电流磁场法在厚覆盖区探测陡倾斜金矿的试验效果

1 自然资源部覆盖区深部资源勘查工程技术创新中心，安徽省勘查技术院

2 中国科学院矿产资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所

导读：

0 引言

1 电流磁场法探测方法

2 试验区地质地球物理特征

2.1 大地构造位置及地貌概况

2.2 试验区地质特征

2.3 岩矿石电性特征

3 野外试验与成果解释

3.1 测线布设

3.2 试验仪器与观测参数

3.3 成果解释

(1) “笋状”多频组合电流磁场异常

(2) 带状电流磁场异常

4 分析与讨论

(1) 找矿效果

(2) 找矿对比

5 结论

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0  引言

近年来，我国在深地资源电磁探测理论及装备技术等方面取得新进展(底青云等,2019;吕庆田等,2019)，可为覆盖区找矿和环境地球物理的前沿问题的有效解决提供方法技术手段段(薛国强等,2017;Di et al.,2021)。厚覆盖区是指覆盖层厚度30～500m的地区(汪青松等,2018)，覆盖层多松散、富水、电阻率低，具有遮挡、隔离和屏蔽电流作用，使得地球物理方法的有效探测面临一定的挑战。

通常情况下，在覆盖区找矿中，多采用地面磁法和航磁异常查证容易发现磁性的铁矿(含共伴生矿)(张利明和凌丹丹,2019)，对于含有硫化矿体的矿体，通常采用激发极化法进行测量(强建科等,2005)，在覆盖区二次电场信号减弱，体积效应增强，找矿效果受到很大影响。对于无磁性金属矿如金矿、铅锌矿等，通常通过电磁法进行探测(张光之等,2015)。但是，对于陡倾斜金属矿定位难度大。

由于某些良导体(如块状、网脉状金属硫化物矿石、以及含水体)具有良好的导电性，并与围岩存在较大的电性差异，在人工电场作用下，良导体体内外的电流密度分布将存在差异(傅良魁,1984;崔光浩和张洪元,1986)，表现出不均匀性，良导体如同导线通电，将产生电流磁场，可形成局部电流磁场异常。

流场法实际上就是近场近频情况下测量电场的传导类电法。流场法是通过发射电极A和B，向地下发射一定频率的电流场，在地下形成拟流场，通过接收机可以采集到拟流场电流密度、电场强度幅值异常增大数据。这种方法已用于水库查漏速度快，效果好，已在国内推广应用(He,2008)。根据水流场与电流场的相似性，当电流通过管涌通道到达水库漏水口，通过观测数据和曲线来分析判断漏水口的位置和规模，能够明确给出渗漏通道入口的位置。

就是近源低频情况下观测磁场的传导类电法。1980年傅良魁教授出版了《磁电勘探法原理》，系统地阐明了磁电勘探法的探矿原理和室内模型实验以及部分野外实际观测资料(傅良魁,1984)；1996年郭大江等研制了“低频电流磁场法观测系统”，发射频率为9.75Hz、19.5Hz、39.0Hz、78.1Hz、156.25Hz、312.5Hz、625Hz、1250Hz，开展低频电流磁场法(低频磁场充电法)找矿，在矿山确定已知发现矿体或矿化带的空间分布，并发现被钻孔或坑道漏掉的隐伏矿(郭大江等,1996)；2010年李建华等利用林品荣等研制的“阵列电磁接收系统与大功率发射机”仪器，在内蒙古某矿区开展了磁激电法(MIP)与电激电法(EIP)的剖面性对比试验工作，工作频率为2.5Hz、1.25Hz、0.625Hz，得出了“2种方法在同一测区获取的异常具有较好的一致性”的结论(李建华等，2010)。然而到目前为止，利用电流磁场法开展地质实际找矿成果不多，很有必要开展厚覆盖区陡倾斜矿体的电流磁场法探测研究。

