白云鄂博稀土白云岩电磁学特征与影响因素.pdf

书书书 （）：岩石学报 ：李亮，何兰芳，杨占峰等 白云鄂博稀土白云岩电磁学特征与影响因素 岩石学报，（）：，：白云鄂博稀土白云岩电磁学特征与影响因素李亮，何兰芳，杨占峰徐亚，赵永岗郝美珍赵剑刘春龙 ，中国科学院矿产资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所，北京 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 包钢（集团）公司，包头 中国科学院油气资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所，北京 ，（），收稿，改回 ，（）：，：（），（，）；摘要白云鄂博是全球最大的稀土矿，也是我国著名的铁矿区。稀土白云岩是白云鄂博稀土矿主要赋矿岩体，大部分铁矿也赋存于其中。然而，稀土白云岩的岩石电磁学特征至今没有清楚的认识，影响了电磁法勘探资料解释及稀土白云岩发育规律的认识。本文测量了白云鄂博稀土白云岩、铁矿石样品和部分围岩的岩石复电阻率，为分析岩矿石复电阻率的分布规律和影响因素，还测量了样品的磁化率数据。利用手持 分析仪对样品进行成分粗分析，部分样品进行了主微量分析和显微镜下分析。结果显示，矿区岩石电阻率变化范围跨度大，而且相同岩性岩石电阻率差异较大。矿区围岩与矿石（铁、稀土）之本文受国家自然科学基金项目（）、中国科学院地球科学研究院重点部署项目（）和中国科学院重点部署项目（）联合资助第一作者简介：李亮，男，年生，硕士，固体地球物理学专业，：通讯作者：何兰芳，男，年生，高级工程师，主要从事矿床电磁学与电磁岩石物理学研究，：间有较为明显的磁化率差异、轻稀土元素含量（：、）差异显著。岩石组分与岩石电磁属性的交汇结果显示，岩石磁化率与岩石 含量正相关。镜下分析发现，磁铁矿的分布与联结程度影响白云鄂博铁矿石电阻率。白云鄂博稀土白云岩具有中高阻、甚至高阻特征，岩石中大量发育的高阻矿物是影响其电磁学特征的重要影响因素。岩石电磁学分析为白云鄂博电磁法勘探数据解释和隐伏矿预测提供了重要的岩石物理依据。关键词白云鄂博；稀土；白云岩；复电阻率；磁化率中图法分类号 ；白云鄂博是世界上规模最大的探明稀土矿、第二大铌矿，还伴生有规模较大的铁矿、金矿、萤石矿（，；，；范宏瑞等，；谢玉玲等，）。白云鄂博地处华北克拉通北缘，紧邻中亚造山带，研究表明该地区经历了超过 亿年的构造演化（王凯怡等，；范宏瑞等，）。稀土白云岩是白云鄂博矿区主要赋矿岩体，为一套源于地幔的火成碳酸岩（杨道明等，；范宏瑞等，）。围绕白云鄂博矿床的相关研究已有近百年的历史，由于矿区经历多期复杂的变形变质作用，构造复杂，在成矿年代、成矿模式、矿体深部延伸与发育规律等方面依然存在争议（费红彩，；王凯怡等，；，；，；范宏瑞等，；谢玉玲等，；柯昌辉等，；邓淼等，）。虽然已开展大量的地球物理工作，但白云鄂博发表的地球物理资料极少，矿区电磁法勘探及相关资料解释仍存在很大的研究空间。岩石电磁学既是研究地球内部属性的重要方法（，），也是研究浅地表岩体和岩（矿）石电磁属性的重要手段（何兰芳，）。基于岩石电磁属性的电磁法勘探在矿产资源探测、水文环境等方面有显著的应用效果，也已经发展成为研究浅地表地球介质的重要手段（何兰芳，；何兰芳等，；杨振威等，），但白云鄂博岩矿石电磁学特征研究还非常薄弱，制约了该矿区深部矿体电磁法探测资料解译。本文测量了白云鄂博矿区大量岩矿石和其他矿区少量铁矿石样品的复电阻率数据，同时测量了样品的磁化率数据，结合岩石薄片的显微镜观测结果、部分样品的主量、微量成分，初步建立了岩石电磁属性与岩石地球化学的成因联系，综合分析了白云鄂博稀土白云岩电磁学特征与影响因素。