龙首山地区成镍带与找矿方向探讨

陈江源， 段晨宇， 张　翔， 牛家骥

(核工业航测遥感中心，石家庄　050002)



龙首山地区成镍带与找矿方向探讨

陈江源， 段晨宇， 张翔， 牛家骥

(核工业航测遥感中心，石家庄050002)

甘肃龙首山隆起区位于阿拉善地块西南缘，镍资源丰富，矿床类型相对简单为岩浆型，以分布世界级的金川超大型铜镍硫化物矿床而闻名。在龙首山地区，除了金川镁铁-超镁铁质岩体之外，还断续分布有20多个镁铁质-超镁铁质侵入体，呈岩墙状、脉状及岩株状产出，构成一条重要的镁铁-超镁铁质岩带。区内分布多处镍铜矿床、矿点，矿床类型为岩浆型。这里从成镍带的角度，探讨了龙首山地区镍矿找矿方向，认为寻找隐伏岩体及深部找矿尤为重要。

龙首山； 成镍带； 镁铁-超镁铁质岩体； 航磁异常； 找矿方向

0　引言

至今世界上己发现的超大型铜镍岩浆硫化物矿床共有21个[1]。国内硫化镍矿床主要分布在不同古陆块的边缘及其外侧增生褶皱带中，如金川铜镍矿[2]。另外，对于该类矿床，刘月星[3]提出了“以岩浆深部熔离作用为土导的脉动式”成矿模式，而且一些学者还从成矿系列方面对其进行了探讨。甘肃省龙首山地区已查明多个镍矿床(点)，其中超大型1处，矿点2处。以产出世界级超大型金川铜镍硫化物矿床而闻名，前人对本区的地质背景也做了大量的研究[4]，但随着金川超镁铁质岩体的单颗粒锆石U-Pb 年龄约827Ma 的获得[5]，金川铜镍硫化物矿床的成岩成矿地质背景引起了争议。

本次工作依据地面异常查证实例与已知矿床对比分析的研究思路，找出两者的共同性和差异性，进一步更深刻地认识该类型矿床的成矿地质背景、岩体及矿床地质特征，探讨该类矿床形成与分布的规律性以指导找矿方向。

1　区域地质概况

龙首山成镍带位于华北陆块西南缘龙首山隆起[6]，北界为华北陆块北缘断裂西段高家窑乌拉特后旗段，南界为龙首山断裂，出露地层主要有前长城系龙首山群，岩性主要为黑云母花岗片麻岩、大理岩夹斜长角闪片岩；长城-蓟县系墩子沟群，岩性主要为硅质灰岩、砂岩、千枚岩。该成镍带间断分布，长约290 km、宽约20 km～100 km[7]，总体呈北西向展布。带内发育多个镁铁—超镁铁岩体，如北海子、小口子、青井子、藏布台、西井等，藏布台、青井子出露面积较大外，其他岩体规模较小，呈不规则透镜体状北西向展布，岩石类型有纯橄榄岩、含辉橄榄岩、二辉橄榄岩、橄榄辉石岩、辉石岩等[8](表1)，岩石基性程度高，蚀变强烈。带内地层主要为古元古界龙首山群，为一套变质岩系，岩性主要为斜长角闪片岩、石英片岩、浅粒岩、黑云斜长片麻岩等[9]。断裂主要以北西向为主，多为逆冲断裂，规模较大，龙首山北缘大断裂具有多期活动特点，属控岩控矿构造，含矿岩体沿断裂同向分布(图1)。

表1　龙首山地区镁铁—超镁铁质岩体一览表

图1　龙首山地区地质简图Fig.1　Simplied geological map of the Longshoushan area

区域构造较复杂，主要有东西向和北西向两组, 其次是后期的北北东-北东向构造。与铜镍矿有关的超基性岩体多沿龙首山隆起带南北两侧深大断裂附近的次级断裂，呈东西-北西向带状展布，严格受北西与东西向构造的控制。

