2023, Vol. 32
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2. 辽宁省第六地质大队有限责任公司, 辽宁 大连 116200;
3. 辽宁省地质勘查院有限责任公司, 辽宁 大连 116100;
4. 辽宁省第三地质大队有限公司, 辽宁 朝阳 122000
2. Liaoning No. 6 Geological Brigade Co., Ltd., Dalian 116200, Liaoning Province, China;
3. Liaoning Institute of Geological Exploration Co., Ltd., Dalian 116100, Liaoning Province, China;
4. Liaoning No. 3 Geological Brigade Co., Ltd., Chaoyang 122000, Liaoning Province, China
辽宁省南部的瓦房店金刚石矿田是我国重要的金刚石矿分布区，区内金刚石矿均为金伯利岩型. 从1971年发现第一个金伯利岩体以来，该区已发现超过100个金伯利岩体，提交了4个大型和1个中型原生金伯利岩型金刚石矿床以及3个近源小型金刚石砂矿床. 长期以来，专家学者对瓦房店金刚石矿田的金伯利岩做了大量研究工作[1-11]，认为该区金伯利岩体的岩浆来源深度约为215 km，沿着一定宽度的裂隙快速上侵而形成目前所见的金伯利岩[1]，侵位时间约为465 Ma [2]. 金伯利岩受断裂构造控制，岩管产出于构造交汇部位[3]，金伯利岩的分布与构造盆地有关[4]. 瓦房店金刚石矿田存在对金伯利岩体造成破坏的逆冲推覆构造[5]. 此外，还有一些学者对山东等地寻找、评价金伯利岩时所使用的物探方法进行了研究[12-18]，探索金伯利岩物化探找矿模式、勘探方法. 本文通过对瓦房店金刚石矿田50年来金刚石找矿过程中的物探工作进行系统梳理和总结，研究在勘探不同阶段解决不同地质问题时物探发挥的作用.
1 金刚石矿田地质特征瓦房店金刚石矿田大地构造位置处于华北陆块辽东新元古代-古生代拗陷带，总面积约4 000 km2. 矿田东侧出露有新太古界片麻岩，西侧出露古元古界、新元古界、古生界及中生界，在沟谷中发育新生界. 其中，新元古界分布面积约占全区总面积的60%.
已发现的金伯利岩体主要集中在矿田中部长约33 km、宽约15 km的范围内(称为矿田核心区)，这个区内分布有114个金伯利岩体，其中24个为岩管. 矿田北部，在矿田核心区西北侧27 km处发现7个疑似金伯利岩体. 这些金伯利岩以前被划分成4个矿带，从岩体分布特征也可划分为岩群区、岩带区和单岩体区. 岩群区金伯利岩成群、成簇分布，仅有少量单独的金伯利岩体；岩带区金伯利岩相距较近，平面上呈明显的带状分布；单岩体区，虽然局部也有相距较近的金伯利岩体，但不具备岩群或岩带的特征(见图 1).
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图 1 瓦房店金刚石矿田地质略图 Fig.1 Geological sketch map of Wafangdian diamond orefield 1—新生界(Cenozoic); 2—中生界(Mesozoic); 3—古生界(Paleozoic); 4—新元古界震旦系(Neoproterozoic Sinian); 5—新元古界南华系(Neoproterozoic Nanhua Sys.); 6—新元古界青白口系(Neoproterozoic Qingbaikouan Sys.); 7—古元古界(Paleoproterozoic); 8—太古宙片麻岩(Archean gneiss); 9—中酸性侵入体(acid-intermediate intrusion); 10—金州断裂(Jinzhou fault); 11—金伯利岩体及矿带编号(kimberlite and ore belt number); 12—金伯利岩分区及编号(kimberlite zonation and number); 13—金刚石砂矿床(diamond placer) |
研究区金伯利岩与围岩之间存在一定的物性差异. 在一定条件下，物探可以在发现和评价金伯利岩时发挥作用，但也有局限性. 辉绿岩与金伯利岩磁性相近，粉砂岩和页岩的电阻率与金伯利岩相近，金伯利岩与其他岩性的密度之间没有明显的差异，而且金伯利岩体的规模相对较小.
