深部金屬礦產(chǎn)資源地球物理勘查與應(yīng)用

胡均杰

摘要：隨著現(xiàn)代化找礦技術(shù)的快速發(fā)展以及礦產(chǎn)資源勘探工作的不斷進(jìn)行，大量淺地表金屬礦床先后被發(fā)現(xiàn)，在地球表層發(fā)現(xiàn)大型金屬礦的難度不斷提升，全球金屬礦產(chǎn)資源短缺問題越發(fā)嚴(yán)重。因此，如何提高深部礦產(chǎn)勘探技術(shù)是緩解當(dāng)前能源危機(jī)的主要途徑。由于地殼深部有較好的成礦條件，找礦潛力較大，加上地球物理勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，為地殼深部找礦工作的開展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。本文對(duì)地球物理勘探技術(shù)在深部找礦中的主要作用進(jìn)行了深入研究，為深部金屬礦勘探工作提供了科學(xué)的信息依據(jù)。

關(guān)鍵詞：資源緊缺；金屬礦床；地球物理勘探；應(yīng)用成效

Geophysical Exploration and Application of Deep Metal Mineral Resources

Hu Jun-jie

The Third Geological and Mineral Exploration Institute of Shandong Province， Yantai 264000， Shandong， China

Abstract： With the rapid development of modern ore prospecting technology and the continuous exploration of mineral resources， a large number of shallow surface metal deposits have been discovered， and the difficulty of finding large-scale metal mines on the earths surface has continued to increase， and the shortage of global metal mineral resources has become increasingly serious. Therefore， how to improve deep mineral exploration technology is the main way to alleviate the current energy crisis. Due to the better ore-forming conditions in the deep crust and the greater prospecting potential， coupled with the continuous development of geophysical exploration technology， its application range has also been continuously expanded， laying a good technical foundation for the development of deep crustal ore prospecting work. In this paper， the main role of geophysical exploration technology in deep ore prospecting is studied in depth， and it provides a scientific information basis for deep metal ore exploration.

Key words： Shortage of resources； Metal deposits； Geophysical exploration； Application effectiveness

1.引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，人們對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量不斷擴(kuò)大，而金屬礦資源短缺問題越發(fā)突出。根據(jù)我國(guó)地質(zhì)部門提供的信息，當(dāng)前我國(guó)大部分礦山中，有近一半面臨著礦產(chǎn)資源枯竭的問題。因此，如何加強(qiáng)現(xiàn)有礦山深部找礦工作，延長(zhǎng)礦山壽命周期，是緩解我國(guó)礦產(chǎn)資源短缺問題關(guān)鍵，這對(duì)促進(jìn)我國(guó)礦山企業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，保證我國(guó)礦產(chǎn)資源供應(yīng)，維護(hù)社會(huì)和諧穩(wěn)定有著不可忽視的作用，這也是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展形態(tài)下對(duì)我國(guó)地球科學(xué)工作者提出的新要求。從我國(guó)地質(zhì)部門公布的信息來看，當(dāng)前我國(guó)開采的金屬礦產(chǎn)資源主要來自于0m～500m深即第一深度空間開采的金屬資源?？紤]到當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)資源的需求情況以及地球物理勘查技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)地殼深部金屬礦產(chǎn)勘查深度，被確定為500m～2000m之間，這對(duì)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施有著極大意義[1]。

通過對(duì)金礦成礦特點(diǎn)以及成礦理論分析可知，在距離地表5km～10km處為地殼外動(dòng)力復(fù)合區(qū)，也稱為多重金屬成礦要素耦合、突變緩沖區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，金屬礦熱液成礦系統(tǒng)最大可延伸到地下4km～5km的深度，在俄羅斯科拉半島鉆井中距離地下10km處仍有Cu、Ni硫化物[2]。這一結(jié)果表明，地殼深部依然是金屬礦成礦有利條件，這表明地殼深部成礦潛力巨大。

根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)，人類無法直接探測(cè)地殼深部物質(zhì)及其地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，因此，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探技術(shù)已經(jīng)無法用于深部金屬勘查工作中，深部找礦工作存在巨大的困難和諸多限制。地球物理勘查技術(shù)是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展、創(chuàng)新形成的新型勘測(cè)技術(shù)，其主要有探測(cè)深度大、勘測(cè)方式多元化以及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，為地殼深部金屬礦找礦工作提供了技術(shù)支持。

本文主要論述了地球物理方法對(duì)地下深部金屬礦介質(zhì)結(jié)構(gòu)、成礦物質(zhì)及其物質(zhì)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了詳細(xì)探測(cè)。同時(shí)，通過大地電磁法、人工源地震勘探方法可精確查明深度數(shù)十公里處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)[3]。當(dāng)前，第二深度空間也就是在500m～ 2000m深度找礦在國(guó)際地質(zhì)勘查中已經(jīng)獲得了較大發(fā)展，大量的大型、超大型金屬礦區(qū)不斷發(fā)現(xiàn)，極大地緩解了當(dāng)前金屬能源短缺的問題，也為創(chuàng)建安全、穩(wěn)定且能夠長(zhǎng)期供給的資源后備基地奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.地球物理勘探在深部找礦中的主要作用

