銅陵礦集區(qū)水系沉積物中主成礦元素空間分布模式-基于變差函數(shù)的分析

孟剛剛， 張苗苗， 林 鑫, 2,3*， 付亞龍， 常海欽

(1.長安大學地球科學與資源學院，西安 710054; 2.全球尺度地球化學國際研究中心，廊坊 065000;3.國土資源部地球化學探測技術(shù)重點實驗室，中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

0 引言

銅陵地區(qū)是我國大型礦集區(qū)之一，有“古銅都”之美譽。先后探明了以銅官山銅礦、獅子山銅礦、鳳凰山銅礦、新橋銅(硫、鐵、金、銀)礦、冬瓜山銅礦、天馬金礦等為代表的一大批大-中型礦床[1]。但是現(xiàn)在新的發(fā)現(xiàn)越來越少，老礦山礦產(chǎn)資源枯竭，并且以往工作程度較低的地區(qū)還需要開展深部和外圍的找礦工作，存在“第二找礦空間”[2-3]；同時前人對銅陵地區(qū)化探數(shù)據(jù)處理仍存在不足，僅僅局限于異常含量識別[4]，對于元素的空間分布規(guī)律研究較少。因此筆者利用銅陵地區(qū)水系沉積物地球化學數(shù)據(jù)研究成礦及伴生元素空間分布模式，從而揭示元素礦化富集和空間分布規(guī)律[5]。

有效地利用地球化學數(shù)據(jù)尋找元素空間分布模式，已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點問題，并且各種傳統(tǒng)和現(xiàn)代方法均得到廣泛使用。套合模式譜系方法主要是將不同范圍的異常區(qū)域由低到高一個個套合在一起，這種套合能夠反映巨量成礦物質(zhì)的供應和逐步聚集，空間上在大型和巨型礦床周圍有較好地體現(xiàn)[6]；異常與背景分解方法一般假設地球化學數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，采用平均值加n倍標準差作為異常下限值，區(qū)分背景與異常，從而圈定地球化學異常范圍[7-9]。同時隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，許多現(xiàn)代統(tǒng)計方法被應用于地球化學數(shù)據(jù)處理，比如多重分形技術(shù)、主成分分析方法、地質(zhì)統(tǒng)計學方法等。前人利用多重分形技術(shù)可以進行空間數(shù)據(jù)插值，不僅能突出異常的局部變化性以及空間結(jié)構(gòu)信息，還能有效地度量場的局部奇異性[10-12]。主成分分析方法主要尋找空間上與成礦有關(guān)的異常組合，并利用相關(guān)的異常組合進行地球化學分區(qū)的判別，進而圈定地球化學異常[13-14]。地質(zhì)統(tǒng)計學方法以區(qū)域化變量為基礎，借助變差函數(shù)，對空間域或時間域自然變量進行定量化描述。不僅能夠有效地揭示元素在空間上的分布及相關(guān)特征，而且還可以將其空間分布特征與成礦元素分布聯(lián)系起來，有效解釋空間分布特征對成礦元素分布的影響[15-19]，其中對變差函數(shù)的研究能透過隨機性反映區(qū)域變化量的結(jié)構(gòu)性，從而了解區(qū)域化探變量的空間變化特征[20-22]。套合模式譜系方法、異常與背景分解方法多用于提取元素異常，多重分形技術(shù)研究異常的局部奇異性，主成分分析方法主要用于尋找異常組合，這幾種方法對于元素空間分布規(guī)律的研究較為缺乏，而地質(zhì)統(tǒng)計學方法在元素空間分布特征的研究與應用較為廣泛。因此，筆者主要利用地質(zhì)統(tǒng)計學(變差函數(shù)分析)來剖析銅陵地區(qū)1:200 000水系沉積物地球化學數(shù)據(jù)，在不同尺度下對主成礦元素(Cu、Au、Pb和Zn)進行變差函數(shù)分析，并定量刻畫主成礦元素的空間分布特征，為研究區(qū)勘查找礦提供有效地地球化學空間變異信息，建立成礦及伴生元素的空間分布模式。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

