膠西北金礦集區基于超殼走滑斷裂構造體系的金成礦機制探討
——來自深反射地震探測的證據

于學峰,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實驗室,山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室,山東省地質科學研究院,山東 濟南 250013)

0 引言

膠東金礦集區是世界第三大金成礦區,截至2022年底,累計查明金資源量已達5753t。在中生代160～110Ma構造巖漿活動頻繁劇烈,且集中在(120±5)Ma發生了大規模、短時限、高強度的成礦大爆發和金屬異常巨量堆積,這種巨量金瞬時成礦過程長期廣受國際地學界關注,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[1-9]。國內外地學研究學者為之開展了系統的研究,并在成礦物質、流體演化、成礦時代、控礦構造等方面取得大量共識,這些理論基礎極大地促進了該地區金礦的生產和科研工作。

在取得大量成果的同時,受限于難以準確掌握膠西北金成礦系統深部結構,而使得區域成礦-控礦構造體系的時空轉化、構造—巖漿—流體的相互耦合機制等關鍵科學問題不能有效解決,如郯廬斷裂帶次級斷裂的性質、演化及與金成礦的時空耦合、俯沖的古太平洋板片對成礦的具體貢獻、礦田及礦床尺度的構造演化和三維變化規律等[10-13]。上述問題制約了對該區構造背景、成礦作用過程及礦床成因類型的準確判斷,從而使得對膠西北金礦集區、甚至中國東部金成礦作用的認識依然存在諸多分歧。為此,近年來本團隊先后在膠西北地區實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,以期能夠正確認識該區的深部精細殼幔結構及淺部金礦定位聚集機制,并有效提取中生代構造巖漿信息,從而試圖回答以上科學問題。

本文將系統介紹近年來本團隊在膠西北金礦集區深部探測取得的進展和理論認識,以期進一步深化膠西北金礦集區巨量金成礦作用機制和成礦模式的認識,豐富和完善膠東金礦成礦理論,為區域深部金礦勘查提供科學依據。

1 成礦地質背景

膠西北地區地處特提斯、古亞洲洋和太平洋三大構造域的結合部位(圖1),它們的相互作用過程決定并影響著區內金礦的形成環境。膠西北金礦集區東鄰太平洋板塊,西靠郯廬斷裂帶,南部為蘇魯超高壓變質帶,北側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。在整個地質歷史時期,受過多次構造事件影響。其中,中生代印支期揚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該地區的構造-巖漿事件、沉積環境和成礦作用起著重要的制約作用。區內NNE向、NE向斷裂構造與成礦關系密切,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內主要的控礦構造。中生代燕山期花崗質巖漿活動強烈,玲瓏花崗巖、郭家嶺花崗巖、偉德山花崗巖與金成礦有關(圖1)。

2 膠西北金礦集區深部礦產勘查進展

膠西北金礦集區是我國最重要的金礦資源產地,近十幾年來,該區金礦深部勘查方面取得重大進展,累計發現大中型及以上金礦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,其中西嶺金礦累計查明資源量達592t。三山島、焦家和玲瓏-大尹格莊金礦田均已成為資源儲量超千噸的世界級金礦田。此外,在棲霞-蓬萊成礦帶發現了笏山-西陡崖金礦,資源儲量30余噸,打破了膠西北東部地區以往“只見星星,不見月亮”的局面,近兩年來,本團隊在笏山礦區外圍實施多個千米深鉆,其中深度1500.85m鉆孔,在1300m處發現累計厚為7.40m的金礦體,最高品位4.56g/t,證實了棲霞-蓬萊地區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,膠西北金礦集區的金礦勘查已重點轉向對已知控礦地質體的深部追索和未知隱伏控礦構造的發現和評估。尤其是近年來本團隊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,極大促進了該區的金礦深部勘查研究工作。

在焦家帶深部施工的3266m科研深鉆實現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806.16m,其中金礦化帶累計厚180.69m,在2700.89～2854.59m發現金礦體6個,賦存標高-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,同時對于膠東超大型金礦深部成礦作用機制、成礦流體垂向演化、成礦物質和成礦流體來源、成礦規律及深部資源探測研究有重要的指導作用和科研價值。

