瓦房店金伯利岩型金刚石矿田位于华北克拉通东部, 大地构造位置属于塔里木— 华北板块(Ⅰ )华北陆块(Ⅱ ₂)辽吉地块(Ⅲ ₄)复州— 大连新元古代— 古生代断陷(Ⅳ ₁₄)(图1)^{[5, 6, 7, 8, 9, 10]}。复州— 大连新元古代— 古生代断陷的基底为太古宇鞍山群混合花岗岩、钠长角闪岩及片麻岩。基底之上覆盖了3个构造层: 下部为中元古界— 新元古界构造层, 厚约1 000~1 500 m, 由砾岩、砂岩、页岩及灰岩组成; 中部为古生界构造层, 由寒武系、奥陶系灰岩和石炭系、二叠系灰岩、砂岩、页岩夹煤层组成, 厚数十至数百米, 仅分布于复州湾一带; 上部为中生界构造层, 以砂岩和砾岩为主, 夹页岩及薄煤层, 仅分布于断陷盆地内。断陷区的盖层中缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统等。一般认为瓦房店地区在加里东期和华力西期发生过频繁的升降运动, 伴随着上升运动, 发生了金伯利岩侵入^[11]。

图1

Fig.1

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图1 辽宁省大地构造单元略图[10] 1.现代板块构造; 2.古板块构造; 3.原始板块构造; 4.现代板块构造叠加在原始板块构造之上; 5.现代板块构造叠加在古板块构造之上; 6.中生代— 新生代裂谷; 7.古裂谷; 8.超岩石圈断裂; 9.转换断裂; 10.地体构造拼接带; 11.IV级构造单元界线; Ⅱ 1. 天山— 赤峰陆缘活动带; Ⅱ 2.华北陆块; Ⅲ 1.建平— 西丰加里东— 华力西陆缘造山带; Ⅲ 2. 冀辽地块; Ⅲ 3. 铁岭— 清原微地块; Ⅲ 4. 辽吉地块; Ⅲ 4.下辽河— 辽东湾新生代裂谷; Ⅳ 1.绥中太古宙断块; Ⅳ 2.北镇太古宙断块; Ⅳ 3.凌源— 朝阳中元古代— 新元古代裂谷带; Ⅳ 4.建昌— 阜新燕山期隆褶断带; Ⅳ 5.黑山— 铁法中生代断陷; Ⅳ 6. 抚顺— 清原太古宙断块; Ⅳ 7. 清原太古宙花岗岩-绿岩带; Ⅳ 8.铁岭中元古代— 新元古代断陷; Ⅳ 9.龙岗太古宙断块; Ⅳ 10.鞍山— 本溪太古宙断块; Ⅳ 11.登沙河— 城子坦太古宙断块; Ⅳ 12.营口— 宽甸古元古代裂谷; Ⅳ 13.太子河— 浑江新元古代— 古生代断陷; Ⅳ 14.复州— 大连新元古代— 古生代断陷; Ⅳ 15.大连— 丹东印支期构造岩浆活动带Fig.1 Geotectonic units sketch of Liaoning Province[10]

瓦房店金刚石矿田位于郯庐断裂带东侧和金州断裂以西的中间地带^{[12, 13, 14]}。NNE向的复州河断裂、松木岛— 松树镇断裂和金州断裂系与近EW向的岚崮山弧形断裂联合控制了金伯利岩的侵入^{[15, 16, 17]}。区域构造主要为EW向断裂、NNE— NE向断裂和NW向断裂。

区域除金伯利岩外, 酸性— 超基性脉岩发育, 分布范围较广, 主要有辉绿岩、流纹斑岩、花岗斑岩、闪长玢岩、橄榄玄武岩、煌斑岩等, 其中辉绿岩、煌斑岩、橄榄玄武岩与金伯利岩的分布在空间、时间上都有着十分密切的关系(图2)。

