地質(zhì)內(nèi)涵法在化探礦化信息提取中的應(yīng)用探討
——以山東五井-悅莊一帶為例

武斌，張海瑞，聶佩孝，徐友松，張洪濱，史國萍

(1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021；2.山東省海岸帶地質(zhì)研究中心，山東 濰坊 261021；3.山東省國土測繪院，山東 濟南 250000)

0 引言

勘查地球化學(xué)找礦方法作為礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中最主要的找礦手段，長期以來為區(qū)域地質(zhì)找礦提供主要的找礦依據(jù)，對礦產(chǎn)資源勘查發(fā)揮了重要作用[1]。傳統(tǒng)方法由于化探數(shù)據(jù)處理之后，利用化探數(shù)據(jù)的高低或結(jié)構(gòu)特征來圈定異常，然后對化探異常進行評價，所以異常評價存在明顯的主觀性，異常評價過程主要受評價者專業(yè)基礎(chǔ)和對工作區(qū)地質(zhì)條件掌握程度等人為因素影響，很可能導(dǎo)致對高背景下的大范圍的外帶異常和可能具有找礦前景的隱伏低緩異常的遺漏[2]。深入挖掘勘查地球化學(xué)數(shù)據(jù)隱藏的成礦信息，強調(diào)成礦作用與地球化學(xué)信息的關(guān)聯(lián)性，如何定性、定量地對異常進行客觀的綜合評價，消除異常評價的多解性問題，是化探數(shù)據(jù)處理的前沿課題[3]。傳統(tǒng)的化探成果圖包括地球化學(xué)圖、地球化學(xué)元素異常圖、綜合異常圖、組合異常圖、異常元素剖析圖。在前人化探數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，本文運用一種新的化探成果表達方式，從化探數(shù)據(jù)代表的地質(zhì)意義出發(fā)，強調(diào)變量之間的相互關(guān)系[4]，利用成礦類型異常圖和成礦強度異常圖來直觀的表達和評價區(qū)內(nèi)的主要礦產(chǎn)的成礦潛力。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北板塊魯西隆起區(qū)魯中隆起沂山-臨朐斷隆之沂山凸起與魯山-鄒平斷隆之博山凸起、魯山凸起的相毗鄰地帶[5]，中心部位為嵩山復(fù)式雜巖體(圖1)，外圍出露新太古代及中生代中酸性侵入體和寒武紀、奧陶紀地層，斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動頻繁。研究區(qū)內(nèi)各時代地層發(fā)育較齊全，包括古生代長清群、九龍群、馬家溝群、月門溝群，中生代淄博群、萊陽群、青山群，新生代官莊群及新生代第四系。

1—第四系；2—白堊系；3—侏羅系；4—二疊系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武系；8—蒼山序列侵入巖；9—沂南序列侵入巖；10—傲俫山序列侵入巖；11—推斷斷裂；12—實測斷裂；13—不整合接觸界線；14—嵩山褶皺穹隆圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖

構(gòu)造較發(fā)育，斷裂構(gòu)造以脆性斷裂為主，褶皺次之。脆性斷裂按展布方向劃分，主要有NW向、NE向、近EW向、近SN向4組，構(gòu)成研究區(qū)“米”字型斷裂構(gòu)造格架，均為燕山運動以來的產(chǎn)物(1)山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東省1∶5萬五井幅、悅莊幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告，1992年。；區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的褶皺構(gòu)造是由中生代巖體侵位于寒武紀地層形成的穹窿構(gòu)造--嵩山穹窿，位于研究區(qū)中部五井斷裂以東的嵩山周圍，穹窿核部為嵩山雜巖體，四周的寒武紀地層層理產(chǎn)狀向四周傾斜，為中生代巖體就位時向周邊推擠圍巖所形成。

