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扩频激电法（SSIP）找矿效果分析——以湖南省永州市零陵区东湘桥锰矿床勘查为例 廖凤初1，刘桂元1，周杰1，黄建权1，徐军伟1，陈儒军2,3,4,5 3 中南大学AIoT（人工智能物联网）与地质地球物理创新创业教育中心4 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室第一作者：廖凤初，正高级工程师，长期从事矿产勘查和地质工作。通讯作者：周杰，高级工程师，长期从事地球物理勘査工作。目前，大量的激电测量采用时间域脉冲供电，需要长时间对深部目标体进行饱和充电，才能获得可靠的二次场信息。同时，还需要人工多次改变AB供电极距，以达到不同深度的探测目的。这种传统的激发极化法测量技术施工难度大、效率低、成本高，深部信号微弱，探测深度有限。基于此，陈儒军等人在仪器和方法上进行了创新，结合扩频通信信号处理技术与微弱地球物理信号采集技术，研发出扩频激电探测技术与装备，简称扩频激电（SSIP），具有大深度、高精度、抗干扰、成本低、效率高等特点，在1000米以内的探测范围内可以测得激电参数。本文介绍了扩频激电法（SSIP）基本原理、工作技术方法以及在湖南省永州市零陵区东湘桥锰矿床勘查中的应用情况，发现了一条较连续的相对高极化异常带，电阻率反演结果表现为“U”型盆状高阻基底包裹低阻的特征，推测其高极化异常带由地下矿床引起；经钻探勘探，发现2条较为连续的锰矿层，厚度为0.9～2.8米，品位为9.3%～15.2%，与黄铁矿成伴生关系，一同赋存于灰岩中。视极化率异常与矿体揭露深度、形态轮廓十分吻合，视电阻率异常较好地反映矿区地层展布信息，扩频激电法在碳酸锰矿产资源勘查方面的有效性得到验证。基金项目：本文受自然资源部新一轮找矿突破战略行动科技支撑项目（ZKKJ202407）和湖南省地质院科研项目（HNGSTP202402）联合资助。 0 引言 1 地质与地球物理特征 1.1 矿区地质特征 1.2 矿体地质特征 1.3 地球物理电性特征 2 基本原理 3 技术参数设置与反演 4 成果推断解释 5 钻探揭露情况 6 结论 地球物理勘探可以在深部隐伏矿勘探中发挥重要作用。尤其是地质情况复杂的地区，采用多种地球物理勘探方法相结合，可以起到较好找矿效果。这是因为在矿石品位高低含量不同、规模大小不一、矿床不连续等情况下，往往使得矿石自身电阻率与围岩差异不大，仅仅依靠电阻率测量无法取得较好的找矿效果。相比于单一的视电阻率测量方法，可以同时测量视电阻率和激电参数的激电法在大多情况下能够探测到浸染状金属硫化物引起的异常。由于激电法受地形影响相对较小，激电异常可靠性比电阻率异常更高。然而，目前大量激电测量为时间域脉冲式供电，深部目标体二次场是否能充分达到饱和而被探测感知，与充电时长密不可分；加之需要人工多次改变AB供电极距，以达到不同深度的探测目的。这一技术现状使得传统的激电测量方法具有施工难度大、效率低、成本高、深部信号微弱、探测深度有限等不足之处。针对以上缺陷，陈儒军等（2020）在仪器和方法上进行了大量创新，独创性地结合扩频通信信号处理技术和微弱地球物理信号采集技术，研发出扩频激电探测技术与装备，并将这项技术命名为扩频激电（SSIP）。该项探测技术具有大深度、高精度、抗干扰、成本低、效率高等特点，在1000m以浅的探测范围内可以测得激电参数，能有效识别有色金属矿致异常。该技术已在国内西藏、甘肃、云南、贵州、河南和江苏等地多个矿产勘查项目进行了有效应用。目前，扩频激电三级测深技术在碳酸型锰矿探测应用较少，笔者以湖南省永州市零陵区东湘桥矿区锰矿勘查为例，引入扩频激电测量技术对锰矿矿床进行了勘探。经后期多个钻孔揭露，有效验证了激电异常，异常特征与矿床地下埋深、形态特征高度吻合性，为后期在相似地质背景下采用该技术方法进行地质找矿起到了较好的示范作用。