引用本文
白亚东, 安百州, 李宁生, 周永康. 综合物探技术在宁夏六盘山盐类矿产勘查中的应用[J]. 物探与化探, 2017,41(4): 611-618.
BAI Ya-Dong, AN Bai-Zhou, LI Ning-Sheng, ZHOU Yong-Kang. The application of integrated geophysical method to the exploration of salt minerals in Liupan Mountain, Ningxia[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(4): 611-618.
Doi:10.11720/wtyht.2017.4.04  
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综合物探技术在宁夏六盘山盐类矿产勘查中的应用
白亚东, 安百州, 李宁生, 周永康
宁夏地球物理地球化学勘查院,宁夏 银川 750001

作者简介: 白亚东(1975-),男,物探高级工程师,主要从事地球物理勘探工作。

收稿日期: 2016-11-08
基金: 国土资源部公益性行业科研专项经费资助项目(201111006)宁夏回族自治区地质勘查基金项目(2014-地勘基金07)
摘要

宁夏六盘山早白垩世盆地蕴藏着丰富的膏、盐类矿产资源,宁夏地质局先后在固原市原州区中河乡硝口及上店子村施工的ZK101、ZK201孔中发现厚度达42.38~256.11 m的岩盐矿层,该区岩盐矿产具有一定成矿远景,找矿潜力较大。利用矿区已有的1∶5万重力资料,划分构造单元,确定与岩盐矿床有关的局部构造单元,结合矿区地震时间剖面、重力和电法剖面资料,地质剖面、钻孔资料、测井数据,分析对比、反演研究,提取地层、构造(含断裂)、岩盐矿等物性参数或异常特征,总结各物探方法对岩盐矿勘查时的特征规律,提出本研究区内查找岩盐矿最为有效的勘查技术手段或方法组合,在研究区共圈定出9个找矿靶区,目前普查区为Ⅲ靶区,查明岩盐矿26亿t;后期在Ⅱ靶区又做了进一步工作,Ⅱ+Ⅲ靶区共查明资源量49亿t。研究成果为区域经济发展、找矿突破提供重要的物探基础。

关键词: 综合物探; 岩盐; 六盘山; 矿产勘查
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)04-0611-08
The application of integrated geophysical method to the exploration of salt minerals in Liupan Mountain, Ningxia
BAI Ya-Dong, AN Bai-Zhou, LI Ning-Sheng, ZHOU Yong-Kang
Ningxia Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,Yinchuan 750001,China
Abstract

The Early Cretaceous basin of the Liupan Mountain in Ningxia has abundant mineral resources of ointment and salt. Ningxia Geology Bureau has found rock salt layer whose thickness is between 42.38 and 256.11 m in ZK101 and ZK201 in Zhongkangxiang and Guodianzi villages of Yuanzhou District, Guyuan. The area has prospecting potential in finding rock salt minerals. Strata and structures (including fracture), rock salt and other physical parameters or abnormal characteristics were extracted by utilizing existing seismic section, gravity and electrical profile data, combined geological profiles, drilling and logging data. The characteristics of the geophysical prospecting methods were summarized, and the most effective combinations of exploration techniques and methods were proposed. There are nine prospecting targets in the area, and the current survey area is III target area, with the discovery of a rock salt mine of 2.6 billion tons; further work is carried out in II target area, with the discovery of a total amount of 4.9 billion tons of resources in II and III target area. The research results provide important geophysical foundations for regional economic development and prospecting.

