频率域位场分离技术在铁矿勘查中的应用——以莱州-安丘铁成矿带为例

胡庆辉

(山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021)

0 引言

莱州-安丘铁成矿带位于胶东半岛西侧，行政区划属山东省莱州市西南部、平度市西北部、昌邑市东部及安丘市东北部，总体呈NE向带状展布，面积约1200km2，是山东省重要的铁矿分布区[1]。

从20世纪50年代以来，多个部门在铁成矿带内开展了铁矿地质普查及勘查工作，先后发现了多处中、小型铁矿。2000年以前共探明铁矿石资源总量约为8835万t，后又发现了数十个中小型铁矿床(表1)。据初步预测，2000m以浅的铁矿石资源量超过3.7亿t。针对典型铁矿床的综合研究工作深入开展，包括莱州大浞河铁矿、莱州土山-东宋铁矿、平度新河铁矿、昌邑常家屯铁矿及南任铁矿等[2-6]，对其成矿规律和找矿前景有了基本地质认识。

表1 莱州-安丘铁成矿带2000年以来新发现铁矿床

自20世纪60年代起，莱州-安丘铁成矿带内及周边区域的综合物探工作就一直备受重视，在一大批中小型铁矿床的发现过程中，各类物探方法，尤其是重力及磁力资料的广泛应用发挥了重要作用。杨锡瑁等[7]利用重磁资料，对沂沭断裂带及其周围的构造特征进行了分析，指出断裂带为典型的NE—SW向重力梯级带和杂乱磁场带。2000年以来，黄太岭[8-9]针对山东全省及胶莱盆地区域地球物理场的综合分析中均述及研究区重磁场特征，霍光辉等[10]利用重磁数据对郯庐断裂带中南段特征及深部构造的研究涉及部分区域。另外，磁力资料在找矿中的应用得到重视，王玉敏等[11]对山东省铁矿位置与航磁异常关系的统计表明，铁矿床赋存与航磁异常存在必然的统计规律，苏旭亮等[12]利用航磁资料对研究区低缓磁异常的找矿前景进行了分析，指出异常幅值小于500nT的低缓航磁异常矿致可能性大，是今后该带寻找铁矿的重点区域。

莱州-安丘铁成矿带内的铁矿床按成因可分为3种类型：沉积变质型铁矿床、岩浆期后热液型及岩浆熔离型铁矿床[13]。随着勘查工作的深入，找矿难度不断加大，呈现“弱异常大埋深”的趋势，物探资料的综合解释问题愈发突出，对勘查工作的选区和评价造成许多不利影响。该文采用对重磁数据进行频率域分离处理的方法，有效区分了局部场和背景场，对研究区内地层、构造及矿点分布规律进行总结，分析了不同铁矿床类型重磁异常特征，结合断裂构造分析，能够有效提高铁矿勘查过程中重磁资料的综合利用效率，减少找矿工作的盲目性，为今后勘查方向提供参考。

1 区域地质概况

研究区位于沂沭断裂带东侧，大地构造位置属于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)沂沭断裂带(Ⅱc)东部和胶辽隆起区(Ⅲ)胶北隆起(Ⅲa)和胶莱盆地的西部边缘(图1)[14]。

