摘要
在产金属矿山存在强电磁干扰等影响，矿体精确定位是地球物理探测的一个难题，单一探测方法无法满足精确定位需求，多种方法联合探测是提高矿体定位精准度的一个有效手段。本研究选取湖北大冶丰山铜矿，采用超导瞬变电磁法、地震频率谐振技术和频谱激电法开展多方法试验，通过真实三维地质模型检验3种探测方法效果。结果表明：超导瞬变电磁法对弱磁信号探测优势明显、探测深度大，中低阻中高极化的电性异常区与探明矿体及矿化围岩有着良好对应性；地震频率谐振探测方法受电磁干扰影响小，圈定的低波阻抗异常区域较好地显示了断裂构造、地层等分布；频谱激电法提供了4个参数，丰富了地下信息，对浅部矿体和构造的位置及形态反应明显，对异常性质的识别表现出很好潜力。多种方法联合探测提供了多种信息，减少了多解性，提高了矿体定位的准确性，可为同类矿区矿体定位提供参考。
Abstract
Precise ore body localization in active metal mines poses a significant challenge in geophysical exploration due to strong electromagnetic interference and other influencing factors. A single detection method cannot meet the requirements for precise positioning, making integrated multi-method exploration an effective approach to improve localization accuracy. This study selected the Fengshan copper deposit in Daye, Hubei Province as the research area and conducted multi-method experiments using superconducting transient electromagnetic method, seismic frequency resonance technology, and spectral induced polarization method. The effectiveness of these three detection methods was verified through a realistic three-dimensional geological model. The results show that: the superconducting transient electromagnetic method demonstrates significant advantages in detecting weak magnetic signals with great penetration depth, and the identified zones of moderate-to-low resistivity and moderate-to-high polarization exhibit good correlation with known ore bodies and mineralized surrounding rocks; the seismic frequency resonance method is less affected by electromagnetic interference, and its delineated low-wave-impedance anomaly zones effectively reveal the distribution of fracture structures and