張學(xué)武

(永城職業(yè)學(xué)院礦業(yè)工程系,河南 商丘 476600)

河南省某鐵礦區(qū)主要地質(zhì)面貌為平原和丘陵,已發(fā)現(xiàn)并且開采的鐵礦有近20 條,已探明的儲(chǔ)存量高達(dá)6.7 億t。礦產(chǎn)資源是河南省的經(jīng)濟(jì)支柱之一,截至2011 年底,河南省共有礦產(chǎn)區(qū)1 028 個(gè),其中鐵礦區(qū)233 個(gè),保有鐵礦資源151 838.5 萬t。隨著鐵礦開采由淺入深,鐵礦資源的總開采量逐年遞減,2019年8 月,總開采量為68.34 萬t,同比下降了約4.08%,同年9 月,總開采量為84.3 萬t,同比下降了約1.43%[1-2]。為緩解目前河南省鐵礦開采量持續(xù)減少的問題,進(jìn)行深部采礦勢(shì)在必行。

以河南省某鐵礦區(qū)為例,對(duì)深部找礦方法進(jìn)行了研究與應(yīng)用。首先采用高精度磁法進(jìn)行找礦勘探[3],對(duì)所獲勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,圈定異常點(diǎn);再采用可控源音頻大地電磁法對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行找礦勘探[4],進(jìn)一步縮小異常范圍;最后對(duì)得到的勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,圈定異常區(qū)和圈定找礦靶區(qū)。

1 地質(zhì)特征

研究區(qū)為平原和丘陵地貌,整體較平坦,在中部有凸起的山脈,海拔100.0 ～297.9 m,且有露出的基巖[5]。

1.1 地 層

研究區(qū)地層多為第四系,露頭部分巖石主要為位于中西部的太華群變質(zhì)巖,研究區(qū)域地層由老到新排序見表1[6]。由表1 可知:該區(qū)域巖性中太古界趙安莊組和古元古界太華群鐵山廟組的巖石均屬于變質(zhì)巖類,是鐵礦的母巖。

表1 研究區(qū)地層特征Table 1 Stratigraphic characteristics of the study area

1.2 構(gòu) 造

研究區(qū)經(jīng)歷了前震旦早期構(gòu)造、前震旦期構(gòu)造、震旦紀(jì)以來的構(gòu)造變化,形成褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造,褶皺構(gòu)造多為封閉型,斷裂構(gòu)造是由于受壓作用和受扭作用形成的[7],數(shù)量較小。

1.3 巖漿巖與礦體特征

區(qū)內(nèi)巖漿巖是地質(zhì)運(yùn)動(dòng)所形成的,在西南部表面部分可以看到少量閃長(zhǎng)巖露出,巖層深部有閃長(zhǎng)巖、花崗巖等。區(qū)內(nèi)礦體上部和下部巖性均為混合巖,呈現(xiàn)出花崗質(zhì)的條狀結(jié)構(gòu),同時(shí)伴有片麻巖、大理巖和輝石巖,如圖1 所示。區(qū)內(nèi)地表未見鐵礦出露,其周圍的鐵礦區(qū)屬于以沉積巖為主的深部變質(zhì)鐵礦區(qū)[8],面積為4 km2,礦石多為變晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造等,由黑云母、碧玉、正長(zhǎng)石、磁鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦等組成[9]。

圖1 研究區(qū)域礦體特征Fig.1 Characteristics of ore bodies in the study area

2 高精度磁法勘探

2.1 高精度磁法勘探工作布置

在研究區(qū)域進(jìn)行高精度磁法勘探工作,試驗(yàn)儀器為5 臺(tái)質(zhì)子磁力儀,觀測(cè)點(diǎn)50 個(gè)。勘探工作分為3個(gè)部分,分別為野外觀測(cè)、參考點(diǎn)建立、儀器性能檢測(cè)[10-13]。

野外觀測(cè)采用GPS進(jìn)行測(cè)量,觀測(cè)之前需要進(jìn)行儀器調(diào)整,確保其偏差符合要求且時(shí)間準(zhǔn)確,從而減少甚至消除儀器誤差帶來的影響。觀測(cè)通過工作人員手持儀器,進(jìn)行定位并且測(cè)量坐標(biāo);觀測(cè)完成后將坐標(biāo)和軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,并輸送到電腦端。

參考點(diǎn)建立包括選取日變站參考點(diǎn)、儀器校正點(diǎn)、總基點(diǎn)。日變站參考點(diǎn)選取工作是利用6 臺(tái)GSM-19 磁力儀進(jìn)行磁力檢測(cè),最終以磁場(chǎng)平穩(wěn)的區(qū)域?yàn)橹饕繕?biāo),得到日變站參考點(diǎn)的具體位置。儀器校正點(diǎn)選擇需要避免磁場(chǎng)干擾,因而一般選在日變站附近磁力最小的位置?？偦c(diǎn)確定是通過性能穩(wěn)定的GSM-19 磁力儀進(jìn)行日變觀測(cè),每10 s 自動(dòng)記錄一個(gè)數(shù)據(jù),而后將觀測(cè)到的771 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算,所得平均值即為該區(qū)域的總基點(diǎn)值,該值是否有效取決于磁場(chǎng)平均變化值是否小于2 nT。

