頻率域位場分離技術(shù)在鐵礦勘查中的應(yīng)用
——以萊州-安丘鐵成礦帶為例

胡慶輝

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021)

0 引言

萊州-安丘鐵成礦帶位于膠東半島西側(cè)，行政區(qū)劃屬山東省萊州市西南部、平度市西北部、昌邑市東部及安丘市東北部，總體呈NE向帶狀展布，面積約1200km2，是山東省重要的鐵礦分布區(qū)[1]。

從20世紀(jì)50年代以來，多個(gè)部門在鐵成礦帶內(nèi)開展了鐵礦地質(zhì)普查及勘查工作，先后發(fā)現(xiàn)了多處中、小型鐵礦。2000年以前共探明鐵礦石資源總量約為8835萬t，后又發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)中小型鐵礦床(表1)。據(jù)初步預(yù)測，2000m以淺的鐵礦石資源量超過3.7億t。針對典型鐵礦床的綜合研究工作深入開展，包括萊州大浞河鐵礦、萊州土山-東宋鐵礦、平度新河鐵礦、昌邑常家屯鐵礦及南任鐵礦等[2-6]，對其成礦規(guī)律和找礦前景有了基本地質(zhì)認(rèn)識。

表1 萊州-安丘鐵成礦帶2000年以來新發(fā)現(xiàn)鐵礦床

自20世紀(jì)60年代起，萊州-安丘鐵成礦帶內(nèi)及周邊區(qū)域的綜合物探工作就一直備受重視，在一大批中小型鐵礦床的發(fā)現(xiàn)過程中，各類物探方法，尤其是重力及磁力資料的廣泛應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。楊錫瑁等[7]利用重磁資料，對沂沭斷裂帶及其周圍的構(gòu)造特征進(jìn)行了分析，指出斷裂帶為典型的NE—SW向重力梯級帶和雜亂磁場帶。2000年以來，黃太嶺[8-9]針對山東全省及膠萊盆地區(qū)域地球物理場的綜合分析中均述及研究區(qū)重磁場特征，霍光輝等[10]利用重磁數(shù)據(jù)對郯廬斷裂帶中南段特征及深部構(gòu)造的研究涉及部分區(qū)域。另外，磁力資料在找礦中的應(yīng)用得到重視，王玉敏等[11]對山東省鐵礦位置與航磁異常關(guān)系的統(tǒng)計(jì)表明，鐵礦床賦存與航磁異常存在必然的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，蘇旭亮等[12]利用航磁資料對研究區(qū)低緩磁異常的找礦前景進(jìn)行了分析，指出異常幅值小于500nT的低緩航磁異常礦致可能性大，是今后該帶尋找鐵礦的重點(diǎn)區(qū)域。

萊州-安丘鐵成礦帶內(nèi)的鐵礦床按成因可分為3種類型：沉積變質(zhì)型鐵礦床、巖漿期后熱液型及巖漿熔離型鐵礦床[13]。隨著勘查工作的深入，找礦難度不斷加大，呈現(xiàn)“弱異常大埋深”的趨勢，物探資料的綜合解釋問題愈發(fā)突出，對勘查工作的選區(qū)和評價(jià)造成許多不利影響。該文采用對重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率域分離處理的方法，有效區(qū)分了局部場和背景場，對研究區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造及礦點(diǎn)分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，分析了不同鐵礦床類型重磁異常特征，結(jié)合斷裂構(gòu)造分析，能夠有效提高鐵礦勘查過程中重磁資料的綜合利用效率，減少找礦工作的盲目性，為今后勘查方向提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于沂沭斷裂帶東側(cè)，大地構(gòu)造位置屬于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)沂沭斷裂帶(Ⅱc)東部和膠遼隆起區(qū)(Ⅲ)膠北隆起(Ⅲa)和膠萊盆地的西部邊緣(圖1)[14]。

1—華北坳陷區(qū)；2—魯西隆起區(qū)；3—膠遼隆起區(qū)之膠北隆起；4—膠萊盆地；5—膠南-威海隆起區(qū)；6—工作區(qū)范圍圖1 萊州-安丘鐵成礦帶大地構(gòu)造單元劃分圖

