馮愛(ài)平, 劉傳朋, 褚志遠(yuǎn), 夏立獻(xiàn), 肖丙建, 李新鳳, 徐磊磊, 趙秀芳

山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 山東臨沂 276006;山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局金剛石成礦機(jī)理與探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東臨沂 276006;山東省金剛石成礦機(jī)理與探測(cè)院士工作站, 山東臨沂 276006

金剛石由于其優(yōu)異的物理性能及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事和空間技術(shù)等方面。中國(guó)的金剛石資源比較稀缺, 迄今雖在16個(gè)省(區(qū))有發(fā)現(xiàn)金剛石的報(bào)道, 但僅在山東蒙陰和遼寧瓦房店地區(qū)探明具工業(yè)價(jià)值的金剛石原生礦, 且富礦的遼寧50號(hào)金剛石礦和山東紅旗1號(hào)金剛石礦均已閉坑停采, 急需尋找新的金剛石資源, 緩解國(guó)內(nèi)供需壓力。金剛石具有嚴(yán)苛的成礦地質(zhì)條件, 加之經(jīng)過(guò)近幾十年的金剛石找礦勘探工作的大規(guī)模開(kāi)展, 新發(fā)現(xiàn)地(淺)表金剛石礦的形勢(shì)愈加不容樂(lè)觀, 而我國(guó)大多數(shù)礦山深部仍有巨大的找礦潛力(趙鵬大等,2004; 翟裕生等, 2004; 薛迎喜等, 2018), 因此深部找礦成為當(dāng)前工作重點(diǎn)。

成礦預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)科學(xué)找礦勘探的重要途徑和方法(趙鵬大, 2007)。近十余年來(lái), 山東針對(duì)金剛石找礦進(jìn)行“攻深掃盲”開(kāi)展了一系列的成礦預(yù)測(cè)工作, 在魯西常馬和西峪礦帶開(kāi)展深部資源量定量預(yù)測(cè)、探索綜合地球物理方法在深部找礦探測(cè)的應(yīng)用、基于 3D定位定量預(yù)測(cè)隱伏礦體等, 取得了一定的成果。本文系統(tǒng)闡述各深部預(yù)測(cè)方法過(guò)程、技術(shù)路線及現(xiàn)實(shí)效果, 以期為金剛石深部探測(cè)工作提供一定借鑒和啟發(fā), 助力實(shí)現(xiàn)金剛石找礦新突破。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

魯西金剛石原生礦位于郯廬斷裂帶(山東段稱(chēng)“沂沭斷裂帶”)西側(cè)、魯西地塊中核部, 根據(jù)大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐謱儆谌A北板塊魯西隆起區(qū)之魯中隆起(圖1)。華北板塊是中國(guó)最大最古老的克拉通陸塊, 在本區(qū)主要由前寒武紀(jì)結(jié)晶基底, 新元古代—古生代海相沉積蓋層, 中新生代陸相盆地沉積組成(宋明春等, 2020)。其中, 前寒武紀(jì)結(jié)晶基底主要由一套TTG(奧長(zhǎng)花崗巖-英云閃長(zhǎng)巖-花崗閃長(zhǎng)巖)巖系組成, 零星分布新太古代沂水巖群和泰山巖群麻粒巖相、角閃巖相深變質(zhì)巖。區(qū)內(nèi)巖漿巖主要發(fā)育中生代侵入巖, 它是晚中生代以來(lái)“克拉通活化”作用(朱日祥等, 2011; 鄭建平和周新華, 2013; 鄭永飛等, 2018; 曾普勝等, 2021)的結(jié)果, 規(guī)模一般不大, 多為淺成中基性巖體,少量花崗巖(宋明春等, 2009)。區(qū)內(nèi)脆性斷裂、基底韌性剪切帶、褶皺等大型構(gòu)造線呈 NW 向, 控制著魯西一系列凹陷、凸起呈NW向條帶狀展布。金剛石原生礦則多賦存在 NE、NNE向次級(jí)斷裂中。

圖1 魯西蒙陰金剛石礦田區(qū)域地質(zhì)背景(a)及金伯利巖帶分布簡(jiǎn)圖(b)(據(jù)山東省國(guó)土資源廳, 2014; 張培強(qiáng), 2006)Fig.1 Regional geological background of diamond ore field and kimberlite belt distribution in western Shandong Province(after Department of Land and Resources of Shandong Province, 2014; ZHANG, 2006)

1.2 礦床地質(zhì)特征

魯西金剛石原生礦位于郯廬斷裂帶以西45～60 km, 總體走向55°, 礦帶全長(zhǎng)約60 km。賦礦巖體(金伯利巖)主要產(chǎn)于新太古代 TTG 片麻巖中,少數(shù)產(chǎn)于灰?guī)r中, 最高侵位層位為中奧陶世馬家溝群五陽(yáng)山組。礦床受斷裂控制作用明顯, NW向的蒙山斷裂、新泰—垛莊斷裂、銅冶店—蔡莊斷裂、金星頭斷裂, 控制著礦帶的展布(賀灌之, 1980; 趙鵬大等, 1983; 萬(wàn)方來(lái)等, 2019), 使之自南而北常馬、西峪、坡里三個(gè)巖帶呈“雁列式”展布(圖1b)。巖帶中 NNE向張性或張扭性斷裂為主要容礦賦礦構(gòu)造(莊德厚, 1984; 王照波等, 2013; 王照波和王慶軍,2014; 李偉等, 2020a), 巖脈沿 NNE向斷裂貫入并賦存于破碎帶及密集節(jié)理帶中, 脈體形態(tài)、大小、產(chǎn)狀等嚴(yán)格受其控制(圖2)。而NNE向斷裂和NW向斷裂交接復(fù)合部位往往產(chǎn)生金伯利巖管或金伯利巖脈的膨大部位。全區(qū)礦床共由47條巖脈、10個(gè)巖管和1個(gè)巖床組成(孔慶友等, 2006)。其中:

常馬巖帶(圖 2a): 總體走向 354°, 長(zhǎng)約 14 km,寬約2 km, 由8條巖脈和勝利Ⅰ號(hào)大小巖管組成。巖脈走向 20°～35°, 南段南傾, 北段北傾, 傾角 75°以上, 脈長(zhǎng)幾十米至 1000余米, 脈寬一般20～30 cm。勝利Ⅰ號(hào)巖管位于巖帶的中南部, 大管地表呈橢圓形, 長(zhǎng)軸長(zhǎng)約 100 m, 短軸長(zhǎng)50 m, 總體傾向SW, 傾角約85°。小管地表呈軛形, 長(zhǎng)65 m,寬 10～20 m, 傾向北西, 傾角 86°～90°(山東省地質(zhì)局第七地質(zhì)隊(duì), 1979, 1983)。在垂深250 m以下兩管合為一體, 且規(guī)模變小, 延深超1 km。該巖帶單礦體金剛石平均品位 3～963.34 mg/m3, 礦體塊段最高品位在巖脈和巖管中分別達(dá)2142.62 mg/m3、3155.00 mg/m3(孔慶友等, 2006)。該巖帶金剛石以淡黃色為主, 其次為無(wú)色和淺黃棕色, 粒徑以 0.5～3.0 mm為主, 大于2.0 mm者占3.82%, 且粒徑差異較大, 最大者粒徑超8 mm, 重量達(dá)119.01 ct(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 2017a, b)。巖性以斑狀金伯利巖為主, 以富含鎂鋁榴石為特征。細(xì)粒金伯利巖一般構(gòu)成巖脈的邊部, 在巖管或巖脈膨大部位發(fā)育金伯利角礫巖。圍巖為新太古代泰山序列英云閃長(zhǎng)質(zhì)-石英閃長(zhǎng)質(zhì)(TTG)片麻巖。

西峪巖帶(圖 2b): 呈北東 10°～15°方向延伸,巖帶長(zhǎng)12 km, 寬0.5～1 km, 由14組巖脈、8個(gè)巖管和 1個(gè)巖床組成。巖脈斷續(xù)分布在相距500～800 m的兩條北北東向的破碎帶或節(jié)理密集帶內(nèi), 走向與巖帶一致, 傾角大于 70°, 脈長(zhǎng)一般400～1000 m, 最長(zhǎng)2050 m, 寬一般20～60 cm。巖管集中分布在巖帶中部近 1.5 km2的范圍內(nèi), 稱(chēng)為“西峪巖管群”, 單管面積(50～260) m× (30～60) m,在垂深330 m各巖管基本合為一體, 規(guī)模明顯減小,延深超1 km。該巖帶單礦體金剛石平均品位3.82～224.33 mg/m3, 一般幾至數(shù)十mg/m3。該巖帶金剛石以無(wú)色為主, 粒徑差異較小, 以 0.5～1.0 mm 占比最高, 大于2.0 mm者占比2.10%(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 2017a), 最大粒徑超 4 mm, 重量18.55 ct(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 2017b)。該巖帶巖性以金云母斑狀金伯利巖為主, 其次為細(xì)粒金伯利巖、鎂鋁榴石斑狀金伯利巖和金伯利角礫巖。北北東向巖體圍巖為新太古代傲徠山序列二長(zhǎng)花崗巖, 南端北西向巖體圍巖為早古生代寒武—奧陶紀(jì)沉積蓋層。

圖2 常馬(a)、西峪(b)、坡里(c)巖帶地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(據(jù)山東省地質(zhì)局第七地質(zhì)隊(duì), 1979, 1983)Fig.2 Geological structure of Changma (a), Xiyu (b) and Poli (c) rock belts(after The 7th Geological Team of Shandong Geology Bureau, 1979, 1983)

坡里巖帶(圖 2c): 由 25組巖脈組成, 沿北東40°方向的長(zhǎng)約18 km, 寬約0.6 km的狹長(zhǎng)地帶斷續(xù)分布。巖脈呈近平行的側(cè)列式展布, 走向與巖帶一致, 多傾向 NW, 傾角大于 80°。脈長(zhǎng)數(shù)百米至1000多m不等, 寬1～2 m。該巖帶金伯利巖為富金云母型, 不含金剛石或品位極貧, 均不構(gòu)成礦體。該巖帶無(wú)色金剛石比例達(dá) 70%以上, 粒徑均小于1.0 mm(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 2017a)。該巖帶中北部巖體圍巖為寒武紀(jì)沉積蓋層, 南部巖體圍巖為新太古代傲徠山序列二長(zhǎng)花崗巖。

2 深部資源量定量預(yù)測(cè)

2007—2012年, 在“全國(guó)礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)”大背景下, 采用礦床模型綜合地質(zhì)信息預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行定性預(yù)測(cè)的同時(shí), 在魯西常馬和西峪巖帶首次運(yùn)用GIS技術(shù)及數(shù)學(xué)方法在充分研究礦體成礦機(jī)制、深部形態(tài)、規(guī)模及品位變化趨勢(shì)等基礎(chǔ)上進(jìn)行原生礦深部資源量定量預(yù)測(cè)(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 2012)。這是省內(nèi)唯一一次深部資源量定量預(yù)測(cè),是一次理論驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的融合。