儀器性能檢測(cè)主要包括探頭高度值確定、儀器噪聲符合性檢查、觀測(cè)誤差確定、一致性檢查等。探頭高度確定是通過2 臺(tái)GSM-19 型磁力儀對(duì)研究區(qū)進(jìn)行往返觀測(cè),分別測(cè)得探頭高度為1 m 的往返觀測(cè)值、探頭高度為1.5 m 的往返觀測(cè)值、探頭高度為2 m 的往返觀測(cè)值,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到磁力儀工作時(shí)探頭高度為2 m 時(shí)可取最佳值。儀器噪聲符合性檢查時(shí),如果儀器顯示的水平方向噪聲精度小于1.0 nT,則滿足試驗(yàn)要求。觀測(cè)誤差是通過5 臺(tái)GSM-19 型磁力儀的均方差誤差值(表2)進(jìn)行分析判定。一致性檢查是通過5 臺(tái)磁力儀對(duì)50 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試,所得方差為0.45 nT(小于設(shè)計(jì)值2 nT),即認(rèn)為一致性檢查符合要求,確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2 試驗(yàn)用GSM-19 型磁力儀觀測(cè)均方根誤差值Table 2 Observed root mean square error values of the GSM-19 magnetometer used in the testnT

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理包括通過小程序進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、利用插值法進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理、數(shù)據(jù)化極、總梯度值計(jì)算等步驟。數(shù)據(jù)預(yù)處理是對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始的修正日變值、去除無效數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)高度值修正、試驗(yàn)數(shù)據(jù)水平梯度值修正,通過使用Visual Basic for Applications(VBA)語言編寫程序,自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,所得部分?jǐn)?shù)據(jù)見表3。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理部分結(jié)果Table 3 Partial results of test data preprocessing

在數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理中,主要使用克里金數(shù)據(jù)插值法對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。首先得到高精度磁法勘測(cè)ΔT值顯示的異常地域;然后通過消除整個(gè)研究區(qū)域的磁場(chǎng)影響,弱化研究區(qū)域內(nèi)的局部異常,消除局部異常干擾,通過求導(dǎo)運(yùn)算消除磁場(chǎng)相互疊加引起的異常,計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總梯度模,對(duì)高精度磁法勘測(cè)量ΔT總梯度模進(jìn)行修正。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最后得到M3、M4、M5 磁異常與該區(qū)域的正異常具有一定的關(guān)系,而M1、M2、M6 異常可能是地下存在鐵礦石所引起的磁場(chǎng)異常。其中M1 異常下部的磁場(chǎng)較淺,并且磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁力較大,可以作為尋找鐵礦的目標(biāo)區(qū)域,但是由于該異常中很多缺失的數(shù)據(jù)多通過插值法計(jì)算得到,其精準(zhǔn)度不高,故而排除M1 異常。M2 異常下部磁場(chǎng)較淺,并且磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁力較大,可以作為尋找鐵礦的目標(biāo)區(qū)域。M6 異常下部磁場(chǎng)較深,并且磁場(chǎng)所產(chǎn)生的范圍較大,可以作為尋找鐵礦的區(qū)域?？傮w上,M2、M6 異常與鐵礦磁場(chǎng)有一定的關(guān)系,具有一定的研究潛力,可作為可控源音頻大地電磁法勘探的目標(biāo)區(qū)域。

3 可控源音頻大地電磁法勘探

3.1 勘探儀器以及操作

本研究試驗(yàn)儀器為美國(guó)的Zonge 公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ型多功能電法站,精確度高、儀器性能穩(wěn)定、探頭的靈敏度很高,十分適合野外探測(cè)工作[14-15],可以作為可控源音頻大地電磁法勘探的主要儀器[16-18]。

勘測(cè)過程中,本研究分別選擇正負(fù)異常區(qū)域覆蓋范圍最廣的南北向C1線和正異常區(qū)域的異常值多樣性較多的南北向C2線進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置(圖2)?？睖y(cè)時(shí)調(diào)整儀器頻率,分別為1、1.414、…、8 192 Hz,每個(gè)頻率之間的遞增倍數(shù)為2,每組數(shù)據(jù)至少測(cè)量3 次。

