近年来,随着我国经济社会发展步入高质量发展时期,对于矿产资源的需求加速,很多大中型矿山的可采资源储量加速消耗,特别是许多老矿山面临资源枯竭的危机,不仅影响到国家发展对于资源需求的保障,同时也带来老矿山企业生存、地方经济发展和企业职工就业等一系列问题。为此,国家高度重视老矿山接替资源的问题,2004年起,自然资源部会同财政部和发展改革委等相关部门组织实施了危机矿山接替资源找矿工作,并取得了显著成绩。然而需要面对的现实是,大量老矿山的接替资源依旧匮乏,仍需大力开展老矿山深部和外围接替资源勘查,延长矿山服务年限^[1,2]。

向山南—大甸塘地区位于宁芜火山盆地中段,该盆地是长江中下游铁铜多金属成矿带的重要矿集区之一^[3]。区内工作程度较高,已有多家地勘、科研单位及大专院校开展了大量的地质调查、矿产勘查、物化探等勘查工作^[4,5,6,7],并先后发现了向山硫铁矿、凹山铁矿、高村铁矿、陶村铁矿、和尚桥铁矿等众多大中型铁矿床。近年来,该区域矿山的已探明矿石多数已开采完成,为能延长矿山服务年限、避免资源枯竭,亟须开展老矿山周边及外围找矿工作,但目前所使用的物探资料多数为矿山未开发之前获取的资料,且地表工业设施众多,如采矿、选矿、运输设备,尾矿、矿石堆等均能引起高强度的干扰磁异常,所以迫切需要通过快速、有效的技术方法获取最新的资料信息为深部及周边地质找矿服务。

随着无人直升机技术日趋成熟,无人直升机航磁测量成为无人机航空物探技术的一个重要分支,具有超低空、低速巡航、机动性强等优势,且起降无需跑道,非常适合于大比例尺、小面积的航磁详查工作,因此越来越多的航空地球物理公司和研究单位开展了研发与应用。如2007年美国INL组织多家公司和研究机构研制了一套以Yamaha Rmax直升机为飞行平台,搭载G823-A航空磁力仪的无人直升机航磁测量系统;2012年日本东京工业大学等研究机构联合研发了一套基于无人直升机的重磁系统,取得了一定效果^[8,9]:2017年劳雷工业公司利用SARAH 4.0无人直升机搭载AARC51补偿系统和铯光泵磁力仪等设备,但未见应用于实际测量工作;2017年中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所与山西煤炭地质物探测绘院合作,集成了一套无人直升机航磁系统,并在江苏省某滩涂区进行了试验飞行,效果良好^[10];2016~2017年,江苏省地质勘查技术院依托航空对地探测技术研究中心这一科技创新平台,集成了一套基于无人直升机的航磁测量系统^[11]。2018年受安徽省地质矿产勘查局322地质队(以下简称“322地质队”)委托,江苏省地质勘查技术院采用该无人直升机航磁测量系统,在向山南—大甸塘地区开展了1∶1万航磁勘查工作,填补了老矿山及周边区域缺乏高精度、高分辨率磁场资料的空白,同时依据航磁解释成果布钻施工的钻孔,至2019年底已有4个钻孔见矿,找矿效果显著。这也说明了老矿山外围找矿工作中,方法技术创新工作的重要性。

工作区内基岩出露甚少,大部分被第四系(Q)覆盖,东南部有粗面岩(τ)出露,其下部地层为白垩系下统大王山组(K₁d)火山岩地层。大王山组(K₁d)可分为上下两段,下段下部以晶屑凝灰岩为主;下段上部为粗安岩、安山岩,多含黄铁矿;上段下部主要为凝灰角砾岩、层状凝灰岩,含赤铁矿、褐铁矿饼状体;上段上部主要为粗安岩、安山岩,底部有时有集块角砾粗面熔岩(图1)。

工作区内有一条长约3 km,宽约1~2 km的向山向斜,微向西或南西倾伏。向山南铁硫矿赋存于火山褶皱构造中,由火山构造盆地和火山穹窿构造组成,分布于全区。大甸塘矿区内存在火山短背斜构造,该构造位于凹山、陶村火山穹窿之间的凹陷地段中的一个局部小隆起。区内断裂构造十分发育,向山南硫铁矿区内有一条近NEE—SWW向贯穿全区的张扭性正断层F₁,在平面上呈舒缓的反“S”型。大甸塘矿区南段出露有NNW向破碎带,长约140 m,宽3~10 m,南段向西呈弧形弯曲。萝卜山爆发角砾岩筒产于闪长玢岩体北段瘤状突出部位,平面形态呈不规则圆形,剖面呈喇叭状,垂深大于320 m。