3 深部探測主要成果與理論認識

無論是成礦學的發展,還是深部找礦的現實需求,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造背景、動力學過程和礦集區形成的深部控制因素,預測未發現礦田的最直接有效的手段。對金礦而言,無論是成礦作用相對較深的造山型金礦(～20km),還是偏淺的與侵入巖有關的金礦(～10km),成礦作用主要發生在莫霍面以上,因此有效揭示莫霍面及以上殼幔結構是研究深部成礦動力學的關鍵,厘清上地殼淺部精細結構是預測潛在礦產資源、指導下一步找礦的有效途徑。

針對2000m以深傳統地球物理探測效果不佳的技術難題,本團隊積極創新深部探測技術方法,在膠西北金礦集區率先開展以高精度深反射地震為主,結合重力、大地電磁測深等超深部地球物理探測技術組合用于膠西北地區金礦深部探測。經反復試驗研究,選定最優探測方案,確定了采用小炮距、大排列、高覆蓋次數為特征的高精度深反射地震技術方案和具體應用參數,有效解決了以花崗巖為背景的金礦集區開展深部地質體結構探測的技術難題。現已累計完成高精度深反射地震剖面190余千米,尤其是實施了橫跨膠西北金礦集區三山島-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-地質大剖面,有效探測了3條巨型金礦帶的深部地質結構、相互關系及其控賦礦規律等特征,精確揭示35km以淺精細地殼結構模型(圖3)。

1—白堊系;2—新元古代蓬萊群;3—古元古代粉子山群;4—新太古代變質雜巖;5—早白堊紀艾山巖體;6—早白堊紀郭家嶺巖體;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 研究區地質簡圖與反射地質剖面位置

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—白堊紀萊陽群;d—新近紀臨朐群;e—青白口紀榮成片麻巖;f—新太古代棲 霞片麻巖;g—侏羅紀玲瓏花崗巖;h—白堊紀郭家嶺花崗閃長巖;i—白堊紀偉德山花崗巖;j—斷裂;k—金礦體;l—A剖面模式位置圖2 焦家深部構造模式(A)、區域背景及剖面位置(B)

3.1 膠西北地區深部地質體結構

剖面顯示三山島斷裂和焦家斷裂中、下地殼表現為緩傾斜、密集的反射,傾斜方向多變,內部可以識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,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殼幔物質的多次交換過程。另外,剖面顯示該區發育的斷層構造可分為區域斷層構造和局部斷層構造,構造樣式以擠壓、走滑和伸展多期活動疊加為特征;地殼中發育垂直構造體系,垂直構造與地殼淺表的左旋走滑斷裂系統(包括廣泛分布的基性巖脈)相對應,可能是巖漿-成礦流體運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,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)及深部結構模型(b)圖

3.2 三山島斷裂與焦家斷裂深部呈反“y”字型交會特征

地震綜合剖面精確揭示了膠西北地區三大主要控礦斷裂的深部結構(圖4)。剖面清晰地顯示了三山島斷裂的形態,三山島斷裂斷面波形態完整清晰,向深部延伸巨大,在4500m左右深處切穿了花崗巖體底界面進入到中地殼變質巖區。焦家斷裂在約5300m深處交會于三山島斷裂上,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造屬性和樣式,厘定了三山島斷裂與焦家斷裂深部結構關系,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)及相關控礦構造的深部結構關系(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,反射能量強。剖面顯示莫霍面存在間斷、錯動和疊置現象,反映了沿走向方向的擠壓錯動。在莫霍面間斷部位垂向上對應出現無反射帶,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分布有寬約600m的垂直構造帶,帶兩側地震波組存在明顯間斷,帶內地震反射弱,多為雜亂反射,垂向貫穿地殼,深部對應于莫霍面的間斷處,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。膠西北地區分布的超殼走滑斷裂(束)與礦集區內出露的陡傾斜走滑斷裂束及廣泛分布的基性巖脈相對應,具有切割地殼,可能控制區域內的巖體及成礦作用分布的特征。據此,本團隊提出膠東地區東部成礦帶具有與膠西北金礦集區類似的由走滑斷裂控制的成礦機制,可作為下一步勘查的重點方向。

圖5 膠西北招平斷裂帶地震剖面解譯(a)及深部結構模型(b)

