基于重磁场特征的洛宁地区构造特征研究及矿产预测
Research on structural characteristics and mineral prediction of the Luoning area based on the characteristics of gravitational and magnetic fields
通讯作者: 安黎明(1983-),男,高级工程师,学士,从事地质与地球物理勘探方面的研究工作。Email:147315429@qq.com
第一作者:
责任编辑: 王萌
收稿日期: 2022-09-21 修回日期: 2023-01-3
基金资助: |
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Received: 2022-09-21 Revised: 2023-01-3
洛宁地区位于崤山隆起与洛宁盆地的结合处,属第四系浅覆盖区,已发现有老里湾、中河等大型银、铅、锌矿床,矿床形成与受断裂构造控制的酸性岩体关系密切。本文利用1∶5万重、磁资料,采用最小曲率位场分离技术、归一化总水平导数垂向导数技术、相关分析法、三维物性反演等方法进行处理,研究断裂构造及酸性岩体分布特征。通过研究表明:洛宁地区受NW向、NE向及EW向三期构造影响,以老里湾为中心,多组断裂呈现半径6.5 km的 “环状”分布特征;发现多处隐伏岩体,重新厘定了老里湾岩体、中河岩体等边界,花岗岩体分布受环状构造控制,岩体埋深约3 km;“环状”构造与磁异常梯级带相关性较好的多处钻孔见矿,在该区开展找矿研究具有重要意义。
关键词:
The Luoning area is located at the junction of the Xiaoshan Uplift and the Luoning Basin and falls into the Quaternary shallow overburden area. Large-scale silver-lead-zinc deposits such as Laoliwan and Zhonghe have been discovered in this area, and their formation is closely related to the acidic plutons controlled by fault structures. This study investigated the distribution of fault structures and acidic plutons based on the processing of 1:50000 gravity and magnetic data using the minimum curvature potential field separation technique, the normalized vertical derivative of the total horizontal derivative (NVDR-THDR) technique, the correlation analysis method, and the three-dimensional physical property inversion. The study results are as follows: (1) The Luoning area is affected by the NW-, NE-, and EW-trending structures; (2) Centering on the Laoliwan area, multiple sets of faults present a ring-shaped distribution with a radius of 6.5 km; (3) Multiple concealed plutons were discovered, and the boundaries of Laoliwan and Zhonghe plutons were re-determined; (4) The distribution of granites is controlled by ring-shaped structures and have a burial depth of about 3 km; (4) The ring-shaped structures are well correlated with magnetic anomaly gradient zones, where ores were found in many boreholes. Therefore, it is of great significance to carry out prospecting studies in these zones.
Keywords:
本文引用格式
张磊, 王万银, 汪孝博, 李文, 张雪丽, 宋豪, 杨敏, 安黎明.
ZHANG Lei, WANG Wan-Yin, WANG Xiao-Bo, LI Wen, ZHANG Xue-Li, SONG Hao, YANG Min, AN Li-ming.
