0 引言

锰作为关键金属之一在全球高科技产业中占据着重要的地位（毛景文等，2019；孙凯等，2022）。中国是全球锰矿资源消费第一大国（陈甲斌等， 2020），锰矿资源在国家经济发展中占据重要地位，对国民经济发展影响深远。然而中国锰矿资源普遍具有矿床规模小、品位低、开采成本高、杂质多、可选性差、粒度细及选冶条件差等特点（高艺和刘宏杰，2020；孙宏伟等，2020；程湘等，2021），国内日益增长的锰矿消费需求远超产能（陈旭等，2019），被列为紧缺矿种，每年需从国外进口大量锰矿石，是世界上最大的锰进口国。非洲锰矿资源占全球已探明储量的 70%（任军平等，2021），加纳是非洲主要的锰矿产出国，矿石品位高（锰含量高达42%～54%），且锰矿体埋藏浅、厚度大，是全球少见的优质锰矿。为积极响应“一带一路”倡议（谢进，2018），参与全球分工和产能合作，中国企业收购了加纳西部省某锰矿，计划将目前 300 万 t 产能提高至 1500 万 t，为了保证矿山可持续性发展，必须加大勘查力度，扩大资源储量。

当下对锰矿资源的勘查手段仍以地质手段为主，即以区域成矿作用的地质背景为基础，综合运用各种地质手段研究成矿地质条件，分析各种地质信息，判断有利位置，并辅以槽探、钻探等验证手段，最终达到找矿目的（俞胜等，2022）。传统地质找矿方法周期长、成本高，鉴于此，地球物理方法越来越多应用到锰矿勘查中，并取得了良好的效果。赵雪娟等（2013）在陕南汉中某锰矿勘查中运用高精度磁法和激发极化法取得了较为理想的结果；刘志臣等（2016）将CSAMT法应用到贵州锰矿勘查中，有效探测和判断了构造发育情况和深部锰矿体赋存位置；沈小庆等（2021a，2021b）将音频大地电磁法运用到锰矿勘查中，研究矿床深部构造，为深部找矿提供了技术支撑；林佳富等（2023）将广域电磁法三维反演应用到青海三通沟北锰矿勘查中，验证了其具有很好的深部找矿潜力。这些工作证实了物探方法在锰矿勘查中的可行性和有效性。

研究区位于加纳共和国西部省塔夸市恩苏塔镇（北纬 5°16′43.8″，西经 1°58′49.8″），地处热带雨林地区，表层覆盖物厚度较大，露头极少，给传统地质找矿工作带来了极大的困难。为此，笔者提出利用地球物理手段勘查锰矿体，在分析研究区地质特征及地球物理特征基础上最终选定了激发极化法。激发极化法是以岩（矿）石的激发极化效应差异为物性前提，用人工地下直流电场激发，以某种极距的装置形式，研究地下横纵向激发极化效应的变化，以查明矿产资源和解决有关地质问题的方法，所采集的是视极化率和视电阻率两个参数，一种方法多个参数可获得锰矿体更多的有用信息，在解译中相互印证，可有效降低地球物理方法的多解性，提高勘查准确度。该方法技术成熟，近年来已广泛应用到金属矿产勘查中，并取得了良好的效果（周多等，2016；孙仁斌等，2017；张晓东等，2017；蒙凯等，2018；张文雨和胡浩，2021；李生虎，2022；刘海飞等，2023），其勘查深度可达地下500 m以上，满足研究区勘查深度要求，并且效率高、成本低，钻探验证结果表明了其在隐伏锰矿勘查中的可行性。

1 区域地质特征

研究区大地构造位置处于西非克拉通东南部， Ashanti带（变质火山岩）南端（图1）。区域地层主要有Birimian和Tarkwaian两个岩群，Tarkwaian岩群呈不整合接触上覆于Birimian岩群上。区域构造以北东向构造构成区域基本格架，北东向的褶皱带和断裂带相间排列平行分布，Sefwi-Bibina 构造带和 Ashanti 构造带控制着 Birimian 岩群和 Tarkwaian 岩群地层的展布。断层主要有北东向和近南北向两组，以北东向断裂构造最为发育，是加纳西南部金矿成矿带的主要划分依据。区域岩浆岩主要分布有Synvolcanic侵入岩系Belt型花岗岩和Eburnean深成岩系 Basin 型（Cape Coast型）花岗岩，呈岩株状侵位于Birimian岩群、Tarkwaian岩群地层中，具有造山期后产出地质特征，对矿产起改造和富集作用。