2 研究区物探工作程度瓦房店金刚石矿田物探工作程度非常高，截至2020年底，1 ∶ 20万重力和1 ∶ 10万航磁覆盖全区，先后还开展过1 ∶ 5万航磁放测量(覆盖矿田88%的范围)、两次1 ∶ 2.5万航磁测量(面积分别为2 477 km2、740 km2，覆盖了矿田核心区)、1 ∶ 1.5万航磁998 km2，1 ∶ 1万航磁1 000 km2. 中大比例尺地面物探工作有1 ∶ 5万重力测量600 km2，1 ∶ 5万地磁测量400 km2，1 ∶ 1万重力测量30 km2，1 ∶ 1万地磁测量270 km2、1 ∶ 5000地磁测量396 km2、1 ∶ 2000地磁测量107 km2和1 ∶ 1000地磁测量5 km2. 重、磁、大地电磁测深(MT)综合剖面100 km，音频大地电磁测量(AMT)剖面34.85 km. 这些工作很多是在发现金伯利岩后进行的，除1 ∶ 10万航磁和1 ∶ 20万重力外，其他地面物探和大于等于1 ∶ 2.5万的航磁则是为了研究金刚石成矿地质条件和控矿因素以及寻找金伯利岩体而进行的，这些工作为金刚石找矿发挥了重要作用. 近些年，还在重点区开展了一些井中物探工作.
3 寻找金伯利岩时的物探工作瓦房店金刚石矿田金刚石找矿初期最主要的方法组合是水系重砂、地面磁法和钻探. 水系重砂测量旨在发现与金伯利岩有关的指示矿物，如镁铝榴石、铬铁矿等，最直接的指示矿物是金刚石. 发现指示矿物异常后，地质路线调查或面积性地质填图辅以地面磁测是最常用的方法组合. 在这个阶段，磁测比例尺以1 ∶ 2000为主，网度20 m × 10 m，局部1 ∶ 1000，网度10 m × 5 m，磁测工作部署在成矿地质条件好或者地表覆盖比较严重的地段，并利用钻探、槽探对发现的磁异常进行工程验证. 由于金伯利岩大多分布在局部负地形之中，地表残坡积厚度一般都很大，因此对磁异常的验证以钻探工作为主，槽探工作为辅. 在20世纪70年代，也就是本区发现金伯利岩的初期，也尝试开展过一些电法剖面工作，但找矿效果不明显，因此逐渐不再采用. 航磁资料显示，虽然本区较大的30号和42号岩管在大于1 ∶ 5万比例尺的航磁结果中均有明显的异常反映，但航磁的作用更多地是用于筛选靶区和解决基础地质问题，目前还没有通过航磁异常找到新的金伯利岩体.
地磁测量是本区寻找金伯利岩时效果最好的物探方法，4个大型原生金刚石矿床在发现和评价过程均开展了大量的地磁测量工作.
3.1 50号岩管发现过程中的磁法工作50号岩管是本区最重要的金伯利岩管，也是区内已经开发利用的大型原生金刚石矿床. 该岩管以宝石级金刚石占比高、质量好而享誉国内外珠宝界. 该岩管于1974年5月发现，找矿过程中先是在水系重砂中发现了金刚石及伴生矿物含铬镁铝榴石和铬铁矿，继而为寻找原生的金伯利岩体开展了2.2 km2的1 ∶ 2000地面磁测工作. 用混合改正的方法进行室内资料整理，发现4处强度不大、低缓孤立的ΔZ异常. 其中一个呈近东西向展布，长轴160 m，短轴50 m. 东端为60~100 nT，西端300~800 nT，极大值位于西部，达1500 nT. 经山地工程揭露证实为50号金伯利岩管引起的异常，以50 nT圈定的范围与岩管地表出露的范围基本一致. 在50号岩管东北部有一处异常极大值为150 nT、范围不到80 m的近等轴状小异常，经山地工程证实也是由金伯利岩引起的异常，该岩体即为51号岩管. 经后续工作，在51号岩管西侧相继发现了68和74号岩管，但没有明显的磁异常显示. 这3个小岩管组合在一起构成了一个大型原生金刚石矿床. 另外两个呈北西走向的异常，经验证为辉绿岩体引起的异常(见图 2a).
