引用本文
林佳富, 张磊, 马新亮. 广域电磁法三维反演在青海三通沟北锰矿勘查中的应用[J].中国地质调查, 2023,10(2): 35-41.
LIN Jiafu, ZHANG Lei, MA Xinliang. Application of wide-filed electromagnetic method 3D inversion in the exploration of the manganese deposit in Northern Santonggou of Qinghai Province[J].Geological Survey of China, 2023,10(2): 35-41.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2023.02.05
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广域电磁法三维反演在青海三通沟北锰矿勘查中的应用
林佳富, 张磊, 马新亮
青海省第三地质勘查院,青海 西宁 810000

第一作者简介: 林佳富(1985—),男,工程师,主要从事综合地球物理勘查应用研究工作。Email: 407318325@qq.com。

收稿日期: 2022-08-09 修回日期: 2022-11-29
基金资助: 青海省自然资源厅“青海省都兰县三通沟北地区锰多金属矿预查(编号: 2019048069kc011)”项目资助
摘要

青海三通沟北海相沉积型锰矿区为实现深部找矿突破和扩大矿体规模,投入了广域电磁法和音频大地电磁法等物探工作,现阶段的生产实践仍是以一维、二维反演为主进行地质成果的解译,这就有可能导致反演结果与实际地质情况的近似程度不够,将直接影响到后续找矿效果。以广域电磁法三维反演成果为基础并结合已知地质和钻孔数据对矿区大地构造特征、地层及岩体深部埋藏情况、含矿岩系的深部电性特征等进行描述,研究认为: 三维反演模型显示矿区沉积中心尚未遭受侵入岩体的完全破坏,具有沿走向保存完整、在深部厚度大的特点,且其核心部位存在多处具含锰矿岩系高低阻相间分布的特征层位,因此具有很好的深部找矿潜力。

关键词: 青海三通沟北; 锰矿; 广域电磁法; 三维反演
中图分类号:P319.3;TF521+.5 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2023)02-0035-07
Application of wide-filed electromagnetic method 3D inversion in the exploration of the manganese deposit in Northern Santonggou of Qinghai Province
LIN Jiafu, ZHANG Lei, MA Xinliang
No.3 Geological Prospecting Institute of Qinghai Province, Qinghai Xining 810000, China
Abstract

In order to achieve a breakthrough in deep prospecting and expand the scale of ore bodies in marine sedimentary manganese deposit of Northern Santonggou in Qinghai Province, the authors adopted geophysical prospecting work such as wide-field electromagnetic method and audio frequency magnetotelluric method. At present, the production practice is still based on one-dimensional and two-dimensional inversion to interpret the geological results, and it may lead to insufficient approximation of the inversion results with the actual geological conditions, which will directly affect the subsequent prospecting results. The tectonic characteristics of the mining area, the deep burial of the strata and rock mass, and the deep electrical characteristics of the ore bearing rock series were described in this paper, based on the 3D inversion results of the wide-field electromagnetic method and the known geological and drilling facts. The results show that the sedimentary center of the mining area has not been destroyed by the intrusive rock mass using 3D inversion model, and has the characteristics of intact preservation along the strike and large thickness in the deep. A number of characteristic horizons of manganese bearing rock series with alternating distribution of high and low resistivity existe in its core, which has good deep prospecting potential.

Keyword: Northern Santonggou of Qinghai; manganese ore; wide-field electromagnetic method; 3D inversion
0 引言

锰是关系国民经济的急缺型矿产资源[1]。我国锰矿资源匮乏, 具有规模小、贫矿多、富矿少的特点, 且主要分布在南方泛扬子地区、北部燕辽地区、西部的天山和祁连山地区[1, 2, 3]。随着青海省洪水河、三通沟北、浪木日地区锰矿床的相继发现[4, 5, 6, 7], 改变了东昆仑地区无中型以上锰矿的勘查局面。近两年的详查工作已经在三通沟北锰矿区近地表区域控制了5条锰矿(化)带, 共13条锰矿体, 资源量> 480万t[5]。找矿工作如何向深部进军, 尤其是500~2 000 m深度范围内实现找矿成果新突破是目前面临的迫切问题[8]。基于此, 音频大地电磁法和广域电磁法等物探手段相继被投入使用。

