深部鐵銅礦勘探的地球物理勘查模型研究
——以河南盧氏八寶山鐵銅礦床為例

朱彥彥, 張景業, 楊秋玲, 王亞偉, 劉曉毅, 王飛飛

(1.河南省地質礦產勘查開發局 第一地質礦產調查院, 洛陽 471023;2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預測重點實驗室, 洛陽 471023)

0 引言

隨著我國礦業開發的高速發展和礦產勘查工作程度的提高,礦產勘查領域逐步從地表礦、淺部礦向深部礦、隱伏礦轉變,勘查理論和勘查方法也發生了巨大的變化。針對深部隱伏礦床的找礦預測理論,自20世紀80年代以來,形成了系列礦產預測理論,王世稱等[1]提出的“綜合信息預測方法技術”;趙鵬大[2]提出的“三聯式”數字找礦與定量預測評價礦產預測理論方法;陳毓川等[3]提出的“缺位預測”理論;葉天竺等[4]提出的“固體礦產礦床模型綜合地質信息預測技術”,在我國礦產資源勘查評價中發揮了重要作用。在區域性基礎地質資料和礦點、礦化點線索選區的基礎上,采用大比例地質填圖和物化探技術解決勘查區隱伏礦、深部礦的找礦難題,建立中深部地球物理勘查模型,是目前勘查區找礦勘查程序的重要步驟之一。

盧氏縣八寶山鐵銅礦區位于河南省盧氏縣潘河鄉,自20世紀60年代,相關單位在八寶山地區開展了鐵、銅、金等多金屬的礦產勘查工作,提交了鐵銅金資源量,并陸續開展了采礦工作,采礦歷史悠久。該地區位于華北克拉通南緣,緊鄰秦嶺造山帶,屬盧氏-欒川陸緣褶斷帶。八寶山鐵銅礦床是東秦嶺鉬多金屬成礦帶上典型的中生代斑巖-矽卡巖型礦床,以鐵礦化為主,伴隨銅、鉬、鉛鋅礦化。與燕山期中酸性斑巖體有關的內生礦床是區域礦產勘查的重要目標和找礦方向[5-7],在區域上銀家溝礦床等也開展了類似研究[8-9]。筆者以盧氏八寶山鐵銅礦為研究對象,采用高精度磁測、CSAMT、激電中梯等多種技術方法,對該區深部及外圍進行初步評價,建立斑巖-矽卡巖型鐵銅礦中深部地球物理勘查模型。

1 地質背景

1.1 區域成礦地質特征

工作區位于華北克拉通南緣,太古宇太華群變質巖系構成結晶基底,蓋層為中元古界熊耳群、中元古界官道口群、新元古界欒川群、震旦系、下寒武統、局部為二疊系和三疊系。地層分屬秦嶺地層區和華北地層區,區域上以黑溝-欒川斷裂為分界線,斷裂北部為華北地層區豫西地層分區熊耳山地層小區,斷裂南部為秦嶺地層區北秦嶺地層分區南召小區、盧氏盆地及第四系沉積。區內斷裂構造極其發育,以東西向數條大型斷裂為主,輔以北北東向斷裂,構造運動以側向拉張和區域性差異升降作用為主。區內比較重要的斷裂為黑溝-欒川斷裂帶、馬超營斷裂帶、撞根-頭道河斷裂帶,這些大型斷裂帶內侵入巖發育,動力變質及熱液蝕變強烈,巖漿及熱液活動明顯,對鐵、鋅、銅、金、鉛、銀、鉬等礦化具有明顯地控制作用。

