0 引言
石墨是一种结晶形碳,属于非金属矿物,具有质软、有滑腻感、可导电、化学性质不活泼、耐腐蚀等特点,长期被应用于化工、建筑、电气及国防等领域。为保障国家经济安全、国防安全和战略性新兴产业发展需求,《全国矿产资源规划(2016~2020年)》确定将石墨等24种矿产列入战略性矿产目录。石墨矿勘查具有重要的现实意义,加大石墨矿勘查势在必行。甘肃省会宁县罐子峡一带地形切割剧烈、起伏频繁、交通不便,地质工作程度相对较低,主要做过区域调查及煤田普查工作。该区共含煤层4层,位于上石炭统羊虎沟组,平均厚度1.34 m,主要为无烟煤,且区内褶皱、断裂发育,局部有岩浆岩侵入,具备煤成石墨的条件[1],并推断罐子峡断陷带内煤系地层下部存在厚约150 m的导电层,该导电层可能由岩层含导电矿物引起[2]。该区的石墨矿勘查研究基本空白,仅在20世纪70年代初期,甘肃省燃化局一四六勘探队进行煤田普查勘探钻孔中描述见到的炭质泥岩为“银灰色、钢灰色、鳞片状、具滑感、易染手”等特征,这与石墨物理特征比较相似。区内地质构造复杂,多数石墨含矿层被第四系覆盖,地表露头少,矿体多呈隐伏状态,给石墨矿勘查带来了难度。本次在收集以往地质资料的基础上,通过实地调查,在会宁县罐子峡一带选择重点工作区(M勘查区),采用地球物理勘查手段(双频激电中梯剖面测量、自然电场电位测量及激电测深)圈定石墨矿化异常区及查明其空间分布特征,为钻探提供依据。
1 地质概况
1.1 区域地质
会宁县罐子峡一带地层区划属于北祁连地层小区,区域内地层发育较为齐全,除元古宇、二叠系、三叠系及白垩系外,其余各时代地层均有不同程度出露。第四系分布最为广泛,黄土地貌发育,其他各时代地层多分布于沟谷中,地层由老至新主要有寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、侏罗系、古近系、新近系及第四系。区域构造属于华家岭旋回褶皱带(六盘山以西,华家岭以东),由4个旋回层和2个旋回面组成。由西向东旋回层为:华家岭褶皱带、炭山槽地、石嘴—高界上古褶皱带、马莲川槽地,旋回面有义岗—会宁压扭性断裂、石咀—高界性质不明断裂,总体以NW—SE向的隆起与槽地相间的形式展布。区域内褶皱、断裂以及岩浆岩侵入接触面控制矿产生成,特别是控制了石墨矿产的形成。
1.2 勘查区地质构造特征
M勘查区位于甘肃省会宁县罐子峡一带,地处黄土高原丘陵沟壑区,地势由西北向东南倾斜,海拔 1 700~2 000 m,地形为河谷川地、河谷盆地、丘陵坡地和梁峁地。区内大部分被第四系黄土覆盖,部分地段有寒武系基岩及上石炭统羊虎沟组出露(图1)。勘查区历经多次构造运动,断裂构造发育,为NW走向的条带状盆地,区内发育4条断层(以往推断断层),可分为走向NW—SE的F1、F2断层,近SN向的F3断层及NE向的F4断层。F1、F2、F4为逆断层,寒武系逆于石炭系之上,F3为正断层。
图1
图1
勘查区地质及物探工程布置
Fig.1
Geological and geophysical engineering layout of the exploration area
地层自下而上依次为:寒武系中下统黑茨沟组 ($\in_{1-2}h$),由砂岩、千枚岩,夹有少量薄层大理岩组成,岩石成分以石英及泥质为主,以红色岩层出现为其独有特征,为一套碎屑岩—泥质岩建造;上石炭统羊虎沟组(C2y),不整合覆于黑茨沟组或与其断层接触,该地层为一套轻微变质的浅红色、灰色、黑色的石英砾岩、砂岩、褐红色长石岩屑细砂岩、炭质泥岩和煤层;古近系野狐城组(E2y),岩性主要为紫红色、砖红色、杂色砾岩,含砾砂岩、砂岩、泥灰岩、泥岩、石膏层;新近系甘肃群(N1gs),岩性以浅棕黄、浅棕灰、桔黄、棕红色泥岩、粉砂岩为主;第四系(Q)岩性主要为砂砾石、粉质砂土、亚砂土,其中含石墨矿地层为上石炭统羊虎沟组,为本次勘查的目的层。
