鐘莊華，張尚清，張文旭，趙軍，馬騰飛，艾金元

（1.山西省第三地質(zhì)工程勘察院礦產(chǎn)資源綜合研究室，山西晉中 030620；2.河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 050031）

山西省云義隱伏鋁土礦綜合勘查技術(shù)應(yīng)用

鐘莊華1，張尚清2，張文旭1，趙軍1，馬騰飛1，艾金元1

（1.山西省第三地質(zhì)工程勘察院礦產(chǎn)資源綜合研究室，山西晉中 030620；2.河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 050031）

鋁土礦是山西省的優(yōu)勢礦種之一，保有資源儲量居全國之首。然而淺部的鋁土礦勘查殆盡，后備可開采資源不足，需要加大對中深部隱伏鋁土礦的勘查。本次工作在山西省霍西云義地區(qū)，利用可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT法）以及高精度重力測量法，結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)，基本查明了研究區(qū)的構(gòu)造斷裂情況，初步繪制了奧陶系灰?guī)r侵蝕面并推測出了鋁土礦含礦段的賦存范圍。這表明本次工作對古喀斯特地貌發(fā)育地區(qū)減少無效工程的數(shù)量和控制邊界頗有成效，對今后山西省中深部的煤下鋁土礦勘查工作有啟示意義。

山西霍西地區(qū)；隱伏鋁土礦；電磁探測；工程布設(shè)

山西省鋁土礦賦存于石炭系本溪組的中下部，資源儲量豐富，但基礎(chǔ)儲量僅占總資源儲量的10%左右，可供開采的儲量不足，增加可供設(shè)計利用的基礎(chǔ)儲量是當(dāng)務(wù)之急①山西省鋁土礦資源勘查開發(fā)規(guī)劃，山西省國土資源廳，2016.。山西省鋁土礦含礦段常呈平行不整合接觸賦存在奧陶系碳酸鹽巖侵蝕面之上，奧陶系碳酸鹽巖侵蝕面常常發(fā)育古喀斯特地貌。經(jīng)多年采礦和大量勘查鉆孔資料驗證總結(jié)，鋁土礦產(chǎn)狀有層狀，似層狀、漏斗狀，礦體產(chǎn)狀是隨著奧陶系碳酸鹽巖侵蝕面的起伏而變化的，局部產(chǎn)狀變化較大[1-5]。因此，先通過物探手段間接查明鋁土礦含礦段下伏奧陶系侵蝕面的起伏形態(tài)及推測鋁土礦含礦段分布范圍，對調(diào)查煤下鋁土礦資源賦存情況意義重大。前人先后應(yīng)用電阻率法、淺層地震法、瞬變電法等物探方法來直接探測鋁土礦體，在有利的條件下是有效的，但并沒有取得特別好的效果[6-11]。本次在研究區(qū)域利用可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT法）以及高精度重力測量手段，結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)，基本查明了區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造情況，推斷出奧陶系灰?guī)r侵蝕面，實現(xiàn)了對鋁土礦有利賦存區(qū)的推測，對今后山西省中深部隱伏鋁土礦勘查工作有重要的啟示意義。

1 地質(zhì)特征及成礦規(guī)律

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

云義鋁土礦區(qū)位于鄂爾多斯板內(nèi)拗陷帶與山西板內(nèi)造山帶分界線兩側(cè)，區(qū)域上屬于汾西-蔚莊板坳的靈石汾西塊凹的一部分，總體為一軸向NE-SW的寬緩向斜，在向斜的基礎(chǔ)上又有波狀起伏。地層傾角一般5°～15°，地層較平緩[5]。該區(qū)大地構(gòu)造位于霍西臺陷-孝（義）-汾（西）盆狀復(fù)向斜中部，總體展布方向為NNE。出露地層由老到新有奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，新生界第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。區(qū)內(nèi)地層傾向較為復(fù)雜，波狀起伏明顯，主要構(gòu)造線方向基本同區(qū)域一致，走向NNE向，傾向NWW，傾角一般8～20°，局部地層受向斜同生的次級小構(gòu)造影響,傾角可達46°左右，區(qū)內(nèi)地表未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造，僅在鋁土礦礦層露頭附近發(fā)現(xiàn)有小型錯斷現(xiàn)象，斷距均小于5 m，延長一般小于15 m，對礦體影響不大（圖1）。

