山東單縣巖鹽礦床地質特征及找礦模型淺析

仵康林,唐璐璐,楊斌,常杰,趙艷,張尚坤,羅文強,劉鳳臣,梁吉坡,閆誠

(1.自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室,山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室,山東省地質科學研究院,山東 濟南 250013;2.鄒城市自然資源和規劃局,山東 鄒城 273599)

0 引言

2010年以來,山東省地質科學研究院主要在山東省單縣楊樓和黃崗地區先后共開展了5期次巖鹽礦勘查。2010—2018年,在黃崗潛凹陷東部單縣楊樓地區開展“山東省單縣楊樓地區巖鹽礦普查”和“山東省單縣楊樓地區巖鹽礦普查(續作)”工作;2016—2021年,在黃崗潛凹陷中部黃崗地區開展“山東省單縣黃崗地區油頁巖及巖鹽礦普查”、“山東省單縣黃崗地區油頁巖及巖鹽礦普查(續作)”和“山東省單縣黃崗地區巖鹽礦普查(續作)”工作。勘查工作,針對勘查區覆蓋層較厚,工作中采用“面上以二維地震和可控源音頻大地電磁測深勘查對研究區成礦地質條件進行研究,指導鉆探工程布置;點上以鉆探與測井進行突破”的勘查方法,實現了巖鹽礦重要找礦突破,預測巖鹽礦總資源量超過242億t。其工作方法對深覆蓋區同類礦床的勘查具有很好的指導和示范意義,同時為進一步開展巖鹽礦找礦工作提供了必要條件。

1 區域地質背景

研究區大地構造位置位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯西南潛隆起(Ⅲ)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅳ)黃崗潛凹陷(Ⅴ)的南部[1]。地層隸屬華北—柴達木地層大區,晉冀魯豫地層區,魯西地層分區(圖1a)[2]。該區地處魯西南黃泛沖積平原,為第四系深覆蓋區,下伏地層由老到新發育有:新太古代泰山巖群、奧陶紀馬家溝群、石炭—二疊紀月門溝群、二疊紀石盒子群、古近紀官莊群、新近紀黃驊群[3]。

該區地處黃崗潛凹陷南部,以龍王廟斷裂為界與龍王廟潛凸起相鄰。區域構造型式以斷裂為主,發育龍王廟斷裂、萊河-蔡堂斷裂、終興集斷裂、單縣斷裂、曹叵集斷裂、李田樓斷裂等。萊河-蔡堂斷裂為含鹽盆地的北邊界[4]。區域巖漿巖不發育,據單縣黃寺地區鉆探揭露情況,數層厚度在5～60m的強碳酸巖化的輝綠巖,順層侵位于古近紀官莊群碎屑巖段;強碳酸巖化、綠簾石化閃長玢巖侵位于山西組,厚度可達24m。

①—東明潛凹陷;②—菏澤潛凸起;③—汶上寧陽潛凹陷;④—嘉祥潛凸起;⑤—成武潛凹陷;⑥—金鄉潛凹陷;⑦—青堌集潛凸起;⑧—黃崗潛凹陷;⑨—龍王廟潛凸起;⑩—時樓潛凹陷;—魚臺潛凹陷;—濟寧潛凹陷;—兗州潛凸起;—滕州潛凹陷;1—Ⅱ級單元界線;2—Ⅲ級單元界線;3—Ⅳ級單元界線;4—Ⅴ級單元界線;5—Ⅴ級構造單元;6—區域基巖簡圖范圍;7—古近紀官莊群大汶口組;8—二疊紀石盒子群;9—二疊紀山西組;10—石炭—二疊紀太原組;11—石炭紀本溪組;12—奧陶紀馬家溝群;13—新太古代泰山巖群;14—隱伏地質界線(整合);15—隱伏地質界線(不整合);16—隱伏斷層; 17—鉆孔及編號;18—勘查區邊界圖1 區域構造地質簡圖(a)及單縣地區前新近紀區域基巖地質簡圖(b)

2 礦區地質特征

2.1 地層

區內巖鹽礦賦存層位為古近紀官莊群大汶口組,其以奧陶紀馬家溝群為沉積基底,以新近系和第四系為蓋層。

2.1.1 奧陶紀馬家溝群

分布于該區東北部萊河-蔡堂斷裂與龍王廟斷裂之間,巖性以厚層石灰巖為主,厚度約800m。

2.1.2 古近紀官莊群

全區分布,為含鹽目的層位,走向近EW向,傾向近S向,呈由北向南逐漸變深且伴有寬緩起伏的構造形態,傾角1°～3°,厚度大于1000m,與上覆新近紀黃驊群為不整合接觸,自下而上可分為3段:

(1)下段以棕紅色、紫紅色泥巖、泥質粉砂巖為主,鉆探未穿透,揭露厚度372m。

(2)中段為含鹽層位,巖性為深灰色泥巖、粉砂質泥巖與灰白色膏質泥巖、石鹽巖互層,平均厚514m。自下而上分3個巖性亞段。下部膏質泥巖亞段:深灰色泥巖、粉砂質泥巖與灰白色膏質泥巖互層,厚51～132m,平均厚86m;中部含鹽亞段:質純的石鹽巖與灰白色膏質泥巖互層,局部夾薄層硬石膏巖,分布于研究區東部和南部,在西北部沉積缺失,厚39～499m,平均厚338m。鉆探揭露巖鹽礦層5層～35層,揭露礦層累計厚度10.33～320.06m;上部膏質泥巖亞段:深灰色泥巖夾灰白色膏質泥巖,局部夾含油泥巖,硬石膏多呈條帶狀與泥巖互層產出,厚99～269m,平均厚174m。

(3)上段巖性以灰色、灰綠色泥巖為主,底部偶見砂礫巖層,平均厚321m。

2.1.3 新近紀黃驊群

分布廣泛,巖性以褐黃、淺黃色及棕紅色泥巖、砂質泥巖為主,夾褐黃色細砂巖層,平均厚550m,與上覆第四紀平原組為不整合接觸。

2.1.4 第四系

自下而上劃分為平原組、黑土湖組以及黃河組。平原組:巖性以褐黃色、淺黃色黏土、砂質黏土、黏土質粉砂為主,厚150～217m;黑土湖組巖性為灰黑色夾少量黑色砂質黏土、淤泥質粉砂,厚6～20m;黃河組為黃河沖積形成的灰黃色、淺黃色粉砂質黏土、黏土質粉砂及黃土層,厚18～25m。

2.2 構造

研究區內含礦地層總體為走向近EW向、傾向近S向、由北往南逐漸變深且伴有寬緩起伏的單斜構造形態,傾角一般1°～3°,中北部斷層附近可達8°～10°。褶曲、斷層總體不甚發育,發育規模較大的褶曲4個,自西向東依次為孟楊莊背斜、后黃莊向斜、齊莊背斜和胡樓向斜;發育斷層3條,分別為萊河-蔡堂斷裂、曹叵集斷裂及終興集斷裂(圖1b)。

2.2.1 褶曲構造

(1)孟楊莊背斜位于工作區西部,軸向NE,控制軸長約6700m,兩翼不對稱,西翼傾角較大,為1°左右;東翼傾角較緩,0.4°左右。南、北兩端被萊河-蔡堂斷裂所切。

(2)后黃莊向斜位于工作區中部,軸向NEE,控制軸長約9000m,兩翼基本對稱,傾角約1.5°左右。西南、東北兩端被萊河-蔡堂斷裂所切。

(3)齊莊背斜位于工作區東部,軸向NEE—E,控制軸長約8000m,兩翼基本對稱,傾角約3°左右。

(4)胡樓向斜位于工作區東南部,軸向NE,控制軸長約10000m,兩翼基本對稱,傾角約2°～3°左右。

2.2.2 斷裂構造

研究區最北部發育萊河-蔡堂斷裂,是全區控制斷距最大的斷層,控制含鹽盆地北邊界,為含礦層的分界斷層,斷層北部無巖鹽賦存,南部為含鹽地層,走向近EW,兩端伸出區外,控制長度19000m左右。研究區最東部發育曹叵集斷裂,走向NE。東北起自金鄉縣張寨,向西南經單縣徐寨西、單縣城西、曹叵集、高韋莊西進入河南省,省內長60km。研究區最西部發育終興集斷裂,走向NNE,東北端在大張樓附近與單縣斷裂相交,向西南經終興集、孔集進入江蘇省。該斷裂為一平移斷層,兩盤平行錯動約5km。

3 礦床地質

3.1 礦層特征

區內巖鹽礦賦存于古近紀官莊群大汶口組中段,礦層賦存形態簡單,呈層狀產出,產狀穩定,與地層一致,走向近EW向,傾向近S向,傾角1°～3°,斷層附近可達8°～10°。鉆孔揭露巖鹽礦層35層,埋深1140.65～1730.86m,其中可采鹽層24層,平均厚度2.85～32.16m,累計厚度219.50m,最大單層見礦厚度53.96m,NaCl平均品位53.36%～90.18%(圖2)。其中Y24、Y25礦層為主礦層,各礦層基本特征見表1。

