深部鐵銅礦勘探的地球物理勘查模型研究
——以河南盧氏八寶山鐵銅礦床為例

朱彥彥, 張景業(yè), 楊秋玲, 王亞偉, 劉曉毅, 王飛飛

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院, 洛陽 471023;2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預(yù)測重點實驗室, 洛陽 471023)

0 引言

隨著我國礦業(yè)開發(fā)的高速發(fā)展和礦產(chǎn)勘查工作程度的提高,礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域逐步從地表礦、淺部礦向深部礦、隱伏礦轉(zhuǎn)變,勘查理論和勘查方法也發(fā)生了巨大的變化。針對深部隱伏礦床的找礦預(yù)測理論,自20世紀(jì)80年代以來,形成了系列礦產(chǎn)預(yù)測理論,王世稱等[1]提出的“綜合信息預(yù)測方法技術(shù)”;趙鵬大[2]提出的“三聯(lián)式”數(shù)字找礦與定量預(yù)測評價礦產(chǎn)預(yù)測理論方法;陳毓川等[3]提出的“缺位預(yù)測”理論;葉天竺等[4]提出的“固體礦產(chǎn)礦床模型綜合地質(zhì)信息預(yù)測技術(shù)”,在我國礦產(chǎn)資源勘查評價中發(fā)揮了重要作用。在區(qū)域性基礎(chǔ)地質(zhì)資料和礦點、礦化點線索選區(qū)的基礎(chǔ)上,采用大比例地質(zhì)填圖和物化探技術(shù)解決勘查區(qū)隱伏礦、深部礦的找礦難題,建立中深部地球物理勘查模型,是目前勘查區(qū)找礦勘查程序的重要步驟之一。

盧氏縣八寶山鐵銅礦區(qū)位于河南省盧氏縣潘河鄉(xiāng),自20世紀(jì)60年代,相關(guān)單位在八寶山地區(qū)開展了鐵、銅、金等多金屬的礦產(chǎn)勘查工作,提交了鐵銅金資源量,并陸續(xù)開展了采礦工作,采礦歷史悠久。該地區(qū)位于華北克拉通南緣,緊鄰秦嶺造山帶,屬盧氏-欒川陸緣褶斷帶。八寶山鐵銅礦床是東秦嶺鉬多金屬成礦帶上典型的中生代斑巖-矽卡巖型礦床,以鐵礦化為主,伴隨銅、鉬、鉛鋅礦化。與燕山期中酸性斑巖體有關(guān)的內(nèi)生礦床是區(qū)域礦產(chǎn)勘查的重要目標(biāo)和找礦方向[5-7],在區(qū)域上銀家溝礦床等也開展了類似研究[8-9]。筆者以盧氏八寶山鐵銅礦為研究對象,采用高精度磁測、CSAMT、激電中梯等多種技術(shù)方法,對該區(qū)深部及外圍進行初步評價,建立斑巖-矽卡巖型鐵銅礦中深部地球物理勘查模型。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域成礦地質(zhì)特征

工作區(qū)位于華北克拉通南緣,太古宇太華群變質(zhì)巖系構(gòu)成結(jié)晶基底,蓋層為中元古界熊耳群、中元古界官道口群、新元古界欒川群、震旦系、下寒武統(tǒng)、局部為二疊系和三疊系。地層分屬秦嶺地層區(qū)和華北地層區(qū),區(qū)域上以黑溝-欒川斷裂為分界線,斷裂北部為華北地層區(qū)豫西地層分區(qū)熊耳山地層小區(qū),斷裂南部為秦嶺地層區(qū)北秦嶺地層分區(qū)南召小區(qū)、盧氏盆地及第四系沉積。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育,以東西向數(shù)條大型斷裂為主,輔以北北東向斷裂,構(gòu)造運動以側(cè)向拉張和區(qū)域性差異升降作用為主。區(qū)內(nèi)比較重要的斷裂為黑溝-欒川斷裂帶、馬超營斷裂帶、撞根-頭道河斷裂帶,這些大型斷裂帶內(nèi)侵入巖發(fā)育,動力變質(zhì)及熱液蝕變強烈,巖漿及熱液活動明顯,對鐵、鋅、銅、金、鉛、銀、鉬等礦化具有明顯地控制作用。

