陳偉，趙國鳳，費(fèi)振正，羅丁，彭江英，黃巖，賈朔

(1.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210049； 2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局322地質(zhì)隊(duì)，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展步入高質(zhì)量發(fā)展時(shí)期，對于礦產(chǎn)資源的需求加速，很多大中型礦山的可采資源儲(chǔ)量加速消耗，特別是許多老礦山面臨資源枯竭的危機(jī)，不僅影響到國家發(fā)展對于資源需求的保障，同時(shí)也帶來老礦山企業(yè)生存、地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和企業(yè)職工就業(yè)等一系列問題。為此，國家高度重視老礦山接替資源的問題，2004年起，自然資源部會(huì)同財(cái)政部和發(fā)展改革委等相關(guān)部門組織實(shí)施了危機(jī)礦山接替資源找礦工作，并取得了顯著成績。然而需要面對的現(xiàn)實(shí)是，大量老礦山的接替資源依舊匱乏，仍需大力開展老礦山深部和外圍接替資源勘查，延長礦山服務(wù)年限[1-2]。

向山南—大甸塘地區(qū)位于寧蕪火山盆地中段，該盆地是長江中下游鐵銅多金屬成礦帶的重要礦集區(qū)之一[3]。區(qū)內(nèi)工作程度較高，已有多家地勘、科研單位及大專院校開展了大量的地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查、物化探等勘查工作[4-7]，并先后發(fā)現(xiàn)了向山硫鐵礦、凹山鐵礦、高村鐵礦、陶村鐵礦、和尚橋鐵礦等眾多大中型鐵礦床。近年來，該區(qū)域礦山的已探明礦石多數(shù)已開采完成，為能延長礦山服務(wù)年限、避免資源枯竭，亟須開展老礦山周邊及外圍找礦工作，但目前所使用的物探資料多數(shù)為礦山未開發(fā)之前獲取的資料，且地表工業(yè)設(shè)施眾多，如采礦、選礦、運(yùn)輸設(shè)備，尾礦、礦石堆等均能引起高強(qiáng)度的干擾磁異常，所以迫切需要通過快速、有效的技術(shù)方法獲取最新的資料信息為深部及周邊地質(zhì)找礦服務(wù)。

隨著無人直升機(jī)技術(shù)日趨成熟，無人直升機(jī)航磁測量成為無人機(jī)航空物探技術(shù)的一個(gè)重要分支，具有超低空、低速巡航、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，且起降無需跑道，非常適合于大比例尺、小面積的航磁詳查工作，因此越來越多的航空地球物理公司和研究單位開展了研發(fā)與應(yīng)用。如2007年美國INL組織多家公司和研究機(jī)構(gòu)研制了一套以Yamaha Rmax直升機(jī)為飛行平臺，搭載G823-A航空磁力儀的無人直升機(jī)航磁測量系統(tǒng)；2012年日本東京工業(yè)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)了一套基于無人直升機(jī)的重磁系統(tǒng)，取得了一定效果[8-9]：2017年勞雷工業(yè)公司利用SARAH 4.0無人直升機(jī)搭載AARC51補(bǔ)償系統(tǒng)和銫光泵磁力儀等設(shè)備，但未見應(yīng)用于實(shí)際測量工作；2017年中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所與山西煤炭地質(zhì)物探測繪院合作，集成了一套無人直升機(jī)航磁系統(tǒng)，并在江蘇省某灘涂區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)飛行，效果良好[10]；2016～2017年，江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院依托航空對地探測技術(shù)研究中心這一科技創(chuàng)新平臺，集成了一套基于無人直升機(jī)的航磁測量系統(tǒng)[11]。2018年受安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局322地質(zhì)隊(duì)(以下簡稱“322地質(zhì)隊(duì)”)委托，江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院采用該無人直升機(jī)航磁測量系統(tǒng)，在向山南—大甸塘地區(qū)開展了1∶1萬航磁勘查工作，填補(bǔ)了老礦山及周邊區(qū)域缺乏高精度、高分辨率磁場資料的空白，同時(shí)依據(jù)航磁解釋成果布鉆施工的鉆孔，至2019年底已有4個(gè)鉆孔見礦，找礦效果顯著。這也說明了老礦山外圍找礦工作中，方法技術(shù)創(chuàng)新工作的重要性。

