基于反射波地震勘探技术的深覆盖区夕卡岩型富铁矿找矿方法探讨

Discussion on prospecting methods for rich iron ore in deep coverage areas based on reflected wave seismic exploration technology

摘要

齐河—禹城地区自2015年发现夕卡岩型富铁矿后,相继开展了包括地面重磁、电磁法等在内的多种地球物理探测工作,但由于该区处于深覆盖区,矿藏埋深大、矿化信息弱,数据解释工作存在较大多解性问题。地震勘探技术具有探测深度大、精度高等特点,本文首次将该方法应用于深部富铁矿找矿。通过采用宽线观测系统,以提高深部资料信噪比为重点,获得了高质量的处理剖面;对不同地层的地震波组特征进行分析,实现了新生界底界、石炭-二叠系的准确划分,圈定了侵入岩体的赋存范围,为重磁联合反演提供了准确的层位、构造约束;从而可分辨因岩体埋深、形态变化造成的重磁局部异常,有效识别矿致叠加异常,降低重磁联合反演的多解性,提高矿体定位精度,进而指导ZK11钻孔布设并成功见矿。从揭露情况看,地震预测的地层及深度信息与钻探吻合程度高,表明了地震方法在深覆盖区富铁矿找矿具有良好的应用效果和广阔的应用前景。

Abstract

Since the discovery of skarn-type iron ore deposits in the Qihe-Yucheng area in 2015, a variety of geophysical exploration methods, including ground gravity, magnetic, and electromagnetic surveys, have been carried out. However, due to thick overburden, deep burial of orebodies, and weak mineralization signals, data interpretation suffered from severe non-uniqueness. Seismic exploration, advantageous for its depth penetration and high resolution, was employed for deep iron ore prospecting in this region. By adopting a wide-line geometry and focusing on enhancing the signal-to-noise ratio of deep reflections via advanced processing, high-quality seismic profiles were obtained. Analysis of seismic wavegroups across different strata precisely delineated the base of the Cenozoic and Carboniferous-Permian sequences and mapped the distribution of intrusive bodies. These results provided accurate horizon and structural constraints for joint gravity-magnetic inversion. Thereby, this integrated approach differentiated gravity-magnetic anomalies caused by depth and morphology variations of intrusions from ore-induced anomalies, substantially reduced inversion non-uniqueness, and enhanced orebody targeting. This integrated geophysical methodology guided the planning of borehole ZK11, which intersected high-grade iron ore. Drilling results confirmed a strong correspondence between predicted stratigraphy and depths, demonstrating the efficacy and considerable potential of seismic methods for exploring deep-buried iron ores in covered areas.

Graphical abstract

关键词

富铁矿 / 地震勘探 / 磁异常 / 地层结构 / 找矿预测 / 矿体定位 / 齐河—禹城地区

Key words

rich iron ore / seismic exploration / magnetic anomaly / stratigraphic structure / prospecting prediction / orebody location / Qihe-Yucheng area

0 引言

富铁矿作为钢铁生产的主要原材料,是我国紧缺的战略性矿产资源。夕卡岩型铁矿是我国最重要的富铁矿来源,而华北克拉通已发现数个大型夕卡岩型富铁矿矿集区,其成矿特点表现为铁矿体主要赋存于早白垩世(约130 Ma)闪长质岩石与奥陶纪灰岩的接触带中,该类型铁矿被称为邯邢式铁矿^[1-2]。山东省煤田地质规划勘察研究院2015年在齐河—禹城地区年首次发现夕卡岩型富铁矿,具有富磁铁矿体厚度大、品位高的特点,与传统的邯邢式铁矿不同的是,部分富铁矿矿体产于石炭纪—二叠纪沉积碎屑岩中,为华北地区富铁矿找矿开辟了新的找矿思路,具有较大的资源潜力和广阔的找矿前景^[3-6]。

自矿床发现以来,诸多学者在该区进行了系统研究^[7-12]。在成矿理论方面,针对区内富铁矿成矿岩体基本特征、形成演化以及找矿标志进行了分析总结^[13-14],在此基础上,通过航空磁测、地面磁测以及重力等技术方法,分析并反演地球物理原始数据,在磁化率分布特点总结、磁异常范围圈定等方面形成一系列研究认识成果^[15-16]。这些研究从成矿地质条件、成矿规律与找矿标志、磁异常分布等方面进行了系统分析,在前期较好的指导了区内的铁矿勘查工作。但齐河—禹城地区富铁矿床属于夕卡岩型铁矿,矿致磁异常的矿化信息减弱,对于直接识别矿体的空间分布具有多解性,影响了找矿工作的进一步开展^[17]。