3.4 基于超殼走滑斷裂構造體系的巨量金成礦機制

綜合地球物理剖面顯示,中、下地殼表現為緩傾斜、密集的反射,傾斜方向多變,內部可以識別出傾向不同的剪切帶、以擠壓走滑和伸展多期活動疊加為特征的斷裂帶及由多期巖漿上侵而形成的弧型構造,反映出早期克拉通殼幔物質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。

通過對該區構造—巖漿—成礦事件的深入解析,根據巖石學、巖相學、巖石地球化學及年代學綜合研究,認為晚侏羅世—早白堊世古太平洋板塊的俯沖擠壓變質導致富含Au、S的流體釋放,使得大量成礦物質隨俯沖交代進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,與地殼圍巖發生強烈交換而形成富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運移到中上地殼沉淀成礦,另一方面大量熱源將前寒武紀變質基底活化再造,殼源成礦物質隨流體系統上升參與成礦。區域金礦床成礦后經歷了相對緩慢的隆升與剝蝕,大部分金礦床(體)得以保存,深部資源潛力巨大。

4 討論

地殼結構是理解成礦系統和開展深部找礦預測的重要基礎,是正確認識膠西北地區中生代大規模、短時限、高強度的金成礦大爆發機制的金鑰匙。雖然通過綜合地球物理探測并結合系統的解譯能夠獲得清晰的35km以淺的現今殼幔結構,但這是一個地史時期以來復雜的疊加結構,與中生代120Ma±的成礦事件既無殼幔結構空間上的對應,也無構造—巖漿—成礦時間上的對應,然而受板塊俯沖引起巨型走滑背景下的擠壓—拉伸過程的產物(侵入體對地殼的改造、莫霍面的錯斷、康拉德面的不連續和消失、中地殼的“透明化”及系列錯斷、逆沖、褶皺、走滑信息)會留在巖石圈中,這些不會因板塊漂移、地殼剝蝕而消失。對中生代信息進行有效提取是開展金成礦過程研究的關鍵問題,經過本團隊前期工作,已初步發現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和超深巖漿上侵通道,暗示了應存在巖漿底侵和上升侵位過程;同時在不同剖面上中地殼既有與逆沖有關的構造,也有與擠壓和碰撞有關的構造,表現出強烈的構造非均質性,這種非均質性是由擠壓運動向拉張運動轉變而形成的。

以膠東地區地殼深部地質體結構為約束,提出的膠東金礦成礦理論新認識,為重新認識中生代中國東部地區內生成礦作用形成機制提供了重要依據和啟示;其更深遠的意義在于顯示了中生代中國東部地區,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演化階段[17-18]。下一步仍需要開展大量研究工作,通過精細研究巖石圈結構剖面所反映的莫霍面、錯斷、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歷史和主要構造事件,結合依據巖石地球化學建立的巖漿演化格架,嘗試發現巖石圈尺度的地球動力學過程在地殼中留下各種結構的或物質的“痕跡”,最終來闡明中生代殼/幔作用方式和大規模巖漿-成礦過程。

5 結論

本團隊在膠西北礦集區持續開展以深反射地震為主的深部探測,實施了貫穿三山島斷裂、焦家斷裂、招平斷裂的地震綜合剖面,有效探測礦集區深部地質結構、主干斷裂相互關系及其控賦礦規律等特征。通過剖面解釋,結合地表地質資料形成了以下結論認識:

(1)膠西北礦集區深部地質體結構具有擠壓與伸展疊加的構造樣式。總體表現為NW—SE向的擠壓導致地殼或巖石圈的縮短、破裂,在淺部發育逆沖推覆斷裂,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,形成一系列的超殼左旋走滑斷裂。

(2)沿剖面淺部識別出多組傾向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,經歷了區域NW—SE擠壓、伸展作用。焦家斷裂在約5300m深處交會于三山島斷裂上,呈反“y”字型式樣。

(3)在玲瓏巖體東西兩側識別出切割整個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,淺表與礦集區內出露的陡傾斜走滑斷裂束及廣泛分布的基性巖脈相對應,深部對應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,均對應受超殼走滑斷裂控制的垂向構造巖漿系統,揭示了深部垂向構造對巨量金富集的約束機制。

(4)膠東地區大規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、巖石圈的強烈剪切破裂和同時發育的構造巖漿活動。建立的基于超殼走滑斷裂構造體系的金礦成礦模式,認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。