高精度重力测量在冀东铁矿整装勘查区查找隐伏铁矿中的应用

张国利，赵更新，滕菲，王得启，匡海阳，黄忠峰，陈枫

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津，300170；2.河北地球物理勘查院，廊坊，065000）

高精度重力测量在冀东铁矿整装勘查区查找隐伏铁矿中的应用

张国利1，赵更新1，滕菲1，王得启2，匡海阳1，黄忠峰1，陈枫1

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津，300170；2.河北地球物理勘查院，廊坊，065000）

在研究冀东铁矿外围覆盖区的地质概况和地球物理特征，野外高精度重力调查的基础上，结合重磁剖面，利用二度半重磁联合反演，在重磁异常经钻孔验证见铁矿厚度20 m左右，认为使用剩余重力异常是寻找深部隐伏铁矿的有效方法，冀东铁矿外围具有很大找矿潜力。

冀东铁矿；剩余重力异常；重磁剖面；重磁异常；

铁矿勘查以航磁为基础，通过地面检查和钻探验证，然后转入普详查和勘探，此方法发现了我国80%铁矿[1]。因此，大部分人认为磁法可解决铁矿找矿问题，并提出了航（地）磁测量的铁矿异常标志是高强度、大梯度、尖峰异常。但实际上也有一些铁矿找矿问题没有得到有效解决。实践表明，一些埋藏较深、产状复杂的规模铁矿，单靠磁法找矿难度加大，出现了一些难以解决的新问题。这是因为磁异常为磁偶极子异常，异常本来就复杂，空间位置难确定。同时会受剩磁影响。化极后也定位不准，不可靠；南北成带分布时，独立磁性体的磁异常可能发生正负异常叠加，造成异常改变、弱化或消失，对研究成矿规律不太有利。这是制约隐伏铁矿找矿的重要技术问题。

地球重力场是地球系统物质属性产生的一个最基本的物理场，反映由地球各圈层相互作用和动力过程决定的物质空间分布、运动和变化[2]，它是重力勘探的理论基础[3]。重力勘探是测量与围岩有密度差异的地质体在其周围引起的重力异常以确定这些地质体存在的空间位置大小和形状从而对工作地区的地质构造做出判断的一种地球物理勘探方法。重力勘探应用范围广泛，它既适用于如大地构造分区、地壳与上地幔深部构造、区域地质调查等大尺度勘探，也适合探测古墓[4]、矿山采空区[5]、溶洞等小尺度目标体[6，7]。自从20世纪30年代重力被用于石油勘探以来，经过几十年的发展，已经取得巨大成就。我国1936年首次利用重力进行矿产勘探，之后的很长一段时间，重力勘探的主要应用领域是油气和固体矿产勘查及区域重力调查［8～10］。现代数理理论和计算机技术的发展，完善了各项改正方法。20世纪90年代GPS测地技术的应用使重力勘探取得了突破性的进展，利用微重力探测小尺度的目标体成为可能，拓宽了重力勘探的应用领域。重力测量方法已成为解决地质问题最好的方法之一。

因此，针对传统的方法（磁法）的局限性和问题，结合重力测量方法的优越性，采用重磁结合，充分利用重力，结合电法可能是铁矿深部勘查研究的必由之路。

航磁测量时发现冀东铁矿外围滦县、滦南为低缓磁异常区，工区以往重力工作程度低、工作比例尺都小于1:20万，且重力资料年代久远、精度都较低不利于利用。针对这些问题，2010～2012年在第四系覆盖区的低缓航磁异常布置了高精度1:5万航磁调查，面积约1800 km2。通过布格重力异常特征分析了区域地质构造基本格架，对重力资料的系统研究，推断昌黎断裂以北为太古宙隆起区,主要由赋存含铁建造

