低密度地球化學填圖在熱帶雨林區(qū)的適用性探索：以印度尼西亞蘇門答臘島巴東明古魯?shù)貐^(qū)為例

程 湘，胡 鵬*，戰(zhàn)明國，潘羅忠，戴 昱，潘貝紅

1. 中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205；

2. 廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，南寧 530023；

3. 中國東盟地學合作中心(南寧)，南寧 530023；

4. 廣西壯族自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院，桂林 450304

1:5 萬和1:25 萬區(qū)域地球化學填圖在礦產(chǎn)勘查界被公認為是一種有效的和應用廣泛的找礦技術(shù)，20 世紀七八十年代許多國家都實施了這種類型的地球化學填圖工作。這種方法對于局部小范圍找礦非常實用，但是當面積上升到國家或者全球尺度，其經(jīng)濟適用性及效率會大大降低（Xie and Cheng,1997；Smith and Reimann, 2008；Zhao et al., 2014）。低密度地球化學填圖有效的解決了這一問題，通過大面積低密度普查，發(fā)現(xiàn)區(qū)域異常，然后在其內(nèi)部圈定局部異常直接找礦，從而降低風險并節(jié)約成本（施俊法，1999；王學求等，2005；謝學錦，2008）。同時該方法在環(huán)境評價領(lǐng)域的應用也很廣泛，中國、歐洲、美國等已初步建立了覆蓋本國的地球化學基準網(wǎng)來研究未來全球的化學變化（王學求，2013）。自20 世紀六十年代在非洲實施第一個低密度地球化學填圖（1 個樣/200 km2）計劃開始（Garrett and Nichol, 1967），這種方法在歐洲（挪威1 個樣/460 km2，芬蘭1 個樣/300 km2，德國1 個樣/380 km2，葡萄牙1 個樣/100 km2）、北美（1 個樣/1600 km2）、澳大利亞（1 個樣/550 km2）等地迅速推廣，取得了一系列顯著成果（Armour and Nichol,1970；Koljonen, 1992；Ottesen et al., 2000；Ferreira et al., 2001；Smith et al., 2013；Birke et al., 2015）。 中國近30 年來在中蒙邊界、中哈邊界、東天山、黑龍江等地也相繼開展了1:100 萬低密度地球化學填圖工作（王學求，2001，2013；程志忠等，2005；Wang et al., 2007；張必敏，2008；Tian et al., 2018），不僅解決了森林沼澤、荒漠戈壁等特殊景觀區(qū)地球化學填圖的難題，還圈定了一批已知的礦床，并發(fā)現(xiàn)新的成礦遠景區(qū)（王學求等，2006，2007）。

盡管低密度地球化學填圖有許多成功的案例，但是在科學界仍然有人質(zhì)疑其準確性，認為如此低的采樣密度所生成的地球化學圖是不可靠的，如果在相同地點重新采樣、重新制圖會得到不同的地球化學模式（Smith and Reimann, 2008）。為了驗證低密度地球化學填圖的可靠性與適用性，地球化學家們對比了中國、德國、芬蘭、津巴布韋等不同國家不同尺度地球化學填圖結(jié)果，發(fā)現(xiàn)低密度和高密度調(diào)查所生成的地球化學圖在形態(tài)和變化趨勢上非常類似，證明了低密度地球化學填圖也能獲得穩(wěn)定的、可追索的地球化學模式（Xie and Cheng, 1997；王學求等，2005；Reimann et al.,2007；Smith and Reimann, 2008；Zhao et al., 2014；Birke et al., 2015）。目前，這種對比研究涉及熱帶草原、荒漠戈壁、平原丘陵等不同景觀區(qū)，但是在熱帶雨林區(qū)還未進行過類似的對比研究工作。在當前“一帶一路”背景下，低密度地球化學填圖作為地質(zhì)調(diào)查國際合作一項重要內(nèi)容，將會在越來越多的國家推廣實施，其中不乏熱帶雨林區(qū)。如果在熱帶雨林區(qū)也能取得良好的效果，將會為該技術(shù)在全球的推廣提供更多的借鑒意義。

