鲁西齐河地区岩（矿）石物性特征及应用

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1099

鲁西齐河地区岩（矿）石物性特征及应用

吴成平^,¹^,², 于长春¹^,², 王卫平¹^,², 马勋表¹^,², 范正国¹^,², 朱宏伟¹^,²

1. 中国自然资源航空物探遥感中心北京 100083

2. 自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室北京100083

Physical Characteristics of Rocks and Ores and Their Application in Qihe Area, Western Shandong

Wu Chengping^,¹^,², Yu Changchun¹^,², Wang Weiping¹^,², Ma Xunbiao¹^,², Fan Zhengguo¹^,², Zhu Hongwei¹^,²

1. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083, China

2. Key Laboratory of Airborne Geophysics and Remote Sensing Geology，Ministry of Natural Resources，Beijing 100083，China

收稿日期: 2019-08-21 修回日期: 2019-09-25 网络出版日期: 2019-11-29

基金资助:

国家重点研发计划项目“综合航空物探地球物理探测系统集成方法技术研究”. 2017YFC0602201

Received: 2019-08-21 Revised: 2019-09-25 Online: 2019-11-29

作者简介 About authors

吴成平(1982-)，男，浙江杭州人，高级工程师，从事航空地球物理数据处理和综合解释.E-mail:chengpingwu@163.com

WuChengping(1982-),male,HangzhouCity,ZhejiangProvince,SeniorEngineer.Researchareasincludeaeromagneticdataprocessingandintegratedinterpretation．E-mail:chengpingwu@163.com

摘要

为系统掌握鲁西齐河地区岩（矿）石物性特征，服务于基础地质和矿产资源调查,在该地区及周边实地采集了磁性、密度等物性参数，并根据不同岩（矿）石分类进行统计分析。结果表明,磁铁矿的磁性最大，基性侵入岩的磁性大于中酸性侵入岩，而沉积岩的磁性最弱。新生界与下伏地层和岩体的密度差异明显，其界面起伏变化可以引起明显的重力异常。磁铁矿的密度最大，黄铁矿次之。太古界泰山岩群变质岩密度较大，也可引起一定强度的重力异常。通过物性特征与地球物理场之间的联系，综合其他资料进行了岩性填图，圈定变质岩和侵入岩范围，确定了强磁性地质体范围作为找矿靶区，并基于物性特征进行了重磁联合反演，推断矿体的埋深、厚度等信息，与钻探验证结果吻合。研究结果提高了对该地区岩（矿）石物性特征的认识程度，为地球物理资料的反演解释和地质构造、矿产研究等提供更可靠的依据。

关键词： 覆盖区 ; 齐河地区 ; 密度特征 ; 磁性特征

Abstract

In order to understand the physical characteristics of rocks and ores in Qihe, western Shandong and serve to basic geology and mineral resources investigation, the magnetic and density properties were collected in the survey area and the surrounding area, and statistics and analysis were given on the physical properties in terms of different kinds of rocks and ores. The result is that magnetite has the maximum value of magnetic property, the values of magnetic properties of basic rocks are bigger than the intermediate-acidic intrusive rocks, and the values of magnetic properties of sedimentary rocks are the smallest. The density of the Cenozoic strata is obviously different from formations and intrusive rocks under the covered area. Their interfaces cause the obvious gravity anomalies. The density value of magnetite is the biggest, and the density value of iron pyrite is the second biggest. The density of the metamorphic rocks of the Archeozoic Taishan rock group can cause certain gravity anomaly. Taking advantage of the relationship between the physical characteristics and the geophysical field, this paper mapped the lithology synthesizing other data, determined the ranges of metamorphic rocks and intrusive rocks, and delimited the ranges of ferromagnetic geological bodies as the target prospecting areas. Based on the physical characteristics, the depth and thickness information about the magnetite ore was inferred by conducting gravity and magnetic joint inversion. The result was nearly the same as the result of the verification borehole. The work of the research has promoted the understanding of physical characteristics of rocks and ores in this area, and provided more reliable basis for geophysical inversion and interpretation, geological structure and mineral resources research.

Keywords： Covered area ; Qihe area ; Density characteristics ; Magnetic characteristics.

