基于GlS 的麻陽(yáng)銅礦銅元素遷移機(jī)制研究

鄭 平，肖清華

(湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151)

麻陽(yáng)銅礦位于湖南省麻陽(yáng)縣九曲灣銅礦區(qū)，行政區(qū)劃屬湖南省懷化市麻陽(yáng)縣管轄。自20世紀(jì)60年代至今，多家地礦單位對(duì)沅麻盆地銅礦開(kāi)展了普查與勘探工作，多家科研院和多位地質(zhì)工作者對(duì)礦床地質(zhì)、礦體地質(zhì)特征、礦床成因等做了相關(guān)研究，部分學(xué)者根據(jù)與遺跡化石和有機(jī)質(zhì)共生的自然銅礦化，強(qiáng)調(diào)生物成因說(shuō)[1]；有的提出礦床沉積改造成因說(shuō)[2]，認(rèn)為沉積環(huán)境為河湖三角洲水上、水下交替沉積，或河湖水下三角洲相沉積；部分學(xué)者根據(jù)古流向和碎屑長(zhǎng)石認(rèn)為含銅砂巖碎屑成分的來(lái)源是雪峰古陸，銅是以碎屑形式機(jī)械搬運(yùn)至礦區(qū)，經(jīng)淋濾—溶解—沉淀形成礦化富集[3]；也有學(xué)者認(rèn)為該礦床類似其它銅礦床，其形成是后期熱液作用結(jié)果。

前人所做的工作大部分以基礎(chǔ)地質(zhì)特征為主，部分涉及到地球化學(xué)方面的研究，未曾運(yùn)用GIS 技術(shù)對(duì)礦床的形成環(huán)境、形成機(jī)制等開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及各種先進(jìn)精密儀器及專業(yè)軟件的問(wèn)世，如GIS 技術(shù)在研究恢復(fù)古地理環(huán)境方面的應(yīng)用，使得對(duì)礦床的研究廣度與深度不斷增加和革新。筆者擬通過(guò)資料分析、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、采樣鑒定分析、GIS 運(yùn)用等方式，從物質(zhì)組份、巖相特征、數(shù)字高程顯示（DEM）、銅元素遷移富集的因素、銅礦化富集規(guī)律方面開(kāi)展麻陽(yáng)銅礦銅元素遷移機(jī)制的研究。

1 麻陽(yáng)銅礦地質(zhì)概況

麻陽(yáng)銅礦位于黔桂地洼區(qū)雪峰地穹系沅麻地洼中段的南東側(cè)。礦區(qū)地層包括第三系和白堊系下統(tǒng)。二者呈角度不整合接觸。第三系為一套紫紅色砂礫巖，厚度大于110 米，底部有零星工業(yè)礦體，不整合于白堊系下統(tǒng)之上。白堊系下統(tǒng)為一套濱湖一河口三角洲環(huán)境沉積的碎屑巖。碎屑巖分為三個(gè)巖性組，第一巖組由紫紅色厚層狀粉砂巖夾含礫粗砂巖與磚紅色礫巖層組成；第二巖組為一套礫巖、砂礫巖及礫砂巖層、砂礫巖；第三巖組由泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、砂巖、粗砂巖粉砂質(zhì)泥巖等多種巖性組成的復(fù)雜巖層，期間存在細(xì)砂巖與紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，含礫中-粗砂巖局部夾礫巖透鏡體現(xiàn)象，為含礦層位。

礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造十分發(fā)育，主要為類型為褶皺和斷層，其中，礦區(qū)北部以褶皺為主，由一系列軸向北北東的背、向斜組成。由北往南，含礦巖系逐漸過(guò)渡到向北西傾斜的單斜構(gòu)造。去呢?cái)鄬影醋呦蚍譃镹NE、NE、NNW、NW 和SN 向五組。

礦床中有用礦物以自然銅為主，輝銅礦次之，此生含銅礦物主要由孔雀石、赤銅礦和少量輝銅礦。

2 研究方法

（1）文獻(xiàn)研究：收集整理有關(guān)麻陽(yáng)銅礦的地質(zhì)特征、成礦規(guī)律及不同成因類型的銅礦床、GIS在地質(zhì)地理方面的應(yīng)用研究等相關(guān)研究資料，了解熟悉國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及迄今對(duì)麻陽(yáng)銅礦研究的深度與廣度，為課題的研究提供參考與理論依據(jù)。

