鐵礦區(qū)原有磁法數(shù)據(jù)再研究：以遷安馬蘭莊鐵礦區(qū)深部預(yù)測為例

王鳳剛

（首鋼地質(zhì)勘查院地質(zhì)研究所，北京 100144）

0 引言

隨著鐵礦山多年的開采，原有探明的淺部資源／儲(chǔ)量已經(jīng)開采殆盡，尋找深部及周邊鐵礦資源成為當(dāng)務(wù)之急。在老礦區(qū)重新開展磁法等物探測量，往往受到礦山采礦設(shè)備、地面廢石堆等的磁性干擾，以及露天采坑的地形限制。面對這些客觀實(shí)際情況，采用收集以往的磁法測量數(shù)據(jù)，利用當(dāng)前主流軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理，結(jié)合地質(zhì)勘查和礦山開采過程中控制的淺部礦體情況，探究引起磁異常的主要原因，推斷深部存在礦致異常的可能性，不失為一種有效的研究思路。首鋼地質(zhì)勘查院在河北馬蘭莊鐵礦區(qū)深部成礦預(yù)測的過程中，利用原有磁法測量數(shù)據(jù)進(jìn)行再研究，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)驗(yàn)證，成功地找到深部的厚大鐵礦體，為礦區(qū)增加了礦石儲(chǔ)量，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

河北遷安鐵礦區(qū)位于華北克拉通北緣中段的遷安隆起（陸核）西部邊緣的褶皺帶內(nèi)（圖1），是早前寒武紀(jì)條帶狀硅鐵建造（BIF）的重要產(chǎn)區(qū)，著名的水廠鐵礦、杏山鐵礦都分布在此帶內(nèi)。遷安礦區(qū)廣泛出露的地層為中太古界遷西群，西部山區(qū)有中元古界長城系，二者呈角度不整合接觸。北部及中部有侏羅系后城組礫巖分布，第四系則分布于平地（平原）及溝谷中。

根據(jù)多年來積累的勘查資料及研究成果，遷安礦區(qū)北區(qū)的變質(zhì)巖系為遷西群三屯營組二段（Ar2s），依據(jù)變質(zhì)程度、原巖恢復(fù)所反映的火山沉積旋回以及含礦層對比等，具體又劃分為4個(gè)巖性段。其中第三巖性段分2個(gè)亞層（Ar2s3－1，Ar2s3－2），第四巖性段分5個(gè)亞層（Ar2s4－1—Ar2s4－5）。三屯營組二段（Ar2s2）是本區(qū)的主要含礦層位，也是主要的研究對象。

遷安礦區(qū)以中部橫山斷裂為界，分為南、北2個(gè)區(qū)。北區(qū)以柳河峪斷裂為界，分成東、西2個(gè)鐵礦帶，馬蘭莊鐵礦床位于北區(qū)東礦帶馬蘭莊—二馬復(fù)向斜的北端。

馬蘭莊鐵礦以F6斷裂為界，分為南、北兩個(gè)礦段，北部為沙河山礦段，南部為白馬山礦段（圖2）。

1.1 地層

圖1 冀東區(qū)域地質(zhì)簡圖（據(jù)孫大中等，1982；修改）Fig.1 Regional geological map of East Hebei province

圖2 馬蘭莊鐵礦地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch of Malanzhuang iron mine

礦區(qū)出露地層主要為中太古界遷西群三屯營組［4］二段第三巖性段，沿溝谷分布第四系。

三屯營組二段第三巖性段第一亞層（Ar2s3－1）：出露于沙河山向斜的兩側(cè)，厚約270m，主要巖石為黑云紫蘇斜長片麻巖和輝石磁鐵石英巖，次為黑云紫蘇麻粒巖、紫蘇麻粒巖、石榴紫蘇黑云變粒巖、黑云變粒巖，并夾有少量角閃二輝石巖。

三屯營組二段第三巖性段第二亞層（Ar2s3－2）：出露于沙河山倒轉(zhuǎn)向斜的核部，厚約150m，由石榴黑云變粒巖夾大量的角閃二輝石巖、紫蘇黑云變粒巖、不穩(wěn)定的夕線黑云斜長片麻巖、輝石磁鐵石英巖組成。

1.2 構(gòu)造

地質(zhì)勘查成果認(rèn)為，礦床總體控礦構(gòu)造格架為倒轉(zhuǎn)向斜，F(xiàn)6斷裂將該向斜切割為南北兩部分，斷裂以北為沙河山倒轉(zhuǎn)向斜，以南為白馬山倒轉(zhuǎn)向斜，沙河山礦段和白馬山礦段的鐵礦體分別賦存于這2個(gè)向斜內(nèi)。

