Question

地球物理找矿模型的研究与应用

Answer 1

对不同级次的成矿客体所建立的地球物理找矿模型，其功能和作用不尽相同。在应用过程中，关键是要将不同级次的控矿地质因素转化为地球物理参数，进而将地球物理参数转化为找矿标志。在建立地球物理找矿模型的过程中，除了重视岩矿物性空间分布模型 ( 物性参数分布模型) 外，还要注意各类物性参数的推断、反演模型，以及建立地质干扰模型。

( 一) 地球物理找矿模型与区域成矿预测

地球物理找矿模型在区域成矿预测中发挥着重要的作用。利用物性参数模型，模拟或实测地球物理场模型，或开展覆盖区和深部地质填图，或开展区域控矿因素研究，把区域控矿地质模型转化为区域地球物理找矿模型，从而识别区域构造、区域控矿地层和深部矿源体，进而确定成矿远景。

图 4 －10 美国内华达卡林城附近推断出的与卡林型金矿有关的花岗岩侵入体( 注意其露头极少)( 引自 V. J. S. Grauch，1988)

在美国内华达州卡林金矿带，金矿床被认为与深部花岗岩和大的断层系有关。而航磁和重力异常模型可快速圈定这类地质体以及进一步查明金矿床与这类地质特征的空间关系，以更好地了解该区的成矿地质环境，缩小找矿靶区。美国地质调查局主要根据磁测数据编制了内华达深成花岗岩体分布图，由此推断出了深成岩体的边界、岩石组分和年代。通过对比研究发现，大多数已知的浸染型金矿床靠近计算出的磁化强度界面或推断的深成岩。由于岩体大部分是隐伏的，如果不靠磁测是无法确定其整体范围的。图 4 －10 是用磁测结果推断出的与卡林型金矿有关的花岗岩侵入体。

J. M. Leiste 等 ( 1999) 研究了智利北部斑岩铜矿系统的分布与航磁特征之间的关系，其对区域找矿模型的建立具有重要意义。20 世纪 90 年代 CODELCO － Chile公司开始了一项寻找斑岩铜矿的大规模勘查计划，沿Domeyko 断层带进行了航空磁测，面积 800km ( NS) ×60km( EW) ，线距 500 ～ 1000m，离地高度150 ～ 300m，测量总精度优于 1nT。研究表明，所有的斑岩矿床都在横向 ( 东西向) 磁异常范围内或其附近。

据称，这一现象说明智利北部成矿带内斑岩铜矿床具有共同的岩浆源，横向磁异常的存在是大型斑岩铜矿产出的必要条件。据此，可以将智利北部的远景区聚焦到 20 个左右的横向磁异常区的范围内。如果再考虑本区斑岩铜矿都与第三纪岩浆有关，以及有利的断裂构造环境，这样远景区的范围将大大缩小。

( 二) 地球物理找矿模型与矿床普查勘探

在矿床普查勘探的研究程度较高阶段，地球物理找矿模型应用非常广泛。在成矿远景区或成矿区带，通过对已知矿床的方法试验研究，总结其物性和地球物理场 ( 异常) 的特征，以指导其他异常的查证工作，或者开展实测异常与理论模拟的对比分析，进而解释异常形成的原因。这种遵循 “从已知到未知”的原则和深化地球物理找矿模型 ( 模拟) 研究的做法，在实际找矿中颇有成效。

1. 建立并不断修正已知矿床地球物理找矿模型，实现地质找矿突破

成矿区带内的矿床被发现之后，往往会在所发现的矿床上开展不同物化探方法的试验研究，查明已知矿床的地球物理异常模型，以指导其他异常的查证工作。澳大利亚奎河 － 赫利尔矿床的发现便是一个典型的实例。

澳大利亚塔斯马尼亚岛西部的奎河 － 赫利尔地区广泛分布着里德酸性火山岩。这里的勘查活动虽较早，但直到 20 世纪 70 年代之前，其勘查活动基本上是零星的，范围较小，找矿工作未取得实质性的进展。该区的地形条件较恶劣，植被茂密，地质调查和矿产勘查的程度相对较低。

