張家口北部鉛鋅銀多金屬礦床區(qū)域剝蝕程度分析

李隨民, 焦雪紅, 郝花金, 韓騰飛, 孫志偉, 李 賓, 李紫燁,邢 歡, 韓玉丑

1)河北地質(zhì)大學(xué), 河北石家莊 050031; 2)河北省礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量研究中心, 河北石家莊 050050;3)河北省地質(zhì)調(diào)查院, 河北石家莊 050081; 4)河北省地礦局第六地質(zhì)大隊(duì), 河北石家莊 050085

礦床(體)尺度級(jí)剝蝕程度評(píng)價(jià)一般用原生暈方法, 相對(duì)而言, 大區(qū)域尺度級(jí)或中小比例尺的剝蝕程度研究缺乏被普遍公認(rèn)的研究方法。礦床(體)剝蝕程度評(píng)價(jià), 一般以主成礦元素為標(biāo)準(zhǔn), 將其他成礦指示元素劃分為前緣暈、近礦暈和尾暈。目前多以李惠等提出前緣暈組合元素含量累加(或累乘)/尾暈組合元素含量累加(或累乘)來判別礦體剝蝕程度(李惠等, 1998, 2011)。水系沉積物是匯水流域內(nèi)各種巖石(礦石)風(fēng)化產(chǎn)物的天然組合, 土壤是基巖風(fēng)化后的殘留疏松物, 它們對(duì)基底和蓋層的地球化學(xué)特征及各種地質(zhì)作用(成礦作用)所留下的印跡(巖石地球化學(xué)異常、土壤地球化學(xué)異常、水系沉積物地球化學(xué)異常等)有良好的繼承性(馬振東等, 2014;嚴(yán)桃桃等, 2018)。龔慶杰等(2015)等也認(rèn)為次生暈(土壤地球化學(xué)異常)和分散暈(水系沉積物地球化學(xué)異常)通常對(duì)原生暈(巖石地球化學(xué)異常)具有較好的繼承性。這種繼承性包括元素組合和元素含量?jī)蓚€(gè)方面, 因此基于原生暈的礦體剝蝕系數(shù)可嘗試用于土壤和水系沉積物地球化學(xué)調(diào)查工作中。這就將巖石介質(zhì)推廣到土壤和水系沉積物介質(zhì)來構(gòu)建成暈剝蝕系數(shù)以判別礦體的剝蝕程度。已有多位學(xué)者利用不同比例尺表生地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行大區(qū)域礦體剝蝕程度評(píng)價(jià)的嘗試性研究(康太翰和于洪順, 1997;張榮國(guó)和夏廣清, 2010; 程乃福等, 2011; 楊宏林等,2013; 馬振東等, 2014; 駱地偉等, 2016)。馬振東等(2014)和駱地偉等(2016)借鑒原生暈軸向分帶理論,利用1:20 萬區(qū)域化探數(shù)據(jù)分別對(duì)江西九瑞銅多金屬礦田和黔西南卡林型金礦富集區(qū)剝蝕程度進(jìn)行了判別分析, 研究結(jié)論對(duì)區(qū)內(nèi)找礦勘查工作起到了重要指導(dǎo)作用。

張家口北部處于華北地臺(tái)北緣多金屬成礦帶,已發(fā)現(xiàn)蔡家營(yíng)、青羊溝、蘭閆等鉛鋅銀多金屬礦床多處, 蘭閆—青羊溝北西向成礦帶也成為冀北重要的多金屬成礦區(qū)(圖1)。區(qū)內(nèi)多金屬礦床成礦條件相似, 化探異?？蓪?duì)比性強(qiáng)。本文以區(qū)內(nèi)研究程度較高的蔡家營(yíng)大型鉛鋅銀多金屬礦床為例, 根據(jù)原生暈建立的前緣暈與尾暈元素組合, 利用張家口北部康保幅(K-50-19)、沽源幅(K-50-20)、張家口幅(K-50-25)和龍關(guān)幅(K-50-26)四幅1:20 萬化探掃面數(shù)據(jù)中相應(yīng)元素判別區(qū)域多金屬礦床剝蝕程度, 并對(duì)區(qū)內(nèi)主要礦床剝蝕程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià), 以期為張家口, 乃至冀北地區(qū)多金屬礦床找礦和成礦預(yù)測(cè)工作提供更多證據(jù)和支持。

