于學(xué)峰,田京祥,李大鵬,單偉,熊玉新,耿科,遲乃杰,陳國棟,張巖

(自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

膠東金礦集區(qū)是世界第三大金成礦區(qū),截至2022年底,累計(jì)查明金資源量已達(dá)5753t。在中生代160～110Ma構(gòu)造巖漿活動(dòng)頻繁劇烈,且集中在(120±5)Ma發(fā)生了大規(guī)模、短時(shí)限、高強(qiáng)度的成礦大爆發(fā)和金屬異常巨量堆積,這種巨量金瞬時(shí)成礦過程長期廣受國際地學(xué)界關(guān)注,特別是近10年來,膠西北金成礦過程已成為國際金礦研究的聚焦點(diǎn)[1-9]。國內(nèi)外地學(xué)研究學(xué)者為之開展了系統(tǒng)的研究,并在成礦物質(zhì)、流體演化、成礦時(shí)代、控礦構(gòu)造等方面取得大量共識(shí),這些理論基礎(chǔ)極大地促進(jìn)了該地區(qū)金礦的生產(chǎn)和科研工作。

在取得大量成果的同時(shí),受限于難以準(zhǔn)確掌握膠西北金成礦系統(tǒng)深部結(jié)構(gòu),而使得區(qū)域成礦-控礦構(gòu)造體系的時(shí)空轉(zhuǎn)化、構(gòu)造—巖漿—流體的相互耦合機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題不能有效解決,如郯廬斷裂帶次級(jí)斷裂的性質(zhì)、演化及與金成礦的時(shí)空耦合、俯沖的古太平洋板片對(duì)成礦的具體貢獻(xiàn)、礦田及礦床尺度的構(gòu)造演化和三維變化規(guī)律等[10-13]。上述問題制約了對(duì)該區(qū)構(gòu)造背景、成礦作用過程及礦床成因類型的準(zhǔn)確判斷,從而使得對(duì)膠西北金礦集區(qū)、甚至中國東部金成礦作用的認(rèn)識(shí)依然存在諸多分歧。為此,近年來本團(tuán)隊(duì)先后在膠西北地區(qū)實(shí)施了海量深反射地震、大地電磁和重力剖面工程及系列2200～3200m深鉆,以期能夠正確認(rèn)識(shí)該區(qū)的深部精細(xì)殼幔結(jié)構(gòu)及淺部金礦定位聚集機(jī)制,并有效提取中生代構(gòu)造巖漿信息,從而試圖回答以上科學(xué)問題。

本文將系統(tǒng)介紹近年來本團(tuán)隊(duì)在膠西北金礦集區(qū)深部探測取得的進(jìn)展和理論認(rèn)識(shí),以期進(jìn)一步深化膠西北金礦集區(qū)巨量金成礦作用機(jī)制和成礦模式的認(rèn)識(shí),豐富和完善膠東金礦成礦理論,為區(qū)域深部金礦勘查提供科學(xué)依據(jù)。

1 成礦地質(zhì)背景

膠西北地區(qū)地處特提斯、古亞洲洋和太平洋三大構(gòu)造域的結(jié)合部位(圖1),它們的相互作用過程決定并影響著區(qū)內(nèi)金礦的形成環(huán)境。膠西北金礦集區(qū)東鄰太平洋板塊,西靠郯廬斷裂帶,南部為蘇魯超高壓變質(zhì)帶,北側(cè)為中國東部巖石圈最薄處,深部為大地幔楔和軟流圈上涌部位。在整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期,受過多次構(gòu)造事件影響。其中,中生代印支期揚(yáng)子板塊與華北板塊的碰撞拼合、古太平洋板塊俯沖,以及郯廬斷裂帶走滑、華北板塊東部巖石圈減薄及克拉通破壞對(duì)該地區(qū)的構(gòu)造-巖漿事件、沉積環(huán)境和成礦作用起著重要的制約作用。區(qū)內(nèi)NNE向、NE向斷裂構(gòu)造與成礦關(guān)系密切,膠西北的三山島斷裂、焦家斷裂、招平斷裂、西林-陡崖斷裂及東部的金牛山斷裂是區(qū)內(nèi)主要的控礦構(gòu)造。中生代燕山期花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,玲瓏花崗巖、郭家?guī)X花崗巖、偉德山花崗巖與金成礦有關(guān)(圖1)。