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本文引用格式

吴成平, 于长春, 王卫平, 马勋表, 范正国, 朱宏伟. 鲁西齐河地区岩（矿）石物性特征及应用. 地球科学进展[J], 2019, 34(10): 1099-1107 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1099

Wu Chengping, Yu Changchun, Wang Weiping, Ma Xunbiao, Fan Zhengguo, Zhu Hongwei. Physical Characteristics of Rocks and Ores and Their Application in Qihe Area, Western Shandong. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(10): 1099-1107 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1099

1 引言

自然界中各种岩（矿）石的矿物组分、颗粒大小、晶体结构及其成岩环境、变质程度等因素导致物性差异，这种差异引起了地球物理异常，包含丰富的地质和地球物理信息。岩（矿）石的物性研究应用广泛，在地质矿产调查^[1,2,3,4]、资源能源调查^[5,6]和工程环境^[7,8,9,10]等领域均有重要应用。齐河地区位于黄河冲积平原，覆盖层的厚度通常大于500 m^[11]，不宜通过直接观察的方法进行地质研究，很大程度上依赖地球物理观测数据进行间接研究。地球物理方法是深部地质构造和矿产研究的重要手段，而地球物理数据反演解释的一个重要前提是该地区岩（矿）石物性特征。

经过对航空及地面重磁异常分析，在该地区利用钻探验证发现了几米至上百米厚度不等的富磁铁矿^[11,12,13]，引起了诸多地质工作者的兴趣，认为该地区具有较大的找矿潜力，对区域内发现新的富铁矿产地给予厚望。该地区以往地质工作薄弱，主要开展了1∶20万区域地质调查，在研究区东部邻区开展过少量的1∶5万区域地质调查。地球物理方面，20世纪90年代，开展过1∶5万航空磁、放调查，2010—2013年进行了1∶5万航磁调查，虽开展过物性测量工作，但以出露区为主，在齐河厚覆盖区未进行系统的物性研究；2013以来，在研究区内潘店、大张和李屯等地区开展了地面高精度重、磁测量^[13,14,15]，同样未对覆盖区开展详细的物性测量。2017年以来，中国自然资源航空物探遥感中心在齐河地区开展1∶5万航空重磁调查，同时结合国家重点研发计划项目，利用2013年以来齐河地区的十多个钻孔（钻孔终孔深度在800~1 600 m）的岩心，结合周边露头的物性，系统测量该地区磁性、密度等物性参数，研究了不同岩（矿）石物性特征变化及其应用，弥补了该地区尤其覆盖层下方岩（矿）石物性研究不足的问题，奠定了地球物理资料反演、解释及其他地质工作的物性基础。

2 地质矿产概况

研究区位于鲁西隆起区的西北缘，处于华北坳陷区与鲁西隆起区的连接部位，其大地构造位置大部分属鲁中隆起（Ⅲ）。全区为新生界覆盖（图1），覆盖层厚度大，区内地层发育不完整，属于华北型地层，根据周边地区出露地层及钻孔资料，覆盖层下方隐伏地层主要有太古界泰山岩群，下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭系、二叠系，中生界侏罗系分布于齐广断裂西北部。侵入岩体为燕山晚期的中酸性、中基性岩，以闪长岩为主。断裂构造较发育，断层互相切割形成断块，各断块内各时代地层埋藏深度各有差异，总体上表现为南东浅北西深、由阶梯状断块组成的，地层产状较缓。矿体主要赋存于中基性侵入岩与奥陶纪灰岩的接触带上，其成因类型为接触交代型富磁铁矿床^[15,16]。

图1

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图1 研究区地质图（位置见图2篮色框）

Fig.1 Geologic map in research area（located in the blue rectangle in Fig.2）

3 数据来源及测量方法

如前所述，研究区全区被厚覆盖层覆盖，只有在研究区外围东南角济南西南部、肥城、平阴和泰安等地区可见岩石出露(图2)。鉴于此，本次研究的物性数据一是来源于东南出露区露头的物性参数测量，二是来源于研究区中部钻孔岩心的物性参数测量。测量的具体参数包括磁化率、剩磁强度和密度。

