甘肅寨上金礦南礦帶構(gòu)造疊加暈實(shí)用模型及深部找礦預(yù)測(cè)

王 斌，宋伊圩，孫 彪，楊 可，馬振宇，康成鑫，張 旺，蔣東祥，唐源壑，楊 洋，姬省軍，牛秋生

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710199)

0 引 言

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用原生暈找礦方法在熱液成因礦產(chǎn)尋找新礦體、增加礦產(chǎn)儲(chǔ)量等方面取得了重要突破[1-4]。近年來(lái)，李惠教授團(tuán)隊(duì)依據(jù)熱液礦床嚴(yán)格受構(gòu)造控制的理論，認(rèn)為構(gòu)造帶中疊加暈可以反映原生暈軸向分帶和疊加結(jié)構(gòu)，提出了構(gòu)造疊加暈理論[5-6]，且應(yīng)用效果良好[7-8]。隨著構(gòu)造疊加暈理論的發(fā)展，有學(xué)者進(jìn)一步將構(gòu)造疊加暈與成礦規(guī)律密切結(jié)合，建立了構(gòu)造疊加暈實(shí)用模式[9-11]。該模式可用于判斷有利成礦空間是否有礦，從而使地球化學(xué)找礦思路更加清晰，提高了靶位預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，在解決礦山資源危機(jī)和深部探礦增儲(chǔ)方面有重要參考和實(shí)用價(jià)值。

甘肅寨上金礦是近些年在西秦嶺地區(qū)發(fā)現(xiàn)的超大型類卡林型金礦床[12-14]。目前對(duì)礦區(qū)勘探的程度在逐步加強(qiáng)，而深部及外圍找礦效果欠佳，因此有必要尋求新的找礦方法。前人主要對(duì)北礦帶[15-17]和南礦帶[18]單個(gè)鉆孔或單個(gè)勘探線進(jìn)行過(guò)原生暈的討論，預(yù)測(cè)深部有找礦潛力，但沒(méi)有從整體的角度分析礦脈的展布形態(tài)和側(cè)伏規(guī)律，在實(shí)際工作中難以操作。為此，本文基于對(duì)礦區(qū)的野外地質(zhì)認(rèn)識(shí)和前人已有研究成果，對(duì)寨上金礦床南礦帶32號(hào)脈微量元素進(jìn)行數(shù)理分析，建立南礦帶構(gòu)造疊加暈實(shí)用理想模型，預(yù)測(cè)深部盲礦體位置并通過(guò)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，為礦區(qū)勘查找礦工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

寨上金礦床位于甘肅省南部的岷縣禾馱鄉(xiāng)，礦區(qū)范圍為東經(jīng)104°09′00″—104°15′00″,北緯34°30′30″—34°33′00″。區(qū)域大地構(gòu)造屬于西秦嶺造山帶北亞帶，該構(gòu)造單元被夾持于華北和揚(yáng)子南北大陸之間，北以商丹斷裂為界，南以臨潭—鳳縣斷裂為界[19-20](圖1)。西秦嶺地區(qū)礦產(chǎn)豐富，是著名的“陜—甘—川”金三角密集區(qū)[21-22]。區(qū)內(nèi)沉積建造主要為古生界淺變質(zhì)海相復(fù)理石建造和三疊系深水濁流復(fù)理石建造[23]。西秦嶺晚三疊世以來(lái)火山巖類型齊全，分布于西南部，其中中酸性小巖體、巖脈與多金屬成礦關(guān)系密切[24]。

圖1 西秦嶺地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)張國(guó)偉等[19]和陳衍景等[20])Fig.1 Geological sketch map of the West Qinling region (after Zhang et al.[19] and Chen et al.[20])

三疊紀(jì)晚期的印支期是區(qū)內(nèi)主造山階段，金礦床產(chǎn)于區(qū)域性逆沖斷裂上盤(pán)，具“背斜加一刀”的控礦規(guī)律[25-26]。

