物探航空磁法在印尼爪哇省斯乌兰海滨钒钛磁铁砂矿勘查中的应用

行英弟

(有色金属矿产地质调查中心，北京 100012)

0 引言

含钒钛海滨砂矿是一种在海滨地带由河流、波浪、潮汐和海流作用而形成的次生富集砂铁矿，其主要有用矿物组分为钒钛磁铁矿，在亚太地区，如日本、菲律宾、印度尼西亚、澳大利亚、新西兰分布较广[1-2]，其主要特点是储量丰富，易采选，是一种优质铁矿资源[3]。全球钒钛磁铁海砂矿储量有数百亿吨级的规模，其中有资料表明印尼瓜哇岛沿印度洋海边就有300亿吨以上储量，其次是马来西亚、印度、墨西哥、秘鲁、智利也有相当大的储量。由于海砂矿原先被认为无商业价值，所以地质基础工作相对较弱。随着利用技术的不断提高，认为海砂矿的价值大于传统铁矿石[4]，是将来重要的资源，而航空及地面磁测是寻找铁矿最有效、最直接、应用最广的物探方法[5-6]，尤其对于磁铁矿，磁法测量更是扮演着极为重要的角色[7]。

斯乌兰海滨钒钛磁铁砂矿勘查区属印度尼西亚西爪哇省万隆市打横县，位于打横县南约50 km的印度洋北岸，本区没有进行过系统性的地质工作，地质资料较少。

本次工作面积为260 km2，采用1∶2.5万的高精度航空磁测，圈定钒钛磁铁砂矿的空间分布，估算其资源量，为地质勘查和开采提供依据。

1 地质及地球物理概况

勘查区位于西爪哇省南滨印度洋的滨海区和海滨水域，据1∶10万Bogor、Cianjur幅地质图及其说明书，自爪哇岛弧西段中央火山带轴部向南至印度洋海岸边，主要出露了自第三纪始新世以来形成的沉积岩、火山岩和侵入岩[8]。基性岩体向南突出、从陆地延伸到滨海，基性岩浆岩经过风化剥蚀及海浪的冲刷淘洗，在海滨形成次生富集。滨海砂矿体呈板状沿东西近水平产出，厚度为8～13 m，走向长度为1～13 km，宽几百米至数千米，矿砂中矿石矿物主要有钛磁铁矿 [(Fe·Ti)3O4，TiO2含量占10%～16%]、磁铁矿、赤铁矿等[9]，脉石矿物有石英、长石、透闪石，白云石等，矿砂中还有少量泥岩或海底松散沉积物。

1.1 岩(矿)石磁性参数

在区内滨海砂矿区用磁化率仪对砂矿露头(45处)、非矿岩石砂土(3处)进行了磁化率测定，45个露头点测定的铁砂的磁化率在0.2041～0.9536(SI)之间，平均值为0.5061(SI)，具磁性；非矿岩石砂土磁化率0.003～0.004(SI)，平均值为0.004(SI)，弱磁性。矿与非矿物磁性差异较大，为磁法找矿提供了工作前提。

1.2 矿区磁性砂矿体有效感应磁化强度

勘查区地磁要素：地磁总场强度45500 nT，地磁倾角-35°，地磁偏角0.5°。根据矿区磁性砂矿体的形状，考虑砂矿体退磁系数对感磁的影响计算矿体有效感应磁化强度。

将区内的砂矿体视为水平薄板，则正交的三轴方向的退磁系数分别为Nx=Ny=0，Nz= 1；根据区内的地磁要素和钒钛磁铁砂矿的磁化率，计算出矿体有效感磁强度和感磁倾角。矿体的感磁强度(Mi)：

=-6979×10-3A/m

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

矿体的感磁倾角(αi)：

2 工作方法

根据本区的地质特征和地球物理条件，选择1∶2.5万高精度航空磁测作为本次主要工作方法。

测量所用的航磁系统由作为空中测量平台的动力三角翼飞行器、氦光泵航磁测量系统及地面磁日变站三部分组成。

勘查区航磁测线按250 m间隔飞行，测线平均采样点距2.2 m，平均离地飞行高度80 m，离地飞行高度常见变化范围为72～88 m，测量面积260 km2，测量总误差为3.9 nT。图1为取得的航磁ΔT异常剖面平面图。

图1 斯乌兰海滨型钒钛磁铁砂矿区航磁ΔT异常剖面平面图和勘查区交通位置示意图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 航磁异常解释推断

