擴頻激電法（SSIP）找礦效果分析——以湖南省永州市零陵區東湘橋錳礦床勘查爲例廖鳳初1，劉桂元1，周傑1，黃建權1，徐軍偉1，陳儒軍2,3,4,5
3 中南大學AIoT（人工智能物聯網）與地質地球物理創新創業教育中心4 有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室第一作者：廖鳳初，正高級工程師，長期從事礦産勘查和地質工作。通訊作者：周傑，高級工程師，長期從事地球物理勘査工作。目前，大量的激電測量采用時間域脈沖供電，需要長時間對深部目标體進行飽和充電，才能獲得可靠的二次場信息。同時，還需要人工多次改變AB供電極距，以達到不同深度的探測目的。這種傳統的激發極化法測量技術施工難度大、效率低、成本高，深部信号微弱，探測深度有限。基于此，陳儒軍等人在儀器和方法上進行了創新，結合擴頻通信信号處理技術與微弱地球物理信号采集技術，研發出擴頻激電探測技術與裝備，簡稱擴頻激電（SSIP），具有大深度、高精度、抗幹擾、成本低、效率高等特點，在1000米以内的探測範圍内可以測得激電參數。本文介紹了擴頻激電法（SSIP）基本原理、工作技術方法以及在湖南省永州市零陵區東湘橋錳礦床勘查中的應用情況，發現了一條較連續的相對高極化異常帶，電阻率反演結果表現爲“U”型盆狀高阻基底包裹低阻的特征，推測其高極化異常帶由地下礦床引起；經鑽探勘探，發現2條較爲連續的錳礦層，厚度爲0.9～2.8米，品位爲9.3%～15.2%，與黃鐵礦成伴生關系，一同賦存于灰岩中。視極化率異常與礦體揭露深度、形态輪廓十分吻合，視電阻率異常較好地反映礦區地層展布信息，擴頻激電法在碳酸錳礦産資源勘查方面的有效性得到驗證。
基金項目：本文受自然資源部新一輪找礦突破戰略行動科技支撐項目（ZKKJ202407）和湖南省地質院科研項目（HNGSTP202402）聯合資助。
0 引言
1 地質與地球物理特征
1.1 礦區地質特征
1.2 礦體地質特征
1.3 地球物理電性特征
2 基本原理
3 技術參數設置與反演
4 成果推斷解釋
5 鑽探揭露情況
6 結論
地球物理勘探可以在深部隐伏礦勘探中發揮重要作用。尤其是地質情況複雜的地區，采用多種地球物理勘探方法相結合，可以起到較好找礦效果。這是因爲在礦石品位高低含量不同、規模大小不一、礦床不連續等情況下，往往使得礦石自身電阻率與圍岩差異不大，僅僅依靠電阻率測量無法取得較好的找礦效果。相比于單一的視電阻率測量方法，可以同時測量視電阻率和激電參數的激電法在大多情況下能夠探測到浸染狀金屬硫化物引起的異常。由于激電法受地形影響相對較小，激電異常可靠性比電阻率異常更高。然而，目前大量激電測量爲時間域脈沖式供電，深部目标體二次場是否能充分達到飽和而被探測感知，與充電時長密不可分；加之需要人工多次改變AB供電極距，以達到不同深度的探測目的。這一技術現狀使得傳統的激電測量方法具有施工難度大、效率低、成本高、深部信号微弱、探測深度有限等不足之處。針對以上缺陷，陳儒軍等（2020）在儀器和方法上進行了大量創新，獨創性地結合擴頻通信信号處理技術和微弱地球物理信号采集技術，研發出擴頻激電探測技術與裝備，并将這項技術命名爲擴頻激電（SSIP）。該項探測技術具有大深度、高精度、抗幹擾、成本低、效率高等特點，在1000m以淺的探測範圍内可以測得激電參數，能有效識别有色金屬礦緻異常。該技術已在國内西藏、甘肅、雲南、貴州、河南和江蘇等地多個礦産勘查項目進行了有效應用。目前，擴頻激電三級測深技術在碳酸型錳礦探測應用較少，筆者以湖南省永州市零陵區東湘橋礦區錳礦勘查爲例，引入擴頻激電測量技術對錳礦礦床進行了勘探。經後期多個鑽孔揭露，有效驗證了激電異常，異常特征與礦床地下埋深、形态特征高度吻合性，爲後期在相似地質背景下采用該技術方法進行地質找礦起到了較好的示範作用。因此，采用擴頻激電法在祁零盆地開展碳酸錳礦勘探研究具有重要的應用價值。