综合物探方法在河南济源疙瘩深隐伏铁矿床勘查中的应用

苏士星，宋双全，魏明君

(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.河南省有色金地质矿产局第四地质大队， 河南 郑州 450016； 3.河南省有色金地质矿产局第五地质大队， 河南 郑州 450016)

0 引言

河南省济源市疙瘩铁矿区位于东经112°36′32″～112°37′42″，北纬35°08′15″～35°08′39″(西安80坐标系)。该铁矿属于典型的沉积变质型磁铁矿床，赋存于太古宇林山岩群(Arln)地层中，埋藏较深，且鲜见地表出露。20世纪70年代以来，相继开展了航磁、重力、1∶2000地质测量、1∶10000地面磁测及高精度磁法测量等地质工作，但均未有较大突破。近年，受矿业权人委托，重新对该铁矿进行评价，以期有所突破。电法可以为发现成矿地质体和成矿构造提供依据，因此部署了可控源音频大地电磁测深(CSAMT)(何继善译,1990)剖面测量和1∶5000地面高精度磁法剖面测量。对取得的物探(电法、磁法)数据进行正反演处理，结合矿区地质资料进行综合研究，推断出了矿体产状及埋深。以此为地质布设钻孔提供依据，并边钻探边进行测井。钻探验证了物探推断，最终发现一处小型深隐伏沉积变质型磁铁矿矿床,共圈定6个矿体，铁矿资源量600余万吨。

1 矿区地质及地球物理特征

1.1 矿区地质特征

疙瘩铁矿区位于华北陆块隆起带与济源盆地交汇部位，济源—开封—商丘区域性大断裂带的北侧(晁代超和贡二辰，2013)，地层发育，构造复杂，岩浆活动微弱，为沉积矿产和变质矿产的形成提供了十分有利的地质条件(崔来运和王纪中，2006)。矿区主要地层有太古宇林山岩群、寒武系、奥陶系、石炭系、古近系、第四系(图1)，其主要特征为：太古宇林山岩群(Arln)为矿区及区域上重要的含铁层位。为一套绿片岩系，主要岩性有二云石英片岩、黑云斜长角闪片麻岩、条带混合岩、赤铁矿化磁铁石英岩、磁铁石英岩、黑云二长片麻岩；寒武系(∈)出露于矿区北部，主要岩性为灰岩、页岩、白云岩等；中奥陶统马家沟组(O2m)分为下马家沟组(O2x)、上马家沟组(O2s)，出露于矿区西北角及中部，岩性为灰岩夹白云岩、角砾状灰岩、角砾状白云岩等；上石炭统(C2)主要岩性为铝土质泥岩、泥岩、砂岩、燧石条带状灰岩等；古近系(E)主要岩性为砾岩、砂岩、粉砂质泥岩等；第四系(Q)主要为黄土、坡积物等。

图1 疙瘩铁矿区地质及工程布置图1—第四系；2—中奥陶统上马家沟组；3—中奥陶统下马家沟组；4—上寒武统；5—地质界线；6—实测正断层及产状；7—本次施工见矿钻孔及编号；8—未见矿钻孔及编号；9—以往施工见矿钻孔及编号；10—勘探线、物探剖面及编号；11—1∶2000地质测量范围

本区矿床属于典型的沉积变质型铁矿床，矿体赋存于太古宇林山岩群的沉积变质岩系中，黑云角闪质岩层为本矿区的找矿标志(徐青峰和曹月怀，2011；晁代超和贡二辰，2013)。

1.2 矿区地球物理特征

1.2.1 重磁异常场特征

疙瘩铁矿区及外围航磁异常、重力异常特征如图2所示。航磁异常以150 nT值圈定，形态呈东西方向带状，向西延伸出工作区，有4个相对高中心。磁场强度极大值为190 nT，位于疙瘩铁矿西北部，磁场等值线南陡北缓。工作区处在济源—博爱—武陟的(剩余)重力高异常带上，最大幅值为-50×10-5m·s-2。航磁异常与重力梯度带相对应，航磁异常的北西部或北部出现重力相对高，位置偏差相对较小；航磁异常的磁场强度向西逐渐减弱。根据重磁异常叠置关系综合判断，磁性体的大致倾向为西或者北西，倾角大约在20°～40°之间(晁代超和贡二辰，2013)。

图2 疙瘩铁矿区及外围航磁、重力异常图1—航磁ΔT正等值线;2—布格重力异常负等值线;3—铁路;4—疙瘩矿区

1.2.2 岩石电阻率特征

区内岩石电阻率特征为：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；林山岩群(Arln)ρ>400 Ω·m，呈中高阻特征；中奥陶统马家沟组(O2m)ρ=500～5000 Ω·m，呈中高阻特征；上石炭统(C2)：ρ=100～500 Ω·m，呈中阻特征；含水破碎带ρ<100 Ω·m，呈低阻特征。

