鞍山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及深部鐵礦

范正國，黃旭釗，譚 林，楊 雪，張洪瑞，周道卿，劉前坤

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

鞍山地區(qū)位于中國東北部遼寧省境內(nèi)，是中國鐵礦最集中的地區(qū)，在不足100km2范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了齊大山、胡家廟子、眼前山、大孤山、東鞍山和西鞍山等大型鐵礦床(圖1)，在勘探深度一般小于500m、個(gè)別達(dá)到1000m的情況下，探明鐵礦儲(chǔ)量達(dá)70億t以上(姚培慧等，1993;沈保豐等，2005;任群智等，2007)。該區(qū)鐵礦的開采與研究歷史悠久，早在戰(zhàn)國時(shí)期(公元前475年～公元前221年)就出現(xiàn)了鐵礦開采活動(dòng)，但大規(guī)?？碧健㈤_采活動(dòng)始于1908年(姚培慧等，1993)。盡管如此，本區(qū)仍有許多問題尚待解決，其中最重要的問題，一是鞍山地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造到底是什么形式;二是鞍山地區(qū)深部是否還有大規(guī)模鐵礦。針對(duì)這2個(gè)最重要問題，本文采用剖面重磁異常人機(jī)交互反演技術(shù)(于長春等，2007;范正國等，2010，2012b)正演了東鞍山和齊大山已知鐵礦引起的航磁異常，并對(duì)橫穿東鞍山鐵礦區(qū)、鐵架山區(qū)和齊大山鐵礦區(qū)的重磁剖面異常進(jìn)行了反演，以此為基礎(chǔ)研究了鞍山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、評(píng)估了鞍山地區(qū)深部的鐵礦遠(yuǎn)景。

1 地質(zhì)構(gòu)造及礦產(chǎn)特征

大地構(gòu)造上，鞍山地區(qū)位于華北克拉通(Ⅰ)北東部，跨越膠遼臺(tái)隆(Ⅰ1)和華北斷陷(Ⅰ3)2個(gè)二級(jí)大地構(gòu)造單元，涉及太子河－渾江臺(tái)陷()、營口－寬甸臺(tái)拱()和下遼河斷陷()3個(gè)三級(jí)大地構(gòu)造單元。該區(qū)中部鐵架山一帶出露太古宙混合巖及混合花崗巖，原巖為華北克拉通中最古老的鉀質(zhì)花崗巖(萬渝生等，2002)，鐵架山周圍出露太古宇鞍山群櫻桃園組和元古界遼河群浪山子組千枚巖、片巖，震旦系石英巖，寒武系碳酸鹽巖等;西北部廣大地區(qū)屬于第四系覆蓋，南部大面積出露燕山期花崗巖，東部廣大地區(qū)出露太古宙混合巖及混合花崗巖、震旦系石英巖及寒武系碳酸鹽巖(圖1)。

關(guān)于鞍山地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，目前仍存在多種認(rèn)識(shí)，歸納起來主要有以下幾種:① 劉生石(1977)認(rèn)為，鞍山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬于弓長嶺－遼陽復(fù)背斜之南翼，包含了北部(櫻桃園－谷首峪)倒轉(zhuǎn)向斜、中部(鐵架山)倒轉(zhuǎn)背斜和南部(西鞍山－大孤山)倒轉(zhuǎn)向斜等。②潘勇飛(1977)認(rèn)為，鞍山地區(qū)前震旦系基底構(gòu)造為向北西傾沒的、核部已被剝蝕、并受斷裂破壞的背斜構(gòu)造，其核部位于鐵架山。③杜維本(1980)認(rèn)為，鞍山地區(qū)的鐵礦帶既不是產(chǎn)于向斜的某翼，也不是產(chǎn)于背斜或彎隆的某翼，而是產(chǎn)于兩個(gè)不同的弧形構(gòu)造帶。④徐光榮等(1984)認(rèn)為，在太古宙(大約25～31億年)時(shí)期，鞍山地區(qū)屬于古火山島?。蠀^(qū)，東鞍山－鐵架山為火山隆起區(qū)，齊大山處于火山隆起區(qū)到海溝區(qū)的斜坡上;早元古代，東鞍山一帶出現(xiàn)局部下陷，形成帽地槽。⑤蔣永年(1988)認(rèn)為，鞍山地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造為北部向斜、中間背斜和南部向斜所構(gòu)成的復(fù)向斜構(gòu)造。⑥李鴻業(yè)等(1999)認(rèn)為，鞍山地區(qū)的鐵礦帶并不是產(chǎn)于同一向斜構(gòu)造的兩翼，而是產(chǎn)于蘑菇狀的復(fù)背斜構(gòu)造中的局部凹陷中。