工作區位于小秦嶺-豫西金鉬多金屬成礦帶,杜關-夜長坪成礦遠景區東部的八寶山-杜關巖漿巖成礦亞帶。區域礦產分布主要受大型斷裂及次級斷裂構造控制,以盧氏-欒川陸緣褶斷帶為主要成礦區域,具有明顯的方向性。燕山期中酸性侵入巖體構成了區域成礦的主要物質來源和容礦空間,與成礦作用關系密切,如銀家溝巖體、夜長坪巖體、八寶山巖體、曲里巖體、柳關巖體等均形成典型的礦床。區域礦種類型多樣,鉛鋅銀礦分布于盧氏-欒川多金屬成礦帶中,礦床(點)主要分布在官道口群、欒川群碳酸鹽巖-碎屑巖為主的地層中,受巖性、斷裂、燕山期中酸性小巖體的多重控制,礦床類型以層控型及熱液充填(交代)型為主;鉬礦分布于杜關-夜長坪成礦帶;鐵礦可分為矽卡巖型、熱液脈型和沉積變質型三種成因類型;銅礦主要分布于柳關-八寶山一帶,規模多為中小型(圖1)。

圖1 區域地質礦產分布圖Fig.1 Regional geological and mineral distribution map

1.2 區域地球物理特征

1.2.1 區域重力場特征

區域重力異常特征總體表現為異常幅度南北高中間低,低值區沿徐家灣、湯河、廟子一帶分布。布格重力異常等值線展布方向及局部重力異常軸向以北西西向為主,北東向次之,與北西西向區域構造線及疊加的北東向構造特征基本一致。重力高異常大多對應于基底地層的相對隆起,重力低異常主要為中新生代斷陷盆地或隱伏-半隱伏酸性巖體所致,如盧氏盆地在區域重力異常圖上呈現為低值圈閉(圖2(a))。

圖2 區域重力場、磁場特征圖Fig.2 The characteristic map of regional magnetic field and gravity field

1.2.2 區域磁場特征

區域上,北部華北陸塊南緣和南部秦嶺造山帶的磁場特征差異明顯,一般以黑溝-欒川斷裂為界。華北陸塊南緣為正負磁異常過渡帶,磁場較為平緩,異常面積大,反映了華北陸塊南緣崤山-熊耳山地塊、盧氏-欒川陸緣褶皺帶的火山巖與巖漿活動的狀況以及古老地層基底隆起,如盧氏盆地,新生界厚

度薄,磁場受熊耳群火山巖與基底斷裂的影響明顯,形成明顯的低磁異常圈閉。南部秦嶺造山帶磁場幅值變化較大,正負磁異常規律性不明顯,正磁場強度一般為100 nT～ 260 nT,局部最大值為1 300 nT,負磁場強度多在0 nT～-200 nT,局部最小值達-800 nT。整體上看,區域正負磁異常范圍與區域性斷裂分布形態關系密切,多呈北西或北西西向帶狀展布,其長軸方向與區域構造線基本一致(圖2(b))。

1.2.3 區域巖石物性特征

磁性強弱以火山噴發巖-巖漿侵入巖-變質巖-沉積巖的順序遞減,火山巖以超基性-基性-中性-酸性-堿性巖的順序遞減。鐵礦石的磁性則按磁鐵礦-鉻鐵礦-鏡鐵磁鐵礦-磁黃鐵礦-赤鐵礦-鏡鐵礦-黃鐵礦-褐鐵礦的順序遞減。區域上巖石電性差異明顯,強礦化礦石如強黃鐵礦化弱硅化礦石、弱黃鐵礦化弱鉛鋅礦化礦石等,視電阻率平均值為550 Ω·m,視極化率平均值為9.9%;中等礦化礦石,如黃鐵礦化硅化礦石,視電阻率平均值為2 471 Ω·m,視極化率平均值為27.06%;弱礦化礦石,如弱黃鐵礦化、弱褐鐵礦化礦石等,視電阻率平均值為4 981 Ω·m,視極化率平均值為4.0%;圍巖如安山巖、花崗巖、片麻巖、石英脈等,視電阻率平均值為4 961 Ω·m,視極化率平均值為1.2%。受礦化蝕變作用的各類巖石因含金屬硫化物而形成低阻高極化體,與高阻低極化的未蝕變原巖形成明顯的導電性和激電特性差異。區內巖石密度范圍值為2.33 g/cm3(火山碎屑凝灰巖)～3.01 g/cm3(輝長巖),一般特征為火山巖的密度較侵入巖的密度高;基性、中性巖體密度較酸性巖高;變質巖的密度變化較大,視其巖性而定。