20 世纪 70 年代初，Aberfoyle 资源有限公司依据加拿大酸性火山岩中产出块状硫化物矿床的认识，意识到该地区的里德酸性火山岩是具有含矿远景的成矿区带，于是公司首先开展了区域水系沉积物测量和 400km2的航磁、航电测量。航空电磁测量发现了一些异常。经异常初步评价后，发现奎河异常尤为引人注目，并且与区域水系沉积物化探异常几乎吻合。于是将该异常作为重点查证对象。随后进一步开展了地面电磁测量和土壤地球化学测量的异常查证工作。查证结果验证了区域性航电和水系沉积物异常，于是导致了奎河矿床的发现。

奎河矿床发现之后，一方面继续利用水系沉积物、土壤地球化学、地面电磁法对矿床外围有利的环境进行勘查，另一方面又使用一些其他物探方法 ( 如激发极化法、充电法、自电法等) 在已发现的矿体上作了大量的试验性工作。初步试验结果得出的认识是，塔斯马尼亚岛西部地区成功勘查火山块状硫化物矿床的一个必要准则是 “土壤地球化学异常外加一致的激电异常”。在这一找矿模型指导下，激发极化法一时成为该地区备受青睐的方法。在随后的勘查中，凡是伴随有高地球化学异常的激电异常区均打钻验证，但结果却令人失望，激电异常要么反映的是没有经济价值的浸染状黄铁矿化，要么反映的是黑色页岩。

图 4 －11 澳大利亚赫利尔矿床 10700N测线的 UTEM 异常 ( 垂直分量)( 引自 Aberfoyle Resources Limited，1990)

鉴于激发极化法在该地区未能找到新的含矿目标，Aberfoyle 公司 选 择 了 探 测深 度 较大 的 时间 域 电磁 法( TDEM) 。首先在奎河矿床上进行了试验，有明显的异常反映，并且还发现了原先被其他方法所遗漏的、埋藏较深的透镜状矿体。因此，该方法的试验成功促使勘查人员在该区进行了 “地毯式 ”的覆盖测量以对其他异常进行查证。对测区内唯一值得注意的 TDEM 异常再次进行了更详尽的 TDEM 测量，结果证实了该异常的存在，并圈出了一个由一系列相似弱异常组成的带。图 4 － 11是发 现 弱 异 常 的 一 条 测 线 ( 10700N) 的 瞬 变 电 磁( UTEM) 响应。根据对 UTEM 异常的解释，推断有一个连续的良导体存在，走向长度至少 400m，在 10700N 测线下的埋深约 200m。1983 年对该异常带进行钻孔验证，结果打到了高品位的赫利尔矿床 ( 图 4 －11) 。随后在未见矿的钻孔中作的井中电磁测量也有效地探测到了井旁的盲矿并确定出其几何形态。

2. 开展物探异常理论模型 ( 拟) 对比研究，寻找隐伏矿床

物探异常的成因可以是多解的，如数量最多的磁异常，不仅与铁矿，而且与铜、金和多金属矿床也有密切的关系，其中包括铁铜共生矿床、与条带状含铁建造有关的铜金矿床等。除了分析物探异常的成因外，对异常进行理论模型计算也是很重要的，有助于查明异常的起因。根据露头和浅钻资料建立的物性参数模型进行理论计算，对比和分析理论与实测异常不符的原因，进而发现未知矿床。