表1 礦層特征一覽表

1—泥巖;2—泥質粉砂巖;3—砂礫巖;4—含膏泥巖;5—砂質泥巖;6—砂巖;7—膏質泥巖;8—巖鹽礦圖2 礦區礦層劃分對比示意圖

Y24、Y25礦層特征分述如下:

(1)Y24礦層

主礦層,廣泛分布于研究區東部和南部,在東南部分岔為兩層,層間距4.35m。礦層賦存形態簡單,呈層狀產出,產狀穩定,走向近EW向,傾向近S向,傾角1°～3°。礦層埋深1206.89～1515.13m,區內沿走向延伸最大長度約11.8km,沿傾向延伸最大寬度約7.8km。礦層厚度2.65～53.96m,平均厚度32.16m;NaCl品位58.56%～83.47%,平均品位72.67%。該礦層估算推斷資源量(礦石量)15.55億t,占全區總推斷資源量的19.96%。

(2)Y25礦層

主礦層,賦存分布、形態與Y24礦層類似,礦層埋深1236.88～1569.42m,區內沿走向延伸最大長度約11.8km,沿傾向延伸最大寬度約7.8km。礦層厚度2.80～44.59m,平均厚度30.18m;NaCl品位66.42%～78.04%,平均品位67.98%。該礦層估算推斷資源量(礦石量)14.64億t,占全區總推斷資源量的18.79%。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦石礦物成分

區內巖鹽礦石的礦物成分較為簡單,主要鹽類礦物成分為石鹽和硬石膏,局部含有少量鈣芒硝;雜質礦物主要為黏土類礦物。各礦物組分含量見表2。

表2 礦石礦物成分及含量統計表 單位:%

石鹽:他形—半自形粒狀,粒徑在2.00～10.00mm間,構成中粗粒結構,石鹽顆粒間緊密鑲嵌,構成巖石主體,在巖石中多呈雜亂排列。石鹽晶粒接觸處分布有硬石膏晶粒和泥質,立方體解理大部分顆粒發育,局部偶見有“階梯狀”構造。無色透明,很低的正突起,均質體(圖3)。

a—含硬石膏中粗粒石鹽巖;b—中粗粒石鹽巖;c—含泥質硬石膏粗粒石鹽巖;d—中細粒石鹽巖;Ih—石鹽;Ah—石 膏;Cla—黏土類礦物圖3 巖鹽礦石鏡下鑒定特征

硬石膏:暗灰色,細晶結構,不規則的條帶狀構造,表面呈灰白色;單偏光下,無色透明,單晶的切面呈長條狀,立體晶形為板狀,解理微發育,粒徑最大0.3mm,以0.15～0.25mm為主,二級彩色干涉色。常呈集合體充填于巖鹽顆粒之間或散落于巖鹽晶隙間。

鈣芒硝:灰白色或灰黃色,單晶常呈自形的菱形板狀和短柱狀及半自形粒狀,集合體為致密塊狀,半透明至透明,玻璃光澤,貝殼狀斷口。該礦物組分含量甚微,且僅局部可見。

其他礦物:主要為黏土類礦物,分布于巖石裂隙內或石鹽、石膏晶粒間及石鹽解理縫中,集合體常呈細小棱角狀或不規則狀。

3.2.2 礦石化學組分

表3 礦石化學成分及含量統計表 單位:%

3.2.3 礦石結構構造

區內巖鹽礦礦石結構以中粗粒他形—半自形粒狀結構為主,偶見粗粒他形—半自形粒狀結構。礦石構造主要為塊狀構造,少見團塊狀構造和層狀構造。

3.2.4 礦石類型

區內巖鹽礦礦物主要成分為石鹽和硬石膏,局部含少量鈣芒硝。根據礦物成分及其結構構造,巖鹽礦主要礦石類型為結晶塊狀石鹽礦石,其次為石膏石鹽混生石鹽礦石。巖鹽礦主要伴生組分為硬石膏,以此確定礦石工業類型為石膏質石鹽礦石。

