矿床勘查成功的经验和概念
Empiricism and concept in successful mineral exploration
R.Woodall
Australian Journal of Earth Science,1994，41(1):1-9
徐林生译 《地质科学译丛》1995，12（1）：34-39
摘要：Norseman、Kambalda、Yeelirrie和Olympic坝矿床勘查的历史表明：经验勘查战略和概念勘查战略之间的界线模糊不清，两者常相互交织于勘查成功过程之中。当概念的和经验的证据相印证、理论与实际观察有力地证实是可信时，就有可能发现新的矿床．Yeelirrie铀矿床和Olympic坝铜一铀一金矿床的发现也说明了勘查的不确定性以及如何采用充分恰当的概念模式指导正确的勘查方向，并发现未曾预料到的成矿类型。最终分析．勘查工作的实质不仅离不开经验依据，也离不开概念依据，同时取决于应用所取证据的见解和矿业经营者长期支持地质学家收集、评估证据的判断。
0 引言
经验是不涉及科学理论或科学原理，而从经历和实际观察中获得的知识。而概念是一种思想、观念或理论。概念勘查迫切需要矿床成因理论的指导。
收集野外区域地质填图、矿山地质填图、地球物理、地球化学调查和矿物学研究等的真实资料是经验勘查的基础。可叹的是，认为建立在经验和信心基础上，根本不存在什么完全客观资料收集，或包含恰当的假设、解释和判断的全面观察。什么实际证据优于脑中信念，应是既依据于信念，也依据于证据。没有那种单纯的经验勘查，也没有经验勘查与概念勘查之间的明显界限。
Adams(1985年)较详细地讨论了开展勘查战略中应用地质模式的问题。他指出：将资料和概念组合于地质模式中的理由之一，就是为了有序而不混乱。经验勘查战略是以综合观察和实际经验为根据的，而概念勘查则要考虑原因、成因和地质过程。但在实践中，经验和概念勘查之问的差别却变得模糊起来。经验勘查者探索理论以论证某些实际观察是否确切，而概念勘查者则搜寻经验证据以证明理论是否正确。两者努力使勘查战略逐步完善。
勘查战略模式公式化的内在危险在于对事实形成假象，致使设计和应用的想像力狭窄。如果对其极热忱笃信地追求，就会减弱思想的敏捷性和灵活性。模式可成为风行一时和喜好的方式，以致被枧为替代现实而崇拜。Hodgson(1990)指出：模式好比一把双刃剑，一方面它是组织资料的有效方法，可以提高理解力和预测能力；但另一方面在应用中，模式可能会排除不适台自身的一些资料和信息，而具有“催眠效应”，这可能导致在应用中不恰当的依赖模式。
成矿地质理论很难证实地质时期地球的地质作用，也很难或不可能在实验室再造。关于地球内部作用的科学讨论目前还存在许多争论，过去我们对这些作用甚至很少了解。
过去迷信一定条件下的成矿理论，以致忽略不同范围的矿床，并均趋于唯一的矿床形式。事实上，每个大型矿床的成因均有其独特性。Hunt(1991年)对所有矿化系列中研究得最好的斑岩铜矿曾作过这样的说明：没有两个矿床是完全相似的。矿化形式是每个矿床全部独特演化历史的综合反映。
不管任何地质调查，在研究矿床成因理论的发展和制定合理勘查战略方案，远比详细的地表地质填图、矿山地质填图和岩心记录更为审慎和注意判断，遗憾的是许多地质学家们仍未理解这一点。Hunt对斑岩铜矿的研究有很大贡献，他应用矿床分类深入细致地研究所有这类矿床认为“斑岩铜矿地质理论的长期发展受到威胁，不仅由于野外填图的削弱，也由于过份应用勘查模式或矿床模式”。