1.2.1 褶皺

沙河山礦段的控礦構(gòu)造為沙河山倒轉(zhuǎn)向斜，該向斜呈不完整的倒“V”字形，北西翼（倒轉(zhuǎn)翼）走向50°左右，傾向NW，傾角70°～85°，南東翼（正常翼）走向40°左右，傾向NW，傾角30°～60°，兩翼地表出露寬度約300m，向斜軸面總體走向約為45°，傾向NW，傾角60°～70°，向斜北東端翹起，向SW傾伏，傾伏角約18°。

1.2.2 斷裂

白馬山礦段內(nèi)斷裂較多，縱橫交錯(cuò)；沙河山礦段的斷裂不甚發(fā)育，僅局部因褶皺作用有層間斷層零星分布，斷裂在走向和傾向上延伸均較小，局部切割礦體，但無相對位移，對礦體破壞作用較小。

表1 冀東遷安礦區(qū)巖（礦）石磁性參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical diagram for samples of rocks and ores in Qianan iron mine of East Hebei province

1.3 礦體地質(zhì)特征

地質(zhì)勘查成果表明，馬蘭莊鐵礦床總體走向50°左右，傾向NW，傾角60°～70°，北東端翹起，向SW傾伏，傾伏角平均18°。礦體全長＞2 000m，礦帶寬280～380m，礦體平面分布范圍如圖3所示。

2 地球物理特征

磁法勘探是常用的地球物理勘探方法，是尋找磁性鐵礦體最有效的手段。從馬蘭莊鐵礦區(qū)巖（礦）石標(biāo)本測定統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）看出，礦區(qū)的磁鐵石英巖和含鐵石英巖（含鐵片麻巖）較其他巖石相差近3個(gè)數(shù)量級，因此，在礦區(qū)利用磁法找礦是可行的。

圖3 馬蘭莊礦區(qū)航磁異常圖Fig.3 Air magnetic anomaly map of Malanzhuang iron mine

從馬蘭莊礦區(qū)航磁異常圖（圖3）不難看出，礦區(qū)處在一個(gè)較有規(guī)模的磁異常范圍內(nèi)，該區(qū)域中斷裂較為發(fā)育，其中NW向的F6斷裂將異常區(qū)分為兩大塊，即白馬山礦床和沙河山礦床。沙河山礦床磁異常最大值2 300nT，白馬山礦床磁異常最大值1 300nT。地質(zhì)勘探結(jié)果表明，該礦床為倒轉(zhuǎn)向斜控礦模式，尤其是沙河山礦段，西北側(cè)正負(fù)異常邊界和南東側(cè)異常梯度較為密集處對應(yīng)出露的礦體，即倒轉(zhuǎn)向斜兩翼。北西側(cè)磁異常向異常中心有寬緩延伸特征，南東側(cè)磁異常向西北方向也有較為寬緩延伸特征，并都有延伸至磁異常峰值中心的趨勢，推斷磁異常閉合圈中心位置應(yīng)對應(yīng)倒轉(zhuǎn)向斜核部。

3 礦區(qū)原始磁法數(shù)據(jù)處理

3.1 化極

在垂直磁化的條件下，磁異常的形態(tài)比較簡單，便于分析和解釋。我國處于中緯度地區(qū)，屬于傾斜磁化，解釋難度較大，故而首先進(jìn)行化極處理。

在頻率域位場轉(zhuǎn)換中，將磁異常ΔZ作化極處理，即將磁異常轉(zhuǎn)換為磁性體處于地磁極位置的磁異常（此時(shí)地磁場方向垂直向下，當(dāng)磁性體不存在剩余磁化和不存在退磁效應(yīng)時(shí)，磁化方向亦垂直向下），這是常見的數(shù)據(jù)處理方法。一般來說，在垂直磁化時(shí)磁性體與磁異常之間的關(guān)系會(huì)簡單一些，將磁異?；恋卮艠O。一般情況下的磁性體磁化方向不易判斷，在磁異?；瘶O時(shí)，將地磁場方向和磁性體的磁化方向假設(shè)為一致。

圖4 馬蘭莊鐵礦區(qū)地磁異常化極前后等值線圖對比Fig.4 Comparison between the contour map before reduction－to－pole treatment and after reduction

從馬家莊鐵礦區(qū)磁異?；瘶O前后的等值線圖（圖4）可以看出，負(fù)異常位置有了明顯的變化，從正異常的北西側(cè)偏移到正異常的南東側(cè)?；瘶O之后的地磁異常等值線圖中，磁異常更加突出明顯，正異常所形成的異常帶更加符合實(shí)際出露的礦體形態(tài)。從化極處理后的磁異?？?，沙河山磁異常連續(xù)性更好，尤其是在北東端異常值高且密集，向西南方向延伸，異常數(shù)值逐漸減小且寬緩，化極后的地磁異常與實(shí)際情況更為貼近，也更好地反映礦體賦存的真實(shí)信息。說明該區(qū)域磁測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，是進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。