1 地質(zhì)及地球物理概況

1.1 工作區(qū)地質(zhì)概況

工作區(qū)內(nèi)基巖出露甚少，大部分被第四系(Q)覆蓋，東南部有粗面巖(τ)出露，其下部地層為白堊系下統(tǒng)大王山組(K1d)火山巖地層。大王山組(K1d)可分為上下兩段，下段下部以晶屑凝灰?guī)r為主；下段上部為粗安巖、安山巖，多含黃鐵礦；上段下部主要為凝灰角礫巖、層狀凝灰?guī)r，含赤鐵礦、褐鐵礦餅狀體；上段上部主要為粗安巖、安山巖，底部有時(shí)有集塊角礫粗面熔巖(圖1)。

工作區(qū)內(nèi)有一條長約3 km，寬約1～2 km的向山向斜，微向西或南西傾伏。向山南鐵硫礦賦存于火山褶皺構(gòu)造中，由火山構(gòu)造盆地和火山穹窿構(gòu)造組成，分布于全區(qū)。大甸塘礦區(qū)內(nèi)存在火山短背斜構(gòu)造，該構(gòu)造位于凹山、陶村火山穹窿之間的凹陷地段中的一個(gè)局部小隆起。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，向山南硫鐵礦區(qū)內(nèi)有一條近NEE—SWW向貫穿全區(qū)的張扭性正斷層F1，在平面上呈舒緩的反“S”型。大甸塘礦區(qū)南段出露有NNW向破碎帶，長約140 m，寬3～10 m，南段向西呈弧形彎曲。蘿卜山爆發(fā)角礫巖筒產(chǎn)于閃長玢巖體北段瘤狀突出部位，平面形態(tài)呈不規(guī)則圓形，剖面呈喇叭狀，垂深大于320 m。

1—第四系；2—白堊系大王山組；3—閃長玢巖；4—粗面巖；5—地層界線；6—已知斷層；7—工作區(qū)1—Quaternary; 2—Cretaceous dawangshan formation; 3—diorite porphyrite; 4—trachyte; 5—stratigraphic boundary; 6—known fault; 7—survey area圖1 工作區(qū)地質(zhì)概況(據(jù)322地質(zhì)隊(duì)提供的地質(zhì)圖修改)Fig.1 Geological condition of working area(according to the revision of the geological map provided by the 322 Geological Team)

本區(qū)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，主要為燕山期的火山噴發(fā)及巖漿侵入活動(dòng)。巖漿巖主要為次火山巖相的輝石閃長玢巖，主要分布于深部，地表主要分布在向山硫鐵礦、向山南硫鐵礦東面以及蘿卜山東部和南部。該巖體與大王山組(K1d)火山巖地層呈侵入接觸，是工作區(qū)鐵、硫礦床的成礦母巖或圍巖。工作區(qū)內(nèi)(包括巖體和鄰近火山巖)曾經(jīng)發(fā)生過廣泛而強(qiáng)烈的熱液蝕變作用，主要表現(xiàn)為輝石閃長玢巖的蝕變交代及其裂隙帶和角礫巖帶中的充填和沉淀作用，礦化主要為磁鐵礦化，次為假象赤鐵礦化、黃鐵礦化，礦體圍巖蝕變在垂直方向上有明顯的分帶特征。