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图 2 50号、42号岩管地磁异常图 Fig.2 Geomagnetic anomaly maps of Nos. 50 and 42 kimberlite pipes 1—ΔZ正值线(positive ΔZ line); 2—ΔZ零值线(zero ΔZ line); 3—ΔZ负值线(negative ΔZ line); 4—金伯利岩(kimberlite); 4—辉绿岩(diabase) |
42号岩管是目前我国平面面积最大的金伯利岩体，发现于1972年11月. 该岩管地表为浮土掩盖，普查初期在冲沟里发现了0.5 m2的金伯利岩露头. 为了解岩体形态与规模，进行了0.22 km2的1 ∶ 1000磁测工作，圈出一大一小两个椭圆形异常，形态较为规整. 大异常的长轴340 m，短轴150 m；小异常的长轴220 m，短轴110 m. 两个异常近东西向展布，强度300~1 000 nT，极大值达1 700 nT. 北侧出现范围不大、强度不高的负异常. 经山地工程验证，这两个异常由42-1和42-2金伯利岩管引起. 在42号岩管的找矿过程中，用磁法圈定和寻找金伯利岩取得了很好的效果(见图 2b).
3.3 30号岩管发现过程中的磁法工作30号岩管是1972年10月发现的. 矿区先后开展了多次磁法工作，首次工作是0.5 km2的1 ∶ 2000磁测工作，网度20 m×10 m，圈出一个长轴北东70°、强度为400 nT的长椭圆状异常，ΔZ最大值达900 nT. 由于岩性不均匀，异常呈现多峰值，北侧伴有-100 nT左右的负异常. 磁测中等精度，混合改正，均方误差一般小于15 nT. 正异常等值线具南疏北密特征，推测岩体倾向南东. 经钻探验证，南东方向的见矿深度逐渐加深，与磁测结果基本吻合. 而后，在30号岩管矿区又相续开展了多次1 ∶ 1000或1 ∶ 2000地磁测量工作，为了解磁异常细节特征获得了更多的资料. 根据矿区详查报告，30号岩管被分成浅部的30-1和深部的30-2两个岩体，认为岩管是倾斜展布的. 后来根据钻孔资料进行了三维建模，认为30号岩管是被推覆构造错断成多段[19]，各段的埋深从地表出露的北西端向南东逐渐加深，由于断距不大，总体上岩管还是相连的，所以磁测结果显示出异常等值线南疏北密特征. 总体来看，1 ∶ 2000磁测圈定出了岩管形态和范围.
4 基础地质研究中的物探工作瓦房店金刚石矿田金伯利岩体的直接围岩主要是青白口系钓鱼台组石英砂岩，南芬组泥灰岩、页岩；南华系桥头组页岩、粉砂岩. 少部分为寒武系，个别岩体的围岩为片麻岩(见图 1). 这些岩体主要分布在1 ∶ 5万瓦房店幅内，该图幅面积只占全区的10%而分布了约87%已知的金伯利岩体. 为了研究这个区域内的新元古代盆地形态等问题，开展了1 ∶ 5万重力测量、航磁资料解译和重磁电综合剖面测量. 通过这些工作，对研究区内基底形态有了新的认识，认为区内基底总体上西深东浅，基底界面局部有起伏但波动幅度不大，基底最深可达2 000~3 000 m.
推覆构造是本区影响金伯利岩形态的重要因素，由于南芬组二段泥灰岩密度大于其他岩性层，在研究推覆构造的特征时，区域重力资料起了很大的作用. 布格重力异常显示在基本未受推覆构造破坏的42号岩管附近，几乎没有明显的局部重力异常；受破坏但断距不大的30号岩管附近，可以判读出存在局部重力异常；在被推覆构造错断了的50号岩管附近则分布有明显的局部重力高和重力低异常. 重力测量剖面反演结果也显示，50号岩管附近的南芬组二段泥灰岩折曲程度明显大于其他地段. 这些结果为认识和研究推覆构造特征提供了依据.
航磁资料解译结果对研究断裂构造特征起到一定作用. MT测量结果对了解盆地基底形态和断裂构造分布提供了基础信息资料.