銅陵礦集區(qū)位于我國東部長江中下游地區(qū)，自古以來就是銅金的重要產(chǎn)地。區(qū)內(nèi)有五大礦田，自西向東依次是銅官山礦田、獅子山礦田、新橋礦田、鳳凰山礦田和沙灘腳礦田[23]。構(gòu)造位置位于揚子準地臺東北部下?lián)P子臺坳的中部，貴池-繁昌凹斷褶束的東段，大別造山帶的前陸褶皺帶[24]。

礦集區(qū)地層從志留系(S)到第四系(Q)在地表均有出露，累計厚度大于4 500 m。主要包括志留系(S)淺海相的頁巖和砂巖；泥盆系(D)的中下統(tǒng)地層缺失，上統(tǒng)五通組(D1w)和石炭系下統(tǒng)(C)為石英砂巖夾粉砂質(zhì)頁巖、細砂巖、粉砂巖；石炭系中上統(tǒng)黃龍組(C2h)船山組(C3h)和三疊系棲霞組(P1q)以灰?guī)r、白云巖為主；二疊系下統(tǒng)孤峰組(P1g)，上統(tǒng)以及三疊系下統(tǒng)殷坑組(T1y)為頁巖、硅質(zhì)巖、泥巖以及砂巖和煤層；三疊系下統(tǒng)和龍山組(T1h)以及中統(tǒng)主要是灰?guī)r-白云巖系列,對區(qū)內(nèi)成礦作用的形成有重要影響[25-26]。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，有近東西向、近南北向以及北東向、北北東向的隱伏深大基底斷裂將礦集區(qū)圍限，其中東西向銅陵-戴匯基底斷裂對巖漿活動和成礦作用影響很大。在印支期地層由于礦集區(qū)周圍地質(zhì)單元的擠壓和剪切而發(fā)生變形，形成了一系列北東向的短軸褶皺，北東向的順層滑脫斷層，以及北東向、北西向和近南北向的表殼斷裂。區(qū)內(nèi)多數(shù)礦床受NNE向與NE向、EW向等構(gòu)造的復合部位所控制[27-28]。主導金屬礦質(zhì)(如銅、金、鐵)沉淀的巖漿活動在礦集區(qū)也非常強烈。礦集區(qū)主要是以燕山期高鉀鈣堿性侵入巖為主，侵入體多呈巖枝、巖墻、巖脈等。巖體主要有石英二長閃長巖、花崗閃長巖、輝石閃長巖以及花崗閃長斑巖[29]。LA-ICP-MS和SHRIMP鋯石U-Pb定年,表明這些巖體的形成時代為(144.9±2.3)Ma-(137.5±1.1)Ma[30](圖1)。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 樣品采集與數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)內(nèi)水系沉積物主要為基巖風化物，采樣點布置在一級水系及其分支水系口，可以有效的反映基巖的基本特征，適于開展水系沉積物的測量[31]。本次研究區(qū)共采樣374件樣品，采樣密度1個/km2～2個/km2，4 km2一個組合樣，野外采集樣品后自然風干，然后過60目篩，選取-60目(<250 um)細粒沉積物，重量不少于300 g，并對樣品進行組合分析，每件樣品分析了39元素，包括主量元素和微量元素，分析方法如表1所示[32]。本文主要分析銅陵地區(qū)成礦及其伴生元素，因此選取了Ag、As、Au、Bi、Cd、Cu、Hg、Mn、Pb、Sb、W、Zn等13種元素。樣品分析采取以下質(zhì)量監(jiān)控方案：①將全國性一級標準樣插入不同實驗室分析樣品中，監(jiān)控實驗室之間的偏倚；②將各省二級標準樣插入同一實驗室不同樣品之間，監(jiān)控不同批次、時間和圖幅之間的偏倚；③選定分析方法之前先對一級標準樣分析，減小全國不同實驗室分析方法之間的偏倚[33-34]。

