物探航空磁法在印尼爪哇省斯烏蘭海濱釩鈦磁鐵砂礦勘查中的應(yīng)用

行英弟

(有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012)

0 引言

含釩鈦海濱砂礦是一種在海濱地帶由河流、波浪、潮汐和海流作用而形成的次生富集砂鐵礦，其主要有用礦物組分為釩鈦磁鐵礦，在亞太地區(qū)，如日本、菲律賓、印度尼西亞、澳大利亞、新西蘭分布較廣[1-2]，其主要特點(diǎn)是儲(chǔ)量豐富，易采選，是一種優(yōu)質(zhì)鐵礦資源[3]。全球釩鈦磁鐵海砂礦儲(chǔ)量有數(shù)百億噸級(jí)的規(guī)模，其中有資料表明印尼瓜哇島沿印度洋海邊就有300億噸以上儲(chǔ)量，其次是馬來(lái)西亞、印度、墨西哥、秘魯、智利也有相當(dāng)大的儲(chǔ)量。由于海砂礦原先被認(rèn)為無(wú)商業(yè)價(jià)值，所以地質(zhì)基礎(chǔ)工作相對(duì)較弱。隨著利用技術(shù)的不斷提高，認(rèn)為海砂礦的價(jià)值大于傳統(tǒng)鐵礦石[4]，是將來(lái)重要的資源，而航空及地面磁測(cè)是尋找鐵礦最有效、最直接、應(yīng)用最廣的物探方法[5-6]，尤其對(duì)于磁鐵礦，磁法測(cè)量更是扮演著極為重要的角色[7]。

斯烏蘭海濱釩鈦磁鐵砂礦勘查區(qū)屬印度尼西亞西爪哇省萬(wàn)隆市打橫縣，位于打橫縣南約50 km的印度洋北岸，本區(qū)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)性的地質(zhì)工作，地質(zhì)資料較少。

本次工作面積為260 km2，采用1∶2.5萬(wàn)的高精度航空磁測(cè)，圈定釩鈦磁鐵砂礦的空間分布，估算其資源量，為地質(zhì)勘查和開(kāi)采提供依據(jù)。

1 地質(zhì)及地球物理概況

勘查區(qū)位于西爪哇省南濱印度洋的濱海區(qū)和海濱水域，據(jù)1∶10萬(wàn)Bogor、Cianjur幅地質(zhì)圖及其說(shuō)明書(shū)，自爪哇島弧西段中央火山帶軸部向南至印度洋海岸邊，主要出露了自第三紀(jì)始新世以來(lái)形成的沉積巖、火山巖和侵入巖[8]。基性巖體向南突出、從陸地延伸到濱海，基性巖漿巖經(jīng)過(guò)風(fēng)化剝蝕及海浪的沖刷淘洗，在海濱形成次生富集。濱海砂礦體呈板狀沿東西近水平產(chǎn)出，厚度為8～13 m，走向長(zhǎng)度為1～13 km，寬幾百米至數(shù)千米，礦砂中礦石礦物主要有鈦磁鐵礦 [(Fe·Ti)3O4，TiO2含量占10%～16%]、磁鐵礦、赤鐵礦等[9]，脈石礦物有石英、長(zhǎng)石、透閃石，白云石等，礦砂中還有少量泥巖或海底松散沉積物。

1.1 巖(礦)石磁性參數(shù)

在區(qū)內(nèi)濱海砂礦區(qū)用磁化率儀對(duì)砂礦露頭(45處)、非礦巖石砂土(3處)進(jìn)行了磁化率測(cè)定，45個(gè)露頭點(diǎn)測(cè)定的鐵砂的磁化率在0.2041～0.9536(SI)之間，平均值為0.5061(SI)，具磁性；非礦巖石砂土磁化率0.003～0.004(SI)，平均值為0.004(SI)，弱磁性。礦與非礦物磁性差異較大，為磁法找礦提供了工作前提。

1.2 礦區(qū)磁性砂礦體有效感應(yīng)磁化強(qiáng)度

勘查區(qū)地磁要素：地磁總場(chǎng)強(qiáng)度45500 nT，地磁傾角-35°，地磁偏角0.5°。根據(jù)礦區(qū)磁性砂礦體的形狀，考慮砂礦體退磁系數(shù)對(duì)感磁的影響計(jì)算礦體有效感應(yīng)磁化強(qiáng)度。

將區(qū)內(nèi)的砂礦體視為水平薄板，則正交的三軸方向的退磁系數(shù)分別為Nx=Ny=0，Nz= 1；根據(jù)區(qū)內(nèi)的地磁要素和釩鈦磁鐵砂礦的磁化率，計(jì)算出礦體有效感磁強(qiáng)度和感磁傾角。礦體的感磁強(qiáng)度(Mi)：