地震勘探作为深部找矿的物探方法之一,具有勘探精度高、分辨率高、穿透深度大等优势,长期以来在油气、煤炭等能源矿产勘查领域应用广泛^[18-20]。随着金属矿产勘查走向深部,国内外将地震勘探技术应用在多个金属矿勘探实践工作中^[21-25],面对金属矿复杂的成矿地质条件,地震勘探技术对深部地层结构以及复杂构造的精细刻画,使其具有显著的优势。加拿大、澳大利亚、南非等国家在多个硬岩地区开展了研究与试验,发现了典型火山沉积中硫化物矿床的地震强反射特征,清楚的展示了地震对硫化物大规模构造成像的潜力^[26-28]。国内诸多学者通过地震层析成像和高精度反射地震,探明了斑岩型钼矿床、斑岩型铜矿等多个金属、多金属矿区的地层和复杂构造特征,寻找并圈定了火山机构、隐爆角砾岩筒等深部隐伏岩体分布范围^[29-33]。这些工作表明地震方法相较于常规的勘查方法,在深部金属矿产勘查中对地层结构和地质构造具有更为清晰的刻画能力。

夕卡岩型富铁矿深部成矿地质体结构复杂,重磁联合反演中难以区分矿与非矿异常,反演结果存在多解性,本文将地震方法首次应用于深覆盖区富铁矿找矿工作,在成矿地质背景及磁异常分析的基础上,查明该区地层结构、地质构造及闪长岩体侵入接触范围,为重磁反演提供精确的层位约束,减少单一手段的多解性,提升勘查效率和找矿效果。

1 成矿地质背景

研究区位于山东省西北部,行政区划主要属德州市管辖,部分属聊城市管辖,其大地构造位置属华北板块(Ⅰ级)、鲁西隆起区(Ⅱ级)、鲁中隆起(Ⅲ级)、泰山—济南断隆(Ⅳ级)、齐河潜凸起(Ⅴ级)。该区新生界广泛分布,尤以第四系和新近系分布最为广泛,古生界主要为寒武系、奥陶系和石炭系-二叠系,均被新生界覆盖,地表无基岩露头。区域构造活动强烈,以断裂构造为主,褶皱构造局部发育。总体上主要分布有北东-北北东向、北西-北北西向、近东西向3组断裂构造,且以前两者较发育,南北向断层在该区不发育(图1a)。区内岩浆岩分布广泛,主要发育有新太古代酸性侵入岩和中生代中基性侵入岩。区内李屯地区ZK1钻孔柱状简图见图1b。

研究区内铁矿勘查工作成果表明,区内铁矿与济南铁矿、莱芜铁矿属同一成因,均为夕卡岩型磁铁矿。矿体主要赋存于燕山晚期中基性闪长岩与奥陶系马家沟群灰岩和石炭-二叠系的接触带上,其赋存形态与碳酸盐岩、碎屑岩地层和闪长岩体的接触关系的构造形态密切相关^[5,14]。

2 研究区地球物理特征

2.1 磁场特征

研究区及附近代表性钻孔岩(矿)石物性测试结果显示^[34],区内磁性强度整体遵循磁铁矿>闪长岩>泰山岩群>沉积岩的物性规律。夕卡岩型铁矿石的总体磁化率和剩余磁化强度明显高于围岩和闪长岩体,为本区利用磁法探测磁铁矿体提供了地球物理基础。

本文采用的磁场资料来源于2013年山东省煤田地质规划勘察研究院在研究区采集的地面1∶1万地面高精度磁测数据,为了获取所探测目标地质体的异常信息,采用中国地质大学(武汉)的GMS软件对资料进行了化极、垂向一阶导数和求剩余异常等数据处理来突出目标体的异常特征。

从高精度磁测ΔT等值线平面图(图2a)可以看出,异常整体往北东向延伸,局部异常特征有所差异。其中,异常中间小刘地区局部异常往北西方向凸起,异常西北部叠道地区局部异常往北西西方向凸起,异常东部城子坡南局部异常往东南方向凸起,均为等值线密集、异常变化剧烈的区域。化极后(图2b)的异常整体往北偏移,异常特征更加明显,可以看出小刘、叠道和城子坡南为整体异常上的局部异常中心或者凸起部位。通过磁异常的垂向一阶导数(图2c)可以在一定程度上突出局部异常,此时小刘、叠道和城子坡南均位于相对独立的异常中心位置,异常特征更加明显。研究区内主要磁异常特征是由深部闪长岩体引起的,通过剥离背景场、求取剩余磁异常(图2d),可以更明显的突出三处局部异常。据此,圈定了区内3处局部异常明显且异常特征相近的找矿靶区(图2a),分别为C1,C2,C3。

