黄河北巨厚覆盖区多矿种协同勘查理论与技术体系研究进展
王怀洪1-4，张心彬2-4，王勇军2-4，朱裕振2-4，沈立军2-4
1.山东省煤田地质局
2.山东省煤田地质规划勘察研究院
3.中国地球物理协会煤田地球物理重点实验室
4.山东省院士专家工作站
作者介绍：王怀洪，二级研究员，主要从事地球物理勘探相关工作，E-mail：tawhh@126.com
导读：近日，山东省煤田局《山东省禹城市李屯地区富铁矿深部找矿关键技术与找矿进展》成果获山东省十大优秀地质成果，此前该项目成果得到了国务院、山东省政府等网站专题报道，引起了广泛关注。项目研究团队针对以往在黄河北煤田积累的大量煤炭勘查资料，进行资料深度处理与二次开发，建立了黄河北煤田厚覆盖层下精细地层与构造格架，综合分析了区内多矿种成矿地质条件，提出了“煤下找铁”找矿思路；针对磁异常平缓、覆盖层厚度大等难点，开展深部找矿联合科研攻关，建立了系统的厚覆盖区多矿种协同勘查理论与技术体系，指导布设钻孔在煤层下连续揭露了厚层富磁铁矿，取得了重大找矿突破。研究成果打开了鲁西富铁矿找矿新空间，开拓了我国北方地区富铁矿找矿新方向。摘要：黄河北煤田富含煤、煤层气、页岩气及富铁矿等多个矿种。在近年勘查过程中，综合运用协同勘查理论与技术体系，在地球物理勘查技术协同及煤与内生矿床（富铁矿）共存的矿种协同方面取得重大突破，新发现富铁矿超过5000万吨，进一步丰富和发展了协同勘查理论与技术体系。研究认为：协同勘查不仅适用于能源矿产，也可以是内生矿产，如富铁矿；无论是共伴生矿产还是空间上共存的矿产，其间都存着内在的联系，都可以开展协同勘查。在此基础上，提出了黄河北煤田巨厚覆盖区地球物理协同勘查找矿模式。关键词：协同勘查理论与技术体系；地球物理勘查；巨厚覆盖区；黄河北煤田我国多数聚煤盆地中不仅赋存有大量的煤炭资源，还共伴生、共存了丰富的其他矿产资源。建国70年来，随着煤炭资源的大规模勘查开发，其共伴生、共存资源越来越得到重视。针对聚煤盆地内多种共生、共存矿产资源科学合理勘查开发的理论与技术研究也逐渐引起关注，协同勘查理论与技术体系正是在这一背景下产生。结合我国长期以煤为主的能源矿产勘查丰富经验，徐水师等总结提出了综合勘查技术体系和模式。伍天洪等[3]、杨伟利等[4]通过对鄂尔多斯盆地石油、天然气、煤炭和砂岩型铀矿多能源矿产共存组合的地球物理判识手段的分析，结合该盆地中不同矿种的勘探开发，提出了多种能源矿产的协同勘查方法与模式，为多种能源矿产协同勘探的实施奠定了理论基础。这是涉及到“多能源矿产协同勘查”比较全面的理论、方法和工程部署的阐述，具有重要意义。李增学等[5-6]在综合勘查基础上结合新的实践，提出了多能源矿产协同勘查理论和技术体系，论述了“协同勘查”的涵义、基本思路，提出了以煤炭资源为主的多种矿产“协同勘查体系”，全面论述了该体系的构成格架；认为“协同勘探”应该涵盖多矿种勘探在物质基础、勘探部署的理论指导、技术方法的运用、最大效益的获得以及之后的矿产开发等诸多领域的协作、联合、支持和利用；提出了“协同勘查”必须遵循的基本原则，即“协调有序、经济合理、优势互补、科学部署、最大收益”。这是“协同勘查理论和技术体系”的全面论述，是煤炭综合勘查体系的最新研究进展，在理论支撑、关键技术、体系构建思路、勘查系列规范等方面都进行了科学总结和阐述，为该体系在生产中的应用奠定了坚实基础。