图2

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图2 物性点分布及钻孔位置

Fig.2 Positional distribution of physical properties and boreholes

（1）　磁性参数测量

磁化率测量所使用的仪器为中国自然资源航空物探遥感中心研制的ZH-1磁化率仪^[17,18]，测量范围为1×10^-5~300 000×10^-5 SI，分辨率为1×10^-5 SI，具有较好的稳定性，能获得可靠的磁化率数据。在野外露头磁化率测量中尽可能兼顾不同时代、不同岩性和不同地区的岩（矿）石进行测量，通常一个岩（矿）石物理测量点采集磁化率数据不少于30个，每个数据点位置间隔一定距离，避免人为造成测量结果的片面性。对于钻孔岩心，考虑不同岩性以及孔深的基础上，每个深度的岩性测量30个数据求取平均值作为该段岩性的磁化率值；或者间隔一定距离（20~30 cm）测量一个数据，按深度分段统计磁化率值。剩磁强度测量使用仪器包括GSM-19高精度质子磁力仪和MP3磁参数测量系统，选择磁场平稳、无人文干扰区域，利用高斯第二位置获取底数n₀及标本各轴向磁场n_1~6，基于公式（1）计算剩磁^[19]：

I_{r} = 5 r^{3} \frac{1}{v} \sqrt[]{(n_{2} - n_{1})^{2} + (n_{4} - n_{3})^{2} + (n_{6} - n_{5})^{2}} \times 10^{- 3}

，(1)

式中：I_r为剩磁强度，r为标本中心到探头中心距离，v为标本体积，n₁~n₆为各轴向磁场平均值。

（2）　密度测量

密度测量通过野外采集密度标本或者从钻孔岩心取样，使用仪特诺ET-6KM密度计进行测量。获取标本或样品在水中的重量和在空气中重量，基于公式（2）计算密度值。

ρ=W_空/（W_空-W_水）×10³,(2)

式中：ρ为密度，W_空为标本或样品在空气中的重量，W_水为标本或样品在水中的重量。

野外岩（矿）石密度标本采集时，每个露头物性点采集的密度标本原则上不少于3块，所采标本应是未风化、原地的，尽量兼顾不同时代、不同岩性及地域的各类岩（矿）石。

4 物性特征

4.1　磁性特征

该地区岩(矿)石磁性总体上遵循磁铁矿>基性侵入岩>中酸性侵入岩>沉积岩的规律，具备利用磁法在该地区寻找铁矿、研究岩性构造的地球物理前提。各类岩（矿）石磁化率见图3。其中沉积岩磁性普遍较弱，磁化率一般小于150×10^-5 SI，以灰岩和白云岩最小，个别泥岩、粉砂岩和砂岩等由于磁性矿物多而磁性增强。变质岩的磁性变化较大。大理岩磁性弱，一般为23×10^-5 SI；角闪片岩、黑云片岩类磁化率小于75×10^-5 SI；构造角砾岩磁化率变化范围为5×10^-5~9 000×10^-5 SI；泰山群变粒岩等老变质岩的磁化率均值约为2 600×10^-5 SI。侵入岩中的辉长岩和辉绿岩等磁性较强，磁化率常见值为1 514×10^-5~2 306×10^-5 SI。闪长岩和花岗闪长岩等磁化率变化范围为19×10^-5~9 940×10^-5 SI，平均值为4 267×10^-5 SI，剩磁强度变化范围为119×10^-3~538×10^-3 A/M；花岗岩类磁化率均值约为400×10^-5 SI。磁铁矿磁性最强，磁化率变化范围为51 300×10^-5~16 100×10^-5 SI，磁化率均值为96 200×10^-5 SI，剩磁强度变化范围为30 000×10^-3~258 000×10^-3 A/m，具有极强的磁性。

图3

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图3 研究区岩（矿）石磁化率统计图

Fig.3 Magnetic susceptibility statistical charts of rocks and ores in research area

4.2　密度特征

研究区岩（矿）石密度基本可分为高、中、低3类。新生界为低密度岩层，其密度常见值为1.71×10³~2.11×10³ kg/m³。中等密度岩（矿）石为中生界、古生界上部岩层及绝大部分的侵入岩。寒武、奥陶纪地层中岩石密度值相差不大，其中灰岩密度常见值为2.71×10³~2.74×10³ kg/m³，页岩密度平均值为2.60×10³ kg/m³；石炭和二叠纪地层中的灰岩、泥岩和细砂—中砂岩密度常见值为2.62×10³~2.71×10³ kg/m³。花岗岩类等酸性侵入岩密度为2.61×10³~2.62×10³ kg/m³，闪长岩类密度为2.52×10³~2.83×10³ kg/m³。高密度岩石为太古界的变质岩类、部分基性侵入岩类以及铁矿石等；其中泰山岩群如片岩和变粒岩等，密度常见值为2.94×10³~2.97×10³ kg/m³，部分基性侵入岩密度均值可达3.08×10³ kg/m³，黄铁矿密度平均值为3.82×10³ kg/m³，磁铁矿密度最大，平均值为4.18×10³ kg/m³。各类岩（矿）石密度见图4。

