張寶林呂古賢余建國梁光河徐興旺李志遠(yuǎn)張啟鵬史曉鳴魏竣濱許道學(xué)李 旭趙 鵬

1.中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029;2.中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院,北京 100029;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;5.內(nèi)蒙古礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;6.赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 赤峰 024005;7.山東黃金歸來莊礦業(yè)有限公司,山東 平邑 276000

0 引言

開展深部和隱伏區(qū)找礦預(yù)測,需要應(yīng)用地球物理方法進(jìn)行探測。中國已經(jīng)擁有大量進(jìn)口和國產(chǎn)的高精度地球物理儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件,依據(jù)礦床成因類型和巖(礦)石物性參數(shù),在很多成礦帶、礦田、礦區(qū)建立了地球物理勘查模型(萬國普,1994;劉光鼎等,1997;徐述平,2009;劉光鼎,2015;Xiao and Wang, 2017;樊俊等,2019;張寶林等,2019;張偉等,2020),找礦預(yù)測取得了一定進(jìn)展(周琦等,2017;張寶林等,2017,2018;甘鳳偉等,2018;柳建新等,2019;梁光河等,2019)。例如,新疆阿舍勒銅礦是一個(gè)與火山成因有關(guān)的隱伏大型塊狀硫化礦床,它的發(fā)現(xiàn)就是根據(jù)地質(zhì)調(diào)查提出的有色金屬找礦靶區(qū),通過自然電場法和激發(fā)極化法等綜合電法勘探發(fā)現(xiàn)了物探異常區(qū),并經(jīng)鉆探工程驗(yàn)證(鄧振球和王欣觀,1993)。此后,對礦區(qū)及外圍又投入了瞬變電磁法等新方法、新技術(shù)試驗(yàn)研究工作,結(jié)合地質(zhì)、化探資料進(jìn)行綜合解釋推斷,提供了可能存在新的隱伏礦床的信息(任廣利等,2009;李忠平,2014;田建磊等,2014;吳曉貴等,2019,2020)。國內(nèi)外很多大中型礦區(qū)的發(fā)現(xiàn)和外圍找礦,都采用了類似的地物化找礦流程,找礦效果顯著。

盡管如此,還是出現(xiàn)了很多物探異常與鉆探工程驗(yàn)證結(jié)果不符的情況,導(dǎo)致找礦成功率偏低(薛懷民等,2014;趙正等,2014;高文利等,2015;吳才來等,2016)。很多礦山(礦區(qū))的找礦工作中都注重采用綜合物探方法,但是沒有弄清控巖控礦的構(gòu)造時(shí)序和級序,沒有實(shí)施分層次的控礦構(gòu)造理論指導(dǎo),找礦效果難以預(yù)測(肖曉等,2011;劉振東等,2012;陳毓川等,2013;呂慶田等,2015;陳偉等,2016);目前急需提出可以被地球物理方法高精度識(shí)別的礦化地質(zhì)體目標(biāo),從而提高物探方法的找礦水平。

構(gòu)造物理化學(xué)的重要任務(wù)之一,是基于構(gòu)造變形巖相帶的深部地球物理勘查(呂古賢,1991,2003,2019;呂古賢等,1999)。在李四光 “構(gòu)造結(jié)合建造”思想、涂光熾“構(gòu)造-巖相帶”研究、楊開慶構(gòu)造動(dòng)力成巖成礦理論等基礎(chǔ)上(李四光,1953;涂光熾,1959),呂古賢提出和發(fā)展了“構(gòu)造變形巖相”概念和填圖方法(呂古賢,1989;呂古賢和孔慶存,1993),還對構(gòu)造變形巖相類型做了詳細(xì)的劃分(呂古賢,2015;呂古賢等,2016,2020b)。構(gòu)造變形巖相填圖方法,在膠東金礦深部和外圍找礦工作中發(fā)揮了重要作用,取得了一系列的找礦突破(呂古賢等,1998,2001;周國發(fā),2009;范瀟等,2015;張寶林等,2020),為推動(dòng)膠東地區(qū)升級為全球第三大黃金產(chǎn)區(qū)作出了突出貢獻(xiàn)。

