冯爱平, 刘传朋, 褚志远, 夏立献, 肖丙建, 李新凤, 徐磊磊, 赵秀芳

山东省第七地质矿产勘查院, 山东临沂 276006;山东省地质矿产勘查开发局金刚石成矿机理与探测重点实验室, 山东临沂 276006;山东省金刚石成矿机理与探测院士工作站, 山东临沂 276006

金刚石由于其优异的物理性能及稳定的化学性质被广泛应用于工业、军事和空间技术等方面。中国的金刚石资源比较稀缺, 迄今虽在16个省(区)有发现金刚石的报道, 但仅在山东蒙阴和辽宁瓦房店地区探明具工业价值的金刚石原生矿, 且富矿的辽宁50号金刚石矿和山东红旗1号金刚石矿均已闭坑停采, 急需寻找新的金刚石资源, 缓解国内供需压力。金刚石具有严苛的成矿地质条件, 加之经过近几十年的金刚石找矿勘探工作的大规模开展, 新发现地(浅)表金刚石矿的形势愈加不容乐观, 而我国大多数矿山深部仍有巨大的找矿潜力(赵鹏大等,2004; 翟裕生等, 2004; 薛迎喜等, 2018), 因此深部找矿成为当前工作重点。

成矿预测是实现科学找矿勘探的重要途径和方法(赵鹏大, 2007)。近十余年来, 山东针对金刚石找矿进行“攻深扫盲”开展了一系列的成矿预测工作, 在鲁西常马和西峪矿带开展深部资源量定量预测、探索综合地球物理方法在深部找矿探测的应用、基于 3D定位定量预测隐伏矿体等, 取得了一定的成果。本文系统阐述各深部预测方法过程、技术路线及现实效果, 以期为金刚石深部探测工作提供一定借鉴和启发, 助力实现金刚石找矿新突破。

1 地质概况

1.1 区域地质背景

鲁西金刚石原生矿位于郯庐断裂带(山东段称“沂沭断裂带”)西侧、鲁西地块中核部, 根据大地构造单元划分属于华北板块鲁西隆起区之鲁中隆起(图1)。华北板块是中国最大最古老的克拉通陆块, 在本区主要由前寒武纪结晶基底, 新元古代—古生代海相沉积盖层, 中新生代陆相盆地沉积组成(宋明春等, 2020)。其中, 前寒武纪结晶基底主要由一套TTG(奥长花岗岩-英云闪长岩-花岗闪长岩)岩系组成, 零星分布新太古代沂水岩群和泰山岩群麻粒岩相、角闪岩相深变质岩。区内岩浆岩主要发育中生代侵入岩, 它是晚中生代以来“克拉通活化”作用(朱日祥等, 2011; 郑建平和周新华, 2013; 郑永飞等, 2018; 曾普胜等, 2021)的结果, 规模一般不大, 多为浅成中基性岩体,少量花岗岩(宋明春等, 2009)。区内脆性断裂、基底韧性剪切带、褶皱等大型构造线呈 NW 向, 控制着鲁西一系列凹陷、凸起呈NW向条带状展布。金刚石原生矿则多赋存在 NE、NNE向次级断裂中。

图1 鲁西蒙阴金刚石矿田区域地质背景(a)及金伯利岩带分布简图(b)(据山东省国土资源厅, 2014; 张培强, 2006)Fig.1 Regional geological background of diamond ore field and kimberlite belt distribution in western Shandong Province(after Department of Land and Resources of Shandong Province, 2014; ZHANG, 2006)

1.2 矿床地质特征

鲁西金刚石原生矿位于郯庐断裂带以西45～60 km, 总体走向55°, 矿带全长约60 km。赋矿岩体(金伯利岩)主要产于新太古代 TTG 片麻岩中,少数产于灰岩中, 最高侵位层位为中奥陶世马家沟群五阳山组。矿床受断裂控制作用明显, NW向的蒙山断裂、新泰—垛庄断裂、铜冶店—蔡庄断裂、金星头断裂, 控制着矿带的展布(贺灌之, 1980; 赵鹏大等, 1983; 万方来等, 2019), 使之自南而北常马、西峪、坡里三个岩带呈“雁列式”展布(图1b)。岩带中 NNE向张性或张扭性断裂为主要容矿赋矿构造(庄德厚, 1984; 王照波等, 2013; 王照波和王庆军,2014; 李伟等, 2020a), 岩脉沿 NNE向断裂贯入并赋存于破碎带及密集节理带中, 脉体形态、大小、产状等严格受其控制(图2)。而NNE向断裂和NW向断裂交接复合部位往往产生金伯利岩管或金伯利岩脉的膨大部位。全区矿床共由47条岩脉、10个岩管和1个岩床组成(孔庆友等, 2006)。其中:

