山西省云义隐伏铝土矿综合勘查技术应用

钟庄华，张尚清，张文旭，赵军，马腾飞，艾金元

（1.山西省第三地质工程勘察院矿产资源综合研究室，山西晋中 030620；2.河北地质大学，石家庄 050031）

山西省云义隐伏铝土矿综合勘查技术应用

钟庄华1，张尚清2，张文旭1，赵军1，马腾飞1，艾金元1

（1.山西省第三地质工程勘察院矿产资源综合研究室，山西晋中 030620；2.河北地质大学，石家庄 050031）

铝土矿是山西省的优势矿种之一，保有资源储量居全国之首。然而浅部的铝土矿勘查殆尽，后备可开采资源不足，需要加大对中深部隐伏铝土矿的勘查。本次工作在山西省霍西云义地区，利用可控源音频大地电磁测深法（CSAMT法）以及高精度重力测量法，结合钻孔数据，基本查明了研究区的构造断裂情况，初步绘制了奥陶系灰岩侵蚀面并推测出了铝土矿含矿段的赋存范围。这表明本次工作对古喀斯特地貌发育地区减少无效工程的数量和控制边界颇有成效，对今后山西省中深部的煤下铝土矿勘查工作有启示意义。

山西霍西地区；隐伏铝土矿；电磁探测；工程布设

山西省铝土矿赋存于石炭系本溪组的中下部，资源储量丰富，但基础储量仅占总资源储量的10%左右，可供开采的储量不足，增加可供设计利用的基础储量是当务之急①山西省铝土矿资源勘查开发规划，山西省国土资源厅，2016.。山西省铝土矿含矿段常呈平行不整合接触赋存在奥陶系碳酸盐岩侵蚀面之上，奥陶系碳酸盐岩侵蚀面常常发育古喀斯特地貌。经多年采矿和大量勘查钻孔资料验证总结，铝土矿产状有层状，似层状、漏斗状，矿体产状是随着奥陶系碳酸盐岩侵蚀面的起伏而变化的，局部产状变化较大[1-5]。因此，先通过物探手段间接查明铝土矿含矿段下伏奥陶系侵蚀面的起伏形态及推测铝土矿含矿段分布范围，对调查煤下铝土矿资源赋存情况意义重大。前人先后应用电阻率法、浅层地震法、瞬变电法等物探方法来直接探测铝土矿体，在有利的条件下是有效的，但并没有取得特别好的效果[6-11]。本次在研究区域利用可控源音频大地电磁测深法（CSAMT法）以及高精度重力测量手段，结合钻孔数据，基本查明了区内地质构造情况，推断出奥陶系灰岩侵蚀面，实现了对铝土矿有利赋存区的推测，对今后山西省中深部隐伏铝土矿勘查工作有重要的启示意义。

1 地质特征及成矿规律

1.1 区域地质概况

云义铝土矿区位于鄂尔多斯板内拗陷带与山西板内造山带分界线两侧，区域上属于汾西-蔚庄板坳的灵石汾西块凹的一部分，总体为一轴向NE-SW的宽缓向斜，在向斜的基础上又有波状起伏。地层倾角一般5°～15°，地层较平缓[5]。该区大地构造位于霍西台陷-孝（义）-汾（西）盆状复向斜中部，总体展布方向为NNE。出露地层由老到新有奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，新生界第四系中更新统、上更新统及全新统。区内地层倾向较为复杂，波状起伏明显，主要构造线方向基本同区域一致，走向NNE向，倾向NWW，倾角一般8～20°，局部地层受向斜同生的次级小构造影响,倾角可达46°左右，区内地表未发现大的断裂构造，仅在铝土矿矿层露头附近发现有小型错断现象，断距均小于5 m，延长一般小于15 m，对矿体影响不大（图1）。