鞍山地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)主要為早前寒武紀(jì)形成的沉積變質(zhì)型鐵礦，由分布在鐵架山東、南兩側(cè)的西鞍山－大孤山、齊大山－胡家廟子和眼前山－關(guān)門山3條鐵礦帶構(gòu)成。這些礦帶彼此獨(dú)立，并被大面積多期形成的花崗質(zhì)巖石所包圍。礦帶內(nèi)部，作為礦帶主體的鐵礦層呈厚板狀，由各種磁(赤)鐵石英巖組成，鐵礦層兩側(cè)，殘留有部分千枚巖、變粒巖和角閃巖，有人認(rèn)為其時(shí)代屬于太古宙(劉生石，1977;李鴻業(yè)等，1999)，也有人認(rèn)為屬于元古代(徐光榮等，1984;蔣永年，1988)。

鞍山地區(qū)鐵礦勘探的深度一般小于500m，個(gè)別達(dá)到1000m，深部是否還有鐵礦是大家關(guān)注的問題之一。近年來，在鞍山地區(qū)的黑石砬子和鞍山地區(qū)以東30～60km處的弓長嶺、大臺(tái)溝、南芬等地段的深部，通過對(duì)地質(zhì)構(gòu)造和磁異常的研究和鉆探驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了大量的鐵礦(任群智，2007;劉軍，靳淑韻，2010;洪秀偉等，2010)。范正國等(2012a)定性分析了航磁異常后認(rèn)為，鞍山鐵礦區(qū)內(nèi)黑石砬子、三道溝和平山街等地段深部的找礦前景較好。

2 地球物理特征

2.1 重磁異常特征

在1∶500萬航磁ΔT異常圖(王乃東等，2004)上，鞍山地區(qū)出現(xiàn)一處強(qiáng)度大于3000nT的強(qiáng)磁異常，其形狀(正值部分)呈等軸狀、北側(cè)伴生明顯的負(fù)異常。在1∶10萬航磁ΔT化極垂向一階導(dǎo)數(shù)等值線圖(圖2)上，鞍山地區(qū)航磁異常分解成多條帶狀局部異常，其中齊大山－胡家廟子、西鞍山－大孤山和眼前山－關(guān)門山等異常帶與已知的鐵礦帶對(duì)應(yīng)很好。

在1∶500萬布格重力異常等值線圖上，鞍山地區(qū)處于北東向布格重力高異常帶的東南側(cè)梯度帶上，局部存在布格重力等值線向南凸的鼻狀高值異常。在1∶20萬布格重力剩余異常等值線圖(圖3)上，鞍山地區(qū)布格重力剩余異常的特征與航磁ΔT化極垂向一階導(dǎo)數(shù)異常的特征相似，也分解成多條帶狀局部異常，且重磁異常重合性非常好。

2.2 巖(礦)石物性特征

根據(jù)本次測量數(shù)據(jù)和前人資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)，鞍山地區(qū)鐵礦層的上下盤圍巖和各蓋層的磁化率均在1×10－5～432×10－5SI范圍內(nèi)、可視為無磁性或弱磁性，密度為2.1 ～2.9 g/cm3、不同地層或巖性之間存在明顯的密度差;鞍山式鐵礦的磁化率變化范圍為12366×10－5～139123×10－5SI、是該區(qū)唯一能引起強(qiáng)磁異常的地質(zhì)體，密度高達(dá)3.32～3.48 g/cm3，當(dāng)其體積足夠大時(shí)也能引起明顯的重力異常。

表1 鞍山地區(qū)巖(礦)石物性表Table 1 Physical property parameters of rocks and ores in the Anshan area

