0 引言

月牙湾铜镍矿床位于新疆东天山卡拉塔格矿集区西段，是继白鑫滩、路北等矿床之后，在库姆塔格砂垄西侧发现的又一铜镍硫化物矿床，扩大了东天山铜镍的找矿空间（毛启贵等，2018；吕晓强等， 2019，2020；田杰，2019）。近年来，该区开展了大量物探方法试验，涉及重力、航磁、大功率激电、瞬变电磁、频率域电磁法（MT、AMT、CSAMT、广域电磁法）等方法，在岩体圈定、矿化体探测和深部岩浆通道推断等方面均取得一系列成果，指导了后续钻探工作的开展。

随着研究区勘查工作的深入，前期地面物探工作在400~500 m以浅推断的岩体边界、断裂、赋矿空间等大多得到了钻探验证，CSAMT、AMT、TEM、大功率激电测深等方法在此区均具有较好的应用效果。但随着勘探深度的增大，以上方法均存在探测深度有限或者深部分辨率较低的问题，难以满足更大深度的精确探测要求。主要原因是研究区所处的大南湖组地层为低阻背景，平均视电阻率低于 50 Ω·m，导致电磁信号衰减快或大极距测深一次场信号弱，从而限制地面电法工作的探测深度。

井中物探方法因可将发射或接收装置放在井中工作，距离目标体更近，在异常分辨能力及探测深度上均有较大优势。地-井TEM测量是一种较成熟的物探方法，在国内外均得到了较广泛的应用，取得了令人瞩目的成果。国外相关研究始于 20 世纪70年代，在80年代获得快速发展，90年代初期三分量仪器便得以商业化，目前该方法在加拿大、澳大利亚等国已被广泛应用（杜庆丰等，2019）。近20 年来，国内在地-井 TEM 方法上也开展了较多的研究工作，在板状导体异常特征分析、三维正演模拟、异常解释等方面均有相关成果发表（戴雪平，2013； 李建慧等，2015；徐正玉，2016；许新刚和徐正玉， 2017；武军杰，2018）。在应用方面，早期所使用的仪器设备均需从国外进口，高昂的价格以及下井设备的高风险，制约了该项技术的开展和应用。近年来也见有相关应用实例发表，前人在安徽黄山岭、湖北铜绿山矿区开展的相关试验取得了一定效果 （张杰等，2013）。2007—2018 年，全国危机矿山接替资源找矿勘查项目在吉林省红旗岭铜镍矿床利用 EM67 瞬变电磁系统完成了 6 口钻孔（4325 m）的地-井五方位三分量 TEM 测量工作，进行了系统试验、正演理论计算、相关处理软件编制等，总结了一套野外工作经验（杨生，2010^①）。

为了解地-井TEM方法在月牙湾铜镍矿床勘查中的应用效果，本文选取区内已完工的 ZK7-3钻孔开展了地-井五方位 TEM 探测试验。试验结果表明，井中 TEM 响应曲线特征与已知矿体吻合较好，通过不同方位发射框的探测结果大致推测了矿体在井旁的延伸方向，证明了该方法在深部铜镍矿体勘查中是有效的。

1 方法原理

地-井瞬变电磁法是将发射线框布置在钻孔上方或钻孔附近的地表，接收系统位于地表，并利用接收探头在钻孔中逐点测量发射关断后地下地质体中感应的二次场，以此研究井中及井旁的电性分布结构，其方法原理如图1所示（蒋邦远，1998）。

当发射回线的脉冲电流从峰值跃变到零时，一次场立即消失，而地下介质中的感应涡流有一个衰变过程，这个过程的特征与地下电性结构分布有关。通过研究井中感应二次场在空间和时间上的变化特征，可以达到研究钻孔周围电性分布结构的目的，从而发现井旁、井底盲矿体，或推断已见矿体的空间分布与延伸方向（张杰，2009）。

地-井TEM除了单发送回线装置外，还可以采用多方位发送回线装置（图2），通过不同发射框异常幅值的差异推断目标体的赋存方位（邓晓红等，2019）。

地-井 TEM 方法具有以下几方面特点：①具备井旁探测能力，可以用于寻找井旁或井底盲矿体；②纵向分辨力强，能推断良导电目标体的深度、产状及延伸方向；③接收线圈更接近地下良导电目标体，能获得更强的异常响应；④接收探头放在井中观测，受浅部覆盖层影响小。

2 研究区概况

2.1 地质-地球物理概况

研究区周边主要出露一套下泥盆统大南湖组地层，主要岩性有砂砾岩、安山质角砾熔岩、安山岩、玄武岩、角砾凝灰岩、凝灰岩、凝灰质砂岩等。该套地层的平均视电阻率约为50 Ω·m，构成了矿区的低电阻率背景，是以往常规地面电法勘探深度受限的主要原因。区内与铜镍成矿关系密切的两个镁铁质杂岩体呈月牙状、环状小岩株产出于相对高阻的安山玄武质围岩中，在 1∶5 万地球物理测量资料中整体表现为高磁、高重、高阻、高极化的“四高” 特征，此异常组合特征也是卡拉塔格矿集区周边寻找铜镍找矿靶区的重要标志。