工作區(qū)位于小秦嶺-豫西金鉬多金屬成礦帶,杜關(guān)-夜長坪成礦遠景區(qū)東部的八寶山-杜關(guān)巖漿巖成礦亞帶。區(qū)域礦產(chǎn)分布主要受大型斷裂及次級斷裂構(gòu)造控制,以盧氏-欒川陸緣褶斷帶為主要成礦區(qū)域,具有明顯的方向性。燕山期中酸性侵入巖體構(gòu)成了區(qū)域成礦的主要物質(zhì)來源和容礦空間,與成礦作用關(guān)系密切,如銀家溝巖體、夜長坪巖體、八寶山巖體、曲里巖體、柳關(guān)巖體等均形成典型的礦床。區(qū)域礦種類型多樣,鉛鋅銀礦分布于盧氏-欒川多金屬成礦帶中,礦床(點)主要分布在官道口群、欒川群碳酸鹽巖-碎屑巖為主的地層中,受巖性、斷裂、燕山期中酸性小巖體的多重控制,礦床類型以層控型及熱液充填(交代)型為主;鉬礦分布于杜關(guān)-夜長坪成礦帶;鐵礦可分為矽卡巖型、熱液脈型和沉積變質(zhì)型三種成因類型;銅礦主要分布于柳關(guān)-八寶山一帶,規(guī)模多為中小型(圖1)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)分布圖Fig.1 Regional geological and mineral distribution map

1.2 區(qū)域地球物理特征

1.2.1 區(qū)域重力場特征

區(qū)域重力異常特征總體表現(xiàn)為異常幅度南北高中間低,低值區(qū)沿徐家灣、湯河、廟子一帶分布。布格重力異常等值線展布方向及局部重力異常軸向以北西西向為主,北東向次之,與北西西向區(qū)域構(gòu)造線及疊加的北東向構(gòu)造特征基本一致。重力高異常大多對應(yīng)于基底地層的相對隆起,重力低異常主要為中新生代斷陷盆地或隱伏-半隱伏酸性巖體所致,如盧氏盆地在區(qū)域重力異常圖上呈現(xiàn)為低值圈閉(圖2(a))。

圖2 區(qū)域重力場、磁場特征圖Fig.2 The characteristic map of regional magnetic field and gravity field

1.2.2 區(qū)域磁場特征

區(qū)域上,北部華北陸塊南緣和南部秦嶺造山帶的磁場特征差異明顯,一般以黑溝-欒川斷裂為界。華北陸塊南緣為正負磁異常過渡帶,磁場較為平緩,異常面積大,反映了華北陸塊南緣崤山-熊耳山地塊、盧氏-欒川陸緣褶皺帶的火山巖與巖漿活動的狀況以及古老地層基底隆起,如盧氏盆地,新生界厚

度薄,磁場受熊耳群火山巖與基底斷裂的影響明顯,形成明顯的低磁異常圈閉。南部秦嶺造山帶磁場幅值變化較大,正負磁異常規(guī)律性不明顯,正磁場強度一般為100 nT～ 260 nT,局部最大值為1 300 nT,負磁場強度多在0 nT～-200 nT,局部最小值達-800 nT。整體上看,區(qū)域正負磁異常范圍與區(qū)域性斷裂分布形態(tài)關(guān)系密切,多呈北西或北西西向帶狀展布,其長軸方向與區(qū)域構(gòu)造線基本一致(圖2(b))。

1.2.3 區(qū)域巖石物性特征

磁性強弱以火山噴發(fā)巖-巖漿侵入巖-變質(zhì)巖-沉積巖的順序遞減,火山巖以超基性-基性-中性-酸性-堿性巖的順序遞減。鐵礦石的磁性則按磁鐵礦-鉻鐵礦-鏡鐵磁鐵礦-磁黃鐵礦-赤鐵礦-鏡鐵礦-黃鐵礦-褐鐵礦的順序遞減。區(qū)域上巖石電性差異明顯,強礦化礦石如強黃鐵礦化弱硅化礦石、弱黃鐵礦化弱鉛鋅礦化礦石等,視電阻率平均值為550 Ω·m,視極化率平均值為9.9%;中等礦化礦石,如黃鐵礦化硅化礦石,視電阻率平均值為2 471 Ω·m,視極化率平均值為27.06%;弱礦化礦石,如弱黃鐵礦化、弱褐鐵礦化礦石等,視電阻率平均值為4 981 Ω·m,視極化率平均值為4.0%;圍巖如安山巖、花崗巖、片麻巖、石英脈等,視電阻率平均值為4 961 Ω·m,視極化率平均值為1.2%。受礦化蝕變作用的各類巖石因含金屬硫化物而形成低阻高極化體,與高阻低極化的未蝕變原巖形成明顯的導(dǎo)電性和激電特性差異。區(qū)內(nèi)巖石密度范圍值為2.33 g/cm3(火山碎屑凝灰?guī)r)～3.01 g/cm3(輝長巖),一般特征為火山巖的密度較侵入巖的密度高;基性、中性巖體密度較酸性巖高;變質(zhì)巖的密度變化較大,視其巖性而定。