2 樣品采集及分析測試

2.1 樣品采集

研究區(qū)地球化學(xué)景觀分區(qū)為低山丘陵區(qū)，沿斷裂、裂隙等發(fā)育的溝谷切割較深，風化剝蝕強烈，多為干涸季節(jié)性河流，是粗粒碎屑主要供給源，化探樣品均為水系沉積物樣品，采樣點密度為4.32點/km2，共采集樣品3583件，其中重復(fù)樣品79件。采樣介質(zhì)為代表匯水域基巖成分的細沙、粉砂等物質(zhì)成分，采樣粒度采用-60目粒級；重復(fù)樣采集由不同同組人員或質(zhì)量檢查人員在同點不同時采集，用來衡量采樣誤差。按《地球化學(xué)普查規(guī)范(1∶50000)》(DZ/T0011—2015)的要求，本次重復(fù)采樣數(shù)占全區(qū)總采樣數(shù)的2.3%，五井幅內(nèi)38件，悅莊幅內(nèi)41件，重復(fù)樣點都均勻分布在研究區(qū)內(nèi)。具體樣品采集情況見表1。

表1 樣品采集情況一覽表

2.2 樣品制備

樣品加工前在小于60℃恒溫箱內(nèi)進行充分烘干，并在實驗室進行細碎加工，為防止樣品污染，采用無污染的磨樣機進行加工，樣品的加工場所進行嚴格隔離；樣品細碎加工的粒度為-0.074mm(200目)。符合粒度要求的樣品重量均不少于加工前樣品重量的90%，為保證加工粒度要求，質(zhì)量檢查人員每天在已加工好的樣品中隨機抽出一定的樣品用不銹鋼篩過篩，達到90%的樣品通過-0.074mm(200目)。

2.3 分析方法

根據(jù)研究區(qū)的區(qū)域地球化學(xué)特征，結(jié)合成礦地質(zhì)條件及近年化探普查元素分析項目的執(zhí)行情況，本次研究確定的分析元素為Au，Ag，Cu，Pb，Zn，As，Sb，Hg，W，Sn，Bi，Mo，Ni，Co，Cr，V，Ti，Mn 18種元素，元素的測試分析方法如下：Au元素為化學(xué)光譜法，Ag元素為光譜深孔電極法，As，Sb，Hg元素為原子熒光法，Bi，Cu，Pb，Zn，Mo，W，Mn，Cr，Co，Ni，Sn，Ti，V元素為電感耦合等離子體質(zhì)譜法。

樣品測試通過重復(fù)樣、二級標樣等進行控制，經(jīng)監(jiān)控測試元素的報出率均為92.36%大于90%，二級標樣精密度合格率為98.48%大于98%，金合格率為93.54%大于90%，內(nèi)檢分析、異常點檢查和密碼抽查結(jié)果的合格率為95.74%大于90%，樣品分析結(jié)果均合格可靠。

3 確定異常下限

區(qū)內(nèi)各化探元素數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布[6]，在此基礎(chǔ)上確定了研究區(qū)的異常下限(表2)，異常下限為平均值加兩倍的標準離差求得。

表2 各元素化探特征值一覽表

續(xù)表2 各元素化探特征值一覽表

本次研究以地質(zhì)時代和巖性特征為基礎(chǔ)，劃分地質(zhì)子區(qū)[7]，統(tǒng)計各子區(qū)元素特征值(表3)。全區(qū)劃分為4個地質(zhì)子區(qū)，分別是寒武-奧陶系、第四系，新太古代基底花崗巖類，中生代侵入巖。各子區(qū)所包含的地質(zhì)體巖性為:第四系主要巖性為黏土、泥質(zhì)砂巖、砂巖等沉積物；寒武系包括長清群、九龍群，主要巖性為泥巖、砂巖、灰?guī)r、白云巖等，奧陶系包括九龍群和馬家溝群，主要巖性為灰?guī)r、白云巖等；新太古代基底花崗巖類地質(zhì)子區(qū)包括新太古代傲徠山序列花崗巖、萬山莊序列變質(zhì)巖；中生代侵入巖地質(zhì)子區(qū)包括沂南序列和蒼山序列，其中沂南序列巖性為閃長巖、二長閃長玢巖、石英閃長玢巖，蒼山序列巖性為二長斑巖、石英閃長玢巖。

