高精度重磁方法尋找隱伏矽卡巖型鐵礦

董健,李肖鵬,付超,黨智財,趙曉博,曾慶斌,胡雪平,王金輝

(1.山東省地質調查院,山東 濟南 250013; 2.山東省土地質量地球化學與污染防治工程技術研究中心,山東 濟南 250013; 3.中國地質調查局 天津地質調查中心,天津 300170; 4.中國冶金地質總局 山東正元地質勘查院,山東 濟南 250013)

0 引言

鐵礦作為我國重要的緊缺戰略性礦產,是國民經濟和社會發展的重要支柱,也是保障國家能源資源安全的關鍵礦產。中國境內分布的鐵礦礦石品位較低,富鐵礦僅占全國鐵礦資源儲量的4.6%[1],導致中國鐵礦石長期以來對外依存度較高,嚴重影響經濟建設的健康發展。因此,加強富鐵礦成礦機制研究和提高富鐵礦的勘查開發效率,是當前一項重要而緊迫的任務。矽卡巖型鐵礦床提供了中國一半以上的富鐵礦資源儲量,是中國最重要的富鐵礦來源[2],具有重要的科學研究價值。位于華北克拉通東部的魯中萊蕪地區是我國最重要的矽卡巖型富鐵礦成礦區之一[3],20世紀70年代以來,大量勘查單位和科研院所先后在本區開展過礦產普查、勘探及科研工作,在地層、構造、巖漿巖、礦產勘查及成礦規律等方面,取得了豐碩成果。區內中生代侵入巖發育,主要包括礦山、角峪、金牛山和鐵銅溝巖體,其中礦山巖體是最重要的成礦巖體;矽卡巖型鐵礦床主要產于礦山巖體與中奧陶統碳酸鹽巖地層的接觸帶中,前人對矽卡巖型富鐵礦成因機制和關鍵控制因素進行了系統總結[4-10]。目前,沿礦山巖體背斜兩翼和兩傾沒端接觸帶開發了張家洼、港里、小官莊、顧家臺、西尚莊、馬莊、山子后等大中型鐵礦床,已查明的累積資源儲量約5億t[11],取得了巨大的經濟效益。

按照新一輪找礦突破戰略行動要求,探礦和采礦工作將由淺入深,第二深度空間(500～2 000 m)成為了覆蓋區鐵礦勘查工作的主要對象,這也是加強礦藏深勘精查的必然要求。高精度重磁方法在國內多個地區深部鐵礦勘查中發揮了獨特作用[12-17],2022年中國地質調查局項目—魯中地區富鐵礦找礦靶區評價與優選課題,以萊蕪礦山巖體外圍及深部異常區為研究對象,開展了航磁、重力工作,以期圈定深部找礦靶區,增加該區鐵資源儲量。本文利用最新重磁測量結果,對礦山巖體外圍西部石家泉—劉家廟一帶重磁異常特征進行了細致研究,通過實施鉆孔尋找到厚15.8 m、TFe品位達52.31%的富鐵礦,新增鐵資源量100.1萬t,在本區富鐵礦找礦勘查中取得了重大突破。

1 礦究區地質特征

研究區位于泰萊凹陷的中部(圖1),地層由老至新為:寒武紀長清群、寒武—奧陶紀九龍群、奧陶紀馬家溝群、石炭—二疊紀月門溝群、二疊紀石盒子群、第四系。其中奧陶紀馬家溝群的碳酸鹽巖系是本區矽卡巖型鐵礦的近礦圍巖。礦山巖體受到礦山弧形背斜控制,巖體侵入于該背斜的核部,整個巖體呈一向東南突出的新月狀展布,其南北兩端隱伏于新近系之下,與新近系呈沉積不整合接觸。礦山巖體侵入于中奧陶統不同組段的灰巖、泥質灰巖和白云質灰巖中,部分侵入于石炭系—二疊系砂巖、頁巖及灰巖中,接觸面西部較緩,傾角為15°～45°,東部較陡,傾角可達80°。該巖體具有多次侵入特征,主要發育第一階段侵入的含黑云閃長巖、輝石閃長巖及第四階段侵入的正長閃長巖、石英二長巖及透輝正長巖。

圖1 萊蕪地區區域地質Fig.1 Geological map of Laiwu area

研究區內矽卡巖型鐵礦床受到早白堊世中—基性侵入巖、奧陶系碳酸鹽巖圍巖和復雜的接觸帶構造控制,包括接觸帶及其附近的不整合面、不同巖性接觸面、斷裂破碎帶等。因此,巖漿巖、地層和構造3個有利控礦地質要素的兼備是進行本區矽卡巖型鐵礦成礦潛力評價工作的地質基礎。