上石炭统羊虎沟组为一套海陆交互相的含煤地层,区内含煤层4层,自下而上编号煤1~煤4。煤1层真厚0.32~2.24 m,平均0.98 m;煤2层真厚 0.21~8.92 m,平均2.33 m;煤3层真厚0.72 m;煤4层真厚0.17~0.48 m,平均0.38 m。各煤层厚度在0.17~8.92 m之间,平均1.34 m,煤类为无烟煤。煤系地层的存在为石墨矿的生成提供了物质条件,同时,煤系地层沉积后经历了变质作用及华力西期华家岭花岗岩体侵入,使得煤系地层受到区域变质及岩浆热接触变质双重作用,为石墨矿的生成提供了变质条件。
综合分析,勘查区内有石墨矿形成的物质条件及外部环境,且沉积变质型石墨矿通常与沉积变质地层及构造有关并受其控制,往往可形成明显的地球物理异常[3]。但区内第四系覆盖严重,岩石露头有限,地表矿化信息零星,因此,物探成为寻找隐伏矿体的重要途径。
1.3 地球物理特征
勘查区以往物性资料较少,收集以往煤田普查找煤电法成果可知,志留系变质岩(包括志留系以下老地层)电阻率为200~300 Ω·m,石炭系电阻率为40 Ω·m左右,新近系电阻率为40 Ω·m,基底和上覆石炭系、新近系都有较为明显的电性差异。
区内大部分被第四系黄土覆盖,岩石出露较少。本次在勘查区内及其附近沟谷中上石炭统羊虎沟组不同出露地段采集到了14组共计60块岩石标本,统计后为3类岩石样,采用GDD岩矿石电性参数测量仪进行了物性测定,结果见表1。
表1 勘查区岩(矿)石露头物性测量统计
Table 1
| 组别 | 岩石名称 | 标本 块数 | ρ/(Ω·m) | η/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最小值 | 最大值 | 平均值 | 总均值 | 最小值 | 最大值 | 平均值 | 总均值 | |||
| 1 | 褐红色长石岩屑细砂岩 | 9 | 1533 | 2420 | 1852 | 0.63 | 0.94 | 0.75 | ||
| 2 | 褐红色长石岩屑细砂岩 | 5 | 933 | 1125 | 1035 | 0.48 | 0.52 | 0.5 | ||
| 3 | 褐红色长石岩屑细砂岩 | 3 | 227 | 237 | 232 | 710 | 1.69 | 2.53 | 2.03 | 1.34 |
| 4 | 褐红色长石岩屑细砂岩 | 4 | 315 | 348 | 328 | 1.12 | 1.28 | 1.19 | ||
| 5 | 褐红色长石岩屑细砂岩 | 8 | 459 | 915 | 744 | 1.82 | 2.25 | 2.07 | ||
| 6 | 褐红色长石岩屑细砂岩 | 3 | 68.89 | 69.05 | 68.98 | 1.99 | 1.08 | 1.5 | ||
| 7 | 含砾石英粗砂岩 | 3 | 482 | 497 | 489 | 1.31 | 1.4 | 1.36 | ||
| 8 | 含砾石英粗砂岩 | 4 | 134 | 135 | 134 | 1.93 | 1.05 | 1.41 | ||
| 9 | 含砾石英粗砂岩 | 4 | 94.78 | 106.5 | 98.94 | 741.78 | 2.14 | 3.43 | 2.49 | 1.52 |
| 10 | 含砾石英粗砂岩 | 4 | 2746 | 3205 | 2897 | 0.56 | 0.61 | 0.6 | ||
| 11 | 含砾石英粗砂岩 | 3 | 89.22 | 90.95 | 89.96 | 1.67 | 1.86 | 1.75 | ||
| 12 | 石墨矿(化)石 | 3 | 136 | 138 | 137 | 5.7 | 5.83 | 5.75 | ||
