山東淄博金嶺地區(qū)辛莊鐵礦地質地球物理特征及深部找礦預測

張保濤，胡兆國， 梅貞華，王向偉 ，魏正宇， 鄭巖巖，趙曉博， 陳磊 ， 胡創(chuàng)業(yè)

1) 中國冶金地質總局山東正元地質勘查院, 濟南, 250013;2) 山東正元地質資源勘查有限責任公司, 濟南, 250101;3) 山東省自然資源廳礦產勘查技術指導中心, 濟南, 250014

內容提要: 臨淄區(qū)辛莊鐵礦位于山東金嶺富鐵礦集區(qū)的東南側，具有較好的矽卡巖型鐵成礦地質條件。區(qū)內以往發(fā)現(xiàn)的礦體為-500 m以淺，深部成礦認識欠缺，導致資源接替不足。通過對成礦地質體分布及形態(tài)變化、重磁電異常特征和已發(fā)現(xiàn)礦體展布規(guī)律的分析，基于可控源音頻大地電磁測深、重磁聯(lián)合反演等技術手段，對區(qū)內深部成礦進行了預測。認為：辛莊鐵礦為典型的矽卡巖型礦床，接觸帶不同位置成礦差異性明顯，具有“平緩凹陷處易成礦，陡峭凸起處不易成礦”的特點；重、磁、電、地綜合方法指示，金嶺雜巖體在研究區(qū)南東側深部具有明顯再次上隆現(xiàn)象，形成明顯的“凹”字形展布形態(tài)，是有利成礦部位。根據取得的認識，圈定深部找礦預測靶區(qū)一處，推測深部磁性體賦存于7號勘查線以西，海拔-770～-950 m。這可為研究區(qū)取得深部找礦突破和補充后續(xù)接替資源提供理論指導。

魯中金嶺雜巖體分布區(qū)是山東省重要的矽卡巖型富鐵礦集中發(fā)育區(qū)之一，累計查明富鐵礦資源儲量超過0.2 Gt (2億噸)(金子梁，2017)，2000m以淺預測資源量超過0.5 Gt(倪振平等?)。區(qū)內全面系統(tǒng)的地質勘查工作始于新中國成立之后，大體上可分為4個階段：①就礦找礦階段，主要對已發(fā)現(xiàn)礦床及其附近開展找礦勘查；②磁異常全面驗證及普查、勘探階段，這一階段找礦效果好、成果多；③低緩磁異常和剩余磁異常找礦階段，這一階段屬于查漏補缺階段；④深部及外圍找礦預測與潛力評價階段，這一階段屬于向深部進軍階段，已取得了一定認識，但鉆探驗證尚少。目前，區(qū)內礦山普遍存在如下現(xiàn)狀：已發(fā)現(xiàn)和開采的礦體普遍偏淺，多位于海拔-500 m以淺(張保濤，2021)；在建礦山迫切需求深部鐵礦資源發(fā)現(xiàn)以補充后續(xù)產能；由于后續(xù)新發(fā)現(xiàn)的可采鐵礦資源不足，已出現(xiàn)因資源枯竭而關停的礦山。本次研究對象辛莊鐵礦正位于金嶺雜巖體的南東側，因淺部資源枯竭及深部資源接替不足而被迫關閉。

近年來，針對傳統(tǒng)礦山深部成礦預測這一實際問題，山東省自然資源廳對包括辛莊鐵礦在內的金嶺礦集區(qū)進行了系統(tǒng)的工作部署，并取得了重要發(fā)現(xiàn)。辛莊鐵礦區(qū)第四系覆蓋嚴重，屬于典型的隱伏礦，地球物理探測作為直接探測地面以下乃至深部特征的技術方法對隱伏區(qū)找礦將起到重要作用(郎興海等，2014；嚴新濼等，2015；戴清峰等，2015；張葉鵬等，2015；李賽賽等，2016；李建良，2016；俞勝等，2016)。本次工作，針對辛莊鐵礦區(qū)，基于已形成的地質、地球物理資料，綜合利用重、磁、電、地方法，探討了礦區(qū)深部地質地球物理特征，并開展了深部成礦預測。