2 物性特征

由區內巖(礦)石密度測定結果(表1)可知:第四系地層密度平均值為1.73×103kg/m3,為低密度地質體;石炭—二疊系地層巖性以砂巖為主,密度平均值為2.40×103kg/m3,為中密度地質體;寒武—奧陶系地層以灰巖為主,密度平均值為2.72×103kg/m3,為高密度地質體。中生代侵入巖以閃長巖為主,密度平均值為2.76×103kg/m3,為高密度地質體;矽卡巖密度平均值為2.74×103kg/m3,同為高密度地質體;磁鐵礦密度為全區最高,平均值為4.0×103kg/m3。巖石之間的密度差異,可引起不同重力異常響應:新生界覆蓋層、石炭—二疊系砂巖等中、低密度地質體在重力場上的反映為低值異常;寒武—奧陶系灰巖和中生代閃長巖體等高密度地質體在重力場上的反映為高值異常;矽卡巖、磁鐵礦雖也是高密度地質體,但由于其厚度較薄、埋深較大,導致重力異常至地表衰減明顯而顯示為重力低。

表1 研究區巖(礦)石物性特征Table 1 Physical characteristics of rocks (minerals) in the study area

區內巖(礦)石磁性測定結果(表1)可知:沉積地層均表現為無(微)磁性特征,引起的磁異?？珊雎圆挥?中生代閃長巖體表現為中高磁性特征,磁化率平均值為4 400×10-6·4π SI、剩余磁化強度平均值為700×10-3A/m,明顯高于沉積圍巖;矽卡巖表現為高磁性特征,磁化率平均值為5 346×10-6·4π SI、剩余磁化強度平均值為8 708×10-3A/m;磁鐵礦表現為強磁性特征,磁化率平均值為500 000×10-6·4π SI、剩余磁化強度平均值為213 000×10-3A/m,為全區最高。地層之間無磁性差異,根據磁異常無法推測地層界面起伏,區內的磁異常低值區對應了地層分布范圍;矽卡巖及磁鐵礦埋深大、厚度薄,磁場特征表現為閃長巖體磁異常之內的局部疊加異常,磁異常高值區為以上3種地質體的綜合反映。

綜上所述,閃長巖體、矽卡巖、磁鐵礦與古生代沉積圍巖之間存在著明顯的磁性差異;閃長巖體規模相對較大,呈高密度、中高磁性特征,可形成大范圍且形態相對寬緩的封閉重磁異常;矽卡巖與磁鐵礦伴生,呈強磁性特征,其磁異常疊加在巖體異常之上;奧陶系灰巖作為控礦地層,呈高密度、無(微)磁性特征,可根據低磁、高重的特征對其進行辨別。正是由于目標地質體與圍巖之間的物性差異,為本區重磁測量工作提供了地球物理前提。

3 研究區重磁場特征

本文使用2022年最新測量完成的1∶5萬重力數據和1∶5萬航磁數據,編制了研究區布格重力異常(圖2)和航磁化極異常(圖3),采用滑動平均法5 km×5 km窗口提取剩余重力異常,編制了剩余重力異常(圖4),以這3種圖件為基礎分析區內重磁場特征,用于詳細研究已知鐵礦重磁場特征,同時參考布格重力異常垂向二階導數位場轉換結果(圖5),大致圈定閃長巖侵入范圍。根據已知鐵礦地質分布情況及重磁異常特征,建立本區鐵礦找礦地質—地球物理模型,結合閃長巖體侵入范圍,按照由已知到

圖2 萊蕪地區布格重力異常Fig.2 Bouguer gravity anomly in Laiwu area

圖3 萊蕪地區航磁化極異常Fig.3 Aeromagnetic pole anomaly in Laiwu area

圖5 萊蕪地區布格重力異常垂向二階導數Fig.5 Vertical second derivative of Bouguer gravity in Laiwu area

未知的原則進一步圈定找礦靶區。

3.1 區域重磁場特征

區域重磁場特征常表現為異常等值線的封閉、彎曲、極大值、極小值及異常的水平梯度變化等。重力場變化區間為(-41～-16)×10-5m/s2,重力場值變化幅度較大,達25×10-5m/s2,呈西北低、東南高的分布趨勢,反映了區域上燕山晚期侵入巖的分布及沉積地層由SE向NW由薄逐漸變厚的特征。西北低值區主要為沉積盆地的反映;東南高值區主要是由閃長巖體侵入而形成的礦山巖體引起。研究區東南角礦山巖體的南部邊緣,出現一個重力低值區,這是八里溝向斜的反映,重力異常形態反映了巖體向N和WS方向延伸的趨勢,航磁化極異常中也具備上述特征。

