綜合物探方法在河南濟源疙瘩深隱伏鐵礦床勘查中的應用

蘇士星，宋雙全，魏明君

(1.河南省有色金屬礦產探測工程技術研究中心， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金地質礦產局第四地質大隊， 河南 鄭州 450016； 3.河南省有色金地質礦產局第五地質大隊， 河南 鄭州 450016)

0 引言

河南省濟源市疙瘩鐵礦區位于東經112°36′32″～112°37′42″，北緯35°08′15″～35°08′39″(西安80坐標系)。該鐵礦屬于典型的沉積變質型磁鐵礦床，賦存于太古宇林山巖群(Arln)地層中，埋藏較深，且鮮見地表出露。20世紀70年代以來，相繼開展了航磁、重力、1∶2000地質測量、1∶10000地面磁測及高精度磁法測量等地質工作，但均未有較大突破。近年，受礦業權人委托，重新對該鐵礦進行評價，以期有所突破。電法可以為發現成礦地質體和成礦構造提供依據，因此部署了可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)(何繼善譯,1990)剖面測量和1∶5000地面高精度磁法剖面測量。對取得的物探(電法、磁法)數據進行正反演處理，結合礦區地質資料進行綜合研究，推斷出了礦體產狀及埋深。以此為地質布設鉆孔提供依據，并邊鉆探邊進行測井。鉆探驗證了物探推斷，最終發現一處小型深隱伏沉積變質型磁鐵礦礦床,共圈定6個礦體，鐵礦資源量600余萬噸。

1 礦區地質及地球物理特征

1.1 礦區地質特征

疙瘩鐵礦區位于華北陸塊隆起帶與濟源盆地交匯部位，濟源—開封—商丘區域性大斷裂帶的北側(晁代超和貢二辰，2013)，地層發育，構造復雜，巖漿活動微弱，為沉積礦產和變質礦產的形成提供了十分有利的地質條件(崔來運和王紀中，2006)。礦區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)為礦區及區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、黑云二長片麻巖；寒武系(∈)出露于礦區北部，主要巖性為灰巖、頁巖、白云巖等；中奧陶統馬家溝組(O2m)分為下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)，出露于礦區西北角及中部，巖性為灰巖夾白云巖、角礫狀灰巖、角礫狀白云巖等；上石炭統(C2)主要巖性為鋁土質泥巖、泥巖、砂巖、燧石條帶狀灰巖等；古近系(E)主要巖性為礫巖、砂巖、粉砂質泥巖等；第四系(Q)主要為黃土、坡積物等。

圖1 疙瘩鐵礦區地質及工程布置圖1—第四系；2—中奧陶統上馬家溝組；3—中奧陶統下馬家溝組；4—上寒武統；5—地質界線；6—實測正斷層及產狀；7—本次施工見礦鉆孔及編號；8—未見礦鉆孔及編號；9—以往施工見礦鉆孔及編號；10—勘探線、物探剖面及編號；11—1∶2000地質測量范圍

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

1.2 礦區地球物理特征

1.2.1 重磁異常場特征

疙瘩鐵礦區及外圍航磁異常、重力異常特征如圖2所示。航磁異常以150 nT值圈定，形態呈東西方向帶狀，向西延伸出工作區，有4個相對高中心。磁場強度極大值為190 nT，位于疙瘩鐵礦西北部，磁場等值線南陡北緩。工作區處在濟源—博愛—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應，航磁異常的北西部或北部出現重力相對高，位置偏差相對較??；航磁異常的磁場強度向西逐漸減弱。根據重磁異常疊置關系綜合判斷，磁性體的大致傾向為西或者北西，傾角大約在20°～40°之間(晁代超和貢二辰，2013)。

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

1.2.2 巖石電阻率特征

區內巖石電阻率特征為：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；中奧陶統馬家溝組(O2m)ρ=500～5000 Ω·m，呈中高阻特征；上石炭統(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，上中寒武統為碳酸鹽巖建造，呈高阻特征，下寒武統碎屑巖為低阻特征。據此可大致劃分寒武系與太古宇界面，而沉積變質型鐵礦成礦有利部位(或稱成礦構造)為向斜構造核部(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

根據以往資料，本區巖(礦)石磁性特征如下(劉中杰等，2013)：區內磁鐵礦磁性最強，磁化率變化范圍18000～125000(10-6×4π·SI)；各類變質巖磁性變化較大，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，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—無磁性。

2 野外工作方法

2.1 物探工作方法

在航磁和1∶1萬地面高精度磁測掃面基礎上，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量和可控源音頻大地電磁測深方法(CSAMT)(劉家遠等,2006；段文旭等，2014；張林，2017；張贊業，2017；孫進等，2021)剖面進行異常評價(盧焱等，2008；趙百民等，2009；周瑾等，2019；金旺林等，2021；思積勇等，2021)，通過綜合研究，作出解釋推斷，為鉆探工程提供依據。

CSAMT法部署的主要依據是基于以下兩方面考慮。一方面，是基于地質地球物理模型考慮的：下寒武統碎屑巖具低阻特征，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，根據向斜構造核部(及兩翼)為沉積變質型鐵礦成礦有利部位這一成礦地質模型，利用反演電阻率圈定成礦構造。另一方面，是基于客觀因素上的：目標地質體埋深大，常規直流電法等勘探深度難以達到；區內人文干擾強，CSAMT法較AMT法等天然場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：比例尺1∶5000，布設剖面8條，方向20°(圖1)，點距10 m。儀器采用捷克PMG-1質子磁力儀。測量參數為總場T值，測程20000～100000 nT，分辨率0.1 nT。