2 膠西北金礦集區(qū)深部礦產(chǎn)勘查進(jìn)展

膠西北金礦集區(qū)是我國最重要的金礦資源產(chǎn)地,近十幾年來,該區(qū)金礦深部勘查方面取得重大進(jìn)展,累計(jì)發(fā)現(xiàn)大中型及以上金礦70多處,其中超百噸的超大型金礦床6處,包括三山島北部海域金礦、西嶺金礦、紗嶺金礦、騰家金礦、水旺莊金礦、新立村金礦,其中西嶺金礦累計(jì)查明資源量達(dá)592t。三山島、焦家和玲瓏-大尹格莊金礦田均已成為資源儲(chǔ)量超千噸的世界級(jí)金礦田。此外,在棲霞-蓬萊成礦帶發(fā)現(xiàn)了笏山-西陡崖金礦,資源儲(chǔ)量30余噸,打破了膠西北東部地區(qū)以往“只見星星,不見月亮”的局面,近兩年來,本團(tuán)隊(duì)在笏山礦區(qū)外圍實(shí)施多個(gè)千米深鉆,其中深度1500.85m鉆孔,在1300m處發(fā)現(xiàn)累計(jì)厚為7.40m的金礦體,最高品位4.56g/t,證實(shí)了棲霞-蓬萊地區(qū)深部具有巨大的金礦資源潛力。

隨著淺部金礦找礦難度的增加,膠西北金礦集區(qū)的金礦勘查已重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)σ阎氐V地質(zhì)體的深部追索和未知隱伏控礦構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)和評(píng)估。尤其是近年來本團(tuán)隊(duì)率先開始的利用以深反射地震為主的綜合地球物理深部探測和焦家金礦帶3200m深度勘查科研深鉆,取得了良好的效果,極大促進(jìn)了該區(qū)的金礦深部勘查研究工作。

在焦家?guī)畈渴┕さ?266m科研深鉆實(shí)現(xiàn)了焦家金礦帶深部找礦重大突破,于2428.00～3234.16m成功控制了焦家金礦帶(圖2),蝕變帶厚度達(dá)806.16m,其中金礦化帶累計(jì)厚180.69m,在2700.89～2854.59m發(fā)現(xiàn)金礦體6個(gè),賦存標(biāo)高-2692.52m～-2846.22m,總視厚度25.2m,真厚度20.87m,平均品位1.85×10-6,最高品位13.65×10-6,工業(yè)礦體厚5.85m,平均品位3.14×10-6。該鉆孔是“中國巖金第一見礦深鉆”[13],不僅直接揭示和證明了焦家金礦帶斜深7000m、垂深3000m深部仍有較大的資源潛力和良好的找礦前景,同時(shí)對(duì)于膠東超大型金礦深部成礦作用機(jī)制、成礦流體垂向演化、成礦物質(zhì)和成礦流體來源、成礦規(guī)律及深部資源探測研究有重要的指導(dǎo)作用和科研價(jià)值。

3 深部探測主要成果與理論認(rèn)識(shí)