1.2 礦體地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)鋁土礦體（層）賦存于石炭系中統(tǒng)本溪組一段地層中部，呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出。鋁土礦礦體（層）底板距奧陶系侵蝕面0～5.75 m，一般1～3 m。由于受古地理沉積環(huán)境控制和上覆地層沉積前的剝蝕作用影響，含礦層厚度在不同地段不盡相同。本區(qū)含礦巖系為一套由山西式鐵礦、鐵質(zhì)鋁（粘）土巖、鋁土礦（巖）、硬質(zhì)耐火粘土礦及粘（鋁）土巖等組成的鐵鋁質(zhì)建造，賦存多種礦產(chǎn)。自下而上一般沉積順序為：鐵質(zhì)粘（鋁）土巖（夾山西式鐵礦）-鋁土巖或鋁土礦-硬質(zhì)耐火粘土礦或粘土巖，局部地段鐵質(zhì)、硅質(zhì)含量較少，鋁土礦直接與奧陶系侵蝕面接觸。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 The Geological map of study area

鋁土礦體賦存形態(tài)隨著基底奧陶系灰?guī)r古風(fēng)化侵蝕面起伏而變化，這是由于其古風(fēng)化侵蝕面上喀斯特地貌并不發(fā)育，同時沉積分異作用使得酸性溶液中Fe2+離子分異富集，形成了含鐵較多的鐵鋁巖對奧陶系碳酸鹽基底進行了一定程度上的補償填平作用，但仍影響礦體形態(tài)和厚度變化[4,5]。

本區(qū)內(nèi)礦體直接頂板多為硬質(zhì)耐火粘土礦，局部為粘土巖和鋁土巖；底板多為硬質(zhì)耐火粘土礦或鋁土巖、鐵質(zhì)粘（鋁）土巖和山西式鐵礦等，局部為奧陶系灰?guī)r。礦體厚度0.39～5.50 m，平均1.74 m，厚度變化系數(shù)62.35%。

1.3 區(qū)域成礦規(guī)律

山西鋁土礦是晚古生代晚石炭世早期產(chǎn)于中奧陶系碳酸鹽巖侵蝕面之上的沉積礦產(chǎn)。它形成于該時期的陸表海近岸或邊緣地帶，其后的地質(zhì)構(gòu)造運動，使鋁土礦殘存于現(xiàn)代構(gòu)造盆地中，鋁土礦的產(chǎn)出嚴(yán)格受現(xiàn)代構(gòu)造盆地的控制[3-5]。區(qū)域成礦規(guī)律可總結(jié)為以下四點：

（1）嚴(yán)格受地層控制（即鋁粘土含礦巖系）。

（2）嚴(yán)格受現(xiàn)代構(gòu)造盆地的控制。

（3）鋁土礦形成時的地質(zhì)基底基本是平坦的（依據(jù)鋁土礦與其上部煤層穩(wěn)定的層間距判定），在相對平坦的基底上發(fā)育有古島、水下突起等構(gòu)成鋁土礦生成發(fā)育時的各種亞相。在這個意義上講原始形成的鋁土礦床礦石品質(zhì)與現(xiàn)代鋁土礦的埋深無關(guān)。

（4）鋁土礦床形成后應(yīng)該受到成礦后各種地質(zhì)作用影響，使礦床產(chǎn)生或貧或富變化（相對于原始形成的礦床）或平面上礦石質(zhì)量上的變化。

2 地球物理特征

綜上述可知，本文探究的主要目的就是通過探測奧陶系灰?guī)r的起伏面來合理布置鉆孔達到間接找礦的效果，同時基本查明勘查區(qū)內(nèi)的深部地質(zhì)構(gòu)造、斷層等地質(zhì)情況以便鉆探施工。

