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  地质与资源 2023, Vol. 32 Issue (4): 497-504  
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doi：10.13686/j.cnki.dzyzy.2023.04.014
引用本文
赵雪娟, 孙中任, 段会升, 高铁, 孙钢. 辽宁抚顺地区铁矿地球物理模型——以毛公堡铁矿为例[J]. 地质与资源, 2023, 32(4): 497-504.  
ZHAO Xue-juan, SUN Zhong-ren, DUAN Hui-sheng, GAO Tie, SUN Gang. GEOPHYSICAL MODEL OF IRON DEPOSITS IN FUSHUN REGION OF LIAONING PROVINCE: A Case Study of Maogongpu Iron Mine[J]. Geology and Resources, 2023, 32(4): 497-504.  
辽宁抚顺地区铁矿地球物理模型——以毛公堡铁矿为例
赵雪娟1 , 孙中任1 , 段会升2 , 高铁1 , 孙钢3     
1. 中国地质调查局 沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
2. 烟台东方冶金设计研究院, 山东 烟台 264006;
3. 辽宁省矿产勘查院, 辽宁 沈阳 110000
收稿日期：2021-03-07; 修回日期：2022-03-21
基金项目：中国地质调查局项目"东北地区重要矿产资源潜力评价"（1212010633901）；辽宁省科技厅项目"深部盲矿体勘查技术研究"（2020210101000271）。
作者简介：赵雪娟(1965-), 女, 高级工程师, 主要从事物探、化探、遥感在地质矿产调查中的应用研究工作, 通信地址辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号, E-mail//360342913@qq.com。
通信作者：孙中任(1963-), 男, 博士, 教授级高级工程师, 主要从事地质勘查中物化遥的应用研究工作, 通信地址辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号, E-mail//sunzhongren@mail.cgs.gov.cn。
摘要：辽宁抚顺地区铁矿十分丰富.它们与著名的鞍本铁矿同属辽东吉南成矿带.成矿地层均为鞍山群，属沉积变质型铁矿，受变质岩系层状控制明显.鞍山-本溪地区为鞍山群的茨沟岩组、樱桃园岩组；抚顺-清源地区为鞍山群的石棚岩组、通什村组.它们具有相似的岩性组分和物性特征.通过开展"深部盲矿体勘查技术研究"科研项目，以抚顺毛公堡铁矿为例，总结分析抚顺地区铁矿的重磁电物性特征，建立了地球物理模型.研究认为，应当打破传统的以磁测为唯一手段的磁铁矿勘查工作模式，开展重、磁、电联合勘查是可取的、有效的.在水平定位技术方面，重力方法有其独特的优势；在垂向定位技术方面可以开展电（磁）测深工作.磁铁矿的极化作用是明显的，应符合低阻高极化.铁矿重磁电特性是高磁、高密度、高极化、低电阻，呈"三高一低"的物性特征，而且品位越高极化率越高.电阻率应不高于2 000 Ωm，极化率应不低于6%，磁化率不低于100 000×10-6 SI，密度高于3.00×103 kg/m3.
关键词：铁矿    地球物理模型    重、磁、电联合勘查    辽宁抚顺    
中图分类号：P618.31;P631            文献标志码：A            文章编号：1671-1947(2023)04-0497-08
GEOPHYSICAL MODEL OF IRON DEPOSITS IN FUSHUN REGION OF LIAONING PROVINCE: A Case Study of Maogongpu Iron Mine
ZHAO Xue-juan1 , SUN Zhong-ren1 , DUAN Hui-sheng2 , GAO Tie1 , SUN Gang3     
1. Shenyang Center of China Geological Survey, Shenyang 110034, China;
2. Yantai Oriental Metallurgical Design Institute, Yantai 264006, Shandong Province, China;
3. Liaoning Institute of Mineral Exploration, Shenyang 110000, China
Abstract: Fushun region of Liaoning Province is rich in iron deposits, which belongs to the eastern Liaoning-southern Jilin metallogenic belt with the famous Anshan-Benxi iron deposits. The ore-forming strata of both are Anshan Group, belonging to sedimentary-metamorphic type and obviously controlled by the stratified metamorphic rock series. The Anshan-Benxi area is developed with Cigou and Yingtaoyuan complexes of Anshan Group, while the Fushun-Qingyuan area with Shipeng and Tongshicun complexes of Anshan Group, and both share similar lithologic compositions and geophysical characteristics. Based on the research project of exploration technology for deep blind orebodies, taking Maogongpu iron mine in Fushun as an example, the paper analyzes the gravity-magnetic-electrical characteristics of iron ores, and establishes the geophysical model. The research shows that the gravity-magnetic-electric integrated exploration is feasible and effective other than the traditional exploration by single magnetic survey. Gravity method has unique advantages in horizontal positioning, while electrical/magnetic sounding works well in vertical. The polarization of magnetite is obvious, presented as low resistance and high polarization. The gravity-magnetic-electrical characteristics of iron ores are high magnetic, high density, high polarization and low resistance. The higher the grade is, the greater the polarizability is. The resistivity should not be higher than 2 000 Ωm, polarizability no less than 6%, magnetic susceptibility no less than 100 000×10-6 SI, and the density higher than 3.00×103 kg/m3.
Key words: iron deposit    geophysical model    gravity-magnetic-electrical integrated exploration    Fushun region of Liaoning Province    

