激发极化法在新疆奇台县岩浆岩型石墨矿中的应用

杨彦龙

摘   要：石墨矿相对于围岩物性特征更加独特，主要呈低阻高极化特征。依据石墨的独特物性条件，奇台黄羊山岩浆岩型石墨矿与围岩明显的物性差异，对黄羊山一带石墨矿勘查布设了激发极化法物探测量方法，通过与地质、槽探、钻探等方法的相互验证、补充，取得了重大勘探成果，突破了亿吨级资源储量类别。激发极化法在黄羊山石墨矿勘查边界圈定及深部资源推断中得到了很好的应用。通过对奇台黄羊山石墨矿激电测量的应用与研究，在大面积、埋藏较深的石墨矿勘查中，运用时间域激电及等距对称四极测深装置测得的视极化率（ηs）、通过反演计算取得的视电阻率（ρs）等主要参数，结合石墨矿体的实际产状确定矿体空间位置，以此准确判定矿体分布范围，为下一步地质工作、资源储量预测和工程布设指明方向。

关键词：岩浆岩;石墨矿;激发极化法;视极化率;视电阻率

目前我国优质的大鳞片石墨基础储量减少较快，资源量保障程度低，保障年限仅13年，若按目前的开采方式和速度，国内已探明石墨资源将消耗殆尽，届时我国将从国外高价进口石墨，由石墨大国变成石墨贫国。因此，寻找晶质石墨矿产资源对我国科技发展、国防建设有重要意义。新疆奇台卡拉麦里断裂构造带边缘，是石墨成矿的有利地区，以往发现过苏吉泉等有名的独特类型石墨矿床，2010-2017年，又陆续在卡拉麦里构造北缘的萨尔托海等地发现沉积变质型石墨矿床。受岩浆岩及构造的影响，本地区石墨很少出露于地表，基本被第四系覆盖，地表很少发现露头，对石墨矿床的规模难以确定。因此，常采用物探方法结合其他探矿手段进行石墨找矿（图1）。

前人在本次工作区内未进行过中小比例尺大面积性的物探工作，主要与本测区相关的物探工作为1974年新疆地质局物探大队对位于测区西部的苏吉泉石墨矿开展的物（化）探普查工作，并编有“新疆奇台-青河县苏吉泉石墨矿1974年物（化）探工作总结”。其中，通过矿区物探工作认为石墨矿和含石墨的花岗岩类具高极化率、低电阻率特征，与围岩有明显的电性差异，投入的PS测量和激电PS测量在覆盖区内能较准确地圈定石墨矿体和矿化地段。该成果是区内最早专门针对石墨矿开展的物探工作，为本次工作区內石墨矿物探工作方法选择和成果解释提供了重要依据。

1  调查区概况

1.1  地质概况

奇台县黄羊山一带处于哈萨克斯坦板块之准噶尔微板块北东缘，由北向南横跨洪古勒楞-阿尔曼太早古生代沟弧带、谢米斯台-库兰卡兹干晚古生代复合岛弧带及唐巴勒-卡拉麦里古生代复合沟弧带。

调查区内以断裂构造为主，褶皱构造不发育，断裂构造呈南北分带特征。北部发育NNE、NE向及近NS向断层，中部发育一条近EW向断层，南西部NNW向断层呈集束状穿过调查区，清水-苏吉泉深大断裂NNW向穿过调查区，为主要的控矿构造。

本区出露地层主要为下石炭统黑山头组第二段灰黑色强蚀变粉砂质细砂岩、下石炭统姜巴斯套组第五段深灰-灰色薄-中层状凝灰质粉砂岩、细砂岩、第四系全新统洪冲积、第四系上更新统-全新统洪积物，本次物探测区岩性出露单一，主要以华力西中期第三、第四侵入次的深成侵入岩为主。

该区石墨矿主要分布于不同期次的花岗岩体与地层接触部位，除大面积被第四系覆盖外，均为花岗岩岩体。该区花岗岩体主要为石炭纪第三侵入次中粒角闪石碱长花岗岩、中细粒黑云角闪碱长花岗岩 （同期形成中细粒含石墨混染黑云角闪花岗岩）;第四侵入次细粒（含）石墨混染花岗岩和第六侵入次细粒黑云母碱长花岗岩，两两之间均呈明显的脉动式侵入接触关系。第四侵入次细粒斑状（含）石墨混染花岗岩主要沿第三期次中细粒黑云角闪花岗岩和中粒角闪石花岗岩接触带分布[2]。该侵入体是区内最重要的石墨矿赋存岩性，地貌上整体呈一“盆地”状，产状外侵，遥感影像上呈明显的淡蓝色调[3]，地表以明显的灰白色调与围岩区分，区内出露面积约0.4 km2。