注意力应放在研究区域的和大陆级别的构造，以评估该级构造对成矿的重要作用。巨型矿床的定位通常有在区域的和大陆级别的构造与地质、地球物理资料中的线性不连续性相一致。如果这些线性体反映深部断裂的话，那么这类断裂可能是地球深部热源、流体、金属物质迁移的通道。O’Driscoll(1981，1990)在这方面已经找到了很好的证据。
无论是经验的还是概念的勘查模式，都会促进实际观察和资料的收集，促进交流，有助于风险的定量化和确定进一步研究的有效途径。但是，所有模式都是当时已知认识的短暂表现，模式只有建立在资料和科学基础上才是可靠的。模式最好被认为是运行方式，而不是最终目的。
1
Norseman金矿床的发现(1933—1949)
在Norseman金矿区，成功的经验勘查和概念勘查交织在一起的时间达50年以上。最初矿床的寻找借助于构造地质方法。该方法是哈佛大学在本世纪早期发展起来的，Donald
McLaughlin博士将它成功地应用在美国南达科他州Homstake金矿区，不久Hugh
McKinstry博士在加拿大蒂明斯的Porcupine金矿区也应用了这种方法。构造地质方法采用精心的详细的地质填图之后，尽可能作出三维方向的全面解释。
在Norseman金矿区，早期勘查战略是以详细地表和地下地质填图方式进行实际经验观察为根据的。观察发现陡倾金矿脉不及平缓矿脉有利，金更适合在后者聚集。当时人们采用H．Clops(1
930，1931)发展起来的构造变形概念来解释这一现象。Cloos曾发表过用粘性泥土作变形试验的结果。半韧性物质在侧向压力作用下沿两组剪切断裂发生变形，这两组剪切断裂倾向相反，其中一组比另一组明显发育。
Campbell(1990)曾指出：Norseman金矿区的矿脉形成于变形的隆起部位中，断裂的西倾部位平行于玄武熔岩的层理，主要部分呈岩流被并于岩层中。而断裂东倾部位垂直于玄武熔岩的层理，并呈岩流附加组分，有机地形成有限断裂。时间持续较长的断裂，如Mararoa、Norseman等，为石英矿脉的发育提供了通道。这些矿脉断裂的详情很复杂，表现出剪切断裂和张性断裂间的相互影响。但是，这两组断裂发育象Clops所作实验那样，不是随机性的，相反它们组合形成了单一的通道。这个通道是由平缓倾斜断裂按一个接一个的有序方式和呈渐进方式相互重叠连结的剪切组分所构成，其形式呈显而易见的环状。
虽然构造环的概念使得Mararoa
3号矿体得以发现，但在更大区域上尚存在沿走向预测整个矿脉系统的问题。
1941年Haddon
King认为，Mararoa矿体的上限或下限。平行于西倾岩层与东倾剪切矿脉的交汇处。因而他提出了岩层序列中只有某些岩石单位才有利于形成剪切构造环的观点。1941年按Haddon
King提出的有利层位进行了PRS
5号钻孔的钻探，并发现了北部Royal富矿体(厚1.3m，金品位达124g／t)。从此在Norseman金矿区，该概念就与勘查战略部署密切相关。
70年代中期以来，氧化带取样方法的改进、金分析灵敏度的改善以及航空、地面磁测系统的发展。便能更有效地勘查地下隐伏矿床。结果，象北部Royal下盘矿脉等主要矿脉的发现和用地球物理及地球化学方法指导的现行勘探，已成为经验模式中的统治支柱。
2 Kambalda镍硫化物矿床的发现(1957—
1966)
经历了60年的普查勘探工作之后，1957年按经验证据，多数认为西澳大利亚太古界仅为金矿省。该区具有贱金属找矿潜力的看法，是在发现广布的火山岩以及Yilgarn和Pilbara克拉通的地质构造与加拿大苏必利尔成矿省相类似后提出。该成矿省有一些金和贱金属矿床。
