楊波，孫棟華

(1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002； 2.河北省航空探測(cè)與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002； 3.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，河北 石家莊 050002)

0 前言

新疆東天山地區(qū)是我國(guó)重要的金鉛鋅銅鎳鐵等礦產(chǎn)資源的產(chǎn)地[1-3]。前人研究認(rèn)為該地區(qū)的金及鐵銅多金屬礦主要形成于石炭紀(jì)—二疊紀(jì)[4]，其中已發(fā)現(xiàn)的多數(shù)礦產(chǎn)與同時(shí)期侵入的環(huán)狀熔融巖體有關(guān)[5]。環(huán)狀熔融巖體，又稱(chēng)環(huán)狀巖體或環(huán)狀雜巖體，其形態(tài)近似環(huán)狀，由內(nèi)向外巖性分帶明顯，一般位于區(qū)域性深大斷裂邊緣，是特定地質(zhì)事件的產(chǎn)物[4-7]。研究環(huán)狀熔融巖體分布的特征，對(duì)于揭示區(qū)域地質(zhì)背景和成礦地質(zhì)條件具有重要意義。

本文研究的環(huán)狀熔融巖體位于新疆東天山卡瓦布拉克深大斷裂南緣。前人已經(jīng)在巖體北緣與地層的外接觸帶中發(fā)現(xiàn)了金鉛鋅礦體，認(rèn)為該巖體不僅是重要的礦源層，也是含礦熱液的主要來(lái)源，巖體的形成發(fā)展過(guò)程即是礦液運(yùn)移、沉淀、富集的過(guò)程，巖體與礦化關(guān)系十分密切[8]。因此，查明巖體的空間展布特征以及斷裂構(gòu)造發(fā)育情況，是圍繞該巖體下一步找礦的關(guān)鍵。

大部分學(xué)者使用地面磁法和重力來(lái)探測(cè)巖體，通過(guò)對(duì)磁法或重力數(shù)據(jù)單獨(dú)反演或是磁、重聯(lián)合反演，得到深部磁性、密度結(jié)構(gòu)來(lái)查明巖體的空間展布特征[9-12]；也有學(xué)者在此基礎(chǔ)上增加了可控源音頻大地電磁測(cè)深方法，從電性角度更加精細(xì)刻畫(huà)了巖體的深部結(jié)構(gòu)[13-14]。另外，也有學(xué)者使用地面磁法+地震勘探+大地電磁測(cè)深綜合方法[15]，或者使用重力+地震勘探+大地電磁測(cè)深綜合方法[16]來(lái)探測(cè)巖體的深部延伸情況。航空瞬變電磁法作為近年來(lái)取得突破發(fā)展的一種新技術(shù)、新方法，具有測(cè)量效率高、精度高、速度快、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[17]，其與常規(guī)的航空磁法一起已經(jīng)在隱伏巖體的識(shí)別、構(gòu)造的推斷解釋以及低阻多金屬礦產(chǎn)的勘查等方面取得了較好的效果[18-23]。

航空瞬變電磁測(cè)量原理是，由飛行器搭載航空瞬變電磁系統(tǒng)的發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生的一次磁場(chǎng)，地下介質(zhì)由一次磁場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在一次場(chǎng)中斷后不會(huì)馬上消失，而是在介質(zhì)周?chē)臻g產(chǎn)生二次磁場(chǎng)。通過(guò)航空瞬變電磁系統(tǒng)的接收線(xiàn)圈采集二次磁場(chǎng)，對(duì)其進(jìn)行處理和分析即可了解異常體的導(dǎo)電性、埋深和規(guī)模。

本文通過(guò)對(duì)1∶2.5萬(wàn)高精度航空瞬變電磁和航磁數(shù)據(jù)的處理和分析，大致查明了環(huán)狀熔融巖體的航空電、磁特征，推斷解釋了斷裂構(gòu)造平面延伸情況，圈定了熔融巖體的三維空間展布范圍，初步探討了環(huán)狀熔融巖體的形成機(jī)制；根據(jù)已知礦床的控礦地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)了2片供下一步找礦的有利地區(qū)。本次研究為該地區(qū)的深部找礦提供了重要資料。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及成礦地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)內(nèi)地層以中泥盆統(tǒng)阿拉塔格組(D2a)為主，局部為下泥盆統(tǒng)阿爾彼什麥布拉克組(D1a)(圖1)。D2a為一套淺海相碳酸鹽巖夾碎屑巖建造，巖性主要為灰白色、白色中厚層狀或塊狀中粗粒大理巖、大理巖化灰?guī)r；D1a巖性主要為變質(zhì)鈣質(zhì)片巖、黑云母石英片巖、綠泥石英片巖、大理巖。