本次收集區(qū)域內(nèi)物性參數(shù)如表1所示。根據(jù)巖石密度特征，上覆地層與鋁土礦、奧陶系灰?guī)r有較大的密度差異，鋁土礦與灰?guī)r也有一定的差異，奧陶系灰?guī)r密度值在（2.66～2.67）×103kg/m3左右，鐵、鋁質(zhì)巖石密度值則為（2.83～3.01）×103kg/m3左右。但由于鋁土礦層較薄，重力對礦體單獨的直接反映不甚明顯，往往重力高、低變化反映的是奧陶系灰?guī)r的起伏界面。在一定埋深情況下，重力異?？梢员鎰e奧陶侵蝕面的起伏形態(tài)。

表1 云義鋁土礦區(qū)巖礦物性參數(shù)統(tǒng)計Tab.1 The physical parameters of main stratum within the bauxite region in Yunyi

在電性參數(shù)方面，據(jù)收集的測井資料，各地層之間存在較明顯的電性差異（表2）。總的電阻率變化規(guī)律是：第三系和第四系＜二疊、石炭系＜煤鋁地層＜奧陶系地層。二疊系主要為泥巖、砂巖互層，電阻率變化范圍為幾十至幾百Ω·m；煤及石炭系灰?guī)r電阻率較高，可達幾百至幾千Ω·m；鐵鋁巖層的電阻率與砂、泥巖層的沒有明顯的差異。奧陶系灰?guī)r：電阻率變化范圍為480至數(shù)千Ω·m，且與破碎程度及泥質(zhì)含量有關(guān)?？傮w上來說，該層電阻率最高構(gòu)成了本區(qū)良好的電性標(biāo)志層。

以上電性分布規(guī)律表明，利用電性特征區(qū)分上述三類地層單元，劃定奧陶系灰?guī)r界面以間接指導(dǎo)找礦的思路是具備物性前提的。因此通過應(yīng)用可控源音頻大地電磁測量（CSAMT）法，可以區(qū)別奧陶系灰?guī)r與上覆地層存在的非常明顯的電性差異來探查奧陶系灰?guī)r侵蝕面的起伏形態(tài)[9]。

3 綜合勘查技術(shù)應(yīng)用

本次工作我們先利用重力儀對云義鋁土礦區(qū)進行了掃面工作，之后在鉆孔勘探線上進行了剖面性重力測量以及剖面性可控源音頻大地電磁法(CSAMT)測量，結(jié)合前文所述的物性參數(shù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后得到如下成果。

3.1 重力異常解釋

通過回歸分析法處理后得到的剩余重力異常圖（圖2）可以看出，研究區(qū)異?？偟内厔菔俏鞅备?，東南低。布格重力異常值最低位于研究區(qū)東南角，為-125.33×10-5m/s2，最高位于西北角，為-105.08×10-5m/s2，變化幅度達19.25×10-5m/s2。布格重力異常整體走向表現(xiàn)為NW，次為NNW與研究區(qū)內(nèi)的奧陶系基底起伏的特征是一致的?？偟膩碚f，剩余重力異常反映了奧陶系侵蝕面的宏觀起伏特征或者其上覆巖層厚度的變化。

表2 云義鋁土礦區(qū)巖礦電性參數(shù)統(tǒng)計Tab.2 The electrical parameters of main stratum within the bauxite region in Yunyi

重力勘探中用于解譯斷裂的依據(jù)主要是布格重力異常及其位場轉(zhuǎn)換后的某些特征，同時應(yīng)用地質(zhì)及其地球物理探測成果，在綜合分析的基礎(chǔ)上，對可能存在的斷裂予以劃分。劃分?jǐn)嗔岩罁?jù)主要有：

（1）斷裂構(gòu)造使其兩側(cè)地層發(fā)生位移，由于地層密度不同，故重力場表現(xiàn)為規(guī)模較大的線狀布格重力異常梯級帶或重力場等值線扭曲。

（2）不同類型、強度及形態(tài)的布格重力異常分界線。

圖2 剩余重力異常及推斷奧陶系灰?guī)r等高線圖Fig.2 The residual gravity anomaly and the contour map of Ordovician limestone inferred