strata; the spectral induced polarization method provides four parameters that enrich underground information, showing clear responses to the position and morphology of shallow ore bodies and structures while demonstrating strong potential for identifying anomaly characteristics. The integrated multi-method exploration provides diverse datasets, reduces interpretation ambiguity, and enhances the accuracy of ore body localization, offering valuable references for similar mining areas.
0 引言
当前矿产资源勘探与开发逐步转向深部，深部地球物理异常的准确圈定和异常体性质的识别是提高勘探与开发效率的关键。在金属矿山环境中存在多种复杂干扰因素，单一的地球物理探测方法往往无法解决复杂的地下探测问题，采用多方法联合探测模式，发挥各自方法优势，多方法、多参数、多信息互相验证，是提升深部地球物理异常圈定和异常体性质识别的有效手段之一（黄理善等，2022； 李叶飞等，2024；马健等，2024）。黄理善等（2016） 在新疆阿尔恰勒他乌铅锌矿床，采用激电中梯扫面结合音频大地电磁测深，建立了矿区地球物理电性找矿模型，表明该方法技术组合可以在该类型矿床深部找矿中推广使用。刘文恒等（2018）在云南东川雪岭矿区，使用高频电磁测深和瞬变电磁法，在矿区深部发现了全隐伏的陡山沱组中的层状铜。闫迪等（2024）采用地面高精度磁法、基于大定源中心回线装置和多匝重叠回线装置的瞬变电磁法，对鞍山—本溪地区眼前山典型BIF型铁矿深（边）部隐伏铁矿体进行识别，表明瞬变电磁法的多匝重叠回线装置，适合对盖层下隐伏金属矿体的探测定位。高学坎等（2024）采用多元信息找矿策略，通过构造地球化学法—伽玛能谱法—多极化电磁测深技术组合，在胶东后疃矿区开展深边部成矿预测，确定了矿区深部招平断裂的位置，综合圈定找矿靶区。综上所述，瞬变电磁法适合对隐伏金属矿体的定位，当下在矿产资源勘探领域发挥着重要作用（张莹莹，2021；高小伟等，2024）。为了提高瞬变电磁法的探测深度，学者开展基于超导传感器的瞬变电磁法实验工作（王兴春等，2021）。超导量子干涉器 （SQUID）是利用超导量子干涉效应进行工作的具有高灵敏度的磁场测量器件（陈晓东等，2012），工作在液态氦温度（4.2K）的超导量子干涉器为低温 SQUID，低温 SQUID 灵敏度更高、噪声水平更低，能够提升微弱电磁信号的检测能力（包苏新等，2020； 王兴春等，2021）。
然而，金属矿山探测信号容易受到环境干扰，使用地震方法可抵抗一定程度干扰（王方方等， 2023）。地震频率谐振基于地层频率特性分析地震波与地下介质的谐振响应特征，得到地层结构和物性参数信息（朱聪聪和李海，2021；张华青等，2024； 杨晨等，2025）。该方法对薄层识别和流体检测具有独特优势，近年来在油气勘探、工程地质调查和地质灾害预警等领域展现出重要应用价值（薛爱民等，2021）。单一方法得出的结果不足以进行定性解释（黄理善等，2023；王建超等，2024），使用频谱激电法可以细致识别异常。频谱激电法以岩石或矿石复电阻率频率特性为基础，测量介质在不同频率下的极化响应来获取地下电性结构信息（杨振威等，2015）。频谱激电法通过向地下发射交变电流，在一个很宽的频率范围内测量视复电阻率，根据测量得到的视复电阻率的振幅谱和相位谱特征及空间分布寻找地电异常，并对目标异常体的物性进行判断，从而达到解决地质问题的目的（胡英才等， 2014）。有研究在松桃县盘石铅锌矿区东区，依次实施了包含频谱激电法在内的 3 种物探方法的测量，研究表明利用双频激电法视幅频率可圈定面积性的矿化体异常，而频谱激电法进一步明确双频激电法圈定异常的纵向深度和范围（张德实等， 2020）。综合起来频谱激电法较其他物探方法具有抗干扰能力强，获取电性参数多，多参数对比解释可提供更丰富的异常信息的优点（龙秀洁等， 2022）。