反演是地球物理勘探向地质成果转化的关键环节[9, 10, 11, 12]。现阶段的生产实践仍主要是建立在一维反演、二维反演基础上的综合地质成果解译, 这就导致了对实际地质情况认识不足[13, 14], 因此成果资料横向和纵向分辨率较低, 会直接影响到后续钻探工程的布置和找矿效果。

本文以广域电磁法三维反演成果为基础, 结合矿区电物性资料、地质资料及钻孔对矿区深部构造特征、地层及岩体的深部形态、含矿岩系的深部赋存状态进行描述, 为后续找矿方向和钻孔布设提供参考。

1 地质和地球物理特征
1.1 地质概况

工作区主要出露中— 新元古界万宝沟群火山岩组(Pt2-3wba)和碎屑岩组(Pt2-3wbc)、上三叠统八宝山组砂砾岩段(T3ba)、火山岩段(T3bb)(图1)。

图1 工作区地质图
1. 万宝沟群火山岩组; 2. 万宝沟群碎屑岩组; 3.八宝山组砂砾岩段; 4.八宝沟组火山岩段; 5.三叠纪花岗闪长岩; 6.三叠纪正长花岗岩; 7.流纹斑岩脉; 8.岩性(相)分界线; 9.实测逆断层; 10.勘探线; 11.实测不整合界线Fig.1 Geological map of the working area

万宝沟群火山岩组(Pt2-3wba)与周围地层呈角度不整合接触, 局部呈断层接触, 与三叠纪酸性侵入岩呈侵入接触, 主要岩性为灰绿色(枕状)玄武岩, 局部出露小面积英安岩; 碎屑岩组(Pt2-3wbc)在工作区中部出露, 南北两侧均被八宝山组火山岩所覆盖, 出露面积约8 km2, 岩性以黑色粉砂岩、硅质岩、白云岩、长石砂岩及岩屑长石砂岩等组合为主, 局部含有黑色有机质、黄铁矿等, 部分地层被辉长岩体侵入破坏。按岩性组合可划分为4段, 本区含锰岩系即位于万宝沟群碎屑岩组(Pt2-3wbc)的第一段与第三段, 以灰黑色含有机质、黄铁矿化的粉砂岩、硅质岩夹细砂岩的一套组合为特征。八宝山组砂砾岩段(T3ba)主要岩性为复成分砾岩、泥质粉砂岩、凝灰质砂岩; 火山岩段(T3bb)主要岩性为玄武岩、安山岩、英安岩等。

F3、F5断裂围限了含矿地层(Pt2-3wb)的南北两侧, 形成三叠系八宝山组火山岩段与万宝沟群碎屑岩组的分界面, 是工作区内主要的构造控矿因素。

1.2 地球物理特征

重点对工作区万宝沟群碎屑岩组(Pt2-3wbc)1-4段、八宝山组砂砾岩段(T3ba)、火山岩段(T3bb)、锰矿(化)及侵入岩脉标本和岩芯进行物性参数测量和统计(表1)。

表1 工作区主要岩石电性、磁性特征表 Tab.1 Electrical and magnetic characteristics of main lithology in the working area

分析工作区电物性、磁物性特征可获得下述认识:

(1)地层与岩体具有显著的电性差异。工作区内各类碎屑岩的电阻率一般呈现中低阻特征, 覆盖于地层周围的八宝山组火山岩、三叠纪正常花岗岩及泥盆纪侵入岩脉均呈现显著高阻特征, 这就为广域电磁法在深部划分地层与岩体提供了良好的前提。

