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深地资源勘查开采理论与技术集成

2021-05-19

 

目前,世界主要发达国家都将深部探测作为国家重要的科学发展战略,我国也适时提出了向地球深部进军的战略部署。国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项(简称“DREAM专项”)自2016年启动以来已立项55个项目,按照“全链条设计、一体化实施”的思路,围绕总体目标,在深部资源勘查开采基础科学研究、共性关键技术研发和示范方面开展了系统的研究工作。由中国地质科学院牵头承担的国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“深地资源勘查开采理论与技术集成”项目(项目编号:2018YFC0603700),旨在梳理DREAM专项各类工作进展,构建DREAM专项数据库,凝练提升DREAM专项重大研究成果,为DREAM专项的顺利实施与管理提供有效支撑,加强深地科技发展战略研究,促进深地资源领域的科学普及与成果推广。
项目组在跟踪 DREAM 专项各项目工作进展与成果的基础上,阶段性地综合集成了专项内各项理论与技术;开展了重点地区和典型验证区野外补充地质构造调查与构造-岩浆-成矿作用等专题研究,深化了大陆成矿系统的综合研究,同时也进行了样品采集、测试和数据处理等工作;开展了典型造山带深反射地震剖面等深部探测数据处理和构造解释等工作。阶段性完成了深层油气勘查重、磁、电、震方法总结,建成勘查增储成果与找矿预测基础数据平台。阶段性形成了深部矿产资源找矿预测理论方法、多元信息提取技术与方法及勘查增储技术成果。开展了规模化无人采矿关键技术、千万吨级特厚煤层智能化综放开采、深部金属矿绿色开采等关键技术研究与示范调研。进行了盆地深部结构分析技术集成与配套技术研究。根据深地资源勘查开采重点专项的工作要求,编制了《深地资源勘查开采重点专项数据汇交规范(征求意见稿)》,于 2019 年 5 月和 2020 年 8月在北京召开了研讨会,讨论了汇交规范标准,形成了《深地资源勘查开采重点专项数据汇交规范(征求意见稿)》 V1.0 版本;制定了专项数据标准规范,制作了专项介绍的科普视频。同时,构建了深地资源勘查开采专项数据库的总体构架。凝练提升了重点专项重大研究成果,综合对比不同构造域成矿系统的构造 - 岩浆 - 成矿作用的异同,建立深地资源立体探测、勘查评价与开采的理论技术体系。
截至目前,项目团队出版专著 1 部,完成科普图书初稿 1 部(修编中),正在编写相关成果专著(1 部),提交深地科技发展战略研究中期报告 1 份,发表学术论文 38 篇。初步建立数据库 1 个,形成专项内部数据共享管理相关标准规范1个,编制形成相关专题研究报告1份,制作专项可视化展示材料(含重点专项介绍视频 1 个)。培养研究生或博士后 11 名,培训技术人员 310 余名。项目组积极参与专项各项目的各类研讨会议,进行理论与技术的初步集成,在 2018 年、2019 年和 2020 年连续组织了中国地球科学联合学术年会(CGU)深地资源勘查开采重点专项年度进展报告会专题,促进了重点专项内部的学术交流。同时,通过参加国内外重要会议,宣传深地资源勘查开采科技进步与找矿进展,提升广大同行对专项成果的认知。
 
1 我国大陆成矿系统的整体构建与成矿动力体制
项目组深化认识东亚大地构造格架与断裂构造体系,初步厘定了东亚地区中 - 新生代主要动力学系统及其对我国主要成矿系统的控制作用(图 1)。在系统研究东亚大地构造、断裂构造体系、动力学系统、成矿系统与成矿作用、构造事件与演化历史的基础上,初步构建了我国从成矿域、成矿系统和亚系统到成矿带的成矿构造体系划分,进一步阐明了构造、岩浆与成矿作用的关系。我国大陆及周边可以划分为两类主要构造单元,即主要由造山带组成的构造域和以稳定地块为主的克拉通,构成我国大地构造划分的一级构造单元(图 1)。其中,主要的构造域包括古亚洲洋构造域、特提斯构造域和西太平洋构造域,主要受新生代印度-亚洲碰撞动力学系统、新生代西太平洋动力学系统、新生代阿拉伯-亚洲碰撞动力学系统、中生代古特提斯洋关闭与华南-华北碰撞动力学系统、中生代中特提斯洋关闭与拉萨-羌塘碰撞动力学系统和中北亚陆内挤压与走滑作用动力学系统的控制,与之相对应,可划分出主要的构造成矿域,包括中亚(古亚洲洋)成矿域、特提斯成矿域和西太平洋成矿域,并划分为北方西部增生造山成矿系统、北方东部复合造山成矿系统、华北克拉通成矿系统、华南陆内成矿系统和青藏高原碰撞造山成矿系统等(图 1)。华北克拉通成矿系统内部还包含了克拉通化之前的造山成矿系统,以及与克拉通破坏有关的陆内成矿系统。
 
