铁矿区原有磁法数据再研究：以迁安马兰庄铁矿区深部预测为例

王凤刚

（首钢地质勘查院地质研究所，北京 100144）

0 引言

随着铁矿山多年的开采，原有探明的浅部资源／储量已经开采殆尽，寻找深部及周边铁矿资源成为当务之急。在老矿区重新开展磁法等物探测量，往往受到矿山采矿设备、地面废石堆等的磁性干扰，以及露天采坑的地形限制。面对这些客观实际情况，采用收集以往的磁法测量数据，利用当前主流软件进行数据的分析与处理，结合地质勘查和矿山开采过程中控制的浅部矿体情况，探究引起磁异常的主要原因，推断深部存在矿致异常的可能性，不失为一种有效的研究思路。首钢地质勘查院在河北马兰庄铁矿区深部成矿预测的过程中，利用原有磁法测量数据进行再研究，经过数据处理和地质验证，成功地找到深部的厚大铁矿体，为矿区增加了矿石储量，获得了巨大的经济效益。

1 区域地质背景

河北迁安铁矿区位于华北克拉通北缘中段的迁安隆起（陆核）西部边缘的褶皱带内（图1），是早前寒武纪条带状硅铁建造（BIF）的重要产区，著名的水厂铁矿、杏山铁矿都分布在此带内。迁安矿区广泛出露的地层为中太古界迁西群，西部山区有中元古界长城系，二者呈角度不整合接触。北部及中部有侏罗系后城组砾岩分布，第四系则分布于平地（平原）及沟谷中。

根据多年来积累的勘查资料及研究成果，迁安矿区北区的变质岩系为迁西群三屯营组二段（Ar2s），依据变质程度、原岩恢复所反映的火山沉积旋回以及含矿层对比等，具体又划分为4个岩性段。其中第三岩性段分2个亚层（Ar2s3－1，Ar2s3－2），第四岩性段分5个亚层（Ar2s4－1—Ar2s4－5）。三屯营组二段（Ar2s2）是本区的主要含矿层位，也是主要的研究对象。

迁安矿区以中部横山断裂为界，分为南、北2个区。北区以柳河峪断裂为界，分成东、西2个铁矿带，马兰庄铁矿床位于北区东矿带马兰庄—二马复向斜的北端。

马兰庄铁矿以F6断裂为界，分为南、北两个矿段，北部为沙河山矿段，南部为白马山矿段（图2）。

1.1 地层

图1 冀东区域地质简图（据孙大中等，1982；修改）Fig.1 Regional geological map of East Hebei province

图2 马兰庄铁矿地质简图Fig.2 Geological sketch of Malanzhuang iron mine

矿区出露地层主要为中太古界迁西群三屯营组［4］二段第三岩性段，沿沟谷分布第四系。

三屯营组二段第三岩性段第一亚层（Ar2s3－1）：出露于沙河山向斜的两侧，厚约270m，主要岩石为黑云紫苏斜长片麻岩和辉石磁铁石英岩，次为黑云紫苏麻粒岩、紫苏麻粒岩、石榴紫苏黑云变粒岩、黑云变粒岩，并夹有少量角闪二辉石岩。

三屯营组二段第三岩性段第二亚层（Ar2s3－2）：出露于沙河山倒转向斜的核部，厚约150m，由石榴黑云变粒岩夹大量的角闪二辉石岩、紫苏黑云变粒岩、不稳定的夕线黑云斜长片麻岩、辉石磁铁石英岩组成。

1.2 构造

地质勘查成果认为，矿床总体控矿构造格架为倒转向斜，F6断裂将该向斜切割为南北两部分，断裂以北为沙河山倒转向斜，以南为白马山倒转向斜，沙河山矿段和白马山矿段的铁矿体分别赋存于这2个向斜内。

1.2.1 褶皱

沙河山矿段的控矿构造为沙河山倒转向斜，该向斜呈不完整的倒“V”字形，北西翼（倒转翼）走向50°左右，倾向NW，倾角70°～85°，南东翼（正常翼）走向40°左右，倾向NW，倾角30°～60°，两翼地表出露宽度约300m，向斜轴面总体走向约为45°，倾向NW，倾角60°～70°，向斜北东端翘起，向SW倾伏，倾伏角约18°。

1.2.2 断裂

白马山矿段内断裂较多，纵横交错；沙河山矿段的断裂不甚发育，仅局部因褶皱作用有层间断层零星分布，断裂在走向和倾向上延伸均较小，局部切割矿体，但无相对位移，对矿体破坏作用较小。

表1 冀东迁安矿区岩（矿）石磁性参数统计Table 1 Statistical diagram for samples of rocks and ores in Qianan iron mine of East Hebei province

1.3 矿体地质特征

地质勘查成果表明，马兰庄铁矿床总体走向50°左右，倾向NW，倾角60°～70°，北东端翘起，向SW倾伏，倾伏角平均18°。矿体全长＞2 000m，矿带宽280～380m，矿体平面分布范围如图3所示。

