甘肅金川銅鎳礦區F1斷層地質特征及其影響

米文滿　王俊超　張永龍　彭　倫　張元坤　張琳琳

(1.金川集團股份有限公司龍首礦；2.金川集團股份有限公司二礦)

金川超大型硫化銅鎳礦床(金屬鎳資源量為545萬t)是世界第三大在采鎳礦，僅次于俄羅斯Noril'sk礦(金屬鎳資源量為2 400萬t，PGE資源量為6 000 t)和加拿大Sudbury(金屬鎳資源量大于1 900萬t)，遠大于新近發現的我國第二大銅鎳礦床——青海夏日哈木礦床(金屬鎳資源量約100萬t)[1-4]。隨著近年來礦山采—選—冶能力的發展，對資源保障能力也提出了新的要求。因此，開展金川礦區深邊部找礦工作已成為該礦下一步地質工作的重中之重。

金川礦區構造活動頻繁且劇烈，在經歷了多種大地構造環境及相應的應力作用后，形成了復雜的斷裂構造系統，而該系統恰為金川礦床最主要的控礦因素。斷裂系統不僅控制了成礦作用，為成礦提供了礦漿運移通道及容礦空間，是巖漿通道系統的重要組成部分，而且對已形成的巖體、礦體進行了改造，破壞了礦體形態。對成礦期容礦、控礦斷裂進行研究，有助于進一步推測金川礦床形成時的原始形態和巖漿通道系統。研究成礦后改造礦體的斷裂構造，便于發現因被錯動而未被發現的隱伏礦體。因此，對金川斷裂構造系統進行研究，可為優選成礦靶區提供有價值的信息。F1斷層一直被界定為區域性推覆構造的前緣斷層，構成龍首山地體的北界。該斷層大多被第四系覆蓋，露頭較少，以往的觀察和資料剖析深度欠缺。本研究結合金川礦區地質工作成果，對F1斷層的地質特征、切割關系、延深情況進行詳細分析，為該礦區深部找礦預測工作提供可靠依據。

1　礦區地質概況

金川超大型銅鎳硫化礦床位于阿拉善地塊西南緣的龍首山隆起帶上，北鄰潮水盆地，南接河西走廊坳陷，由前長城系龍首山群一套深變質混合巖、黑云母片麻巖、花崗片麻巖、斜長角閃巖和大理巖組成基底，蓋層為長城—薊縣系墩子溝群和震旦系韓母山群[5-7]。區內構造走向以NW向、EW向為主，SN向、NE向、NNE向也有顯示，并表現為多期活動的特點。因受NE—EW向壓扭性斷層錯斷，由西至東含礦巖體被截為4段，構成了4個礦區，編號由西至東分別為III#、I#、II#、IV#礦區，各個礦區含礦巖體的規模、形態與產狀皆有差別(圖1)。金川礦區內巖漿巖種類繁多，侵入期次較頻，其中，超基性巖沿龍首山兩側深斷裂呈NW—EW向帶狀分布。區內變質巖廣為發育，其中以區域變質巖為主(包括變砂巖、板巖、千枚巖、片巖、變粒巖、斜長角閃巖、大理巖類及混合巖)，其次為動力變質巖和接觸變質巖。

圖1　金川礦區地質構造特征

龍首礦礦區的主要斷裂為F1、F16、F8、F16-1、F29、Fa以及局部較小的斷層破碎帶。礦區節理系統主要有NEE向和NWW向2組，斜交斷層走向，常有短距離錯動現象，也為礦區多見的構造形式，發育極不均勻[8-10]。礦區無論是斷裂構造、破碎帶還是節理都為受力作用的結果，只是表現形式不同，小構造及破碎帶節理的發育程度受主斷裂構造的影響較大，小構造的發育程度、變動情況在很大程度上取決于主斷裂構造對其影響程度和巖塊自身強度。斷裂構造大量存在，提供了容礦場所。

2　F1斷層地質特征

本研究結合白家咀子銅鎳礦區勘探成果，將位于龍首山與潮水盆地之問的斷裂命名為F1斷層。龍首礦西一充填系統1 460 m水平找孔工程的鉆孔聯絡道經過F1斷層，通過施工現場地質編錄，并結合前人研究成果進一步對該斷層的地質特征進行探討。