图4

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图4 研究区岩（矿）石密度统计图

Fig.4 Density statistical chat of rocks and ores in research area

各地层由老到新，密度总体呈现逐渐递减的趋势。地层密度值的大小与其岩性、矿物和结构有关，铁、镁质矿物含量高的岩石密度值大，硅、铝质矿物含量高的岩石密度值小。对于侵入岩，基性程度越高，密度值越大；反之，酸性程度越高，则岩石密度越低。

4.3　物性特征与地球物理场

岩（矿）石的物性特征与地球物理场有着紧密的联系，物性差异是地球物理探测的基础，从上述物性特征分析可看出岩（矿）石具有密度、磁性差异，具备在该地区利用地球物理找矿和地质构造研究的前提。

因为沉积岩磁化率普遍小，所以不会产生明显的磁异常，在磁场图上表现为平缓的降低磁场。变质岩中部分岩石的磁化率较大，如变粒岩，能引起明显升高磁场。侵入岩中的辉长岩、辉绿岩等基性岩磁性较强，但规模较小，尤其在覆盖区内，埋深较大，未形成明显升高磁场；大部分闪长岩具有一定磁性，可以形成较强的磁异常。花岗岩的磁性相对较弱，不足以引起太大的磁异常。磁铁矿的磁性最强，当具有一定规模可以引起较强的磁异常，但该地区磁铁矿埋深较深，异常受到岩体磁异常的干扰，其磁异常并不明显。与矽卡岩型磁铁矿有关的磁异常主要分布在李屯—大张一带，通常位于埋藏深度较大的闪长岩体与灰岩或白云岩的接触带上，表现为规模较大的航磁异常背景上的弱小异常。

岩（矿）石的密度差异是引起重力异常的前提。该地区新生界的密度较小，它与下伏古生界密度差为0.6×10³~0.8×10³ kg/m³，该界面起伏可以引起明显的重力异常。中酸性侵入岩除与新生界地层有0.7×10³ kg/m³左右的密度差外，与中生界、古生界地层的密度差均在0.1×10³ kg/m³左右，密度差较小，不会引起明显的重力异常，但中酸性岩体与泰山岩群变质岩具有0.2×10³~0.3×10³ kg/m³的密度差，可引起幅度不大的局部重力低异常。铁矿石与其围岩或区域地层相比均具有1×10³ kg/m³以上的密度差，若铁矿具有一定规模，可以引起一定幅度的重力高异常。

5 应用与分析

5.1　岩性填图

物性和岩（矿）石的岩性是息息相关的，基于岩（矿）石的物性特征及其引起的地球物理场在研究区内进行了岩性填图（图5），圈定了变质岩和岩体的分布范围。区内变质岩呈中等磁性，并相对古生界具有0.1×10³~0.2×10³ kg/m³的密度差，对应于大范围的区域磁力高，大面积分布时在重力场上也对应重力高，据此在研究区东南角圈定了变质岩分布区。隐伏侵入岩体被大面积的新生界覆盖，各类侵入岩通常具有一定磁性，如分布最为广泛的闪长岩的磁化率均值为4 267×10^-5 SI，其他如辉长岩、辉绿岩和花岗岩也有几百至上千不等的磁化率，根据其物性特征在磁场上多形成强度不等、形态各异的似椭圆状、团块状异常群。而且在研究区中部李屯—潘店—大张地区钻孔中见厚度较大的以闪长岩为主的侵入岩体，结合邻区各类侵入岩在磁场上的反映特征，参考重力相关图件圈定了岩体范围。在岩体与灰岩的接触部位，尤其在岩体凸起与灰岩的接触部位对寻找矽卡岩型磁铁矿潜力较大。岩体范围内局部升高正磁异常推断为地下地质体磁性矿物富集，岩（矿）石具有更强的磁性，是寻找深部富磁铁矿的找矿靶区，靶区内已有多个钻孔见富磁铁矿。

图5

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图5 鲁西齐河地区航空重磁推断岩性构造填图

（a）航磁△T等值线图；（b）航磁△T化极垂向一阶导数图；（c）航空物探推断岩性构造图

Fig.5 Geological structure map inferred by airborne gravity and magnetic Survey in Qihe, Western Shandong

