中國(guó)西北地區(qū)成礦元素區(qū)域地球化學(xué)特征

張 晶，楊 博，李寶強(qiáng)，李慧英

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

1979年，陜西省和青海省在全國(guó)率先開展區(qū)域化探試點(diǎn)[1-2]。此后，甘肅省于1980年開展區(qū)域化探工作[3]，寧夏回族自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)于1985年開始區(qū)域化探工作[4-5]。1979年至今，我國(guó)西北地區(qū)共完成1∶20萬水系沉積物測(cè)量140.69萬 km2，1∶20萬土壤測(cè)量6.76萬 km2，已基本覆蓋西北地區(qū)具備開展區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查條件的基巖出露區(qū)，為我國(guó)西北地區(qū)地質(zhì)找礦工作提供了重要依據(jù)[6-8]，目前共獲得區(qū)域尺度39種分析元素的數(shù)據(jù)三十余萬條。本文依據(jù)這些數(shù)據(jù)，探討我國(guó)西北地區(qū)地球化學(xué)景觀區(qū)的劃分、地球化學(xué)分區(qū)的劃分、成礦元素地球化學(xué)特征和地球化學(xué)異常特征。地球化學(xué)方法是礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)的重要手段[9],本文利用區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)來分析判斷該區(qū)成礦有利區(qū)段，為進(jìn)一步尋找有利礦種奠定基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)礦產(chǎn)概況

1.1 地質(zhì)背景

我國(guó)西北地區(qū)地處大陸腹地，包括陜西、甘肅、寧夏、青海和新疆5個(gè)省區(qū)。該區(qū)以塔里木陸塊為主體，東接華北地臺(tái)西段的阿拉善地塊，南、北分別由眾多微陸塊鑲嵌的顯生宙造山系構(gòu)成。北造山系以天山—興安嶺華力西造山系的西段為主體，向北接有阿爾泰—額爾古納加里東造山系，間有準(zhǔn)噶爾、伊犁等微地塊。南造山系則自北向南依次由秦-祁-昆中央造山系中西段、松潘—甘孜造山系等組成，間有中祁連、柴達(dá)木等微地塊，構(gòu)造復(fù)雜，是典型的陸內(nèi)造山帶發(fā)育地區(qū)?？傮w上處于古亞洲造山區(qū)，南接特提斯造山區(qū)，東與環(huán)太平洋造山區(qū)重合[10-11]。地層劃分詳見圖1。

1.2 構(gòu)造巖漿帶劃分

我國(guó)西北地區(qū)經(jīng)歷過長(zhǎng)期復(fù)雜的構(gòu)造巖漿演化，巖漿巖分布相當(dāng)廣泛，構(gòu)造活動(dòng)跨越新太古代、古元古代、中元古代、新元古代、早古生代、晚古生代及中新生代。我國(guó)西北地區(qū)共劃分為4個(gè)構(gòu)造巖漿巖域，并進(jìn)一步劃分出31個(gè)構(gòu)造巖漿帶(圖2)[12]。

1.3 礦產(chǎn)資源概況

我國(guó)西北地區(qū)主要礦種有：黑色金屬鐵、鈦、釩(錳、鉻)，有色金屬銅、鎳、鈷、鉛、鋅、汞、銻、鎢、鉬(錫)，貴金屬金(銀、鉑族)，稀有金屬鈹、鋰、鈮、鉭和稀土金屬等。鎳金屬儲(chǔ)量占全國(guó)的76.7%，鉑金屬儲(chǔ)量占58.1%，但有部分重要金屬礦產(chǎn)儲(chǔ)量(如鉛、鐵、鋅、銅等)還不足全國(guó)的20%[12]。

近年來，西北地區(qū)所發(fā)現(xiàn)的重要礦床主要為鐵、鎳、銅、鉛鋅、金、鎢(錫)和鉀鹽等礦產(chǎn)，大多分布于過去地質(zhì)工作程度較低的地區(qū)，例如新疆的西天山、西昆侖、阿爾金、北山、青海的東昆侖和三江北帶等高海拔或人煙稀少的區(qū)域。同時(shí)，在工作程度較高的新疆東天山、甘肅和陜西交界的西秦嶺也有重要的發(fā)現(xiàn)[11]。

