DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.04.023

安徽铜陵舒家店铜矿三维音频大地电磁探测研究

王永清^{1, 2}，汤井田^{1, 2}，肖晓^{1, 2}，周聪^{1, 2}，王显莹^{1, 2}，任政勇^{1, 2}

(1. 中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083;

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083)

摘要：利用音频大地电磁法，对安徽省铜陵矿集区舒家店斑岩型铜矿床进行三维探测研究。对经过预处理的实测AMT数据利用相位张量进行维性分析；通过挑选适当的测点和频域数据，设计合理的参数，利用WSINV3DMT程序进行实测AMT数据3D反演，得到舒家店铜矿床的3D电性模型；利用模型响应与实测AMT数据的拟合对比对反演结果进行评价；利用不同深度、不同方向的空间切片讨论3D反演模型的电性结构特征。研究结果表明：该区深部2D/3D构造特征明显；所选反演模型整体精度较高，仅部分局部精度低；深部与代表岩体的高阻体相间共存的低阻体异常极可能是蚀变岩体或直接是矿体的反映。

关键词：斑岩型铜矿床；音频大地电磁法；三维反演；铜陵矿集区

中图分类号：P33             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)04-1018-09

Three dimensional audio-frequency magnetotellurics prospecting for copper deposit in Shujiadian, Tongling, Anhui Province

WANG Yongqing^{1, 2}, TANG Jingtian^{1, 2}, XIAO Xiao^{1, 2}, ZHOU Cong^{1, 2}, WANG Xianying^{1, 2}, REN Zhengyong^{1, 2}

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, Changsha 410083, China;

2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Audio-frequency magnetotelluric method and 3D inversion code were used to study the porphyry copper deposit in Shujiadian, Tongling, Anhui Province. A 3D inversion was demanded. Sites data were selected and frequencies were decided, and the WSINV3DMT code was used with a reasonable parameter design to obtain the 3D conductivity structure. The electrical characteristics and structure framework of the 3D model were discussed by slices of the model with different depths and orientations. The results show that 2D/3D characteristics for the deep structure of the region are obvious. The model is proved to be high in precision by comparison between the observed data and the model response. Combined with the discussion of properties of the main geological body, the deep low resistivity anomaly between the high resistivity rock mass may be the reflection of altered rock or the ore body.

Key words: porphyry copper deposit; audio-frequency magnetotellurics; 3D inversion; Tongling ore district

音频大地电磁测深法(audio-frequency magnetotellurics，AMT)发展于大地电磁测深法(magnetotellurics，MT)，是以岩矿石的电性差异为基础，通过在地表测量天然音频电磁场的正交水平分量，并对其变化规律进行研究，获取地下电性分布的一种交变电磁勘探方法。该方法探测深度大，工作效率高，是矿产勘查工作的重要手段之一^[1-3]。近年来，由于方法理论和计算机技术的发展，三维大地电磁建模与反演取得了长足进步，并逐渐得到应用^[4-5]。目前三维反演的方法主要非线性共轭梯度法^[6-7]、快速松弛反演^[8]等，特别是WSINV3DMT代码^[9-10]已得到广泛应用^[11]。铜陵是我国六大有色金属基地之一，是我国“矽卡岩型铜矿”的重要矿集区，所发现的矽卡岩型铜矿床在安徽省乃至国内都具重要地位^[12-14]。铜陵地区的地表矿产勘查工作程度较高，人们对区内主要大多数地质、物化探异常区进行了验证或查证，对地表发现的矿床、矿点多进行了钻探工程控制；在重要矿床的详查勘探中，控制深度在1 km以下。在区内以寻找地表矿和浅部隐伏矿的时代已经结束，20世纪80年代便进入了以寻找深部隐伏矿为主的艰难时期，自20世纪90年代对区内冬瓜山矿床、焦冲金矿详查结束后，矿产勘查工作一直未出现明显进展。但进入21世纪后，发现了姚家岭大型金多金属矿，新增了可观的资源储量，延长了危机矿山服务年限，取得了良好的经济效益和社会效益^[14-15]。近期，随着深部找矿的深入开展，区内先后发现了舒家店外围(深部)斑岩型铜矿、鸡冠山铜金矿、桂山铅锌多金属矿、胡村铜钼矿、蛤蟆岭金矿等新矿床，证明在铜陵矿集区深部找矿依然具有较大潜力^[16-17]。本文利用音频大地电磁法在舒家店铜矿床开展电性结构研究。在测区部署了60个测点，利用WSINV3DMT代码^[18-19]进行三维反演；分析的侵入岩体的分布形态，并对成矿作用和成矿规律进行讨论。

