宋明春 周明嶺 鮑中義 溫桂軍 李世勇 范家盟 楊真亮 賀春艷高美霞 王洪軍 王永慶 李瑞翔

(1.河北地質(zhì)大學河北省關鍵礦產(chǎn)研究協(xié)同創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050031;2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊,山東 威海 264209;3.山東省核工業(yè)二七三地質(zhì)大隊,山東 煙臺 264006;4.山東省物化探勘查院,山東 濟南 250013;5.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊,山東 濰坊 261021)

我國重要礦產(chǎn)資源嚴重短缺,鐵、銅、鋁、鉀鹽等對外依存度居高不下。黃金產(chǎn)、銷之間存在巨大缺口,2020年國內(nèi)原料產(chǎn)金量365.34 t,黃金消費量820.98 t。由于我國東部地區(qū)淺表部礦產(chǎn)資源越來越少,深部找礦成為緩解資源危機的必然選擇,深部礦產(chǎn)資源預測則是深部找礦的前提和基礎。成礦預測是一項復雜的系統(tǒng)工程[1-2],隨著方法、技術進步和地質(zhì)認識的不斷深入,預測結果和找礦成果會發(fā)生明顯的變化。膠東作為我國最重要的黃金基地,其找礦和成礦預測歷程見證了成礦預測的復雜性和不確定性。20世紀60年代以前膠東地區(qū)僅探明20余噸金資源量,至80年代由于焦家式破碎帶蝕變巖型金礦的發(fā)現(xiàn)大幅增加了金礦的發(fā)現(xiàn)概率和找礦潛力,至1999年探明的金總資源量擴大到900 t左右。膠東金礦系統(tǒng)性的成礦預測工作始于20世紀80年代,1987年山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)隊提交了《山東省金礦資源總量預測報告》,預測魯東36個有礦單元金礦資源總量達3 026.486 t,其中潛在資源量2 319.079 t;1989年山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局物化探隊提交了《1∶20萬膠東地區(qū)綜合地球物理地球化學信息編圖與金成礦預測報告》,將膠東地區(qū)劃分為9個成礦區(qū)、71個預測礦田,其中Ⅰ類預測礦田12個、Ⅱ類19個、Ⅲ類40個。這一階段的金礦預測工作是山東省第一輪成礦區(qū)劃的組成部分。20世紀90年代開展的第二輪成礦區(qū)劃對主要成礦帶開展了大比例尺成礦預測,1993年山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)隊提交的《山東省膠東西北部焦家金礦帶1∶2.5萬金礦成礦預測報告》,采用綜合信息成礦預測思路預測的焦家礦帶金礦資源總量達992.687 t(包括已探明金礦資源量335.987 t);1994年山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)隊提交的《山東省膠東西北部招遠—平度斷裂帶1∶5萬金礦成礦預測報告》,采用多元回歸法定量評價的招平帶金礦資源總量達849.173 t,其中潛在資源量為665.043 t。進入21世紀,在以往區(qū)域成礦預測的基礎上,陸續(xù)出版了《山東省金礦床及金礦床密集區(qū)綜合信息成礦預測》和《膠東金礦地質(zhì)》等金礦成礦預測專著[3-4],預測的膠東礦田級單元金礦資源總量達3 026.494 8 t,其中膠西北地區(qū)金礦資源總量2 492.021 15 t。2007—2012年開展了山東省重要礦產(chǎn)資源潛力預測評價工作,采用“三位一體”成礦預測理論方法[5],預測的山東省2 000 m以淺金資源量為4 069 t,其中膠東地區(qū)金資源量達3 963 t。目前,膠東地區(qū)累計探明金資源量達5 000余噸,已經(jīng)超過以往預測的資源量,并且已有研究者提出膠東金資源量將會超過10 000 t[6]。膠東是具有世界影響的金成礦區(qū),科學而準確地評估該地區(qū)的金資源潛力對于指導深部找礦工作部署具有明確的現(xiàn)實意義,對于推動全國深部找礦工作也具有重要的示范作用。

隨著成礦深度加大,深部金礦體被千余米乃至數(shù)千米厚的巖層覆蓋,礦化信息被強烈壓制,主要根據(jù)地表物化遙和地質(zhì)信息進行成礦預測的方法已難以奏效。高精度深部地球物理探測和三維可視化分析為深部資源預測和勘查提供了有效手段。本研究在膠東區(qū)域和重要金礦床集中區(qū)深部地球物理探測和三維建模的基礎上,提出了基于階梯成礦模式的深部找礦靶區(qū)預測方法和基于淺部金資源量的深部資源潛力預測方法,并且預測了膠東地區(qū)的找礦靶區(qū)和資源潛力,揭示了膠東地區(qū)令人振奮的深部找礦前景,為進一步開展深部找礦工作奠定了基礎。