1.4 地球化學(xué)景觀劃分

依據(jù)全國(guó)地球化學(xué)一級(jí)、二級(jí)景觀區(qū)的劃分原則及依據(jù)，根據(jù)我國(guó)西北地區(qū)的地理地貌特點(diǎn)，結(jié)合地球化學(xué)特征及開展的地球化學(xué)工作條件，將我國(guó)西北地區(qū)劃分為10個(gè)一級(jí)景觀區(qū)，即濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)中低山景觀區(qū)、黃土覆蓋景觀區(qū)、高山峽谷景觀區(qū)、高寒湖泊丘陵景觀區(qū)、干旱-半干旱高寒山區(qū)景觀區(qū)、干旱荒漠戈壁殘山景觀區(qū)、濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)高寒山區(qū)景觀區(qū)、高原丘陵景觀區(qū)、沖積平原景觀區(qū)、堆積戈壁沙漠景觀區(qū)[13]；細(xì)分出16個(gè)二級(jí)景觀區(qū)(圖3)。

陜西省北部、甘肅省東部、寧夏南部地區(qū)屬于黃土覆蓋景觀區(qū)；秦嶺地區(qū)屬于濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)中低山景觀區(qū)；新疆的西昆侖、阿爾金山、西天山和阿爾泰山，青海省北部和甘肅省南部祁連山地區(qū)屬于干旱-半干旱高寒山區(qū)景觀區(qū)；青海省南部屬于濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)高寒山區(qū)景觀區(qū)；新疆準(zhǔn)格爾盆地周緣及東天山地區(qū)、甘肅北山主要為干旱荒漠殘山景觀區(qū)。另外，我國(guó)西北地區(qū)亦有較大面積的堆積戈壁、沙漠景觀區(qū)(圖3)。

2 地球化學(xué)分區(qū)

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所引用數(shù)據(jù)為我國(guó)西北地區(qū)32.2萬條1∶20萬區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)，分析了Au、Ag、Cu、Pb等39種元素，樣品采集和測(cè)試分析均按照我國(guó)“區(qū)域地球化學(xué)勘查規(guī)范”實(shí)施，數(shù)據(jù)主要分布在西北地區(qū)主要基巖出露區(qū)，覆蓋面積為147.45萬km2[14]。

2.2 劃分依據(jù)

在研究區(qū)內(nèi)共劃分地球化學(xué)域、地球化學(xué)區(qū)和地球化學(xué)亞區(qū)三級(jí)地球化學(xué)分區(qū)(圖4)。地球化學(xué)域的劃分主要依據(jù)具有明顯區(qū)域背景差異的常量元素區(qū)域地球化學(xué)背景分布特征，同時(shí)結(jié)合大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐智闆r進(jìn)行劃分[15-16]。

在地球化學(xué)域內(nèi)，主要依據(jù)其局部地球化學(xué)背景結(jié)構(gòu)特征的差異，適當(dāng)結(jié)合構(gòu)造地質(zhì)背景在地球化學(xué)域內(nèi)進(jìn)行地球化學(xué)區(qū)的劃分[17]。

在地球化學(xué)區(qū)內(nèi)根據(jù)地球化學(xué)背景的局部差異，結(jié)合區(qū)域元素異常的分布、組合等特征，劃分地球化學(xué)亞區(qū)[18-19]。

2.3 我國(guó)西北地區(qū)地球化學(xué)分區(qū)的劃分

依據(jù)三級(jí)地球化學(xué)分區(qū)原則，全區(qū)共劃分出4個(gè)地球化學(xué)域、15個(gè)地球化學(xué)分區(qū)和46個(gè)地球化學(xué)亞區(qū)，亞區(qū)中包括3個(gè)數(shù)據(jù)空白區(qū)。地球化學(xué)域、分區(qū)、亞區(qū)的具體劃分結(jié)果詳如圖4所示。

3 成礦元素區(qū)域地球化學(xué)特征

作者對(duì)全區(qū)W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Ni等9個(gè)成礦元素的平均值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，按15個(gè)地球化學(xué)區(qū)分別統(tǒng)計(jì)了這些成礦元素的平均值，各地球化學(xué)分區(qū)元素平均值與全區(qū)元素平均值相比得出富集系數(shù)。富集系數(shù)大于1的元素為相對(duì)富集元素(表1)。