將構(gòu)造變形巖相帶作為深部找礦預(yù)測目標(biāo)(張寶林等,2017,2018,2019),既能夠查明成礦作用的底界位置和“深部第二富集帶”的發(fā)育規(guī)律,也可以顯著提高地球物理勘探方法的分辨率。但是,由于地質(zhì)和地球物理研究方法的時(shí)間-空間關(guān)系極為復(fù)雜,給深部鉆探和物探資料的解釋帶來了極大的不確定性、多解性和誤差。為此,必須分層次認(rèn)識(shí)和解析地球物理信息,進(jìn)而圈定深部勘查靶區(qū)。目前,大比例尺(1∶1萬以上)的礦區(qū)地球物理勘查工作較多,而中比例尺(1∶5萬～1∶20萬)的礦田地球物理研究比較薄弱。為了尋找大礦富礦、建立礦田構(gòu)造變形巖相帶的地球物理判別標(biāo)志,需要厘清含礦地質(zhì)體的時(shí)間-空間演化規(guī)律,加強(qiáng)地質(zhì)力學(xué)與地球物理學(xué)的聯(lián)系。文中對此進(jìn)行較系統(tǒng)的闡述,并以內(nèi)蒙古赤峰柴胡欄子金礦田為例,介紹有效的勘查工作流程。

1 地質(zhì)學(xué)與固體地球物理學(xué)的復(fù)雜時(shí)空關(guān)系

以往的研究工作中,在對地質(zhì)與地球物理的復(fù)雜時(shí)空關(guān)系認(rèn)識(shí)方面,存在很多的誤區(qū)。

1.1 兩大學(xué)科的研究側(cè)重點(diǎn)不同

地質(zhì)學(xué)和固體地球物理學(xué)都將固體地球作為主要研究目標(biāo),但各自的時(shí)間屬性和空間屬性側(cè)重點(diǎn)卻明顯不同。地球物理方法主要解決地質(zhì)體的空間位置和結(jié)構(gòu)構(gòu)造問題,而不是地質(zhì)過程和構(gòu)造性質(zhì);地質(zhì)方法主要解決地質(zhì)體的物質(zhì)組成和演化歷史問題,而無法準(zhǔn)確追索空間位置變化(如超大陸演化)。兩者雖有交集,但差別更明顯。

眾所周知,地球歷史的演化是單向的,存在“均變論”和“災(zāi)變論”現(xiàn)象,但證據(jù)鏈不完整,導(dǎo)致地質(zhì)研究成果和礦床成因模型本身存在很大的不確定性、理想化且無法驗(yàn)證。地質(zhì)方法在直接觀察識(shí)別巖石類型、地質(zhì)體邊界等方面有較大優(yōu)勢,但對于地殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造的識(shí)別則存在較大的困難。在劃分成礦系統(tǒng)的時(shí)候,并未考慮地質(zhì)體演化時(shí)間和空間位置變化的因素。

物探工作中,主要是依據(jù)不同比例尺的地質(zhì)圖、巖(礦)石物性參數(shù)和礦床成因模型建立地球物理勘查模型,再按照行業(yè)規(guī)范施工完成數(shù)據(jù)采集,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和資料解譯,完成報(bào)告撰寫。但在資料處理過程中,遵循的是數(shù)學(xué)和物理學(xué)的原理和模型,與定量化的地質(zhì)演化過程關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。到了最后階段,要求按照地質(zhì)學(xué)原理對各種物探異常作出合理解釋,這實(shí)在是一個(gè)挑戰(zhàn)。加之各種地球物理方法的原理不同,對地質(zhì)體的觀測方法和數(shù)據(jù)處理解釋方法不同,得出的認(rèn)識(shí)也是不同的。

由此可見,在提高深部找礦成功率的問題上,需要不斷找到地質(zhì)和地球物理的最大交集且能夠互相驗(yàn)證。

1.2 地球物理資料解釋與注意事項(xiàng)

常規(guī)的金屬礦地球物理勘探,從目標(biāo)地質(zhì)體的巖(礦)石物性參數(shù)差別出發(fā),依據(jù)地形和地質(zhì)條件,完成數(shù)據(jù)采集處理,進(jìn)而圈定找礦靶區(qū),卻很少考慮時(shí)間和構(gòu)造體系控礦的因素。地質(zhì)學(xué)家充分發(fā)揮想象力和邏輯推理能力,基于礦床成因模型概念和礦區(qū)地質(zhì)特征,對地球物理資料作出地質(zhì)解釋,推斷礦體或含礦地質(zhì)體的位置和規(guī)模,進(jìn)而布置驗(yàn)證工程。在這個(gè)過程中,虛擬的物探異常不應(yīng)脫離地質(zhì)事實(shí),對地球物理方法效果和分辨率的要求,也應(yīng)該有相應(yīng)的準(zhǔn)則。