2 项目各课题成果进展情况
项目组阶段性地综合集成了专项内各项理论与技术,并对项目重大理论、技术研究成果进行了凝练。
自2018年项目启动以来,项目组围绕深地资源勘查开采重点专项总体目标,梳理了深地资源勘查开采重点专项各类工作进展,为重点专项的顺利实施与专项管理提供了有效支撑;构建了深地资源勘查开采专项数据库,实现了专项内部数据共享与有效利用;对专项勘查增储相关成果进行了总结,凝练提升了专项重大研究成果;同时,追踪国内外深地资源勘查开采领域的前沿理论与技术,构建深地科学知识体系,开展构造-岩浆-成矿作用专题研究,加强深地科技发展战略研究,促进了深地资源领域的科学普及与成果推广。
2.1 前新生代中特提斯洋闭合与拉萨-羌塘碰撞在青藏高原北缘的远程效应
新生代印 - 亚碰撞是青藏高原形成的主要原因,但前新生代构造在控制新生代变形的时间和构造演化方面的作用尚不清楚。项目组在集成前人工作的基础上,对祁连山 - 河西走廊一带开展了深部地质综合调查,主要包括野外构造填图、深地震反射剖面探测、青藏高原北缘及河西走廊地区中生代以来构造变形样式与变形序列的厘定、平衡剖面的构建与恢复和油气远景分析等工作。野外构造填图和深地震反射剖面构造解释揭示了该区早白垩世以来的多期变形(图 2),主要表现为:早白垩世早期北东向挤压体制下褶皱-逆冲断层系的发育,早白垩世晚期右行走滑断裂系统及其与之相关的伸展断陷盆地的发育;晚中新世以来,该区经历了与印度-亚洲碰撞有关的挤压作用和隐伏逆冲断层作用。平衡剖面恢复揭示出早白垩世的地壳缩短量为 35%,可能属于拉萨与羌塘地块碰撞的远程效应。通过上述工作,项目组认为青藏高原北缘早白垩世早期的盆地具有类前陆盆地性质和相应的油气前景,而早白垩世晚期的伸展断陷盆地可能与造山带的撕裂及垮塌有关。碎屑锆石 U-Pb 定年结果表明,现今青藏高原北缘的前陆盆地区是早白垩世南北两个高原之间的地形坳陷。
2.2 成矿系统的构造-岩浆-成矿作用综合集成
总结了不同成矿系统的构造岩浆与成矿作用特点,其中2016—2017年的项目涵盖了以构造演化为主线的五大成矿系统(华北克拉通成矿系统、华南陆内成矿系统、青藏高原碰撞造山成矿系统、北方增生造山成矿系统、北方东部复合造山成矿系统),以及特定矿产(稀土、稀有)和特定时间段成矿事件(燕山期重大地质事件和多板块汇聚与晚中生代成矿大爆发),2018年则聚焦在特定区域(辽东/胶东、钦杭成矿带湘南段和天山-阿尔泰增生造山带)的成矿。
基于岩浆岩和矿产大数据进行了编图与综合研究。编制了中亚造山带花岗岩及相关侵入岩图和亚洲花岗岩及相关侵入岩时空分布图(图3),编制了关键成矿带(北疆邻区)花岗岩及矿产图,基于岩浆岩与矿产大数据进行了东准噶尔构造-岩浆-成矿作用综合研究。
 2.3 深部过程与成矿作用集成研究进展
深部成矿作用研究进展包括:①汇聚型背景下的成矿作用模型被进一步深入刻画与构建;②研究了陆内背景下成矿作用模型及与汇聚型成矿系统的关系;③不同成矿背景的叠加与转换过程得到重视;④对金属迁移、富集机理和成矿末端效应进行了深入研究;⑤巨量金属迁移、富集机理研究取得重要进展;⑥成矿末端效应研究取得初步成果;⑦初步建立了3 km透明化地球物理关键技术。
深部过程研究方面,重磁电在深部结构中的研究以及地震在深部结构中的研究均取得进展。低温热年代学研究进展包括:①针对成矿年龄确定,提出多种年代学方法(传统K-Ar和Ar-Ar法等);②热液活动的规模和持续时间方面,提出热液流体是将热量和成矿物质带到地壳表层一种方式,也是成矿的基本要求;③提出成矿后的抬升剥蚀是目前低温热年代学在矿床中主要且广泛的运用。
2.4 新元古代BIF的形成与消失研究进展
条带状铁建造是人类社会重要的铁资源,同时是研究前寒武纪海洋大气环境的重要地质载体。不同学者对条带状铁建造的地质地球化学特征、物质来源等方面进行了广泛研究,但是对于条带状铁建造产生过程中雪球事件是否是必要条件还存在争议。中天山东段广泛分布一套前寒武纪沉积变质沉积铁矿床,如玉山铁矿、天湖铁矿、沙垄铁矿和库二铁矿。据区域地质资料,天湖铁矿和玉山铁矿产于青白口系天湖群绿片岩-角闪岩相的火山-沉积建造,而沙垄铁矿和库二铁矿则产于蓟县系卡瓦布拉克群上部石英云母片岩和角闪石英片岩之中。矿体类型主要为石英云母片岩中的条带状矿石,大岩与岩体接触边界可见不规则状矽卡岩型矿石,矿床规模为中型(约1 300万t)。中天山天湖群和卡瓦布拉克群普遍经历角闪岩相变质作用,并经历了加里东期、海西期和印支期岩浆热事件的叠加改造作用,造成矿床成因、成矿时代和构造环境的争议。该项目执行期间,主要针对中天山地区的沙垄铁矿和天湖铁矿开展了比较详细的年代学、地球化学和矿床成因研究。