（a）Airborne magnetic total field;（b）Vertical first derivative of airborne magnetic reduce to pole field;（c）Geological structure map inferred by airborne gravity and magnetic survey

5.2　航空重磁联合反演

研究区中北部李屯铁矿位于李屯磁力高西北边缘的凸起次级异常，异常强度为256 nT，在垂向一阶导数图上呈似圆状升高异常，最大异常幅度为366 nT/km。在该异常的西部边缘有2个钻孔，其中ZK1钻孔在深度1 104.2~1 296 m见累计厚度119 m的矽卡岩型富磁铁矿，位于闪长岩、闪长玢岩与白云岩和灰岩的接触带上；ZK0701钻孔在深度1 046.5~1 430.2 m见累计厚度11.3 m的矽卡岩型富磁铁矿。

为在该地区进一步发现新的矿体，在ZK1钻孔东北部约200 m布置新的钻孔ZK5，对经过ZK5位置的航空重磁剖面L1进行了联合反演（图6）。据钻孔岩心磁性测定结果，磁铁矿磁化率和剩磁较大，具有极强的磁性，闪长岩和闪长玢岩等中基性岩体也具有一定的磁性，其他岩性呈无磁或极弱磁性。根据研究区中北部区域的中基性侵入岩磁性略大于中南部地区，设其有效磁化强度为1 665×10^-3 A/m（磁化率约4 000×10^-5 SI）；铁矿层往往不连续分布，与岩体、地层交错分布，磁化率也并不均一，综合考虑后，磁铁矿有效磁化强度为33 319×10^-3 A/m（磁化率约80 000×10^-5 SI）；而第四系、新近系（Q+N）、二叠系和石炭系（C+P）、寒武系及奥陶系（+O）沉积岩磁性较小，引起了磁异常较弱，在联合反演过程中不考虑其引起的磁场；太古界变质岩(Ar₃)有一定磁性，有效磁化强度为208×10^-3 A/m（磁化率约500×10^-5 SI）。根据各类岩（矿）石的密度特征，设第四系和新近系（Q+N）综合密度为1.93×10³ kg/m³，二叠系和石炭系（C+P）的密度为2.66×10³ kg/m³，寒武系及奥陶系（+O）的密度为2.70×10³ kg/m³，太古界Ar₃的密度为2.83×10³ kg/m³，磁铁矿的密度为4.3×10³ kg/m³。这些物性参数的设置大致符合该地区岩矿石密度统计变化规律。在空地磁残差图^[20]中，在距离12和15 km处有明显的残差异常，表明存在富磁铁矿体的可能性大，因此重磁剖面联合反演（剖面位置见图5中L1剖面）推断了 $①$ 和 $②$ 两处矿体，对矿体埋深、几何参数等进行了预测。值得说明的是，参考附近钻孔情况，推断 $①$ 号深部富磁铁矿的埋深1 150 m，厚度107 m，预测ZK5钻孔能见矿，见矿深度1 170 m，厚度约为62 m，与实际见矿深度、厚度基本吻合。 $②$ 号矿体目前还未进行钻探验证，推断其埋深更大，规模与 $①$ 号矿体类似。

图6

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图6 L1剖面航空重磁联合反演

Fig.6 Airborne gravity and magnetic joint inversion of profile L1

6 结论

通过对鲁西齐河地区钻孔岩心及周边露头的磁性和密度等参数进行测量和系统分析，提高了对该地区岩（矿）石物性特征的认识，特别是厚覆盖层下的岩（矿）石物性特征，是该地区地球物理资料反演和解释的重要基础资料，各类岩（矿）石存在物性差异，说明该地区具备利用地球物理调查进行地质构造、矿产研究的物性前提。

利用各类岩（矿）石的物性特征与地球物理场之间的关系，综合其他地质、地球物理信息，在该地区进行了航空重磁岩性填图，圈定了变质岩和岩体范围，为该地区基础地质研究和找矿提供支持，最终在区内确定了富磁铁矿找矿靶区。依据各类岩（矿）石物性特征的变化规律，确定了重磁联合反演中地层、岩体和矿体的物性参数，合理的物性参数设置可以更准确地推断矿体位置、赋存状态。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

Balla Ondoa

, Ngos

III S

, Ndjeng

, et al .

Contribution of the magnetic susceptibility to the characterization of the Babouri-Figuil Cretaceous Basin

[J]. Open Journal of Soil Science, 2014, 4: 272-283.