1.2.1 對斷裂帶的識(shí)別

地震勘探是識(shí)別斷裂構(gòu)造界面的最佳方法之一,人們常將物性異常帶(如低阻帶或低密度帶)直接定義為斷裂構(gòu)造帶或斷層,在各類地質(zhì)圖上的推測斷裂構(gòu)造也常用直線或曲線表示。實(shí)際上,地震勘探的時(shí)間(深度)剖面圖展示的往往是寬窄不一、斷續(xù)延伸或延深的線性形跡,顯示的只是空間結(jié)構(gòu)圖像,地震勘探波阻抗界面給出的主要是脆性斷裂界面,而無法給出韌性構(gòu)造界面。

應(yīng)當(dāng)指出的是,地震儀器記錄的是地質(zhì)作用的結(jié)果,而不是地質(zhì)過程,更不能識(shí)別構(gòu)造性質(zhì),因?yàn)閿嗔鸦顒?dòng)本身就是階段性的、不連續(xù)的,斷裂帶的連續(xù)性和寬度是變化的,沿?cái)嗔褞ё呦虻奈锾疆惓?shù)也可能是不同的。斷層構(gòu)造的地質(zhì)觀察結(jié)果雖然在圖上畫成了連續(xù)的曲線,但實(shí)際的斷裂帶無論在走向和垂向上都可能是變化的,有些部分有充填物,有些部分則是空隙,由此導(dǎo)致斷裂帶的地球物理性質(zhì)在平面和深部都可能是變化的,這就給地質(zhì)與地球物理的關(guān)系帶來了更多的不確定性。

1.2.2 劃分隱伏地質(zhì)體的邊界

這方面工作對地球物理方法的需求主要包括:①空間分辨率,如目標(biāo)地質(zhì)體的規(guī)模、形狀、位置;②時(shí)間分辨率,如地質(zhì)記錄的詳細(xì)程度;③各類巖石內(nèi)部的巖性過渡邊界,如亞巖相;④巖漿侵入通道;等等。

雖然已經(jīng)做了很多嘗試,但地球物理方法在區(qū)分地質(zhì)體邊界方面還存在很多不確定性,而且各種方法的能力差別也很大,即使是對于構(gòu)造邊界分辨能力最強(qiáng)的地震勘探方法,也遇到了很多難題(印興耀等,2015;未晛等,2019),難以滿足實(shí)際要求。地質(zhì)學(xué)家憑借知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和想象力畫出的物探異常解釋圖,往往難以得到工程驗(yàn)證。再如,對地震資料作出解釋之前,往往要建立一套物性標(biāo)志層,前提條件是地表或淺部已知的巖性。而實(shí)際情況是,地質(zhì)過程非常復(fù)雜,地質(zhì)記錄的保存及改造情況往往超出人們的想象,地質(zhì)體向深部的變化情況可能與地表地質(zhì)特征完全不同。

大地構(gòu)造理論認(rèn)為,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在地殼內(nèi)形成了很多不同時(shí)期的構(gòu)造層,如巖石層大地構(gòu)造。地球物理勘探結(jié)果雖然也討論構(gòu)造層的問題,但只是依據(jù)物性參數(shù)的顯著差異,推測深部的大型構(gòu)造界面,難以得到超深鉆探的實(shí)證(科茲洛夫斯基,1989)。

1.2.3 地球物理勘探工作自身的問題

地球物理勘探中所涉及的各類巖石和礦物的物理性質(zhì),如密度、壓力、重力、溫度、彈性波傳播速度、磁化率、電阻率、熱導(dǎo)率、放射性等,是形成各種地球物理場的基礎(chǔ)。對地球內(nèi)部物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的了解,目前主要是通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法推演。

金屬礦地球物理勘探分為面積測量和剖面測量。常規(guī)的礦田、礦床地球物理研究流程是:第一步采集研究區(qū)內(nèi)的代表性巖(礦)石標(biāo)本,測定物性參數(shù);第二步布置掃面和重點(diǎn)剖面測量;第三步數(shù)據(jù)處理;第四步地質(zhì)解釋;第五步工程驗(yàn)證。以上工作流程取得了比較好的找礦效果,但也暴露了很多問題:第一是標(biāo)本(只采代表性巖石,而不是系統(tǒng)的構(gòu)造變形巖相帶),第二是剖面的選擇,第三是異常解釋,第四是對驗(yàn)證效果的評價(jià)。依據(jù)地球物理學(xué)原理圈定的異常部位,往往與地質(zhì)認(rèn)識(shí)及工程驗(yàn)證結(jié)果不匹配。

