CSAMT在胶东前垂柳矿区金矿资源调查评价中的应用

Application of CSAMT in Gold Resource Investigation and Evaluation in Qianchuiliu Mining Area，Jiaodong

摘要

胶东地区是我国著名的金矿产地，是巨型矿集区。胶莱盆地东北缘位于胶东东部，广泛发育有金多金属矿床。可控源音频大地电磁法（CSAMT）具有勘探深度大、分辨率高和抗干扰能力强等特点，因此被广泛应用在矿产勘查工作中。通过在胶莱盆地东北缘前垂柳金矿区开展可控源音频大地电磁法（CSAMT）测量工作，并结合矿区地质资料和岩石电阻率特征，查明了前垂柳矿区构造破碎带的厚度、走向以及花岗岩接触带的深部发育特征，CSAMT解译结果与钻探结果一致，取得了良好的效果，有效验证了前垂柳矿区“三层结构勘查模式”以及前垂柳一带存在“近EW向构造控矿模式”。 可控源音频大地电磁法（CSAMT）可作为该区域金矿勘查的有效技术手段。

Abstract

In recent years，the northeastern margin of the Jiaolai Basin has emerged as a significant gold concentration zone within the Jiaodong region.This development follows the discovery of several gold deposits，such as Pengjiakuang，Liaoshang，and Xilaokou，prompting numerous geological prospecting units and scientific research institutions to intensify efforts towards achieving breakthroughs in deep-level prospecting.The Controlled Source Audio Magnetotelluric Method（CSAMT）has been prominently utilized due to its capacity to overcome the limitations of natural field source signals，offering substantial exploration depths，high resolution，and efficient observationsal capabilities.The study concurrently advances research in subsurface sounding and profiling，with recent extensive applications in mineral exploration recently.In this investigation，CSAMT was deployed in the Qianchuiliu mining area.By integrating geological data with the inversion of rock resistivity properties，we analyzed electrical characteristics and spatial features of structural alterations in the shallow subsurface at a depth of -1 000 meters.This analysis builds upon previously identified deep-seated，concealed ore-controlling structural alteration electricity features. A comprehensive analysis of the metallogenic characteristics and prospecting principles associated with the electrical structure was conducted.The findings revealed a thick，near-east-west tectonic fracture zone in the mine’s deep section of the mine.The electrical structure of the geological formation predominantly displays a three-layer configuration characterized by high-low-high resistivity from shallow to deep levels.Additionally， the top interface of the Queshan rock body demonstrates a shallow-deep-shallow trend when observed from south to north.The deep，extensive thick low-resistance fracture zone and the shallow trap low-resistance electrical body exhibit considerable potential for exploration and should be prioritized primary targets in forthcoming drilling initiatives.Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics （CSAMT） offers outstanding vertical resolution，facilitating accurate assessment of the structural fracture zone’s thickness，fracture development sites，and deep extensions. Furthermore，it effectively delineates the spatial distribution characteristics of the structural fracture zone and rock mass in this mining area，aligning with drilling results.The study effectively validates the “three-layer structure exploration model”and confirms the existence of the “near east-west tectonic ore-controlling model” in the Qianchuiliu mining area.CSAMT is demonstrated to be a highly effective method for gold exploration along the northeast margin of the Jiaolai Basin.

Graphical abstract

关键词

可控源音频大地电磁法（CSAMT） / 构造破碎带 / 矿产勘查 / 前垂柳金矿 / 胶莱盆地东北缘

Key words

Controlled Source Audio Magnetotelluric Method（CSAMT） / structural fracture zone / mineral exploration / Qianchuiliu gold mine / northeast margin of Jiaolai Basin

胶东地区已探明金矿资源储量超过5 000 t，为我国规模最大且最重要的黄金生产基地之一（Tang et al.，2008；Zhang et al.，2010；Deng et al.，2019；杨立强等，2019；宋明春等，2022；董磊磊等，2024）。近年来，随着该区深部钻探工作的持续推进，资源量不断取得新突破（Song et al.，2015；于学峰等，2016；宋英昕等，2017；杨立强等，2019；宋明春等，2020；段留安等，2024），表明该区深部仍具有巨大找矿潜力。胶莱盆地东北缘处于苏鲁造山带与华北板块的交会部位［图1（a）］，是近年来在胶东东部新发现的另一个重要的金矿集中区（丁正江等，2010；李国华等，2016；Li et al.，2020；宋明春等，2022），累计探获金资源量超过200 t，该区域内蓬家夼、发云夼、辽上、郭城、西涝口、西井口和前垂柳等一系列金矿床的发现和开采（段留安等，2020a，2020b；薄军委等，2021；陈原林等，2022；郭云成等，2022；韩小梦等，2023），引起了地勘单位和科研机构的广泛关注。