3.1 磁性砂矿体ΔT异常理论模型计算

为了指导航磁异常的定性和定量解释，建立理论模型模拟区内的海滨钒钛磁铁砂矿体，并计算该模型在飞行高度处水平面上的ΔT异常。

模拟海滨钒钛磁铁砂矿体理论模型为水平薄板体，模型东西长1000 m，南北宽200 m，厚度为15 m，埋深80 m，砂矿体磁化强度为13 000×10-3A/m，有效磁化倾角-23°，偏角0°。

图2a中的黑色虚线框所围区域为理论模型地表投影区域。异常呈现南负北正的特征，正异常和负异常形态相似，平缓的负值异常从南至北由负值过渡到正值，矿体位于成对的正、负异常之间。图2b中的红色虚线框所围区域为理论模型地表投影区域，绿黄交界线为零等值线分界处，由图2b可见，垂向一导等值线零线基本为矿区投影边界。

图2 ΔT异常等值线平面图(a)和ΔT化极垂向一导异常等值线平面图(b)

3.2 磁性砂矿体水平投影圈定

测区位于南半球，并处于磁赤道以南的地磁南纬地区，地磁倾角I0=-35°，航磁异常具南半球地磁中低纬度地区的异常特征(参考图2)。

横贯区内海滨地带的NWW-SEE走向异常带呈典型的南负北正、负强正弱的伴生异常的特征，且正、负异常间存在宽缓的低值异常过渡带。全区正异常极大值约200 nT，负异常最低值为-400 nT，大部分异常处于-200 nT～200 nT之间，负异常的分布范围略大于正异常的分布范围。

沿测区北缘跨海滨与滨海地段上，同样分布着具有上述特征的NWW-SEE走向的异常带，但因测区北界所限，导致该异常带延伸中断，形态特征不完整。

在测区南缘西段发现了两处沿NWW-SEE向排列的南负北正伴生异常，因测区南界所限，未能采集到完整的异常数据。但可以推测在测区的南界以南的水域处还存在第三条NWW-SEE走向的南负北正伴生异常带。

将测区内实测ΔT异常形态特征与水平薄板模型正演异常特征比较，二者相似度较高，因此认为实测ΔT异常是由水平薄板状砂矿体引起的，砂矿的沉积环境是区内海滨地带坡度很缓的海床。

磁性砂矿体水平投影圈定：ΔT磁异常化极垂向一导异常较凌乱难以圈定，因此根据水平薄板ΔT异常呈现南负北正，矿体位于成对的正、负异常之间的特征，结合二维反演结果来圈定。圈定的矿体平面形态规整，边界清晰圆滑，效果较好。对于航磁在区内圈出的孤立负异常或正异常，在相应部位追索“负极线”和“正极线”，分别作为划定水平薄板状异常体南界和北界的补充标志。矿体的主矿段南界位于SN向剖面负极值点的连线(简称为“负极线”)附近，主矿段北界位于SN向剖面正极值点的连线(简称为“正极线”)附近，其东西两侧的界线大致位于成对的正、负异常向东、西方向的尖灭处。

本测区EW向的北区带上，航磁发现一串断续分布的呈EW向拉长的负异常，由于测区范围所限，异常没有封闭。根据上述归纳的砂矿体引起南负北正对称异常的基本特征，可以推测在已观测到的负异常的北侧区外，应存在与之“配对”的伴生正异常，从而可以将该负异常的“负极线”推断为由南向北延伸至测区以外的矿体南界。

相反，若在测区的南界发现了单一的正异常，则可以推测在已观测到的正异常的南侧区外，应存在与之“配对”的伴生负异常。从而可以将该正异常的“正极线”推断为由北向南延伸至测区以外的矿体北界。

根据此原则，共推断出5处矿体主矿段，它们在地面的投影位置见“斯乌兰海滨型钒钛磁铁砂矿区航磁ΔT综合平面图”(图3)，圈定的5处主矿段面积约182.6 km2，占测区面积的70.2%。图3表明整个测区存在两条横贯测区的NW—SE走向的砂矿带，由测区南界发现的磁异常，可以推测出在测区南界以南，还有第三条NW—SE走向的砂矿带。

图3 斯乌兰海滨型钒钛磁铁砂矿区航磁ΔT综合平面图

3.3 磁性砂矿体定量计算

为了定量估算所圈定矿体的规模，针对圈定矿体进行了2.5D模拟反演定量计算。

针对圈定的5个矿体，选择了12、115、117、122、124、206线进行了定量反演计算。矿体的垂直断面近似纺锤状，略向南倾，倾角<1°，其主矿段位于异常的最大值点与最小值点之间的宽缓低值处，南、北两端分别尖灭于异常最小值点以南和异常最大值点附近；矿体的最大厚度为25 m，位于最小值点以北300 m处，主矿段厚15～25 m，顶板在海平面下约12～15 m。