2.1 “理論驅(qū)動(dòng)”及預(yù)測(cè)深度確定

預(yù)測(cè)深度是深部資源量定量預(yù)測(cè)的重要關(guān)鍵參數(shù)。“深部”是一個(gè)相對(duì)概念(翟裕生等, 2004), 預(yù)測(cè)深度也并不是越大越好。在成礦模式、成礦機(jī)制等理論指導(dǎo)下, 查明成礦地質(zhì)體侵位深度及剝蝕程度, 才能做出合理和符合地質(zhì)實(shí)際的成礦深度估算(張德會(huì)等, 2011)。

金剛石的地幔捕擄晶成因(Haggerty, 1986)普遍被地學(xué)界接受。金剛石在距地表150～250 km, 溫度900～1400℃, 壓力4.5～6.0 Gpa的高溫、超高壓、中等氧逸度條件下的巖石圈地幔環(huán)境(呂青等, 2021)形成后, 幔源的金伯利巖或鉀鎂煌斑巖巖漿作為載體經(jīng)過(guò)“金剛石穩(wěn)定區(qū)”捕獲并攜帶金剛石快速侵位, 在地表或近地表以火山爆發(fā)或潛火山隱爆形式形成含金剛石的金伯利巖或鉀鎂煌斑巖(鄭建平等,1989; Wilson and Hedad, 2007; Russell et al., 2019;Smit and Shirey, 2019)。Mitchell(1986)建立了金伯利巖漿理想的侵位成礦模式(圖 3a), 它是一個(gè)完整的金伯利巖筒, 自上而下由火山口、火山道及根部帶三個(gè)部分組成。其中, 火山道相是巖筒的主要部分, 占整個(gè)巖筒的2/3以上, 長(zhǎng)度可超2 km。值得注意的是,根部帶形態(tài)復(fù)雜, 可急劇或逐漸膨脹或收縮, 常有盲端延伸, 受?chē)鷰r中節(jié)理和斷裂強(qiáng)烈影響伴生巖墻和巖脈。根部帶長(zhǎng)度可達(dá)1 km(Field et al., 2008)。

眾多研究證明, 魯西金伯利巖漿侵位符合Mitchell模式, 且侵位后遭受了嚴(yán)重的剝蝕, 只保留了根部帶(羅聲宣等, 1999; 孔慶友等, 2006; 張培強(qiáng), 2006; 武雨飛, 2014; 于學(xué)峰等, 2015)。時(shí)值魯西地區(qū)金伯利巖管最大勘探深度600 m。根據(jù)理論研究(Mitchell, 1986; Field et al., 2008)結(jié)合勘探實(shí)際,確定最大預(yù)測(cè)深度為1600 m。其中將最大勘探深度600 m下延1倍, 即600～1200 m作為可靠的334-1類(lèi)別遠(yuǎn)景資源量預(yù)測(cè)深度范圍, 1200～1600 m為334-2類(lèi)別遠(yuǎn)景資源量預(yù)測(cè)深度范圍。

2.2 巖管三維地質(zhì)特征及品位變化

在一定的成礦機(jī)制約束下, 查明淺部成礦地質(zhì)體形態(tài)、產(chǎn)狀、分布范圍、規(guī)模及變化趨勢(shì)等(三維), 可推測(cè)深部礦體延展變化情況(薛建玲等,2020)。利用 GIS(Mapgis6.7)的空間分析技術(shù)中的“多層立體疊置”功能模塊對(duì)不同垂深的巖管自動(dòng)進(jìn)行疊加分析, 直觀顯示金伯利巖管三維地質(zhì)特征,包括巖管形態(tài)、分布、規(guī)模、產(chǎn)狀及各要素隨垂深變化情況等(圖3b, c)。由圖可知, 金伯利巖管形態(tài)隨深度變化復(fù)雜, 同時(shí)表現(xiàn)出以下規(guī)律: 一是向中間聚攏性和深部連通性, 勝利1號(hào)大小巖管在垂深300 m合為一體, 西峪巖管群由地表的八個(gè)巖管向下逐漸合并收攏, 除紅旗28號(hào)、30號(hào)巖管深部逐漸過(guò)渡為脈體形態(tài)外, 其余 6個(gè)巖管在垂深約330 m合為一體; 二是巖管水平斷面面積總體隨深度增加而減小。因此, 無(wú)論是勝利1號(hào)大小巖管還是西峪巖管群都視作一個(gè)巖管進(jìn)行預(yù)測(cè), 預(yù)測(cè)范圍內(nèi)巖管水平斷面面積根據(jù)淺部巖管的平均面積縮減率求得。

圖3 金伯利巖漿侵位模式(a)及魯西常馬勝利1號(hào)巖管(b)、西峪巖管群(c)三維地質(zhì)形態(tài)圖(據(jù)Mitchell, 1986; 據(jù)山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 2015, 2017勘探數(shù)據(jù)繪制)Fig.3 Emplacement pattern of kimberlitic magma(a)and 3D geological morphology map of Changma Shengli No.1 rock pipe (b), Xiyu rock pipe group (c) in western Shandong (after Mitchell, 1986; drawn based on exploration data of the 7th Institute of Geology & Mineral Exploration of Shandong Province, 2015, 2017)