的太古宙沉积变质基底（迁西群？）引起，其内有大量的南北向展布的隐伏含铁建造。其他地勘单位在异常区钻探验证，在700 m深处见20 m厚度的铁矿[2]。

1 区域地质概况

调查区主要涉及的行政县是遵化、迁安、滦县、滦南等。该区基底为太古宙变质岩系，其上为华北地台型的沉积盖层，包括中上元古界、古生界、中生界、新生界地层。与铁矿有关的地层主要是太古宇，包括3个群。1）迁西群：主要分布于迁安水厂-平林镇-娄子山一带，包括上川、三屯营组，为一套麻粒岩相含铁矿层的表壳岩系。岩石组合主要为暗色中粒基性麻粒岩和含紫苏辉石黑云斜长变粒岩，夹透辉斜长角闪岩及含辉石磁铁石英岩，变质程度为麻粒岩相。迁安的水厂、孟家沟等大型铁矿均与该层位有关。2）遵化群：出露于遵化-宽城-青龙一带，包括拉马沟组和跑马厂组，岩石组合主要为斜长角闪岩、黑云角闪斜长片麻岩和斜长变粒岩，夹磁铁石英岩，变质程度达高角闪岩相。宽城豆子沟铁矿等产于此层位中。3）滦县群：主要分布于卢龙及滦县一带，指原单塔子群白庙组、八道河群三门店组、滦县群及双山子群中的部分表壳岩。主要为黑云斜长变粒岩，夹斜长角闪岩和磁铁石英岩；中上部夹有片岩，局部夹有大理岩透镜体；上部鲁杖子岩组主要为薄层状斜长角闪岩夹各种片岩及（黑云）角闪斜长变粒岩等。该岩群变质程度为低角闪岩相-高绿片岩相。司家营、马城等大中型铁矿皆产于此层位内。

2 地球物理特征

2.1 区域布格重力异常特征

依据1：20万布格重力异常图（图1），冀东地区主要处在北东东向重力高值带上，是我国东部地区少数几个重力正异常区之一，也是地壳减薄区，局部的区域重力异常主要反映了基底隆起的分布。

调查区重力异常呈北东向分布，在重力高和重力低异常跨度带上，重力值由北向南呈降低趋势，在调查区东南部又逐渐升高。

2.2 区域磁场特征

1：20万航磁△T等值线平面图（图2）上显示，调查区航磁异常走向为近东西向，北部处于正负磁异常的伴生负磁场中，航磁△T最低值约为-200 nT左右。冀东铁矿则处在正、负磁异常的过渡带上或正磁异常的西侧边部，推断正磁异常是司家营式沉积变质型铁矿的反映，负磁场是矿致异常的伴生异常。

调查区中部处于正负磁异常的伴生正磁场中，为东西走向，航磁△T最高值为140 nT左右，大部分为80 nT左右的低缓磁异常，面积约800 km2。调查区南部处于正负磁异常的伴生正磁场中，为东西走向，最高值为100 nT左右，大部分为40 nT左右的低缓磁异常，面积较大。

2.3 岩（矿）石物性特征

本区铁矿石与围岩之间有明显的磁性和密度差异。围岩只具微弱磁性、低密度，矿石为强磁性、高密度。围岩黑云变粒岩和花岗质混合岩的磁化率与剩磁基本为零，磁化率相差30 000—90 000单位，剩磁相差5 000—10 000单位。围岩密度也较低，花岗质混合岩密度平均值为2.66×103kg/m3，片麻状混合岩密度平均值为2.69×103kg/m3，黑云变粒岩密度平均值为2.72×103kg/m3，与矿石之间密度差约为0.8× 103kg/m3左右，差异明显。当全铁品位在25%～40%之间时，磁性与含铁品位呈正变。但含铁品位大于40%时，其磁性则略有下降，且无规律。另外，铁矿石的磁性还与氧化程度密切相关，氧化程度越深，磁性越弱。主要岩矿石的磁性和密度参数列于表1。

3 野外数据采集

3.1 重力仪器准备及性能试验

野外工作开始之前对仪器进行了充分调试和性能试验，重力仪器包括格值标定、静态试验、动态试验及一致性试验，测地仪器天宝双频5800型GPS仪器进行一次全面检查和性X能鉴定，仪器合格的方可投入生产。