区内岩浆侵入活动频繁，岩性种类较多. 有超基性岩、基性岩、中酸性岩等。中酸性岩主要分布于龙首山隆起带的南侧，呈北西向大面积出露。基性岩一般呈脉状产出, 大部分侵入在超基性岩体内和附近的围岩中。

2　区域地球物理特征

2014年核工业航测遥感中心在该区开展过1∶50 000航空物探测量项目，通过航磁特征来看，镁铁—超镁铁质岩体所对应的磁场区航磁异常特征明显，多呈具有多条测线的强磁单峰或正磁场背景叠加单峰异常，在等值图上显示磁场强度大，磁场梯度变化较陡。同时，对龙首山一带的岩矿石进行了物性参数测量(表2)。由表2可知，带内强磁性层为超基性岩中的橄榄岩及橄榄辉石岩，磁性普遍较高，赋存在金川岩体中的铜镍矿石磁化率最高达119 000×10-5SI，龙首山地区其他超基性岩体磁性相对较弱，仅见铜镍矿化，未形成铜镍矿体(青石窑、藏布台等岩体)。龙首山地区成镍带中的正磁、强磁异常是沿龙首山隆起带活动的镁铁—超镁铁质岩体的反映，根据金川岩体的磁场特征，通过航磁及地面磁测工作，可以初步确定有利于铜镍成矿的岩体。

表2　龙首山地区主要地层岩矿石物性参数统计表

3　物探方法应用

3.1镍矿成矿半定量预测

成矿预测的基本原理(图2)：矿藏的形成有其特殊的地化环境，反映在地球物理场(磁场、重力场、伽玛场等)上，有一种特定的地球物理场及其相关转换场组合关系，该技术通过分析已知矿床与物理场的关系，调整已知矿床与物理场的相关系数、有利信息面积比及费歇判据等参数来确定转换场中矿床所处场的最佳场值组合关系，就可建立矿床的物理-数学模型。然后将已有矿床物理-数学模型直接应用到未知地区，将各转换场信息进行量化、叠置，求取最多信息复合地段的半定量预测技术。预测过程中，首先将每种特征参量中符合某矿床物理—数学模型的数据赋于“1”(有利)，其他数据赋于“0”(不利)，然后将所有参量进行信息叠加分析，生成成矿有利度评价参量，并将成矿有利度高的地段(多种信息复合地段)，作为该类型矿床成矿有利远景区。该预测技术流程主要包括：①数据准备；②位场转换；③模型建立；④信息叠置预测；⑤制图输出(图3)。

图2　建模预测原理示意图Fig.2　Schematic diagram of modeling and forecasting

图3　成矿预测流程框图Fig.3　Mineralization prediction flow chart

以金川铜镍矿床为例，建立金川铜镍矿航磁△T、航放钾、铀、钍、重力物理—数学模型。因只有适合建模条件(面积比在0.2～0.3之间，费歇判据大于60)的参量才被最终选定为建模参量，最终确定参数24种。模型显示信息见图4，建模参数见表3。

图4　金川铜镍矿床物理-数学模型显示图Fig.4　Physical and mathematical model of Jinchuan copper nickel deposit

根据上述确定的模型参量，在龙首山地区计算相应矿床成矿有利度指标，并绘制等值线平面图(图5)，等值线分布特征与区内铜镍矿床点有良好的对应关系，结果显示已知镍矿体位于超基性岩体中或边缘，同时说明区内成矿有利度指标大于8，是铜镍矿找矿有利部位。

3.2金川矿床2.5D反演

这里使用反演软件为中国地质调查局开发的“RGIS2011资源勘查地球物理信息系统”，是我国首次基于GIS平台二次开发技术和微机Windows操作系统，利用VB、VC混合编程技术开发，可实现在全国陆域任意地区重磁力测量从野外到室内的数据可视化整理、管理、预处理、处理，以及重、磁、电异常正反演解释、图表图形图像处理及制作的一套多功能的资源勘查地球物理信息系统软件。系统主要功能包括：①基于GIS功能管理空间点位、图形、RGIS2009格式区域重力和航磁、地磁数据及电阻率、激化率、大地电磁、瞬变电磁数据；②数据投影转换与预处理；③重、磁面积测量数据的频率域和空间域转换处理；④重、磁剖面测量数据的频率域和空间域转换处理；⑤重、磁异常正反演解释；⑥电法数据处理；⑦重力基础图件和重、磁处理解释成果图件制作与输出；⑧电法拟断面图制作与输出。