=-6979×10-3A/m

式中：Nz=1，k=0.5061SI，T0=45 500×10-9T，μ0=4π×10-7H/m。

礦體的感磁傾角(αi)：

2 工作方法

根據(jù)本區(qū)的地質(zhì)特征和地球物理?xiàng)l件，選擇1∶2.5萬(wàn)高精度航空磁測(cè)作為本次主要工作方法。

測(cè)量所用的航磁系統(tǒng)由作為空中測(cè)量平臺(tái)的動(dòng)力三角翼飛行器、氦光泵航磁測(cè)量系統(tǒng)及地面磁日變站三部分組成。

勘查區(qū)航磁測(cè)線按250 m間隔飛行，測(cè)線平均采樣點(diǎn)距2.2 m，平均離地飛行高度80 m，離地飛行高度常見(jiàn)變化范圍為72～88 m，測(cè)量面積260 km2，測(cè)量總誤差為3.9 nT。圖1為取得的航磁ΔT異常剖面平面圖。

圖1 斯烏蘭海濱型釩鈦磁鐵砂礦區(qū)航磁ΔT異常剖面平面圖和勘查區(qū)交通位置示意圖Fig.1 Aeromagnetic ΔT section plane map of Siulan coastal type vanadium titanium magnetite sand mining area and the traffic location of the exploration area

3 航磁異常解釋推斷

3.1 磁性砂礦體ΔT異常理論模型計(jì)算

為了指導(dǎo)航磁異常的定性和定量解釋，建立理論模型模擬區(qū)內(nèi)的海濱釩鈦磁鐵砂礦體，并計(jì)算該模型在飛行高度處水平面上的ΔT異常。

模擬海濱釩鈦磁鐵砂礦體理論模型為水平薄板體，模型東西長(zhǎng)1000 m，南北寬200 m，厚度為15 m，埋深80 m，砂礦體磁化強(qiáng)度為13 000×10-3A/m，有效磁化傾角-23°，偏角0°。

圖2a中的黑色虛線框所圍區(qū)域?yàn)槔碚撃Ｐ偷乇硗队皡^(qū)域。異常呈現(xiàn)南負(fù)北正的特征，正異常和負(fù)異常形態(tài)相似，平緩的負(fù)值異常從南至北由負(fù)值過(guò)渡到正值，礦體位于成對(duì)的正、負(fù)異常之間。圖2b中的紅色虛線框所圍區(qū)域?yàn)槔碚撃Ｐ偷乇硗队皡^(qū)域，綠黃交界線為零等值線分界處，由圖2b可見(jiàn)，垂向一導(dǎo)等值線零線基本為礦區(qū)投影邊界。

圖2 ΔT異常等值線平面圖(a)和ΔT化極垂向一導(dǎo)異常等值線平面圖(b)

3.2 磁性砂礦體水平投影圈定

測(cè)區(qū)位于南半球，并處于磁赤道以南的地磁南緯地區(qū)，地磁傾角I0=-35°，航磁異常具南半球地磁中低緯度地區(qū)的異常特征(參考圖2)。

橫貫區(qū)內(nèi)海濱地帶的NWW-SEE走向異常帶呈典型的南負(fù)北正、負(fù)強(qiáng)正弱的伴生異常的特征，且正、負(fù)異常間存在寬緩的低值異常過(guò)渡帶。全區(qū)正異常極大值約200 nT，負(fù)異常最低值為-400 nT，大部分異常處于-200 nT～200 nT之間，負(fù)異常的分布范圍略大于正異常的分布范圍。

沿測(cè)區(qū)北緣跨海濱與濱海地段上，同樣分布著具有上述特征的NWW-SEE走向的異常帶，但因測(cè)區(qū)北界所限，導(dǎo)致該異常帶延伸中斷，形態(tài)特征不完整。

在測(cè)區(qū)南緣西段發(fā)現(xiàn)了兩處沿NWW-SEE向排列的南負(fù)北正伴生異常，因測(cè)區(qū)南界所限，未能采集到完整的異常數(shù)據(jù)。但可以推測(cè)在測(cè)區(qū)的南界以南的水域處還存在第三條NWW-SEE走向的南負(fù)北正伴生異常帶。

將測(cè)區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)ΔT異常形態(tài)特征與水平薄板模型正演異常特征比較，二者相似度較高，因此認(rèn)為實(shí)測(cè)ΔT異常是由水平薄板狀砂礦體引起的，砂礦的沉積環(huán)境是區(qū)內(nèi)海濱地帶坡度很緩的海床。