印度尼西亞蘇門答臘島屬典型的熱帶雨林區(qū)，中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心于2011～2014年度在該島巴東—明古魯?shù)貐^(qū)完成了面積約125000 km2的1:25 萬區(qū)域地球化學填圖（1 個樣/4 km2），2016～2018 年度實施了覆蓋全島的1:100萬低密度地球化學填圖工作（1 個樣/100 km2）。本文試圖通過對比巴東—明古魯?shù)貐^(qū)這兩種不同尺度地球化學填圖結(jié)果，探索低密度地球化學填圖在熱帶雨林區(qū)的適用性。

1 地質(zhì)礦產(chǎn)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

蘇門答臘島位于印度尼西亞北西緣，構(gòu)造上處于歐亞板塊與印度—澳大利亞板塊碰撞過渡部位，受晚白堊紀以來俯沖作用的影響，發(fā)育典型的溝—弧—盆構(gòu)造格架，并形成貫穿全島北西—南東向蘇門答臘大斷裂（張海坤等，2017）。

研究區(qū)位于蘇門答臘島中部，出露地層主要為第四紀沉積巖、火山巖，新近紀—第四紀火山及侵入變質(zhì)巖，古近紀和新近紀花崗巖、火山及侵入變質(zhì)巖，第四紀河流沖積層（Qal）主要沿較大河流洪泛平原分布（圖1）。研究區(qū)沉積巖以古近紀、新近紀和第四紀為主，包括Palembang 組、Ombilin組、Brani 組等，巖性主要為一套粘土巖、砂巖、礫巖等碎屑巖，局部夾煤層，主要分布在研究區(qū)中北部。變質(zhì)巖主要為三疊紀Tuhur 組（Tts）和二疊紀Kuantan 組（Pck），集中分布在研究區(qū)中部和北部，其中Tuhur 組主要巖石為板巖、頁巖夾薄層變質(zhì)雜砂巖，Kuantan 組主要包括頁巖、千枚巖、板巖、石英巖等變質(zhì)巖?；鹕綆r與侵入巖在區(qū)內(nèi)廣泛分布，在南部較為集中，主要為凝灰?guī)r（Qpt）、安山巖（Qatg）、花崗巖（Jgr、Kgr、Ngr）、石英斑巖（Qp）以及一些未分異的熔巖（Qyl）及火山噴發(fā)物（QNau）。

1.2 區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)概況

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig. 1 The simplified geological map of the study area in Sumatra, Indonesia

研究區(qū)位于蘇門答臘銅、金、鉛、鋅、鐵成礦帶上，主要礦種為銅、鐵、金（包括砂金）、銀、鉛鋅等。礦床類型主要分三大類：接觸變質(zhì)型、低溫熱液型與沉積變質(zhì)型。接觸變質(zhì)型礦床主要為與矽卡巖有關(guān)的銅、銅金礦床；低溫熱液型礦床主要為銅、鉛鋅礦床；而沉積變質(zhì)型礦床則以鐵礦為主。礦產(chǎn)資源的形成和分布嚴格受巖漿活動及褶皺斷裂構(gòu)造的控制。

2 研究方法

2.1 野外采樣

巴東—明古魯?shù)貐^(qū)1:25 萬地球化學填圖以1:5 萬地形圖為野外工作手圖，以水系沉積物作為采樣介質(zhì)，采樣密度為1 點/4 km2，但在自然保護區(qū)、私人領(lǐng)地等難以進入地區(qū)采樣密度放低到1點/16 km2以下，采樣點主要布置在二級水系及三級水系上游地段。經(jīng)與印尼方協(xié)商，采樣粒級定為-60 目，樣品重量過篩后大于150 g。共采集水系沉積物樣品5145 個，含重復樣174 個，覆蓋面積約125 000 km2（圖2）。

1 :100 萬低密度地球化學填圖覆蓋整個蘇門答臘島，以1:25 萬地形圖為野外工作手圖。巴東—明古魯?shù)貐^(qū)位于山區(qū)，該區(qū)域仍以水系沉積物作為采樣介質(zhì)，采樣密度為1 點/100 km2，難以進入地區(qū)采樣密度放低到1:250 萬到1:500 萬，采樣粒級為-10 目，樣品重量過篩后大于1 kg。共采集水系沉積物樣品141 個，含重復樣9 個。