1  地质背景

舒家店矿床位于舒家店短轴背斜轴部脊轴转折部位，受岩浆岩与砂质页岩北西接触带岩体内侧构造控制。舒家店背斜为一轴向北东不对称的短轴背斜，岩层产状一般北西翼地层倾角较小，为20°~55°；南东翼地层倾角较大，为70°左右，部分地段有倒转现象；北东外倾转折端因受断裂影响，产状较零乱。出露的地层均为志留系上中统坟头组砂质页岩、砂岩、粉砂岩及页岩^[20]。

舒家店背斜受来自北西与南东2个方向的力，在矿床附近受北西方向力的影响较大，矿床北东端地层即行向南转折。在南北方向力作用下，矿区产生了北东向压性断裂，岩浆岩即沿此通道上升。岩体轴向约为NE40°，与区域性的高角度压性逆断裂方向基本一致。构造破碎带呈北东方向，也是矿区主要控矿构造。矿区出露的主要侵入岩可分为3个岩体6种岩相带，总体呈岩株状产于背斜北西翼近轴部的坟头组砂页岩中。结合区域岩浆岩活动规律和一些特征微量元素对比，可判定本区火成岩属于同源岩浆分异的产物。由同位素钾氩法年龄测定结果和岩体之间穿插及突变关系，确认3个岩体形成的先后顺序是：最早为花岗闪长岩体(由中心相花岗闪长岩和边缘相花岗闪长斑岩组成)，年龄为214 Ma；其次为石英闪长斑岩体(可穿插于花岗闪长岩体中，亦可被辉石闪长岩、闪长岩穿插或包裹)，年龄为178 Ma，属燕山期；最后为辉石闪长岩体(由中心相辉石闪长岩、过渡相闪长岩及边缘相闪长玢岩组成)，年龄为134~148 Ma，处于燕山中期^[19-21]。主要岩体属于中浅成相，各岩体边缘相出露较广，自变质作用较强，脉岩较发育，岩体内见围岩的顶垂体(花岗闪长岩体的南段较多)，由此可知舒家店岩体属于浅成剥蚀。

矿床位于繁昌火山盆地边缘，舒家店短轴背斜轴部脊轴转折部位，为受接触带内侧岩株体内构造控制的板状与脉状矿体。矿床埋深在150 m以下，剥蚀程度较浅。与区内矿化密切相关的蚀变主要是钾长石化，其次是硅化、绿泥石化，蚀变和矿化程度也一致。黄铜矿与钾长石化关系较密切，镜铁矿主要在钠长石化、伊利石化等岩石中比较发育。矿石构造以浸染状为主，细脉和小细脉次之，粗脉较少。岩体与围岩界限不明显。金属矿物组分较简单，主要是黄铜矿、黄铁矿，矿石含铜品位较低而稳定。矿床赋存的主要岩体为闪长岩和辉石闪长岩，无斑状结构，虽然闪长玢岩、石英闪长斑岩具有斑状结构，但主要矿体不赋存在此类岩石中，矿床成因与辉石闪长岩、闪长岩有关，与闪长岩关系更为密切。按成矿作用划分，舒家店矿床类型为斑岩型铜矿床^{[19, 22]}。

2  AMT数据处理及分析

2.1  数据采集与处理

测区简化地质图与音频大地电磁测点分布如图1所示，在测区内共部署音频大地电磁测点60个。数据采集使用加拿大凤凰公司的MTU-5A系统，配备AMTC-30磁传感器。同时对电场和磁场进行测量，共有6套仪器同时采集，采集频率范围为0.35~10 400 Hz。每个测点的数据采集时间大于60 min，滤波频率设为50 Hz。利用高精度GPS实时同步测量平面坐标与高程。利用MTU-5A系统配套的SSMT2000数据处理软件进行处理，并对部分含强干扰的数据进行时间域滤波处理^[23-26]和Rhoplus拟合^[27]。依据DZ/T 0173—1997以及SY/T 5820—1999标准对AMT数据进行质量评价。结果表明数据质量符合规范要求，可以进行反演解释。经过处理后的典型数据(部分频率)如图2中AMT数据三维的方形点和圆形点所示。