1.2 矿体地质特征

研究区内铝土矿体（层）赋存于石炭系中统本溪组一段地层中部，呈似层状、透镜状产出。铝土矿矿体（层）底板距奥陶系侵蚀面0～5.75 m，一般1～3 m。由于受古地理沉积环境控制和上覆地层沉积前的剥蚀作用影响，含矿层厚度在不同地段不尽相同。本区含矿岩系为一套由山西式铁矿、铁质铝（粘）土岩、铝土矿（岩）、硬质耐火粘土矿及粘（铝）土岩等组成的铁铝质建造，赋存多种矿产。自下而上一般沉积顺序为：铁质粘（铝）土岩（夹山西式铁矿）-铝土岩或铝土矿-硬质耐火粘土矿或粘土岩，局部地段铁质、硅质含量较少，铝土矿直接与奥陶系侵蚀面接触。

图1 研究区地质简图Fig.1 The Geological map of study area

铝土矿体赋存形态随着基底奥陶系灰岩古风化侵蚀面起伏而变化，这是由于其古风化侵蚀面上喀斯特地貌并不发育，同时沉积分异作用使得酸性溶液中Fe2+离子分异富集，形成了含铁较多的铁铝岩对奥陶系碳酸盐基底进行了一定程度上的补偿填平作用，但仍影响矿体形态和厚度变化[4,5]。

本区内矿体直接顶板多为硬质耐火粘土矿，局部为粘土岩和铝土岩；底板多为硬质耐火粘土矿或铝土岩、铁质粘（铝）土岩和山西式铁矿等，局部为奥陶系灰岩。矿体厚度0.39～5.50 m，平均1.74 m，厚度变化系数62.35%。

1.3 区域成矿规律

山西铝土矿是晚古生代晚石炭世早期产于中奥陶系碳酸盐岩侵蚀面之上的沉积矿产。它形成于该时期的陆表海近岸或边缘地带，其后的地质构造运动，使铝土矿残存于现代构造盆地中，铝土矿的产出严格受现代构造盆地的控制[3-5]。区域成矿规律可总结为以下四点：

（1）严格受地层控制（即铝粘土含矿岩系）。

（2）严格受现代构造盆地的控制。

（3）铝土矿形成时的地质基底基本是平坦的（依据铝土矿与其上部煤层稳定的层间距判定），在相对平坦的基底上发育有古岛、水下突起等构成铝土矿生成发育时的各种亚相。在这个意义上讲原始形成的铝土矿床矿石品质与现代铝土矿的埋深无关。

（4）铝土矿床形成后应该受到成矿后各种地质作用影响，使矿床产生或贫或富变化（相对于原始形成的矿床）或平面上矿石质量上的变化。

2 地球物理特征

综上述可知，本文探究的主要目的就是通过探测奥陶系灰岩的起伏面来合理布置钻孔达到间接找矿的效果，同时基本查明勘查区内的深部地质构造、断层等地质情况以便钻探施工。

本次收集区域内物性参数如表1所示。根据岩石密度特征，上覆地层与铝土矿、奥陶系灰岩有较大的密度差异，铝土矿与灰岩也有一定的差异，奥陶系灰岩密度值在（2.66～2.67）×103kg/m3左右，铁、铝质岩石密度值则为（2.83～3.01）×103kg/m3左右。但由于铝土矿层较薄，重力对矿体单独的直接反映不甚明显，往往重力高、低变化反映的是奥陶系灰岩的起伏界面。在一定埋深情况下，重力异常可以辨别奥陶侵蚀面的起伏形态。

表1 云义铝土矿区岩矿物性参数统计Tab.1 The physical parameters of main stratum within the bauxite region in Yunyi

在电性参数方面，据收集的测井资料，各地层之间存在较明显的电性差异（表2）。总的电阻率变化规律是：第三系和第四系＜二叠、石炭系＜煤铝地层＜奥陶系地层。二叠系主要为泥岩、砂岩互层，电阻率变化范围为几十至几百Ω·m；煤及石炭系灰岩电阻率较高，可达几百至几千Ω·m；铁铝岩层的电阻率与砂、泥岩层的没有明显的差异。奥陶系灰岩：电阻率变化范围为480至数千Ω·m，且与破碎程度及泥质含量有关。总体上来说，该层电阻率最高构成了本区良好的电性标志层。

以上电性分布规律表明，利用电性特征区分上述三类地层单元，划定奥陶系灰岩界面以间接指导找矿的思路是具备物性前提的。因此通过应用可控源音频大地电磁测量（CSAMT）法，可以区别奥陶系灰岩与上覆地层存在的非常明显的电性差异来探查奥陶系灰岩侵蚀面的起伏形态[9]。

