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理论创新为找矿突破指点迷津 ——成矿理论与勘查技术重大科技成果展示之一

2016-09-05      来源:中国矿业报     作者:李平
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  “十二五”期间,国土资源系统广大科技人员深入贯彻落实《国土资源“十二五”科学和技术发展规划》部署要求,紧紧围绕国土资源管理工作和长远发展的需求,深化土地资源管理、地质找矿、地质灾害防治、国土资源遥感应用及信息化等重点领域理论、方法和关键技术创新,取得了一批具有国际、国内先进水平的重大科技成果。

  据统计,2011~2015年间,在国土资源部正式登记的科技成果1756项;获国家科技进步奖特等奖1项、二等奖8项,国家自然科学奖2项,国际科技合作奖3项,国土资源科学技术奖一等奖59项、二等奖283项。科技创新作为破解国土资源难题的根本举措之一,为国土资源事业发展提供了强大动力。

  “十二五”期间,广大地质科技人员在成矿理论与勘查技术创新方面,建立完善了青藏高原、海域天然气水合物、钾盐成矿、北方陆相盆地砂岩型铀矿成矿等理论,建立了我国成矿规律时空格架,提出了“三位一体”找矿预测地质模型理论认识,有效地指导了地质找矿实践;航空地球物理勘查技术、地球化学勘查技术、地质钻探技术、地质实验测试技术与装备、矿产资源综合利用技术、天然气水合物勘查技术等地质勘查新技术进步显著,为地质找矿提供了重要利器。地质理论创新、勘查技术进步有效地指导、支撑我国找矿重大发现,培养了一大批地质找矿人才,产生了重大社会效益和经济效益。

  从本期起,本报将推出介绍我国“十二五”期间成矿理论与勘查技术重大科技成果的系列报道,请关注。

  科学技术是第一生产力,地质理论创新与勘查技术进步是支撑找矿突破的重要利器。

  《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006~2020年)》明确,要依托科技进步,解决资源重大问题,并将能源、水和矿产资源及找矿、开发利用列为国家科技中长期规划的重点领域和优先主题。

  国务院发布的《找矿突破战略行动纲要(2011~2020年)》强调,找矿突破战略行动要强化科技支撑引领作用,突出成矿理论和找矿技术方法研究,建立完善重点成矿区带成矿规律和矿床模型,攻关解决矿产资源综合利用关键技术难题,为立足国内实现找矿突破,提升矿产资源保障程度做出强有力支撑。

  “十二五”期间,广大地质科技人员按照《国土资源“十二五”科学和技术发展规划》部署要求,突出需求引领,重点围绕我国紧缺大宗矿产资源、深部矿产资源、能源资源、海洋矿产资源,以及矿产资源综合利用等方面,坚持海陆统筹,推进成矿理论创新和勘查技术进步;坚持东西部并举,推进深部矿产勘查技术方法组合优化和大宗紧缺矿产成矿规律研究;坚持节约集约,推进矿产资源综合利用技术发展;坚持示范引领,推进科技成果转化应用,取得了卓越成效。

  据中国矿业报记者了解,5年来,在国土资源系统承担的矿产资源领域5项“973”项目、6项“863”项目、17项科技支撑计划,以及一批面向地质找矿的公益性、行业性、基础性调查科研项目支持下,全国科研院所、地调机构、地勘单位协同创新,联合攻关,大力推进了地质理论创新和勘查技术进步,支撑实现了地质找矿的重大突破。

  青藏高原地质理论创新与找矿重大突破

  专家介绍,青藏高原地处全球三大成矿域之特提斯-喜马拉雅成矿域,洋陆转换、壳幔交换等地质过程复杂,成矿地质条件好,资源潜力巨大。围绕青藏高原地质找矿基础理论问题,在系统总结1∶25万地质调查成果基础上,针对印度-亚洲大陆碰撞成矿动力学背景、大地构造演化、成矿作用、成矿模型、成矿规律等应用基础重大科学问题,全国地质调查单位、科研院所、高校和地勘单位开展了深入地质调查,联合攻关,创新了青藏高原基础地质理论,解决了一批制约青藏高原地质找矿的科学问题,在地质理论指导下,实现了地质找矿的重大突破。该项成果获得了2011年度国家科技进步奖特等奖。