（3）布格重力異常等值線的同形（向）扭曲帶或重力異常軸向突然改變方向及同源異常突然錯位，或發(fā)生平面位移的密集帶或扭曲帶。

在農(nóng)田水利工程當(dāng)中采用該技術(shù)一般都是將其運用到大規(guī)模的農(nóng)田灌溉當(dāng)中，采用該技術(shù)的過程中，應(yīng)運用灌溉機達到節(jié)水灌溉的效果。使用該技術(shù)的主要工作原理為：合理的使用灌溉機，灌溉機運行過程中所產(chǎn)生的壓力帶動卷盤，使得水資源能夠通過軟管達到正常灌溉的效果。

（4）剩余重力異常中，正負(fù)異常間的急劇過渡帶或近于平直的零值線，也常是斷裂的反映。

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動復(fù)雜，斷層發(fā)育。根據(jù)上述劃分?jǐn)嗔训囊罁?jù)和布格重力異常圖，同時剔除由于地形或者淺層地表巖性分界影響造成的假異常，最終推斷斷裂8條（圖2）。

3.2 綜合剖面解釋

研究區(qū)鋁土礦為碳酸鹽巖古侵蝕面之上的一水硬鋁石型沉積鋁土礦。該類鋁土礦礦床最有利的成礦地段為離海岸稍遠(yuǎn)的淺海盆地及海灣瀉湖邊緣區(qū)。依據(jù)前文物性參數(shù)特征分析，鋁土礦賦存于本溪組下部因其電性與圍巖差異不大，但因本溪組與奧陶系侵蝕面位置非常接近，其埋深及起伏可通過對奧陶系灰?guī)r頂界面的解釋推斷而間接求的。礦體賦存的有利部位在奧陶系侵蝕面相對凹洼地段。

在地形復(fù)雜，高差較大的地區(qū)，布格重力異常通常與地形成鏡像關(guān)系，通過回歸分析法對布格重力異常數(shù)據(jù)處理后，一定程度上消除了地形的影響，處理后的重力異常與奧陶系侵蝕面的起伏形態(tài)存在相關(guān)關(guān)系，一定程度上可以反映該界面的變化。而奧陶系灰?guī)r侵蝕面由于與其他地層存在明顯的電性差異，因此結(jié)合可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT）能較好地反應(yīng)奧陶系灰?guī)r侵蝕面的變化特征。

本次研究區(qū)共布設(shè)了3條精測剖面，編號依次為AA′、BB′、CC′。下面就各條剖面的擬合推斷解釋成果進行分述。

3.2.1 AA′剖面處理結(jié)果及分析解釋

AA′線地表主要出露石炭系太原組、本溪組，地形起伏較大，高差達175 m。第四系黃土覆蓋相對較薄，厚度最大為19 m，本線礦體厚度最大為3.18 m，礦體埋深最大為38 m。圖3為AA′線高程與布格重力異常綜合曲線圖，發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系細(xì)節(jié)上仍然成鏡像關(guān)系，高程數(shù)據(jù)快速下降的地段處對應(yīng)的布格重力異常值都會凸起，這表明重力數(shù)據(jù)受地形的影響。

對AA′線進行了反演解釋（圖3a），反演過程中，使用鉆孔ZK1，ZK13，ZK000，ZK30資料作為約束條件，可以看到AA′線奧陶系侵蝕面標(biāo)高總的變化趨勢與布格異常值一致，標(biāo)高高值區(qū)對應(yīng)重力值的高值區(qū)。但具體到局部，布格重力異常并沒有隨著奧陶系侵蝕面高程的變化而起伏，兩者之間并沒有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖3b為AA′線反演視電阻率剖面成果圖，可以看到，AA′線縱向電性上總的特點由低到高，中間有明顯梯度帶，地層成層狀較為明顯。整條剖面電性結(jié)構(gòu)明顯，縱向上視電阻率值由低到高變化明顯。地表視電阻率為低阻，視電阻率值小于600 Ω·m。推斷解釋為上覆新生界地層及石炭系地層。上覆蓋層之下為奧陶系灰?guī)r地層，推斷奧陶系灰?guī)r頂界面如圖中紅線所示。