1.2 礦床地質(zhì)特征

工作區(qū)內(nèi)有多個(gè)老礦山，主要有向山硫鐵礦床、向山南硫鐵礦床、大甸塘硫鐵礦床、蘿卜山鐵礦床、南山鐵礦床和凹山鐵礦床等。向山硫鐵礦床主要賦存于區(qū)內(nèi)NE向、SW向的含礦構(gòu)造帶中，是大規(guī)模的浸染狀黃鐵礦和鐵礦，鐵礦體沿走向北高南低，向SE方向延伸，埋藏越深；向山南硫鐵礦床的鐵礦體主要分布于閃長玢巖與火山巖接觸帶附近的蝕變帶和閃長玢巖體內(nèi)，鐵礦主礦體形態(tài)為不對稱不完整鍋狀、凸鏡狀和似層狀，黃鐵礦體形態(tài)為似層狀和凸鏡狀；大甸塘鐵硫礦床中鐵礦體主要產(chǎn)于閃長玢巖中，受火山穹窿構(gòu)造的制約，礦體產(chǎn)狀大致與巖體頂部起伏一致，共有7個(gè)鐵礦體，走向?yàn)镋W向；蘿卜山鐵礦床北礦段僅有一處礦體，礦體產(chǎn)于閃長玢巖內(nèi)，礦體呈漏斗筒狀，南礦段有兩處磁鐵礦礦體，主礦體呈不規(guī)則板狀體。

1.3 巖(礦)石物性特征

地球物理勘查是以勘查對象與圍巖之間的巖(礦)石物性差異為前提，各類巖(礦)石的物性參數(shù)是正確認(rèn)識地球物理場、進(jìn)行異常解釋推斷的基礎(chǔ)。為了客觀掌握區(qū)內(nèi)巖(礦)石磁性特征，為航磁成果解釋提供詳實(shí)的物性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組搜集和整理了區(qū)內(nèi)及鄰近地區(qū)的巖石物性資料(表1)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，相較于其他巖(礦)石，閃長玢巖的磁化率和剩余磁化強(qiáng)度較強(qiáng)，表現(xiàn)出中等強(qiáng)度的磁性特征，能引起明顯的異常響應(yīng)；而蝕變后的閃長玢巖，其磁化率和剩余磁化強(qiáng)度都很弱，呈現(xiàn)弱磁性；而磁鐵礦體的磁性最強(qiáng)，磁化率值在數(shù)萬個(gè)單位以上，剩余磁化強(qiáng)度達(dá)到5 000個(gè)單位以上，異常特征明顯。

表1 工作區(qū)巖(礦)石物性統(tǒng)計(jì)

2 無人直升機(jī)航磁測量

2.1 測量方法技術(shù)

工作區(qū)屬于丘陵地形，區(qū)內(nèi)地形最大高差達(dá)100多米，測區(qū)內(nèi)住宅和工業(yè)設(shè)施眾多，無飛行跑道和機(jī)場可用，因此飛行平臺使用具備機(jī)動(dòng)性能好、可垂直起降的渦輪軸動(dòng)力無人駕駛直升機(jī)。機(jī)載航磁系統(tǒng)主要由GSMP-35A型高精度鉀光泵磁力儀、數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)、TFM100-G2型三軸磁通門磁力儀、激光高度計(jì)、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)等設(shè)備組成。

為了使磁探頭遠(yuǎn)離無人機(jī)機(jī)身，設(shè)計(jì)了一套沿機(jī)頭方向延伸長度為2 m的碳纖維材質(zhì)四棱柱結(jié)構(gòu)支架(圖2)，棱柱之間采用航空鋁材兩兩相連，形成固定平面，增加支桿的穩(wěn)定性，減少飛行過程中產(chǎn)生的抖動(dòng)。該支架安裝在飛機(jī)起落架上，磁探頭安裝在支架的最前端，磁通門安裝在超出旋翼覆蓋部位，GPS安裝在靠近機(jī)體位置，數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)以及高度計(jì)安裝在起落架上方[11]。