1 區(qū)域地質背景

辛莊鐵礦位于魯中金嶺富鐵礦集區(qū)的東南側(圖1)，在大地構造位置上屬于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)魯山—鄒平斷隆(Ⅳ)鄒平—周村凹陷(Ⅴ)東北緣，在Ⅴ級成礦帶上屬于淄博鐵礦成礦區(qū)(張保濤等，2021)。區(qū)域上，第四系覆蓋嚴重，基巖出露零星。根據金嶺雜巖體分布區(qū)的鉆探揭露，區(qū)域地層主要有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、白堊系和新生界(高繼雷等，2021)，其中與矽卡巖型鐵成礦關系密切的主要為奧陶系—石炭系。中—上奧陶統(tǒng)的八陡組(O2-3b)和五陽山組(O2-3w)灰?guī)r是已確定的有利成礦圍巖，而巖體與地層接觸帶、石炭系底部的平行不整合面及裂隙是已知的有利賦礦空間(張保濤，2021)。

圖1 淄博金嶺地區(qū)辛莊鐵礦大地構造位置及區(qū)域地質特征Fig. 1 Geotectonic location and geological characteristics of Xinzhuang iron deposit in Jinling area，Zibo

受多期構造運動的疊加，區(qū)域上發(fā)育多組斷層，主要有北西向、北北西向和北北東向三組。其中，北西向和北北西向為成礦前斷裂，除南部的炒米店斷裂外，以正斷層為主；北北東向斷裂為成礦后斷裂，主要為正斷層，斷層面傾角多為50°～75°。區(qū)域褶皺主要為呈北東—南西向并行發(fā)育的金嶺背斜和湖田向斜(金子梁，2017；高繼雷等，2021)。金嶺背斜為受金嶺雜巖體侵入導致上覆地層隆升而形成，與區(qū)域上金嶺雜巖體分布區(qū)矽卡巖型鐵礦聯(lián)系緊密(王世進等，2009；胡雅璐等，2018)；湖田向斜平行分布于金嶺背斜東南側，為金嶺雜巖體上侵導致地層折彎而形成。

區(qū)域上的巖漿巖主要為金嶺雜巖體，主要分為南北規(guī)模不等的兩部分，呈橢圓狀，是巖漿多期侵位的產物(Jin Ziliang et al.，2015)，巖性以細粒黑云角閃閃長巖、中細粒黑云角閃閃長巖、中細粒黑云角閃二長閃長巖、細粒角閃二長閃長巖為主，由早到晚分別歸屬于上水河單元、萬盛單元、太平單元和大朝陽單元(高繼雷等，2021)。據最新研究，金嶺雜巖體侵位時代為早白堊世早—中期，形成于古太平洋板塊俯沖后回撤引起的板內伸展環(huán)境，是地幔物質發(fā)生部分熔融并在侵入過程中受下地殼混染的產物(王浩等，2015；Xie Qiuhong et al.，2015；高繼雷等，2021)。

區(qū)域上的礦產主要為圍繞金嶺雜巖體發(fā)育的矽卡巖型鐵礦，主要分布于金嶺雜巖體與地層接觸帶附近(張保濤等，2021)，已發(fā)現(xiàn)大、中、小礦床十余處，除個別礦山，控制深部多為海拔-500 m以淺。辛莊鐵礦正處于金嶺南部巖體的東南側，是發(fā)育在巖體與地層接觸帶附近典型的矽卡巖型鐵礦。

2 礦區(qū)地質特征

辛莊鐵礦位于金嶺雜巖體東南側和金嶺背斜的東南翼，根據礦區(qū)內已施工鉆孔揭露和推斷，發(fā)育的地層由老到新依次為奧陶系馬家溝群五陽山組(O2w)、閣莊組(O2g)和八陡組(O2-3b)，石炭系—二疊系月門溝群本溪組(C2b)、太原組(C2P1t)和山西組(P1-2)，各地層由老到新從西向東依次分布(圖2)。