1.1 地層

區(qū)內(nèi)地層主要包括滹沱紀(jì)荊山群、粉子山群，白堊紀(jì)青山群、王氏群，新近紀(jì)臨朐群和第四紀(jì)地層。其中，粉子山群小宋組和荊山群野頭組祥山段為鐵礦體重要的賦存地層。粉子山群小宋組巖石組合為均一的黑云變粒巖和磁鐵淺粒巖、磁鐵石英巖為特征,夾斜長角閃巖、淺粒巖、長石石英巖，是沉積變質(zhì)型、巖漿期后熱液型鐵礦的主要賦存層位。荊山群野頭組主要巖石組合為蛇紋大理巖、斜長角閃巖夾長石石英巖、透輝巖、透輝變粒巖，其祥山段是巖漿熔離型鐵礦的主要賦存層位[15]。中生代地層為一套陸相沉積與火山建造，主要由青山群和王氏群組成，主要分布在東南部膠萊盆地中。新近紀(jì)地層為臨朐群牛山組，以玄武巖為主夾砂礫巖。第四系分布廣泛,主要由沖積、海積及湖沼積等松散堆積的砂土、亞砂土、砂礫層等組成。

1.2 構(gòu)造

受沂沭斷裂帶影響，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，褶皺次之。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造包括早期的EW向及晚期的NE向、近SN向斷裂，且多為隱伏斷裂，僅局部地段有出露，具多期次、性質(zhì)多樣的特點(diǎn)[1]，對礦體主要起破壞作用。其中斷裂以NE—NEE向沂沭斷裂帶的次級斷裂為主，近EW，NW向斷裂錯(cuò)列其中。褶皺構(gòu)造主要見于粉子山群及荊山群中，一般較為寬緩，對部分礦體有控制作用。

1.3 巖漿巖

巖漿巖比較發(fā)育，巖性以基性和酸性為主，基性侵入巖主要為古元古代的萊州序列，部分巖體磁鐵礦含量較高，局部可形成鐵礦體。酸性侵入巖由新太古代棲霞序列、侏羅紀(jì)玲瓏序列和白堊紀(jì)郭家店序列花崗巖組成。

2 巖礦石物性分析

巖(礦)石物性資料是重磁資料應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，萬國普等[16]針對膠東地區(qū)區(qū)域巖石的物性參數(shù)進(jìn)行了聚類分析，指出應(yīng)用巖石物性參數(shù)，可解決巖體的劃分對比等地質(zhì)問題。通過對收集的萊州-安丘鐵成礦帶內(nèi)的巖(礦)石物性資料的統(tǒng)計(jì)分析(表2)，其密度及磁性均具有明顯差異(圖2)。

2.1 密度特征

沉積巖層密度介于1.71～2.5g/cm3，普遍低于2.6g/cm3。變質(zhì)巖密度較高，介于2.62～2.97g/cm3，平均值為2.88g/cm3，在變質(zhì)巖系分布區(qū)或當(dāng)其殘留體具一定規(guī)模時(shí),可引起較高的區(qū)域重力場或局部重力異常,而當(dāng)該類巖層與中、低密度巖層接觸時(shí),則引起較大的重力梯級帶[7]。巖漿巖類密度變化范圍較大，通常為中高密度特征，介于2.57～2.91g/cm3之間。其中，中酸性火山巖密度中等，平均值約為2.67g/cm3，基性和超基性火山巖密度較高，平均值達(dá)到2.91g/cm3，而噴出巖類如玄武巖、安山巖等，其密度值相對較低，平均值約為2.6g/cm3；磁鐵礦礦石密度則介于3.46～4.10g/cm3，當(dāng)?shù)V體具一定規(guī)模，能引起顯著的重力異常特征。

表2 萊州-安丘鐵成礦帶巖(礦)石物性統(tǒng)計(jì)

