綜合物探方法在河南濟(jì)源疙瘩深隱伏鐵礦床勘查中的應(yīng)用

蘇士星，宋雙全，魏明君

(1.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測(cè)工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì)， 河南 鄭州 450016； 3.河南省有色金地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)， 河南 鄭州 450016)

0 引言

河南省濟(jì)源市疙瘩鐵礦區(qū)位于東經(jīng)112°36′32″～112°37′42″，北緯35°08′15″～35°08′39″(西安80坐標(biāo)系)。該鐵礦屬于典型的沉積變質(zhì)型磁鐵礦床，賦存于太古宇林山巖群(Arln)地層中，埋藏較深，且鮮見(jiàn)地表出露。20世紀(jì)70年代以來(lái)，相繼開(kāi)展了航磁、重力、1∶2000地質(zhì)測(cè)量、1∶10000地面磁測(cè)及高精度磁法測(cè)量等地質(zhì)工作，但均未有較大突破。近年，受礦業(yè)權(quán)人委托，重新對(duì)該鐵礦進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期有所突破。電法可以為發(fā)現(xiàn)成礦地質(zhì)體和成礦構(gòu)造提供依據(jù)，因此部署了可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)(何繼善譯,1990)剖面測(cè)量和1∶5000地面高精度磁法剖面測(cè)量。對(duì)取得的物探(電法、磁法)數(shù)據(jù)進(jìn)行正反演處理，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)資料進(jìn)行綜合研究，推斷出了礦體產(chǎn)狀及埋深。以此為地質(zhì)布設(shè)鉆孔提供依據(jù)，并邊鉆探邊進(jìn)行測(cè)井。鉆探驗(yàn)證了物探推斷，最終發(fā)現(xiàn)一處小型深隱伏沉積變質(zhì)型磁鐵礦礦床,共圈定6個(gè)礦體，鐵礦資源量600余萬(wàn)噸。

1 礦區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

1.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

疙瘩鐵礦區(qū)位于華北陸塊隆起帶與濟(jì)源盆地交匯部位，濟(jì)源—開(kāi)封—商丘區(qū)域性大斷裂帶的北側(cè)(晁代超和貢二辰，2013)，地層發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜，巖漿活動(dòng)微弱，為沉積礦產(chǎn)和變質(zhì)礦產(chǎn)的形成提供了十分有利的地質(zhì)條件(崔來(lái)運(yùn)和王紀(jì)中，2006)。礦區(qū)主要地層有太古宇林山巖群、寒武系、奧陶系、石炭系、古近系、第四系(圖1)，其主要特征為：太古宇林山巖群(Arln)為礦區(qū)及區(qū)域上重要的含鐵層位。為一套綠片巖系，主要巖性有二云石英片巖、黑云斜長(zhǎng)角閃片麻巖、條帶混合巖、赤鐵礦化磁鐵石英巖、磁鐵石英巖、黑云二長(zhǎng)片麻巖；寒武系(∈)出露于礦區(qū)北部，主要巖性為灰?guī)r、頁(yè)巖、白云巖等；中奧陶統(tǒng)馬家溝組(O2m)分為下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)，出露于礦區(qū)西北角及中部，巖性為灰?guī)r夾白云巖、角礫狀灰?guī)r、角礫狀白云巖等；上石炭統(tǒng)(C2)主要巖性為鋁土質(zhì)泥巖、泥巖、砂巖、燧石條帶狀灰?guī)r等；古近系(E)主要巖性為礫巖、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等；第四系(Q)主要為黃土、坡積物等。

圖1 疙瘩鐵礦區(qū)地質(zhì)及工程布置圖1—第四系；2—中奧陶統(tǒng)上馬家溝組；3—中奧陶統(tǒng)下馬家溝組；4—上寒武統(tǒng)；5—地質(zhì)界線(xiàn)；6—實(shí)測(cè)正斷層及產(chǎn)狀；7—本次施工見(jiàn)礦鉆孔及編號(hào)；8—未見(jiàn)礦鉆孔及編號(hào)；9—以往施工見(jiàn)礦鉆孔及編號(hào)；10—勘探線(xiàn)、物探剖面及編號(hào)；11—1∶2000地質(zhì)測(cè)量范圍

本區(qū)礦床屬于典型的沉積變質(zhì)型鐵礦床，礦體賦存于太古宇林山巖群的沉積變質(zhì)巖系中，黑云角閃質(zhì)巖層為本礦區(qū)的找礦標(biāo)志(徐青峰和曹月懷，2011；晁代超和貢二辰，2013)。

