铁矿作为国家的战略性矿产,国家经济建设、国防建设、战略新兴产业发展需求旺盛,巩固铁矿国内安全供应能力非常重要。目前,找矿工作已从浅地表向深部找矿方向发展,地球物理勘查是深部找矿必不可少的技术方法,选择合适的地球物理勘查方法指导找矿工作,往往能取得事半功倍的效果。

在冀东地区太古宙沉积变质铁矿采空区勘查中,应用高精度磁法、电阻率剖面法、激发化法等常规地球物理勘查方法,建立了冀东铁矿采空区有效的地球物理勘查组合模型^[1]。在大庙铁矿斜长岩杂岩体勘查中利用地面高精度磁测确定高磁异常带及其延伸方向,借助EH-4电磁成像系统解析高磁异常带(矿化带)向地下深部延伸情况^[2];在邯邢式铁矿深部找矿中、东昆仑依阡巴达铁矿勘查中,应用磁法为主、重力和电磁测深为辅的技术方法组合进行深部找矿^[3,4];在金山店铁矿接替资源勘查中,通过地面高精度磁测、井中三分量磁测和可控源音频大地电磁测深等综合物探方法取得了较好的成果^[5];在鞍山式铁矿勘查中,综合运用地面高精度磁测、音频大地电磁测深、重力测量等地球物理方法进行了资源潜力的快速评价^[6];在新疆鄯善县某铁矿勘查中,应用大地电磁测深、磁法测量及激电测深寻找磁铁矿及其空间定位方面效果显著^[7];在河北松山峪地区沉积变质型铁矿勘查中,通过地面磁测圈定磁异常区,采用音频大地电磁测深(CSAMT)推断了磁性体产状及埋藏深度,经钻孔验证,发现多层隐伏的磁铁矿体^[8]。综上所述,铁矿勘查中首选的物探方法是地面高精度磁法,其后依次是可控源音频大地电磁测深、激电测深、重力测量等方法。相比于单一方法测量,多种方法的组合能取得更好的找矿效果。

本文以跃进山铁矿I区为例,针对本区陡峭险峻的地形条件、独特的地质背景,选择适合本区的地球物理勘查方法开展测量工作,指导地质工程部署。

青海省跃进山铁矿位于柴达木盆地东南边缘,诺木洪乡以南方向的跃进山地区。如图1所示,矿区主要出露地层为古元古界金水口岩群下岩组三岩段(Pt₁j^1-3)和第四纪全新统(Qh)。 古元古界金水口岩群下岩组三岩段地层分布于研究区西侧,零星出露于本区北、东部,构成跃进山矿床主要赋矿层位。受华力西期花岗闪长岩体侵入影响,该地层破碎较为严重。与本区成矿关系密切的岩性有大理岩、蛇纹岩及金云透辉石矽卡岩^[9]。

矿区构造简单,常见褶皱构造,以跃进山背斜为代表。本区存在平推断层和性质不明断层两种类型的断裂构造,偶尔见小规模的断裂构造。区内岩浆岩十分发育,分布面积几乎占整个研究区的2/3,为华力西期中酸性侵入岩,主要有中细粒花岗闪长岩和闪长岩两种岩性,有花岗伟晶岩脉、闪长玢岩脉、石英脉等脉岩。其中花岗闪长岩体为跃进山磁铁矿床的形成提供了所需的气水热液,使金属矿物产生蚀变、富聚、沉淀,所以具有工业价值的跃进山磁铁矿床与该岩体关系密切。

物性测量工作表明,区内出露的岩性除了磁铁矿石、磁铁矿化岩石、角闪岩有较强磁性外,其余岩性均无磁性或为弱磁性。由岩(矿)石物性参数统计(表1)可以看出:研究区磁铁矿石、磁铁矿化大理岩、磁铁矿化蛇纹岩属强磁性岩(矿)石,其中磁铁矿石磁性最强,花岗闪长岩、角闪岩等火山岩属弱—中等磁性,如大理岩、片麻岩、矽卡岩化片麻岩等无磁铁矿化的变质岩均表现为无磁—弱磁性;本区磁铁矿石和矿化蛇纹岩的电阻率比较低,平均为259.6 Ω·m和62 Ω·m,均低于500 Ω·m;其他岩石(围岩)的电阻率较高,其值均高于2 000 Ω·m;极化率也有类似的关系,磁铁矿石和矿化蛇纹岩的极化率平均值大于7%,其他岩石的极化率值小于2%。