0 引言
资源短缺已经成为我国经济社会发展的瓶颈制约,向地球深部要资源已经成为我国资源可持续发展的战略选择。近年来,随着全国重要矿集区、整装勘查区等项目的实施,深部找矿勘查工作取得了一系列重要进展。河南省洛宁—陕县矿集区是全国重要矿集区之一,近年来在区内及外围先后发现了老里湾、中河等大型银铅锌矿床[1],矿床均与区内发现的花岗斑岩体关系密切,而岩体发育受断裂构造控制明显,因此在洛宁地区开展矿产预测研究必须研究断裂构造及岩体分布特征。
洛宁地区出露岩体主要为中河岩体和老里湾岩体,前人对岩体岩性、化学成分、形成年代及矿床成因进行了大量研究,认为中河银多金属矿体产于中河花岗斑岩体中[2],老里湾银铅锌多金属矿体与老里湾岩体密切相关[3],岩体均形成于早白垩世,为构造—岩浆活动的产物,但对洛宁地区隐伏岩体的分布及中河岩体、老里湾岩体的空间分布特征研究一直没有取得突破;在断裂构造方面,除了地表出露断裂外,仅利用小比例尺重力资料,对区域断裂进行了分析[4],认为研究区内存在2条三级断裂(切割深度约5 km,走向NE向)、2条四级断裂(切割深度约2 km,走向EW向、NE向),但洛宁地区出露断裂与区域断裂构造的切割关系同样未进行系统的认识。断裂及岩体分布特征研究的不足,制约了在洛宁地区开展进一步的找矿预测研究工作。
本文以研究区1∶5万重、磁资料为基础,结合地质和钻孔等资料,利用位场分离(最小曲率)、位场边缘识别技术(归一化总水平导数垂向导数)、相关分析及三维物性反演等方法,系统地研究了洛宁地区断裂构造发育的切割关系,划分崤山隆起与洛宁盆地边界;研究了中河岩体、老里湾岩体空间分布特征,圈定出新的隐伏岩体;确定了低重、低磁的物探找矿标志,开展找矿预测,为实现深部找矿突破提供地球物理支撑。
1 研究区地质与地球物理概况
图1
1.1 地质概况
图2
1.2 矿床地质特征
1.2.1 老里湾银铅锌多金属矿床
老里湾矿床的银铅矿体为隐伏矿体,矿体的空间位置、形态、产状受断裂蚀变带及次级构造蚀变带的控制,其主要赋存在老里湾斑状二长花岗斑岩体内,老里湾岩体为其成矿地质体。矿体位于蚀变矿化带(矿脉)中,主体呈脉状,平面上有右行斜列的现象。矿体沿走向和倾向多呈脉状、似层状、透镜状,局部具分支复合现象,矿体与围岩多呈渐变过渡关系。矿体总体走向NW向,倾向NE,倾角自南西60°~65°,向北东逐渐变为30°~45°,矿体与围岩多呈渐变过渡关系,矿石矿物主要为银矿物、方铅矿、闪锌矿,黄铁矿、黄铜矿、黝铜矿,脉石矿物为斜长石、钾长石、石英、高岭土,蚀变矿物主要为绢云母、高岭土、白云石、石英、钾长石等。矿石主要有益成分为Ag,其次为Pb、Zn。矿石具碎裂结构、自形—半自形—它形粒状结构、交代结构,块状构造、浸染状构造、脉状构造[8]。
1.2.2 中河银多金属矿床
中河银多金属矿以银铅锌矿为主矿体,矿体内部空间呈透镜状且有矿化程度较高的夹石层,矿体多受NNW向断裂及其次级断裂控制,矿体在地表只有极少量露头,南部和北部赋存于破碎蚀变的安山岩,中间赋存于中河花岗斑岩体内部,矿体走向为NWW向345°~355°,倾向平均为263°,倾角为50°~82°,长度约4.6 km,厚度较为稳定,整体呈似层状,沿走向和倾向呈舒缓波状。矿石中金属矿物主要以方铅矿、闪锌矿为主,其次为含银矿物。矿石以碎裂结构为主,矿石构造以脉状—网脉状构造为主,其次为块状构造、稠密—稀疏侵染状构造等[11]。
1.3 地球物理特征
1.3.1 物性特征
图3
图3
研究区岩(矿)石密度(磁性)统计直方图
Fig.3
Statistical histogram of rock (ore) density (magnetism) in the study area
研究区主要地层和岩体的平均磁化率
1.3.2 重力场特征
研究区属华北地层区,在大地构造单元上处于崤山隆起与洛阳凹陷区的接合部位。根据布格重力异常(图4)可知,区内布格重力异常值在-9~52 mGal之间,异常幅值变化范围在63 mGal左右,重力场特征总体表现为西北高、东南低,反映了基底高密度地层的起伏特征。研究区重力梯级带以NE向为主,近EW向次之,反映了区内的主要断裂构造走向,这是划分重力异常区的重要标志。
图4
以杨坡—西洼一线异常梯级带为界,西北部重力异常高值区在区域上属于崤山隆起的东南缘,地表断裂发育,出露断裂以NW向、NE向为主,出露地层主要为熊耳群、第四系,并出露有中河岩体、老里湾岩体等,且发现有银铅锌矿点及铜矿点,在重力场上存在多个相对重力低异常,与出露花岗岩体对应较好,推断与酸性侵入岩体有关。
梯级带东南部的重力低异常区在区域上属于洛宁盆地的边缘。地表为第四系覆盖,主要为太古宙地层凹陷所致,重力低异常形态不完整,异常走向NE向,异常形态不封闭。
1.3.3 磁场特征
图5
图6