作者在五河金矿整装勘查区开展了电流磁场法穿透低阻厚覆盖层精准探测金矿体的找矿方法试验。试验结果表明，采用多频率组合的电流磁场法具有穿透低阻覆盖层能力。试验发现的“笋状”多频电流磁场异常具有重要意义，既是厚覆盖层下陡倾斜金矿脉找矿标志，又是低频电流穿透低阻覆盖层进入基岩矿化带的标志。试验结果表明电流磁场法在厚覆盖区寻找陡倾斜脉状金属矿效果较好。

1  电流磁场法探测方法

电流磁场法是属于测量磁场变化的电法勘探，是在地面、井中或者坑道中，利用低频交变电场对矿体或者矿化带进行激发，在地面或者地下进行观测磁场各分量，从而发现地下矿化目标体。这种方法的特点是将一般电法中测量地面上两点间的电位差改成逐点观测磁场的一类找矿方法。由于观测磁场参数，受地形影响较小。磁电法中观测的磁异常主要取决于地质目标体的导电性、导磁性和电化学作用(邓靖武,2005;翁爱华等,2017)。

由安培定则和毕奥-萨伐尔定律可知，矿体周围产生的电流磁场强度与供电电流大小正相关，如果矿体上部存在低阻覆盖层时，地下电流分布存在趋胅效应，进入矿体的电流大小还与供电频率有关。低阻覆盖层具有屏蔽电流作用，而低频电流具有一定的穿透低阻覆盖层能力，频率越低穿透覆盖层进入矿体的电流越多，磁场越强。如果在地面沿平行矿体走向方向供电时(图1a)，电流源A、B发射的电流在地下沿电阻小的岩矿石中聚集流动，当遇到待预测矿化带位置时，并且矿化带及矿体电阻率低至一定程度时，电流大量聚集在矿体上，以此特征可以预测出矿体的位置。

图1 电流磁场法平行矿体供电方法原理示意图

通过导线周围空间的磁场强度可有毕奥-萨伐尔公式计算。水平电流源的磁场分别特征，如图1b所示。H_x为是电流磁场的水平分量，H_z^⊕是垂直向纸面进去电流的磁场的垂直分量，H_z^⊙是垂直从纸面出来的电流的磁场的垂直分量。从图1b中可以看出，线电流源在X轴上的投影与H_x极大值点位，H _z^⊕、H_z^⊙交点位置对应。当在地下存在低阻矿体时，由于矿体的电阻率比围岩的电阻率低，电流相对集中于矿体，可以通过分析磁场分布特征，确定矿体在地表的投影位置(崔光浩和张洪元,1986)。    

2  试验区地质地球物理特征

2.1 大地构造位置及地貌概况

五河金矿整装勘查区位于华北陆块东南缘与秦岭大别造山带交汇部位，郯庐断裂带呈近近南北向穿过整装勘查区中部，西侧为徐淮地块蚌埠隆起，基岩为前寒武纪变质岩；东侧为大别构造带张八岭构造亚带，基岩为白垩系“红层”，参见图2。该整装勘查区处于安徽省蚌埠市东部，皖东北淮河中下游，横跨淮河两岸，为平原和低丘地貌，地表大部分被第四系松散层覆盖，厚度80～160m，属于厚覆盖区。基岩为新太古-古元古代变质岩系。前人在五河地区做了大量地质矿产勘查和科研工作，但未取得重大突破，原因主要为该区大面积被第四系覆盖，缺少有效的找矿方法。

2.2 试验区地质特征

电流磁场法试验区位于五河金矿整装勘查区内河口铅金矿Ⅰ号矿体10号勘探线附近，为淮河漫滩，地形平坦。基岩为上太古界-下元古界五河岩群西堌堆岩组(Ar₃-Pt₁x)，主要岩性为角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩，角闪岩、条痕状混合岩，穿插有闪长玢岩、花岗斑岩等多种脉岩。覆盖层为新生代第四系(Q)，厚度98m，主要为亚黏土、黏土和砂土，含钙质砂礓和铁锰结核。10号勘探线Ⅰ号矿体如图3所示。埋藏深度98～390m，上端与与第四系接触，倾角65°，倾向东南。矿化蚀变带厚度10～15m，其中矿体厚度1.25～3.35m，矿石自然类型为黄铁矿-多金属硫化物-石英脉型、黄铁矿-石英脉型、蚀变岩型，主要金属矿物为自然金、银金矿、方铅矿、黄铜矿、黄铁矿，脉石矿物主要为石英、云母长石、方解石等，金含量5.17～31.8g/kg³，铅含量0.79%～2.27%，围岩为五河岩群西堌堆岩组变质岩。