2 礦產(chǎn)地質(zhì)特征

工作區(qū)出露地層有中—上泥盆統(tǒng)、下二疊統(tǒng)和新近系，為一套石英砂巖、粉砂巖、板巖和灰?guī)r組成的濁積巖建造[27]。礦區(qū)巖漿活動(dòng)較弱，地表無(wú)巖體和脈巖出露，僅寨上村個(gè)別鉆孔和平硐見(jiàn)閃長(zhǎng)玢巖脈。礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，由區(qū)域性斷裂 (F1、F10)、卓洛—扎麻樹(shù)背斜、主干斷裂 (F3、F5、F8、F9)和容礦斷裂組成(圖2)。礦脈和礦體受背斜、斷裂和地層聯(lián)合控礦，280°～300°走向的F5斷裂既是上泥盆統(tǒng)D3與下二疊統(tǒng)P1的巖性分界線，同時(shí)也將礦區(qū)劃分為南、北礦帶，分別位于背斜的核部和北翼[28]。礦區(qū)礦物成分復(fù)雜，種類繁多，有自然元素及其多金屬互化物。礦石礦物主要有黃鐵礦、毒砂、白鎢礦、輝銻礦等；脈石礦物主要有石英、方解石、高嶺石、絹云母等[29-30]。金以類質(zhì)同象形式賦存在黃鐵礦、毒砂、石英等載金礦物中，有晶格金、粒間金和裂隙金三種存在形式[31]。

3 樣品采集與分析

3.1 樣品采集與測(cè)試方法

本次研究選擇南礦帶43、49、55、61、67勘探線的16個(gè)鉆孔(表1、圖3)，樣品均采自32號(hào)脈構(gòu)造蝕變帶附近的圍巖及礦石，其中碎裂巖和礦化較好地段采樣間隔為2 m/件，礦化較差地段采樣間隔為5 m/件，共采集441件。相鄰勘探線距離為150 m，同一勘探線內(nèi)鉆孔間距約50 m。

圖3 南礦帶32號(hào)脈勘探線聯(lián)合剖面圖(修改自西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，2021)Fig.3 Integrated profile of exploration line in No.32 Vein of the southern ore belt (modified from Xi’an Center of Mineral Resources Survey,2021)

表1 樣品采集參數(shù)Table 1 Sampling parameters of this study

樣品測(cè)試工作由中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)黃金第五支隊(duì)實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試了Au、Ag、As、Sb、Bi、W、Cu、Pb、Zn共9種元素。各元素測(cè)試方法分別為：Au采用原子吸收分光法，Ag采用平面光柵攝譜法，As、Sb采用原子熒光分光法，Bi、W采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法，Cu、Pb、Zn采用等離子體發(fā)射光譜法。檢出限分別為：Au為0.3×10-9，Ag為20×10-9，As為1×10-6，Sb為0.1×10-6，Bi為0.1×10-6，W為0.5×10-6，Cu為1×10-6，Pb為2×10-6，Zn為10×10-6。挑選部分復(fù)樣送至西北有色地質(zhì)研究院化驗(yàn)，合格率為97.1%，數(shù)據(jù)可靠。

為了分析各元素在地質(zhì)體內(nèi)的親和性，筆者基于SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、聚類分析和因子分析等進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，有助于建立找礦預(yù)測(cè)的地球化學(xué)標(biāo)志[32-33]。

3.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可衡量各元素間的相關(guān)性和親和性。利用Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)9種元素進(jìn)行了相關(guān)性分析，由矩陣散點(diǎn)圖(圖4)和多元素相關(guān)系數(shù)表(表2)可以看出，與Au呈正相關(guān)(α≥0.25)的元素有Ag、As、Pb、Sb、W，說(shuō)明以上元素在金成礦過(guò)程中有一定富集。As與Sb、Cu與Bi的相關(guān)系數(shù)分別為0.586、0.945，可能與它們?cè)跓嵋荷仙^(guò)程中靠近頭部和尾部有關(guān)。Cu與W之間表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，Au與Cu之間相關(guān)性不明顯。

圖4 南礦帶多元素矩陣散點(diǎn)圖Fig.4 Matrix scatter plots of metal elements in the Southern Ore Belt

表2 南礦帶多元素相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between metals in the Southern Ore Belt

3.3 R型聚類分析

通過(guò)Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)元素進(jìn)行R型聚類分析得到直觀的樹(shù)形譜系圖(圖5)，揭示了各變量在成巖、成礦過(guò)程中相對(duì)富集和運(yùn)移的差異，進(jìn)而說(shuō)明元素間的親疏關(guān)系和共生組合特征[34]。以相似系數(shù)0.4為界，可將元素劃分為Ag、Sb、Au、As元素組，Pb、Zn元素組和Bi、Cu元素組。第一個(gè)元素組中Ag和As是礦區(qū)重要的伴生元素，可作為良好的地球化學(xué)暈指示元素。Au和As元素的相似系數(shù)高達(dá)0.58，這與寨上微細(xì)浸染型金礦床的次顯微金主要賦存在含砷黃鐵礦、毒砂等硫化物的增生環(huán)帶內(nèi)或邊緣有關(guān)[35]。

圖5 南礦帶R型聚類分析譜系圖Fig.5 R type cluster hierarchical diagram of the indicator elements in rock samples from the Southern Ore Belt

