冀东司家营铁矿矿床特征及找矿方向分析

崔 伟,董国明,高孝敏,刘春来,郑思光,郑 新,曹瑞明

河北省地矿局第二地质大队, 河北 唐山 063000

冀东是指河北省东部的唐山市、秦皇岛市一带,属燕山山脉的东支南侧,是我国前寒武纪地层主要出露区之一,是我国铁矿资源的重要基地之一。但地质工作程度高、开发利用强度大,面临后备资源不足、开发利用难度越来越大等问题,近年该区铁矿石自给保障程度只有10%～20%,且有逐年下降的趋势,不得不大量依赖进口。司家营铁矿为冀东沉积变质铁矿典型矿床之一,深部找矿取得重大成果,总结其矿床特征、构建勘查区找矿预测模型,并探讨其资源潜力和进一步找矿方向,对冀东铁矿大中型矿山深部找矿具有重大的示范意义。

1 区域地质特征

基底形成、中—新元古代大陆裂陷(或裂谷) 以及到古生代的稳定地台盖层沉积和中生代燕山陆内造山作用等地质演化阶段[1],形成了一大批铁、金、煤等矿床。区内具备工业意义的铁矿床均属沉积变质型,赋存在6个太古宇变质地层层位(岩系)中,综合地层(原岩建造)、构造、矿体及航磁异常等不同特征,将全区划分为遵化迁西、青龙宽城、迁安、滦县滦南及朱杖子5个主要成矿区带[2](图1),其中迁安、滦县滦南2个成矿区带大中型矿产地集中分布,保有资源储量占冀东地区的86%,司家营铁矿位于滦县滦南成矿区带中。

2 矿区地质概况

冀东大地构造位于华北陆块北缘中段、冀中—冀东微陆块北东部。该区地壳经历了古、中太古代陆核孕育、新太古代初始克拉通化、古元古代克拉通结晶

2.1 地层

矿区大部被第四系松散层所覆盖,厚0～300 m,具由北向南逐渐变厚的规律,北部广泛分布有中上元古界长城系盖层。下伏地层为新太古界滦县岩群阳山岩组[4],为铁矿体赋存层位,由一套变质程度为角闪岩相的黑云斜长变粒岩夹磁铁石英岩建造组成,岩性以黑云斜长变粒岩、磁(赤)铁石英岩为主,夹绿泥石英片岩等,混合岩化作用强而普遍,矿体顶板大面积分布有片麻状混合岩。

2.2 构造

褶皱构造:矿区含矿岩系总体呈走向近南北、西倾的单斜构造,沿走向北端翘起、向南西倾伏。

断裂构造:不发育,破坏矿体连续性的主要有NNW、NEE向两组断裂。其中高坎—响嘡—李兴庄断层为矿区规模最大断层,矿床深部沿走向被其错断,为压扭性逆断层。断层走向北北西,倾向南西西,倾角80°-86°,断层垂直断距250～300 m,断层水平断距205 m。

2.3 岩浆岩

矿区内岩浆岩不甚发育,据钻探工程揭露未见有大的侵入岩体,主见规模不大、遍及全区的伟晶岩脉和呈区段性分布的基性岩脉。

3 矿体地质概况

3.1 矿体的空间分布、规模、形态及产状

司家营铁矿矿带南北长约12.5km,东西宽1～3.5 km,总体倾向西,倾角20°-50°。矿带由自东向西呈平行带状排列的5个主要矿体组成,总厚度180～520 m左右,延深一般1 000～2 000 m。历史上为便于工作,以平青大公路附近的S6线为界,将其划分为南北两区[5]。

司家营铁矿北区全长4 km,最大宽度2 km(图2),共划分为四个矿体,由东向西依次编为Ⅰ～Ⅳ矿体,其中以Ⅲ矿体规模最大。Ⅲ矿体长约2 800 m,分布标高57～-1 288 m,矿体沿倾斜延深一般1 000～1 600 m,最大2 400 m;矿体一般厚度为100～200 m,最厚达300 m。矿体由多层矿组成,夹有多层厚度不等的夹石,沿走向倾斜有膨胀和分枝复合现象(图3)。

图2 司家营铁矿北区重磁异常(附矿体分布)图Fig.2 The map of gravitatioval and magnetic anomalies (attached the ore body distribution) in the north district of Sijiaying

图3 司家营铁矿北区N22勘探线剖面图Fig.3 The profile of N22 prospecting line in the north district of Sijiaying

司家营铁矿南区矿带南北长约8.5 km,东西宽1～3.5 km,东为南矿段、西为大贾庄矿段。区内共分布7个矿体,其中南矿段有2个矿体,大贾庄矿段有3个矿体,还有田疃、小坡2个小矿体(图4)。南矿段Ⅰ矿体和大贾庄矿段(Ⅰ+Ⅱ)矿体为主矿体(图5)。南矿段Ⅰ矿体,走向长6200 m,矿体厚度和延深以S38线为界,差别较大,以北延深＞600 m、厚度80～220 m,以南延深＜600 m、厚度30～70 m。大贾庄矿段(Ⅰ+Ⅱ)矿体,走向长7 150 m,延深1 500～2 200 m,矿体厚度以大22线为界,以北一般40～90 m,以南一般10～35 m。

