磁化率測量在沉積錳礦床中的應用

謝　華，伊海生，歐莉華，李　勇，趙香玲，金　峰，李啟來

(1.成都理工大學地球科學學院，成都 610059；2.成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059；3.成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059；4.成都理工大學工程技術學院，成都 614000；5.核工業(yè)280研究所，四川 廣漢 618300)

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磁化率測量在沉積錳礦床中的應用

謝華1，伊海生2,3，歐莉華4，李勇5，趙香玲1，金峰2，李啟來2

(1.成都理工大學地球科學學院，成都 610059；2.成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059；3.成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059；4.成都理工大學工程技術學院，成都 614000；5.核工業(yè)280研究所，四川 廣漢 618300)

摘要：為研究磁化率在沉積錳礦床中的應用，對廣西下雷錳礦床的鉆孔巖心進行了磁化率測量試驗。結果表明，含錳巖系中礦層磁化率與圍巖磁化率明顯不同，通常碳酸錳礦磁化率值比圍巖要高出1～2個數(shù)量級，而圍巖中硅質巖、灰?guī)r、泥巖的磁化率無明顯差異。磁化率可作為野外快速判別含錳巖系的代用指標。通過討論下雷原生碳酸錳礦的磁化率異常，認為碳酸鹽礦物磁性很低，對磁化率的貢獻極小，磁化率異常高值指示與其伴生的鐵質礦物；碳酸錳礦中含有磁性礦物，其磁性強弱決定了礦層磁化率的大小；黏土礦物中的綠泥石可吸附含鐵的強磁性物質，綠泥石及其含量是影響碳酸錳礦磁化率的一個重要因素。

關鍵詞：下雷錳礦；磁化率；含錳巖系；原生碳酸錳礦；碳酸鹽巖；廣西

0引言

錳與鐵、鉻在工業(yè)上統(tǒng)稱為三大黑色金屬。錳及其化合物已廣泛應用于國民經濟的各個領域，尤其鋼鐵工業(yè)用錳量占90%～95%。我國錳礦地質勘查歷經半個多世紀已取得巨大成就，國內錳礦仍有較大的資源潛力，優(yōu)質錳礦主要賦存于六大含錳巖系中。廣西下雷錳礦是我國目前僅有的一個錳礦資源儲量超億噸的錳礦床，開展下雷錳礦的研究對于在我國尋找大型超大型錳礦具有重要意義[1-5]。

通常把含有錳礦或含錳巖石的地層稱為“含錳巖系”[1-2,6]。含錳巖系除了具有一定的時代含義外，還代表與錳礦成礦和沉積作用有關的一套巖石組合。前人雖對含錳巖系做過很多研究，但野外判別含錳巖系一直缺乏快速而有效的方法。沉積物磁化率是衡量沉積物在外磁場作用下被磁化的難易程度的物理量,一般分為體積、質量、頻率磁化率[6-7]。磁化率作為表征物質磁學特征的物理量,可判斷樣品記載的古環(huán)境變化信息，分析古氣候變化規(guī)律。磁化率作為古氣候的一種替代性指標已廣泛用于古氣候對比和古全球變化研究[8-11]。對海洋和湖泊沉積物而言,磁化率測量也用于巖心地層對比[8]。本文以廣西大新縣下雷錳礦床為研究對象，對其9口鉆孔巖心進行了磁化率的測量實驗。實測磁化率值5 504個，其中錳礦297個，圍巖5 207個。據統(tǒng)計，含錳巖系磁化率值較圍巖通常高出1～2個數(shù)量級，圍巖中硅質巖、灰?guī)r、泥巖的磁化率無明顯差異，磁化率可作為含錳巖系判別的代用指標。

1研究區(qū)概況

下雷錳礦區(qū)位于華南褶皺系右江褶皺帶南部上映倒轉向斜的西南端。整個礦區(qū)呈NNE向傾伏的向斜構造，其西南端仰起，北東端被斷層切斷。礦區(qū)內零星出露有小型基性侵入體。礦區(qū)分布有石炭系、泥盆系，其中泥盆系最為發(fā)育，分布面積最廣(圖1)。該區(qū)在海西運動早期，由于古特提斯洋裂谷作用的影響，形成了一系列張裂構造以及右江大陸邊緣裂谷盆地。盆地內發(fā)育碎屑巖、硅質巖、碳酸鹽巖、泥質巖組成的槽溝沉積相[1-2]。

