試論臨朐鐵寨地區(qū)矽卡巖型銅金多金屬礦床地球化學模型

張海瑞，武 斌，周勇，徐友松

(1.山東省第四地質礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021；2.山東省地礦局海岸帶地質環(huán)境保護重點實驗室，山東 濰坊 261021；3.濰坊市礦產(chǎn)資源服務中心，山東 濰坊 261000)

0 引言

山東臨朐鐵寨矽卡巖金銅多金屬礦區(qū)前人已做過大量化探工作，但前期化探工作僅是對區(qū)內(nèi)的重要成礦元素圈定了異常，根據(jù)異常進行了查證工作，并未對引起異常的地球化學信息進行深入分析研究。由于矽卡巖型多金屬礦床的地球化學元素在地層、巖體、礦石中含量的規(guī)律性較強[1-3]，地球化學元素組合異常在空間分布上亦具有一定分帶性，本文通過地球化學數(shù)據(jù)應用統(tǒng)計分析的方法[4]，從異常下限的確定、地球化學元素組合分類特征等方面結合該地區(qū)的成礦地質條件，建立了該地區(qū)矽卡巖型礦床的地球化學異常結構模型[5]。

1 地質概況

臨朐鐵寨一帶區(qū)域上出露寒武紀、奧陶紀地層和新太古代及中生代中酸性侵入體，斷裂構造發(fā)育，巖漿活動頻繁(圖1)。區(qū)域礦產(chǎn)豐富，已發(fā)現(xiàn)沂南銅金礦、淄博鐵礦、萊蕪鐵礦、齊河—禹城鐵礦等矽卡巖型礦床[6-8]。

圖1 魯西區(qū)域地質簡圖(據(jù)文獻[6-8])Fig.1 Regional and geological sketch map of West Shandong1—新生界地層 2—中生界地層 3—古生界地層 4—古元古代結晶基底 5—太古代結晶基底 6—中生代侵入巖 7—地質界線 8—斷層 9—推測斷層 10—研究區(qū)

該地區(qū)成礦地質條件優(yōu)越(圖2)，其中地層出露古生代寒武系長清群、九龍群碳酸鹽巖、砂巖及頁巖，另發(fā)育小面積新生代第四系松散堆積物。斷裂構造亦較為發(fā)育，主要有NW向、NE向、近EW向三組，均為燕山運動以來的產(chǎn)物。NE向斷裂主要為五井斷裂帶，截切NW向斷裂，具多期活動性特點，早期為張性或張扭性，晚期表現(xiàn)為右行壓扭性；NW向斷裂為楊桃—李季斷裂，總體走向325°，切割早元古代、中生代侵入巖和寒武紀地層。區(qū)內(nèi)巖漿巖主要發(fā)育新太古代傲徠山序列花崗巖，中元古代牛嵐單元輝綠巖脈，中生代濟南序列橄欖輝長巖、沂南序列閃長巖類、蒼山序列斑巖類。

圖2 鐵寨地區(qū)地質簡圖及重要成礦元素地球化學特征圖Fig.2 Geological sketch map of Tiezhai area and geochemical characteristic diagram of important metallogenic elements1—第四系松散堆積物 2—寒武系 3—蒼山序列侵入巖 4—沂南序列侵入巖 5—濟南序列侵入巖 6—傲徠山序列侵入巖 7—牛嵐單元侵入巖 8—構造破碎帶 9—斷層 10—產(chǎn)狀 11—角巖化 12—矽卡巖化 13—赤鐵礦點 14—銀礦點 15—銅金多金屬礦點 16—金礦點

2 地球化學特征

2.1 樣品采集及分析質量

水系沉積物采樣點以網(wǎng)格狀沿水系布設，按照基本采樣密度4個樣/km2，局部采樣點加密至5～8個樣/km2。采樣點兼顧均勻分布和最大限度控制匯水域兩個原則，在采樣點水系上下游20～30 m范圍內(nèi)3～5處進行多點采集組合樣，在日光下自然干燥過-60目粒級孔徑樣篩，篩后樣品重量≥300 g。