2 地球物理特征

磁法勘探是常用的地球物理勘探方法，是寻找磁性铁矿体最有效的手段。从马兰庄铁矿区岩（矿）石标本测定统计结果（表1）看出，矿区的磁铁石英岩和含铁石英岩（含铁片麻岩）较其他岩石相差近3个数量级，因此，在矿区利用磁法找矿是可行的。

图3 马兰庄矿区航磁异常图Fig.3 Air magnetic anomaly map of Malanzhuang iron mine

从马兰庄矿区航磁异常图（图3）不难看出，矿区处在一个较有规模的磁异常范围内，该区域中断裂较为发育，其中NW向的F6断裂将异常区分为两大块，即白马山矿床和沙河山矿床。沙河山矿床磁异常最大值2 300nT，白马山矿床磁异常最大值1 300nT。地质勘探结果表明，该矿床为倒转向斜控矿模式，尤其是沙河山矿段，西北侧正负异常边界和南东侧异常梯度较为密集处对应出露的矿体，即倒转向斜两翼。北西侧磁异常向异常中心有宽缓延伸特征，南东侧磁异常向西北方向也有较为宽缓延伸特征，并都有延伸至磁异常峰值中心的趋势，推断磁异常闭合圈中心位置应对应倒转向斜核部。

3 矿区原始磁法数据处理

3.1 化极

在垂直磁化的条件下，磁异常的形态比较简单，便于分析和解释。我国处于中纬度地区，属于倾斜磁化，解释难度较大，故而首先进行化极处理。

在频率域位场转换中，将磁异常ΔZ作化极处理，即将磁异常转换为磁性体处于地磁极位置的磁异常（此时地磁场方向垂直向下，当磁性体不存在剩余磁化和不存在退磁效应时，磁化方向亦垂直向下），这是常见的数据处理方法。一般来说，在垂直磁化时磁性体与磁异常之间的关系会简单一些，将磁异常化至地磁极。一般情况下的磁性体磁化方向不易判断，在磁异常化极时，将地磁场方向和磁性体的磁化方向假设为一致。

图4 马兰庄铁矿区地磁异常化极前后等值线图对比Fig.4 Comparison between the contour map before reduction－to－pole treatment and after reduction

从马家庄铁矿区磁异常化极前后的等值线图（图4）可以看出，负异常位置有了明显的变化，从正异常的北西侧偏移到正异常的南东侧。化极之后的地磁异常等值线图中，磁异常更加突出明显，正异常所形成的异常带更加符合实际出露的矿体形态。从化极处理后的磁异常看，沙河山磁异常连续性更好，尤其是在北东端异常值高且密集，向西南方向延伸，异常数值逐渐减小且宽缓，化极后的地磁异常与实际情况更为贴近，也更好地反映矿体赋存的真实信息。说明该区域磁测数据准确可靠，是进一步数据处理的基础。

3.2 地磁异常的小波多尺度分解

小波多尺度分析方法是近年发展起来的新兴数学方法，最初是由法国的地球物理学家J.Morlet和A.Grossmann提出的，广泛应用于信号处理、图像处理、地球物理勘探等领域，这主要得益于小波的时频局域分析能力。小波多尺度分解能将重磁异常精细地分解到多个不同尺度上来反映不同尺度和深度的异常，常被用于区域重磁场的分解和分析，能够得到较好的效果。采用小波多尺度分解的方法，把实测磁异常分解为几个不同阶的细节提取深部弱信号，并用对数功率谱分析方法计算他们所代表的场源深度，更好地揭示深部场源的赋存信息，进而分析深部磁场特征，是解释磁异常的一种新思路。

马兰庄铁矿区地面磁异常等值线图（图5a）中，磁异常的走向为NE向，呈条带状分布，正负异常伴生（红色为正，蓝色为负）。磁异常与地质图中的铁矿体出露位置（红色填充）部分对应，这些部位为地表磁铁矿体引起的磁异常的真实反映。

利用小波多尺度分解技术对地磁异常进行再处理。通过软件的二维小波多尺度分解功能将数据分解为逼近文件和细节文件，再利用软件的平面重磁异常功率谱确定场源似深度的功能，对二维小波多尺度分解后的细节文件进行处理，求得磁场场源的近似深度值，为剖面数据进行正反演计算提供依据。

地磁异常经小波多尺度一阶分解后，由功率谱分析计算出场源似深度为11.5m，其细节图（图5b）主要反映浅部矿体赋存范围。浅部矿体与地磁异常形态变化不大，磁异常有断开迹象，与地质图中构造关系吻合，低缓异常位置没有明显的预示。

地磁异常经小波多尺度二阶分解后，由功率谱分析计算出场源似深度为90.3m，二阶细节图（图5c）中的磁异常更为明显，并且形态变化不大，异常连续性更好，中部的NW向断裂部位磁异常有明显的断开显示，局部的小矿体异常有消失的迹象。