礦區位于祁零盆地荞麥沖—東湘橋複式向斜的中南部（圖1），整體構造爲一向斜，地層東西兩翼基本對稱發育，出露地層主要有石炭系（C）、二疊系（P）及第四系（Q4）。其中，石炭系地層爲壺天群（CPH），分布于礦區東西側，即向斜左右兩翼，主要爲白雲岩和白雲質灰岩。二疊系地層有上統龍潭組（P3l）、中統孤峰組（P2g）、小江邊組（P2x）和栖霞組（P2q）。上統龍潭組（P3l）地層岩性以泥岩和頁岩爲主，位于礦區中部，亦爲向斜核部地層；中統孤峰組（P2g）—栖霞組（P2q）地層則呈平行整合接觸關系，對稱分布于向斜兩翼。中統孤峰組（P2g）地層爲一套碳酸鹽岩相，爲碳酸錳礦的主要賦存層位；小江邊組（P2x）和栖霞組（P2q）地層主要岩性爲矽質岩、矽質灰岩和白雲質灰岩；第四系（Q）地層呈風化殘坡積物多沿山坡及溝谷分布，一般厚0～20m。
礦區構造較簡單，總體爲一軸向北東的東湘橋向斜，伴随零星規模較小的近東西向斷裂構成了區内總體構造框架。東湘橋向斜在區域上位于荞麥沖—東湘橋複式向斜的南段，該向斜構造控制了區内錳礦的展布。
有利的賦礦地層存在，是區内碳酸錳礦産出的基本條件之一。區内碳酸錳礦主要賦存于二疊系孤峰組上段上部地層中，岩性爲一套富含泥質和藻類生物的含泥灰岩、泥灰岩；向下一套地層爲含矽質的較純灰岩，錳含量較低，基本未見碳酸錳礦層的發育。因此，二疊系孤峰組上段地層含生物屑的不純碳酸鹽岩控制了碳酸錳礦的産出和分布。構造對碳酸錳礦的控制，不僅表現在區域成礦上，而且對特定礦床的控制上也起到了重要作用。據該區域地質資料表明，在區域上祁零盆地屬于成錳盆地，該盆地的發育和形成受多組深大斷裂控制。在盆地内發育一組呈雁列産出的近南北向次級向斜構造，向斜構造控制了區内錳礦床的産出，同時也控制了賦錳岩系和碳酸錳礦層的分布及礦層的産狀、形态。由此可見，構造對區内錳礦床具有分級控制的特點。孤峰期沉積了一套富含鐵錳質的矽質岩、碳酸鹽岩和泥岩，由于相鄰古陸（江南古陸和雪峰古陸）及火山活動區的物質經強烈化學分解形成氧化矽、錳、鐵流入海盆，加之海水表層、海底分别繁育大量放射蟲、矽質海綿，故形成錳（鐵錳）礦。礦石中的菱錳礦多與藻類生物呈球粒狀分布，顯示出兩者的密切關系。區内孤峰期爲瀉湖潮坪沉積環境。區内由淺至深不同地層主要岩性分别爲第四系（Q4）含礫黏土；上二疊統龍潭組（P3l）泥岩、頁岩夾砂岩；中二疊統孤峰組上段（P2g2）泥灰岩、黃鐵礦、錳礦；下段（P2g1）矽質灰岩、白雲質灰岩；中二疊統小江邊組（P2x）矽質岩、矽質灰岩；中二疊統栖霞組（P2q）鈣質灰岩夾頁岩；石炭系壺天群組（CPH）白雲質灰岩等。不同地層岩性電性特征如表1所示。
據表1可知，含礦地層由于不同岩石電阻率差異較大，緻該地層綜合電阻率與上下相鄰地層有一定的差異。若僅僅依靠單一視電阻率測量，則很難判斷含礦地層在地下深部的埋藏特征，其找礦效果也将大受影響。但含錳灰岩和與之伴生的黃鐵礦均表現爲極爲突出的高極化特征，緻賦礦地層綜合極化率達14.2%，而其餘地層綜合極化率均在1.4%及以下，兩者形成10倍的差異。
因此，含礦地層具有中阻、高極化的電性特征，爲采用激電測量進行深部找礦奠定了良好的物性前提。擴頻激電（SSIP）系統采集方式爲無線分布式高精度陣列采集，發送頻率範圍爲1/256～8192Hz，根據調制階數的不同頻率數量範圍爲4～256。系統通過發送機發送M序列僞随機擴頻信号，大大提高了頻域分辨率及信号抗幹擾能力；通過無線分布式陣列高精度接收系統實現了大深度、高效率和高精度擴頻激電信号檢測。在方法上，利用相對相位譜法對電磁耦合感應進行校正，獲取激電相位響應和Cole-Cole模型參數；通過擴頻信号發射、Robust和相關技術壓制電磁幹擾，增強信噪比；通過帶地形的多頻點多裝置組合精密反演，實現探測目标的精密成像，得到豐富的地電結構信息；最後通過多頻點多參數反演結果的分析，得到勘探成果與地質體的最佳耦合，實現成礦有利區的高可信度預測。擴頻激電三極測深裝置，數據采用無線分布式陣列接收。施工時，先根據剖面長度和點距計算出測點數量，然後一次性在整條剖面上布置全部測量電極和采集站，再根據設計的供電點逐點供電，每次供電時，所有通道同時測量，當所有設計供電點完成後，整條剖面測量完成。其采集的數據量爲常規人工跑極方式的10倍以上，大大提高了反演精度和可靠性，實現地下目标的精細探測，具體工作布設如圖2所示。