常马岩带(图 2a): 总体走向 354°, 长约 14 km,宽约2 km, 由8条岩脉和胜利Ⅰ号大小岩管组成。岩脉走向 20°～35°, 南段南倾, 北段北倾, 倾角 75°以上, 脉长几十米至 1000余米, 脉宽一般20～30 cm。胜利Ⅰ号岩管位于岩带的中南部, 大管地表呈椭圆形, 长轴长约 100 m, 短轴长50 m, 总体倾向SW, 倾角约85°。小管地表呈轭形, 长65 m,宽 10～20 m, 倾向北西, 倾角 86°～90°(山东省地质局第七地质队, 1979, 1983)。在垂深250 m以下两管合为一体, 且规模变小, 延深超1 km。该岩带单矿体金刚石平均品位 3～963.34 mg/m3, 矿体块段最高品位在岩脉和岩管中分别达2142.62 mg/m3、3155.00 mg/m3(孔庆友等, 2006)。该岩带金刚石以淡黄色为主, 其次为无色和浅黄棕色, 粒径以 0.5～3.0 mm为主, 大于2.0 mm者占3.82%, 且粒径差异较大, 最大者粒径超8 mm, 重量达119.01 ct(山东省第七地质矿产勘查院, 2017a, b)。岩性以斑状金伯利岩为主, 以富含镁铝榴石为特征。细粒金伯利岩一般构成岩脉的边部, 在岩管或岩脉膨大部位发育金伯利角砾岩。围岩为新太古代泰山序列英云闪长质-石英闪长质(TTG)片麻岩。

西峪岩带(图 2b): 呈北东 10°～15°方向延伸,岩带长12 km, 宽0.5～1 km, 由14组岩脉、8个岩管和 1个岩床组成。岩脉断续分布在相距500～800 m的两条北北东向的破碎带或节理密集带内, 走向与岩带一致, 倾角大于 70°, 脉长一般400～1000 m, 最长2050 m, 宽一般20～60 cm。岩管集中分布在岩带中部近 1.5 km2的范围内, 称为“西峪岩管群”, 单管面积(50～260) m× (30～60) m,在垂深330 m各岩管基本合为一体, 规模明显减小,延深超1 km。该岩带单矿体金刚石平均品位3.82～224.33 mg/m3, 一般几至数十mg/m3。该岩带金刚石以无色为主, 粒径差异较小, 以 0.5～1.0 mm 占比最高, 大于2.0 mm者占比2.10%(山东省第七地质矿产勘查院, 2017a), 最大粒径超 4 mm, 重量18.55 ct(山东省第七地质矿产勘查院, 2017b)。该岩带岩性以金云母斑状金伯利岩为主, 其次为细粒金伯利岩、镁铝榴石斑状金伯利岩和金伯利角砾岩。北北东向岩体围岩为新太古代傲徕山序列二长花岗岩, 南端北西向岩体围岩为早古生代寒武—奥陶纪沉积盖层。

图2 常马(a)、西峪(b)、坡里(c)岩带地质构造简图(据山东省地质局第七地质队, 1979, 1983)Fig.2 Geological structure of Changma (a), Xiyu (b) and Poli (c) rock belts(after The 7th Geological Team of Shandong Geology Bureau, 1979, 1983)