因此，采用扩频激电法在祁零盆地开展碳酸锰矿勘探研究具有重要的应用价值。矿区位于祁零盆地荞麦冲—东湘桥复式向斜的中南部（图1），整体构造为一向斜，地层东西两翼基本对称发育，出露地层主要有石炭系（C）、二叠系（P）及第四系（Q4）。其中，石炭系地层为壶天群（CPH），分布于矿区东西侧，即向斜左右两翼，主要为白云岩和白云质灰岩。二叠系地层有上统龙潭组（P3l）、中统孤峰组（P2g）、小江边组（P2x）和栖霞组（P2q）。上统龙潭组（P3l）地层岩性以泥岩和页岩为主，位于矿区中部，亦为向斜核部地层；中统孤峰组（P2g）—栖霞组（P2q）地层则呈平行整合接触关系，对称分布于向斜两翼。中统孤峰组（P2g）地层为一套碳酸盐岩相，为碳酸锰矿的主要赋存层位；小江边组（P2x）和栖霞组（P2q）地层主要岩性为硅质岩、硅质灰岩和白云质灰岩；第四系（Q）地层呈风化残坡积物多沿山坡及沟谷分布，一般厚0～20m。图1 研究区地质图 矿区构造较简单，总体为一轴向北东的东湘桥向斜，伴随零星规模较小的近东西向断裂构成了区内总体构造框架。东湘桥向斜在区域上位于荞麦冲—东湘桥复式向斜的南段，该向斜构造控制了区内锰矿的展布。有利的赋矿地层存在，是区内碳酸锰矿产出的基本条件之一。区内碳酸锰矿主要赋存于二叠系孤峰组上段上部地层中，岩性为一套富含泥质和藻类生物的含泥灰岩、泥灰岩；向下一套地层为含硅质的较纯灰岩，锰含量较低，基本未见碳酸锰矿层的发育。因此，二叠系孤峰组上段地层含生物屑的不纯碳酸盐岩控制了碳酸锰矿的产出和分布。构造对碳酸锰矿的控制，不仅表现在区域成矿上，而且对特定矿床的控制上也起到了重要作用。据该区域地质资料表明，在区域上祁零盆地属于成锰盆地，该盆地的发育和形成受多组深大断裂控制。在盆地内发育一组呈雁列产出的近南北向次级向斜构造，向斜构造控制了区内锰矿床的产出，同时也控制了赋锰岩系和碳酸锰矿层的分布及矿层的产状、形态。由此可见，构造对区内锰矿床具有分级控制的特点。孤峰期沉积了一套富含铁锰质的硅质岩、碳酸盐岩和泥岩，由于相邻古陆（江南古陆和雪峰古陆）及火山活动区的物质经强烈化学分解形成氧化硅、锰、铁流入海盆，加之海水表层、海底分别繁育大量放射虫、硅质海绵，故形成锰（铁锰）矿。矿石中的菱锰矿多与藻类生物呈球粒状分布，显示出两者的密切关系。区内孤峰期为泻湖潮坪沉积环境。区内由浅至深不同地层主要岩性分别为第四系（Q4）含砾黏土；上二叠统龙潭组（P3l）泥岩、页岩夹砂岩；中二叠统孤峰组上段（P2g2）泥灰岩、黄铁矿、锰矿；下段（P2g1）硅质灰岩、白云质灰岩；中二叠统小江边组（P2x）硅质岩、硅质灰岩；中二叠统栖霞组（P2q）钙质灰岩夹页岩；石炭系壶天群组（CPH）白云质灰岩等。不同地层岩性电性特征如表1所示。据表1可知，含矿地层由于不同岩石电阻率差异较大，致该地层综合电阻率与上下相邻地层有一定的差异。若仅仅依靠单一视电阻率测量，则很难判断含矿地层在地下深部的埋藏特征，其找矿效果也将大受影响。但含锰灰岩和与之伴生的黄铁矿均表现为极为突出的高极化特征，致赋矿地层综合极化率达14.2%，而其余地层综合极化率均在1.4%及以下，两者形成10倍的差异。因此，含矿地层具有中阻、高极化的电性特征，为采用激电测量进行深部找矿奠定了良好的物性前提。扩频激电（SSIP）系统采集方式为无线分布式高精度阵列采集，发送频率范围为1/256～8192Hz，根据调制阶数的不同频率数量范围为4～256。系统通过发送机发送M序列伪随机扩频信号，大大提高了频域分辨率及信号抗干扰能力；通过无线分布式阵列高精度接收系统实现了大深度、高效率和高精度扩频激电信号检测。