鞍山地区地质构造及深部铁矿

2013-12-19范正国黄旭钊张洪瑞周道卿刘前坤

地质与勘探 2013年6期

范正国，黄旭钊，谭林，杨雪，张洪瑞，周道卿，刘前坤

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

鞍山地区位于中国东北部辽宁省境内，是中国铁矿最集中的地区，在不足100km2范围内，发现了齐大山、胡家庙子、眼前山、大孤山、东鞍山和西鞍山等大型铁矿床(图1)，在勘探深度一般小于500m、个别达到1000m的情况下，探明铁矿储量达70亿t以上(姚培慧等，1993;沈保丰等，2005;任群智等，2007)。该区铁矿的开采与研究历史悠久，早在战国时期(公元前475年～公元前221年)就出现了铁矿开采活动，但大规模勘探、开采活动始于1908年(姚培慧等，1993)。尽管如此，本区仍有许多问题尚待解决，其中最重要的问题，一是鞍山地区的地质构造到底是什么形式;二是鞍山地区深部是否还有大规模铁矿。针对这2个最重要问题，本文采用剖面重磁异常人机交互反演技术(于长春等，2007;范正国等，2010，2012b)正演了东鞍山和齐大山已知铁矿引起的航磁异常，并对横穿东鞍山铁矿区、铁架山区和齐大山铁矿区的重磁剖面异常进行了反演，以此为基础研究了鞍山地区地质构造、评估了鞍山地区深部的铁矿远景。

1 地质构造及矿产特征

大地构造上，鞍山地区位于华北克拉通(Ⅰ)北东部，跨越胶辽台隆(Ⅰ1)和华北断陷(Ⅰ3)2个二级大地构造单元，涉及太子河－浑江台陷()、营口－宽甸台拱()和下辽河断陷()3个三级大地构造单元。该区中部铁架山一带出露太古宙混合岩及混合花岗岩，原岩为华北克拉通中最古老的钾质花岗岩(万渝生等，2002)，铁架山周围出露太古宇鞍山群樱桃园组和元古界辽河群浪山子组千枚岩、片岩，震旦系石英岩，寒武系碳酸盐岩等;西北部广大地区属于第四系覆盖，南部大面积出露燕山期花岗岩，东部广大地区出露太古宙混合岩及混合花岗岩、震旦系石英岩及寒武系碳酸盐岩(图1)。

关于鞍山地区的地质构造，目前仍存在多种认识，归纳起来主要有以下几种:① 刘生石(1977)认为，鞍山地区地质构造属于弓长岭－辽阳复背斜之南翼，包含了北部(樱桃园－谷首峪)倒转向斜、中部(铁架山)倒转背斜和南部(西鞍山－大孤山)倒转向斜等。②潘勇飞(1977)认为，鞍山地区前震旦系基底构造为向北西倾没的、核部已被剥蚀、并受断裂破坏的背斜构造，其核部位于铁架山。③杜维本(1980)认为，鞍山地区的铁矿带既不是产于向斜的某翼，也不是产于背斜或弯隆的某翼，而是产于两个不同的弧形构造带。④徐光荣等(1984)认为，在太古宙(大约25～31亿年)时期，鞍山地区属于古火山岛弧－海沟区，东鞍山－铁架山为火山隆起区，齐大山处于火山隆起区到海沟区的斜坡上;早元古代，东鞍山一带出现局部下陷，形成帽地槽。⑤蒋永年(1988)认为，鞍山地区的地质构造为北部向斜、中间背斜和南部向斜所构成的复向斜构造。⑥李鸿业等(1999)认为，鞍山地区的铁矿带并不是产于同一向斜构造的两翼，而是产于蘑菇状的复背斜构造中的局部凹陷中。

鞍山地区已发现的矿产主要为早前寒武纪形成的沉积变质型铁矿，由分布在铁架山东、南两侧的西鞍山－大孤山、齐大山－胡家庙子和眼前山－关门山3条铁矿带构成。这些矿带彼此独立，并被大面积多期形成的花岗质岩石所包围。矿带内部，作为矿带主体的铁矿层呈厚板状，由各种磁(赤)铁石英岩组成，铁矿层两侧，残留有部分千枚岩、变粒岩和角闪岩，有人认为其时代属于太古宙(刘生石，1977;李鸿业等，1999)，也有人认为属于元古代(徐光荣等，1984;蒋永年，1988)。