無論是成礦學(xué)的發(fā)展,還是深部找礦的現(xiàn)實(shí)需求,重大問題的解決都離不開深部探測[14-16]。通過不同尺度的綜合地球物理探測,是查明成礦帶形成的深部構(gòu)造背景、動(dòng)力學(xué)過程和礦集區(qū)形成的深部控制因素,預(yù)測未發(fā)現(xiàn)礦田的最直接有效的手段。對(duì)金礦而言,無論是成礦作用相對(duì)較深的造山型金礦(～20km),還是偏淺的與侵入巖有關(guān)的金礦(～10km),成礦作用主要發(fā)生在莫霍面以上,因此有效揭示莫霍面及以上殼幔結(jié)構(gòu)是研究深部成礦動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵,厘清上地殼淺部精細(xì)結(jié)構(gòu)是預(yù)測潛在礦產(chǎn)資源、指導(dǎo)下一步找礦的有效途徑。

針對(duì)2000m以深傳統(tǒng)地球物理探測效果不佳的技術(shù)難題,本團(tuán)隊(duì)積極創(chuàng)新深部探測技術(shù)方法,在膠西北金礦集區(qū)率先開展以高精度深反射地震為主,結(jié)合重力、大地電磁測深等超深部地球物理探測技術(shù)組合用于膠西北地區(qū)金礦深部探測。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)研究,選定最優(yōu)探測方案,確定了采用小炮距、大排列、高覆蓋次數(shù)為特征的高精度深反射地震技術(shù)方案和具體應(yīng)用參數(shù),有效解決了以花崗巖為背景的金礦集區(qū)開展深部地質(zhì)體結(jié)構(gòu)探測的技術(shù)難題?，F(xiàn)已累計(jì)完成高精度深反射地震剖面190余千米,尤其是實(shí)施了橫跨膠西北金礦集區(qū)三山島-焦家-招平3條主要成礦帶、長度61km的以深反射地震為主的地球物理-地質(zhì)大剖面,有效探測了3條巨型金礦帶的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系及其控賦礦規(guī)律等特征,精確揭示35km以淺精細(xì)地殼結(jié)構(gòu)模型(圖3)。

1—白堊系;2—新元古代蓬萊群;3—古元古代粉子山群;4—新太古代變質(zhì)雜巖;5—早白堊紀(jì)艾山巖體;6—早白堊紀(jì)郭家?guī)X巖體;7—晚侏羅世玲瓏巖體;8—晚侏羅世郭家店巖體;9—晚侏羅世云山巖體;10—晚侏羅世崔召巖體;11—晚侏羅世巖 體;12—斷裂圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖與反射地質(zhì)剖面位置

1—斜長角閃巖;2—二長花崗巖;3—黃鐵絹英巖化花崗巖;4—黃鐵絹英巖化斜長角閃巖;5—黃鐵絹英巖化碎裂巖;6—金礦體;7—鉆孔;8—斷裂。a—第四系;b—古元古代粉子山群;c—白堊紀(jì)萊陽群;d—新近紀(jì)臨朐群;e—青白口紀(jì)榮成片麻巖;f—新太古代棲 霞片麻巖;g—侏羅紀(jì)玲瓏花崗巖;h—白堊紀(jì)郭家?guī)X花崗閃長巖;i—白堊紀(jì)偉德山花崗巖;j—斷裂;k—金礦體;l—A剖面模式位置圖2 焦家深部構(gòu)造模式(A)、區(qū)域背景及剖面位置(B)

3.1 膠西北地區(qū)深部地質(zhì)體結(jié)構(gòu)

剖面顯示三山島斷裂和焦家斷裂中、下地殼表現(xiàn)為緩傾斜、密集的反射,傾斜方向多變,內(nèi)部可以識(shí)別出傾向不同的剪切帶,反映出在擠壓變形過程中的巖片拆離、疊置過程。同時(shí),中下地殼這種密集的反射特征或是古老克拉通的典型特征,記錄了早期克拉通形成時(shí)殼幔物質(zhì)的多次交換過程。另外,剖面顯示該區(qū)發(fā)育的斷層構(gòu)造可分為區(qū)域斷層構(gòu)造和局部斷層構(gòu)造,構(gòu)造樣式以擠壓、走滑和伸展多期活動(dòng)疊加為特征;地殼中發(fā)育垂直構(gòu)造體系,垂直構(gòu)造與地殼淺表的左旋走滑斷裂系統(tǒng)(包括廣泛分布的基性巖脈)相對(duì)應(yīng),可能是巖漿-成礦流體運(yùn)移演化過程的上升通道,也暗示有可能存在超深走滑斷裂。同時(shí),綜合剖面(圖3)還顯示,三山島斷裂、焦家斷裂以及招平斷裂等均為淺部鏟式斷裂,其深部往往與深切割的大型超殼走滑斷裂連通,這暗示膠東金礦成礦物質(zhì)及熱液可能來自地殼深部乃至上地幔。