此外，王世稱等(1977)和叢培強(qiáng)等(2012)指出，鞍山地區(qū)磁鐵礦石不但感應(yīng)磁性(磁化率κ)強(qiáng)、剩余磁性Jr也強(qiáng)，其他巖石的感應(yīng)磁性(磁化率κ)和剩余磁性Jr都弱。

3 已知鐵礦引起的航磁異常

為了研究鞍山地區(qū)深部是否還有未探明的鐵礦，采用剖面重磁異常人機(jī)交互反演技術(shù)正演了東鞍山和齊大山已探明鐵礦引起的航磁異常。正演中使用的正常地磁參數(shù):強(qiáng)度(To)為53508.2nT，傾角(Io)為57.9°，偏角為 －7.4°。計(jì)算剖面方向?yàn)?54.9°。

3.1 已探明的東鞍山鐵礦引起的航磁異常

東鞍山鐵礦勘探深度近900m，礦體為厚約280m的層狀，走向延長約2200m，地下300m以淺向北東約45°傾斜、以下向北東陡傾斜(近于直立)，地下500m以淺主要為赤鐵貧礦、以下主要為磁鐵貧礦，近礦圍巖主要為太古宙千枚巖，往外為太古宙混合巖(圖4a)。

東鞍山鐵礦區(qū)的航磁異常十分醒目，異常強(qiáng)度近4000nT。由于本區(qū)只有鐵礦石才具有強(qiáng)磁性，其他巖石為無磁性或弱磁性，因此，航磁異常應(yīng)是東鞍山鐵礦引起的。但是，目前勘探已控制的鐵礦體能否引起測量所得的航磁異常呢?

為了回答上述問題，將勘探控制的東鞍山鐵礦體及其圍巖的有關(guān)參數(shù)輸入重磁異常人機(jī)交互正反演軟件，獲得了已探明的東鞍山鐵礦體引起的航磁異常(圖4b)，正演時(shí)使用的巖(礦)石物性數(shù)據(jù)如表2所示。

從圖4b上可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測航磁異常較寬，計(jì)算航磁異常較窄，航磁殘余異常(實(shí)測航磁異常與計(jì)算航磁異常之差)出現(xiàn)3個(gè)明顯的、規(guī)模較大的局部異常。因此，已探明的鐵礦體不能引起測量所得的航磁異常，深部應(yīng)還有未探明的鐵礦體。

表2 圖4中巖(礦)石磁性參數(shù)表Table 2 Magnetic parameters of rocks and ores in Fig.4

3.2 已探明的齊大山鐵礦引起的航磁異常

齊大山鐵礦勘探深度近500m，礦層走向延長4650m，平均厚度為200m，向北西陡傾斜(近于直立)，地下300m以淺主要為赤鐵貧礦、以下主要為磁鐵貧礦，近礦圍巖東側(cè)主要為太古宙混合巖、西側(cè)主要為太古宙片巖(圖5a)。

齊大山鐵礦區(qū)的航磁異常非常醒目，異常強(qiáng)度達(dá)7000nT。由于本區(qū)只有鐵礦石才具有強(qiáng)磁性，其他巖石為無磁性或弱磁性，因此，航磁異常應(yīng)是齊大山鐵引起的。但是，目前勘探已控制的鐵礦體能否引起測量所得的航磁異常呢?

為了回答上述問題，將勘探已控制的齊大山鐵礦體及其圍巖的有關(guān)參數(shù)輸入重磁異常人機(jī)交互正反演軟件，獲得了已探明的齊大山鐵礦體引起的航磁異常(圖5b)，正演時(shí)使用的巖(礦)石物性數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 圖5中巖(礦)石磁性參數(shù)表Table 3 Magnetic parameters of rocks and ores in Fig.5

從圖5b上可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測航磁異常較寬，計(jì)算航磁異常較窄，航磁殘余異常與實(shí)測航磁異常的規(guī)模、形態(tài)仍相近。換句話說，已探明的鐵礦體引起的航磁異常僅占實(shí)測航磁異常中的很小一部分，因此深部應(yīng)還有規(guī)模更大的、未探明的鐵礦體。