1—华北坳陷区；2—鲁西隆起区；3—胶辽隆起区之胶北隆起；4—胶莱盆地；5—胶南-威海隆起区；6—工作区范围图1 莱州-安丘铁成矿带大地构造单元划分图

1.1 地层

区内地层主要包括滹沱纪荆山群、粉子山群，白垩纪青山群、王氏群，新近纪临朐群和第四纪地层。其中，粉子山群小宋组和荆山群野头组祥山段为铁矿体重要的赋存地层。粉子山群小宋组岩石组合为均一的黑云变粒岩和磁铁浅粒岩、磁铁石英岩为特征,夹斜长角闪岩、浅粒岩、长石石英岩，是沉积变质型、岩浆期后热液型铁矿的主要赋存层位。荆山群野头组主要岩石组合为蛇纹大理岩、斜长角闪岩夹长石石英岩、透辉岩、透辉变粒岩，其祥山段是岩浆熔离型铁矿的主要赋存层位[15]。中生代地层为一套陆相沉积与火山建造，主要由青山群和王氏群组成，主要分布在东南部胶莱盆地中。新近纪地层为临朐群牛山组，以玄武岩为主夹砂砾岩。第四系分布广泛,主要由冲积、海积及湖沼积等松散堆积的砂土、亚砂土、砂砾层等组成。

1.2 构造

受沂沭断裂带影响，区内断裂构造发育，褶皱次之。区内断裂构造包括早期的EW向及晚期的NE向、近SN向断裂，且多为隐伏断裂，仅局部地段有出露，具多期次、性质多样的特点[1]，对矿体主要起破坏作用。其中断裂以NE—NEE向沂沭断裂带的次级断裂为主，近EW，NW向断裂错列其中。褶皱构造主要见于粉子山群及荆山群中，一般较为宽缓，对部分矿体有控制作用。

1.3 岩浆岩

岩浆岩比较发育，岩性以基性和酸性为主，基性侵入岩主要为古元古代的莱州序列，部分岩体磁铁矿含量较高，局部可形成铁矿体。酸性侵入岩由新太古代栖霞序列、侏罗纪玲珑序列和白垩纪郭家店序列花岗岩组成。

2 岩矿石物性分析

岩(矿)石物性资料是重磁资料应用的一个重要环节，万国普等[16]针对胶东地区区域岩石的物性参数进行了聚类分析，指出应用岩石物性参数，可解决岩体的划分对比等地质问题。通过对收集的莱州-安丘铁成矿带内的岩(矿)石物性资料的统计分析(表2)，其密度及磁性均具有明显差异(图2)。

2.1 密度特征

沉积岩层密度介于1.71～2.5g/cm3，普遍低于2.6g/cm3。变质岩密度较高，介于2.62～2.97g/cm3，平均值为2.88g/cm3，在变质岩系分布区或当其残留体具一定规模时,可引起较高的区域重力场或局部重力异常,而当该类岩层与中、低密度岩层接触时,则引起较大的重力梯级带[7]。岩浆岩类密度变化范围较大，通常为中高密度特征，介于2.57～2.91g/cm3之间。其中，中酸性火山岩密度中等，平均值约为2.67g/cm3，基性和超基性火山岩密度较高，平均值达到2.91g/cm3，而喷出岩类如玄武岩、安山岩等，其密度值相对较低，平均值约为2.6g/cm3；磁铁矿矿石密度则介于3.46～4.10g/cm3，当矿体具一定规模，能引起显著的重力异常特征。

表2 莱州-安丘铁成矿带岩(矿)石物性统计

1—岩(矿)石密度；2—岩(矿)石磁化率图2 莱州-安丘铁成矿带岩(矿)石物性柱状图

2.2 磁性特征

区内岩矿石磁性按其性质可分为4种类型，即强磁性铁矿石类、磁性不匀的变质岩类、有磁性和无磁性的侵入岩、沉积岩类。

粉子山群及荆山群变质岩系中，各岩性的磁性差异较大。其中，角闪岩、透闪变粒岩等剩磁较高，其磁化率一般在(3000～6000)×10-5SI，为变质岩系的强磁性岩层。大理岩、长石石英岩等磁性较弱，其磁化率为(0～82.7)×10-5SI，剩磁也较弱，为变质岩系的无磁性或弱磁性岩层。多数片岩类为变质岩系的中等磁性岩层，其磁化率为几百×10-5SI，剩磁不大。

