三维地质构造综合调查在辽宁瓦房店金刚石矿深部找矿中的应用.pdf
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1、 收稿日期:2021-07-21;改回日期:2021-12-04;网络首发日期:2022-03-29 项目资助:辽宁省 2019 年省级地质勘查项目“瓦房店金刚石整装勘查区增储示范工程”(LNZC2019-0078-11-1、LNZC2019-0078-1(1)、LNZC2019-0078-20)和 2020 年省级地质勘查项目(JH20-210000-05760)联合资助。第一作者简介:仲米山(1986),男,博士研究生,高级工程师,构造地质学专业,从事三维地质构造调查研究。E-mail: 通信作者:王海鹏(1972),男,教授级高级工程师,从事区域地质与矿产调查工作。E-mail: 刘正宏
2、(1960),男,教授,从事构造地质学和区域地质调查研究。E-mail: doi:10.16539/j.ddgzyckx.2022.01.012 卷(Volume)47,期(Number)3,总(SUM)194 页(Pages)535545,2023,6(June,2023)大 地 构 造 与 成 矿 学Geotectonica et Metallogenia 三维地质构造综合调查在辽宁瓦房店 金刚石矿深部找矿中的应用 仲米山1,2,张国仁2,王海鹏2*,卢君实2,刘正宏1*,刘 锦1,吴子杰2,3,高福亮2,高永钊2,潘玉啟2,万方来4,蒋丽丽5,杨 磊4,孙桂涛6(1.吉林大学 地球科学学
3、院,吉林 长春 130061;2.辽宁省地质勘查院有限责任公司,辽宁 大连 116100;3.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580;4.辽宁省第六地质大队有限责任公司,辽宁 大连 116200;5.辽宁省物测勘查院有限责任公司,辽宁 沈阳 110121;6.辽宁省第七地质大队有限责任公司,辽宁 丹东 118003)摘 要:辽宁省瓦房店地区金刚石成矿带是我国非常重要的金伯利岩型原生金刚石矿产区,该区已发现 100 多个金伯利岩体,探明的金刚石矿资源储量占全国的一半以上。区内影响金伯利岩体形态的主要因素是断裂构造,岩浆侵位时断裂构造控制了岩体形态,成矿后断裂构造对岩体形
4、态进行了改造。逆冲推覆构造是影响区内金伯利岩体形态的最主要断裂构造。本文运用三维地质构造综合调查方法,以三维地质构造填图为基础,以研究区重点构造(逆冲推覆构造)为框架,以物探资料、钻孔资料为深部约束条件,以 50 号金伯利岩管为重点研究对象,基于 3D Mine 矿业工程软件平台,利用数字化地学信息建立工作区三维地质模型的工作过程和取得的成果。通过此次工作,证实了区内存在逆冲推覆构造,解释了部分金伯利岩体向下延深不大或突然消失的原因,提出了 50 号金伯利岩管 SEE 方向推覆构造面下盘可作为重点勘查区的认识,为瓦房店地区下一步金刚石找矿工作部署提供了依据。关键词:三维地质调查;金刚石成矿带;
5、逆冲推覆构造;三维地质模型;瓦房店地区 中图分类号:P628 文献标志码:A 文章编号:1001-1552(2023)03-0535-011 0 引 言 随着全球矿产资源需求的日益增长,使得深部找矿的需求变得越来越迫切,这就要求我们必须更加了解地下深部的地层、岩浆岩、构造与矿体之间的空间关系。在这种形势下,三维地质建模技术应运而生,自 20世纪 80年代提出以来,该项技术在国内外得到快速发展(Mallet,1992;Carr et al.,1999;Dekemp,2000;Graymer et al.,2005;Kaufmann and Martin,2008;王国灿等,2015;李兆亮等,2
6、016;郭福生等,2018;刘子杰等,2020),在建模软件使用和建模方法上都有很多实例(Lemon and Jones,2003;536 第 47 卷 王功文等,2011;朱威等,2016;陈国旭等,2019;陈晓晶等,2020;杨旺东等,2020),但是多数都是在地质构造简单或针对矿区矿体的小范围建模,在区域性大范围及矿产预测方面的应用较少(滕寿仁等,2015;俞嘉嘉等,2021)。辽宁省瓦房店地区以盛产金刚石闻名全国,金刚石矿资源储量占全国的 52%(宋瑞祥,2013;刘礼广等,2020),其中 50 号金伯利岩管以金刚石成色好、质量佳、品质上乘而享誉国内外。自 1971 年辽宁省区测队