2 礦區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)特征及成礦預(yù)測模型

礦區(qū)地層分區(qū)屬熊耳山地層小區(qū),為一套中元古界至下古生界濱淺海相碳酸鹽巖-碎屑巖沉積建造,中低級區(qū)域變質(zhì),整體呈近東西向展布。由北至南出露地層為新元古界欒川群白術(shù)溝組,中元古界官道口群龍家園組、巡檢司組、杜關(guān)組、馮家灣組,新元古界欒川群煤窯溝組,下古生界陶灣巖群三岔口組、風(fēng)脈廟組、秋木溝組。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為龍家園組、秋木溝組,巖性以白云巖為主。

受多期次地質(zhì)運動變形變質(zhì)影響,區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜,褶皺、斷裂發(fā)育,斷裂主要走向近東西向、北北西向,傾向北北東,產(chǎn)狀陡,沿走向及傾向呈波狀,以壓扭性為主,局部見張性碎裂巖。在八寶山巖體邊緣水壓緣裂隙尤其發(fā)育,以北西西向為主,其次為北東東向和北北東向,多組節(jié)理交叉發(fā)育,裂隙內(nèi)硅化、多金屬礦化強,常見輝鉬礦、黃銅礦、黃鐵礦、鉛鋅礦,局部見金、銀礦化。

八寶山巖體為礦區(qū)出露的侵入巖體,位于后清河村周圍,東西長約2 km,北北東向最大寬度約0.7 km,面積約1.05 km2,巖體屬(晚侏羅世)燕山早期中酸性淺成小巖體,成巖年齡146±2 Ma[10]。圍巖為杜關(guān)組、馮家灣組白云巖,呈侵入接觸,接觸帶強烈矽卡巖化。巖體與圍巖接觸帶內(nèi)傾呈喇叭狀,600 m標(biāo)高以下接觸帶呈陡直筒狀。巖相分為中心相黑云二長花崗斑巖和邊緣相正長花崗斑巖(圖3)。根據(jù)八寶山巖體與礦體的空間位置關(guān)系,將主要礦體劃分為南、北、西三個礦帶,南、北礦帶規(guī)模較大,構(gòu)成礦床的主體。鐵礦體是區(qū)內(nèi)主要礦體,主體為褐鐵礦,單工程TFe品位為20.76%～52.05%,平均品位為42.08%,以往工作共提交鐵礦石量為11 050 000 000 kg,占整個礦區(qū)鐵總資源量的46%;銅鉬礦體主要賦存在北礦帶鉀化帶內(nèi),礦體厚度為1.02 m～109.87 m,平均厚為32.28 m,單工程Cu品位為0.23%～0.59%,平均品位為0.46%,單工程Mo品位為0.03%～0.201%,平均品位為0.072%。

圖3 八寶山礦區(qū)成礦模型Fig.3 The metallogenic model of Babaoshan mining area

矽卡巖帶內(nèi)原生礦石為磁鐵礦石、黃鐵黃銅礦石、黃鐵礦石;鉀化帶內(nèi)原生礦石為細脈浸染型黃銅礦石、輝鉬礦石及二者共伴生的銅鉬礦;巖體外圍原生礦石主要為鉛鋅(銀)礦石。

秦克章等[11]提出的斑巖-矽卡巖型成礦預(yù)測模型(圖3)對成礦巖體、成礦空間、蝕變類型等進行了詳細說明,八寶山礦床作為典型的斑巖-矽卡巖型礦床,具有明顯的分帶性,由內(nèi)向外分為:高中溫斑巖型銅鉬礦床分帶,產(chǎn)于巖體邊緣相鉀化帶,礦石類型主要為浸染型銅鉬礦體;中溫矽卡巖型鐵銅礦床分帶,產(chǎn)于矽卡巖帶,礦石類型主要有鐵礦、銅硫礦;中低溫?zé)嵋盒豌U鋅礦床分帶,產(chǎn)于巖體圍巖裂隙,礦石類型主要為脈狀、透鏡狀鉛鋅(銀)礦。