Keyword: geophysical prospecting; rock salt; Liupan Mountain; mineral exploration
0 引言

盐类矿床分布地区的露头通常很少, 大多被第四系地层广泛覆盖, 且盐层埋深较大, 一般传统的地质方法应用受到很大限制。在寻找沉积盐类矿床方面[1], 重力[2]、电法[3]、地球物理测井 46、地震 78、钻探 910和水化学[11]等方法的综合运用, 不仅能圈定沉积盆地、了解构造, 还能直接圈定盐类矿田或矿层范围。由于盐类矿一般与沉积地层有关[12], 规模较大, 通常可出现明显的地球物理异常, 已完成的前期勘查结果显示, 硝口岩盐矿具有含盐岩层产状变化大、厚度变化大、矿层结构复杂、夹石层数多等特点, 岩盐矿体顶板为碎裂状、棱角状和不规则状白云岩和泥岩, 被岩盐沿裂隙充填胶结; 底板为泥岩、泥灰岩, 沿裂隙充填岩盐; 夹石多为含盐白云岩, 含角砾状白云岩, 岩盐矿层与围岩密度差为0.2~0.5 g/c m32; 岩盐本身电性为中阻, 矿区裂隙发育, 充水后表现为极低阻 1314。前期已开展的可控源音频大地电磁测深[15]和二维地震勘查方法 1617在勘查工作时, 对勘查岩盐矿床都有一定效果, 但所提供的地质信息都有一定局限。

1 地质背景分析

宁夏六盘山早白垩世盆地属秦祁昆地层区之祁连— 北秦岭地层分区, 海原— 西吉小区。区域内新生界盖层广布, 主要出露地层中生界下白垩统六盘山群(表1)。

表1 研究区区域地层层序
2 物性条件分析
2.1 密度条件分析

前人及2010~2011年测定的研究区岩石及矿石密度结果, 如下表2。

表2 研究区岩石、地层密度特征

由上表可以看出, 岩石、地层密度分布的总趋势由新到老逐渐递增。第四系松散沉积物平均密度值为1.49 g/cm3。它与下伏新近系和古近系地层的密度差为0.70~0.80 g/cm3, 该层厚度变化较大, 因此对重力场的局部变化有一定的影响。新近系(N)— 下白垩统(K1)或中侏罗统(J2), 平均密度为2.50 g/cm3, 该套沉积层系与下伏岩系的平均密度相差0.2~0.3 g/cm3, 这一密度分界面基本上控制了区内布格重力异常的分布。岩盐矿体(床)与围岩有0.4~0.5 g/cm3的密度差。当岩盐矿体具有一定的规模且埋深较浅时, 重力测量易于发现其赋存地段和分布范围。但是在对重力资料进行地质解释时, 应注意到新生界的松散沉积层这一干扰因素, 当具有密度较大的碳酸盐岩与岩盐层交互产出时, 前两者引起的局部重力高, 有可能使岩盐矿引起的局部重力低受到畸变, 在分析重力测量资料时也必须加以注意。

2.2 电性条件分析

通过对区内测井资料及电法工作资料的统计、分析, 得出区内主要地层的电性参数(表3), 其主要地球物理特征表现为:

1) 第四系(Q):黏土及黏沙土和沙砾石构成, 主要分布在沟谷台地上, 电阻率一般在10~100 Ω · m之间, 随着地层含水性和含盐量的多少而变化, 潮湿且含盐量增高时, 电阻率降低, 干燥不含水时, 电阻率升高, 区内第四系厚度较薄, 在资料解释时, 不作重点区分。

2) 古近系清水营组(E3q):岩性主要为泥岩、泥质砂岩、砂岩构成, 地层电阻率变化较小, 岩性颗粒较细时, 电阻率在5~10 Ω · m左右, 岩性颗粒变粗时, 电阻率升高, 达到10~15 Ω · m。一般埋藏较浅, 可结合地质资料加以区分。该层是区内电阻率值最低的地层, 测井资料反映出其电阻率值在5~10 Ω · m之间, 与下覆下白垩统乃家河组(K1n)地层有明显的电阻率差异。