该系统采用“2.5D磁性体正反演技术”。所谓2.5D磁性体正反演技术是以二维半(2.5D)多边形截面积水平棱柱体模型作为场源体初始模型，并根据先验地质资料、物探测量资料，对所有参数估计初始值进行设置，然后采用人机交互修改，计算机自动迭代反演相结合的方式，求取地下磁性地质体的埋深、几何形态和体积的技术。具体实现过程是输入初始模型参数，通过调整棱柱体模型横切面形状，来改变整个棱柱模型形态，使正演曲线与实测曲线达到最佳拟合，最终反演确定磁性棱柱体的空间分布形态。通过复杂的2.5D棱柱体组合，可以实现近似的三度体3D正反演。

金川矿床位于阿拉善陆块南西边缘，产于镁铁—超镁铁质岩体(O∑)中(图6)，含矿岩体是一个由岩浆多次上侵形成的复合型单一含长石超基性岩体，属岩浆深部熔离复式贯入矿床，二辉橄榄岩和纯橄榄岩为主要的含矿岩相。

从图6可以看出，矿床磁场以南正北负相伴生为特征，正磁场呈北西向展布，异常形态呈椭圆状，磁场强度高、规模大。M88/67号航磁异常与金川矿床对应，截取金川铜镍矿主矿位置的航磁数据进行了正反演拟合计算，剖面位置(图6)。IGRF计算得到的地磁场强度为54 884 nT、磁倾角为58.4°、磁偏角为-2°，并根据金川铜镍矿区岩(矿)石物性参数[10]建立初始模型，经反演拟合计算，异常由4个磁性体引起，编号分别为1、2、3、4(图7)，1号磁性体呈缓倾角的厚板状体，上顶埋深为100 m，底深为250 m，由花岗闪长岩本身含铁磁性矿物引起。2号、3号、4号磁性体均呈向西南倾的透镜状展布，倾角在30°～40°之间，2号、3号、4号磁性体所处地段断裂构造极其发育，推测2号磁性体为岩石中铁磁性矿物沿断裂构造裂隙上侵富集引起，3号、4号磁性体为后期侵入的二长花岗岩体与碳酸盐岩接触一带矽卡岩化局部富集磁铁矿引起的。超基性岩矿体具有很强磁性，平均磁化强度达1700×10-3A/m，矿体上顶面出露地表，呈向西南倾的透镜状展布，倾角在65°，向深部延伸至1 500 m。据前人在金川矿区施工的钻探工程，某钻孔穿过了整个岩体及其矿体，从顶盘的二辉橄榄岩到核部的纯橄榄岩至下盘的二辉橄榄岩，岩相基本呈对称分布[5]。从反演结果来看与目前已探明的金川铜镍矿体位置较吻合，表明正反演拟合结果可靠。

表3　金川铜镍矿床航放、航磁、重力物理-数学模型参数表

注：表中各参数含义①物理场：sk、sr-场的平均值，l-局部异常，ggr-水平梯度模，uz-垂向一阶导数，uzz-垂向二阶导数，en-熵， as-偏度，ex-峰度，k-钾，u-铀，th-钍，mag-磁力，gra-重力；②场区间：有利信息区间；③相对场区间：有利信息区间减去背景场再除以均方差所得的相对区间，无量纲；④面积比：有利信息面积与全区面积比；⑤A/B：落入信息场内的矿床的相对数量；⑥相关系数：矿床与物理场联系的密切度；⑦费歇判据：它是对统计单元进行有矿或无矿判别的二类判别分析。

图5　龙首山地区铜镍矿成矿半定量预测图(采用金川铜镍矿床模型)Fig.5　Prediction map of Longshou mountain in copper nickel mineralization (using semi quantitative model of Jinchuan copper nickel deposit)