圖3 三山島-焦家-招平斷裂帶地震綜合剖面解譯圖(a)及深部結(jié)構(gòu)模型(b)圖

3.2 三山島斷裂與焦家斷裂深部呈反“y”字型交會(huì)特征

地震綜合剖面精確揭示了膠西北地區(qū)三大主要控礦斷裂的深部結(jié)構(gòu)(圖4)。剖面清晰地顯示了三山島斷裂的形態(tài),三山島斷裂斷面波形態(tài)完整清晰,向深部延伸巨大,在4500m左右深處切穿了花崗巖體底界面進(jìn)入到中地殼變質(zhì)巖區(qū)。焦家斷裂在約5300m深處交會(huì)于三山島斷裂上,呈反“y”字型(圖4),三山島斷裂為主干斷裂,揭示了三大控礦斷裂的構(gòu)造屬性和樣式,厘定了三山島斷裂與焦家斷裂深部結(jié)構(gòu)關(guān)系,為深部找礦探測指明了方向。

圖4 三山島-焦家斷裂帶地震剖面解譯(a)及相關(guān)控礦構(gòu)造的深部結(jié)構(gòu)關(guān)系(b)

3.3 大型超殼走滑斷裂及莫霍面破裂

在剖面29.19～35.34km深度之間探測到明顯的莫霍面反射波組。莫霍面反射有多組前反射界面組成,界面反射清晰,振幅大,同向軸連續(xù),反射能量強(qiáng)。剖面顯示莫霍面存在間斷、錯(cuò)動(dòng)和疊置現(xiàn)象,反映了沿走向方向的擠壓錯(cuò)動(dòng)。在莫霍面間斷部位垂向上對(duì)應(yīng)出現(xiàn)無反射帶,推測為走滑斷裂或巖漿通道(圖5)。綜合剖面顯示玲瓏巖體東西兩側(cè)分布有寬約600m的垂直構(gòu)造帶,帶兩側(cè)地震波組存在明顯間斷,帶內(nèi)地震反射弱,多為雜亂反射,垂向貫穿地殼,深部對(duì)應(yīng)于莫霍面的間斷處,重力測量顯示此處存在明顯的重力低值,推測為大型超殼走滑斷裂。膠西北地區(qū)分布的超殼走滑斷裂(束)與礦集區(qū)內(nèi)出露的陡傾斜走滑斷裂束及廣泛分布的基性巖脈相對(duì)應(yīng),具有切割地殼,可能控制區(qū)域內(nèi)的巖體及成礦作用分布的特征。據(jù)此,本團(tuán)隊(duì)提出膠東地區(qū)東部成礦帶具有與膠西北金礦集區(qū)類似的由走滑斷裂控制的成礦機(jī)制,可作為下一步勘查的重點(diǎn)方向。

圖5 膠西北招平斷裂帶地震剖面解譯(a)及深部結(jié)構(gòu)模型(b)

3.4 基于超殼走滑斷裂構(gòu)造體系的巨量金成礦機(jī)制

綜合地球物理剖面顯示,中、下地殼表現(xiàn)為緩傾斜、密集的反射,傾斜方向多變,內(nèi)部可以識(shí)別出傾向不同的剪切帶、以擠壓走滑和伸展多期活動(dòng)疊加為特征的斷裂帶及由多期巖漿上侵而形成的弧型構(gòu)造,反映出早期克拉通殼幔物質(zhì)的多次交換及后期在古太平洋板塊俯沖擠壓過程中的巖片拆離、疊置及之后軟流圈上涌等過程的信息。