7、在此发现金伯利岩以来,历经近半个世纪的勘探、开发与成岩、成矿理论探索研究,取得了丰硕的成果(路凤香等,1995;郑建平等,1996,2004,2006;Nakai et al.,2012;Zhao et al.,2015;Zhu et al.,2017,2019;付海涛,2019)。前人曾用多种方法对金伯利岩形成时代进行测定,结果主要集中在古生代早期(路凤香等,1995),其中以中奥陶世(4652 Ma)为主(张宏福和杨岳衡,2007)。金伯利岩体主要呈岩管或岩脉状产出,一般产状较陡,近直立。在勘探和开采过程中,发现很多金伯利岩管(脉)仅分布于地下较浅部,向下突然尖灭或消失。付海涛等(2017
8、,2019)通过大量钻孔资料,建立 50 号和 30 号等金伯利岩管的三维模型。该模型显示,50 号岩管在 EW 向剖面上呈现西侧底部上翘、东侧底部拖尾的蝌蚪状,SN 向剖面则是略向南倾近直立的厚板状,可能是由于受到由东向西推力而形成的,推测可能存在逆冲推覆构造对金伯利岩管(脉)形态的改造,但当时缺乏地层、构造与矿体关系的综合模型验证。本次研究在课题组前期工作的基础上(张国仁等,2020;仲米山等,2021),运用三维地质构造综合调查方法,对该区进行了详细的地表地质构造调查,发现了逆冲推覆构造证据,结合物探和钻孔资料,建立研究区三维地质构造综合模型,直观地展示地层、岩体、构造、矿体之间的三维空
9、间分布特征,为深部找矿预测提供科学依据。通过三维地质建模发现了金伯利岩管突然消失的原因,通过构造模型恢复,预测了下一步找矿靶区位置,指明了找矿方向。1 区域地质概况 辽宁省瓦房店地区位于华北克拉通北缘东段,郯庐断裂带以东,东邻辽南金州变质核杂岩拆离断层带(图 1)。区内地质构造复杂,其中中生代构造形迹最为明显,其改造了早期构造,使早期构造残留不全。但对研究区影响较大的为古生代近 EW 向构造,该构造是金伯利岩重要的容矿、导矿构造,对金伯利岩带有一定的控制作用,因此绝大多数金伯利岩管或岩脉的单个矿体走向均为近 EW 向。受后期NNE 向走滑断裂改造,岩管或岩脉群才呈 NE 走向。经前人同位素年龄
10、测定,将金伯利岩形成时代限定为 4652 Ma,为早古生代中奥陶世(张宏福和杨岳衡,2007)。印支期受 SN 向挤压应力控制,区域上形成近 EW 向褶皱构造,在研究区南部金州、复洲湾一带表现最为强烈。燕山早期受近 EW 向挤压应力控制,形成轴向 NNE-SSW 褶皱,亦形成近 SN走向(EW 向运动)的逆冲推覆构造(张国仁等,2020),如长兴岛、瓦房店一带的逆冲推覆构造。燕山中期受伸展作用控制,在研究区东部形成辽南金州变质核杂岩拆离断层带,及同期早白垩世伸展盆地和同构造侵入岩(Liu et al.,2005,2006;仲米山等,2020),燕山晚期 NNE 向的大型走滑平移断裂构造将早期地
11、质界线和断裂构造线错断,表现出左行走滑系统。辽东半岛出露地层主要有青白口系、南华系、震旦系、寒武系和奥陶系,古元古界和中生界仅在瓦房店以南局部出露。瓦房店地区及附近出露地层主要为青白口系钓鱼台组、南芬组和南华系桥头组、长岭子组。钓鱼台组主要为薄中厚层石英砂岩、粉砂岩夹页岩;南芬组主要为中厚层泥灰岩及紫色页岩、薄层粉砂岩等;桥头组以薄中厚厚层石英砂岩夹灰白色页岩为主;长岭子组主要为薄层粉砂岩夹薄层灰岩及页岩;寒武系为灰岩夹页岩、砂岩等(图 2)。瓦房店金刚石成矿带位于瓦房店市西南部,分布在长约40 km、宽约30 km的范围内。截至目前,研究区内共发现金伯利岩体 113 个,其中岩管 24 个,
12、岩脉 89 个,另有疑似岩体 7 个,共可划分出 4 个金刚石成矿带(付海涛,2019),每条成矿带总体走向NEE,彼此平行分布。号成矿带主要分布在瓦房店西部。金伯利岩脉或岩管的长轴方向为 NEE 向或近 EW 向。辽宁省第六地质大队在该区提交了 4 个大型金刚石原生矿床和 3个中小型近源沟谷砂矿。在 4 个大型原生矿中,探明资源量从大到小依次为42 号岩管、50 号岩管、30 号岩管,和由 51、68、74 三个岩管组成的岩管群(宋瑞祥,2013;刘礼广等,2020)(图 1)。2 三维地质建模方法 建立区域三维地质体模型的方法如下(图 3):第 3 期 仲米山等:三维地质构造综合调查在辽宁