環(huán)狀熔融巖體巖性主要為形成于華力西期的閃長(zhǎng)巖，圍巖主要為大理巖。巖體整體呈橢圓形，長(zhǎng)軸近EW向，侵入于D1a和D2a中。

1.2 成礦地質(zhì)特征

在巖體與地層的外接觸帶——斷裂蝕變破碎帶中，已發(fā)現(xiàn)4條金鉛鋅礦體，礦體厚度變化不大，沿接觸帶下延伸。礦體主要賦存于EW向斷裂破碎帶中，主要礦體位于EW向斷裂彎曲膨大部位，特別是在斷裂面產(chǎn)狀由陡變緩的位置，礦體與斷裂關(guān)系較為密切，礦體呈脈狀分布于巖體的接觸帶中。閃長(zhǎng)巖體中Au平均含量為12.7×10-9，高于中國(guó)閃長(zhǎng)巖中Au平均值(1.0×10-12)達(dá)12 000倍以上[8]。此外，主要礦化蝕變帶均分布于巖體接觸帶，其枝脈與大理巖接觸部位均有不同程度的蝕變，硅化、褐鐵礦化、酸鹽化、綠泥石化等發(fā)育普遍。說(shuō)明閃長(zhǎng)巖體不僅是重要的礦源層，也是含礦熱液的主要來(lái)源，巖體的形成發(fā)展過(guò)程即是環(huán)狀斷裂形成、礦液運(yùn)移沉淀富集的過(guò)程。由此可見(jiàn)，巖體與礦化關(guān)系十分密切。

2 航空瞬變電磁探測(cè)技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選用VTEMplus系統(tǒng)開(kāi)展1∶2.5萬(wàn)時(shí)間域電磁測(cè)量，該系統(tǒng)同時(shí)搭載高精度銫光泵822A磁探頭采集航磁數(shù)據(jù)[17,24]。本次使用時(shí)間域電磁數(shù)據(jù)和航磁數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)狀熔融巖體進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括航電數(shù)據(jù)處理和航磁數(shù)據(jù)處理。航電數(shù)據(jù)處理主要包括基本處理、B場(chǎng)計(jì)算、視電阻率計(jì)算、時(shí)間常數(shù)計(jì)算等，航磁數(shù)據(jù)處理包括修正處理、數(shù)據(jù)調(diào)平、總場(chǎng)及水平梯度計(jì)算、位場(chǎng)轉(zhuǎn)換處理和磁性體反演等。

2.2.1 航電時(shí)間常數(shù)計(jì)算

航空瞬變電磁曲線(xiàn)變化速率的大小取決于異常體的電性好壞和幾何形態(tài)，其電性和幾何形態(tài)反映在它的時(shí)間常數(shù)上，因此，異常體的時(shí)間常數(shù)決定瞬變場(chǎng)衰減速率的大小，是確定異常體電性好壞的重要參數(shù)。幾何形態(tài)相同的礦體，導(dǎo)電性越好，其時(shí)間常數(shù)越大。

時(shí)間常數(shù)τ的計(jì)算方法有很多種，對(duì)于VTEMplus系統(tǒng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，通常采用“移動(dòng)窗口”技術(shù)來(lái)計(jì)算時(shí)間常數(shù)τ(圖2)。計(jì)算原理是沿電磁響應(yīng)的衰減曲線(xiàn)滑動(dòng)時(shí)間窗口，根據(jù)噪聲水平和預(yù)設(shè)的信號(hào)閾值水平，確定最晚期的4個(gè)時(shí)間道。然后對(duì)最晚的4個(gè)時(shí)間道進(jìn)行最小二乘擬合獲得時(shí)間常數(shù)[25]。

2.2.2 航電X分量Fraser濾波

在測(cè)量過(guò)程中若無(wú)干擾，實(shí)測(cè)X分量dB/dt曲線(xiàn)的真零交點(diǎn)出現(xiàn)在低阻地質(zhì)體或含水?dāng)嗔褞戏?，以此?lái)識(shí)別和圈定低阻異常體的空間位置。實(shí)際應(yīng)用中，由于存在地質(zhì)噪聲、相鄰地質(zhì)體及其他(如輸電線(xiàn)路等)干擾因素，以及地形起伏等影響，往往導(dǎo)致剖面上的過(guò)零交點(diǎn)與地下隱伏低阻體實(shí)際位置發(fā)生偏移(圖3a)，甚至不顯示零交點(diǎn)或出現(xiàn)假零交點(diǎn)。因此，對(duì)實(shí)測(cè)資料尚須進(jìn)行真、假零交點(diǎn)的判識(shí)及區(qū)域背景干擾因素的消除等[26]。

