基于广域‒编码源电磁测深的白银厂小铁山VHMS型矿床深部找矿模型构建

Construction of a Deep Prospecting Model for Baiyinchang Xiaotieshan VHMS⁃Type Deposit Based on Wide⁃Field Coded⁃Source Electromagnetic Sounding Method

摘要

深边部就矿找矿是白银厂VHMS型铜多金属矿田找矿突破的关键，但传统地球物理方法受浅表电磁干扰与深部低分辨率限制.为克服上述难题，本研究创新联合广域电磁法（WFEM）与编码源电磁测深法（CSES）开展小铁山矿区深部勘查.结果表明：铁锰硅质岩和铅锌矿石电阻率低于100 Ω·m，赋矿石英角斑凝灰岩电阻率平均值约191 Ω·m，主要控矿地质体次石英角斑岩电阻率较高（平均值约1 976 Ω·m），电性差异显著.次火山岩侵入体呈树枝状高阻异常（>1 500 Ω·m），其两侧过渡带低阻异常（ρ<400 Ω·m）、矿体延深部位及顶部低阻异常为有利找矿地段.2种方法在火山岩复杂地层区联合应用可发挥协同效应，广域电磁法可有效揭示火山岩基底及深部高阻岩体电性结构，编码源电磁测深法可实现对中浅层低阻矿化带的精细刻画.结合成矿动力学机制，提出“火山机构‒热液对流‒构造活化”复合成因模型，并构建了地质‒地球物理“岩浆‒构造‒蚀变”协同找矿模型，据此圈定4处找矿靶区.为钻探工程验证提供了依据，对白银厂矿田深边部勘查及区域示范具有重要的指导意义.

Abstract

Prospecting for ore bodies in the deep and peripheral zones remains pivotal for breakthroughs in the volcanic-hosted massive sulfide (VHMS)-type Cu-polymetallic ore field of the Baiyinchang district. However, conventional geophysical methods have limitations in application due to shallow electromagnetic interference and insufficient resolution at depth. To address these challenges, this study innovatively integrates the Wide-Field Electromagnetic Method (WFEM) and Coded Source Electromagnetic Sounding (CSES) for deep exploration in the Xiaotieshan mining area. The results demonstrate that the resistivity of ferromanganese siliceous rocks and lead-zinc ores is below 100 Ω·m, while the ore-hosting Quartz-keratophyre tuffs exhibit a low resistivity (mean value: 191 Ω·m). In contrast, the subquartz-keratophyre, as the main ore-controlling geological unit, shows significantly higher resistivity (mean value: 1 976 Ω·m), revealing quantifiable electrical contrasts. Subvolcanic intrusions are characterized by dendritic high-resistivity anomalies (>1 500 Ω·m), with favorable prospecting targets identified in transitional zones (<400 Ω·m), deep extensions of known ore bodies, and low-resistivity anomalies atop high-resistivity zones. The combined application of two geophysical methods in complex stratigraphic regions of volcanic rocks demonstrates synergistic effects: the wide-field electromagnetic method effectively reveals the electrical structure of volcanic basement and deep-seated high-resistivity rock masses, while the encoded-source electromagnetic sounding method enables high-precision delineation of middle-shallow low-resistivity mineralized zones. Based on integrating geophysical anomalies and metallogenic dynamics, a composite genetic model-termed “volcanic structure-hydrothermal convection-tectonic activation”-is proposed to elucidate the multi-stage mineralization processes. A geological-geophysical “magma-tectonic-alteration synergistic prospecting model” is established, delineating four prospective targets. These findings provide critical constraints for drill hole verification and offer scientific guidance for deep-peripheral exploration in the Baiyinchang ore field and regional analog studies.

Graphical abstract

关键词

白银厂小铁山 / VHMS型铜多金属矿床 / 广域电磁法 / 编码源电磁测深法 / 找矿模型 / 深部找矿 / 矿产 / 工程地质.

Key words

Xiaotieshan deposit of the Baiyinchang district / VHMS⁃type copper polymetallic deposit / wide-field electromagnetic method / coded source electromagnetic sounding method / prospecting model / deep prospecting / minerals / engineering geology

0 引言

随着全球浅表矿产资源日益枯竭，深部资源勘查已成为保障矿产资源可持续供给的战略需求（底青云等，2019）.老矿山因长期开采活动形成的采空区、地下工程构筑物及浅部电磁噪声干扰，导致传统地球物理方法面临信号衰减显著、分辨率不足等瓶颈（柳建新等，2016）.近年来，广域电磁法（Wide⁃Field Electromagnetic Method， WFEM）与编码源电磁测深法（Coded Source Electromagnetic Sounding， CSES）通过技术创新，显著提升了深部地质体的探测能力，为老矿山深边部找矿提供了突破性技术支撑.广域电磁法基于半空间电磁场理论构建广域视电阻率模型，突破了传统可控源音频大地电磁法（CSAMT）的平面波理论限制（何继善，2010），使探测深度由常规的500 m提升至3 000 m以上（肖晓等，2024）；采用多频同步发射技术与动态自适应滤波算法有效抑制了工频干扰（石郝等，2017）；长偶极非接触式电极布置方案显著降低浅表设施引起的电磁耦合干扰（石郝等，2017；何继善， 2019）.在安徽铜陵冬瓜山矽卡岩型铜矿深部勘查中实现了精细数据去噪，探测深度达-3 km，反演结果与1 000 m以浅已知地层、岩体及矿体分布高度吻合（肖晓等，2024）；在内蒙古某银铅锌矿1 000 m深度圈定低阻异常带，垂向分辨率较CSAMT提升2.8倍，钻探验证为铅锌银矿体（朱裕振和许聪悦，2011）；在北秦岭蟒岭矿集区腰庄铜矿勘查中反演推断岩体顶面深度，钻探验证发现隐伏花岗岩体及外接触带铜矿（化）体（张晓团等，2024）；在湖南水口山铅锌矿强干扰矿区清晰圈定断裂构造带，反演结果与已知地质剖面基本一致，指导了深部靶区圈定（石郝等，2017）.编码源电磁测深法的技术核心是采用逆重复M序列编码调制发射电流波形，通过循环互相关运算抑制非相关噪声以显著提升信噪比，使有效信号增益达到20 dB以上（汤井田和罗维斌，2008；罗维斌等， 2012； 高曙德等， 2017）；通过调整编码参数和优化激发极化效应适用于含高阻基底或低阻夹层的复杂地层区（柳建新等，2008）；在浅层勘探中也具有分辨率高和抗干扰能力强的优势（贾晨星等，2024）.