图6　金川矿床地质简图及1∶50 000高精度磁测△T等值线平面图Fig.6　Simplied geological map of the Jinchuan depositand contour map of 1∶50 000 high-precision magnetic magnetic Delta T value

3.3地面航磁A号异常查证实例

3.3.1异常区地质概况

该异常位于加里东晚期超基性岩体(SΣ)中(图8)，实地观察异常区岩性主要为深绿色橄榄岩，局部出露褐红色板岩、硅质岩。区域上断裂构造发育，呈北西向展布。橄榄岩具粒状结构，以橄榄石和辉石为主，橄榄石含量约占60%、辉石约占30%，含少量角闪石，异常中心一带蚀变强烈，见孔雀石化、蛇纹岩化、绿泥石化、磁铁矿化等蚀变现象(图9)，岩石中夹有宽约0.5 cm～1 cm石英脉。在异常区南部的橄榄岩及安山玢岩中见明显的磁黄铁矿化、黄铜矿化、孔雀石化等蚀变现象(图9)。异常区以南900 m处为一铜镍矿床，挖有数条探槽，竖井、斜井数个；该异常航磁异常特征与已知矿床相似，且具备相似的地质环境，表明该异常具备寻找铜镍、铁及多金属矿的成矿条件。

图7　金川矿床反演计算结果曲线图Fig.7　Calculation results graph of Jinchuan deposit inversion

3.3.2地面查证结果分析

图10为本次实测三条地面高精度磁测和地质剖面图其中的一条，从图10中可以看出：地面磁测剖面与航空测线剖面特征基本一致，以南正北负相伴生为特征，磁场强度以锯齿状跳跃变化为特点，其幅值一般在800 nT～1 600 nT，异常最大正值大于4 400 nT，异常北侧最大负值低于-1 000 nT，异常幅值较大地段对应为强磁性体橄榄岩，岩石破碎、蚀变强烈。图11为地面高精度磁测等值线平面图，从图11中可以看出：异常属低背景中的强磁异常，总体呈北西向展布，以椭圆状为特征，长轴约0.18 km，短轴长约0.12 km，东部还有延伸。

图8　A号异常点地质简图Fig.8　Simplied geological map of the abnormal A

从化探结果分析可知：①分析元素中As、W、Pb、Bi、Mo等的含量平均值都小于参考值，显示出异常区这些元素属低背景的地球化学场特征；②Fe、Co、Ni、Cu元素的含量平均值很高，Fe达到5.48×10-2、Co达到84.52×10-6、Ni达到658.26×10-6、Cu达到44.76×10-6(表4)，其中Ni元素最大值大于2 000×10-6，它们分布的离散程度也大，形成异常富集；③Ag、Au、As、W元素存在若干个含量高值点，Ag、Au元素含量高值点分布在三条线的北端，As元素高值点分布在A-2线的南端，W元素高值点分布在A-1及A-3线的南端；④Fe、Ni、Cu、Co元素存在异常富集，构成含量异常富集点，如三条测线的Fe、Ni元素、A-2线的Co、Cu元素；⑤化探异常对应橄榄岩矿化蚀变强烈的地段。

图9　异常区岩石野外观察特征Fig.9　The characteristics of rock through field observationin the anomaly area(a)橄榄岩化；(b)孔雀石化；(c)蛇纹石化；(d)黄铜矿化、磁黄铁矿化

3.3.3A号异常2.5D反演

采用RGIS2011软件对该异常进行2.5D反演，反演选用地磁剖面数据，剖面长1 200 m，剖面方位角为0°。IGRF地磁场强度为54 065.59 nT，磁倾角为56.39°、磁偏角为-2.47°，模型近端端面Y2坐标为100 m，远端坐标为-100 m。地面查证测定的磁定向标本测量结果表明，异常区出露的橄榄岩磁性变化较大，其磁化强度在10 A/m～650×10-3