1.3 地質(zhì)力學(xué)與地球物理勘探有共同的研究對象

地質(zhì)力學(xué)主要是用力學(xué)的觀點(diǎn)研究地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象,研究地殼各部分構(gòu)造形變的分布及其發(fā)生、發(fā)展過程,用來揭示不同構(gòu)造形變間的內(nèi)在聯(lián)系。地質(zhì)力學(xué)是廣義的地質(zhì)學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科,同時(shí)也涉及地球物理學(xué),天文地質(zhì)學(xué)等;它與大地構(gòu)造物理學(xué)有密切的聯(lián)系(李四光,1953)。地質(zhì)力學(xué)注重構(gòu)造體系的分析,特別是活動(dòng)構(gòu)造的活動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力來源,以及斷層、褶皺等構(gòu)造形跡形成的力學(xué)機(jī)理的分析,也注重研究地應(yīng)力和地質(zhì)因素對巖土工程的力學(xué)分析的影響。

近些年來,呂古賢提出了地質(zhì)力學(xué)構(gòu)造體系的4個(gè)關(guān)鍵特征:①構(gòu)造體系的核心標(biāo)志是最大主壓應(yīng)力面;②當(dāng)前研究重點(diǎn)是中新生代構(gòu)造體系;③構(gòu)造體系的建造顯示“隆起-凹陷拆離”形式;④構(gòu)造體系結(jié)構(gòu)顯示“米”字形分布(呂古賢,2019;呂古賢等,2020a,2020c)。其中,后面的兩項(xiàng)特征,控制了構(gòu)造變形巖相帶的分布規(guī)律,可以用地球物理方法圈定,也是文中研究的重點(diǎn)。

地球物理方法的研究對象是組成現(xiàn)代地球的巖石和地質(zhì)體,其定位時(shí)間在中新生代。而地質(zhì)力學(xué)是從材料力學(xué)的角度研究地殼結(jié)構(gòu)構(gòu)造,兩者在巖石變形和物理性質(zhì)方面有著緊密的契合度。從絕對運(yùn)動(dòng)和相對靜止的辯證關(guān)系來看,中新生代以來的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其演化規(guī)律,可以成為地質(zhì)力學(xué)與地球物理勘探共同的研究對象,兩者具有很好的可比性。此外,原巖在不同的物理化學(xué)條件下發(fā)生力學(xué)性質(zhì)的變化,如脆性、韌性等,也是地質(zhì)力學(xué)和地球物理勘探共同關(guān)注的重要內(nèi)容。

2 構(gòu)造變形巖相帶的物性特征

2.1 依靠巖石物性參數(shù)難以區(qū)分單個(gè)構(gòu)造變形巖相

構(gòu)造變形巖相是能夠顯示巖石變形、巖石地球化學(xué)分布以及形成巖相物理化學(xué)環(huán)境的地質(zhì)實(shí)體(呂古賢,1989;呂古賢和孔慶存,1993;呂古賢等,2016,2020b)。組成構(gòu)造變形巖相帶的是各種構(gòu)造巖(tectonite),也稱為動(dòng)力變質(zhì)巖。迄今為止,世界各地研究者已經(jīng)報(bào)道了海量的巖石標(biāo)本物性參數(shù),但是,罕有專門針對構(gòu)造巖的物性參數(shù)系統(tǒng)性研究。構(gòu)造巖形成于地殼高應(yīng)變帶內(nèi),是與原巖組構(gòu)、礦物成分完全不同的新類型巖石,包括碎裂巖系列、糜棱巖系列(劉正宏等,2020),前者主要形成于地殼淺部斷層帶的脆性變形環(huán)境,后者主要形成于地殼深部剪切帶的塑性變形環(huán)境。

不同類型構(gòu)造變形巖相的差異,主要取決于礦物種類和數(shù)量的多寡,以及構(gòu)造變形樣式的不同。呂古賢等(2020b)按照5種地質(zhì)作用劃分了適于礦田層次的27個(gè)構(gòu)造變形亞巖相,其中與熱液成礦作用關(guān)系密切的是復(fù)成地質(zhì)作用下的“層控改造巖相和構(gòu)造熱液巖相”,所劃分的8種蝕變巖石(包括礦石礦物在內(nèi)),在物性特征方面主要表現(xiàn)為重力低、弱磁-負(fù)磁、中高阻-中低阻(表1)。

表1 復(fù)成地質(zhì)作用下的構(gòu)造變形巖相巖石的物性特征(據(jù)呂古賢等,2020b修改)Table 1 Physical characteristics of tectonic deformation lithofacies rocks under complex geological processes (modified after Lyu et al.,2020b)