本文以湖北大冶丰山铜矿已知矿区为研究区，采用低温超导瞬变电磁法、地震频率谐振技术与频谱激电法 3 种探测进行试验，讨论了各方法的探测优势，通过综合对比，探讨了多方法探测在同类矿区异常圈定与异常体性质识别的可行性，以实现矿体精准定位。
1 研究区域概况
1.1 研究区地质概况
研究区内出露地层涵盖奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系与第四系。下三叠统大冶组碳酸盐岩构成主要出露地层，该地层共划分为 7个岩性段。岩性主体为浅灰色—灰色厚层—巨厚层灰质白云岩及白云质灰岩。矽卡岩型铜矿体主要赋存于中酸性小岩体同大冶组灰岩的接触带内。铅锌银多金属矿体则常见于大冶组灰岩各岩性段所发育的层间破碎带中（图1）。
图1丰山铜矿区地质平面图
1 —三叠系大冶组灰岩；2—花岗闪长斑岩；3—角砾岩；4—铜矿体； 5—背斜；6—向斜；7—勘探线及编号
矿区内主要发育褶皱与断裂构造，断裂构造以陡倾断层为主，呈 NW、NE 及近 EW 方向展布，倾角为 53°～85°。断层构造分布在矿区边缘部分，主要形成于成矿之前，对主要矿体的形成，没有明显的控制作用。区内的主要构造呈EW向和NWW向。
矿区岩浆岩种类较多，有花岗闪长斑岩、石英闪长斑岩、闪长斑岩、石英二长斑岩、花岗斑岩、细晶岩、煌斑岩脉等，其中主要为花岗闪长斑岩，即丰山岩体。该岩体为丰山铜矿的成矿母岩，出露面积几乎占矿区面积的二分之一。其余岩浆岩主要呈岩脉、岩枝、岩墙分布于岩体周围的次级褶皱构造中。
矿体赋存于丰山岩体与三叠系大冶组碳酸盐岩的接触带及其附近，围绕花岗闪长斑岩体呈环带状分布，主要受丰山岩体与立头复式倒转向斜的联合控制。丰山铜矿以岩体为中心，平面上按成因类型划分成矿带，依次为斑岩型铜钼矿成矿带（岩体内）—矽卡岩型铜钼矿成矿带（接触带）—热液型大理岩层间破碎金银铅锌多金属矿成矿带（外接触带）—蚀变岩型金银矿成矿带（外边部）。NWW 向基底断裂为本区导矿构造，控制着侵入体的方向和空间位置，也控制着矽卡岩型矿体的空间位置、形态、产状。
铜矿床由大小不等的 100 多个铜矿体组成（图2），围绕着花岗闪长斑岩体呈环带状分布，根据各矿体的空间分布，矿体主要分布于岩体的南缘和北缘与大冶组灰岩（已变质为大理岩）接触带中，因而分为南缘矿带和北缘矿带。两矿带中部相距400～500 m，在岩体东、西两端南北缘矿带合为一体。
图2丰山铜矿床4号勘探线剖面图
1.2 地球物理特征
本文测区所采用低温超导瞬变电磁勘查方法是基于被观测地质体的电性差异来识别判断解释地下地质体的组成与层位特征。因此，区域不同地层与不同岩性的电性差异特征构成本文测区的地球物理特征因素。
丰山铜矿床的矿体产出以铜金矿石为主，矿区内主要岩（矿）石的磁性、电性特征如表1所示。测区内铜金矿石磁性特征与其余岩（矿）石间差异明显，岩矿石按磁性、电性特征大致分为 4 类：①铜金矿石具有显著的物性特征，包括高密度、高波速、高频率相关系数、高极化率和高磁化率，同时其电阻率低，平均值通常小于 50 Ω·m。②矿化围岩（矿化矽卡岩、矿化大理岩、矿化花岗闪长斑岩）为中高密度，中高波速，低频率相关系数，中高极化率，中等磁化率，中等电阻率，电阻率均值为 620~830 Ω·m； ③无矿化蚀变围岩（大理岩、矽卡岩）为低密度，中高波速，中高频率相关系数，低极化率，中高电阻率，电阻率均值为 850~1400 Ω·m；④大冶组灰岩为中高密度，中高波速，中高频率相关系数，无极化，低磁化率，高电阻率，电阻率均值为 6000 Ω·m。含矿地质体整体显示中高磁化率和中低阻中高极化，不含矿的则是低磁化率和中高阻低/无极化，这些物性差异是开展矿体定位试验的基础。