（2）樣品測(cè)試分析：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，采集礦區(qū)地層典型巖石標(biāo)本，從礦物組分、顯微鑒定特征及地球化學(xué)特征等方面研究地層、構(gòu)造與成礦的關(guān)系，并探討對(duì)銅元素遷移富集的影響因素，總結(jié)其遷移富集規(guī)律。

（3）GIS 運(yùn)用研究：結(jié)合麻陽(yáng)銅礦現(xiàn)狀，運(yùn)用GIS 軟件繪制其地形地質(zhì)圖，并構(gòu)建麻陽(yáng)銅礦區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)，利用GIS 軟件，提取該區(qū)高程、坡度、坡向等基本地形指標(biāo)的柵格圖層，統(tǒng)計(jì)高程、坡度、坡向等地貌特征，為后期古地理地貌恢復(fù)研究提供對(duì)比參照。

（4）對(duì)比研究：結(jié)合收集資料及其它相關(guān)研究，對(duì)麻陽(yáng)銅礦區(qū)附近的銅礦床及外省個(gè)別典型的銅礦床的地質(zhì)特征、流體包裹體特征、礦床成因等進(jìn)行對(duì)比研究和分析總結(jié)，為麻陽(yáng)銅礦后期的深度與廣度研究提供參考和依據(jù)。

表1 含銅巖石主要造巖礦物及巖屑等組份的平均含量統(tǒng)計(jì)

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 物質(zhì)組份及其特征分析

3.1.1 含銅巖石組分特征

通過(guò)對(duì)采集標(biāo)本的肉眼鑒定、放大觀察及測(cè)試分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)含銅巖石中，非金屬礦物和巖屑組份等非常復(fù)雜，各種組份多達(dá)30 余種(見(jiàn)表1)，其總含量在65%～90%左右。膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)，少數(shù)為接觸式和基底式膠結(jié)。

含銅巖石組份上表現(xiàn)為不穩(wěn)定組份含量高，約占25—33%。其中主要為長(zhǎng)石、板巖類、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和少量灰?guī)r等。因而巖石的成熟度較低。根據(jù)20 個(gè)巖石碎屑組份統(tǒng)計(jì)，絕大部分屬長(zhǎng)石硬砂質(zhì)石英砂巖和石英長(zhǎng)石硬砂巖，其中巖屑總量占20%～40%，平均28%，個(gè)別達(dá)74%。巖石的分選性偏差，據(jù)粒度分析資料的統(tǒng)計(jì)，巖石的分選系數(shù)絕大多數(shù)2-2.345，個(gè)別最大為3.742，極少數(shù)在1.581 以下。砂巖的滾圓度較差，為多棱角到次棱角狀。

含銅巖石粒度范圍很廣，從砂礫巖到微砂巖，均可不同程度的含銅。其中主要為中—粗粒(微含礫)砂巖，其次是中細(xì)粒砂巖、少量巨砂巖和砂礫巖。粉砂巖及其以下粒級(jí)的巖石，則—般不含銅。

3.1.2 地層巖石標(biāo)本顯微特征

本次在研究區(qū)采集了數(shù)塊典型的白堊統(tǒng)、古新統(tǒng)地層巖石標(biāo)本，制成薄片，在偏光顯微鏡鏡下鑒定觀察，其鑒定結(jié)果顯示主要為棕紅色泥質(zhì)粉砂巖，其砂粒以石英為主，次為云母，巖屑極少，膠結(jié)物主要是粘土、鈣質(zhì)和鐵質(zhì)；含礫中-粗砂巖、含礫細(xì)砂巖和細(xì)砂巖,礫石、碎屑成分復(fù)雜,包括石英、長(zhǎng)石、云母等30 余種晶屑以及巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖等各種巖屑，泥質(zhì)含量少,以鈣質(zhì)膠結(jié)為主。部分樣品顯微特征如下：

3.1.3 地球化學(xué)特征

選擇在麻陽(yáng)銅礦區(qū)不同方向斷裂帶處、同一斷裂不同深度部位共選取了10 塊標(biāo)本，對(duì)其進(jìn)行地球化學(xué)分析，分析結(jié)果如下表2 所示。