图4为航磁124线反演的3号矿体结果剖面图，124剖面总长为6.7 km，整条剖面正异常最大值为77 nT，位于海岸边，负异常最低值为-104 nT，位于海岸线以南约4.2 km处。

图4 124线航磁剖面反演结果断面图Fig.4 Sectional map of inversion result along aeromagnetic line No.124

砂矿体磁化强度为13 000×10-3A/m，有效磁化倾角为-23°，拟合模型向西延伸长2 km，向东延伸14 km。

从反演的断面图来看，矿体中间厚两侧薄，矿体最厚处位于负异常最低值北侧约300 m处，剖面最北端的最大正异常正是矿体北端边界，矿体最大厚度为25 m，矿体顶界面距水面约15 m。

3.4 砂矿体资源量估算

依据《砂矿(金属矿产)地质勘查规范》(DZ/T 0208-2002)，采用航磁取得的矿体几何数据和采集样品分析数据对勘查区磁铁砂矿进行资源量估算。

岩矿石磁化率随着岩矿石中铁磁性物质含量的增加而增加[10-11]，对于同一类型的磁铁矿床，当其矿石类型相似时，可以根据已知的磁化率与磁铁矿体积百分含量之间的关系，利用回归分析方法，建立该矿区矿石的磁化率与磁铁矿百分含量之间关系的数学公式，利用这一数学公式，就可以根据实测的磁化率值来确定这种类型矿石的磁铁矿含量。

在本区选择了有代表性的24组磁铁矿砂样本，进行了全铁百分含量分析和磁化率测定，建立了本区钒钛磁铁矿砂磁化率与TFe百分含量相关关系曲线(表1，相关系数r=0.9)及回归方程lg(k)=3.2452 +1.0388 lg(TFe)。

表1 钒钛磁铁矿砂磁化率测定值与TFe%化学分析结果统计Table 1 List of magnetic susceptibility value and TFe% chemical analysis result of vanadium titanium magnetite ore

依据航磁取得的矿体几何数据和通过磁化率换算的铁的含量数据，用矿体的投影面积、厚度来计算体积：V(体积)=S(水平或垂直投影面积)×M(垂直或水平方向平均厚度)，体积与砂矿密度、砂矿品位相乘即为勘查区磁铁砂矿资源量[12]。

圈定的5个砂矿体的平面分布面积约182.6 km2，矿体的平均厚度为8～13 m，顶深2～20 m，砂矿铁品位为20%～40%。，砂矿密度为2.3 t/m3～2.6 t/m3，计算结果见表2，估算钒钛磁铁砂矿总资源量为51.28亿吨。

表2 印尼斯乌兰钒钛磁铁矿矿砂资源量计算Table 2 List of reserves estimating of vanadium titanium magnetite orebodies in Siulan， Indonesia

4 结论

1)印尼爪哇省斯乌兰海滨钒钛磁铁矿，为基性岩浆岩经过风化剥蚀及海浪的冲刷淘洗所形成的次生富集砂矿，矿体呈板状沿东西近水平产出，矿砂中矿石矿物主要有钛磁铁矿 [(Fe·Ti)3O4，TiO2含量占10%～16%]、磁铁矿、赤铁矿等，矿体具有磁性。为配合砂矿勘查，进行了1∶2.5万轻便航空磁测260 km2。通过对磁异常的正反演计算，结合矿区成矿地质条件，圈定矿体5个，平面面积约182.6 km2，矿体的平均厚度为8～13 m，顶深2～20 m，砂矿铁品位为20%～40%，砂矿密度为2.3 t/m3～2.6 t/m3，并依据矿区钒钛磁铁砂矿磁化率与TFe百分含量的相关关系，估算钒钛磁铁砂矿总资源量51.28亿吨。

2)海滨钒钛磁铁砂矿特点是分布较广、储量大、易于采选，全球钒钛磁铁海砂矿储量有数百亿吨级的规模。随着利用技术的不断提高，海砂矿将成为一种重要的资源，探索低成本的海砂矿勘查技术，对促进该矿种的开发利用具有重大的意义。通过印尼爪哇省斯乌兰海滨钒钛磁铁砂矿勘查工作航磁应用说明，利用轻便航磁可快速发现和圈定磁异常(矿)体，确定矿体的埋深产状，估算矿体的品位和资源量，为进一步勘查和利用提供依据。