0 前言

抚顺地区是辽宁省的重要铁矿产出地之一[1-5]. 抚顺地区铁矿包括东州区营盘、清原县沿水沟、清原县于家堡子、顺城区前甸子、新宾县五道沟岭、清原县小莱河、新宾县胜利、清原县大莱河、抚顺县郭家堡子、新宾县木奇岭、抚顺县孟家沟、新宾县大和睦、抚顺县毛公堡、抚顺县养树园子、抚顺县救兵、抚顺县傲牛、新宾县玄羊砬子、清原县丁堡、清原县二道沟、清原县王家堡、清原县莲花山、抚顺县上马、新宾县琵琶村等大大小小几十个铁矿[6]. 它们与我国著名的鞍本铁矿同属辽东吉南成矿带[7-8]. 尽管与鞍本地区大台沟、弓长岭、齐大山等铁矿赋存的层位不尽一致, 但它们均属鞍山群, 属沉积变质型铁矿[9-10], 受变质岩系层状控制明显. 鞍山-本溪地区为鞍山群的茨沟岩组、樱桃园岩组[11]; 抚顺-清源地区为鞍山群的石棚岩组、通什村组[12-13]. 它们具有相似的岩性组分和物性特征, 但一直以来没有一个通用的物性模型, 对该区进行地球物理资料处理解释以及矿产评价.

本研究以辽宁省科技厅支持的"深部盲矿体勘查技术研究"科研项目为平台, 以抚顺毛公堡铁矿为样本, 总结分析辽宁抚顺地区铁矿的重磁电物性特征, 建立了地球物理模型, 以期为抚顺地区乃至鞍本地区铁矿资料的分析利用以及开展预测评价、勘查开发提供新的视角和思路.

1 区域地质特征

研究区大地构造位置处于中朝准地台(Ⅰ)胶辽台隆(Ⅱ)铁岭-靖宇台拱(Ⅲ)龙岗断凸西侧, 抚顺凸起南部浑南太古宙片麻岩卵形构造区. 区域内的变质岩系均遭到不同程度的混合岩化作用, 区域大面积出露太古宙混合岩. 沉积地层不发育, 局部地段见有太古宇鞍山群呈残留体出现于混合岩中. 出露地层主要为中太古界鞍山群石棚子组、通什村组变质岩系. 岩性主要为角闪混合岩、黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩等残留体. 其中通什村组红透山段岩组为混合质含石榴黑云变粒岩, 夹黑云角闪变粒岩、磁铁石英岩[14-16].

研究区岩浆活动比较频繁, 岩体规模巨大, 岩脉种类繁多, 在苏子河断陷盆地西侧形成了南口前-十花顶子-西大顶子北西向岩浆岩带, 在苏子河断裂带和沙河断裂带夹持地块内形成纪家堡子-小桥子-三块石北西向构造岩浆岩带, 均受北西向构造控制. 岩体均属燕山期岩基型侵入体[17-20].

构造主要表现为断裂和褶皱. 断裂构造可分为两组: 北东向断裂以浑河深大断裂为代表, 北西向断裂主要为北东向断裂之次级构造苏子河断裂和沙河断裂. 区域内以北西向构造为主要褶皱构造形迹, 在通什村组地层中形成较紧闭的同斜褶曲(复背斜和复向斜)构造. 北东向构造仅以密集平行排列的微型紧闭褶曲及脉岩确定, 主要特征表现为变质形变构造, 形成揉皱及褶曲构造[11, 21-25].