2.3 岩矿石电性特征

五河金矿整装勘查区内岩矿石中斜长角闪麻岩、混合岩电阻率最高，约4000～6000Ω·m；其次是角闪岩类、斜长片麻岩、变粒岩、闪长岩等，约2000Ω·m；多金属硫化物矿石电阻率最低，约n×10－1×102Ω·m；构造蚀变岩电阻率高于多金属硫化物矿石，较完整围岩低很多，第四系电阻率20～100Ω·m。主要岩矿石电性特征参见表1。

3  野外试验与成果解释

3.1 测线布设

电流磁场法试验在五河金矿整装勘查区10号勘探线Ⅰ号矿体所在区域进行。采用类似直流电法中梯装置的工作观测方式，供电AB平行Ⅰ号矿体预测矿化带走向布设，测线垂直矿化带，线距50m，点距20m。在¹/₃AB区间范围内测量。共完成10条测线，每条测线25个磁测点，参见图4。

图4 电流磁场法试验磁场测点分布图

3.2 试验仪器与观测参数

电流磁场法观测系统由发射机、接收机和磁传感器组成，使用加拿大凤凰公司V8多功能电法勘探系统及有关磁探头，发射功率大、接收灵敏度高、抗干扰能力强。TXU30发射机的频率范围0.0039～10000Hz；V8-ＲXU接收机的频率范围10000～0.00005Hz；MTC-50H接收磁探头的频率范围400～1/50000Hz；玉柴KW-30GF发电机功率为30kW，频率为50Hz。

采用类似于可控源音频大地电磁法(CSAMT法)的场源信号发射方式，供电导线矩形布设，边长为1500m×750m。供电电极AB位于一条长边两端，发射机、发电机位于另一条长边中间位置，观测装置系统参见图5。测量时，发射电流固定为20A，磁探头垂直放置(照片1)，同一测点分别测量2⁰Hz、2^－1Hz、2^－2Hz、2^－3Hz、2^－4Hz、2^－5Hz、2^－6Hz磁场振幅垂直分量ΔH。

图5 电流磁场法仪器设备观测装置示意图

照片1： 垂直放置磁探头照片

3.3 成果解释

将实测的磁场ΔH进行电流归一化处理后，编制多频率组合电流磁场振幅剖面曲线图和单频率电流磁场振幅平面等值线图(图6)。在已知矿体的河口铅金矿10线地质勘探剖面上发现了“笋状”多频组合电流磁场异常，在Ⅰ号矿体预测矿化带发现了带状电流磁场异常。

图6 10线地质勘探剖面多频组合电流磁场振幅(ΔH)曲线图

(1)“笋状”多频组合电流磁场异常

如图6，磁场振幅曲线高频部分基本平直，如同地下水平竹根，无明显异常显示；高频部分则随着频率的降低，磁场振幅曲线逐渐凸起，异常强度逐渐增大，如同竹笋节节高升，故名“笋状”异常。解释如下:

2⁰Hz、2^－1Hz电流磁场振幅曲线基本平直，无明显异常存在，主要反映的是第四系覆盖层的电性均匀性，表明电流未进入基岩；供电频率为2^－2Hz时，矿体上方(对应1500～1400号位置)电流磁场振幅曲线略向下弯曲，表现为弱负异常，略低于矿体围岩电流磁场强度，推测由矿体外围硅化蚀变电阻率增高引起；2^－3Hz电流磁场振幅曲线平直，表明进入基岩电流增多，在矿化带中产生的电流磁场增强，振幅强度与硅化弱负异常相等抵消为零；2^－4Hz、2^－5Hz、2^－6Hz电流磁场振幅曲线在矿体上方均向上突出，异常显著，且频率愈低异常强度愈大，表明进入基岩电流愈多。这是由于存在电流趋肤效应引起，五河金矿整装勘查区新生代第四系覆盖层电阻率低，地表供电具有屏蔽电流作用。