区域矿产以锰、金、钻石为主，部分地区铝土矿发育。研究区位于规模最大、矿点分布最多的阿散蒂成矿带内，该带内南段的沙马、迪赫科韦、Nsuta及阿希姆、普雷斯特阿及更北的科农戈均有锰矿床 （矿点）发现，阿散蒂带两侧的基比—温内巴成矿带、阿散克兰戈瓦成矿带内均发现锰矿床（矿点）。

2 研究区地质特征

2.1 地层

研究区主要出露上 Birimian 岩群地层和 Tarkwaian 岩群地层（图2）。上 Birimian 岩群出露于研究区大部分区域，自下而上分为3个部分：下绿岩火山碎屑岩、沉积岩系列和上绿岩火山碎屑岩。含锰岩系位于沉积岩层中，以上部和下部的火山沉积序列为边界，沉积系列构成为：下沉积层凝灰岩夹杂砂岩和泥岩夹层，碳酸盐层（赋存碳酸锰矿石），上沉积层凝灰岩、砂岩和泥岩。碳酸锰矿层在空间上分为上下两个浊积岩层，该沉积系列中的细粒黏土层含大量有机炭，具有高导电性；Tarkwaian 岩群出露于矿权区西侧，主要岩性为泥岩、砂岩、石英砾岩及底砾岩，呈北北东向长条状展布。

2.2 构造

研究区发育构造主要为逆冲断层及其伴生的近直立的褶皱，断层与褶皱翼近平行分布。褶皱构造为轴向北东的背斜，轴向在走向和倾向上均有扭曲，北西翼主要岩性为凝灰岩、炭质板岩、砂岩等，倾向 260°～265°，倾角 60°～52°，向西产状逐渐变缓；南东翼向东倾斜，局部伴有复式褶曲，倾向115°～134°，倾角 88°～55°，主要岩性为凝灰岩、灰色凝灰质细砂岩、碳质板岩夹硅质条带、凝灰岩、绿泥片岩等。研究区断裂构造极为发育，主要构造线以东— 北东向为主广泛分布于区内，北东方向Tarkwaian岩群与 Birimian 岩群的界线推测为一条逆冲推覆断裂，区内延伸近17 km，一条近东西向性质不明断层横切Birimian岩群褶皱及已知矿体，其他北东东向、南北向、北西向、北东向几组断层在采坑内均有出露，但规模均相对较小，对原始矿体造成破坏作用。

2.3 岩浆岩

研究区岩浆岩主要为Birimian岩群的火山岩与 Eburnean 期侵入岩。火山岩包括细碧岩、安山岩和流纹岩，呈小透镜体产出，这些火山岩为浅成辉绿岩及斑岩所侵入。侵入岩主要为 Eburnean 期侵入岩系的中—酸性侵入岩系，年龄在2072 Ma左右，主要岩性为闪长岩、花岗闪长岩，粒度细，多以岩脉的形式顺层产出，其长轴方向与北东向主构造一致，局部具有浅成及超浅成岩特征，部分可见绿泥石化现象。该类岩体石英脉发育，周边闪长岩体见大面积石英脉产出。研究区东北角见流纹岩产出，区内未见大面积侵入岩体分布，降低了矿体被岩浆岩体所破坏的风险。

2.4 变质作用

研究区变质作用程度较低，为绿片岩相（或低绿片岩相），成分一般为石英、钠长石、绿泥石、绿帘石、绢云母和碳酸盐矿物，沉积成因的泥质岩多数变质为板岩（含硅质、碳质），火山碎屑岩多数发生明显的绿泥石化作用，部分变质为绿泥片岩，局部可见少量的角闪岩，构造强烈部位可见千枚岩化、片理化现象。