2.1開展深部地學(xué)填圖，優(yōu)選深部找礦靶區(qū)

當(dāng)前，區(qū)域找礦工作已經(jīng)從傳統(tǒng)的地球表層發(fā)展到深部礦區(qū)，由老礦區(qū)轉(zhuǎn)向新礦區(qū)。傳統(tǒng)的地質(zhì)礦產(chǎn)填圖方式由于限制條件較多，已經(jīng)無法適應(yīng)這一發(fā)展形勢(shì)，隨著地球物理勘查技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其在金屬找礦中發(fā)揮了極大的意義和作用。由于地球物理技術(shù)可直接探測(cè)到深部礦體，也可通過探測(cè)與成礦有直接關(guān)系的巖體、蝕變帶以及構(gòu)造等地質(zhì)要素，從而實(shí)現(xiàn)金屬找礦的目的。運(yùn)用地球物理技術(shù)進(jìn)行深部地學(xué)填圖可準(zhǔn)確查明區(qū)域礦產(chǎn)空間特征及其成礦特點(diǎn)，并在這一基礎(chǔ)上圈定深部金屬礦床找礦區(qū)域。目前，地球物理勘查方法可有效解決深部找礦靶區(qū)中以下幾個(gè)問題：

首先，可有效查明覆蓋層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其風(fēng)化層厚度。例如：在俄羅斯某金屬礦床中，通過地球物理勘探技術(shù)查明了礦區(qū)鎳、銅等礦物成礦地質(zhì)條件，并且其與寒武紀(jì)結(jié)晶基底基性-超基性侵入巖有較大關(guān)聯(lián)性，在其基礎(chǔ)上覆有厚度約為300m的中-新生代沉積層。為準(zhǔn)確掌握深部地質(zhì)信息，通常采用1∶5萬(wàn)重磁技術(shù)進(jìn)行深部地質(zhì)填圖，同時(shí)根據(jù)鉆孔資料，基本掌握了深部地質(zhì)信息，并圈定出多個(gè)具有開發(fā)潛力的找礦靶區(qū)[4]。

其次，可建立深部找礦地理物理反演模型，準(zhǔn)確掌握地殼深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其成礦地質(zhì)條件。一般情況下，金屬礦床成礦地質(zhì)條件與地下巖漿活動(dòng)有較大關(guān)系，例如：美國(guó)內(nèi)華達(dá)佛羅里達(dá)大峽谷金屬礦床與深大斷裂關(guān)系密切，通過航磁資料以及區(qū)域重力資料，可判斷該地區(qū)金屬礦線性異常與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造呈正相關(guān)性，從而為圈定找礦靶區(qū)提供了信息依據(jù)。

最后，可通過深部地學(xué)填圖圈定成礦區(qū)域。由于金屬礦成礦地質(zhì)條件與超基性侵入巖、花崗巖等有較大相關(guān)性。因此，可以通過地球物理技術(shù)來確定巖體形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。例如：美國(guó)聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局發(fā)現(xiàn)某卡林型金屬礦成礦地質(zhì)條件與其深部花崗巖巖體結(jié)構(gòu)特征呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，采用區(qū)域航磁技術(shù)獲得了該地深層花崗巖磁異常分布特征，基本圈定了該卡林型金屬礦的成礦區(qū)域，為其找礦工作的展開奠定了基礎(chǔ)。

澳大利亞“玻璃地球計(jì)劃”是一項(xiàng)包含了多種功能的找礦計(jì)劃，其主要是為了查明地球表層1000m以內(nèi)金屬礦成礦區(qū)域并計(jì)算其含礦儲(chǔ)量，為澳大利亞深層找礦工作計(jì)劃提供了便利。地球物理勘查是開展深部地學(xué)填圖，優(yōu)選深部找礦靶區(qū)的關(guān)鍵所在，通過運(yùn)用電法、磁法、地震勘探（圖1）等技術(shù)進(jìn)行圈定深部控礦構(gòu)造，并在其基礎(chǔ)上建立初始化模型，同時(shí)通過航空重力梯度測(cè)量獲取精度水平較高的金屬礦分布信息，從而確定礦體區(qū)域地質(zhì)邊界及其圍巖分布特征。澳大利亞通過“玻璃地球計(jì)劃”查明了一大批有開采價(jià)值的深部金屬礦床，為其經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了大量的金屬資源支持。