通過對(duì)該區(qū)構(gòu)造—巖漿—成礦事件的深入解析,根據(jù)巖石學(xué)、巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)及年代學(xué)綜合研究,認(rèn)為晚侏羅世—早白堊世古太平洋板塊的俯沖擠壓變質(zhì)導(dǎo)致富含Au、S的流體釋放,使得大量成礦物質(zhì)隨俯沖交代進(jìn)入巖石圈地幔并富集。早白堊世克拉通破壞減薄,隨著軟流圈上涌,富集的巖石圈地幔發(fā)生部分熔融形成大量的熔體,隨巖漿底侵和殼幔相互作用,與地殼圍巖發(fā)生強(qiáng)烈交換而形成富Au流體,沿受板塊俯沖擠壓—拉伸形成的系列超殼走滑斷裂上升侵位,在淺部的三山島、焦家等主干斷裂帶富集成礦(圖6)。

圖6 膠東金礦成因模式圖

往往沿干斷裂帶形成蝕變巖型金礦,在主干斷裂上下盤張性裂隙形成石英脈型金礦。一方面富Au流體將幔源的成礦物質(zhì)運(yùn)移到中上地殼沉淀成礦,另一方面大量熱源將前寒武紀(jì)變質(zhì)基底活化再造,殼源成礦物質(zhì)隨流體系統(tǒng)上升參與成礦。區(qū)域金礦床成礦后經(jīng)歷了相對(duì)緩慢的隆升與剝蝕,大部分金礦床(體)得以保存,深部資源潛力巨大。

4 討論

地殼結(jié)構(gòu)是理解成礦系統(tǒng)和開展深部找礦預(yù)測的重要基礎(chǔ),是正確認(rèn)識(shí)膠西北地區(qū)中生代大規(guī)模、短時(shí)限、高強(qiáng)度的金成礦大爆發(fā)機(jī)制的金鑰匙。雖然通過綜合地球物理探測并結(jié)合系統(tǒng)的解譯能夠獲得清晰的35km以淺的現(xiàn)今殼幔結(jié)構(gòu),但這是一個(gè)地史時(shí)期以來復(fù)雜的疊加結(jié)構(gòu),與中生代120Ma±的成礦事件既無殼幔結(jié)構(gòu)空間上的對(duì)應(yīng),也無構(gòu)造—巖漿—成礦時(shí)間上的對(duì)應(yīng),然而受板塊俯沖引起巨型走滑背景下的擠壓—拉伸過程的產(chǎn)物(侵入體對(duì)地殼的改造、莫霍面的錯(cuò)斷、康拉德面的不連續(xù)和消失、中地殼的“透明化”及系列錯(cuò)斷、逆沖、褶皺、走滑信息)會(huì)留在巖石圈中,這些不會(huì)因板塊漂移、地殼剝蝕而消失。對(duì)中生代信息進(jìn)行有效提取是開展金成礦過程研究的關(guān)鍵問題,經(jīng)過本團(tuán)隊(duì)前期工作,已初步發(fā)現(xiàn)在三山島和焦家斷裂中間深部以及招平斷裂的深部存在莫霍面的不連續(xù)和超深巖漿上侵通道,暗示了應(yīng)存在巖漿底侵和上升侵位過程;同時(shí)在不同剖面上中地殼既有與逆沖有關(guān)的構(gòu)造,也有與擠壓和碰撞有關(guān)的構(gòu)造,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的構(gòu)造非均質(zhì)性,這種非均質(zhì)性是由擠壓運(yùn)動(dòng)向拉張運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變而形成的。