3.2 地磁異常的小波多尺度分解

小波多尺度分析方法是近年發(fā)展起來的新興數(shù)學(xué)方法，最初是由法國的地球物理學(xué)家J.Morlet和A.Grossmann提出的，廣泛應(yīng)用于信號處理、圖像處理、地球物理勘探等領(lǐng)域，這主要得益于小波的時(shí)頻局域分析能力。小波多尺度分解能將重磁異常精細(xì)地分解到多個(gè)不同尺度上來反映不同尺度和深度的異常，常被用于區(qū)域重磁場的分解和分析，能夠得到較好的效果。采用小波多尺度分解的方法，把實(shí)測磁異常分解為幾個(gè)不同階的細(xì)節(jié)提取深部弱信號，并用對數(shù)功率譜分析方法計(jì)算他們所代表的場源深度，更好地揭示深部場源的賦存信息，進(jìn)而分析深部磁場特征，是解釋磁異常的一種新思路。

馬蘭莊鐵礦區(qū)地面磁異常等值線圖（圖5a）中，磁異常的走向?yàn)镹E向，呈條帶狀分布，正負(fù)異常伴生（紅色為正，藍(lán)色為負(fù)）。磁異常與地質(zhì)圖中的鐵礦體出露位置（紅色填充）部分對應(yīng)，這些部位為地表磁鐵礦體引起的磁異常的真實(shí)反映。

利用小波多尺度分解技術(shù)對地磁異常進(jìn)行再處理。通過軟件的二維小波多尺度分解功能將數(shù)據(jù)分解為逼近文件和細(xì)節(jié)文件，再利用軟件的平面重磁異常功率譜確定場源似深度的功能，對二維小波多尺度分解后的細(xì)節(jié)文件進(jìn)行處理，求得磁場場源的近似深度值，為剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行正反演計(jì)算提供依據(jù)。

地磁異常經(jīng)小波多尺度一階分解后，由功率譜分析計(jì)算出場源似深度為11.5m，其細(xì)節(jié)圖（圖5b）主要反映淺部礦體賦存范圍。淺部礦體與地磁異常形態(tài)變化不大，磁異常有斷開跡象，與地質(zhì)圖中構(gòu)造關(guān)系吻合，低緩異常位置沒有明顯的預(yù)示。

地磁異常經(jīng)小波多尺度二階分解后，由功率譜分析計(jì)算出場源似深度為90.3m，二階細(xì)節(jié)圖（圖5c）中的磁異常更為明顯，并且形態(tài)變化不大，異常連續(xù)性更好，中部的NW向斷裂部位磁異常有明顯的斷開顯示，局部的小礦體異常有消失的跡象。

地磁異常經(jīng)小波多尺度三階分解后，由功率譜分析計(jì)算出場源似深度為186.4m。三階細(xì)節(jié)圖（圖5d）中的磁異常整體呈帶狀展布，并且有逐漸匯聚趨勢，零星分布的磁異常已經(jīng)消失，并且磁異常匯聚中心與地表礦體出露位置有所偏移，說明淺部鐵礦體向礦床核部有延伸。

圖5 馬蘭莊鐵礦區(qū)地磁異常的小波多尺度分解與鐵礦體出露位置對比Fig.5 Correlation of outcrops of iron ore bodies to anomlies of multi－scale resolution of small waves in Malanzhuang iron ore mining district

地磁異常經(jīng)小波多尺度四階分解后，由功率譜分析計(jì)算出場源似深度為439.0m。四階細(xì)節(jié)圖（圖5e）中的磁異常已經(jīng)匯聚為2個(gè)中心，異常的最大值在沙河山礦段達(dá)到2 800nT，紅色為正異常中心，該異常區(qū)域在沙河山礦床兩翼核部偏向西翼位置，說明這個(gè)深度已經(jīng)是礦體核部位置，這個(gè)區(qū)域也是深部礦體賦存最為有利的位置。

地磁異常經(jīng)小波多尺度五階分解后，由功率譜分析計(jì)算出場源似深度為665.9m。五階細(xì)節(jié)圖（圖5f）中的磁異常已經(jīng)匯聚為一個(gè)中心，異常最大值仍達(dá)到1 200nT，紅色為正異常中心，該位置已經(jīng)偏離異常核部，說明這個(gè)深度很可能賦存又一厚大礦體，這個(gè)區(qū)域也是深部礦體賦存最為有利位置，如果這個(gè)礦體被證實(shí)存在，那么將是礦山又一重大發(fā)現(xiàn)，增加礦石儲(chǔ)量，經(jīng)濟(jì)效益將非?？捎^。