2.2 實驗室分析

兩種不同尺度地球化學樣品分析測試工作均由湖北省地質(zhì)試驗測試中心承擔。該中心技術(shù)力量強、儀器設備先進，多年來承擔國內(nèi)外項目化探樣品的分析測試工作，獲得的數(shù)據(jù)比較可靠。

圖2 研究區(qū)采樣點位圖Fig. 2 The geochemical sampling location map of the study area

樣品在送到實驗室分析測試前先進行樣品加工，待樣品烘干及殺菌工作完成之后，將樣品粉碎至-200 目粒度送至實驗室分析（1:25 萬80 g，1:100 萬250 g）。每50 個樣品中插入4 個標樣和1 個重復樣，對分析質(zhì)量進行監(jiān)控。實驗室以X射線熒光光譜法（XRF）、全譜直讀光譜法（ICPOES）、等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）為主，輔以原子熒光法（AFS）、離子電極法（ISE）、催化極譜法（POL）、發(fā)射光譜法（ES）等其它方法，對樣品分析測試，其中1:25 萬水系沉積物樣品分析40 種元素，1 :100 萬水系沉積物樣品分析69 種元素，每種元素分析方法及檢出限見表1。由于分析方法的檢出限不僅與儀器本身有關(guān)，還受樣品測試過程中取樣量等因素的影響，而1:100 萬和1:25 萬兩種不同尺度地球化學填圖樣品測試所需要的樣品量是不同的，因此相同的測試方法很多元素的檢出限有區(qū)別。

2.3 數(shù)據(jù)處理及制圖

兩種不同尺度地球化學填圖的數(shù)據(jù)處理及圖件編制均采用MapGIS 6.7 和GeoExpl（international）軟件，其中MapGIS6.7 軟件用于制作地理底圖，GeoExpl（international）軟件用于生成地球化學圖。在GeoExpl 中用克里格法對原始數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，計算模型采用指數(shù)加權(quán)模型，其中數(shù)據(jù)搜索模式采用圓域搜索，搜索半徑為網(wǎng)格單元間距的2.5 倍（1:25 萬網(wǎng)格間距為2 km×2 km，1:100萬網(wǎng)格間距為10 km×10 km）。根據(jù)以上方法對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理后在GeoExpl 軟件中以等值線圖生成地球化學圖，在等值線過密區(qū)進行適當?shù)某橄?，稀疏區(qū)進行內(nèi)插加密。根據(jù)國際地球化學填圖技術(shù)要求，地球化學圖的編制采用累積頻率的分級方法按累積頻率2.5、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、75、80、85、90、95、97.5（%）所對應的含量劃分成18 級。1:25 萬地球化學填圖共編制40 種元素地球化學圖，1:100 萬地球化學填圖共編制69 種元素地球化學圖。

3 結(jié)果和討論

3.1 不同采樣密度的元素背景值對比

該區(qū)1:100 萬和1:25 萬地球化學填圖所獲得的元素背景參數(shù)見表2。元素背景值是指無礦化介質(zhì)加入的情況下的元素的正常含量分布，在計算時采用迭代法將連續(xù)剔除大于平均值加3 倍標準偏差后的數(shù)據(jù)平均值作為元素背景值。

選取Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Fe、Ni 這七種研究區(qū)比較典型的成礦元素制作箱線圖對1:100 萬和1:25 萬這兩種不同尺度地球化學填圖獲得的地球化學數(shù)據(jù)進行對比（圖3）。由圖3 可以看出，由1:25萬地球化學填圖獲得的這七種元素含量的最大值比由1:100 萬地球化學填圖獲得的元素含量最大值要大，除Au 元素外，由1:25 萬地球化學填圖獲得的元素含量的最小值比由1:100 萬地球化學填圖獲得的元素含量最小值要小，但是它們的上四分位數(shù)、下四分位數(shù)和中位數(shù)卻非常接近。因此可以認為，巴東—明古魯?shù)貐^(qū)兩種不同尺度的地球化學填圖盡管采樣密度和樣品個數(shù)不一致，但是元素的背景值和中位數(shù)非常接近，均可以代表工作區(qū)元素含量分布的平均水平。只不過1:25 萬地球化學填圖獲得的數(shù)據(jù)范圍更寬，即最小值更小，最大值更大，這是由于元素分布的不均勻性造成的，采樣密度越大，其數(shù)據(jù)的離散程度也會越大，細節(jié)的刻畫也會更具體，通過加密采樣來追蹤礦化體也正是利用了這一原理。另一方面也證明了這兩種不同尺度的地球化學填圖從野外采樣到室內(nèi)分析測試的全過程均具備一定可靠性。