Fraser濾波法于1969年由D.C. Fraser首先提出，用于處理甚低頻(VLF)電磁法數(shù)據(jù)，其應(yīng)用的最基本條件是場(chǎng)源固定，探測(cè)目標(biāo)體位于均勻場(chǎng)中，感應(yīng)的二次電流可視為線(xiàn)電流。該方法利用一個(gè)差分算子將投點(diǎn)或“交點(diǎn)”變成峰值，并用一個(gè)低通濾波器來(lái)消除噪聲，濾波后測(cè)量剖面上的拐點(diǎn)或過(guò)零交點(diǎn)異常變成極大值，其峰值即對(duì)應(yīng)地下低阻異常體[27](圖3b)。Crone等人應(yīng)用Fraser濾波處理大定源外的TEM觀測(cè)數(shù)據(jù)，取得了令人滿(mǎn)意的結(jié)果。

2.2.3 航電電阻率深度成像(RDI)

電阻率深度成像(resistivity depth imaging，RDI)是通過(guò)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行反褶積，從而將電磁響應(yīng)衰減數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化為相同意義上電阻率深度斷面的一種方法，所采用的電阻率—深度轉(zhuǎn)換的RDI算法是基于Maxwell A.Meju的視電阻率轉(zhuǎn)換和導(dǎo)電半空間的TEM響應(yīng)原理。

RDI能夠提供具有參考價(jià)值的導(dǎo)體深度、垂向延伸等信息，并能準(zhǔn)確提供每條測(cè)線(xiàn)上的一維介質(zhì)視電阻率斷面。根據(jù)RDI能夠獲得VTEM系統(tǒng)的探測(cè)深度、電阻率、初始導(dǎo)電體的位置等資料。

2.2.4 航磁三維反演

航磁三維反演時(shí)通常假設(shè)地球磁場(chǎng)方向與磁異常磁場(chǎng)方向相同，只考慮感磁影響。但是近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，剩磁及其他因素的影響是普遍存在的，此時(shí)磁異常的磁場(chǎng)方向與地球磁場(chǎng)方向并不相同，使得在磁三維反演計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大偏差，進(jìn)而影響對(duì)資料的認(rèn)知程度，導(dǎo)致資料解釋不準(zhǔn)確。Robert G. Ellis于2012年提出了磁化強(qiáng)度矢量反演(magnetization vector inversion，MVI),該技術(shù)在無(wú)需事先了解剩磁方向或強(qiáng)度的前提下，加入了剩磁和感磁。在MVI處理過(guò)程中,ΔT總場(chǎng)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為磁三分量矢量數(shù)據(jù)，其反演結(jié)果不僅有3D矢量信息,還包括一個(gè)標(biāo)量的MVI視磁化率信息。

3 巖體電、磁場(chǎng)特征及解釋

3.1 電場(chǎng)特征

研究區(qū)實(shí)測(cè)大理巖、花崗巖和閃長(zhǎng)巖的電阻率均大于1 000 Ω·m，呈高阻特征，而實(shí)測(cè)褐鐵礦化、黃鐵礦化絹云母化、碎裂巖化的巖石電阻率一般小于200 Ω·m，呈低阻特征。

研究區(qū)范圍內(nèi)主要有4片NWW向展布的電磁響應(yīng)強(qiáng)烈區(qū)(圖4)。第一片位于環(huán)狀熔融巖體北部，時(shí)間常數(shù)為0.07～0.12 ms，目前已發(fā)現(xiàn)一個(gè)金鉛鋅礦床；第二片位于中部，整體呈條帶狀橫穿環(huán)狀熔融巖體，時(shí)間常數(shù)一般為0.08～0.16 ms；第三片位于環(huán)狀巖體西南部，時(shí)間常數(shù)一般為0.10～0.18 ms；第四片位于環(huán)狀熔融巖體南部，時(shí)間常數(shù)在0.12～0.33 ms。這4片電磁響應(yīng)強(qiáng)烈區(qū)表明了深部有低阻體存在，其中與負(fù)磁異常相對(duì)應(yīng)的第二片區(qū)推測(cè)與環(huán)狀熔融巖體中不同巖性界面或構(gòu)造破碎帶有關(guān)，而第四片區(qū)的時(shí)間常數(shù)值最高，可能與地層中順層發(fā)育的構(gòu)造破碎帶有關(guān)，構(gòu)造破碎帶可能為后期成礦提供良好條件。