  一、主要科技创新

  1.重塑青藏高原地质演化格局,为地质找矿提供重要背景资料

  建立了大陆边缘“多岛弧盆系”构造理论,提出了“三段式”碰撞造山新模式,丰富和发展了全球构造理论。提出了青藏高原“一个大洋、两个大陆边缘、三大多岛弧盆系”全新认识,形成了大陆边缘“多岛弧盆系构造理论”。研究提出主碰撞陆陆汇聚(6500万~4000万年)、晚碰撞构造转换过程(4000万~2500万年)与后碰撞地壳伸展过程(2500万年以来)的三段式演化过程,为建立区域成矿理论奠定了重要基础,对认识超大陆形成演化具有重大科学意义。

  2.建立了青藏高原地质成矿理论

  提出了大陆碰撞成矿论和陆缘增生-大陆碰撞成矿理论,构建新的“碰撞型斑岩铜矿”、“碰撞造山型金矿”成矿模型。成矿理论和成矿模型回答了大陆碰撞过程能否形成大矿的理论观点,以及在什么地方、找什么矿的问题,丰富和完善了经典成矿理论。

  3.总结成矿规律,科学划分了重要成矿区带

  识别出陆缘增生、陆陆汇聚、构造转换、地壳伸展四大成矿系统,揭示了青藏高原区域成矿规律,建立了冈底斯碰撞型斑岩铜矿成矿系统、班公湖-怒江岛弧型铜金成矿系统、念青唐古拉喷流-叠加改造铅锌银成矿模型,确定了3条巨型金属成矿带。

  4.研发了一系列适合高寒缺氧环境的地质调查和矿产勘查评价关键技术

  研发了包括遥感地质调查、中高山区航磁、重力调查、高寒荒漠特殊景观区化探扫面技术等的“卫星-航空-地面”一体化勘查技术组合,开发了一套遥感异常提取技术(DPF技术)、成像光谱矿物填图技术等矿产资源快速评价技术,提出了一系列实用的成矿预测理论与方法,如冈底斯“等距性”控矿论、复式花岗(斑)岩控矿论、推覆-滑覆构造控岩控矿论、走滑-拆离构造控岩控矿论以及驱龙式“复式斑岩体成矿”、甲玛式“岩浆+构造+岩性圈闭控矿”、努日式“壳幔混源斑岩铜矿+壳源钨钼叠合成矿”、拉屋式“矽卡岩型铅锌银矿床+云英岩型钨矿”等找矿模型。

  5.理论指导,勘查技术支撑,新发现7个超大型和25个大型矿床,大幅增加了我国大宗矿产的资源量

  新发现和评价了驱龙、甲马、雄村、多龙、亚贵拉、邦铺、努日-程巴7个超大型矿床,冲江、朱诺、厅宫、岗讲、尕尔穷、蒙亚啊、尤卡朗、拉屋、洞中拉、勒青拉等 25个大型矿床,圈定成矿远景区106个,铜、铅锌、金、银、钼、钨、富铁矿等新增一批资源储量。

  二、应用成效

  找矿突破新增一批资源储量,大幅增加了我国大宗矿产储备,发现的资源潜在经济价值超过 2.7万亿元。攻克了国际地学界关注的青藏高原地质演化与成矿过程等众多难题,显著提升了我国的地学国际学术地位,发表学术论文1000余篇,形成新的行业技术规范4 项。获2011年度国家科技进步奖特等奖。

  富铁矿成矿地质理论与预测研究

  铁矿是支撑国民经济社会发展的极其重要的一种矿产资源。我国铁矿资源的禀赋特点是富矿少,贫矿多;中、小型矿床多,超大型矿床少;伴生组分多,选冶条件差。“十二五”期间,铁矿地质科技工作重点围绕富铁矿成矿机理这一基础理论问题,组织全国力量开展攻关,重点开展了沉积变质型、矽卡岩型、火山岩型及岩浆型钒钛磁铁矿的富铁矿形成机制研究,开展了铁同位素理论及铁矿定年技术研究、铁矿成矿预测技术方法研究等,取得了系列创新性认识,为指导富铁矿的找矿提供了重要理论依据。