图10　A-2线地面磁测剖面及地质剖面图Fig.10　Profile map of A-2 line for high-precisionmagneticand geological(a)地面磁测剖面平面图；(b)地质剖面图

图11　异常区1∶10 000高精度磁测△T等值线平面图Fig.11　Contour map of a anomalous area 1∶10 000 high-precision magnetic Delta T value

A/m，经正演拟合不能够引起异常，表明存在隐伏磁性体。经人机交互反演计算，结果表明，异常由3个磁性体引起，编号分别为1、2、3(图12)，其中，主异常对应1、2号磁性体，磁性体磁化强度为20 000×10-3A/m， 2个磁性体呈陡立薄板状体展布，中心埋深分别为50 m、40 m，上顶埋深均为20 m，1号磁性体规模约5 m×50 m×100 m，2号磁性体规模约10 m×40 m×100 m，3号磁性体呈北倾厚板状体，倾角在50°左右，磁化强度为650×10-3A/m，推测为顺层板状磁性体引起，中心埋深为20 m，规模约200 m×40 m×150 m。

3.3.4A号异常评价及结论

①通过本次磁测结果及区域地质资料对比分析，A号异常产于镁铁-超镁铁岩体内，与橄榄岩有关；②航空磁异常以幅值高，规模大为特点，异常幅值最高的地段蛇纹石化、绿泥石化、橄榄岩化、褐铁矿化、磁铁矿化、孔雀石化等蚀变强烈；③土壤化探分析看出Fe、Co、Ni、Cu等元素有异常增高显示，存在异常富集，表明A号异常与这些元素矿化相关；④A号异常的航空磁场特征、区域地质、成矿地质条件与南部已知铜铁矿床基本相似，因此，推断该异常具备较好铁、铜、镍及多金属的成矿条件。

3.4物探方法应用效果

半定量预测技术在已知矿床外围找矿效果明显，也可用于寻找和所建模型相类似的矿床，运用此技术可以用于在金川矿床周边及龙首山地区铁镁—超铁镁质岩体中寻找铜镍矿，以便更好地取得找矿效果。

通过航磁异常2.5D反演，可大致了解引起异常的磁性体的性质及其空间展布特征，经上述金川矿床钻探验证，很好地检验了该方法解释结果，表明了2.5D人机交互反演的有效性。

4　结果分析

1)从区域地质上来说，金川矿床与A号异常均产于镁铁—超镁铁质岩体中，岩性主要为橄榄岩、二辉橄榄岩及橄榄单辉岩。

2)从磁场特征来看，金川铜镍矿区及外围区域以较为平静的负磁场为背景，磁场值为-70 nT～-30 nT，变化较平稳，主要为磁性较弱的韩母山群变质岩系、上古生界沉积岩和潮水盆地沉积盖层的反映；在平静的背景场中，分布有较为醒目的呈北西展布的条带状强磁异常，异常值最高可达752 nT，是含矿金川岩体的反映；A号异常呈北西向展布的椭圆状，磁场强度高、规模较大，为强磁性超基性岩体的反映，北部分布负磁场区。两者磁场特征相似，均显示为南正北负的尖峰，岩性接触一带等值线梯度较陡，认为单峰强磁异常是寻找岩浆型铜镍矿的一种重要找矿标志。

3)从地球化学特征对比分析，据前人研究资料[10]表明金川铜镍矿床位于丰富的Cu、Co、Ni成矿物质供应源区内，超基性岩体中的Co、Ni、Zn的含量是其他岩石的十几倍至几千倍；Ni和Co地球化学行为相近，受硫化物相的制约；A号异常中的Cu、Co、Ni元素含量也较高，均有较好的化探异常增高显示。表明龙首山地区镁铁及超镁铁质岩体，具有较好的Cu、Ni、Co矿成矿条件。

表4　航磁异常化探土壤分析元素特征值统计表

注：质量分数：ω(Au)/10-9ω(Fe)/10-2其余为10-6参考值：北祁连造山带地球化学参数[11]

图12　地面磁测△T异常反演计算结果曲线图Fig.12　Calculation results graph of high-precision magnetic measurements anomaly inversion