2 铁矿地质特征

抚顺地区的区域成矿作用属于古亚洲成矿域, 华北陆块北缘成矿省, 空间上受太古宇层状高级变质基底杂岩系控制. 矿床形成地质环境主要是海相沉积, 成矿物质主要来源于海底基性火山喷发和陆源物质. 中太古代末, 古陆壳拉张形成海盆, 海底基性-超基性火山喷发, 在古老克拉通结晶基底上, 首先沉积了陆源黏土质和砂质物质, 随后相继出现了硅-铁物质韵律胶体沉积、凝灰质火山沉积, 最后以中酸性英安岩、基性玄武岩灰及黏土质沉积物而结束, 是一套浅海盆地相复理石建造. 后经多次不同规模和程度的区域变质变形改造, 成矿物质进一步富集成矿. 矿体多呈层状、似层状、透镜状及马鞍状. 延深及延长一般不稳定, 几十米至几百米不等, 厚度变化大. 在褶皱轴部变厚, 向两翼逐渐变薄, 甚至拉断. 矿石构造大多为条带状或条纹状, 表现为以石英为主的条带(纹)和以磁铁矿为主的条带(纹)相间产出. 由于变质程度的不同, 矿石的粒度有一定差异, 变质程度深, 矿石粒度较粗, 反之粒度较细. 金属矿物主要为磁铁矿, 次为假象赤铁矿, 还含有少量黄铁矿和磁黄铁矿. 铁矿石的自然类型以石英型磁铁矿石为主, 石英闪石型磁铁矿为辅.

3 岩矿石地球物理特征 3.1 区域岩矿石物性特征

通过收集到的研究区太古宙区域地层及磁铁石英岩主要岩矿石标本的物性参数资料❶❷❸, 可以看出, 地层岩石与磁铁矿相比无论磁性还是电性均具有明显的物性差异(表 1、2).

❶王成龙, 等. 辽宁省矿产资源潜力评价重力资料应用研究成果报告. 2013.

❷王成龙, 等. 辽宁省矿产资源潜力评价磁测资料应用研究成果报告. 2013.

❸王成龙, 等. 辽宁省矿产资源潜力评价磁测资料应用综合研究报告. 2013.

表 1 太古宙片麻岩物性参数测定表 Table 1 Physical parameters of Archean gneiss
表 2 太古宙磁铁石英岩物性参数测定表 Table 2 Physical parameters of Archean magnetic quartzite

1) 磁性: 太古宙片麻岩的磁化率算术平均值为457×10-6 SI, 变化范围37×10-6~1257×10-6 SI; 剩磁平均值为18×10-3 A/m, 变化范围0~380×10-3 A/m. 磁铁石英岩的磁化率算术平均值为195 225×10-6 SI, 变化范围98 000×10-6~199 900×10-6 SI; 剩磁平均值为7 091×10-3 A/m, 变化范围3 367×10-3~10 509×10-3 A/m. 两者差异巨大, 能够形成明显的磁异常.

密度: 太古宙片麻岩的密度算术平均值为2.69×103 kg/m3, 变化范围2.58×103~2.98×103 kg/m3. 磁铁石英岩的密度算术平均值为3.40×103 kg/m3, 变化范围3.17×103~3.57×103 kg/m3. 两者具有约0.7×103 kg/m3的密度差, 磁铁矿能够形成明显的重力高异常.

电阻率: 太古宙片麻岩的电阻率算术平均值为4 907 Ωm, 变化范围577~12 181 Ωm. 磁铁石英岩的磁化率算术平均值为1 224 Ωm, 变化范围335~4 248 Ωm. 矿体相对岩层呈相对低阻.

极化率: 太古宙片麻岩的极化率算术平均值为2.48%, 变化范围1.34%~3.32%. 磁铁石英岩的极化率算术平均值为19.1%, 变化范围6.5%~33.4%. 两者差异约10倍, 能够形成明显的激电异常.

根据上述成果分析, 磁铁矿体相对岩层物性差异明显, 能够形成明显的异常, 具有高磁、高密度、低阻高极化的异常特征.