图2

Fig.2

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图2 辽宁省瓦房店金刚石矿田地质简图 1.白垩系; 2.侏罗系; 3.二叠系— 石炭系; 4.奥陶系; 5.寒武系; 6.震旦系; 7.青白口系; 8.古元古界; 9.新太古界; 10.中白垩世二长花岗岩; 11.晚侏罗世花岗闪长斑岩; 12.晚侏罗世二长花岗岩; 13.早侏罗世二长花岗岩; 14.晚三叠世花岗闪长岩; 15.早三叠世花岗阀长岩; 16.早三叠世石英闪长岩; 17.中元古代二长花岗岩; 18.古元古代中细粒黑云母花岗闪长岩; 19.古元古代中细粒片麻状二长花岗岩; 20.古元古代中细粒英云闪长岩; 21.辉绿岩脉; 22.正长斑岩脉; 23.花岗斑岩脉; 24.性质不明断裂; 25.正断裂及产状; 26.逆断裂及产状; 27.逆平移断裂及产状; 28.(脆性)滑脱断裂; 29.地质界线; 30. 角度不整合界线; 31.平行不整合界线; 32.金伯利岩体; 33.金刚石矿带及编号Fig.2 Geological sketch of diamond ore field in Wafangdian of Liaoning Province

瓦房店金刚石矿田内的金伯利岩体集中分布在瓦房店市以西及西北部地区, 根据岩体排列组合, 由北向南大致可划分为4个金刚石矿带^{[18, 19, 20]}(图2), 包括24个岩管、89条岩脉和7条疑似的金伯利岩脉, 共120个岩体, 在空间上成群成带展布。4个金刚石矿带总体表现出自北向南, 岩体数量由多到少, 岩体规模由大到小, 成矿作用由强到弱的规律性变化特征^[19], 与晚古生代华北陆块发生的逆时针旋转存在区域背景力学上的耦合关系^[21]。

2.1.1 区域磁场特征

辽宁省金伯利岩田的区域地质背景均处于平缓稳定的磁力高场区, 旁侧有平缓下降的磁力低场区。磁性异常表现为较大的等轴或椭圆状延伸。岩管表现为正磁异常, 在其一侧常伴有负值区, 50~100 nT等值线可与岩管地表界线相对应, 航磁△ T值表现为20~120 nT的孤立异常。金伯利岩田在区域上处于重力高区, 深部构造为幔隆区, 旁侧有显著的梯度带存在。从蒙阴地区(图3(a))与瓦房店地区(图3(b))的1∶ 20万Δ T化极上延20 km 异常等值线可以看出, 瓦房店地区的区域磁场为磁力升高区, Δ T值为10~50 nT, 金伯利岩田产于区域磁力升高区的西北边部, Δ T值约10 nT。

图3

Fig.3

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	图3 蒙阴与瓦房店Δ T化极上延20 km异常等值线Fig.3 Δ T pole extension 20 km abnormal contour in Mengyin and Wafangdian

2.1.2 典型金刚石矿床的磁异常特征

瓦房店50号金伯利岩管的磁异常特征表现为在跳跃的磁场中显示出低缓磁异常, Δ T值小于20 nT。在1∶ 2 000平面等值线图上该岩管磁异常呈长椭圆状, 长轴近EW向, Δ T值一般为50~100 nT, 高值达1 184 nT, 50 nT等值线与岩管的形态、边界相吻合(图4)。在1∶ 25 000航磁图上磁异常特征较为明显, 有一条测线在起伏。瓦房店地区30号和42号金伯利岩管也有其磁异常特征。通过典型岩管说明瓦房店地区金伯利岩体是具有明显磁性的地质体, 其磁异常特征为低缓、孤立的磁异常, Δ T值一般为20~600 nT, 常有复异常相伴, 这样的磁场特征是寻找金伯利岩型金刚石矿床的磁法找矿标志。

图4

Fig.4

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	图4 瓦房店50号金伯利岩管Δ T异常平面图Fig.4 No.50 kimberlite tube Δ T anomaly plane map in Wafangdian

自20世纪70年代开始金刚石矿产勘查以来, 在多在次取样试验中均发现在辽宁瓦房店地区大量产出铬尖晶石, 其次是镁铝榴石和钛铁矿, 而铬透辉石较少^[22]。水系重砂法是获取金刚石指示矿物的过程, 通过对指示矿物化学成分特征做专属性判别, 进而评价金刚石矿存在的可能性。