從研究區(qū)成礦元素富集系數(shù)(表1)可以看出，多數(shù)元素富集的地球化學(xué)區(qū)為Ⅳ-1、Ⅳ-2和Ⅳ-3等3個(gè)地球化學(xué)區(qū)內(nèi)。 其中Ⅳ-1 祁連地球化學(xué)區(qū)富集的元素為Ag、Pb、Mo、Zn、W、Au等，Ni和Sn等元素表現(xiàn)為相對(duì)富集。該區(qū)內(nèi)巖漿巖類型主要為中酸性侵入巖和基性-超基性巖，在南祁連發(fā)生青白口紀(jì)及奧陶紀(jì)的基性-超基性巖漿作用，形成橄欖巖-輝石巖-閃長(zhǎng)巖雜巖體。已發(fā)現(xiàn)的主要礦產(chǎn)有Ag、Pb、Zn、Au、Cu、Fe、Cr、Ni、REE、硫鐵礦、石棉、重晶石、磷等。成礦元素富集情況與已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)基本相對(duì)應(yīng)，從地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和巖漿巖條件來分析，該區(qū)內(nèi)W和Sn等亦可作為優(yōu)勢(shì)礦種。

Ⅳ-2 秦嶺地球化學(xué)區(qū)主要富集Au、Ag、Zn、Cu、Ni，同時(shí)Pb和W等元素也相對(duì)富集。區(qū)內(nèi)中酸性和基性巖均有出露，該區(qū)西部礦產(chǎn)以Au、Pb、Zn、Cu(Fe)、Hg、Sb為主，東部礦產(chǎn)以Au、Ag、Pb、Zn、Cu、Mo、Sb及非金屬為主。

Ⅳ-3碧口地塊地球化學(xué)區(qū)主要富集Ag、Pb和Zn等元素，Cu和Ni等元素略高于全區(qū)平均值。該區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的主要礦產(chǎn)有Ag、Pb、Zn、Cu、Ni、Cr、Fe、Au等。

此外，Ⅳ-4漢南地球化學(xué)區(qū)主要富集Ag和Mo元素。Ⅳ-7西昆侖地球化學(xué)區(qū)中的Ag元素略高于全區(qū)平均值。Ⅳ-8 麻扎達(dá)坂—甜水海地球化學(xué)區(qū)和Ⅳ-9青南三江地球化學(xué)區(qū)主要富集Pb。 Ⅰ-1 準(zhǔn)噶爾—阿爾泰地球化學(xué)區(qū)主要富集Ag和Mo。Ⅰ-2 天山—北山地球化學(xué)區(qū)和Ⅲ-1 阿拉善陸塊及其南緣地球化學(xué)區(qū)僅Ag富集。

通過計(jì)算富集系數(shù)，僅能了解各地球化學(xué)區(qū)元素的相對(duì)富集情況，對(duì)地球化學(xué)異常的評(píng)價(jià)則要綜合考慮平均值、異常面積等參數(shù)。

表1 我國(guó)西北地區(qū)各地球化學(xué)區(qū)成礦元素富集系數(shù)表

注：數(shù)據(jù)來自中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心[14]；表2—表4同。

4 成礦元素地球化學(xué)異常特征分析

本文對(duì)15個(gè)地球化學(xué)區(qū)內(nèi)的W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Ni等9種成礦元素的異常數(shù)、異常規(guī)模和異常顯著度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算(表2—表4)，利用異常顯著程度來判斷哪個(gè)地球化學(xué)區(qū)成礦最為有利。

4.1 參數(shù)定義

(1)

將異常規(guī)模Ad(Anomaly Dimension)定義為表征異常面積(S)大小與異常強(qiáng)度的綜合性參數(shù)[20]：

Ad=Ai×S

(2)

地質(zhì)研究工作中描述化探異常時(shí)，經(jīng)常會(huì)提到某元素異常顯著或不顯著，通常是研究者憑借自己的感覺所做的定性描述，但是當(dāng)評(píng)價(jià)兩個(gè)形態(tài)相似的地球化學(xué)異常時(shí)，卻無法判斷哪個(gè)異常更顯著。本文用特定地質(zhì)單元內(nèi)單位面積的某元素異常規(guī)模來定量表述某元素異常顯著程度。某地質(zhì)單元的異常顯著度具體定義為：

(3)

式中：Mi為異常顯著度(Significant Index)；Adi為異常規(guī)模(Anomaly Dimension)；S0為地質(zhì)單元的總面積；n為異常個(gè)數(shù)。

將某地質(zhì)單元內(nèi)所有參加計(jì)算元素的異常顯著度之和定義為綜合異常顯著度(Mz)，其中m表示參與計(jì)算的元素個(gè)數(shù)：

(4)