圖2 淄博金嶺地區(qū)辛莊鐵礦地質物探綜合平面圖Fig. 2 Geological and geophysical comprehensive map of Xinzhuang iron deposit in Jinling area，Zibo

馬家溝群五陽山組是已發(fā)現(xiàn)礦體的主要成礦圍巖，巖性主要為灰色中厚層、厚層微晶灰?guī)r，頂以灰?guī)r基本結束、大套褐灰色中薄層微晶、細晶膏溶角礫白云巖出現(xiàn)為界，與上覆閣莊組整合接觸。閣莊組巖性為深灰色、褐灰色中厚層細晶白云巖夾薄層灰質白云巖和中厚層云斑白云質灰?guī)r。八陡組巖性主要為灰色、深灰色中厚層、厚層微晶灰?guī)r為主，夾灰褐色薄層白云質灰?guī)r及灰色薄層灰質白云巖、白云巖。本溪組巖性主要為一套紫色、雜色鐵鋁質泥巖、鋁土巖及粉、細砂巖組合，與下伏馬家溝群八陡組呈平行不整合接觸，該平行不整合面是研究區(qū)容礦空間之一。

經過區(qū)內的斷裂主要為金嶺斷裂，為正斷層，呈北北東走向，傾向南東，傾角為50°，為成礦后斷層，在研究區(qū)西部自南向北穿過。巖漿巖分布于研究區(qū)西部，主要為早白堊世淺肉紅色中粗粒正長閃長巖，屬于閃長巖、輝石閃長巖的邊緣相(高繼雷等，2021)，是研究區(qū)的成礦巖體(圖2)。

3 礦體地質特征

辛莊鐵礦已發(fā)現(xiàn)3個礦體，編號分別為礦體Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ(圖3)。由南西至北東，上部分別為規(guī)模較小的礦體Ⅰ和礦體Ⅱ，礦體Ⅲ賦存于礦體Ⅰ和礦體Ⅱ的深部，屬尖滅再現(xiàn)的第二階梯礦體。3個礦體均賦存于金嶺巖體與奧陶系馬家溝群灰?guī)r的接觸帶上，礦體產狀和形態(tài)嚴格受巖體和地層接觸帶制約，在接觸帶走向和傾向上均具尖滅再現(xiàn)和膨大縮小的特征(圖4)。在接觸帶凹陷部位，礦體往往厚大，而在凸起部位，礦體常常變薄以至尖滅形成無礦間隔，總體具有“平緩凹陷處易成礦，陡峭凸起處不易成礦”的特點。

圖3 淄博金嶺地區(qū)辛莊鐵礦礦體垂直縱投影圖Fig. 3 The ore bodies vertical longitudinal projection map of Xinzhuang iron deposit in Jinling area，Zibo

圖4 淄博金嶺地區(qū)辛莊鐵礦5勘查線地質剖面圖Fig. 4 Geological section of the prospecting line 5 of Xinzhuang iron deposit in Jinling area，Zibo

現(xiàn)以主礦體Ⅲ為例將礦體特征介紹如下。礦體Ⅲ分布在勘查線1～9之間，形態(tài)較復雜，總體呈扁豆狀。礦體傾向為115°，走向32°～65°，總體呈上緩下陡。礦體走向長度696 m，傾斜延深168～390 m，賦存標高為-120～-472 m。礦體鉛直厚度為1.22～88.29 m，平均為8.98 m，厚度變化系數為155.94%，反映厚度變化大。礦石品位TFe為23.66%～62.51%，平均為52.03%，品位變化系數為9.08%，礦化連續(xù)，品位分布均勻。

研究區(qū)的礦石主要為磁鐵礦，主要呈致密塊狀，次為條狀構造和浸染狀構造；礦石結構主要呈半自形—他形粒狀，部分呈嵌晶結構。金屬礦物主要為磁鐵礦、赤鐵礦、微量黃銅礦、黃鐵礦、褐鐵礦；磁鐵礦與黃鐵礦、黃銅礦密切共生。脈石礦物主要為透輝石、金云母、橄欖石、蛇紋石、透閃石、陽起石、電氣石、綠簾石、綠泥石、方解石等。礦石中主要有益組分為Fe，有害元素為S、P、As，伴生有益元素為Cu、Co。Cu含量一般在0.005%～0.25%，平均0.074%，最高可達1.52%。Co含量一般在0.006%～0.03%，平均為0.0157%，有害元素S含量一般在0.1%～2.5%，平均為0.667%。