該線總體奧陶系灰?guī)r埋深較淺，部分地方奧陶系灰?guī)r出露。在該線2200點、3600點、5050點和5650點附近的鉆孔ZK1、ZK13、ZK0000和ZK30鉆孔資料顯示，推斷奧陶系灰?guī)r埋深與已知資料吻合。對應(yīng)分析a，b，重力反演的奧陶系侵蝕面起伏特征與電法吻合較好，兩者與地質(zhì)剖面（圖3c）基本吻合。

3.2.2 BB′剖面處理結(jié)果及分析解釋

BB′線地表主要出露石炭系太原組、第四系地層，地形起伏較大，高差達179 m。第四系黃土覆蓋相對較薄，厚度最大約為38 m，本線礦體厚度最大約為4.80 m，礦體埋深最大約為149 m。圖4為BB′線高程與布格重力異常綜合曲線，兩者同樣在局部上有一定鏡像關(guān)系，布格異常在地形變化比較大的地方有弱的擾動，而重力異常整體上受到結(jié)晶基底的影響。

對BB′線進行了反演解釋（圖4a），反演過程中，使用鉆孔ZK0430，ZK0804，ZK0807，ZK0803資料作為約束條件，可以看到BB′線布格異常值逐漸增大，奧陶系侵蝕面高程卻逐漸降低。這說明該線重力場整體上受到結(jié)晶基底的影響。

圖4b為BB′線反演視電阻率剖面成果圖，可以看到，線縱向電性上總的特點由低到高，中間有明顯梯度帶，地層成層狀特征較為明顯。該線總體奧陶系灰?guī)r無出露。地表視電阻率為低阻，視電阻率值小于600 Ω·m，平均厚度小于200 m。推斷解釋為上覆新生界地層及石炭系地層。上覆蓋層之下為奧陶系灰?guī)r地層，視電阻率值大于800 Ω·m，推斷奧陶系灰?guī)r頂界面如圖中紅線所示。

在該線2450點、5150點、5450點和5950點附近的鉆孔ZK0430、ZK0804、ZK0807和ZK0803資料顯示，推斷奧陶系灰?guī)r埋深與已知資料較為吻合。對應(yīng)分析a、b，重力反演結(jié)果與電法吻合較好，兩者與地質(zhì)剖面（圖4c）同樣基本吻合。

圖3 AA′線綜合解釋圖Fig.3 AA′line comprehensive interpretation chart

圖4 BB′線綜合解釋圖Fig.4 BB′line comprehensive interpretation chart

3.2.3 CC′剖面處理結(jié)果及分析解釋

CC′線地表主要被第四系覆蓋，僅在中部出露少量的石炭系地層，地形起伏較大，高差達256 m。第四系黃土覆蓋相對較厚，據(jù)已知資料厚度最大為82 m，本線礦體厚度最大為4.80 m，礦體埋深最大約為200 m。圖5為CC′線高程與布格重力異常綜合曲線圖，布格重力異常則跟地形成明顯的鏡像關(guān)系。這表明重力數(shù)據(jù)受地形的影響很強烈。

對CC′線進行了反演解釋（圖5a），反演過程中，使用鉆孔ZK1204，ZK21，ZK1604資料作為約束條件，可以看到CC′線布格重力值與奧陶系侵蝕面高程呈鏡像關(guān)系，隨侵蝕面的抬升而減小。

圖5b為CC′線反演視電阻率剖面成果圖，可以看到，CC′線縱向電性上總的特點由低到高，中間有明顯梯度帶，地層成層狀特征較為明顯。該線總體奧陶系灰?guī)r無出露。在該線2700點、4300點和4850點附近的鉆孔ZK1204、ZK21和ZK1604資料顯示，推斷奧陶系灰?guī)r埋深與已知資料吻合。CSAMT電法剖面較清楚地反應(yīng)了奧陶系灰?guī)r面的起伏情況，通過使用回歸分析對布格數(shù)據(jù)進行處理并結(jié)合CSAMT電法剖面，推斷圖5b中的紅色線即為奧陶系灰?guī)r頂界面。