鞍山地区铁矿勘探的深度一般小于500m，个别达到1000m，深部是否还有铁矿是大家关注的问题之一。近年来，在鞍山地区的黑石砬子和鞍山地区以东30～60km处的弓长岭、大台沟、南芬等地段的深部，通过对地质构造和磁异常的研究和钻探验证，发现了大量的铁矿(任群智，2007;刘军，靳淑韵，2010;洪秀伟等，2010)。范正国等(2012a)定性分析了航磁异常后认为，鞍山铁矿区内黑石砬子、三道沟和平山街等地段深部的找矿前景较好。

2 地球物理特征

2.1 重磁异常特征

在1∶500万航磁ΔT异常图(王乃东等，2004)上，鞍山地区出现一处强度大于3000nT的强磁异常，其形状(正值部分)呈等轴状、北侧伴生明显的负异常。在1∶10万航磁ΔT化极垂向一阶导数等值线图(图2)上，鞍山地区航磁异常分解成多条带状局部异常，其中齐大山－胡家庙子、西鞍山－大孤山和眼前山－关门山等异常带与已知的铁矿带对应很好。

在1∶500万布格重力异常等值线图上，鞍山地区处于北东向布格重力高异常带的东南侧梯度带上，局部存在布格重力等值线向南凸的鼻状高值异常。在1∶20万布格重力剩余异常等值线图(图3)上，鞍山地区布格重力剩余异常的特征与航磁ΔT化极垂向一阶导数异常的特征相似，也分解成多条带状局部异常，且重磁异常重合性非常好。

2.2 岩(矿)石物性特征

根据本次测量数据和前人资料的统计结果(表1)，鞍山地区铁矿层的上下盘围岩和各盖层的磁化率均在1×10－5～432×10－5SI范围内、可视为无磁性或弱磁性，密度为2.1 ～2.9 g/cm3、不同地层或岩性之间存在明显的密度差;鞍山式铁矿的磁化率变化范围为12366×10－5～139123×10－5SI、是该区唯一能引起强磁异常的地质体，密度高达3.32～3.48 g/cm3，当其体积足够大时也能引起明显的重力异常。

表1 鞍山地区岩(矿)石物性表Table 1 Physical property parameters of rocks and ores in the Anshan area

此外，王世称等(1977)和丛培强等(2012)指出，鞍山地区磁铁矿石不但感应磁性(磁化率κ)强、剩余磁性Jr也强，其他岩石的感应磁性(磁化率κ)和剩余磁性Jr都弱。

3 已知铁矿引起的航磁异常

为了研究鞍山地区深部是否还有未探明的铁矿，采用剖面重磁异常人机交互反演技术正演了东鞍山和齐大山已探明铁矿引起的航磁异常。正演中使用的正常地磁参数:强度(To)为53508.2nT，倾角(Io)为57.9°，偏角为－7.4°。计算剖面方向为 54.9°。

3.1 已探明的东鞍山铁矿引起的航磁异常

东鞍山铁矿勘探深度近900m，矿体为厚约280m的层状，走向延长约2200m，地下300m以浅向北东约45°倾斜、以下向北东陡倾斜(近于直立)，地下500m以浅主要为赤铁贫矿、以下主要为磁铁贫矿，近矿围岩主要为太古宙千枚岩，往外为太古宙混合岩(图4a)。

东鞍山铁矿区的航磁异常十分醒目，异常强度近4000nT。由于本区只有铁矿石才具有强磁性，其他岩石为无磁性或弱磁性，因此，航磁异常应是东鞍山铁矿引起的。但是，目前勘探已控制的铁矿体能否引起测量所得的航磁异常呢?