甘肃白银厂作为我国西部祁连山造山带重要的火山岩赋矿块状硫化物（VHMS）型铜多金属矿田（Hou et al.， 2008；郭小刚等， 2025），其典型的“黑矿”型矿床小铁山已累计探明铜、铅、锌金属资源量约160万吨.历经40余年开采，浅部矿体（垂深≤740 m）已近枯竭，深部资源接续成为保障矿山可持续发展的关键.然而，深边部勘查依然面临技术瓶颈：（1）采空区与工业设施导致强电磁干扰；（2）深部矿体与围岩物性差异微弱，重力和磁法勘探对矿田深部地质体的分辨力不够（郭小刚等，2022）；（3）可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）受地形起伏影响较大，虽然有较好的横向分辨力，但对静态效应与地形影响的处理欠佳（张旭等，2010）；瞬变电磁测深法（TEM）受地形影响小，深部分辨力较高，但易受矿区工业电流干扰（王胜涛等，2023）；（4）根据近年来的地质勘探成果分析认为其深部还有望找到新的接续资源，但其电性结构特征尚不明晰.

因此，针对小铁山矿区深部地质结构复杂、电磁干扰强烈等勘查难题，本研究创新性地联合应用广域电磁法（WFEM）与编码源电磁测深法（CSES）在矿区7、9、11、13线开展剖面测量工作，通过构建“深浅结合、抗噪协同”的探测技术体系和多参数约束反演揭示深部地质异常体的分布特征，结合矿区地质特征、成矿规律与找矿信息建立地质‒地球物理找矿模型，可以为深部钻探验证工程布设提供依据，对白银厂矿田深部勘查及区域示范也具有重要的意义.

1 地质背景和矿床地质

1.1　地质背景

甘肃白银厂铜多金属矿田位于北祁连造山带东段（宋叔和，1982；邬介人，1992；Song et al.， 2013），南接中祁连地块，北临阿拉善地块（图1a）.北祁连造山带经历了中寒武世陆壳裂解、晚寒武世‒早奥陶世裂谷扩张向洋壳过渡、中奥陶世岛弧环境、中‒晚奥陶世转变为岛弧裂谷和弧后盆地张裂环境，形成了完整的沟‒弧‒盆体系（Song et al.， 2013；Wang et al.， 2014；夏林圻等， 2016；Zhao et al.， 2018）.伴随着奥陶纪强烈的俯冲‒碰撞作用海底火山猛烈爆发，产生了大量的含矿热液流体和同生断裂系统，为VHMS型铜多金属矿床的形成提供了有利的地质条件.

白银厂矿田主要出露寒武系黑刺沟组、香毛山组和奥陶系白银岩群（图1b）.黑刺沟组主要岩性为浅变质的基性火山岩夹碎屑岩，沿矿田北、西、南三面呈半环状分布；香毛山组以浅变质的碎屑岩为主，分布在矿田东部；奥陶系白银岩群为一套低绿片岩相的双峰式火山岩，主要由石英角斑岩、角斑岩等熔岩和中酸性集块岩、凝灰岩以及凝灰质砂岩组成，基性火山岩与酸性火山岩常伴生产出，表现为流纹岩‒玄武岩组合（计波等，2024）.奥陶系白银岩群火山岩整体呈穹隆状产出，酸性火山岩是主要的赋矿层位.规模较大的北东东向F1断裂是区内最主要的控岩控矿构造.重磁异常数据显示矿田内可能还存在多条近南北向和北东东向的隐伏基底断裂（郭小刚等，2022，2025）.

1.2　矿床地质

矿田由折腰山、火焰山、拉牌沟、四个圈、四方山、小铁山、铜厂沟7个矿床组成（图1b），其中位于矿田南东部的小铁山是矿田内最大的矿床.矿体主要赋存在含酸性‒中酸性角砾、集块的石英角斑凝灰岩中（图2）.矿体上盘为火山喷发间歇期的碎屑沉积岩和喷发相的石英角斑凝灰岩，下盘以次火山岩相的石英角斑岩为主.矿床由3个大矿体和9个小矿体构成，主要为似层状和透镜状.矿体连续性较好但形态较复杂，沿走向与倾向均有尖灭、再现、分枝、复合、膨缩等现象.Ⅰ号和Ⅲ号主矿体位于9线~10线，矿体走向近北西向，向东局部扭转为北西西向.矿体倾角有浅部向深部逐渐变陡的趋势，即由浅部的40°~60°在1 600 m左右变为 70°~80°，直至直立；局部矿体产状变化较大，在剖面上具褶曲现象；矿体埋深变化也较大，总体呈现东部浅、西部深的特点，埋深由10~50 m变化为350~400 m.Ⅱ号主矿体位于另一个含矿层内，其产状特征与Ⅰ号和Ⅲ号主矿体相似（图3）.