4 討論

4.1 成礦元素組合分類

成礦元素之間的組合關(guān)系，揭示區(qū)內(nèi)經(jīng)歷的主要成礦地質(zhì)作用，可以較大程度的反映不同成礦類型的存在，亦可反映地質(zhì)背景、構(gòu)造環(huán)境、成礦規(guī)律等地質(zhì)特征，因此科學(xué)合理的對成礦元素組合分類進行分析，并提取有用的礦化指示信息對成礦預(yù)測起著至關(guān)重要的作用[8]。本次研究運用SPSS數(shù)據(jù)處理軟件，結(jié)合區(qū)內(nèi)實際地質(zhì)概況和不同類型礦床的元素組合分類特征，采用R型聚類分析法(圖2)和主成分因子分析法，對大量的化探數(shù)據(jù)原始變量進行相關(guān)性分析[9]，利用各類成礦元素的組合特征來表達客觀的地質(zhì)成礦類型(表3、表4)。

表4 因子解釋總方差一覽表

圖2 R型聚類分析譜系圖(平方歐式距離組間平均連接)

表3 因子載荷矩陣正交旋轉(zhuǎn)載荷一覽表

研究區(qū)內(nèi)已有鐵寨、李季等比較成熟的礦產(chǎn)地，其金銅多金屬礦床類型以斑巖-矽卡巖接觸交代型為主[10]，故本次首先選取斑巖-矽卡巖型礦床類型的異常值進行分析研究，區(qū)內(nèi)的矽卡巖型接觸交代礦床與中生代燕山期侵入雜巖關(guān)系密切，故本次主要針對斑巖-矽卡巖型和淺成低溫熱型多金屬礦開展成礦強度評價工作。首先對區(qū)內(nèi)的化探數(shù)據(jù)進行元素相關(guān)性分析，運用的方法為R型聚類分析[11-13]和因子分析。其中R型聚類分析利用平方歐氏距離的標準化得分進行各元素組間平均連接，求得各類元素間的譜系圖(圖2)，然后按標準化得分小于16，得到四組元素組合類簇(元素組合大于1種)，分別為Ⅰ類簇為Ni，Cr，V，Ti，Co；Ⅱ類簇為Au，Cu；Ⅲ類簇為Pb，Zn，Ag，Mo；Ⅳ類簇為Sb，As。

因子分析利用主成分分析法對因子載荷矩陣進行正交旋轉(zhuǎn)，變量選擇取值在0.4以上的可以將其看作能夠具有明顯成因聯(lián)系的元素組合。通過計算，可以得出累計方差貢獻率為57.84%，并在旋轉(zhuǎn)矩陣中根據(jù)主要載荷元素得出因子結(jié)構(gòu)式，F(xiàn)1成分對應(yīng)元素組合為Cr，Ni，Co，V，F(xiàn)2成分對應(yīng)元素組合為Pb，Sb，Zn，As，F(xiàn)3成分對應(yīng)元素組合為Au，Cu，Ag，Mo，W，F(xiàn)4成分對應(yīng)元素組合為Bi，Mn，Ti。

斑巖-矽卡巖礦床系統(tǒng)中各類元素與成礦巖體的親疏關(guān)系是不同的，受其地球化學(xué)性質(zhì)影響，普遍存在元素分帶。W，Cu元素相對來說較親巖體[14]，一般來說在成礦巖體近端和成礦巖體中富集成礦；Au元素既可以在巖體中和巖體近端富集，又可在巖體末端富集；而Hg，Sb，As，Pb，Zn等元素則一般在巖體的遠端富集[15]；本次分析測試的元素中Cr，Ni，Co，V，Ti，Mn，Bi元素均為基性—超基性類巖體富集元素[16-17](圖3)。

圖3 斑巖-矽卡巖系統(tǒng)成礦元素分帶特征圖[17]

