东秦岭造山带伏牛山南麓地面高精度磁测找矿示范——以河南省南召县石林沟铁锰矿床为例

李 冰，邢尚鑫，尚建阁，陈传浩，李晨晖，谢 崇

(1.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心，河南 郑州 450016；2.河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南 郑州 450016；3.河南省自然资源科技创新中心(矿山生态环境保护修复研究)，河南 郑州 450016；4.河南省有色金属地质勘查总院，河南 郑州 450052；5.河南省有色金属深部找矿勘查技术研究重点实验室，河南 郑州 450052；6.河南有色地质矿产集团有限公司，河南 郑州 450016)

0 引言

秦岭—大别造山带是我国中央造山带的重要组成部分，是中国南北地理分界线，是划分我国南北两大构造地质分区的重要结合带[1]。东秦岭伏牛山山脉则是我国重要的矿产资源地。南召县位于伏牛山南麓，县境内矿产资源丰富，现已探明的金属和非金属矿达46种372处。金属矿藏有金、银、铜、铁、铅、锌、铝、锰等，是伏牛山山脉重要的矿产聚集区。南召县石林沟铁锰矿床正位于该矿产聚集区内，是区内重要的且具有代表性的矿床之一，笔者通过细致的野外地质调查，采用地面高精度磁测开展全区磁性数据采集，利用多种先进的位场处理方法对野外采集的磁测数据进行处理分析，以期能在该区取得更大的找矿突破，为在该矿集区寻找此类矿床提供依据和思路。

1 地质背景及地球物理特征

1.1 区域地质

矿区位于华北古板块与扬子板块接触带的华北地块南缘北侧、秦岭—大别造山带北侧，属东秦岭造山带的伏牛山山脉，区域上分布的前中生代地层以栾川—固始断裂为界，南、北两侧分属华北地层区豫西—豫东南分区地层区的卢氏—栾川小区和北秦岭地层分区的南召小区[2]。出露主要地层：太古宇太华岩群，中元古界熊耳群的马家河组和高山河组以及官道口群，新元古界栾川群的三川组、南泥湖组、煤窑沟组和大红口组，下古生界老李山组。区域构造运动活动强烈，断层和褶皱均发育，构造活动史漫长而复杂，表现型式多样。区域NW向断层十分发育，数量多，规模大，并多次活动。比较重要的有栾川—方城区域性断裂带、老龙庙—贾沟韧性剪切带、丹霞寺断裂带。其中栾川—固始断裂规模大，延伸远，构成华北古板块南界，走向280°，横跨小秦岭—豫西太古宙、元古代、古生代、中生代金-钼-铝土矿-铅锌成矿带和北秦岭早古生代、中生代金-铜-银-锑-钼成矿带[3]。由于区域花岗岩体发育，区域变质岩、沉积岩面积小且被分隔成几个小块，区域褶皱构造受到一定程度的破坏，出现有杨树沟背形、雷音寺—望花楼向斜[4]。轴向与本矿区构造线方向近似一致，以NW向为主。区域岩浆活动强烈，多期多阶段发育，以花岗岩为主，形成大规模的花岗岩岩基，占图幅面积的70%以上，可以确定出早元古代、晚元古代、早古生代、中生代四期，其中中生代花岗岩分布最为广泛[5]。

1.2 矿区地质

矿区出露地层主要为中元古界熊耳群许山组，岩性主要为安山岩和安山玢岩；新元古界栾川群煤窑沟组，岩性主要为黑云母角闪片岩、斜长角闪片岩、大理岩和绢云母片岩；新元古界栾川群南泥湖组，岩性主要为黑云母斜长片岩、大理岩和白云石大理岩；新生界第四系，主要由冲积泥、砂、砾石和残坡积物组成(图1)。区内断层发育，褶皱不明显。断层主要表现为以受近SN向挤压引发的NW—SE向及NW向断层，规模大，延伸远，伴随产生的次一级断层与其平行或交叉分布，这些断层为成矿流体提供了良好通道及矿体赋存场所。矿区内主要发育一条NW向断层(F1)。F1断层位于工作区北西部，出露长度超过1500 m，走向约130°，两侧岩层均为大理岩。该断裂构造带是矿区铁锰矿化带的主要控矿构造，为成矿提供了热液通道和赋矿场所。