圖2 無人直升機(jī)航磁測量系統(tǒng)集成Fig.2 Integration of aeromagnetic measurement system

本次航磁測線方向?yàn)镾N向，測線間距100 m，飛行測量獲得的異常連續(xù)性好且輪廓清晰。航磁數(shù)據(jù)經(jīng)各項(xiàng)改正和粗略水平調(diào)整后，全區(qū)航磁測量總精度為±2.09 nT，測量結(jié)果滿足航磁規(guī)范要求[12-13]。針對工作區(qū)地形條件特點(diǎn)，為了盡可能降低飛行高度和突出找礦效果，野外生產(chǎn)飛行采用沿地形緩起伏的飛行方法。在架次飛行前，飛控人員要根據(jù)無人直升機(jī)性能參數(shù)、測區(qū)DEM數(shù)據(jù)和地表建筑物高度，詳細(xì)規(guī)劃好每條測線導(dǎo)航點(diǎn)的飛行高度和飛行速度等參數(shù)， 確保無人直升機(jī)能夠在無人駕駛自主導(dǎo)航情況下安全飛行。

2.2 航磁異常特征

本區(qū)磁場整體處于高水平背景下。區(qū)內(nèi)主要分布兩條NE向高磁異常帶，其北側(cè)伴生負(fù)值；異常帶沿NE向斷裂帶展布，包含多個(gè)橢圓狀、等軸狀的局部異常，強(qiáng)度可達(dá)幾千nT，異常北側(cè)梯度較陡，南側(cè)梯度略緩。

2.3 數(shù)據(jù)處理與效果

由于航磁ΔT數(shù)據(jù)是不同深度、不同形態(tài)、不同規(guī)模、不同強(qiáng)度的地質(zhì)體磁場信息在觀測平面上的綜合反映，再加上斜磁化的影響，使得所關(guān)注的局部異常磁場特征復(fù)雜化。因此，在充分研究已有資料的基礎(chǔ)上，對航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行位場轉(zhuǎn)換處理，可簡化、突出或強(qiáng)調(diào)異常的磁場特征，從而獲得更多的有用信息。

本次工作進(jìn)行了化極(RTP)、向上延拓不同高度、計(jì)算水平一階方向?qū)?shù)、傾斜角(TA)、傾斜角總水平導(dǎo)數(shù)(TA-THDR)等位場數(shù)據(jù)處理，從而更準(zhǔn)確地圈定異常范圍、突出疊加異常，分離背景場后的剩余異常場其特征更加明顯，能夠清晰反映線性構(gòu)造。

3 成果解釋與找礦

3.1 地質(zhì)解釋

結(jié)合地質(zhì)資料與物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本區(qū)帶狀正磁異常對應(yīng)侵入大王山組地層的閃長玢巖，該巖漿巖磁性較強(qiáng)，形成了正值高磁背景場，其內(nèi)部疊加局部高磁異常則主要是磁鐵礦的反映，可以作為老礦山深部及外圍找礦的找礦線索。東部廣泛分布的大王山組和第四系覆蓋區(qū)磁性較弱，形成了較為平緩的低磁背景場。結(jié)合化極和向上延拓等位場數(shù)據(jù)處理結(jié)果(見圖3)，隨著向上延拓高度的增加，局部單個(gè)異常磁場強(qiáng)度逐漸變?nèi)趸蛳В尘皥鎏卣髋c深部信息逐漸顯現(xiàn)出來。根據(jù)上延300 m的剩余異常特征，本區(qū)主要有9個(gè)局部異常，其中有找礦意義的局部異常7處。從圖4可知，在上延300 m的剩余異常圖中，航磁局部異常范圍更加清晰，如向山硫鐵礦和蘿卜山鐵礦航磁異常從背景場中分離出來；增強(qiáng)了弱磁異常的顯示，特別是東部幾個(gè)局部異常的形態(tài)更清晰。

a—化極；b—向上延拓100 m；c—向上延拓200 m；d—向上延拓300 ma—RTP; b—upward continuation 100 m; c—upward continuation 200 m; d—upward continuation 300 m圖3 化極及上延不同高度后磁異常等值線Fig.3 Magnetic anomaly contour maps after polar treatment and upward extension different heights