坡里岩带(图 2c): 由 25组岩脉组成, 沿北东40°方向的长约18 km, 宽约0.6 km的狭长地带断续分布。岩脉呈近平行的侧列式展布, 走向与岩带一致, 多倾向 NW, 倾角大于 80°。脉长数百米至1000多m不等, 宽1～2 m。该岩带金伯利岩为富金云母型, 不含金刚石或品位极贫, 均不构成矿体。该岩带无色金刚石比例达 70%以上, 粒径均小于1.0 mm(山东省第七地质矿产勘查院, 2017a)。该岩带中北部岩体围岩为寒武纪沉积盖层, 南部岩体围岩为新太古代傲徕山序列二长花岗岩。

2 深部资源量定量预测

2007—2012年, 在“全国矿产资源潜力评价”大背景下, 采用矿床模型综合地质信息预测技术进行定性预测的同时, 在鲁西常马和西峪岩带首次运用GIS技术及数学方法在充分研究矿体成矿机制、深部形态、规模及品位变化趋势等基础上进行原生矿深部资源量定量预测(山东省第七地质矿产勘查院, 2012)。这是省内唯一一次深部资源量定量预测,是一次理论驱动与数据驱动的融合。

2.1 “理论驱动”及预测深度确定

预测深度是深部资源量定量预测的重要关键参数。“深部”是一个相对概念(翟裕生等, 2004), 预测深度也并不是越大越好。在成矿模式、成矿机制等理论指导下, 查明成矿地质体侵位深度及剥蚀程度, 才能做出合理和符合地质实际的成矿深度估算(张德会等, 2011)。

金刚石的地幔捕掳晶成因(Haggerty, 1986)普遍被地学界接受。金刚石在距地表150～250 km, 温度900～1400℃, 压力4.5～6.0 Gpa的高温、超高压、中等氧逸度条件下的岩石圈地幔环境(吕青等, 2021)形成后, 幔源的金伯利岩或钾镁煌斑岩岩浆作为载体经过“金刚石稳定区”捕获并携带金刚石快速侵位, 在地表或近地表以火山爆发或潜火山隐爆形式形成含金刚石的金伯利岩或钾镁煌斑岩(郑建平等,1989; Wilson and Hedad, 2007; Russell et al., 2019;Smit and Shirey, 2019)。Mitchell(1986)建立了金伯利岩浆理想的侵位成矿模式(图 3a), 它是一个完整的金伯利岩筒, 自上而下由火山口、火山道及根部带三个部分组成。其中, 火山道相是岩筒的主要部分, 占整个岩筒的2/3以上, 长度可超2 km。值得注意的是,根部带形态复杂, 可急剧或逐渐膨胀或收缩, 常有盲端延伸, 受围岩中节理和断裂强烈影响伴生岩墙和岩脉。根部带长度可达1 km(Field et al., 2008)。

众多研究证明, 鲁西金伯利岩浆侵位符合Mitchell模式, 且侵位后遭受了严重的剥蚀, 只保留了根部带(罗声宣等, 1999; 孔庆友等, 2006; 张培强, 2006; 武雨飞, 2014; 于学峰等, 2015)。时值鲁西地区金伯利岩管最大勘探深度600 m。根据理论研究(Mitchell, 1986; Field et al., 2008)结合勘探实际,确定最大预测深度为1600 m。其中将最大勘探深度600 m下延1倍, 即600～1200 m作为可靠的334-1类别远景资源量预测深度范围, 1200～1600 m为334-2类别远景资源量预测深度范围。

2.2 岩管三维地质特征及品位变化

在一定的成矿机制约束下, 查明浅部成矿地质体形态、产状、分布范围、规模及变化趋势等(三维), 可推测深部矿体延展变化情况(薛建玲等,2020)。利用 GIS(Mapgis6.7)的空间分析技术中的“多层立体叠置”功能模块对不同垂深的岩管自动进行叠加分析, 直观显示金伯利岩管三维地质特征,包括岩管形态、分布、规模、产状及各要素随垂深变化情况等(图3b, c)。由图可知, 金伯利岩管形态随深度变化复杂, 同时表现出以下规律: 一是向中间聚拢性和深部连通性, 胜利1号大小岩管在垂深300 m合为一体, 西峪岩管群由地表的八个岩管向下逐渐合并收拢, 除红旗28号、30号岩管深部逐渐过渡为脉体形态外, 其余 6个岩管在垂深约330 m合为一体; 二是岩管水平断面面积总体随深度增加而减小。因此, 无论是胜利1号大小岩管还是西峪岩管群都视作一个岩管进行预测, 预测范围内岩管水平断面面积根据浅部岩管的平均面积缩减率求得。

