科學鉆探是人類目前獲得地球內部信息最直接有效的途徑。通過數千米甚至上萬米的大陸科學鉆探, 能解決一系列重大基礎科學問題, 包括揭示大陸地殼的物質組成與結構構造, 校正地球物理方法對地球深部的遙測結果, 探索地球深部流體系統、地熱結構, 監測地震活動, 揭示地震發生規律, 研究全球氣候變化及環境變遷, 探索地下微生物的分布及發育條件, 預防環境及地下水污染, 有效處理核廢料, 長期觀察地球變化等等。因此, 大陸科學鉆探工程被形象地譽為“伸入地球內部的望遠鏡”, 是“入地”之門的鑰匙。

 

  國際大陸科學鉆探實施40多年來, 已在全球形成宏偉的整合計劃, 正在實施的國際大陸科學鉆探項目有20余項, 主要研究領域包括板塊構造、火山與地震活動、全球環境與氣候變化、隕石撞擊與災變事件、地熱與流體系統和大陸與地幔動力學等, 并與國際大洋科學鉆探聯手, 表明一個探測地球的新時代的來臨(蘇德辰等, 2010; 張金昌等, 2010)。

 

  中國作為一個地質大國, 以及國際大陸科學鉆探委員會發起國之一, 應從全球的視野, 瞄準國際地學前沿和高端關鍵技術。根據國際大陸科學鉆探計劃的研究主題、中國大陸地質關鍵問題, 特別是結合當前中國經濟發展與社會需求, 提出了中國大陸科學鉆探工程10年長期規劃的研究主題: 復合沉積盆地和油氣資源、礦床成因、大型活動斷裂與火山地震災害、匯聚板塊邊界與超高壓變質帶、地史時期的生物滅絕與環境變化, 以及湖泊、冰川與氣候等。提出要從國家加強地質工作的大局出發, 謀劃中國大陸科學鉆探工作, 推進中國地質科學和大陸科學鉆探事業的發展, 促進我國地球科學研究與資源開發、環境保護、災害預報與預防的緊密結合, 促進國家中長期科學和技術發展規劃綱要中提出的地球深部鉆探計劃的實現, 提高我國的可持續發展能力。科學超深孔鉆探技術是為了配合地球科學研究而產生并發展的(董樹文等, 2011), 為地學研究提供地下實物資料和測試通道, 是進行地球科學研究的重要手段, 因而對地球科學研究目標能否實現將起到決定性作用。  本項目根據中國大陸地質關鍵問題, 特別是結合當前中國經濟發展與社會需求, 提出圍繞中國大陸動力學基礎地質的重大關鍵問題——板塊會聚邊界的深部動力學、重要的礦產資源集聚區的成礦背景、成礦條件和深部找礦前景、盆山結合帶對油氣資源制約以及火山–地熱資源等方面開展地質、地球物理研究、大比例尺地質調查填圖和科學鉆探選址預研究。在此基礎上, 運用不同技術方案在條件成熟的選區實施7口先導孔的科學鉆探實驗, 為大陸科學超深鉆探的選址提供依據。與此同時, 開展超深孔鉆探技術方案預研究, 為實施大陸科學超深鉆探提供鉆探技術準備。

 

  科學意義

 

  鎂鐵–超鎂鐵質巖漿巖中的Ni-Cu-PGE資源在世界上占有重要地位, 其中鎳金屬儲量的34%, 開采量的60%來自巖漿硫化物礦床; 世界鉑族金屬資源90%以上來自鎂鐵–超鎂鐵質巖中的硫化銅鎳型和鉻鐵礦型礦床。我國鎳礦儲量的86%, 鉑族元素儲量的95%, 銅礦儲量的11.9%來自與鎂鐵–超鎂鐵質巖有關的巖漿硫化物礦床。另一方面, 鎂鐵–超鎂鐵質巖石是人們認識深部地質作用、地幔物質組成、殼幔巖漿作用、大陸動力學等方面的重要工具。因此, 對鎂鐵–超鎂鐵質雜巖體的研究一直是地學界的熱點, 這一研究不僅會給社會帶來巨大的經濟效益, 而且為研究殼幔相互作用、地球深部動力學等提供了窗口。

 

  甘肅金川礦集區是目前我國最大的鎳、銅、鈷、鉑族金屬基地, 也是世界巨型礦集區之一, 累計探明鎳550萬噸, 銅343萬噸, 鈷16萬噸, 鉑族金屬200噸。金川的鎳占全國的62%, 銅占全國儲量的13%, 鈷占全國的28%, 鉑族金屬占全國的57%。其產量鎳占全國的88%, 鈷占全國的33%, 鉑族占全國的90%以上。全球約4000萬噸硫化鎳金屬儲量, 其實就集中在全世界不足10個礦床(田)之中, 金川礦床Ni金屬總儲量排名世界第三, 但單個巖體或礦床的金屬儲量位居世界第一。