可以看出，赋矿地层的太古宇林山岩群为中高阻特征，上中寒武统为碳酸盐岩建造，呈高阻特征，下寒武统碎屑岩为低阻特征。据此可大致划分寒武系与太古宇界面，而沉积变质型铁矿成矿有利部位(或称成矿构造)为向斜构造核部(及两翼)。因此，电法勘探可有效划分基底地层，圈定成矿有利部位。

1.2.3 岩(矿)石磁性特征

根据以往资料，本区岩(矿)石磁性特征如下(刘中杰等，2013)：区内磁铁矿磁性最强，磁化率变化范围18000～125000(10-6×4π·SI)；各类变质岩磁性变化较大，磁化率变化范围0～3600(10-6×4π·SI)，其中林山岩群黑云角闪片岩磁性较强，磁化率变化范围10000～30000(10-6×4π·SI)；碳酸盐岩、碎屑岩等沉积岩主要为弱—无磁性。

2 野外工作方法

2.1 物探工作方法

在航磁和1∶1万地面高精度磁测扫面基础上，为了确定磁铁矿体的大致埋深，采用1∶5000地面高精度磁法剖面测量和可控源音频大地电磁测深方法(CSAMT)(刘家远等,2006；段文旭等，2014；张林，2017；张赞业，2017；孙进等，2021)剖面进行异常评价(卢焱等，2008；赵百民等，2009；周瑾等，2019；金旺林等，2021；思积勇等，2021)，通过综合研究，作出解释推断，为钻探工程提供依据。

CSAMT法部署的主要依据是基于以下两方面考虑。一方面，是基于地质地球物理模型考虑的：下寒武统碎屑岩具低阻特征，从而推断其下部赋矿地层——太古宇林山岩群(中高阻)的大致埋深和起伏形态，根据向斜构造核部(及两翼)为沉积变质型铁矿成矿有利部位这一成矿地质模型，利用反演电阻率圈定成矿构造。另一方面，是基于客观因素上的：目标地质体埋深大，常规直流电法等勘探深度难以达到；区内人文干扰强，CSAMT法较AMT法等天然场源电磁法可提高压制人为干扰的效果(张荣等，2020)。

2.2 工作部署

高精度磁测：比例尺1∶5000，布设剖面8条，方向20°(图1)，点距10 m。仪器采用捷克PMG-1质子磁力仪。测量参数为总场T值，测程20000～100000 nT，分辨率0.1 nT。

可控源音频大地电磁测深方法(CSAMT)：布设8条剖面计108个点；测网区在场源垂直平分线两侧30°扇形范围内进行；剖面位置与高精度磁测相同(图1)，点距50 m，收发距为5～8 km，探测深度约为1～1.5 km。仪器为美国ZONGE公司GDP-32Ⅱ多功能电法工作站，接收机工作频率0.007～8192 Hz，输入阻抗10 Ω/DC,动态范围190 dB，最小检测信号电压0.03 μV，相位±0.1 mard,最大输入信号电压±32 V，自动补偿电压±2.25 V，增益1/8～65536(自动)。

3 数据处理与成果解释

3.1 数据处理

可控源音频大地电磁测深的实测数据使用HSMOOTH和ASTATIC数据处理软件计算卡尼亚电阻率并绘制曲线，把曲线明显的跳点手工圆滑，必要时再二次圆滑。然后通过静态校正，去除浅部不均匀体对卡尼亚电阻率曲线整体抬高的影响。然后截取近场曲线段，代入二维反演软件进行反演。

磁法实测数据为总磁场值T，通过日变改正、纬度改正和高度改正，然后减去正常场T0，就得到磁异常ΔT。

8条剖面数据均按上述方法进行了处理，因0线磁异常较强，电法反映的含矿构造明显，所以下文只对0线进行解释。

3.2 反演电阻率断面推断解释

对0号勘探线的可控源音频大地电磁测深(CSAMT)剖面进行二维反演(李金铭，2005;黄朝阳等，2014)，结果见图3。根据本区岩(矿)石电阻率特征，结合矿区地层关系认为：断面南侧浅部低阻异常为第四系覆盖引起，中、北侧整体反应为高阻异常，为奥陶系碳酸盐岩引起，夹杂其间的低阻异常可能为含水断裂破碎带引起；海拔0 m以上的高阻异常为上中寒武统灰岩引起；海拔0～-350 m的低阻异常为下寒武统碎屑岩低阻引起；海拔 -350 m 以下电阻率等值线明显下凹，同时稀疏了，推测为寒武系灰岩和林山岩群(Arln)变质岩系的分界线。电阻率等值线明显下凹可能为铁矿体和林山岩群(Arln)变质岩系向斜构造引起。