深部預(yù)測(cè)礦體的品位多是根據(jù)淺部已控制成礦地質(zhì)體的品位變化特征來(lái)確定(趙建軍等, 2011)。根據(jù)勘探資料成果, 勝利Ⅰ號(hào)大小巖管在合并前,小管金剛石品位呈急劇下降趨勢(shì), 由1053.562 mg/m3降至 347.133 mg/m3, 降幅高達(dá)67.05%, 而大巖管則呈波動(dòng)式漸降趨勢(shì), 待大小巖管合并后金剛石品位變化幅度不大。西峪巖管群自地表至250 m垂深金剛石品位較穩(wěn)定, 自250 m垂深以下品位持續(xù)增高, 至 600 m 垂深達(dá)到最高值110.03 mg/m3, 之后急劇下降, 至 900 m垂深降為23.82 mg/m3(圖4)。由此可見(jiàn), 不同巖管的含礦性隨深度變化不同, 同一巖管的含礦性在不同垂深的變化亦不相同。金伯利巖管根部帶的復(fù)雜性毋庸置疑,因此深部預(yù)測(cè)用勘探深度范圍內(nèi)礦體的平均品位表示, 其可靠性用體積含礦率修正系數(shù)進(jìn)行制約。

圖4 勝利1號(hào)巖管(a)、西峪巖管群(b)品位隨深度變化曲線圖Fig.4 Grade variation curve with depth of Shengli No.1 (a) and Xiyu rock pipe group (b)

2.3 公式選擇及預(yù)測(cè)結(jié)果

魯西金伯利巖管為傾角陡直的形態(tài)不規(guī)則的管狀體, 雖延深上偶有“盲端”產(chǎn)出, 但水平斷面面積總體隨深度增加而減小, 因此用地質(zhì)體積法進(jìn)行定量估算。公式如下:

式中:Q—深部預(yù)測(cè)資源量;S1、S2—預(yù)測(cè)部分巖管的上下底面積, 其中S1即最大勘查深度處礦體水平斷面面積, 為已知量,S2根據(jù)巖管水平斷面面積的縮減率求得;h—預(yù)測(cè)部分延深;γv—體積含礦率,為查明資源總量與含礦地質(zhì)體總體積的比值; K—體積含礦率修正系數(shù), 334-1類(lèi)別預(yù)測(cè)資源量定為0.6, 334-2類(lèi)別為0.3。

根據(jù)以上預(yù)測(cè)技術(shù)方法, 最終在常馬和西峪巖帶深部預(yù)測(cè)金剛石量875.5萬(wàn)ct。其中, 1200 m以淺巖管深部預(yù)測(cè)金剛石量557.6萬(wàn)ct。對(duì)比最新深部勘查成果, 勝利Ⅰ號(hào)巖管和西峪巖管群在1000 m、1050 m以淺新增金剛石量495.2萬(wàn)ct, 由此可見(jiàn), 1200 m以淺預(yù)測(cè)資源量可信度較高。

3 基于地球物理方法的深部探測(cè)

由于金伯利巖體獨(dú)有的物性特征及成礦背景,應(yīng)用地球物理勘查方法尋找金伯利巖體由來(lái)已久,20世紀(jì) 60年代末即用物探方法找到了勝利Ⅰ號(hào)巖管, 勝利 2、3號(hào)巖脈等(山東省地質(zhì)局第七地質(zhì)隊(duì), 1979, 1983), 多以電、磁法為主(孫培基, 1993)。近年來(lái), 針對(duì)探測(cè)隱伏礦床, 地球物理方法在加大探測(cè)深度和提高分辨率方面不斷進(jìn)步完善, 成為獲得研究區(qū)深邊部地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的有效方法(呂慶田等, 2004, 2005, 2007; 嚴(yán)加永等, 2008a, b; 劉彥等,2012; 薛建玲等, 2020)。如: 大地電磁法(MT)、音頻大地電磁法(AMT)及可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等電法勘探技術(shù)不但探測(cè)深度大, 兼具測(cè)深和剖面測(cè)量性能, 而且在垂向和橫向的分辨率都較高, 對(duì)探尋深部隱伏礦及深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有良好效果(劉天佑, 2007; 吳俊華等, 2010); 地震方法通過(guò)寬屏地震層析成像、遠(yuǎn)震地震層析成像、反射地震等技術(shù)可以獲得深部地質(zhì)體深度、空間形態(tài)及構(gòu)造展布等信息, 也被廣泛應(yīng)用于探尋深部隱伏礦體(呂慶田等, 2005; Jiang et al., 2013; 袁峰等, 2014)。

3.1 單一地球物理方法深部找礦探測(cè)

在魯西常馬和西峪巖帶, 采用 CSAMT對(duì)淺部金伯利巖體進(jìn)行追蹤、勘查, 指導(dǎo)深部找礦?？煽卦匆纛l大地電磁測(cè)深剖面布設(shè)在常馬勝利Ⅰ號(hào)巖管南側(cè)及西峪巖管群附近, 探測(cè)深度1 km, 儀器選用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的 V8多功能電法工作站, 線距80～100 m, 點(diǎn)距20 m(褚志遠(yuǎn)等, 2018)。因斷裂帶中金伯利巖體相對(duì)于二長(zhǎng)花崗巖等圍巖呈低阻反映, 因此根據(jù)剖面上的低阻分布區(qū)進(jìn)行找礦預(yù)測(cè),推測(cè)巖管深部延深情況。應(yīng)用該技術(shù)方法成功指導(dǎo)鉆探工程揭露到深部金伯利巖, 應(yīng)用效果良好。