圖1　廣西下雷錳礦地質圖(據文獻[12]修改)Fig.1　Geological map of Xialei manganese deposit, Guangxi1.石炭系；2.上泥盆統(tǒng)五指山組；3.上泥盆統(tǒng)榴江組；4.中泥盆統(tǒng)東崗嶺組；5.輝綠巖；6.地質界線；7.錳礦層露頭；8.正斷層；9.逆斷層；10.平移斷層

下雷錳礦賦存于上泥盆統(tǒng)五指山組海相沉積的硅質-碳酸鹽巖-泥巖建造中，該含錳巖系巖性由下而上分為3段：①上泥盆統(tǒng)五指山組下段(D3w1)，主要為灰色、灰黑色、深灰色硅質巖、硅質灰?guī)r、微晶灰?guī)r以及少量灰色、灰綠色扁豆狀灰?guī)r，呈中-薄層狀；②上泥盆統(tǒng)五指山組中段(D3w2)，為原生碳酸錳礦段，由2層錳礦和1個夾石層組成；下部Ⅰ礦層，為原生碳酸錳礦層，厚0.6～4.2m，礦石呈肉紅色、淺灰綠色、墨綠色、灰黑色、淺灰色、土黃色，隱晶質結構，塊狀、鮞狀、薄層狀、豆狀、角礫狀、條帶狀構造；上部Ⅱ、Ⅲ礦層，厚1.7～12m，亦為原生碳酸錳礦層，Ⅱ與Ⅲ礦層間的夾石層不發(fā)育，為連續(xù)礦層；夾石層為硅質巖、硅質灰?guī)r的組合，厚6.6～16.8m，呈深灰色、灰黑色，薄層狀；③上泥盆統(tǒng)五指山組下段(D3w3)，為深灰色、灰黑色硅質巖、硅質灰?guī)r、泥灰?guī)r夾硅質條帶的組合，呈薄層狀。

2測量儀器與方法

采用加拿大KT-10手持磁化率儀(以下簡稱KT-10)對巖心磁化率進行測試，所得數(shù)據為體積磁化率。體積磁化率是物質的一種宏觀磁性質，它是磁化強度(或體積磁矩)M與外加磁場強度H的比值，即κ=M/H，是無量綱物理量，國際單位制SI。KT-10測量時保持儀器和巖石表面大致平行，儀器測針接觸巖石直接測量。連續(xù)測量間距10cm。KT-10最大測量精度為1×10-6SI，測值范圍為0.001×10-3～999.99×10-3SI。KT-10具有測量簡單、快捷、對樣品無破壞性、可重復測試等優(yōu)點。

圖2　巖心-磁化率對比圖Fig.2　Correlation map of drill core susceptibility

3測量結果分析

3.1巖心剖面磁化率變化特征

為觀察錳礦層與圍巖的磁化率分布特征，利用鉆孔ZK1307，ZK2407的錳礦層及其頂?shù)装鍑鷰r巖心段資料編制了巖心—磁化率對比圖(圖2)。從圖2可見：①錳礦層對應著高磁化率，圍巖對應著低磁化率；②以磁化率值100×10-6SI為界線值，錳礦的磁化率主要>100×10-6SI，圍巖的磁化率<100×10-6SI；③由圍巖進入含錳礦層，磁化率陡增；自錳礦層進入圍巖，磁化率驟減；④根據圍巖磁化率變化曲線，圍巖磁化率無明顯差異。

分析結果表明，含錳巖系中錳礦層較圍巖磁化率存在明顯異常，且差距極大；通常錳礦層磁化率高出圍巖磁化率1～2個數(shù)量級；磁化率的低值能判別為圍巖，但不能區(qū)分圍巖的巖石類型。由此推斷，磁化率異常高指示著錳礦層的出現(xiàn)，磁化率異常低指示著圍巖的出現(xiàn)。磁化率能對錳礦層和圍巖進行有效區(qū)分，可作為含錳巖系判別的代用指標。