樣品分析Au、Ag、Cu、Pb、Zn、As、Sb、Hg、W、Sn、Bi、Mo、Ni、Co、Cr、V、Ti、Mn十八種元素。其中Au采用化學光譜，Ag采用光譜深孔電極，As、Sb、Hg采用原子熒光，其余樣品采用電感耦合等離子體質譜法進行分析測試。樣品測試通過重復樣、二級標樣等進行控制，經(jīng)監(jiān)控測試元素的報出率均大于90%，二級標樣精密度合格率大于98%，金合格率大于90%，內(nèi)檢分析、異常點檢查和密碼抽查結果的合格率大于90%，樣品分析結果均合格可靠。

2.2 異常下限的確定

地質學中的許多事物都具有復雜的空間屬性，并且往往表現(xiàn)出非線性和不規(guī)則性。傳統(tǒng)的統(tǒng)計學方法忽略了元素含量的空間信息，分形理論和方法的提出，為定量刻畫復雜地球化學現(xiàn)象中精細結構提供了理論基礎。元素含量-面積分形計算方法[9]的理論基礎是地球化學數(shù)據(jù)服從分形分布，故能體現(xiàn)地球化學數(shù)據(jù)原始特征。本次研究利用含量-面積法分形技術對區(qū)內(nèi)的地球化學異常下限進行了確定(表1)。

表1 元素含量-面積分形計算擬合線交點Table 1 List of intersection points of element content-area fractal calculation fitting line

對區(qū)內(nèi)重要成礦元素Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Hg、W、Mo等種元素建立元素-面積分形模型(圖3)，各元素的“元素含量-面積”關系可以用2條或2條以上的直線進行擬合，這說明各元素含量的空間分布存在2個或2個以上的無標度區(qū)。在低值區(qū)擬合的直線較為平緩，為元素背景區(qū)。第二段直線一般為元素的主要含量區(qū)，擬合直線斜率一般較大，應為區(qū)域地質作用形成的區(qū)域異常區(qū)。第三段反映的是局部地質作用即礦化作用形成的局部地球化學異常，Pb、Zn、Mo、W第三段的斜率均小于第二段斜率，說明這幾種元素的礦化作用強烈，成礦潛力較大，有形成礦床的可能；Hg元素的第三段斜率明顯大于第二段斜率，反映其成礦作用較弱，僅有形成礦(化)點可能；Au元素擬合線雖然分為三段，但其第三段的下半部分斜率接近水平，反映出Au元素具有局部范圍內(nèi)形成礦床的可能；Ag元素分為四段，且第三段斜率較第二段平緩，說明其礦化作用亦較強烈，具有形成礦床潛力，但第四段斜率較大，推測其礦床高品位具有不穩(wěn)定性；Cu元素分為三段，且第三段直線后半段的擬合度不是很高，說明該地區(qū)Cu元素可能作為Au、Ag礦床的硫化物伴生元素而導致的地球化學異常。

圖3 重要成礦元素含量-面積分形模型圖(雙對數(shù))Fig.3 Important mineralization element content-area fractal model diagram(double logarithm)

根據(jù)上述描述，可以對該地區(qū)的地球化學元素通過“元素含量-面積”關系的多重分形模式分為3個類型：第一類，僅有2段無標度區(qū)的簡單分形模型，該模型的元素在該地區(qū)成礦富集的趨勢不明顯，很難形成較大礦床；第二類，具有3段無標度區(qū)的高富集分形模型，它在第一類模型的基礎上疊加有高含量的元素異常場，該模式的元素在該地區(qū)內(nèi)局部富集成礦的可能性非常大；第三類，具有3段無標度區(qū)的低富集分形模型，它在第一類模型的基礎上疊加了較弱的元素異常場，該模式下的元素在該地區(qū)礦化較弱，有可能形成小規(guī)模的礦(化)點；Ag元素雖然分為4段無標度區(qū)，但是由于其第三段擬合直線上的變量個數(shù)遠遠大于第四段擬合線上的變量個數(shù)，故從嚴格意義上來說其亦屬于第二類的高富集分形模型元素。

2.3 元素組合分類特征

元素組合是元素親合性在地質體內(nèi)的具體表現(xiàn)，而元素親合性又與地質環(huán)境有關。確定成礦及伴生元素的組合特征是確定成礦最佳地球化學標志元素組合的前提，為了研究本區(qū)元素的共生組合規(guī)律和區(qū)域成礦的特點，對研究區(qū)范圍內(nèi)的的874件樣品進行了R型聚類分析和因子分析。