1 區(qū)域多金屬礦床成礦條件及地球化學(xué)場(chǎng)特征

1.1 區(qū)域多金屬礦床成礦條件分析

張家口北部處于華北地臺(tái)北緣隆起帶北側(cè), 該帶自古元古代晚期變質(zhì)基底形成以來, 長(zhǎng)期處于裸露的正性剝蝕狀態(tài), 主要由早前寒武紀(jì)變質(zhì)結(jié)晶基底組成。除第四紀(jì)外, 其余地區(qū)多為燕山期火山巖蓋層(圖1)。燕山期受太平洋板塊向華北板塊之下俯沖影響, 本區(qū)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈且頻繁, 對(duì)變質(zhì)基底和火山巖蓋層進(jìn)行了強(qiáng)烈改造。燕山期巖漿活動(dòng)在冀北地區(qū)包括4個(gè)旋回, 第3 旋回巖漿活動(dòng)是燕山期最為強(qiáng)烈、規(guī)模最大、分布最廣泛而且與區(qū)內(nèi)鉛鋅銀多金屬礦床形成關(guān)系最為密切的一期巖漿活動(dòng)。大量的研究資料顯示, 鉛鋅銀多金屬礦床與燕山期酸性巖體在形成時(shí)間、成礦物質(zhì)來源、空間分布等多個(gè)方面與之間存在著密切的成因和時(shí)空聯(lián)系。燕山期酸性小巖體是區(qū)內(nèi)多金屬礦床形成和分布的關(guān)鍵性控制因素(李隨民等, 2016)。河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)將區(qū)內(nèi)鉛鋅銀多金屬礦床分為巖漿熱液型、火山-次火山熱液型和層控-改造型三種類型, 各類型下又分亞類。不同類型多金屬礦床的形成均與燕山期酸性巖體侵位有關(guān), 礦體主要呈脈狀賦存于圍巖(變質(zhì)巖)裂隙中, 部分可賦存于火山巖蓋層中。礦體賦存空間受構(gòu)造作用控制明顯。由于張家口北部鉛鋅銀多金屬礦床成礦作用過程和控礦因素相似,不同礦區(qū)在化探異常及元素組合上具可對(duì)比性。

圖1 張家口北部區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Regional geological sketch map of northern Zhangjiakou area

1.2 區(qū)域地球化學(xué)場(chǎng)特征

對(duì)研究區(qū)四幅1:20 萬化探數(shù)據(jù)中Pb、Zn、Ag成礦元素按(均值+3 標(biāo)準(zhǔn)差)反復(fù)剔除特異值后, 使剩余數(shù)據(jù)服從或近似服從正態(tài)分布。對(duì)剩余化探數(shù)據(jù)本次按均值+3 標(biāo)準(zhǔn)差的方法計(jì)算了主成礦元素的異常下限值。按下限值的1、2、4 倍劃分了異常外、中、內(nèi)帶(圖2, 3, 4)。結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)已知多金屬礦床均處于化探異常中, 表現(xiàn)出Pb、Zn、Ag 等元素次生異常與多金屬礦床在地表呈現(xiàn)出總體無偏性分布特征。即次生異常與多金屬礦床或主成礦元素原生暈總體上不出現(xiàn)大尺度偏移, 化探掃面數(shù)據(jù)可以用作計(jì)算大區(qū)域尺度級(jí)次生暈分帶評(píng)價(jià)值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 張家口北部Pb 元素異常圖Fig. 2 Lead anomaly map of northern Zhangjiakou area

區(qū)內(nèi)多金屬礦床均以鉛鋅銀多金屬礦化為主,鉛鋅銀主成礦元素或原生暈元素之間的相關(guān)性是否在次生異常中也不出現(xiàn)較大尺度偏移。本次采用因子分析方法驗(yàn)證了成礦元素在水系風(fēng)積物的分布特征。在SPSS 軟件中對(duì)研究區(qū)4898 件化探樣品39種元素進(jìn)行因子分析, 因子分析是從眾多的原始變量中構(gòu)造出少數(shù)幾個(gè)具有代表性意義的因子變量,這里面有一個(gè)潛在的要求, 即原有變量之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。本次通過計(jì)算KMO 值分析區(qū)域化探數(shù) 據(jù) 是 否 適 合 進(jìn) 行 因 子 分 析 , 如KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)值越接近于1, 越適合于做因子分析; KMO 越小, 則越不適合于做因子分析。結(jié)果顯示KMO=0.868, 適合進(jìn)行因子分析。9 個(gè)公因子可解釋全部信息的76.25%, 其中Pb、Zn、Ag 的解釋度分別達(dá)到97.7%、97.5%和96.3%。成礦信息主要集中在F3 公因子上(表1)。F3 因子得分圖與已知多金屬礦床具有很高的空間吻合性(圖5)。表明礦體在風(fēng)化剝蝕后, 在表生環(huán)境產(chǎn)物水系沉積物中Pb-Zn-Ag 元素仍具有顯著的相關(guān)性, 礦體內(nèi)元素之間的關(guān)聯(lián)性在次生暈中未發(fā)生顯著改變, 可利用次生暈中不同元素組合判別礦體或礦區(qū)風(fēng)化剝蝕程度。