( 1) 对成因不明的重力异常进行理论模拟和解释，直接发现了芬兰克雷拉蒂铜钴矿床

芬兰克雷拉蒂铜钴矿床与大多数硫化物矿床一样，容矿岩层为元古宙的花岗岩和片麻岩。20 世纪 80 年代初在解释已知的武奥诺斯矿床和克雷拉蒂之间的老重力资料时，根据露头和浅钻资料建立模型算出的重力场与实测场不符，但如果在剖面中增加一个比重较大、埋深 400 ～1200m 的隐伏容矿岩层，就可以使两者拟合。这一模型直接导致在克雷拉蒂地区再次钻探查证，钻孔浅部岩心发现钴和铜异常，加深后在 500 ～ 600m 之间见矿。这实际上是通过建立剩余异常模型成功实现深部找矿的过程。

( 2) 以航空磁测和地面重磁测量为手段，通过精细的理论模型 ( 拟) 发现了澳大利亚阿布拉铅银铜金矿床

20 世纪 80 年代初，Geopeko 勘探公司在澳大利亚吉拉瓦拉矿化带航磁测量的基础上，开展了详细的地面重磁测量。通过滤波和区域场校正，消除原始数据的噪音，得到了剩余重力异常，结果重磁异常非常吻合，推断为同源异常。

随后，Geopeko 勘探公司对重磁数据进行了定量模拟解释。先作了二维模型，发现异常源的深度偏大，后来选择了三维椭球体进行模拟。磁性体被模拟为长、宽、高分别为1000m、600m 和300m 的倾斜椭球体，顶端深度 270m。根据该模型计算出了重、磁异常，并将计算的重磁异常与实测异常进行了对比，两者吻合度甚好。另外，结合地质上的分析与判断，模型体与当地的地质倾向是一致的。

据此认为，该模型与层控矿化有关，代表了具经济价值的地质目标。随后，对模拟目标进行了钻孔验证，结果在 260m 的深度往下打到了 255m 厚的 Fe、Ba、Pb、Ag、Cu、Au 矿化，与模拟的椭球体的深度很接近。矿化段含大量的磁铁矿、赤铁矿和重晶石。可见，通过对重磁异常的模拟来查证异常是导致该矿床被发现的主要因素。

( 3) 利用井中物探异常模型，实现找矿突破

在地质普查、详查和勘探阶段，为验证地面物化探异常和某些地质推论、解释，往往打有一定数量的钻孔，尤其是在已知矿区或其外围。这些钻孔有的见矿，有的可能漏掉矿体。依据井中地球物理异常模型，可以准确地判断矿体的产状和延深，成为寻找深部隐伏矿或盲矿的一种重要手段。

在井中物探方法中，采用较多的是井中磁测、井中激发极化法、深部充电法和井中瞬变电磁法( TEM) 。井中充电法主要用于圈定矿体范围，确定矿体的产状和埋藏深度，寻找充电孔附近的隐伏盲矿体和在相当大的空间 ( 数十平方千米) 内发现隐伏构造、岩体、盲矿体等。井中地球物理异常模型可以帮助地质学家判定打钻是否已经到位，判定是否已经钻遇地下导体，是否还应再钻进几米，还是已经偏离目标体需要另开新钻等问题，从而提高打钻的成本效益和成功率。

井中物探异常模型可以有效地判断深部矿体有无产出及其产状 ( 产出深度和倾向) 。例如，井中 TEM 系统由于更加接近深部隐伏矿体，可降低上覆盖层的影响，在钻孔周边 200 ～ 300m 半径范围内具有较好的分辨能力，能获取深部隐伏矿体的直接信息，并具有稳定的地球物理异常模型( 图 4 －12) 。在加拿大、澳大利亚等一些老的矿区或矿产普查中，该方法对寻找深部隐伏矿床发挥了主导作用，成为圈定深部隐伏矿床的有效组合方法之一。