2.2金屬礦產(chǎn)資源形成的深部原因

地表淺層金屬礦產(chǎn)資源，如大型、超大型金屬礦床大多是通過地球深部物質(zhì)及其能量交換形成的。在成礦過程中大量金屬元素通過地殼深部物質(zhì)交換到達(dá)上地幔表層，也就是熱物質(zhì)在運(yùn)移、轉(zhuǎn)化以及上涌階段與地殼圍巖的蝕變過程中逐漸堆積而來。對(duì)于傳統(tǒng)地質(zhì)勘查技術(shù)而言，其無法有效解決地殼深部物質(zhì)形態(tài)、物質(zhì)屬性以及其空間分布等的問題，雖然通過超前鉆探技術(shù)可準(zhǔn)確探測(cè)出地表以下較深處成礦物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，但超前鉆探也僅是一孔之見，對(duì)于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況略顯無力，并且目前超前鉆探所能探測(cè)到的最大深度只有12261m，對(duì)于更深層次的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息無法有效勘測(cè)，且其勘測(cè)成本較高，無法根據(jù)實(shí)際探測(cè)需求進(jìn)行超深鉆探[5]。因此，通過采用地球物理技術(shù)，如地震勘探、電磁、重力勘探等技術(shù)可有效解決以上問題。例如：在澳大利亞某礦區(qū)，通過大地電磁探測(cè)技術(shù)查明了該礦區(qū)50km以上的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，且基本確定了該礦區(qū)成礦物質(zhì)來源、遷移通道及其礦物沉積等問題，并對(duì)其成礦原因給出了科學(xué)的解釋[6]。

2.3直接尋找深部隱伏盲礦體

對(duì)于某些與圍巖存在明顯差異的深部隱藏礦體，可采用航空物探方法進(jìn)行找礦工作。例如：我國(guó)國(guó)土資源部航遙中心對(duì)大冶鐵礦進(jìn)行大比例尺航測(cè)時(shí)，通過航空電磁法測(cè)量該地區(qū)深部電磁信息，在電磁異常區(qū)域布設(shè)鉆孔，目前已有三孔探明金屬礦。其中，在ZK21-8孔721.98m～ 770.37m處發(fā)現(xiàn)了6層厚度為14.8m的鐵礦，主要包括磁黃鐵礦、磁鐵礦以及黃銅礦等金屬礦[7]。同時(shí)，采用相同的勘測(cè)技術(shù)，在獅子山西部布設(shè)了ZK26-6孔，并在孔深732m處發(fā)現(xiàn)了金屬礦床，鐵礦體厚度為4.44m。目前，西方歐美國(guó)家對(duì)地球物理勘查技術(shù)在金屬礦中的應(yīng)用也極為關(guān)注，如井中激發(fā)極化法、井中瞬變電磁技術(shù)等。激發(fā)極化法是目前尋找深部隱伏礦體中效果較為顯著的地球物理探測(cè)技術(shù)，尤其是在探測(cè)與金屬硫化物、石英脈有較大關(guān)聯(lián)性的金屬礦。一般而言，高極化率低電阻率異常區(qū)一般為成礦有利區(qū)，根據(jù)其幅度值來判定蝕變帶、石英脈型金礦成礦程度。但在硅化運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈的情形下，由于硅化物在充填過程中會(huì)形成一定的孔隙，因此呈現(xiàn)出高電阻率以及低極化率的特點(diǎn)。加拿大等國(guó)家通過該技術(shù)在距地表500m以下勘查到金屬礦床，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了資源支持。澳大利亞也在奧林匹克壩礦區(qū)通過井中瞬變電磁法，在地下較深處發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)量較大的硫化物金屬礦床。

3.結(jié)論

金屬礦是地殼深部成礦物質(zhì)以能量轉(zhuǎn)換形式形成的重要礦產(chǎn)物質(zhì)，大量實(shí)證觀點(diǎn)指出，地殼深部找礦是當(dāng)前金屬礦找礦工作的主要發(fā)展方向，也是當(dāng)前緩解社會(huì)金屬資源短缺問題的關(guān)鍵，尤其是在當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)迅速發(fā)展背景下，社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源需求量不斷增加。雖然地殼深部找礦有著極為廣闊的發(fā)展空間，但我們應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘查技術(shù)以及淺層找礦方式已經(jīng)無法滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源的需求。因此，通過地球物理勘查技術(shù)尋找地下深層金屬礦床是當(dāng)前金屬找礦主要發(fā)展方向和趨勢(shì)。

通過對(duì)上述深部金屬礦勘察中地球物理方法技術(shù)應(yīng)用分析可看出，當(dāng)前地球物理技術(shù)在金屬礦勘查中的效用范圍越來越廣泛，通過對(duì)控礦巖體、蝕變帶、控礦構(gòu)造探測(cè)等間接找礦技術(shù)發(fā)展為直接找礦，使地球物理技術(shù)在金屬礦床勘察中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前，發(fā)展高精度、探測(cè)深度較大的地球物理技術(shù)是地殼深部找礦主要發(fā)展趨勢(shì)。通過地球物理勘查技術(shù)能有效地確定深部找礦靶區(qū)，從而為地殼深部找礦提供技術(shù)支持，同時(shí)科學(xué)的顯示出地下金屬礦床分布情況以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。因此，在深部金屬礦床找礦工作中，地球物理勘查技術(shù)有著極大作用，是當(dāng)前主要發(fā)展方向。

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