1—巖(礦)石密度；2—巖(礦)石磁化率圖2 萊州-安丘鐵成礦帶巖(礦)石物性柱狀圖

2.2 磁性特征

區(qū)內(nèi)巖礦石磁性按其性質(zhì)可分為4種類型，即強(qiáng)磁性鐵礦石類、磁性不勻的變質(zhì)巖類、有磁性和無磁性的侵入巖、沉積巖類。

粉子山群及荊山群變質(zhì)巖系中，各巖性的磁性差異較大。其中，角閃巖、透閃變粒巖等剩磁較高，其磁化率一般在(3000～6000)×10-5SI，為變質(zhì)巖系的強(qiáng)磁性巖層。大理巖、長石石英巖等磁性較弱，其磁化率為(0～82.7)×10-5SI，剩磁也較弱，為變質(zhì)巖系的無磁性或弱磁性巖層。多數(shù)片巖類為變質(zhì)巖系的中等磁性巖層，其磁化率為幾百×10-5SI，剩磁不大。

區(qū)內(nèi)侵入巖、沉積巖磁性不均，大致可分為中等磁性和弱磁性巖兩類。輝綠巖磁化率為(1000～3000)×10-5SI,剩磁也較大，為區(qū)內(nèi)的中等磁性巖類。花崗巖類巖石磁性較弱，其磁化率一般為幾百×10-5SI,剩余磁化強(qiáng)度也較弱。沉積巖為弱磁性和無磁性巖層，其中白堊紀(jì)王氏群地層是一套以砂巖、頁巖為主的無磁性巖層；青山群為中酸性火山巖及火山碎屑巖組成，總體為磁性不均勻的弱磁性巖層。新生界蓋層基本為無磁性巖層。

磁鐵礦、磁鐵巖類均具有較強(qiáng)的感磁和剩磁，磁化率值均大于10000×10-5SI，巖漿期后熱液改造型鐵礦石及磁鐵類巖石，磁化率一般在(15000～60000)×10-5SI，變質(zhì)磁鐵礦磁化率可達(dá)300000×10-5SI，可見磁異常能夠直接指示磁鐵礦存在。

3 區(qū)域重磁異常分析

3.1 重力異常場特征

研究區(qū)重力異常以昌邑-大店斷裂和沙河—張舍—明村一線為界，大致可分為3個(gè)異常區(qū)(圖3)。其中，西部異常區(qū)位于昌邑-大店斷裂西側(cè)，由“兩負(fù)一正”重力異常組成，南北兩側(cè)為負(fù)異常，推測為中生代地層火山碎屑巖及中酸性火山巖引起；昌邑至南流一帶為正異常區(qū)，推測為中生代中基性火山巖發(fā)育所致。中部異常區(qū)以重力梯度帶和高值異常為主要特征，表現(xiàn)為重力高與重力低相間布局而成條塊狀格局，高值異常中心連線呈NE 30°，異常峰值超過30mGal，推測主要發(fā)育古元古代變質(zhì)巖地層。東部異常區(qū)重力異常呈“南高北低”趨勢，以平緩異常為主，推測主要發(fā)育中生代中酸性火山巖。南側(cè)有長軸呈EW向的局部高值異常，推測為局部的中基性巖體反映。

3.2 航磁異常場特征

研究區(qū)處于魯東低負(fù)磁場與沂沭斷裂帶復(fù)雜磁場的交接處,為一弧形異常帶為主的復(fù)雜磁場區(qū)[13]，按磁異常形態(tài)大致分為3個(gè)異常區(qū)(圖4)。