研究区杨坡—西洼一线西北地层以熊耳群安山岩为主,出露有中河岩体、老里湾岩体等酸性岩体,岩体主要分布在中、低磁异常上,由于其所含铁磁性物质分布不均匀、蚀变热剩磁作用差异大,因此,磁场特征呈锯齿状跳跃的杂乱异常;以老里湾北为中心,正负磁异常相间分布,形成一个“环状”磁异常特征,已发现的铜矿点、银铅锌矿点多分布在化极磁异常的高磁异常边部,推断矿体形成与酸性岩体侵入通道有关。
东南部为洛宁盆地边缘,磁场特征表现为负磁异常,磁场形态整体呈NE向展布,盆地内磁场变化较平稳,西南部高磁异常可能与磁性基底的分布有关。
2 断裂构造研究
地质构造是地壳的地层或岩体在构造运动中发生形变的形迹,受不同时期构造运动的影响,所形成的断裂可以控制两侧的地层或岩体,形成不同的构造格局,破坏了原岩体或岩层物质的连续性,造成横向上的物性差异,密度的横向差异必然在重力异常上有所显现。因此,利用重、磁位场识别地质体边缘位置时有其独特的优势。本文采用归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)方法进行 [16]断裂推断,该方法能够使计算结果的峰值更加尖锐,横向分辨能力更强,图面简单、清晰,便于识别。
研究区属于第四系覆盖区,东南为洛宁盆地,第四系盖层较厚;西北属崤山隆起区,第四系盖层较薄,局部地区出露基岩。地层以沉积地层为主,磁性体以熊耳群火山岩为主,重、磁异常特征对主要断裂的平面位置确定均能起到指示作用,但重力异常特征在一般断裂平面位置的确定上优势更为明显。因此本文主要基于研究区布格重力异常特征进行断裂的综合研究。
依据张文佑等[17]划分断裂的标准,断裂可分为四级:一级断裂(岩石圈断裂)、二级断裂(地壳断裂)、三级断裂(基底断裂)和四级断裂(盖层断裂)。前人认为研究区内存在2条三级断裂(切割深度约5 km,走向NE向)、2条四级断裂(切割深度约2 km,走向EW向、NE向)[4],本文通过对1∶5万布格重力异常进行NVDR-THDR处理,重新对研究区断裂进行研究(图7),共推断三级断裂3条,其中F3-2、F3-3与前人推断三级断裂F2-5、 F2-6位置基本吻合,新推断三级断裂F3-1;四级断裂39条,其中F4-4、F4-14与前人推断四级断裂F1-9、F2-4的位置基本吻合,新推断四级断裂37条,断裂走向以NE向为主,NW向、EW向次之。
图7
图7
推断断裂与布格重力异常的NVDR-THDR
Fig.7
NVDR-THDR diagram of inferred fault and Bouguer gravity anomaly
研究区受NE、NW、EW向三期断裂构造运动影响,早期受NE向F3-1、F3-2、F3-3断裂作用,形成崤山隆起与洛宁断陷盆地的边界,后期在EW向、NW向断裂作用下,多期构造应力交汇于老里湾—中河堤一带,形成了由12条四级断裂构成的多组环状构造,以老里湾为中心,由内而外依次为: F4-18和F4-19组成环状构造的第一环; F4-17和F4-20组成环状构造的第二环;F4-14、F4-23、F4-21、F4-15组成环状构造的第三环;F4-7、F4-16、F4-22、F4-30组成环状构造的第四环。重点研究区的环状构造与后期岩体侵入关系密切。
3 酸性岩体研究
研究区发育中元古代界熊耳群火山岩,其核部主要为太华岩群变质岩系,整体呈穹窿状,基底与上覆地层之间呈拆离断层接触,基岩内部侵入斜长脉状花岗岩类。根据研究区岩(矿)石密度、磁化率统计结果,研究区花岗岩呈低密度、弱磁性的物性特征,物性的横向差异必然在重力异常和磁力异常上有所体现,因此本文分别对布格重力异常和化极磁异常采用最小曲率法[18]进行位场分离,得到剩余布格重力异常(图8)和剩余化极磁异常(图9),已发现酸性花岗岩体均在环状构造区内,在此基础上用重、磁异常相关分析[19]得到重磁力异常融合图,通过低密度、弱磁性的特征识别研究区酸性花岗岩体的平面位置分布,在此基础上,通过三维物性反演技术,得到酸性花岗岩体的空间展布。研究区花岗岩体与断裂平面分布(图10)
图8
图9
图10
图10
研究区花岗岩体与断裂平面分布
Fig.10
Plane distribution of granite bodies and faults in the study area
本次推断出花岗岩体共8处(图10),其中重点研究区推断出花岗岩体共5处,花岗岩体主要以块状和条带状发育于崤山隆起与洛宁盆地的结合区域,走向以NE向、近EW向为主。