2.1　性　質

F1斷層沿走向長200 km，走向NW，傾向SW，傾角60°～70°，上盤前震旦系逆沖于第四系之上，屬于礦區的一級結構面，控制著區域地層穩定性及山體穩定性。F1斷層壓碎巖組由混合巖、花崗巖、角閃巖粉狀泥包巖塊或巖塊包泥構成，其中，角閃巖泥化為黏泥。該斷層壓碎巖組內各種軟弱結構面密集呈無序狀分布，屬于礦區工程地質條件極差、最不穩定的工程地質巖組。

2.2　規　模

F1斷層并非一個簡單的線狀構造，而是在長期的構造演化中由若干斷裂連接復合組成的斷裂系，具有長期而強烈的破壞作用，自紅崖山經白家咀子到藏布太以西，長約200 km。根據1989年甘肅省地質礦產局第六地質隊在I#、Ⅱ#礦區北F1斷層上布置了1#、2#、3#3個鉆探線剖面均見到了該斷層，鉆探勘查控制的F1斷層的深度1#剖面為1 550 m水平，2#剖面為1 530 m水平，3#剖面為1 320 m水平，斷層面走向NW70°，傾向SW，傾角1#剖面為33°，2#剖面為44°，3#剖面為59°。根據2006年金川銅鎳礦區F1斷層工程勘察與研究成果，1 220 m水平布置工程勘查鉆孔(傾角51°)鉆進至224.01 m深度時，見紅色斷層泥，至227.25 m深度時見有土黃色砂礫巖，鉆進至242.29 m深度時終孔，認定鉆孔已完全揭露F1斷層，鉆孔揭露控制的F1斷層位于1 100 m水平，距地表約600 m(表1)。

表1　F1斷層工程勘查鉆探數據

2.3　斷層上下盤及斷裂帶

F1斷層上盤巖性為前震旦系白家咀子組，由暗綠色夾肉紅色混合花崗片麻巖組成。巖石為碎裂塊狀構造，巖芯多為粒徑0.5～2 mm的巖屑?？拷鼣嗔褞榫G泥石片巖、花崗片麻巖、斜長角閃巖碎塊組成的斷層破碎帶。F1斷層的斷裂帶由黃褐色、褐色角礫組成，角礫以混合巖、花崗片麻巖為主，據此又可將該斷裂帶稱為斷裂角礫混合巖帶。角礫之間常有褐紅色鈣質和灰白色高嶺土等物質(斷層泥)充填，具明顯的鐵染現象(紅色斷層泥)。

F1斷層下盤巖性為第三系及第四系砂礫巖、泥巖及亞黏土。第三系巖性主要為土黃色砂礫巖及砂質黏土，礫石呈渾圓或半渾圓狀，鈣質膠結緊密。第四系巖層膠結程度差或未膠結。F1斷層顯示了強烈的構造破壞特征，在斷層面兩側形成了寬30～50 m的斷裂角礫混合巖帶，向外為斷裂破碎帶，再向外為斷裂干擾帶，其影響范圍可達100 m左右。

2.4　活動性

根據礦區地表勘查及深部工程驗證成果，區內第三紀地層與第四紀更新世地層在F1斷層附近發生了褶皺和斷裂現象，說明該斷層在第三紀及第四紀以來是活動的。國家地震局第二地震測量大隊對F1斷層進行了跨斷層觀測，發現斷層兩盤相對位移較小，但地塊按順時針方向水平扭動趨勢較明顯，說明目前該斷層的活動以沿斷裂面水平扭動為主。

3　工程勘查與驗證

龍首礦1 460 m水平25行充填孔聯絡道為西一工程子項1 460 m平面工程的子項工程，為西一充填站地表至1 460 m水平一級鉆孔的找孔工程，建成后主要服務于西一采區采場充填，并通過1 460～1 340 m二級鉆孔與中采區充填系統對接，服務于中采區采場充填。因地表充填攪拌站位置已被限定，鉆孔聯絡道將經過F1斷層。1 460 m水平25行充填鉆孔聯絡道工程方位為NE向(74°)，與F1斷層近于垂直相交，工程地質條件極差，如圖2所示，1#點為現場地質編錄起點，編錄結果見表2，不同分層F1斷層的巖體特征見圖3。