图1  测区简化地质图与音频大地电磁测点分布图(地质图据王世伟等^[19])

Fig. 1  Geological map of the Shujiadian Ore Deposit with MT stations

2.2  维性分析

在进行3D反演之前，需对数据进行维性分析，以判别3D反演的必要性，并对观测数据进行定性分析。电性结构维性判别有很多方法，主要有：基于阻抗张量Z的方法如阻抗极化椭圆分析^[28]和基于相位张量的方法^[29]。基于相位张量的方法可以有效地消除浅层电性不均匀体的影响，从而可呈现可靠的深部电性结构的维性。

图3所示为舒家店矿床60个测点在频率分别为3 600，900，115和13.7 Hz相位张量椭圆图。从图3可见：整体上说，舒家店矿床部分测点在部分频率下呈现明显三维构造，表明了本文进行3D反演的必要性；而在局部，维性分析的结果呈现了本区深部地质体构造分布的定性特征。一维电性特征常对应于横向均匀分布的地质体，如水平地层和岩席、水平岩墙或其他均质侵入体；二维电性特征常对应于构造走向明确的地质体，如褶皱枢纽水平的沉积岩地层、片理方向稳定的变质岩等；三维电性特征常对应于无明确构造走向的地质体，褶皱枢纽倾伏或直立、叠加褶皱、断裂错距校大的地层或非均质地质体等，如混合岩化岩体、杂岩体、复合岩体等。

舒家店斑岩铜矿床位于永村桥—舒家店背斜的轴线上，受控于志留系地层和舒家店闪长斑岩体^{[19-20, 22]}。平面上，AMT测线测点也是分布以上2套地质体之上。结合测点分布图(图1)，从测点相位张量椭圆分布图(图3)可以看出：在高频段(3 600 Hz)，受地形的影响，浅地表三维特征明显；在中高频段(900 Hz)，除在电性梯度带外，渐显一维特征，反映物性在不同段趋于单一；在中低频段(115 Hz)，除个别频点受噪声影响外，一维特征非常明显，说明在此深度范围内物性整体趋于单一；在低频段(13.7 Hz)，二维特征增强，反映在此深度物性可能明显区别于上部地质体(115 Hz)。

图2  测区音频大地电磁部分实测数据与3D反演模型响应对比

Fig. 2  Comparison of observed data and 3D model responses of AMT survey in Shujiadian Ore Deposit

3  AMT数据3D反演

3.1  3D反演参数

3D反演初始模型选择电阻率为100 Ω·m的均匀半空间。图4所示为局部坐标系中的3D反演网格示意图。坐标原点为60个AMT测点的中心点。在局部坐标系中，z方向垂直向下，x方向仍为NS向，y方向仍为EW向。图4(a)中，网格的生成严格满足测点位于四边形单元的中心，并且相邻测点必须被2个四边形单元隔离。这2种要求保证了计算的反演算法中正演的精度^[4]。沿x方向有73个网格，沿y方向有58个网格，沿z方向有20个网格(z＞0)，空气中网格数目为7(z＜0)。因此，模型网格数为m=73×58×27=114 318个。

反演迭代目标均方根误差(RMS)设定为1。图5所示为反演迭代过程中得到的几类模型参数。其中，模型范数表征模型的粗糙程度，均方根误差表征观测数据的拟合程度，λ为Lagrange 乘子。数据空间Occam方法的处理步骤^[4]是：首先通过改变λ使均方根误差达到最小值，然后在保持均方根误差的同时，通过改变λ寻找模型范数最小的模型。从图5可见：经过20次迭代后，均方根误差变化不大。第16次迭代的模型范数为1 630，均方根误差为6.136(λ=1)，该模型均方根误差接近最小，模型范数最小。

