張學武

(永城職業(yè)學院礦業(yè)工程系,河南 商丘 476600)

河南省某鐵礦區(qū)主要地質面貌為平原和丘陵,已發(fā)現(xiàn)并且開采的鐵礦有近20 條,已探明的儲存量高達6.7 億t。礦產資源是河南省的經(jīng)濟支柱之一,截至2011 年底,河南省共有礦產區(qū)1 028 個,其中鐵礦區(qū)233 個,保有鐵礦資源151 838.5 萬t。隨著鐵礦開采由淺入深,鐵礦資源的總開采量逐年遞減,2019年8 月,總開采量為68.34 萬t,同比下降了約4.08%,同年9 月,總開采量為84.3 萬t,同比下降了約1.43%[1-2]。為緩解目前河南省鐵礦開采量持續(xù)減少的問題,進行深部采礦勢在必行。

以河南省某鐵礦區(qū)為例,對深部找礦方法進行了研究與應用。首先采用高精度磁法進行找礦勘探[3],對所獲勘探數(shù)據(jù)進行分析,圈定異常點;再采用可控源音頻大地電磁法對異常點進行找礦勘探[4],進一步縮小異常范圍;最后對得到的勘探數(shù)據(jù)進行綜合分析,圈定異常區(qū)和圈定找礦靶區(qū)。

1 地質特征

研究區(qū)為平原和丘陵地貌,整體較平坦,在中部有凸起的山脈,海拔100.0 ～297.9 m,且有露出的基巖[5]。

1.1 地 層

研究區(qū)地層多為第四系,露頭部分巖石主要為位于中西部的太華群變質巖,研究區(qū)域地層由老到新排序見表1[6]。由表1 可知:該區(qū)域巖性中太古界趙安莊組和古元古界太華群鐵山廟組的巖石均屬于變質巖類,是鐵礦的母巖。

表1 研究區(qū)地層特征Table 1 Stratigraphic characteristics of the study area

1.2 構 造

研究區(qū)經(jīng)歷了前震旦早期構造、前震旦期構造、震旦紀以來的構造變化,形成褶皺構造和斷裂構造,褶皺構造多為封閉型,斷裂構造是由于受壓作用和受扭作用形成的[7],數(shù)量較小。

1.3 巖漿巖與礦體特征

區(qū)內巖漿巖是地質運動所形成的,在西南部表面部分可以看到少量閃長巖露出,巖層深部有閃長巖、花崗巖等。區(qū)內礦體上部和下部巖性均為混合巖,呈現(xiàn)出花崗質的條狀結構,同時伴有片麻巖、大理巖和輝石巖,如圖1 所示。區(qū)內地表未見鐵礦出露,其周圍的鐵礦區(qū)屬于以沉積巖為主的深部變質鐵礦區(qū)[8],面積為4 km2,礦石多為變晶結構、塊狀構造等,由黑云母、碧玉、正長石、磁鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦等組成[9]。

圖1 研究區(qū)域礦體特征Fig.1 Characteristics of ore bodies in the study area

2 高精度磁法勘探

2.1 高精度磁法勘探工作布置

在研究區(qū)域進行高精度磁法勘探工作,試驗儀器為5 臺質子磁力儀,觀測點50 個?？碧焦ぷ鞣譃?個部分,分別為野外觀測、參考點建立、儀器性能檢測[10-13]。

野外觀測采用GPS進行測量,觀測之前需要進行儀器調整,確保其偏差符合要求且時間準確,從而減少甚至消除儀器誤差帶來的影響。觀測通過工作人員手持儀器,進行定位并且測量坐標;觀測完成后將坐標和軌跡數(shù)據(jù)進行匯總,并輸送到電腦端。

參考點建立包括選取日變站參考點、儀器校正點、總基點。日變站參考點選取工作是利用6 臺GSM-19 磁力儀進行磁力檢測,最終以磁場平穩(wěn)的區(qū)域為主要目標,得到日變站參考點的具體位置。儀器校正點選擇需要避免磁場干擾,因而一般選在日變站附近磁力最小的位置?？偦c確定是通過性能穩(wěn)定的GSM-19 磁力儀進行日變觀測,每10 s 自動記錄一個數(shù)據(jù),而后將觀測到的771 個數(shù)據(jù)進行平均值計算,所得平均值即為該區(qū)域的總基點值,該值是否有效取決于磁場平均變化值是否小于2 nT。