1.2 礦區(qū)地球物理特征

1.2.1 重磁異常場(chǎng)特征

疙瘩鐵礦區(qū)及外圍航磁異常、重力異常特征如圖2所示。航磁異常以150 nT值圈定，形態(tài)呈東西方向帶狀，向西延伸出工作區(qū)，有4個(gè)相對(duì)高中心。磁場(chǎng)強(qiáng)度極大值為190 nT，位于疙瘩鐵礦西北部，磁場(chǎng)等值線(xiàn)南陡北緩。工作區(qū)處在濟(jì)源—博愛(ài)—武陟的(剩余)重力高異常帶上，最大幅值為-50×10-5m·s-2。航磁異常與重力梯度帶相對(duì)應(yīng)，航磁異常的北西部或北部出現(xiàn)重力相對(duì)高，位置偏差相對(duì)較小；航磁異常的磁場(chǎng)強(qiáng)度向西逐漸減弱。根據(jù)重磁異常疊置關(guān)系綜合判斷，磁性體的大致傾向?yàn)槲骰蛘弑蔽鳎瑑A角大約在20°～40°之間(晁代超和貢二辰，2013)。

圖2 疙瘩鐵礦區(qū)及外圍航磁、重力異常圖1—航磁ΔT正等值線(xiàn);2—布格重力異常負(fù)等值線(xiàn);3—鐵路;4—疙瘩礦區(qū)

1.2.2 巖石電阻率特征

區(qū)內(nèi)巖石電阻率特征為：第四系(Q)ρ<50 Ω·m，呈低阻特征；寒武系(∈)ρ=100～4000 Ω·m，呈中高阻特征；林山巖群(Arln)ρ>400 Ω·m，呈中高阻特征；中奧陶統(tǒng)馬家溝組(O2m)ρ=500～5000 Ω·m，呈中高阻特征；上石炭統(tǒng)(C2)：ρ=100～500 Ω·m，呈中阻特征；含水破碎帶ρ<100 Ω·m，呈低阻特征。

可以看出，賦礦地層的太古宇林山巖群為中高阻特征，上中寒武統(tǒng)為碳酸鹽巖建造，呈高阻特征，下寒武統(tǒng)碎屑巖為低阻特征。據(jù)此可大致劃分寒武系與太古宇界面，而沉積變質(zhì)型鐵礦成礦有利部位(或稱(chēng)成礦構(gòu)造)為向斜構(gòu)造核部(及兩翼)。因此，電法勘探可有效劃分基底地層，圈定成礦有利部位。

1.2.3 巖(礦)石磁性特征

根據(jù)以往資料，本區(qū)巖(礦)石磁性特征如下(劉中杰等，2013)：區(qū)內(nèi)磁鐵礦磁性最強(qiáng)，磁化率變化范圍18000～125000(10-6×4π·SI)；各類(lèi)變質(zhì)巖磁性變化較大，磁化率變化范圍0～3600(10-6×4π·SI)，其中林山巖群黑云角閃片巖磁性較強(qiáng)，磁化率變化范圍10000～30000(10-6×4π·SI)；碳酸鹽巖、碎屑巖等沉積巖主要為弱—無(wú)磁性。

2 野外工作方法

2.1 物探工作方法

在航磁和1∶1萬(wàn)地面高精度磁測(cè)掃面基礎(chǔ)上，為了確定磁鐵礦體的大致埋深，采用1∶5000地面高精度磁法剖面測(cè)量和可控源音頻大地電磁測(cè)深方法(CSAMT)(劉家遠(yuǎn)等,2006；段文旭等，2014；張林，2017；張贊業(yè)，2017；孫進(jìn)等，2021)剖面進(jìn)行異常評(píng)價(jià)(盧焱等，2008；趙百民等，2009；周瑾等，2019；金旺林等，2021；思積勇等，2021)，通過(guò)綜合研究，作出解釋推斷，為鉆探工程提供依據(jù)。

CSAMT法部署的主要依據(jù)是基于以下兩方面考慮。一方面，是基于地質(zhì)地球物理模型考慮的：下寒武統(tǒng)碎屑巖具低阻特征，從而推斷其下部賦礦地層——太古宇林山巖群(中高阻)的大致埋深和起伏形態(tài)，根據(jù)向斜構(gòu)造核部(及兩翼)為沉積變質(zhì)型鐵礦成礦有利部位這一成礦地質(zhì)模型，利用反演電阻率圈定成礦構(gòu)造。另一方面，是基于客觀(guān)因素上的：目標(biāo)地質(zhì)體埋深大，常規(guī)直流電法等勘探深度難以達(dá)到；區(qū)內(nèi)人文干擾強(qiáng)，CSAMT法較AMT法等天然場(chǎng)源電磁法可提高壓制人為干擾的效果(張榮等，2020)。

2.2 工作部署

高精度磁測(cè)：比例尺1∶5000，布設(shè)剖面8條，方向20°(圖1)，點(diǎn)距10 m。儀器采用捷克PMG-1質(zhì)子磁力儀。測(cè)量參數(shù)為總場(chǎng)T值，測(cè)程20000～100000 nT，分辨率0.1 nT。