2.5 深部矿产资源评价理论方法与技术示范和增储勘查示范工作进展
深部资源找矿预测评价方面,通过深部矿产资源找矿预测理论方法与技术进展跟踪,了解到深部矿产资源预测理论的创新,深部矿产资源预测技术方法取得新进展,地质三维建模技术登上新台阶。初步编制完成了深部资源找矿预测技术指南以及成矿系统矿床模型总结,包括青藏高原碰撞造山斑岩热液成矿系统和青藏高原碰撞造山斑岩热液成矿系统典型矿床找矿预测地质模型。
勘查增储方面,找矿突破战略行动实施以来(2011—2019年),全国重要固体矿产勘查实现了找矿重大突破,取得了丰硕的成果。全国累计勘查新增资源储量包括
煤炭 5 268.47 亿 t、铁矿石 167.60 亿 t、锰矿石 12.45 亿t、铜 3 711.14 万 t、铝土矿 18.03 亿 t、金 8 084.95
t、铅锌 13 716.64 万 t、镍 349.49 万 t、钨 612.15 万 t、钼 1 874.20 万 t、 钾 盐 5.23 亿 t、 锡 111.94 万 t、 锂矿 233.86 万 t、石墨 3.36 亿 t、钛矿 14973.06 万 t、萤石 9062.37 万 t、硅藻土7720.4 万 t。对比以往60年全国累计查明资源储量,9 年来大幅度提升,具体增幅如下:钼 122%、锰 112%、晶质石墨180%、钨 78%、金 74%,铅锌 59%、铝土矿 46%、铜 37%、煤炭 38%。铀、锰、铜、金等大宗紧缺矿产勘查实现地质找矿重大突破,新发现一批大型-超大型矿床,夯实了资源基础;煤炭、钨、钼、铅锌等优势矿产地位进一步巩固;石墨、锂等战略新兴矿产勘查取得重要进展。
深部矿产资源基地优选方面,以找矿突破战略行动9年进展为基础,结合深地资源勘查增储阶段进展,初步建立了深部矿产资源基地优选3项基本原则,初步构建了深部矿产资源基地优选评价基本流程,并遴选出14个深地矿产资源基地,为下一步开展基地优选奠定了基础。
2.6 深部油气勘查理论与技术研究进展
跟踪三大油气项目研究成果,收集整理和录入超深层钻遇井、典型露头剖面的地层分层、测年、地化分析等资料,共1.2万个文件,编制矢量化关键图件60幅,并对国内外深部油气勘查进行了调研和跟踪,初步理清国内外超深层油气的勘探进展,认为目前超深层油气理论和技术储备研究还不能满足勘探实践的需求,超深层油气勘探已逐渐成为未来油气勘探和部署的主要接替目标。
初步构建了中国三大陆块元古界-下古生界油气地质理论框架,包括原盆缺氧控源理论、超深层生烃演化理论、超深层成储理论和超深层油气成藏与富集理论,明确我国超深层存在7套优质烃源岩,其规模、生气潜力及分布主要受原型盆地分布及演化控制,提出相控型、成岩型和改造混合型三大类碳酸盐岩储层是超深层主要储集体类型,认为超深层具有多期充注、多期调整、多源灶晚期持续生气和跨构造期成藏特征,“递进埋藏”与“退火受热”耦合作用是超深层液态烃长期保存的主要机制,相态转换和多源灶晚期持续生气、继承性构造保存等多因素叠加是天然气跨构造期规模成藏的重要条件与途径;超深层油气分布仍具源控性,“三古”是油气富集的主要场所,构造枢纽带及走滑断裂带控制油气富集。
开展了重、磁、电、震技术调研,初步建立了超深层重磁电震资料采集、处理和联合解释的技术流程与框架,认为该套技术系列在我国超深层油气勘探实践中发挥了重要作用,大幅改善了地震资料品质,提高了超深层地质结构解释的精度,已准备和优选了一批深层-超深层油气勘探目标。
解剖三大陆块深层-超深层油气成藏特征,厘定油气富集规律、成藏模式与主控因素,创新性提出总体相似系数类比法,构建了四川和塔里木盆地超深层油气资源的XYZ型数据集合“特征图谱”,初步量化直观地实现了油气资源的类比评价,指出克拉通内裂陷、克拉通边缘、坳陷斜坡是我国克拉通盆地超深层三大有利勘探方向,针对四川、塔里木、鄂尔多斯三大古老克拉通盆地,优选出五大有利勘探区带,即四川盆地川中古隆起北斜坡、川西南台缘带、川东古隆起周缘和塔里木盆地的塔北-塔中低凸起带以及鄂尔多斯盆地的西南缘地区。