磁性砂礦體水平投影圈定：ΔT磁異?；瘶O垂向一導(dǎo)異常較凌亂難以圈定，因此根據(jù)水平薄板ΔT異常呈現(xiàn)南負(fù)北正，礦體位于成對(duì)的正、負(fù)異常之間的特征，結(jié)合二維反演結(jié)果來(lái)圈定。圈定的礦體平面形態(tài)規(guī)整，邊界清晰圓滑，效果較好。對(duì)于航磁在區(qū)內(nèi)圈出的孤立負(fù)異?；蛘惓＃谙鄳?yīng)部位追索“負(fù)極線”和“正極線”，分別作為劃定水平薄板狀異常體南界和北界的補(bǔ)充標(biāo)志。礦體的主礦段南界位于SN向剖面負(fù)極值點(diǎn)的連線(簡(jiǎn)稱為“負(fù)極線”)附近，主礦段北界位于SN向剖面正極值點(diǎn)的連線(簡(jiǎn)稱為“正極線”)附近，其東西兩側(cè)的界線大致位于成對(duì)的正、負(fù)異常向東、西方向的尖滅處。

本測(cè)區(qū)EW向的北區(qū)帶上，航磁發(fā)現(xiàn)一串?dāng)嗬m(xù)分布的呈EW向拉長(zhǎng)的負(fù)異常，由于測(cè)區(qū)范圍所限，異常沒(méi)有封閉。根據(jù)上述歸納的砂礦體引起南負(fù)北正對(duì)稱異常的基本特征，可以推測(cè)在已觀測(cè)到的負(fù)異常的北側(cè)區(qū)外，應(yīng)存在與之“配對(duì)”的伴生正異常，從而可以將該負(fù)異常的“負(fù)極線”推斷為由南向北延伸至測(cè)區(qū)以外的礦體南界。

相反，若在測(cè)區(qū)的南界發(fā)現(xiàn)了單一的正異常，則可以推測(cè)在已觀測(cè)到的正異常的南側(cè)區(qū)外，應(yīng)存在與之“配對(duì)”的伴生負(fù)異常。從而可以將該正異常的“正極線”推斷為由北向南延伸至測(cè)區(qū)以外的礦體北界。

根據(jù)此原則，共推斷出5處礦體主礦段，它們?cè)诘孛娴耐队拔恢靡?jiàn)“斯烏蘭海濱型釩鈦磁鐵砂礦區(qū)航磁ΔT綜合平面圖”(圖3)，圈定的5處主礦段面積約182.6 km2，占測(cè)區(qū)面積的70.2%。圖3表明整個(gè)測(cè)區(qū)存在兩條橫貫測(cè)區(qū)的NW—SE走向的砂礦帶，由測(cè)區(qū)南界發(fā)現(xiàn)的磁異常，可以推測(cè)出在測(cè)區(qū)南界以南，還有第三條NW—SE走向的砂礦帶。

圖3 斯烏蘭海濱型釩鈦磁鐵砂礦區(qū)航磁ΔT綜合平面圖

3.3 磁性砂礦體定量計(jì)算

為了定量估算所圈定礦體的規(guī)模，針對(duì)圈定礦體進(jìn)行了2.5D模擬反演定量計(jì)算。

針對(duì)圈定的5個(gè)礦體，選擇了12、115、117、122、124、206線進(jìn)行了定量反演計(jì)算。礦體的垂直斷面近似紡錘狀，略向南傾，傾角<1°，其主礦段位于異常的最大值點(diǎn)與最小值點(diǎn)之間的寬緩低值處，南、北兩端分別尖滅于異常最小值點(diǎn)以南和異常最大值點(diǎn)附近；礦體的最大厚度為25 m，位于最小值點(diǎn)以北300 m處，主礦段厚15～25 m，頂板在海平面下約12～15 m。

圖4為航磁124線反演的3號(hào)礦體結(jié)果剖面圖，124剖面總長(zhǎng)為6.7 km，整條剖面正異常最大值為77 nT，位于海岸邊，負(fù)異常最低值為-104 nT，位于海岸線以南約4.2 km處。

圖4 124線航磁剖面反演結(jié)果斷面圖Fig.4 Sectional map of inversion result along aeromagnetic line No.124

砂礦體磁化強(qiáng)度為13 000×10-3A/m，有效磁化傾角為-23°，擬合模型向西延伸長(zhǎng)2 km，向東延伸14 km。

從反演的斷面圖來(lái)看，礦體中間厚兩側(cè)薄，礦體最厚處位于負(fù)異常最低值北側(cè)約300 m處，剖面最北端的最大正異常正是礦體北端邊界，礦體最大厚度為25 m，礦體頂界面距水面約15 m。