表1 研究區(qū)化探數(shù)據(jù)因子分析結(jié)果表Table 1 The factor analysis results of geochemical data from the study area

圖5 張家口北部F3 因子得分圖Fig. 5 Factor scores map of F3 of of northern Zhangjiakou area

除F3 公因子外, 其他公因子也有明確的地質(zhì)含義, 代表了不同地質(zhì)體的元素組合。如F1 公因子反映了區(qū)內(nèi)玄武巖元素組合, 其因子得分圖高值區(qū)與研究區(qū)漢諾壩玄武巖分布范圍相吻合(圖6), F2 公因子代表了研究區(qū)燕山期火山巖元素組合(圖7)。

圖6 張家口北部F1 因子得分圖Fig. 6 Factor scores map of F1 of northern Zhangjiakou area

圖7 張家口北部F2 因子得分圖Fig. 7 Factor scores map of F2 of northern Zhangjiakou area

2 研究區(qū)多金屬礦床剝蝕程度分析

由于次生暈、分散暈對(duì)原生暈具有較好的繼承性, 借鑒原生暈的原生異常分帶理論, 在風(fēng)化剝蝕過程中, 當(dāng)?shù)V床剝蝕到一定程度時(shí), 其次生異常(土壤、水系沉積物)的特征將呈現(xiàn)原生異常相應(yīng)特征的元素組合。根據(jù)區(qū)內(nèi)典型礦床的原生暈(垂向、水平)特征, 確定前緣暈、近礦暈和礦尾暈的元素組合,利用1:20 萬區(qū)域化探掃面數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)元素組合可分析區(qū)域多金屬礦床剝蝕程度。

圖3 張家口北部Zn 元素異常圖Fig. 3 Zinc anomaly map of northern Zhangjiakou area

圖4 張家口北部Ag 元素異常圖Fig. 4 Silver anomaly map of of northern Zhangjiakou area

2.1 蔡家營(yíng)鉛鋅銀多金屬礦床剝蝕程度識(shí)別元素確定

蔡家營(yíng)是區(qū)內(nèi)研究及勘探程度均較高的典型鉛鋅銀多金屬礦床。礦區(qū)原生暈地球化學(xué)研究顯示(劉崇民和徐外生, 1994; 張素蘭等, 1999; 劉崇民等,2014), 礦床直接指示元素為Pb、Zn、Ag, 密切伴生元素為As、Sb、Hg、Cd、W、Au、Cu、Mo。前緣元素為I、B、Cs、Br、Sb、U、Rb、Tl、Te, 尾暈元素為Bi、In、V、La、F、Ce、Ba、P。劉崇民等(2014)還建立了蔡家營(yíng)礦床不同剝蝕程度的元素量化判別指標(biāo), 如微量元素組合指標(biāo)ω(Sb+Se+Te+Ge)/ω(In+Cd+Bi+Zn), 前緣為大于10,中部在10～1 之間, 尾部小于1。

2.2 研究區(qū)多金屬礦床剝蝕程度分析

結(jié)合區(qū)域1:20 萬化探數(shù)據(jù)測(cè)試元素, 本次選擇B、Sb、U 作為礦體前緣元素, Bi、V、Ba 作為礦體尾暈元素, 制作區(qū)域ω(Bi+V+Ba)/ω(B+Sb+U)分布圖(圖8)。為使含量級(jí)次不同元素之間具有可對(duì)比性,用元素平均值對(duì)相應(yīng)元素進(jìn)行了均勻化處理。該參數(shù)可作為多金屬礦床剝蝕系數(shù), 以此判別區(qū)域多金屬礦床剝蝕程度。該參數(shù)值越大, 說明礦床剝蝕程度越高。

劉崇民等(2014)等認(rèn)為蔡家營(yíng)礦區(qū)放射性元素比值ω(U)/ω(Th), 礦體前緣大于1, 礦體中下部小于1。該比值也可用于識(shí)別礦床剝蝕程度, 利用1:20萬化探數(shù)據(jù)制作了區(qū)域ω(U)/ω(Th)分布圖(圖9)。對(duì)比圖8、圖9 可以看出, 蔡家營(yíng)、青羊溝、蘭閆等典型多金屬礦床均出露于剝蝕程度較高區(qū)域, 其余多金屬礦床或礦化點(diǎn)也多位于剝蝕程度較強(qiáng)區(qū)域或其邊部, 顯示出研究區(qū)多金屬礦床均遭受到一定程度剝蝕。尤其是蘭閆—青羊溝北西向成礦帶北段的蘭閆礦區(qū)剝蝕最為強(qiáng)烈, 蔡家營(yíng)、青羊溝多金屬礦區(qū)剝蝕程度明顯減弱。

