利用井中三分量磁測ΔT三維異常體特征分析磁鐵礦體產狀
——以山東省蘭陵縣蘭陵礦區古林礦段為例

邱光輝

(中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 濟南 250013)

0 引言

蘭陵鐵礦位于山東省蘭陵縣西南方向的蘭陵鎮，位于著名的蒼嶧鐵成礦帶的南側[1-4]。該區域地質勘查工作始于20世紀70年代，1971年冶金工業部通過1∶5萬航磁測量圈定了蘭陵磁異常，此后，于70年代中期，山東冶金地質四隊對蘭陵磁異常開展鉆探驗證，并確定該處磁異常是由新太古代泰山巖群山草峪組地層中的磁鐵石英巖所引起[5-7]，此后近30年時間，該區未開展過系統的地質勘查工作和相關科研工作。從2005年開始，中化地質礦山總局山東地質勘查院在該區相繼進行了普查、詳查工作。該文基于上述階段成果，為了解古林礦段鐵礦體真實產狀，利用群孔三分量磁測ΔT異常，對古林礦段礦體三維空間賦存形態進行了分析，對確定礦體產狀提供了物探依據,有力地助推了該礦區勘查工作的順利進行。該次利用群孔ΔT三維異常體特征分析鐵礦體產狀，開創了利用井中單一磁參量解譯鐵礦體三維特征的先河，對相似區域群孔井中三分量磁測解譯鐵礦體產狀具有借鑒意義。

1 礦區地質概況

1.1 地層

礦區大地構造位置位于華北板塊(Ⅰ)陸塊魯西隆起區(Ⅱ)魯中隆起區(Ⅲ)棗莊斷隆(Ⅳ)的嶧山凸起(Ⅴ)與磨山凸起(Ⅴ)交會部位[8]。區內地層以新太古界與新元古界不整合面為界，其下部為泰山巖群山草峪組變質巖為主的變質基底，上部為元古代至古生代寒武紀沉積巖地層及第四系構成的蓋層。區內地層順序由老至新分別為：新太古代泰山巖群山草峪組、新元古代土門群、古生代長清群及第四系[3-4]。其中，泰山巖群山草峪組為賦礦層位[9]。

1.2 構造

區內第四系覆蓋厚度較大，分布廣，基巖出露極少，斷裂構造均隱伏于第四系之下，區內斷裂構造均為物探推斷斷裂(圖1)，推斷區內斷裂構造主要呈近EW向、NW向、近SN向及NE向走向[10]。區內近EW向斷層主要有2條，分別為城前-磨山斷裂和物探推斷斷層F5，對該區的地層分布有明顯的控制作用。區內NW向斷層共有2條，分別為黃山-層山斷裂和蘭陵斷裂，未發現其對礦體造成影響[3-4]。該區近SN向斷層組合為區域內的主要成礦后構造，對礦體分布有一定影響[9]。

1.3 巖漿巖

區內巖漿巖不發育，僅于少數鉆孔內發現小規模的脈巖[9]，主要為中生代脈狀侵入巖，巖性主要為閃長巖、閃長玢巖、煌斑巖及少量的正長巖等巖脈，多在蓋層中所見，基底地層中分布較少，未發現對礦體產生破壞且規模較大的脈巖。

1—臨沂組；2—黑土湖組；3—山前組；4—寒武紀饅頭組；5—寒武紀朱砂洞組；6—寒武紀李官組；7—震旦紀石旺莊組；8—震旦紀浮萊山組；9—南華紀佟家莊組；10—南華紀二青山組；11—推斷斷裂；12—物探推斷區域斷裂；13—古林礦段礦體及編號；14—蘭陵礦段礦體及編號；15—蘭陵礦區范圍圖1 蘭陵礦區區域地質簡圖

1.4 礦體地質特征

蘭陵鐵礦區自西往東分為小寨子段、古林段和蘭陵段3個礦段，礦段之間以斷層為分界線[5]。截至2015年，蘭陵鐵礦共查明鐵礦石資源量7.2億t(其中古林礦段0.99億t)，屬深隱伏沉積變質型磁鐵礦(“鞍山式”鐵礦)，礦體賦存于新太古代泰山巖群山草峪組變質地層中①黃文院、郝興春、劉建穩等，山東省蒼山縣蘭陵礦區(古林-蘭陵礦段)鐵礦詳查報告，2012年。②王煥志、宋衛衛、楊才等，山東省蘭陵縣蘭陵礦區古林礦段鐵礦詳查報告，2017年。，礦體頂界面埋深一般為550～800m，礦體呈層狀、似層狀產出，總體走向300°～310°，總體傾向NE，傾角很陡，呈近直立狀。礦體沿走向最長4.025km，沿傾向最大斜深1252.64m，礦石為需選鐵礦石，礦石平均品位mFe23.34%，S、P含量較低[9]。