3.2 綜合地球物理方法深部探測(cè)評(píng)價(jià)

隨著綜合地球物理勘查技術(shù)在斷裂展布、深部巖漿巖體探測(cè)方面的廣泛應(yīng)用(吳俊華等, 2010; 邱君等, 2019; 徐志敏等, 2019), 在魯西地區(qū)探索重力、電法、反射地震綜合勘探技術(shù)進(jìn)行深部金伯利巖體探測(cè)與預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。在西峪巖管群附近, 布設(shè)長(zhǎng)度10 km的重力、反射地震和大地電磁測(cè)深聯(lián)合剖面, 分析4 km以淺的金伯利巖體、構(gòu)造空間分布及兩者之間關(guān)系, 指導(dǎo)深部資源預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。其中, 大地電磁測(cè)深剖面點(diǎn)距200 m, 采用鳳凰公司的V8電法工作站觀測(cè)頻率10–4～103Hz的近似平面波的天然電磁場(chǎng), 布極方式采用十字型、L型或 T型, 工作數(shù)據(jù)采集時(shí)間為 2個(gè)小時(shí), 采集的有效頻率范圍320～0.1 Hz, 資料處理及解譯采用加拿大鳳凰公司開(kāi)發(fā)的 SSMT2000軟件和意大利GEOSYSTEM公司開(kāi)發(fā)的 WINGLINK軟件, 資料處理反演深度為4000 m。重力測(cè)量采用加拿大先得力公司生產(chǎn)的CG-5型相對(duì)重力儀, 正常重力值公式采用1979年國(guó)際大地測(cè)量和地球物理聯(lián)合會(huì)(IUGG)推薦的1980公式, 即γo = 978 032.7×(1+0.005 302 4 sin2Φ–0.000 005 8 sin22Φ。重力反演采用重磁數(shù)據(jù)軟件RGIS2016, 反演深度2400 m, 重力定量計(jì)算所用密度參數(shù)如下: 二長(zhǎng)花崗巖: 2.60×103kg/m3; 金伯利巖體: 2.82×103kg/m3; 第四系: 1.90×103kg/m3。反射地震法勘探設(shè)備為SN388型數(shù)字地震儀及Kz-28型地面液壓驅(qū)動(dòng)可控震源車(chē), 資料處理使用法國(guó)CGG公司的 Geovecteur Plus交互地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在SunBlade2000工作站進(jìn)行處理, 反演深度 3000 m,需要提及的是, 測(cè)區(qū)內(nèi)巖性主要為二長(zhǎng)花崗巖和金伯利巖體沒(méi)有完整的地層, 不易形成良好的地震波反射界面, 不會(huì)出現(xiàn)明顯的標(biāo)準(zhǔn)層反射界面, 但侵入的金伯利巖體與周?chē)亩L(zhǎng)花崗巖仍存在一定的波阻抗差異, 可形成反射波能量稍強(qiáng)的反射界面,據(jù)此來(lái)解譯金伯利巖體分布。

根據(jù)綜合解譯成果(圖 5)可知: ①三種物探方法均推斷出兩處斷裂帶, 雖不同物探方法反演推測(cè)出的主斷裂的上視斷點(diǎn)在地表的投影位置有所差別,但所推測(cè)的斷裂位置及傾向、傾角等特征基本吻合。②在斷裂帶內(nèi)有地震反射異常波的出現(xiàn), 結(jié)合淺部已有金伯利巖體和鉆孔分布, 推測(cè)深部金伯利巖的存在。再結(jié)合金伯利巖的低電阻率特征在大地電磁測(cè)深剖面中的反映, 推斷 3000 m以淺斷裂帶內(nèi)金伯利巖有發(fā)育空間(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,2020; 程光鎖等, 2020)。筆者認(rèn)為, 魯西地區(qū)采用集重力、反射地震及大地電磁測(cè)深方法于一體的綜合地球物理方法, 同時(shí)綜合地質(zhì)、鉆探等約束信息對(duì)4 km以淺金伯利巖體、斷裂構(gòu)造進(jìn)行反演解譯, 三種方法起到了相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充的作用, 反演成果一致性良好。但“推測(cè) 3000 m以淺斷裂帶內(nèi)金伯利巖有發(fā)育空間”的結(jié)論與現(xiàn)階段普遍認(rèn)為的“金伯利巖筒根部帶長(zhǎng)度可達(dá)1 km”差距較大, 或許只是斷裂破碎帶或其他低阻低密度地質(zhì)體的反映, 需要鉆探等有效手段進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖5 重力、大地電磁測(cè)深、反射地震剖面綜合解譯成果圖Fig.5 Comprehensive interpretation results of gravity, magnetotelluric sounding, and seismic reflection profiles

4 基于三維技術(shù)的深邊部定位定量預(yù)測(cè)