(2)带状电流磁场异常

对观测值经过供电电流归一化后，获得五河金矿整装勘查区河口铅金矿推测Ⅰ号矿化带上不同频率电流磁场振幅平面等值线如图7。图7a供电频率1Hz，最大磁场强度ΔH0.044nT，无明显异常存在；图7b供电频率1/4Hz(2^－2Hz)，最大磁场强度ΔH0.106nT，在推测Ⅰ号矿化带西南段有一条弱负磁异常带显示，存在0.08nT等值线圈闭；图7c供电频率1/16Hz(2^－4Hz)，最大磁场强度ΔH0.23nT，在推测Ⅰ号矿化带上出现了串珠状正磁异常呈带状分布，圈闭等值线值0.18～0.2nT；图7d供电频率1/64Hz(2^－6Hz)，最大磁场强度ΔH0.9nT，推测Ⅰ号矿化带上带状正磁异常带进一步显现，圈闭等值线值0.3～0.8nT。随着频率的降低，最大磁场强度愈来愈大，带状磁场异常愈来愈明显。判断带状电流磁场异常由推测Ⅰ号矿化带引起。后经河口金矿普查钻孔得到证实(汪青松等,2019)。    

图7 不同频率电流磁场振幅(ΔH)平面等值线图

4  分析与讨论

(1)找矿效果

电流磁场法寻找陡倾斜薄层金矿频率越低效果越好。频率为2^－4Hz、2^－5Hz、2^－6Hz的低频电流磁场，在已知矿体上方和推测矿化带上有明显异常存在，如图6、图7。且频率愈低，磁场强度愈大，不同频率间磁场强度差值也增大，有剩余磁场异常(如图8)。频率为2⁰Hz、2^－1Hz、2^－2Hz、2^－3Hz的相对较高频率的电流磁场，在矿体上方异常不明显。说明频率低于2^－4Hz的低频电流磁场法可以穿透类似于五河金矿整装勘查区内厚度为100m左右的低阻覆盖层，具有寻找低阻金属矿体的能力。 

图8 河口铅金矿Ⅰ号矿体电流磁场振幅(ΔH)剩余异常图

(2)找矿对比

在本次电流磁场法试验之前，开展了同比例尺激电中梯和地面高精度磁测等常规物探方法测量工作，河口铅金矿Ⅰ号矿体上方极化率无突出异常显示(图9a)，矿体上方也无条带状正磁异常显示(图9b)。

5  结论

可以利用大功率场源发射系统，向地下发射不同频率电流，同时利用接收仪器在场源附近分别测量不同频率供电(或供电前后)时矿体上方磁场强度，根据磁场变化情况，判断金属矿体存在与否及其位置。电流磁场法在厚覆盖区寻找陡倾斜脉状金属矿具有理论优势，避免了偶极测量电法勘探的体积效应，异常容易解释，定位效果好。

本次试验之前，为了观测参数设计和预估试验成果，进行了数值模拟。在低阻覆盖区进行电磁法勘探，需要设计出合理的供电频率，才能确保供电电流能够穿透低阻覆盖层到达基岩矿体中。供电频率是方法设计的最大难题，在开展类似的覆盖区找矿工作时，可首先开展已知矿区由高频到低频依次测量多频率供电电流磁场试验工作，以便获得完整的电流磁场“笋状”异常，以此作为面上工作参数设计和质量评价的依据。    

本次试验只测量了磁场垂直分量，没有进行三分量电流磁场测量，缺少寻找平缓产状矿体试验成果，需要对该方法进行深入研究和更多矿床类型更多地区的推广试验，不断积累经验。基于现有仪器组合可以开展电流磁场法测量工作，节约了购仪器设备资金。但是现有仪器组合野外数据采集成本高，生产效率低，还需要研究轻便化和更多通道专用仪器设备。同时开发直流场源发射系统，开展直流供电模式电流磁场法探测技术研究，降低生产成本，提高工作效率。