3.4 因子分析

礦床的形成伴隨著圍巖、熱液、構(gòu)造等多種地質(zhì)條件的疊加與改造，從而使得巖石或礦物中所獲元素的含量也不同。因此可通過(guò)地質(zhì)因子分析來(lái)識(shí)別礦化活動(dòng)的階段和類型，并分析成礦控制因素[36]。因子分析時(shí)，提取主因子的原則是特征值大于1且非單因素單因子[37]。累計(jì)方差貢獻(xiàn)值不宜取值過(guò)高或過(guò)低，過(guò)高會(huì)使信息分散，過(guò)低又會(huì)失去有意義的信息，因此選擇適當(dāng)?shù)睦塾?jì)方差貢獻(xiàn)值，提取恰當(dāng)數(shù)目的公因子，才能較好地揭示地質(zhì)地球化學(xué)內(nèi)在規(guī)律[38]。使用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)降維處理得到因子載荷矩陣(表3)，前3個(gè)主因子特征值大于1，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為61.961%，各元素公因子方差百分比在0.84%～0.97%之間，認(rèn)為包含了數(shù)據(jù)變化的絕大部分信息[39]。

表3 南礦帶R型因子分析旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 3 Factor loading of R type factor analysis with orthogonal rotation in the Southern Ore Belt

以0.5作為因子載荷標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)1主要載荷因子為Cu、Bi；F2主要載荷因子為As、Au，方差貢獻(xiàn)率為20.079%，是礦區(qū)重要的礦化指示元素，代表了熱液成礦期[40]含As黃鐵礦-毒砂-石英主階段(Ⅱ)；F3主要載荷因子Zn、Pb與多金屬硫化物有關(guān)，代表熱液成礦期多金屬硫化物-白鎢礦-石英-碳酸鹽主階段(Ⅲ)。

4 元素空間分布特征

4.1 元素概率分布

元素在成礦成暈過(guò)程中具有分帶性，通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析能客觀地反映其空間集聚規(guī)律。筆者隨機(jī)選取寨上礦區(qū)鉆孔、槽探和路線中無(wú)礦化的圍巖樣品1 577件，對(duì)其多元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)Au、As、Sb滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，Ag、Bi滿足多模式分布，W、Cu、Pb、Zn既不滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，也不滿足多模式分布。對(duì)滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的元素，將其對(duì)數(shù)均值的真數(shù)作為背景值，對(duì)數(shù)均值加2倍標(biāo)準(zhǔn)差后的真數(shù)作為異常下限；對(duì)滿足多模式分布的元素，通過(guò)概率擬合計(jì)算求出兩條概率分布曲線的參數(shù)，將第一條曲線均值的真數(shù)作為區(qū)域背景值，2條曲線交點(diǎn)的真數(shù)作為異常下限；對(duì)其余元素，將其對(duì)數(shù)中眾數(shù)的真數(shù)作為區(qū)域背景值，眾數(shù)加上2倍標(biāo)準(zhǔn)差后的真數(shù)作為異常下限[41-42]。再對(duì)南礦帶32號(hào)脈構(gòu)造蝕變帶內(nèi)441件樣品中各元素進(jìn)行相同方法的處理，得到礦化平均值(表4)。礦區(qū)Bi、Cu、Pb、Zn與西秦嶺地區(qū)背景值基本相近[43-44]，Sb、W元素值明顯較高，可能與礦區(qū)發(fā)育輝銻礦和白鎢礦有關(guān)；Au元素是區(qū)域平均值的兩倍，為礦區(qū)金礦的富集提供了充足的物源；Ag作為金的伴生元素也有較高的異常；As的高值與礦區(qū)金產(chǎn)在含砷黃鐵礦增生環(huán)帶內(nèi)有關(guān)。

表4 寨上礦區(qū)主要成礦元素含量特征參數(shù)Table 4 Content of major ore elements in the Zhaishang gold deposit

4.2 元素軸向分帶序列

基于對(duì)礦區(qū)Au、Ag、As、Sb、Bi、W、Cu、Pb、Zn 9種元素的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析并與中國(guó)金礦床原生暈綜合軸向(垂向)分帶序列[45]對(duì)比得到寨上礦區(qū)理想原生暈分帶序列為：As-Sb(前緣暈)→Pb-Ag-Au-Zn-W(近礦暈)→Cu-Bi(尾暈)。

根據(jù)王建新等2007年的改良格里戈良分帶指數(shù)法[46]，分別計(jì)算43、49、55、61和67號(hào)勘探線32號(hào)脈各中段的線金屬量和，正規(guī)化處理后求得分帶指數(shù)和變異指數(shù)，得到各勘探線的原生暈軸向分帶序列如表5所示。