 

  金川超大型銅鎳(鉑族)硫化物礦床的一個重要特征是容礦巖體很小, 面積僅1.34 km2。小巖體型(或通道型)巖漿硫化鎳礦床已普遍受到世界關注(Lightfoot et al., 1997; Wolfgan et al., 2001; Li, 2004), 并取得一定找礦突破(如Noril’sk, Voisey’s Bay等礦床)。尋找金川型巖漿Cu-Ni-PGE礦床已成為全球找鎳公司的夢想。

 

  金川銅鎳硫化物礦集區是我國銅、鎳、鈷、鉑族元素等多金屬礦產資源的重要礦產地, 也是我國最具潛力的進一步尋找超大型有色、稀有和貴金屬礦產的重要基地, 更是解決我國礦產資源瓶頸的首選靶區。在今后相當長的時期內, 金川資源能否可持續開發利用, 在很大程度上決定了我國的鎳、銅、 鈷、鉑族資源的可持續開發利用前景。因此, 開展金川銅鎳硫化物礦集區科學鉆探選址, 在該區進行大陸科學深鉆井研究, 是解決金川礦床的成礦背景、成礦條件、深部成礦過程等科學問題的重要手段, 對于我國的鎳、銅、鉑族金屬資源的可持續開發利用有重大意義。在我國最大的鎳、銅、鈷、鉑族金屬基地——金川礦集區開展大陸科學深井鉆探研究工作, 不僅可以解決華北板塊西南邊緣地殼結構、物質組成、幔源巖漿演化與成礦過程等基礎地球科學問題, 而且也能為該礦集區深部資源潛力進行初步評價和驗證, 為解決銅、鎳、鉑族硫化物巖漿礦床的深部成礦過程、成礦構造背景、成礦條件等成礦基本問題起著至關重要的作用, 對豐富成礦理論具有重大意義。

 

  地質背景

 

  金川銅鎳硫化物礦集區位于華北板塊西南緣的龍首山地區。該區從北而南各構造單元為: 龍首山陸緣帶、河西走廊邊緣海盆、北祁連縫合帶、中祁 連離散型島弧地體、南祁連弧后盆地、柴達木陸塊。

 

  金川鎳礦床的圍巖為白家嘴子組深變質巖(AnZ), 這套變質巖系的變質程度多在角閃巖相或更深, 主要巖石類型有花崗片麻巖、片巖、混合巖、混合花崗巖、變粒巖、蛇紋石或條帶狀大理巖和斜長角閃巖等, 屬于華北地臺西南緣阿拉善地塊基底的一部分。一些地質學家認為白家嘴子組的部分地層的年代很可能是太古代, 其地表露頭與新地層呈斷層接觸。  金川鎳礦床的礦石量大約為5億2千萬噸, 平均品位: 鎳1.05％, 銅0.68％, 是與基性–超基性侵人體有關的巖漿硫化物礦床。容礦巖體總體走向NWW-SEE, 長約6.5 km, 東、西兩端(III、Ⅳ礦區)被第四系覆蓋, 在地表出露長度約為4.5 km, 寬20~550 m, 不整合侵位于白家嘴子組變質巖中, 傾向SW, 延深數百米至大于1100 m。礦體(Ni>0.5％)占整個巖體體積約43％。金川巖體的平均化學成分非常接近于二輝橄欖巖的成分, 主要巖石類型有二輝橄欖巖、斜長二輝橄欖巖、純橄巖、橄欖二輝巖等。巖體經受了不同程度的蛇紋石化、綠泥石化、透閃石化、滑石–碳酸鹽化, 僅有30%~40％的二輝橄欖巖和純橄巖未發生蝕變, 但巖體的火成巖結構仍普遍保留。巖體與大理巖、花崗片麻巖、混合巖及斜長角閃巖等深變質巖直接接觸。主要礦石礦物有磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦、黃銅礦、馬基諾礦和方黃銅礦, 少量白鐵礦、黃鐵礦、紫硫鎳礦、針鎳礦、墨銅礦和自然鉑等。主要礦石類型有: 塊狀礦石, 特 富礦, Ni品位>7％; 稠密浸染狀(海綿隕鐵狀)礦石, 富礦, Ni品位1％~3％; 稀疏浸染狀礦石, 貧礦, Ni 品位≥0.05％。最好的礦體賦存于地表400 m以下。金川容礦巖體大致以10°交角不整合侵位于前長城系白家嘴子組中, 巖體直接與大理巖、條帶–均質混合巖和片麻巖接觸。現存巖體長約6500 m, 寬20~527 m, 延伸數百米至1000余米, 最大延深超過1100 m。巖體東、西兩端被第四系覆蓋, 中部出露地表, 上部已遭剝蝕, 揭去覆蓋, 巖體基巖的面積約1.34 km2。巖體走向為北西50°, 傾向南西, 傾角50~80°。巖體受北東東向壓扭性斷層錯斷, 由西向東分為4段, 依次編號為Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ礦區。