1 地質(zhì)背景和金礦概況

膠東地區(qū)位于華北克拉通東南緣和大別—蘇魯超高壓變質(zhì)帶東北端,其西部的膠北地體屬于華北克拉通,其東部的威海地體屬于蘇魯超高壓變質(zhì)帶,膠萊盆地上疊于膠北地體和威海地體的南部(圖1)。膠北地體主要由新太古代花崗—綠巖帶和古元古代—新元古代變質(zhì)地層組成,威海地體主要由含超高壓榴輝巖的新元古代花崗質(zhì)片麻巖組成,膠萊盆地主要由白堊紀火山—沉積巖系組成。侏羅紀—白堊紀花崗巖類侵入巖廣泛侵位于膠北地體和威海地體中,三疊紀花崗巖類僅在威海地體中少量出露。

圖1 膠東地區(qū)區(qū)域地質(zhì)及金礦床分布[8-9]Fig.1 Regional geology and distribution of gold deposits in the Jiaodong Peninsula

膠東地區(qū)斷裂構造非常發(fā)育,其中NE—NNE向斷裂最發(fā)育、條數(shù)多且密度大,其次為近EW—NEE向斷裂。EW向斷裂地表出露比較零星,連續(xù)性較差。華北克拉通(膠北隆起)和蘇魯造山帶(威海隆起)的結合帶被NE向斷裂和中生代花崗巖疊加,大致位于牟平—即墨斷裂帶一線附近。膠東金礦主要受NE—NNE向斷裂控制,主要控礦斷裂有三山島斷裂、焦家斷裂、招平斷裂、西林—陡崖斷裂、金牛山斷裂等。

膠東地區(qū)已探明資源量的金礦床有200余處,探獲金資源量超過5 000 t。金礦床集中分布,被劃分為膠西北(萊州—招遠)、棲蓬福(棲霞—蓬萊—福山)和牟乳(牟平—乳山)3個成礦小區(qū),三山島、焦家、招平、棲霞—大柳行、桃村和牟乳6條成礦帶,三山島、焦家、靈北、鞍石、大莊子、玲瓏、大尹格莊、舊店、棲霞、大柳行、萊山、蓬家夼和鄧格莊13處金礦田[7]。金礦化類型主要為破碎帶蝕變巖型(焦家式)和石英脈型(玲瓏式、鄧格莊式),少量為蝕變角礫巖型(蓬家夼式)、蝕變礫巖型(發(fā)云夼式)、層間滑脫拆離帶型(杜家崖式)和黃鐵礦—碳酸鹽脈型(遼上式)。21世紀以來開展的深部找礦工作,在600～2 000 m深度探明金資源量3 000余噸,超過了以往探明的500 m以淺的淺部金資源量。

2 深部金礦三維預測方法

2.1 三維建模方法

2.1.1 膠東區(qū)域三維地質(zhì)建模

建模區(qū)域為膠東地區(qū)(陸域),極值地理坐標為東經(jīng)119°30′00″～122°30′00″,北緯36°00′00″～38°00′00″。東西寬約300 km,南北寬約200 km,面積約31 000 km2,底界控制深度10 km。

建模使用的基礎資料為1∶25萬、1∶20萬和1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料,1∶5萬高精度重磁資料、30 m分辨率地表數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)。在區(qū)域地質(zhì)圖上垂直于主構造方向設計圖切剖面,剖面走向130°,間距5 km。由地質(zhì)技術人員采集制作了61條圖切地質(zhì)剖面,再由地球物理技術人員利用1∶5萬高精度重磁進行綜合解譯,推斷、補充深部地質(zhì)結構,最后由地質(zhì)技術人員綜合編繪形成完整的10 km深度的地質(zhì)剖面圖。對完成的剖面進行矢量化處理并附屬性,導入數(shù)據(jù)庫。采用基于復雜地質(zhì)體的人機交互建模方式,建立了膠東區(qū)域三維地質(zhì)模型(圖2)。

圖2 膠東區(qū)域三維地質(zhì)模型Fig.2 3D geological model of Jiaodong Peninsula

2.1.2 主要金礦床集中區(qū)三維地質(zhì)建模

建模區(qū)域為三山島斷裂帶的三山島金礦床集中區(qū)、焦家斷裂帶的焦家金礦床集中區(qū)、招平斷裂帶的嶺南—水旺莊金礦床集中區(qū)和大尹格莊金礦床集中區(qū)。

建模使用的基礎資料為1∶5萬和1∶1萬區(qū)域地質(zhì)資料、勘查線剖面圖、鉆孔柱狀圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、高精度地球物理剖面。建模參數(shù)取值:平面地質(zhì)圖比例尺為1∶1萬,勘查線剖面圖比例尺為1∶2 000,水平控制網(wǎng)度為60 m×60 m,最小厚度設置為0.1 m。

分別采用311、500、680、291個鉆孔資料和相應的礦區(qū)基礎資料,構建了三山島、焦家、嶺南—李家莊和大尹格莊金礦集中區(qū)的礦床三維地質(zhì)模型(圖3)。礦床三維地質(zhì)模型劃分為淺部已知模型和深部推斷模型兩個部分:淺部已知模型有系統(tǒng)的探礦工程控制,作為已知部分進行空間綜合分析,總結成礦規(guī)律,提取成礦有利信息;深部推斷模型通過綜合淺部已知模型及物探解譯成果推斷構建,為深部成礦預測提供直觀屬性信息。