小铁山矿床的矿石中主要金属矿物有黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿等，次要金属矿物有（砷）黝铜矿、辉铜矿、斑铜矿、铜兰、褐铁矿等；脉石矿物主要有石英、重晶石、斜长石、石膏、绿泥石、绢云母等；围岩蚀变较发育，主要有绿泥石化、绢云母化、硅化、黄铁矿化.较特殊的蚀变有碳酸盐化和重晶石化等（甄世军等，2013；梁婉娟等，2016；郭小刚等，2025）.

1.3　地球物理背景

白银厂矿田布格重力异常场西高东低，剩余重力异常场大致呈现出正负相间的特征；西部折腰山‒火焰山地区火山口表现为规模较大的环状或似圆形正异常，东部火山口则表现为小范围等轴状负异常.剩余重力异常梯度带与矿床分布密切相关（图4a）.例如，折腰山矿床位于-0.2×10⁻⁶~3.8×10⁻⁶ m/s²梯度带，小铁山矿床位于-0.2×10⁻⁶~-0.1×10⁻⁶ m/s²梯度带.磁异常场可分为四个磁异常区，各矿床均处于中部正负变化的磁场区内；矿田西部火山口周围常见圆形或似圆形正磁异常（30~136 nT）与负磁异常（-36~ -150 nT）；东部火山口表现为被正磁异常环绕的磁负异常（－30~－337 nT）（图4b）.矿田中部白银岩群火山穹窿构造表现为大范围嵌套式环状重力异常，反映基底断裂和火山喷发中心的分布.重磁异常数据构造反演结果显示区内以NEE向F1、F2断裂和近NS向F3⁃F7断裂为主，形成棋盘网格状构造格局.NEE向断裂为岩浆通道，控制火山岩岩性及岩相分布；近NS向断裂稍晚形成，与NEE向断裂共同控制矿体空间展布（郭小刚等，2022）.

2 原理和数据采集

2.1　广域电磁法

（1）基本原理. 广域电磁法是在可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）和磁偶源频率测深法

（MELOS）的基础上提出的一种人工源频率域电磁测深法，该方法采用2 ⁿ 伪随机7频波激发电磁场，提高了观测效率和精度，只观测水平电场Ex计算全区视电阻率扩展了观测范围，具有探测深度大，观测效率高的优点（何继善，2010，2019；汤井田等，2015）.

本文以E⁃E_x 观测装置为例，介绍广域视电阻率定义方法.在均匀大地表面，水平电偶极源产生的电场水平E_x 分量可表示为：

E_x=\frac{IdL}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }\sigma r^{\mathrm{3}}}\left[\mathrm{1}-\mathrm{3}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\phi +{\mathrm{e}}^{-ikr}\left(\mathrm{1}+ikr\right)\right],(1)

根据式（1）可以定义的广域视电阻率公式如下：

{\rho }_a=K_{E-Ex}\frac{\Delta V_{MN}}{I}\frac{\mathrm{1}}{F_{E-E_x}(ikr)},(2)

式中：K_{E-Ex}=\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi }{r}^{\mathrm{3}}}{dL·MN}为装置系数，\Delta V_{MN}=E_x·MN；F_{E-Ex}(ikr)=\mathrm{1}-\mathrm{3}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\phi +{\mathrm{e}}^{-ikr}(\mathrm{1}+ikr).

上式构成了广域视电阻率的计算基础.电场响应未作任何近似处理，因而本方法可在 “远区”和部分“非远区”在内的广大区域进行测量，观测人工源电磁场的一个分量（而不是彼此正交的一组电、磁分量），便可计算广域视电阻率值（何继善，2010）.

（2）数据采集方法. 采用中南大学自主研发的广域电磁法仪器系统（E⁃E_MN型）开展数据采集工作（图5a），该系统配置的宽频带发射装置具有多频段同步激发能力，工作电压与电流分别限制在1 000 V和200 A以内.信号源采用2 ⁿ 序列伪随机7频波，11次分频段激发，基频覆盖0.011 7~8 192 Hz宽频域.本次勘探选取39个优选频率（0.5~6 144 Hz）实施多频同步测量，有效提升了探测效率.

测区采用规则网格布设方案，布设4条平行测线，测线间距200 m，单测线长度3 km（图5a）.观测系统参数设置如下：发射偶极AB长度 1.1 km，收发距介于8.3~10.0 km，测点间距 40 m，完成总物理测点300个.数据采集过程严格遵循《广域电磁法技术规程》（DZ/T 0407-2022）技术要求，前期通过室内一致性试验验证仪器稳定性，测得相对均方误差均低于1%的质控阈值.

采集的300个物理点中，Ⅰ类质量点255个（占比85%），Ⅱ类质量点45个（占比15%），无Ⅲ类无效数据，数据合格率达100%.质量监控体系包含24个独立检查点（占工作总量8%），经统计检验，检查点与原始数据的总平均相对误差为0.88%，显著优于规范要求的误差控制标准.该数据质量评价结果充分验证了观测系统参数设置的合理性与数据采集过程的可靠性.

2.2　编码源电磁测深法

（1）基本原理. 编码源电磁测深法是基于系统辨识理论发展的一种宽频域电磁测深法.其核心特征体现在：①采用6阶逆重复M序列伪随机编码信号作为激励电流源，通过电性接地偶极子（AB）激发编码电磁场，其频带覆盖范围显著优于传统谐波激励方式；②观测系统仅需采集垂直磁场分量（H_z ）或水平磁场分量（H_y ），同采样率记录激发电流信号和磁场响应信号，运用循环互相关法估计磁场频率响应并计算全区视电阻率，无需严格的时间同步；③通过引入循环互相关算法与双相位FFT谱分析技术，有效提升抗干扰能力与数据信噪比（汤井田和罗维斌，2008；王若等，2016；罗维斌等，2021）.