为了回答上述问题，将勘探控制的东鞍山铁矿体及其围岩的有关参数输入重磁异常人机交互正反演软件，获得了已探明的东鞍山铁矿体引起的航磁异常(图4b)，正演时使用的岩(矿)石物性数据如表2所示。

从图4b上可以发现，实测航磁异常较宽，计算航磁异常较窄，航磁残余异常(实测航磁异常与计算航磁异常之差)出现3个明显的、规模较大的局部异常。因此，已探明的铁矿体不能引起测量所得的航磁异常，深部应还有未探明的铁矿体。

表2 图4中岩(矿)石磁性参数表Table 2 Magnetic parameters of rocks and ores in Fig.4

3.2 已探明的齐大山铁矿引起的航磁异常

齐大山铁矿勘探深度近500m，矿层走向延长4650m，平均厚度为200m，向北西陡倾斜(近于直立)，地下300m以浅主要为赤铁贫矿、以下主要为磁铁贫矿，近矿围岩东侧主要为太古宙混合岩、西侧主要为太古宙片岩(图5a)。

齐大山铁矿区的航磁异常非常醒目，异常强度达7000nT。由于本区只有铁矿石才具有强磁性，其他岩石为无磁性或弱磁性，因此，航磁异常应是齐大山铁引起的。但是，目前勘探已控制的铁矿体能否引起测量所得的航磁异常呢?

为了回答上述问题，将勘探已控制的齐大山铁矿体及其围岩的有关参数输入重磁异常人机交互正反演软件，获得了已探明的齐大山铁矿体引起的航磁异常(图5b)，正演时使用的岩(矿)石物性数据如表3所示。

表3 图5中岩(矿)石磁性参数表Table 3 Magnetic parameters of rocks and ores in Fig.5

从图5b上可以发现，实测航磁异常较宽，计算航磁异常较窄，航磁残余异常与实测航磁异常的规模、形态仍相近。换句话说，已探明的铁矿体引起的航磁异常仅占实测航磁异常中的很小一部分，因此深部应还有规模更大的、未探明的铁矿体。

4 东鞍山－齐大山剖面重磁异常反映的构造特征及铁矿

东鞍山－齐大山(A－B)剖面横切了鞍山地区的主要地质构造及铁矿带(图1)和重磁异常带(图2和图3)，与前人构建的鞍山地区剖面地质构造模型(徐光荣等人，1984;李鸿业等，1999)的位置基本一致。因此，通过对东鞍山－齐大山(A－B)剖面重磁异常的定性、定量解释，有助于揭示鞍山地区深部地质构造特征及铁矿分布情况。

4.1 东鞍山－齐大山(A－B)剖面重磁异常解释

如前所述，在东鞍山－齐大山(A－B)剖面上，齐大山铁矿所在位置的航磁异常强度达7000nT、梯度陡、规模大，东鞍山铁矿所在位置的航磁异常强度近4000nT、梯度较陡，而鞍山地区只有铁矿石或铁矿化岩石才具有强磁性、其他岩石为无磁性或弱磁性，因此，航磁异常应主要由铁矿体引起;齐大山铁矿所在位置的布格重力局部异常非常醒目、异常幅值近9×10－5m/s2，东鞍山铁矿所在位置的布格重力局部异常不醒目、属于规模较大的局部异常的梯度带，鞍山地区鞍山式铁矿的密度最大(可达3.48 g/cm3)，斜长角闪岩、片岩和碳酸盐岩等的密度也较大(多为2.8 ～2.9 g/cm3)，花岗质类岩石的密度较低(多为2.6～2.7 g/cm3)、第四系的密度最低，因此，重力异常应主要由斜长角闪岩、片岩、碳酸盐岩和铁矿体共同引起。

根据对东鞍山－齐大山(A－B)剖面重磁异常的定性分析结果，以地质勘探剖面(图4a和图5a)和地表地质构造(图1)为基础构建初始模型，根据鞍山地区岩(矿)石的物性参数和重磁异常特征，修改模型的形状或参数及不同模型的组合方式，最终实现了计算曲线与实测曲线基本重合(图6)。拟合(反演)过程中使用的各类岩(矿)石的物性参数如表4所示，正常地磁参数与东鞍山、齐大山铁矿航磁异常正演时使用的参数相同。

表4 图6中岩(矿)石磁性和密度参数表Table 4 Magnetic and density parameters of rocks and ores in Fig.6