在dB/dt早期道(10道)電磁響應(yīng)影像圖(圖5)中，可見(jiàn)早期道的電磁響應(yīng)以單峰異常為主，這可能是構(gòu)造、含礦構(gòu)造或礦化帶在淺地表形成的一層近水平的低阻風(fēng)化殼或礦化層的反映。

圖5 航電dB/dt早期道(10道)電磁響應(yīng)影像

對(duì)dB/dt的X分量進(jìn)行Fraser濾波處理，其第23道的電磁響應(yīng)見(jiàn)圖6。可看出研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)數(shù)個(gè)近EW向展布的條帶狀異常，推斷為巖體與地層的接觸帶及隱伏斷裂的反映。

圖6 航電dB/dt X分量經(jīng)Fraser濾波后第23道電磁響應(yīng)影像

利用Geosoft Oasis Montaj的voxel模塊制作研究區(qū)電阻率三維分布圖(圖7)。研究區(qū)范圍內(nèi)主要有4片NWW向展布的低阻區(qū)，與4片時(shí)間常數(shù)響應(yīng)強(qiáng)烈區(qū)對(duì)應(yīng)，其中研究區(qū)中部的低阻區(qū)與航磁負(fù)異常對(duì)應(yīng)。

圖7 研究區(qū)低阻體三維分布及部分測(cè)線(xiàn)電阻率斷面疊合

3.2 磁場(chǎng)特征

實(shí)測(cè)閃長(zhǎng)巖磁化率6 000×10-5SI以上，屬?gòu)?qiáng)磁體；大理巖、花崗巖磁化率不超過(guò)400×10-5SI，為弱磁性體。

航磁總場(chǎng)化極影像圖(圖8)出現(xiàn)總體排列成環(huán)狀的眾多不規(guī)則的強(qiáng)磁異常，磁場(chǎng)值一般為30～80 nT，最高可達(dá)250 nT，推測(cè)為閃長(zhǎng)巖體的反映。在其內(nèi)部可見(jiàn)近橢圓形、環(huán)形的負(fù)磁異常，磁場(chǎng)值一般為-40～-10 nT，最低為-140 nT，推測(cè)為變質(zhì)巖地層或花崗巖體的反映。這種正、負(fù)環(huán)形相間排列的環(huán)形磁場(chǎng)面貌特征，正是巖體內(nèi)部環(huán)狀熔融特征在航磁上的反映。

圖8 航磁總場(chǎng)化極影像

由航磁垂向一階導(dǎo)數(shù)影像圖(圖9)可知，研究區(qū)范圍內(nèi)具有NW—NWW、近EW和NE向3組構(gòu)造，其中，NW—NWW、近EW向這二組構(gòu)造明顯切割巖體或沿巖體與地層的接觸帶展布，為巖漿熱液和礦源的沉淀和富集提供了通道，是巖體周?chē)傻V的關(guān)鍵因素之一。

圖9 航磁垂向一階導(dǎo)數(shù)影像

對(duì)航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了磁矢量三維反演，反演結(jié)果如圖10所示。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，將反演磁化率大于0.06 SI的強(qiáng)磁體推斷為閃長(zhǎng)巖。圖中可清晰看到巖體在整個(gè)研究區(qū)的空間展布情況。推測(cè)的閃長(zhǎng)巖體東、西兩側(cè)外傾，延伸深度大于3 500 m，中部向下延伸約2 000 m，整體呈“拱門(mén)”狀。

圖10 研究區(qū)推斷巖體空間分布及部分測(cè)線(xiàn)反演磁化率

3.3 電、磁資料推斷解釋

根據(jù)上述分析，對(duì)研究區(qū)巖性、構(gòu)造重新進(jìn)行了推斷解釋?zhuān)Y(jié)果見(jiàn)圖11。與已知地質(zhì)圖相比，本次推斷的巖體范圍擴(kuò)大，由3片不規(guī)則巖體組成。

圖11 推斷解釋巖性構(gòu)造

根據(jù)航磁三維反演資料推斷了巖體空間三維展布形態(tài)。已知斷裂以NE、NW向?yàn)橹鳎敬瓮茢嘁訬W向?yàn)橹?，尤其是編?hào)F3、F5、F6、F7為本次新推斷斷裂，這幾條斷裂穿過(guò)巖體或位于巖體邊緣，所具備的電磁特征與已知礦的控礦構(gòu)造基本一致。