该区石墨矿体矿化体呈近NS向分布，形态不规则，南北控制长约2.1 km，东西控制宽度为250～730 m，平均423 m，整体呈中部膨大，南北两端尖灭的透镜状，南部被NWW向左行走滑断层错断并平移。矿化体与细粒花岗岩脉界线清晰，整体呈渐变过渡特征。

该矿体矿石类型较单一，以中细粒含石墨混染花岗岩为主，次为中粒石墨混染花岗岩和细粒斑状石墨混染花岗岩，寄主岩岩性为细粒斑状混染花岗岩和中细粒混染花岗岩，呈灰白色、浅灰色、浅肉红色，多具斑状结构，斑晶为长石。石墨多以细鳞片状聚集成形态各异的集合体产出，以豆状、不规则细脉状、球状及球斑状构造为主镶嵌分布于寄主岩之上;次为细鳞片浸染状产出，少量与呈绿色的黑云母混染，或弥散于寄主岩矿物颗粒之间。

地表大部分为石墨球体及豆体受挤压破碎后与球体内花岗质碎块分离而沿裂隙面呈碎粉状及细鳞片状充填。石墨球体大部分为细鳞片状石墨层层包裹的花岗质碎块或与花岗质碎块混杂状分布;石墨豆状集合体几乎全部由细鳞片状石墨层层叠加而成，夹心很少，石墨含量总体比呈球状集合体形式产出的石墨含量要高。钻孔成果显示该类破碎带深度均在6 m以内。深部则少见斑晶，寄主岩基本以青灰绿色中细粒混染花岗岩为主。寄主岩中除石墨外，大部分暗色矿物已被石墨交代或与石墨紧密共生。石墨以球状、豆状及细鳞片浸染状构造居多，个别球体直径大于钻孔岩心直径          （48 mm）;次为不规则细脉状及球斑状、斑杂状，石墨富集程度较地表更为明显。

1.2  调查区物性特征

由表1，2可知，调查区岩（矿）石物性特征为：

岩石间电性差异  调查区各岩性岩石标本电阻率测定值的几何平均值从低到高的顺序为：灰黑色细粒浸染状石墨花岗岩为22.00 Ω·m→灰黑色中细粒石墨混染花岗岩为114.85 Ω·m→灰黄色细粒黑云母碱长花岗岩为837.31 Ω·m→浅灰白色中细粒黑云母角闪碱长花岗岩为1 001.69 Ω·m→浅肉红色中细粒黑云母碱长花岗岩为2 742.62 Ω·m→灰黄色细粒黑云母碱长花岗岩为2 962.95 Ω·m→肉红色细粒钾长花岗岩为17 103.13 Ω·m。

调查区各岩性岩石标本极化率测定值的平均值由高到低的顺序为：灰黑色细粒浸染装石墨花岗岩为27.32%→灰黑色中细粒石墨混染花岗岩为12.53%→灰黄色细粒黑云母碱长花岗岩为1.72%→灰黄色细粒黑云母碱长花岗岩为1.46%→浅肉红色中细粒黑云母碱长花岗岩为1.41%→浅灰白色中细粒黑云母角闪碱长花岗岩为1.2%→肉红色细粒钾长花岗岩为0.88%。

主要含矿岩石具低阻高极化特性，次要含矿岩石具高阻中极化特性，其余非矿岩石显示高阻低极化特性。

矿石间电性差异  矿石电阻率几何平均值从低到高的顺序为：灰黑色细粒浸染装石墨花岗岩为    22 Ω·m→灰黑色中细粒石墨混染花岗岩为    114.85 Ω·m;极化率平均值由高到低的顺序为：浸染状石墨矿石为27.32%→混染状石墨矿石为12.53%。

石墨矿石电阻率最低、極化率最高，具显著的低阻高极化率特性。

岩石与矿石间的电性差异  石墨矿石的极化率是其它岩石极化率的7～31倍以上;其它岩石的电阻率是石墨矿石的7～770倍以上，差异较大;石墨矿石具显著的低阻高极化特性。总体而言，围岩与石墨矿化体比较，具高阻低极化性质。此外，根据区内激电工作结果，岩体间断层附近显示低阻特征，地表矿化蚀变带（褐铁矿化）显示中低阻特征。