圖8 研究區(qū)(B+Sb+U)/(Bi+V+Ba)比值地球化學(xué)圖(各元素均進(jìn)行均勻化變換)Fig. 8 (B+Sb+U)/(Bi+V+Ba) geochemical map (all elements subjected to homogenization transformation)

圖9 研究區(qū)U/Th 比值地球化學(xué)圖(各元素均進(jìn)行均勻化變換)Fig. 9 U/Th geochemical map (all elements subjected to homogenization transformation)

2.3 研究區(qū)多金屬礦床剝蝕程度對(duì)比

為進(jìn)一步分析區(qū)內(nèi)多金屬礦床剝蝕規(guī)律, 本次從北向南依次選擇了蘭閆、蔡家營(yíng)和青羊溝三個(gè)典型多金屬礦床, 采用累加NAP 值方法進(jìn)行剝蝕程度對(duì)比分析。具體實(shí)現(xiàn)過程如下:

(1)將研究區(qū)Pb-Zn-Ag(礦體暈)、B-Sb-U(前緣元素)和Bi-V-Ba(尾部元素)9 種元素作為三角圖三個(gè)端元。

(2)根據(jù)各端元三種元素地球化學(xué)異常圖, 統(tǒng)計(jì)異常面積和異常內(nèi)的算術(shù)平均值, 計(jì)算面金屬量(異常面積×異常內(nèi)均值)和NAP 值(異常面積×異常襯度, 其中: 異常襯度=異常內(nèi)均值/異常下限值),然后對(duì)每個(gè)端元內(nèi)單元素的NAP 值進(jìn)行累加(表2)。

表2 礦尾暈(Pb+Zn+Ag)、礦體暈(Bi+V+Ba)和前緣暈(B+Sb+U)的累加NAP 值Table 2 Additive NAP values of rear halo, orebody halo,and front halo

(3)對(duì)累加NAP 值在三角圖中投點(diǎn)。若投點(diǎn)越靠近礦尾暈端元, 則礦體剝蝕程度越高, 相應(yīng)剝蝕系數(shù)越大; 反之, 越靠近前緣暈端元, 則說明剝蝕程度越低, 相應(yīng)剝蝕系數(shù)越小。在三角圖中, 剝蝕系數(shù)的值在[0, 1]區(qū)間內(nèi)。張家口北部三個(gè)典型多金屬礦床的累加NAP 值投點(diǎn)結(jié)果顯示(圖10), 蘭閆礦區(qū)剝蝕程度最高, 蔡家營(yíng)與青羊溝礦區(qū)剝蝕程度接近。 三角圖判別結(jié)果與區(qū)域剝蝕系數(shù)(ω(B+Sb+U)/ω(Bi+V+Ba))、ω(U)/ω(Th)平面分布圖識(shí)別結(jié)果相吻合。即蘭閆礦區(qū)剝蝕程度最高, 蔡家營(yíng)和青羊溝礦區(qū)剝蝕程度明顯降低。上述判別結(jié)果也與目前礦區(qū)勘探現(xiàn)狀相吻合。

圖10 研究區(qū)典型多金屬礦床累加NAP 值三角圖Fig. 10 Triangular plot of additive NAP value

3 巖石風(fēng)化程度對(duì)多金屬礦床剝蝕及分布控制

根據(jù)區(qū)域多金屬礦床成礦模式, 當(dāng)上部火山巖蓋層未風(fēng)化剝蝕, 或風(fēng)化剝蝕程度較低時(shí), 多金屬礦床賦存于蓋層之下呈隱伏狀態(tài); 區(qū)內(nèi)火山巖蓋層受到一定程度剝蝕后, 多金屬礦床則呈半隱伏或裸露狀態(tài)。因此研究區(qū)火山巖蓋層風(fēng)化剝蝕程度與礦床出露之間存在一定的關(guān)聯(lián)性?；鹕綆r蓋層剝蝕程度不僅影響著多金屬礦床出露狀態(tài), 也控制著次生暈化探異常分布范圍和參數(shù)特征, 進(jìn)而影響多金屬找礦工作。