13、瓦房店金刚石矿深部找矿中的应用 537 1.下白垩统普兰店组;2.下侏罗统瓦房店组;3.二叠系和石炭系未分;4.奥陶系;5.寒武系;6.震旦系;7.青白口南华系未分;8.古元古界;9.新太古界;10.早白垩世岩体;11.古元古代岩体;12.地质界线;13.角度不整合界线;14.性质不明断层;15.逆断层;16.正断层;17.平移断层;18.逆冲推覆构造;19.伸展构造;20.韧性剪切带;21.背斜;22.向斜;23.倒转背斜;24.金伯利岩管;25.金伯利岩脉;26.金刚石成矿带编号。图 1 辽东半岛区域地质图(据 Yang et al.,2011 修改)Fig.1 Regional geol
14、ogical map of the Liaodong Peninsula 第一步,收集研究区以往地质、物探、遥感以及钻孔资料,然后针对性地进行野外三维地质构造专项调查,对物探、遥感、钻孔所反映的隐伏构造或解译构造进行详细的地表验证和追索,保证地上、地下地质信息的勾绘合理、准确。第二步,根据地表调查及物探、遥感等资料,编制二维地质平面图(图 4a),根据地质、物探、钻探等资料编制三维地质剖面图(图4b),三维地质综合剖面图与二维地质平面图在地表地质体的表达上一一对应(图 4c)。第三步,依据二维地质平面图与三维地质综合剖面图,建立三维地质构造模型,重点是断层框架的建立(图 4d),然后将二维地质
15、平面图叠加到 DEM地形之上,建立起三维地质表面模型。第四步,以三维地质表面模型为地表依据,以三维地质综合剖面为深部预测依据(图 4e),以三维地质构造模型的构造面(断层面)为边界,在充分考虑地质体产状、褶皱构造等地质要素并结合已有物探、钻探等深部资料(图 4f)的基础上,绘制地质体边界,利用三维绘图软件以人工干预方式分别绘制出每个地质体及矿体(图 4g)。第五步,通过建立的三维地质体模型,直观展示地层、岩体、构造、矿体之间的三维空间分布特征(图 4h),并据此开展成矿地质条件和控矿因素分析与研究。第六步,为预测靶区及指导找矿提供三维空间平台(图 4)。538 第 47 卷 3 研究区三维地质
16、模型 本次工作利用 3D Mine 软件,建立了瓦房店地区金刚石成矿带和 50 岩管周边地区的三维地质模型(图 5)。三维地质模型清晰展示研究区的构造轮廓,图 2 研究区地层单位柱状图(据 Yang et al.,2011 修改)Fig.2 Stratigraphic column of the study area 使地层、岩体及矿体与构造的关系更加直观。3.1 表层三维地质模型 50 号岩管周边地区出露地层主要为新元古界青白口系南芬组和南华系桥头组。区内岩浆岩不发育,除金伯利岩外,仅分布有少量的辉绿玢岩岩脉。金伯利岩管(脉)主要侵入于新元古代地层中(图 6)。二维平面地质图叠加在三维地形表
17、面模型上,形成的三维表面地质模型显示研究区总体属于丘陵地区,海拔从 60 m 到 400 m 不等,相对高差 350 m,东部近 SN 走向的岚崮山山脊相对高耸,两侧相对低缓(图 7a)。50 号金伯利岩管即位于岚崮山西侧,露天开采之后现为一半径约 200 余米大坑,底部被积水充填,深度近 200 m。表面模型地质体主要有青白口系南芬组三段,南华系桥头组一段、二段、三段,第四系上更新统坡洪积和全新统洪冲积。桥头组分布于地势稍高的山坡上,南芬组分布于山坡底部或山脚处,第四系位于平坦低洼处(图 7b)。3.2 三维构造模型 研究区断裂构造发育,以 NNE向为主,NE向、NW 向次之,少数近 EW
18、向。其中近 EW 向断裂最早,被其他方向断裂错断,NE、NNE 向稍晚,NW 向最晚。NNE 向断裂是金州断裂的组成部分,控制了研究区总体构造形态(图 6、8)。本课题组在研究区首次发现近 EW 向(上盘运动方向)低角度逆冲推覆构造(张国仁等,2020),该构造是破坏金伯利岩管的主要构造,也是本次研究及建模工作的重点内容。图 8 展示了研究区断裂构造的三维形态。3.3 三维矿体模型 利用 50 号岩管矿区的 76 个钻孔资料,建立了矿体模型(图 9)。模型图显示,50 号岩管产在 140 200 m 低山丘陵的负地形中,呈岩筒状侵入于南华系桥头组一段和二段之中,从地表来看矿体总体呈长椭圆形,东
19、西长 285 m,南北宽 60 m,产状总体倾向南,倾角 7080,在70 m 标高左右,底部突然中断(图 9)。图 3 区域三维地质建模流程图 Fig.3 Flow chart of regional 3D geological modeling 第 3 期 仲米山等:三维地质构造综合调查在辽宁瓦房店金刚石矿深部找矿中的应用 539 (a)二维平面地质图;(b)三维立体剖面图;(c)DEM叠加地质平面图及三维剖面;(d)图 c叠加断层构造;(e)物探 AMT剖面图空间位置;(f)钻孔数据三维模型;(g)单个地质体三维形态;(h)最终三维模型图。图 4 三维地质建模各阶段模型简图(图例同图 5