图3 金伯利岩浆侵位模式(a)及鲁西常马胜利1号岩管(b)、西峪岩管群(c)三维地质形态图(据Mitchell, 1986; 据山东省第七地质矿产勘查院, 2015, 2017勘探数据绘制)Fig.3 Emplacement pattern of kimberlitic magma(a)and 3D geological morphology map of Changma Shengli No.1 rock pipe (b), Xiyu rock pipe group (c) in western Shandong (after Mitchell, 1986; drawn based on exploration data of the 7th Institute of Geology & Mineral Exploration of Shandong Province, 2015, 2017)

深部预测矿体的品位多是根据浅部已控制成矿地质体的品位变化特征来确定(赵建军等, 2011)。根据勘探资料成果, 胜利Ⅰ号大小岩管在合并前,小管金刚石品位呈急剧下降趋势, 由1053.562 mg/m3降至 347.133 mg/m3, 降幅高达67.05%, 而大岩管则呈波动式渐降趋势, 待大小岩管合并后金刚石品位变化幅度不大。西峪岩管群自地表至250 m垂深金刚石品位较稳定, 自250 m垂深以下品位持续增高, 至 600 m 垂深达到最高值110.03 mg/m3, 之后急剧下降, 至 900 m垂深降为23.82 mg/m3(图4)。由此可见, 不同岩管的含矿性随深度变化不同, 同一岩管的含矿性在不同垂深的变化亦不相同。金伯利岩管根部带的复杂性毋庸置疑,因此深部预测用勘探深度范围内矿体的平均品位表示, 其可靠性用体积含矿率修正系数进行制约。

图4 胜利1号岩管(a)、西峪岩管群(b)品位随深度变化曲线图Fig.4 Grade variation curve with depth of Shengli No.1 (a) and Xiyu rock pipe group (b)

2.3 公式选择及预测结果

鲁西金伯利岩管为倾角陡直的形态不规则的管状体, 虽延深上偶有“盲端”产出, 但水平断面面积总体随深度增加而减小, 因此用地质体积法进行定量估算。公式如下:

式中:Q—深部预测资源量;S1、S2—预测部分岩管的上下底面积, 其中S1即最大勘查深度处矿体水平断面面积, 为已知量,S2根据岩管水平断面面积的缩减率求得;h—预测部分延深;γv—体积含矿率,为查明资源总量与含矿地质体总体积的比值; K—体积含矿率修正系数, 334-1类别预测资源量定为0.6, 334-2类别为0.3。

根据以上预测技术方法, 最终在常马和西峪岩带深部预测金刚石量875.5万ct。其中, 1200 m以浅岩管深部预测金刚石量557.6万ct。对比最新深部勘查成果, 胜利Ⅰ号岩管和西峪岩管群在1000 m、1050 m以浅新增金刚石量495.2万ct, 由此可见, 1200 m以浅预测资源量可信度较高。

3 基于地球物理方法的深部探测

由于金伯利岩体独有的物性特征及成矿背景,应用地球物理勘查方法寻找金伯利岩体由来已久,20世纪 60年代末即用物探方法找到了胜利Ⅰ号岩管, 胜利 2、3号岩脉等(山东省地质局第七地质队, 1979, 1983), 多以电、磁法为主(孙培基, 1993)。近年来, 针对探测隐伏矿床, 地球物理方法在加大探测深度和提高分辨率方面不断进步完善, 成为获得研究区深边部地质结构信息的有效方法(吕庆田等, 2004, 2005, 2007; 严加永等, 2008a, b; 刘彦等,2012; 薛建玲等, 2020)。如: 大地电磁法(MT)、音频大地电磁法(AMT)及可控源音频大地电磁法(CSAMT)等电法勘探技术不但探测深度大, 兼具测深和剖面测量性能, 而且在垂向和横向的分辨率都较高, 对探寻深部隐伏矿及深部地质结构具有良好效果(刘天佑, 2007; 吴俊华等, 2010); 地震方法通过宽屏地震层析成像、远震地震层析成像、反射地震等技术可以获得深部地质体深度、空间形态及构造展布等信息, 也被广泛应用于探寻深部隐伏矿体(吕庆田等, 2005; Jiang et al., 2013; 袁峰等, 2014)。