| 13 | 石墨矿(化)石 | 4 | 76 | 82 | 79 | 86.59 | 2.51 | 3.11 | 2.83 | 4.64 |
| 14 | 石墨矿(化)石 | 3 | 43.65 | 43.88 | 43.78 | 4.85 | 5.73 | 5.35 | ||
测区的石墨矿(化)石极化率在2.51%~5.83%,平均值为4.64%,电阻率在43.65~138 Ω·m之间,平均值为86.59 Ω·m。围岩采集到的岩石为褐红色长石岩屑细砂岩、含砾石英粗砂岩,其中褐红色长石岩屑细砂岩极化率在0.48%~2.53%,平均值为1.34%,电阻率在68.89~2 420 Ω·m之间,平均值为710 Ω·m;含砾石英粗砂岩极化率在0.56%~3.43%,平均值为1.52%,电阻率为89.22~3 205 Ω·m,平均值741.78 Ω·m。石墨矿化石具有低阻、高极化率特征,与围岩存在明显的电性差异,可作为圈定石墨矿异常的依据之一。
2 工作方法
石墨具有很强的电子导电性,化学性质稳定,且区内地表水及地下水均发育,为形成自然电场提供了良好的氧化还原条件,石墨矿体相对于围岩表现为低阻、高极化率特征,因此,利用物探方法寻找石墨矿是可行的[4,5,6,7,8,9]。本次石墨矿物探勘查采用双频激电中梯测量和自然电场电位测量圈定石墨矿化异常的分布范围,采用激电测深了解异常体的埋藏深度及空间分布特征。围绕以往推断断陷带,由WN—ES布设4条物探测线(图1),双频激电中梯测线和自然电位测线重合,依次命名为1、2、3、4线,测线长度在1.36~2.04 km,方位角30°,线距约1.2 km,测线基本垂直于构造走向。通过2种方法圈定石墨矿化异常范围后,有针对性地在石墨矿化异常地段布设激电测深。
石墨矿属于电子导电型非金属矿,应用自然电场法寻找石墨矿体是基于对电子导电体与围岩间电化学电场的观测,通常与石墨矿有关的电化学场在地面上能引起几十至几百毫伏的电位异常,且常在矿体顶部表现为电位负值[14]。本次自然电场电位测量采用重庆地质仪器厂生产的DJS-9数字直流激电接收机,比例尺1:10 000,点距40 m。
激电测深采用重庆地质仪器厂生产的DJF-10大功率激电测量系统,结合本区地质情况及目的层埋深,采用对称四极等比装置,测量极距MN与供电极距AB的比为1/5,最大极距AB/2为500 m,最小极距AB/2为1.5 m,极距系列AB/2为1.5、2.5、4、6、9、15、25、40、60、100、150、250、350、500 m,对应MN/2为0.3、0.5、0.8、1.2、1.8、3、5、8、12、20、30、50、70、100 m。电极排列(AMNB)的布极方向与剖面方向一致;观测视电阻率ρs和视极化率ηs两个参数。
3 异常特征解释
3.1 剖面测量
通过双频激电中梯测量和自然电场电位测量,在1、2线上发现了2处石墨矿化异常(YC1、YC2),激电异常表现为低电阻率、高幅频率特征,自然电位表现为明显的负值异常且与激电异常吻合较好(图2)。3、4线的视电阻率、视幅频率及自然电位变化不大,没有低电阻率、高幅频率及自然电位负异常特征,推断没有石墨矿化。
图2
图2
1、2线自然电位与双频激电中梯测量综合剖面
Fig.2
Comprehensive section of 1 and 2 lines natural potential and dual frequency IP intermediate gradient measurement
在1线15号点,ρs由60 Ω·m急剧降至5 Ω·m,之后趋于稳定,而 ηs则开始逐渐增大,在19号点达到最大(40%),之后开始缓慢降低至平稳。此时,自然电位U变化在-100~160 mV,以极小值-94.7 mV 为中轴两侧近乎对称,初步分析是受河流的过滤电场干扰。如图3所示,1线位于沟底(出露古近系野狐城组、上石炭统羊虎沟组,高程相对较低,约1 750 m),局部地段低于潜水面,有季节性河流经过,河水补给地下水,即河水从河床流向两侧,河水中部分负离子被岩石颗粒吸附,部分正离子被带走,造成水溶液中正负离子失去平衡,形成自然电场,最终河底的电位达到极小值,而两侧电位较高。