2 工作方法与技术
2.1 低温超导瞬变电磁法
超导瞬变电磁法，是建立在电磁感应原理基础上并采用超导磁传感器的勘探方法，利用不接地回线或接地电极向地下发射一次脉冲电磁场，在一次供电间歇期间，利用接收线圈或接地电极观测二次涡流场（郝喆等，2015；薛国强等，2015；金其忠等， 2024）。在时间上，由于二次场晚于一次背景场到达接收点，所以该方法可以在没有一次背景场的情况下对二次场进行观测，这样就克服了一次场对测量结果产生的诸多影响。在空间上，由于脉冲信号是由很多频率合成的，所以随着时间增加，观测频率的主要成分也在发生着变化。早期电磁场高频成分占主要部分，衰减速度快，趋肤深度小，主要反映浅层的地电信息；而晚期电磁场低频成分占主要部分，衰减速度慢，趋肤深度大，主要反映深层的地电信息，所以在不同的延迟时间内可以探测到不同深度的地下电性信息（张虎等，2025）。本研究使用的是线源赤道电偶极装置，采用较长的发射线，利用阶跃电流场源激励，在大地产生过渡过程场，断电瞬间在大地中形成一次发射电磁场。在发射线所辐射地带一定的范围内，可观测到这种由地下介质产生的二次感应电磁场随时间变化的衰减特性，进而从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀体的导电性能和位置，达到解决地质问题的目的 （李希宝等，2010；柳建新等，2014）。
表1丰山铜矿床岩（矿）石电性参数测定结果
注：样品极化率和电阻率数据据欧阳玉飞等，2010；其余参数结果为本文研究得出。
本文测量工作采用的是低温超导瞬变电磁勘查装置，其主要装置包含超导磁传感器接收装置、多功能电法发射机、发电机、手持 GPS定位设备等，测量所有设备均采用 GPS 同步。超导磁强传感器性能参数：类型为低温直流超导芯片，噪声≤10 fT/ √Hz，系统带宽为150 kHz，摆率3 mT/s。
2.2 地震频率谐振技术
地面采集到的地震波包括面波和体波，都遵循波动方程描述的波动规律。水平分量波场主要为S 波和面波，垂直分量还包括P波，对它们进行独立分析，可以获得 S 波与 P 波信息。包括面波、体波（各种常规意义下的反射、折射以及散射的地震波场） 的波场 u（ω） 到达 N 层大地下方，向上传播。传播过程中P波和S波相互独立，由P波和S波干涉形成的面波近似于 S 波速度传播。在谐振状态下，对应某频率的地震波振幅是层间波阻抗的比值函数，所以波在某一特定频率下的振幅带来了地层间的波阻抗比值信息，因此可以应用该原理进行地质勘探 （张文君，2021；李海波等，2024）。
采用类似反射波勘探的叠加技术，实现对随机干扰信号和震源因素校正误差的压制。基本原理为：
(1)
式（1）中，Ψij（ω） 为随机噪音，uij（ω）为频率域地震响应，i为空间不同位置激发的次数，j为不同时间记录的地震相应分段数。
只要 N 足够大且采集地震记录段数足够多，与地质无关的随机噪音可以降到很低。一般情况下，应用空间叠加次数达到 10 次以上；采集时段 j 可达 60次（按2 Hz最小频率计算，相当于30 s记录）。该叠加技术保证了频率谐振勘探成果的可靠性。
本文野外使用的SRP-I地震频率谐振勘探仪是一款新型地震勘探数据采集仪器设备，该仪器设备采集的数字信号可直接被应用于地震频率谐振成像。该仪器设备实际是一套集数据采集、数据传输和数据实时成像的系统，具有传感器灵敏度高，传输效率高，成像精度高的特点。
2.3 频谱激电法