4)从正反演预测磁性体结果中看出，金川矿体呈向西南倾的透镜状展布，向深部延伸，规模较大，从图3看出矿床以东(第四系覆盖区)磁场强度较高，推测底部为隐伏超基性岩体；A号主异常对应的磁性体虽然规模小，但也有向深部延伸的趋势。两者具有较为相似的成矿模型，表明A号异常具备寻找铁、铜、镍等多金属矿成矿条件。

5　讨论

龙首山地区已发现的铜镍矿都与镁铁质超基性岩密切相关，据不完全统计，43%的金川镁铁质超基性岩体都含铜镍矿[12]。自金川铜镍矿被发现以来，前人在龙首山陆缘带做了大量的工作，在金川东西侧地表已出露的分布镁铁质超基性岩中都发现了铜镍矿化。另外，在河西走廊陆缘裂隙带中寒武统中基性岩脉中，已发现北海子铜镍矿点。但是只有具有强磁性的金川岩体才产出了超大型金川铜镍矿，其他弱磁性的超基性和中基性岩体只见铜镍矿化。因此，可以通过航磁寻找镁铁质超基性岩来间接发现铜镍矿。

随着对金川铜镍矿的不断开采和研究，在距离地表1 400 m[13]左右的深度依然揭露到含矿岩体，并认为它一直向下延伸。因此推断龙首山陆缘带东段隐伏部分中是否有隐伏强磁性的镁铁质超基性岩体存在，可以对其开展下一步找矿地质工作；此外，在龙首山成镍带中应该继续部署相应的找矿工作，在老矿区(如藏布台铜镍矿床及金川矿床)的外围以及深部将会取得找矿的突破。

6　结论

1)龙首山地区铜镍矿成矿地质条件与镁铁—超镁铁质岩体密切相关。

2)龙首山地区含硫化镍超基性岩体，主要分布于北西向北侧F1构造断裂带附近，南侧龙首山断裂尚未发现超基性岩和有关的磁异常。分布在东西向构造断裂带上的超基性岩体，呈线状异常出现，岩体分异性差，含矿性不好，因此北西向北侧F1为找矿工作的重点。

3)已知矿床周边存在的隐伏超基性岩体也是寻找铜镍矿的有利区段，同时深部找矿也值得重视。

致谢：

在野外异常查证工作及室内数据处理、分析过程中得到核工业航测遥感中心航空物探勘查院院长江民忠和总工程师常树帅的大力帮助，并提出了宝贵的修改意见，在此致以衷心的感谢!

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Geological characteristics of the nickel metallogenic belts in the Longshoushan area and the prospecting orientation

CHEN Jiang-yuan， DUAN Chen-yu， ZHANG Xiang， NIU Jia-ji

(Airborne Survey And Remote Sensing Center Of Nuclear Industry，Shijiazhuang050002，China)

Gansu Longshou mountain uplift zone is located in the southwest margin of Alashan massif, it has rich nickel resources. The nickel deposits are composed of magmatic type. In the distribution of world class Jinchuan super large Cu Ni sulfide deposit is famous. In Longshou mountain area, in addition to the Jinchuan mafic-ultramafic intrusions is discontinuous distribution, there are more than 20 mafic ultramafic intrusions, assumes the dikes, vein and rock like strain output, which constitutes an important mafic-ultramafic intrusions belt. Area distribution of multiple nickel copper deposit, ore deposit type, magmatic type. In this paper, from the angle of into nickel belt, the ore prospecting direction of Longshou mountain area is discussed to find concealed rock mass and deep ore prospecting that is very important.

Longshou mountain; into nickel belt; mafic-ultramafic intrusions; aeromagnetic anomaly; prospecting direction

2015-06-09改回日期：2015-08-07

中国地质调查局项目(200110200002308)

陈江源(1987-)，男，工程师，主要从事航空物探、地面异常查证等工作，E-mail:chenjiangyuan88@163.com。

1001-1749(2016)04-0449-12

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10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.03