通過小波多尺度分解處理方法，推算出了不同深度礦體的賦存形態(tài)，估算出了場源的位置，以此可以指導(dǎo)磁性體埋深范圍，為對磁異常進(jìn)行正、反演計(jì)算提供了參考范圍。

3.3 磁異常的上延處理

為壓制淺部干擾，剔除反映規(guī)模小、埋藏淺且磁性體向下延伸不大的異常，突出埋藏深或向下延伸大的異常，對磁異常進(jìn)行上延處理，以了解深部磁性體的分布情況。

圖6 地磁異常上延400m等值線圖Fig.6 The contour map of 400meters up－extension of ground magnetic anomaly

利用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行上延處理，經(jīng)過變換選擇上延400m效果較為理想。從圖6可以看出，上延后磁異常主要集中在礦區(qū)中部，并且主要是礦體西翼向南西方向的延伸方向，說明該區(qū)域是賦存深部礦體的有利位置，與地磁異常經(jīng)小波多尺度五階分解后的結(jié)果有對應(yīng)關(guān)系。

在上延400m磁異常圖上選擇施工條件有利，且靠近磁異常中心的位置，垂直異常走向的方向布設(shè)勘探線，提取磁異常做正、反演計(jì)算，推斷礦體賦存形態(tài)，設(shè)計(jì)驗(yàn)證鉆孔。

結(jié)合淺部鐵礦勘查工程的控制情況，利用軟件對勘探線上磁法數(shù)據(jù)擬合剩余異常進(jìn)行正反演計(jì)算，得到深部礦體賦存的信息。剖面磁異常呈多峰形態(tài)，對應(yīng)向斜的翼部，根據(jù)小波多尺度分解后細(xì)節(jié)文件推導(dǎo)的場源深度約為665m，著重于低緩異常的擬合，推斷原有向斜的核部鐵礦體（賦存標(biāo)高－200～－400m）之下的標(biāo)高－400～－500范圍內(nèi)，有一厚度達(dá)百米的磁性體存在，磁性體形態(tài)呈元寶狀，中間平緩，兩端翹起（圖7）。

圖8為勘探線剖面驗(yàn)證孔的見礦情況。從圖中可見，上部的倒轉(zhuǎn)向斜鐵礦體已經(jīng)被以往工程所控制，并且與據(jù)小波多尺度分解細(xì)節(jié)圖估算的近似磁場場源深度具有對應(yīng)關(guān)系。在標(biāo)高－400～－500 m范圍內(nèi)賦存有一厚大鐵礦體，對應(yīng)五階分解所計(jì)算的近似磁場場源深度。雖然地質(zhì)剖面圖與地磁異?？碧骄€正反演計(jì)算剖面有些出入，但該鉆孔見到了推斷的鐵礦體，盡管只有1個(gè)鉆孔控制，礦體形態(tài)還未完全展現(xiàn)出來，但這一驗(yàn)證鉆孔的見礦充分說明，平面和剖面異常所提供的鐵礦體賦存信息是準(zhǔn)確無誤的。這一研究成果將為馬蘭莊鐵礦區(qū)增加新的儲(chǔ)量資源，并為老礦山帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也是利用以往磁法勘探資料尋找深部厚大鐵礦體的成功實(shí)例。

圖7 地磁異?？碧骄€正反演計(jì)算剖面圖Fig.7 The computed forward and inversion simulation profile of exploratory lines laid out by ground magnetic anomaly

圖8 勘探線驗(yàn)證孔地質(zhì)剖面圖Fig.8 The geological profile of check drilling holes at exploratory line

4 結(jié)論

在深部找礦過程中，收集以往數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用現(xiàn)代處理方法不失為一種有效的找礦預(yù)測手段，尤其是在淺部礦體已有工程控制的前提下，采用化極、上延、小波多尺度分解、功率譜分析計(jì)算出場源似深度等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的再次處理，依然可以發(fā)現(xiàn)深部所賦存的厚大礦體，既為老礦區(qū)增加了礦石儲(chǔ)量，也解決了在老礦區(qū)開展新的物探測量受限的難題。

［1］王紀(jì)恒.關(guān)于磁異?；瘶O的若干體會(huì)［J］.物探化探計(jì)算技術(shù)，1993，15（4）：333－338.

［2］王建復(fù).小波多尺度分解用于遼寧鐵嶺下峪鐵礦磁異常的解釋［J］.物探與化探.2013，37（4）：615－619.

［3］湯紹合.河北遷安馬蘭莊鐵礦沙河山礦段控礦構(gòu)造模式再認(rèn)識［J］.地質(zhì)找礦論叢，2013，28（3）：352－360.

［4］劉天佑，劉大為，詹應(yīng)林，等.磁測資料處理新方法及在危機(jī)礦 山挖潛中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2006，30（5）：377－381.