重点研究区发育的花岗岩体包括Y01、Y02、Y03、Y04和Y05,花岗岩体围绕环状断裂构造分布,岩体走向为NE向和NEE向,与断裂走向保持一致。Y01号花岗岩体位于贺家山南侧,面积约2.8 km2,处于剩余重力异常低与剩余化极磁异常低区域,受F4-15和F4-17断裂控制;Y02号岩体位于老里湾地区,面积约8.8 km2,呈NEE向带状发育,受F4-19、F4-20、F4-23断裂控制,岩体边界与断裂相吻合,地表出露老里湾岩体;Y03号岩体位于老里湾北部,面积约1.9 km2,有渡洋河穿过其间,NEE走向呈带状发育,处于剩余布格重力异常低与剩余化极磁异常低区域,受F4-17、F4-18、F4-23断裂控制,地表有小岩体出露;Y04号花岗岩体位于李家庄至中河一带,面积约14.5 km2,沿NEE方向呈带状延伸发育,整体处于剩余布格重力异常低与剩余化极磁异常低区域,受F4-7、F4-14、F4-15、F4-23断裂控制,岩体边界与断裂相吻合,地表出露中河岩体;Y05岩体位于磨峪河以东、中河以北,面积约3.2 km2,位于剩余布格重力异常低与剩余化极磁低异常中,呈近EW向团块状发育,受F4-5和F4-6断裂控制,其南侧出露中河花岗岩体。此区域花岗岩体主要为近NEE走向,其边界受断裂控制明显,研究认为多期次断裂构造作用形成的环状构造为岩浆侵入提供了通道,控制了花岗岩体的分布,对研究区酸性岩体的形成与分布具有明显的控制作用。
在重点研究区北部新识别出近EW向花岗岩体Y06、Y07和Y08。Y06、Y07岩体位于黄沙岭与下断村一线南部,面积分别约为5.3 km2、4.3 km2,剩余布格重力异常低于剩余化极磁力异常低的区域中,其北侧发育EW向断裂F4-4;Y08号花岗岩体位于永昌河北侧,面积约7.4 km2,位于剩余布格重力异常低与剩余化极磁力异常低的区域,呈NEE向带状发育,受F4-1、F4-2、F4-3断裂控制,岩体边界与断裂相吻合。研究认为此区域中基岩受近EW向作用力,发育形成近EW向断裂成为岩浆运移通道,进而控制火成岩发育。
本次研究以环形异常区域的剩余布格重力异常为重点研究区,进行三维物性反演[20],在模型构置时采用均匀网格剖分,网格共剖分20层,单元网格尺寸为250 m×250 m×250 m,每层的网格数为3 717个,全空间共74 340个网格。
在三维反演立体(图11)中,全区零星分布有多处花岗岩体,岩体大小不一,根据其空间分布特征,花岗岩体整体走向呈NE向;在三维反演切片图中,蓝色区域对应低密度的花岗岩体位置所在,当埋深为1 000 m的时候,花岗岩平面呈条带状分布,岩体走向以NE向、近EW向为主;当埋深在2 000 m的时候,花岗岩平面呈条带状、块状分布,条带状岩体走向以NE向和近EW向为主,与1 000 m深度相比,花岗岩体面积减小、数量减少;当埋深为3 000 m的时候,花岗岩体呈团状分布,与2 000 m深度相比,面积大幅度减小,数量很少。综上所述,随着埋深逐渐加深,花岗岩显示逐渐减弱,根据三维反演结果认为约3 000 m深度为酸性花岗岩最大埋深。
图11
图11
三维重力反演
a—三维重力反演立体;b—深度1km切片;c—深度2 km切片;d—深度3 km切片
Fig.11
3D gravity inversion map
a—3D gravity inversion;b—1 km deep slice;c—2 km deep slice;d—3 km deep slice
4 找矿预测研究
洛宁地区基岩以熊耳群地层为主,多金属矿床多与侵入熊耳群地层的花岗岩体关系密切,而酸性岩体在物性上表现为低磁、低密度的特征,因此以低重、低磁异常为找矿标志[21],开展钻孔验证能够有效提高钻孔见矿率。
图12
ZK006孔:孔深 472.82~488.03 m,银品位30.84 g/t,铅品位0.58%,锌品位0.73%。
ZK802孔:孔深 165.70~167.43 m,银品位101.00 g/t、铅品位1.36%、锌品位1.32%。
ZK001孔:孔深0~5.15 m,银品位2.05~34.9 g/t、铅品位0.332%~4.590%、锌品位0.327%~2.311%。
因此,老里湾地区“环状”断裂构造区为重点成矿区。
5 结论与建议
1)本文重新研究了洛宁地区断裂分布特征,认为洛宁地区NE向、近EW向断裂控制了崤山隆起与洛宁盆地的边界;老里湾地区受NE向、NW向、EW向三期构造作用影响,早期受NE向F3-1、F3-2、F3-3断裂作用,形成崤山隆起与洛宁断陷盆地的边界,后期在EW向、NW向断裂作用下,多期构造应力交汇于老里湾—中河堤一带,形成了以老里湾为中心的“环状”构造特征,构造中心与老里湾花岗岩体出露位置基本吻合,环状构造与重点研究区酸性岩体侵入密切相关。
2)老里湾地区酸性岩体受NE向断裂控制,“环状”构造内发育酸性岩体5处,根据重力三维物性反演结果,老里湾岩体和中河岩体埋深约3 000 m。
3)地表矿点及钻孔揭露矿体多分布在“环状”构造内的酸性岩体周围,以低重、低磁为找矿标志,在老里湾“环状”构造带内开展进一步找矿研究,有助于实现该地区新的找矿突破。