  一、主要科技创新

  1. 提出了富铁矿成矿地球动力学背景新认识

  认为攀西矿集区富铁矿床形成的地球动力学背景为地幔柱作用和岩石圈地幔的加入,是封闭体系中富铁钛的原始苦橄质岩浆发生分离结晶,形成富Fe-Ti基性母岩浆(攀枝花岩体),进而成矿。塔里木大火成岩省与攀西地区具有相似的地球动力学背景,暗示塔里木大火成岩省具有寻找大型钒钛磁铁矿的找矿潜力。

  2. 丰富和发展了沉积变质型富铁矿成矿理论

  一是根据鞍本地区变质火山岩中条带状铁建造和变质碎屑岩中条带状铁建造的最新锆石年龄均为25 亿年左右,认为早前寒武纪阿尔果马型和苏必利尔型条带状铁建造具有成因联系,是同时异相沉积产物。二是研究认为我国鞍山式磁铁富矿的后期热液叠加改造成矿机理有“去硅富铁”和“铁质活化再富集”两种形式,“去硅富铁”型富铁矿以辽宁省辽阳市弓长岭铁矿二矿区富铁矿为代表,赋存于贫铁矿层中,以石榴石为特色的围岩蚀变发育,受断裂构造控制,成因认识与前人的变质热液或混合岩化热液交代不同,测得形成时代为18.4亿年,成矿作用与大气降水成因的热液交代贫铁矿并带走硅质使铁质残留富集形成富铁矿,成矿规模及潜力巨大;“铁质活化再富集”富铁矿以辽宁省鞍山市齐大山铁矿为代表,富铁矿分布于贫矿层中的断裂裂隙中,呈脉状,围岩蚀变以黑云母绿泥石化为特色,富铁矿体附近的条带状磁铁石英岩中铁质大面积贫化形成失铁石英岩,成矿作用与 25 亿年左右的混合岩化热液将贫铁矿中铁质活化再沉淀有关,矿化分散,规模小,找矿前景不大。

  3. 发现了矽卡岩型富铁矿形成的新机制

  研究发现,溶解-再沉淀作用是矽卡岩型铁矿的普遍现象,对磁铁矿起到纯化作用,从而在一定程度上提高了矿石的品位和品质,是形成平炉富矿的一种机制;从中酸性岩浆中出溶的高温、高盐度、还原性岩浆热液与溶解了蒸发岩层的外部流体发生流体混合,在该过程中岩浆热液中的二价铁被氧化形成三价铁,从而导致磁铁矿的大量沉淀。

  4. 丰富了岩浆岩型富铁矿床的成矿理论

  分析对比了攀西地区红格、攀枝花、白马和太和 4 个大型矿床的特征,提出了控制岩浆型矿床形成的关键因素:①富铁钛母岩浆为大量铁钛氧化物结晶-堆积成矿提供了根本的物质基础;②流动分选是形成块状矿石及稠密浸染状矿石的重要物理机制。大庙式铁矿中的钛铁磷灰石岩不是传统的岩浆不混溶作用形成的,熔体和流体包裹体研究暗示流体参与了成矿作用。

  二、应用成效

  深入剖析我国主要类型富铁矿的成矿机制,总结富铁矿关键控矿因素。阶段性研究成果已应用于铁矿资源地质调查和矿产勘查工作当中。

  成盐理论引领找钾取得重要进展

  钾盐是我国的七大紧缺大宗矿产资源之一。目前,我国钾盐探明储量仅占世界储量的 2%,但消费量占世界钾肥产量的 25% 以上,我国已成为世界上最大的钾肥进口国,对外依存度高达 70%。依靠地质理论创新,引领钾盐找矿突破,支撑保障国家粮食安全,是我国钾盐地质调查研究的重要目标任务。