60年代早期，西部矿业有限公司开始在西澳大利亚的太古界岩石中进行金属矿床勘查。1964年在Kalgoorlie以南60公里的红高地金矿区取得了突破，发现了含镍的铁矿石样品。红高地金矿区见有铜、钼和碲异常指示。铁矿石来源于岩浆硫化物的风化作用。地质填图显示铁矿石产于超铁镁质岩层的底部。该岩层当时被看作是岩床，但后来表明它是岩流。通过这些实际观察，下列看法得到了发展，即具备经济价值的镍硫化物矿体是由超铁镁质岩浆的硫化物分凝作用形成的。
1966年1月在红高地(随后恢复早先地名Kambalda)
发现了第一个镍硫化物矿体，这更进一步证实了上述看法。那时只知在加拿大的Sudbury和Thompson有元古界的镍硫化物矿体，这样导致许多人忽略了世界上太古界岩石中潜在的镍硫化物矿床。
Kambalda镍硫化物矿床发现之后，人们完全根据经验勘查战略在西澳大利亚太古界岩石分布地区迅速并成功地开展了镍矿勘查工作。铁帽露头钻探、土壤镍异常测量、磁异常或激发极化异常很快发现了大多数主要镍矿床。现在根据对高温超铁镁质、科马提岩浆作用的较好认识，勘查战略比较倾向于概念勘探，但相关的经验勘查仍很重要。象Norseman金矿区一样，现行勘查战略中概念勘查和经验勘查交织在一起的。
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Yeelirrie铀矿床的发现(1968—1971)
1972年2月西部矿业有限公司公布其在西澳大利亚的Yeelirrie发现了一个大型铀矿床。该矿床的发现使概念勘盔计划达到了成功的顶点。
1968年初评价了澳大利亚砂岩型铀矿床的潜在性，这类铀矿床与含水层的氧化一还原作用锋面相关。当时澳大利亚还没有任何指导勘查这类矿床的先例。西澳大利业的Yilgarn克拉通，面积达800
000km2产有大量的花岗岩类岩石，其上的第三系中广泛发育部分隐埋的古水系。这里虽没一般概念的沉积盆地，但是古水系似乎至少具有模型所需的某些成分。花岗岩可能是铀的源岩，铀可能富集于埋藏在古河道碎屑岩的还原环境中。
60年代矿物资源局在Yilgarn克拉通范围内进行过航空地球物理调查工作。1968年发表的调查结果表明，大量湖泊都有强烈的放射性异常，但由于工作中采用闪烁计数器，而不能辨别出引起这些异常的放射性元索。
1969年WMC在Nowthanna的盐湖岸也探测到铀的强烈异常。1970年3月矿物资源局完成了补充放射性测量图。该图揭示了Yeelirrie水系中的总量计算放射性测量异常，这些异常后经检查，证实许多异常主要是由铀矿物引起的。
1970年8月对Nowthanna异常进行了钻探验证，发现岩心中含有钒钾铀矿痕迹，它们在钙质碎屑表面呈薄片状产出。这样不仅证实了古水系中铀的存在，更重要的是得出了钙质层相关的近地表富集控制。据此肯定了Yeelirrie异常，后经勘查验证不仅是一主要的铀矿床，而且它还是世界上发现的这类矿床中的第一个大型铀矿床。
任何矿床的发现都有其共同之处。Yeelirrie铀矿床的发现提供了自身的有益经验。最大的经验是要具有开阔的眼界和头脑。该矿床的发现明确地说明了勘查中的不确定性，地质概念模型不仅能足以指导一般勘查工作的正确方向，而且还能导致发现未曾料到的成矿类型。
六年后在寻找元古界铜矿床中取得了相同的经验。
4
Olympic坝铜一铀一金矿床的发现（1957-1976）
Olympic坝铜一铀一金矿床产于上元古界不整合面之下的元古界火山岩中，该不整合面之上的年轻沉积物厚达350m。该矿床的发现震惊了整个矿业界。Olympic坝矿床的地质特征、矿床成因及发现史都很复杂。正如Oscar
Wilde所说：“真实情况是罕见的纯清和极不简单”，无言词能恰当地说明该矿床和其发现。