(2)地层中化学沉积岩(包括硅质岩和白云岩)显示为高阻和中磁特征。可以预见地层中的化学沉积岩在深部与岩体接触时仅依靠电性分布特征将不易进行区分, 此时可利用磁测成果和已知钻孔资料揭示的地层分布规律进行综合推断解释, 减少多解性。

(3)含锰矿岩系是一套含有机质粉砂岩、黄铁矿化粉砂岩、硅质岩的组合, 具有显著的低阻— 高阻交替变化特征。因此厚大地层中显示为低阻— 高阻相间分布的区域可定性为目标层位(图2)。

图2 含矿岩系电阻率步阶Fig.2 Step diagram of resistivity of ore bearing rock series

2 工作方法
2.1 广域电磁法原理

广域电磁法由何继善院士团队发明[15], 其核心的理论主要包括两点: 一是精确求解地下电磁

波方程[16, 17], 利用电磁场的分量E或H重新定义和求解广域视电阻率, 从而突破传统人工源电磁法“ 远区” 限制, 可以在包括“ 远区” 及部分“ 非远区” 进行探测, 勘探深度和效率大为提高; 二是基于“ 三元素自封闭加法” 原理[16], 构建可实现一次发射即可获得多个频率信息的伪随机电磁波。

定义的广域视电阻率[16]计算公式为

ρa=KE-ExΔVMNI1FE-Ex(ikr)　, KE-Ex=2πr3dL·MN　　　　　　, FE-Ex(ikr)=1-3sin2φ+e-ikr(1+ikr), ΔVMN=Ex·MN　。(1)

式中: ρ a为广域视电阻率, Ω · m; Δ VMN为测量电压, V; I为电流, A; i为虚数; k为波数; r为收发距, m; dL为供电极距, m; MN为测量极距, m; Ex为电场, V/m。上述广域视电阻率公式是一个含有隐函数的超越方程, 普通的代数方法难以求出方程的解析解。广域电磁法借助现代计算机强大而快速的数据计算能力, 采用“ 迭代法” 或“ 逆插值法” 提取视电阻率值。

2.2 高品质数据

高品质的数据是大深度、高精度反演的一个重要前提。在广袤的西北无人区, 除微弱的天然电磁场及无法预知的“ 场源效应” [18]外, 基本没有其它干扰源, 因此利用广域电磁仪的30 kW发收系统即可轻易地获得8 192~0.625 Hz范围内高品质原始数据(图3)。

图3 工作区7勘探线曲线类型Fig.3 Curve type of No.7 exploration line in the working area

相邻频点圆滑过渡, 相邻测点平滑变化, 无明显跳点和畸变点, 测深曲线形态清晰规则; 通过进一步对全区数据进行同点位质量检查和误差统计, 其均方相对误差值仅为± 4.63%, 这些都显示了高品质数据的特征。

2.3 三维反演

电磁法三维正反演研究自20世纪70年代中期就已经开始, 并取得了长足进步[19], 目前也已见到实用化的三维反演系统和三维成果解释的实际运用[20, 21], 但数量很少。广域电磁法是近年来新发明的理论方法和技术体系, 与大地电磁测深(magnetotelluric, MT)、音频大地电磁法(audio magnetotelluric, AMT)、和控源音频大地电磁测深(controlled-sourse audio-frequency magnetotelluric, CSAMT)观测和研究水平极化面波的理论不同, 广域电磁法观测的是曲面波, 因此在进行反演时将源的影响考虑进去。本文三维反演软件采用中南大学戴世坤教授发明的“ 重磁电三维一体化成像解释系统” , 该软件内有专门服务于广域电磁法的数据预处理、带源一维反演、二维反演、2.5维反演、三维反演、拟地震数据处理及偏移成像等工作模块。该套系统基于空间波数混合域进行高效、高精度三维正演, 比传统有限单元法效率高1~2个数量级[22]; 利用测区地形文件、测线文件、频率-电阻数据文件进行256× 256节点网格化构建三维反演初始模型, 采用求广义逆获得最小二乘解的方法进行数据迭代拟合。

