礦田構(gòu)造變形巖相帶的地球物理資料解譯與找礦應用

張寶林呂古賢余建國梁光河徐興旺李志遠張啟鵬史曉鳴魏竣濱許道學李 旭趙 鵬

1.中國科學院礦產(chǎn)資源研究重點實驗室,中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029;2.中國科學院地球科學研究院,北京 100029;3.中國科學院大學,北京 100049;4.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所,北京 100081;5.內(nèi)蒙古礦業(yè)開發(fā)有限責任公司,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)找礦預測,需要應用地球物理方法進行探測。中國已經(jīng)擁有大量進口和國產(chǎn)的高精度地球物理儀器設備和數(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),找礦預測取得了一定進展(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)試驗研究工作,結(jié)合地質(zhì)、化探資料進行綜合解釋推斷,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證結(jié)果不符的情況,導致找礦成功率偏低(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)造時序和級序,沒有實施分層次的控礦構(gòu)造理論指導,找礦效果難以預測(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別的礦化地質(zhì)體目標,從而提高物探方法的找礦水平。

構(gòu)造物理化學的重要任務之一,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)造動力成巖成礦理論等基礎上(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。

將構(gòu)造變形巖相帶作為深部找礦預測目標(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間-空間關(guān)系極為復雜,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,必須分層次認識和解析地球物理信息,進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志,需要厘清含礦地質(zhì)體的時間-空間演化規(guī)律,加強地質(zhì)力學與地球物理學的聯(lián)系。文中對此進行較系統(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)學與固體地球物理學的復雜時空關(guān)系

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

1.1 兩大學科的研究側(cè)重點不同

地質(zhì)學和固體地球物理學都將固體地球作為主要研究目標,但各自的時間屬性和空間屬性側(cè)重點卻明顯不同。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“災變論”現(xiàn)象,但證據(jù)鏈不完整,導致地質(zhì)研究成果和礦床成因模型本身存在很大的不確定性、理想化且無法驗證。地質(zhì)方法在直接觀察識別巖石類型、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)造的識別則存在較大的困難。在劃分成礦系統(tǒng)的時候,并未考慮地質(zhì)體演化時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,進行數(shù)據(jù)處理和資料解譯,完成報告撰寫。但在資料處理過程中,遵循的是數(shù)學和物理學的原理和模型,與定量化的地質(zhì)演化過程關(guān)系尚需進一步研究。到了最后階段,要求按照地質(zhì)學原理對各種物探異常作出合理解釋,這實在是一個挑戰(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,得出的認識也是不同的。

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證。

1.2 地球物理資料解釋與注意事項

常規(guī)的金屬礦地球物理勘探,從目標地質(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,進而圈定找礦靶區(qū),卻很少考慮時間和構(gòu)造體系控礦的因素。地質(zhì)學家充分發(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,進而布置驗證工程。在這個過程中,虛擬的物探異常不應脫離地質(zhì)事實,對地球物理方法效果和分辨率的要求,也應該有相應的準則。

1.2.1 對斷裂帶的識別

地震勘探是識別斷裂構(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。實際上,地震勘探的時間(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。

應當指出的是,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,更不能識別構(gòu)造性質(zhì),因為斷裂活動本身就是階段性的、不連續(xù)的,斷裂帶的連續(xù)性和寬度是變化的,沿斷裂帶走向的物探異常參數(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,如目標地質(zhì)體的規(guī)模、形狀、位置;②時間分辨率,如地質(zhì)記錄的詳細程度;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),難以滿足實際要求。地質(zhì)學家憑借知識、經(jīng)驗和想象力畫出的物探異常解釋圖,往往難以得到工程驗證。再如,對地震資料作出解釋之前,往往要建立一套物性標志層,前提條件是地表或淺部已知的巖性。而實際情況是,地質(zhì)過程非常復雜,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)造理論認為,構(gòu)造運動在地殼內(nèi)形成了很多不同時期的構(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、熱導率、放射性等,是形成各種地球物理場的基礎。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算和實驗方法推演。

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)石標本,測定物性參數(shù);第二步布置掃面和重點剖面測量;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,第四是對驗證效果的評價。依據(jù)地球物理學原理圈定的異常部位,往往與地質(zhì)認識及工程驗證結(jié)果不匹配。

1.3 地質(zhì)力學與地球物理勘探有共同的研究對象

地質(zhì)力學主要是用力學的觀點研究地質(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)力學是廣義的地質(zhì)學的一個分支學科,同時也涉及地球物理學,天文地質(zhì)學等;它與大地構(gòu)造物理學有密切的聯(lián)系(李四光,1953)。地質(zhì)力學注重構(gòu)造體系的分析,特別是活動構(gòu)造的活動規(guī)律和動力來源,以及斷層、褶皺等構(gòu)造形跡形成的力學機理的分析,也注重研究地應力和地質(zhì)因素對巖土工程的力學分析的影響。