3 综合勘查技术应用

本次工作我们先利用重力仪对云义铝土矿区进行了扫面工作，之后在钻孔勘探线上进行了剖面性重力测量以及剖面性可控源音频大地电磁法(CSAMT)测量，结合前文所述的物性参数经过数据处理之后得到如下成果。

3.1 重力异常解释

通过回归分析法处理后得到的剩余重力异常图（图2）可以看出，研究区异常总的趋势是西北高，东南低。布格重力异常值最低位于研究区东南角，为-125.33×10-5m/s2，最高位于西北角，为-105.08×10-5m/s2，变化幅度达19.25×10-5m/s2。布格重力异常整体走向表现为NW，次为NNW与研究区内的奥陶系基底起伏的特征是一致的。总的来说，剩余重力异常反映了奥陶系侵蚀面的宏观起伏特征或者其上覆岩层厚度的变化。

表2 云义铝土矿区岩矿电性参数统计Tab.2 The electrical parameters of main stratum within the bauxite region in Yunyi

重力勘探中用于解译断裂的依据主要是布格重力异常及其位场转换后的某些特征，同时应用地质及其地球物理探测成果，在综合分析的基础上，对可能存在的断裂予以划分。划分断裂依据主要有：

（1）断裂构造使其两侧地层发生位移，由于地层密度不同，故重力场表现为规模较大的线状布格重力异常梯级带或重力场等值线扭曲。

（2）不同类型、强度及形态的布格重力异常分界线。

图2 剩余重力异常及推断奥陶系灰岩等高线图Fig.2 The residual gravity anomaly and the contour map of Ordovician limestone inferred

（3）布格重力异常等值线的同形（向）扭曲带或重力异常轴向突然改变方向及同源异常突然错位，或发生平面位移的密集带或扭曲带。

在农田水利工程当中采用该技术一般都是将其运用到大规模的农田灌溉当中，采用该技术的过程中，应运用灌溉机达到节水灌溉的效果。使用该技术的主要工作原理为：合理的使用灌溉机，灌溉机运行过程中所产生的压力带动卷盘，使得水资源能够通过软管达到正常灌溉的效果。

（4）剩余重力异常中，正负异常间的急剧过渡带或近于平直的零值线，也常是断裂的反映。

研究区内构造活动复杂，断层发育。根据上述划分断裂的依据和布格重力异常图，同时剔除由于地形或者浅层地表岩性分界影响造成的假异常，最终推断断裂8条（图2）。

3.2 综合剖面解释

研究区铝土矿为碳酸盐岩古侵蚀面之上的一水硬铝石型沉积铝土矿。该类铝土矿矿床最有利的成矿地段为离海岸稍远的浅海盆地及海湾泻湖边缘区。依据前文物性参数特征分析，铝土矿赋存于本溪组下部因其电性与围岩差异不大，但因本溪组与奥陶系侵蚀面位置非常接近，其埋深及起伏可通过对奥陶系灰岩顶界面的解释推断而间接求的。矿体赋存的有利部位在奥陶系侵蚀面相对凹洼地段。

在地形复杂，高差较大的地区，布格重力异常通常与地形成镜像关系，通过回归分析法对布格重力异常数据处理后，一定程度上消除了地形的影响，处理后的重力异常与奥陶系侵蚀面的起伏形态存在相关关系，一定程度上可以反映该界面的变化。而奥陶系灰岩侵蚀面由于与其他地层存在明显的电性差异，因此结合可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）能较好地反应奥陶系灰岩侵蚀面的变化特征。

本次研究区共布设了3条精测剖面，编号依次为AA′、BB′、CC′。下面就各条剖面的拟合推断解释成果进行分述。

3.2.1 AA′剖面处理结果及分析解释

AA′线地表主要出露石炭系太原组、本溪组，地形起伏较大，高差达175 m。第四系黄土覆盖相对较薄，厚度最大为19 m，本线矿体厚度最大为3.18 m，矿体埋深最大为38 m。图3为AA′线高程与布格重力异常综合曲线图，发现两者关系细节上仍然成镜像关系，高程数据快速下降的地段处对应的布格重力异常值都会凸起，这表明重力数据受地形的影响。