20、)Fig.4 Schematic diagrams for each stages of the 3D geological modeling 1.第四系全新统冲洪积;2.第四系更新统坡洪积;3.南华系桥头组三段;4.南华系桥头组二段;5.南华系桥头组一段;6.青白口系南芬组三段;7.青白口系南芬组二段;8.青白口系南芬组一段;9.青白口系钓鱼台组三段;10.青白口系钓鱼台组二段;11.青白口系钓鱼台组一段;12.新太古代片麻岩;13.辉绿岩;14.50 号金伯利岩管。图 5 50 号岩管周边地区三维地质模型图 Fig.5 3D geological model of the area sur
21、rounding the No.50 kimberlite pipe 4 讨 论 4.1 逆冲推覆构造三维特征 本项目团队通过前期工作,首先在地表发现了逆冲推覆构造(张国仁等,2020)。后期通过钻孔资料研究,在 ZK1901 钻孔编录过程中发现多处断层角砾岩、碎裂岩等,且在孔深 550 m 附近发现老地层青白口系南芬组压覆于较新地层南华系桥头组之上,向下又见青白口系南芬组,地层叠置和重复出现,也说明有逆冲推覆构造存在。且在 310315 m 处发现断层破碎带,与 50 号金伯利岩管消失的深度具有很好的对应性,应为逆冲推覆主界面以上的次级断 540 第 47 卷 层界面(图 10d)。该发现很
22、好地解释了研究区一些金伯利岩体向下延深不大或突然尖灭现象的原因,也为开展深部找矿提供了依据。从 50 号岩管周边地区三维地质模型图(图 10)可以看出,研究区总体可划分为三部分,即上盘外来系统(逆冲断层上盘)、下盘原地系统(逆冲断层下盘)和中间逆冲推覆构造面。上盘外来系统由下至上为青白口系南芬组三段、南华系桥头组一段、桥头组二段、桥头组三段组成(图 10a);下盘原地系统由太古宙基底片麻岩、青白口系钓鱼台组一、二、三段及青白口系南芬组一、二、三段组成(图 10b);逆冲推覆界面主要位于南芬组三段内部或与南华系桥头组一段接触界面附近,推覆主界 1.第四系全新统冲洪积;2.第四系更新统坡洪积;3.
23、南华系桥头组三段;4.南华系桥头组二段;5.南华系桥头组一段;6.青白口系南芬组三段;7.青白口系南芬组二段;8.青白口系南芬组一段;9.青白口系钓鱼台组;10.新太古代片麻岩;11.辉绿玢岩脉;12.正平移断层及产状;13.逆平移断层及产状;14.平移断层及产状;15.性质不明断层;16.逆冲推覆断层及产状;17.推测逆冲推覆断层及产状;18.岩层产状;19.地质界线;20.金伯利岩管位置及编号;21.金伯利岩脉位置及编号;22.钻孔位置及编号。图 6 50 号岩管周边地区二维平面地质图(a)和地质剖面图(b)Fig.6 Two-dimensional geological map(a)an
24、d geological profile(b)of the area surrounding the No.50 kimberlite pipe 第 3 期 仲米山等:三维地质构造综合调查在辽宁瓦房店金刚石矿深部找矿中的应用 541 图 7 50 号岩管周边地区三维表面模型(图例见图 5)Fig.7 3D surface model of the area surrounding the No.50 kimberlite pipe 图 8 50 号岩管周边地区三维构造模型 Fig.8 3D structural model of the area surrounding the No.50 k
25、imberlite pipe 面向南、北均延出研究区,向东进入地下深部,主界面走向近 SN,倾向 E,倾角较小约 2030(图 10c)。据地表逆冲断层面上擦痕、断层带内构造透镜体、牵引褶皱、挤压片理、似“S-C”组构以及上下盘次级褶皱、断裂特征等指示标志,结合全区褶皱枢纽和推覆构造面擦痕线理统计结果,可知推覆构造的运动方向是由 SEE(110120)向 NWW 方向低角度逆冲滑移。三维模型图可以直观地看出,逆冲推覆构造各组成部分的空间形态、赋存位置及构造特征等(图 10a、b、c),更有利于展开深入的基础地质研究及成矿预测。本次工作在 50 号金伯利岩管附近布设了 7 条音频大地电磁(AMT
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