儀器性能檢測主要包括探頭高度值確定、儀器噪聲符合性檢查、觀測誤差確定、一致性檢查等。探頭高度確定是通過2 臺GSM-19 型磁力儀對研究區(qū)進行往返觀測,分別測得探頭高度為1 m 的往返觀測值、探頭高度為1.5 m 的往返觀測值、探頭高度為2 m 的往返觀測值,并對數(shù)據(jù)進行處理,得到磁力儀工作時探頭高度為2 m 時可取最佳值。儀器噪聲符合性檢查時,如果儀器顯示的水平方向噪聲精度小于1.0 nT,則滿足試驗要求。觀測誤差是通過5 臺GSM-19 型磁力儀的均方差誤差值(表2)進行分析判定。一致性檢查是通過5 臺磁力儀對50 個觀測點進行反復測試,所得方差為0.45 nT(小于設計值2 nT),即認為一致性檢查符合要求,確保試驗結果的準確性。

表2 試驗用GSM-19 型磁力儀觀測均方根誤差值Table 2 Observed root mean square error values of the GSM-19 magnetometer used in the testnT

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)處理包括通過小程序進行數(shù)據(jù)預處理、利用插值法進行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理、數(shù)據(jù)化極、總梯度值計算等步驟。數(shù)據(jù)預處理是對試驗測得的數(shù)據(jù)進行初始的修正日變值、去除無效數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)高度值修正、試驗數(shù)據(jù)水平梯度值修正,通過使用Visual Basic for Applications(VBA)語言編寫程序,自動進行數(shù)據(jù)預處理,所得部分數(shù)據(jù)見表3。

表3 試驗數(shù)據(jù)預處理部分結果Table 3 Partial results of test data preprocessing

在數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理中,主要使用克里金數(shù)據(jù)插值法對預處理后的數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理。首先得到高精度磁法勘測ΔT值顯示的異常地域;然后通過消除整個研究區(qū)域的磁場影響,弱化研究區(qū)域內的局部異常,消除局部異常干擾,通過求導運算消除磁場相互疊加引起的異常,計算試驗數(shù)據(jù)的總梯度模,對高精度磁法勘測量ΔT總梯度模進行修正。

2.3 試驗結果

通過對勘探數(shù)據(jù)進行處理,最后得到M3、M4、M5 磁異常與該區(qū)域的正異常具有一定的關系,而M1、M2、M6 異常可能是地下存在鐵礦石所引起的磁場異常。其中M1 異常下部的磁場較淺,并且磁場所產生的磁力較大,可以作為尋找鐵礦的目標區(qū)域,但是由于該異常中很多缺失的數(shù)據(jù)多通過插值法計算得到,其精準度不高,故而排除M1 異常。M2 異常下部磁場較淺,并且磁場所產生的磁力較大,可以作為尋找鐵礦的目標區(qū)域。M6 異常下部磁場較深,并且磁場所產生的范圍較大,可以作為尋找鐵礦的區(qū)域?？傮w上,M2、M6 異常與鐵礦磁場有一定的關系,具有一定的研究潛力,可作為可控源音頻大地電磁法勘探的目標區(qū)域。

3 可控源音頻大地電磁法勘探

3.1 勘探儀器以及操作

本研究試驗儀器為美國的Zonge 公司生產的GDP-32Ⅱ型多功能電法站,精確度高、儀器性能穩(wěn)定、探頭的靈敏度很高,十分適合野外探測工作[14-15],可以作為可控源音頻大地電磁法勘探的主要儀器[16-18]。

勘測過程中,本研究分別選擇正負異常區(qū)域覆蓋范圍最廣的南北向C1線和正異常區(qū)域的異常值多樣性較多的南北向C2線進行測點布置(圖2)?？睖y時調整儀器頻率,分別為1、1.414、…、8 192 Hz,每個頻率之間的遞增倍數(shù)為2,每組數(shù)據(jù)至少測量3 次。