古林鐵礦處于蘭陵-小寨子磁異常帶的中部(圖2)，磁異常特征相對獨立。蘭陵-小寨子磁異常帶整體走向呈NW300°左右，而古林磁異常走向呈NE30°左右，相對于蘭陵-小寨子磁異常帶的其他局部磁異常，古林磁異常走向順時針旋轉了90°，形成了相對獨立的磁異常特征。從矢量場相關理論上分析，ΔT磁異常特征的差異，反映了地下磁性地質體的空間賦存狀態的不同[11]。

基于對蒼嶧鐵礦、蘭陵鐵礦整體走向為NW向的認知，古林鐵礦在較小的范圍內走向能否實現90°扭轉，在勘查過程中，對古林礦段鐵礦體的走向、傾向產生了爭議[5]。為了弄清古林鐵礦體的真實賦存狀態，以及為地質推斷提供依據，該文在整理古林礦段范圍內已經施工的井中三分量磁測數據后，利用三維成圖軟件Voxler生成ΔT磁異常三維立體圖[12-13]，結合巖石磁性參數，圈定了地下強磁性地質體三維立體形態。

1—推斷斷裂；2—物探推斷區域斷裂；3—古林礦段礦體及編號；4—蘭陵礦段礦體及編號；5—古林礦段磁異常范圍；6—蘭陵礦段磁異常范圍圖2 蘭陵礦區高精度磁測ΔT磁異常圖

2 井中三分量磁測數據整理

Voxler軟件是Golden Software公司推出的一款真正意義上的三維可視化科學制圖軟件，該次工作利用該軟件對井中三分量磁測數據進行了三維成圖，成圖前需先對井中三分量磁測數據進行整理。

2.1 井中三分量磁測ΔT磁異常值的計算

該次磁測井工作采用中裝集團重慶地質儀器廠生產的JGS-1B智能綜合數字測井系統及JCX-3型井中磁力儀。該井中磁力儀使用垂向定向系統，這種系統有2個自由度，其中一個軸始終沿鉛垂方向，即z軸；y軸水平始終指向井傾斜方位，x軸水平垂直于y軸。

由此可寫出在垂直定向系統中的地磁正常場分量和磁異常分量表達式[14]：

正常場分量表達式為

(1)

磁異常分量表達式為

(2)

由公式(1)和公式(2)可以求得磁異常水平分量的模值：

(3)

進而求得磁異常總場的模值為

(4)

式中：β—每一測點的鉆孔傾斜方位角；I—地磁傾角。

2.2 井中磁測測量點空間位置的確定

井中三分量磁測孔內測量點空間位置的確定，以鉆孔孔位地面精測坐標(X0,Y0,Z0)為起算點，以鉆孔孔深和陀螺測斜數據為空間定位參數，按照公式(5)計算地下每個測量點的空間坐標：

Xi=X0+(LcosAicosBi)Yi=Y0+(LcosAisinBi)Zi=Z0-LsinAi

(5)

式中:L—鉆孔的斜深;Ai—孔內某點的傾角;Bi—孔內某點的方位角。由公式(1)～(5)即可計算出各個鉆孔內不同深度測量點的三維空間坐標及ΔT磁異常值，為利用voxler軟件成圖奠定了數據基礎。

3 利用井中磁測ΔT三維異常體特征分析古林磁鐵礦體三維形態

3.1 ΔT磁參量在磁異常解譯中所具備的優勢

該次工作之所以選用ΔT磁參量圈定三維異常體，是因為ΔT磁異常值不存在零值點，所以在探測上沒有盲區，并且其幅值均為正值，幅值大小與磁性體強弱呈正相關，更易理解。所以ΔT磁異常所圈定的異常體，較ΔZ磁異常圈定的異常體更為清晰，異常形態更為完整，并且ΔT異常體形態與磁鐵礦體的真實形態更為接近，更利于使用三維ΔT異常體分析磁鐵礦體空間賦存狀態。

3.2 礦區主要巖性磁性參數特征

為了群孔井中磁測的解譯，中化地質礦項目組對磁測井鉆孔所取巖芯分巖性進行了磁化率、磁化強度測量，由測量結果統計可知(表1)，上覆沉積蓋層巖石(灰巖或泥灰巖)的平均磁化率為0.1×10-3，可視為無磁性；礦體圍巖(黑云變粒巖)平均磁化率為0.35×10-3，圍巖的磁性也很弱；在該礦區能引起較強磁異常的只有磁鐵礦體。根據磁鐵礦體的磁化率測量值，結合化學樣的化驗結果(由中化地質礦山總局第十九實驗室提供)，將磁化率大于100×10-3，即ΔT為5500nT以上的磁異常確定為有找礦意義的磁異常，將磁化率大于200×10-3，即ΔT為10000nT以上的磁異常推斷為磁鐵礦體所引起的磁異常[9]。