圖1 銅陵礦集區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)圖及地形圖

表1 元素分析方法

圖2 變差函數(shù)示意圖[22]

2.2 變差函數(shù)

地質(zhì)統(tǒng)計學是數(shù)學地質(zhì)的一個很重要的分支，其以區(qū)域化變量理論為基礎，以變差函數(shù)為主要工具，主要研究區(qū)域變化量在空間或時間域內(nèi)變化的現(xiàn)象[35]。其中變差函數(shù)指空間上點的相關(guān)性會隨它們之間的距離發(fā)生變化而變化，它既能描述變量的結(jié)構(gòu)性變化，也能描述其隨機性變化[36-37]。

實驗變差函數(shù)的計算公式為:

(1)

圖2中a為變程,其代表的含義是研究對象中某個區(qū)域變量的變化大?。籆為基臺值,代表區(qū)域化變量在空間上的變化幅度；C0為塊金值，其含義指在樣品間距很小時的區(qū)域化變量的變化幅度，反映了變量的連續(xù)性很差，其差異性也很大[21-22]。

3 結(jié)果與討論

3.1 單元素統(tǒng)計參數(shù)特征

表2呈現(xiàn)了13種元素的統(tǒng)計參數(shù)，包括各百分位數(shù)、中位值、平均值、中國水系沉積物元素豐度中位值和中國水系沉積物背景值。此處統(tǒng)計平均值為了便于對比研究，但是地球化學數(shù)據(jù)是典型的成分數(shù)據(jù),在歐式空間計算誤差則相對較大[38]。而中位數(shù)不容易受到極值的影響，能夠較好地估計數(shù)據(jù)集的中心[39]，因此我們選取平均值和中位數(shù)統(tǒng)計對比分析。通過對比研究區(qū)各元素中位值與中國水系沉積物元素豐度中位值發(fā)現(xiàn)：Au、Hg的中位值比值大于2.0；Cd、Sb的比值大于1.5；Ag、As、Bi、Cu、Mn、Mo、Pb、W、Zn的比值均大于1.0。對比研究區(qū)各元素平均值與中國水系沉積物背景值發(fā)現(xiàn)：Au、Cd、Hg的比值大于4.0，Ag、Bi、Pb的比值大于3.0，As、Cu、Sb、Zn的比值大于2.0，Mn、Mo、W的比值大于1.0。這些數(shù)值表明研究區(qū)水系沉積物中含有大量與成礦有關(guān)的礦物，可能由于銅陵礦集區(qū)大規(guī)模成礦和長期礦業(yè)活動導致，并在后期經(jīng)過物理化學風化作用使水系沉積物中成礦和伴生元素大量富集。

3.2 單元素分布特征

圖3為銅陵礦集區(qū)4種主成礦元素Cu、Au、Pb和Zn地球化學含量等值線圖。

從圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，Cu呈現(xiàn)以下空間分布特征：①大于85%分位數(shù)(即56.0 ug/g)的高含量值空間上與已知的銅官山、獅子山、新橋、鳳凰山和沙灘腳五大礦田吻合；②從區(qū)域上看，這些高含量值整體沿近東西向展布，與該地區(qū)沿東西向銅陵-戴匯基底斷裂侵入的中酸性巖體高度相關(guān)；③區(qū)內(nèi)大多數(shù)地層，尤其是志留系、石炭系、侏羅系和白堊系地層中Cu含量較低。因此，研究區(qū)水系沉積物中高含量的Cu應與中酸性侵入體及相關(guān)成礦關(guān)系密切。

從圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，Au呈現(xiàn)以下空間分布特征：①大于85%分位數(shù)(即9.60ng/g)的高含量值空間上主要分布在銅官山、獅子山、新橋和鳳凰山礦田，沙灘腳礦田的含量明顯較低；②從區(qū)域上看，這些高含量值整體呈東西向條帶狀連續(xù)性展布，與研究區(qū)的東西向銅陵-戴匯基底斷裂位置吻合；③與Cu相比，Au高含量值分布相對聚集，具有一定的連續(xù)性。因此，研究區(qū)水系沉積物中高含量的Au可能受到主斷裂及鄰近次級斷裂控制，影響Au的遷移。

從圖3(c)可以發(fā)現(xiàn)，Pb呈現(xiàn)以下空間分布特征：①大于85%分位數(shù)(即97.1ug/g)的高含量值空間上主要分布在新橋和鳳凰山礦田附近，獅子山礦田也有分布；②這些高含量值分布集中，帶型異常特征突出,整體上呈北東-南西向展布，多分布于地勢較低區(qū)域，并與研究區(qū)地層走向接近；③區(qū)內(nèi)高含量值主要分布在二疊系與三疊系地層，空間上與二疊系、三疊系碳酸鹽巖高度吻合。因此，研究區(qū)水系沉積物中高含量的Pb可能受地層控制。

從圖3(d)可以發(fā)現(xiàn)，Zn呈現(xiàn)以下空間分布特征：①大于85%分位數(shù)(即217.2ug/g)的高含量值空間上主要分布在新橋、鳳凰山附近，銅官山、獅子山礦田也有分布，沙灘腳礦田沒有高含量值分布；②從區(qū)域上看，這些高含量值整體沿北東-南西向展布，多分布于地勢較低區(qū)域，并且與研究區(qū)地層走向接近；③區(qū)內(nèi)高含量值主要分布在二疊系與三疊系地層，空間上與二疊系、三疊系碳酸鹽巖高度吻合。因此，研究區(qū)水系沉積物中高含量的Zn可能受地層控制。

3.3 變差函數(shù)研究

變差函數(shù)是區(qū)域化變量空間變異性的一種度量，應用在地質(zhì)學中，可以反映地質(zhì)情況在空間上的分布特征，表征地質(zhì)情況的空間各向異性。我們在縮小研究區(qū)空間范圍后進行變差函數(shù)研究，縮小范圍的依據(jù)和方法：從地質(zhì)角度考慮，銅陵礦集區(qū)主要包含五大礦田，范圍縮小的基本思想是：先去掉一個礦田(例如沙灘腳)，并且主體是第四系覆蓋物，目的是觀察由空間范圍的變化會不會引起處理結(jié)果(即空間變差函數(shù)分析)的變化以及如何變化；其次考慮到為了保證和未縮小范圍之前數(shù)據(jù)的比例一致，因此利用矩形框同等比例縮小研究區(qū)范圍將沙灘腳周圍的數(shù)據(jù)去除，只改變范圍大小，減少樣品數(shù)量，不改變采樣密度，觀察元素空間分布模式在不同研究尺度下展現(xiàn)的特征是否會發(fā)生變化，但原理上變差函數(shù)展現(xiàn)的不同結(jié)果是由于數(shù)據(jù)缺少而造成。圖4和圖5為不同范圍下主成礦元素(Cu、Au、Pb和Zn)的變差函數(shù)圖，表3和表4分別為對應的擬合變差函數(shù)參數(shù)表。

Ag、Au、Hg單位：10-9；其他元素：10-6；比值1：研究區(qū)元素中位值/中國水系沉積物元素豐度中位值；比值2：研究區(qū)元素平均值/中國水系沉積物背景值(平均值作為背景值的估計值)

球狀模型：Cu: 0.17*Nugget+0.39*Spherical(22000,11428,83.5);Au: 0.45*Nugget+0.89*Spherical(24000,11317,88.6);Pb: 0.14*Nugget+0.85*Spherical(26000,14714,62.1);Zn: 0.12*Nugget+0.53*Spherical(24000,16249,49.7)