以上岩矿石电性特征说明，在调查区开展物探电法石墨矿勘查工作具备了良好的物性前提。

由表2可知，钻孔深部岩（矿）石的物性特征为：整个测区纵向物性特征较明显，在深部，含石墨较多的地段主要呈中低阻中高极化异常特征，电阻率值处于30～2 000 Ω·m范围，表现为中低阻特征，极化率值为3.16%～9.38%，属中高极化范畴。

局部工程虽然石墨含量较多，由于后期岩浆冷凝作用，石墨网格不连通，出现高阻中高极化特征，如ZK704深部20～70 m呈明显高阻中高极化特征，电阻率值处于1 500～6 000 Ω·m，表现为中低阻特征，极化率值为1.38%～6.71%，属中高极化范畴。

综合深部物性参数分析，本区纵向电性分布在极化率值≥4%，电阻率值在n×10～2×103范围内，石墨矿化连续，矿化分布均匀，矿化程度高，成矿好;极化率值在3.5%～4%，电阻率值在n×102～n×103范围内，石墨矿化不连续，呈豆荚状、小透镜状分布，矿化分布不均匀，矿化程度较弱，成矿一般;极化率值在0.3%～2%，电阻率值在n×103～n×104范围内，均为黑云母花岗岩，为含石墨花岗岩的顶（底）板围岩，无石墨矿化现象。

2  野外测量方法

调查区物探测量工作主要使用WDFZ-10大功率激电测量系统进行数据采集，野外施工剖面工作装置为中间梯度装置，测深装置采用对称四极装置。根据野外试验，工区参数设置：叠加次数2次，延时200 ms，宽度40 mm，周期8 s。测量电极距选用MN=40 m，满足MN≥（1/50～1/30）AB距的要求。激电测量过程中，供电电流±1000≤I≤±5000 mA。要求观测并储存每个点的测量数据，并当日传输到电脑中及时备份;同时记录当天的主剖面线号、供电电压、供电电流，以及每个测点的一次电位（Vp）、自电（Sp）和视极化率（ηs）。

野外测线布设，大致垂直调查区内构造走向布设激电剖面，在激电剖面所测的异常地段布设激电测深点。

3  数据、图件整理及异常划分

对野外采集的原始数据进行整理、检查和备份，并作100%的检查，5%抽查合格后，方可进行相关的数据处理及成图。把检查合格的原始数据，使用专业软件进行相关的统计计算及综合分析，编制相关的统计表，绘制相应图件。

物探异常圈定原则：把整个调查区所观测的视激化率数据用物化探专业统计软件进行分布检验，选择最接近标准对数正态分布曲线的直方图统计其背景值，按异常下限公式lg（Ca）=lg（Co）+n×lg（δ）   （其中，lg（Ca）为异常下限值，lg（Co）为背景值，δ为标准差，n取值为1）计算视激化率异常下限值。根据视激化率异常下限值，勾绘出调查区视激化率背景区、异常区、异常中值区、异常高值区。工作成果的图件均采用GPS测定数据成图。收集有关地质、物化探资料，做综合推断解释。

4  激电成果分析

4.1  激电中梯扫面资料分析

调查区内共布设激电剖面线47条，线号为100～560，大部分地区覆盖较厚，局部基岩出露较好，出露基岩以黑云母花岗岩及钾长花岗岩为主，地表偶见石墨风化后的残留。

通过激电面积性测量工作，根据电阻率及极化率异常变化情况，共圈定一个低阻高极化异常带，后期根据地表探槽揭露及样品分析结果，在异常带内圈定一个矿致异常带，具体如下：

视极化率异常特征  异常带位于测区中部，异常区长3.6 km，平均宽1.5 km，出露面积3.99 km²，异常往南未圈闭。异常区视极化率值为4.0%～37.12%，平均值8.54%，总体呈近NS向的不规则带状分布，属于高极化异常体。

视电阻率异常特征  异常带位于测区中部，异常区长3.7 km，平均宽2.5 km，出露面积5.70 km²，异常往北、东、南未圈闭。异常区视电阻率值为10～1 000 Ω·m，平均值400 Ω·m，总体呈近NS向的不规则带状分布，属于中低阻异常体。