本次工作将成熟的互相关系统辨识方法应用于电磁测深，选择水平电偶源轴向装置，只观测水平磁场H_y 获得地电系统的电阻率频谱.其原理如下：

由互相关法系统辨识理论，系统输入u和输出y的互相关包含系统冲激响应，有：

R_{yu}\left(t\right)=h_s{\left(t\right)}^{\mathrm{*}}{h}_e{\left(t\right)}^{\mathrm{*}}{R}_u\left(t\right),(3)

式中，h_s(t)是观测系统的冲激响应，h_e(t)是待探测大地系统（或其他待辨识系统）的冲激响应，R_u\left(t\right)是输入信号的自相关，R_{yu}\left(t\right)系统输入与输出信号的互相关.在复数域有：

S_{yu}\left(s\right)=H_s\left(s\right)H_e\left(s\right)S_u\left(s\right),(4)

式中S_{yu}\left(s\right)和S_u\left(s\right)分别是互相关R_{yu}\left(t\right)和自相关R_u\left(t\right)的拉普拉斯变换，H_s\left(s\right)和H_e\left(s\right)分别是观测系统自身h_s(t)和待辨识系统h_e(t)的拉普拉斯变换.将拉氏变量s用jw替换，则待辨识大地系统的频率传递函数：

H_e\left(jw\right)=\frac{S_{yu}\left(jw\right)}{Suu\left(jw\right)}/H_s\left(jw\right),(5)

由式（5）互相关法可获得大地（或其他待辨识系统）的频率响应特性.观测系统本身的频率响应H_s\left(jw\right)也能够应用本文提出的方法辨识出，这里假设其值为1，所以式（5）变为：

H_e\left(jw\right)=\frac{S_{yu}\left(jw\right)}{Suu\left(jw\right)},(6)

若引入无干扰参考信号ss\left(t\right)，分别与输出信号和输入信号分别做互相关，再变换到频率域，选取对应频率相除得到系统频率响应：

H_e\left(j\omega \right)=\frac{P_{Cys}\left(jw\right)}{P_{Cus}\left(jw\right)},(7)

式中P_{Cys}\left(jw\right)和P_{Cus}\left(jw\right)分别是互相关R_{ys}\left(t\right)和互相关R_{us}\left(t\right)的互功率谱.

可将激发电流作为系统输入u信号，观测的水平磁场H_y 作为地电系统输出y信号.由层状模型表面水平电偶极源激发的电磁场解析公式：

H_r=-\frac{IdL}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\varphi \left[{\displaystyle \underset{\mathrm{0}}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}}\frac{\lambda }{\lambda +\frac{m_{\mathrm{1}}}{R^{\mathrm{*}}}}{J}_{\mathrm{1}}\left(\lambda r\right)\mathrm{d}\lambda +r{\int }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{\infty }}\frac{m_{\mathrm{1}}}{R^{\mathrm{*}}}\frac{\lambda }{\lambda +\frac{m_{\mathrm{1}}}{R^{\mathrm{*}}}}{J}_{\mathrm{0}}\left(\lambda r\right)\mathrm{d}\lambda \right],(8a)

H_{\varphi }=\frac{IdL}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{\varphi }[{\int }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{\infty }}\frac{\lambda }{\lambda +m_{\mathrm{1}}/R^{\mathrm{*}}}{J}_{\mathrm{1}}\left(\lambda r\right)\mathrm{d}\lambda ],(8b)

H_y=H_r\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\varphi +H_{\varphi }\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{\varphi },(8c)

式中：R^{\mathrm{*}}=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}h\left[m_{\mathrm{1}}{d}_{\mathrm{1}}+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}{h}^{-\mathrm{1}}\frac{m_{\mathrm{1}}}{m_{\mathrm{2}}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}h\left(m_{\mathrm{2}}{d}_{\mathrm{2}}+\cdots +\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}{h}^{-\mathrm{1}}\frac{m_{N-\mathrm{1}}}{m_N}\right)\right]，m_j=\sqrt[]{{\lambda }^{\mathrm{2}}-k_j^{\mathrm{2}}}，k_j^{\mathrm{2}}=i\omega {\mu }_{\mathrm{0}}{\sigma }_n，{\mu }_{\mathrm{0}}为自由空间导磁率，\varphi为观测点相对于水平电偶源中点的方位角.r为收发距，\lambda为空间频率，它具有距离倒数的量纲.

特别地，当N=1时，可得到均匀半空间表面磁场水平分量\hspace{0.25em}{H}_y表达式：

H_r^{\mathrm{0}}=-\frac{IdL}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\varphi [{\int }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{\infty }}\frac{\lambda }{\lambda +m_{\mathrm{1}}}{J}_{\mathrm{1}}\left(\lambda r\right)\mathrm{d}\lambda +r{\int }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{\infty }}\frac{\lambda m_{\mathrm{1}}}{\lambda +m_{\mathrm{1}}}{J}_{\mathrm{0}}\left(\lambda r\right)\mathrm{d}\lambda ],(9a)

H_{\phi }^{\mathrm{0}}=\frac{IdL}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }r}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\varphi [{\int }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{\infty }}\frac{\lambda }{\lambda +m_{\mathrm{1}}}{J}_{\mathrm{1}}\left(\lambda r\right)\mathrm{d}\lambda ],(9b)

H_y^{\mathrm{0}}=H_r^{\mathrm{0}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\varphi +H_{\phi }^{\mathrm{0}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\varphi ,(9c)

从上式可以看出，地层电阻率参数不显现，而是隐含在地层波数\hspace{0.25em}{m}_{\mathrm{1}}中.依据式（8c）可计算出给定层状模型的水平磁场分量H_y .

水平磁场H_y 频率响应（式（8）， 式（9））是以Hankel积分形式给出的，本文采用基于连分式加速收敛的直接数值积分法.