雖然從地質(zhì)標(biāo)志的角度對各種構(gòu)造變形巖相作出詳細(xì)的劃分,也給出了不同巖相的基本物性特征(圖1),但能否被地球物理方法識(shí)別?還是個(gè)有待解決的問題。巖石成因?qū)ζ湮镄詤?shù)的影響程度,目前還很難把握。構(gòu)造變形巖相帶是多個(gè)構(gòu)造巖相亞帶的集合體,是含礦地質(zhì)體或含礦建造,賦存在地表以下一定的水平和垂直空間范圍之內(nèi)(目前所見只是已經(jīng)遭受了剝蝕、改造之后保存下來的部分),其邊界在哪里?如何界定?在深部找礦工作中,如何探測和識(shí)別構(gòu)造變形巖相帶?都是地球物理勘探方法的難題。

通常情況下,礦體在構(gòu)造變形巖相帶內(nèi)所占的體積比較小,難以顯著改變目標(biāo)地質(zhì)體的物性特征。礦體的寬度(品位限定)和物探方法的可識(shí)別厚度(物性參數(shù)數(shù)據(jù)界線),也沒有很好對應(yīng)關(guān)系。因此,僅僅依靠手標(biāo)本測量的各類構(gòu)造巖石的物性特征,很難詳細(xì)劃分出單個(gè)的巖相。在隱伏礦床勘查工作中,往往事先并不知道勘查目標(biāo)內(nèi)的含礦地質(zhì)體類型、邊界、體積以及金屬礦物的比例和空間分布特征,僅靠巖石礦物的物性參數(shù)難以準(zhǔn)確描述目標(biāo)地質(zhì)體的地球物理場特征。因此,雖然目標(biāo)地質(zhì)體有一定的尺寸,但地球物理勘探方法的空間分辨能力,尚未達(dá)到顯微鏡尺度的分辨水平。

2.2 地球物理方法可以識(shí)別構(gòu)造變形巖相帶

前已述及,物探方法難以區(qū)分單個(gè)的構(gòu)造變形巖相,如果將探測目標(biāo)變更為圈定多個(gè)構(gòu)造巖相集合而成的構(gòu)造變形巖相帶,把礦脈、蝕變圍巖和淺蝕變巖帶都作為預(yù)測目標(biāo),從而把找礦標(biāo)志從幾米至十幾米擴(kuò)大到幾百至幾千米寬,即構(gòu)造變形巖相帶的規(guī)?？蛇_(dá)幾十米甚至幾百至幾千米(呂古賢等,2016,2020b),則物探方法識(shí)別空間位置的技術(shù)組合優(yōu)勢就能夠得到充分的體現(xiàn)(表2)。

表2 地球物理方法的有效探測深度分級表Table 2 Classification table of effective sounding depths by geophysical methods

地球物理場信息來自地下一定體積和深度范圍內(nèi)地質(zhì)體的綜合物性特征,其分辨率取決于觀測網(wǎng)度和方法精度,探測效果主要取決于方法原理、觀測條件和數(shù)據(jù)處理方法。由于構(gòu)造變形巖相帶與未變形巖石之間的密度、速度、磁化率、電性等物性參數(shù)差別明顯,更容易被高精度物探儀器識(shí)別,從而顯著提高預(yù)測水平,對于區(qū)域地質(zhì)找礦和深部找礦均具有重大意義,值得推廣。

3 構(gòu)造變形巖相帶與地球物理解譯

3.1 構(gòu)造體系控制了構(gòu)造變形巖相帶的結(jié)構(gòu)

呂古賢等(2020a,2020c)認(rèn)為,進(jìn)行構(gòu)造體系控礦分析,不能僅把方向作為唯一標(biāo)志,更應(yīng)研究結(jié)構(gòu)面的多序次、多方向和多力學(xué)性質(zhì)等問題。其中,新華夏構(gòu)造體系的結(jié)構(gòu)面具有多種力學(xué)性質(zhì)、多個(gè)展布方向和多階段演化特征,經(jīng)共軛剪切、擠壓和張裂3個(gè)階段形成。

(1)剪切階段,發(fā)育北北西345°方向(大義山式)張剪斷裂和北東東75°方向(泰山式)壓剪斷裂。

(2)擠壓階段,形成北北東25°方向(主干構(gòu)造)褶皺斷裂構(gòu)造帶和盆地。

(3)橫張階段,產(chǎn)生北西西300°方向(長江式)張性斷裂。結(jié)構(gòu)面上呈“米字形”分布(圖1),其中,剪切階段的北北西向張剪構(gòu)造和橫張階段的北西西向張性構(gòu)造,均是有利于成礦物質(zhì)沉淀富集的構(gòu)造環(huán)境。

新華夏構(gòu)造體系的構(gòu)造-建造特征在中國東部表現(xiàn)為中生代“巖漿核雜巖隆起-拆離帶”特征,構(gòu)造變形巖相帶是不同級別構(gòu)造改造的條帶狀地質(zhì)體,其分布受到構(gòu)造體系的分級控制(涂光熾,1959;呂古賢,1989,2015;呂古賢和孔慶存,1993)。