3 綜合地球物理勘查

在八寶山礦床成礦預(yù)測模型基礎(chǔ)上,對成礦有利部位開展綜合地球物理勘查工作(圖4)。本次綜合地球物理勘查工作的主要思想是“就礦找礦”,對礦區(qū)深部找礦前景進行初步評價,研究成礦地質(zhì)體和成礦結(jié)構(gòu)面中深部延伸情況,間接為中深部礦體勘查提供靶區(qū)位置;對礦區(qū)周邊和近勘查提供靶區(qū)位置;對礦區(qū)周邊和近外圍礦化情況進行評價,通過篩選與礦區(qū)異常類似的礦外圍礦化情況進行評價,通過篩選與礦區(qū)異致異常直接找礦,了解與礦區(qū)成礦地質(zhì)體和成礦結(jié)構(gòu)面類似的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)育情況間接找礦,從而建立地球物理勘查模型[12-15]。

圖4 八寶山礦區(qū)及其外圍綜合地球物理勘查工程布置圖Fig.4 Layout of Babaoshan mining area and its periphery comprehensive geophysical exploration project

3.1 高精度磁法測量

高精度磁法測量工作主要部署在八寶山巖體的北部,采用WCZ-1質(zhì)子磁力儀,儀器分辨率為0.1 nT。本次工作線距為100 m,點距為20 m,經(jīng)統(tǒng)計總基點T0值為52 278.98 nT。根據(jù)《地面高精度磁測工作規(guī)程》(DZ/T 071-93)質(zhì)量評價要求,本次磁測均方誤差為2.62,滿足規(guī)范要求。統(tǒng)計ΔT平均值作為區(qū)內(nèi)背景值,背景值加上5倍均方誤差作為異常下限,求取的異常下限為40.09 nT,以此下限作為劃分異常的依據(jù)。

整個測區(qū)范圍劃分三個異常區(qū),C-1異常區(qū)位于八寶山巖體北部,呈北西-南東向,異常ΔT相對強度大于40.09 nT,整體位于YM-27航磁異常范圍內(nèi),面積約1.25 km2,西部未閉合,呈團狀。C-2異常區(qū)位于C-3異常的西南部,走向近東西,面積約0.05 km2,C-3異常區(qū)位于八寶山巖體范圍內(nèi)(圖5(a))。通過對異常區(qū)的磁測數(shù)據(jù)進行化極、延拓等手段,C-1和C-3異常區(qū)在向上延拓平面圖上均呈現(xiàn)高磁異常,隨深度增加其面積也逐漸增大。C-3異常區(qū)為八寶山巖體的反應(yīng),推測C-1異常區(qū)可能為隱伏巖體的綜合反映。

圖5 高精度磁測等值線圖和平面剖面圖Fig.5 High precision magnetic survey contour map and plane profile map

3.2 激電中梯測量

遵循從已知到未知的原則,通過高精度磁測工作,快速圈定可能的礦致異常區(qū),以C-3異常區(qū)八寶山巖體為已知點,對巖體周圍的含礦性進行初步評價。激電中梯測量工作部署在八寶山巖體的東部和北部,野外采集參數(shù)為施工主要參數(shù)AB=1 500 m,MN=40 m,點距為20 m,供電電壓為700 V,供電電流為3 A～5 A,供電周期為32 s,接收疊加次數(shù)2,時間延遲300 ms,第一子樣寬度為40 ms,正反向標(biāo)準(zhǔn)直流脈沖供電。以全區(qū)激電中梯視極化率平均值作為區(qū)內(nèi)背景值,背景值加上5倍均方誤差作為異常下限,求取的異常下限為2.62%,以此下限作為劃分異常的依據(jù)。在視電阻率平面圖(圖6(a))上,測區(qū)內(nèi)整體呈現(xiàn)為相對高阻,最大值超過20 000 Ω·m,僅在八寶山巖體南部斷裂上盤,呈現(xiàn)為相對低阻,視電阻率值范圍為10 Ω·m～200 Ω·m,其形態(tài)與斷裂展布形態(tài)基本一致,其極化率為相對高值,和視電阻率低阻區(qū)形態(tài)基本一致。在高精度磁測圈定的異常區(qū)C-1內(nèi),視電阻率相對較高,平均約5 000 Ω·m,極化率整體偏低(圖6(b)),一般低于1%,推測該現(xiàn)象可能為高精度磁測推斷的隱伏巖體埋藏較深,激電中梯測量不能滿足查明該潛在隱伏巖體特征的要求。

圖6 激電中梯視電阻率平面圖和視極化率平面圖Fig.6 Plan of apparent resistivity and apparent polarizability in induced polarization