频谱激电法的原理，电场是由一对接地电极产生的，电动势可以由另一对接地电极测量。加载信号可以是在时间上连续的，如直流电；也可以是在时间上变化的，如交流电。在直流电测量过程中，电阻率根据欧姆公式定义，是测量电压和电流的比值：R =V/I。电阻率根据测量的电阻和样品几何参量得到。对交流电测量来说，须考虑媒介的电容特性，欧姆公式也须包括频率响应效果，Z=V/I。Z是全阻抗而不是电阻，在对岩土用交流电测量过程中，电压在与加载电流相关激发极化引起的相位延时的任何给定频率下被测量。频谱激电法野外数据信息采集量多，一次布极可采集 8 道数据。与常规直流电法的分析解释不同，频谱激电法的数据反演设计参数较多，且测量的数据中不仅包含激电效应成分还包含电磁效应成分，大大提高了数据采集的工作效率。
本文工作使用的频谱激电仪集传感器、智能仪器仪表和便携式PC于一体，主要由大功率发射机和接收机组成，整套装置能够完成对发射机的输出电压档位、频率、启停的控制，并实现对电位信息的同步采集、存储、监控、显示和处理，并结合相应的数据分析功能较好地反映地下介质的地质结构特征。
3 数据采集及成果解译
3.1 低温超导瞬变电磁
在丰山铜矿开展超导瞬变电磁勘查，共布设 3 条测线（图1），测线走向均为南西—北东向。其中 L2 线线长 1080 m，共 49 个点；L4 线线长 1020 m，共 53个点；L6线线长1020 m，共53个点。经处理得到相关测线的电性剖面，其中 L6 线为地下浅部已知线，L4线与 L2线为地下未知线，结合相关资料进行解译。
丰山地区自测岩石物性显示，铜金矿石与矿化围岩（矿化矽卡岩、矿化大理岩、矿化花岗闪长斑岩）这些含矿地质体电性特征为中低阻中高极化，而无矿化蚀变围岩（大理岩、矽卡岩）与大冶组灰岩等不含矿的是中高阻低/无极化。
3 条测线通过处主要出露花岗闪长斑岩体及其角砾岩、铜矿体、三叠系大冶组灰岩、大理岩、角砾岩等地质体。L4 线电阻率剖面显示该测线地下电性结构横向上呈现左高右低过渡的阻值特征，纵向上浅-深部的阻值具有相对一致性；其极化率剖面显示测线横向上呈现中-左高右低的极化率特征，纵向上呈现浅部高低不均而中间深部偏高的特征 （图3）。L6线电阻率剖面显示该测线地下电性结构横向上呈现左高右低的阻值特征，纵向上浅部低阻而深部阻值不均；其极化率剖面特征与 L4 线相似。 L2线电阻率剖面特征与 L4线相似，纵向上浅-深部的阻值具有相对一致性；其极化率剖面显示测线横向上呈现中-左高右偏低的极化率特征，纵向上呈现浅部高而中深部偏低的特征。
根据已知的丰山铜矿 L6 线浅部矿体与该线超导反演结果的对应特征，结合测量成果与矿区实际地质特征，在 L6 线反演剖面上圈选出 3 处物探异常，在 L4 线反演剖面上圈选出 2 处物探异常，在 L2 线反演剖面上圈选出1处物探异常。异常区域对应极化率剖面位显示中高极化或对应电阻率剖面位显示中低阻。
3.2 地震频率谐振
此次地震频率谐振勘探数据共处理测线 3 条，走向均为南西—北东向，测点总数 107个。L6测线长 1020 m，点距 30 m。L4 测线长 1020 m，点距 30 m。L2 测线长 1080 m，点距 30 m。3 条测线点号自南西向北东逐渐增大。
地震频率谐振勘探资料通过处理，最终得到的是地层相对视波阻抗值剖面图。它主要反映的是地下介质相对视波阻抗值变化趋势，波阻抗值为岩石密度与横波速度的乘积。根据岩石的密度、比重及完整程度等区分出波阻抗值的变化，密度较高且完整性较好的地层或岩石呈现在视波阻抗图上为高值特征，色标为深红—橙红色。断裂构造在视波阻抗值断层表现为拟视波阻抗值沿断面迅速下降，断面一般与拟视波阻抗值突变点平行，断裂的另一个特征是存在低密度带，地质上即为断裂破碎带。
本文研究区域主要受褶皱立头倒转向斜、次级竹林塘倒转向斜控制，形成了一组近东西的挤密褶皱构造带，从视波阻抗图中可见受褶皱构造影响整体比较破碎，后期花岗斑岩侵入岩体向上侵入又一次破坏了地层的结构，所以从整体上来看，推测地层倾向为南—南西方向，倾角较大。