3.1 单一地球物理方法深部找矿探测

在鲁西常马和西峪岩带, 采用 CSAMT对浅部金伯利岩体进行追踪、勘查, 指导深部找矿。可控源音频大地电磁测深剖面布设在常马胜利Ⅰ号岩管南侧及西峪岩管群附近, 探测深度1 km, 仪器选用加拿大凤凰公司生产的 V8多功能电法工作站, 线距80～100 m, 点距20 m(褚志远等, 2018)。因断裂带中金伯利岩体相对于二长花岗岩等围岩呈低阻反映, 因此根据剖面上的低阻分布区进行找矿预测,推测岩管深部延深情况。应用该技术方法成功指导钻探工程揭露到深部金伯利岩, 应用效果良好。

3.2 综合地球物理方法深部探测评价

随着综合地球物理勘查技术在断裂展布、深部岩浆岩体探测方面的广泛应用(吴俊华等, 2010; 邱君等, 2019; 徐志敏等, 2019), 在鲁西地区探索重力、电法、反射地震综合勘探技术进行深部金伯利岩体探测与预测评价。在西峪岩管群附近, 布设长度10 km的重力、反射地震和大地电磁测深联合剖面, 分析4 km以浅的金伯利岩体、构造空间分布及两者之间关系, 指导深部资源预测评价。其中, 大地电磁测深剖面点距200 m, 采用凤凰公司的V8电法工作站观测频率10–4～103Hz的近似平面波的天然电磁场, 布极方式采用十字型、L型或 T型, 工作数据采集时间为 2个小时, 采集的有效频率范围320～0.1 Hz, 资料处理及解译采用加拿大凤凰公司开发的 SSMT2000软件和意大利GEOSYSTEM公司开发的 WINGLINK软件, 资料处理反演深度为4000 m。重力测量采用加拿大先得力公司生产的CG-5型相对重力仪, 正常重力值公式采用1979年国际大地测量和地球物理联合会(IUGG)推荐的1980公式, 即γo = 978 032.7×(1+0.005 302 4 sin2Φ–0.000 005 8 sin22Φ。重力反演采用重磁数据软件RGIS2016, 反演深度2400 m, 重力定量计算所用密度参数如下: 二长花岗岩: 2.60×103kg/m3; 金伯利岩体: 2.82×103kg/m3; 第四系: 1.90×103kg/m3。反射地震法勘探设备为SN388型数字地震仪及Kz-28型地面液压驱动可控震源车, 资料处理使用法国CGG公司的 Geovecteur Plus交互地震数据处理系统在SunBlade2000工作站进行处理, 反演深度 3000 m,需要提及的是, 测区内岩性主要为二长花岗岩和金伯利岩体没有完整的地层, 不易形成良好的地震波反射界面, 不会出现明显的标准层反射界面, 但侵入的金伯利岩体与周围的二长花岗岩仍存在一定的波阻抗差异, 可形成反射波能量稍强的反射界面,据此来解译金伯利岩体分布。

根据综合解译成果(图 5)可知: ①三种物探方法均推断出两处断裂带, 虽不同物探方法反演推测出的主断裂的上视断点在地表的投影位置有所差别,但所推测的断裂位置及倾向、倾角等特征基本吻合。②在断裂带内有地震反射异常波的出现, 结合浅部已有金伯利岩体和钻孔分布, 推测深部金伯利岩的存在。再结合金伯利岩的低电阻率特征在大地电磁测深剖面中的反映, 推断 3000 m以浅断裂带内金伯利岩有发育空间(山东省第七地质矿产勘查院,2020; 程光锁等, 2020)。笔者认为, 鲁西地区采用集重力、反射地震及大地电磁测深方法于一体的综合地球物理方法, 同时综合地质、钻探等约束信息对4 km以浅金伯利岩体、断裂构造进行反演解译, 三种方法起到了相互验证、相互补充的作用, 反演成果一致性良好。但“推测 3000 m以浅断裂带内金伯利岩有发育空间”的结论与现阶段普遍认为的“金伯利岩筒根部带长度可达1 km”差距较大, 或许只是断裂破碎带或其他低阻低密度地质体的反映, 需要钻探等有效手段进行进一步验证。