综上所述,研究区矿石和围岩存在明显的磁性差异、电阻率及极化率差异,这为后续利用地面高精度磁测及CSAMT测深圈定磁铁矿体奠定了物性前提,也为研究磁法3D磁化率反演奠定了基础。

如图2所示,通过地面高精度磁测工作,根据ΔT磁异常等值线平面图在研究区共划分出6个高磁异常带,即DC1~DC6,其中DC1、DC2磁异常位于Ⅰ区。

DC1号磁异常形状为带状,由3处子异常组成。磁异常整体为正负伴生,异常强度大,幅值高,梯度陡,ΔT异常强度在-5 965~7 616 nT之间。DC2号磁异常形状为环状,沿跃进山背斜弧性分布,异常比较明显,强度较大,幅值较高,梯度较陡。在背斜的轴部附近有3处较强的孤立子异常,呈串珠状分布,ΔT极大值为5 320 nT,由于受构造影响,异常被扭曲、切割,多呈现不规则的三度异常。2个异常区出露岩性均为华力西期花岗闪长岩、蛇纹岩(DC2区还含矽卡岩),古元古代金水口岩群黑云斜长片麻岩及大理岩,异常位于花岗闪长岩和黑云斜长片麻岩的接触部位及蚀变形成的蛇纹岩上,推测DC1、DC2磁异常的形成与磁铁矿化蛇纹岩关系密切。

通过地面高精度磁法面积测量工作,了解本区磁铁矿的地磁异常特征,在获得地磁异常的基础上利用可控源音频大地电磁法,有针对性地探查磁异常所反映的矿体深部情况。

为了获得研究区深部磁性体的三维分布情况,了解跃进山铁矿深部找矿空间及潜力^{[10,11,12,13]},结合磁物性资料,使用专业软件对地磁实测T数据进行了3D磁化率反演,反演过程忽略剩余磁化强度的影响。

磁法3D磁化率反演采用实测磁异常数据,因研究区Ⅰ区、Ⅱ区地层走向不一致,分别采用1 300 m×884 m×701 m、1 200 m×884 m×701 m两个矩形体为基本剖分单元,将地下900 m 深度范围内半空间划分为200×200×10=400 000个网格单元作为两个区块(Ⅰ区和Ⅱ区)分别进行磁化率反演计算,最后获得拟合均方误差(RMS)为6.15的反演结果^[14]。

本区磁铁矿的平均磁化率值为0.92 SI,最小值、最大值变化范围0.23~1.76 SI;蛇纹岩的平均磁化率值为0.35SI,最小值、最大值变化范围0.13~0.57 SI;磁铁矿化大理岩的平均磁化率值为0.12 SI,最小值、最大值变化范围0.04SI~0.38SI。其他岩石如大理岩、片麻岩、矽卡岩化片麻岩、花岗闪长岩、角闪岩等的平均磁化率均小于0.02 SI,最小值、最大值变化范围0.0~0.05 SI。由此判断,磁化率大于0.05SI的磁性体均为磁铁矿化岩石及磁铁矿的反映,磁化率小于0.05SI的磁性体均为无磁—弱磁性围岩的反映。

如图3立体图上可看出,浅地表控制的磁铁矿带绝大多数位于磁化率大于0.1 SI的深红色块状磁性体上,个别位于磁化率介于0.05~0.07 SI磁性体区域。如图3的平面图所示,从顶面看(图3a),本区磁化率大于0.05 SI的磁性体分布面积占全区面积的40%,从底面看(图3b),磁化率大于0.05 SI的磁性体分布面积减少无几;从侧面看(图3d),3 450~3 050 m的高度内均有强磁性体存在,说明本区磁铁矿带向深部有很大的延伸,本区深部有很好的寻找磁铁矿体的巨大潜力和前景。

如图4a所示,在剖面120~250 m段有一处明显的地磁ΔT异常,极大值为3 793 nT,极小值为-2 739 nT,宽约130 m;地表主要出露岩性为黑云斜长片麻岩及蛇纹岩,推断该异常为深部强磁性地质体的反映。