以昌邑-大店斷裂為界，西部異常區(qū)以正、負(fù)交替雜亂高磁異常為主要特征，異常等值線長軸走向多呈NE—NEE向，峰值異常達(dá)到500nT。該區(qū)南側(cè)磁異常以小規(guī)模跳躍型磁異常為主，北側(cè)為橢圓狀或不規(guī)則狀，梯度較緩，高磁異常多為中生代中基性火山巖引起。經(jīng)鉆探揭示，北部主要為白堊紀(jì)地層、古近紀(jì)地層及新近紀(jì)玄武巖。中部異常區(qū)沿岞山—飲馬—明村—沙河—萊州一線，呈NE走向的高值帶狀異常群，單個(gè)異常規(guī)模小，但數(shù)量多且不連續(xù)，異常峰值通常小于1000nT，自南向北異?？傮w走向約為NE 30°，至新河走向轉(zhuǎn)為NE 45°，與總體構(gòu)造線走向基本一致。經(jīng)驗(yàn)證，由不同成因類型鐵礦引起的異常占異?？倲?shù)的1/3以上[13]。東部異常區(qū)以低緩磁異常為主，僅在蓼蘭、夏莊附近存在局部磁異常，多為正負(fù)磁異常伴生，EW向展布，規(guī)模不大，為磁場正負(fù)相間分布區(qū),對應(yīng)膠萊盆地[9]。可以看出，沉積變質(zhì)型鐵礦床沿梯度帶分布，且主要分布重力梯度帶低值一側(cè)，磁力異常以中等強(qiáng)度為主，此類鐵礦通常強(qiáng)度較大，梯度較緩，一般伴有較明顯的負(fù)值，部分異常形態(tài)不規(guī)則。巖漿期后熱液型鐵礦床與沉積變質(zhì)型鐵礦床分布范圍接近，但主要分布于重力梯度帶高值一側(cè)，磁力異常幅值高，梯度大，異常之間不連接，均伴有較大的負(fù)值出現(xiàn)。新河—萊州一線鐵礦床則分布在重力平緩區(qū)，以規(guī)模小強(qiáng)度高的磁異常為主。巖漿融離型鐵礦床分布比較分散，主要分布在重力高值異常區(qū)，以規(guī)模小強(qiáng)度高磁異常為特征。同時(shí)，尚有部分鐵礦床分布特征不明顯，與前述對應(yīng)關(guān)系不強(qiáng)。以下通過對重磁異常場進(jìn)行位場分離處理，以厘清分布規(guī)律，提高地質(zhì)認(rèn)識。

4 位場分離處理及特征分析

4.1 位場分離處理

重磁異常是由地下地質(zhì)體或所有的磁性或者密度分布不均勻引起的疊加異常,要得到地下某個(gè)地質(zhì)體的信息，必須從疊加異常中分離出單純由這些勘探目標(biāo)引起的異常。位場頻率域?yàn)V波的作用在于壓制干擾信號,突出有用信號，對疊加異常進(jìn)行分離，分離區(qū)域異常和局部異常。實(shí)現(xiàn)頻率域?yàn)V波的主要途徑就是利用FFT(快速傅里葉變換)[17-18]。

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，將網(wǎng)格化數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)邊，擴(kuò)充為2的整數(shù)次冪，同時(shí)擴(kuò)邊也可有效減少邊界效應(yīng)，通常采用余弦函數(shù)擴(kuò)邊滾動到零的策略。

1—正異常等值線；2—負(fù)異常等值線；3—推測斷裂構(gòu)造；4—沉積變質(zhì)型鐵礦；5—火山巖期后熱液型鐵礦；6—巖漿熔離型鐵礦圖3 萊州-安丘鐵成礦帶重力異常等值線圖

1—正異常等值線；2—負(fù)異常等值線；3—推測斷裂構(gòu)造；4—沉積變質(zhì)型鐵礦；5—火山巖期后熱液型鐵礦；6—巖漿熔離型鐵礦圖4 萊州-安丘鐵成礦帶航磁異常等值線圖

(2)用FFT變換計(jì)算復(fù)頻譜及徑向平均對數(shù)功率譜。功率譜反映了異常頻譜的分布情況，為合理選擇濾波參數(shù)提供依據(jù)。

(3)選取合適的濾波算子加入運(yùn)算，以獲得變換后的場頻譜。

(4)用IFFT計(jì)算處理后的異常場，得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)換異常。