自20世紀(jì)80年代末引入EarthVision以來(lái), 三維地質(zhì)建模技術(shù)在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展, 廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)百余處典型礦區(qū)的三維建模與找礦預(yù)測(cè)實(shí)踐(吳俊華等, 2010; 袁峰等, 2014; 陳建平等, 2014; 毛先成等, 2016), 以三維地質(zhì)建模技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)集成技術(shù)逐漸成為深部找礦預(yù)測(cè)的重要技術(shù)手段, 證據(jù)權(quán)方法、信息量方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等成為定位定量預(yù)測(cè)的普遍方法。在魯西常馬、西峪礦帶, 借助三維建模技術(shù), 以斷裂構(gòu)造特征分析為切入點(diǎn), 基于證據(jù)權(quán)重法及信息量法對(duì)深邊部隱伏礦體進(jìn)行定量化預(yù)測(cè)(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 2020; 李偉等,2020b)。技術(shù)路線為: 三維實(shí)體建模—成礦預(yù)測(cè)有利信息篩選及找礦模型建立—三維異常重構(gòu)—定量化預(yù)測(cè)模型建立—靶區(qū)圈定。

4.1 三維實(shí)體建模及地質(zhì)找礦模型建立

三維實(shí)體建模的數(shù)據(jù)源采用了平面地質(zhì)數(shù)據(jù)、地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)、剖面地質(zhì)數(shù)據(jù)。其中, 平面地質(zhì)數(shù)據(jù)包括地形地質(zhì)圖2張、中段地質(zhì)平面圖7張, 深度范圍自地表～450 m; 地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)指鉆孔柱狀圖 200張, 包括鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)、地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)及化驗(yàn)數(shù)據(jù)等, 深度范圍39～1027 m; 剖面地質(zhì)數(shù)據(jù)主要指勘探線剖面圖(63張), 深度范圍250～1050 m。針對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化和統(tǒng)一化處理建立矢量數(shù)據(jù)庫(kù), 借助Surpac建模軟件根據(jù)線框建模方法對(duì)邊界線進(jìn)行提取構(gòu)建金伯利巖管和斷裂構(gòu)造三維實(shí)體模型。

因①魯西金剛石原生礦構(gòu)造控礦作用明顯;②金伯利巖體侵位對(duì)圍巖無(wú)選擇性(賀灌之, 1980;董振信, 1991; 尹作為等, 2005); ③圍巖蝕變信息不強(qiáng)(張成基等, 2020)。因此, 從斷裂構(gòu)造特征入手,包括構(gòu)造含礦特征、導(dǎo)礦容礦特征、展布特征及構(gòu)造帶特征, 篩選成礦預(yù)測(cè)有利信息, 建立地質(zhì)找礦模型(表 1)。

4.2 三維異?？臻g重構(gòu)

根據(jù)找礦模型, 對(duì)斷裂進(jìn)行相關(guān)的異常信息提取進(jìn)行三維異?？臻g重構(gòu), 包括構(gòu)造含礦性分析、構(gòu)造等密度、構(gòu)造頻數(shù)、主干斷裂、構(gòu)造方位異常度、方位異常、構(gòu)造交點(diǎn)數(shù)、斷裂緩沖區(qū)等(表1)。其中, 構(gòu)造等密度反映單位塊體內(nèi)斷裂構(gòu)造的密集程度, 用單位塊體網(wǎng)格內(nèi)斷裂構(gòu)造總長(zhǎng)度與塊體網(wǎng)格邊長(zhǎng)的比值來(lái)表示。構(gòu)造頻數(shù)反映單位塊體內(nèi)構(gòu)造發(fā)育的復(fù)雜程度, 用穿過(guò)塊體網(wǎng)格的斷裂總條數(shù)表示。用構(gòu)造等密度與構(gòu)造頻數(shù)的比值, 表征主干構(gòu)造。針對(duì)線性構(gòu)造的方位特征, 通過(guò)構(gòu)造異常方位來(lái)進(jìn)行異常重構(gòu), 它代表單個(gè)塊體網(wǎng)格內(nèi)方位異常的構(gòu)造總長(zhǎng)度在該塊體網(wǎng)格內(nèi)所有線性構(gòu)造中所占的比例。其計(jì)算方法是將區(qū)域內(nèi)的所有線性構(gòu)造展布方向(0～180°)按照一定的區(qū)間間隔進(jìn)行分隔, 統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)其構(gòu)造長(zhǎng)度的和, 將各個(gè)區(qū)間的長(zhǎng)度和按由大至小進(jìn)行排序, 并依次累加, 當(dāng)其累加值達(dá)到區(qū)域內(nèi)所有線性構(gòu)造長(zhǎng)度的 60%時(shí), 選擇該區(qū)間作為異常區(qū)間, 最后統(tǒng)計(jì)各個(gè)塊體網(wǎng)格的構(gòu)造異常方位, 其值在0～1之間。

表1 地質(zhì)找礦模型及三維異?？臻g重構(gòu)Table 1 Geological prospecting model and 3D anomaly space reconstruction

4.3 定量化預(yù)測(cè)模型建立

采用“立方體模型”預(yù)測(cè)法, 將研究區(qū)劃分成若干個(gè)等大(基于分形理論確定最佳尺度為 10 m)的三維立方塊, 每個(gè)立方塊視作均質(zhì)同性體, 根據(jù)建立的實(shí)體模型, 結(jié)合塊體單元大小, 提取不同深度層次(深度分層尺度同塊體單元邊長(zhǎng))的斷裂分布的數(shù)據(jù)文件, 將其導(dǎo)入到三維預(yù)測(cè)軟件(3DMP)中, 據(jù)前述方法對(duì)立方塊每個(gè)構(gòu)造異常值進(jìn)行計(jì)算, 用相關(guān)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與已知金剛石原生礦體進(jìn)行空間疊加分析, 選定有利區(qū)間, 建立定量化預(yù)測(cè)模型(表2)。