5 深部找矿时的物探工作与同矿田的30号、42号岩管相比，50号岩管的延深明显过小. 研究认为该岩管被推覆构造错断了，其深部还有巨大的找矿潜力[20]. 为寻找50号岩管被错断的部分，开展了由三维地质填图、物探、钻探等内容组成的深部找矿工作，50号岩管东侧是工作重点区. 物探工作主要是音频大地电磁测量和井中物探. 通过三维地质填图确认了研究区存在推覆构造[5]. AMT测量结果在50号岩管东侧发现2个位于页岩、粉砂岩低阻异常区内的中等电阻率异常，随后对这两个异常进行了钻探验证. 距离50号岩管1 070 m的2号异常位于重点找矿靶区之内(图 3)，但钻探结果并未在预想位置见到异常体. 通过井中物探发现，在验证2号异常的钻孔300 m孔深附近，地磁场垂直分量与水平分量见中等强度异常，而磁化率和视电阻率反映孔内岩石磁性和电性的两个参数均未见异常，钻孔所见为无磁性的页岩、粉砂岩，推测井旁边有磁性体. 该异常在预测的找矿靶区之内，因此在该钻孔旁边布设了50 m×20 m网度的AMT加密测量剖面，在NL3剖面深度300~350 m处出现视电阻率等值线畸变(图 4)，与井中磁测异常的深度相似，距离原钻孔约60 m. 对这个微弱异常进行钻探验证，于277.52~286.92 m钻遇9.40 m角砾状金伯利岩，从而发现了50-1号金伯利岩体，并在送检磨制薄片的岩心标本中发现1粒-0.5~+0.2 mm的金刚石，说明该岩体具有良好的含矿性，实现了深部找矿的突破.
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图 3 AMT测量2号异常图 Fig.3 No. 2 anomaly map by AMT survey |
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图 4 AMT测量NL3剖面二维反演结果图 Fig.4 Two-dimensional inversion result of NL3 section by AMT survey |
瓦房店金刚石矿母岩——金伯利岩呈脉状或岩管状产出，由于岩体规模较小、围岩性质各异，在勘查的过程中物探方法和效果也有所不同. 地面磁测是一个重要而有效的方法，在众多金伯利岩体的发现过程中起到了不可替代的作用，也是查证水系重砂异常时的首选物探方法. 但本区的金伯利岩磁性极不均匀，30号和42号岩管在不同的航磁测量结果中均有较明显的异常，而50号岩管则不同，航测飞行高度55 m时有较明显异常，而飞行高度86 m时异常已经不明显[9]，50号岩管的地磁异常边界也仅有50 nT. 除金伯利岩本身磁性不均匀、磁性较弱外，瓦房店金刚石矿田还分布有一些具有磁性的辉绿岩、橄榄玄武岩等岩体对磁测方法的应用带来一定的干扰. 本区已查证过几百个大大小小的航磁异常，目前还没有通过查证航磁而发现新的金伯利岩体.
电法是瓦房店金刚石矿田勘查中应用较少的工作方法，虽然以往也曾做过一些电法剖面测量，但都是试验性质的工作，没有广泛应用于勘查工作. 2019年在瓦房店幅开展了区域性的综合剖面测量，电法工作中的MT测量虽然不是直接用于寻找金伯利岩体，但利用其探测深度大的优势在研究本区新元古代盆地形态等基础地质问题时具有得天独厚的优势. 2014年以来，在30号、50号岩管矿区相继做了一些AMT测量工作，尝试利用电法获取深部金伯利岩体形态信息，结果表明在一定的条件下是可以实现的，50-1号金伯利岩体就是根据微弱的AMT异常而发现的.
除电法、磁法外，重力在研究本区推覆构造等特定问题时作用非常明显，通过重力测量和剖面反演，了解了标志层的深部形态特征，为后续勘查工作部署提供了依据. 研究区井中物探工作主要开展了井中三分量磁测、三侧向电阻率测量以及地井或井地方式激电测量等，在发现50-1号岩体的过程中起了很重要的作用. 从目前的结果看，井中物探在金刚石矿勘查中只有在特定的条件下才会真正发挥作用.
总体来说，物探工作在瓦房店矿田金刚石矿勘查中具有举足轻重的作用，有些方法可以用于直接发现金伯利岩体，有些方法可以用于解决相关地质问题，重点区域的微弱物探异常有时也具有找矿意义. 各方法的有机融合，与其他地质方法的密切配合，构成了瓦房店金刚石矿田矿勘查中的物探工作体系.
致谢: 感谢辽宁省地质勘探矿业集团付海涛在工作中给予的无私帮助，感谢辽宁省找矿突破战略行动技术指导专家组的悉心指导，感谢项目组全体成员和辽宁金刚石勘查技术攻关团队各位专家付出的辛勤劳动和大力支持!
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