圖3 三山島礦區(qū)三維地質(zhì)建模效果Fig.3 3D modeling effects of Sanshandao mining area

2.2 基于階梯成礦的深部金礦成礦靶區(qū)預測方法

2.2.1 方法概述

21世紀以來膠東深部找礦取得了重大突破,主要在700～2 000 m深度探明了大規(guī)模金礦資源。通過研究深部斷裂特征和賦礦規(guī)律,宋明春等[10-11]提出了深部金礦階梯成礦模式,即:控礦斷裂通常呈現(xiàn)沿傾向傾角陡、緩交替的梯變特征,金礦體主要沿斷裂傾角梯變的平緩部位和陡、緩轉折部位富集。針對深部金礦埋藏深度大、地表很難捕捉到與礦化有關的預測信息問題,根據(jù)金礦的控礦斷裂規(guī)模大,斷裂上、下盤分別是物性差異大的早前寒武紀變質(zhì)巖系和侏羅—白堊紀花崗巖類,采用高精度地球物理方法能夠探測到斷裂的深部位置和形態(tài)特征等特點,提出了基于階梯成礦的深部金礦預測方法。即:在深部探測和三維地質(zhì)建模的基礎上提取識別控礦斷裂和成礦結構面特征的預測要素,將斷裂的有利賦礦位置圈定為找礦靶區(qū)。

在已知礦區(qū)及其深部三維地質(zhì)建模的基礎上,將所構建的三維地質(zhì)模型分割為大量三維立方塊體,每個塊體視為均質(zhì)同性體,所有塊體的屬性變化規(guī)律近似地表達了地質(zhì)體的內(nèi)部變化規(guī)律,這樣的立方塊體稱為 “單元塊”,每個單元塊在計算機中存儲的地址與其在自然礦床中的位置相對應。首先根據(jù)已知礦區(qū)控礦地質(zhì)條件和找礦標志在空間上、特別是在深部的變化規(guī)律,綜合分析和處理各種深部找礦評價的定量化信息,建立三維找礦預測模型;然后將找礦定量化信息賦予每一個單元塊;最后統(tǒng)計每個單元塊的找礦信息量,圈出找礦信息量的高值區(qū)作為找礦靶區(qū)。

2.2.2 主要預測依據(jù)

(1)斷裂構造依據(jù)。① 膠東地區(qū)的破碎帶蝕變巖型金礦主要受NNE走向的區(qū)域較大規(guī)模斷裂構造控制,斷裂帶良好的裂隙空間為富金流體富集提供了有利條件,金礦體主要賦存于以斷層泥為頂板的斷裂主斷面下盤的破碎蝕變帶中;② EW向斷裂和NE向斷離的交會部位;③ 斷裂沿走向上的拐折、拐彎部位;④ 主斷裂下盤次級斷裂發(fā)育部位、斷裂交會處、斷裂分支復合處為有利賦礦部位,靠近主干斷裂位置更有利于礦體賦存;⑤ 斷裂沿傾向傾角變化部位賦礦,斷裂傾角較緩段是賦礦有利部位[12-14],如三山島礦區(qū)的金礦體主要賦存于斷層面傾角陡、緩轉折和相對較緩的凹兜部位(圖3(b))。

(2)礦體分布規(guī)律依據(jù)。① 等間距分布規(guī)律,礦床、礦體、礦化富集區(qū)大致呈等間距分布;② 礦體側伏特征[15-16],NE或NNE走向斷裂,其傾向NW時礦體向SW向側伏,而傾向SE時礦體向NE向側伏,礦體的側伏方向大致沿SW—NE向同一直線方向展布。

(3)賦礦地質(zhì)體依據(jù)。① 侏羅紀玲瓏型花崗巖是膠東金礦床的主要賦礦地質(zhì)體(賦礦圍巖),白堊紀郭家?guī)X型花崗巖和新太古代—古元古代變質(zhì)巖系次之,少量金礦床賦存于早白堊世萊陽群底部;② 不同地質(zhì)體的接觸帶,尤其是早前寒武紀變質(zhì)巖系與中生代花崗巖類的接觸帶為有利賦礦部位。

(4)地球物理依據(jù)。① 重力異常的線性梯度帶,主要是重力低值區(qū)的邊部(重力高與重力低的過渡帶)、大范圍的重力低與重力高的接觸帶,尤其是梯度帶的轉折部位是成礦的有利部位;② 串珠狀、長條狀高磁異常帶,尤其是磁異常等值線拐彎(向外凸出、凹陷)部位、塊狀重磁異常邊部、小范圍的塊狀和串珠帶狀正磁異常邊部是深部金礦成礦的有利部位。③ 典型的高低阻不同電場分界部位。在視電阻率斷面圖上,等值線呈稀疏寬大、向下同步彎曲、低阻“U”或“V”形特征為金礦賦存有利部位的標志。④ 在CSAMT、MT、TEM、SIP法、視電阻率斷面等值線圖上顯示為等值線的波動起伏,在剖面上視電阻率等值線起伏波動轉折、拐彎部位為金礦賦存的有利部位。其他主要標志包括:SIP法復電阻率參數(shù)斷面等值線為定向延深的低阻帶及低阻帶局部膨大部位,極化率、充電率高值異常,高時間常數(shù)、低相關系數(shù),金屬因數(shù)、頻散率高值異常等[17]。