由计算出的层状模型表面水平电偶极源的H_y 分量的频率响应，推导出H_y 全区视电阻率计算方法（汤井田和何继善，2005；罗维斌等，2021）：

p_e^{\left|H_y\right|}\left(\omega \right)={\rho }_{\mathrm{1}}\frac{{\left|H_y\left(\omega \right)\right|}^{\mathrm{2}}}{{\left|H_y^{\mathrm{0}}\left(\omega ,{\rho }_{\mathrm{1}}\right)\right|}^{\mathrm{2}}},(10)

式中H_y\left(\omega \right)为实测H_y 与电流信号经互相关辨识的频率响应，H_y^{\mathrm{0}}\left(\omega ,{\rho }_{\mathrm{1}}\right)为均匀半空间表面的水平磁场响应，在迭代计算中，每次改变电阻率，需要计算式(\mathrm{10})均匀半空间表面水平磁场响应.

（2）数据采集方法. 数据采集系统由长沙巨杉智能科技有限公司研发的智能化仪器组成，包含高精度发射端与接收端模块（图5b）.发射系统基于6阶逆重复M序列伪随机编码技术，通过水平电偶极子源（AB极距1.9 km）激发宽频电磁场，输出参数设置为电压0~1 000 V、电流7~16 A（稳流/稳压模式），并集成GPS同步触发功能.接收系统采用轴向观测装置，沿场源轴向布设垂向测线采集水平磁场H_y 分量，接收机配置6通道（电/磁道各3路）、24位模数转换器及多档采样率（150 Hz至24 kHz），通过频段自适应采样策略实现全频段信号捕获.

数据采集采用分频段递进激发模式，分低频段1（码率126 Hz）、低频段2（码率200 Hz）、中频段和高频段四个子频段，覆盖1~10⁴ Hz宽频域；采样率和采样时长分别对应为150 Hz/800 s、300 Hz/700 s、 2 400 Hz/80 s及24 kHz/8 s的采样参数组合，4次分频激发获取了150余个频点的响应信息.测线布置基本同广域磁法剖面，4条平行测线（L7/L9/L11/L13）总长度10.8 km，测线间距200 m，测点间距40 m（图5b），单排列多频段数据采集时长在15 min内.

质量控制体系包含①仪器标定：施工前对2台接收机及4支磁传感器进行现场标定，标定曲线符合仪器响应特征，系统误差均低于3%；②方法抗噪性：基于循环互相关算法提取电流‒磁场响应函数，结合多周期叠加技术有效压制非相关干扰；③参数优化：通过收发距5.3 km的远区观测配置，保障电磁场扩散满足波区探测条件.实测数据经谱分析与误差评估，其信噪比与频点密度均满足《电磁测深法技术规范》要求，为后续反演解释提供了高精度原始数据集.

3 数据处理和反演

3.1　广域电磁法数据处理和反演

采用中南大学何继善院士团队研发的《地球物理资料综合处理解释一体化系统》进行广域电磁法数据解译与模型反演，其流程遵循多尺度地球物理信息融合理论，具体技术环节如下：

（1）数据预处理与噪声抑制.通过时频联合分析实现数据质量控制①原始数据降噪预处理：基于曲线形态学特征识别并剔除野值点、跳变点，消除瞬态干扰；②静态效应校正：结合频率‒视电阻率等值线图的空间分布特征，采用空间域低通滤波算法削弱近地表电性不均匀引起的静态偏移；③曲线优化：利用人机交互式界面实施频点级数据筛选，对残余纵向噪声进行精细化编辑，构建平滑的频率‒视电阻率拟断面图.

（2）电性结构多尺度解析.①定性分析：综合原始频散曲线类型、等频率视电阻率平面分布及拟断面图形态特征，结合区域地质‒地球物理先验信息，识别电性界面空间展布规律，划分构造单元，推断基底起伏、断裂带位置及岩性分布特征.

②定量反演：采用WFEM无约束反演算法构建分层连续介质模型，反演策略包括：基于Occam原理的一维连续介质反演，通过正则化约束实现模型粗糙度与数据拟合度的最优平衡；应用非线性共轭梯度法开展二维连续介质反演，迭代过程中采用自适应步长策略加速收敛.反演参数设置为最大迭代次数15次、分层数40层，反演目标函数采用最小二乘范数（索光运等，2019），实测数据与理论响应拟合误差范围为3.009 3%~4.582 3%，满足地质解释精度需求.

（3）反演结果验证与地质解释.反演输出模型通过以下途径验证可靠性.①残差分析：各测点拟合误差均低于5%，表明模型响应与实测数据具有高度一致性；②多维度交叉检验：结合区域电测深剖面、钻孔资料进行模型横向连续性验证；③物性约束：将反演电阻率参数与岩心测试结果对比，确保电性‒岩性对应关系的合理性.最终模型定量揭示了不同电性层（低阻覆盖层、高阻基岩等）的三维空间展布特征，为研究区深部构造解析提供了高分辨率地球物理证据.

3.2　编码源电磁测深法数据处理和反演

本研究基于MATLAB平台自主研发的GSCSEM1.0专业数据处理系统，实现编码源电磁测深数据的全流程解析与参数提取：

（1）数据预处理与信号增强.①时间序列趋势项校正：对原始磁场H_y 与发射电流I_AB 时间序列进行趋势项校正，消除直流偏置及仪器漂移影响；②异常点剔除：采用滑动窗口统计法识别离散野值点，结合三次样条插值算法重构缺失数据，提升时域信号完整性；③抗干扰优化：针对强电磁干扰区段，实施分段自适应滤波处理，保留有效频带信号特征.