3.2 重力基点网、GPS测量控制网的联建

根据设计方案，结合地形、交通条件和高程等情况进行了布点。支、基点选择在地基稳固、联测方便、重力水平梯度小、近期内不被占用的地方，避免设在较大的陡崖、河堤、大树底下以及有震源之处。

3.3 野外测点重力值观测及坐标观测

测点点位布设有关技术要求执行。野外作业中采用地形图定点与手持导航仪相结合的方法布设测点。定点是以1：5万地形图为工作底图布设测点。为减小地形影响，测点尽量布设在25 m范围内平坦的地带。

测点重力观测采用单程观测法，起闭于基点上。首先在基点上进行基—辅—基观测，基点三次读数，辅基二次读数，最大与最小读数之差小于0.005格；然后进行测点观测，每个测点读二次数，两次读数之间差值小于0.005格。平均数采用四舍五入法记录，最后闭合于重力基点。要求重力测点观测的每个闭合段的零点位移值不大于重力测点观测精度的2-3倍。

3.4 质量检查

为了衡量野外观测结果质量，认真完成了检查观测工作。质量检查点随外业工作同步进行，力争时间和空间上均匀分布；近区地改也要实行加密方位复测的方法观测和评价近区地改的精度。质量检查工作采用“一同三不同”方法，即同一点位、不同时间、不同仪器、不同操作员的检查；近区改正采用一同三不同的原则进行野外实测进行。中区地形改正采用不同人进行重新读图和重新计算检查。远区地改精度采用区域数据库的精度评价质量，检查工作量占总工作量的3%，质量检查点布设在每个工作单元并均匀分布。

表1 冀东地区岩矿石物性参数表Table 1 Physical parameters of rocks and minerals table Jidong area

3.5 资料整理

数据整理严格按照重力勘查规范[11]的要求，统一采用2000国家重力基本网系统，统一采用1954年北京坐标系和1985国家高程基准，统一采用国际大地测量协会（IAG）推荐的1980年公式计算正常重力值，统一采用规范规定的公式进行布格改正和中间层改正，密度统一采用2.67 g/cm3，统一采用166.7 km的半径进行地形改正的“五统一”要求执行。最后统计重力观测精度26微伽，GPS平面误差0.22 m，高程误差0.103 m，布格总精度55微伽。

4 数据处理方法与要求

根据观测重力值得到的重力异常或布格重力异常，包含了从地表到深部所有密度不均匀引起的重力效应，重力异常是所有这些重力效应的总和或叠加[3]。数据处理的目的是通过不同的数据处理手段，有效地克服或压制不同干扰异常,从叠加场中分离或突出某些目标物的场，根据地球物理模型用数学变换等手段将目标场提取出来，达到突出区域重力场信息、突出与强化断裂带异常信息、突出局部重力异常信息，顺利达到完成区域重力场特征分析，断裂构造划分与分析，圈闭岩体，分析矿产有利区域等地质任务。

根据本区内断裂构造发育，岩浆岩分布广泛，我们选用如下数据处理方法：解析延拓（向上延拓）以压制浅部干扰反映深部信息，并定性推断断裂及岩体深部的赋存状况，在上延的同时进行不同方向的水平导数计算和垂向二次导数的计算，以反映不同深处断裂、岩体的赋存状况。

对圈定的异常进行统一编号、分类、描述，并建立异常卡片，内容包括异常编号、异常位置、异常特征、地质背景概况、初步推断及分类。

4.1 数据预处理

为了避免或减少某些数据处理方法带来的边缘损失或边界效应、及正确勾绘图幅边部的重力异常等值线，在数据处理前利用相邻图幅1:20区域重力调查成果资料，对各图幅四周均进行一定范围的扩充。

4.2 数据网格化

为适应计算机数据处理及绘图要求，对扩充后的重力数据进行了网格化，具体工作时使用Sufer软件采用“Kring泛克立格法”方法进行网格化，初步采用网格距为500 m×250 m2，搜索半径初步定为1000 m。