2.2.3 預測流程

(1)典型礦床和周邊礦區(qū)資料分析處理。全面收集預測區(qū)及周邊區(qū)域的礦產(chǎn)、地質(zhì)、物探、化探等相關資料,掌握典型礦床基本特征;研究成礦地質(zhì)體、成礦構造、成礦特征和找礦標志、礦床的垂直和水平礦化分帶特征,總結成礦規(guī)律,建立成礦模式。

(2)深部地球物理勘查。研究礦石、礦物物性特征以及預測區(qū)地球物理場特征,開展深部地球物理剖面測量,提取找礦關鍵信息,建立地球物理模型。根據(jù)主要物性特征和地球物理模型,劃分不同的地質(zhì)體、識別斷裂構造。

(3)三維建模及賦礦構造三維分析。構建礦床三維地質(zhì)模型,重點分析斷裂表面變化特征與礦體分布富集的耦合關系,提取預測要素,對各預測要素進行評價,將找礦信息量的高值區(qū)圈定為找礦有利區(qū)和找礦靶區(qū)。

2.3 基于控礦斷裂帶淺部資源量的深部金礦資源潛力預測方法

2.3.1 方法概述

根據(jù)在相似地質(zhì)環(huán)境中有相似的礦床產(chǎn)出的相似類比原理[2]和礦床在時間、空間上具有穩(wěn)定變化趨勢的慣性原理[1],采用由“由已知到未知”和趨勢外推法,通過對已查明的控礦斷裂淺部資源量的統(tǒng)計分析,外推到與之成礦條件相似的深部預測區(qū),對預測區(qū)的資源量進行估計。

2.3.2 預測要素

主要預測要素包括控礦斷裂,大約-2 000 m高程以淺的累計查明金資源儲量及單位面積金平均含量,沿控礦斷裂延伸到垂向-5 000 m深度高程的垂直縱投影面積。

深部預測資源量估算方法為:深部預測資源量=含礦率×深部預測區(qū)面積。其中,含礦率為淺部單位面積金平均含量,深部預測區(qū)面積為-2 000～-5 000 m深度控礦斷裂的垂直縱投影面積。即在三維地質(zhì)模型上截切垂直縱投影圖,根據(jù)礦體在垂直縱投影圖上不同深度的分布情況,確定單位面積金平均含量(含礦率);根據(jù)預測深度合理劃定控礦斷裂的垂直縱投影邊界,計算其面積;通過與淺部已知區(qū)類比,估算深部潛在的金資源量。

2.3.3 預測流程

深部金礦資源潛力預測流程為:三維地質(zhì)建模—根據(jù)三維模型統(tǒng)計淺部累計查明資源量—截切垂直縱投影圖—單位面積含礦率統(tǒng)計—深部預測區(qū)面積確定—預測資源量估算。

3 深部找礦靶區(qū)預測

3.1 新圈定的找礦靶區(qū)

膠東地區(qū)地質(zhì)工作程度高,除了已探明的大型金礦床集中區(qū)外,是否有新的尚待勘查的大型金礦床集中區(qū),成為地質(zhì)工作者普遍關心的焦點問題。根據(jù)膠東區(qū)域三維地質(zhì)模型、深部探測資料和相關預測要素的綜合分析,確定了3處值得今后重點勘查的找礦靶區(qū)。

本隧道通過對淺埋段地表的深層注漿加固，使隧道邊墻上部裂隙得以完全充填，形成一個穩(wěn)定的整體，有效避免在開挖時可能產(chǎn)生的冒頂及坍塌事故，從根本上保證了隧道施工安全。

3.1.1 棲霞靶區(qū)