3.2 兩種不同類型地球化學填圖結(jié)果對比

3.2.1 研究區(qū)礦產(chǎn)、地質(zhì)體的分布以及與元素異常的關(guān)系

研究區(qū)位于蘇門答臘銅金鉛鋅鐵成礦帶上，發(fā)育大量接觸變質(zhì)型、淺成低溫熱液型與沉積變質(zhì)型礦床，這些礦床多數(shù)與石炭紀Kuantan 組地層以及侏羅紀花崗質(zhì)侵入體相關(guān)。石炭紀Kuantan 組地層為研究區(qū)內(nèi)最古老的地層，形成了研究區(qū)的變質(zhì)沉積基底，呈北西—南東向分布，主要出露在研究區(qū)中部地區(qū)和東北部地區(qū)，巖性主要為泥巖、砂巖、灰?guī)r和淺變質(zhì)的千枚巖、板巖、石英巖等，為大陸架型淺海沉積。研究區(qū)中部的該組地層發(fā)育較多北西—南東向斷裂構(gòu)造，目前在其中已發(fā)現(xiàn)大量淺成低溫熱液型鉛銅鉛鋅礦床和多金屬礦床。1:100 萬地球化學填圖和1:25 萬地球化學填圖在該片區(qū)域均圈出多個Cu、Pb、Zn 異常，呈北西—南東向展布，且套合較好，與該區(qū)Kuantan 組地層具有良好的對應關(guān)系。而研究區(qū)東北部雖然也發(fā)育有Kuantan 組地層，但是由于缺乏構(gòu)造活動，在該片區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)具規(guī)模的銅鉛鋅礦床。

表1 兩種不同尺度地球化學填圖元素分析方法及檢出限Table 1 The analytical methods and detection limits of the two different sampling densities

研究區(qū)中北部地區(qū)發(fā)育較多侏羅世花崗質(zhì)侵入體，該侵入體可能與Sulit Air 深成巖套有關(guān)，呈北西—南東向展布，與區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷裂構(gòu)造方向一致。目前在該片區(qū)域已發(fā)現(xiàn)大量矽卡巖型銅礦床、銅金礦床，尤其在Sulit Air 地區(qū)不到300 km2的面積上，有十多個礦床點集中出現(xiàn)。1:100 萬地球化學填圖和1:25 萬地球化學填圖在該片區(qū)域圈出多個Au、Cu 異常，異常呈橢圓狀，具多個濃集中心，與該片區(qū)域侏羅紀花崗質(zhì)侵入體、金礦點的分布對應良好。在研究區(qū)東南部發(fā)育較多侏羅紀花崗巖，同時也存在較多斷裂構(gòu)造，兩種不同尺度地球化學填圖均圈出了Cu、Au 異常，由于該區(qū)研究程度較低，僅發(fā)現(xiàn)少量小規(guī)模Cu、Au 礦點，因此該片區(qū)域具備發(fā)現(xiàn)矽卡巖型銅金礦床的潛力。

表2 兩種不同尺度地球化學填圖獲得的地球化學背景參數(shù)對比Table 2 Comparison of the geochemical parameters obtained by the two different sampling densities

基于以上研究，認為地球化學異常與礦點和地質(zhì)體的分布有較好的對應關(guān)系，因此1:100 萬和1:25 萬地球化學填圖所圈出的異常均能真實地反映研究區(qū)成礦元素的分布情況。

3.2.2 兩種不同類型的地球化學填圖獲得的地球化學模式對比

圖3 兩種不同采樣密度獲得的地球化學數(shù)據(jù)箱線圖對比Fig. 3 The comparison of the boxplots obtained by the two different sampling densities

選擇蘇門答臘島巴東—明古魯?shù)貐^(qū)Au、Ag、Cu、Zn、Ni 這五種代表性元素進行兩種不同尺度地球化學圖結(jié)果進行對比研究，其地球化學模式對比分別見圖4—8。