前垂柳矿区位于胶莱盆地东北缘，前人曾在该区开展过大量的地球化学、重磁、槽探、坑探、激电中梯及钻探等工作，发现了多条破碎蚀变带，但并未发现具一定规模的金矿体。自2020年以来，段留安等（2020a，2020b）创新性地提出了胶莱盆地东北缘“EW向构造控矿模式”和“三层结构勘查模式”的新认识（Duan et al.，2022）。“三层结构勘查模式”是指区域内牧牛山岩体出露的地区，上部为牧牛山岩体，中间为破碎蚀变花岗质碎裂岩（西涝口、前垂柳和辽上深部）或荆山群碎裂岩（郭城），下部为糜棱岩化花岗岩（鹊山岩体），金矿体主要赋存在牧牛山或荆山群的破碎带中（段留安等，2024）。基于上述找矿理论，前垂柳矿区实现了找矿突破，提交金推断资源量已达大型规模。

可控源音频大地电磁法（CSAMT）的人工场源信号能够有效克服天然场源信号微弱性问题（何继善，1990；石昆法，1999），具有探测深度大、分辨能力强和抗干扰能力强等特点，能够同时进行测深和剖面研究（王友善，1999；魏文博，2002），是研究深部地质构造和寻找隐伏矿体的有效方法（马振波等，2012）。该方法被广泛应用在各种深部金属和非金属矿产勘查中，并取得了良好的效果（谭儒蛟等，2007；柳建新等，2008，2019）。为进一步验证上述理论，指导区域找矿工作，在前垂柳矿区SN向布设了一系列可控源音频大地电磁法（CSAMT）剖面测量，对前垂柳矿区-1 000 m以浅区域的构造蚀变带电性及空间分布特征进行了系统研究。同时，总结了前垂柳矿区成矿特征及找矿规律在电性结构上的表现特征，为前垂柳金矿控矿及找矿模式的新认识提供了证据，也为后续在该区域开展进一步勘查工作提供了参考。

1 区域地质特征

胶东半岛中西部位于华北克拉通东南缘，胶东半岛东部则位于大别—苏鲁超高压变质带的东北缘，主体由胶北和苏鲁等地体组成［图1（a）］。侏罗—白垩纪强烈的岩浆活动与胶东地区金矿形成具有密切联系。从空间上看，晚侏罗世玲珑型花岗岩是区内最主要的赋矿围岩。大量同位素年龄测试结果表明，胶东金矿主成矿时代为123~110 Ma，与中生代中国东部大规模构造—岩浆热液活动、碰撞造山作用密切相关（Chen et al.，2005；李士先等，2007；蒋少涌等，2009；Deng et al.，2020；宋明春等，2020）。

胶莱盆地东北缘成矿带位于华北板块与苏鲁造山带的交会部位［图1（a）］，是胶东东部地区新发现的一个重要的金多金属成矿带。该成矿带上覆盖层为青山群陆相中基（酸）性火山岩和白垩系莱阳群砾岩，基底地层为古元古代荆山群黑云（透闪）变粒岩、石榴黑云片岩、大理岩和斜长透辉岩［图1（b）］。主要发育有育黎、崖子、郭城和桃村4条NE向区域性断裂，岩浆岩主要为前寒武纪牧牛山二长花岗岩、晚侏罗世鹊山含石榴石二长花岗岩和早白垩世伟德山型花岗闪长岩（薄军委等，2021；郭云成等，2022）。

2 矿区地质特征

前垂柳金矿位于胶莱盆地东北缘，是近年来依据段留安等（2020a，2020b）提出的找矿新思路探获的金矿床，截至目前已探获金资源量超过20 t（韩小梦等，2023），达大型规模，属于蚀变岩型金矿床。该区出露地层主要为荆山群变粒岩和大理岩等，局部发育少量莱阳群砾岩。区内NE和EW向断裂发育，为主要的导矿和容矿构造。金矿体主要赋存在深部隐伏的EW走向厚大构造蚀变带中（Duan et al.，2022），且产状与构造带一致。根据以往研究，弱片麻状中—粗粒二长花岗岩出露在矿区中南部（牧牛山岩体），深部为糜棱岩化花岗岩（鹊山岩体）（段留安等，2020b；郭云成等，2022）。矿化蚀变主要发育在隐伏构造带内，其中黄铁矿化、绢英岩化、硅化与金矿化关系密切（韩小梦等，2023）。矿石类型主要为黄铁矿化花岗质碎裂岩和黄铁绢英岩等。