在方法上，利用相对相位谱法对电磁耦合感应进行校正，获取激电相位响应和Cole-Cole模型参数；通过扩频信号发射、Robust和相关技术压制电磁干扰，增强信噪比；通过带地形的多频点多装置组合精密反演，实现探测目标的精密成像，得到丰富的地电结构信息；最后通过多频点多参数反演结果的分析，得到勘探成果与地质体的最佳耦合，实现成矿有利区的高可信度预测。扩频激电三极测深装置，数据采用无线分布式阵列接收。施工时，先根据剖面长度和点距计算出测点数量，然后一次性在整条剖面上布置全部测量电极和采集站，再根据设计的供电点逐点供电，每次供电时，所有通道同时测量，当所有设计供电点完成后，整条剖面测量完成。其采集的数据量为常规人工跑极方式的10倍以上，大大提高了反演精度和可靠性，实现地下目标的精细探测，具体工作布设如图2所示。其中，测点距为10m，测量极距MN为20m，最小—最大供电极距A0为15～1500m。发送组合频率为4个的5阶扩频全方波信号，基准频率1/16Hz，供电电流1.0～8.5A。扩频激电数据采集完成后，由ZondRes2D软件反演。该软件针对扩频激电观测方式进行了多次改进，可以对任意供电电极和测量电极组合的扩频激电数据进行反演。本次选择的反演方法为Occam反演，迭代次数为10。根据视极化率的变化范围及测区岩矿石电性参数测量结果，本文将极化率的上限设置为10%。在剖分方面，第一层厚度为10m，增加因子为10%，总层数为30层，最大反演深度为823m。反演结果表明电阻率和极化率反演误差都在可接受范围内，可以将电阻率和极化率反演结果用于解释和钻孔定位。由于探测目标体极化率特征相比电阻率更加明显，其异常推断解释以极化率反演结果为主，电阻率反演结果为辅。从极化率反演剖面图（图3）中可以看出：在平距125m（标高+150m）、200m（标高+50m）、300～450m测段（标高-100m）、600m（标高0m）、725m（标高+50m）和800m（标高+175m）处，出现了多个断断续续的高极化异常体，异常强度达10.0%，而背景围岩平均为1.0%，两者相差10倍。异常体强烈稳定，整体上呈下凹带状特征。图3 T51线扩频激电极化率（a）与地质剖面图（b）在电阻率剖面图（图4）中的平距100～900m，标高-50m至地表区域，为连续稳定的低阻区域，-50m标高以下，则为高阻区域。其连续稳定的低阻区为向斜核部的上二叠统龙潭组（P3l）地层；盆状高阻基底则指示中二叠统孤峰下段—石炭系壶天群组多个高阻地层；其高—低过渡区域（500～800Ω·m），则为含矿地层（中二叠统孤峰上段）埋深处。图4 T51线扩频激电电阻率（a）和地质剖面图（b）对T51号勘探剖面布设了ZKT5101～ZKT5106、ZK1701、ZK3401等8个钻孔，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处的灰岩中，揭露到厚0.9～2.8m锰矿体，经样品测试分析（表2），其品位9.3%～15.2%锰矿矿脉2条。所揭露的矿脉较为连续稳定，其埋藏范围和形态与激电异常带基本吻合。（1）区内锰矿的产出和分布与多种成矿因素有关，与成矿关系密切的主要有地层岩性、岩相和构造等因素。其中地层产状决定了矿床的大致空间分布范围，岩性组分的复杂程度影响了矿石的综合物性特征，而构造则对矿床在地下的形态起到了重塑作用。（2）由于电阻率相对于围岩差异较小，与整个含矿层相比其厚度比例极小，在无法形成一定规模电阻率异常情况下，结合极化率参数，能较好的识别矿层的空间展布。因此，多参数测量是寻找锰矿矿藏的有效途径。（3）经钻探验证，扩频激电法在寻找碳酸岩型锰矿矿床方面是有效的，极化率异常与矿脉揭露深度、形态轮廓十分吻合，电阻率异常较好的反应矿区地层展布信息，同时，扩频激电法工作与传统激电测量方法相比效率快、成本低、激电异常可靠，值得推广使用。
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