通過R型聚類分析、因子分析和各元素與地質(zhì)成礦條件的對應(yīng)關(guān)系[18]，本次研究按照不同礦床類型所對應(yīng)的元素組合類型將18種分析測試元素分為6類，其中大于兩種元素個數(shù)的組合分為4類，具體如下：第一類，Cr，Ni，Co，V，該類為基性元素組合；第二類，Pb，Sb，Zn，As，為斑巖-矽卡巖礦床低溫遠端富集成礦元素；第三類，Au，Cu，Ag，Mo，W，該類元素為親巖體的高溫近端元素；第四類，Bi，Mn，Ti為基性元素特征組合，其組合類型根據(jù)聚類分析和因子分析結(jié)果劃分。

4.2 礦床類型異常

礦床類型異常值其本質(zhì)就是利用與不同礦床或是不同地質(zhì)體相關(guān)的成礦指示元素[19]和環(huán)境指示元素的富集程度進行定量評價，從而客觀的反映出不同類型礦床的成礦異常強度，其基礎(chǔ)是指示元素的組合分類特征及其分類的置信度。

礦床類型異常值圈定代表礦床類型成礦的異常圖主要用到以下表達式：

式中：Ad—礦床類型異常值，n—元素個數(shù)，Ci—某元素礦集系數(shù)，xi—某個采樣點中第i種元素含量，Ti—某子區(qū)內(nèi)第i種元素的異常下限，m—某地質(zhì)子區(qū)內(nèi)采樣點個數(shù)。

n的選取原則可分以下3種情況：①該類型礦床相關(guān)的指示元素(包括成礦指示元素和環(huán)境指示元素)；②主成礦元素和只與該類型礦床相關(guān)的指示元素；③所有與該類型礦床相關(guān)元素；

斑巖-矽卡巖金銅多金屬礦床類型異常的圈定，n選取Au，Cu，Ag，Mo，W五種組合元素，最終求得該類礦床異常圖如圖4A所示，該類金銅多金屬成礦的高大全異常主要沿NW向的九山斷裂斷續(xù)分布，區(qū)內(nèi)九山斷裂最北端的異常具有兩處濃集中心，分別位于鐵寨和李季，而上述兩者也正是鐵寨金銅礦床所在位置，這也揭示了該類礦床類型異常圈定模型具有較高的置信度；區(qū)內(nèi)九山斷裂中段異常位于NE，NW，NWW向斷裂交會處，該異常亦有兩處濃集中心，其中一處位于寺頭村附近，另一處濃集中心位于呂匣附近，呂匣附近的濃集中心的強度值為研究區(qū)內(nèi)的最高值，顯示出其具有較好的斑巖-矽卡巖成礦潛力，但在此處目前為止未有發(fā)現(xiàn)的金銅多金屬礦(化)點與之相對應(yīng)，故可以作為后期找礦勘查的重點；區(qū)內(nèi)九山斷裂南段異常位于下洋河附近，該處異常規(guī)模雖然相對較小，但其亦具有兩級濃度分帶，顯示出該處具有一定找礦潛力。

斑巖-矽卡巖鉛鋅多金屬礦床類型異常的圈定，n選取Pb，Zn，Sb，As四種組合元素，最終求得該類礦床異常圖(圖4B)，該類鉛鋅多金屬成礦的異常分為兩類，一類沿北西向九山斷裂的兩側(cè)分布，且與九山斷裂的垂向距離具有等距性特點，另一類沿區(qū)內(nèi)南部的前寒武紀花崗巖類基底與古生代蓋層的不整合面呈近東西向的波狀分布，淺成低溫熱液礦化元素沿成礦結(jié)構(gòu)面(不整合面)的富集沉淀是該類異常的主要成因，區(qū)內(nèi)該類礦床成礦的主要尋找方向為各類深、大斷裂兩側(cè)及成礦結(jié)構(gòu)面[20]，但因區(qū)域上缺少鉛鋅多金屬低溫的成熟礦床(2)山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東省1∶25萬淄博幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告，2003年。，筆者認為在區(qū)內(nèi)鉛鋅多金屬礦床的找礦潛力具有一定局限性。