3.2.5 礦床類型

單縣黃崗巖鹽礦床屬湖相含鹽碎屑巖型蒸發沉積型巖鹽礦床。

3.3 礦體圍巖

礦層頂底板圍巖多為泥巖、膏質泥巖及泥質硬石膏巖。

泥巖:新鮮面呈深灰色略帶淡綠色,(弱)層狀構造,泥狀結構。巖石主要由泥質、砂質和極少許有機質等組成,具較為層狀構造或弱層狀構造。其中泥質,主要為黏土礦物,多呈顯微鱗片狀或隱晶質狀,粒徑在0.004mm以下,集合體致密分布,構成巖石主體,集合體略呈半定向性排列,形成弱層狀構造;砂質,主要見有長石、石英礦物碎屑,粒徑在0.03～0.25mm間,礦物碎屑形態多呈棱角狀、次棱角狀,不均勻分布于泥質間隙中或層理中;有機質,多呈極細小片狀、鱗片狀、板狀,分布于泥質間隙中,零星可見(圖4a、圖4b)。

a—層狀砂質泥巖;b—弱層狀泥巖;c—弱層狀硬石膏質泥巖;d—含粉砂泥巖;Cla—黏土類礦物;Fs—長石;Qz—石 英;Ah—硬石膏圖4 泥巖鏡下鑒定特征

膏質泥巖:新鮮面呈深灰色,弱層狀構造,泥狀結構、鱗片變晶結構。巖石主要由泥質和少許硬石膏等組成,具不甚明顯的層狀構造。其中泥質,主要為黏土礦物,多呈顯微鱗片狀或隱晶質狀,粒徑在0.004mm以下,集合體致密分布,構成巖石主體,集合體略呈半定向性排列,形成弱層狀構造;硬石膏,形態多呈隱晶質顯微鱗片狀変晶,少呈細小板狀変晶,聚集狀分布于泥質及其集合體間隙中,不均勻(圖4c、圖4d)。

泥質硬石膏巖:新鮮面呈灰色,條紋狀構造,細粒結構。主要為硬石膏和部分泥質及極少許砂質等。其中硬石膏,形態主要呈隱晶質或顯微鱗片狀変晶,粒徑最大約0.40mm,晶粒間往往致密分布,雜亂排列,集合體基本上呈層狀;泥質主要為黏土質礦物,分布于硬石膏間隙中,大多呈薄層狀集合體,與硬石膏集合體互層或相間分布,構成條紋狀構造。褐灰色或暗灰色,光性不明顯;砂質主要為長英質礦物碎屑,形態呈棱角狀、次棱角狀等,多分布于泥質等間隙中,零星可見。

3.4 地球物理特征

由于地層的巖性、含水量等方面的不同導致視電阻率存在著差異。本區縱向電性分布由淺至深總體表現為由“兩高夾一低”的電性結構。各電性層與其對應地層的組合關系,從淺到深大致可分為3個物性層。第四系和新近系巖性組合主要為砂質黏土、黏土質粉砂、黏土、砂等構成,結構松散,淺部含水豐富,視電阻率一般為6～12Ω·m。古近系主要巖性為灰紫色泥巖、白云質泥巖、含瀝青質鈣質泥巖與灰白色、淺灰色硬石膏巖互層,巖層密度比松散層大,含水量小,視電阻率隨深度不同一般為12～20Ω·m。純石鹽層為高視電阻率,但經部分溶解即是強電解質。含鹽段地層多為石鹽巖與泥巖、砂巖共生,巖層中孔隙或裂隙水的存在使石鹽部分水解為離子狀態而游離在泥巖、砂巖裂隙或孔隙中或吸附在泥質顆粒表面,使泥巖、砂巖具備強導電性,因此,含鹽段地層在視電阻率斷面圖上表現為低值區。一般含鹽段地層視電阻率小于2Ω·m。通過可控源音頻大地電磁測深數據反演能夠較為直觀地反映各巖性地層視電阻率差異,進而有效地劃分地層界線、推測巖鹽礦賦存的可能性。

石鹽巖在測井曲線上表現出與泥巖、砂巖地層不同的響應特征(圖5),泥巖的自然伽馬值在120～200API之間,深側向電阻率在26～130Ω·m之間,井徑明顯大于鉆頭直徑;砂巖的自然伽馬值在55～105API之間,深側向電阻率在50～130Ω·m之間,井徑略小于鉆頭直徑,受地層礦化度和飽和鹽水泥漿的影響,自然電位有明顯的正異常;石鹽巖:自然伽馬值在15～50API之間,深側向電阻率在130～351Ω·m之間,井徑略大于鉆頭直徑。