研究区北侧Y1岩体呈近南北向展布，地表出露面积约0.53 km²，地表呈明显的负地形，岩体岩相分异明显，地表主要岩相有细粒橄长岩、粗粒橄长岩、橄榄辉长岩、淡色辉长岩，不同岩相之间渐变接触，具有同源连续演化侵位的特征，并且显示向北东方向基性程度降低的单向演化。

研究区勘探初步控制的 6 个铜镍矿体均位于 Y1岩体中（图3），矿体主要赋存于镁铁质杂岩体中下部基性程度较高的橄榄辉长岩相内及橄榄辉长岩相与橄长岩相的接触带附近，向下有明显富集趋势。矿石主要有浸染状—稠密浸染状和贯入的块状、脉状两种矿化类型，后者常构成富矿体，矿体整体倾向北东向。已控制的铜镍矿体赋存空间在1∶1 万中梯及各类电测深断面上均表现为高阻背景中的局部低阻特征，与铜镍矿体典型的“三高一低”特征吻合。

2.2 钻孔物性参数特征

本次开展地-井五方位TEM测量的ZK7-3钻孔位于研究区7号勘探线，钻孔开孔方位角240°，倾角 75°，终孔深度 680 m。试验开展前对钻孔岩心进行了系统的物性参数测量（图4），根据岩性差异大致将钻孔分为以下3段进行描述。

上部 0~380 m：主要岩性为辉长岩、角闪辉长岩，主要成分为辉石、斜长石、少量角闪石、橄榄石及其他暗色矿物，见有浸染状—稀疏浸染状磁（镍） 黄铁矿化及少量斑点状、斑团状黄铜矿化，Cu 含量大多低于 0.3%、Ni 含量大部分低于 0.1%。其中，0~200 m由于采样标本数量少，规律性不明显，200~380 m 段岩心物性测量结果显示，此段具有较高的极化率，幅值在5%~20%，主要与浸染状硫化物含量高有关；岩心密度主要为 2.72~2.95 g/cm³；磁化率主要分布在500~1400 × 4π·10^-6 SI区间；电阻率除局部裂隙及矿化发育段外整体数值高于下部测量值。

中下部 380~587 m：主要岩性为中细粒橄榄辉长岩，为研究区主要赋矿层位，也是本次地-井TEM 工作探测的重点区。根据 Cu、Ni元素含量圈定了 5 层铜镍矿体，其产出位置多集中于岩体底部。此段极化率、密度、磁化率参数明显高于上部辉长岩段，在450 m以下，多块岩心标本极化率超过40%，且在 470 m、580 m附近有2个明显的高极化区；电阻率参数表现出明显的局部低阻特征；磁化率和密度参数也明显升高。

钻孔底部：主要为角砾凝灰岩地层，由火山灰、火山碎屑及岩石碎屑组成，层纹明显，断续可见长石、石英碎屑，局部发育硅化、弱绿帘石化。此段极化率快速下降到0.5%左右，硫化物含量较少，密度均值为2.68 g/cm³，磁化率为20~200 × 4π·10^-6 SI，与上部岩体相比有明显的物性差异。

3 工作方法及技术参数

本次研究使用凤凰公司V8多功能电法系统，发射机型号为 TXU-30，接收探头型号为 JZTEM-15K （Z），有效接收面积为10000 m²。

地-井五方位 TEM 发射框部署如图3 所示，发射框大小为 400 m×400 m，在井中逐点观测各发射框的瞬变电磁垂直分量。首先开展中心发射框采集工作，点距为 5 m，根据中心框异常曲线，在无明显异常段对其他4个发射框采集点距抽稀至10 m。

施工前分别选取 25 Hz、10 Hz基频观测进行了噪声及频率试验，晚期道时间依次为 6.28 ms、18.8 ms。附近在有钻机施工时晚期道噪声电平约为 1 nV/m²，钻机停机后噪声电平为 0.3 nV/m²。综合背景噪声及关断时间，实际工作采用25 Hz基频。

本次记录各测点的时间序列数据，数据处理根据各测点早期道响应电位特征，选取0.2 ms为首个窗口，保留20个测道，各测道取样时间见表1。

4 异常解释推断

4.1 单点异常特征

提取 ZK7-3中心框发射、井中不同深度接收数据，绘制各深度归一化感应电动势曲线（图5、图6）。其中，在 515 m 深度低阻区的测量值在早期道明显低于400 m深度的相对高阻区；在晚期道时，又出现响应幅值高于上部高阻区的特征。单点异常曲线在低阻区总体表现为“先负后正”的特征，与不同电阻率背景均匀大地响应曲线的理论计算结果一致 （李貅，2002），即在电阻率越低时，响应曲线首部出现的峰包越明显，极值点后移，曲线尾部则衰减缓慢，场值变大。