对AA′线进行了反演解释（图3a），反演过程中，使用钻孔ZK1，ZK13，ZK000，ZK30资料作为约束条件，可以看到AA′线奥陶系侵蚀面标高总的变化趋势与布格异常值一致，标高高值区对应重力值的高值区。但具体到局部，布格重力异常并没有随着奥陶系侵蚀面高程的变化而起伏，两者之间并没有较好的对应关系。

图3b为AA′线反演视电阻率剖面成果图，可以看到，AA′线纵向电性上总的特点由低到高，中间有明显梯度带，地层成层状较为明显。整条剖面电性结构明显，纵向上视电阻率值由低到高变化明显。地表视电阻率为低阻，视电阻率值小于600 Ω·m。推断解释为上覆新生界地层及石炭系地层。上覆盖层之下为奥陶系灰岩地层，推断奥陶系灰岩顶界面如图中红线所示。

该线总体奥陶系灰岩埋深较浅，部分地方奥陶系灰岩出露。在该线2200点、3600点、5050点和5650点附近的钻孔ZK1、ZK13、ZK0000和ZK30钻孔资料显示，推断奥陶系灰岩埋深与已知资料吻合。对应分析a，b，重力反演的奥陶系侵蚀面起伏特征与电法吻合较好，两者与地质剖面（图3c）基本吻合。

3.2.2 BB′剖面处理结果及分析解释

BB′线地表主要出露石炭系太原组、第四系地层，地形起伏较大，高差达179 m。第四系黄土覆盖相对较薄，厚度最大约为38 m，本线矿体厚度最大约为4.80 m，矿体埋深最大约为149 m。图4为BB′线高程与布格重力异常综合曲线，两者同样在局部上有一定镜像关系，布格异常在地形变化比较大的地方有弱的扰动，而重力异常整体上受到结晶基底的影响。

对BB′线进行了反演解释（图4a），反演过程中，使用钻孔ZK0430，ZK0804，ZK0807，ZK0803资料作为约束条件，可以看到BB′线布格异常值逐渐增大，奥陶系侵蚀面高程却逐渐降低。这说明该线重力场整体上受到结晶基底的影响。

图4b为BB′线反演视电阻率剖面成果图，可以看到，线纵向电性上总的特点由低到高，中间有明显梯度带，地层成层状特征较为明显。该线总体奥陶系灰岩无出露。地表视电阻率为低阻，视电阻率值小于600 Ω·m，平均厚度小于200 m。推断解释为上覆新生界地层及石炭系地层。上覆盖层之下为奥陶系灰岩地层，视电阻率值大于800 Ω·m，推断奥陶系灰岩顶界面如图中红线所示。

在该线2450点、5150点、5450点和5950点附近的钻孔ZK0430、ZK0804、ZK0807和ZK0803资料显示，推断奥陶系灰岩埋深与已知资料较为吻合。对应分析a、b，重力反演结果与电法吻合较好，两者与地质剖面（图4c）同样基本吻合。

图3 AA′线综合解释图Fig.3 AA′line comprehensive interpretation chart

图4 BB′线综合解释图Fig.4 BB′line comprehensive interpretation chart

3.2.3 CC′剖面处理结果及分析解释

CC′线地表主要被第四系覆盖，仅在中部出露少量的石炭系地层，地形起伏较大，高差达256 m。第四系黄土覆盖相对较厚，据已知资料厚度最大为82 m，本线矿体厚度最大为4.80 m，矿体埋深最大约为200 m。图5为CC′线高程与布格重力异常综合曲线图，布格重力异常则跟地形成明显的镜像关系。这表明重力数据受地形的影响很强烈。

对CC′线进行了反演解释（图5a），反演过程中，使用钻孔ZK1204，ZK21，ZK1604资料作为约束条件，可以看到CC′线布格重力值与奥陶系侵蚀面高程呈镜像关系，随侵蚀面的抬升而减小。