本区岩浆活动强烈,主要为燕山期的火山喷发及岩浆侵入活动。岩浆岩主要为次火山岩相的辉石闪长玢岩,主要分布于深部,地表主要分布在向山硫铁矿、向山南硫铁矿东面以及萝卜山东部和南部。该岩体与大王山组(K₁d)火山岩地层呈侵入接触,是工作区铁、硫矿床的成矿母岩或围岩。工作区内(包括岩体和邻近火山岩)曾经发生过广泛而强烈的热液蚀变作用,主要表现为辉石闪长玢岩的蚀变交代及其裂隙带和角砾岩带中的充填和沉淀作用,矿化主要为磁铁矿化,次为假象赤铁矿化、黄铁矿化,矿体围岩蚀变在垂直方向上有明显的分带特征。

工作区内有多个老矿山,主要有向山硫铁矿床、向山南硫铁矿床、大甸塘硫铁矿床、萝卜山铁矿床、南山铁矿床和凹山铁矿床等。向山硫铁矿床主要赋存于区内NE向、SW向的含矿构造带中,是大规模的浸染状黄铁矿和铁矿,铁矿体沿走向北高南低,向SE方向延伸,埋藏越深;向山南硫铁矿床的铁矿体主要分布于闪长玢岩与火山岩接触带附近的蚀变带和闪长玢岩体内,铁矿主矿体形态为不对称不完整锅状、凸镜状和似层状,黄铁矿体形态为似层状和凸镜状;大甸塘铁硫矿床中铁矿体主要产于闪长玢岩中,受火山穹窿构造的制约,矿体产状大致与岩体顶部起伏一致,共有7个铁矿体,走向为EW向;萝卜山铁矿床北矿段仅有一处矿体,矿体产于闪长玢岩内,矿体呈漏斗筒状,南矿段有两处磁铁矿矿体,主矿体呈不规则板状体。

地球物理勘查是以勘查对象与围岩之间的岩(矿)石物性差异为前提,各类岩(矿)石的物性参数是正确认识地球物理场、进行异常解释推断的基础。为了客观掌握区内岩(矿)石磁性特征,为航磁成果解释提供详实的物性基础数据,项目组搜集和整理了区内及邻近地区的岩石物性资料(表1)。经统计分析,相较于其他岩(矿)石,闪长玢岩的磁化率和剩余磁化强度较强,表现出中等强度的磁性特征,能引起明显的异常响应;而蚀变后的闪长玢岩,其磁化率和剩余磁化强度都很弱,呈现弱磁性;而磁铁矿体的磁性最强,磁化率值在数万个单位以上,剩余磁化强度达到5 000个单位以上,异常特征明显。

工作区属于丘陵地形,区内地形最大高差达100多米,测区内住宅和工业设施众多,无飞行跑道和机场可用,因此飞行平台使用具备机动性能好、可垂直起降的涡轮轴动力无人驾驶直升机。机载航磁系统主要由GSMP-35A型高精度钾光泵磁力仪、数据收录系统、TFM100-G2型三轴磁通门磁力仪、激光高度计、GPS导航定位系统等设备组成。

为了使磁探头远离无人机机身,设计了一套沿机头方向延伸长度为2 m的碳纤维材质四棱柱结构支架(图2),棱柱之间采用航空铝材两两相连,形成固定平面,增加支杆的稳定性,减少飞行过程中产生的抖动。该支架安装在飞机起落架上,磁探头安装在支架的最前端,磁通门安装在超出旋翼覆盖部位,GPS安装在靠近机体位置,数据收录系统以及高度计安装在起落架上方^[11]。

本次航磁测线方向为SN向,测线间距100 m,飞行测量获得的异常连续性好且轮廓清晰。航磁数据经各项改正和粗略水平调整后,全区航磁测量总精度为±2.09 nT,测量结果满足航磁规范要求^[12,13]。针对工作区地形条件特点,为了尽可能降低飞行高度和突出找矿效果,野外生产飞行采用沿地形缓起伏的飞行方法。在架次飞行前,飞控人员要根据无人直升机性能参数、测区DEM数据和地表建筑物高度,详细规划好每条测线导航点的飞行高度和飞行速度等参数, 确保无人直升机能够在无人驾驶自主导航情况下安全飞行。

本区磁场整体处于高水平背景下。区内主要分布两条NE向高磁异常带,其北侧伴生负值;异常带沿NE向断裂带展布,包含多个椭圆状、等轴状的局部异常,强度可达几千nT,异常北侧梯度较陡,南侧梯度略缓。

由于航磁ΔT数据是不同深度、不同形态、不同规模、不同强度的地质体磁场信息在观测平面上的综合反映,再加上斜磁化的影响,使得所关注的局部异常磁场特征复杂化。因此,在充分研究已有资料的基础上,对航磁数据进行位场转换处理,可简化、突出或强调异常的磁场特征,从而获得更多的有用信息。

本次工作进行了化极(RTP)、向上延拓不同高度、计算水平一阶方向导数、倾斜角(TA)、倾斜角总水平导数(TA-THDR)等位场数据处理,从而更准确地圈定异常范围、突出叠加异常,分离背景场后的剩余异常场其特征更加明显,能够清晰反映线性构造。