2.5 成矿条件

该锰矿床成因类型为海相沉积型，成矿物质来源于海底基性火山喷气和热液岩浆物质的渗透，以胶体的形式赋存于水体中。火山喷发的间歇期，深水还原环境下，火山喷气带来Mn、Si、Ca等成矿物质和 CO₂等气体，使一部分 Mn与 CO₂直接进行了无机沉淀。另一部分 Mn被藻类在生命活动过程中吸收作为养料，藻类死亡之后，由于早期成岩和脱水作用，藻体分解，锰质从中活化出来，与孔隙水中 CO₂ 结合形成 MnCO₃，进一步沉淀，促使锰质进一步富集，形成碳酸锰矿层。此后，随着海水中 Mn含量的降低，锰矿体被一套碳酸盐岩、含炭质硅质的浊积岩层所覆盖，成岩后遭受低绿片岩相区域变质作用。锰矿床产于泥质凝灰岩中的碳酸盐地层中，矿床为层控透镜状矿体，地表表现为原生、碎屑堆积的氧化锰矿体，深部则表现为碳酸盐锰矿体。受构造影响矿层强烈扭曲断裂，矿体产状沿倾向由缓变陡东倾，沿走向方向厚度呈不连续性和明显的变化，矿体厚度为 6～120 m，矿体局部经构造作用，被折叠、位错，形成阶状、膝折、波状弯曲，其包络面总体显示倾向南东。分带特征明显，从上到下分别为锰帽、氧化矿体、原生矿体。

3 物性特征统计与试验

3.1 电性特征

为了解研究区内的电性特征，在研究区采集了 117 块标本，包括底砾岩、绿泥片岩、凝灰岩、闪长岩、碳酸锰矿石、碳质板岩、氧化锰等 7 类岩矿石，采用面团法对各岩性标本的电阻率和极化率参数加以测定并统计分析，结果见表1。由表可见，电阻率参数方面：绿泥片岩、碳质板岩和氧化锰呈现出低阻特征，尤其是氧化锰电阻率呈现出极低电阻率特征，平均值仅为6.4 Ω·m；底砾岩、凝灰岩、闪长岩和碳酸锰矿石呈现出相对高阻特征。极化率参数方面：底砾岩、绿泥片岩、凝灰岩和闪长岩呈现出低极化特征；碳酸锰矿石、炭质板岩和氧化锰呈现出高极化特征。显而易见，锰矿赋存层位与其他岩层在极化率参数上存在明显差异，为高极化率特征，利用极化率参数可以判断锰矿化带范围；碳酸锰矿石相对其赋存围岩在电阻率参数上呈现出相对高阻特征，进一步通过电阻率差异特征便可确定锰矿赋存位置，达到探矿目的。

3.2 剖面试验结果

为进一步认识研究区电性特征，在正在开采采坑南部覆盖层较薄处布置一测线开展激电剖面试验，测线方位 SE102°，点距 20 m，试验结果见图3。由图可见，100 点～140 点呈低阻高极化特征，为碳质板岩引起；110 点～138 点呈相对高极化率异常，对应视电阻率场值为小号点相对高阻，大号点相对低阻，相对高视极化率高视电阻率异常段边界与碳酸锰矿体边界基本吻合，为矿体反应特征，相对高视极化率低低电阻率为含氧化锰碳质板岩引起； 140点～160点呈相对高电阻低极化特征，为凝灰岩引起。试验结果进一步证明了激发极化法在本区开展工作的可行性。

值得注意的是，碳酸锰矿层厚度较小，虽然物性特征显示其为高阻，但由于其赋存层均为低阻特征，且厚度远超矿层厚度，故在中梯剖面上会减弱或湮灭其高阻特征。

4 野外工作方法及推断解释

4.1 野外工作装置及参数

野外数据采集使用北京地质仪器厂大功率激电测量系统，即：DJF10—1A 10kw 发送机和 DWJ—3 B 微机激电接收机。首先利用激电中梯装置发现和圈定激电异常，确定矿化带平面位置，再通过激电测深剖面获得矿体空间分布特征，达到找矿目的。