研究结果为解译该矿区电法资料、确定含矿岩体（稀土白云岩）的几何形态、隐伏资源评价提供了重要依据。白云鄂博矿区地质背景白云鄂博地区大地构造跨两个二级构造单元，以乌兰布拉格 赤峰大断裂为界，南为华北克拉通，北为华北克拉通北缘大陆边缘增生带，临近中亚造山带（图 ）。稀土矿 铌 铁矿床成矿的构造环境为中元古代白云鄂博裂谷系（白鸽等，；杨奎锋等，；翟明国等，；刘超辉和刘福来，）。地层基底由太古界变质岩系组成，中元古界白云鄂博裂谷系发育地层主要为白云鄂博群，与下伏基底变质岩系有较大区别，与上覆稳定盖层性质也显著不同（曹秀兰，）。前人将白云鄂博群划分为 个岩组和 个岩段，分别为都拉哈拉组（）、尖山组（）、哈拉霍疙特组（）、比鲁特组（）、白银宝拉格组（）、呼吉尔图组（），主要岩石类型为砂砾岩、页岩和碳酸盐岩（赖小东，）。哈拉霍疙特组的 段是白云鄂博赋矿岩段，主要由稀土白云岩组成，成分复杂且岩相变化大，其成因至今仍有争议（王凯怡等，）。（，）认为稀土白云岩是沉积成因，成矿作用由古生代与花岗岩岩浆作用和变质作用有关的流体形成。袁忠信等（）、王凯怡等（）认为赋矿白云岩、大理岩为火山 沉积构造，稀土成矿来源于地幔流体（袁忠信等，王凯怡等，）。（）、（）认为赋矿白云岩、大理岩为碳酸岩侵入体，稀土矿化来源于中元古代碳酸岩岩浆。最新研究发现，稀土白云岩和白云鄂博群的多套地层都有穿插关系，特别是与沉积成因模式认为的上覆地层 都存在侵入接触关系，并且 中普遍发育指示火成碳酸岩的霓长岩化，据此认为“”更有可能是侵入的火成碳酸岩（王凯怡等，）。矿区的褶皱构造主要是由宽沟背斜和“白云向斜”组成的宽沟复式背斜（图 ），轴向近东西。以往研究基于“沉积成因”模式，认为“白云向斜”控制矿体的发育，但近几年矿区实施多个深部（）钻孔并未打穿含矿白云岩，其中 钻孔孔深超过 ，依然没有钻穿白云岩，“白云向斜”控矿理论正在被深度断裂控矿模型代替（杨占峰等，；肇创，；柯昌辉等，），白云鄂博矿区深部还有丰富的资源前景。白云矿区主体由东矿、主矿和西矿构成，周边有东介勒格勒、高磁异常区、红土坡等多个小矿体。研究表明，白云鄂博地区有超过 条碳酸岩岩脉，这些岩脉与白云鄂博赋矿白云岩存在成因联系（，）。已有研究认为，白云鄂博区域先后经历了吕梁期、加里东期、海西期和燕山期四期构造岩浆活动（曹秀兰，；赖小东，）。矿区分布面积最大的岩浆岩是海西期花岗岩类，由花岗闪长岩、中粗粒黑云母钾长花岗岩和细粒黑云母钾长碱长花岗岩组成，主要分布在矿区的东南部，花岗岩与成矿无关（赖小东，）。样品与分析方法实验测试了 多块岩心和露头样品，露头样品主要采李亮等：白云鄂博稀土白云岩电磁学特征与影响因素图 白云鄂博矿区构造位置（）及矿区地质图（）（据范宏瑞等，修改）（）（）（，）自主矿、西矿、红土坡及矿区外围，岩心取样深度从几十米到 ，部分样品超过 ，最深达 。岩性包括铁矿石（磁铁矿和赤铁矿）、铁矿化白云岩、细粒白云岩、白云岩、花岗闪长岩、花岗岩、硅质岩、闪长岩、片麻岩、板岩等（见电子版附表 ）。稀土白云岩（包括铁矿化白云岩、细粒白云岩、白云岩）是白云鄂博主要的含矿岩石，具有不同程度的矿化，主 要 有 稀 土 矿 化、铁 矿 化、萤 石 矿 化（，）等。样品的电性测量采用复阻抗分析法。该方法在一定频率范围测量岩石复阻抗，通过样品的几何参数获取复电阻率、阻抗相位等电磁学参数（赵云生等，；杨振威等，；刘明，）。我们在常温常压下实测了白云鄂博矿区典型 块岩石复电阻率。使用仪器为英国 公司生产的 阻抗 相位分析仪，实验装置为对称四极装置（图 ）。为降低样品与电极之间的极化效应，使用充填饱和硫酸铜面团电极组（向葵等，；童小龙等，），供电、测量电极均为铜板。供电电压为 ，频率范围为 。