礦山巖體西部異常等值線呈SW—NE方向平行排列,其梯度變化比較穩定,達5.45×10-5m/s2/km,較區域異常有顯著的增大,該異常特征主要反映巖體向NW方向傾沒的特點,傾沒面穩定,傾角約為48°。

礦山巖體西南部表現為隱伏延伸,布格重力異常等值線呈“舌狀”、“鼻狀”、“枝杈狀”,略呈EW方向平行展布,可劃分3條重力異常帶。

3.1.1 顧家臺—石家泉異常帶

在礦山巖體異常的西南側,首先以“舌狀”伸向顧家臺,走向為EW向。重力異常呈多層臺階由東向西逐漸減弱,異常等值線變化趨勢南陡北緩;顧家臺航磁異常主要為顧家臺鐵礦和巖體的綜合反映,與“舌狀”重力異常位置完全吻合。布格重力異常等值線雖然沒有封閉,但二階導數等值線及剩余異常等值線均形成了封閉的獨立異常,都比較清晰地反映了礦山巖體向顧家臺延伸的趨勢,推斷顧家臺異常是由閃長巖體和磁鐵礦體重力效應的疊加。

礦山巖體呈“舌狀”伸向顧家臺后,經劉家廟繼續伸向沈家嶺延伸,在沈家嶺南出現重力高值封閉異常,自沈家嶺向西,等值線呈同向彎曲形態,梯度南陡北緩,清楚地展示巖體向西延伸,緩慢地傾沒于石家泉以西的鳳凰官莊的特征,明顯地反映出石家泉背斜構造。另外,在布格重力二階導數平面(圖5)和剩余重力異常(圖4)上,都清楚地反映了這條隱伏巖體的存在與去向。據此可推測石家泉巖體是由礦山巖體經顧家臺向西引伸而來的。航磁化極異常上在石家泉—柳行溝一帶有1個正磁異常比較低緩呈橢圓狀的異常區域,分析為是中生代燕山晚期多期次中酸性巖的磁異常反映,東部負磁異常,分析為是馬家溝群灰巖或古近紀砂巖地層反映。

3.1.2 十里鋪—杜官莊—牛泉—畢毛埠異常帶

異常帶自十里鋪經杜官莊、牛泉至畢毛埠,在杜官莊處出現明顯的局部重力高值異常,梯度南陡北緩,異常主要由閃長巖和灰巖同步隆起所引起,自杜官莊再伸向牛泉,異?；鹃]合。但是在畢毛埠東、南均出現剩余重力異常封閉圈,往南延伸至角峪巖體引起的異常,布格垂力異常垂向二階導數等值線(圖5)上也反映了這一特性,推測礦山巖體向西南延伸至深部與角峪巖體連在一起。

3.1.3 十里鋪—東泉河—東尚莊異常帶

異常帶同起源于十里鋪,向西南經東泉河延伸至東尚莊,與十里鋪—杜官莊—畢毛埠異常帶構成對應的南北兩條異常帶,但并不代表是兩條分割的不相連的巖體,而是反映了同一個巖體呈微波褶皺構造的特征。在十里鋪西北安家臺子以西出現的重力異常低值區,也反映了該巖體隆起不均的特征。

從航磁化極異常(圖3)上看,上述兩條重力異常帶和磁測成果極為吻合。

3.2 已知鐵礦重磁異常

重力異常與鐵礦產分布關系不密切。重力異常高值區一般為中基性巖體分布區、巨型凹陷內的淺凸區;重力異常低值區往往與第四系或沉積蓋層分布有關,在巨型凹陷區,第四系的覆蓋厚度大,往往為重力低值區,在沉積蓋層大面積分布區也顯示為重力低值區。雖然重力異常高值區不一定是鐵礦礦產分布區,但對尋找鐵礦具有指導意義。

矽卡巖型鐵礦床一般分布于中基性巖體的邊部與灰巖的接觸帶附近。在重力異常中往往分布于重力高值區與重力低值區的梯度帶附近,閃長巖體分布區顯示重力異常高值區,而鐵礦體分布于重力異常高值區的邊部。因此在碳酸鹽巖廣泛分布區內的重力異常高值區往往預示有隱伏的中基性巖體的存在,在其梯度帶附近,有可能尋找到接觸交代型鐵礦床。