 

  科學目標和研究內容

 

  金川銅鎳硫化物礦集區科學鉆探選址預研究是圍繞中國大陸動力學基礎地質研究的重大關鍵問題之一, 重要的礦產資源集聚區的成礦背景、成礦條件和成礦前景等方面開展地質、地球物理的預研究、大比例尺地質調查填圖和科學鉆孔選址; 在此基礎上, 選擇確定合適地質地理位置, 布置和實施一口先導孔的科學鉆探。通過科學深鉆研究, 建立具有我國理論知識體系和創新性的鎂鐵–超鎂鐵巖漿銅、鎳硫化物礦床的成礦機制與成礦過程以及成礦模式; 探討該區殼幔物質演化、大陸動力地質演化對成礦物質的聚集與分異的控制作用。通過金川銅鎳硫化物礦集區科學鉆探選址預研究, 解決與鎂鐵–超鎂鐵巖漿硫化物有關的銅、鎳硫化物多金屬礦床的成礦背景、成礦條件及成礦前景等重大地質問題。為在龍首山地區開展深井鉆探(>5000 m), 查明巖帶和金川巖體的深部情況奠定基礎, 為論證其必要性、可行性、確定鉆井位置及鉆孔設計提供資料, 為實施大陸科學超深鉆探奠定基礎。

 

  盡管金川銅鎳礦床是我國最大世界第三大的礦床, 但目前鉆探探明深度僅1000 m, 并已見礦。巖體的深部延伸和含礦性是解決和驗證成礦理論的關 鍵。國外與國內關于巖漿銅鎳硫化物礦床成礦理論有一定的分歧, 即是金屬硫化物的即時熔離還是存在中間(或高位)巖漿房, 而查明深部巖體的巖石化學成分、物理化學和流體特征是解決成礦過程、成礦條件的關鍵。

 

  擬通過地表地質調查、地球物理探測和一口深度2000~3000 m的先導孔科學鉆探研究, 探測我國現有的最大的金川Ni-Cu-Co-Pt礦床的成礦深度和深部的資源潛力; 探索金川巖體的深部巖漿房, 研究巖漿硫化物礦床成礦的深部過程和成礦機制等, 以及金川巖體所在的龍首山超鎂鐵巖帶形成的構造背景; 評價金川巖體外圍的超鎂鐵巖的資源潛力和潛在的鉆探靶區; 為在龍首山地區開展深井鉆探(>5000 m), 查明巖帶和金川巖體的深部情況奠定基礎, 為論證其必要性、可行性、確定鉆井位置及鉆孔設計提供資料。具體的科學目標為:

 

  (1)探查我國最大的(世界第三)Ni-Cu-Co-Pt礦集區的成礦深度及其深部和外圍的資源潛力;

 

  (2)探索可能存在的深部巖漿房, 研究金川Ni-Cu-Co-Pt巖漿硫化物礦床成礦的深部過程(源區, 原始巖漿, 硫源, 同位素年代學, 深部巖漿房與現存礦床以及圍巖之間的物質遞變和成礦機制等);

 

  (3)打穿F1斷層, 確定它對地質或成礦的控制意義。  擬通過科學鉆探獲取連續巖心樣品, 開展金川巖漿型銅鎳硫化礦床成礦過程及成礦條件理論研究; 通過與世界最大的三個同類型礦床——俄羅斯西伯利亞Noril′sk礦床、加拿大Sudbery礦床以及Voisey’s Bay礦床進行成因對比, 確定成礦巖漿起源、分異演化、成礦物質來源等成礦環境, 建立礦床成因模型; 通過開展巨量金屬堆積機理研究, 探討Cu-Ni-PGE硫化物礦床形成的機理、金屬元素堆積過程與殼幔相互作用及地質背景間的關系, 特別是流體在這一過程的作用; 開展幔源巖漿作用與成礦作用關系研究(特別是礦漿與硅酸鹽巖漿的分離控制因素, 成礦流體特征等);運用巖石探針、地球物理、地球化學、構造地質學、同位素地質學及流體包裹體方法等, 進一步探討巖石圈–軟流圈, 殼幔之間物質與能量的交換過程, 探索金川礦床成因與深部作用過程,建立一個更具典型性和科學性的金川模式(包括成礦模式和找礦模式)為礦區深部和外圍找礦提供科學依據。