本文采用频率为 电阻率值作为样品的图 岩石电阻率测量装置示意图（据 ，修改）（，）岩石学报 ，（）：图 白云鄂博岩石电阻率、磁化率分布直方图 电阻率。磁化率由 与 两种磁化率仪测试完成，共实测样品 块，除特别注明外，磁化率单位均为 。所有的样品都使用日本奥林巴斯 矿石分析仪器进行成分初步分析。系列 射线荧光分析仪是一种手持式能量色散 射线荧光光谱分析（）仪，设备的操作方法和相关技术文档可以从 公司网图 白云鄂博典型岩石复电阻率频谱（）复电阻率，为样品的磁化率，单位为 ；（）相位；（）图局部放大 （），；（），（）（）站查阅。该仪器以无损方式快速完成元素分析，高效识别岩石化学成分，测量的元素含量最低可达 。为便于统计分析，将所有的矿石分为 类：围岩、稀土白云岩和铁矿化白云岩。为了详细分析岩石电性参数与岩石主微量之间的关系，选取 块典型岩石样品进行主、微量成分分析（电子版附表 ）。全岩主、微量分析在澳实分析检测（广州）有限公司完成，主量测定方法包括 射线荧光光谱、熔融法、电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子体发射光谱法。结果 岩石电磁学特征图 为白云鄂博矿区 块样品的岩石复电阻率和磁化率分布直方图。矿区岩石的电阻率变化范围大，从小于 到大于 。电阻率小于 样品共 块，主要岩性为磁铁矿石、富铁稀土白云岩，平均磁化率约为 （，下同）；电阻率为 的样品共 块，岩性多为铁矿化稀土白云岩、稀土白云岩，平均磁化率约为 ；电阻率为 样品共 块，岩性为稀土白云岩、赤铁矿、基性岩等，平均磁化率约为 ；电阻率大于 的样品共 块，岩性多为稀土白云岩、硅质岩、变质岩、花岗岩等。矿区岩石电阻率越大，平均磁化率越低。在岩石电阻率为 的范围内，电阻率升高一个量级，平均磁化率降低约 倍。图 为白云鄂博矿区 块典型岩石样品的复电阻率和阻抗相位曲线，主要岩性为铁矿石、白云岩、花岗岩、片麻岩、闪长岩、石英岩、板岩。岩石复电阻率随着频率的降低而逐渐升高并趋于稳定，相位（绝对值）随频率的降低而逐渐降低并趋于稳定，阻抗相位和岩石极化率存在正相关关系。图 李亮等：白云鄂博稀土白云岩电磁学特征与影响因素图 白云鄂博岩石 相位与 含量（）、含量（）和 含量（）交汇图 （），（）（）表 白云鄂博铁矿石磁化率分布统计表 铁矿石类型赤铁矿（）磁铁矿（）黄铁矿（）品位（）平均磁化率（）表 白云鄂博岩石样品磁化率分布统计表 磁化率（）合计样品数（块）显示矿区不同岩石电阻率差异较大，最低值样品（）为高品位磁铁矿，最高值样品（）为石英岩，两类样品电阻率相差 个数量级。同一类型岩石电阻率变化范围也很大，如铁矿石稀土白云岩、普通稀土白云岩电阻率变化相差约 个数量级。个磁化率由大到小依次为 、的铁矿石（磁铁矿）样品，对应的电阻率为 、，在 对 应 的 相 位 角 分 别 为 、。两个稀土白云岩磁化率分别为 、，对应的电阻率为 、，相差约 倍，对应的相位角为 、。全岩化学分析结果显示，这两个样品 含量（、）、含量（、）、含量（、）、含量（、）相近，含 量 有 较 大 差 别，分 别 为 、，相差约 倍。两块磁化率分别为 、的花岗岩，电阻率分别为 、，在低频段（）相位角接近 ，花岗岩呈现类似纯电阻特性，在低频段几乎无激电效应。片麻岩、闪长岩、石英岩、板岩样品的电阻率分别为 、，磁化率分别为 、，激电效应均较弱。图 展示了岩石 阻抗相位与 含量的交汇关系，显示 相位值与 含量（当含量 时）之间存在正相关关系，相关系数为 ，含量越大则相位值越大（绝对值），表明其激电效应越强。手持 测量结果显示岩石 含量与 相位值之间弱正相关关系（图 ），相位与 含量无明显规律（图 ）。