在本次三维反演中涉及的测区面积约7 km2、224个测深点, 对每个测深点4 096~1 Hz频率区间共43个频点进行 3 km 深度范围内反演(图4)。

图4 三维反演立体图Fig.4 3D inversion stereogram

3 工作成果

成果解译基于三维反演切片(图5)。通过对三维反演成果与矿区地质、地球物理特征对比分析认为: ①三维反演成果模型准确反映了原始测深曲线的四层电性分布特征(图2), 模型是可信的; ②深度切片图及纵切片图中厚大的中低阻层对应于矿区内含矿万宝沟群碎屑岩组, 其主体厚度大于2 km, 十字切片图显示泥盆纪侵入岩体、三叠系八宝山组火山岩侵位于矿区西南及东北角形成大片高阻异常带, 而在沿走向方向上该套含矿地层仍然保存完好; ③矿区已有钻孔证实, 岩体与火山岩在深部700~1 000 m范围内与万宝沟群碎屑岩组中的硅质岩、白云岩等接触共同形成似层状高阻异常体(如井型切片图), 电法不易区分; ④纵切片图所显示的于该套地层中部的向斜构造也已为后期钻探所证实, 从侧面可印证本次三维反演得到的模型具有参考价值, 同时在向斜部位也显示出多处高低阻相间分布的电性特征, 符合含锰岩系的电性特征, 因此是后期找矿工作的重点层位。

图5 三维反演切片Fig.5 3D inversion slice

同时也应看到, 为了拟合原始数据反演模型显然存在滤波过度的问题, 这就不可避免导致了分辨率降低: 一是对于出露于地表的岩体未能精细刻画其侵入形态; 二是将地层统一反映为大片中低阻形态, 未能对具不同电性特征的不同岩性层位进行刻画; 三是虽然岩体与地层中具高阻特征的硅质岩、白云岩等在深部接触, 但将它们统一反演成层状高阻层总是不能令人满意。

为便于与实际钻孔资料进行比对, 从三维反演模型中提取8勘探线反演成果数据, 重新绘制成三维反演断面图, 并与地磁测量成果在同点位进行比较, 用以区分岩体与地层(图6)。

图6 8勘探线地质剖面图与三维反演成果对比Fig.6 Contrast map of geological section and 3D inversion result of No.8 exploration line

由对比图可见, 一方面地磁正异常主要由矿区内火山岩及侵入岩体引起, 而万宝沟群则反映为平稳的负异常场特征, 岩体与地层在磁测△ T零值线上分界清晰; 另一方面, 广域电磁法三维反演成果准确的反映了勘探线南部火山岩和辉长岩的分布范围及深部赋存形态; 同时在勘探线万宝沟群中, 反演成果比较准确的反映了ZK802— ZK806之间标高3 900 m以上的高阻硅质岩层, 以及标高 3 900 m 以下的中低阻灰色、黑色粉砂岩; 对于ZK802钻遇赋存于硅质岩及粉砂岩中的锰矿体, 反演成果综合反映为中高阻特征; ZK801钻遇锰矿体赋存于厚层黑色粉砂岩中, 反演成果准确的反映了地层的整体电性特征, 但不能精确分辨薄层矿体。

4 结论

本文是在原有资料基础上进行的带有尝试性的一次三维反演成果用于实际地质解释的工作, 对整个工作进行总结。

(1)本次三维反演模型准确反映了原始数据分布特征, 并且其部分结果也为钻探工程所证实, 因此具有实际参考价值; 同时也应注意到, 在本次反演过程中存在因滤波过度而导致分辨率降低的问题。

(2)三通沟北锰矿区万宝沟群碎屑岩组主体厚度大于2 km, 虽然遭受自西南向东北部侵入岩体的破坏改造, 但其核心部位仍保存完整; 地层核心部位存在向斜构造, 其中有多处具含锰矿岩系高低阻相间分布的特征层位, 因此具有很好的深部找矿潜力。

(责任编辑: 常艳)