4.2 地球化學(xué)區(qū)成礦元素異常顯著度

本文計(jì)算了各地球化學(xué)分區(qū)的異常顯著度(表2為Ⅳ-2秦嶺地球化學(xué)區(qū)的異常顯著度和綜合異常顯著度)，同時(shí)計(jì)算了各區(qū)的綜合異常顯著度。通過我國(guó)西北地區(qū)各地球化學(xué)分區(qū)的綜合異常顯著度(表3)可以看出，Ⅳ-2秦嶺地球化學(xué)區(qū)和Ⅳ-3碧口地塊地球化學(xué)區(qū)的綜合異常顯著度最高，其次為Ⅳ-4漢南地球化學(xué)區(qū)和Ⅳ-7西昆侖地球化學(xué)區(qū)，再次為Ⅱ-2 敦煌地塊及周緣地球化學(xué)區(qū)、Ⅰ-2 天山—北山地球化學(xué)區(qū)和Ⅱ-1塔里木克拉通北緣地球化學(xué)區(qū)等。

表2Ⅳ-2秦嶺地球化學(xué)區(qū)內(nèi)成礦元素地球化學(xué)異常顯著度

Table2GeochemicalanomalysignificanceofmetallogenicelementsinⅣ-2Qinlinggeochemicalregion

元素異常數(shù)異常規(guī)模異常顯著度W16835 1630.27Sn20814 1800.11Mo131290 6382.21Cu20621 4440.16Pb19421 3750.16Zn18824 0320.18Au28272 4790.55Ag20848 3340.37Ni473 4650.03綜合異常顯著度4.67

表3我國(guó)西北地區(qū)各地球化學(xué)分區(qū)綜合異常顯著度

Table3ComprehensivegeochemicalanomalysignificanceofeachgeochemicalsubregioninNorthwestChina

序號(hào)地球化學(xué)分區(qū)綜合異常顯著度1Ⅰ-1準(zhǔn)噶爾—阿爾泰構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)1.581 2562Ⅰ-2 天山—北山構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)2.237 4063Ⅱ-1塔里木克拉通北緣構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)2.116 6114Ⅱ-2 敦煌地塊及周緣構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)2.447 8915Ⅲ-1 阿拉善陸塊及其南緣構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)1.356 7616Ⅲ-2河西走廊構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)1.650 8887Ⅳ-1祁連構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)1.703 7888Ⅳ-2 秦嶺構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)4.671 3519Ⅳ-3碧口地塊構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)4.016 45610Ⅳ-4漢南構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)4.849 42611Ⅳ-5 柴達(dá)木地塊及其周緣構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)0.873 68812Ⅳ-6 木孜塔格—巴顏喀拉構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)1.213 75713Ⅳ-7 西昆侖構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)2.623 35414Ⅳ-8 麻扎達(dá)坂—甜水海構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)0.873 68815Ⅳ-9 青南三江構(gòu)造地球化學(xué)區(qū)1.512 327

IV-2秦嶺地球化學(xué)區(qū)、IV-3碧口地塊地球化學(xué)區(qū)和IV-4漢南地球化學(xué)區(qū)是秦嶺成礦帶中重要的成礦區(qū)，花崗巖在地表大面積出露，火山巖類型較為復(fù)雜，有基性巖、中性巖和酸性巖。該區(qū)礦產(chǎn)豐富，包括Cu、Pb、Zn、Mo、Au、Ag、Mn等多種金屬礦產(chǎn)。依據(jù)前文論述，此幾個(gè)地區(qū)化學(xué)區(qū)內(nèi)Cu、Pb、Zn、W、Sn、Mo、Au、Ag、Ni等元素的富集系數(shù)也較高。故推測(cè)利用綜合異常顯著度可以有效地反映各地球化學(xué)分區(qū)的異常特征，綜合異常顯著度越大的區(qū)，有著更好的地球化學(xué)特征，對(duì)找礦更有利。

表4 西北地區(qū)地球化學(xué)亞區(qū)綜合異常顯著度一覽表

4.3 地球化學(xué)亞區(qū)成礦元素異常顯著度

對(duì)全區(qū)46個(gè)地球化學(xué)亞區(qū)W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Ni等元素的異常規(guī)模和異常顯著度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并統(tǒng)計(jì)了此9種元素的綜合異常顯著度，結(jié)果見表4，因其他3個(gè)亞區(qū)為數(shù)據(jù)空白區(qū)，故表中只列舉了43個(gè)亞區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，依據(jù)綜合異常顯著度進(jìn)行了排序。從表4中可以看出，排序前三的亞區(qū)分別為Ⅳ-2-4 小秦嶺地球化學(xué)亞區(qū)、Ⅳ-2-5 東秦嶺北帶地球化學(xué)亞區(qū)和Ⅳ-2-6 東秦嶺南帶地球化學(xué)亞區(qū)，均位于綜合異常顯著度排名第一的IV-2秦嶺地球化學(xué)區(qū)內(nèi)。