4.2 中心框发射异常特征

选取以 ZK7-3钻孔为中心的发射框测量结果，绘制各测道随深度变化感应电动势曲线（图7），单条曲线幅值反映了发射关断后同一时刻不同深度二次场的强弱分布。为突出异常在垂向方向的变化细节，将随深度快速衰减的早期道 CH1~CH10 横坐标采用对数表示，CH11~CH20采用线性坐标。早期道二次场随深度快速衰减的特征反映了正常场的特征，400~600 m 段出现的“先负后正”的特征与图6 中单点异常特征一致，反映了区内低阻赋矿层位的分布。

钻孔 0~390 m 主要岩性为辉长岩，矿化含量相对较少，无明显电磁响应。在 150 m 出现的局部弱异常反映，与此段断续出现的细脉状矿化相关。

钻孔400~600 m为铜镍矿体含量较高的橄榄辉长岩段，钻孔岩心电阻率测量表现为相对低阻特征。区内以往开展的激电测深及各类电磁法工作在此段均显示为低阻特征（刘洋等，2022）。本次中心框曲线在此段早期曲线整体表现为局部低值区，晚期整体表现出穿过矿层的高值区特征，推测为整个低阻矿化段的宏观反映。而在此大异常上出现的多处局部小异常也有类似先低、后高的特征，与钻孔控制的品位较高的矿体依次对应。

钻孔底部为完整的角砾凝灰岩地层，此段各测道曲线均趋于平稳，仅局部出现与少量黄铁细脉相关的弱异常，与实际地质情况相符。

4.3 五方位发射框异常解释推断

提取 5 个方位发射框晚期道数据（CH16—20） 进行统一绘图，并以 ZK7-3 钻孔为中心将 7 线地质剖面旋转15°呈垂直状态后与井中深度对应（图8）。

（1）宏观异常特征

各方位测井曲线表现为大的异常背景中叠加局部小异常，其中 350~580 m 低缓异常为整个低阻含矿层位的反映，局部叠加的小异常为穿过钻孔或者井旁矿体的反映。矿区已控制铜镍矿体整体倾向为北东方向，倾角较陡，矿体由南东至北西方向逐渐侧伏。结合中心框中不同孔-矿关系在井中TEM响应理论计算结果（杨生，2010^①），对本次研究成果进行定性解释。

中心框的宏观异常为正值，说明 ZK7-3钻孔穿过了异常体；异常不对称，上缓下陡，说明异常体具有一定的倾斜，倾向钻孔方向。

东框异常最强且宽缓，强说明距异常体近或者和异常体的耦合最佳，但异常范围宽缓说明发射框和异常体具有一定的距离，排除了距离近的可能，结合中心框的分析，主异常体应位于钻孔西侧，倾向向东。

北框异常明显强于南框异常，主异常体中心在剖面北侧或者由矿体产状引起北侧异常更强。

西框异常体和发射源近平行耦合，等效电流环在钻孔外且倾向西，在异常体上部出现负异常，穿过异常体部位为正异常。

（2）局部异常特征

当矿体在发射框正下方时，测量的异常响应有以下3类特征：①穿过矿体中心的以正异常为主；② 穿过空提边部的在中心出现较窄的负异常、两侧出现局部正异常；③孔外与矿体有一定距离的会出现局部负异常。

ZK7-3钻孔中出现的局部小异常多与钻孔控制的铜镍矿体位置吻合，正负异常均有出现。其中，岩体底部 580 m 附近矿体在北、东框为明显的负异常，说明主体异常在孔外，在北东方向已没有延伸。

550 m附近矿体以低缓正异常为主，东、北矿异常幅值相对较大，北框底部出现了局部负值，表明其延伸及规模均有限，在后排施工的 ZK7-4钻孔上见矿变差。

480 m 附近各方位发射框上均有较高的响应值，钻孔穿过主体异常，此段圈定铜镍矿体厚度约 13 m，在临近钻孔也有延伸。

5 结语

月牙湾矿区五方位地-井TEM响应曲线异常明显，通过曲线异常特征及不同方位幅值变化可达到寻找井旁盲矿体、推断已控制矿体的倾向及延伸的目的。相较传统地面方法，地-井 TEM 在深部仍有较高的分辨能力，可在后续工作中推广使用。

地-井TEM电磁响应特征复杂，解释难度大，仅结合典型板状体异常特征进行了初步解释推断，由于缺少水平分量测量，在异常平面定位上也存在不足。

注释

① 杨生 .2010. 大深度井中三分量 TEM 数据采集及解释技术示范报告[R]. 北京：北京中色物探有限公司.

参考文献