金川铜镍硫化物矿集区科学钻探选址 预研究

  科学钻探是人类目前获得地球内部信息最直接有效的途径。通过数千米甚至上万米的大陆科学钻探, 能解决一系列重大基础科学问题, 包括揭示大陆地壳的物质组成与结构构造, 校正地球物理方法对地球深部的遥测结果, 探索地球深部流体系统、地热结构, 监测地震活动, 揭示地震发生规律, 研究全球气候变化及环境变迁, 探索地下微生物的分布及发育条件, 预防环境及地下水污染, 有效处理核废料, 长期观察地球变化等等。因此, 大陆科学钻探工程被形象地誉为“伸入地球内部的望远镜”, 是“入地”之门的钥匙。

 

  国际大陆科学钻探实施40多年来, 已在全球形成宏伟的整合计划, 正在实施的国际大陆科学钻探项目有20余项, 主要研究领域包括板块构造、火山与地震活动、全球环境与气候变化、陨石撞击与灾变事件、地热与流体系统和大陆与地幔动力学等, 并与国际大洋科学钻探联手, 表明一个探测地球的新时代的来临(苏德辰等, 2010; 张金昌等, 2010)。

 

  中国作为一个地质大国, 以及国际大陆科学钻探委员会发起国之一, 应从全球的视野, 瞄准国际地学前沿和高端关键技术。根据国际大陆科学钻探计划的研究主题、中国大陆地质关键问题, 特别是结合当前中国经济发展与社会需求, 提出了中国大陆科学钻探工程10年长期规划的研究主题: 复合沉积盆地和油气资源、矿床成因、大型活动断裂与火山地震灾害、汇聚板块边界与超高压变质带、地史时期的生物灭绝与环境变化, 以及湖泊、冰川与气候等。提出要从国家加强地质工作的大局出发, 谋划中国大陆科学钻探工作, 推进中国地质科学和大陆科学钻探事业的发展, 促进我国地球科学研究与资源开发、环境保护、灾害预报与预防的紧密结合, 促进国家中长期科学和技术发展规划纲要中提出的地球深部钻探计划的实现, 提高我国的可持续发展能力。科学超深孔钻探技术是为了配合地球科学研究而产生并发展的(董树文等, 2011), 为地学研究提供地下实物资料和测试通道, 是进行地球科学研究的重要手段, 因而对地球科学研究目标能否实现将起到决定性作用。  本项目根据中国大陆地质关键问题, 特别是结合当前中国经济发展与社会需求, 提出围绕中国大陆动力学基础地质的重大关键问题——板块会聚边界的深部动力学、重要的矿产资源集聚区的成矿背景、成矿条件和深部找矿前景、盆山结合带对油气资源制约以及火山–地热资源等方面开展地质、地球物理研究、大比例尺地质调查填图和科学钻探选址预研究。在此基础上, 运用不同技术方案在条件成熟的选区实施7口先导孔的科学钻探实验, 为大陆科学超深钻探的选址提供依据。与此同时, 开展超深孔钻探技术方案预研究, 为实施大陆科学超深钻探提供钻探技术准备。

 

  科学意义

 

  镁铁–超镁铁质岩浆岩中的Ni-Cu-PGE资源在世界上占有重要地位, 其中镍金属储量的34%, 开采量的60%来自岩浆硫化物矿床; 世界铂族金属资源90%以上来自镁铁–超镁铁质岩中的硫化铜镍型和铬铁矿型矿床。我国镍矿储量的86%, 铂族元素储量的95%, 铜矿储量的11.9%来自与镁铁–超镁铁质岩有关的岩浆硫化物矿床。另一方面, 镁铁–超镁铁质岩石是人们认识深部地质作用、地幔物质组成、壳幔岩浆作用、大陆动力学等方面的重要工具。因此, 对镁铁–超镁铁质杂岩体的研究一直是地学界的热点, 这一研究不仅会给社会带来巨大的经济效益, 而且为研究壳幔相互作用、地球深部动力学等提供了窗口。

 

  甘肃金川矿集区是目前我国最大的镍、铜、钴、铂族金属基地, 也是世界巨型矿集区之一, 累计探明镍550万吨, 铜343万吨, 钴16万吨, 铂族金属200吨。金川的镍占全国的62%, 铜占全国储量的13%, 钴占全国的28%, 铂族金属占全国的57%。其产量镍占全国的88%, 钴占全国的33%, 铂族占全国的90%以上。全球约4000万吨硫化镍金属储量, 其实就集中在全世界不足10个矿床(田)之中, 金川矿床Ni金属总储量排名世界第三, 但单个岩体或矿床的金属储量位居世界第一。