区内在C1靶区最先布设的ZK1钻孔见富铁矿,见矿深度1 157.38 m,矿体厚度119.67 m,后续在C2靶内布置了ZK3、ZK4钻孔,但均未见矿。从钻孔揭露情况来看,新生界底界深度分别为850.68 m、762.58 m,过新生界后未揭露石炭—二叠纪地层,直接见巨厚闪长岩体。

2.2 深部磁异常特征模型试验

根据以往钻探揭露情况,设计了研究区两种不同情况下的理论模型,图3a表示存在磁铁矿体,图3b表示不存在磁铁矿体。从图中可以看出,在磁铁矿体埋藏1 200 m,磁异常值可达到60 nT;而在相同地质条件下,不存在磁铁矿体时,岩体凸起埋藏750 m时,磁异常值也可达到60 nT。这说明磁异常信息具有多解性,仅根据磁异常特征指导钻孔布设存在不确定性,需要采用多种方法技术,排除因岩体导致的磁异常,从而提高矿致异常识别准确度,确定找矿有利地段。

2.3 中深层地震地质条件

区内新生界冲积物底界面松散层与下伏基岩物性差异极大,同时基岩面由于遭受长期风化剥蚀作用,表面较为平整光滑,所以此界面是良好波阻抗界面,可以形成较强的反射波。石炭-二叠系等沉积地层因岩性、形成时期的差异,部分可形成反射波,但区内受岩浆岩影响区域石炭-二叠系地层破碎,很难形成横向连续反射波。闪长岩侵入体因其形状不规则,无明显成层性,往往无法形成明显反射波,多见蚯蚓状无序反射,但在其与沉积地层接触面附近,因与沉积地层反射特征差异,其与沉积地层接触范围仍可大致识别。

3 地震工作方法

根据前期勘探成果,本次地震勘探目的层深度约1 000~1 500 m,考虑到深部有效信息弱、噪声干扰严重等问题,本次地震勘探采用了二维宽线观测系统(4790-10-20-10-4790),炮点距为40 m,道距为20 m,240×2道接收,覆盖次数为120次,采样间隔0.5 ms,共完成二维测线3条,剖面长度33.52 km,工程部署见图2a。

对获得的地震资料进行分析,单炮记录呈现以下几方面特点:在时间约1.0~1.2 s附近,存在明显的地震反射同相轴;时间1.2~1.4 s存在部分弱反射;时间1.4 s以下反射特征不明显,信噪比较低(图4a)。主要目的层应在新生界底界面反射下约0.2 s范围内,因此,资料处理的重点是提高该部分资料信噪比。

针对单炮记录中干扰波特点,选择了随机噪声衰减、区域异常振幅压制与去线性干扰等方法的组合压制噪声。可以发现,去噪处理后,地震记录上的噪声得到了很好压制,消除了面波及多次波的干扰,信噪比得到了有效提高(图4b)。进一步对资料进行偏移处理(图5),经偏移处理后绕射波得到了明显收敛,倾斜反射界面得到了归位,地质构造特征更加明显。剖面自上而下呈现明显的三段分段特征,第一段存在多个横向连续反射同相轴,且底部有显著强反射;第二段约800~1 250 ms,呈现显著的弱反射空白特征;第三段为第二段以深,呈杂乱无章特征,无明显的连续反射同相轴。

4 地震特征分析与讨论

4.1 地震波组特征分析

根据地震剖面反射特征(图6),在Z1线浅部(0.9 s位置附近)存在一能量强、反射轴连续的地震波组,为新生界底界面反射波(T_n);T_n以下约0.2 s范围内地震反射波呈现显著的弱反射空白特征,与其上下地震反射特征差异明显,该波组为石炭-二叠系反射特征(T_c-p);石炭-二叠系下部地震反射特征杂乱,局部呈蚯蚓状,且剖面上呈大面积分布,为闪长岩体反射特征(T_y);根据ZK1钻孔揭露显示,矿体位于石炭—二叠纪地层内,矿体下部紧邻闪长岩体,地震时间剖面上未发现明显波组响应特征。