图3
1线15~20测点间表现为低阻、高幅频率及负极小值自然电位综合异常(图2中YC1),该异常处在上石炭统羊虎沟组和古近系野狐城组交接部位,推断与断裂构造带内赋存的极化体有关,结合本区地质及物性特征,认为异常可能为石墨矿化引起。15~20测点间表现出的自然电位负异常不排除是由于存在电子导体而形成的氧化还原自然电场,即该地段自然电位负异常为石墨氧化还原自然电场和河流的过滤电场共同作用的结果。根据中梯装置ρs、ηs曲线特征,可以大概推断异常体的倾向:一般ρs曲线在低阻脉状体倾向方向一侧出现极小值,ηs曲线从极大值下降较缓的一侧与矿体倾向倾斜方向相对应,而下降较陡(通常伴随出现ηs极小值)的一侧为反倾斜方向[15]。1线ρs在15号点处由小号测点(西南)向大号测点(东北)迅速减小,ηs在19号点从极大值向测线东北侧缓慢降低,分析认为YC1异常体在测线上向测点大号方向(东北侧)倾斜。
2线在26号点上ηs急剧增大,对应的ρs也逐渐减小直至趋于平稳;在27~31号点ηs达到极大值(约为60%),之后逐渐减小并趋于平稳。自然电位曲线(以29号点为参考点)左右两支不对称,初步分析是由接触带两侧岩石的电阻率不同所引起,通常是右侧围岩电阻率低于左侧电阻率,使得右侧曲线变陡[16]。整体上看,在26~32点之间ρs相对较低,ηs相对高,自然电位表现为负极小值,认为该特征可能为石墨矿化异常,命名为YC2。结合曲线特征,认为该异常体向EN倾斜。
3.2 激电测深
在综合异常YC1、YC2上各布设了10个激电测深点,分别位于1线的13~22点和2线的24~33点。图4为激电测深综合剖面,其中视电阻率ρs、视极化率ηs断面以AB/4距离并结合测点高程为纵坐标作图,采用二维反演,得到了不同深度的电阻率。视电阻率、视极化率剖面上横向特征明显,反演剖面上横向、纵向特征均较为明显;电阻率总体表现为小号测点(西南侧)高,大号测点(东北侧)高,对应的极化率剖面则表现为西南侧极化率低,东北侧极化率高。在1线18~19点,电阻率、极化率等值线横向梯度变化较大,向下表现为漏斗状,推测是断层破碎带的反映,视倾角约70°,结合区域地质资料,该断层可能为区域F1断层在测线上的反映。2线27~28号测点之间,视电阻率、视极化率等值线呈陡立状分布,横向等值线值变化明显,在纵向上有一定程度的延伸;反演电阻率剖面上等值线密集,推测为F1断层在测线上的反映。F1断层为逆断层,断面倾向SW,错段中下寒武统黑茨沟组。
图4
图4
1、2线激电测深综合剖面
Fig.4
Comprehensive section of 1 and 2 lines induced polarization sounding
剖面由浅至深上大体可分为3个电性层(图4d),呈水平层状略有起伏变化,第1电性层为中低阻、低极化率(地表至粉色虚线之间),电阻率为40~60 Ω·m,极化率通常小于3%,厚度约20 m左右,推断为古近系野孤城组砾岩、砂岩、泥灰岩、泥岩的反映。第2电性层为低阻、中高极化率,电阻率变化在40~140 Ω·m,极化率变化在3%~12%,电性横向上存在变化,反映了岩性差异,推断该层为上石炭统羊虎沟组石英砾岩、砂岩、泥岩、煤层及石墨的反映。第3电性层为高阻、中低极化率,电阻率纵向上逐渐增大,一般大于140 Ω·m,极化率变化在3%~7%,推断该层为中下寒武统黑茨沟组砂岩、千枚岩、大理岩的反映。