 

  金川超大型铜镍(铂族)硫化物矿床的一个重要特征是容矿岩体很小, 面积仅1.34 km2。小岩体型(或通道型)岩浆硫化镍矿床已普遍受到世界关注(Lightfoot et al., 1997; Wolfgan et al., 2001; Li, 2004), 并取得一定找矿突破(如Noril’sk, Voisey’s Bay等矿床)。寻找金川型岩浆Cu-Ni-PGE矿床已成为全球找镍公司的梦想。

 

  金川铜镍硫化物矿集区是我国铜、镍、钴、铂族元素等多金属矿产资源的重要矿产地, 也是我国最具潜力的进一步寻找超大型有色、稀有和贵金属矿产的重要基地, 更是解决我国矿产资源瓶颈的首选靶区。在今后相当长的时期内, 金川资源能否可持续开发利用, 在很大程度上决定了我国的镍、铜、 钴、铂族资源的可持续开发利用前景。因此, 开展金川铜镍硫化物矿集区科学钻探选址, 在该区进行大陆科学深钻井研究, 是解决金川矿床的成矿背景、成矿条件、深部成矿过程等科学问题的重要手段, 对于我国的镍、铜、铂族金属资源的可持续开发利用有重大意义。在我国最大的镍、铜、钴、铂族金属基地——金川矿集区开展大陆科学深井钻探研究工作, 不仅可以解决华北板块西南边缘地壳结构、物质组成、幔源岩浆演化与成矿过程等基础地球科学问题, 而且也能为该矿集区深部资源潜力进行初步评价和验证, 为解决铜、镍、铂族硫化物岩浆矿床的深部成矿过程、成矿构造背景、成矿条件等成矿基本问题起着至关重要的作用, 对丰富成矿理论具有重大意义。

 

  地质背景

 

  金川铜镍硫化物矿集区位于华北板块西南缘的龙首山地区。该区从北而南各构造单元为: 龙首山陆缘带、河西走廊边缘海盆、北祁连缝合带、中祁 连离散型岛弧地体、南祁连弧后盆地、柴达木陆块。

 

  金川镍矿床的围岩为白家嘴子组深变质岩(AnZ), 这套变质岩系的变质程度多在角闪岩相或更深, 主要岩石类型有花岗片麻岩、片岩、混合岩、混合花岗岩、变粒岩、蛇纹石或条带状大理岩和斜长角闪岩等, 属于华北地台西南缘阿拉善地块基底的一部分。一些地质学家认为白家嘴子组的部分地层的年代很可能是太古代, 其地表露头与新地层呈断层接触。  金川镍矿床的矿石量大约为5亿2千万吨, 平均品位: 镍1.05％, 铜0.68％, 是与基性–超基性侵人体有关的岩浆硫化物矿床。容矿岩体总体走向NWW-SEE, 长约6.5 km, 东、西两端(III、Ⅳ矿区)被第四系覆盖, 在地表出露长度约为4.5 km, 宽20~550 m, 不整合侵位于白家嘴子组变质岩中, 倾向SW, 延深数百米至大于1100 m。矿体(Ni>0.5％)占整个岩体体积约43％。金川岩体的平均化学成分非常接近于二辉橄榄岩的成分, 主要岩石类型有二辉橄榄岩、斜长二辉橄榄岩、纯橄岩、橄榄二辉岩等。岩体经受了不同程度的蛇纹石化、绿泥石化、透闪石化、滑石–碳酸盐化, 仅有30%~40％的二辉橄榄岩和纯橄岩未发生蚀变, 但岩体的火成岩结构仍普遍保留。岩体与大理岩、花岗片麻岩、混合岩及斜长角闪岩等深变质岩直接接触。主要矿石矿物有磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿、马基诺矿和方黄铜矿, 少量白铁矿、黄铁矿、紫硫镍矿、针镍矿、墨铜矿和自然铂等。主要矿石类型有: 块状矿石, 特 富矿, Ni品位>7％; 稠密浸染状(海绵陨铁状)矿石, 富矿, Ni品位1％~3％; 稀疏浸染状矿石, 贫矿, Ni 品位≥0.05％。最好的矿体赋存于地表400 m以下。金川容矿岩体大致以10°交角不整合侵位于前长城系白家嘴子组中, 岩体直接与大理岩、条带–均质混合岩和片麻岩接触。现存岩体长约6500 m, 宽20~527 m, 延伸数百米至1000余米, 最大延深超过1100 m。岩体东、西两端被第四系覆盖, 中部出露地表, 上部已遭剥蚀, 揭去覆盖, 岩体基岩的面积约1.34 km2。岩体走向为北西50°, 倾向南西, 倾角50~80°。岩体受北东东向压扭性断层错断, 由西向东分为4段, 依次编号为Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ矿区。