4 地球物理特征

4.1 巖礦石物性參數

通過前人對金嶺巖體分布區(qū)不同巖礦石的物性參數統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)不同巖礦石的磁化率、剩余磁化強度和密度存在顯著差異(表1)。砂巖、礫巖、角巖、黏板巖、大理巖等沉積成因或由此變質而成的巖石均無磁性。對磁化率而言，總體上存在“磁鐵礦>閃長巖>煌斑巖>蝕變閃長巖>沉積地層”的規(guī)律，其中辛莊礦區(qū)的磁化率為151000×10-5～1771000 ×10-5SI，平均為453000×10-5SI，總體略低于金嶺地區(qū)。對剩余磁化強度而言，總體上存在“磁鐵礦>閃長巖>蝕變閃長巖>煌斑巖>沉積地層”的規(guī)律，其中辛莊礦區(qū)的剩余磁化強度為160～1260 A/m，平均為228 A/m，總體略高于金嶺地區(qū)。測定的磁鐵礦和閃長巖剩余磁偏角為345°，剩余磁傾角為63°～65°。對于密度而言，磁鐵礦明顯高于其他巖石類型，密度值為3.79～4.54 g/cm3，平均為4 g/cm3，而閃長巖、砂礫巖、角巖、黏板巖、大理巖等均介于2.16～2.89 g/cm3之間。

表1 金嶺地區(qū)巖礦石物性參數統(tǒng)計表(據張保濤等，2021；金子梁，2015)Table 1 The physical property statistical list of rock and ore in Jinling area

4.2 重磁異常特征

研究區(qū)布格重力異常整體上由北西部的巖體中心一側到東南部遠離巖體方向逐漸降低，等值線方向總體上反映巖體與地層接觸帶走向(圖2)。重力異常在西北部最大值為27×10-5m/s2，至東南部降至22×10-5m/s2。布格重力異常等值線自南西向北東呈明顯的“S”狀展布，在研究區(qū)中部呈現(xiàn)出向南東開口的寬緩“V”字形特征。重力異常特征反映出巖體產狀總體向南東傾，且在研究區(qū)中部具有明顯轉折，形成利于賦存礦體的凹形巖體產狀特征。

1∶1萬航磁△T等值線平面圖顯示，研究區(qū)以巖體和灰?guī)r接觸帶已發(fā)現(xiàn)的淺部磁鐵礦體為中心發(fā)育環(huán)形強正磁異常，磁異常強度隨磁性體埋深增加向東南部逐漸變弱，但磁異常等值線形態(tài)不規(guī)則，反映出深部磁性體的磁性強度的不均一性。在已發(fā)現(xiàn)的淺部辛莊鐵礦體一帶，磁異常值最大，超過800 nT，向東南部逐漸降至200 nT以下。磁異常梯度強弱不一，不同磁異常等值線形態(tài)極不協(xié)調，在200～400 nT之間具有多個局部低緩分枝異常，存在由局部深部磁性體引起的可能。

5 深部成礦預測

5.1 有利成礦地質體對成礦深度的約束

華北地區(qū)中奧陶統(tǒng)普遍發(fā)育膏巖層，中奧陶統(tǒng)膏巖層及其以上層位是矽卡巖型鐵成礦作用的主要垂向分布區(qū)間，這是因為在巖漿上侵過程中，膏巖層以熱液流體交代、萃取的方式在濕矽卡巖階段持續(xù)加入到成礦流體系統(tǒng)中，成礦巖體出溶的富氯流體利于鐵質出溶和搬運，是成礦的關鍵因素(段壯，2019)。辛莊鐵礦所處的淄博地區(qū)的膏巖層位于中奧陶統(tǒng)東黃山組頂部，周永剛等?(2015)在區(qū)域地質調查時，在東黃山組頂部發(fā)現(xiàn)膏溶現(xiàn)象發(fā)育，因此辛莊鐵礦一帶的垂向有利成礦區(qū)間應限制在中奧陶統(tǒng)東黃山組頂部及以上層位。