2条测线上,断层下盘附近上石炭统羊虎沟组内均存在高极化率、低电阻率综合异常,以视极化率不小于8%为异常边界圈定异常SM1、SM2。1线异常SM1位于18.5~21点之间(上石炭统羊虎沟组出露地段),形态封闭,异常体近水平略向北倾斜,中心埋深约120 m,视极化率极大值达到9.67%,对应低电阻率。SM2位于28~29.5点之间(覆盖层为古近系野狐城组地段),形态封闭,异常体近直立,中心埋深约60 m,异常中心位置视极化率极大值12.1%,对应低阻。当然,极化率剖面上SM2异常以东至31号点附近,视极化率也相对较高(达8%左右),结合前文中对YC2矿化异常倾向的推断,不排除SM2异常向东有所扩大。结合区域地质资料,断裂是本区石墨的主要成矿构造之一,推测异常SM1、SM2由构造带的含矿部位引起,即SM1、SM2可能为石墨矿化异常。
3.3 异常验证及找矿远景区推断
结合1、2线激电测深综合剖面特征,拟在目的层(上石炭统羊虎沟组)出露地段, SM1异常横向沿伸相对较长的1线18.5~21点之间布设钻孔。结合地形地物特征,钻孔布设在1线20测点,在深度117.53~118.69 m内发现零星石墨矿化,在深度124.8~131 m见石墨矿2层,厚度均为0.9 m,产于上石炭统羊虎沟组煤层的底板附近,宏观上呈土状,灰黑色,具有似层状构造,与激电测深推断的异常埋深基本吻合。根据钻孔及物探成果,石墨矿化异常地段位于F1断层下盘附近,且与F1断层走向基本一致,初步分析认为石墨矿化与F1断层有关,煤层受F1断层强烈挤压作用,发生强烈的破坏及变质作用形成石墨,F1断层是区内石墨矿的控矿构造之一。结合本区地质情况,初步圈定了石墨找矿远景区(见图1)。远景区西南以F1为界,东南以F4为界,西北以F3为界,走向与F1基本一致,呈NW—SE条带状展布,长约4.5 km,宽约120 m。
4 问题与认识
本次应用自然电位测量和激电中梯剖面测量共圈定异常2处,推断异常由石墨矿(化)体引起,并在异常位置布置了激电测深。激电测深工作在自然电位测量和激电中梯剖面测量的基础上大致查明了引起自然电位负值异常及低阻高极化异常石墨矿(化)体的产状及延伸情况,经钻孔验证见石墨矿2层,与激电测深推断的异常埋深基本吻合,说明本次所选用的物探方法是有效的。依据钻孔资料及本区的地球物理特征,认为F1断层是本区的石墨矿的控矿构造之一,提出了找矿远景区,为进一步工作提供了依据,同时也为今后具有相同或类似成因类型地区石墨矿勘查选择物探手段提供了可参考的范例。通过本次石墨矿勘查有几点认识:
1) 本区激电中梯和自然电位测量测线间距(约为1.2 km)偏大,控制程度低,以致在追索石墨矿化异常平面上的展布时存在一定困难,主要表现在测线间平面插值网格化后异常失真(异常不明显或扩大)。
2) 煤成石墨是一个连续演化的过程,常形成不同石墨化程度的石墨化无烟煤、半石墨和石墨逐渐过渡演化的物质[17]。本区虽然在能采到新鲜岩石的地方都采集了标本,但是岩石出露种类较少,物性测定的低电阻率、高极化率特征不排除是炭质岩层反映的可能,在本区后续或类似地区寻找石墨矿时应予以重视。
3) 剖面测量发现异常,测深定量解释异常的工作程序是进行石墨矿勘查的有效方案之一,低电阻率、高极化率(高幅频率)及自然电位负异常是本区石墨矿化的物探识别标志。
4) 激电测深断面图制作时,应注意纵坐标的选取,本区纵坐标取AB/2、AB/3时,剖面信息被放大,层位加深,选取AB/4时激电测深断面基本与钻孔资料吻合。
5) 区内地表水及地下水均发育,为形成自然电场提供了良好的氧化还原条件,但同时应注意在沟谷河流经过地段,应对河流的过滤电场所形成的负值异常加以识别,以避免错当其为石墨矿化异常。
6) 应用物探方法进行石墨矿(尤其在隐伏区)勘查时,应结合勘查区特征采用多种物探方法综合分析,并做好工区地质踏勘、异常区段或露头点的物性测定等工作,尽量避免采用单一手段而带来的盲目性、局限性。
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