图3  舒家店矿床测区音频大地电磁测点相位张量椭圆极压分布

Fig. 3  Phase tensor ellipse distribution of MT sites in Shujiadian Ore Deposit

图4  局部坐标系中的舒家店矿床测区音频大地电磁3D反演网格

Fig. 4  Grids of 3D MT inversion of Shujiadian Ore Deposit in local coordinate

图5  舒家店矿床测区音频大地电磁3D反演迭代过程中的模型参数

Fig. 5  Model parameters for each iteration of 3D MT inversion of Shujiadian Ore Deposit

3.2  3D反演模型

为评价3D反演所得模型的精度，可将3D反演模型的响应(偏对角阻抗元素计算的视电阻率和相位数据)与实测数据结果进行对比，部分结果如图2所示。总体上，数据拟合较好，表明反演结果相对可靠，所得模型可被接受，并可作为进一步分析解释的依据。

图6所示为舒家店矿床测区音频大地电磁3D反演模型沿着几条典型测线的垂直电阻率切面图。需要说明的是，成图时，对3D反演模型进行了插值处理，插值方法是空间3D距离倒数法。从图6可以看出：纵向上，总体呈现为3层结构，各测线500 m以内覆盖有低阻层，SJD04线在浅部的低阻背景中含有3个明显的高阻异常体；在500~1 700 m处为一相对高阻层；在1 700~2 000 m处则主要表现为相对中阻的基底。横向上，浅部的覆盖层呈现高、低阻相间特征，但差异较小；而500~1700 m范围内的高、低阻分段特征更为明显，且相间分布的高、低阻体均展现出较明显的垂直条带状特征；1 700 m以下整体为中低阻背景，其间分布有与上部相贯通的高阻体。

图7所示为3D反演模型在不同深度的平面切面。从图6和图7可知：1) 100 m以浅以低阻覆盖为主，局部分布有零星的高阻体；2) 100~600 m内高低阻分区域相间分布，整体电阻率随深度增加逐步升高；3) 600~1 700 m为相对中高阻层，高、低阻的分布在横向上表现出一定的分块特征；4) 在1 700~2 000 m，电阻率相对降低，高阻体的范围缩小。

图6  舒家店矿床测区音频大地电磁3D反演模型的2D切面

Fig. 6  2D sections extracted from 3D MT inversion model of Shujiadian Ore Deposit

图7  舒家店矿床测区音频大地电磁3D反演模型的不同深度平面切面

Fig. 7  Different depth slices of 3D AMT inversion model of Shujiadian Ore Deposit

4  讨论

在对地下电性结构所代表的地质意义进行分析之前，必然要先确定影响电性结构的主控因素。舒家店矿区地表岩性较简单，主要为志留系砂页岩和辉石闪长岩，矿体赋存于岩体之中而岩体的围岩为志留系地层。由已往舒家店矿区的物性测量经验可知志留系砂页岩电阻率变化较大，但相对于岩体其电阻率平均值总体偏低，约为2 500 Ω·m，而岩体平均值可达14 000 Ω·m^[18]。值得注意的是，相对形成于燕山期的岩体，志留系及其下伏地层则经历更长地质历史时间的改造而更易形成错综复杂的断裂系统，地质流体的下渗充填更易进一步降低地层的电阻率。因此，这2种主要地质单元之间显著的物性差异是电磁法探测的有利基础。尽管如此，由于矿床在形成过程中同时产生了典型的斑岩型铜矿蚀变分带(蚀变类型主要有钙硅酸盐化、钾化、青盘岩化、长石分解蚀变，局部分育矽卡岩化)^[20]，而岩石的蚀变必然带来物性上的剧烈变化，不同的蚀变类型和蚀变程度直接影响岩石的电阻率，目前尚无针对蚀变岩石的详细物性测定，这给地质解释带来一定的困难。对蚀变影响的正确分析是突破对地球物理找矿认识限制的必经之路。