2 礦區地質礦產特征及成礦預測模型

礦區地層分區屬熊耳山地層小區,為一套中元古界至下古生界濱淺海相碳酸鹽巖-碎屑巖沉積建造,中低級區域變質,整體呈近東西向展布。由北至南出露地層為新元古界欒川群白術溝組,中元古界官道口群龍家園組、巡檢司組、杜關組、馮家灣組,新元古界欒川群煤窯溝組,下古生界陶灣巖群三岔口組、風脈廟組、秋木溝組。礦區內出露地層主要為龍家園組、秋木溝組,巖性以白云巖為主。

受多期次地質運動變形變質影響,區域構造復雜,褶皺、斷裂發育,斷裂主要走向近東西向、北北西向,傾向北北東,產狀陡,沿走向及傾向呈波狀,以壓扭性為主,局部見張性碎裂巖。在八寶山巖體邊緣水壓緣裂隙尤其發育,以北西西向為主,其次為北東東向和北北東向,多組節理交叉發育,裂隙內硅化、多金屬礦化強,常見輝鉬礦、黃銅礦、黃鐵礦、鉛鋅礦,局部見金、銀礦化。

八寶山巖體為礦區出露的侵入巖體,位于后清河村周圍,東西長約2 km,北北東向最大寬度約0.7 km,面積約1.05 km2,巖體屬(晚侏羅世)燕山早期中酸性淺成小巖體,成巖年齡146±2 Ma[10]。圍巖為杜關組、馮家灣組白云巖,呈侵入接觸,接觸帶強烈矽卡巖化。巖體與圍巖接觸帶內傾呈喇叭狀,600 m標高以下接觸帶呈陡直筒狀。巖相分為中心相黑云二長花崗斑巖和邊緣相正長花崗斑巖(圖3)。根據八寶山巖體與礦體的空間位置關系,將主要礦體劃分為南、北、西三個礦帶,南、北礦帶規模較大,構成礦床的主體。鐵礦體是區內主要礦體,主體為褐鐵礦,單工程TFe品位為20.76%～52.05%,平均品位為42.08%,以往工作共提交鐵礦石量為11 050 000 000 kg,占整個礦區鐵總資源量的46%;銅鉬礦體主要賦存在北礦帶鉀化帶內,礦體厚度為1.02 m～109.87 m,平均厚為32.28 m,單工程Cu品位為0.23%～0.59%,平均品位為0.46%,單工程Mo品位為0.03%～0.201%,平均品位為0.072%。

圖3 八寶山礦區成礦模型Fig.3 The metallogenic model of Babaoshan mining area

矽卡巖帶內原生礦石為磁鐵礦石、黃鐵黃銅礦石、黃鐵礦石;鉀化帶內原生礦石為細脈浸染型黃銅礦石、輝鉬礦石及二者共伴生的銅鉬礦;巖體外圍原生礦石主要為鉛鋅(銀)礦石。

秦克章等[11]提出的斑巖-矽卡巖型成礦預測模型(圖3)對成礦巖體、成礦空間、蝕變類型等進行了詳細說明,八寶山礦床作為典型的斑巖-矽卡巖型礦床,具有明顯的分帶性,由內向外分為:高中溫斑巖型銅鉬礦床分帶,產于巖體邊緣相鉀化帶,礦石類型主要為浸染型銅鉬礦體;中溫矽卡巖型鐵銅礦床分帶,產于矽卡巖帶,礦石類型主要有鐵礦、銅硫礦;中低溫熱液型鉛鋅礦床分帶,產于巖體圍巖裂隙,礦石類型主要為脈狀、透鏡狀鉛鋅(銀)礦。