圖3　磁化率頻率分布圖Fig.3　Histogram of magnetic susceptibilitya.錳礦磁化率頻率分布圖；b.圍巖磁化率頻率分布圖

3.2錳礦層與圍巖的磁化率分布特征

根據9口鉆孔巖心，錳礦層有Ⅰ礦層和Ⅱ，Ⅲ礦層，礦石呈淺灰綠色、肉紅色、墨綠色、灰黑色，隱晶質結構，塊狀、鮞狀、薄層狀、豆狀構造，屬于原生碳酸錳礦。共統(tǒng)計了磁化率值297個(105×10-6～38 180×10-6SI)，平均2 507.1×10-6SI。錳礦層磁化率主要<500×10-6SI，其中500×10-6～1 000×10-6SI也占一定比例(圖3a)。

圍巖巖石種類復雜，包含硅質巖、泥質硅質巖、泥晶灰?guī)r、硅質灰?guī)r、扁豆狀灰?guī)r、粒屑灰?guī)r、灰質泥巖、鈣質泥巖等。根據它們之間的成因聯(lián)系，可分為硅質巖、灰?guī)r與泥巖。共測得圍巖磁化率值5 207個，其中硅質巖磁化率值1 894個，灰?guī)r磁化率值2 777個，泥巖磁化率值536個。硅質巖磁化率平均為32.3×10-6SI，標準差為37.7×10-6SI；灰?guī)r磁化率平均為26.8×10-6SI，標準差為32.0×10-6SI；泥巖磁化率平均為24.5×10-6SI，標準差為24.8×10-6SI。從磁化率平均值來看，硅質巖、灰?guī)r、泥巖的磁化率值相接近，無明顯差異。從標準差來看，硅質巖、灰?guī)r、泥巖各自磁化率值的分布離散程度相當，亦無明顯差異；因此，利用磁化率難以區(qū)分圍巖的巖石種類。圍巖的整體磁化率為1×10-6～178×10-6SI，平均為27.9×10-6SI，且主要<40×10-6SI(圖3b)。據統(tǒng)計，錳礦層磁化率為(n×102)×10-6SI或更高，圍巖磁化率顯然低于錳礦層，二者不屬于同一數(shù)量級；從平均值來看，錳礦層磁化率平均值是圍巖磁化率平均值的近100倍；硅質巖、灰?guī)r、泥巖的磁化率分布區(qū)間、平均值、標準差皆無明顯差異。根據磁化率值的高低可對錳礦層和圍巖進行判別，但不能判別圍巖的巖石類型?？梢?，磁化率可作為含錳巖系判別的代用指標。

4討論

碳酸鹽巖是磁性很弱的一類巖石[6,13-14]。一般情況下，碳酸鹽巖與碎屑巖和泥巖一樣，磁化率和天然剩余磁化強度值都很小，其磁化率的高低主要取決于副礦物的種類及含量，如磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦等。自然界中的物質按其磁性特征可分為反磁性、順磁性和鐵磁性3類。常見的反磁性礦物有石英、長石、方解石、巖鹽等，磁性極低，磁化率一般為負值；順磁性礦物有輝石、角閃石、云母以及黏土礦物等，磁化率大多為正值(表1)；鐵磁性礦物主要有鐵的氧化物、氫氧化物以及過渡元素的化合物。筆者通過礦物成分分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的含錳巖系中，碳酸鹽礦物主要有鈣菱錳礦、菱錳礦、方解石、錳方解石、含錳方解石、白云石等，因此推斷，磁化率異常高值指示的可能是與碳酸錳礦相伴生的鐵質礦物。

碳酸鹽巖的載磁物質有自生磁性礦物和外來磁性礦物2種。自生磁性礦物主要受微觀沉積環(huán)境因素的控制，如海水的溫度、鹽度、光度、氧活化度及海水循環(huán)形式等，自生磁鐵礦和赤鐵礦等氧化型礦物磁性較強，磁黃鐵礦、菱鐵礦等還原型礦物磁性較弱[15-16]。前人對鐵磁性礦物具強磁性的特征已進行了廣泛的研究和探討[8-11,14-16]。研究結果表明，鐵磁性礦物的磁化率常高幾個數(shù)量級于其他礦物，尤以磁鐵礦、磁赤鐵礦最高，被稱為強磁性礦物；與之相比，赤鐵礦、針鐵礦、纖鐵礦的磁化率顯得很低(表2)。

表1　常見造巖礦物磁化率

注：引自文獻[14]；量的單位：κ/(10-8m3/kg)

表2　常見鐵質礦物磁化率

注：引自文獻[15]；量的單位：κ/(10-8m3/kg)