图5b为CC′线反演视电阻率剖面成果图，可以看到，CC′线纵向电性上总的特点由低到高，中间有明显梯度带，地层成层状特征较为明显。该线总体奥陶系灰岩无出露。在该线2700点、4300点和4850点附近的钻孔ZK1204、ZK21和ZK1604资料显示，推断奥陶系灰岩埋深与已知资料吻合。CSAMT电法剖面较清楚地反应了奥陶系灰岩面的起伏情况，通过使用回归分析对布格数据进行处理并结合CSAMT电法剖面，推断图5b中的红色线即为奥陶系灰岩顶界面。

本线由视电阻率断面图推断在2 700点和2 800点之间存在一条倾向南东的正断层。我们可以看到ZK1204布设的位置断层上盘一侧，避开了断层，可以较好的防止钻探事故发生，提高了钻探工艺。

对应分析a，b两图，重力反演结果与电法大部分一致，两种方法在ZK1204附近均推断有断层的存在，并且性质相同，倾向相同。仅在西北端稍有不同，重力反演的奥陶系侵蚀面高程持续下降，相同地段电法的推断是先上升后下降。两者与地质剖面（图5c）大致吻合。

4 结论及建议

本次研究区内以重力异常为基础，结合综合物探剖面及钻孔资料，基本查明了区域奥陶系灰岩界面的埋深情况，同时对可能存在的8条断层进行了推断。结合了综合物探剖面及地质剖面对奥陶系灰岩顶界面（铁铝岩组底板）进行了推测，大致划分区内构造格架，推断奥陶系侵蚀面起伏变化特征。

图5 CC′线综合解释图Fig.5 CC′line comprehensive interpretation chart

山西省煤下隐伏铝土矿的勘查是一项极具难度的工作，至今还没有直接有效的地球物理方法能够探查到铝土矿。而中深隐伏铝土矿的勘查势在必行，随着勘查深度的加深，更需要的是保证钻探工作有效性及合理性。鉴于此，我们需要针对不同的铝土矿床类型采用不同的勘查手段，尤其是对古喀斯特地貌发育的地区，在勘查程度低的空白区综合运用有效的物探手段控制矿体边界，布设探矿工程时便可做到有的放矢，减少无矿钻孔的数量，提高找矿效率，扩大找矿成果。建议在勘查程度低且矿体埋深较大的空白区进行铝土矿勘查时，先试用有效的物探测量方法了解区内铝土矿基底构造形态，然后再进行探矿工程的布设。

致谢：感谢何进高级工程师以及专家李俊建研究员提出的宝贵修改意见。

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Application of interrated exploration to Yunyi concealed bauxite deposits in Shanxi province

ZHONG Zhuang-hua1,ZHANG Shang-qing2,ZHANG Wen-xu1,ZHAO Jun1, MA Teng-fei1,AI Jin-yuan1

(1.Shanxi Provincial Third Institute of Geological Engineering Investigation Synthetic Study Laboratory of Mineral Resources, Jinzhong Shanxi 030620,China；2.Hebei GEO university,Shijiazhuang 050031,China)

Bauxite is one of the dominant mineral resources in Shanxi Province,ranking first in the our country. With the growth of alumina production project,the bauxite resources of Shanxi province have been in short supply,but the shallow exploration of bauxite mining resources can be exhausted.With the lack of resources,we need to increase the exploration of deep concealed bauxite.This research used Controlled Source Audio-Frequency Magnetotelluric method（CSMAT method）and high precision gravity measurement method.Combined with drilling data,we ascertain the fault situation of the study area,draw preliminaryly the Ordovician limestone erosion surface and infer the occurrence position of iron-bauxite rock group.This work provides a theoretical basis for the engineering design and layout for drilling bauxite the next exploration in areas of Shanxi province in the future,at same time the deep coal bauxite exploration plays an important role for the work.

Huoxi region of Shanxi Province;concealed bauxite deposit;electromagnetic sounding;engineering layout

P618.45；P631.3+25

A

1672－4135（2017）02－0134-07

2017-02-19

山西省国土资源厅价款项目“山西省灵石县云义矿区铝土矿普查（T14120080702010956）”

钟庄华（1980-），男，工程师，2002年毕业于长春工程学院地质专业，主要从事地质勘查与研究工作，Email： 934761299@qq.com。