结合已知地质资料分析丰山铜矿为受构造控制的矽卡岩-斑岩型矿床，视波阻抗图中划分的花岗斑岩岩体有明显的向上侵入的特征（图4），视波阻抗值呈现出低—高不等的特征，该岩体形态应为 1 条大的构造破碎带，岩浆热液同时从多个通道向上侵入围岩，形成了该岩体，并在侵入过程中，随着前期岩浆岩的冷却成岩和后期岩浆的继续侵入发生了隐爆作用，从而形成了大量角砾岩。地表出露矿体从视波阻抗解译图中各见两处分布，主要分布在围岩与岩体的接触带周围，形态特征与已知的地表地质信息相吻合。从视波阻抗解译图中可见花岗闪长岩体整体呈现较为破碎的形态，视波阻抗值呈现出低—中高值特征，推测原因为受断裂构造影响及隐爆作用造成了密度降低，呈现此现象。结合已知资料分析，3 条测线各推测出 4 处成矿有利区域，分别位于测线左右及南北两侧，主要位于岩体与围岩的接触带上，从形态上来看推测岩体侵入围岩对围岩造成了破坏，而含矿热液顺通道向上侵入富积，进而形成矿体。
3.3 频谱激电
频谱激电测量工作布置了 2 条测深剖面，对应频率谐振测线 L4 线和 L6 线，点距 15 m。对照地震谐振频率波阻抗异常图，已知矿体位于频率谐振剖面 41480~41570 位置，该处为低波阻抗异常。极化率数据在测线位置220~500 m内出现了高极化率异常，对应的深度集中在地表-200 m 标高，其极化率值为9%～22%。对比各参数，高极化率异常所对应视电阻率区域出现低阻异常，同时视时间常数和视频率相关系数同样的位置出现高时间常数和高频率相关系数异常，其形态和深度位置都对应一致。通过测量对比多参数异常信息，可以确定异常为矿 （化）体所致异常。
图3丰山铜矿超导测线异常图
a—L2线电阻率剖面；b—L2线充电率剖面；c—L4线电阻率剖面；d—L4线充电率剖面；e—L6线电阻率剖面；f—L6线充电率剖面
图4丰山铜矿视波阻抗反演剖面解译图
a—L2线反演剖面解译；b—L4线反演剖面解译；c—L6线反演剖面解译
3.4 综合对比分析
超导瞬变电磁中 L4 测线部分测段通过了已知矿体的地质剖面区，已知矿体与物探剖面内容的对照对整体物探剖面的解释提供了一定的测线地质解释理论依据。超导反演剖面与已知的勘探线地质剖面综合对照解译得出：测线下方已探明的矿体及其矿化围岩等含矿地质体处在反演剖面浅部中低阻中高极化的电性异常区，这与前人矿区物性资料显示的矿区含矿地质体呈中低阻中高极化的电性特征相符，同时该异常区的大小形态与矿体发育区的规模及特征相符，表明超导测量成果与实际矿段有着良好的对应性，反演剖面显示的中低阻中高极化区域可能为矿化异常区。
地震频率谐振视波阻抗反演剖面比其他两种方法更深，成矿有利带主要分布在岩体与围岩的接触带上，内部的斑岩型矿区处岩体从深部延构造带一直向上侵入，而并未见到“根”，深部有可能还存在着大的岩体。频谱激电法对异常的反映较明显，无论是浅部还是深部，异常体的位置和形态都能细致反映，地下地质断面的分层明显，充分反应了频谱激电法高横、纵向分辨率的优点，且抗干扰能力强，能穿透高阻屏蔽层的特点。
根据 3 种方法成果分析，超导瞬变电磁成果图圈定的异常 4-Ⅰ、6-Ⅱ，和地震频率谐振 4 线视波阻抗反演剖面解译图中推测的成矿有利带，以及频谱激电中出现的异常都有一定重合。异常区域主要位于岩体与围岩的接触带上，从形态上来看推测岩体侵入围岩对围岩造成了破坏，而含矿热液顺通道向上侵入富集，进而形成矿体。异常区域从解译图中可见有较好的上升通道及富集成矿条件，断裂构造较为明显直至深部。
4 结论
（1）利用超导瞬变电磁法、地震频率谐振技术和频谱激电法在丰山铜矿进行试验，通过超导瞬变电磁法圈定中低阻中高极化异常区域，地震频率谐振勘查探明区内的断裂构造和地层特征，结合频谱激电参数和以往地质资料，异常区形态特征与已知的地表地质信息相吻合。
（2）结合三维地质模型，将地下电性结构特征与实际矿体对照，异常区域主要位于岩体与围岩的接触带上，铜金矿石高磁化率低电阻率的特性，在确定目标体上更加准确。
（3）超导瞬变电磁法、地震频率谐振技术和频谱激电法联合实现深部高精度异常反映及矿体定位，3 种方法优势互补，能提供多种参数的信息，提高准确性，对同类矿区矿体定位具有一定的参考价值。
