巖筒的水平邊界。

如圖4所示，研究區(qū)地形起伏非常大，在1 km2范圍內(nèi)最大高差達(dá)200 m，構(gòu)造亦十分復(fù)雜。從典型測點曲線圖和剖面擬斷面圖可知(圖5)，實測的AMT數(shù)據(jù)靜態(tài)位移較嚴(yán)重，不利于一維、二維反演，易讓解釋人員得出錯誤結(jié)論。若不消除起伏地形的影響，無法根據(jù)實測數(shù)據(jù)的阻抗相位不變量來定性解釋深部是否存在低阻巖管或巖筒。

圖4 測區(qū)等高線及AMT剖面布設(shè)Fig.4 The elevation map and location of AMT profile

圖5 實測數(shù)據(jù)靜態(tài)位移Fig.5 Static displacement graph of measured data

阻抗相位不變量校正需使用實際地形和背景電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行三維正演，得到純地形響應(yīng)，然后在實測數(shù)據(jù)中去除。正演模型為實際測點80 m×40 m網(wǎng)格的純地形模型，根據(jù)柵格化的地形數(shù)據(jù)建立 1 500 m以淺的三維網(wǎng)格，地表以下的網(wǎng)格內(nèi)電阻率填充為巖性露頭和鉆孔巖心實測的地層電阻率，地表以上的網(wǎng)格內(nèi)均填充為空氣。對該三維模型除頂部邊界外的其余5個邊界，均使用2倍放大因子等比擴展9個網(wǎng)格，采用三維交錯采樣網(wǎng)格有限差分法[26-27]，開展與實測頻率一致的60個頻點(0.35～10 400 Hz)的正演計算，得到TE和TM兩個極化模式的三維阻抗張量，并依此來計算阻抗相位不變量(P2，如圖6所示)；在實測資料相同頻率的阻抗相位不變量(P1)的基礎(chǔ)上，通過簡單的校正公式來獲取校正后的阻抗相位不變量(P3)[25]：

P3=P1-P2+45° 。

(1)

圖7、圖8為地形背景模型相位不變量校正前、后的成果，為提高解釋分辨率，對大于60°的相位值進(jìn)行了剔除。圖中黑色框(T1～T5)顯示該區(qū)域受地形影響引起的高相位異常被有效去除，特別是去除了T1和T4區(qū)域的高相位圈閉假異常,L07-L09線中部、L10-L11線中上部的高相位圈閉異常面積也相應(yīng)縮小，南西角和 L15線剖面中部的高相位圈閉異常更加明顯，其余單條剖面的零星圈閉異常也得到了很好的壓制，有效避免了靜位移假象。因此,從校正后的成果圖(圖7b、圖8b)可大致判定出北西角和南東角的地層趨向于穩(wěn)定，而疑似管狀體的異常出現(xiàn)在NE向的對角線上。

圖6 純地形背景的三維阻抗相位不變量平面Fig.6 Three-dimensional impedance phase invariant plan view of pure terrain background

圖7 實測數(shù)據(jù)900 Hz阻抗相位不變量校正前后水平切片F(xiàn)ig.7 Measured data 900 Hz impedance phase invariant correction before and after horizontal slices

圖8 實測數(shù)據(jù)530 Hz阻抗相位不變量校正前后水平切片F(xiàn)ig.8 Measured data 530 Hz impedance phase invariant correction before and after horizontal slices

5 基于三維反演的電性結(jié)構(gòu)精細(xì)分析

采用中國地質(zhì)科學(xué)院阮帥博士開發(fā)的AR-QN算法及相關(guān)代碼[24,28-29]，對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演。對參與反演對輸入數(shù)據(jù)做如下選擇：①由于大量數(shù)據(jù)在5 000～1 000 Hz的“死頻帶”及低于1 Hz的低頻帶上質(zhì)量較差，故選擇1 000～2 Hz的30個頻點(圖9)； ②4個阻抗張量元素均參與反演，并按視電阻率相對誤差5%設(shè)定誤差門檻。反演使用與前文(第4節(jié))一樣的網(wǎng)格剖分和地形數(shù)據(jù)，初始模型為1 000 Ω·m均勻空間。由于AR-QN算法對其反演目標(biāo)函數(shù)采用了LBFGS公式單獨逼近數(shù)據(jù)擬合項，保留了正則光滑項的精確形式，大量模型合成數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的反演測試表明該方法初始模型依賴性不強，有極好的噪聲穩(wěn)健性[30]。

在本研究區(qū)的數(shù)據(jù)反演中，使用比值法自適應(yīng)更新正則因子[31]，最終經(jīng)45次迭代得到了平均粗糙度1.5、加權(quán)殘差均方根2.1的模型。必須指出的是，研究中同樣嘗試了初始模型為100 Ω·m和 5 000 Ω·m的模型，在自適應(yīng)正則因子的AR-QN算法下，最終結(jié)果和目標(biāo)函數(shù)收斂水平基本類似。將正則因子固定為很小的數(shù)(如0.01)后，雖然擬合差會小一些，但在海拔600 m以上會形成過多冗余構(gòu)造。從“簡單模型”的原則上考慮，最終選擇了自動算法的結(jié)果。從典型的測深點曲線擬合效果(圖9)分析，絕大部分頻點數(shù)據(jù)擬合效果很好，僅少數(shù)高頻點、低頻點數(shù)據(jù)擬合效果欠佳，說明反演模型對于原始數(shù)據(jù)進(jìn)行的擬合是有效的，反演成果是合理可靠的。

圖9 測深點反演電阻率和相位曲線擬合Fig.9 Inversion resistivity and phase curve fitting diagram of sounding point