多數鐵礦石具有磁性或強磁性,鐵礦產的分布與磁異常分布密切相關,尤其在中大比例尺磁異常中反映更為明顯。由于鐵礦埋深的加大,磁異常往往不是特別明顯,通常表現為低緩的磁異常,異常走向也不固定。對于矽卡巖型鐵礦而言,由于中基性巖體磁異常反映較為強烈,與其接觸的灰巖磁性弱,在航磁異常中,鐵礦床的分布一般位于正負磁異常帶靠近負磁異常一側。

將研究區內已知鐵礦投影到重磁圖件上(圖2～圖5),研究發現所有的鐵礦床都位于巖體的邊緣接觸帶中,重力高的周邊或某一側的梯度帶部位以及較強磁異常向低負異常的過渡帶即低緩磁異常分布區,往往是礦床賦存的有利部位,重磁異常值較高地區往往是巖體賦存部位,且高磁異常中心外圍,等值線同步向低值區彎曲部位常形成厚大礦體。

3.3 巖體圈定

為了突出反映淺部地質因素,壓制區域性深部地質因素的影響,對布格重力異常作了垂向二階導數計算,其結果可以把疊加在區域異常上的局部異常突出出來,并使某些特征更加清晰了然,有助于識別和研究局部異常,理論上二階導數和剩余異常成比例,有意義的異常在剩余重力異常圖上有顯示,在二階導數異常圖上同樣會有顯示,異常形狀相同、數值不同。布格重力垂向二階導數高值異常和剩余重力高值異常均由閃長巖體引起,根據二者的零值線可大致圈定閃長巖體侵入范圍。

分析圖4和圖5可知:礦山巖體沿顧家臺—劉家廟—沈家嶺—石家泉一線向西延伸,至鳳凰官莊、胡家宅一帶傾沒,與石家泉巖體同源;礦山巖體沿十里鋪—杜官莊—牛泉—畢毛埠一線向西南延伸至深部與角峪巖體相連。

3.4 鐵礦找礦靶區圈定

根據已知鐵礦床地質條件及重磁異常特征,總結本區鐵礦找礦地質—地球物理模型。

3.4.1 地質特征

控礦地層:古生代碳酸鹽巖是成礦的有利圍巖,“高鈣、低鋁、低鎂、低硅”的灰巖地層有利于形成鐵礦體,本區控礦地層為奧陶系馬家溝群厚層灰巖,特別是五陽山組和八陡組易于交代成礦。

控礦構造:褶皺或者斷裂發育,褶皺構造的兩翼,有利于接觸交代作用的產生而形成鐵礦體。

控礦巖體:中生代燕山期閃長巖體是成礦母巖,巖體與碳酸鹽地層的接觸帶上由于接觸交代變質作用形成的矽卡巖化是找礦的直接標志,巖體接觸帶的產狀變化處,如內凹、上隆、轉折段等對成礦極為有利。

3.4.2 地球物理特征

重力場:在布格重力異常圖上表現為等值線高值區附近梯級帶的波動、轉彎處,或者等值線同向彎曲梯度變化較緩的一側;在剩余重力異常上表現為局部重力高值異常中心邊部。

磁場:較強磁異常向低負異常的過渡帶即低緩磁異常分布區,是尋找鐵礦床的有利部位,磁異常值較高地區往往是巖體賦存部位,高磁異常中心外圍,等值線同步向低值區彎曲部位常形成厚大礦體。

以上述成礦規律為指導,本次工作圈定石家泉—劉家廟一帶為鐵礦找礦靶區。根據鉆孔揭露資料,本區有大量閃長巖大致順層侵入于奧陶紀灰巖中,是燕山晚期礦山巖體的西延伸部分,具備成礦地質條件,石家泉航磁異常向東南的突出部位、重力異常高值區與低值區的梯級帶附近,是尋找中深部矽卡巖型鐵礦的重要靶區。

4 2.5D重磁聯合反演

在石家泉—劉家廟重點研究區,穿過石家泉礦區、柳行溝礦區和劉家廟礦區,設計了重磁測量剖面P1,以物性數據及已知鉆孔作為約束條件,進行2.5D重磁聯合反演及解釋,以獲取深部目標地質體的相關信息。

1)解釋思路:首先將各礦區內已有鉆孔柱狀圖相連,賦予密度和磁性參數,礦區間地質信息根據密度資料對布格重力異常進行正演計算,進而反演地層、巖體的接觸關系,建立初步反演模型。然后利用磁性參數對初步反演模型進行微調,對磁異常進行正演計算,重點調整閃長巖侵入范圍以及鐵礦體賦存位置,矽卡巖帶分布在閃長巖體與碳酸鹽巖地層接觸部位,與磁鐵礦伴生。再結合重力異常對模型進行再修改,最終通過多次重磁聯合反演得到地下最佳地質信息。