化学成分特征的专属性判别是指金刚石的指示矿物在其他岩体中也有分布, 因此其化学成分变化较大。将金刚石指示矿物的化学成分进行分类, 利用数理方法对已知矿体中的指示矿物进行统计分析, 建立化学成分数学模型, 可以用于判断指示矿物的来源。

铬尖晶石的化学成分分析一般采用Q型聚类分析法, 可分为12类^[23], 将Cr₂O₃、Al₂O₃、TiO₂和MgO含量作为最佳变量。其中S1、S2、S6组尖晶石与金伯利岩关系密切。这一分类具有十分重要的勘查意义, 为分析研究尖晶石的归属问题提供了化学成分标准, 基本确立了金伯利岩型铬尖晶石的成分标型。

在金伯利岩中镁铝榴石和铬尖晶石的成分散点模式图主要特征是投点的分散性强, 氧化物含量谱段较宽^[24]。不同金伯利岩体的镁铝榴石和铬尖晶石散点图投点的集中区不同, 但普遍具有广谱特征。瓦房店地区的金伯利岩铬尖晶石Cr₂O₃-TiO₂散点模式图呈歪三角状, Cr₂O₃含量范围为25%~70%, TiO₂含量为0.0%~5%。这一形态反映了该地区金伯利岩铬尖晶石的成分变化模式, 而Cr₂O₃-MgO散点模式图形态在该地区呈月牙形^[25]。

金刚石原生矿的地球化学找矿是依据金伯利岩的化学成分与围岩及其他基性、超基性岩的差别, 利用Cr、Nb、Co、La、Se、Ti、V、Ce、Ti、Za、As等金伯利岩特征元素, 作为金伯利岩指示元素来寻找金伯利岩的勘查方法。在不利于重矿物迁移且指示矿物含量较少的地区, 有的金伯利岩体因风化作用磁性减弱, 利用地质矿物学方法很难圈定金伯利岩体, 采用物探、化探相结合的方法, 更能提高金刚石勘查找矿效果。

2.3.1 微量元素

金伯利岩的微量元素中有两组含量很高, 一组是相容元素, 其丰度值与超镁铁质岩中的微量元素相似, 如Cr、Ni、Co; 另一组是不相容元素, 其丰度值变化范围较宽, 与黄长岩、霞石岩、碳酸岩和钾质熔岩等碱性岩中的微量元素相似, 如Sr、Nb、Zr、稀土元素等^[26]。不相容元素组合是金伯利岩典型的地球化学特征之一。根据金伯利岩中K含量高于Na含量的特征, 可将金伯利岩与其附近的超基性岩区分开。金伯利岩的显著特征是富含Sr和稀土元素, 其含量通常是围岩的1~2倍。此外, 金伯利岩与围岩、暗色岩和其他基性岩相比, 其U含量偏高。

2.3.2 稀土元素

研究表明金伯利岩的稀土元素具有高度富集的特征, 且含量不因为蚀变作用而变化^{[27, 28]}。辽宁省关于金刚石母岩稀土元素特征的资料较少, 瓦房店地区51号金伯利岩管不同标高上的样品, 从近地表到较深部位Σ REE、La/Yb、LREE乘积、HREE乘积逐渐增高, 而As、Sb、Hg的乘积逐渐减少^[24]。可以看出, 51号岩管是由两个不同的系列组成, 可能由岩浆多期次侵入所致。

金刚石原生矿的遥感勘查主要通过卫片和航片所获得的资料来研究地球表面可见光和近可见光的反射特征, 从中提取有关金刚石成矿的信息, 进而确定金刚石成矿远景区的勘查方法。

由于金刚石母岩体和伴生岩体的规模较小, 绝大部分岩体的直径小于150 m, 常规的卫片和航片分辨率较低, 一般不易直接确定岩体。近年来随着卫片和航片精度的提高^[29], 通过对比已知金刚石母岩体的解译特征, 初步建立了金刚石母岩体及伴生岩体的解译标志^[30]。金刚石母岩体主要以管状和脉状岩体出露于地表, 管状金刚石母岩体又以火山相和次火山相为主, 以火山口和火山道的形式存在, 因此在航片和卫片中均表现为环形影像。一般直接出露于地表的金刚石母岩体的环形影像较清晰, 而当分化形成的负地形火山道覆盖深度不大时, 可出现较模糊的环形影像。辽宁省的一些金伯利岩管分布在隐伏断裂的倾伏端和转折端, 金伯利岩管常和多组相互切割的断裂有关。这种线性构造和岩管的特定组合构成了遥感影像环线相伴的重要特征。