图3 疙瘩铁矿区0勘探线CSAMT法反演电阻率断面图1—第四系；2—中奥陶统马家沟组；3—上寒武统；4—中寒武统张夏组；5—中寒武统徐庄组；6—下寒武统毛庄组；7—下寒武统馒头组；8—太古宇林山岩群；9—断层；10—反演电阻率/(Ω·m)等值线

林山岩群(Arln)变质岩凹陷区位于地面约550～750 m以下，即为本区铁矿体赋存部位。

3.3 磁异常推断解释

各高精度磁测剖面磁异常ΔT极值在100～170 nT 之间。以20 nT间隔圈定等值线图，在矿区发现一个磁异常M1(图4)。该异常40 nT等值线近东西向展布，长约600 m，南北向宽约300 m。等值线北侧梯度小，南侧梯度大，向北梯度为 0.17 nT/m。说明异常源走向东西，向北缓倾的特征。异常峰值低，曲线梯度较缓，表现出本区矿体埋深较大、隐伏深的特征(朱亚林等，2016)。这与上述CSAMT法反演推断的矿体可能赋存部位较深相一致。

图4 疙瘩铁矿区高精度磁测ΔT等值线平面图

前述 0号勘探线CSAMT剖面反演结果显示寒武系灰岩和林山岩群(Arln)变质岩系的分界线在地面550～750 m以下。以此为前提条件，对0号勘探线的磁法剖面进行反演，进一步推断矿体的产状与埋深。

通过标本测定，寒武系、奥陶系灰岩基本无磁性，石炭系岩石、新近系岩石也基本无磁性。可先忽略林山岩群变质岩磁性而只考虑单一磁铁矿体磁性，其磁化率最高为125000×10-6×4πSI，最低为18000×10-6×4πSI。地磁正常场为52497 nT。磁化方向为在剖面方向的有效磁场倾角I’,tan I’=tan I·secA,I为磁倾角取值53°，A为方位角取值12°，则有效磁场倾角I’为53.6°，反演时取54°计算。

反演使用选择法(管志宁，2005；曾华霖，2005)。假设矿体为四边形断面，两边延伸各 200 m，通过不断调整断面参数和磁化强度，使曲线拟合最佳。最终得到磁铁矿体的磁化强度为18×10-3A/m，有效磁场倾角54°，磁铁矿体断面为四边形断面，得到其角点坐标(剖面端点平距，距地表深度)(表1)。反演结果(图5)显示，磁铁矿体位于地表下约550～800 m，埋藏较深。

表1 反演磁铁矿体断面角点坐标

3.4 钻探验证及对比情况

在0号勘探线布设了2个钻孔(ZK002、ZK004)进行验证(后加密ZK003)，钻孔位置及发现的矿体如图5所示。

图5 疙瘩铁矿区0勘探线高磁反演剖面图及物探推断地质模型图与地质图套合图1—第四系；2—古近系；3—上石炭统；4—中奥陶统马家沟组；5—上寒武统；6—中寒武统张夏组；7—下寒武统徐庄组；8—下寒武统毛庄组；9—下寒武统馒头组；10—太古宇林山岩群；11—地质界线；12—断层；13—钻孔号；14—赤铁矿化磁铁矿体；15—磁铁矿体；16—反演磁铁矿体；17—磁化强度及倾角

将地面高精度磁测剖面反演结果与地质勘探线剖面套合(图5)，可以看出反演结果与钻探发现的K3、K4、K5三个矿体组合形成的总体轮廓相近，但不能区分K3、K4、K5矿体。未发现K1矿体，是因为K1矿体主成分为赤铁矿，磁性弱、埋深大，不易通过磁法发现。

总的看来，物探异常反演结果能够作为发现主矿体的依据，且反演埋深与钻探验证结果大体一致。

4 结论

对于地磁异常呈弱缓特征的深隐伏磁铁矿，通过对可控源音频大地电磁测深方法(CSAMT)和地面高精度磁测方法剖面测量获得的物探异常进行综合研究，可以得出以下结论：

(1)可控源音频大地电磁测深方法(CSAMT)能够划分地层，圈定成矿有利部位并推断矿体大致埋深；

(2)地面高精度磁测方法能够进一步推断深隐伏磁铁矿的大致产状及埋深，从而为地质工程提供依据，幅值较低的弱磁异常亦应结合地质特征综合评价；

(3)物探方法尚不能有效确定垂向相邻矿体的空间关系，凸显其方法多解性、局限性。