圖5 Geosoft Montaj 2DFFT交互式濾波示意圖

4.2 分離場特征分析

區(qū)域異常主要反應(yīng)深部磁性基底或重力基底的位場特征(圖6)?？梢钥闯?，重力異常區(qū)域場總體上由數(shù)個(gè)高值異常區(qū)構(gòu)成，并呈現(xiàn)明顯的NNE向帶狀分布特征，最東側(cè)重力高值帶位于高密市-蓼蘭鎮(zhèn)一帶，近EW向展布；中部重力高值帶由3個(gè)閉合的異常區(qū)組成，最南端異常不封閉，位于昌邑高戈莊附近，中間異常區(qū)位于日戈莊—李家埠附近；北部異常區(qū)位于平度于埠附近，為范圍較大的圈閉異常。西北側(cè)重力高值帶位于昌邑—土山—東宋一帶，昌邑附近高值異常區(qū)不封閉，北段土山-東宋段高值異?？傮w呈窄帶狀NE向展布，由2個(gè)異常中心構(gòu)成，其中東宋附近異常區(qū)范圍較大。

航磁異常區(qū)域場呈現(xiàn)明顯的NE向條帶狀分布，磁力高值條帶分布位置與重力異常分布基本一致。其中，東南側(cè)條帶位于高密—蓼蘭鎮(zhèn)一線，研究區(qū)內(nèi)異常由2個(gè)異常中心構(gòu)成；中間磁力高值條帶位于日戈莊-明村一線，基本呈NNE向，并在田莊鎮(zhèn)附近走向有所改變，折向平度周戈莊一帶；西北側(cè)磁力高值條帶基本沿昌邑—土山—東宋一帶，并在圍子鎮(zhèn)及老洼姜家附近存在2處孤立的高磁異常區(qū)。

磁性基底主要以NE向高磁條帶為主，主要反映磁性較強(qiáng)的基性—超基性巖漿巖受深大斷裂控制，沿?cái)嗔盐恢们秩?，形成帶狀磁力異常。重力基底主要反映基底密度分布?guī)律，同時(shí)也基本反映了基底地形的起伏特征。重力異常呈現(xiàn)團(tuán)塊狀高值異常，其極大值中心連線基本呈NE走向。結(jié)合斷裂構(gòu)造進(jìn)行分析，研究區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的斷裂帶與位場梯度帶有很好的對應(yīng)關(guān)系，NE—NEE向斷裂構(gòu)造基本沿梯級帶展布，NW、近EW向斷裂多經(jīng)區(qū)域異常鞍部通過，反映了深大斷裂對基底巖性的控制作用。NE向斷裂構(gòu)造發(fā)育早于NW向斷裂構(gòu)造并被其切割，形成斷塊狀構(gòu)造格局，早期斷裂構(gòu)造為含礦巖漿就位或后期熱液改造提供了有利的條件，晚期斷裂主要起破壞作用。

重磁背景異常具有較好的一致性，即研究區(qū)基底基本呈現(xiàn)“重磁同源”特征，大致可以歸納為“三高夾兩低”模式，3個(gè)高磁性高重力異常條帶夾2個(gè)低磁力低重力異常帶，揭示了研究區(qū)基底巖性發(fā)育具有一定的區(qū)帶特征。高磁性高密度異常推測為基性—超基性侵入巖體，主要沿區(qū)域性斷裂分布；低磁性低密度區(qū)域推測為變質(zhì)巖區(qū)或者沉積巖發(fā)育區(qū)，與次級斷裂發(fā)育位置具有正相關(guān)性。

(左為磁力區(qū)域異常，右為重力區(qū)域異常)1—沉積變質(zhì)型鐵礦；2—巖漿期后熱液型鐵礦；3—巖漿熔離型鐵礦;4—推測斷裂構(gòu)造；5—城鎮(zhèn)及道路圖6 萊州-安丘鐵成礦帶重磁區(qū)域異常綜合等值線圖