图 4 －12 井中瞬变电磁响应模型( 引自崔霖沛等，1999)左图为矿体在钻孔的左侧; 右图为钻孔穿过矿体

找矿实践证明，深部钻孔的井中瞬变电磁异常模型是一种实用和有效的勘查方法。利用这一模型，在深部相继发现了一批极富的铜镍硫化物矿床。例如，1987 年在萨德伯里盆地南缘地下 1280m的深度发现了深部林兹里高品位矿床; 20 世纪 90 年代初国际镍公司利用该方法在盆地的东缘发现了大而富的维克多矿床，在盆地北缘发现了新麦克里达铜镍矿床。维克多矿床矿石储量达 ( 1800 ～3600) × 104t，埋深 2400m，镍品位 1. 5% ～ 2. 6% ，铜 5% ～ 7. 4% ，贵金属 6. 7 ～ 17g / t，含铜 ( 9 ～266) × 104t。新麦克里达矿床埋深 1000 ～ 1500m，铜储量 79 × 104t、镍 5. 8 × 104t，铜和镍的品位分别为 11%和 0. 8%。

近年来，利用井中电磁法模型，在加拿大马尼托巴省斯诺莱克地区发现了奇瑟尔北 ( ChiselNorth) 锌铜矿床，在西澳马吉海斯 ( Maggie Hays) 和艾米丽安 ( Emily Ann) 发现了镍矿床。

( 4) 以经验地球物理模型为指导，实现铁氧化物铜金铀型矿床的找矿突破

随着澳大利亚奥林匹克坝矿床研究的深入，学术界普遍认为铁氧化物铜金铀矿床属于一种新类型矿床。该找矿模型曾经指导澳大利亚欧内斯特亨利 ( 施俊法等，2005) 、显山矿床 ( 王绍伟等，2006) 的找矿突破。近年来，在该模型指导下，加拿大也实现了重大的找矿突破 ( R. E. Goad 等，2000) 。

加拿大 NICO 钴 － 金 － 铋矿床和苏迪尼 ( Sue-Dianne) 铜 － 银矿床位于加拿大地盾元古宙贝尔构造区大贝尔岩浆带南端的马曾诺德湖 ( Mazenod Lake) 地区。该岩浆带长约 800km、宽约 100km，由低钛和高铝的钙碱性火山 － 深成岩组成，火山岩被一套年龄相似的含角闪石和黑云母的深成岩所侵入。

早在 20 世纪 80 年代，研究人员在研究大贝尔岩浆带时发现，该岩浆带的年龄、构造环境，以及区域地质和矿床的地质 － 地球物理特征等方面与澳大利亚的奥林匹克坝矿区非常相似。加拿大地质调查局早期在马曾诺德湖地区工作时就曾强调指出，苏迪尼矿床富含铜 － 银 － 金 － 铀的角砾岩与奥林匹克坝矿床之间有许多相似性，因此，在大贝尔岩浆带对于寻找类似奥林匹克坝矿床规模的铁氧化物多金属矿床来说有很大的潜力。在该区工作的 Fortune 矿产有限公司 1988 年开始在大贝尔岩浆带勘查，特别是 1992 年以后在马曾诺德湖地区勘查时，就使用铁氧化物型矿床找矿模型在该区寻找铁氧化物多金属矿床，他们按照铁氧化物型矿床的地球物理找矿模型为大贝尔岩浆带制定了一项包括踏勘、详细地质填图和地球物理调查的综合性计划。

根据铁氧化物型矿床找矿模型在大贝尔岩浆带开展了地质、地球物理调查。通过在大贝尔岩浆带完成的航空和地面地球物理调查，查明了 NICO 矿床上面钾、铀、磁性、电阻率、极化率、重力等异常相互叠加。附近的苏迪尼矿床也具有铀、钾、磁性、电阻率和极化率等综合异常。区域和局部的地球物理资料表明，在一个广阔的强烈的钾质交代作用区存在大量聚集的铁氧化物。地质填图查明在黑云母 － 磁铁矿 － 角闪石 － 富硫化物的铁岩和片岩中有钴、金、铋和铜的矿化，矿化位于斯奈尔湖群的蚀变岩中。