從圖4—圖8 可以看出，1:100 萬低密度地球化學填圖（1 個樣/100 km2）和1:25 萬地球化學填圖（1 個樣/4 km2）所獲得的地球化學圖在形態(tài)和變化趨勢上非常類似，濃集中心的位置也較為重合，尤其是Au、Zn、Ni 這三種元素，濃集中心幾乎完全重合，但是Ag 和Cu 卻稍有偏差，這是因為1:100 萬地球化學填圖的采樣密度偏稀，造成元素在沿水系分散過程中異常發(fā)生偏移。1:100 萬低密度地球化學填圖所圈定的多為地球化學省以上的異常，將若干區(qū)域異常連成一片，而1:25 萬地球化學填圖則是將地球化學省分解成了若干區(qū)域異常，且區(qū)域異常細節(jié)更為清晰，局部一些小的區(qū)域異常也能反映出來。這與前人在平原丘陵、熱帶草原、荒漠戈壁區(qū)的研究結(jié)果非常類似（Xie and Cheng, 1997 ； 王 學 求 等，2005 ；Reimann et al., 2007 ；Smith and Reimann, 2008 ；Zhao et al., 2014；Birke et al., 2015），因此認為1:100萬低密度地球化學填圖在熱帶雨林區(qū)也能獲得穩(wěn)定的、可追溯的地球化學模式。

圖4 兩種不同采樣密度獲得的Au地球化學圖對比Fig. 4 The comparison of Au geochemical maps obtained by the two different sampling densities

圖5 兩種不同采樣密度獲得的Ag地球化學圖對比Fig. 5 The comparison of Ag geochemical maps obtained by the two different sampling densities

圖6 兩種不同采樣密度獲得的Cu地球化學圖對比Fig. 6 The comparison of Cu geochemical maps obtained by the two different sampling densities

以上事實說明1:100 萬低密度地球化學填圖在熱帶雨林區(qū)也能有效的圈定成礦帶或礦集區(qū)所形成的大規(guī)模地球化學異常。盡管異常細節(jié)不如1:25 萬地球化學圖清晰，但是卻是一種快速、低成本圈定大規(guī)模地球化學異常的填圖方法，能為后期的礦產(chǎn)勘查工作指明方向，降低勘查風險。

4 結(jié)論

圖7 兩種不同采樣密度獲得的Zn地球化學圖對比Fig. 7 The comparison of Zn geochemical maps obtained by the two different sampling densities

圖8 兩種不同采樣密度獲得的Ni地球化學圖對比Fig. 8 The comparison of Ni geochemical maps obtained by the two different sampling densities

（1）使用1 個樣/100 km2和1 個樣/4 km2這兩種不同采樣密度的地球化學填圖獲得的元素背景值和中位數(shù)非常接近，證明了不同尺度的地球化學填圖均可以獲得調(diào)查區(qū)內(nèi)元素分布的總體含量水平，所采集的樣品具有代表性，分析技術(shù)是可靠的。

（2）研究區(qū)1:100 萬低密度地球化學填圖和1:25 萬地球化學填圖所圈定的地球化學省在形態(tài)和變化趨勢上非常類似，濃集中心的位置基本重合，表明這兩種不同尺度的地球化學填圖均可獲得穩(wěn)定的和可追溯的地球化學模式。

（3）研究區(qū)兩種不同尺度地球化學填圖的對比研究結(jié)果與熱帶草原、平原丘陵、荒漠戈壁等景觀區(qū)非常類似，證明低密度地球化學填圖這種工作方法在熱帶雨林區(qū)是適用的，助力了該方法在全球的推廣。

（4）低密度地球化學填圖能圈定地球化學省規(guī)模以上的異常（前提是研究區(qū)內(nèi)存在大規(guī)模的地球化學異常），在這些異常區(qū)內(nèi)開展大比例尺的地球化學填圖工作，圈定局部異常直接找礦，從而降低企業(yè)勘查投資風險。

致謝：本文在寫作過程中得到了劉江濤博士、趙凱博士、姜軍勝博士、白楊工程師的幫助，張海坤、曹亮、劉阿睢、趙辭、向劍橋等高級工程師在野外采樣過程中給予了指導，在此表示衷心的感謝！