2.3.1 聚類分析

聚類分析以變量之間的相似程度為基礎，將變量分成不同級別的類或點群，直觀地對變量進行分類。據(jù)元素聚類譜系圖(圖4)組內(nèi)連接法按照平方歐式距離標度值10，可分為三簇。

圖4 聚類分析譜系圖Fig.4 Cluster analysis pedigree diagram

第一簇(Sb、Mo、Au、Cu、Ag、As、W、Pb、Hg)：這類元素組合為一組中高溫元素組合，其中W、Mo元素富集一般認為與高溫酸性巖具有密切關系，Hg、As這類遷移性、絡合性較強的元素一定程度反映區(qū)域內(nèi)斷裂構造的存在，Au、Ag、Cu、Sb元素亦表明其親硫的地球化學屬性。

第二簇(Cr、Mn、Zn、V)：該類元素代表了親氧(石)親鐵的地球化學親合性，而這幾種元素共生很可能與該地區(qū)的寒武系地層中的鐵錳質結核具有密切關系。

第三簇(Ni、Ti、Co、Bi、Sn)：這類元素組合一般為基性巖中的巖漿礦床組合，這幾種元素主要來自深部地殼或上地幔，再或是早期原始地幔分異的殘留物，從現(xiàn)今環(huán)境來看這些元素屬于難以遷移的元素，它們在氧化、弱酸或中性條件下，其風化物以各種次生礦物的形式固滯在母質有限范圍內(nèi)，并在風化過程中易于一起聚集和離散。

2.3.2 因子分析

因子分析的基本目的就是用少數(shù)幾個因子去描述許多指標或多變量之間的聯(lián)系，是化探數(shù)據(jù)處理的主要技術方法之一。運用因子分析，可以找出元素之間的地球化學屬性與地質構造背景的聯(lián)系，便于研究元素共生組合富集離散特征與地質背景或成礦間關系[10]。

Kaiser(1974)認為KMO值小于0.6時較不宜進行因子分析。在做因子分析前對數(shù)據(jù)的相關關系進行KMO和球度檢驗(表2)，從研究區(qū)18個元素測試數(shù)據(jù)KMO檢驗結果和Bartlett球形檢驗結果看，KMO值為0.785(>0.6，其值愈逼近1，表明對這些變量進行因子分析的效果愈好)；Bartlett球形檢驗顯著P=0.000(<0.05)，認為變量樣本數(shù)據(jù)因子分析的效果非常好，其分析結果能較好地反應元素之間成因上的聯(lián)系；滿足因子分析條件，適合做因子分析。

對水系沉積物測量樣品數(shù)據(jù)進行相關性分析，得出相關系數(shù)矩陣(表3)。由表3可知，Au與Ag、Cu、W相關系數(shù)集中在0.57～0.82，呈正強相關；Co與Ni、Cr、V、Ti等元素相關系數(shù)集中在0.53～0.65，亦呈正強相關；Mo與Ag、Sb、Au、Pb、Zn、W元素相關系數(shù)集中在0.35～0.49，呈一般正相關；As與Sb、Zn元素相關系數(shù)集中在0.32～0.36，呈一般正相關；Cu與Zn、Ni、Cr、V、Mn元素相關系數(shù)集中在0.31～0.45，亦呈一般正相關。從表3可以看出，Au、Ag、Cu、W元素組和Co、Ni、V、Ti元素組相關性均較為顯著。

利用主成分分析法得出F1、F2、F3因子解釋總方差。具體步驟：對因子載荷矩陣進行正交旋轉，在正交旋轉載荷矩陣中，將取值大于0.5的變量作為該因子的主要載荷元素組，即認為該元素是具有成因聯(lián)系的多種元素；而初始特征值大于1的前五個因子認為是“有意義”的主要影響因子，計算其累計方差貢獻率達52.995%，并在旋轉矩陣中根據(jù)主要載荷元素得出因子結構式(表4)。