Cr，Ni，Co，V組合元素的成礦異常作為名義上的一種“礦床類型”，其在區(qū)內(nèi)的主要地質(zhì)內(nèi)涵為該類具有基性—超基性特征組合元素的分布強度，從其成礦類型異常圖上來看(圖4C)，其主要沿區(qū)內(nèi)NE向、NW向、NWW向的斷裂分布，這類元素基性—超基性的特性揭示了區(qū)內(nèi)的這幾組斷裂具有深大斷裂的可能，另外根據(jù)研究區(qū)域上礦產(chǎn)特征及區(qū)內(nèi)的成礦類型異常強度結(jié)合后期的礦產(chǎn)檢查工作，初步推斷區(qū)內(nèi)這類元素組合的成礦潛力不大。

Bi，Mn，Ti組合元素成礦異常值的地質(zhì)含義與上述“Cr，Ni，Co，V”相同(圖4D)，在區(qū)內(nèi)并未顯示有高大全異常，這類組合元素的成礦外帶異常，主要有特定地質(zhì)體所引起，通過后期的研究工作發(fā)現(xiàn)，這類組合主要為區(qū)內(nèi)寒武紀炒米店組的含鐵質(zhì)結(jié)核引起[21]，從圈定的異常圖上亦可看出與寒武系地層空間分布對應(yīng)性較好，異常強度較低但穩(wěn)定，均屬于低緩的大范圍異常，該類異常對于成礦的指示意義不大。

1—第四系；2—白堊系；3—侏羅系；4—二疊系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武系；8—蒼山序列侵入巖；9—沂南序列侵入巖；10—傲俫山序列侵入巖；11—實測斷裂；12—不整合接觸界線；13—嵩山褶皺穹??；14—金銅礦(化)體；15—砂金礦點；A組合類型為Au-Cu-W-Ag-Mo；B組合類型為Pb-Zn-Sb-As；C組合類型為Co-Ni-Cr-V；D組合類型為Bi-Mn-Ti圖4 礦床類型異常圖

4.3 成礦強度異常

對內(nèi)生礦床而言，要形成一個礦集區(qū)、大型或超大型礦床必須要有多種地質(zhì)作用疊加，單一的地質(zhì)作用很難形成大型或超大型的礦床。而多種地質(zhì)作用的疊加改造必然造成強烈的成礦物質(zhì)交換和各種復(fù)雜的元素在空間上的聚集，從而導(dǎo)致組合元素的復(fù)雜[22]，利用組合元素的復(fù)雜程度來代表地質(zhì)成礦作用的疊加復(fù)雜程度[23]，從而客觀的反映在不同空間位置的成礦強度(圖5)。

1—第四系；2—白堊系；3—侏羅系；4—二疊系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武系；8—蒼山序列侵入巖；9—沂南序列侵入巖；10—傲俫山序列侵入巖；11—推斷斷裂；12—實測斷裂；13—不整合接觸界線；14—嵩山褶皺穹隆；15—金銅礦(化)體；16—砂金礦點；17—金銅成礦遠景區(qū)；18—金銅多金屬找礦靶區(qū)；19—成礦強度異常極值圖5 成礦強度異常圖

用成礦強度異常值來圈定代表成礦強度的異常圖主要用到以下表達式：

式中：Ad—成礦強度異常值，n—某子區(qū)內(nèi)所有分析元素個數(shù)，Ci—某元素礦集系數(shù)(第i種元素含量值與該子區(qū)內(nèi)第i種元素異常下限的比值)，xi—某個采樣點中第i種元素含量，Ti—某子區(qū)內(nèi)第i種元素的異常下限，m—某地質(zhì)子區(qū)內(nèi)采樣點個數(shù)。n—選取原則可分以下4種情況：①代表某子區(qū)內(nèi)所有已分析的元素個數(shù)；②代表某子區(qū)內(nèi)成礦元素個數(shù)；③代表某子區(qū)內(nèi)成礦元素+成礦指示元素的個數(shù)；④代表某子區(qū)內(nèi)成礦元素+指示元素+環(huán)境指示元素的個數(shù)。