表1 礦區主要巖、礦石磁性參數統計

3.3 利用ΔT磁參量三維立體圖分析磁鐵礦體三維形態

圖3是利用Voxler軟件生成的ΔT磁異常體標準表面模型(Isosurface)圖[15-18]，圈定異常體等值面的屬性值為6000nT，圖3反應了ΔT磁異常幅值大于6000nT的強磁性地質體在古林礦區范圍內的整體分布特征。

圖3 古林礦區井中磁測ΔT磁異常三維立體圖

由圖3可知，古林礦區ΔT強磁異常體由2個近于平行排列的強磁異常體組成，這2個強磁異常體整體走向呈NE30°左右，傾向NW，傾角60°左右。強磁異常體的分布特征反應了強磁地質體的空間賦存狀態。

強磁性地質體賦存標高在600m以深，沿走向呈波狀彎曲分布，局部呈膨大狀，推測膨大處應發育有褶皺構造[19]。在礦區范圍內，強磁性地質體沿走向在SW和NE兩端均未封閉，區內強磁地質體展布長600～1000m。從圖3上看，強磁性地質體沿傾向厚度有變化，表明礦體厚度沿傾向呈不均勻狀分布。

圖4 古林礦區井中磁測ΔT磁異常三維切片圖

為了能從更多細節分析強磁地質體沿走向、傾向的分布特征，利用Voxler軟件的正射影像圖(Orthoimage)或斜射影像圖(Obliqueimage)功能繪制三維切片圖(圖4，圖5)，這種圖件反映的是在某一投影平面上ΔT磁異常值的變化特征，進而反映強磁性地質體在這一投影平面上的空間賦存形態。因為切片方向和位置可以任意選取，所以三維切片圖對于分析強磁性地質體在某一位置的細節很有幫助。

圖4為ΔT磁異常在XY，XZ，YZ三個方向上的正射影像圖，可以較清晰地看出強磁性地質體的走向和傾向，以及沿走向和傾向方向磁性地質體的變化特征，相關細節也有較清晰的反映，特別是沿傾向方向，ΔT磁異常體傾角有較大變化，初步分析應為斷層錯動所致。

圖5 古林礦區井中磁測ΔT磁異常不同方位切片圖

為了更為詳細地分析強磁性地質體沿走向和傾向方向上的變化特征，針對強磁性地質體走向NE30°、傾向NW和傾角60°的分布特征，分別繪制了NE30°方位、NW300°方位和標高-1100m深度的切片圖(圖5)。從圖5可以更清晰地看出2個平行排列、走向NE、沿走向波狀彎曲的具體細節，特別是NW300°方位切片，更為詳細地反應了強磁性地質體沿傾向的分布特征，可以看出強磁性地質體沿傾向呈上陡下緩狀，在標高-1000m處強磁性地質體呈現錯動狀，推斷錯動處應發育有一定規模的斷裂構造。從圖5可以看出，強磁性地質體沿傾向向深部并未尖滅。

3.4 物探推斷的有效性分析

根據上述對古林礦區強磁性地質體(磁鐵礦體)產狀的推斷，古林礦段詳查工作項目部對古林礦段勘探線系統進行了調整，將勘探線方位由30°調整為300°，并根據新的勘探線系統布置了新的鉆孔進行驗證。通過驗證表明古林鐵礦礦體埋深為700～800m，呈層狀、似層狀產出，總體走向NE25°～40°(圖1)，傾向NW，傾角55°～70°[20-21]。鉆探工程驗證結果與物探推斷基本一致，這表明利用群孔井中三分量磁測ΔT三維異常體特征分析磁鐵礦礦體產狀，在該區域效果良好。

4 結語

以蘭陵礦區古林礦段群孔井中三分量磁測資料為基礎，利用Voxler軟件進行井中三分量磁測ΔT異常三維立體成圖，結合巖礦石磁性參數特征，推斷礦致的ΔT三維異常體，研究磁鐵礦體的空間賦存狀態，提出了利用群孔井中磁測確定磁鐵礦體產狀的方法。利用這一方法對古林礦段鐵礦體的產狀進行了推斷，經鉆孔驗證推斷結果正確。為類似地區鐵礦勘查提供了示范。

致謝：該次工作得到了古林鐵礦項目部人員董西學高級工程師和張海亮工程師的大力支持；在井中三分量數據整理期間，得到了趙青濤工程師、張超工程師和周雷工程師積極協助，在此一并表示感謝！