磁化率特征矿区 块样品磁化率特征如表 、表 所示，铁矿石磁化率测量结果表明：磁铁矿的平均磁化率最高，为 ，且铁矿石品位越高，磁化率越高；铁矿石中黄铁矿的平均磁化率最低，为 ；磁化率大于 的岩石共 块，占比 ，表明矿区内大部分稀土白云岩具有相对高磁化率特征。图 为矿区 个钻孔（包括两个深度小于 的钻孔和 个深度大于 的钻孔）岩心的磁化率、电阻率测量结果。结果表明矿区岩体（或岩层）样品不同深度电阻率变化量超过 个量级，电阻率交替变化。不同深度的样品磁化率也在较大范围内变化，以 钻孔为例，钻孔内磁化率最大值可达 ，最低磁化率为 ，平均磁化率为 。在采样深度约 处，平均磁化率（）为本钻孔其他井段平均磁化率（）约 倍，高磁化率样品对应岩性为铁矿石、铁矿化板岩。个深孔的高磁化率异常主要出现在 甚至 以下的深部井段，对应 岩石学报 ，（）：图 白云鄂博钻孔岩心实测电阻率、磁化率图橘黄色部分表示含矿岩石 图 样品实测电阻率与 含量交汇图（）和 含量交汇图（）（）（）岩性多为高品位铁矿石、稀土白云岩。手持 分析结果与岩石电磁特征对应关系样品 含量、与电阻率、磁化率交汇图如图 、图所示，结果表明：（）围岩（主要为 深灰色板岩、粉砂岩、石英岩等）、铁矿化白云岩、稀土矿化白云岩电阻率变化范围较大，达 个量级。铁矿化白云岩、稀土白云岩的 含量在 以上（图 ），含量在 以上（图 ）。本次测试样品中没有包括围岩中的白垩系红层、蚀变岩和外围炭质板岩。（）矿区岩石磁化率与 含量呈显著李亮等：白云鄂博稀土白云岩电磁学特征与影响因素图 样品实测磁化率与 含量交汇图（）和 含量交汇图（）（）（）图 岩石电阻率与 含量（）和 含量（）交汇图 （）（）的正相关关系，相关系数为 。样品 含量越高，磁化率越高（图 ）。多数围岩具有低磁化率、低 含量的特征，铁矿化白云岩与稀土白云岩具有高磁化率、高 含量的特征（图 ）。岩石主微量与岩石电磁特征对应关系图 为岩石电阻率与 含量、含量的相互关系。结果表明：（）含量在 以上的铁矿石电阻率分布于 之间，赤铁矿电阻率高于其他类型的铁矿石。含量小于 的岩矿石样品电阻率分布规律不明显。（）稀土含量较高的铁矿石具有相对低阻特征。整体上电阻率与 含量无明显规律。图 展示了岩石磁化率与 含量、含量交汇图。结果显示：（）高品位铁矿石磁化率大部分分布于 ，低品位铁矿石磁化率与 含量两者之间没有明显的关系。赤铁矿磁化率小于 。含量小于 时，磁化率与 含量呈正相关关系，相关系数为 。（）含量大于 的样品磁化率大于 ，小于 的样品磁化率绝大部分小于 。岩石学报 ，（）：图 岩石磁化率与 含量（）和 含量（）交汇图 （）（）图 不同矿区典型铁矿石 含量与电阻率的交汇图 讨论：白云鄂博稀土白云岩复电阻率影响因素组分和结构是常温下岩石电阻率两大主要影响因素，组分指矿物的含量和矿物的质量分布，结构主要指良导矿物在岩石中分布状态（，；何兰芳，；何兰芳等，）。组分对电阻率的影响白云鄂博稀土白云岩石的主要组分（附表 ）包括 、六类，主要矿物包括白云石、铁矿石（磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿）、稀土矿物、石英等。本文主要讨论总铁含量与轻稀土含量对稀土白云岩及部分围岩电阻率的影响。虽然铁矿石中的磁铁矿和赤铁矿为导电矿物，但组成白云鄂博稀土白云岩的主要矿物白云石、方解石、萤石、稀土矿物（独居石、氟碳铈矿）、石英等均为电阻率极高（通常大于为 ）的高阻矿物，因而白云鄂博稀土白云岩电阻率整体以高阻和中高阻为主。含铁矿物较高样品也表现为中高阻特征，对比矽卡岩型（青海祁漫塔格）、海相火山岩型（新疆西天山智博）与白云鄂博矿区的铁矿石测量结果可发现（图 ），白云鄂博矿区铁矿石相较两个矿区岩石电阻率更高，分布范围更广，其中赤铁矿（褐铁矿）电阻率最高，达到 。