遼寧瓦房店金伯利巖剝蝕深度與金剛石剝蝕量計(jì)算

王雪木，王 萍，胡 克

（1．海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南 ?？?70206；2．中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100094；3．中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （北京），北京100083）

金剛石是一種具有重要工業(yè)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值的特殊礦產(chǎn)資源。按成因分類，賦存金剛石的礦床分為原生礦床和次生砂礦床兩種類型?，F(xiàn)階段我國(guó)已查明的金剛石礦床主要分布在華北地臺(tái)與楊子地臺(tái)的湖南省、山東省和遼寧省。在我國(guó)發(fā)現(xiàn)的金伯利巖均分布于大斷裂構(gòu)造的次級(jí)斷裂中，呈巖管、巖脈、巖墻或巖床狀沿?cái)嗔褞С扇寒a(chǎn)出。

遼寧省的金剛石礦產(chǎn)主要位于瓦房店地區(qū)，多為金伯利巖型原生礦，也有3處中小型砂礦。從20世紀(jì)70年代至今已發(fā)現(xiàn)112處金伯利巖體，包括24個(gè)巖管，88個(gè)巖脈，其中達(dá)到工業(yè)品位的金伯利巖管有6個(gè)（30、42、50、51、68、74號(hào)）；金伯利巖體呈由北向南間距約8km的3條礦帶（圖1）［1］，其中42、30號(hào)巖管在Ⅰ礦帶，50、51、68、74號(hào)巖管在Ⅱ礦帶，3條礦帶中的各巖體普遍含有金剛石（圖1）。各巖體內(nèi)金剛石含量變化較大，一般為100～300mg／m3。該地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的3處金剛石砂礦緊鄰原生礦，屬于以洪積作用為主的河谷砂礦和沖出錐型砂礦［2］。

本文以金伯利巖管的理想模型為基礎(chǔ)，結(jié)合前人勘探和采礦得到的巖管根部金剛石品位，對(duì)金伯利巖剝蝕深度及金剛石剝蝕量進(jìn)行計(jì)算。

圖1 瓦房店地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖及金伯利巖分布圖

1 區(qū)域概況

瓦房店地區(qū)位于遼東半島南部，屬山地丘陵區(qū)，地勢(shì)由東北向西南逐漸降低，基底由太古界鞍山群和遼河群混合花崗巖、斜長(zhǎng)角閃巖及各種片麻巖、片巖組成，巖石變質(zhì)程度深，同位素年齡測(cè)定值為1700Ma［3］。區(qū)內(nèi)出露地層有：太古界鞍山群，城子坦組黑云斜長(zhǎng)片麻巖；下元古界遼河群，大石橋組大理巖、蓋縣組片巖；上元古界青白口系永寧組長(zhǎng)石石英砂巖，釣魚臺(tái)組石英砂巖，南芬組砂巖、頁巖和泥灰?guī)r，震旦系橋頭組石英砂巖，下古生界寒武系，奧陶系結(jié)晶灰?guī)r、頁巖和粉砂巖；上古生界石炭系砂巖；中生界侏羅系、白堊系頁巖、砂巖、礫巖，第四紀(jì)砂礫石層分布于河谷兩側(cè)。金州斷裂是區(qū)內(nèi)重要的斷裂構(gòu)造，南起大連灣，北至熊岳，縱貫遼東半島，斷裂走向北東20～30°，傾向北西，傾角30～50°，該斷裂形成于古元古代，是控制晚元古代及古生代地層沉積并長(zhǎng)期活動(dòng)的正斷層［4］。以金州斷裂為界，東側(cè)新金凸起為長(zhǎng)期抬升區(qū)，由前震旦紀(jì)古老變質(zhì)巖系組成，并有中生代燕山期花崗巖侵入；西側(cè)復(fù)州坳陷區(qū)沉積了自上元古界以來的一套沉積巖系。區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)不劇烈，除金伯利巖外，還有輝綠巖、橄欖玄武巖和流紋斑巖等，大多呈脈狀或床狀。目前已發(fā)現(xiàn)的金伯利巖體均分布于金州斷裂以西（圖1）［4］。

2 金伯利巖漿體系理想模型與瓦房店地區(qū)金伯利巖巖相判斷

1987年，R．H．Mitchell等人依據(jù)南非的金伯利巖深部構(gòu)造，建立了金伯利巖巖管的理想模型：一個(gè)完整的金伯利巖巖管一般呈倒圓臺(tái)體形狀，由上到下依次為火山口相、火山通道相與淺成相（圖2）［5］。淺成相巖石除以巖管的根部帶產(chǎn)出外，還呈巖床雜巖和巖墻群；火山通道相與火山口相產(chǎn)狀與一般火山作用形成的相類似。巖相上，在淺成相中出露有金伯利巖與金伯利角礫巖；火山通道相出露凝灰狀金伯利巖和凝灰狀金伯利角礫巖，并常見球狀火山礫；火山口相包括熔巖、火成碎屑金伯利巖及外成碎屑金伯利巖。