圖2 研究區(qū)測(cè)線布置Fig.2 Layout of survey lines in the study area

3.2 數(shù)據(jù)處理以及解譯

通過對(duì)勘探結(jié)果進(jìn)行異常數(shù)據(jù)修正,得到較為平滑的數(shù)據(jù)曲線,再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分離和修正處理,最后通過對(duì)勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)位移修正,在此基礎(chǔ)上,以原始數(shù)據(jù)作為勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,利用前期修正數(shù)據(jù)資料對(duì)反演異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,取得最佳效果。通過對(duì)數(shù)據(jù)處理得到C1、C2兩條線的電阻率反演結(jié)果,分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 C1 線視電阻率反演結(jié)果Fig.3 Inversion results of apparent resistivity C1 line

圖4 C2 線的電阻率反演結(jié)果Fig.4 Inversion results of apparent resistivity C2 line

由圖3 可知:C1區(qū)磁場(chǎng)異常主要是由高阻異常體所致,該異常體位于-100 ～-700 m、21#～51#測(cè)點(diǎn)區(qū)段內(nèi),形狀為長(zhǎng)方形。

由圖4 可知:C2區(qū)域內(nèi)1#～11#測(cè)點(diǎn)區(qū)段磁場(chǎng)是由高電阻異常體所致,該異常體視電阻率較高,位于-100 m 處;11#～21#測(cè)點(diǎn)區(qū)段是由于含水構(gòu)造產(chǎn)生某一部分低電阻異常;11#～78#測(cè)點(diǎn)0 ～-600 m 區(qū)段異常體視電阻率較低,為層狀,-600 ～-1 100 m 區(qū)段視電阻率較高,也為層狀。

3.3 勘探結(jié)果

通過高精度磁法勘探,得到深部鐵礦區(qū)的兩個(gè)異常點(diǎn)為M2、M6,對(duì)其進(jìn)行可控源音頻大地電磁法勘探,經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,并結(jié)合該研究區(qū)地質(zhì)特征,圈定了深部鐵礦找礦靶區(qū),分別為C1線的1#找礦靶區(qū)和C2線的2#找礦靶區(qū)(圖2)。

1#靶區(qū)內(nèi)無礦體出漏,區(qū)內(nèi)埋深小于300 m 區(qū)段,巖性為砂土、黃土、黏土;埋深300～1 000 m 區(qū)段,巖性主要為閃長(zhǎng)巖。1#～21#測(cè)點(diǎn)區(qū)段-900 m 處存在高阻體,并且在該區(qū)域內(nèi)存在閃長(zhǎng)巖;21#～51#測(cè)點(diǎn)區(qū)段-300 m 處有寬600、厚400 m 的閃長(zhǎng)巖侵入形成的高阻異常體,故推斷1#～51#測(cè)點(diǎn)之間的地下巖石為一整體;41#～46#測(cè)點(diǎn)區(qū)段,地下巖漿巖活躍,且侵入巖與周圍巖體密切交互,地下部分有低阻體,找礦潛力較大。根據(jù)該靶區(qū)地質(zhì)因素綜合分析,一般閃長(zhǎng)巖下方為鐵礦形成的有利地質(zhì)條件,故本研究鉆探工程的鉆孔位置為45#～47#測(cè)點(diǎn)正下方或者右側(cè),鉆孔深度為-1 000 m。在實(shí)際勘測(cè)過程中,當(dāng)鉆孔深度達(dá)到-950 m 時(shí),探測(cè)到了鐵礦體。

2#找礦靶區(qū)內(nèi)無礦體出漏,該區(qū)域埋深小于300 m 區(qū)段,巖性為砂土、黃土、黏土;埋深300 ～900 m 區(qū)段,巖性主要為花崗巖、片麻巖;埋深大于900 m 區(qū)段,巖性為閃長(zhǎng)巖。C2線11#～21#測(cè)點(diǎn)區(qū)段巖漿巖較多,地層以褶皺結(jié)構(gòu)為主,且在該區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)過鐵礦,故該區(qū)域找礦潛力巨大。根據(jù)該靶區(qū)地質(zhì)因素綜合分析,花崗巖和片麻巖相交互的部分極有可能含有鐵礦,故鉆探工程的鉆孔位置選為11#～21#測(cè)點(diǎn)正下方,鉆孔深度為-1 000 m。在實(shí)際勘測(cè)過程中,當(dāng)鉆孔深度達(dá)到-800 m 時(shí),探測(cè)到了鐵礦體。

4 結(jié) 語

以河南省某鐵礦區(qū)為例,將高精度磁法勘探技術(shù)、可控源音頻大地電磁法勘探技術(shù)與鉆探驗(yàn)證方法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)內(nèi)鐵礦資源的深部勘探,對(duì)于類似礦區(qū)找礦勘探實(shí)踐有一定的參考價(jià)值。

致 謝

本研究行文過程中參考了部分同行學(xué)者成果,謹(jǐn)致謝忱!