苏迪尼矿床地球物理标志明显与 NICO 矿床十分相似，存在一个 2km ×1km 大小的总场 ( 800nT)和垂直磁梯度异常中的直径为 1km 的 U、U/Th 和 K 放射性异常。放射性异常中心和磁异常中心偏离200m，在深部矿床向北侧伏。NICO 矿床矿石主要集中在鲍尔带中，最后通过 230 个钻孔探明了 4200 ×104t 矿石，平均含 Co 0. 10% 、Au 0. 5g / t、Bi 0. 12% 。苏迪尼矿床通过 61 个钻孔探明了 1700 × 104t矿石，平均含 Cu 0. 72%、Ag 2. 70g/t。

在大贝尔岩浆带南部进行矿产勘查的结果证明，找矿模型在矿产勘查中有重要的意义。独特的地质环境与广泛的钾质、铁氧化物蚀变带的紧密结合使这类矿床可以采用地球物理找矿模型。依据区域重力、磁性和放射性的特点可鉴别出热液中心，而重力、详细磁测及局部的激发极化调查用来确定特定的钻探靶区。

( 三) 地球物理找矿模型与物探方法组合

地球物理找矿模型是找矿实践经验的总结与升华，是上升为理论、再用于指导实践的一种认识论和方法论。不同级次的地球物理找矿模型可以帮助人们在勘查阶段确定地质任务和选择合理的勘查方法组合。不同成因类型的矿床处于不同的地质环境，其地球物理异常模型也不相同，相应的勘查方法也各有不同。因此，在工作设计之前，必须对已有的地质资料仔细分析推敲，以成因类型为基础，以地球物理找矿模型为依据，优化勘查方案。从找矿角度还需注意成矿系统 ( 体系) 的发育，在同一地区寻找若干种不同类型的矿床。这里拟以火山成因的块状硫化物铜矿床为例加以说明。

据崔霖沛等 ( 1994) 报道，图 4 －13 是前苏联 M. H. 斯托尔普涅尔等 ( 1994) 提出的一种火山岩型铜矿床的地质 － 地球物理找矿模型。其用途有以下几个方面:

1. 选择调查的综合方法

根据地球物理找矿模型，可以判断在寻找给定类型的矿床和建立找矿标志、异常分类准则时哪些异常效应可以被利用，从而正确地选择地球物理调查方法及其合适的组合方式; 可以计算给定条件( 包括引起异常的地质体的大小、产状、埋深、物性和干扰因素) 下所能测到的异常宽度和强度，因而有助于确定观测所用的测网和最低观测精度。根据模型，在给定了观测精度以后，根据干扰的水平和消除干扰的完善程度，可以估算给定的地球物理调查方法勘查深度与目标物大小的关系。

图 4 －13 隐伏火山岩型铜矿床的地质 － 地球物理找矿模型( 转引自崔霖沛等，1994)

2. 选择地球物理调查结果的解释方法和技术

根据地球物理找矿模型，可以有效地把握各类异常和综合异常的空间分布规律，因而有助于选择解释所圈出异常的方法; 选择辨认目标物的标志和评价辨认目标物可靠性的准则 ( 即异常分类的准则) ; 选择深部构造模型，对深部地球物理异常作出合理的解释。

3. 判断施工效果

判断在找矿时哪部分矿体能被查明、哪部分矿体将被漏掉，评价一个地区的找矿工作程度和以后回到该地区做更详细调查的必要性，为此，工作地区的物理 － 地质模型如果选择错了，或者模型过于粗糙，都会造成不良的后果，使在选择调查方法和解释调查结果方面发生错误。

过去用地球物理方法直接找矿时解决的问题比较简单，可以利用比较简单的模型，因而选择模型较容易，不易出错。对这种情况，有时甚至可以不利用模型。例如，在物性均匀的围岩中找一个物性均匀的地质体，方法的效果根据 “有异常”或 “无异常”即可判断。但是，现在的找矿任务很复杂，需要更先进的解释方法，从而提高模型功效。同时，相应提高了建立模型方法技术的要求。