從上述分析可以看出，和斷層產(chǎn)狀一致、傾向相同的斷裂含Cu 一般高于和礦層傾向相反的斷層或NE 向斷層，可推測(cè)層間華東和順層切割斷層能促使成礦物質(zhì)的活化改造和疊加富集；成礦物質(zhì)和斷裂深度存在一定的關(guān)系，揮發(fā)性元素（As、Sb 等）從淺部向深部明顯減少，Cu 含量由淺部向深部略有增高趨勢(shì)。根據(jù)Zn/Cd 比值推測(cè)，在斷層與礦層相切割部位有成礦物質(zhì)被活化改造的熱流體通過(guò)，造成礦物質(zhì)的局部富集的可能性。

3.2 含銅層巖相特征分析

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)含銅層的巖性特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、古地理位置及毗連巖相類型等多方面資料分析，我們認(rèn)為麻陽(yáng)銅礦含礦巖系是屬河口三角洲環(huán)境沉積，其主要依據(jù)如如下：

（1）據(jù)區(qū)內(nèi)古動(dòng)力及巖性變化等資料分析，該區(qū)是處于河流與湖盆匯合處，沉積物既有河流相的（如淺色層中的沙體），也有淺湖湘的（深色層物質(zhì)）。

（2）含銅層在空間上呈不規(guī)則的扇形槳葉狀；在斷面上表現(xiàn)為透鏡狀，常常一個(gè)含銅層由若干個(gè)透鏡體組成。

（3）含銅層與淺湖相多次交替出現(xiàn)，二者在空間、時(shí)間上均是相變過(guò)渡關(guān)系。在時(shí)間上由巖性粒度較粗的含銅層往上部與粒度較細(xì)的湖相過(guò)渡；在空間上含銅層扇形中心向邊緣粒度逐漸變小，并最后向湖相過(guò)渡。

（4）含銅層的巖石組份較為復(fù)雜，不穩(wěn)定組份含量高，分選性較差。

表2 麻陽(yáng)銅礦含礦斷裂中樣品的地球化學(xué)特征

（5）層理一般不發(fā)育，但在含銅層透鏡體中心部位，常有大型單向斜層理和交錯(cuò)層理，而透鏡體邊緣可見(jiàn)水平層理和小斜層理。

（6）含銅層底部常有小沖刷，特別是在透鏡體的中心沖刷幅度較大，往邊緣或湖心沖刷強(qiáng)度逐漸減弱和消失。

（7）存在分流河環(huán)境，沙體中常含礫石，局部見(jiàn)透鏡狀礫巖層，扁平狀礫石定向排列；含粗碎屑的沙體呈樹(shù)枝狀、線條狀分布；沙體的交錯(cuò)層理等。

根據(jù)巖性特征及與河口相對(duì)距離等，可進(jìn)一步把河口三角洲劃分為三個(gè)亞相，分別為中心亞相（以礫巖、含礫粗砂巖為主）、中間亞相（以含中-粗砂巖為主），邊緣亞相（以中-細(xì)砂巖為主）。根據(jù)巖性和巖性的空間分布以及原生沉積構(gòu)造特征推測(cè)，由于地殼的震蕩運(yùn)動(dòng)和季節(jié)性的水位變化，這個(gè)三角洲的沉積環(huán)境是動(dòng)蕩不定的。當(dāng)湖盆水位上漲，三角洲淹沒(méi)在較深的水下，水動(dòng)力較弱，沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，沉積物以泥質(zhì)、粉砂質(zhì)為主（深色層）；當(dāng)水位下落，三角洲露出水面或接近水面，水動(dòng)力增強(qiáng)，在三角洲上發(fā)育一些分流河，沉積物以砂、礫等碎屑物為主（淺色層），并形成象波痕、泥裂、沖刷面、斜層理等層面構(gòu)造。這種沉積方式的反復(fù)進(jìn)行，就形成了淺色層和深色層相互交替出現(xiàn)的一套含礦巖系。