1—新華夏擠壓構(gòu)造;2—泰山式壓剪構(gòu)造;3—大義山式張剪構(gòu)造;4—長江式張性構(gòu)造;5—所受外力方向圖1 新華夏構(gòu)造體系結(jié)構(gòu)面及其力學(xué)分析概圖(據(jù)呂古賢等,2020a修改)Fig.1 Sketch map of the structural surface of the Neocathaysian tectonic system and its mechanical analysis (modified after Lyu et al.,2020a).1-Neocathaysian compressional structure. 2-Taishan-type compression-shear structure. 3-Dayishan-type tension-shear structure. 4-Changjiang-type tensile structure.5-Modes of external forces

3.2 構(gòu)造體系階段性與地球物理信息的分層次解析

通過多年的地球物理找礦實(shí)踐和對比研究,取得了一些經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí):①地球物理方法觀測研究的結(jié)果,通常反映的是中、新生代以來的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)構(gòu)造;②不同的地球物理方法原理不同,對于不同深度、各向異性地質(zhì)構(gòu)造的分辨能力差別很大;③地球物理方法難以識(shí)別不同應(yīng)力-應(yīng)變特點(diǎn)的地質(zhì)體;④各種比例尺的地球物理剖面測量工作,是在不同尺度和不同時(shí)代地質(zhì)認(rèn)識(shí)前提下實(shí)施的,關(guān)注的只是單一方向的構(gòu)造特征,實(shí)際上難以直接對比和應(yīng)用。

不同級別的構(gòu)造單元內(nèi),構(gòu)造體系的發(fā)育程度不同,主壓應(yīng)力方向不同,構(gòu)造層的發(fā)育程度不同,影響的深度不同?；趲r石力學(xué)性質(zhì),在擠壓-剪切-拉張的變形過程中,先成構(gòu)造往往遭受了后期構(gòu)造的改造。例如,在中國東部新華夏構(gòu)造體系中,北西西向長江式構(gòu)造帶形成最晚,在較大的范圍內(nèi)出露不多,保存良好。相比之下,北北西向大義山式構(gòu)造帶形成時(shí)間較早,出露多且遭剝蝕作用強(qiáng),保存程度差。此外,構(gòu)造體系控制下的“米字型”構(gòu)造形跡,可能存在于不同級別的構(gòu)造巖內(nèi);研究工作中,要注意區(qū)分不同級別的構(gòu)造應(yīng)力場及其復(fù)合控巖控礦規(guī)律。以上這些不同方向的構(gòu)造樣式,尚處于地質(zhì)認(rèn)識(shí)階段,涉及的區(qū)域較大,地質(zhì)體結(jié)構(gòu)和地球物理特征比較復(fù)雜,影響因素較多,有待于今后開展系統(tǒng)的研究。

在礦田及更大比例尺的找礦勘查工作中,應(yīng)分層次解析成礦地球物理信息,進(jìn)而圈定含礦構(gòu)造變形巖相帶,基本原則是:①礦田內(nèi),物探掃面結(jié)合重點(diǎn)剖面,用構(gòu)造形跡的“米字型”結(jié)構(gòu)特征圈定有利成礦的構(gòu)造變形巖相帶;②礦區(qū)內(nèi),針對含礦構(gòu)造巖相帶實(shí)施剖面或面積測量,圈定找礦靶區(qū)(結(jié)合礦化和化探信息)。

3.3 應(yīng)用實(shí)例:柴胡欄子地區(qū)構(gòu)造格架與金礦預(yù)測

近些年來,采用上述思路,根據(jù)在中國東部內(nèi)蒙古、膠東、海南等地多個(gè)金礦田開展的找礦預(yù)測研究,發(fā)現(xiàn)了這些礦田的共同特點(diǎn):區(qū)域地球物理場資料揭示“巖漿核雜巖隆起-拆離構(gòu)造”控制礦田分布,新華夏“米字型”構(gòu)造體系控巖控礦,北北西—北西西向構(gòu)造變形巖相帶控制礦體的分布。下面的實(shí)例中,重點(diǎn)介紹如何從區(qū)域地球物理資料中提取構(gòu)造體系信息,進(jìn)而確定礦田內(nèi)的找礦方向和有利成礦構(gòu)造部位。