4.2 鞍山地区的地质构造

重磁剖面反演结果，鞍山地区的地质构造总体为复背斜构造或穹窿，由东鞍山向斜、铁架山背斜和齐大山向斜构成。东鞍山向斜和齐大山向斜的底部皆由太古宙花岗质岩石(密度2.66g/cm3、有效磁化强度100×10－3A/m)构成;东鞍山向斜上部的地层或岩石依次为元古界或太古宇片岩、千枚岩(密度2.78g/cm3、有效磁化强度 30 ×10－3A/m)、震旦系石英岩(密度 2.74g/cm3、有效磁化强度 50×10－3A/m)和寒武系碳酸盐岩(密度2.74g/cm3、有效磁化强度0×10－3A/m);齐大山向斜上部的地层或岩石主要为元古界或太古宇片岩、千枚岩。另外，齐大山向斜的底部还存在太古宙斜长角闪岩(密度2.75g/cm3、有效磁化强度 100 ×10－3A/m)夹层。东鞍山向斜向南倒卧，齐大山向斜向东北倒卧，这一特征说明东鞍山向斜和齐大山向斜应为以铁架山为中心的山间盆地，而不是受到“两极挤压中以南推占优势”(李鸿业等，1999)所造成。

重磁剖面反演结果揭示的地质构造，宏观上与李鸿业等(1999)和徐光荣等(1984)提出的构造模式(图7和图8，简称李鸿业模式和徐光荣模式)相似，但局部细节上存在较大差异，主要表现在:① 剖面南端的千山花岗岩体，徐光荣模式中未给出;李鸿业模式中虽给出了千山花岗岩体，但其产状近于直立;反演结果，千山花岗岩体向北倾、隐伏在太古宙混合岩下，产状较缓。② 反演结果表明，东鞍山一带的向斜构造，其地表范围与李鸿业模式和徐光荣模式都接近，但地下的规模则要大许多，主要是该向斜的北翼不像徐光荣模式那样向南缓倾斜，也不像李鸿业模式那样先向南缓倾斜、再转为近于直立向下(断裂控制)，而是先向北缓倾斜、再转为向南缓倾斜。此外，该向斜南翼的产状，反演结果也比前人模式中的产状要陡一些。③铁架山凸起，徐光荣模式为一座古岛屿;李鸿业模式为太古宙花岗质岩石构成的穹窿;反演结果显示出，铁架山曾是规模不大的古岛屿，后期构造运动导致“山体崩塌”而部分覆盖到了周围的“山沟”(盆地或向斜)上，形成一个类似“蘑菇”状的穹窿。④齐大山一带的向斜构造，既不像李鸿业模式那样，下部为较窄的“太古宇鞍山群含铁泥砾砂岩”夹层，其上出现了规模较小的元古代盆地(或向斜);也不像徐光荣模式那样为大型弧后盆地的西侧斜坡。

4.3 鞍山地区深部的铁矿前景

重磁剖面反演结果(图6)，东鞍山铁矿呈层状产于东鞍山向斜内、且以南翼为主，已探明的铁矿体为位于向斜西南翼中局部凸出地表的铁矿体部分，铁矿体向下有较大延深，探明的体积仅占反演结果的10%;齐大山铁矿体主要产于齐大山向斜的核部、环绕向斜的核部还有多层铁矿产于向斜的两翼，已探明的铁矿为位于向斜北东翼靠近核部的、局部凸出地表的铁矿体部分，铁矿体向下有较大延深，探明的体积仅占反演结果的5%。因此，鞍山地区地下深部存在尚未探明的巨型铁矿体。

5 结论

研究结果表明，鞍山地区的地质构造总体上为复背斜构造或穹窿构造，在复背斜构造或穹窿构造上叠加了东鞍山和齐大山次级向斜构造，其中东鞍山向斜构造发育较完整，从底部到浅部依次有太古宇、元古界、震旦系和寒武系等地层;齐大山向斜构造发育不够完整，主要由太古宙混合岩、奥长花岗岩及斜长角闪岩和太古宇或元古界片岩、千枚岩等构成。

从计算的东鞍山和齐大山已探明铁矿体引起的航磁异常及由此计算的残余异常来看，已探明的铁矿体引起的航磁异常仅占实测航磁异常中的很小一部分，深部还有规模更大的、未探明的铁矿体。通过对穿越鞍山地区主要铁矿区的东鞍山－齐大山(A－B)剖面重磁异常的联合反演，结果进一步表明鞍山地区深部未探明铁矿体的规模巨大，东鞍山和齐大山铁矿区已探明的铁矿体体积分别仅占反演结果的10%和5%。

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