3.3 高程數(shù)據(jù)三維顯示

圖1 麻陽(yáng)銅礦三維地貌圖

圖2 麻陽(yáng)銅礦格網(wǎng)立體圖

圖3 麻陽(yáng)銅礦現(xiàn)代地貌高程三維圖

數(shù)字高程模型是對(duì)地球表面地形地貌的數(shù)字表達(dá)、模擬?；贛apGIS6.7 提取離散高程數(shù)據(jù)，利用“圖像處理”模塊中的“電子沙盤”，裝入GRD 高程文件，全景顯示實(shí)體模型，添加“光照效果”可以得到高程三維圖（圖1）及格網(wǎng)立體圖（圖2）。用Surfer 軟件也能夠繪制三維圖[4]，其步驟如下：點(diǎn)擊網(wǎng)格菜單，進(jìn)入網(wǎng)格化數(shù)據(jù)對(duì)話框，網(wǎng)格化方法選擇地學(xué)上常用的克里格法，網(wǎng)格間距設(shè)置為30m，生成＊.grd 文件；點(diǎn)選Surface 三維曲面圖命令按鈕，打開(kāi)創(chuàng)建的格網(wǎng)文件，即可生成一個(gè)模擬的三維曲面圖（圖3）。從圖上可以清晰的觀察到麻陽(yáng)銅礦區(qū)現(xiàn)代地形地貌全態(tài)，為后期古地理地貌恢復(fù)研究奠定研究基礎(chǔ)，并提供對(duì)比參照。

4 研究結(jié)論與成果

4.1 分析總結(jié)影響銅元素遷移富集的因素

從物質(zhì)組份及其特征分析、巖相特征分析、古地理環(huán)境推測(cè)等方面可總結(jié)出影響銅元素遷移富集的因素主要包括是礦區(qū)的銅質(zhì)來(lái)源于古老銅礦床；地殼的震蕩運(yùn)動(dòng)為使母巖銅礦床破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積，是形成本礦床的先決條件；古動(dòng)力作用中等時(shí)，礦較好，即水流速度從快到慢的一段時(shí)間內(nèi)(河湖三角洲地段)，才適合銅礦物粒的沉積；炎熱干燥氣候?qū)τ谛纬稍擃愩~礦床是有利的條件；巖石顆粒較粗則礦化較富；礦區(qū)含銅層頂?shù)装鍑鷰r，一般為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖或紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，這對(duì)成巖期的還原改造，起了良好的封閉作用。

4.2 分析總結(jié)銅礦化富集規(guī)律

根據(jù)礦床地質(zhì)特征、控礦因素分析、礦體的空間分布以及礦化與巖、構(gòu)造的關(guān)系分析等,該礦床的礦化富集規(guī)律可歸納為以下幾點(diǎn)：礦化集中于河口三角洲分流河的河道上；在分流河分枝的部位,常形成較好的礦化；礦化常富集于古沖刷面上；層理較發(fā)育的細(xì)砂巖或含礫中--細(xì)砂巖,也可形成較好的礦化；夾于紫紅色泥質(zhì)巖層中的薄層狀細(xì)礦巖常出現(xiàn)特高品位的銅礦化；位于粗砂巖中的細(xì)砂巖透鏡體,有時(shí)可形成特高品位的銅礦化；構(gòu)造背斜傾伏端及其兩側(cè)有分流河道存在，常在河道上形成工業(yè)礦體；向斜核部或含礦層作微凹的地段，也是地下水聚集,作緩慢循環(huán)的部位，常形成工業(yè)礦體；斷層與淺色層(含礦層)交切、且淺色層向斷層作緩斜的地段往往具較好的礦化；斷層順淺色層產(chǎn)出,在斷層的兩側(cè)礦化較富集；在淺色層產(chǎn)由陡變緩的地段，一般形成較好的礦化；在礦體內(nèi)或礦體附近的斷層中,?？梢?jiàn)到自然銅呈片狀、樹(shù)枝狀沿?cái)鄬用娉涮睢?/p>

4.3 初步建立麻陽(yáng)銅礦現(xiàn)代地貌數(shù)字高程模型

通過(guò)構(gòu)建麻陽(yáng)銅礦地區(qū)的數(shù)字高程模型（DEM），在一定程度上，為古地理環(huán)境恢復(fù)研究奠定基礎(chǔ)，并提供參照對(duì)比模型。在后期研究中可結(jié)合從各個(gè)探井點(diǎn)或剖面上采集到的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，地層厚度、砂礫巖的顆粒含量、水動(dòng)力影響因子等，運(yùn)用GIS 技術(shù)，以其方便快捷的多源數(shù)據(jù)采集與輸入功能、強(qiáng)大的地圖編輯與空間數(shù)據(jù)管理功能、獨(dú)特的多種空間分析方法，以及直觀的圖形和屬性數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)方法推測(cè)構(gòu)建古地理地貌，從而追溯銅元素的遷移富集歷史與軌跡。