1957年西部矿业有限公司开始在元古界岩石中寻找大型铜矿床。最初的勘查逻辑和指导思想均为经验性的，即由于澳大利亚和世界范围内的大型铜矿床均产于元古界岩石中，所以应首先在元古界岩石中寻找铜矿化的地表标志，然后利用地质填图、水系和土壤地球化学取样、地球物理调查等手段开展普查工作。持续20年的普查工作，其时限为1957年到1976年。
勘查工作首先在西澳大利亚的Kimberley西部地区进行，随后在Tarraji河谷发现了铜矿化露头，但在1960年却放弃了该勘查计划。
从上世纪以来，澳大利亚最好的铜矿山之一就产于南澳大利亚Moonta的元古界岩石中。该区被大量风成土壤所覆盖。1960年在那里使用磁测追踪地层，采用麻花钻进行地球化学取样；利用激发极化法寻找局部的硫化物，进行勘查计划。勘查工作延续了27年，但成效甚微。
在西澳大利亚Warburton地区的元古界熔岩中，发现Keeweenawan型铜矿床之后，1966—1969年在那里进行了包括地表普查和地球化学调查的经验勘查工作，可再次来取得成功。
1967年开始在西澳大利亚的Hamersley盆地进行另一勘查计划，随后发现了含铜的元古界页岩勘查工作在广大地区持续了l1年，于1977年终止了计划，同样没有取得成功。
Warburton地区的地质背景具有意想不到的远景意义。参加该项工作的一位年轻地质工作者D．w．Haynes选择了该地区及其矿化作用，作为他在澳大利亚国立大学进行博士论文研究的课题。该研究得出了铜是在氧化作用过程中从玄武岩中淋滤出来的结论，并提出，氧化的大陆拉斑玄武岩大量堆积物提供了充足的铜源以形成大型沉积基岩铜矿体的勘查概念。完成该项研究后，Haynes开始以该概念为基础进行澳大利亚大陆元古界盆地的评价工作，并修订了铜矿勘查计划。1972年Haynes着手研究南澳大利亚的地质背景，l973年在露头和钻孔中发现了氧化玄武岩。Hugh
Rutter联合Haynes一起开展工作，前者原是从事区域地球物理方面的工作。1974年6月完成了研究工作，标出了有远景意义的地区。
另一个概念思路是关于矿床的构造背景。它是于本世纪d0年代晚期和50年代，E．S．T．O’Driscoll在Broken
Hill矿区从事地质填图工作时提出的。在1946—1955年的l0年中他提出了在剪切带差异运动效应时,产生相应的独特的构造变形式样的概念，澳大利亚一些矿业公司为其提供了1963一l965年三年的研究经费，使O’Driscoll能在阿德莱德大学完成博士研究工作以发展该概念。将概念应用到Broken
Hill矿床中时，表明差异剪切运动能够解释矿床中观察到的大多数独特褶皱形式和旋转现象。振荡剪切运动能够形成共轭构造，如交错褶皱、横断层。因此，认为区域剪切运动控制了成矿作用。在剪切线性构造中的某些部位或沿剪切构造可能发育同生或后生成矿作用Broken
Hill矿床被看作是在横切区域线性构造与线性构造交汇处发育矿化作用的一个实例。1966-1967年间编制的线性构造图表明其延展到了南澳大利亚东部。
1974年4月陆地卫星(ERTS)和镶嵌相片资料用于研究线性构造图式。这些研究集中在1：250
000 Torrens和Andamooka图幅的Stuart陆架地区。
1974年D．F．Evans建立了Adelaide勘查基地，负责南澳大利亚的勘查工作，工作在J．H．Lalor指导下进行。Evans勘查了Meekatharra地区，提出要获得共同研究南澳大利亚元古界层状铜矿床调查工作的机会，遵循Haynes
O’Driscoll的概念，并和他们一起工作。
1974年6月依据氧化玄武岩模型寻找层状铜矿床的工作集中在Augusta港的北部和南部地区。7月建议在分别位于Torrens和Augusta港图幅的Tower山和Uro