本線由視電阻率斷面圖推斷在2 700點和2 800點之間存在一條傾向南東的正斷層。我們可以看到ZK1204布設(shè)的位置斷層上盤一側(cè)，避開了斷層，可以較好的防止鉆探事故發(fā)生，提高了鉆探工藝。

對應(yīng)分析a，b兩圖，重力反演結(jié)果與電法大部分一致，兩種方法在ZK1204附近均推斷有斷層的存在，并且性質(zhì)相同，傾向相同。僅在西北端稍有不同，重力反演的奧陶系侵蝕面高程持續(xù)下降，相同地段電法的推斷是先上升后下降。兩者與地質(zhì)剖面（圖5c）大致吻合。

4 結(jié)論及建議

本次研究區(qū)內(nèi)以重力異常為基礎(chǔ)，結(jié)合綜合物探剖面及鉆孔資料，基本查明了區(qū)域奧陶系灰?guī)r界面的埋深情況，同時對可能存在的8條斷層進行了推斷。結(jié)合了綜合物探剖面及地質(zhì)剖面對奧陶系灰?guī)r頂界面（鐵鋁巖組底板）進行了推測，大致劃分區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架，推斷奧陶系侵蝕面起伏變化特征。

圖5 CC′線綜合解釋圖Fig.5 CC′line comprehensive interpretation chart

山西省煤下隱伏鋁土礦的勘查是一項極具難度的工作，至今還沒有直接有效的地球物理方法能夠探查到鋁土礦。而中深隱伏鋁土礦的勘查勢在必行，隨著勘查深度的加深，更需要的是保證鉆探工作有效性及合理性。鑒于此，我們需要針對不同的鋁土礦床類型采用不同的勘查手段，尤其是對古喀斯特地貌發(fā)育的地區(qū)，在勘查程度低的空白區(qū)綜合運用有效的物探手段控制礦體邊界，布設(shè)探礦工程時便可做到有的放矢，減少無礦鉆孔的數(shù)量，提高找礦效率，擴大找礦成果。建議在勘查程度低且礦體埋深較大的空白區(qū)進行鋁土礦勘查時，先試用有效的物探測量方法了解區(qū)內(nèi)鋁土礦基底構(gòu)造形態(tài)，然后再進行探礦工程的布設(shè)。

致謝：感謝何進高級工程師以及專家李俊建研究員提出的寶貴修改意見。

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Application of interrated exploration to Yunyi concealed bauxite deposits in Shanxi province

ZHONG Zhuang-hua1,ZHANG Shang-qing2,ZHANG Wen-xu1,ZHAO Jun1, MA Teng-fei1,AI Jin-yuan1

(1.Shanxi Provincial Third Institute of Geological Engineering Investigation Synthetic Study Laboratory of Mineral Resources, Jinzhong Shanxi 030620,China；2.Hebei GEO university,Shijiazhuang 050031,China)

Bauxite is one of the dominant mineral resources in Shanxi Province,ranking first in the our country. With the growth of alumina production project,the bauxite resources of Shanxi province have been in short supply,but the shallow exploration of bauxite mining resources can be exhausted.With the lack of resources,we need to increase the exploration of deep concealed bauxite.This research used Controlled Source Audio-Frequency Magnetotelluric method（CSMAT method）and high precision gravity measurement method.Combined with drilling data,we ascertain the fault situation of the study area,draw preliminaryly the Ordovician limestone erosion surface and infer the occurrence position of iron-bauxite rock group.This work provides a theoretical basis for the engineering design and layout for drilling bauxite the next exploration in areas of Shanxi province in the future,at same time the deep coal bauxite exploration plays an important role for the work.

Huoxi region of Shanxi Province;concealed bauxite deposit;electromagnetic sounding;engineering layout

P618.45；P631.3+25

A

1672－4135（2017）02－0134-07

2017-02-19

山西省國土資源廳價款項目“山西省靈石縣云義礦區(qū)鋁土礦普查（T14120080702010956）”

鐘莊華（1980-），男，工程師，2002年畢業(yè)于長春工程學(xué)院地質(zhì)專業(yè)，主要從事地質(zhì)勘查與研究工作，Email： 934761299@qq.com。