3 綜合地球物理勘查

在八寶山礦床成礦預測模型基礎上,對成礦有利部位開展綜合地球物理勘查工作(圖4)。本次綜合地球物理勘查工作的主要思想是“就礦找礦”,對礦區深部找礦前景進行初步評價,研究成礦地質體和成礦結構面中深部延伸情況,間接為中深部礦體勘查提供靶區位置;對礦區周邊和近勘查提供靶區位置;對礦區周邊和近外圍礦化情況進行評價,通過篩選與礦區異常類似的礦外圍礦化情況進行評價,通過篩選與礦區異致異常直接找礦,了解與礦區成礦地質體和成礦結構面類似的地下地質結構的發育情況間接找礦,從而建立地球物理勘查模型[12-15]。

圖4 八寶山礦區及其外圍綜合地球物理勘查工程布置圖Fig.4 Layout of Babaoshan mining area and its periphery comprehensive geophysical exploration project

3.1 高精度磁法測量

高精度磁法測量工作主要部署在八寶山巖體的北部,采用WCZ-1質子磁力儀,儀器分辨率為0.1 nT。本次工作線距為100 m,點距為20 m,經統計總基點T0值為52 278.98 nT。根據《地面高精度磁測工作規程》(DZ/T 071-93)質量評價要求,本次磁測均方誤差為2.62,滿足規范要求。統計ΔT平均值作為區內背景值,背景值加上5倍均方誤差作為異常下限,求取的異常下限為40.09 nT,以此下限作為劃分異常的依據。

整個測區范圍劃分三個異常區,C-1異常區位于八寶山巖體北部,呈北西-南東向,異常ΔT相對強度大于40.09 nT,整體位于YM-27航磁異常范圍內,面積約1.25 km2,西部未閉合,呈團狀。C-2異常區位于C-3異常的西南部,走向近東西,面積約0.05 km2,C-3異常區位于八寶山巖體范圍內(圖5(a))。通過對異常區的磁測數據進行化極、延拓等手段,C-1和C-3異常區在向上延拓平面圖上均呈現高磁異常,隨深度增加其面積也逐漸增大。C-3異常區為八寶山巖體的反應,推測C-1異常區可能為隱伏巖體的綜合反映。

圖5 高精度磁測等值線圖和平面剖面圖Fig.5 High precision magnetic survey contour map and plane profile map

3.2 激電中梯測量

遵循從已知到未知的原則,通過高精度磁測工作,快速圈定可能的礦致異常區,以C-3異常區八寶山巖體為已知點,對巖體周圍的含礦性進行初步評價。激電中梯測量工作部署在八寶山巖體的東部和北部,野外采集參數為施工主要參數AB=1 500 m,MN=40 m,點距為20 m,供電電壓為700 V,供電電流為3 A～5 A,供電周期為32 s,接收疊加次數2,時間延遲300 ms,第一子樣寬度為40 ms,正反向標準直流脈沖供電。以全區激電中梯視極化率平均值作為區內背景值,背景值加上5倍均方誤差作為異常下限,求取的異常下限為2.62%,以此下限作為劃分異常的依據。在視電阻率平面圖(圖6(a))上,測區內整體呈現為相對高阻,最大值超過20 000 Ω·m,僅在八寶山巖體南部斷裂上盤,呈現為相對低阻,視電阻率值范圍為10 Ω·m～200 Ω·m,其形態與斷裂展布形態基本一致,其極化率為相對高值,和視電阻率低阻區形態基本一致。在高精度磁測圈定的異常區C-1內,視電阻率相對較高,平均約5 000 Ω·m,極化率整體偏低(圖6(b)),一般低于1%,推測該現象可能為高精度磁測推斷的隱伏巖體埋藏較深,激電中梯測量不能滿足查明該潛在隱伏巖體特征的要求。

圖6 激電中梯視電阻率平面圖和視極化率平面圖Fig.6 Plan of apparent resistivity and apparent polarizability in induced polarization