表2 西峪、常馬礦集區(qū)區(qū)域定量化預(yù)測(cè)模型Table 2 Regional quantitative prediction model of Xiyu and Changma ore concentration areas

4.4 找礦靶區(qū)圈定

4.4.1 西峪礦集區(qū)找礦靶區(qū)圈定

西峪礦集區(qū)基于信息量法進(jìn)行成礦靶區(qū)圈定。根據(jù)確定的定量化預(yù)測(cè)模型, 將其每個(gè)塊體單元建立各個(gè)預(yù)測(cè)因子屬性, 賦值0或1代表各塊體是否包含該預(yù)測(cè)因子, 然后利用條件概率對(duì)各預(yù)測(cè)因子的找礦信息量進(jìn)行計(jì)算, 公式為IA(B)=lg[P(A/B)/P(A)], 式中IA(B)為A標(biāo)志有B礦的信息量, P(A/B) = 包含A標(biāo)志的礦體數(shù)/研究區(qū)總礦體數(shù), P(A)= 研究區(qū) A 標(biāo)志塊體數(shù)/研究區(qū)總塊體數(shù)。再計(jì)算各塊體單元內(nèi)的信息量總和, 最后將所有塊體的信息量值進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)(表 3), 并選擇累積礦塊比與累積塊數(shù)比之比值穩(wěn)定、塊體空間分布與已知礦體疊合度高的信息量范圍區(qū)間生成的有利塊體區(qū)域進(jìn)行靶區(qū)圈定。因此, 根據(jù)信息量大于2.7并結(jié)合信息量大于 2.1和大于 2.4的塊體區(qū)域圈定 2處找礦靶區(qū), 分別位于西峪巖管群的南側(cè)和東南側(cè), 據(jù)預(yù)測(cè)空間展布特征, 為較陡直的管狀體的可能性大, 標(biāo)高范圍分別為–400～–700 m、150～–300 m(圖 6)。

表3 西峪、常馬礦集區(qū)三維信息量分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析表Table 3 Statistical analysis of 3D information partition in Xiyu and Changma ore concentration area

圖6 西峪礦集區(qū)(a)、常馬研究區(qū)(b)找礦靶區(qū)預(yù)測(cè)成果圖Fig.6 Prediction results of prospecting targets in Xiyu ore concentration area (a) and Changma research area(b)

4.4.2 常馬礦集區(qū)找礦靶區(qū)圈定

常馬礦集區(qū)依據(jù)信息量法建立的成礦有利塊體比較分散, 因此采用證據(jù)權(quán)法與信息量法疊加分析進(jìn)行成礦預(yù)測(cè)與靶區(qū)圈定。證據(jù)權(quán)法實(shí)質(zhì)是通過(guò)疊加復(fù)合分析與礦床形成有關(guān)的地學(xué)要素來(lái)對(duì)找礦靶區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè), 采用統(tǒng)計(jì)分析的方式, 將與礦床形成有關(guān)的各個(gè)控礦要素都視為證據(jù)因子, 證據(jù)因子對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)成礦的重要性由證據(jù)權(quán)值的大小來(lái)確定, 而成礦有利塊體最終由后驗(yàn)概率值確定。首先, 計(jì)算先驗(yàn)概率: 假設(shè)研究區(qū)劃分成了 T 個(gè)單元,含有礦體為 D個(gè), 那么隨機(jī)選取某一單元區(qū)域含有礦體的概率是: P先驗(yàn)=P(D)=D/T, 先驗(yàn)幾率為:O先驗(yàn)=O(D)=P(D)/[1–P(D)]=D/(1–D)。其次, 計(jì)算權(quán)重值: 對(duì)于一個(gè)單元中, 證據(jù)因子與已知礦體的關(guān)系可能存在以下四種情況:, 對(duì)任意一個(gè)證據(jù)因子, 它的權(quán)重被定義為:

W+、W–分別表示證據(jù)因子存在、不存在時(shí)的證據(jù)權(quán)重值, 研究區(qū)中若原始數(shù)據(jù)缺失, 則證據(jù)權(quán)重值為 0。最后, 計(jì)算后驗(yàn)概率值: 后驗(yàn)幾率:O后驗(yàn)=exp[lnO先驗(yàn)+W+]或 O后驗(yàn)=exp[lnO先驗(yàn)+W–], 后驗(yàn)概率: P后驗(yàn)=O后驗(yàn)/(1+O后驗(yàn))。

在單獨(dú)計(jì)算了證據(jù)權(quán)重法和信息量法兩種算法的基礎(chǔ)上, 選取證據(jù)權(quán)重法和信息量法成礦有利區(qū)間共同約束條件下的塊體作為成礦有利塊體, 在常馬研究區(qū)圈定成礦靶區(qū) 2處, 其中, 靶區(qū) 1位于勝利Ⅰ號(hào)巖管南東側(cè), 緊鄰勝利Ⅰ-1號(hào)隱伏礦體,標(biāo)高范圍與勝利Ⅰ-1號(hào)隱伏礦體一致, 為–250～–550 m, ; 靶區(qū)2位于勝利Ⅰ號(hào)巖管的北部, 標(biāo)高范圍為–50～–550 m(圖 6)。