表4 擬合變差函數(shù)參數(shù)表(縮小范圍后)

球狀模型: Cu:0.12*Nugget+0.46*Spherical(16000,5036,35.3);Au:0.73*Nugget+0.64*Spherical(18000,6003,94.6);Pb:0.20*Nugget+0.74*Spherical(16000,10498,48.2);Zn:0.27*Nugget+0.23*Spherical(18000,7531,42.0)

圖3 銅陵礦集區(qū)4種主成礦元素地球化學等值線圖

圖4 (a)、圖4 (b)、圖4 (c)、圖4 (d)四幅圖分別為Cu、Au、Pb、Zn四個元素在整個研究區(qū)的變差函數(shù)圖像，圖中藍色延伸方向代表了元素的最大空間連續(xù)方向。表3是四個元素的變差函數(shù)參數(shù)，結(jié)合圖4和表3可以看出：

1)Cu、Au元素:①圖4(a)、圖4 (b)呈現(xiàn)了Cu、Au兩個元素的空間最大連續(xù)性，均呈近東西向展布(83.5°和88.6°)，空間上與近東西向的銅陵-戴匯基底斷裂帶吻合，但南北向的色差變化較大，連續(xù)性差；②當Cu、Au元素的變程達到次變程(11 428和11 317)時，基臺值為0.56和1.34(塊金值+偏基臺值)，此時達到Cu、Au元素空間自相關(guān)的最大值，隨著變程的增加，元素空間相關(guān)性不再變化。

2)Pb、Zn元素：①圖4(c)、圖4 (d)兩幅圖中Pb、Zn元素的延伸方向都呈現(xiàn)了近北東-南西向(62.1°和49.7°)的連續(xù)性，空間上與二疊系、三疊系碳酸鹽巖高度吻合，此外發(fā)現(xiàn)Pb和Zn元素在北西-南東方向的連續(xù)性差，跨地層單元也出現(xiàn)含量差異較大的現(xiàn)象，說明兩個元素應該與特定的地層相關(guān)；②當Pb、Zn元素的變程達到次變程(14714和16249)時，基臺值為0.85和0.53，此時達到Pb、Zn元素空間自相關(guān)的最大值，隨著變程的增大，元素的空間相關(guān)性不再變化；③Pb、Zn元素的基臺值相近，說明兩個元素空間相關(guān)性變化幅度差不多，空間上位置相近，屬于伴生關(guān)系,可能都受地層控制。例如，荷花山鉛鋅銀多金屬礦產(chǎn)于三疊系(T)灰?guī)r角礫巖中,其中和龍山組(T1h)、南陵湖組(T1n)為區(qū)內(nèi)主要含礦層位,礦體形態(tài)呈似層狀或透鏡狀,屬中低溫熱液礦床[42]。姚家?guī)XPb、Zn礦與二疊系棲霞組(P1q)地層有關(guān)，二疊系棲霞組是主要賦礦層位，灰?guī)r的形態(tài)呈向斜展布，軸向呈近東西向，礦體賦存形態(tài)嚴格受地層形態(tài)控制[43]。

圖5(a)、圖5 (b)、圖5 (c)、圖5 (d)是Cu、Au、Pb、Zn四個元素縮小范圍后的變差函數(shù)圖像，圖中藍色延伸方向代表了元素的最大空間連續(xù)方向，表4是對應四個元素的變差函數(shù)參數(shù)。結(jié)合圖5和表4可以看出：圖4 (a)中Cu元素藍色延伸方向為北北東向(35.3°)，云圖四周高，中間低，而且連續(xù)性距離偏短；圖4 (b)中Au元素延伸方向為近東西向(94.6°)，南北向色差變化較大；圖4 (c)、圖4 (d)中Pb和Zn元素呈現(xiàn)了近北東-南西向的延伸(48.2°和42.0°)，且連續(xù)性良好，同時也發(fā)現(xiàn)北西-南東方向色差等級變化較大，連續(xù)性較差。