圖5 巖(礦)石測井曲線響應特征

4 找礦標志及找礦模型

4.1 找礦標志

(1)地層特征標志

始新世晚期是全球從極暖期向全球大降溫期的轉折期[5],古近紀是新生代的第一個紀,也是地質歷史時期最為關鍵的時段之一[6-8]。官莊群大汶口組是賦存厚層巖鹽礦的有利層位,其形成于古近紀始新世—漸新世時期[9-13]。古新世—漸新世官莊群為發育于魯西隆起區內的以陸相碎屑巖為主的組合,其內賦存有石膏、石鹽、鉀鹽、自然硫等重要礦產資源,主要分布在魯西隆起內東明凹陷、文東凹陷及大汶口盆地等一系列中新生代盆地中[14-23],因此在魯西南地區,古近紀沉積巖系是尋找巖鹽礦床有利層位。

(2)地球物理標志

地震時間剖面上的反射波特征。巖鹽密度比較低,地震波傳播速度較快,且巖鹽一般不與砂巖接觸而與泥膏巖或泥頁巖互層,可以與泥頁巖形成很高的波阻抗差,導致強反射系數界面的形成,因此在地震剖面上常表現為強振幅、低頻率的響應特征。但在巖鹽發育比較集中的局部地區,由于巖鹽層多,夾層薄,地震分辨率低,在各巖鹽韻律層頂底界面形成的反射波相互疊加干涉,反而會導致地震響應表現為較弱的高頻反射。總體上表現為強振幅、低頻率的響應特征。巖鹽與泥巖波阻抗差異很大,巖鹽的反射振一般較強,其強度僅次于火成巖。在地震剖面上能見到含鹽地層的強振幅反射,與圍巖形成強烈反差。

視電阻率斷面圖特征。純石鹽巖為高視電阻率,但經部分溶解即是強電解質。含鹽段地層多為石鹽巖與泥巖、砂巖共生,巖層中孔隙或裂隙水的存在使石鹽部分水解為離子狀態而游離在泥巖、砂巖裂隙或孔隙中或吸附在泥質顆粒表面,而使含鹽段地層中的泥巖、砂巖具備強導電性。因此,含鹽段地層與其頂、底板圍巖相比,在視電阻率斷面圖上呈現極低的低值區,與其頂、底板圍巖視電阻率的高值反差明顯,圖面上呈現“頂、底高,中間低”的“二高夾一低”的分布特征。含鹽段地層的這一電性特征,在判別巖鹽礦賦存方面有著獨特的優勢。

測井曲線特征。石鹽巖與泥巖、砂巖相比,表現出自然伽馬曲線明顯的低值、深側向電阻率曲線明顯的高值及井徑微擴徑等響應特征。這些特征基本不受地層深度的影響。利用石鹽巖的電性識別特征,識別出鉆孔中石鹽巖的縱向分布位置。

(3)礦床標志

礦體呈層狀、似層狀產出,產狀穩定,與地層一致。

4.2 找礦模型

根據研究區地質、地球物理及礦床地質等資料,提出以下找礦模型(表4)。

表4 單縣楊樓鹽礦床地質找礦模型簡表

5 結論

(1)本次工作采用可控源音頻大地電磁測深、二維地震和鉆探相結合,地球物理測井相配合的綜合勘查方法,鉆孔揭露巖鹽礦層35層,埋深1140.65～1730.86m,其中可采鹽層24層,平均厚度2.85～32.16m,累計厚度219.50m,最大單層見礦厚度53.96m,NaCl平均品位53.36%～90.18%。求得巖鹽礦推斷資源量(礦石量)106.32億t,折合NaCl量76.38億t。另有,巖鹽礦潛在資源189.25億t,折合NaCl量136.38億t,屬于一處超大型巖鹽礦產地。

(2)區內覆蓋區厚度大,找礦難度大,鑒于鹽類礦產在密度、電阻率等方面與圍巖的差異,在深覆蓋區開展鹽類礦床勘查,面上可以二維地震和可控源音頻大地電磁測深對研究區成礦地質條件進行研究,分析巖鹽礦賦存的可能性及賦存形態、深度,指導鉆探工程布置;點上再以鉆探與測井進行突破。其工作方法實現了用較低的投入和較短的時間完成巖鹽礦勘查任務的地質目的。

(3)通過勘查工作對魯西南深覆蓋區巖鹽礦找礦模型進行了系統的總結,該找礦模型對同類礦床的勘查具有很好的參考。