图5 重力、大地电磁测深、反射地震剖面综合解译成果图Fig.5 Comprehensive interpretation results of gravity, magnetotelluric sounding, and seismic reflection profiles

4 基于三维技术的深边部定位定量预测

自20世纪80年代末引入EarthVision以来, 三维地质建模技术在国内迅速发展, 广泛应用于国内百余处典型矿区的三维建模与找矿预测实践(吴俊华等, 2010; 袁峰等, 2014; 陈建平等, 2014; 毛先成等, 2016), 以三维地质建模技术为核心的数据集成技术逐渐成为深部找矿预测的重要技术手段, 证据权方法、信息量方法、神经网络法等成为定位定量预测的普遍方法。在鲁西常马、西峪矿带, 借助三维建模技术, 以断裂构造特征分析为切入点, 基于证据权重法及信息量法对深边部隐伏矿体进行定量化预测(山东省第七地质矿产勘查院, 2020; 李伟等,2020b)。技术路线为: 三维实体建模—成矿预测有利信息筛选及找矿模型建立—三维异常重构—定量化预测模型建立—靶区圈定。

4.1 三维实体建模及地质找矿模型建立

三维实体建模的数据源采用了平面地质数据、地质钻孔数据、剖面地质数据。其中, 平面地质数据包括地形地质图2张、中段地质平面图7张, 深度范围自地表～450 m; 地质钻孔数据指钻孔柱状图 200张, 包括钻孔测量数据、地质编录数据及化验数据等, 深度范围39～1027 m; 剖面地质数据主要指勘探线剖面图(63张), 深度范围250～1050 m。针对以上数据进行规范化和统一化处理建立矢量数据库, 借助Surpac建模软件根据线框建模方法对边界线进行提取构建金伯利岩管和断裂构造三维实体模型。

因①鲁西金刚石原生矿构造控矿作用明显;②金伯利岩体侵位对围岩无选择性(贺灌之, 1980;董振信, 1991; 尹作为等, 2005); ③围岩蚀变信息不强(张成基等, 2020)。因此, 从断裂构造特征入手,包括构造含矿特征、导矿容矿特征、展布特征及构造带特征, 筛选成矿预测有利信息, 建立地质找矿模型(表 1)。

4.2 三维异常空间重构

根据找矿模型, 对断裂进行相关的异常信息提取进行三维异常空间重构, 包括构造含矿性分析、构造等密度、构造频数、主干断裂、构造方位异常度、方位异常、构造交点数、断裂缓冲区等(表1)。其中, 构造等密度反映单位块体内断裂构造的密集程度, 用单位块体网格内断裂构造总长度与块体网格边长的比值来表示。构造频数反映单位块体内构造发育的复杂程度, 用穿过块体网格的断裂总条数表示。用构造等密度与构造频数的比值, 表征主干构造。针对线性构造的方位特征, 通过构造异常方位来进行异常重构, 它代表单个块体网格内方位异常的构造总长度在该块体网格内所有线性构造中所占的比例。其计算方法是将区域内的所有线性构造展布方向(0～180°)按照一定的区间间隔进行分隔, 统计每个区间内其构造长度的和, 将各个区间的长度和按由大至小进行排序, 并依次累加, 当其累加值达到区域内所有线性构造长度的 60%时, 选择该区间作为异常区间, 最后统计各个块体网格的构造异常方位, 其值在0～1之间。

表1 地质找矿模型及三维异常空间重构Table 1 Geological prospecting model and 3D anomaly space reconstruction