  我国由若干小陆块(克拉通)、微陆块和造山带拼合而成的地质构造背景,造成了中国海、陆相盐盆地具有成盐成钾的良好地质构造环境。“十二五”期间,围绕大地构造形成演化、钾盐成矿机理和成矿规律开展了广泛调查研究,在成钾理论创新和指导陆、海相盐盆地找钾中取得了重要突破。

  一、主要科技创新

  1. 新类型砂砾层含钾卤水科学认识助推柴西深层找钾重大突破

  在柴达木西部首次发现大储量新类型砂砾层含钾卤水,基于古气候和盐沉积构造研究,揭示柴西为新近纪-第四纪盐谷,建立完善了新构造成钾机制,将找钾目的层从上新统扩大到下更新统洪积层,大幅度扩大了柴西钾盐资源远景,结合 25 个钻孔数据,推算氯化钾资源量潜力为 3.5 亿吨。

  2.基于滇西南成钾时代的新认识,建立了“二层楼成矿模式”

  根据盐体构造受断层控制的特征和成钾时代的新发现,结合地球物理调查数据资料,推测勐野井钾盐矿体是由深部挤上来的,据此提出了“二层楼成矿模式”。经钻探验证,在勐野井矿外围MK-1井深部中侏罗统花开左组发现含钾盐层(垂厚70米),在“上层楼”179.30~249.32 米钻获含钾石盐层55.27米。“二层楼成矿模式”的建立,扩大了滇西南固体钾盐找矿前景。

  3.丰富了海相盆地成钾理论

  系统研究世界钾盐形成规律和中国海相蒸发沉积特征,提出了中国海相盆地“时间窗”及“极旱事件成钾”模式。基于中新生代特提斯域中国小陆块运动、碰撞动力学、主要海盆的成盆机制、蒸发岩沉积特征、物质来源及古气候特征等深入研究,建立了东特提斯域小陆块成钾模式——“碰撞-湖链”成钾模式,为指导区域找钾提供理论依据。

  4.建立了裂谷成钾理论

  系统总结裂谷盆地成钾特征,提出了裂谷成钾模式。认为裂谷成钾过程可分解为两个阶段及三个成钾作用过程:第一阶段是地表盐湖-太阳能作用阶段,第二阶段是埋藏-岩浆热能作用;三个成钾作用过程分别是蒸发沉积、沉积淋滤及变质-改造。提出了成矿机理,即裂谷凹陷持续沉降,湖面大多低于海平面,海水侵入;伴随火山大量喷发,温热泉发育,带来大量深源物质补给;气候干旱-极端干旱,盐湖卤水强烈形成钾盐矿床。

  5.成钾理论和模式有效指导地质找矿并实现重大突破

  多级次盐盆地成钾模式指导发现上扬子盆地找钾新方向,将杂卤石分布层位从以前的嘉五 2-雷一1(T1j5-2~T2l1-1)扩展到嘉四2 -雷三2(T1j4-2~T2l3-2),全盆地含卤层面积增至 13 万平方千米,资源潜力进一步扩大。新理论指导资源潜力分析,评价认为西藏特种钾锂盐湖累计KCl资源储量为 11500多万吨,LiCl 资源储量为1790万吨。利用新建的盐湖钾盐聚集模型,推算罗布泊地层卤水KCl的资源潜力为11亿吨以上,显示仍有较大的找钾空间。塔里木库车古近纪盐盆地钾盐找钾取得重大进展,发现羊塔 4 井含钾石盐岩层厚达百米,其中达到 KCl工业品位(7%~10%)厚41米。库车凹陷古新统钾盐矿层新认识,扩大了找矿空间,打破了国外钾盐水采下限2000米深的禁区。基于陕北盐盆含钾目的层马五 6亚段沉积期为“两坳夹一隆”的构造格局的认识,提出了陕北盐盆是由多个次级凹陷组成的“复底锅”的观点,进而缩小了找钾靶区,从盐盆地50000平方千米缩小至2000平方千米以内,提高了找矿效率。

