科學鉆探是人類目前獲得地球內(nèi)部信息最直接有效的途徑。通過數(shù)千米甚至上萬米的大陸科學鉆探, 能解決一系列重大基礎(chǔ)科學問題, 包括揭示大陸地殼的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造, 校正地球物理方法對地球深部的遙測結(jié)果, 探索地球深部流體系統(tǒng)、地熱結(jié)構(gòu), 監(jiān)測地震活動, 揭示地震發(fā)生規(guī)律, 研究全球氣候變化及環(huán)境變遷, 探索地下微生物的分布及發(fā)育條件, 預防環(huán)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(nèi)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(lǐng)域包括板塊構(gòu)造、火山與地震活動、全球環(huán)境與氣候變化、隕石撞擊與災變事件、地熱與流體系統(tǒng)和大陸與地幔動力學等, 并與國際大洋科學鉆探聯(lián)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(zhì)大國, 以及國際大陸科學鉆探委員會發(fā)起國之一, 應從全球的視野, 瞄準國際地學前沿和高端關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)國際大陸科學鉆探計劃的研究主題、中國大陸地質(zhì)關(guān)鍵問題, 特別是結(jié)合當前中國經(jīng)濟發(fā)展與社會需求, 提出了中國大陸科學鉆探工程10年長期規(guī)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(zhì)帶、地史時期的生物滅絕與環(huán)境變化, 以及湖泊、冰川與氣候等。提出要從國家加強地質(zhì)工作的大局出發(fā), 謀劃中國大陸科學鉆探工作, 推進中國地質(zhì)科學和大陸科學鉆探事業(yè)的發(fā)展, 促進我國地球科學研究與資源開發(fā)、環(huán)境保護、災害預報與預防的緊密結(jié)合, 促進國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中提出的地球深部鉆探計劃的實現(xiàn), 提高我國的可持續(xù)發(fā)展能力?？茖W超深孔鉆探技術(shù)是為了配合地球科學研究而產(chǎn)生并發(fā)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(xiàn)將起到?jīng)Q定性作用。  本項目根據(jù)中國大陸地質(zhì)關(guān)鍵問題, 特別是結(jié)合當前中國經(jīng)濟發(fā)展與社會需求, 提出圍繞中國大陸動力學基礎(chǔ)地質(zhì)的重大關(guān)鍵問題——板塊會聚邊界的深部動力學、重要的礦產(chǎn)資源集聚區(qū)的成礦背景、成礦條件和深部找礦前景、盆山結(jié)合帶對油氣資源制約以及火山–地熱資源等方面開展地質(zhì)、地球物理研究、大比例尺地質(zhì)調(diào)查填圖和科學鉆探選址預研究。在此基礎(chǔ)上, 運用不同技術(shù)方案在條件成熟的選區(qū)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(jù)。與此同時, 開展超深孔鉆探技術(shù)方案預研究, 為實施大陸科學超深鉆探提供鉆探技術(shù)準備。

 

  科學意義

 

  鎂鐵–超鎂鐵質(zhì)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(zhì)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(zhì)巖有關(guān)的巖漿硫化物礦床。另一方面, 鎂鐵–超鎂鐵質(zhì)巖石是人們認識深部地質(zhì)作用、地幔物質(zhì)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(zhì)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(jīng)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(qū)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(qū)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(chǎn)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(guān)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(qū)是我國銅、鎳、鈷、鉑族元素等多金屬礦產(chǎn)資源的重要礦產(chǎn)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(chǎn)的重要基地, 更是解決我國礦產(chǎn)資源瓶頸的首選靶區(qū)。在今后相當長的時期內(nèi), 金川資源能否可持續(xù)開發(fā)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(xù)開發(fā)利用前景。因此, 開展金川銅鎳硫化物礦集區(qū)科學鉆探選址, 在該區(qū)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(xù)開發(fā)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(qū)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(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、幔源巖漿演化與成礦過程等基礎(chǔ)地球科學問題, 而且也能為該礦集區(qū)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(gòu)造背景、成礦條件等成礦基本問題起著至關(guān)重要的作用, 對豐富成礦理論具有重大意義。

 

  地質(zhì)背景

 

  金川銅鎳硫化物礦集區(qū)位于華北板塊西南緣的龍首山地區(qū)。該區(qū)從北而南各構(gòu)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(zhì)巖(AnZ), 這套變質(zhì)巖系的變質(zhì)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(zhì)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(guān)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(qū))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(zhì)巖中, 傾向SW, 延深數(shù)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(jīng)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(fā)生蝕變, 但巖體的火成巖結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)混合巖和片麻巖接觸?，F(xiàn)存巖體長約6500 m, 寬20~527 m, 延伸數(shù)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(qū)。

 

  科學目標和研究內(nèi)容

 

  金川銅鎳硫化物礦集區(qū)科學鉆探選址預研究是圍繞中國大陸動力學基礎(chǔ)地質(zhì)研究的重大關(guān)鍵問題之一, 重要的礦產(chǎn)資源集聚區(qū)的成礦背景、成礦條件和成礦前景等方面開展地質(zhì)、地球物理的預研究、大比例尺地質(zhì)調(diào)查填圖和科學鉆孔選址; 在此基礎(chǔ)上, 選擇確定合適地質(zhì)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(chuàng)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(qū)殼幔物質(zhì)演化、大陸動力地質(zhì)演化對成礦物質(zhì)的聚集與分異的控制作用。通過金川銅鎳硫化物礦集區(qū)科學鉆探選址預研究, 解決與鎂鐵–超鎂鐵巖漿硫化物有關(guān)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(zhì)問題。為在龍首山地區(qū)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(chǔ), 為論證其必要性、可行性、確定鉆井位置及鉆孔設(shè)計提供資料, 為實施大陸科學超深鉆探奠定基礎(chǔ)。

 

  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(guān) 鍵。國外與國內(nèi)關(guān)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(guān)鍵。

 

  擬通過地表地質(zhì)調(diào)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(xiàn)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(gòu)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(qū); 為在龍首山地區(qū)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(chǔ), 為論證其必要性、可行性、確定鉆井位置及鉆孔設(shè)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(qū)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(qū), 原始巖漿, 硫源, 同位素年代學, 深部巖漿房與現(xiàn)存礦床以及圍巖之間的物質(zhì)遞變和成礦機制等);

 

  (3)打穿F1斷層, 確定它對地質(zhì)或成礦的控制意義。  擬通過科學鉆探獲取連續(xù)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?qū)Ρ? 確定成礦巖漿起源、分異演化、成礦物質(zhì)來源等成礦環(huán)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(zhì)背景間的關(guān)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(guān)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(gòu)造地質(zhì)學、同位素地質(zhì)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(zhì)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(qū)深部和外圍找礦提供科學依據(jù)。