图1 河南石林沟铁锰矿区地质简图

1.3 矿区地球物理特征

岩(矿)石物性差异是一切地球物理工作的前提。为了解研究区内地球物理场的分布特征和提高物探异常解释推断的准确性，笔者在研究区范围内采集了各种岩(矿)石标本并对标本进行了磁化率和剩余磁化强度的物性参数测定工作。从测定结果来看(表1)，测区内花岗斑岩和铁锰矿(化)体具有较强的磁化率(κ)和剩余磁化强度(Jr)，其余几种岩石的磁性均较弱或者比较弱；花岗斑岩的κ平均值为1176×10-64π·SI，Jr平均值为564×10-3A/m；铁锰矿(化)体κ平均值为1271×10-64π·SI，Jr平均值为623×10-3A/m，两种岩(矿)石是其他岩性κ的2～8倍，Jr是其他岩性的2～6倍；安山岩和片岩的κ和Jr相当，κ是大理岩κ的2～3倍，Jr是大理岩的2倍；大理岩的κ和Jr最低，属于无磁性、无弱磁性范围，但是岩体一旦矿化(含铁磁性矿物)，其磁性将明显增强，κ可达数千个单位，与磁铁矿伴生，更显强磁性。由此可见，目标体与围岩存在明显的物性差异，因此在该区域开展高精度磁法具备应用前提。

表1 研究区磁参数统计结果

2 物探异常特征及应用效果

矿区磁法测量使用的是捷克生产的PMG-1质子磁力仪，磁测比例尺为1∶5000，采用50 m×20 m的网度，测线方向为NE45°，基线方向为NE135°，共测量95条剖面线，9616个物理点，磁测总精度为±5 nT。磁测工作共投入4台质子磁力仪，并进行了水平噪声测试、仪器一致性测试、系统观测误差测试、探头及探头高度试验等工作，质量符合规范要求，为本次工作获得真实准确和高质量数据打下基础。

为突出目标异常特征，笔者对ΔT磁异常进行化极处理，求取化极磁异常垂向一阶导数，归一化总水平导数垂向导数(NVDR_THDR)，选取典型剖面进行圆滑、化极以及2.5D反演等数据处理工作。将测区内磁性体产生的磁异常换算为假定磁性体位于地磁极处产生的磁异常后，能消除斜磁化的影响，磁异常的形态等比较简单，便于分析和解释[6-8]。磁异常垂向一阶导数的求取能够突出反映浅部地质体所产生的局部异常，抑制区域场的影响[9]。归一化总水平导数垂向导数可降低噪声影响，能有效、快速地提取或增强异常上的构造特征或地质体边界的微弱信息，可以较清晰反映出地层之间的界限、构造位置以及场源体的分布范围，能够利用其极大值圈定地质体边界，从而大致判断引起异常的地质体的边界范围及规模[10-13]。根据平面数据处理结果分析矿区地质特点，再结合地质、物探资料进行成矿预测。在成矿预测区内选取剖面典型剖面进行2.5D反演，并结合钻孔资料验证找矿效果。

2.1 磁异常平面特征

图2为测区ΔT磁异常平面等值线图，图3为测区化极磁异常平面等值线图。由图2和图3可见，两幅图的磁异常形态基本一致，由于测区位于中国，属于北半球，因此化极后的磁异常中心整体向北进行了轻微偏移，测区磁场背景较为平稳，磁异常特征具有一定规律性。从图3整体来看，测区从NE向至SW向总体上可划分为4大磁异常区块，每个磁异常区块都由一套南正北负的异常组合构成，磁异常整体趋势呈NW—SE向展布。4个异常区块一共存在有4个正高异常，其中SY-2异常形态规则，呈NW—SE向展布，异常范围较大，异常延伸横跨测区东半幅，异常背景较高，异常值最高可达742 nT，结合矿区地质图和野外异常查证来看，推测该异常带由一套变质岩所引起。其余SY-1、SY-3和SY-4是属于同一类型的异常，异常形态不规则，各自形成多个异常中心，磁异常值最高可达705 nT，周围被负磁异常所包围，该4个磁异常高值带中的局部高值异常小区虽然较零散，但是异常形态较规则。综合图2和图3来看，具有相同类型的SY-1、SY-3和SY-4异常区总体呈现NW—SE向展布特点，但异常范围较SY-2异常小，延伸有限。