（2）频域系统响应辨识.①互相关谱分析：对H_y 与I_AB 时间序列执行循环互相关运算，同步计算I_AB 自相关函数，通过双相位快速傅里叶变换（FFT）获取互功率谱密度（H_y ⁃I_AB ）与自功率谱密度（I_AB ⁃I_AB ）；②阻抗响应解算：基于系统传递函数理论，将互功率谱与自功率谱在相同频点处进行比值运算Z\left(f\right)=\frac{S_{HyIAB}(f)}{S_{IABIAB}(f)}提取地电系统的复阻抗频响函数.

（3）全区视电阻率计算.①基于电阻率等效原理的迭代计算：依据层状地电模型水平电偶极子源电磁场理论，将实测阻抗谱用均匀半空间模型响应等效，采用牛顿‒拉夫逊迭代算法求解全区视电阻率{\rho }_e^{\left|H_y\right|}\left(f\right)；②分频段配置：按4个采样频段采样率和数据长度，共获取178个有效频点，覆盖1~10 250 Hz宽频域，确保较高的垂向分辨率.

（4）电阻率频率梯度分析与地层划分.①电阻率频率梯度计算方法：定义电阻率频率梯度函数（式（11）），量化相邻频点视电阻率随频率的相对变化率：

{\rho }_e^{\left|H_y\right|dz}\left(f_i\right)=\frac{\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\mathrm{10}\left({\rho }_e^{\left|H_y\right|}\left(f_i\right)\right)-\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\mathrm{10}\left({\rho }_e^{\left|H_y\right|}\left(f_{i-\mathrm{1}}\right)\right)}{\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\mathrm{10}\left(f_i\right)-\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}\mathrm{10}\left(f_{i-\mathrm{1}}\right)},(11)

②地质解释准则：由高频至低频方向，正梯度值{\rho }_e^{\left|H_y\right|dz}>\mathrm{0}表征浅部至深部电阻率递减；负梯度值则指示浅部至深部电阻率增大，梯度极值点对应电性界面转折位置.

4 综合解释

4.1　岩(矿)石物性特征

岩矿石标本的采集、物性测试与统计能更好地反映研究区内岩（矿）石地球物理特征并为异常解释提供物性基础.本次工作在研究区共采集12类岩性标本368块，同时收集了以往工作测定的铅锌矿石、铁锰硅质岩、角斑凝灰岩和角斑岩4类岩（矿）石物性参数，统计结果参见表1.

从表1可以看出，各类岩（矿）石电阻率变化依次为铁锰硅质岩<铅锌矿矿石<石英角斑凝灰岩<花岗斑岩脉<细碧岩<绢云母千枚岩<角斑凝灰岩<硅质千枚岩<角斑岩<石英角斑凝灰熔岩<石英角斑岩<含炭质千枚岩<次石英角斑岩<次石英钠长斑岩<粉砂质千枚岩<硅质岩；其中铁锰硅质岩、铅锌矿矿石的电阻率小于100 Ω·m，赋矿的石英角斑凝灰岩电阻率较低（算数平均值 191.96 Ω·m），次石英角斑岩属于较高电阻率岩石（算数平均值1 996.45 Ω·m），硅质岩电阻率最高且变化较大（算数平均值5 563.50 Ω·m）；区内岩（矿）石具有明显的物性差异，为本次应用研究提供了基础.

4.2　广域电磁测深剖面推断解释

基于电性‒岩性对应关系，结合物性参数、地质剖面及探采工程数据对T7、T9、T11、T13四条测线反演电阻率剖面开展多尺度地质解译，从各广域电磁测深反演剖面可看出不同的电性层分布特征与地层及次火山岩侵入体具有良好的吻合性（图6）.

T7、T9、T11、T13测线南段（0~200 m）发育宽缓中低阻异常（50~300 Ω·m），结合细碧岩‒细碧凝灰岩物性特征，解译为基性火山岩优势分布区，异常规模由南东向北西（T7→T13）逐渐扩展，反映火山岩相横向非均质性.中段（200~600 m）T7、T9线呈现中高阻向低阻（1 200→250 Ω·m）过渡特征，对应石英角斑凝灰熔岩与凝灰岩互层；T11、T13线以低阻异常为主（<300 Ω·m），指示凝灰岩主体发育，局部高阻异常（T7、T9线）揭示次火山岩侵入体侧伏延伸趋势，侵入体产状与区域构造应力场具一致性.600~1 000 m区间浅部（垂深300~1 800 m）低阻异常（<300 Ω·m）与小铁山矿化凝灰岩及硫化物矿体高度耦合，矿化带呈SW倾向，侧伏延伸至800~1 100 m范围，深部产状陡倾甚至反转，与下盘近直立次火山侵入体构成耦合控矿结构.1 000~1 400 m区间呈宽缓中高阻背景（>560 Ω·m）叠加不规则高阻异常，表征次火山侵入体深部扩展，其北西向规模显著大于浅部，与小铁山矿床深部矿化强度空间匹配，揭示岩浆‒热液活动对成矿系统的控制作用.1 400~2 100 m区段中低阻异常（<300 Ω·m）与铜厂沟铜锌矿床北西向延伸带对应，异常分布受矿化的石英角斑凝灰岩及多金属硫化物矿体控制，表明该区为潜在成矿远景区.2 100~3 000 m区段中低阻异常场上叠置条带状高阻异常（>600 Ω·m），结合区域岩相分析，解译为隐伏次火山岩侵入体与中性‒基性火山岩（角斑岩‒细碧岩）互层结构，高阻体空间配置可能指示深部岩浆通道.

4.3　编码源电磁测深剖面推断解释

通过计算编码源电磁频率测深原始数据并绘制4条剖面的视电阻率断面图，结合已有的重磁异常、地质资料对划分的各电性层与地质体的相互关系进行了解释推断（图7）.