可控源音頻大地電磁測深方法(CSAMT)：布設8條剖面計108個點；測網區在場源垂直平分線兩側30°扇形范圍內進行；剖面位置與高精度磁測相同(圖1)，點距50 m，收發距為5～8 km，探測深度約為1～1.5 km。儀器為美國ZONGE公司GDP-32Ⅱ多功能電法工作站，接收機工作頻率0.007～8192 Hz，輸入阻抗10 Ω/DC,動態范圍190 dB，最小檢測信號電壓0.03 μV，相位±0.1 mard,最大輸入信號電壓±32 V，自動補償電壓±2.25 V，增益1/8～65536(自動)。

3 數據處理與成果解釋

3.1 數據處理

可控源音頻大地電磁測深的實測數據使用HSMOOTH和ASTATIC數據處理軟件計算卡尼亞電阻率并繪制曲線，把曲線明顯的跳點手工圓滑，必要時再二次圓滑。然后通過靜態校正，去除淺部不均勻體對卡尼亞電阻率曲線整體抬高的影響。然后截取近場曲線段，代入二維反演軟件進行反演。

磁法實測數據為總磁場值T，通過日變改正、緯度改正和高度改正，然后減去正常場T0，就得到磁異常ΔT。

8條剖面數據均按上述方法進行了處理，因0線磁異常較強，電法反映的含礦構造明顯，所以下文只對0線進行解釋。

3.2 反演電阻率斷面推斷解釋

對0號勘探線的可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)剖面進行二維反演(李金銘，2005;黃朝陽等，2014)，結果見圖3。根據本區巖(礦)石電阻率特征，結合礦區地層關系認為：斷面南側淺部低阻異常為第四系覆蓋引起，中、北側整體反應為高阻異常，為奧陶系碳酸鹽巖引起，夾雜其間的低阻異?？赡転楹當嗔哑扑閹б?；海拔0 m以上的高阻異常為上中寒武統灰巖引起；海拔0～-350 m的低阻異常為下寒武統碎屑巖低阻引起；海拔 -350 m 以下電阻率等值線明顯下凹，同時稀疏了，推測為寒武系灰巖和林山巖群(Arln)變質巖系的分界線。電阻率等值線明顯下凹可能為鐵礦體和林山巖群(Arln)變質巖系向斜構造引起。

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

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

3.3 磁異常推斷解釋

各高精度磁測剖面磁異常ΔT極值在100～170 nT 之間。以20 nT間隔圈定等值線圖，在礦區發現一個磁異常M1(圖4)。該異常40 nT等值線近東西向展布，長約600 m，南北向寬約300 m。等值線北側梯度小，南側梯度大，向北梯度為 0.17 nT/m。說明異常源走向東西，向北緩傾的特征。異常峰值低，曲線梯度較緩，表現出本區礦體埋深較大、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 疙瘩鐵礦區高精度磁測ΔT等值線平面圖

前述 0號勘探線CSAMT剖面反演結果顯示寒武系灰巖和林山巖群(Arln)變質巖系的分界線在地面550～750 m以下。以此為前提條件，對0號勘探線的磁法剖面進行反演，進一步推斷礦體的產狀與埋深。

通過標本測定，寒武系、奧陶系灰巖基本無磁性，石炭系巖石、新近系巖石也基本無磁性?？上群雎粤稚綆r群變質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。地磁正常場為52497 nT。磁化方向為在剖面方向的有效磁場傾角I’,tan I’=tan I·secA,I為磁傾角取值53°，A為方位角取值12°，則有效磁場傾角I’為53.6°，反演時取54°計算。

反演使用選擇法(管志寧，2005；曾華霖，2005)。假設礦體為四邊形斷面，兩邊延伸各 200 m，通過不斷調整斷面參數和磁化強度，使曲線擬合最佳。最終得到磁鐵礦體的磁化強度為18×10-3A/m，有效磁場傾角54°，磁鐵礦體斷面為四邊形斷面，得到其角點坐標(剖面端點平距，距地表深度)(表1)。反演結果(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坐標

3.4 鉆探驗證及對比情況

在0號勘探線布設了2個鉆孔(ZK002、ZK004)進行驗證(后加密ZK003)，鉆孔位置及發現的礦體如圖5所示。

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

將地面高精度磁測剖面反演結果與地質勘探線剖面套合(圖5)，可以看出反演結果與鉆探發現的K3、K4、K5三個礦體組合形成的總體輪廓相近，但不能區分K3、K4、K5礦體。未發現K1礦體，是因為K1礦體主成分為赤鐵礦，磁性弱、埋深大，不易通過磁法發現。

總的看來，物探異常反演結果能夠作為發現主礦體的依據，且反演埋深與鉆探驗證結果大體一致。

4 結論

對于地磁異常呈弱緩特征的深隱伏磁鐵礦，通過對可控源音頻大地電磁測深方法(CSAMT)和地面高精度磁測方法剖面測量獲得的物探異常進行綜合研究，可以得出以下結論：

(1)可控源音頻大地電磁測深方法(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)地面高精度磁測方法能夠進一步推斷深隱伏磁鐵礦的大致產狀及埋深，從而為地質工程提供依據，幅值較低的弱磁異常亦應結合地質特征綜合評價；

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