三维地质建模是在三维虚拟环境中, 通过计算机将三维信息集成、地质体解释、空间决策分析及成矿预测、地学数理统计与三维可视化相结合的技术。在基础地质调查和矿产勘查方面都取得了丰硕的成果^{[31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44]}。然而, 三维建模技术在我国金刚石勘探中的应用尚处于起步阶段, 仅有辽宁省地矿集团^[45]和山东自然资源局开展了相关工作^{[46, 47]}。其他国家已开展的三维地质建模研究可通过三维地质建模对区域性的深部地层进行勘探和研究, 如美国和英国的三维地质填图计划通过利用现有深部勘探信息, 建立三维地质模型, 拓展了相关研究领域^[48]。

在确定三维建模流程的基础上, 根据瓦房店地区30号、42号和50号金伯利岩管的钻探数据, 分别建立了30号、42号和50号岩管的三维模型(图5)。从模拟的岩管变化结果及其形态特征来看, 瓦房店地区可能存在破坏金伯利岩的推覆构造。50号岩管在EW向剖面上呈底部西侧上翘、东侧拖尾的蝌蚪状, SN向剖面略向南倾, 呈近直立的厚板状, 推测是受由东向西的推动力形成(图5左)。通过三维建模认为: 50号岩管可能受构造运动影响发生错断, 在其东侧还应存在对应的下部金伯利岩体, 现在已开采闭坑的50号岩管不是岩体的根部, 预测岩管东部深600 m处可能存在50-1号金伯利岩体^{[45, 49]}; 30号岩管并非SE向侧伏, 而是由EW向低缓断裂错动所致^[45], 岩管深部只有一个分支, 并且在继续向下延伸, 可能还存在另一个分支(图5中); 42号岩管最高出露标高约160 m, 钻孔控制最低标高为-432 m, 深部未见根部相, 三维建模显示42-1号和42-2号岩管底部在相同标高处受水平应力的切割, 通过和30号岩管和50号岩管对比^{[50, 51]}, 42号岩管也可能受到EW向推覆构造影响, 在东部可能存在深部金伯利岩体^[52](图5右)。

图5

Fig.5

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	图5 瓦房店50号(左)、30号(中)和42号(右)金伯利岩管三维模型[45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52]Fig.5 Three-dimensional models of No.50 (left), No.30 (middle) and No.42 (right) kimberlite tubes in Wafangdian[45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52]

金刚石找矿方法组合模型是金刚石勘探的一种经验模型, 是根据勘探阶段、目的区地质条件和勘探方法特点确定的工作程序。在成矿预测确定的勘查区内, 原生金刚石矿的勘查是一个分阶段的渐进过程。除地质调查外, 整个过程还应包括普查扫描异常的确定阶段、缩小靶区阶段和异常揭露阶段, 不同工作阶段需选择不同的金刚石勘探方法或方法组合。基础地质勘探, 特别是地质调查, 是金刚石勘探项目的初始阶段。普查阶段主要有4种方法: 地质调查法、重砂法、物探法和遥感法。异常验证阶段的方法主要有重砂加密法、残坡积重砂法、化探法和地面高精度磁测法。在有勘探意义的区域, 通过工程发现了金刚石母岩体。在选定的金刚石勘探区内勘探金刚石矿床, 以实现快速、准确、合理地利用人力和物力资源, 根据勘查区特点, 可选择3种找矿方法组合模型: 重砂法+地面高精度磁测+工程揭露(化探)、航空物探+地面高精度磁测+重砂法+工程揭露(化探)以及遥感+重砂法+地面高精度磁测+化探+工程揭露。

2.6.1 重砂法+地面高精度磁测+工程揭露(化探)