表5 南礦帶32號(hào)脈各勘探線軸向分帶序列Table 5 Primary halo axial zoning sequences in each prospecting line of the No.32 Vein in the Southern Ore Belt

55、67線尾暈元素Cu出現(xiàn)在礦體中部，55、67線尾暈元素Bi較靠前。前緣暈指示元素As、Sb相對(duì)尾暈元素總體都在礦體前部或中部。礦體Au元素相對(duì)近礦暈元素Pb、Ag靠前。近礦暈靠后的元素W在43—61線之間處在礦體最前端。西側(cè)的43、49勘探線分帶趨勢(shì)相近為近礦暈→(前緣暈+近礦暈+尾暈)；中部的55為(近礦暈+前緣暈+尾暈+近礦暈)，61線為(近礦暈+前緣暈)→(近礦暈+尾暈)；東側(cè)的67線為(尾暈+近礦暈+前緣暈)→近礦暈。從各勘探線分帶序列來(lái)看，礦體淺部都為近礦暈，說(shuō)明存在一定剝蝕；67線深部仍以前緣暈和近礦暈為主，推測(cè)礦體還有一定延伸。

4.3 濃度分帶

為了使元素在剖面上的變化情況更明顯，將32號(hào)脈礦體樣品按不同勘探線位置和標(biāo)高投影到同一剖面圖，即垂縱投影圖。對(duì)各樣品數(shù)據(jù)均一化處理(原始含量取對(duì)數(shù)后除以相應(yīng)元素異常下限的對(duì)數(shù)值)，使其變?yōu)闊o(wú)量綱量，然后將前緣暈(As-Sb)、Au礦體暈、近礦暈(Pb-Ag-Au-Zn-W)、尾暈(Cu-Bi)內(nèi)的各元素累加求平均值得到相應(yīng)位置的襯值，按照襯值的大小分為外帶(1～2)、中帶(2～4)、內(nèi)帶(>4)。使用ArcGIS軟件進(jìn)行克里金插值法處理，得到對(duì)數(shù)襯值暈分帶圖(圖6)。由于相鄰鉆孔之間距離不同，導(dǎo)致插值時(shí)部分區(qū)域數(shù)據(jù)空白，表現(xiàn)在圖上無(wú)異常，但前緣暈、Au礦體暈、近礦暈整體趨勢(shì)為向東傾覆。同時(shí)礦脈受背斜和斷裂聯(lián)合控制，背斜為東南向側(cè)伏，因此含礦熱液應(yīng)從東南向西北運(yùn)移，32號(hào)脈東側(cè)埋藏更深，西側(cè)剝蝕程度更高。

圖6 南礦帶32號(hào)脈縱剖面對(duì)數(shù)襯值暈分帶圖Fig.6 Logarithmic contrast halo zoning of the profile for the No.32 Vein of Southern Ore Belt(a)Au元素；(b)近礦暈；(c)前緣暈；(d)尾暈

5 構(gòu)造疊加暈實(shí)用模型及深部預(yù)測(cè)

在野外地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)寨上金礦床南礦帶的地球化學(xué)特征和元素空間分布規(guī)律，初步建立了南礦帶構(gòu)造疊加暈實(shí)用模型(圖7)。其中，礦體暈(Au)、近礦暈(Pb-Ag-Au-Zn-W)、前緣暈(As-Sb)和尾暈(Cu-Bi)為相應(yīng)元素標(biāo)準(zhǔn)化處理后的累加結(jié)果；地球化學(xué)參數(shù)為前緣暈(As-Sb)和尾暈(Cu-Bi)的標(biāo)準(zhǔn)化累加比值。

圖7 南礦帶構(gòu)造疊加暈實(shí)用模型Fig.7 Structure superimposing halo practical model of the Southern Ore Belt

第67勘探線位于32號(hào)礦脈的東側(cè)，原生暈在2 510 m和2 360 m中段存在兩個(gè)高峰，在2 410 m和2 330 m中段也有兩個(gè)低谷。67線2 640 m處尾暈的存在說(shuō)明淺部礦體1已被剝蝕，且原生暈在深部存在兩個(gè)高峰。從原生暈預(yù)測(cè)截面可以看出，67線2 370 m處截面前緣暈和尾暈共存，說(shuō)明深部有盲礦體存在。