区内侵入岩、沉积岩磁性不均，大致可分为中等磁性和弱磁性岩两类。辉绿岩磁化率为(1000～3000)×10-5SI,剩磁也较大，为区内的中等磁性岩类。花岗岩类岩石磁性较弱，其磁化率一般为几百×10-5SI,剩余磁化强度也较弱。沉积岩为弱磁性和无磁性岩层，其中白垩纪王氏群地层是一套以砂岩、页岩为主的无磁性岩层；青山群为中酸性火山岩及火山碎屑岩组成，总体为磁性不均匀的弱磁性岩层。新生界盖层基本为无磁性岩层。

磁铁矿、磁铁岩类均具有较强的感磁和剩磁，磁化率值均大于10000×10-5SI，岩浆期后热液改造型铁矿石及磁铁类岩石，磁化率一般在(15000～60000)×10-5SI，变质磁铁矿磁化率可达300000×10-5SI，可见磁异常能够直接指示磁铁矿存在。

3 区域重磁异常分析

3.1 重力异常场特征

研究区重力异常以昌邑-大店断裂和沙河—张舍—明村一线为界，大致可分为3个异常区(图3)。其中，西部异常区位于昌邑-大店断裂西侧，由“两负一正”重力异常组成，南北两侧为负异常，推测为中生代地层火山碎屑岩及中酸性火山岩引起；昌邑至南流一带为正异常区，推测为中生代中基性火山岩发育所致。中部异常区以重力梯度带和高值异常为主要特征，表现为重力高与重力低相间布局而成条块状格局，高值异常中心连线呈NE 30°，异常峰值超过30mGal，推测主要发育古元古代变质岩地层。东部异常区重力异常呈“南高北低”趋势，以平缓异常为主，推测主要发育中生代中酸性火山岩。南侧有长轴呈EW向的局部高值异常，推测为局部的中基性岩体反映。

3.2 航磁异常场特征

研究区处于鲁东低负磁场与沂沭断裂带复杂磁场的交接处,为一弧形异常带为主的复杂磁场区[13]，按磁异常形态大致分为3个异常区(图4)。

以昌邑-大店断裂为界，西部异常区以正、负交替杂乱高磁异常为主要特征，异常等值线长轴走向多呈NE—NEE向，峰值异常达到500nT。该区南侧磁异常以小规模跳跃型磁异常为主，北侧为椭圆状或不规则状，梯度较缓，高磁异常多为中生代中基性火山岩引起。经钻探揭示，北部主要为白垩纪地层、古近纪地层及新近纪玄武岩。中部异常区沿岞山—饮马—明村—沙河—莱州一线，呈NE走向的高值带状异常群，单个异常规模小，但数量多且不连续，异常峰值通常小于1000nT，自南向北异常总体走向约为NE 30°，至新河走向转为NE 45°，与总体构造线走向基本一致。经验证，由不同成因类型铁矿引起的异常占异常总数的1/3以上[13]。东部异常区以低缓磁异常为主，仅在蓼兰、夏庄附近存在局部磁异常，多为正负磁异常伴生，EW向展布，规模不大，为磁场正负相间分布区,对应胶莱盆地[9]。可以看出，沉积变质型铁矿床沿梯度带分布，且主要分布重力梯度带低值一侧，磁力异常以中等强度为主，此类铁矿通常强度较大，梯度较缓，一般伴有较明显的负值，部分异常形态不规则。岩浆期后热液型铁矿床与沉积变质型铁矿床分布范围接近，但主要分布于重力梯度带高值一侧，磁力异常幅值高，梯度大，异常之间不连接，均伴有较大的负值出现。新河—莱州一线铁矿床则分布在重力平缓区，以规模小强度高的磁异常为主。岩浆融离型铁矿床分布比较分散，主要分布在重力高值异常区，以规模小强度高磁异常为特征。同时，尚有部分铁矿床分布特征不明显，与前述对应关系不强。以下通过对重磁异常场进行位场分离处理，以厘清分布规律，提高地质认识。