(1)柴胡欄子-紅花溝金礦田和鄰區(qū)的新華夏構(gòu)造體系識(shí)別和圈定。內(nèi)蒙古柴胡欄子金礦田位于華北地塊北緣中段,圍巖是太古宙片麻巖和華力西期花崗巖、閃長巖、閃長玢巖等。對內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)局提供的1∶20萬航磁資料進(jìn)行地質(zhì)解譯(圖2),可以劃分出北北西、北西西、北北東、北東東方向的構(gòu)造帶。結(jié)合構(gòu)造形跡的分布,提出該區(qū)發(fā)育新華夏構(gòu)造體系“米字型”結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn),在文中重點(diǎn)研究區(qū)(柴胡欄子-紅花溝金礦田)發(fā)育北北西、北北東和北西西向構(gòu)造(圖2)。根據(jù)新華夏構(gòu)造體系的演化階段特征(呂古賢等,2020a,2020c),北北西和北西西向張扭性斷裂,應(yīng)該是有利的賦礦構(gòu)造。

圖2 赤峰北部航磁資料解譯的新華夏構(gòu)造體系“米字型”結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sketch map showing the “-shaped” structure of the Neocathaysian tectonic system interpreted by the aeromagnetic data in the northern area of Chifeng

(2)大陸深斷裂帶圈定與區(qū)域成礦分帶。在內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)局提供的1∶5萬航磁異常圖上,可以清晰識(shí)別出北西西向展布的正磁異常帶(圖3),對應(yīng)著新近紀(jì)玄武巖帶,指示了大陸深斷裂帶的位置,為新華夏構(gòu)造體系晚期張裂構(gòu)造形跡?；诒蔽魑飨驑?gòu)造以及區(qū)內(nèi)“北鉬,南金”、 “北部斑巖型礦床,南部熱液型礦床”、 “北部大巖體,南部小巖株”的分布特征,重新劃分了柴胡欄子地區(qū)的成礦帶分界線(圖3),與地質(zhì)上劃分的北東東向V級成礦亞帶分界線完全不同。在新劃定的北西西向分界線北側(cè),主要產(chǎn)出斑巖型和熱液型鉬多金屬礦床,以及剝蝕程度較高的花崗巖基;而分界線南側(cè),則產(chǎn)出金礦床,以及中新生代花崗巖株和火山沉積盆地。兩側(cè)礦種和巖石產(chǎn)狀的顯著差異,是劃分成礦亞帶的主要標(biāo)志,表明根據(jù)地球物理異常劃分的分界線,更加符合地質(zhì)事實(shí)和成礦規(guī)律,而且揭示了北側(cè)剝蝕程度較高、南側(cè)剝蝕程度較低的規(guī)律,進(jìn)一步反映了區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的差異性活動(dòng)特征,也為南部亞帶開展深部找礦預(yù)測提供了新的證據(jù)。

圖3 柴胡欄子地區(qū)航磁資料解譯的成礦帶分界示意圖Fig.3 Boundary diagram of the metallogenic belt in the Chaihulanzi area by the aeromagnetic data interpretation

(3)成礦預(yù)測。構(gòu)造體系早期北北西向斷裂和晚期北西西向斷裂聯(lián)合控礦規(guī)律,在柴胡欄子礦區(qū)和紅花溝礦區(qū)的坑道工程材料得到證實(shí),這一認(rèn)識(shí)為礦區(qū)外圍和深部找礦提供了依據(jù)。

在柴胡欄子礦區(qū)(圖3,圖4),K8線、K3線、K0線附近發(fā)育北西西向的含礦斷裂帶,截?cái)嗔吮北蔽飨蚍植嫉腎號主礦體北段,在K8線附近改造了早期北北西向含礦斷裂的方向,使之轉(zhuǎn)為北西向(圖4)。在井下697 m中段坑道頂板,觀察到北西西向構(gòu)造破碎帶切斷了北北西向的5號含金石英脈帶(圖5)。上述現(xiàn)象指示礦區(qū)北西西向含礦構(gòu)造形成較晚,深部成礦潛力大,這一規(guī)律與呂古賢提出的新華夏構(gòu)造體系發(fā)育階段具有良好的對應(yīng)關(guān)系(呂古賢等,2020a,2020c)。

圖4 柴胡欄子金礦區(qū)Ⅰ號含礦斷裂帶平面圖(據(jù)李德亭和袁懷雨,2005修改)Fig.4 Plan of No.Ⅰ ore-bearing fracture zone in the Chaihulanzi gold mining area (Base map is modified after Li and Yuan, 2005)

圖5 柴胡欄子礦區(qū)北西向成礦構(gòu)造變形特征Fig.5 NW tr ending met all ogenic st r uctur al def or mation feat ur es of t he Chaihul anzi mining area. (a) Phot ogr aph of No.Ⅰ-5 vein in the 697 m middl e t unnel r oof. (b) Sket ch and kinemat ic analysis