3 矿区地球物理特征

电性参数的统计结果为应用CSAMT法进行深部找矿提供了必要的物性依据（高勇浩等，2010）。表1所示为矿区3种主要岩石类型的电性参数。其中，鹊山花岗质岩体电阻率最高，平均值大于20 000 Ω·m，其次为牧牛山岩体，平均值大于5 000 Ω·m，构造蚀变带内碎裂岩电阻率最低，一般榴为1 000 Ω·m。

4 技术与方法

4.1 测量方式

本次CSAMT测量方式主要为电偶极源标量测量方式（观测数据为卡尼亚视电阻率），标量测量装置如图2所示。

卡尼亚视电阻率计算公式为

{\rho }^a=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}f}\cdot \frac{|E_x{|}^{\mathrm{2}}}{|H_y{|}^{\mathrm{2}}}（1）

式中：{\rho }^a为卡尼亚视电阻率\left(\mathrm{\Omega }\bullet \mathrm{m}\right)；f为频率\left(\mathrm{H}\mathrm{z}\right)；E_x为x方向电场分量（V·m^-1）；H_y为y方向磁场分量（A·m^-1）。

根据趋肤深度定义，得到有效穿透深度范围为

D=(\mathrm{256}\sim \mathrm{503})\sqrt[]{\frac{\rho }{f}}（2）

式中：D为有效穿透深度或探测深度（m）。在目标研究区背景电阻率\rho的范围大致确定的情况下，电磁波的穿透深度与其频率f反比关系：频率越高，探测深度越浅；频率越低，探测深度越深。因此，通过调整发射频率，可以控制探测深度，以实现对特定深度区域的勘探。

4.2 仪器及参数

本次研究采用的仪器为GDP-32^Ⅱ型多功能电法工作站，选用赤道偶极观测装置，施工前通过多次试验选定工作参数。工作频率为1~8 192 Hz，共22个频点，收发距大于等于7 km，供电电流大于等于8 A，发射极距（AB）为1 500 m，接收极距（MN）为50 m。

4.3 野外工作布置

如图3所示，布设了6条CSAMT剖面，测线方位为0°，完成测深点348个，CSAMT测量质量检查均匀分布，选择L0030线、L0040线各一个排列，共2个观测排列，14个测点进行重复观测，质检率为4%，视电阻率均方相对误差为3.38%，数据质量符合设计要求。

4.4 处理流程

数据处理采用美国ZONGE公司生产的SCS2D反演软件进行预处理及二维反演，采用乌鲁木齐金维科技有限公司GeoIPAS V4.6系统中值空间滤波法进行静态校正，以消除地表不均匀体产生的静态效应（图4）。

5 异常解释

5.1 解释依据

试验剖面位于工作区东部，穿越蓬家夼断裂。剖面北段地表出露鹊山糜棱岩化二长花岗岩，南段出露莱阳群林寺山组紫褐、黄褐色砂砾岩。通过分析反演电阻率断面（图5），可以观察到电阻率分布呈现出3个明显的电性层，表现为中间层电阻率低，而上下两层电阻率高。结合钻孔资料、物性资料和地质资料，可以推断：北段上层高阻电性层对应鹊山糜棱岩化二长花岗岩；南段上层高阻电性层对应莱阳群林寺山组砂砾岩；剖面中部低阻电性层对应构造碎裂蚀变带；剖面深部高阻电性层对应鹊山糜棱岩化二长花岗岩。此外，在剖面中浅部发育铲状的低阻体，表现为电阻率等值线扭曲和密集分布，表明该区域发育断裂，沿断裂分布有破碎蚀变带。

将试验剖面结果与已知地质资料、钻孔资料进行综合分析，建立了本区CSAMT测量的地质推断解释依据，具体如下：

（1）牧牛山二长花岗岩岩体基本反映在反演电阻率断面图上第一层，形态为不连续的高阻块体，表现为高阻电性特征，反演电阻率一般大于1 000 Ω·m。

（2）鹊山糜棱岩化二长花岗岩岩体在反演电阻率断面图上总体呈完整连续的高阻特征，反演电阻率一般大于1 000 Ω·m。

（3）构造破碎带主要反映在剖面中浅部，主要表现为低电阻率，反演电阻率通常小于1 000 Ω·m，主要分布在100~400 Ω·m范围内。与前期钻探成果（郭云成等，2022）相比，钻孔揭露的构造破碎蚀变带与反演电阻率断面图上的低阻带在规模和下延深度上存在较大差异，反演结果显示的低阻带通常规模更大，切割更深。综合地质工作推断存在差异的原因是断裂多期次、多阶段的活动，以及构造应力作用导致断裂上下盘和围岩结构发生了一定程度的变化，且这种变化在通过电磁法测量时有明显的反映（孟凡兴等，2016）。