在區(qū)域背景異常場上，不同礦床類型分布具有“區(qū)帶”特征。巖漿熔離型礦床均分布在研究區(qū)南部高磁條帶異常上，且分布在高重力異常區(qū)內(nèi)，推測該類型礦床與受斷裂控制的基性—超基性巖侵入體相關(guān)。沉積變質(zhì)型鐵礦床主要分布在研究區(qū)中部偏西北側(cè)低磁異常區(qū)及低重力帶狀區(qū)域內(nèi)或邊緣。巖漿期后熱液型鐵礦床主要沿區(qū)域重磁高值異常帶分布，區(qū)帶特征不明顯，在磁力背景異常上反映不一，重力背景異常上則主要分布在重力異常梯度帶附近，推測為控礦斷裂發(fā)育期次不同造成。

局部異常場主要反映基底以上地層發(fā)育的磁性或者密度不均勻地質(zhì)體的位場特征(圖7)。重力局部異常場主要以窄帶狀異常為主，以NE向居多，局部為近WE或NW向。其中，田莊—平度一線為較明顯的局部重力異常高值區(qū)，呈近EW向展布。磁力局部場主要以規(guī)模小的團(tuán)塊狀異常為主，個(gè)別呈現(xiàn)帶狀異常特征，磁異常值中等，主要分布在蓼蘭—平度一帶。

不同鐵礦床類型在局部異常上也各具特征。巖漿熔離型鐵礦床分布在研究區(qū)南部重力及磁力高值異常區(qū)，說明此類型礦床與沿基底斷裂侵入的基性—超基性巖體有關(guān)。沉積變質(zhì)型鐵礦床位于重力及磁力局部異常場低值區(qū)，反映了沉積型礦床在密度參數(shù)上與其他礦床類型的區(qū)別。巖漿期后熱液型鐵礦床分布規(guī)律不明顯，但其局部重磁特征與臨近的礦產(chǎn)類型基本一致，反映早期火山活動和晚期熱液改造的疊加特征。另外，在磁力局部異常場平面圖上，各種類型的鐵礦床均分布于高磁異常區(qū)及其周邊區(qū)域，充分說明磁鐵礦發(fā)育與磁異常的對應(yīng)關(guān)系，局部磁異常直接指示磁鐵礦體。

(左為磁力局部異常，右為重力局部異常)1—沉積變質(zhì)型鐵礦；2—巖漿期后熱液型鐵礦；3—巖漿熔離型鐵礦;4—推測斷裂構(gòu)造；5—城鎮(zhèn)及道路圖7 萊州-安丘鐵成礦帶重磁局部異常綜合等值線圖

5 結(jié)論

通過對研究區(qū)重磁異常進(jìn)行精細(xì)處理，將區(qū)域場和局部場分離開，從多尺度、多方位分析各種類型鐵礦床賦存位置、重磁異常特征，提高了對研究區(qū)鐵礦勘查的地質(zhì)認(rèn)識。

(1)研究區(qū)物性統(tǒng)計(jì)分析為物探資料的地質(zhì)解譯，尤其是重磁資料在該區(qū)鐵礦床勘查中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件。對重磁資料的各種處理有助于挖掘隱藏地質(zhì)線索，提高地質(zhì)成礦規(guī)律的認(rèn)識。

(2)研究區(qū)內(nèi)不同鐵礦床類型的重磁異常場的形態(tài)、強(qiáng)度均具有不同的特點(diǎn)。其中，沉積變質(zhì)型鐵礦床主要沿梯度帶分布，在局部異常場中以“低磁低重”為特征。巖漿融離型鐵礦床在區(qū)域異常及局部異常中主要表現(xiàn)為“高磁高重”的特點(diǎn)。巖漿期后熱液性鐵礦床具有疊加特點(diǎn)，反映了早期成礦與后期熱液改造的綜合特征。這些特點(diǎn)可為后續(xù)鐵礦勘查工作提供參考。

(3)研究區(qū)鐵礦床成礦規(guī)律研究仍有待加強(qiáng)。尤其是大規(guī)模的低緩磁異常及深部找礦，需要下大力氣開展綜合研究，而重磁方法可以在其中發(fā)揮重要的作用，在地層劃分、構(gòu)造研究及典型礦床剖析等方面扮演關(guān)鍵角色，為在該區(qū)取得更大的找礦成果做出貢獻(xiàn)。