参考文献
[1] 丛源, 董庆吉, 肖克炎, 等. 中国锰矿资源特征及潜力预测[J]. 地学前缘, 2018, 25(3): 118-137.
Cong Y, Dong Q J, Xiao K Y, et al. Characteristics and predicted potential of Mn resources in China[J]. Earth Sci Front, 2018, 25(3): 118-137. [本文引用:2]
[2] 孙凯, 张起钻, 朱清, 等. 全球锰矿资源特征及供需格局[J]. 矿产勘查, 2022, 13(4): 371-387.
Sun K, Zhang Q Z, Zhu Q, et al. Global manganese resources characteristics and supply-demand patterns[J]. Miner Explor, 2022, 13(4): 371-387. [本文引用:1]
[3] 付勇, 徐志刚, 裴浩翔, 等. 中国锰矿成矿规律初探[J]. 地质学报, 2014, 88(12): 2192-2207.
Fu Y, Xu Z G, Pei H X, et al. Study on metallogenic regularity of manganese ore deposits in China[J]. Acta Geol Sin, 2014, 88(12): 2192-2207. [本文引用:1]
[4] 矿产勘查编辑部. 东昆仑地区锰矿找矿实现新突破[J]. 矿产勘查, 2016, 7(6): 878.
Mineral Exploration Editorial Department. New breakthrough in manganese ore prospecting in East Kunlun Area[J]. Miner Explor, 2016, 7(6): 878. [本文引用:1]
[5] 刘世宝, 张爱奎, 刘光莲, 等. 东昆仑洪水河铁锰矿床特征及发现意义[J]. 西北地质, 2016, 49(1): 197-205.
Liu S B, Zhang A K, Liu G L, et al. Geological characteristics of the Hongshuihe Iorn-manganese deposit in Eastern Kunlun Metallogenic Belt and its discovery significance[J]. Northwest Geol, 2016, 49(1): 197-205. [本文引用:2]
[6] 赵静纯, 代威, 屈光菊, 等. 青海都兰县三通沟北地区锰矿地质特征及找矿前景[J]. 矿产勘查, 2020, 11(7): 1372-1378.
Zhao J C, Dai W, Qu G J, et al. Geological characteristics and prospecting potentiality of North Santonggou manganese deposit in Dulan County, Qinghai Province[J]. Miner Explor, 2020, 11(7): 1372-1378. [本文引用:1]
[7] 杨顺龙, 毛生录, 段鸿昌, 等. 东昆仑成矿带浪木日南区锰矿找矿地质意义[J]. 采矿技术, 2022, 22(3): 210-214.
Yang S L, Mao S L, Duan H C, et al. Geological significance of manganese ore prospecting in the South Langmuri Area of the East Kunlun Metallogenic Belt[J]. Min Technol, 2022, 22(3): 210-214. [本文引用:1]
[8] 潘彤, 薛国强, 李战业, 等. 青海省资源地质与地球物理勘查概述与展望[J]. 地球物理学进展, 2022, 37(1): 238-250.
Pan T, Xue G Q, Li Z Y, et al. Review and prospection of resource geology and geophysical exploration in Qinghai Province[J]. Prog Geophys, 2022, 37(1): 238-250. [本文引用:1]
[9] 刘士毅, 田黔宁, 赵金水, 等. 解决物探异常解释多解性的一次尝试[J]. 物探与化探, 2010, 34(6): 691-696.
Liu S Y, Tian Q N, Zhao J S, et al. An attempt to reduce ambiguity in geophysical interpretation[J]. Geophys Geochem Explor, 2010, 34(6): 691-696. [本文引用:1]
[10] 杨文采. 地球物理反演理论和方法[M]. 北京: 地质出版社, 1997.
Yang W C. The theory and method of geophysics inversion[M]. Geology Press, Beijing, 1997. [本文引用:1]
[11] 姚姚. 地球物理反演基本理论与应用方法[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 2002.
Yao Y. Basic theory and application of geophysics inversion[M]. China University of Geosciences Press, Wuhan. 2022. [本文引用:1]
[12] 欧东新. 地球物理反演教程[M]. 北京: 地质出版社, 2015.