從成礦強度異常圖來看(圖5)，成礦強度的異常帶集中區(qū)主要分布在3處。其中最北部一處成礦強度異常帶位于鐵寨-李季一帶的NW向九山斷裂沂南序列侵入巖分布地帶，該處成礦強度異常帶具有3處濃集中心，極值分別為11，11和10，代表該處至少具有10種以上成礦元素富集，反映出該處經(jīng)歷復(fù)雜的地質(zhì)成礦作用疊加過程，具有較好的成礦潛力；另一處成礦強度異常帶分布在九山斷裂的呂匣-寺頭一帶，該處為NE向斷裂、NWW向斷裂與NW向九山斷裂3組斷裂交會部位，成礦強度異常具有兩處濃集中心，極值分別為8和7，推測該成礦強度異常帶地質(zhì)成礦疊加作用稍弱于鐵寨-李季一帶，亦具有一定成礦潛力；第三處成礦強度異常帶位于區(qū)內(nèi)東南部下洋河-寶畔臺-張家莊一帶，成礦強度異常呈近東西向展布，長軸延伸方向基本與前寒武花崗巖基底與古生代蓋層的不整合界線平行，下洋河濃集中心極值為9，寶畔臺濃集中心極值為7，張家莊濃集中心極值為5，反映出該處成礦強度異常帶從下洋河-寶畔臺-張家莊地質(zhì)成礦疊加作用逐步減弱，但該處異常帶具有兩級濃度分帶，亦顯示出具有一定的成礦潛力。

從上述3處成礦強度異常帶的空間分布和規(guī)?？梢钥闯鼍軘嗔褬?gòu)造活動和中生代燕山晚期巖漿活動等重要地質(zhì)成礦作用疊加影響[24]，且每個異常帶內(nèi)越靠近九山斷裂其濃集中心的極值越大，說明九山斷裂為區(qū)內(nèi)主要的控礦斷裂。

5 結(jié)論

(1)通過賦予數(shù)據(jù)以客觀的地質(zhì)內(nèi)涵的方法，來圈定的成礦類型異常圖、成礦強度異常圖等帶有特定地質(zhì)意義的異常圖能客觀的凸顯成礦規(guī)律性，研究區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的鐵寨、李季等成熟的金銅多金屬礦床與本次化探礦化信息提取后成果表達的異常極值在空間位置上套合較好，很好的驗證了本次研究的可信度，對于其他類型的礦床亦具有實用性。

(2)礦床類型和成礦強度的評價的核心是對成礦信息的分析與把握，關(guān)鍵是如何賦予各種成礦信息以客觀的地質(zhì)內(nèi)涵，基礎(chǔ)在于詳實的野外地質(zhì)調(diào)查與綜合研究的有機結(jié)合，由理論認識創(chuàng)新帶動找礦方法的創(chuàng)新最終實現(xiàn)找礦突破。

(3)矽卡巖型金銅多金屬成礦強度評價成果在研究區(qū)內(nèi)已有多處礦床進行驗證，但是從礦床類型異常圖和成礦強度異常圖上來看，呂匣一帶斷裂交會部位斑巖-矽卡巖型礦床類型異常和成礦強度異常均有顯示，指示該處斑巖-矽卡巖型金銅多金礦的成礦潛力較大，可作為研究區(qū)內(nèi)下一步找礦工作的重點。

(4)根據(jù)本次對成礦類型異常圖和成礦強度異常圖的研究，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)特征、成礦背景、成礦環(huán)境在研究區(qū)內(nèi)圈定出金銅多金屬成礦預(yù)測區(qū)1處，預(yù)測區(qū)內(nèi)根據(jù)已有礦床與成礦強度異常的相對應(yīng)關(guān)系以及異常評價的置信度圈定金銅多金屬找礦靶區(qū)3處。