3.3 CSAMT測量

根據高精度磁測和激電中梯成果,采用CSAMT測量對已知的八寶山巖體深部三維特征進行初步探測,同時對高精度磁測圈定的C-1異常進行探測。可控源音頻大地電磁法測量采用加拿大鳳凰地球物理公司研制的V8網絡化多功能電法測量系統。觀測頻率為0.125 Hz ～9 600 Hz,每頻點觀測周期為40 s,全頻段觀測時間為2 700 s,拐角頻率為2 200 Hz,最大發射電流為2 A,收發距為12 km,供電極距AB=2 000 m,接收極距MN=100,點距為100 m。單個物理點的均方相對誤差Mi及總均方相對誤差,M=0.038 9。參與質量檢查的頻點為200個,總頻點數為5 300個,質檢比3.8%;物理點4個,總物理點數106個,質檢比3.8%,滿足規范要求。根據CSAMT視電阻率斷面圖(圖7(a)),CSAMT測點3至17號點基本為八寶山巖體的南北邊界點,巖體呈倒喇叭型,巖體視電阻率整體為低阻,圍巖為高阻,自巖體中部至圍巖視電阻率逐漸增大,視電阻率梯度帶明顯。在CSAMT測點47至57號點,高精度磁測C-1推測的隱伏巖體,埋深相對較大,斷面上視電阻率形態與八寶山巖體視電阻率形態相似,淺部視電阻率值約5 000 Ω·m,與覆蓋層高阻白云巖地質信息吻合,與激電中梯工作中視電阻率值基本一致,也解釋了激電中梯中高阻特征現象,綜合上述分析,推測其為隱伏巖體的電性響應特征。通過CSAMT工作,基本查明了八寶山巖體的深部特征,相互驗證了高精度磁測C-1異常推測的隱伏巖體,對該隱伏巖體的三維特征進行初步刻畫。為了進一步查明八寶山巖體的深部特征,對綜合地球物理工作中圈定的巖體邊界進行鉆探施工,先后施工11個鉆探,在巖體和圍巖分界面上均鉆遇礦體,與地球物理工作推測信息基本一致(圖7(b))。

圖7 CSAMT斷面圖及巖體地質剖面圖Fig.7 The section of CSAMT and the geologic section

4 地球物理模型的建立

八寶山礦床地質資料豐富,建立的成礦預測模型與實際情況吻合度高,是開展深部礦產勘查工作的前提。基于此,提出斑巖-矽卡巖型礦床深部鐵銅礦勘探的地球物理模型。本次工作中首先準確識別本礦床為斑巖-矽卡巖型,采用合理的成礦預測地質模型,其次采用綜合地球物理方法查明中深部成礦體系中成礦源、容礦構造、結構面、成礦作用標志等重要要素,解決實際工作中理論模型無法查明礦化體展布特征的難題,最后采用鉆探方法驗證地球物理勘查模型的可行性。

值得一提的是,在綜合地球物理勘查工作中,選用適宜工作區的工作方法至關重要。高精度磁測和CSAMT方法在本次工作中效果較好,但是激電中梯工作受淺地表高阻覆蓋層的影響,其探測深度受限,對隱伏巖體的探測效果不明顯。

5 結論

筆者以八寶山鐵銅礦區勘查為例,對多種地球物理方法工程成果進行分析研究,對數據進行有效解譯,建立地球勘查模型,取得以下兩點成果:

1)建立斑巖-矽卡巖型中深部鐵銅礦勘探的地球物理模型:基于成礦地質模型理論,采用綜合地球物理方法查明中深部成礦地質體的三維形態、范圍、產狀等空間特征,采用鉆探方法驗證地球物理勘查模型的可行性。

2)八寶山鐵銅礦區為典型的矽卡巖型礦床,查明八寶山巖體的空間特征是本區礦產勘查工作的前提,也是本區深部和外圍礦產勘查的前提。研究該礦床的地球物理勘查模型對礦床的深部和外圍探礦具有很好的指導意義,八寶山巖體北部的異常區(圖7)在多種地球物理方法中均有異常存在,其地球物理特征與八寶山巖體具有高度相似性,可作為后續工作重點。