3.4 砂礦體資源量估算

依據(jù)《砂礦(金屬礦產(chǎn))地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0208-2002)，采用航磁取得的礦體幾何數(shù)據(jù)和采集樣品分析數(shù)據(jù)對(duì)勘查區(qū)磁鐵砂礦進(jìn)行資源量估算。

巖礦石磁化率隨著巖礦石中鐵磁性物質(zhì)含量的增加而增加[10-11]，對(duì)于同一類型的磁鐵礦床，當(dāng)其礦石類型相似時(shí)，可以根據(jù)已知的磁化率與磁鐵礦體積百分含量之間的關(guān)系，利用回歸分析方法，建立該礦區(qū)礦石的磁化率與磁鐵礦百分含量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)公式，利用這一數(shù)學(xué)公式，就可以根據(jù)實(shí)測(cè)的磁化率值來(lái)確定這種類型礦石的磁鐵礦含量。

在本區(qū)選擇了有代表性的24組磁鐵礦砂樣本，進(jìn)行了全鐵百分含量分析和磁化率測(cè)定，建立了本區(qū)釩鈦磁鐵礦砂磁化率與TFe百分含量相關(guān)關(guān)系曲線(表1，相關(guān)系數(shù)r=0.9)及回歸方程lg(k)=3.2452 +1.0388 lg(TFe)。

表1 釩鈦磁鐵礦砂磁化率測(cè)定值與TFe%化學(xué)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 List of magnetic susceptibility value and TFe% chemical analysis result of vanadium titanium magnetite ore

依據(jù)航磁取得的礦體幾何數(shù)據(jù)和通過(guò)磁化率換算的鐵的含量數(shù)據(jù)，用礦體的投影面積、厚度來(lái)計(jì)算體積：V(體積)=S(水平或垂直投影面積)×M(垂直或水平方向平均厚度)，體積與砂礦密度、砂礦品位相乘即為勘查區(qū)磁鐵砂礦資源量[12]。

圈定的5個(gè)砂礦體的平面分布面積約182.6 km2，礦體的平均厚度為8～13 m，頂深2～20 m，砂礦鐵品位為20%～40%。，砂礦密度為2.3 t/m3～2.6 t/m3，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，估算釩鈦磁鐵砂礦總資源量為51.28億噸。

表2 印尼斯烏蘭釩鈦磁鐵礦礦砂資源量計(jì)算Table 2 List of reserves estimating of vanadium titanium magnetite orebodies in Siulan， Indonesia

4 結(jié)論

1)印尼爪哇省斯烏蘭海濱釩鈦磁鐵礦，為基性巖漿巖經(jīng)過(guò)風(fēng)化剝蝕及海浪的沖刷淘洗所形成的次生富集砂礦，礦體呈板狀沿東西近水平產(chǎn)出，礦砂中礦石礦物主要有鈦磁鐵礦 [(Fe·Ti)3O4，TiO2含量占10%～16%]、磁鐵礦、赤鐵礦等，礦體具有磁性。為配合砂礦勘查，進(jìn)行了1∶2.5萬(wàn)輕便航空磁測(cè)260 km2。通過(guò)對(duì)磁異常的正反演計(jì)算，結(jié)合礦區(qū)成礦地質(zhì)條件，圈定礦體5個(gè)，平面面積約182.6 km2，礦體的平均厚度為8～13 m，頂深2～20 m，砂礦鐵品位為20%～40%，砂礦密度為2.3 t/m3～2.6 t/m3，并依據(jù)礦區(qū)釩鈦磁鐵砂礦磁化率與TFe百分含量的相關(guān)關(guān)系，估算釩鈦磁鐵砂礦總資源量51.28億噸。

2)海濱釩鈦磁鐵砂礦特點(diǎn)是分布較廣、儲(chǔ)量大、易于采選，全球釩鈦磁鐵海砂礦儲(chǔ)量有數(shù)百億噸級(jí)的規(guī)模。隨著利用技術(shù)的不斷提高，海砂礦將成為一種重要的資源，探索低成本的海砂礦勘查技術(shù)，對(duì)促進(jìn)該礦種的開(kāi)發(fā)利用具有重大的意義。通過(guò)印尼爪哇省斯烏蘭海濱釩鈦磁鐵砂礦勘查工作航磁應(yīng)用說(shuō)明，利用輕便航磁可快速發(fā)現(xiàn)和圈定磁異常(礦)體，確定礦體的埋深產(chǎn)狀，估算礦體的品位和資源量，為進(jìn)一步勘查和利用提供依據(jù)。