圖2 擴頻激電雙邊三極測深示意圖
其中，測點距爲10m，測量極距MN爲20m，最小—最大供電極距A0爲15～1500m。發送組合頻率爲4個的5階擴頻全方波信号，基準頻率1/16Hz，供電電流1.0～8.5A。擴頻激電數據采集完成後，由ZondRes2D軟件反演。該軟件針對擴頻激電觀測方式進行了多次改進，可以對任意供電電極和測量電極組合的擴頻激電數據進行反演。本次選擇的反演方法爲Occam反演，叠代次數爲10。根據視極化率的變化範圍及測區岩礦石電性參數測量結果，本文将極化率的上限設置爲10%。在剖分方面，第一層厚度爲10m，增加因子爲10%，總層數爲30層，最大反演深度爲823m。反演結果表明電阻率和極化率反演誤差都在可接受範圍内，可以将電阻率和極化率反演結果用于解釋和鑽孔定位。由于探測目标體極化率特征相比電阻率更加明顯，其異常推斷解釋以極化率反演結果爲主，電阻率反演結果爲輔。從極化率反演剖面圖（圖3）中可以看出：在平距125m（标高+150m）、200m（标高+50m）、300～450m測段（标高-100m）、600m（标高0m）、725m（标高+50m）和800m（标高+175m）處，出現了多個斷斷續續的高極化異常體，異常強度達10.0%，而背景圍岩平均爲1.0%，兩者相差10倍。異常體強烈穩定，整體上呈下凹帶狀特征。
圖3 T51線擴頻激電極化率（a）與地質剖面圖（b）
在電阻率剖面圖（圖4）中的平距100～900m，标高-50m至地表區域，爲連續穩定的低阻區域，-50m标高以下，則爲高阻區域。其連續穩定的低阻區爲向斜核部的上二疊統龍潭組（P3l）地層；盆狀高阻基底則指示中二疊統孤峰下段—石炭系壺天群組多個高阻地層；其高—低過渡區域（500～800Ω·m），則爲含礦地層（中二疊統孤峰上段）埋深處。
圖4 T51線擴頻激電電阻率（a）和地質剖面圖（b）
對T51号勘探剖面布設了ZKT5101～ZKT5106、ZK1701、ZK3401等8個鑽孔，孔深在121.5～316.2m。分别在埋深222.5m、284.0m、281.2m、187.7m、85.0m、59.6m、281.5m和117.9m處的灰岩中，揭露到厚0.9～2.8m錳礦體，經樣品測試分析（表2），其品位9.3%～15.2%錳礦礦脈2條。所揭露的礦脈較爲連續穩定，其埋藏範圍和形态與激電異常帶基本吻合。
（1）區内錳礦的産出和分布與多種成礦因素有關，與成礦關系密切的主要有地層岩性、岩相和構造等因素。其中地層産狀決定了礦床的大緻空間分布範圍，岩性組分的複雜程度影響了礦石的綜合物性特征，而構造則對礦床在地下的形态起到了重塑作用。（2）由于電阻率相對于圍岩差異較小，與整個含礦層相比其厚度比例極小，在無法形成一定規模電阻率異常情況下，結合極化率參數，能較好的識别礦層的空間展布。因此，多參數測量是尋找錳礦礦藏的有效途徑。（3）經鑽探驗證，擴頻激電法在尋找碳酸岩型錳礦礦床方面是有效的，極化率異常與礦脈揭露深度、形态輪廓十分吻合，電阻率異常較好的反應礦區地層展布信息，同時，擴頻激電法工作與傳統激電測量方法相比效率快、成本低、激電異常可靠，值得推廣使用。原文來源：廖鳳初，劉桂元，周傑，黃建權，徐軍偉，陳儒軍.2024.擴頻激電法（SSIP）找礦效果分析——以湖南省永州市零陵區東湘橋錳礦床勘查爲例［J］.礦産勘查，15（9）：1691-1699.