 

  科学目标和研究内容

 

  金川铜镍硫化物矿集区科学钻探选址预研究是围绕中国大陆动力学基础地质研究的重大关键问题之一, 重要的矿产资源集聚区的成矿背景、成矿条件和成矿前景等方面开展地质、地球物理的预研究、大比例尺地质调查填图和科学钻孔选址; 在此基础上, 选择确定合适地质地理位置, 布置和实施一口先导孔的科学钻探。通过科学深钻研究, 建立具有我国理论知识体系和创新性的镁铁–超镁铁岩浆铜、镍硫化物矿床的成矿机制与成矿过程以及成矿模式; 探讨该区壳幔物质演化、大陆动力地质演化对成矿物质的聚集与分异的控制作用。通过金川铜镍硫化物矿集区科学钻探选址预研究, 解决与镁铁–超镁铁岩浆硫化物有关的铜、镍硫化物多金属矿床的成矿背景、成矿条件及成矿前景等重大地质问题。为在龙首山地区开展深井钻探(>5000 m), 查明岩带和金川岩体的深部情况奠定基础, 为论证其必要性、可行性、确定钻井位置及钻孔设计提供资料, 为实施大陆科学超深钻探奠定基础。

 

  尽管金川铜镍矿床是我国最大世界第三大的矿床, 但目前钻探探明深度仅1000 m, 并已见矿。岩体的深部延伸和含矿性是解决和验证成矿理论的关 键。国外与国内关于岩浆铜镍硫化物矿床成矿理论有一定的分歧, 即是金属硫化物的即时熔离还是存在中间(或高位)岩浆房, 而查明深部岩体的岩石化学成分、物理化学和流体特征是解决成矿过程、成矿条件的关键。

 

  拟通过地表地质调查、地球物理探测和一口深度2000~3000 m的先导孔科学钻探研究, 探测我国现有的最大的金川Ni-Cu-Co-Pt矿床的成矿深度和深部的资源潜力; 探索金川岩体的深部岩浆房, 研究岩浆硫化物矿床成矿的深部过程和成矿机制等, 以及金川岩体所在的龙首山超镁铁岩带形成的构造背景; 评价金川岩体外围的超镁铁岩的资源潜力和潜在的钻探靶区; 为在龙首山地区开展深井钻探(>5000 m), 查明岩带和金川岩体的深部情况奠定基础, 为论证其必要性、可行性、确定钻井位置及钻孔设计提供资料。具体的科学目标为:

 

  (1)探查我国最大的(世界第三)Ni-Cu-Co-Pt矿集区的成矿深度及其深部和外围的资源潜力;

 

  (2)探索可能存在的深部岩浆房, 研究金川Ni-Cu-Co-Pt岩浆硫化物矿床成矿的深部过程(源区, 原始岩浆, 硫源, 同位素年代学, 深部岩浆房与现存矿床以及围岩之间的物质递变和成矿机制等);

 

  (3)打穿F1断层, 确定它对地质或成矿的控制意义。  拟通过科学钻探获取连续岩心样品, 开展金川岩浆型铜镍硫化矿床成矿过程及成矿条件理论研究; 通过与世界最大的三个同类型矿床——俄罗斯西伯利亚Noril′sk矿床、加拿大Sudbery矿床以及Voisey’s Bay矿床进行成因对比, 确定成矿岩浆起源、分异演化、成矿物质来源等成矿环境, 建立矿床成因模型; 通过开展巨量金属堆积机理研究, 探讨Cu-Ni-PGE硫化物矿床形成的机理、金属元素堆积过程与壳幔相互作用及地质背景间的关系, 特别是流体在这一过程的作用; 开展幔源岩浆作用与成矿作用关系研究(特别是矿浆与硅酸盐岩浆的分离控制因素, 成矿流体特征等);运用岩石探针、地球物理、地球化学、构造地质学、同位素地质学及流体包裹体方法等, 进一步探讨岩石圈–软流圈, 壳幔之间物质与能量的交换过程, 探索金川矿床成因与深部作用过程,建立一个更具典型性和科学性的金川模式(包括成矿模式和找矿模式)为矿区深部和外围找矿提供科学依据。