三維反演根據(jù)研究區(qū)巖性統(tǒng)計結(jié)果設(shè)定地下單元的電阻率變化區(qū)間，獲得了可靠的三維電性結(jié)構(gòu)(圖10)，整體上呈2層電性結(jié)構(gòu)特征(考慮AMT測量深度，成果圖未下延至物性成果的第三電性層)，海拔500 m以淺的高阻層應(yīng)是以碳酸鹽巖為主的寒武系清虛洞組至婁山關(guān)組，為區(qū)內(nèi)電性結(jié)構(gòu)中的第一電性層；海拔100～500 m的低阻層對應(yīng)的是以碎屑巖為主的寒武系九門沖組至杷榔組，為區(qū)內(nèi)電性結(jié)構(gòu)中的第二電性層；圖9所示的電阻率高阻與低阻界面傾斜方向，揭示地層傾向為SWW向。

圖10中存在一個低阻筒狀體異常，在寒武系白云巖、灰?guī)r等高阻體地層中邊界差異明顯，在碎屑巖中，由于電阻率較為接近，僅依據(jù)電阻率參10難分辨該低阻筒狀體異常的邊界，結(jié)合實測物性及深部鉆孔資料分析，該低阻筒狀體異常是金剛石隱伏巖管或巖筒的可能性較大。該低阻體中心頂部發(fā)育于研究區(qū)北東部，即L11～L15線之間的小號測點(7～11號點)區(qū)域，深部發(fā)育漸往南東部(9～14號點)偏移(圖11所示)，為研究區(qū)處于“淺部相”的地質(zhì)環(huán)境提供了有利的地球物理信息。

圖10 研究區(qū)三維AMT反演電阻率三維電性結(jié)構(gòu)Fig.10 3D AMT inversion electrical structure diagram of the study area

從圖10分析可知，該低阻異常體頂部被厚度不一的高阻體覆蓋，說明該異常體未發(fā)育至地表，從區(qū)內(nèi)歷年勘查資料及區(qū)內(nèi)深部鉆孔(圖11)揭示，高、低阻的起伏界面即為碳酸鹽巖地層與巖筒的不整合接觸面；而地表零星的低阻異常區(qū)塊，是區(qū)內(nèi)偏堿性基性—超基性煌斑巖風(fēng)化后和第四系沉積物的綜合反映。

圖11是電阻率三維反演后水平切片與校正后阻抗相位等值線疊合成果，為提高解釋分辨率，阻抗相位等值線只繪制與電阻率同深度的高值部分。分析可知，深沖斷裂F7體現(xiàn)在電阻率界面不連續(xù)處，下切深度大，產(chǎn)狀陡(>80°)；而發(fā)育于研究區(qū)南部、EW走向的斷裂和區(qū)域斷裂F6更多地體現(xiàn)在阻抗相位梯度變化界面。為避免因電阻率單一參數(shù)劃分筒狀體異常的邊界，在電阻率不同深度切片、同一平面投影位置的高阻抗相位區(qū)域，圈定了一個低電阻率、高阻抗相位異常區(qū)Y1，位于F7斷層的北東部，推測該異常區(qū)是金剛石隱伏巖管或巖筒的發(fā)育位置，具有淺部較小、深部較大的發(fā)育特征；區(qū)內(nèi)深部鉆孔均在Y1異常南西部，主要揭露了多條巖脈，未發(fā)現(xiàn)巖筒存在，綜合分析認(rèn)為受后期次級小斷裂和碳酸鹽巖地層“剛性”強度的影響，低阻筒狀體異常區(qū)Y1附近的其他高阻抗相位異常區(qū)是巖體呈巖墻式巖脈、巖床式巖脈、網(wǎng)狀式巖脈侵入碳酸鹽巖地層的可能性較大；這些高阻抗相位異常區(qū)大多沿深沖斷裂F7走向分布，且深部低電阻率異常中心伴隨斷裂F7發(fā)育，這說明深沖斷裂F7在發(fā)育過程中切穿了隱伏巖筒，成為巖筒內(nèi)巖體運移至地表的重要通道，進(jìn)而形成了地表的偏堿性基性超基性煌斑巖(圖1所示)沿深沖斷裂F7走向分布。

6 結(jié)論

1)分析區(qū)內(nèi)巖(礦)石電阻率數(shù)據(jù)，建立了區(qū)內(nèi)三層電性組合模型；在復(fù)雜地形條件下，利用三維正演技術(shù)模擬研究區(qū)純地形響應(yīng)并在實測數(shù)據(jù)中去除，得到的定性解釋結(jié)果在一定程度上恢復(fù)了被靜態(tài)效應(yīng)扭曲的AMT阻抗相位不變量分布形態(tài)，增強了定性解釋的可靠性。

2)在考慮AMT有效探測深度的基礎(chǔ)上， 對實測數(shù)據(jù)的阻抗張量全參數(shù)進(jìn)行了三維AR-QN反演并得到了較可靠的研究區(qū)電性結(jié)構(gòu)。三維電性結(jié)構(gòu)揭示了一個帶低阻筒狀體、具有2層結(jié)構(gòu)特征的三維地電模型。

3)在電阻率三維反演水平切片成果配合校正后阻抗相位等值線解釋的基礎(chǔ)上，利用低電阻率、高阻抗相位結(jié)合的模式，對含金剛石隱伏巖管或巖筒發(fā)育位置進(jìn)行了初步判斷，為區(qū)內(nèi)進(jìn)一步的礦產(chǎn)勘查和科學(xué)研究提供了地球物理信息。

致謝：中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心楊獻(xiàn)忠教授級高級工程師、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)高凌峰博士提出了寶貴的修改意見，在此表示衷心感謝。