4 東鞍山－齊大山剖面重磁異常反映的構(gòu)造特征及鐵礦

東鞍山－齊大山(A－B)剖面橫切了鞍山地區(qū)的主要地質(zhì)構(gòu)造及鐵礦帶(圖1)和重磁異常帶(圖2和圖3)，與前人構(gòu)建的鞍山地區(qū)剖面地質(zhì)構(gòu)造模型(徐光榮等人，1984;李鴻業(yè)等，1999)的位置基本一致。因此，通過對(duì)東鞍山－齊大山(A－B)剖面重磁異常的定性、定量解釋，有助于揭示鞍山地區(qū)深部地質(zhì)構(gòu)造特征及鐵礦分布情況。

4.1 東鞍山－齊大山(A－B)剖面重磁異常解釋

如前所述，在東鞍山－齊大山(A－B)剖面上，齊大山鐵礦所在位置的航磁異常強(qiáng)度達(dá)7000nT、梯度陡、規(guī)模大，東鞍山鐵礦所在位置的航磁異常強(qiáng)度近4000nT、梯度較陡，而鞍山地區(qū)只有鐵礦石或鐵礦化巖石才具有強(qiáng)磁性、其他巖石為無磁性或弱磁性，因此，航磁異常應(yīng)主要由鐵礦體引起;齊大山鐵礦所在位置的布格重力局部異常非常醒目、異常幅值近9×10－5m/s2，東鞍山鐵礦所在位置的布格重力局部異常不醒目、屬于規(guī)模較大的局部異常的梯度帶，鞍山地區(qū)鞍山式鐵礦的密度最大(可達(dá)3.48 g/cm3)，斜長角閃巖、片巖和碳酸鹽巖等的密度也較大(多為2.8 ～2.9 g/cm3)，花崗質(zhì)類巖石的密度較低(多為2.6～2.7 g/cm3)、第四系的密度最低，因此，重力異常應(yīng)主要由斜長角閃巖、片巖、碳酸鹽巖和鐵礦體共同引起。

根據(jù)對(duì)東鞍山－齊大山(A－B)剖面重磁異常的定性分析結(jié)果，以地質(zhì)勘探剖面(圖4a和圖5a)和地表地質(zhì)構(gòu)造(圖1)為基礎(chǔ)構(gòu)建初始模型，根據(jù)鞍山地區(qū)巖(礦)石的物性參數(shù)和重磁異常特征，修改模型的形狀或參數(shù)及不同模型的組合方式，最終實(shí)現(xiàn)了計(jì)算曲線與實(shí)測曲線基本重合(圖6)。擬合(反演)過程中使用的各類巖(礦)石的物性參數(shù)如表4所示，正常地磁參數(shù)與東鞍山、齊大山鐵礦航磁異常正演時(shí)使用的參數(shù)相同。

表4 圖6中巖(礦)石磁性和密度參數(shù)表Table 4 Magnetic and density parameters of rocks and ores in Fig.6

4.2 鞍山地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造

重磁剖面反演結(jié)果，鞍山地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造總體為復(fù)背斜構(gòu)造或穹窿，由東鞍山向斜、鐵架山背斜和齊大山向斜構(gòu)成。東鞍山向斜和齊大山向斜的底部皆由太古宙花崗質(zhì)巖石(密度2.66g/cm3、有效磁化強(qiáng)度100×10－3A/m)構(gòu)成;東鞍山向斜上部的地層或巖石依次為元古界或太古宇片巖、千枚巖(密度2.78g/cm3、有效磁化強(qiáng)度 30 ×10－3A/m)、震旦系石英巖(密度 2.74g/cm3、有效磁化強(qiáng)度 50×10－3A/m)和寒武系碳酸鹽巖(密度2.74g/cm3、有效磁化強(qiáng)度0×10－3A/m);齊大山向斜上部的地層或巖石主要為元古界或太古宇片巖、千枚巖。另外，齊大山向斜的底部還存在太古宙斜長角閃巖(密度2.75g/cm3、有效磁化強(qiáng)度 100 ×10－3A/m)夾層。東鞍山向斜向南倒臥，齊大山向斜向東北倒臥，這一特征說明東鞍山向斜和齊大山向斜應(yīng)為以鐵架山為中心的山間盆地，而不是受到“兩極擠壓中以南推占優(yōu)勢”(李鴻業(yè)等，1999)所造成。