3) 下白垩统乃家河组(K1n):测区内主要含盐地层, 其电性特征与地层中岩盐矿层的富集程度及构造发育程度有关, 构造发育地段多被卤水充填, 造成电阻率值明显降低, 下白垩统乃家河组(K1n)物性变化范围较大, 统计结果也表明, 测区内该套地层的物性特征复杂, 参数变化范围大, 一般随着地层含盐成分的多少和地层的破碎程度而变化。地层岩性主要为泥岩、砂质泥岩、泥灰岩等, 在地层完整未破碎、地层含盐量较高时, 电阻率较高, 一般在20~50 Ω · m之间, 局部岩盐完整地段电阻率值可达到60~80 Ω · m; 地层完整未破碎、地层含盐量较低时, 由于地层泥质含量较高, 部分卤水溶解渗入, 电阻率降低, 一般在10~20 Ω · m之间; 当构造发育, 地层破碎、卤水充填富集时, 电阻率迅速降低, 一般在5 Ω · m以下, 易于与其他类型区分, 这也是划分构造破碎带的重要电性特征。

4) 下白垩统马东山组(K1m):岩性主要以白云质灰岩、灰岩、砂质灰岩、灰质泥岩、泥质灰岩为主, 电性参数变化不大, 地层含盐量较低, 电阻率较高, 一般在100 Ω · m以上。部分地段由于构造破坏地层较破碎, 地表可见卤水泉涌出, 成分以硝盐为主, 电阻率值很低, 在5 Ω · m左右, 可据此特征划分构造破碎带。

表3 固原市原州区硝口地区地层电性参数统计
2.3 地震波速分析

理论上岩盐密度(2.0~2.2 g/cm3)和高传播速度(4 500~5 500 m/s)与围岩砂泥岩及白云岩的密度和传播速度差异明显, 其与围岩的接触面具备形成良好的反射界面的物性前提, 层状岩盐反射波特征类似煤层, 地震反射特征常表现为强振幅、高连续、相对低频; 在岩盐沉积中心厚度较大的特殊情况下, 通常以弱反射、较高频、中高连续的地震反射特征出现; 呈盐丘出现时在地震剖面上常表现为内部呈杂乱反射, 或盐核内盐岩变形为复杂多样, 大小各异的褶皱, 而围岩的反射界面在此突然中断, 盐核周围地层向上翘起, 或表现为盐核周边与围岩呈陡倾的断层接触, 盐核顶部地层向上隆起形成背斜形态。

3 物探资料综合分析

根据1∶ 5万剩余重力异常图(图1)所示, 在靠近李俊— 沙沟— 叶家河— 董家梁断裂(布格异常梯级带)附近的北西侧, 其重力分布为一显著的断续延伸的负异常带。就目前已掌握的钻孔资料来看, 硝口、上店子、叶家河等地区的见盐孔均位于重力负异常区。其中硝口异常区内的ZK302孔揭露岩盐厚约530 m、ZK204孔见盐厚度约650 m(累计)、ZK202孔盐厚度330 m、ZK201孔盐厚约380 m, 这4个孔见盐的起始深度分别在370~600 m之间, 未见盐或厚度≤ 70 m的钻孔位于异常边部; 叶家河异常区的ZKⅦ -1孔自956 m深处见盐, 累计厚度约510 m; 上店子异常区据钻孔揭露, 也见有一定厚度的岩盐。由此可见, 上述钻孔所见岩盐与重力异常有着密切的对应关系。

图1 矿区剩余重力异常[4]

剩余重力异常由于减去了区域重力场, 实际上主要反映的为中生代沉积盆地的位置和形态, 中生代沉积盆地也即为本区开展找盐矿的主要目标区, 因而利用剩余重力异常在区域上推断找岩盐矿远景区, 不仅在理论上, 同时与见盐矿区钻孔揭露的实际对比上都有一定依据。