3.3 CSAMT測量

根據(jù)高精度磁測和激電中梯成果,采用CSAMT測量對已知的八寶山巖體深部三維特征進行初步探測,同時對高精度磁測圈定的C-1異常進行探測?？煽卦匆纛l大地電磁法測量采用加拿大鳳凰地球物理公司研制的V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法測量系統(tǒng)。觀測頻率為0.125 Hz ～9 600 Hz,每頻點觀測周期為40 s,全頻段觀測時間為2 700 s,拐角頻率為2 200 Hz,最大發(fā)射電流為2 A,收發(fā)距為12 km,供電極距AB=2 000 m,接收極距MN=100,點距為100 m。單個物理點的均方相對誤差Mi及總均方相對誤差,M=0.038 9。參與質(zhì)量檢查的頻點為200個,總頻點數(shù)為5 300個,質(zhì)檢比3.8%;物理點4個,總物理點數(shù)106個,質(zhì)檢比3.8%,滿足規(guī)范要求。根據(jù)CSAMT視電阻率斷面圖(圖7(a)),CSAMT測點3至17號點基本為八寶山巖體的南北邊界點,巖體呈倒喇叭型,巖體視電阻率整體為低阻,圍巖為高阻,自巖體中部至圍巖視電阻率逐漸增大,視電阻率梯度帶明顯。在CSAMT測點47至57號點,高精度磁測C-1推測的隱伏巖體,埋深相對較大,斷面上視電阻率形態(tài)與八寶山巖體視電阻率形態(tài)相似,淺部視電阻率值約5 000 Ω·m,與覆蓋層高阻白云巖地質(zhì)信息吻合,與激電中梯工作中視電阻率值基本一致,也解釋了激電中梯中高阻特征現(xiàn)象,綜合上述分析,推測其為隱伏巖體的電性響應(yīng)特征。通過CSAMT工作,基本查明了八寶山巖體的深部特征,相互驗證了高精度磁測C-1異常推測的隱伏巖體,對該隱伏巖體的三維特征進行初步刻畫。為了進一步查明八寶山巖體的深部特征,對綜合地球物理工作中圈定的巖體邊界進行鉆探施工,先后施工11個鉆探,在巖體和圍巖分界面上均鉆遇礦體,與地球物理工作推測信息基本一致(圖7(b))。

圖7 CSAMT斷面圖及巖體地質(zhì)剖面圖Fig.7 The section of CSAMT and the geologic section

4 地球物理模型的建立

八寶山礦床地質(zhì)資料豐富,建立的成礦預(yù)測模型與實際情況吻合度高,是開展深部礦產(chǎn)勘查工作的前提?；诖?提出斑巖-矽卡巖型礦床深部鐵銅礦勘探的地球物理模型。本次工作中首先準(zhǔn)確識別本礦床為斑巖-矽卡巖型,采用合理的成礦預(yù)測地質(zhì)模型,其次采用綜合地球物理方法查明中深部成礦體系中成礦源、容礦構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面、成礦作用標(biāo)志等重要要素,解決實際工作中理論模型無法查明礦化體展布特征的難題,最后采用鉆探方法驗證地球物理勘查模型的可行性。

值得一提的是,在綜合地球物理勘查工作中,選用適宜工作區(qū)的工作方法至關(guān)重要。高精度磁測和CSAMT方法在本次工作中效果較好,但是激電中梯工作受淺地表高阻覆蓋層的影響,其探測深度受限,對隱伏巖體的探測效果不明顯。

5 結(jié)論

筆者以八寶山鐵銅礦區(qū)勘查為例,對多種地球物理方法工程成果進行分析研究,對數(shù)據(jù)進行有效解譯,建立地球勘查模型,取得以下兩點成果:

1)建立斑巖-矽卡巖型中深部鐵銅礦勘探的地球物理模型:基于成礦地質(zhì)模型理論,采用綜合地球物理方法查明中深部成礦地質(zhì)體的三維形態(tài)、范圍、產(chǎn)狀等空間特征,采用鉆探方法驗證地球物理勘查模型的可行性。

2)八寶山鐵銅礦區(qū)為典型的矽卡巖型礦床,查明八寶山巖體的空間特征是本區(qū)礦產(chǎn)勘查工作的前提,也是本區(qū)深部和外圍礦產(chǎn)勘查的前提。研究該礦床的地球物理勘查模型對礦床的深部和外圍探礦具有很好的指導(dǎo)意義,八寶山巖體北部的異常區(qū)(圖7)在多種地球物理方法中均有異常存在,其地球物理特征與八寶山巖體具有高度相似性,可作為后續(xù)工作重點。