Bluff两个地点进行地层钻探，并获准在有效范围内勘探（图6）。当时Rutter将注意力集中在矿物资源局出版的Torrens和Andamooka图幅的区域航磁图最北部的磁性和重力异常上。他指出，这些异常可能是由隐伏于中生代沉积物之下的玄武岩引起的。同月，Rutter完成了Andamooka的航磁测量解释工作。
他特看重图中的Ⅸ带，提议把Andamooka、Trig
Bluff、Edge山和Cowarl垄的周围地区作为普查钻探区。Ⅸ异常带包括Andamooka图幅内的主要航磁强烈异常区(异常强度超过7000伽码)，其中北带异常分布较广且最为强烈。在NE—SW总体走向上较小的异常没有任何优选方位。这里可能是火山活动的中心，其中某些异常是火山口充填的磁性物质引起的，有些异常是带磁性的岩石流所产生的它们非常接近地表，在玄武岩顶上的Tent山或Andamooka地区仅有一薄层灰岩。
1974年8月Rutter注意到Gunson山区矿床重力和航磁高值的一致性。这种地球物理异常的一致性已不是第一次出现。G．A．Young(1964)首先发现了与Gunson山区铜矿化作用有关的磁性异常，促使南澳大利亚的矿业部门对Stuart陆架作调查研究以寻找层状贱金属矿床。1974年l0月W．B．Robinson建议矿业部门优先在Stuart陆架广大地区进行勘查工作，后来的勘查工作表明该地区确实产有Olympic坝矿床。但当时，由于该地区缺少财力，妨碍了该建议的实施。
1974年7月O’Driscoll和D．McP．Duncan利用镶嵌相片图和航磁资料完成了Torrens和Andamooka
1：250
000图幅的线性构造鉴定工作。结果表明，Gunson山区矿床产于被N—NE向线性构造交切的w—Nw
向构造走廊中，以前在澳大利亚其它矿区也曾见到过这种构造关系。此外，Gunson山区矿床定位于航磁相片的NW向线性构造中，观察到的航磁偏转模式与西澳大利亚贱金属矿床的构造特征一致。有了这些资料，就能确定出Andamooka图幅内具有类似构造特征的靶区。
当竞争制约了Augusta港南部和Stuart陆架南部的勘查工作时，元古界岩石被年轻的沉积所覆盖的Andamooka图幅内远在北部的区域重力与航磁高异常和构造靶区，就成为继续进行勘查计划的极重要地区。
1974年9月总结勘查钻孔的勘查战略有如下几点：(1)利用玄武岩蚀变模式优选潜在的有利地质环境；(2)利用区域重力和航磁测量结果，解释地质环境的地球物理要素，(3)用线性构造分析来确定构造靶区；(4)依据所解释的有利特征与地质环境最大的一致性筛选地段。
1974年末，Lalor得出如下结论：概念模式显然不能确定区域内平卧或接近平卧岩石中的靶区。确定这类靶区的准则为：(1)矿床产于邻近大断层的盆地中，这些大断层交切了蚀变玄武岩柱上的沉积序列；(2)区域航磁和重力测量解释能确定出含有隐伏玄武岩柱的地区；(3)线性构造分析不仅能确定构造带和相关的主要断层，而且更重要的是还能详细地确定与这些构造带交汇相关的靶区。
1975年3月Evans重新阐述了勘查战略。他认为：所应用的模式最初是根据具有较大厚度的拉斑玄武岩、并能提供足够金属物质源的观点建立的。虽然对所需拉斑玄武岩的具体厚度还有争论，但这一观点是先决条件。蚀变最有可能发生在区域线性构造交切玄武岩的地方。一旦形成了一定厚度的蚀变拉斑玄武岩序列，勘查就可以集中在主要线性构造交汇部位的周围地区进行，无疑这些地方流体运动最强烈。
在Andamooka图幅内，8个地球物理靶区中，有四个靶区符合构造靶区条件，因此，钻孔位置选在Olympic坝和Appendicitis坝(后称Acropolis)。计划钻孔深度为70Om。1974年12月提出勘查申请，1975年4月得到批准。l9年前开始的主要铜矿找矿工作就这样最终选定了位置。很快就证实该区有一个巨型铜矿床。