磁化率和磁铁矿含量存在密切的相关性，铁氧化物的含量和分布决了岩石的磁性特征（郎元强等，）。岩石物理试验结果也表明，磁铁矿含量达到 的岩石磁化率会比不含磁铁矿的岩石磁化率可高出 倍以上。铁磁性矿物含量是控制沉积物磁化率高低的主导因素（王建等，）。磁铁矿含量和电阻率之间存在互相关关系（图 ）。稀土含量对电阻率影响极小（图 ），虽然图 中展示了稀土含量和电阻率的弱负相关性，但由于白云鄂博稀土白云岩中磁铁矿和稀土伴生发育，据此推断电阻率主要受其中磁铁矿的影响。岩体（样品）蚀变和含水性也是影响岩石电阻率的重要因素。结构对电阻率的影响为了分析导电矿物分布对白云鄂博稀土白云岩电阻率李亮等：白云鄂博稀土白云岩电磁学特征与影响因素图 西天山智博铁矿、白云鄂博铁矿石样品显微结构反射光照片（）西 天 山 ；（）；（）；（）；（）；（）磁铁矿；黄铁矿；赤铁矿；暗色为非金属矿物，主要为长石、石英等 （）；，的影响，对矿区典型铁矿石样品进行显微镜下分析。图 为白云鄂博矿区 个铁矿石样品和西天山智博矿区 个铁矿石样品的显微照片。西天山智博铁矿样品（图 ）磁铁矿相互联结，而且导电金属矿物包含黄铁矿与磁铁矿。白云鄂博铁矿石样品的显微照片（图 ）导电金属矿物主要为磁铁矿，暗色为非金属矿物，包括长石、石英等不导电矿物。综合分析 个样品的显微照片结果、磁化率值、电阻率值以及与导电矿物的对应关系：样品（）、（）、（）中发育大量磁铁矿，而且磁铁矿联结性较好，样品（）中发育黄铁矿。样品（）、（）的磁化率高于仪器检测限度（大于 ），样品（）磁化率为 ，对应的电阻率分别为 、，。样品（）黄铁矿含量较高，对应的电阻率更低。样品（）、（）中发育赤铁矿（褐铁矿）且连接性较差，（）较（）发育更多的非金属矿物，对应的电阻率（）明显高于样品（）（），（）磁化率为 ，（）磁化率为 ，（）中发育磁铁矿，联结性较差，电阻率居中（），但磁化率相较（）、（）较高（）。以上结果表明样品的导电矿物结构对电阻率值有较大的影响。结论岩石复阻抗分析结果表明白云鄂博稀土白云岩具有中高阻、甚至高阻特征，除少量富铁矿样品电阻率小于 外，大部分样品电阻率高于 ，少量接近 。造成稀土白云岩电阻率较高主要原因是该类岩石中含有大量的不导电矿物，且高阻矿物分布影响导电矿物的联结性。富集铁矿的稀土白云岩具有较高的极化率，矿区围岩与矿石（铁、稀土）之间有明显的磁化率差异，含矿（铁、稀土）岩石具有高磁化率特征，统计平均结果表明高磁化率样品对应的电阻率更低。分析结果与电阻率交汇结果表明 元素的富集不会引起电阻率降低，主量分析结果表明轻稀土含量和电阻率之间存在弱负相关关系。由于没有排除磁铁矿等因素的影响，尚不能明确它们之间的相互关系。致谢感谢包钢（集团）公司、白云铁矿、巴润矿业、稀土研究院及其他相关单位对本项工作的大力支持，特别感谢巴润矿业郭建新高级工程师、崔凤正高级工程师对本项目的大力支持；詹艳研究员及匿名评审人提出的宝贵意见使论文质量有了明显提升，在此表示衷心的感谢。，（）：（）：，（）：，（）：（），（）：，：，：，（）：（），（）：，（）：（），（）：（）岩石学报 ，（）：，：（）（）：（），（）：，（）：，“”，：（），（）：（）：，：（），（）：（）：，（）：（）：（）（），：，（）：（），（）：，（）：（），：，（）：（），（）：（），（）：（），：，（）：（），：，（）：（），：，（）：，（）：，（），：，（）：（），（）：（），：，（）：，（）：（），（），（）：，（）：，（）：，（），（）：（），（）：（），（）：（），（）：（），（）：（）附中文参考文献白鸽，袁忠信，吴澄宇 对白云鄂博矿床大地构造环境的几点认识 地球学报，（增 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