分析蚀变规律发现：钾化主要发育在岩体的深部，浅部不太发育，其蚀变主要有3种形式，分别为弥漫状、脉状及脉体晕，主要蚀变生成矿物为钾长石、黑云母等含钾矿物；而青磐岩化主要分布在岩体的中部，主要生成矿物为绿帘石+绿泥石，其中绿泥石化发育的范围较大；长石分解蚀变(石英—绢云母—绿泥石—黏土化)则叠加在新鲜岩石及早期蚀变组合上，蚀变强度也最大^[19]。由此可知，3次主要的蚀变过程生成的矿物主体为阳离子Fe和Na的含水矿物，而这类矿物的电阻率相对蚀变原岩中的主要矿物(斜长石、钾长石、石英)要低几个数量级^[30]。而最后一期、强度最大的长石分解蚀变叠加在早期的蚀变之上更是生成了大量的含水矿物(相对于白云母含更多水的绢云母、绿泥石、黏土矿物)。在将岩石作为均质并且各向同性的多相多晶集合体的Hashin-Shtrikman模型中^[31-32]，代入各矿物的电阻率和体积分数可估算出这类蚀变会显著降低地质体的电阻率^[33-34]。

与此同时，由于成矿流体中大量H₂O和其他气体(如CO₂)的加入，蚀变通常并非等体积反应，蚀变后的地质体均存在一定的膨胀系数，结合与矿化蚀变有直接成因联系的岩体的早期隐爆作用、成矿期后的冷却收缩至裂作用、矿石矿物的沉淀等过程，在后期地表水的下渗过程中均起到降低相应地质体电阻率的 作用。

基于上述讨论，结合舒家店矿床的实际勘探认识^[35-41]，舒家店铜矿床的三维电性结构具有以下特征：

1) 测区北西和南东部在近地表(-500 m以上)的低阻层代表了志留系地层的分布和延伸。

2) 测区中部沿北东—南西走向的近地表高阻体代表了未蚀变的新鲜闪长类岩体；存在低阻体，其原因可能是岩体内存在顶垂体或巨型包体、蚀变岩体或矿体。

3) 深部的高阻体基本代表了未蚀变岩体的范围，但由于志留系中较高电阻率的石英砂岩与新鲜闪长类岩体不存在显著的物性差别，故不排除高阻体为产状较陡立的志留系的可能。

4) 深部的低阻体尤其是围绕高阻体的低阻体异常可能为蚀变岩体或矿体。因为在深部岩体演变成孤立的岩株状概率较小，这类与高阻岩体共存的低阻体便极可能是在岩体蚀变过程中形成，甚至直接为矿体的反映。

总体而言，3D模型勾画了铜陵地区的空间电性框架。但须注意的是：参与3D反演的实测AMT测点偏少，频率稀，空间分布不均匀，且数据本身存在一定的观测误差，加之反演精度有限，所得到的3D电性模型较粗糙，所得结果可能存在偏差。

5  结论

1) 舒家店矿床地下电性主要呈3D分布，进行3D反演是必要的。

2) 利用WSINV3DMT得到舒家店测区的3D反演电性模型。模型响应结果与实测结果拟合效果较好，表明该反演模型整体合理，可作为解释的依据。

3) 舒家店矿床深部与代表岩体的高阻体相间共存的低阻体异常为蚀变岩体或矿体。

4) 所得舒家店矿区的3D电性模型可为认识舒家店矿床的成矿作用和成矿规律提供参考。由于参与3D反演实测AMT的数据测点少，频率稀，空间分布不均匀，且数据本身存在一定的观测误差，所得3D电性模型较粗糙，难以提供更加精确的地质信息，因此，本次得到的3D电性模型仍有待完善，在数据密度、反演方法、参数设计、模型约束以及地质认识等方面需进一步研究。

致谢  安徽省地质调查院对本文研究提供了帮助，Siripunwaraporn教授提供了WSINV3DMT反演代码，在此一并致谢！

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-06-12；修回日期：2016-08-25

基金项目(Foundation item)：国家深部探测专项(SinoProbe-3)；国家自然科学基金资助项目(41574120, 41174105)；国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2014AA06A602)(Project(SinoProbe-3) supported by the Key Program of Deep Exploration in China; Projects(41574120, 41174105 ) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014AA06A602) supported by the National High Technology Research and Development Program(863 Program) of China)

通信作者：肖晓，博士，副教授，从事地球物理信号处理及反演成像等研究；E-mail：csuxiaox@csu.edu.cn