棲霞靶區(qū)位于膠北隆起中部(圖1),地表主要由早前寒武紀變質(zhì)巖系組成,零星出露白堊紀花崗巖類,已探明10余處中小型金礦床,均為石英脈型金礦,被地質(zhì)工作者形容為“只見星星,不見月亮”。近年來在300～900 m深度探明了棲霞笏山村大型蝕變巖型金礦床[6,18],揭示了該區(qū)良好的找礦前景。通過對膠東區(qū)域三維地質(zhì)模型的分析發(fā)現(xiàn),地表距離70余千米各自獨立分布的玲瓏和昆崳山2個侏羅花崗巖體,其深部規(guī)模分別相向擴大,在棲霞一帶的早前寒武紀變質(zhì)巖系下部連為一體(圖4),連接帶長度約50 km,寬度約5 km,在地表以下2 000 m深度開始相連。膠東的膠西北成礦小區(qū)、牟乳成礦小區(qū)的金礦床分別圍繞玲瓏巖體和昆崳山巖體分布,以往勘查研究發(fā)現(xiàn),由于白堊紀花崗巖類的快速隆升,在侏羅紀花崗巖與早前寒武紀變質(zhì)巖之間產(chǎn)生拆離斷層,膠東金礦主要受拆離斷層控制[19-21],構成“熱隆—伸展”成礦模式[7]。棲霞地區(qū)早前寒武紀變質(zhì)巖系及其下伏的深部隱伏侏羅紀花崗巖的存在,具備了形成拆離斷層的條件,該區(qū)白堊紀花崗巖類的存在指示其有“熱隆—伸展”的成礦前景。因此,本研究將這一區(qū)域確定為深部大型—超大型金礦床的有利成礦靶區(qū)。

圖4 侏羅紀花崗巖體三維地質(zhì)模型Fig.4 3D geological model of Jurassic granitic pluton

3.1.2 肖古家斷裂靶區(qū)

肖古家斷裂靶區(qū)位于膠北隆起北部的煙臺市福山區(qū)境內(nèi),斷裂呈NNE走向,長約15 km,斷裂下盤為侏羅紀玲瓏型花崗巖和白堊紀郭家?guī)X型花崗巖,上盤為前寒武紀變質(zhì)地層和新太古代TTG。由于斷裂所在位置被第四系覆蓋,斷裂特征和含礦性不清楚。對斷裂三維模型分析表明,斷裂傾向E,傾角30°～65°,淺部傾角集中在50°～65°,產(chǎn)狀較陡,中部傾角變緩,主要集中在30°～40°。斷裂沿走向、傾向均呈波狀舒緩。對斷裂表面進行坡度分析,發(fā)現(xiàn)在0～-1 500 m標高處,斷裂傾角明顯由陡變緩(圖5)。區(qū)域對比顯示,肖古家斷裂與招平斷裂北段的破頭青和九曲蔣家斷裂具有相似的地質(zhì)條件,二者均位于不同時代地質(zhì)體的接觸界面,下盤均為玲瓏型花崗巖,并在花崗巖中賦存較多的石英脈型金礦。近年來,已在破頭青和九曲蔣家斷裂探明深部破碎帶蝕變巖型金礦資源量達600余噸。本研究預測肖古家斷裂為破碎帶蝕變巖型大型金礦的有利找礦靶區(qū)。

圖5 肖古家斷裂三維地質(zhì)模型Fig.5 3D geological model of Xiaogujia fault

3.1.3 萊陽北靶區(qū)

為深入了解深部地質(zhì)體、構造發(fā)育特征及其與金成礦的關系,施工了一條穿越膠北隆起、膠萊盆地和膠西北金礦集中區(qū)的重、磁、MT測量綜合物探剖面(圖6)。綜合物探剖面西起萊州金城、東至海陽二十里店一帶,剖面長度120 km,測線方位130°,測線自西向東穿過的地質(zhì)單元依次為焦家斷裂帶西部的第四系覆蓋區(qū)(0～7.5 km)、焦家斷裂帶和招平斷裂帶之間的玲瓏花崗巖分布區(qū)(7.5～33.5 km)、夏甸至河頭店之間的早前寒武紀變質(zhì)巖分布區(qū)(33.5～64.0 km)、膠萊盆地(64.0～106.0 km)、偉德山型花崗巖高侵位區(qū)(106.0～120.0 km)等。其中,在膠萊盆地北西側的盆地下伏基底中推斷了6條具有明顯斷裂異常特征的隱伏斷裂,編號分別為F1～F6。其中,F5、F6主斷裂在MT測量視電阻率斷面圖中顯示出明顯的低阻異常帶特征,且發(fā)育規(guī)模較大;F1～F4為次級斷裂,具有低阻異常特征,與兩側地質(zhì)體的電阻率差異明顯。F5斷層呈鏟式特征,其深部與招平斷裂有相交趨勢。F5斷層的地球物理特征和斷裂形態(tài)與膠東已知的成礦斷裂特征相似,故本研究將其作為預測的有礦斷裂。

圖6 萊州金城—海陽二十里店綜合地球物理剖面及推斷解譯結果Fig.6 Integrated geophysical profiles and inferential interpretation results in Jinchen-Ershilidian,Jiaodong Peninsula

3.2 焦家和三山島斷裂深部找礦靶區(qū)

3.2.1 焦家斷裂深部找礦靶區(qū)

3.2.1.1 單元塊劃分和成礦有利信息提取

根據(jù)已有地質(zhì)資料對礦體的揭示,特別是勘探線分布,結合已知礦體形態(tài)、產(chǎn)狀和空間分布特征確定了建模的范圍和基本參數(shù)。按照行×列×層=120 m×120 m×10 m,將建立的三維地質(zhì)模型劃分為660 800個單元塊,其中有礦體的單元塊共7 263個。將已知礦體賦值到單元塊,有礦單元塊賦值為1,無礦單元塊賦值為0。對有礦單元塊進行控礦要素提取與統(tǒng)計分析,確定定量預測模型,并將所確定的預測參數(shù)作為屬性賦給每一個單元塊。