图2 测区ΔT磁异常平面等值线图

从矿区地质图和野外异常查证来看，SY-1异常区主要对应一套花岗斑岩出露，南侧零散的NW—SE向异常小区带对应了花岗斑岩出露区、太古界太华群以及一套变质岩的接触带，推测该部位应存在一条NW—SE向断裂带，且断裂带中心位置位于SY-1异常区南侧异常小区中心附近。SY-3异常区中局部异常中心附近发现一条断层F1，且断裂带中被磁性物质填充，两侧岩性为大理岩，推测该异常由深部磁性体所致，该异常与SY-1号异常性质相似。SY-4异常区位于测区西南边界处，该处异常整体呈团状出现，且异常未封闭，该处异常内也存在呈NW—SE向展布的局部异常带，异常延伸较小，总体异常幅值不高。异常整体对应地表为大理岩出露区，且对应边界较明显，该处异常性质与SY-3异常性质及其相似，推测SY-4异常区中也可能存在隐伏断层，且与磁性体高度相关。因此推断SY-1、SY-3和SY-4异常区中的局部异常与磁性体高度相关，而SY-2异常区应为地层所引起。为了进一步了解推断磁性地质体的深度信息，在SY-3异常区中选择了1条剖面进行了上、下延拓工作。上延每次50 m，当向上延拓至150 m时剖面曲线开始变缓，到300 m时已经近似一条直线，说明磁性体最大埋深不可能超过300 m。下延也是每次50 m，当向下延拓第一次50 m时，曲线就开始剧烈跳跃，当延拓至100时剖面曲线已经跳变得杂乱无章，据此可知，磁性体的顶界面埋深很浅，最大埋深不会超过50 m。

图4为化极磁异常垂向一阶导数图，图5为化极磁异常归一化总水平导数垂向导数图。由图4和图5可见，两幅图所反映的岩体特征和构造特征具有较好的一致性，通过物探解释推断结果及结合地质资料，从图4可以看出Y1号圈出岩体边界为花岗斑岩大致范围，Y2号圈出岩体边界为片岩大致范围，Y3和Y4号圈出边界为大理岩大致范围，这与地表出露情况十分吻合，因此利用化极磁异常垂向一阶导数对测区岩体的边界进行定位是有效的。由图5可见，推断测区内主要有NW—SE向断层3条，NW—SE向断层1条，其中F1断层在野外可见，其余断裂带均为推测隐伏断层，且该区成矿与断层呈正相关性，断层为该区的控矿构造，为该区铁锰矿床提供了储存空间及物质来源通道。

图4 测区化极磁异常垂向一阶导数图

总之，该区铁锰矿床与岩体及构造息息相关，垂向一阶导数虽然能够较好地反映出岩体边界，但是对构造细节识别不清，归一化水平导数垂向导数在细节构造方面识别较好，但是也有其劣势，就是在某些区域只能识别出岩体部分边界(比如Y4号岩体)。因此结合两种处理方法就能够很好地对岩体边界和构造细节进行清楚的划定。

图5 测区化极磁异常归一化总水平导数垂向导数图

2.2 应用效果

结合地质资料和前期施工的探槽发现的矿脉信息，选取典型物探剖面进行2.5D人机交互反演，对异常进行重点分析及钻孔验证(图6)。在SY-3异常带上选取5号剖面开展2.5D人机交互反演，对异常进行分析[14-18]。首先对剖面原始曲线进行圆滑处理，然后对圆滑后的曲线进行化极处理，对化极后的磁异常曲线进行2.5D拟合反演。由图6可见，曲线左侧变化较缓，右侧变化较陡，具有更大的斜率，推断深部磁性体整体向左侧倾斜即向南西倾斜；曲线整体斜率不是很大，推测矿体倾角较缓，曲线整体幅值变化范围较大，推测深部磁性体埋藏不深，整体推断磁性体符合平面异常解释推断，根据对曲线特征分析的认识，进行曲线拟合工作(图6)。后期在SY-3异常带的5号剖面上施工了1个钻孔ZK0502，在SY-1异常带的100号剖面上施工了1个钻孔ZK10001，对异常进行验证，2个钻孔均见到矿体，矿体向南西倾斜，矿体倾角较缓，ZK0502所见矿体倾角为53°，ZK10001所见矿体倾角为60°，钻孔见矿深度约为50 m，矿体埋藏较浅，钻探验证结果与反演拟合结果基本吻合，证明了该方法的有效性和解释推断的准确性。

图6 5号剖面磁异常化极曲线及拟合曲线图(a)与反演推断综合剖面图(b)

3 结论

1)地面高精度磁测技术具有探测精度高、应用范围广、受地形影响小、方便高效、成本低廉等特点，在空白区进行铁矿及与磁性矿物有关的金属矿勘查中能够起到快速评价的作用。

2)采用地面高精度磁法在伏牛山山脉寻找铁锰矿床是有效的，并且在对矿床的评价过程中起到了至关重要的作用，达到了示范效应。

3)在取得真实准确的野外磁测数据前提的保证下，对数据进行圆滑、化极、垂向一阶导、归一化总水平导数垂向导数(NVDR_THDR)计算和2.5D人机交互反演是必要的，通过磁测数据的后期处理研究，预测了矿区矿体分布特征，并且经过钻探验证了其推断准确性，不仅证明了高精度磁法找矿的应用效果，也为下一步在伏牛山山脉寻找类似矿床提供了新的思路。

致谢：感谢审稿专家对本文提出的宝贵修改意见。