本次激法极化法工作参数为供电时间4 s，占空比为 1∶1的双向短脉冲制式，周期为 16 s，断电延时 100 ms，多块面积方式测量，测量次数2次。激电中梯剖面供电极距 AB 为 1500 m，观测范围严格控制在排列中心 AB 距的三分之二内，MN 长度为 40 m，导线方式测量，点距40 m。激电测深测量时采用对称四极装置类型，AB/2最小为3 m，最大为750 m。

4.2 异常特征及推断解释

研究区分为A、B两个区，共完成激电中梯11条剖面（18.9 km），激电测深工作5条剖面（40个测点） （图4）。工作中 A 区地势较低，物探工作开展期间正值雨季，地面积水较为严重，部分区段形成沼泽，自然电位较高，对有效信号带来一定干扰，并影响后期钻探设备进场，未对异常加以验证，故本文以B 区工作为例探讨激发极化法在锰矿勘查中的应用效果。

在前期1∶2.5万地质测量（草测）、1∶1万地质测量（简测）及化探成果圈定的 Mn3 锰矿化带中心部位垂直矿化带走向布置了一条长 3 km 的激电中梯剖面，剖面编号为 240，图5 为经数据处理后得到的视电阻率和视极化率剖面图。由图可见 4720～6160点之间呈现出高极化率异常，结合岩矿石物性特征和试验剖面内容推断为锰矿化带位置，前期化探成果表明 4600～5000 点和 6450～6750 点间为锰土壤异常范围，据此推断4720～5000点为锰矿体位置，5000～6160 点为炭质板岩，其它相对高阻低极化区域为凝灰岩引起。

为进一步了解矿体范围、产状、形态及埋深情况，在 4760～4960 点间以 40 m 点距进行激电测深测量，采用 GeoElectro 电法数据处理软件系统对各剖面数据进行二维自动反演，反演迭代次数大于 5 次，截断误差为5%（图6）。反演电阻率断面图显示 100 m深度范围内呈现出低电阻率特征，100 m以下为高阻特征，高电阻率范围内在200 m深度和350 m 深度出现两个局部高峰值。对比反演极化率断面图，低电阻率特征区域为高极化率特征，结合电性参数统计结果推断为含氧化锰的炭质板岩引起；深部极化率异常夹持于浅部和深部高阻异常之间的梯度带上，推测为碳酸锰矿体引起；两个电阻率局部高峰值区域为低极化率特征，推测为凝灰岩引起。据此得出解释图（图6c），推断矿体顶部埋深在 200 m左右，倾向南东。为了验证推断解释结果，在 4920 点处布置一 300 m 深垂直钻孔，钻探结果与推断解释情况相符，在 10 m 和 250 m 深度各采集了基本分析样，锰矿品位分别为 11.56% 和 40.99%，进一步表明了激发极化法在锰矿勘查中的有效性。

5 结论

（1）研究区岩（矿）石电性参数测定和试验剖面结果表明碳酸锰矿石为高阻特性，但由于赋存层厚度相对较大且为低阻，在剖面测量中其高阻特性会被压制。研究区矿化层与赋矿围岩之间存在明显的激电差异，表现出低阻高极化率异常特征，在剖面工作中可以作为判断矿化范围的依据，结合化探异常进一步明确了含矿层位置。

（2）遵循从已知到未知的原则，以岩矿石间电性差异特征和试验剖面所得结论为依据，通过中梯剖面法圈定激电异常，判定了可能的矿致异常，划分了成矿有利地段。在此基础上部署激电测深剖面工作，通过定量反演获得地下电性空间分布特征，结合电性参数研究电阻率和极化率分布规律，推断解释锰矿体与围岩分布特征及其产状、埋深及连续性。

（3）后期钻探验证表明，激发极化方法在该区隐伏锰矿勘查中效果良好，且其效率高，成本相对较低，可推广应用。

a—反演电阻率断面图；b—反演极化率断面图；c—推断解释图

参考文献