4.3 定量化预测模型建立

采用“立方体模型”预测法, 将研究区划分成若干个等大(基于分形理论确定最佳尺度为 10 m)的三维立方块, 每个立方块视作均质同性体, 根据建立的实体模型, 结合块体单元大小, 提取不同深度层次(深度分层尺度同块体单元边长)的断裂分布的数据文件, 将其导入到三维预测软件(3DMP)中, 据前述方法对立方块每个构造异常值进行计算, 用相关地质统计学方法与已知金刚石原生矿体进行空间叠加分析, 选定有利区间, 建立定量化预测模型(表2)。

表2 西峪、常马矿集区区域定量化预测模型Table 2 Regional quantitative prediction model of Xiyu and Changma ore concentration areas

4.4 找矿靶区圈定

4.4.1 西峪矿集区找矿靶区圈定

西峪矿集区基于信息量法进行成矿靶区圈定。根据确定的定量化预测模型, 将其每个块体单元建立各个预测因子属性, 赋值0或1代表各块体是否包含该预测因子, 然后利用条件概率对各预测因子的找矿信息量进行计算, 公式为IA(B)=lg[P(A/B)/P(A)], 式中IA(B)为A标志有B矿的信息量, P(A/B) = 包含A标志的矿体数/研究区总矿体数, P(A)= 研究区 A 标志块体数/研究区总块体数。再计算各块体单元内的信息量总和, 最后将所有块体的信息量值进行分级统计(表 3), 并选择累积矿块比与累积块数比之比值稳定、块体空间分布与已知矿体叠合度高的信息量范围区间生成的有利块体区域进行靶区圈定。因此, 根据信息量大于2.7并结合信息量大于 2.1和大于 2.4的块体区域圈定 2处找矿靶区, 分别位于西峪岩管群的南侧和东南侧, 据预测空间展布特征, 为较陡直的管状体的可能性大, 标高范围分别为–400～–700 m、150～–300 m(图 6)。

表3 西峪、常马矿集区三维信息量分区统计分析表Table 3 Statistical analysis of 3D information partition in Xiyu and Changma ore concentration area

图6 西峪矿集区(a)、常马研究区(b)找矿靶区预测成果图Fig.6 Prediction results of prospecting targets in Xiyu ore concentration area (a) and Changma research area(b)

4.4.2 常马矿集区找矿靶区圈定

常马矿集区依据信息量法建立的成矿有利块体比较分散, 因此采用证据权法与信息量法叠加分析进行成矿预测与靶区圈定。证据权法实质是通过叠加复合分析与矿床形成有关的地学要素来对找矿靶区进行预测, 采用统计分析的方式, 将与矿床形成有关的各个控矿要素都视为证据因子, 证据因子对预测区成矿的重要性由证据权值的大小来确定, 而成矿有利块体最终由后验概率值确定。首先, 计算先验概率: 假设研究区划分成了 T 个单元,含有矿体为 D个, 那么随机选取某一单元区域含有矿体的概率是: P先验=P(D)=D/T, 先验几率为:O先验=O(D)=P(D)/[1–P(D)]=D/(1–D)。其次, 计算权重值: 对于一个单元中, 证据因子与已知矿体的关系可能存在以下四种情况:, 对任意一个证据因子, 它的权重被定义为:

W+、W–分别表示证据因子存在、不存在时的证据权重值, 研究区中若原始数据缺失, 则证据权重值为 0。最后, 计算后验概率值: 后验几率:O后验=exp[lnO先验+W+]或 O后验=exp[lnO先验+W–], 后验概率: P后验=O后验/(1+O后验)。

在单独计算了证据权重法和信息量法两种算法的基础上, 选取证据权重法和信息量法成矿有利区间共同约束条件下的块体作为成矿有利块体, 在常马研究区圈定成矿靶区 2处, 其中, 靶区 1位于胜利Ⅰ号岩管南东侧, 紧邻胜利Ⅰ-1号隐伏矿体,标高范围与胜利Ⅰ-1号隐伏矿体一致, 为–250～–550 m, ; 靶区2位于胜利Ⅰ号岩管的北部, 标高范围为–50～–550 m(图 6)。