在以重力异常图和所推断的断裂构造图的基础上, 结合研究区区域地质及1∶ 20万区域重力调查成果, 以及地震、电法剖面资料, 将测区范围内的地块划分为:满寺堡断陷、孔家庄断陷、硝口断陷、孙家庄断陷、开城断陷、杨家岭断陷、马东山断块凸起、彭堡凹陷、头营断陷、关山顶— 白马山隆起、六盘山(大关山)隆起、大水泉— 白家湾凹陷、红岘子— 北台隆起、偏城断陷、蔡家沟— 田家滩凹陷、张易凸起及王家大庄断陷等17个局部构造单元(图2)。[5]

图2 矿区局部构造单元划分

3.1 岩盐成矿远景的推断

成矿远景区:是指在一定的深度上, 可能有下白垩统(K1)含岩盐层沉积的次一级的断陷区。找矿靶区:根据地质或及物探资料(部分已钻探资料揭示), 推测远景区内可能有岩盐矿体或矿床赋存的区段。

圈定成矿远景区及找矿靶区的依据:

1) 在布格重力剩余异常图上, 显示为次一级的负向构造单元区, 并在该区的两侧或一侧有下白垩统(K1)乃家河组(K1n)存在。例如, 硝口(δ g-4)、孔家庄(δ g-3)重力低区, 即是其例。

2) 从硝口、孔家庄的叶家河两地钻孔所见岩盐矿体的分布, 与剩余重力异常的对应关系分析:岩盐矿体的空间产出规律、赋存部位, 明显受根据重力异常推断的李俊— 硝口— 和尚铺区域性断裂带、及次级断陷盆地的控制。因此, 沿李俊— 硝口— 和尚铺一线分布的重力梯级带, 以及旁侧的剩余重力负异常带, 可作为在本区寻找或预测岩盐矿床的地球物理标志。

3) 由剩余重力异常换算的重力垂向二阶导数, 以及地震、电法剖面的解释成果, 为圈定找矿远景区和靶区提供了有价值的地质信息。

根据以上原则及思路, 在测区内共预测含岩盐远景区6处, 即满寺堡断陷、孔家庄断陷、硝口断陷、孙家庄断陷、偏城断陷及王家大庄断陷(图2)。在这些断陷盆地区(带)内, 又分别圈定出9个找矿靶区(见图3), 编号为Ⅰ -1、Ⅰ -2、Ⅰ -3、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 、Ⅴ 、Ⅵ -1、Ⅵ -2(图3)。

图3 重力推断岩盐预测区

重力方法主要用于区域构造的划分和找矿靶区圈定; 在剖面上利用地震或电法推断的地质模型作为约束条件时, 可以定性、定量地推断矿体的赋存状态。

对厚度薄而埋藏深度大的矿体, 重力异常反映

不明显; 上覆巨厚松散沉积层的存在, 影响到重力异常的平面分布。

3.2 典型远景区综合分析

在上述推断的9个靶区中, Ⅲ 靶区位于硝口断陷, 该断陷为第四系覆盖区, 北侧有乃家河组出露, 南侧为马东山组, 并与其成断层接触。与硝口、孙家庄断陷为渐变过渡关系。重力场表现为北西西向延展的重力负异常, 极小值域呈似矩形。南侧重力等值线密集; 北侧较稀。经勘探证实, 该区为一聚岩盐矿床的构造区, 并伴有芒硝、钾盐产出。推断在已知见矿区外围, 可能还有岩盐矿层存在。Ⅲ 靶区为详查区, 即硝口矿区, 有地震、电法、重力剖面, 本次讨论以Ⅲ 靶区重、电、震剖面综合应用为主。

重力剖面异常在理论上也可以直接推断地层结构, 但由于物探一般存在的多解性使其解释精度较低。如推断深部存在乃家河组地层但不确定其确切深度, 较大厚度的上覆新生界地层与薄层新生界地层加含盐乃家河组地层重力正演结果是一样的。所以在研究重力剖面异常时用地电断面和地震推断地质断面对其进行了约束, 以研究重力剖面异常对岩盐的贡献。