4 位场分离处理及特征分析

4.1 位场分离处理

重磁异常是由地下地质体或所有的磁性或者密度分布不均匀引起的叠加异常,要得到地下某个地质体的信息，必须从叠加异常中分离出单纯由这些勘探目标引起的异常。位场频率域滤波的作用在于压制干扰信号,突出有用信号，对叠加异常进行分离，分离区域异常和局部异常。实现频率域滤波的主要途径就是利用FFT(快速傅里叶变换)[17-18]。

(1)数据准备，将网格化数据个数进行扩边，扩充为2的整数次幂，同时扩边也可有效减少边界效应，通常采用余弦函数扩边滚动到零的策略。

1—正异常等值线；2—负异常等值线；3—推测断裂构造；4—沉积变质型铁矿；5—火山岩期后热液型铁矿；6—岩浆熔离型铁矿图3 莱州-安丘铁成矿带重力异常等值线图

1—正异常等值线；2—负异常等值线；3—推测断裂构造；4—沉积变质型铁矿；5—火山岩期后热液型铁矿；6—岩浆熔离型铁矿图4 莱州-安丘铁成矿带航磁异常等值线图

(2)用FFT变换计算复频谱及径向平均对数功率谱。功率谱反映了异常频谱的分布情况，为合理选择滤波参数提供依据。

(3)选取合适的滤波算子加入运算，以获得变换后的场频谱。

(4)用IFFT计算处理后的异常场，得到相应的转换异常。

图5 Geosoft Montaj 2DFFT交互式滤波示意图

4.2 分离场特征分析

区域异常主要反应深部磁性基底或重力基底的位场特征(图6)。可以看出，重力异常区域场总体上由数个高值异常区构成，并呈现明显的NNE向带状分布特征，最东侧重力高值带位于高密市-蓼兰镇一带，近EW向展布；中部重力高值带由3个闭合的异常区组成，最南端异常不封闭，位于昌邑高戈庄附近，中间异常区位于日戈庄—李家埠附近；北部异常区位于平度于埠附近，为范围较大的圈闭异常。西北侧重力高值带位于昌邑—土山—东宋一带，昌邑附近高值异常区不封闭，北段土山-东宋段高值异常总体呈窄带状NE向展布，由2个异常中心构成，其中东宋附近异常区范围较大。

航磁异常区域场呈现明显的NE向条带状分布，磁力高值条带分布位置与重力异常分布基本一致。其中，东南侧条带位于高密—蓼兰镇一线，研究区内异常由2个异常中心构成；中间磁力高值条带位于日戈庄-明村一线，基本呈NNE向，并在田庄镇附近走向有所改变，折向平度周戈庄一带；西北侧磁力高值条带基本沿昌邑—土山—东宋一带，并在围子镇及老洼姜家附近存在2处孤立的高磁异常区。

磁性基底主要以NE向高磁条带为主，主要反映磁性较强的基性—超基性岩浆岩受深大断裂控制，沿断裂位置侵入，形成带状磁力异常。重力基底主要反映基底密度分布规律，同时也基本反映了基底地形的起伏特征。重力异常呈现团块状高值异常，其极大值中心连线基本呈NE走向。结合断裂构造进行分析，研究区内规模较大的断裂带与位场梯度带有很好的对应关系，NE—NEE向断裂构造基本沿梯级带展布，NW、近EW向断裂多经区域异常鞍部通过，反映了深大断裂对基底岩性的控制作用。NE向断裂构造发育早于NW向断裂构造并被其切割，形成断块状构造格局，早期断裂构造为含矿岩浆就位或后期热液改造提供了有利的条件，晚期断裂主要起破坏作用。