重磁剖面反演結(jié)果揭示的地質(zhì)構(gòu)造，宏觀上與李鴻業(yè)等(1999)和徐光榮等(1984)提出的構(gòu)造模式(圖7和圖8，簡稱李鴻業(yè)模式和徐光榮模式)相似，但局部細(xì)節(jié)上存在較大差異，主要表現(xiàn)在:① 剖面南端的千山花崗巖體，徐光榮模式中未給出;李鴻業(yè)模式中雖給出了千山花崗巖體，但其產(chǎn)狀近于直立;反演結(jié)果，千山花崗巖體向北傾、隱伏在太古宙混合巖下，產(chǎn)狀較緩。② 反演結(jié)果表明，東鞍山一帶的向斜構(gòu)造，其地表范圍與李鴻業(yè)模式和徐光榮模式都接近，但地下的規(guī)模則要大許多，主要是該向斜的北翼不像徐光榮模式那樣向南緩傾斜，也不像李鴻業(yè)模式那樣先向南緩傾斜、再轉(zhuǎn)為近于直立向下(斷裂控制)，而是先向北緩傾斜、再轉(zhuǎn)為向南緩傾斜。此外，該向斜南翼的產(chǎn)狀，反演結(jié)果也比前人模式中的產(chǎn)狀要陡一些。③鐵架山凸起，徐光榮模式為一座古島嶼;李鴻業(yè)模式為太古宙花崗質(zhì)巖石構(gòu)成的穹窿;反演結(jié)果顯示出，鐵架山曾是規(guī)模不大的古島嶼，后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致“山體崩塌”而部分覆蓋到了周圍的“山溝”(盆地或向斜)上，形成一個(gè)類似“蘑菇”狀的穹窿。④齊大山一帶的向斜構(gòu)造，既不像李鴻業(yè)模式那樣，下部為較窄的“太古宇鞍山群含鐵泥礫砂巖”夾層，其上出現(xiàn)了規(guī)模較小的元古代盆地(或向斜);也不像徐光榮模式那樣為大型弧后盆地的西側(cè)斜坡。

4.3 鞍山地區(qū)深部的鐵礦前景

重磁剖面反演結(jié)果(圖6)，東鞍山鐵礦呈層狀產(chǎn)于東鞍山向斜內(nèi)、且以南翼為主，已探明的鐵礦體為位于向斜西南翼中局部凸出地表的鐵礦體部分，鐵礦體向下有較大延深，探明的體積僅占反演結(jié)果的10%;齊大山鐵礦體主要產(chǎn)于齊大山向斜的核部、環(huán)繞向斜的核部還有多層鐵礦產(chǎn)于向斜的兩翼，已探明的鐵礦為位于向斜北東翼靠近核部的、局部凸出地表的鐵礦體部分，鐵礦體向下有較大延深，探明的體積僅占反演結(jié)果的5%。因此，鞍山地區(qū)地下深部存在尚未探明的巨型鐵礦體。

5 結(jié)論

研究結(jié)果表明，鞍山地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造總體上為復(fù)背斜構(gòu)造或穹窿構(gòu)造，在復(fù)背斜構(gòu)造或穹窿構(gòu)造上疊加了東鞍山和齊大山次級(jí)向斜構(gòu)造，其中東鞍山向斜構(gòu)造發(fā)育較完整，從底部到淺部依次有太古宇、元古界、震旦系和寒武系等地層;齊大山向斜構(gòu)造發(fā)育不夠完整，主要由太古宙混合巖、奧長花崗巖及斜長角閃巖和太古宇或元古界片巖、千枚巖等構(gòu)成。

從計(jì)算的東鞍山和齊大山已探明鐵礦體引起的航磁異常及由此計(jì)算的殘余異常來看，已探明的鐵礦體引起的航磁異常僅占實(shí)測航磁異常中的很小一部分，深部還有規(guī)模更大的、未探明的鐵礦體。通過對(duì)穿越鞍山地區(qū)主要鐵礦區(qū)的東鞍山－齊大山(A－B)剖面重磁異常的聯(lián)合反演，結(jié)果進(jìn)一步表明鞍山地區(qū)深部未探明鐵礦體的規(guī)模巨大，東鞍山和齊大山鐵礦區(qū)已探明的鐵礦體體積分別僅占反演結(jié)果的10%和5%。

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