图4 司家营铁矿南区重磁异常(附矿体分布)图Fig.4 The map of gravitatioval and magnetic anomalies(attached the ore body distribution) in the south district of Sijiaying

图5 司家营铁矿南区S22勘探线剖面图Fig.5 The profile of S22 prospecting line in the south district of Sijiaying

3.2 矿石质量

按矿石矿物组成,矿石自然类型主要为磁铁石英岩,少量赤铁石英岩,极少量阳起(绿泥)磁铁岩。贫矿脉石矿物以石英为主,其次为阳起石、透闪石、普通角闪石、辉石;富矿脉石矿物主要为绿泥石、碳酸盐、黑云母、角闪石,其次还有少量石英、磷灰石等。磁铁矿呈它形—半自形粒状结构,粒度一般0.04～0.15 mm;矿石的基本构造特点为铁矿物(包括角闪石类)和石英构成黑白相间并互相平行的条纹条带状构造。

矿石化学成分以硅、铁为主,全区TFe平均品位29.88%,其它有益有害成分含量均很低。矿石中含铁矿物以磁、赤铁矿为主,硅酸铁含量很少,一般在1%～3%,平均＜2%;碳酸铁平均含量＜1%,硫化铁平均含量＜0.75%。

4 地球物理特征

4.1 岩(矿)石磁性与密度

矿区内所开展的岩(矿)石磁参数与密度值测定结果列于表1[4]。区内磁铁石英岩与围岩之间有极为明显的磁性差异,密度差一般为0.6 g/cm3左右。另据在矿体露头采集的66块定向标本,本区矿石常见的剩磁垂直分量仅为感磁垂直分量的0%～10%,方向近于水平,方位基本为正北,与矿体走向一致。

表1 岩(矿)石磁参数、密度测定统计表Table 1 The statistics of ore magnetic parameters and density

4.2 地磁异常

1/1万地磁异常总体呈南北向条带状分布(图2、图4),北侧伴生明显负异常,在N26及N10线附近由于矿体出露地表,分别出现9 000 nT和12 000 nT的峰值。地磁异常以正异常为主,强度高、梯度大,异常高值区基本与铁矿矿头地表投影位置相吻合;负异常在N6线—大22线间矿体西侧明显,且在大0线—大22线间表现为负极值明显的宽缓变化特点。

4.3 重力异常

1/5万剩余重力异常(3×3 km窗口)大致分为东、中、西三个,以带状呈近南北向展布(图2、图4)。

东部重力异常与北区和南区南矿段铁矿体引起的地磁异常对应。中部的重力异常主要分布在南区大贾庄矿段大2—大22线间,规模较小,与该区段地磁异常负值区对应。西部的重力异常主要分布在南区大贾庄矿段大22线—大62线间,与该区段矿体西侧低缓地磁异常对应。

4.4 重磁异常的推断解释

通过化极处理得到该地区磁性体存在一定的斜磁化现象,但近于顺层磁化;通过向上延拓推测地下磁性体的地球物理模型为无限延伸薄板[5]。同时定向标本显示,本区矿石常见的剩磁垂直分量仅为感磁垂直分量的0%～10%,矿石剩磁强度的方向与矿体走向一致,说明当初矿体受地磁场的感应而磁化的方向是平行矿体走向的,这个现象与消磁作用的结论是一致的。据以上推理:当矿体向下延深很大时,感磁方向将与矿体层面平行,即顺层磁化;当矿体向下延深不大时,矿体的磁化方向将与层面有一夹角,此时将出现负值。即矿体延深侧无负异常,矿体延深较大;矿体延深侧有低缓且具明显极值的负异常应引起注意,为厚大矿体突然尖灭引起,其尖灭边界大致在负极值附近。上述推断,与历次勘查验证结果基本是一致的。特别是南区大贾庄矿段大0线—大22线地磁异常负值区,经勘查新增4.6亿吨,占南区新增总量的56%。

本区三个近南北向剩余重力异常中,东、中部重力异常为铁矿体引起,西部重力异常存在多解性,东部剩余重力异常与地磁异常高值区及铁矿体分布对应,且较好的反应了矿体分布范围的局部变化。如N14线高坎—响嘡—李兴庄断层附近无矿区,N6线—大0线附近矿体沿倾斜方向的明显收缩,但N30线附近较完整的重力异常与地磁异常在该处存在负异常不对应。中部的规模较小重力异常对应该区段地磁异常负值区,深部矿体普遍具有变厚或品位变富的特点。西部重力异常对应低缓地磁异常,区域上一般为局部基底隆起引起。但在该重力异常峰值东侧大38线深部施工的ZK686的探矿孔初步表明,大38线深部矿体倾角由41°变缓为25°,矿体厚度由26.98 m增加到49.74 m,且在钻孔底部见9.54 m品位较高的阳起磁铁岩,深部矿体厚度、品位均高于浅部。在第四系厚度、围岩岩性均一致的情况下,该剩余重力异常亦有可能为深部铁矿体引起(图6)。综上所述,该区规模巨大的铁矿体呈现为重磁同源特征。