重砂法、地面高精度磁测、工程揭露相结合的金刚石勘查方法主要适用于水系发育的山地丘陵地区的金刚石矿床勘查。该组合模型以重砂法为主, 配合地面高精度磁测和必要的工程揭露, 有时辅以残坡积化探, 确定金刚石母岩体的产出位置。在工作中, 不同勘探方法分阶段进行, 第一步是用详细的水系大样和水系小样扫描表面。水系大样一般布置在长度大于10 km的水系中, 根据水系的长度, 取样量可为5~10 m³。水系小样用于长度在10 km以下的区域, 以及在水系大样中发现异常的区域, 样品体积为200 L, 适合普查。不同地区需要根据测试方法确定样品体积, 但在一个地区使用统一的体积标准更为合理。普查期间, 对勘查区现有的金刚石母岩体、可疑岩体和中间储集层进行取样, 建立指示矿物数据库。第二步是在综合研究重砂样品普查成果的基础上, 确定重砂异常, 对重砂异常区进行水系重砂样品的加密采集, 验证异常并缩小靶区。根据采样的支流和集水区, 该加密水系重砂样品的体积可为50~400 L。第三步是根据跟踪加密样品确定的异常排列安排核查工作, 一般采用残坡积重砂、地面高精度磁测和残坡积化探相结合的方式。根据勘查区的特点和指示矿物的异常特征, 可选择一种或两种方法进行验证。第四步是根据验证结果, 揭露金刚石母岩体可能引起的异常, 发现金刚石母岩体。第五步是对岩体的含矿性进行取样和评价。整个勘查工作应遵循循序渐进的原则, 按照勘查工作程序进行。

2.6.2 航空物探+地面高精度磁测+重砂法+工程揭露(化探)

将航空物探、地面高精度磁测、重砂法、工程揭露相结合, 适用于覆盖层厚而平坦、交通不便、作业程度低的勘查区, 或寻找隐伏矿体。该组合模型以地球物理方法为主, 配合其他方法进行异常验证。第一步是在勘查区开展高精度航空物探工作, 以航空磁测为主, 同时结合航空重力等方法。尽量收集现有航空物探资料, 并对资料进行初步解释。由于现有数据精度较低, 很难圈定岩体, 因此可以在成矿理论的指导下进行解释, 帮助确定金刚石成矿远景区。第二步, 高精度航空物探资料的解释应以金刚石成矿模型为指导, 根据标准岩体的航空物探标型特征提取成矿信息, 包括确定岩体异常和圈定金刚石远景区。第三步是配合地面高精度磁测和重砂法确定中尺度靶区的岩体异常, 用地面高精度磁测验证异常的存在, 确定异常的规模、位置和特征。第四步是利用残坡积重砂和残坡积化探对异常进行验证, 圈定异常范围, 如果覆盖层很厚, 可以通过钻孔直接验证。第五步是揭露工程并发现金刚石母岩体。第六步是评价已发现岩体的含矿性。

2.6.3 遥感+重砂法+地面高精度磁测+化探+工程揭露

该方法以遥感、水系重砂、化探方法为主, 地面高精度磁测为辅。遥感勘查是这种勘探组合的第一种方法, 适合于在地表附近快速发现并确定原生金刚石矿。第一步是根据现有资料, 圈定金刚石原生矿的成矿远景区, 收集勘查区的遥感资料。遥感数据应尽可能全面, 特别是传统的高精度航片、卫片以及多光谱扫描数据, 需要收集原始数据。第二步是处理现有的遥感数据, 对遥感数据的解释必须在成矿理论和典型金刚石母岩遥感标型特征的指导下进行。根据原始资料提供的信息, 解释结果也分为两部分: 在常规遥感资料解释中, 最可靠的信息是在中比例尺上圈定可能的成矿远景区, 具有更大的概率判别出岩体; 在多光谱扫描资料解释中, 其提供的信息可以通过判断金刚石母岩中风化矿物的分布, 进而识别岩体的存在。第三步是评估给定的遥感目标区域, 选择合适的地面勘查方法, 确定中等规模成矿远景区的岩带和岩体异常。针对遥感勘查提供的金刚石母岩体异常, 首先利用残坡积重砂和残坡积化探获得指示矿物和细粒金刚石。为了验证是否存在异常, 使用地面高精度磁测协助覆盖区域。第四步是对有意义的异常区域进行工程交底。第五步是岩体含矿性评价。