  二、应用成效

  基于柴西新近纪-第四纪盐谷的成盐观点,引领该区新型砂砾层含钾卤水大资源量的发现, 揭示该区Q1-N2有较大钾资源潜力 , 现已成为中国地质调查局实现“358”钾盐储量重点靶区之一,并有望成为我国最大钾盐矿山察尔汗的后备基地。项目深入实际调查和实践,发现了大量新的科学问题和疑点,并从中国成盐地质构造实际出发,不为国内外传统成钾观点所限,通过调研提出滇西南勐野井成钾时代为中侏罗统的“二层楼成矿模式”,并得到钻探初步验证;通过岩屑录井发现库车凹陷古新统厚大钾盐矿层,并打破国外钾盐水采下限 2000 米深的禁区,开展深层钾矿层试采研究;推进上扬子盆地含钾卤水和巨量杂卤石的应用研究新进展等,使长期困扰我国海相钾盐找矿的难题崭露突破的曙光。对于我国急缺矿产找矿研究有一定的启发意义。

  深部地质找矿预测理论与方法

  在勘查区找矿问题上,传统技术路线一般遵循地表地质、物探、化探资料信息→选区→异常查证-矿区勘查流程,即使采用深部探测、经验类比及模式预测等方法,仍忽略成矿地质作用固有标志的评价,总体上尚处于经验式找矿阶段,存在极大的不确定性,发现规模型矿床的成功率较低。而以矿床模型为基础的比较矿床学研究,以描述性概念模型为类比预测依据,大量典型矿床研究也止步于成矿作用相关微观数据的描述,并未破解成矿机理,因此尚不能从根本上解决类比不确定性问题。

  为此,依托危机矿山接替资源勘查国家专项研究成果,以叶天竺为首的科研团队创新性地提出了成矿地质体、成矿构造结构面、成矿作用特征标志等概念,构建了“成矿地质体勘查区找矿预测理论”。该理论以勘查区找矿为出发点,以成矿作用内因(元素的地球化学特征)和外因(地质作用类型)为切入点,提出了勘查区找矿的地质方法解决方案,破解信息不对称前提下二维转三维的找矿预测难题,最大限度地降低找矿标志的不确定性,显著提高找矿预测可信度,为我国勘查区找矿领域提供了系统的方法体系。

  该理论主要通过大比例尺专项填图、专题样品采集,对成矿地质体、成矿构造结构面和成矿作用特征标志进行系统调查和研究,结合物化探构建勘查区找矿预测地质模型,判断矿体赋存部位。该工作方法体系对那些只见星星不见月亮、久攻不破的勘查区找矿提供了解脱困境的途径和方法。

  一、主要科技创新

  1.自主创建基于“成矿地质体、成矿构造和成矿结构面、成矿作用特征标志”的成矿地质体找矿预测理论,填补了大比例尺矿产预测理论与方法体系的空白,使矿床学、矿床地球化学的研究与矿产勘查紧密结合,研究成果直接服务于找矿工作,从根本上解决产学研的相互脱节问题。

  2. 技术思路创新。以成矿元素地球化学特征作为切入点,截取巨量成矿物质迁移、集聚到矿床所在位置后,研究成矿物质从流体状态转变为成矿结构面中的固体矿物这一短暂过程中物理化学条件的变化过程。通过研究影响成矿元素从流体态转变为固体态这一过程地球化学行为的内因和外因,确定成矿过程中的普遍规律作为找矿预测标志,从根本上解决了找矿标志的“不确定”性。

  二、应用成效

  “成矿地质体找矿预测理论”在全国危机矿山接替资源找矿、整装勘查区、老矿山深部和外围找矿中得到了广泛应用和推广,获得了巨大成功。其中,在胶东金矿、红透山铜矿、大厂铅锌矿、邓格庄金矿、石禄铁矿等多个矿山的找矿突破中起到了直接作用,做出了重大贡献。硅钙岩性界面成矿理论,更是在湖南康家湾铅锌矿、江苏栖霞山铅锌矿、西藏亚圭拉铅锌矿和蒙亚啊铅锌矿、浙江银山银矿、新疆彩霞山铅锌矿、广东玉水铜矿、黑龙江弓棚子铜多金属矿、安徽桃冲铁矿床、浙江漓渚铁矿床、福建洛阳铁矿和马坑铁矿、西藏甲玛铜铅锌多金属矿等得了普遍认可和推广。

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