（4）荆山群变质岩和莱阳群沉积岩在表层往往表现为连续低阻层状，在浅部表现为不连续高阻电性体。

（5）在工作区内，断裂显示出明显的多期次、多阶段活动特征，使得断裂带内部结构极为复杂。带内岩石主要包括碎裂岩、构造角砾岩和断层泥，以及部分含有石墨的岩石。在反演电阻率断面图上，这些区域通常呈现为中低阻电性特征，反演电阻率值多数在100~400 Ω·m范围内，断裂发育部位等值线通常变形明显，多表现为高低阻变异带、低阻通道和梯度密集带。

5.2 异常解释

在工作区共完成6条CSAMT剖面测量，选取L0010线反演电阻率断面和联合剖面进行重点分析解译。

L0010线位于工作区西部，长度为3 150 m，方位为0°，测线北段地表出露荆山群变质岩，南段出露牧牛山二长花岗岩。反演电阻率断面图（图6）表现为高—低—高三层电性结构。

（1）第一层为剖面标高-250 m以浅区域，表现为大小不等且不连续的圈闭高阻电性体。高阻体间通常发育小型圈闭低阻体或低阻通道，结合地表露头和岩石电阻率参数推断标桩2 100 m以南的高阻体主要为牧牛山二长花岗岩体，以北的高阻体为荆山群变质岩，岩体和地层受断裂切割改造严重。

在距离剖面标桩100~300 m和400~600 m，标高100 m位置发育圈闭低阻异常体L101和L102，电阻率值小于1 000 Ω·m，与钻孔ZK1603、ZK1601、ZK1602揭露结果显示的金矿体赋存空间位置一致（图6）。其中，ZK1603钻孔在L101异常中部见矿，ZK1601钻孔在L101右边界与高阻接触带见矿，ZK1602钻孔在L102左边界与高阻接触带见矿，见矿位置均具有等值线陡变及间距变大的特征，由此推断L102中部及右侧与高阻接触带仍具有较大的成矿潜力。在距离标桩900 m、1 100~1 300 m、1 600 m、1 900 m和2 200 m位置横向上存在明显的高低阻梯度带，形成较为明显的低阻异常带（L103、L104、L105和L106），推断高低阻梯度带及电阻率等值线陡变位置发育F0011、F0012、F0013、F0014、F0015和F0016断裂，其中等值线陡变及间距变大的L103、L104、L105和L106区域为有利找矿区域。

（2）第二层为剖面标高-500~-250 m区域，主要表现为连续的低阻异常（L107）。L107总体呈水平条带状，下伏于第一层之下，由南向北逐渐变厚变浅，延伸至测线2 600 m深部。结合岩石电性参数及钻探资料，低阻异常应为构造蚀变破碎带，对应碎裂岩及矿化体，主要是第三层侵入岩侵入时岩浆活动对原岩产生构造作用导致原岩破碎而形成，与钻孔ZK1603、ZK1601、ZK1602勘探结果相吻合。ZK1603和ZK1601钻孔均在该低阻异常中心发现厚大矿体，同时该区域的视电阻率等值线在向北延伸的过程中呈现出同步向下弯曲、间距增大以及由陡变缓的特点。具体来说，当视电阻率等值线出现这些特征时，标志着电性界面的变化，这些变化往往与地质构造活动密切相关，尤其是在隐伏大型构造带中。这些构造带通常是金矿体赋存的理想环境，其提供了矿化流体迁移和矿体沉淀的通道。由此可知，等值线变化区域是成矿的有利部位。

（3）第三层为剖面标高-500 m以深区域，主要表现为连续完整的高阻电性层。异常上界面整体由南向北变浅，结合前期地质工作成果推测第三层高阻体主要为晚侏罗世岩浆活动形成的侵入岩，即鹊山岩体糜棱岩化二长花岗岩。

通对工作区CSAMT测量剖面的反演解译，可以清晰地解析工作区深部电性界面、地质体的分布以及构造的空间布局和变化趋势，得到更为丰富的地质信息。根据各剖面地质解释结果和联合剖面图（图7），取得以下主要认识：