测线南段0~250 m范围呈宽缓低阻背景场（30~100 Ω·m）叠加不规则中低阻异常，与基性火山岩系（细碧岩‒细碧凝灰岩）分布区高度吻合.其中近直立纺锤状中低阻异常（100~300 Ω·m）具有显著垂向延伸特征，结合岩脉物性参数（70~560 Ω·m），解译为后期侵入酸性花岗斑岩脉的电磁响应，暗示浅部裂隙系统发育.中段250~750 m范围电阻率场呈现显著的横向分带，中心高阻核（800~2 000 Ω·m）向外过渡为中低阻带（300~800 Ω·m）.高阻异常体呈串珠状‒纺锤状组合，形态学分析表明高阻核（>1 500 Ω·m）对应次石英角斑岩及石英角斑凝灰熔岩体，其NW⁃SE向侧伏特征在L11线表现最为显著（异常体膨大率达120%），向东逐渐尖灭；过渡带中低阻异常（300~800 Ω·m）表征石英角斑凝灰岩优势分布区，电阻率梯度变化反映火山碎屑岩与熔岩互层结构.750~1 400 m范围内北侧低阻异常区（25~100 Ω·m）与小铁山矿床主矿化带空间耦合，典型特征包括：低阻体垂向延伸深度达800 m，与硫化物矿体（10~230 Ω·m）电性特征一致；南侧起因暂不清楚的低阻异常呈现环状结构，可能指示隐伏热液蚀变带或次级矿化中心；高阻异常体（>500 Ω·m）呈NW向雁列式排列，揭示次火山岩侵入通道受区域断裂控制.1 400~2 000 m范围内，L9和L13线发育大规模纺锤状高阻异常（>1 000 Ω·m），垂向延伸至海拔1 500~1 800 m，地表为花岗斑岩脉群，可能指示深部存在较大规模的次火山岩侵入体；L7和L11线宽缓低阻场（50~150 Ω·m）与铜厂沟‒拉牌沟成矿带对应，异常区段内见典型“低阻囊状体”，反映多金属硫化物富集与凝灰岩矿化的复合效应.2 000 m以北浅部（垂深0~800 m）的中低阻异常（20~150 Ω·m）表征中基性火山岩；深部（>800 m）中高阻异常场（>300 Ω·m）内嵌条带状高阻体（>600 Ω·m），结合重磁异常梯度带特征，解译为NW向隐伏次火山岩体，其扩张趋势（SE→NW）与区域构造应力场相符.

4.4　矿床成因及矿体就位规律

关于白银厂矿田火山活动与热液作用的时空关系、物质来源及成矿过程的主控因素：（1）岩浆侵入体对成矿的贡献；（2）火山喷发沉积与后期热液改造的主次关系；（3）变质作用对矿床的改造程度；长期存在争议（甘肃冶金地质三队，1975；宋叔和，1982； 边千韬，1989）.

前人早已注意到白银厂矿田内已知矿体与次火山岩侵入体之间的联系：小铁山的矿体分布与次火山岩侵入体有明显的空间关系，在7线剖面上次火山岩侵入体位于矿体下盘，呈厚板状分布.由矿体中心及下部向两侧和上部呈块状铜铅锌矿、块状含铜黄铁矿、浸染状铜铅锌矿、浸染状铜矿石组合（图8）.矿石的水平和垂向分带与折腰山矿床蚀变岩筒的典型矿石分带特征具有相似性，证明火山喷发后期或间歇期侵入的次火山岩与成矿具有密切的关系（彭礼贵等，1998）.同时，小铁山、火焰山矿床的部分矿体还直接赋存于接触带或次火山侵入体内.折腰山和小铁山矿床黄铁矿结构、成分研究发现不同类型的矿石内黄铁矿具有岩浆热液、火山热液和沉积成因多重特征（郭小刚等，2025）.

对小铁山矿床矿体空间分布特征与所在编码源电磁测深、广域电磁测深剖面电性特征之间的位场关联性进行分析研究发现：小铁山矿床主要的赋矿岩性为喷发相的石英角斑凝灰岩，主要矿体位于次火山侵入体上盘的接触带内.物性测试表明，次石英角斑岩的电阻率平均值在1 868 Ω·m左右，呈相对高阻；而赋矿母岩石英角斑凝灰岩和矿体围岩石英角斑凝灰熔岩的电阻率不超过1 111 Ω·m.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号主矿体均位于2号高电阻体的上盘，且矿体产状严格受高阻体形态的控制，矿体产状与高阻体几何形态呈镜像关系（图9a， 9c），表明岩浆热液交代是主要的成矿作用.同时，在T13线物探异常踏勘检查过程中于2号与3号高阻异常的结合部新发现了一处铁帽（Cu：0.9%，Pb：4.53%，Zn：0.58%），出露长约15 m，宽约5 m.铁帽两侧对称分布的褐铁矿化、绢云母化、硅化蚀变带宽度超50 m，具有中低温岩浆期后热液成矿的典型特征.小铁山主要矿体与新发现铁帽的对称分带特征符合岩浆期后热液成矿模型.

综上所述，白银厂矿田矿床成因具有多阶段特征.中晚奥陶世（454~469 Ma）北祁连持续向华北板块俯冲，构造环境由岛弧裂谷向弧后盆地转换.在此背景下，软流圈地幔部分熔融产生的岩浆与上地壳组分发生混染形成弧后岩浆，携带成矿流体沿基底断裂喷溢至海底，为VHMS型铜多金属矿床形成奠定了基础（郭小刚等，2025）.具体成矿过程表现为：（1）喷发沉积阶段：火山活动末期主火山口塌陷引发局部应力集中，富含金属硫化物的岩浆通过同生断裂上侵并形成较为成熟的海底热液循环系统，在近海底形成块状、纹层状沉积型铜铅锌、铅锌矿石；（2）热液叠加阶段：次火山岩侵入驱动热液对流，岩浆流体与海水混合并置换近海底地层形成置换型成因的块状铜铅锌、铜锌矿石；（3）构造活化阶段：区域构造应力驱动断裂活化，并形成网脉状、脉状铜（铅锌）矿体.同生断裂系统及次火山侵入体是重要的控矿因素；海底置换过程是形成大吨位VHMS矿床的关键因素（Hou et al.， 2008； Nozaki et al.， 2021；Xiao et al.， 2025）.