圖4 航磁局部異常(上延300 m的剩余異常)Fig.4 Map of aeromagnetic local anomalies (residue from upward continuation 300 m)

對本區(qū)磁異常進(jìn)行了水平方向一階求導(dǎo)，能夠提高磁異常識別的分辨率，突出線性構(gòu)造在磁異常場中的反映。從圖5處理結(jié)果可見，求導(dǎo)后的背景場與異常場區(qū)分更加明顯，突出顯示了4個(gè)條帶狀磁異常。因此推測了4條線性構(gòu)造(斷裂)，推測的NE向斷裂構(gòu)造被后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的NNW向斷裂構(gòu)造錯(cuò)斷，在區(qū)內(nèi)形成網(wǎng)格狀構(gòu)造，這些構(gòu)造的交叉點(diǎn)是巖漿入侵活動(dòng)和礦化作用的有利地段，區(qū)內(nèi)的主要鐵礦床大都分布在這些斷裂交叉或交接部位。

a—135°水平一階方向?qū)?shù); b—45°水平一階方向?qū)?shù); c—化極磁異常a—the horizontal first order directional derivative of 135 degrees; b—the horizontal first order directional derivative of 45 degrees; c—RTP magnetic anomalies圖5 推測線性構(gòu)造(斷裂)Fig.5 The inferred linear structure (fault)

傾斜角能夠很好地平衡高幅值異常和低幅值異常，起到邊緣增強(qiáng)的效果，且傾斜角總水平導(dǎo)數(shù)具有更強(qiáng)的橫向分辨能力。因此在化極基礎(chǔ)上，利用傾斜角和傾斜角總水平導(dǎo)數(shù)的處理結(jié)果(圖6)來進(jìn)行邊緣識別，區(qū)內(nèi)圈出的磁性體邊界大體上反映了區(qū)內(nèi)閃長玢巖體的分布范圍，由于閃長玢巖是礦區(qū)鐵、硫礦床的成礦母巖，因此圈定的磁性體范圍是下一步確定找礦和布設(shè)驗(yàn)證鉆孔的重要區(qū)域。

a—傾斜角; b—傾斜角總水平導(dǎo)數(shù); c—化極磁異常等值線a—TA; b—TA-THDR; c—RTP magnetic anomalies圖6 推測航磁異常邊界Fig.6 The inferred boundary of magnetic rock mass

3.2 重點(diǎn)航磁異常解釋

為了實(shí)現(xiàn)老礦山深部及外圍找礦，項(xiàng)目組對區(qū)內(nèi)具有找礦意義的2處局部異常進(jìn)行了精細(xì)反演與解釋。其中，HC06對應(yīng)已知向山硫鐵礦，平面形態(tài)呈橢圓狀，長軸走向?yàn)镹E，整體表現(xiàn)為高磁背景場下的正異常，異常極大值為2 424 nT，梯度北陡南緩，左側(cè)伴生負(fù)異常。異常中心與主礦體對應(yīng)較好，結(jié)合已有勘探線資料分析可知，該異常為賦存在接觸帶中的磁鐵礦所引起，且向山硫鐵礦中的鐵礦體在深部沿ES向延伸未被控制住。為了探明向山硫鐵礦中已知鐵礦體深部和外圍延伸情況，在異常中心點(diǎn)兩側(cè)選取兩條平行的勘探線剖面(圖7)進(jìn)行2.5D正演擬合計(jì)算。根據(jù)收集的物性參數(shù)資料，并結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料分析確定本次反演的參數(shù)為：磁鐵礦體的有效磁化強(qiáng)度為30 A/m，閃長玢巖(δu)的有效磁化強(qiáng)度為2 A/m，蝕變閃長玢巖的有效磁化強(qiáng)度為0 A/m。