2)解釋結果:按照以上思路對P1剖面進行了2.5D重磁聯合反演計算,其解釋結果見圖6。該剖面穿越了已知的石家泉礦區勘探線(50～350 m段)、柳行溝礦區勘探線(1 200～2 160 m段)、劉王廟礦區勘探線(5 120～5 360 m段),這些部位由已知鉆孔經行了控制,按照由已知到未知的推斷原則對該剖面進行了反演推斷解釋。重力曲線從西到東逐漸上升,反映了沉積地層逐漸變薄,巖體埋深逐漸變淺的規律;磁測曲線局部高值異常部位由閃長巖體起伏和矽卡巖性磁鐵礦共同作用的結果,剖面磁異常在3 700 m附近下降趨勢增快,推測為閃長巖由西往東順層侵入到奧陶系灰巖中,順層侵入的閃長巖體在此處殲滅,曲線在4 800 m附近達到最低值后逐漸抬升,推測底部閃長巖逐漸增厚。根據“重力異常高且較強磁異常向低負異常的過渡帶(低緩磁異常分布區),是尋找鐵礦床的有利部位”這一成礦規律,在本剖面上存在2個成礦有利部位,設計2個鉆孔位置見圖6。根據2.5D重磁聯合反演推斷結果,預計ZK1鉆孔(剖面2 870 m處)在標高-500 m左右打穿奧陶系灰巖進入下部侵入巖體,可設計鉆孔深度為700 m;預計ZK2鉆孔(剖面750 m處)在標高-800 m左右打穿奧陶系灰巖進入下部侵入巖體,可設計鉆孔深度為1 000 m。推測以上兩個鉆孔在閃長巖體與灰巖的接觸部位大概率存在鐵礦體,見礦深度分別為670 m和970 m。

圖6 石家泉—劉家廟剖面2.5D重磁聯合反演推斷Fig.6 The 2.5D combined granity and magnetic inversion inference of the Shijiaquan-Liujiamiao profile

3)鉆探驗證:項目組首先施工了成礦條件更具優勢的ZK1鉆孔,終孔深度750 m。該鉆孔揭露在488.1～501.9 m深度見蝕變閃長玢巖,其頂板、底板均為奧陶系灰巖,證明了閃長巖順層侵入于奧陶紀灰巖中,由于侵入巖體較薄,在此深度沒有形成鐵礦體。在642.1～657.9 m見磁鐵礦,厚度15.8 m,其中654.6～655.9 m見矽卡巖帶,礦體頂板為中—粗粒結晶灰巖,底板為蝕變輝石閃長巖。磁鐵礦礦層與上層灰巖呈明顯的侵入接觸關系,主要礦物成分為磁鐵礦、方解石及蝕變的粘土礦物,礦體平均品位TFe52.31%,mFe46.48%,為富鐵礦,新增鐵資源量(TD)100.1萬t。

綜上所述,2.5D重磁聯合反演結果與鉆探驗證結果基本相符,從定性解釋角度上講,地層層位解釋的比較準確,從定量角度上講,深度計算與實際情況還有一定的出入(推測見礦深度為670 m,實際為642.1 m),這是以后在算法方面需要提高加強的地方?？傮w上講,2.5D重磁聯合反演結果為鉆孔布設提供了比較準確的信息,本次應用實例也證明了該方法在本區尋找隱伏矽卡巖型磁鐵礦的有效性,在資金允許的情況下可施工ZK2鉆孔,見礦可能性較大。

5 結論

魯中和魯西地區主要為大面積第四系覆蓋的平原區,區內鐵礦床類型均為矽卡巖型鐵礦,礦體與各類圍巖均有明顯的磁性、密度差異,但由于其具有覆蓋厚、埋藏深的特點,導致磁異常不像淺部鐵礦床那么明顯,這就要求在勘探過程中必須重視高精度重力測量在鐵礦勘查中的作用。

本文從已查明鐵礦床入手,總結了區內鐵礦床成礦條件,建立了地質—地球物理模型,在此基礎上按照由已知到未知的原則,首先通過面積性重磁測量工作圈定了成礦有利地段,然后利用大比例尺的重磁數據處理與解釋結果,尋找到一處富鐵礦。通過本次找礦實例,認為利用高精度重磁綜合方法對尋找隱伏矽卡巖型鐵礦具有明顯的效果,總結的一套矽卡巖型鐵礦深部勘查物探技術組合流程,對魯中和魯西地區目前和今后實施的鐵礦深部找礦工作具有重要的現實意義。