辽宁瓦房店金伯利岩剥蚀深度与金刚石剥蚀量计算

王雪木，王 萍，胡 克

（1．海南省海洋地质调查研究院，海南 海口570206；2．中国科学院遥感与数字地球研究所，北京100094；3．中国地质大学 （北京），北京100083）

金刚石是一种具有重要工业价值与经济价值的特殊矿产资源。按成因分类，赋存金刚石的矿床分为原生矿床和次生砂矿床两种类型。现阶段我国已查明的金刚石矿床主要分布在华北地台与杨子地台的湖南省、山东省和辽宁省。在我国发现的金伯利岩均分布于大断裂构造的次级断裂中，呈岩管、岩脉、岩墙或岩床状沿断裂带成群产出。

辽宁省的金刚石矿产主要位于瓦房店地区，多为金伯利岩型原生矿，也有3处中小型砂矿。从20世纪70年代至今已发现112处金伯利岩体，包括24个岩管，88个岩脉，其中达到工业品位的金伯利岩管有6个（30、42、50、51、68、74号）；金伯利岩体呈由北向南间距约8km的3条矿带（图1）［1］，其中42、30号岩管在Ⅰ矿带，50、51、68、74号岩管在Ⅱ矿带，3条矿带中的各岩体普遍含有金刚石（图1）。各岩体内金刚石含量变化较大，一般为100～300mg／m3。该地区已发现的3处金刚石砂矿紧邻原生矿，属于以洪积作用为主的河谷砂矿和冲出锥型砂矿［2］。

本文以金伯利岩管的理想模型为基础，结合前人勘探和采矿得到的岩管根部金刚石品位，对金伯利岩剥蚀深度及金刚石剥蚀量进行计算。

图1 瓦房店地区地质构造略图及金伯利岩分布图

1 区域概况

瓦房店地区位于辽东半岛南部，属山地丘陵区，地势由东北向西南逐渐降低，基底由太古界鞍山群和辽河群混合花岗岩、斜长角闪岩及各种片麻岩、片岩组成，岩石变质程度深，同位素年龄测定值为1700Ma［3］。区内出露地层有：太古界鞍山群，城子坦组黑云斜长片麻岩；下元古界辽河群，大石桥组大理岩、盖县组片岩；上元古界青白口系永宁组长石石英砂岩，钓鱼台组石英砂岩，南芬组砂岩、页岩和泥灰岩，震旦系桥头组石英砂岩，下古生界寒武系，奥陶系结晶灰岩、页岩和粉砂岩；上古生界石炭系砂岩；中生界侏罗系、白垩系页岩、砂岩、砾岩，第四纪砂砾石层分布于河谷两侧。金州断裂是区内重要的断裂构造，南起大连湾，北至熊岳，纵贯辽东半岛，断裂走向北东20～30°，倾向北西，倾角30～50°，该断裂形成于古元古代，是控制晚元古代及古生代地层沉积并长期活动的正断层［4］。以金州断裂为界，东侧新金凸起为长期抬升区，由前震旦纪古老变质岩系组成，并有中生代燕山期花岗岩侵入；西侧复州坳陷区沉积了自上元古界以来的一套沉积岩系。区内岩浆活动不剧烈，除金伯利岩外，还有辉绿岩、橄榄玄武岩和流纹斑岩等，大多呈脉状或床状。目前已发现的金伯利岩体均分布于金州断裂以西（图1）［4］。

2 金伯利岩浆体系理想模型与瓦房店地区金伯利岩岩相判断

1987年，R．H．Mitchell等人依据南非的金伯利岩深部构造，建立了金伯利岩岩管的理想模型：一个完整的金伯利岩岩管一般呈倒圆台体形状，由上到下依次为火山口相、火山通道相与浅成相（图2）［5］。浅成相岩石除以岩管的根部带产出外，还呈岩床杂岩和岩墙群；火山通道相与火山口相产状与一般火山作用形成的相类似。岩相上，在浅成相中出露有金伯利岩与金伯利角砾岩；火山通道相出露凝灰状金伯利岩和凝灰状金伯利角砾岩，并常见球状火山砾；火山口相包括熔岩、火成碎屑金伯利岩及外成碎屑金伯利岩。

在辽南研究区范围的金伯利岩体中，含有凝灰状构造、角砾状构造和块状构造等。角砾成分包含了围岩的碎屑角砾和早期金伯利岩碎屑角砾，从岩相上看，研究区的金伯利岩多数呈现为浅成相或接近根部带的火山通道相。从形态上看，金伯利岩群呈现出“脉多管少”（岩脉88个，岩管24个）的特点，即多数金伯利岩体以岩墙形式产出，这一点也可说明该地区的金伯利岩为浅成相。

图2 金伯利岩管理想模型图

3 金伯利岩剥蚀深度与金刚石剥蚀量计算

金伯利岩浆在上升过程中，除侵入至地表爆破形成火山口相外，也有部分岩浆在上升过程中固结成岩，形成隐伏金伯利岩体。目前没有证据显示研究区周围金伯利岩群在形成时是否都穿透至地表，因此在计算金伯利岩管剥蚀深度时，采用了在岩管中所能够找到的年代最新的角砾物质所属层位作为岩浆入侵的顶部地层，结合周围区域地层的发育厚度，计算得出金伯利岩管形成时的深度。