表4 因子解釋總方差Table 4 List of factor explanation total variance

根據(jù)各元素的因子載荷值求得F1、F2、F3因子下的空間載荷分布圖[11-12](圖5)。由圖5可見，18種元素在主因子F1-F2-F3空間載荷分布圖上明顯的分成4個集團。集團Ⅰ包括Co、Cr、V、Ti、Ni、Mn 六種元素，它們的特征在主因子F1、F3上均較小，該類元素組合代表了該地區(qū)的中基性侵入巖類；集團Ⅱ包括Au、Ag、Cu、W 四種元素，在主因子F1上的特征較為明顯，這類元素是該區(qū)域內(nèi)的主要成礦元素，為銅金多金屬礦床的指示性元素；集團Ⅲ包括Pb、As、Sb、Zn、Sn、Bi 六種元素，這類元素在主因子F1、F2、F3上特征均不明顯，其中As、Sb元素的遷移性、絡合性地球化學屬性明顯，故該類元素代表了該地區(qū)的活動遷移性元素，推測為本地區(qū)找礦前緣指示性元素；集團Ⅳ包含Hg、Mo兩種元素，其特征在F1上特征相對較明顯，該類元素代表了該地區(qū)巖漿活動、斷裂構造的地質活動產(chǎn)物。

圖5 F1-F2-F3因子空間載荷分布圖Fig.5 F1-F2-F3 factor spatial load distribution diagram

2.4 地球化學異常圈定

2.4.1 單元素地球化學異常圈定

該地區(qū)單元素異常運用異常襯度法圈定[13-14]，首先將各個采樣點元素數(shù)據(jù)進行歸一化處理，即利用異常下限值計算各采樣點元素的異常襯度，然后利用異常襯度圈定單元素的地球化學異常，這樣可以使異常襯度值量化到每個測量點，增加了不同元素之間的可比性。運用該方法勾繪出了該地區(qū)主要成礦元素Au、Ag、Cu的單元素異常(圖2)。

2.4.2 組合元素地球化學異常圈定

組合異常的圈定傳統(tǒng)方法一般是根據(jù)異常規(guī)模、形態(tài)進行手工圈定，這種圈定方法非常繁瑣，且無法對組合異常進行定量評價。鑒于上述原因，本次組合異常亦采用異常襯度值來圈定，具體處理方法：①計算每個采樣測量點的異常襯度值，利用異常襯度值對每個測量點進行賦得分值，得分值等于異常襯度值；②將各采樣點不同元素的得分值進行加和計算，該值相當于規(guī)格化后的組合異常強度值；③確定組合異常的下限值，由于每個單元素異常襯度值大于1即認定為異常，該地區(qū)3組組合異常元素數(shù)量均為6，故組合異常襯度下限值定為6較合適，但為了不漏調(diào)任何一個可能致礦弱異常，本次將組合異常下限值暫定為5。最終圈定該地區(qū)3組組合異常見圖2。

由于鐵寨地區(qū)礦床集中區(qū)的面積相對于區(qū)域上尺度來說并不是很大，所以在圈定組合異常時個別元素的極高值、孤高點可能會導致圈定的組合異常不能準確完整的反映客觀地質成礦條件，為了避免這種情況，本次研究工作首先利用異常襯值法來確定各采樣點的組合異常襯度值，之后又對各采樣點的組合異常襯值在9×9窗口下進行了趨勢面濾波處理[5]，從而獲取了鐵寨地區(qū)區(qū)域性增高或降低趨勢的局部異常信息，在鐵寨地區(qū)復雜的地球化學場背景條件下，模擬出了各成礦元素的客觀分布趨勢(圖6)。為該地區(qū)地球化學異常結構模型的建立提供依據(jù)。

圖6 鐵寨地區(qū)異常襯值法9×9窗口趨勢面濾波組合異常圖Fig.6 The combination anomaly map of the trend surface filter of 9×9 window by anomaly contrast method in Tiezhai area1—第四系松散堆積物 2—寒武系 3—蒼山序列侵入巖 4—沂南序列侵入巖 5—濟南序列侵入巖 6—傲徠山序列侵入巖 7—牛嵐單元侵入巖 8—構造破碎帶 9—斷裂 10—產(chǎn)狀 11—角巖化 12—矽卡巖化 13—赤鐵礦點 14—銀礦點 15—銅金多金屬礦點 16—金礦點