如图7所示，测区各剖面间异常分布、地电结构较一致，测区由浅至深主要表现为高—低—高三层电性结构。其中，第一层主要为-200 m以浅区域，表现为大小不一且不连续的圈闭高阻体，电阻率值通常达到几千甚至上万欧姆米，高阻体间断裂发育，形成低阻变异带、低阻通道和梯度密集带；第二层为连续的条带状低阻异常，整体表现为南北两端浅、中部深的异常形态，且各剖面中部低阻异常中心具有明显的东西走向趋势，推断测区中部发育EW向构造破碎带，有效验证了段留安等提出的“EW向构造控矿模式”（Duan et al.，2022）；第三层主要表现为电阻率值较高且连续、完整的高阻体，结合钻探结果，推断高阻体主要为鹊山糜棱岩化二长花岗岩岩体，鹊山岩体顶界面埋深整体由南向北表现为浅—深—浅形态。CSAMT反映出的三层结构模式，与“三层结构勘查模式”相吻合（Duan et al.，2022），并经钻探有效验证，可以为该区域空白区提供有效的物探方法和找矿新思路。根据本次测量结果，结合区内物化探及地质钻探资料，圈定出找矿有利区段6处（图7），其中在L0010线圈定找矿有利区段2处（Ⅰ-1和Ⅰ-2）。Ⅰ-1位于L0010剖面南段中部较为狭长的低阻区段（构造破碎带），该区段电阻率等值线密集，具有明显的向深部陡变间距变大的趋势，且浅部多发育断裂，与该测线南侧钻探揭露的深部成矿特征较一致。Ⅰ-2位于L0010剖面北段断裂发育部位，断裂陡立南倾，向深部延伸较深，为电阻率等值线间距变大且陡变区域；L0020线的Ⅰ-3和Ⅰ-4、L0030线的Ⅰ-5以及L0040线的Ⅰ-6在电阻率反演断面图中均位于低阻区段，具有电阻率等值线间距变大和陡变的特征，且区段均发育断裂，具有较好的成矿潜力，可作为下一步工作的重点区域。

5.3 地质—地球物理找矿模型

根据近年来前垂柳矿区地质探矿成果和区域成矿规律，结合本次地球物理特征，初步建立了该区地质—地球物理找矿模型：（1）金矿类型：属于构造蚀变岩型。区内主要金矿化与硅化、黄铁绢英岩化、碳酸盐化碎裂岩关系密切，金矿体主要赋存在隐伏的大型构造带中，且产状与构造带一致（Duan et al.，2022）。破碎蚀变带可以是破碎蚀变的花岗岩，也可以是破碎蚀变的荆山群或莱阳群。（2）探测目标层：重点探测牧牛山岩体、荆山群与鹊山岩体之间的构造蚀变带，以及荆山群与莱阳群之间的构造蚀变带，特别是构造带产状由陡变缓的部位。（3）目标物及围岩电性特征：矿体及赋存的破碎带呈低阻电性特征，围岩为牧牛山弱糜棱岩化二长花岗岩岩体和荆山群，呈高阻电性特征。

6 结论

（1）矿区深部发育厚大的近EW向构造破碎带，地质体电性结构由浅至深主要表现为高—低—高三层电性结构，深部鹊山岩体的顶界面由南向北表现为浅—深—浅形态。结合已有钻孔见矿情况，深部厚大低阻破碎带及浅部圈闭低阻电性体具有较大的找矿潜力，特别是视电阻率等值线同步向下弯曲、间距变大以及由陡变缓的部位，可作为下一步钻探工程布设的重点靶区。

（2）建立地质—地球物理找矿模型：地球物理找矿标志为CSAMT测量反映的“高—低—高”三层电性层的低阻层，上部围岩表现为不连续的高阻电性特征，下伏围岩表现为连续的高阻电性特征，矿体及赋存位置表现为低阻电性特征，特别是等值线间距变大以及由陡变缓的部位。

（3）CSAMT具有较好的垂向分辨力，能够准确地探测构造破碎带的厚度、断裂发育部位以及向深部延伸情况，确定破碎带和岩体的空间展布特征。

（4）CSAMT反演结果有效验证了“近EW向构造控矿模式”和“三层结构勘查模式”，CSAMT可作为胶莱盆地东北缘地区金矿勘查的有效技术手段。

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基金资助

国家重点研发计划项目“脉状金系统的综合找矿技术与增储示范”课题(2022YFC2903605)

中国地质调查局项目“山东牟平辽上金矿资源调查评价”(DD20243129)

烟台市高端人才引育“双百计划”联合资助