为了解磁性地质体在深部的空间展布形态及变化情况,使用Voxler软件从3D磁化率反演的模型结果中截取出3勘探线剖面位置对应的断面切片(图4b)。从图上可以看出,在水平150~300 m、垂向3 250~3 400 m段间磁化率大于0.1 SI,认为该区段内存在一处强磁性体,推断该强磁性体为磁铁矿化岩石或磁铁矿的反映。

对比图4b、c可以看出,虽然反演计算推断的磁性体与实际控制的磁铁矿体在位置上有些出入,但整体上是吻合的。推断磁铁矿体是引起3勘探线磁异常的主要地质体,其在深度方向上有较大延伸。

图5为K5剖面综合勘探结果。从图5a可以看出,在100~340 m段间存在一处明显的磁异常,异常宽约240 m;地表主要出露岩性为花岗闪长岩、大理岩及黑云斜长片麻岩。从异常的形态上看,推断该异常为两处磁性地质体引起的叠加异常。

从3D磁化率反演的模型结果中截取出K5剖面对应的断面切片(图5b),可以看出在水平0~340 m、垂向3 000~3 350 m段间磁化率大于0.1 SI,认为该区段内存在2处强磁性体(C1、C2),推断强磁性体与磁铁矿化岩石或磁铁矿有关。

检查磁异常时,在该线100~340 m段地表未能发现引起磁异常的地质体,怀疑该异常由隐伏的磁铁矿或磁性地质体引起。为了查验深部是否有矿体存在,在此线上布置了一条CSAMT测深剖面,测量结果见图5c。

图5c显示,在100~340 m、3 350~3 000 m段间发现一处视电阻率异常(JD1),距地表约150~250 m,呈明显而规则的低阻异常特征。JD1以250 Ω·m视电阻率值圈定,异常呈椭圆状,低阻体近于直立,略向南倾,异常上部较小(与3D磁化率反演推断的C1磁性体对应),向下膨大。该异常位置与地面高精度磁测异常位置及反演磁性体C2完全吻合,引起该异常的地质体同时具有“高磁化率、低电阻率”特征,磁化率值高于0.1 SI,视电阻率值低于250 Ω·m,这与本区实测磁铁矿石的物性特征相吻合,据此推断C1、C2磁性体是磁铁矿体的可能性很大。

利用山地工程对推断位于3勘探线的磁性体进行了揭露查证,在磁性体位置附近控制到了4条工业磁铁矿体,2条磁铁矿化体。

CSAMT测深反演结果及磁法3D磁化率反演结果表明,该剖面地表没有矿体出露,在深部有厚大、向下延伸较大的板状隐伏矿体存在,之后的地质工程验证了物探推断。

通过对研究区矿床地质、地球物理、矿化蚀变特征进行研究,综合矿床成因模式及找矿标志,总结出本区矿床地质—地球物理找矿模型(如表2所示), 其中地表矿找矿模型与隐伏矿找矿模型在物探异常特征表现方面有较大的差异。

1)通过磁法3D磁化率反演计算,基本搞清了高磁化率磁性体在深部空间的分布范围、分布面积、延深等情况,深部磁性体分布面积占全区工作面积的40%,推断在3 450~3 050 m高度内有强磁性体存在,这为后续地质找矿工作指明了方向。利用磁法3D磁化率反演结果截面切片图推断的磁性体与地质工程实际控制的磁铁矿体位置基本吻合,产状基本相近,说明利用剖面3D磁化率反演计算切片图在本区指导地质工程布设是可行的、有效的。

2)通过可控源音频大地电磁测深工作,验证了在K5勘探线深部存在矿体的事实,并进一步了解了磁铁矿体在深部的空间位置和赋存形态。磁法3D磁化率反演切片图显示的高磁化率磁性体位置与CSAMT测深反演圈定的低阻异常位置吻合度较高,视电阻率低阻异常与高磁化率磁性体重合部位一般为磁铁矿体存在位置。

3)本区综合物探勘查工作表明,针对地形困难和地质特殊的测区,选择适合指导本区地质找矿的物探工作方法显得非常重要,它直接影响最终的勘查效果。实践证明,在本区综合运用地面高精度磁测和可控源音频大地电磁测深可取得良好的地质找矿效果。