筆者在測量巖心磁化率時，采集了碳酸錳礦段和圍巖段的巖心樣品各18件。通過對此巖心樣品的礦物成分，發(fā)現(xiàn)碳酸錳礦樣品中含2%～3%的鐵質磁性礦物，以磁鐵礦為主，次為赤鐵礦、褐鐵礦、針鐵礦，而圍巖段樣品中只含有極個別的磁黃鐵礦、菱鐵礦顆粒。由此判定，碳酸錳礦石中磁鐵礦的強磁特征對磁化率大小起著決定性作用，這造成礦層出現(xiàn)磁化率異常高值。

最常見的黏土礦物屬層狀鋁硅酸鹽礦物，如高嶺石、綠泥石、多水高嶺石、蒙脫石、水云母、海綠石等，化學成分以SiO2，Al2O3和H2O為主。Stage[17]在對北海Mastication期白堊系中不溶殘渣的磁學性質研究中指出，黏土礦物含量的多少與磁化率大小呈線性關系。黏土礦物為層狀鋁硅酸鹽，單個礦物顆粒十分細小，具有很大的比表面積，對某些特定的礦物顆粒有較強的吸附力，如鐵、鋁的氧化物以及離子鈣、鐵、鎂、鋁[18]。為了確定碳酸錳礦中黏土礦物是否存在及其含量，筆者對碳酸錳礦亦進行了掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)綠泥石與碳酸鹽礦物形成集合體，廣泛分布于錳礦石中?？梢?，由于綠泥石的廣泛存在，吸附了含鐵的強磁性物質，使碳酸錳礦層較圍巖出現(xiàn)明顯的磁化率異常。

5結論

下雷原生碳酸錳礦中的鈣菱錳礦、菱錳礦、方解石、錳方解石、含錳方解石、白云石等碳酸鹽礦物磁性很低，對磁化率的貢獻極小，磁化率異常高值可能來自與碳酸錳礦伴生的鐵質礦物；碳酸錳礦中的強磁性礦物對磁化率大小起著決定性作用，造成礦層出現(xiàn)磁化率的異常高值；黏土礦物中的綠泥石可吸附含鐵的磁性物質，綠泥石的聚集是影響碳酸錳礦磁化率的一個重要因素。

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Applicationofmagneticsusceptibilitymeasurementinsedimentarymanganesedeposits

XIEHua1,YIHaisheng2 3,OULihua4,LIYong5,ZHAOXiangling1,JINFeng2,LIQilai2

(1.College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;2. Chengdu University of Technology Institute of Sedimentary Geology, Chengdu 610059, China;3. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu 610059, China;4.The Engineering& technical College of Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;5.The 280 Institute of Nuclear Industry, Guanghan 618300, Sichuan, China)

Abstract：In order to investigate the application of magnetic susceptibility in sedimentary manganese deposit susceptibility test measurement on the drill core of Xialei manganese deposit in Guangxi has been carried out. The results show that susceptibility of ore layer in the manganese-bearing sequence is obviously different from that of surrounding rocks. Generally, the susceptibility value of manganese carbonate ore is overtopping 1 to 2 order of magnitude compared with surrounding rocks, and there is no significant difference between the susceptibility value of siliceous rocks and limestone, or mudstone. This paper points out that susceptibility can be used as an index to rapidly distinguish manganese-bearing sequence in field. Details of Mn carbonate ore susceptibility anomly in Xialei manganese deposit show that carbonate minerals are magneticaly low and contribute very small to susceptibility , that high susceptibility anomly is indication of accompanying iron minerals, that high or low susceptibility of Mn ore depends on strong or weak magnetism of magnetic mineral s in the Mn carbonate ore, that chlorite absorbs Fe-bearing materials and its content is a key factor to influence susceptibility of Mn carbonate ore.

Key Words：Xialei manganese deposit; susceptibility；manganese-bearing sequence；primary carbonate manganese ore; Guangxi

收稿日期：2014-12-12；責任編輯：趙慶

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃課題項目(編號：2011BAB04B10)和國家自然科學基金項目(編號：4097208)聯(lián)合資助。

作者簡介：謝華(1987—)，男，碩士研究生，主要從事沉積礦產方面的研究。E-mail：xieh87@sina.com

doi：10. 6053/j. issn.1001-1412. 2016. 01. 015

中圖分類號：P631.2；P618.32

文獻標識碼：A