圖2 研究區(qū)測線布置Fig.2 Layout of survey lines in the study area

3.2 數(shù)據(jù)處理以及解譯

通過對勘探結果進行異常數(shù)據(jù)修正,得到較為平滑的數(shù)據(jù)曲線,再對數(shù)據(jù)進行分離和修正處理,最后通過對勘探數(shù)據(jù)進行靜態(tài)位移修正,在此基礎上,以原始數(shù)據(jù)作為勘探數(shù)據(jù)進行反演,利用前期修正數(shù)據(jù)資料對反演異常數(shù)據(jù)進行修改,取得最佳效果。通過對數(shù)據(jù)處理得到C1、C2兩條線的電阻率反演結果,分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 C1 線視電阻率反演結果Fig.3 Inversion results of apparent resistivity C1 line

圖4 C2 線的電阻率反演結果Fig.4 Inversion results of apparent resistivity C2 line

由圖3 可知:C1區(qū)磁場異常主要是由高阻異常體所致,該異常體位于-100 ～-700 m、21#～51#測點區(qū)段內,形狀為長方形。

由圖4 可知:C2區(qū)域內1#～11#測點區(qū)段磁場是由高電阻異常體所致,該異常體視電阻率較高,位于-100 m 處;11#～21#測點區(qū)段是由于含水構造產生某一部分低電阻異常;11#～78#測點0 ～-600 m 區(qū)段異常體視電阻率較低,為層狀,-600 ～-1 100 m 區(qū)段視電阻率較高,也為層狀。

3.3 勘探結果

通過高精度磁法勘探,得到深部鐵礦區(qū)的兩個異常點為M2、M6,對其進行可控源音頻大地電磁法勘探,經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)處理,并結合該研究區(qū)地質特征,圈定了深部鐵礦找礦靶區(qū),分別為C1線的1#找礦靶區(qū)和C2線的2#找礦靶區(qū)(圖2)。

1#靶區(qū)內無礦體出漏,區(qū)內埋深小于300 m 區(qū)段,巖性為砂土、黃土、黏土;埋深300～1 000 m 區(qū)段,巖性主要為閃長巖。1#～21#測點區(qū)段-900 m 處存在高阻體,并且在該區(qū)域內存在閃長巖;21#～51#測點區(qū)段-300 m 處有寬600、厚400 m 的閃長巖侵入形成的高阻異常體,故推斷1#～51#測點之間的地下巖石為一整體;41#～46#測點區(qū)段,地下巖漿巖活躍,且侵入巖與周圍巖體密切交互,地下部分有低阻體,找礦潛力較大。根據(jù)該靶區(qū)地質因素綜合分析,一般閃長巖下方為鐵礦形成的有利地質條件,故本研究鉆探工程的鉆孔位置為45#～47#測點正下方或者右側,鉆孔深度為-1 000 m。在實際勘測過程中,當鉆孔深度達到-950 m 時,探測到了鐵礦體。

2#找礦靶區(qū)內無礦體出漏,該區(qū)域埋深小于300 m 區(qū)段,巖性為砂土、黃土、黏土;埋深300 ～900 m 區(qū)段,巖性主要為花崗巖、片麻巖;埋深大于900 m 區(qū)段,巖性為閃長巖。C2線11#～21#測點區(qū)段巖漿巖較多,地層以褶皺結構為主,且在該區(qū)域內發(fā)現(xiàn)過鐵礦,故該區(qū)域找礦潛力巨大。根據(jù)該靶區(qū)地質因素綜合分析,花崗巖和片麻巖相交互的部分極有可能含有鐵礦,故鉆探工程的鉆孔位置選為11#～21#測點正下方,鉆孔深度為-1 000 m。在實際勘測過程中,當鉆孔深度達到-800 m 時,探測到了鐵礦體。

4 結 語

以河南省某鐵礦區(qū)為例,將高精度磁法勘探技術、可控源音頻大地電磁法勘探技術與鉆探驗證方法相結合,實現(xiàn)了對區(qū)內鐵礦資源的深部勘探,對于類似礦區(qū)找礦勘探實踐有一定的參考價值。

致 謝

本研究行文過程中參考了部分同行學者成果,謹致謝忱!