在遼南研究區(qū)范圍的金伯利巖體中，含有凝灰狀構(gòu)造、角礫狀構(gòu)造和塊狀構(gòu)造等。角礫成分包含了圍巖的碎屑角礫和早期金伯利巖碎屑角礫，從巖相上看，研究區(qū)的金伯利巖多數(shù)呈現(xiàn)為淺成相或接近根部帶的火山通道相。從形態(tài)上看，金伯利巖群呈現(xiàn)出“脈多管少”（巖脈88個(gè)，巖管24個(gè)）的特點(diǎn)，即多數(shù)金伯利巖體以巖墻形式產(chǎn)出，這一點(diǎn)也可說明該地區(qū)的金伯利巖為淺成相。

圖2 金伯利巖管理想模型圖

3 金伯利巖剝蝕深度與金剛石剝蝕量計(jì)算

金伯利巖漿在上升過程中，除侵入至地表爆破形成火山口相外，也有部分巖漿在上升過程中固結(jié)成巖，形成隱伏金伯利巖體。目前沒有證據(jù)顯示研究區(qū)周圍金伯利巖群在形成時(shí)是否都穿透至地表，因此在計(jì)算金伯利巖管剝蝕深度時(shí)，采用了在巖管中所能夠找到的年代最新的角礫物質(zhì)所屬層位作為巖漿入侵的頂部地層，結(jié)合周圍區(qū)域地層的發(fā)育厚度，計(jì)算得出金伯利巖管形成時(shí)的深度。

3．1 剝蝕深度

根據(jù)同位素絕對(duì)年齡測(cè)試結(jié)果顯示，瓦房店地區(qū)的金伯利巖群形成于晚奧陶紀(jì)（465±2Ma）①《遼寧省復(fù)縣金剛石原生礦床地質(zhì)研究報(bào)告》，1982。。

以瓦房店地區(qū)的42號(hào)巖管為例，計(jì)算剝蝕前巖管的理論深度。

42號(hào)巖管位于遼南金伯利巖區(qū)Ⅰ礦帶東段，現(xiàn)地表圍巖是釣魚臺(tái)組石英巖、粉砂巖、頁巖，巖體與圍巖界限清楚，由斑狀、角礫狀、球狀金伯利巖組成。根據(jù)圍巖角礫成分推斷，金伯利巖形成時(shí)侵入的最新地層層位是奧陶系中下部地層，主要?jiǎng)兾g期在中生代晚期以后。通過查閱《遼寧省區(qū)域地質(zhì)志》可知，該區(qū)地層缺失長(zhǎng)嶺組以上地層，寒武系地層超覆在震旦系橋頭組之上［6］。查閱出巖管周圍各地層厚度后，計(jì)算得到42號(hào)巖管的理論剝蝕深度（表1）。

由表1可得到42號(hào)巖管的理論剝蝕深度為2728m。以同樣的方法可計(jì)算出6個(gè)達(dá)到工業(yè)品位巖管的理論剝蝕深度（表2）。

表1 42號(hào)巖管理論剝蝕深度

表2 各工業(yè)巖管理論剝蝕深度計(jì)算結(jié)果／m

3．2 剝蝕體積

世界各地的金伯利巖管在開采過程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：隨著開采深度的增加，巖管的面積減小。博茨瓦納的奧帕拉巖管，地表面積148萬m2，呈橢圓形，在120m深處變?yōu)檎L(zhǎng)形，橫截面積減少20%左右。南非地區(qū)的眾多巖管，如普列米爾巖管地表面積48．4萬m2，垂深400m以內(nèi)形態(tài)上沒有大的變化；德比爾斯巖管地表面積6．93萬m2，地表以下每加深100m，巖管橫截面積減少13．2%；金伯利巖管每加深100m，巖管橫截面積減少8%。前蘇聯(lián)地區(qū)的“和平”巖管，地表面積13萬m2，其地下深度每加深100m，橫截面積縮小13．6%［7］。一個(gè)完整的金伯利巖管在形成時(shí)，頂部面積與根部面積比值通常為5∶1～10∶1。本文在恢復(fù)研究區(qū)金伯利巖巖管形成時(shí)的地表面積時(shí)，采用了最小值5∶1。

根據(jù)巖管理論剝蝕深度與橫截面積之間的關(guān)系，可恢復(fù)出30號(hào)、42號(hào)、50號(hào)金伯利巖管形成時(shí)的完整形態(tài)復(fù)原圖（圖3）。