结合地质资料与物性统计结果,本区带状正磁异常对应侵入大王山组地层的闪长玢岩,该岩浆岩磁性较强,形成了正值高磁背景场,其内部叠加局部高磁异常则主要是磁铁矿的反映,可以作为老矿山深部及外围找矿的找矿线索。东部广泛分布的大王山组和第四系覆盖区磁性较弱,形成了较为平缓的低磁背景场。结合化极和向上延拓等位场数据处理结果(见图3),随着向上延拓高度的增加,局部单个异常磁场强度逐渐变弱或消失,背景场特征与深部信息逐渐显现出来。根据上延300 m的剩余异常特征,本区主要有9个局部异常,其中有找矿意义的局部异常7处。从图4可知,在上延300 m的剩余异常图中,航磁局部异常范围更加清晰,如向山硫铁矿和萝卜山铁矿航磁异常从背景场中分离出来;增强了弱磁异常的显示,特别是东部几个局部异常的形态更清晰。

对本区磁异常进行了水平方向一阶求导,能够提高磁异常识别的分辨率,突出线性构造在磁异常场中的反映。从图5处理结果可见,求导后的背景场与异常场区分更加明显,突出显示了4个条带状磁异常。因此推测了4条线性构造(断裂),推测的NE向断裂构造被后期构造运动形成的NNW向断裂构造错断,在区内形成网格状构造,这些构造的交叉点是岩浆入侵活动和矿化作用的有利地段,区内的主要铁矿床大都分布在这些断裂交叉或交接部位。

倾斜角能够很好地平衡高幅值异常和低幅值异常,起到边缘增强的效果,且倾斜角总水平导数具有更强的横向分辨能力。因此在化极基础上,利用倾斜角和倾斜角总水平导数的处理结果(图6)来进行边缘识别,区内圈出的磁性体边界大体上反映了区内闪长玢岩体的分布范围,由于闪长玢岩是矿区铁、硫矿床的成矿母岩,因此圈定的磁性体范围是下一步确定找矿和布设验证钻孔的重要区域。

为了实现老矿山深部及外围找矿,项目组对区内具有找矿意义的2处局部异常进行了精细反演与解释。其中,HC06对应已知向山硫铁矿,平面形态呈椭圆状,长轴走向为NE,整体表现为高磁背景场下的正异常,异常极大值为2 424 nT,梯度北陡南缓,左侧伴生负异常。异常中心与主矿体对应较好,结合已有勘探线资料分析可知,该异常为赋存在接触带中的磁铁矿所引起,且向山硫铁矿中的铁矿体在深部沿ES向延伸未被控制住。为了探明向山硫铁矿中已知铁矿体深部和外围延伸情况,在异常中心点两侧选取两条平行的勘探线剖面(图7)进行2.5D正演拟合计算。根据收集的物性参数资料,并结合有关地质资料分析确定本次反演的参数为:磁铁矿体的有效磁化强度为30 A/m,闪长玢岩(δu)的有效磁化强度为2 A/m,蚀变闪长玢岩的有效磁化强度为0 A/m。

从两个剖面的定量计算结果看(图8),位于采空区下方的磁铁矿体ES方向存在磁铁矿体:埋藏较浅的矿体呈层状,矿体平均厚度约60 m,顶部埋深沿测线ES方向逐渐增加;深部矿体呈层状,顶部埋深沿测线ES方向逐渐增加,矿体平均厚度约100 m。

由于测区内地表工业设施、采矿坑和居民建筑等人文干扰因素多,地面磁法查证工作无法展开。因此,安徽省地勘局322地质队铁矿普查项目组根据航磁解释结果直接进行钻探验证。在航磁HC05号异常区内布设了1号钻孔,并于395.65 m深度见工业品位磁铁矿体,累计磁铁矿体厚10.26 m;在航磁圈出的HC06号异常区内布设了2号和3号两个钻孔,2号孔共见10层磁铁矿体,其中工业品位3层,累计见矿厚度128.74 m,3号孔共见9层磁铁矿体,其中工业品位3层,累计见矿厚度173.10 m。这一见矿结果证实了向山南—大甸塘地区仍然具有巨大的找矿潜力,实现了老矿山深部及外围找矿的重要突破。

本次工作采用无人直升机航磁系统在马鞍山向山南—大甸塘地区开展了大比例尺航空磁法测量,获得的航磁成果不仅填补和更新了矿区及周边的高精度磁场资料,而且依据航磁解释成果布钻施工的4处建议钻孔已见矿,找矿效果显著。这也表明,在老矿山深部及外围找矿中,采用无人直升机航磁方法可减少人员涉足危险环境,安全快速地获取最新数据,确定重点找矿区域。

无人直升机航磁测量作为有人驾驶飞机的有益补充,提供了一种更加灵活、高效的航磁测量方法,其机动性高,所采集的数据精度高、密度大,因此在大比例尺小面积详查工作中具有良好的应用前景。

在野外工作期间,得到了322地质队和安徽马钢集团南山矿业有限责任公司的热情帮助和支持,在此致以衷心的感谢。