可控源音頻大地電磁測(cè)深方法(CSAMT)：布設(shè)8條剖面計(jì)108個(gè)點(diǎn)；測(cè)網(wǎng)區(qū)在場(chǎng)源垂直平分線(xiàn)兩側(cè)30°扇形范圍內(nèi)進(jìn)行；剖面位置與高精度磁測(cè)相同(圖1)，點(diǎn)距50 m，收發(fā)距為5～8 km，探測(cè)深度約為1～1.5 km。儀器為美國(guó)ZONGE公司GDP-32Ⅱ多功能電法工作站，接收機(jī)工作頻率0.007～8192 Hz，輸入阻抗10 Ω/DC,動(dòng)態(tài)范圍190 dB，最小檢測(cè)信號(hào)電壓0.03 μV，相位±0.1 mard,最大輸入信號(hào)電壓±32 V，自動(dòng)補(bǔ)償電壓±2.25 V，增益1/8～65536(自動(dòng))。

3 數(shù)據(jù)處理與成果解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理

可控源音頻大地電磁測(cè)深的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)使用HSMOOTH和ASTATIC數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算卡尼亞電阻率并繪制曲線(xiàn)，把曲線(xiàn)明顯的跳點(diǎn)手工圓滑，必要時(shí)再二次圓滑。然后通過(guò)靜態(tài)校正，去除淺部不均勻體對(duì)卡尼亞電阻率曲線(xiàn)整體抬高的影響。然后截取近場(chǎng)曲線(xiàn)段，代入二維反演軟件進(jìn)行反演。

磁法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為總磁場(chǎng)值T，通過(guò)日變改正、緯度改正和高度改正，然后減去正常場(chǎng)T0，就得到磁異常ΔT。

8條剖面數(shù)據(jù)均按上述方法進(jìn)行了處理，因0線(xiàn)磁異常較強(qiáng)，電法反映的含礦構(gòu)造明顯，所以下文只對(duì)0線(xiàn)進(jìn)行解釋。

3.2 反演電阻率斷面推斷解釋

對(duì)0號(hào)勘探線(xiàn)的可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)剖面進(jìn)行二維反演(李金銘，2005;黃朝陽(yáng)等，2014)，結(jié)果見(jiàn)圖3。根據(jù)本區(qū)巖(礦)石電阻率特征，結(jié)合礦區(qū)地層關(guān)系認(rèn)為：斷面南側(cè)淺部低阻異常為第四系覆蓋引起，中、北側(cè)整體反應(yīng)為高阻異常，為奧陶系碳酸鹽巖引起，夾雜其間的低阻異常可能為含水?dāng)嗔哑扑閹б?；海? m以上的高阻異常為上中寒武統(tǒng)灰?guī)r引起；海拔0～-350 m的低阻異常為下寒武統(tǒng)碎屑巖低阻引起；海拔 -350 m 以下電阻率等值線(xiàn)明顯下凹，同時(shí)稀疏了，推測(cè)為寒武系灰?guī)r和林山巖群(Arln)變質(zhì)巖系的分界線(xiàn)。電阻率等值線(xiàn)明顯下凹可能為鐵礦體和林山巖群(Arln)變質(zhì)巖系向斜構(gòu)造引起。

圖3 疙瘩鐵礦區(qū)0勘探線(xiàn)CSAMT法反演電阻率斷面圖1—第四系；2—中奧陶統(tǒng)馬家溝組；3—上寒武統(tǒng)；4—中寒武統(tǒng)張夏組；5—中寒武統(tǒng)徐莊組；6—下寒武統(tǒng)毛莊組；7—下寒武統(tǒng)饅頭組；8—太古宇林山巖群；9—斷層；10—反演電阻率/(Ω·m)等值線(xiàn)

林山巖群(Arln)變質(zhì)巖凹陷區(qū)位于地面約550～750 m以下，即為本區(qū)鐵礦體賦存部位。

3.3 磁異常推斷解釋

各高精度磁測(cè)剖面磁異常ΔT極值在100～170 nT 之間。以20 nT間隔圈定等值線(xiàn)圖，在礦區(qū)發(fā)現(xiàn)一個(gè)磁異常M1(圖4)。該異常40 nT等值線(xiàn)近東西向展布，長(zhǎng)約600 m，南北向?qū)捈s300 m。等值線(xiàn)北側(cè)梯度小，南側(cè)梯度大，向北梯度為 0.17 nT/m。說(shuō)明異常源走向東西，向北緩傾的特征。異常峰值低，曲線(xiàn)梯度較緩，表現(xiàn)出本區(qū)礦體埋深較大、隱伏深的特征(朱亞林等，2016)。這與上述CSAMT法反演推斷的礦體可能賦存部位較深相一致。