賦礦斷裂有利信息單元塊為:① 構造緩沖區(qū),鑒于金礦床嚴格受斷裂控制,金礦體主要賦存于以斷層泥為頂板的斷裂主斷面下盤的破碎蝕變帶中,少量位于主斷面上盤。將主斷面下盤300 m、主斷面上盤100 m范圍作為有利成礦的構造緩沖區(qū)。構造緩沖區(qū)包括108 572個單元塊(圖7),占模型總單元塊(660 800個)的16.43%,其中含礦單元塊7 124個,占礦體總單元塊(7 263個)的98.09%。② 斷裂傾角轉折部位,礦體主要富集在斷裂傾角陡、緩變換的較緩段。將斷裂傾角由陡變緩部位劃分53 285個單元塊,占模型總單元塊的8.06%,其中含礦單元塊2 866個,占礦體總單元塊的39.46%。③ 斷裂表面變化率,將斷裂面分割成無數(shù)個正方形塊體,每個塊體賦予坡度屬性,對固定范圍內(nèi)塊體坡度值進行方差計算,確定斷裂表面變化情況,將斷裂表面變化率劃分99 776個單元塊,占模型總單元塊的15.10%,其中含礦單元塊5 670個,占礦體總單元塊的78.07%。

圖7 焦家斷裂緩沖區(qū)單元塊分布Fig.7 Distribution of unit blocks for buffer zone in Jiaojia fault

通過提取礦體見礦區(qū)域(礦體分布)范圍和礦化富集區(qū)分布范圍(圖8),可以看出礦體富集區(qū)沿走向和傾向均呈近似等間距分布。據(jù)此,沿走向等間距劃分273 240個單元塊,占模型總單元塊的41.35%,其中含礦單元塊5 932個,占礦體總單元塊的81.67%;沿傾向等間距分布劃分251 856個單元塊,占模型總單元塊的38.11%,其中含礦單元塊5 884個,占礦體總單元塊的81.01%。

圖8 焦家礦區(qū)礦體沿走向、傾向等間距分布特征Fig.8 Equidistant distribution of gold orebodies in Jiaojia area

3.2.1.2 三維預測模型和信息量統(tǒng)計

根據(jù)三維地質(zhì)模型及提取的成礦有利信息,建立了焦家斷裂深部找礦預測模型(表1)。該預測模型包括統(tǒng)計分析特征變量5個,約定各特征變量在單元塊中存在時取值為1,不存在時取0。統(tǒng)計特征變量在各單元塊的分布,計算每個單元塊中各特征變量值的總和,作為成礦預測的信息量(表2)。

表1 焦家斷裂深部預測模型Table 1 Prospecting model of Jiaojia deep fault

表2 焦家斷裂帶找礦信息量計算結果Table 2 Calculation results of quantities of information for the Jiaojia fault

3.2.1.3 預測結果

應用信息量法對各特征變量進行評價,得到成礦信息量值,并將這些數(shù)值賦予塊體模型。信息量值高的塊體成礦概率高。統(tǒng)計塊體中各信息量區(qū)間比例(表3)并進行穩(wěn)定性分析,信息量值趨于穩(wěn)定收斂的范圍是成礦的有利區(qū)間范圍。統(tǒng)計表明:信息量值≥3.222時趨于穩(wěn)定收斂(圖9),因此將≥3.222部分作為成礦有利區(qū)間范圍(圖10(a))。在成礦有利區(qū)間內(nèi)可直觀地將信息量值分為3個級別,分別為3.222～4.184,4.184～5.018,≥5.018,根據(jù)與已知區(qū)對比,將信息量值≥5.018的范圍作為預測靶區(qū)范圍,圈定了2處預測靶區(qū)(圖10(b))。其中,Ⅰ號靶區(qū)(北覺于家)位于萊州市金城鎮(zhèn)北覺于家,深度為-1 154～-2 349 m標高,包括預測含礦單元塊1 201個;Ⅱ號靶區(qū)(西季)位于萊州市金城鎮(zhèn)西季,深度為-2 000～-2 490 m標高,包括預測含礦單元塊1 588個。

圖9 焦家斷裂單元塊成礦信息量區(qū)間比例直方圖Fig.9 Histogram of metallogenic information interval proportion of Jiaojia fault block

圖10 焦家斷裂深部成礦預測結果Fig.10 Metallogenic prediction results of the deep of Jiaojia fault

表3 焦家斷裂單元塊成礦信息量區(qū)間比例Table 3 Proportion of information content of 3D blocks for the Jiaojia fault

3.2.2 三山島斷裂帶深部找礦靶區(qū)