以膠東地區(qū)地殼深部地質(zhì)體結(jié)構(gòu)為約束,提出的膠東金礦成礦理論新認(rèn)識(shí),為重新認(rèn)識(shí)中生代中國東部地區(qū)內(nèi)生成礦作用形成機(jī)制提供了重要依據(jù)和啟示;其更深遠(yuǎn)的意義在于顯示了中生代中國東部地區(qū),在以古太平洋板塊西向俯沖為背景的洋、陸相互作用過程中,可能存在以巖石圈破裂為特征的陸內(nèi)演化階段[17-18]。下一步仍需要開展大量研究工作,通過精細(xì)研究巖石圈結(jié)構(gòu)剖面所反映的莫霍面、錯(cuò)斷、隆起、褶皺、接觸、變形等信息,梳理華北克拉通中生代以來的地質(zhì)歷史和主要構(gòu)造事件,結(jié)合依據(jù)巖石地球化學(xué)建立的巖漿演化格架,嘗試發(fā)現(xiàn)巖石圈尺度的地球動(dòng)力學(xué)過程在地殼中留下各種結(jié)構(gòu)的或物質(zhì)的“痕跡”,最終來闡明中生代殼/幔作用方式和大規(guī)模巖漿-成礦過程。

5 結(jié)論

本團(tuán)隊(duì)在膠西北礦集區(qū)持續(xù)開展以深反射地震為主的深部探測,實(shí)施了貫穿三山島斷裂、焦家斷裂、招平斷裂的地震綜合剖面,有效探測礦集區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)、主干斷裂相互關(guān)系及其控賦礦規(guī)律等特征。通過剖面解釋,結(jié)合地表地質(zhì)資料形成了以下結(jié)論認(rèn)識(shí):

(1)膠西北礦集區(qū)深部地質(zhì)體結(jié)構(gòu)具有擠壓與伸展疊加的構(gòu)造樣式。總體表現(xiàn)為NW—SE向的擠壓導(dǎo)致地殼或巖石圈的縮短、破裂,在淺部發(fā)育逆沖推覆斷裂,在深部有莫霍面的逆沖疊置;破碎的塊體沿NE向延伸壓扭性垂向破裂面左旋滑動(dòng),形成一系列的超殼左旋走滑斷裂。

(2)沿剖面淺部識(shí)別出多組傾向SE或NW的“鏟式”斷裂,以三山島斷裂、招平斷裂和焦家斷裂為代表。這些斷裂在古太平洋板塊俯沖擠壓—拉伸背景下,經(jīng)歷了區(qū)域NW—SE擠壓、伸展作用。焦家斷裂在約5300m深處交會(huì)于三山島斷裂上,呈反“y”字型式樣。

(3)在玲瓏巖體東西兩側(cè)識(shí)別出切割整個(gè)地殼的超殼走滑斷裂(束),這些走滑斷裂形成于古太平洋板塊俯沖擠壓—拉伸作用背景下,淺表與礦集區(qū)內(nèi)出露的陡傾斜走滑斷裂束及廣泛分布的基性巖脈相對(duì)應(yīng),深部對(duì)應(yīng)于莫霍面的破裂以及下地殼的巖漿房。剖面顯示在大型成礦帶的深部,均對(duì)應(yīng)受超殼走滑斷裂控制的垂向構(gòu)造巖漿系統(tǒng),揭示了深部垂向構(gòu)造對(duì)巨量金富集的約束機(jī)制。

(4)膠東地區(qū)大規(guī)模的金成礦受控于古太平洋板塊俯沖回撤、華北克拉通破壞、巖石圈的強(qiáng)烈剪切破裂和同時(shí)發(fā)育的構(gòu)造巖漿活動(dòng)。建立的基于超殼走滑斷裂構(gòu)造體系的金礦成礦模式,認(rèn)為來自地殼深部乃至上地幔的富Au流體,沿受板塊俯沖擠壓—拉伸形成的系列超殼走滑斷裂上升侵位,在淺部的三山島、焦家、招平等主干斷裂帶富集成礦。