3．1 剥蚀深度

根据同位素绝对年龄测试结果显示，瓦房店地区的金伯利岩群形成于晚奥陶纪（465±2Ma）①《辽宁省复县金刚石原生矿床地质研究报告》，1982。。

以瓦房店地区的42号岩管为例，计算剥蚀前岩管的理论深度。

42号岩管位于辽南金伯利岩区Ⅰ矿带东段，现地表围岩是钓鱼台组石英岩、粉砂岩、页岩，岩体与围岩界限清楚，由斑状、角砾状、球状金伯利岩组成。根据围岩角砾成分推断，金伯利岩形成时侵入的最新地层层位是奥陶系中下部地层，主要剥蚀期在中生代晚期以后。通过查阅《辽宁省区域地质志》可知，该区地层缺失长岭组以上地层，寒武系地层超覆在震旦系桥头组之上［6］。查阅出岩管周围各地层厚度后，计算得到42号岩管的理论剥蚀深度（表1）。

由表1可得到42号岩管的理论剥蚀深度为2728m。以同样的方法可计算出6个达到工业品位岩管的理论剥蚀深度（表2）。

表1 42号岩管理论剥蚀深度

表2 各工业岩管理论剥蚀深度计算结果／m

3．2 剥蚀体积

世界各地的金伯利岩管在开采过程中发现一个现象：随着开采深度的增加，岩管的面积减小。博茨瓦纳的奥帕拉岩管，地表面积148万m2，呈椭圆形，在120m深处变为窄长形，横截面积减少20%左右。南非地区的众多岩管，如普列米尔岩管地表面积48．4万m2，垂深400m以内形态上没有大的变化；德比尔斯岩管地表面积6．93万m2，地表以下每加深100m，岩管横截面积减少13．2%；金伯利岩管每加深100m，岩管横截面积减少8%。前苏联地区的“和平”岩管，地表面积13万m2，其地下深度每加深100m，横截面积缩小13．6%［7］。一个完整的金伯利岩管在形成时，顶部面积与根部面积比值通常为5∶1～10∶1。本文在恢复研究区金伯利岩岩管形成时的地表面积时，采用了最小值5∶1。

根据岩管理论剥蚀深度与横截面积之间的关系，可恢复出30号、42号、50号金伯利岩管形成时的完整形态复原图（图3）。

复原后的金伯利岩筒形状（图3）近似倒圆台，应用圆台的体积公式（式（1））对圆台进行体积计算，得出各岩管的剥蚀体积。再利用各岩管勘探时获得的金刚石品位，结合岩管剥蚀体积，计算得出金刚石剥蚀量（表3）。

式中：S和S′为圆台两个底面面积，h为圆台高。

在金伯利岩管实际开采中，发现大部分金伯利岩管的金刚石品位具有随着深度的增加而下降的趋势。例如南非普列米尔岩管，随着开采深度的增加，金刚石的品位不断下降，在400m深时已经由刚刚投产时的1．5～3克拉／m3下降到0．34克拉／m3，差距达5～10倍之多。另外，在金伯利岩的岩脉和岩床中亦含有金刚石，部分岩脉甚至赋存有高品位的金刚石，本文在计算时采用的是浅成相赋存金刚石的品位数据，没有将岩脉、岩墙的金刚石剥蚀量计算在内，因此所得到的数据较为保守。

图3 金伯利岩管复原图

表3 各达到工业品位的金伯利岩管理论剥蚀体积与金刚石剥蚀量

由表3可知，在瓦房店地区的金伯利岩群中，仅6个达到工业品位的金伯利岩管在形成之后的剥蚀体积达到4．25亿 m3，金刚石的剥蚀，量达到约2．28亿克拉。

在这里存在一个问题：地质历史时期的剥蚀速率无法根据现有地勘工作得到确切的数据，所以本文计算出的金刚石剥蚀量是金刚石原生矿自晚奥陶纪形成以来所剥蚀掉的总量。新构造运动以来金伯利岩原生矿区活动较为强烈，表现为地表间断性抬升，在这一期间金刚石原生矿持续被剥蚀，在原生矿附近形成了冲积型和坡积型砂矿；在河流两侧的高级阶地中普遍存在早期金刚石，虽然没有发现达到工业品位的金刚石砂矿，但整体赋存量不可忽略。

4 结 论

本文通过研究辽宁瓦房店地区金伯利岩群中主要成矿岩管的岩管形态，联系区域构造运动，依据前人的地质工作成果，计算出本区金伯利岩管的剥蚀深度在2．3～2．8km左右。

根据本区达到工业品位的6个金伯利岩管的品位数据，联系世界上已知的较完整的金伯利岩管形态变化规律，恢复了该地区金伯利岩管形成时的形态，由此计算出本区6个达到工业品位的岩管的剥蚀体积为4．25亿m3；进而计算出自形成之后6个岩管被剥蚀的金刚石总量，达到2．28亿克拉。

致谢：中国地质大学（北京）赵磊教授在本文的编写过程中提出了宝贵的意见；辽宁省第六地质大队提供了资料查阅方面的种种便利，在此谨表谢忱。

［1］ 董振信．中国金伯利岩［M］．北京：科学出版社，1994：1－2．

［2］ 张培元．中国金刚石矿床［M］／／张培元文集．北京：地质出版社，2000：151－156．

［3］ 池际尚，路凤香，等．华北地台金伯利岩及古生代岩石圈地幔特征［M］．北京：科学出版社，1996．

［4］ 齐玉兴，施中爽，韩柱国．辽宁金刚石矿找矿与勘查［J］．辽宁地质，1998，6（2）：111－125．

［5］ R．H．Mitchell．金伯利岩［M］．北京：中国地质大学出版社，1991．

［6］ 辽宁省地质矿产局．辽宁省区域地质志［M］．北京：地质出版社，1989．

［7］ 张培元．世界金刚石矿床的形成与分布规律［M］．北京：地质出版社，1982．