地磁异常经小波多尺度三阶分解后，由功率谱分析计算出场源似深度为186.4m。三阶细节图（图5d）中的磁异常整体呈带状展布，并且有逐渐汇聚趋势，零星分布的磁异常已经消失，并且磁异常汇聚中心与地表矿体出露位置有所偏移，说明浅部铁矿体向矿床核部有延伸。

图5 马兰庄铁矿区地磁异常的小波多尺度分解与铁矿体出露位置对比Fig.5 Correlation of outcrops of iron ore bodies to anomlies of multi－scale resolution of small waves in Malanzhuang iron ore mining district

地磁异常经小波多尺度四阶分解后，由功率谱分析计算出场源似深度为439.0m。四阶细节图（图5e）中的磁异常已经汇聚为2个中心，异常的最大值在沙河山矿段达到2 800nT，红色为正异常中心，该异常区域在沙河山矿床两翼核部偏向西翼位置，说明这个深度已经是矿体核部位置，这个区域也是深部矿体赋存最为有利的位置。

地磁异常经小波多尺度五阶分解后，由功率谱分析计算出场源似深度为665.9m。五阶细节图（图5f）中的磁异常已经汇聚为一个中心，异常最大值仍达到1 200nT，红色为正异常中心，该位置已经偏离异常核部，说明这个深度很可能赋存又一厚大矿体，这个区域也是深部矿体赋存最为有利位置，如果这个矿体被证实存在，那么将是矿山又一重大发现，增加矿石储量，经济效益将非常可观。

通过小波多尺度分解处理方法，推算出了不同深度矿体的赋存形态，估算出了场源的位置，以此可以指导磁性体埋深范围，为对磁异常进行正、反演计算提供了参考范围。

3.3 磁异常的上延处理

为压制浅部干扰，剔除反映规模小、埋藏浅且磁性体向下延伸不大的异常，突出埋藏深或向下延伸大的异常，对磁异常进行上延处理，以了解深部磁性体的分布情况。

图6 地磁异常上延400m等值线图Fig.6 The contour map of 400meters up－extension of ground magnetic anomaly

利用软件对数据进行上延处理，经过变换选择上延400m效果较为理想。从图6可以看出，上延后磁异常主要集中在矿区中部，并且主要是矿体西翼向南西方向的延伸方向，说明该区域是赋存深部矿体的有利位置，与地磁异常经小波多尺度五阶分解后的结果有对应关系。

在上延400m磁异常图上选择施工条件有利，且靠近磁异常中心的位置，垂直异常走向的方向布设勘探线，提取磁异常做正、反演计算，推断矿体赋存形态，设计验证钻孔。

结合浅部铁矿勘查工程的控制情况，利用软件对勘探线上磁法数据拟合剩余异常进行正反演计算，得到深部矿体赋存的信息。剖面磁异常呈多峰形态，对应向斜的翼部，根据小波多尺度分解后细节文件推导的场源深度约为665m，着重于低缓异常的拟合，推断原有向斜的核部铁矿体（赋存标高－200～－400m）之下的标高－400～－500范围内，有一厚度达百米的磁性体存在，磁性体形态呈元宝状，中间平缓，两端翘起（图7）。

图8为勘探线剖面验证孔的见矿情况。从图中可见，上部的倒转向斜铁矿体已经被以往工程所控制，并且与据小波多尺度分解细节图估算的近似磁场场源深度具有对应关系。在标高－400～－500 m范围内赋存有一厚大铁矿体，对应五阶分解所计算的近似磁场场源深度。虽然地质剖面图与地磁异常勘探线正反演计算剖面有些出入，但该钻孔见到了推断的铁矿体，尽管只有1个钻孔控制，矿体形态还未完全展现出来，但这一验证钻孔的见矿充分说明，平面和剖面异常所提供的铁矿体赋存信息是准确无误的。这一研究成果将为马兰庄铁矿区增加新的储量资源，并为老矿山带来巨大的经济效益，同时也是利用以往磁法勘探资料寻找深部厚大铁矿体的成功实例。

图7 地磁异常勘探线正反演计算剖面图Fig.7 The computed forward and inversion simulation profile of exploratory lines laid out by ground magnetic anomaly

图8 勘探线验证孔地质剖面图Fig.8 The geological profile of check drilling holes at exploratory line

4 结论

在深部找矿过程中，收集以往数据资料，应用现代处理方法不失为一种有效的找矿预测手段，尤其是在浅部矿体已有工程控制的前提下，采用化极、上延、小波多尺度分解、功率谱分析计算出场源似深度等方法进行数据的再次处理，依然可以发现深部所赋存的厚大矿体，既为老矿区增加了矿石储量，也解决了在老矿区开展新的物探测量受限的难题。

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