復(fù)原后的金伯利巖筒形狀（圖3）近似倒圓臺(tái)，應(yīng)用圓臺(tái)的體積公式（式（1））對(duì)圓臺(tái)進(jìn)行體積計(jì)算，得出各巖管的剝蝕體積。再利用各巖管勘探時(shí)獲得的金剛石品位，結(jié)合巖管剝蝕體積，計(jì)算得出金剛石剝蝕量（表3）。

式中：S和S′為圓臺(tái)兩個(gè)底面面積，h為圓臺(tái)高。

在金伯利巖管實(shí)際開采中，發(fā)現(xiàn)大部分金伯利巖管的金剛石品位具有隨著深度的增加而下降的趨勢(shì)。例如南非普列米爾巖管，隨著開采深度的增加，金剛石的品位不斷下降，在400m深時(shí)已經(jīng)由剛剛投產(chǎn)時(shí)的1．5～3克拉／m3下降到0．34克拉／m3，差距達(dá)5～10倍之多。另外，在金伯利巖的巖脈和巖床中亦含有金剛石，部分巖脈甚至賦存有高品位的金剛石，本文在計(jì)算時(shí)采用的是淺成相賦存金剛石的品位數(shù)據(jù)，沒有將巖脈、巖墻的金剛石剝蝕量計(jì)算在內(nèi)，因此所得到的數(shù)據(jù)較為保守。

圖3 金伯利巖管復(fù)原圖

表3 各達(dá)到工業(yè)品位的金伯利巖管理論剝蝕體積與金剛石剝蝕量

由表3可知，在瓦房店地區(qū)的金伯利巖群中，僅6個(gè)達(dá)到工業(yè)品位的金伯利巖管在形成之后的剝蝕體積達(dá)到4．25億 m3，金剛石的剝蝕，量達(dá)到約2．28億克拉。

在這里存在一個(gè)問題：地質(zhì)歷史時(shí)期的剝蝕速率無法根據(jù)現(xiàn)有地勘工作得到確切的數(shù)據(jù)，所以本文計(jì)算出的金剛石剝蝕量是金剛石原生礦自晚奧陶紀(jì)形成以來所剝蝕掉的總量。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來金伯利巖原生礦區(qū)活動(dòng)較為強(qiáng)烈，表現(xiàn)為地表間斷性抬升，在這一期間金剛石原生礦持續(xù)被剝蝕，在原生礦附近形成了沖積型和坡積型砂礦；在河流兩側(cè)的高級(jí)階地中普遍存在早期金剛石，雖然沒有發(fā)現(xiàn)達(dá)到工業(yè)品位的金剛石砂礦，但整體賦存量不可忽略。

4 結(jié) 論

本文通過研究遼寧瓦房店地區(qū)金伯利巖群中主要成礦巖管的巖管形態(tài)，聯(lián)系區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，依據(jù)前人的地質(zhì)工作成果，計(jì)算出本區(qū)金伯利巖管的剝蝕深度在2．3～2．8km左右。

根據(jù)本區(qū)達(dá)到工業(yè)品位的6個(gè)金伯利巖管的品位數(shù)據(jù)，聯(lián)系世界上已知的較完整的金伯利巖管形態(tài)變化規(guī)律，恢復(fù)了該地區(qū)金伯利巖管形成時(shí)的形態(tài)，由此計(jì)算出本區(qū)6個(gè)達(dá)到工業(yè)品位的巖管的剝蝕體積為4．25億m3；進(jìn)而計(jì)算出自形成之后6個(gè)巖管被剝蝕的金剛石總量，達(dá)到2．28億克拉。

致謝：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）趙磊教授在本文的編寫過程中提出了寶貴的意見；遼寧省第六地質(zhì)大隊(duì)提供了資料查閱方面的種種便利，在此謹(jǐn)表謝忱。

［1］ 董振信．中國(guó)金伯利巖［M］．北京：科學(xué)出版社，1994：1－2．

［2］ 張培元．中國(guó)金剛石礦床［M］／／張培元文集．北京：地質(zhì)出版社，2000：151－156．

［3］ 池際尚，路鳳香，等．華北地臺(tái)金伯利巖及古生代巖石圈地幔特征［M］．北京：科學(xué)出版社，1996．

［4］ 齊玉興，施中爽，韓柱國(guó)．遼寧金剛石礦找礦與勘查［J］．遼寧地質(zhì)，1998，6（2）：111－125．

［5］ R．H．Mitchell．金伯利巖［M］．北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1991．

［6］ 遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局．遼寧省區(qū)域地質(zhì)志［M］．北京：地質(zhì)出版社，1989．

［7］ 張培元．世界金剛石礦床的形成與分布規(guī)律［M］．北京：地質(zhì)出版社，1982．