圖4 銅陵礦集區(qū)元素變差函數(shù)圖

圖5 銅陵礦集區(qū)元素變差函數(shù)圖(縮小范圍后)

綜合以上數(shù)據(jù)和圖示可以看出：縮小研究區(qū)范圍后，①四種元素的變差函數(shù)參數(shù)發(fā)生了相應的變化，Cu元素的塊金值降低，而Au、Pb和Zn元素的塊金值增大，說明Cu元素在小范圍內(nèi)空間連續(xù)性較好，而Au、Pb和Zn元素的連續(xù)性較差，其差異性也很大；②Cu元素的空間最大連續(xù)性方向變化很大，由近東西向(83.5°)變?yōu)楸北睎|向(35.3°)，變化幅度明顯(48.2°)，連續(xù)性距離偏短，說明Cu元素的空間分布特征是叢集程度高，可能在一個很小的范圍內(nèi)在北北東向有很好的展現(xiàn)，呈現(xiàn)出與區(qū)內(nèi)矽卡巖型銅礦控礦巖體(如銅官山巖體)[44]的空間相關(guān)性；③Au、Pb和Zn的最大連續(xù)性方向變化較小(94.6°、48.2°和42.0°)，變化幅度為(6°、13.9°和7.7°)，但是最大連續(xù)性延伸距離變長。綜上所述，Cu發(fā)生如此明顯變化，可能由于研究區(qū)范圍的變化導致，從而引起控制Cu的地球化學分布模式的主要因素發(fā)生改變。在全區(qū)范圍內(nèi)，Cu的空間分布特征可能與該地區(qū)沿銅陵-戴匯基底斷裂侵入的中酸性巖體高度相關(guān)；縮小范圍后，礦田中單個巖體則是其主要控制因素。但是Au、Pb和Zn的主要控制因素沒有隨之改變，Au受到主斷裂及鄰近次級斷裂控制，Pb和Zn則受到二疊系、三疊系地層控制，說明范圍的改變對Au、Pb和Zn的主要控制因素的影響較小。

4 結(jié)論

1)對研究區(qū)13種元素的地球化學特征進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)主成礦元素Cu、Au、Pb、Zn的中位數(shù)明顯較中國水系沉積物中位數(shù)偏高，說明水系沉積物中含有大量與成礦有關(guān)的礦物，導致主成礦元素大量富集。

2)結(jié)合單元素等值線圖和變差函數(shù)圖分析發(fā)現(xiàn)，在全區(qū)范圍內(nèi)，Cu和Au的高含量值沿近東西向呈現(xiàn)最大連續(xù)性，空間上與近東西向銅陵-戴匯基底斷裂帶吻合；Pb和Zn的高含量值則沿北東-南西向呈現(xiàn)最大連續(xù)性，空間上與二疊系、三疊系碳酸鹽巖高度吻合。當縮小研究區(qū)范圍后發(fā)現(xiàn)，Au、Pb和Zn的最大連續(xù)性方向變化幅度較小，Cu則由近東西向變?yōu)楸北睎|向，變化幅度較大，呈現(xiàn)出與區(qū)內(nèi)矽卡巖型銅礦控礦巖體(如銅官山巖體)的空間相關(guān)性，Cu發(fā)生如此明顯變化，可能由于范圍的變化引起元素空間分布模式發(fā)生變化。綜上所述，認為研究區(qū)水系沉積物中Cu的分布受成礦巖體控制，Au受到區(qū)域主斷裂及鄰近次級斷裂控制，Pb和Zn則受到二疊系、三疊系地層控制。

3)通過Cu的明顯變化，可以發(fā)現(xiàn)地球化學模式在不同研究尺度下展現(xiàn)的特征不同，并且研究的主要影響因素也不同。因此，后期的研究應該注意研究尺度問題。