3.2 毛公堡矿区的物性特征

根据前人统计抚顺毛公堡矿区岩(矿)石磁参数(表 3)分析, 矿区内磁铁矿的磁化率最高, 平均值为28 581×10-6 SI; 含磁铁矿的条纹状斜长角闪岩(弱磁)磁化率变化范围85×10-6~1 092×10-6 SI, 算术平均值为302×10-6 SI; 构造破碎带的磁化率变化范围2×10-6~184×10-6 SI, 算术平均值为73×10-6 SI; 其他岩石的磁化率算术平均值一般在为5×10-6~20×10-6 SI, 表现为无磁或低磁性. 由此可见磁铁矿与其他岩石存在明显磁性差异, 该地区具备运用磁法寻找磁铁矿的物理前提.

表 3 毛公堡矿区岩(矿)石磁参数统计表 Table 3 Magnetic parameters of rocks/ores in Maogongpu mining area
3.3 毛公堡矿区与区域性物性资料对比

矿区磁铁矿石标本测试结果见表 4、5. 根据上述成果分析, 毛公堡矿区磁铁矿体相对岩层物性差异明显, 能够形成明显的异常, 具有高磁、高密度、低阻、高极化的异常特征.

表 4 毛公堡矿区磁铁矿石磁化率统计表 Table 4 Magnetic susceptibility of magnetite ores in Maogongpu mining area
表 5 毛公堡矿区磁铁矿石密度参数统计表 Table 5 Density parameters of magnetite ores in Maogong mining area

对照上述岩矿石物性资料可以得出: 1)本项目研究区的岩(矿)石的磁化率相对较低; 2)研究区内没有达到工业品位的矿体存在; 3)一般而言, 鞍本地区磁铁矿磁化率应当不低于0.1 SI, 密度不低于3.2×103 kg/m3, 电阻率不高于4000 Ωm, 极化率不低于6.5%.

4 问题提出

在多年的勘探实践中, 笔者发现磁铁矿(化)无论是重力、磁力、或者电(磁)测深等地球物理方法都有很好的异常显示. 钻孔验证磁铁矿(化)体无论是形态, 还是其空间位置都与电测深圈定的异常吻合. 但是施钻以后, 原来推测的异常体化学品位预测不准, 并没有预期那么高, 仅属矿化(约10%)水平. 如何利用重磁电异常特征判断磁铁矿(化)体的品位, 或者说判断其是否具有开采价值就是目前面临的重要问题.

传统上一直认为"磁测+钻探"是这类矿产的首选勘探模式, 甚至是唯一模式. 为了解决如何利用重、磁、电联合勘查, 不仅推断出磁铁矿(化)体的空间位置, 还要判断其可否具有可采品位的问题, 我们首先对项目实施的ZK1钻孔岩心做了磁、电连续扫描.

4.1 磁性扫描

相对强磁性地段以岩心间距0.7 m为测量单元, 无磁性或弱磁性段每钻探回次为一测量单元, 实行点测, 3次取均值的方法, 共测量标本414个(图 1).

图 1 验证孔磁化率柱状图 Fig.1 Magnetic susceptibility histogram of verification borehole

从钻孔磁化率扫描结果看, 矿化段与非矿化段磁化率差异明显. 磁化段一般变化范围为50.3×10-3~600.0×10-3 SI, 一般值为220.0×10-3 SI. 在勘查范围内地层分层明显. 自地表向下至130 m为有磁性地层, 结合工作区地质条件可知该层为斜长角闪岩混合岩区. 斜长角闪岩混合岩层磁性不匀, 深度50 m左右有弱磁层, 100 m左右的中高磁性层位磁铁矿品位可能较高, 但厚度不大. 130 m以深磁性均不强, 基本为弱磁岩性层, 结合地质观察该层为花岗岩层. 130 m以深的花岗岩层有个别段呈尖峰状中低磁性层如250 m、460 m、800 m, 与花岗岩层夹斜长角闪岩薄层有关. 磁化率最强的标本也远不及前人矿区磁铁矿磁化率的平均值(28 581×10-6 SI).

4.2 电性扫描

电性扫描为兼顾岩性变化, 不针对磁铁矿(化)加密, 近似等间隔取样, 点间隔4.5 m, 完成电性测量标本191个.