綜合分析表2、圖3可知：①從空間位置、巖性及構造形跡特征判斷，1 460 m水平25行鉆孔聯絡道所揭露的斷層為F1斷層；②工程施工中揭露的F1斷層的巖性主要為第三系及第四系土黃色砂礫巖，鈣質膠結緊密，砂礫分選性較差，掌子面大量涌水，結合F1斷層相關資料，判斷該段屬F1斷層下盤；③工程施工過程中可見第三系及第四系砂礫巖，同時混有少量白家咀子組混合巖，白云質大理巖,地層呈不整合接觸，說明F1斷層處于長期活動狀態，并且經歷的構造運動較強烈；④工程勘查揭露的F1斷層位于1 460 m水平，距地表深達300 m 左右，傾向SW，傾角61°，其破碎帶橫距可達56 m，向深部延伸并且有變陡的趨勢，進一步證明了F1斷層是一條深大斷裂；⑤工程施工中伴隨有較大涌水，涌水隨季節雨水增多而增多，同時出現了流砂、冒頂現象，故而推斷F1斷層為導水斷層，含水層性質為裂隙水，地表雨水或第四系砂礫巖滲濾水通過構造斷裂帶及不規則裂隙呈現大量涌水，易引發工程事故。

表2　龍首礦1 460 m水平西一充填孔聯絡道地質編錄結果

圖2　龍首礦1 460 m水平西一充填找孔工程示意

鉆孔聯絡道處于金川礦區F1斷層區域內，前期施工圍巖破碎，地壓較大；后期施工穿越F1斷層下盤時，隨著工作面推移，出現砂層及砂窩，巖體沿軟弱結構面滑動，工作面大量涌水，且出現冒頂現象。斷層下盤及下盤斷層影響帶不僅破壞了巷道穩定性，而且直接影響了聯絡道的開挖速度及施工工期。工程穿越F1斷層下盤時，開挖難度較大。F1斷層屬于平推斷層且寬度較大，除了下盤自身寬度外，還包括1個寬度遠大于F1斷層的影響帶。由于F1斷層下盤及其影響帶伴隨有顯著的黏土化特征及涌水現象，穿越該斷層時可能出現大量涌水和涌砂現象，造成聯絡道圍巖失穩和支護結構發生變形破壞。F1斷層對于聯絡道圍巖穩定性的影響與斷層規模、斷層自身特點有關。該斷層的性質、產狀，斷層兩側地層巖性、巖體質量、斷面形態、斷層破碎帶寬度以及斷層破碎帶的導水性都不同程度的影響著井下工程結構的穩定和安全。

圖3　F1斷層各分層巖體特征

4　結　論

(1)在1 460 m水平25行鉆孔聯絡道施工過程中，根據現場地質編錄結果，認為F1斷層走向NW，傾向SW，傾角61°。結合F1斷層實際巖性變化情況，對其性質、規模及其構造形態進行了工程驗證，為該斷層的后續研究提供了可靠依據。

(2)工程施工過程中揭露的第三系及第四系砂礫巖夾雜有少量白家咀子組混合巖、白云質大理巖，地層呈不整合接觸，說明F1斷層處于長期活動狀態，并且經歷了強烈的構造運動。

(3)工程勘查揭露的F1斷層位于1 460 m水平，距地表深達300 m左右，結合前人鉆探資料，進一步證實了該斷層為深大斷裂，向深部延伸并且有變陡的趨勢。

(4)工程驗證了F1斷層為導水斷層，含水層性質為裂隙水，具有強透水性；地表雨水或第四系砂礫巖滲濾水通過構造斷裂帶及不規則裂隙呈現大量涌水。

(5)斷層破碎帶的存在對于聯絡道圍巖的穩定性影響較大，F1斷層對工程建設具有極大的破壞性，在施工中應引起足夠重視。

(6)工程施工過程中并未完全穿透F1斷層，斷層影響帶范圍較大，同時上盤位置尚未明確，建議后期增加鉆探工程，進一步探明斷層影響帶及其上盤范圍，為今后相關工程布置提供必要參考。

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