礦區(qū)內以往工作揭示的地層傾角為30°，以各層組厚度的下限計算，預測區(qū)東黃山組頂部層位在巖漿侵入之前埋深最淺也應在1430 m，據此可以確定埋深1430 m及以淺均位于膏巖層以上，處于有利的垂向成礦區(qū)間。

5.2 可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)對有利成礦區(qū)的預測

可控源音頻大地電磁測深技術是獲取隱伏區(qū)地下地質結構的有效方法之一(雷達等，2004)。本次在辛莊礦區(qū)沿典型勘查線4并貫穿至深部區(qū)域完成的可控源音頻大地電磁測深剖面對深部成礦地質體形態(tài)變化具有較好地反映(圖2和圖5)。

如圖5所示，勘查線4的中西部已經過鉆孔驗證，巖體與地層的接觸帶較為穩(wěn)定，表現(xiàn)為波浪狀，在接觸帶的凹部易形成鐵礦體，而在接觸帶的凸起處或陡峭處不易形成鐵礦體。結合北西端已施工鉆孔揭露的地質界線分布及可控源音頻大地電磁測深剖面電性結果，可推斷出此勘查線深部地質體的大致特征。據此，推測自淺部至深部的巖性依次為第四系松散堆積物、石炭系—二疊系碎屑巖類及所夾結晶灰?guī)r、石炭系底部的黏土巖、奧陶系結晶灰?guī)r和白云質結晶灰?guī)r及因熱變質而成的大理巖夾層、矽卡巖化閃長巖及閃長巖體。第四系松散沉積物電阻率表現(xiàn)為上高下低的似層狀，上部高阻層推測為含水量較少的松散堆積物所致，而下部低阻層推測為堆積物中含有一定量的潛水導致。石炭系—二疊系碎屑巖類總體表現(xiàn)為中高阻，垂向切割高阻區(qū)的少量低阻范圍略呈線性，推測為斷裂導致流水進入引起。石炭系至奧陶系中—上部總體表現(xiàn)為低阻，推斷與灰?guī)r溶蝕相關。奧陶系下部至閃長巖巖體，電阻率逐漸增大，電阻率等值線變化形態(tài)反映了巖體與地層接觸帶的變化特征，結合已施工的地質勘查線剖面可推斷出巖體與地層接觸帶在深部的變化。

圖5 辛莊鐵礦勘查線4深部可控源音頻大地電磁測深特征圖Fig.5 The CSAMT characteristics of the deep of prospecting line 4 in Xinzhuang iron deposit

據電性特征反映，在勘查線4的南東端巖體表現(xiàn)出再次明顯向上抬升的特征，在深部形成一凹形槽，為閃長巖體與碳酸鹽巖的接觸帶，且在巖體凹陷處對應的磁異常線并未隨之下凹，反而在東南部巖體凸起處略有降低，而重力異常反而也高于東南部巖體凸起處，是有利的成礦位置(圖5)。

5.3 重力—磁法—地質聯(lián)合反演對深部磁性體的預測

在已掌握的淺部勘查線施工鉆孔揭露的地質特征的基礎上，利用可控源音頻大地電磁測深所反映的地質體界線特征，可以構建較為客觀的地質模型，據此，重力—磁法—地質聯(lián)合反演可以更好地反映深部成礦地質體和磁性體的分布及變化特征(高德章等，2004；Colombo and Destefano，2007；Jegen et al.，2009；李德春等，2012；姜枚等，2012；丁文祥等，2018；屈栓柱等，2019；閆政文等，2020)。由北西至南東穿過辛莊礦區(qū)的重磁聯(lián)合剖面反演結果見圖6。