4.5 预测评述及建议

借助三维技术进行金刚石原生矿体深边部成矿预测, 不但预测靶区直观可见, 而且预测信息的定量化使预测结果更科学可靠。鲁西半个多世纪的勘探工作所积累的丰富资料数据是三维可视化研究的基础和前提, 在丰富的数据源中借助三维技术析获构造控矿信息是进行金刚石已知矿体深边部成矿预测的关键一步, 但受到地质钻孔和剖面数据深度较浅且范围有限的制约, 基于此构建的三维地质模型对深边部地质结构信息刻画的“深度”和“广度”有一定局限性。鲁西地区钻孔最大深度 1027 m, 勘探剖面最大深度 1050 m, 基于此圈定的靶区深度均在1050 m以浅, 广度在1 km2以内。地球物理方法是获得深边部地质结构信息的有效办法(董树文等,2009), 物性反演可有效获取深部地质体或地质界面的分布特征(Portniaguine and Zhdanov, 2002), 弥补三维预测在“深度”和“广度”上的不足, 鲁西基于综合地球物理方法深部探测深度已达4 km。同时, 三维地质数据库以及地质剖面等约束信息可有效减少地球物理数据因重磁场的体积效应、反演方法的欠定性等因素导致的反演结果的多解性。因此, 将地球物理、地质钻孔、地质剖面等多元地质信息有效融合进行三维综合信息成矿预测, 可进一步提高深部成矿预测的有效性和可靠性, 获得最优预测效果。

5 结论

(1)鲁西地区从构造控矿特征入手进行的三维可视化研究与定量化成矿预测, 取得良好预测效果,在西峪和常马矿集区深边部 1000 m以浅共圈定4处找矿靶区。在 Mitchell建立的金伯利岩浆成矿模式指导下建立金伯利岩管根部带的形态概念以限定预测深度, 并借助GIS的空间分析技术现实反映常马和西峪岩管三维地质特征、量化深部变化趋势,在此基础上用体积法预测了常马和西峪岩带深部1600 m以浅金刚石量分别为 196.0万 ct和679.5万ct, 合计875.5万ct。其中, 1200 m以浅岩管深部预测金刚石量557.6万ct。鲁西原生矿深部资源潜力大。

(2)鲁西金刚石原生矿田自地表至深部呈现一定的规律性变化。①自浅部至深部金伯利岩体中角砾含量减少, 岩性逐渐单一化。比如常马岩带浅部岩性有镁铝榴石斑状金伯利岩、细粒金伯利岩、金伯利角砾岩等, 深部均为镁铝榴石斑状金伯利岩;西峪岩带浅部有金云母斑状金伯利岩、细粒金伯利岩、镁铝榴石斑状金伯利岩和金伯利角砾岩, 深部为金云母斑状金伯利岩和含围岩碎屑斑状金伯利岩。②金刚石粒度无论其浅部粒径的大小和差异性,在深部(垂深 600 m 以下)粒级范围较稳定, 在1.0 mm左右。由前所述, 常马岩带金刚石颗粒相对较大、粒径差异亦较大, 一般粒径0.5～3.0 mm, 但不乏粒径超8 mm重量100 ct以上的大颗粒金刚石;西峪岩带金刚石粒径差异小, 多为0.5～1.0 mm, 鲜有大于4 mm者。但在两矿带深部选获的20粒金刚石中, 粒径均在0.3～1.3 mm之间。③金伯利岩管规模自地表至深部虽有局部“膨大”, 但整体呈缩减趋势, 且地表无论常马岩带的 2个岩管还是西峪由 8个岩管组成的岩管群, 在深部一定范围内均向中心聚拢为 1个岩管。同时, 三维可视化预测结果显示, 在岩管附近很可能还有其他隐伏岩管或“盲端”, 其产出部位和赋存标高无明显规律性, 金伯利岩筒根部带的复杂性毋庸置疑。以上规律特征可指导判别金伯利岩筒的“相带”部位、规模、形态及含矿性, 助力金刚石深部找矿及隐伏矿体预测实现新突破。

致谢: 论文撰写过程中得到了山东省地质矿产勘查开发局首席专家宋明春研究员的指导帮助, 在此表示诚挚感谢！

Acknowledgements:

This study was supported by Shandong Institute of Gological Survey (No.1212010813014), Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources(Nos.KY201602, 202011 and 202012), and Department of Science and Technology of Shandong Provice(No.2017CXGC1607).