圖7 勘探剖面位置示意Fig.7 Schematic diagram of exploration section location

從兩個(gè)剖面的定量計(jì)算結(jié)果看(圖8)，位于采空區(qū)下方的磁鐵礦體ES方向存在磁鐵礦體：埋藏較淺的礦體呈層狀，礦體平均厚度約60 m，頂部埋深沿測線ES方向逐漸增加；深部礦體呈層狀，頂部埋深沿測線ES方向逐漸增加，礦體平均厚度約100 m。

1—實(shí)測曲線；2—擬合曲線；3—飛行高度；4—航磁異常編號；5—第四系；6—白堊系大王山組；7—蝕變閃長玢巖；8—閃長玢巖；9—已知磁鐵礦體；10—推測磁鐵礦體；11—采空區(qū)；12—已知鉆孔1—measured curve; 2—fitted curve; 3—flight altitude; 4—number of aeromagnetic anomaly; 5—Quaternary; 6—Cretaceous Dawangshan formation; 7—altered diorite porphyrite; 8—diorite porphyrite; 9—known iron ore body; 10—presumed iron ore body; 11—goaf; 12—known borehole圖8 HC06異常兩條剖面(a)(b)2.5D正演擬合計(jì)算結(jié)果Fig.8 HC06 abnormal 2.5D forward fitting calculation results of two profiles

3.3 鉆孔驗(yàn)證

由于測區(qū)內(nèi)地表工業(yè)設(shè)施、采礦坑和居民建筑等人文干擾因素多，地面磁法查證工作無法展開。因此，安徽省地勘局322地質(zhì)隊(duì)鐵礦普查項(xiàng)目組根據(jù)航磁解釋結(jié)果直接進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。在航磁HC05號異常區(qū)內(nèi)布設(shè)了1號鉆孔，并于395.65 m深度見工業(yè)品位磁鐵礦體，累計(jì)磁鐵礦體厚10.26 m；在航磁圈出的HC06號異常區(qū)內(nèi)布設(shè)了2號和3號兩個(gè)鉆孔，2號孔共見10層磁鐵礦體，其中工業(yè)品位3層，累計(jì)見礦厚度128.74 m，3號孔共見9層磁鐵礦體，其中工業(yè)品位3層，累計(jì)見礦厚度173.10 m。這一見礦結(jié)果證實(shí)了向山南—大甸塘地區(qū)仍然具有巨大的找礦潛力，實(shí)現(xiàn)了老礦山深部及外圍找礦的重要突破。

4 結(jié)論

本次工作采用無人直升機(jī)航磁系統(tǒng)在馬鞍山向山南—大甸塘地區(qū)開展了大比例尺航空磁法測量，獲得的航磁成果不僅填補(bǔ)和更新了礦區(qū)及周邊的高精度磁場資料，而且依據(jù)航磁解釋成果布鉆施工的4處建議鉆孔已見礦，找礦效果顯著。這也表明，在老礦山深部及外圍找礦中，采用無人直升機(jī)航磁方法可減少人員涉足危險(xiǎn)環(huán)境，安全快速地獲取最新數(shù)據(jù)，確定重點(diǎn)找礦區(qū)域。

無人直升機(jī)航磁測量作為有人駕駛飛機(jī)的有益補(bǔ)充，提供了一種更加靈活、高效的航磁測量方法，其機(jī)動(dòng)性高，所采集的數(shù)據(jù)精度高、密度大，因此在大比例尺小面積詳查工作中具有良好的應(yīng)用前景。

致謝：在野外工作期間，得到了322地質(zhì)隊(duì)和安徽馬鋼集團(tuán)南山礦業(yè)有限責(zé)任公司的熱情幫助和支持，在此致以衷心的感謝。