圖6 辛莊鐵礦勘查線4重磁反演剖面圖Fig.6 The gravity and magnetic inversion profile along prospecting line 4 in Xinzhuang iron deposit

重力異常剖面結果指示，由巖體中心位置至巖體邊緣，重力異常值較穩(wěn)定，有略微降低。在巖體與地層接觸帶傾斜區(qū)域，重力異常值隨接觸帶的起伏及含礦性的變化由淺入深逐漸降低，并具有如下顯著特征：在接觸帶波狀變化及鐵礦體斷續(xù)出現(xiàn)處，重力異常曲線表現(xiàn)出微弱的波狀變化；在深部磁性體預測區(qū)，重力異常曲線具有微弱上凸現(xiàn)象，指示深部受高密度地質體的影響。磁異常剖面結果指示，磁異常具有多凸起現(xiàn)象：最大峰值出現(xiàn)在中淺部已發(fā)現(xiàn)的鐵礦體分布區(qū)域，是中淺部接觸帶式鐵礦體的反映；隨之巖體埋深及產狀變化，磁異常在穩(wěn)定下降的趨勢下具有波狀起伏，在一定程度上也受透鏡狀磁性體的影響；而在深部預測區(qū)范圍，巖體下凹，磁異常線并未隨之下凹，推斷為磁性體深埋引起的疊加效應。

5.4 深部找礦靶區(qū)定位

通過對成礦地質體分布及形態(tài)變化、重磁異常特征和已發(fā)現(xiàn)礦體展布規(guī)律的分析，基于可控源音頻大地電磁測深、重磁聯(lián)合反演等技術手段，結合前人建立的金嶺礦集區(qū)地質地球物理綜合找礦模型，預測了辛莊鐵礦深部找礦靶區(qū)的空間分布(圖7，圖1)。

圖7 淄博辛莊地區(qū)深部成礦預測垂直縱投影圖Fig. 7 The vertical longitudinal projection map with the deep prospecting prediction in Xinzhuang area，Zibo

辛莊鐵礦深部找礦預測靶區(qū)在平面上位于已發(fā)現(xiàn)礦體的南東側，在基巖地質圖上處于太原組和山西組分布區(qū)，面積約0.5 km2。重力異常線向巖體一側凸起，反映此處為對成礦有利的凹部，而磁異常則整體表現(xiàn)為外凸且具有多個磁異常凸起或局部磁異常(圖1)。因此，推斷此處深部位于巖體凹處，且具有磁性體反映，為深部找礦提供了平面上的預測依據。通過重磁電地剖面聯(lián)合反演，顯示在辛莊鐵礦南東側深部巖體出現(xiàn)凹狀展布形態(tài)，與地質物探平面分布特征所指示的結論一致。據此，圈定深部找礦預測靶區(qū)一處，位于勘查線7的南西側，位于海拔-770～-950 m(圖7)。

6 結論

(1)山東淄博金嶺地區(qū)辛莊鐵礦具有較好的矽卡巖型鐵成礦地質條件，接觸帶具有“平緩凹陷處易成礦，陡峭凸起處不易成礦”的特點，以往發(fā)現(xiàn)的礦體主要分布于-500 m以淺，深部仍具有較大的找礦空間。

(2)重、磁、電、地綜合信息指示，金嶺雜巖體在辛莊一帶南東側深部具有明顯上隆現(xiàn)象，形成明顯的“凹”字形展布形態(tài)，巖體凹部是有利成礦部位。

(3)通過對成礦地質體分布及形態(tài)變化、重磁電異常特征和已發(fā)現(xiàn)礦體展布規(guī)律的分析，圈定深部找礦預測靶區(qū)一處，推測深部磁性體賦存于海拔-770～-950 m附近。

注 釋/Notes

? 倪振平, 李慶平, 李洪奎, 等. 2013. 山東省礦產資源潛力評價成果報告.濟南：山東省地質調查院.

? 周永剛, 張振飛, 劉偉, 等. 2015. 淄博市幅區(qū)域地質調查報告.濟南：山東省第一地質礦產勘查院.