近些年來,呂古賢提出了地質(zhì)力學構(gòu)造體系的4個關(guān)鍵特征:①構(gòu)造體系的核心標志是最大主壓應力面;②當前研究重點是中新生代構(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。

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,其定位時間在中新生代。而地質(zhì)力學是從材料力學的角度研究地殼結(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。從絕對運動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條件下發(fā)生力學性質(zhì)的變化,如脆性、韌性等,也是地質(zhì)力學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、巖石地球化學分布以及形成巖相物理化學環(huán)境的地質(zhì)實體(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),也稱為動力變質(zhì)巖。迄今為止,世界各地研究者已經(jīng)報道了海量的巖石標本物性參數(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-負磁、中高阻-中低阻(表1)。

表1 復成地質(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)標志的角度對各種構(gòu)造變形巖相作出詳細的劃分,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別?還是個有待解決的問題。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)和物探方法的可識別厚度(物性參數(shù)數(shù)據(jù)界線),也沒有很好對應關(guān)系。因此,僅僅依靠手標本測量的各類構(gòu)造巖石的物性特征,很難詳細劃分出單個的巖相。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)難以準確描述目標地質(zhì)體的地球物理場特征。因此,雖然目標地質(zhì)體有一定的尺寸,但地球物理勘探方法的空間分辨能力,尚未達到顯微鏡尺度的分辨水平。

2.2 地球物理方法可以識別構(gòu)造變形巖相帶

前已述及,物探方法難以區(qū)分單個的構(gòu)造變形巖相,如果將探測目標變更為圈定多個構(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測目標,從而把找礦標志從幾米至十幾米擴大到幾百至幾千米寬,即構(gòu)造變形巖相帶的規(guī)模可達幾十米甚至幾百至幾千米(呂古賢等,2016,2020b),則物探方法識別空間位置的技術(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別,從而顯著提高預測水平,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)認為,進行構(gòu)造體系控礦分析,不能僅把方向作為唯一標志,更應研究結(jié)構(gòu)面的多序次、多方向和多力學性質(zhì)等問題。其中,新華夏構(gòu)造體系的結(jié)構(gòu)面具有多種力學性質(zhì)、多個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踐和對比研究,取得了一些經(jīng)驗和認識: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別不同應力-應變特點的地質(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代地質(zhì)認識前提下實施的,關(guān)注的只是單一方向的構(gòu)造特征,實際上難以直接對比和應用。

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)造帶形成時間較早,出露多且遭剝蝕作用強,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)造應力場及其復合控巖控礦規(guī)律。以上這些不同方向的構(gòu)造樣式,尚處于地質(zhì)認識階段,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,應分層次解析成礦地球物理信息,進而圈定含礦構(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 應用實例:柴胡欄子地區(qū)構(gòu)造格架與金礦預測

近些年來,采用上述思路,根據(jù)在中國東部內(nèi)蒙古、膠東、海南等地多個金礦田開展的找礦預測研究,發(fā)現(xiàn)了這些礦田的共同特點: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。下面的實例中,重點介紹如何從區(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,在文中重點研究區(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,可以清晰識別出北西西向展布的正磁異常帶(圖3),對應著新近紀玄武巖帶,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。基于北西西向構(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,進一步反映了區(qū)域新構(gòu)造運動的差異性活動特征,也為南部亞帶開展深部找礦預測提供了新的證據(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,這一認識為礦區(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,截斷了北北西向分布的I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斷,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,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,為實現(xiàn)找礦突破作出了重要貢獻。目前多是從巖(礦)石標本的物性參數(shù)入手,以品位圈定的礦體為勘探目標,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,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)律研究及找礦預測方面,方維萱及其團隊提出了“構(gòu)造巖相學”概念并在國內(nèi)外典型礦區(qū)開展了廣泛的找礦實踐(方維萱,2016,2017,2019;方維萱等,2018);韓潤生及其團隊從構(gòu)造地球化學研究入手,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)的分類標志,并且詳細研究了構(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)地球化學基礎。其中,大比例尺構(gòu)造巖相獨立填圖單元的建立,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解譯的重要參考標志。

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,應當成為隱伏區(qū)和深部找礦勘查中重要的研究和應用方向。

5 結(jié)論

地質(zhì)力學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。針對研究目標,要結(jié)合地質(zhì)年代學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。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個礦區(qū)的初步應用結(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海博士幫助清繪了部分圖件,一并深表謝意。