Ou D X. A tutorial on geophysics inversion[M]. Geology Press, Beijing, 2015. [本文引用:1]
[13] 戴世坤, 王顺国, 张钱江, 等. 频率域可控源电磁法2. 5D正反演[J]. 中国有色金属学报, 2013, 23(9): 2513-2523.
Dai S K, Wang S G, Zhang Q J, et al. 2. 5D forward and inversion of CSEM in frequency domain[J]. Chinese J Nonferrous Met, 2013, 23(9): 2513-2523. [本文引用:1]
[14] 林昌洪, 谭捍东, 舒晴, 等. 可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演研究[J]. 地球物理学报, 2012, 55(11): 3829-3838.
Lin C H, Tan H D, Shu Q, et al. Three-dimensional conjugate gradient inversion of CSAMT data[J]. Chinese J Geophys, 2012, 55(11): 3829-3838. [本文引用:1]
[15] 李莉. 用中国理论造中国仪器—记2018年度国家技术发明奖一等奖获得者、中国工程院院士何继善[J]. 中国科技奖励, 2019(08): 42-49.
Li Li. Using Chinese Theory to Build Chinese Instruments -On He Jishan, the first prize winner of the 2018 National Technological Invention Award and academician of the CAE Member[J]. Award Story, 2019(08): 42-49. [本文引用:1]
[16] 何继善. 广域电磁法和伪随机信号电法[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010: 1-5.
He J S. Wide Filed Electromagnetic Method and Pseudo-Rand om Signal Electrical Method[M]. Higher Education Press, Beijing, 2010: 1-5. [本文引用:3]
[17] 何继善. 广域电磁测深法研究[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2010, 41(3): 1065-1072.
He J S. Wide field electromagnetic sounding methods[J]. J Cent South Univ (Sci Technol), 2010, 41(3): 1065-1072. [本文引用:1]
[18] 汤井田, 何继善. 可控源音频大地电磁法及其应用. 长沙: 中南大学出版社, 2005.
Tang J T, He J S. Controlled source audio magnetotelluric method and its application. Central South University Press, Changsha. 2005. [本文引用:1]
[19] 胡祖志, 胡祥云. 大地电磁三维反演方法综述[J]. 地球物理学进展, 2005, 20(1): 214-220.
Hu Z Z, Hu X Y. Review of three dimensional magnetotelluric inversion methods[J]. Prog Geophys, 2005, 20(1): 214-220. [本文引用:1]
[20] 张昆, 何钰娴, 严加永. 大地电磁测深三维反演系统及应用[J]. 中国地质调查, 2015, 2(1): 25-30.
Zhang K, He Y X, Yan J Y. 3D inversion system of magnetotelluric sounding and its application[J]. Geol Surv China, 2015, 2(1): 25-30. [本文引用:1]
[21] 鱼鹏亮, 屈挺, 渠继胜等. 陕西省凤太矿集区八方山铅锌矿大功率CSAMT三维反演技术应用[C]//. 首届全国矿产勘查大会论文集. 2021: 101-104.
Yu Pengliang, Qu Ting, Qu Jisheng, et al. Application of high-power CSAMT 3D inversion technology in bafangshan lead-zinc mine, Fengtai mining concentration area, Shaanxi province. Proceedings of the First National Conference on Mineral Exploration. 2021: 101-104. [本文引用:1]
[22] 戴世坤, 赵东东, 李昆, 等. 基于矢量位和标量位的空间波数混合域电磁三维正演模拟[J]. 地球物理学报, 2022, 65(1): 404-416.
Dai S K, Zhao D D, Li K, et al. Forward modeling of 3D electromagnetic problems using vector and scalar potentials in a mixed space-wavenumber domain[J]. Chinese J Geophys, 2022, 65(1): 404-416. [本文引用:1]