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Gravity inversion is inherently nonunique. Minimum-structure inversion has proved effective at dealing with this non-uniqueness. However, such an inversion approach, which involves a large number of unknown parameters, is computationally expensive. To improve efficiency while retaining the advantages of a minimum-structure-style inversion, we have developed a new method, based on edge detection and center detection of geologic bodies, to help to focus the spatial extent of meshing for gravity inversion. The chosen method of edge detection, normalized vertical derivative of the total horizontal derivative, helps to outline areas to be meshed by approximating the edges of key geophysical bodies. Next, the method of center detection, normalized vertical derivative of the analytic signal amplitude, helps to confirm the center of the areas to be meshed, then a binary mesh flag is generated. In this paper, the binary mesh flag, restricting the spatial extent of meshing, is first undertaken using the two methods, and it is shown to dramatically reduce the number of grid cells from 574,992 for the whole research volume to 170,544 for the localized mesh by the same size of cell, which is decreased by almost 70%. Second, gravity inversion is performed using the spatially restricted mesh. The recovered model constructed using the binary mesh flag is similar to the model obtained using the mesh spanning the whole volume and saves approximately 80% of the CPU time. Finally, a real gravity data example from Olympic Dam in Australia is successfully used to test the validity and practicability of this proposed method. The geologic source bodies are resolved between 250 and 750 m depth. Overall, the combination of edge detection and center detection, and our binary mesh flag, succeed in reducing the number of cells and saving the CPU time and computer storage required for gravity inversion.
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