综上所述，根据视极化率及视电阻率异常分析，异常处于黑云母花岗岩区，局部为负地形，混染状石墨花岗岩及隐伏破碎带为引起中低阻高极化异常的直接原因。

根据地表槽探工程、深部钻探工程、样品测试、物性标本测量，在整个异常带中综合各类技术方法验证情况下划分出一个矿致异常范围（图2）。异常出露长2.4 km，宽0.9～1.8 km，出露面积2.64 km2，异常内视电阻率10～400 Ω·m，视极化率5.48～37.12%，为石墨花岗岩引起的低阻高极化矿致异常。

4.2  综合剖面分析

调查区共布设激电测深剖面4条，下面选取调查区内中部典型的210线综合解释断面图进行分析、解释。

该测线位于调查区中部，长2 300 m，方位90°，位于花岗岩岩体中，西部为细粒黑云母花岗岩，中东部位细粒含石墨混染花岗岩。

通过激电测深反演断面图3结果分析：

①210号激电剖面上100～148号点之间为低极化（ηs=1.96%～6.42%）中低阻（ρs=60～770 Ω· m），岩性主要为灰黄色细粒黑云碱长花岗岩，岩体出露较完整;150～210点为中极化（ηs=7.37%～11.59%）低阻（ρs=10～50 Ω· m）矿化蚀变带，岩石局部节理裂隙面充填石墨较多，破碎程度较高，石墨呈不连续分布，此异常区间经过IP-Ⅱ异常区中断;212～318点为高极化（ηs=7.38%～34.12%）低阻（ρs=5～150 Ω· m）石墨混染花岗岩，异常区间经过IP-Ⅰ异常区的北部。320～340号点之间为低极化（ηs=1.15%～5.72%）低阻（ρs=10～100 Ω· m）区，出露基岩主要为灰黄色黑云碱长花岗岩，岩石破碎程度较高，节理裂隙较发育，局部褐铁矿化较强。

②激电测深地电断面。视电阻率地电断面：一个筒状低阻层，一个椭圆状中高阻层;对应电阻率异常，视极化率深部有三个高极化层，高极化异常往深部有延伸趋势。

③反演推断地电断面。反演推断134/210～226/210为一层中低阻高极化体，视电阻率浅部→深部，中高阻层→低阻层→高阻;230/210～318/210为一层低阻高极化体，视电阻率浅部→深部，均为低阻层。根据反演结果推断，134/210～226/210深部椭圆状中低阻高极化异常顶板埋深110～130 m，底板埋深400 m;230/210～318/210低阻高极化筒状异常体顶板出露于地表，底板埋深推测500 m，根据电性特征，异常有往深部延伸趋势。

④钻孔验证情况。针对物探异常深部反演情况，进行深部钻探验证（图4）。经过验证，石墨矿化体分布于地表往深部440～500 m之间，验证深部分布情况基本与激电异常形态相似，局部斜孔进行控边，见矿情况与激电异常圈定界线误差2 m左右，激电异常的可靠程度较高。

4.3  综合认识

激电中梯剖面及激电测深大致查明调查区内石墨矿化体的分布范围及深部变化形态，基本查明调查区内含矿岩体的分布形态。含矿岩体（含石墨中细粒混染花岗岩）总体呈岩基状产出，空间展布形态为厚板状，经钻探验证，效果较好。

5  结论

结合钻探验证及地质资料、岩矿石物性特征，利用时间域激电测量资料，大致查明岩体深部石墨矿体的发育特征，提高了识别石墨矿体与围岩界线的可靠性。实例应用表明，激电测量对岩体中石墨矿与围岩界线的分辨力较好，能较准确的探测矿体与围岩的界线、推断石墨矿体的深部延伸情况。

激电测量在奇台黄羊山矿区很好地圈定了石墨矿分布范围及成矿有利靶区，为进一步勘查工作提供了充分依据，时间域激发极化法在岩浆岩型石墨矿的找矿效果较好，且经济价值较高;激电测深对岩浆岩型独特的深部筒状矿体反应效果很好，根据钻孔显示，通过激电测深基本能达到深部圈矿的目的。综合研究表明，激发极化法为寻找岩浆岩型石墨矿最直接有效的技术手段。

致谢：本文为中国地质调查局项目“大宗紧缺矿产和战略性新兴产业矿产调查工程”（12120115038801）资助的成果，感谢刘士毅院士、罗先忠教授、庄道泽教授、王俊杰等专家的指导和启发。

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