重磁背景异常具有较好的一致性，即研究区基底基本呈现“重磁同源”特征，大致可以归纳为“三高夹两低”模式，3个高磁性高重力异常条带夹2个低磁力低重力异常带，揭示了研究区基底岩性发育具有一定的区带特征。高磁性高密度异常推测为基性—超基性侵入岩体，主要沿区域性断裂分布；低磁性低密度区域推测为变质岩区或者沉积岩发育区，与次级断裂发育位置具有正相关性。

(左为磁力区域异常，右为重力区域异常)1—沉积变质型铁矿；2—岩浆期后热液型铁矿；3—岩浆熔离型铁矿;4—推测断裂构造；5—城镇及道路图6 莱州-安丘铁成矿带重磁区域异常综合等值线图

在区域背景异常场上，不同矿床类型分布具有“区带”特征。岩浆熔离型矿床均分布在研究区南部高磁条带异常上，且分布在高重力异常区内，推测该类型矿床与受断裂控制的基性—超基性岩侵入体相关。沉积变质型铁矿床主要分布在研究区中部偏西北侧低磁异常区及低重力带状区域内或边缘。岩浆期后热液型铁矿床主要沿区域重磁高值异常带分布，区带特征不明显，在磁力背景异常上反映不一，重力背景异常上则主要分布在重力异常梯度带附近，推测为控矿断裂发育期次不同造成。

局部异常场主要反映基底以上地层发育的磁性或者密度不均匀地质体的位场特征(图7)。重力局部异常场主要以窄带状异常为主，以NE向居多，局部为近WE或NW向。其中，田庄—平度一线为较明显的局部重力异常高值区，呈近EW向展布。磁力局部场主要以规模小的团块状异常为主，个别呈现带状异常特征，磁异常值中等，主要分布在蓼兰—平度一带。

不同铁矿床类型在局部异常上也各具特征。岩浆熔离型铁矿床分布在研究区南部重力及磁力高值异常区，说明此类型矿床与沿基底断裂侵入的基性—超基性岩体有关。沉积变质型铁矿床位于重力及磁力局部异常场低值区，反映了沉积型矿床在密度参数上与其他矿床类型的区别。岩浆期后热液型铁矿床分布规律不明显，但其局部重磁特征与临近的矿产类型基本一致，反映早期火山活动和晚期热液改造的叠加特征。另外，在磁力局部异常场平面图上，各种类型的铁矿床均分布于高磁异常区及其周边区域，充分说明磁铁矿发育与磁异常的对应关系，局部磁异常直接指示磁铁矿体。

(左为磁力局部异常，右为重力局部异常)1—沉积变质型铁矿；2—岩浆期后热液型铁矿；3—岩浆熔离型铁矿;4—推测断裂构造；5—城镇及道路图7 莱州-安丘铁成矿带重磁局部异常综合等值线图

5 结论

通过对研究区重磁异常进行精细处理，将区域场和局部场分离开，从多尺度、多方位分析各种类型铁矿床赋存位置、重磁异常特征，提高了对研究区铁矿勘查的地质认识。

(1)研究区物性统计分析为物探资料的地质解译，尤其是重磁资料在该区铁矿床勘查中的应用提供了基础条件。对重磁资料的各种处理有助于挖掘隐藏地质线索，提高地质成矿规律的认识。

(2)研究区内不同铁矿床类型的重磁异常场的形态、强度均具有不同的特点。其中，沉积变质型铁矿床主要沿梯度带分布，在局部异常场中以“低磁低重”为特征。岩浆融离型铁矿床在区域异常及局部异常中主要表现为“高磁高重”的特点。岩浆期后热液性铁矿床具有叠加特点，反映了早期成矿与后期热液改造的综合特征。这些特点可为后续铁矿勘查工作提供参考。

(3)研究区铁矿床成矿规律研究仍有待加强。尤其是大规模的低缓磁异常及深部找矿，需要下大力气开展综合研究，而重磁方法可以在其中发挥重要的作用，在地层划分、构造研究及典型矿床剖析等方面扮演关键角色，为在该区取得更大的找矿成果做出贡献。