王怀洪等对黄河北潘店地区铁矿最小预测区开展异常查证，发现了富铁矿床，提出了协同勘查、煤铁兼探、突出深部的找矿思路，初步建立了该区深部富铁矿找矿预测模型，形成了多元信息综合协同勘查找矿新模式。此外，近十余年来，与协同勘查理论和技术体系相关的研究主要集中在煤与共伴生矿产方面，除对煤及其共伴生矿产的综合勘查体系、兼顾勘查体系[8-11]、甚至矿业权管理研究[12]外，还有对内生金属矿床及斑岩型矿床综合勘查体系的个案研究[13,14]等，对协同勘查理论和技术体系的建立和发展起到了一定促进作用。黄河北煤田位于鲁西隆起区的西北部，其构造边界，东起卧牛山断层，西至刘集断层，南部以含煤地层底界（隐伏）露头为界，北至齐广断层。区内构造基底由新太古界泰山岩群构成，在此基底上，全区广泛遭受海侵，形成了早古生界一套海相碳酸盐岩沉积建造；古生代中期地壳整体抬升、剥蚀，造成晚奥陶世～早石炭世的缺失；晚古生代由于地壳的震荡运动，在石炭-二叠纪形成了一套海陆交互相及陆相含煤碎屑岩建造，此后地壳稳定上升，缺失三叠纪沉积；燕山运动在本区活动强烈，并形成以断陷、断隆为主要特征的构造格局，并产生了剧烈的岩浆侵入活动（图1）。
图1 黄河北煤田岩浆岩分布示意图
黄河北煤田共发现的主要矿种有4种，分别为煤、煤层气、页岩气及富铁矿，提交的资源储量分别为：煤12.7亿吨（无预测资源量）；煤层气13.47亿m3（-500～-2000m标高，均为推断资源量）；页岩气2100.45亿m3（均为预测资源量）；富铁矿6511.2万吨（李屯地区3365.9万吨，大张地区3145.3万吨，为推断+预测资源量）。煤、煤层气及页岩气主要与含煤地层有关，具体是石炭-二叠系太原组和山西组：煤层共14层，其中1～5层煤赋存于山西组，6～14层煤赋存于太原组；煤层气与煤层相关联，主要赋存于7、13层煤中；页岩气主要赋存于山西组、太原组的泥岩层系中。富铁矿则与其它三种沉积类（或与沉积矿产密切相关）能源矿产不同，主要赋存于中生代侵入岩体与奥陶系马家沟群灰岩接触部位的矽卡岩带中，属接触交代型铁矿。黄河北煤田的千米级巨厚覆盖层为区内矿产勘查带来不少困难，除工程验证成本较大外，还主要集中在地球物理探测信号的识别方面。本次重点从两个方面开展了协同勘查体系的应用研究：一是多种勘查技术协同实施。大幅提升了巨厚覆盖区深部地球物理信息的增强和识别程度，提高了单项技术的识别力和准确度。如将煤炭测井6条参数曲线进一步开发，成功取得16条煤炭-煤层气-页岩气参数曲线；再如高密度二维三维地震将3-5m断点或小断层查明率由45%以下提高到75%上。二是协同查明多种矿产。除前述多种能源矿产的协同外，主要突破在于煤层以下接触交代型富铁矿的发现。从黄河北煤田实际找矿问题出发，分析总结区域地质背景及成矿规律，构建区内典型矿床、矿体地质模型以及构造空间和矿体地球物理物性模型，将物性参数统计与已知的矿区地质情况相结合，对构造、矿体地球物理模型进行模拟论证和不同地球物理方法应用，由已知到未知，对结果进行相应的综合分析研究。