在紅花溝礦區(qū)(圖3,圖6),勘探線1到10之間等間距發(fā)育了北西西向的含礦斷裂帶,將北北西向的主礦體截?cái)?局部改造了早期含礦斷裂的方向(圖6)。同樣指示了該礦區(qū)北西西向含礦構(gòu)造形成較晚的特點(diǎn),深部成礦潛力大,這一規(guī)律與呂古賢提出的新華夏構(gòu)造體系發(fā)育階段具有良好的對應(yīng)關(guān)系(呂古賢等,2020a,2020c)。

圖6 紅花溝金礦區(qū)Ⅱ號礦脈群779 m中段平面分布圖(據(jù)曾慶棟等,2003修改)Fig.6 Plan distribution map of the 779 m middle section of No.Ⅱ vein group in the Honghuagou gold mining area (Base map is modified after Zeng et al., 2003)

4 討論

長期以來,隨著國家和企業(yè)的持續(xù)投入,各類礦帶和礦區(qū)積累了海量的地球物理勘探資料,為實(shí)現(xiàn)找礦突破作出了重要貢獻(xiàn)。目前多是從巖(礦)石標(biāo)本的物性參數(shù)入手,以品位圈定的礦體為勘探目標(biāo),缺少從構(gòu)造變形巖相帶的角度開展深入研究和解釋。文中提出的構(gòu)造變形巖相帶探測目標(biāo),有利于提升地球物理方法的勘探精度,也符合地質(zhì)體本身的變化規(guī)律。

如上所述,地球物理信息的解譯精度,既受到觀測網(wǎng)度的限制,也受到目標(biāo)地質(zhì)體構(gòu)造特征的限制。在礦區(qū)尺度的構(gòu)造控礦規(guī)律研究及找礦預(yù)測方面,方維萱及其團(tuán)隊(duì)提出了“構(gòu)造巖相學(xué)”概念并在國內(nèi)外典型礦區(qū)開展了廣泛的找礦實(shí)踐(方維萱,2016,2017,2019;方維萱等,2018);韓潤生及其團(tuán)隊(duì)從構(gòu)造地球化學(xué)研究入手,對滇黔地區(qū)銅鉛鋅礦區(qū)的斷裂構(gòu)造巖-巖相分帶提出了系統(tǒng)的分類標(biāo)志,并且詳細(xì)研究了構(gòu)造的成生發(fā)展階段(韓潤生,2005;韓潤生等,2011;成晨等,2019;宋丹輝等,2020)。他們的研究和應(yīng)用成果,為文章從地球物理信息的角度探討不同級別構(gòu)造與成礦的關(guān)系提供了重要的地質(zhì)地球化學(xué)基礎(chǔ)。其中,大比例尺構(gòu)造巖相獨(dú)立填圖單元的建立,豐富了自然界巖石和地質(zhì)體的類型,可以成為礦區(qū)級別地球物理信息詳細(xì)解譯的重要參考標(biāo)志。

總之,根據(jù)地球物理勘探信息,分層次圈定構(gòu)造變形巖相帶、含礦地質(zhì)體邊界,應(yīng)當(dāng)成為隱伏區(qū)和深部找礦勘查中重要的研究和應(yīng)用方向。

5 結(jié)論

地質(zhì)力學(xué)與地球物理的緊密結(jié)合,為有效使用地球物理勘探方法提供了重要前提。文章提出應(yīng)重視構(gòu)造變形巖相帶的研究,并指出了不同級別地球物理場信息的地質(zhì)構(gòu)造解譯重點(diǎn)。針對研究目標(biāo),要結(jié)合地質(zhì)年代學(xué)資料和成因演化模式,從不同層次選擇地球物理方法的勘探目標(biāo)。具體操作步驟:首先,從面積性測量的礦田地球物理資料中解譯出構(gòu)造體系的“米字型”結(jié)構(gòu);然后,結(jié)合礦田地球物理場的研究成果和礦化特征,優(yōu)選出有利的成礦構(gòu)造方向;最后,結(jié)合礦石和圍巖的物性特征,開展剖面性的深部地球物理測量,圈定有利的含礦構(gòu)造變形巖相帶。這一研究方法在柴胡欄子礦田2個(gè)礦區(qū)的初步應(yīng)用結(jié)果表明,北北西向含礦斷裂構(gòu)造形成較早,北西西向含礦斷裂構(gòu)造形成時(shí)間較晚,深部找礦潛力很大。

致謝:審稿人對原稿提出了重要的修改建議,沈曉麗副教授和王學(xué)海博士幫助清繪了部分圖件,一并深表謝意。