3.2.2.1 單元塊劃分和成礦有利信息提取

按照行×列×層120 m×120 m×15 m,將三山島斷裂三維模型劃分1 747 886個單元塊立方塊,其中有礦的單元塊共5 323個。將已知礦體賦值到單元塊,有礦單元塊賦值為1,無礦單元塊賦值為0。成礦有利信息提取與焦家斷裂相同。

3.2.2.2 三維預測模型和信息量統(tǒng)計

根據(jù)礦床三維模型和提取的成礦有利信息建立了三山島斷裂帶三維預測模型(表4),包括統(tǒng)計分析特征變量5個,并約定各變量在單元塊中存在時取值為1,不存在時取0,各變量在各單元塊中的分布統(tǒng)計結果見表5。

表4 三山島斷裂深部預測模型Table 4 Prospecting model of Sanshandao deep fault

表5 三山島斷裂找礦信息量計算結果Table 5 Calculation results of ore-prospecting information of Sanshandao fault

3.2.2.3 預測結果

根據(jù)各單元塊中信息量區(qū)間比例(表6)統(tǒng)計,信息量值≥9.597時信息量趨于穩(wěn)定收斂(圖11),故將≥9.597部分作為成礦有利區(qū)間范圍(圖12(a))。在成礦有利區(qū)間內(nèi)的信息量值分為3個級別,分別為9.597～12.303,12.303～13.080,≥13.080,根據(jù)與淺部已知區(qū)對比,將信息量值≥13.080范圍可作為預測靶區(qū)范圍(圖12(b)),圈定了3處預測靶區(qū)。其中,Ⅰ號靶區(qū)位于萊州市三山島鎮(zhèn)北東(85°方向)3.8 km處,深度為-2 349～-3 122 m標高,包括預測含礦單元塊440個;Ⅱ號靶區(qū)位于萊州市三山島鎮(zhèn)南東(100°方向)3.5 km處,深度為-2 306～-3 121 m標高,包括預測含礦單元塊368個;Ⅲ號靶區(qū)位于萊州市三山島鎮(zhèn)南東(120°方向)3.0 km處,深度為-2 291～-2 701 m標高,包括預測含礦單元塊181個。

圖11 三山島斷裂信息量區(qū)間比例直方圖Fig.11 Histogram of metallogenic information interval proportion of Sanshandao fault block

圖12 三山島斷裂深部成礦預測結果Fig.12 Metallogenic prediction results of the deep of Sanshandao fault

表6 三山島斷裂單元塊信息量區(qū)間比例Table 6 Proportion of information content of 3D blocks for the Sanshandao fault

4 深部資源潛力預測

4.1 三山島斷裂資源潛力

4.1.1 已查明資源量

三山島斷裂累計查明金礦石量333.65×106t,金金屬量1 240 679 kg,礦體平均厚度7.93 m,平均品位3.72 g/t。其中,第一礦化富集帶(0～-500 m標高)金礦石量81.50×106t,金金屬量238 503 kg,礦體平均厚度8.10 m,平均品位2.93 g/t;第二礦化富集帶(-500～-2 000 m標高)金礦石量252.14×106t,金金屬量1 002 176 kg,礦體平均厚度7.90 m,平均品位3.98 g/t。第二礦化富集帶與第一礦化富集帶資源量比值約4.20。

4.1.2 預測資源量估算參數(shù)

(1)預測范圍。根據(jù)已查明礦床的分布范圍向深部外推確定預測范圍。已查明礦床范圍確定為:南邊界為新立礦段最南側的171#勘探線,北邊界為三山島北部海域礦段最北側的70#勘探線,西側為三山島斷裂地表分布位置,東側為-2 000 m標高線與三山島斷裂延深的交會線在地表的投影位置。預測范圍的南、北邊界和西邊界與查明礦床范圍一致,深度為-2 000～-5 000 m。

(2)含礦率。根據(jù)已查明資源量與已查明礦床分布范圍在垂直縱投影圖上的投影面積之比,分別計算了0～-500 m標高范圍和-500～-2 000 m標高范圍的面積含礦率(圖13和表7)。

圖13 三山島斷裂深部資源量預測垂直縱投影圖Fig.13 Vertical projection of resource prediction in the Sanshandao deep fault

表7 三山島斷裂含礦率參數(shù)Table 7 Parameter ore-bearing rate of the Sanshandao fault

4.1.3 資源量預測

在垂直縱投影圖上測算-2 000～-5 000 m預測區(qū)的面積,分別根據(jù)0～-500 m和-500～-2000 m的面積含礦率估算-2 000～-5 000 m預測區(qū)的金資源量。本研究預測的三山島斷裂-2 000～-5 000 m區(qū)域的金資源量約為礦石量(375～560)×106t,金屬量1 100～2 228 t (圖12和表8)。

表8 三山島斷裂資源量預測結果統(tǒng)計Table 8 Statistics of the prediction results of resource quantity of Sanshandao fault

4.2 焦家斷裂和招平斷裂資源潛力

焦家斷裂預測范圍為:南邊界為前陳礦段最南側的408#勘探線,北邊界為新城礦段最北側的201#勘探線,東側和西側分別為焦家斷裂地表分布和地表投影位置,深度為-2 000～-5 000 m標高。