1) 电法、重力剖面拟合分析

Ⅱ 剖面电法资料所反映的断面电性(视电阻率)特征(图4), 与已知地质、钻探资料及以往物性(电性)资料较相符。沿剖面大致从南西到北东(左到右), 重力异常由相对重力高向重力低急剧降低, 表现出陡倾斜台阶的异常特征。硝口地段正好位于重力梯级带上, 反映了两侧地质块体之间密度差异明显, 并有断裂通过。断裂的右侧, 重力异常变化平缓, 主要显示了杨忠堡中新生界沉积盆地沿剖面的构造行迹、盆地内结构比较简单, 次一级的构造不甚发育。剖面左侧, 高背景异常与基底断隆地层有关, 在高背景重力剖面中上下波动的次级异常是由下白垩系岩性变化所致。可控源音频大地电磁测深断面图右部, 显示出新近系低阻层沿剖面分布的构造形态及厚度变化; 左边电性层主要反映了下白垩系及古近系寺口子组的分布规律。

图4 Ⅱ 剖面剩余重力(a)、电法(b)正演拟合地质断面(c)

在有岩盐层分布的地段上(硝口), 电性显示为相对高阻, 而在剩余重力异常平面图上则表现为负异常。在进行重力剖面正演时, 由于已有地电断面的约束, 仅地层密度值拟合重力剖面线与实测值明显不符, 在此处添加岩盐层断面, 并赋于2.02 g/cm3密度值时, 拟合较好, 并与实际相符, 因而在地电断面约束条件下, 用重力剖面可达到定性、定量推断盐矿层的目的。

2)地震、重力剖面拟合分析

由图5明显可以看出, 地震时间剖面推断2条断层, 左边为正断层, 右边为逆断层, 并推断了新生界底层分界。以此推断断面作为约束条件, 进行重力剖面拟合推断。

图5 YD1-1剖面地震、重力正演拟合断面

仅赋于地层密度值拟合重力剖面线时与实测值明显不符, 在添加岩盐层断面, 并赋于2.02 g/cm3密度值时, 拟合较好。钻孔(ZKⅦ -1揭露岩盐埋深约900 m, 拟合为1 000 m左右, 与实际相符。说明在地震推断地质断面作为约束条件时, 用重力剖面亦可达到定性、定量推断盐矿层的目的(只是需注意地震时间剖面因垂向上不是深度关系, 因而要用时深转换后的推断地质断面做为约束, 在此附该时间剖面只是为了对比分析用)。

3)Ⅱ 预测靶区:

位于孔家庄断陷南部(图6), 在δ g-3负重力异常区内, 东部约以剩余重力异常-4.0× 10-5 m/s2圈定靶区边界, 西侧以重力推断断裂控制, 呈北北西向展布。该区没进行重力剖面测量, 但进行过地震剖面测量, 用地震推断地质断面作为约束条件, 利用剩余重力异常图切剖面数据进行了正演, 推断岩盐位于图切剖面左端2 000~3 200 m之间, 顶板埋深约900 m。

图6 Ⅱ 预测靶区剩余重力平面图

4 结论

目前普查区为Ⅲ 靶区, 查明岩盐矿26亿t; 后期在Ⅱ 靶区又进一步工作, Ⅱ +Ⅲ 靶区共查明资源量49亿t。研究成果为区域经济发展、找矿突破提供重要的物探基础。

从方法适用性的方面分析来看, 在上述的复杂构造区段寻找岩盐体, 单一依靠密度差、电阻率差异、波阻抗差异形成的反射特征波直接寻找岩盐体难以奏效。但是, 可以对重力、电法(可控源音频大地电磁测深法)、地震资料的综合研究, 结合钻探资料, 从构造分析入手找出岩盐赋存的构造规律, 进而解决靶区选择的问题。特别是利用电法推断地电断面、地震推断的地质断面, 给予岩性密度值后用实测重力值进行拟合, 找矿效果较好, 可以定性、定量分析岩盐赋存状态及分布。