在地质理论先导和依托下，依据不同地球物理方法、不同参数的特点，解决不同的地质问题，总结并提出多元地球物理勘探方法有效组合，即地球物理勘探模式：1）以地面高精度重磁测量为先导，利用区域重磁异常特征（化极、垂向一阶导数、总梯度模等）获得研究区大致构造分区，确定构造格架和磁性地质体的空间分布；2）通过大地电磁测深工作，获取研究区厚覆盖层之下基岩顶面深度信息，划分剖面位置处地层深部结构；3）利用地震方法，精细探测解释地层赋存特征、构造展布特征和侵入岩体与碳酸盐岩接触带范围，圈定有利成矿部位；4）利用地面高精度重磁剖面，结合电法和地震确定的精确地下空间结构，通过2.5D反演剖面，寻找矿体引起的磁异常，突出异常区；5）基于地球物理多元信息实现多方法、多参数、多尺度、多角度综合探测，通过共同异常部位确定不同级次的找矿空间；6）利用钻探来验证地球物理勘探模式的有效性和可行性。2）闪长岩本身发生钾长石化、绢云母化、粘土化等蚀变，并且越靠近矿体处，蚀变越强（图2A）；4）岩石越新鲜，磁性越强，说明闪长岩体本身含矿性较强；5）在闪长岩与矿体接触带形成内矽卡岩带（图2C）；6）闪长岩中显示类似斑岩型矿化的特征，常见网脉状热液脉产出（图2）。初步确定富铁矿成因主要为燕山晚期中基性闪长岩、辉长岩、闪长玢岩等岩浆岩侵入奥陶纪马家沟群灰岩中，与灰岩发生接触交代作用，在一定条件下造成铁的富集沉淀而形成磁铁矿。本区中生代岩浆岩侵入体和奥陶系的存在，是富铁矿形成的必要条件。而中生代岩浆岩侵入体除与奥陶系灰岩发生接触而将自身携带的“铁”卸载之外，其携带的巨量热能对奥陶系以上的含煤地层中各煤层和泥页岩中有机质的热演化程度造成不同程度的提升，从而形成不同变质程度的煤类，如区内13煤总体煤类有无烟煤、贫煤、贫瘦煤、焦煤等多种中高变质程度煤类，大量的煤层气和页岩气。因此，煤系多矿产共伴生、共存的这种内在联系可以简略表达为：具体找矿实践中，主要通过查明煤田内各煤层的变质程度来反映深部岩浆岩侵入体的规模、空间范围以及形态等特征，进而指导富铁矿体的勘探；同时，这些部位也是煤层气和页岩气大量发育的地区。通过本次协同勘查找矿研究工作，尤其是煤层以下富铁矿的新突破，进一步发展了前人针对煤及共伴生能源矿产提出的协同勘查理论与体系，进一步丰富和扩充了协同勘查体系的内涵和外延。我们认为协同勘查不仅适用于能源矿产，也可以是内生矿产，如富铁矿；不仅适用于共伴生矿产，空间上的共存范围更加宽泛，有其内在联系。协同勘查找矿模式是在综合分析共存富集的成因机制、多矿种成矿条件、成矿规律、构造区划与矿产聚集单元划分、基础上，考虑煤炭、煤层气、页岩气、铁矿等多矿种资源进行勘查施工协同设计，通过多种高精度地球物理勘查手段为先导，联合解译地层分布、构造格架、矿产资源赋存范围，采用高效绿色钻探技术进行取样、分析测试，并对地球物理解释成果进行验证，进而修改地球物理反演模型。整个过程从资料收集阶段开始，采用集成的综合数据库和三维地质模型等信息化技术作为支撑，并贯穿整个勘查过程的始终。多矿种协同勘查找矿模式可以概括为；“成矿规律综合研究、多矿种勘查协同部署、地质物探数据联合解释、高精钻探取样验证、信息融合技术支撑”。多矿种协同勘查找矿模式框图（见图3）。
图3 黄河北巨厚覆盖区多矿种协同勘查找矿模式图
参考文献：略
资料来源：王怀洪,张心彬,王勇军,等.黄河北巨厚覆盖区多矿种协同勘查理论与技术体系研究进展.中国煤炭地质,2020,32(09):150-154+166.