1975年6月,RDD1号钻孔定在Olympic坝重力一航磁一构造重叠靶区。同年8月RDD
1号钻孔打到了上覆沉积序列下的岩石，岩性为“粗粒、含赤铁矿的杏仁状蚀变基性火山岩”，无疑这是非常鼓舞人心的。
这是影响实际观察技能的一个概念模式实例。这里发现了所希望的氧化玄武岩。所取样品为岩心碎屑，是西部矿业有限公司评价钻孔岩心实施的规范要求。这里也应看到概念模式理论预测淋失了所期望的铜，而事实上在氧化玄武岩源岩中仍有铜的存在。分析结果表明这里并没有铜的淋失现象。事实恰好相反，38m的岩心中铜含量达1%。成矿带岩石学的虚假描述直到1975年10月都未得到修正，之后，经过仔细的岩石学研究才得到成矿带岩石是由石英、绢云母、赤铁矿、长石和辉铜矿等组成，这里的辉铜矿颗粒非常细小，以致在黑色赤铁矿基质中几乎见不到。岩石具体描述如下：这些岩石一般具有分选性很差的碎屑沉积所具有的许多特征，但其成因仍是非常难的问题这些岩石可能来自于酸性火成岩，必然不会不受到重视。岩石经历了强烈的热液蚀变和碎屑状变形。RDD
1号钻孔中的矿化岩石含有石英和大量的赤铁矿，并具明显的碎屑状和热液蚀变。残留的母岩性质模湖不清，但显现出其来源于酸性的、中性的深成岩。热液蚀变强烈，形成的矿物组合特征类似于智利火山角砾岩筒上部所看到的特征。铜矿化呈浸染状，斑铜矿一辉锕矿一蓝辉铜矿呈浸染状遍布于富绢云母和富含赤铁矿的岩石基质中。
铜的价值和这类岩石曾一度刺激了勘查工作。情况的确是那么好吗?一年过去了，随着又打了8个钻孔，未发现有经济价值的矿石或仅找到些贫矿石。这样又花费了300万美元，从而使元古界铜矿勘查总费用达到3
O00万美元(圈5b，略)。仅凭深信角砾状强蚀变岩石所具独特矿化作用的重要性，才维持了其勘查计划。最后于1976年11月终于在RDD
10号钻孔中发现了具有经济价值的矿石，孔深529m，穿矿170m，铜品位达2.1%。该区以后的勘查工作发现厚度大、高品位矿体仍产在RDD10号钻孔的东北方向1O00m处。
0lympic坝矿床中铜、铀和金的来源问题至今仍未彻底解决，而铜可能来自于镁铁质岩石。重力异常是由富含赤铁矿的巨大角砾岩体引起的。航磁异常的原因仍然不清楚。构造靶区必然是一大热点，W—NW向构造运动可能形成了管状构造系统，可解释W—NW走向的角砾岩化作用、矿化作用。现在，Olympic坝角砾岩杂岩相被认为是元古代一巨型火山通道相，它可能具有超铁镁质和铁镁质岩石的根带。
Olympic坝矿床的发现，印证了Pasteur的话：“观察领域中的机会只赐给训练有素的头脑。”引导发现的智慧，经训练和学习经验已达40年之久，而涉及发现元古界铜矿床的时间估计有20年。最终发现的世界上巨大矿床之一，无疑是本世纪70年代世界上最激动人心的矿床。象Kambalda镍硫化物矿床、Yeelirrie铀矿床的发现一样，Olympic坝铜一铀一金矿床是世界上从未见过的矿床类型。类似于Yeelirrie铀矿床的发现，引领金属矿床发现的勘查战略的找到，导致了不同的矿化类型的发现。这里包含着概念勘查的威力和潜在力量。
5 结束语
矿床的发觋和成功勘查的道路既不是纯经验的，也不是纯概念的，而是理论与实际观察的结合，概念与经验的结合。勘查模式(即勘查战略)只是运行模式，它没有具体明确的终点。如果勘查战略中经验为主，那么就有较可靠的路线。如果以概念为主，则会有较大的不确定性和风险性，但这可能会导致发现以前未知的矿床类型。
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