小秦嶺地球化學(xué)亞區(qū)內(nèi)，除Ni之外，Mo、Au等元素異常均較為突出。其中Mo元素異常顯著度最高、異常規(guī)模最大。Au元素異常顯著度和異常規(guī)模次之，這與小秦嶺地球化學(xué)亞區(qū)內(nèi)分布有較多黑色巖系金礦的事實(shí)相一致。Mo、Au元素異常顯著度在1以上，其余元素均在1以下。從異常顯著度排序來看，前六種元素是Mo、Au、W、Pb、Ag、Zn，主要為親硫元素，其次為親鐵元素，顯示中溫元素組合特征。

東秦嶺北帶地球化學(xué)亞區(qū)內(nèi)，9種元素的異常都較為突出，其中以Au異常顯著度最高，Mo、W、Ag、Cu、Zn、Pb、Sn等元素顯著度均在1以下。異常數(shù)以Cu最多，其次為Au、Zn、Ag、Pb等元素。從異常顯著度排序來看，前五種元素是Au、Mo、W、Ag、Cu，主要為親鐵元素，顯示中高溫元素組合特征。

東秦嶺南帶地球化學(xué)亞區(qū)內(nèi)僅Ni元素異常不突出，其他元素異常均較為突出。其中，Mo元素異常顯著度最高、異常規(guī)模最大， Au元素異常顯著度、異常規(guī)模次之。二者異常顯著度均在1以上。其余如Ag、Zn、Cu、Pb、Sn、W等元素顯著度均在1以下。異常出現(xiàn)次數(shù)以Zn最多，其次為Cu、Au、Ag等元素。從異常顯著度排序來看，排序前四種元素是Mo、Au、Ag、Zn，主要為親鐵元素、親石元素，顯示中溫元素組合特征。

5 結(jié)論及建議

(1) 依據(jù)我國(guó)西北地區(qū)資源潛力地區(qū)化學(xué)評(píng)價(jià)的研究成果[14]，西北地區(qū)共劃分為4個(gè)地球化學(xué)域、15個(gè)地球化學(xué)分區(qū)和46個(gè)地球化學(xué)亞區(qū)。W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Ni等9項(xiàng)成礦元素集中富集在Ⅳ華南(泛揚(yáng)子)板塊地球化學(xué)域。其中在Ⅳ-1 祁連地球化學(xué)區(qū)和Ⅳ-2 秦嶺地球化學(xué)區(qū)中， Ag、Au等優(yōu)勢(shì)礦種的成礦元素富集。

(2) 通過計(jì)算各地球化學(xué)區(qū)和亞區(qū)中W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Ni等9項(xiàng)成礦元素異常顯著度和綜合異常顯著度，其中IV-2秦嶺地球化學(xué)區(qū)和IV-3碧口地塊地球化學(xué)區(qū)9種元素的綜合異常顯著度最高，Ⅳ-2-4 小秦嶺地球化學(xué)亞區(qū)、Ⅳ-2-5 東秦嶺北帶地球化學(xué)亞區(qū)和Ⅳ-2-6 東秦嶺南帶地球化學(xué)亞區(qū)的綜合異常顯著度最高，通過與各區(qū)已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)情況對(duì)比認(rèn)為，綜合異常顯著度可以作為判斷異常地球化學(xué)特征的參數(shù)，亦可作為判斷各區(qū)成礦有利程度的參數(shù)，排序的結(jié)果可以用作地質(zhì)勘查工作部署的依據(jù)。

(3)利用地球化學(xué)參數(shù)判斷成礦有利區(qū)域時(shí)，可先計(jì)算富集系數(shù)，初步判斷元素富集的區(qū)域，然后應(yīng)用異常顯著度和綜合異常顯著度來進(jìn)一步判斷該區(qū)域的異常顯著強(qiáng)弱。

致謝：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)龔慶杰老師對(duì)論文修改提出寶貴建議和意見；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心劉明義工程師協(xié)助繪圖；在此一并表示衷心感謝。