3 地球化學結構模型

綜合以上異常特征及地質成礦條件可知，鐵寨地區(qū)矽卡巖型礦床主要以接觸交代型[15]為主，控礦構造為NW向楊桃—李季斷裂，該斷裂亦為中生代巖漿、含礦熱液活動提供了通道，故在該成礦地質背景條件下，該地區(qū)的地球化學異常在空間分布上具有明顯的分帶性，分帶序列亦具有一定規(guī)律性。據(jù)此建立了鐵寨地區(qū)矽卡巖型礦床平面、垂向地球化學異常結構概念模型(圖7、圖8)。

圖7中平面邊緣部位指示元素為Pb、Zn、Sb、Bi、Sn、As，礦體或近礦指示元素為Au、Ag、Cu、W、Hg、Mo，中心指示元素為Cr、Ni、V、Co、Ti、Mn。成礦元素異常與礦化蝕變帶范圍基本吻合，易活動元素的異常相對靠外部。主要元素和密切伴生元素出現(xiàn)水平分帶(自礦化中心向外)：Cu(Au)-Ag-W-Pb-Zn-Mn-As-Sb，表明礦體受到剝蝕。

圖7 鐵寨地區(qū)矽卡巖型礦床地球化學結構概念模型圖(水平)Fig.7 Conceptual model diagram of geochemical structure of skarn deposits in Tiezhai area(horizontal)1—地層 2—沂南序列巖漿巖 3—斷裂 4—銀礦床 5—銅金礦床 6—金礦床 7—環(huán)狀異常(Cr、Ni、V、Co、Ti、Mn) 8—前緣異常(Pb、Zn、Sb、Bi、Sn、As) 9—礦異常(Au、Ag、Cu、W、Hg、Mo)

由圖8可見，該地區(qū)矽卡巖型接觸交代礦床，垂向上與礦體一致并包裹礦體的異常元素為Cu、Ag、W、Au(Hg、Mo)，靠近圍巖一側或在礦體前緣發(fā)育易活動元素為Pb、Zn、Sb、Sn、As[16]，靠近中生代侵入巖(沂南序列)及巖體中發(fā)育中基性元素Cr、Ni、V、Co、Ti、Mn。

圖8 鐵寨地區(qū)矽卡巖型礦床地球化學結構概念模型圖(垂向)Fig.8 Conceptual model diagram of the geochemical structure of skarn deposits in Tiezhai area (vertical)1—Au、Ag、Cu、W、Hg、Mo組合異常 2—Pb、Zn、Sb、Bi、Sn、As組合異常 3—Cr、Ni、V、CO、Ti、Mn組合異常 4—寒武系 5—沂南序列侵入巖 6—金銅多金屬礦體

4 結論

1)通過異常下限的分形分析，使得鐵寨地區(qū)各類化探元素的成礦潛力數(shù)據(jù)化、圖形化，在化探數(shù)據(jù)處理的異常下限確定階段，就初步判斷了各類元素的成礦可能性。通過分形分析來看鐵寨地區(qū)的Au、Ag元素均具有形成規(guī)模礦床的特征，該地區(qū)在開采中矽卡巖型Au、Ag礦床充分驗證了這一特征。

2)鐵寨地區(qū)矽卡巖型礦床的地球化學異常特征與礦體的出露程度關系密切。從礦(床)點整體分布情況來看，元素異?；旧弦詭r體為中心呈環(huán)狀分布，特別是NW向斷裂兩側和地層圍巖接觸帶上。

3)從鐵寨地區(qū)地球化學概念模型的水平模型和垂向模型上來看，該地區(qū)矽卡巖型礦床的異常元素組合具有明顯的分帶性，這一特性也是斑巖-矽卡巖礦床的典型特征。根據(jù)斑巖-矽卡巖礦床特點，可以在成礦巖體的遠端尋找Pb、Zn等低溫成礦元素的礦化線索。

4)該地區(qū)矽卡巖型礦床地球化學異常結構概念模型的建立，對該地區(qū)的矽卡巖型銅金多金屬礦床的地球化學找礦工作具有借鑒參考意義。