地球化學(xué)參數(shù)的軸(垂)向變化規(guī)律可預(yù)測(cè)盲礦并判別礦體剝蝕程度。67線在2 600 m處開(kāi)始有較長(zhǎng)距離的升高，在2 510 m處降低，又從2 380 m處轉(zhuǎn)為升，且升高幅度較大，標(biāo)志著深部可能存在盲礦體。

由已知礦體側(cè)伏規(guī)律，即32號(hào)脈在東南部的67線向南以高角度側(cè)伏，推測(cè)深處存在有利成礦空間，該處前緣暈和尾暈疊加、軸向分帶反常和地化參數(shù)轉(zhuǎn)折等現(xiàn)象指示其有礦，因此將該有利成礦空間定為預(yù)測(cè)靶位。

6 鉆孔驗(yàn)證

在構(gòu)造疊加暈預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，2020年在第67勘探線布設(shè)后排孔ZK67-0。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)報(bào)告，第254、255、256號(hào)樣品均有礦化顯示，金品位分別為0.31×10-6、2.66×10-6、0.17×10-6，在剖面圖(圖8(a))換算成標(biāo)高為2 101.0～2 104.3 m。該處為粉砂質(zhì)板巖與碎裂巖接觸部位，靠近板巖一側(cè)(圖8(b))。碎裂巖磨圓較差，分選差；粉砂質(zhì)板巖裂隙發(fā)育，有方解石、石英脈充填，肉眼見(jiàn)少量星點(diǎn)狀黃鐵礦。光薄片可見(jiàn)黃鐵礦呈五角十二面體(圖8(c))，該類型黃鐵礦為礦區(qū)主成礦期載金礦物[47]。從巖性和構(gòu)造樣式來(lái)看其與相鄰鉆孔見(jiàn)礦特征一致，可判斷為同一礦體，即32號(hào)脈。

圖8 ZK67-0鉆孔見(jiàn)礦情況Fig.8 Ore body in drill hole ZK67-0(a)67線剖面圖；(b)巖心照片；(c)反射光顯微鏡下黃鐵礦

鉆孔見(jiàn)礦情況和原生暈預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，礦體在傾向、標(biāo)高和金品位等方面有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只是厚度較薄，與32號(hào)脈在55線以西的局部膨大有關(guān)。其結(jié)果進(jìn)一步肯定了構(gòu)造疊加暈實(shí)用模型在寨上礦區(qū)深部預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性和可行性。

7 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)寨上礦區(qū)南礦帶32號(hào)脈構(gòu)造帶樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、R型聚類分析和因子分析，表明了Au與As元素具較好的相關(guān)性，可作為礦區(qū)重要的指示元素；As、Sb和Cu、Bi相關(guān)系數(shù)分別為0.586、0.945，可能與它們?cè)跓嵋荷仙^(guò)程中靠近頭部和尾部有關(guān)。

(2)基于對(duì)礦區(qū)9種元素的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析并與中國(guó)金礦床原生暈綜合軸向(垂向)分帶序列對(duì)比得到寨上礦區(qū)理想原生暈分帶序列為：As-Sb(前緣暈)→Pb-Ag-Au-Zn-W(近礦暈)→Cu-Bi(尾暈)；根據(jù)改良的格里戈良分帶指數(shù)法得到各勘探線軸向分帶序列，前、尾暈共存等“反分帶”現(xiàn)象的出現(xiàn)表明存在多次熱液疊加作用。

(3)將樣品所在勘探線和標(biāo)高投影到同一剖面，對(duì)數(shù)據(jù)均一化處理后將各暈體內(nèi)元素累加求均值，使用克里金插值法得到元素對(duì)數(shù)襯值暈剖面圖，顯示出前緣暈、Au礦體暈、近礦暈整體趨勢(shì)為向東傾覆，與背斜向西揚(yáng)起一致。含礦熱液從東南向西北方向運(yùn)移，32號(hào)脈東側(cè)埋藏更深，西側(cè)剝蝕程度更高。

(4)結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)特征和元素空間分布規(guī)律，建立了南礦帶構(gòu)造疊加暈實(shí)用模型。認(rèn)為67線深處存在有利成礦空間，且原生暈找礦標(biāo)志指示有礦，因此將該有利成礦空間定為預(yù)測(cè)靶位。并通過(guò)鉆孔驗(yàn)證了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步說(shuō)明構(gòu)造疊加暈實(shí)用模型對(duì)礦區(qū)深部找礦預(yù)測(cè)具有重要意義。

致謝：在野外期間得到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)劉家軍教授、長(zhǎng)安大學(xué)楊興科教授的悉心指導(dǎo)，審稿人對(duì)論文修改提出寶貴的意見(jiàn)，在此表示衷心感謝。