圖4 疙瘩鐵礦區(qū)高精度磁測(cè)ΔT等值線(xiàn)平面圖

前述 0號(hào)勘探線(xiàn)CSAMT剖面反演結(jié)果顯示寒武系灰?guī)r和林山巖群(Arln)變質(zhì)巖系的分界線(xiàn)在地面550～750 m以下。以此為前提條件，對(duì)0號(hào)勘探線(xiàn)的磁法剖面進(jìn)行反演，進(jìn)一步推斷礦體的產(chǎn)狀與埋深。

通過(guò)標(biāo)本測(cè)定，寒武系、奧陶系灰?guī)r基本無(wú)磁性，石炭系巖石、新近系巖石也基本無(wú)磁性?？上群雎粤稚綆r群變質(zhì)巖磁性而只考慮單一磁鐵礦體磁性，其磁化率最高為125000×10-6×4πSI，最低為18000×10-6×4πSI。地磁正常場(chǎng)為52497 nT。磁化方向?yàn)樵谄拭娣较虻挠行Т艌?chǎng)傾角I’,tan I’=tan I·secA,I為磁傾角取值53°，A為方位角取值12°，則有效磁場(chǎng)傾角I’為53.6°，反演時(shí)取54°計(jì)算。

反演使用選擇法(管志寧，2005；曾華霖，2005)。假設(shè)礦體為四邊形斷面，兩邊延伸各 200 m，通過(guò)不斷調(diào)整斷面參數(shù)和磁化強(qiáng)度，使曲線(xiàn)擬合最佳。最終得到磁鐵礦體的磁化強(qiáng)度為18×10-3A/m，有效磁場(chǎng)傾角54°，磁鐵礦體斷面為四邊形斷面，得到其角點(diǎn)坐標(biāo)(剖面端點(diǎn)平距，距地表深度)(表1)。反演結(jié)果(圖5)顯示，磁鐵礦體位于地表下約550～800 m，埋藏較深。

表1 反演磁鐵礦體斷面角點(diǎn)坐標(biāo)

3.4 鉆探驗(yàn)證及對(duì)比情況

在0號(hào)勘探線(xiàn)布設(shè)了2個(gè)鉆孔(ZK002、ZK004)進(jìn)行驗(yàn)證(后加密ZK003)，鉆孔位置及發(fā)現(xiàn)的礦體如圖5所示。

圖5 疙瘩鐵礦區(qū)0勘探線(xiàn)高磁反演剖面圖及物探推斷地質(zhì)模型圖與地質(zhì)圖套合圖1—第四系；2—古近系；3—上石炭統(tǒng)；4—中奧陶統(tǒng)馬家溝組；5—上寒武統(tǒng)；6—中寒武統(tǒng)張夏組；7—下寒武統(tǒng)徐莊組；8—下寒武統(tǒng)毛莊組；9—下寒武統(tǒng)饅頭組；10—太古宇林山巖群；11—地質(zhì)界線(xiàn)；12—斷層；13—鉆孔號(hào)；14—赤鐵礦化磁鐵礦體；15—磁鐵礦體；16—反演磁鐵礦體；17—磁化強(qiáng)度及傾角

將地面高精度磁測(cè)剖面反演結(jié)果與地質(zhì)勘探線(xiàn)剖面套合(圖5)，可以看出反演結(jié)果與鉆探發(fā)現(xiàn)的K3、K4、K5三個(gè)礦體組合形成的總體輪廓相近，但不能區(qū)分K3、K4、K5礦體。未發(fā)現(xiàn)K1礦體，是因?yàn)镵1礦體主成分為赤鐵礦，磁性弱、埋深大，不易通過(guò)磁法發(fā)現(xiàn)。

總的看來(lái)，物探異常反演結(jié)果能夠作為發(fā)現(xiàn)主礦體的依據(jù)，且反演埋深與鉆探驗(yàn)證結(jié)果大體一致。

4 結(jié)論

對(duì)于地磁異常呈弱緩特征的深隱伏磁鐵礦，通過(guò)對(duì)可控源音頻大地電磁測(cè)深方法(CSAMT)和地面高精度磁測(cè)方法剖面測(cè)量獲得的物探異常進(jìn)行綜合研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)可控源音頻大地電磁測(cè)深方法(CSAMT)能夠劃分地層，圈定成礦有利部位并推斷礦體大致埋深；

(2)地面高精度磁測(cè)方法能夠進(jìn)一步推斷深隱伏磁鐵礦的大致產(chǎn)狀及埋深，從而為地質(zhì)工程提供依據(jù)，幅值較低的弱磁異常亦應(yīng)結(jié)合地質(zhì)特征綜合評(píng)價(jià)；

(3)物探方法尚不能有效確定垂向相鄰礦體的空間關(guān)系，凸顯其方法多解性、局限性。