4.5 預(yù)測(cè)評(píng)述及建議

借助三維技術(shù)進(jìn)行金剛石原生礦體深邊部成礦預(yù)測(cè), 不但預(yù)測(cè)靶區(qū)直觀可見(jiàn), 而且預(yù)測(cè)信息的定量化使預(yù)測(cè)結(jié)果更科學(xué)可靠。魯西半個(gè)多世紀(jì)的勘探工作所積累的豐富資料數(shù)據(jù)是三維可視化研究的基礎(chǔ)和前提, 在豐富的數(shù)據(jù)源中借助三維技術(shù)析獲構(gòu)造控礦信息是進(jìn)行金剛石已知礦體深邊部成礦預(yù)測(cè)的關(guān)鍵一步, 但受到地質(zhì)鉆孔和剖面數(shù)據(jù)深度較淺且范圍有限的制約, 基于此構(gòu)建的三維地質(zhì)模型對(duì)深邊部地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息刻畫(huà)的“深度”和“廣度”有一定局限性。魯西地區(qū)鉆孔最大深度 1027 m, 勘探剖面最大深度 1050 m, 基于此圈定的靶區(qū)深度均在1050 m以淺, 廣度在1 km2以?xún)?nèi)。地球物理方法是獲得深邊部地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的有效辦法(董樹(shù)文等,2009), 物性反演可有效獲取深部地質(zhì)體或地質(zhì)界面的分布特征(Portniaguine and Zhdanov, 2002), 彌補(bǔ)三維預(yù)測(cè)在“深度”和“廣度”上的不足, 魯西基于綜合地球物理方法深部探測(cè)深度已達(dá)4 km。同時(shí), 三維地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)以及地質(zhì)剖面等約束信息可有效減少地球物理數(shù)據(jù)因重磁場(chǎng)的體積效應(yīng)、反演方法的欠定性等因素導(dǎo)致的反演結(jié)果的多解性。因此, 將地球物理、地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)剖面等多元地質(zhì)信息有效融合進(jìn)行三維綜合信息成礦預(yù)測(cè), 可進(jìn)一步提高深部成礦預(yù)測(cè)的有效性和可靠性, 獲得最優(yōu)預(yù)測(cè)效果。

5 結(jié)論

(1)魯西地區(qū)從構(gòu)造控礦特征入手進(jìn)行的三維可視化研究與定量化成礦預(yù)測(cè), 取得良好預(yù)測(cè)效果,在西峪和常馬礦集區(qū)深邊部 1000 m以淺共圈定4處找礦靶區(qū)。在 Mitchell建立的金伯利巖漿成礦模式指導(dǎo)下建立金伯利巖管根部帶的形態(tài)概念以限定預(yù)測(cè)深度, 并借助GIS的空間分析技術(shù)現(xiàn)實(shí)反映常馬和西峪巖管三維地質(zhì)特征、量化深部變化趨勢(shì),在此基礎(chǔ)上用體積法預(yù)測(cè)了常馬和西峪巖帶深部1600 m以淺金剛石量分別為 196.0萬(wàn) ct和679.5萬(wàn)ct, 合計(jì)875.5萬(wàn)ct。其中, 1200 m以淺巖管深部預(yù)測(cè)金剛石量557.6萬(wàn)ct。魯西原生礦深部資源潛力大。

(2)魯西金剛石原生礦田自地表至深部呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化。①自淺部至深部金伯利巖體中角礫含量減少, 巖性逐漸單一化。比如常馬巖帶淺部巖性有鎂鋁榴石斑狀金伯利巖、細(xì)粒金伯利巖、金伯利角礫巖等, 深部均為鎂鋁榴石斑狀金伯利巖;西峪巖帶淺部有金云母斑狀金伯利巖、細(xì)粒金伯利巖、鎂鋁榴石斑狀金伯利巖和金伯利角礫巖, 深部為金云母斑狀金伯利巖和含圍巖碎屑斑狀金伯利巖。②金剛石粒度無(wú)論其淺部粒徑的大小和差異性,在深部(垂深 600 m 以下)粒級(jí)范圍較穩(wěn)定, 在1.0 mm左右。由前所述, 常馬巖帶金剛石顆粒相對(duì)較大、粒徑差異亦較大, 一般粒徑0.5～3.0 mm, 但不乏粒徑超8 mm重量100 ct以上的大顆粒金剛石;西峪巖帶金剛石粒徑差異小, 多為0.5～1.0 mm, 鮮有大于4 mm者。但在兩礦帶深部選獲的20粒金剛石中, 粒徑均在0.3～1.3 mm之間。③金伯利巖管規(guī)模自地表至深部雖有局部“膨大”, 但整體呈縮減趨勢(shì), 且地表無(wú)論常馬巖帶的 2個(gè)巖管還是西峪由 8個(gè)巖管組成的巖管群, 在深部一定范圍內(nèi)均向中心聚攏為 1個(gè)巖管。同時(shí), 三維可視化預(yù)測(cè)結(jié)果顯示, 在巖管附近很可能還有其他隱伏巖管或“盲端”, 其產(chǎn)出部位和賦存標(biāo)高無(wú)明顯規(guī)律性, 金伯利巖筒根部帶的復(fù)雜性毋庸置疑。以上規(guī)律特征可指導(dǎo)判別金伯利巖筒的“相帶”部位、規(guī)模、形態(tài)及含礦性, 助力金剛石深部找礦及隱伏礦體預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)新突破。

致謝: 論文撰寫(xiě)過(guò)程中得到了山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局首席專(zhuān)家宋明春研究員的指導(dǎo)幫助, 在此表示誠(chéng)摯感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by Shandong Institute of Gological Survey (No.1212010813014), Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources(Nos.KY201602, 202011 and 202012), and Department of Science and Technology of Shandong Provice(No.2017CXGC1607).