图6 司家营铁矿南区大38勘探线剖面图Fig.6 The profile of da 38 prospecting line in the south district of Sijiaying

5 找矿潜力分析

5.1 找矿预测模型

应用勘查区找矿预测理论方法体系[6],通过综合分析地质、物探等资料并筛选、分类和排序,建立了司家营铁矿找矿预测要素(模型)表(表 2)和找矿预测模型(图7)。

图7 司家营铁矿找矿预测模型图Fig.7 The prediction model figure of prospecting of the Sijiaying iron deposit

表2 冀东司家营铁矿找矿预测要素表Table 2 The prediction factors of prospecting in eastern Hebei

5.2 找矿潜力分析

5.2.1 司家营铁矿北区

该区重磁异常主体已被工程控制(图2),下一步找矿方向为探边摸底,预测N30—N16线地段深部铁矿石资源潜力仍在亿吨以上[7],依据如下:

(1)本区矿体近于顺层磁化,且“重磁同源”。N22—N16线断层以西地磁异常为正异常区,且叠加剩余重力异常,推断矿带延深较大;地磁异常在N30线存在明显负异常,该负异常分割了尹峪—杜峪铁矿和北区矿体;但重力异常反应尹峪—杜峪铁矿和北区矿体是一个整体,推断N30线仍需探边摸底。

(2)N30线后排孔见矿厚度为86 m,N22线后排孔见矿厚度约120 m,均无尖灭趋势,且磁测井显示矿体向深部仍有延伸。N18线、N16线断层以东Ⅲ矿体已尖灭,Ⅳ矿体存在沿倾斜不连续、尖灭再现的现象;2020年工作在N18勘探线深部施工ZKN18-10孔,见2层磁铁石英岩矿,其中上层矿(Ⅳ矿体)真厚16.74 m,下层矿(Ⅲ矿体)真厚6.14 m,下层矿为尖灭再现,且依据磁测井成果,在其下方约50 m处、孔西65 m处存在明显旁侧矿头(图8)。

图8 司家营铁矿北区N18勘探线地质物探综合剖面图Fig.8 Geology and geophysical integrated profile of N38 prospecting line in the north district of Sijiaying

5.2.2 司家营铁矿南区

司家营铁矿南区各矿段矿体的分布、规模已控制,只有西部与低缓地磁异常对应的剩余重力异常,应进一步研究为局部基底隆起引起或与大38线深部施工ZK686探矿孔显示的深部矿体倾角变缓、矿体厚度变后、品位增高有关(图6)。若为后者引起,可进一步查明司家营铁矿体控矿构造、成矿空间,同时具有重要的找矿意义。

6 结论

(1)司家营铁矿赋存层位为新太古界滦县岩群阳山岩组,其原岩属火山岩—沉积岩系—硅铁建造,含铁岩系由一套变质程度为角闪岩相的黑云斜长变粒岩夹磁铁石英岩组成。含铁岩系顶板以片麻状混合岩为主,对矿体无破坏作用,底板为黑云斜长变粒岩,受轻微混合岩化作用。区域上矿床主要受背形和南北向断裂构造控制,经受剥蚀后,矿体经勘查证实为呈近南北走向,西倾的单斜构造。工程控制已尖灭矿体深部多呈分枝尖灭,临近尖灭时夹层增多,矿石品位降低,出现薄层磁铁石英岩、变粒岩类构成的“韵律层”。

(2)通过化极处理得到该地区磁性体存在一定的斜磁化现象,但近于顺层磁化;同时定向标本显示,本区矿石常见的剩磁垂直分量仅为感磁垂直分量的0%～10%,矿石剩磁强度的方向与矿体走向一致。据此推理:矿体延深侧无负异常,矿体延深较大;矿体延深侧有低缓且具明显极值的负异常应引起注意,为厚大矿体突然尖灭引起,其尖灭边界大致在负极值附近。司家营铁矿南区大贾庄矿段大0线—大22线地磁异常负值区,经勘查新增4.6亿吨,占南区新增总量的56%。

(3)该区主要矿带均呈现为重磁同源特征,剩余重力异常与地磁异常高值区及铁矿体分布对应,且直观反应了矿体分布范围的局部收缩变化。

(4)应用勘查区找矿预测理论方法体系,通过综合分析地质、物探等资料并筛选、分类和排序,建立了司家营铁矿找矿预测模型。其实质属“就矿找矿探边摸底类”,其找矿标志为已知矿体分布范围与重磁异常的对应关系,即找矿预测方向为是否存在已知矿体分布范围明显未覆盖的重磁异常区域。

(5)司家营铁矿北区重磁异常主体已被工程控制,进一步找矿方向为探边摸底,预测N30—N16线地段深部铁矿石资源潜力仍在亿吨以上。司家营铁矿南区各矿段矿体的分布、规模已控制,只有西部与低缓地磁异常对应的剩余重力异常,应进一步研究为局部基底隆起引起或与大38线深部施工ZK686探矿孔显示的深部矿体倾角变缓、矿体厚度变后、品位增高有关。