宁夏固原地区岩盐矿床的最佳勘探方法为:首先开展中、大面积性的重力测量, 划分区域构造和构造单元, 圈定岩盐找矿靶区, 而后进行可控源音频大地电磁测深法或二维地震测量, 推断地质解释模型, 在推断模型的约束条件下, 根据实测重力剖面进行正演拟合, 定性、定量解释岩盐矿体的赋存状态, 达到最佳找矿效果。从目前勘探效果看, 重、电组合具有效率高、勘探成本低、地形影响较小的优势, 可作为重点勘探手段使用, 地震方法可在后期开采过程中的地质灾害防治及采空区确定和利用中应用。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 徐占海. 综合运用物探化探技术促进宁夏地质找矿大突破[J]. 中国国土资源经济, 2010, 23(11): 8-11. [本文引用:1]
[2] 宋旭锋, 代达龙, 曹涛, 等. 高精度重力测量在云南勐腊地区某岩盐矿勘查中的应用[J]. 地质找矿论丛, 2014, 29(3): 445-449. [本文引用:1]
[3] 李宁生, 冯志民, 仵阳. CSAMT 在固原市硝口岩盐矿中的应用[J]. 物探与化探, 2015, 39(3): 503-505. [本文引用:1]
[4] 陈厚生. 地球物理测井在江西清江盐田北部块段开发中的应用[J]. 中国井矿盐, 2011, 42(5): 24-27. [本文引用:1]
[5] 鲍世才, 马彪. 地球物理测井在岩盐矿勘探中的应用[J]. 物探与化探, 2013, 37(3): 449-452. [本文引用:1]
[6] 鲍世才. 利用测井方法预测岩盐矿工业品位[J]. 勘察科学技术, 2014(1): 55-57. [本文引用:1]
[7] 朱金华. 地震勘探技术在盐矿开发中的应用[J]. 科技信息, 2014(3): 280-283. [本文引用:1]
[8] 王建新. 二维地震勘探技术在川中某县岩盐矿勘查中的应用[J]. 中国井盐矿, 2012, 43(5): 13-16. [本文引用:1]
[9] 石应峻, 寸树苍, 陈华纷, 等. 双河岩盐矿区钻探一物探综合研究[J]. 物探与化探, 1996, 20(6): 471-473. [本文引用:1]
[10] 寸树苍, 石应骏, 陈华纷. 四川双河岩盐矿区钻探、物探综合研究[J]. 成都理工学院学报, 1996, 23(1): 100-104. [本文引用:1]
[11] 李英. 宁南固原岩盐矿区地下水化学演化及循环规律研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2015, 42-66. [本文引用:1]
[12] 褚小东. 宁夏固原硝口地区岩盐矿地质特征和成因分析[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2013, 15-55. [本文引用:1]
[13] 李新虎, 张树铭, 戴晨耕, 等. 宁夏回族自治区1∶35万物化探基础图件编制说明书[Z]. 银川: 宁夏地矿局, 2010. [本文引用:1]
[14] 董尚林, 等. 宁夏固原市原州区硝口—上店子岩盐预查总结及普查设计[R]. 银川: 宁夏地矿局, 2009: 4-50. [本文引用:1]
[15] 李宁生, 等. 宁夏固原市原州区硝口—上店子岩盐普查电法工作报告[R]. 银川: 宁夏地矿局, 2009: 3-89. [本文引用:1]
[16] 许彩琦, 黄璇, 杨斌, 等. 宁夏固原市原州区硝口—上店子岩盐详查二维地震勘查报告[R]. 银川: 宁夏地矿局, 2010: 3-107. [本文引用:1]
[17] 许彩琦, 黄璇, 杨斌, 等. 宁夏固原市原州区硝口—寺口子地区岩盐预查二维地震预查报告[R]. 银川: 宁夏国土资源厅, 2010: 3-115. [本文引用:1]