4.2 地层结构与断裂系统

通过上述波组特征分析,完成了研究区二维地震测线地质解释(图7)。基本查明了测线位置处地层结构与主要断裂带特征。分析发现,研究区地层整体呈现“西北深东南浅”格局,北西向受齐广断裂影响,新生界底界被明显错断;以断裂为界,断裂以南石炭-二叠系底界深度约1 400 m,整体表现平缓;深部可能为大面积侵入的闪长岩侵入体,同时齐广断裂两侧地层差异明显,故推测闪长岩侵入体受到齐广断裂控制影响。

4.3 地震层位约束下的磁异常分析

Z1地震线位于ZK1钻孔东北方向约200 m处,Z2地震线位于ZK4钻孔西南方约450 m处,将钻孔垂直投影到地震剖面后,根据剖面解释成果(图8),对比分析钻孔揭露情况。从钻孔处磁异常特征(图2)来看,尽管两个钻孔均处于ΔT异常局部凸起位置、化极正异常中心、剩余异常正异常中心、垂向一阶导数正异常中心,异常特征相近,但两个钻孔所在位置的地层结构具有明显差异,ZK1钻孔所在位置闪长岩体无显著凸起,与地层接触带整体平缓(图8a),相反在ZK4钻孔(图8b)处可发现明显的闪长岩体凸起,与钻孔揭露一致,根据本文深部磁异常特征模型试验结果认为,该处的叠加磁异常很可能是岩体凸起导致的异常,而非矿致异常。

结合上述模型试验及实际资料分析,研究区内叠加次级磁异常主要由两部分引起,一是由岩体局部凸起导致,二是为矿致异常导致。因此,地震层位约束可有效识别矿致磁异常。

4.4 矿体定位与钻探验证

L1线和Z2线均穿过C3磁异常靶区,两线交点位置的磁异常特征与ZK1钻孔处类似,具有较大的成矿可能。同时从图9可以发现,相比于ZK4钻孔的显著凸起,桩号569(两线交点)附近无明显的闪长岩凸起,根据前面分析认识,在岩体埋深、形态都没有明显变化时,若仍显示有重磁局部异常特征,则大概率是矿致异常的表现。另外,从Z2线地震时间剖面也可以看出,该位置相较于大号位置,闪长岩体边界更深,理论上因岩体造成的地面重磁异常应更弱,但实际资料显示异常更强,说明该异常更有可能是富铁矿体导致;同时,该位置靠近齐广断裂,是闪长岩体侵入的边界,边界位置仍保留有部分奥陶纪灰岩,这也符合侵入岩与奥陶纪碳酸盐岩接触带成矿规律认识。

研究区地层结构和构造信息的确定,为重磁联合反演提供了准确的层位约束,降低了反演多解性。选取Z2线的重磁剖面(图10)进行分析,在距离2.5 km和10.2 km附近存在局部磁异常。根据ZK4钻孔揭露情况和地震剖面特征推断10.2 km附近为岩体凸起导致的局部磁场,而在2.5 km附近岩体埋深、形态较两侧无明显变化即岩体无凸起,推断该处局部磁异常为磁铁矿体引起的磁异常,在C3磁异常内重磁Z2线2.5 km位置确定了找矿靶区(图10),布设了ZK11钻孔进行验证。

ZK11钻孔在深度1 186~1 234 m共揭露2层磁铁矿体(图11),累计厚度31.54 m,TFe平均品位54.25%,与地震-重磁反演结果相吻合,再次印证了深覆盖区“地震精细层界约束+重磁联合反演+钻探深部验证”找矿方法体系的有效性,同时通过C3靶区的查证,成功揭露厚层富铁矿体,为齐河-禹城地区开辟了富铁矿找矿新地段,对推动该区富铁矿整装勘查具有重要意义。

5 结论

(1)相较于常规的重磁勘探方法,地震勘探方法在深覆盖区富铁矿找矿中可以更好的反映地下地层结构和构造信息。本次地震勘探查明了断裂构造特征,准确划分了新生界底界、石炭-二叠系等地层结构,圈定了侵入岩体的赋存范围和形态特征。

(2)反射波地震勘探技术协同重磁反演技术,对于识别矿致异常、提高矿体定位精度,进而指导钻孔布设具有重要作用。

(3)地震勘探方法在深覆盖区富铁矿找矿中发挥了重要的作用,但该方法对矿体的直接识别技术还有待进一步研究,如何识别并确定富铁矿矿体的地震波响应特征,将助力深覆盖区富铁矿取得更大找矿突破。

感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFC2903702)

国家重点研发计划项目(2022YFC2903705)