从岩心电阻率扫描柱状图(图 2)可见, 钻孔岩心整体为高阻反应. 电阻率算术平均值为3 458.09 Ωm, 变化范围在23.90~11 192.62 Ωm, 这一结果与区域资料完全相符. 电性层也有较明显分层. 自地表向下至190 m深度为高阻层, 190~390 m为相对低阻, 390 m至终孔一般为相对中等阻值. 磁性分层在130 m处, 电性层也是在此分界, 只是在电阻率柱状图上130 m很难视为分层, 其下仍为高阻层. 可能的原因是130~190 m磁铁矿物含量变低了, 蚀变没有太多的变化. 斜长石等造岩矿物含量也没有更多的变化, 甚至有增无减. 电阻率平均值为6 862.11 Ωm, 变化范围为5 268.66~9 198.70 Ωm. 电性在390 m左右低阻分层与磁分层吻合的非常好, 说明这一层位是岩性的分界线. 电阻率平均值为1 211.66 Ωm, 变化范围为440.74~1 740.04 Ωm.

图 2 验证孔电阻率柱状图 Fig.2 Resistivity histogram of verification borehole

自390 m至孔底电阻率曲线上分异不大, 电阻率平均值为3 039.43 Ωm, 变化范围为2 332.00~3 928.74 Ωm. 从0~130 m有磁异常, 但磁化率不强, 从电阻率130 m恰恰不是明显分界层这一点看, 即使是有磁异常, 但测深电阻率异常强度不理想也不能形成高品位磁铁矿, 即单纯利用磁异常或电阻率异常区分矿石品位都是难以成立的结论.

极化率柱状图(图 3)则有着另一种特征: 整孔岩心几乎无法看出孰高孰低, 结合电阻率柱状图勉强能将190~390 m相对低阻段划为低极化率段. 这是因为整孔均为低极化率, 极化率算术平均值为1.29%, 变化范围在0.16%~4.67%, 这与前人测得磁铁矿极化率算术平均值为19.1%, 变化范围在6.5%~33.4%的结果大相径庭.

图 3 验证孔极化率柱状图 Fig.3 Polarizability histogram of verification borehole

由此初步判断, 整孔矿化段品位很难达到磁铁矿的程度, 而且蚀变等地质作用也不甚发育.

5 问题讨论

由于抚顺铁矿区矿与非矿(包括矿化)磁参数的区别, 而探明目标体空间位置的重要手段就是电测深, 探讨矿与非矿(包括矿化)电性特征就成了首要问题. 为此, 我们在矿区达工业品位的岩心上取标本4个特检样(如表 6).

表 6 毛公堡矿区磁铁矿标本电参数统计表 Table 6 Electrical parameters of magnetite samples from Maogong mining area

由表 6可见, 达到工业品位的样品电阻率为800~3 000 Ωm, 边界品位的样品电阻率在5 000 Ωm左右, 达到工业品位的样品极化率均高于6%, 个别矿段极化率大于10%. 因此, 磁铁矿石有"低阻高极化"的特征. 而且, 随磁铁矿品位降低, 极化率变低, 电阻率升高. 一般而言, 达到工业品位磁铁矿电阻率应不高于2 000 Ωm, 极化率应不低于6%. 这样就很好地解释了本项目实施之初利用重、磁、电刻画矿体空间位置准确, 但矿石品位不能满足开采的问题.

据此, 提出研究区磁铁矿地球物理(重磁电)物性模型: 高磁化率、高密度、高极化率、低电阻率, 即"三高一低"的物性模型. 而地球物理(重磁电)异常为高的重、磁平面异常和矿体相应深度的高极化、相对低阻异常.

6 结论

研究认为, 至少在抚顺地区(其他地区也极具借鉴意义)应当打破传统的以磁测为唯一手段开展磁铁矿勘查的工作模式. 开展重、磁、电联合勘查是可取的, 有效的. 在水平定位技术方面重力方法有其独特的优势; 在垂向定位技术方面可以开展电(磁)测深工作. 磁铁矿的极化作用是明显的, 应符合低阻高极化. 磁铁矿重磁电特性是高磁、高密度、高极化、低电阻, 呈"三高一低"的物性模型特征, 而且品位越高极化率越高. 电阻率应不高于2 000 Ωm, 极化率应不低于6%, 磁化率不低于100 000×10-6 SI, 密度应高于3.00×103 kg/m3.

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