4.3 区域背景场及剩余异常的分离

一般来说，重力场三级异常主要体现地块内部隆起与断陷的密度分布关系，它表现的是布格重力异常的局部特征，这些局部特征可以在异常分离后的剩余场中得到突出。为求得重力局部异常，需要通过数据处理求取区域场和局部剩余异常。1:5万重力异常采用窗口滑动平均法求取区域场。窗口大小通过实验来具体确定。网格化数据直接减去区域场数据求取重力剩余异常。

4.4 求导

为了突出不同走向的断裂、脉岩位置和宽大地质体的边界线，对布格重力异常数据作水平导数（方向导数）处理。求导方向依据研究区内实际的和推断的构造方向来确定，初步按0、45、90、135度四个方向的求取导数。

4.5 重力异常向上延拓

重力异常的向上延拓是指由观测平面上已知重力异常换算得到较高的另一些平面上的重力异常。向上延拓将使深源或者大尺度密度体和浅源或小尺度密度体引起的异常都衰减，但是浅源或小尺度密度体引起的异常衰减速度比深源或者大尺度密度体引起的异常（区域异常）快，因此向上延拓一定高度后的异常能够较为明显地反映区域异常的特征。

5 异常特点

5.1 布格重力异常特征

在重力布格异常图（图3）上明显看到，测区北部基底抬升形成隆起，南部地区基底下沉形成坳陷。测区东北有明显的重力高，是由昌黎断裂引起。

5.2 剩余重力异常特征

在高精度剩余重力异常平面等值线图上（图4），剩余重力异常在测区中部呈北东走向，与已知昌黎断裂基本一致，测区北部剩余重力异常呈近东西向展布，剩余重力异常图也反映了部分的次级断裂，走向基本也是北东向。

6 初步反演结果

根据收集到的部分地质钻孔资料（河北物理勘察院），进行了初步反演，反演结果推断重磁异常为朝西缓倾的磁性体引起(图5)，顶部埋深约0～150 m

左右。

利用其它方法给出的条件，如测井资料，进行约束反演，可以收到较好的效果[12]。因此有待进一步搜集相关地质、物性资料，及钻孔资料进行验证，然后再进行反演，需要不断改进。

7 结论

从地质背景、地球物理特征及控矿地层、岩石特征及构造环境等方面的分析,研究区有良好的成矿地质条件,具有寻找大中型沉积变质型铁矿的巨大潜力。

图3 布格重力异常影像图Fig.3 Bouguer gravity anomaly image

图4 构造断裂初步推断图Fig.4 Preliminary structural faults inferred map

图5 1号线重磁综合剖面图Fig.5 Line 1 sectional view of the gravity and magnetic integrated

结合地质研究，利用剩余重力异常及重磁综合剖面，进行二度半重磁联合反演，可以大致确定矿体的位置，使得在冀东铁矿外围的找矿工作有所突破，高精度重力勘探配合重磁剖面是寻找隐伏磁铁矿较为有效的找矿手段。

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Application of the High Precision Gravity Survey in Prospeting Concealed Deposit in Jidong Iron Ore Peripheral Coverage Area

ZHANG Guo-li1，ZHAO Geng-xin1，TENG Fei1,WANG De-qi2，KUANG Hai-yang1,HUANG Zhong-feng1,CHEN Feng1
（1.Tianjin Center of China Geological Survey，Tianjin,300170,China; 2.Hebei Institute of Geophysical Exploration,Langfang Hebei,065000，China）

This paper introduced the process of the high precision gravity survey in Jidong iron ore peripheral coverage area.Combined with the gravity and magnetic profile,using second degree semi-gravity and magnetic data joint inversion,the gravity and magnetic anomaly by drilling verification finds iron thickness of 20 meters.This overview summarized that the residual gravity anomaly is effective method in search for deep concealed ore,and Jidong iron ore periphery had great prospecting potential.

Jidong iron ore;residual gravity anomaly;gravity and magnetic profile;gravity and magnetic anomaly;

P631.1

A

1672－4135（2013）04－0046-06

2013-10-25

国家地质大调查项目：冀东铁矿外围1:5万重力调查（1212010050230）

张国利（1980-），男，高级工程师，中国地质调查局天津地质调查中心，主要从事应用地球物理研究,Email: zgl003523@163.com。