3.4 已知礦電、磁特征

已知金鉛鋅礦位于航磁異常邊緣的梯度帶上，在航磁垂向一階導(dǎo)數(shù)圖中可見(jiàn)弱磁異常，其值為 0.5～0.005 nT/km。從磁三維反演結(jié)果可知，金鉛鋅礦位于閃長(zhǎng)巖體與圍巖的接觸帶上，受斷裂構(gòu)造F7控制。已知金鉛鋅礦航電特征較為明顯，異常呈NW向展布，其早期道(10道)值普遍為1.36～2.89 pV/(A·m4)，最大值可達(dá)4.08 pV/(A·m4)，比背景值高1～2倍；航電X分量經(jīng)Faser濾波一般為0.000 86～0.002 1 pV/(A·m4)，最大值可達(dá)0.004 1 pV/(A·m4)，比背景值升高1～3倍。

4 成礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)

綜合以上物探及地質(zhì)資料，進(jìn)行成礦有利區(qū)預(yù)測(cè)，圈定成礦有利區(qū)2片。這2片地段位于閃長(zhǎng)巖體外圍或內(nèi)部與地層的接觸帶上，且有斷裂構(gòu)造通過(guò)，與研究區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的礦床具有類(lèi)似的成礦地質(zhì)條件，推測(cè)是下一步深部找礦的有利區(qū)段。

Ⅰ區(qū)位于研究區(qū)西部，閃長(zhǎng)巖體西緣與地層的接觸帶上，斷裂構(gòu)造發(fā)育；航電呈雙峰特征，電磁特征為在時(shí)間常數(shù)值為0.02～0. 06 ms的低值區(qū)疊加的NWW向的中間低兩側(cè)高的中、高值帶；航磁表現(xiàn)為負(fù)磁場(chǎng)背景，局部可見(jiàn)有升高5～10 nT的磁異常。該區(qū)的地質(zhì)—地球物理特征與已知金鉛鋅礦的特征相符，因此推斷其為多金屬成礦有利區(qū)。

Ⅱ區(qū)位于研究區(qū)西南部，出露地層為下泥盆統(tǒng)，位于閃長(zhǎng)巖體與地層的接觸帶上。電磁特征為時(shí)間常數(shù)值為0.02～0.06 ms的低值區(qū)疊加的NWW向的中間低兩側(cè)高的中、高值帶；航磁特征為正負(fù)相間排列的環(huán)形磁異常西緣及其外圍。根據(jù)航磁三維反演推測(cè)，該閃長(zhǎng)巖體為半隱伏巖體，在南部仍然有大面積的巖體隱伏于地層之下。Ⅱ區(qū)東部位于環(huán)形磁異常西緣，磁場(chǎng)變化快、梯度陡、幅值高，場(chǎng)值一般為-140～80 nT，推測(cè)可能由環(huán)形的閃長(zhǎng)巖和花崗巖質(zhì)巖類(lèi)引起。Ⅱ區(qū)中西部位于-50～-30 nT的負(fù)磁場(chǎng)中，推測(cè)由隱伏的花崗巖引起，在花崗巖與地層接觸帶位置是研究區(qū)內(nèi)成礦較為有利的地段。

5 結(jié)論

1)環(huán)狀熔融巖體內(nèi)可以劃分為3個(gè)環(huán)形的閃長(zhǎng)巖體。結(jié)合MVI結(jié)果，推測(cè)巖漿可能從研究區(qū)西部和東部?jī)蓚€(gè)方向先后侵入地層形成閃長(zhǎng)巖體。在閃長(zhǎng)巖體形成過(guò)程中，巖體與地層發(fā)生熔融形成環(huán)狀熔融巖體，同時(shí)在閃長(zhǎng)巖體與地層的接觸帶附近的斷裂構(gòu)造中形成了金鉛鋅礦化。

2)利用航空電磁及航磁數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)信息，大致查明了環(huán)狀熔融巖體的空間分布特征，推斷出7條斷裂，其中6條為新斷裂，提出了一種利用航電、航磁數(shù)據(jù)解決地質(zhì)問(wèn)題的新思路。

3)通過(guò)提取航電、航磁特征信息，圈定找礦有利區(qū)2片。它們位于環(huán)狀熔融巖體的西部和西南部，這些地段具有與已知礦床類(lèi)似的地質(zhì)條件，是下一步深部找礦的有利區(qū)段。