招平斷裂分為3個預測段:① 斷裂北段嶺南—水旺莊金礦床集中區(qū)預測范圍為:南邊界為玲南礦段—9#勘探線,北邊界為水旺莊礦段最北側的29#勘探線,西側和東側分別為斷裂地表分布和地表投影位置;② 中南段的大尹格莊金礦床集中區(qū)預測范圍為:南邊界大尹格莊金礦田54#勘探線,北邊界為大尹格莊金礦田120#勘探線,西側和東側分別為斷裂地表分布和地表投影位置;③ 中南段的夏甸金礦床集中區(qū)預測范圍為:南邊界為夏甸礦段441#勘探線,北邊界為道北莊子礦段35#勘探線,西側和東側分別為斷裂地表分布和地表投影位置。預測區(qū)的深度為-2 000～-5 000 m標高。已查明資源量和預測資源量參數(shù)取值參照三山島斷裂帶,預測結果見表9。

表9 膠西北主要控礦斷裂預測的金資源量統(tǒng)計Table 9 Statistics of predict gold resources for main ore controlling faults in Jiaodong Peinsula

綜上所述,膠東三山島、焦家、招平3條主要斷裂成礦帶-2 000～-5 000 m標高預測的金礦石量為(1 217～2 237)×106t,預測的金金屬量為3 377～6 490 t;-5 000 m以淺金資源總量為礦石量為(2 310～3 330)×106t,金金屬量為7 073～10 150 t。這一數(shù)據(jù)僅是膠東西北部主要已知礦床集中區(qū)深部預測結果,如果再增加膠東其他深部找礦潛力較好區(qū)域的預測成果,并進一步加強深部找礦工作,膠東金礦資源總量在目前5 000余噸的基礎上翻一番達到萬噸目標是非常有希望的,膠東金礦集區(qū)有望成為世界第二大金成礦區(qū)。

目前,膠東地區(qū)已探明金礦的勘查深度多在2 000 m以淺,僅有數(shù)個探索鉆孔鉆探深度超過3 000 m。其中,在三山島斷裂北段西嶺礦區(qū)施工的ZK96-5探索鉆孔,終孔孔深達4 006.17 m,為我國最深的金礦勘探鉆孔,該鉆孔在3 500 m左右深度揭露了厚達數(shù)十米的斷裂破碎蝕變帶;山東省地質(zhì)科學院在焦家斷裂中部焦家巨型金礦床深部實施的ZK01孔,孔深為3 266.06 m,在2 810～2 854 m處揭露到多層工業(yè)礦體[22];山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊于招平斷裂北段的水旺莊礦區(qū)深部施工的ZK3401鉆孔,終孔孔深為3 000.58 m,于-2 700 m附近揭露到九曲蔣家208#斷裂破碎帶,經(jīng)采樣分析,最高金品位接近7×10-6。這些深部探索鉆孔獲得的成礦信息與本研究預測成果相吻合,充分說明在目前已證實的-2 000 m深度以深,還有很大的深部找礦潛力。另外,地質(zhì)與地球物理探測表明,焦家斷裂和三山島斷裂沿傾斜方向向深部傾角逐漸變緩,二者在-4 500 m標高左右交會[17]。結合對剝蝕程度、成礦深度、深部鉆探驗證和斷裂向深部延伸等的綜合分析認為,焦家斷裂和三山島斷裂在其延伸范圍的-4 500 m標高以淺具備良好的金成礦條件和巨大的找礦潛力。

5 結 論

(1)深部礦床不具備傳統(tǒng)的綜合信息成礦預測條件,依據(jù)高精度地球物理探測和已知區(qū)鉆探工程建立三維地質(zhì)模型成為深部成礦預測的重要手段。通過剖析膠東金礦斷裂控礦規(guī)律,提出了基于階梯成礦模式、重點根據(jù)斷裂傾角梯變和緩傾角段控礦規(guī)律的深部找礦靶區(qū)預測方法和基于控礦斷裂帶淺部資源量的深部金礦資源潛力預測方法。

(2)在膠東區(qū)域三維模型分析和高精度地球物理探測的基礎上,主要依據(jù)斷裂產(chǎn)狀、賦礦地質(zhì)體分布等圈定了3處找礦新靶區(qū)。在主要金礦床集中區(qū)三維地質(zhì)模型中提取斷裂緩沖區(qū)、斷裂傾角、斷裂表面變化率、礦化富集區(qū)等間距分布等特征變量,通過三維信息量統(tǒng)計,在焦家斷裂和三山島斷裂深部圈定了5處找礦靶區(qū)。

(3)通過統(tǒng)計三山島、焦家、招平3條控礦斷裂主要金礦集中區(qū)-2 000 m標高以淺的已探明金資源量,預測三者-2 000～-5 000 m標高金資源量達到3 377～6 490 t,認為膠東金資源總量有望超過萬噸目標。