4.5　地质‒地球物理找矿模型及找矿靶区

（1）地质‒地球物理找矿模型. VHMS型铜多金属矿床主要受俯冲板片上方的火山机构、同生断裂构造、岩性组合等因素的控制（Zhao et al.， 2022；Duan et al.， 2022）；成矿物质通常来源于遭受热液蚀变的海底火山岩和下伏热液系统的岩浆挥发相；典型的块状硫化物矿石和大规模的黄铁矿化蚀变系统为地球物理电磁法勘探提供了有利的条件（Xiao et al.， 2025；郭小刚等，2025）.

小铁山矿床作为典型的VHMS型矿床，其成矿作用受控于古生代海相火山‒沉积序列中的酸性次火山岩侵入体.该次火山岩侵入体作为最直接的成矿地质体具有明显的高阻特征（>1 500 Ω·m），地球物理异常呈向上发散、向下收敛的树枝状形态.赋矿围岩石英角斑凝灰岩具有较低的电阻率（平均值300~500 Ω·m），在高阻异常两侧呈现出宽缓的条带状低阻异常（200~400 Ω·m）；块状矿体（<100 Ω·m）及上盘绿泥石‒黄铁矿‒绢云母蚀变带则表现为不规则网格状低阻异常（150~300 Ω·m）.三维电性结构揭示“边部矿化层‒核部岩浆通道‒深部热源系统”成矿体系：（1）边部矿化层：硫化物矿化带赋存于低阻石英角斑凝灰岩中（平均值300~500 Ω·m），其低阻异常（<150 Ω·m）与块状闪锌矿‒方铅矿‒黄铜矿‒黄铁矿矿石呈显著空间耦合（图9b，9d）.侵入体顶部网格状低阻异常（150~300 Ω·m）形成垂向电性梯度界面，反映热液交代过程中硫化物沉淀与蚀变分带；（2）核部岩浆通道：高阻次火山岩体（1 500 Ω·m）沿北西向侧伏侵入，接触带构成成矿流体运移通道，岩体膨大部位（如L11线）对应矿化强度峰值（图9a，9c）.两侧低阻带（200~ 400 Ω·m）与绿泥石‒绢云母蚀变及浸染状矿化对应；（3）深部热源系统：基底高阻体群（>1 500 Ω·m）揭示深部岩浆房热液补给通道，符合VHMS矿床“双层热液对流”模型（Franklin et al.， 2005），并为岩浆热液补给机制提供了地球物理证据.

（2）找矿靶区. 小铁山矿床成矿作用受控于三要素耦合机制：矿田内分布规模较大的火山喷发相石英角斑凝灰岩为岩浆热液淋滤作用提供成矿物质来源，次火山岩旁侧发育的次级断裂系统及高孔隙度岩石结构构成流体运移‒沉淀空间，大规模的次火山岩侵入体则提供充足的热源、流体和成矿物质.基于地质‒地球物理找矿模型，建立三级找矿标志体系：（1）一级标志（岩体控矿）：NW向高阻次火山岩体（ρ>1 500 Ω·m）侧伏端，重点关注岩体厚度突变区（如L11线膨大部位）；（2）二级标志（矿化响应）：高阻体接触带300~500 m范围内的过渡型低阻异常（200~500 Ω·m），指示硫化物矿化前锋带；（3）三级标志（热源指示）：基底高阻体群（ρ>600 Ω·m）与重磁梯度带交汇部位，反映深部成矿潜力.结合地表热液蚀变矿物组合特征，圈定4处找矿靶区：①已知矿体深部延伸区（标高<800 m）；②北部拉牌沟7~9线低阻异常区（ρ<300 Ω·m）；③次火山岩下盘13线1 700 m处铁帽发育段；④南部16线车路沟南西侧含铜硅质岩分布区.

5 结论

（1）广域电磁法和编码源电磁测深法联合探测技术可有效识别深部高阻岩体与浅部低阻矿化异常，抗工频干扰能力优于传统方法.

（2）次火山岩侵入体（ρ>1 500 Ω·m）与石英角斑凝灰岩（ρ<500 Ω·m）的电性二分结构是次火山岩控矿型VHMS矿床的关键标志，过渡带低阻异常（ρ<400 Ω·m）指示硫化物富集.

（3）成矿作用受火山机构塌陷、次火山岩热液活动及断裂活化三阶段控制，深部岩浆通道（ρ>1500 Ω·m）为成矿提供持续热源.

（4）广域电磁法和编码源电磁测深成果为构建VHMS型铜多金属矿床“岩浆‒构造‒蚀变”协同找矿模型提供了关键地球物理约束：①高阻岩体侧伏方向指示成矿流体运移优势路径；②基底热源系统的电性异常结构可评估成矿系统保存完整性；③浅部低阻异常形态可区分矿化类型.

（5）综合地质‒地球物理找矿模型、三级找矿标志及地表矿化蚀变发育特征，在矿床深部及外围圈定4处找矿靶区，为后续钻探验证指明了方向.

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFC2903305)

甘肃省自然资源科技创新与应用研究项目(202406)

自然资源部黄河上游战略性矿产资源重点实验室开放课题资助项目(YSMRKF202209)

白银有色集团股份有限公司商业风险勘查项目（小铁山矿采矿权标高以下普查（第一阶段）施工项目）