巖石風(fēng)化程度常使用各種風(fēng)化指數(shù)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前已有數(shù)十種不同的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)被提出,常用的風(fēng)化指標(biāo)有以下幾種: CIA-化學(xué)蝕變指數(shù)(Nesbitt and Young, 1982, 1989)、WIP-帕克風(fēng)化指數(shù)(Parker, 1970)、WIC-科爾曼風(fēng)化指數(shù)(Coleman,1982)、CIW-化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(Harnois, 1988)、WIG-花崗巖風(fēng)化指數(shù)(Gong et al., 2013; 龔慶杰等,2015)。除WIG 指數(shù)外, 其余風(fēng)化指數(shù)如CIA、CIW、WIP 和WIC 的計(jì)算均涉及到CO2的含量, 但在很多測(cè)試中缺乏CO2測(cè)試項(xiàng), 例如中國(guó)區(qū)域化探掃面計(jì)劃39 項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)中未包含CO2測(cè)試項(xiàng), 因此上述風(fēng)化指數(shù)在使用時(shí)往往會(huì)受到限制。Gong et al.(2013)在研究膠東地區(qū)玲瓏黑云母花崗巖風(fēng)化剖面時(shí)提出了一個(gè)新的風(fēng)化指數(shù)WIG(Weathering Index of Granite)。

WIG=100×[Na2O+K2O+(CaO-10/3P2O5)]/(Al2O3+Fe2O3+TiO2)

式中, 氧化物代表樣品中各自的含量, 用摩爾單位表示; 當(dāng)(CaO-10/3P2O5)的值為負(fù)時(shí), 值取0,即保證(CaO-10/3P2O5)的取值不小于0。由于WIG的計(jì)算不需要CO2的含量數(shù)據(jù), 使其可以應(yīng)用于區(qū)域化探全國(guó)掃面計(jì)劃(RGNR)獲得的海量數(shù)據(jù)中。該值越小, 表明巖石風(fēng)化程度越強(qiáng)。盡管WIG 風(fēng)化指數(shù)是基于花崗巖風(fēng)化剖面研究時(shí)提出的, 但在隨后的研究中被應(yīng)用于不同氣候帶、不同地區(qū)、不同巖性的巖石及其風(fēng)化產(chǎn)物中。本次利用1:20 萬化探掃面數(shù)據(jù)計(jì)算了研究區(qū)WIG 指數(shù)(圖11)。風(fēng)化指數(shù)WIG 空間分布顯示, 區(qū)內(nèi)多金屬礦床均分布在WIG風(fēng)化指數(shù)較低區(qū)域, 即巖石風(fēng)化程度強(qiáng)烈地段。對(duì)比研究區(qū)地質(zhì)圖(圖1)和風(fēng)化指數(shù)圖(圖11)可以看出, WIG 低值區(qū)(風(fēng)化程度較高區(qū))與變質(zhì)結(jié)晶基底出露范圍相吻合。區(qū)內(nèi)已知多金屬礦床(點(diǎn))基本上均分布在WIG 低值區(qū), 對(duì)應(yīng)巖性為變質(zhì)結(jié)晶基底。預(yù)示著區(qū)內(nèi)多金屬找礦工作應(yīng)重點(diǎn)圍繞古元古代變質(zhì)巖出露區(qū)。上述現(xiàn)象也表明火山巖蓋層對(duì)區(qū)內(nèi)多金屬礦床的出露和分布有顯著控制作用。風(fēng)化程度較低的火山巖蓋層發(fā)育區(qū), 多金屬礦床多以隱伏-半隱伏狀態(tài)存在, 地表次生暈化探異常成礦信息微弱, 如何通過有效技術(shù)手段顯示或提取火山巖蓋層下面的多金屬找礦信息是本區(qū)下一步亟需解決的關(guān)鍵問題。

圖11 研究區(qū)巖石風(fēng)化指數(shù)WIG 分布圖Fig. 11 The distribution map of rock weathering index(WIG)

4 結(jié)論

(1)張家口多金屬礦床與區(qū)域化探異常分布顯示, 次生異常與多金屬礦床或主成礦元素原生暈呈現(xiàn)總體無偏性空間分布特征, 元素之間的關(guān)聯(lián)性在次生暈中亦未發(fā)生顯著改變, 可利用次生暈中不同元素組合判別礦體或礦區(qū)風(fēng)化剝蝕程度。

(2)區(qū)域多金屬礦床剝蝕程度顯示, 區(qū)內(nèi)多金屬礦床均出露于剝蝕強(qiáng)度較高區(qū)域, 多金屬礦床多受到不同程度剝蝕。累加NAP 值方法顯示蘭閆多金屬礦床剝蝕程度最高, 蔡家營(yíng)、青羊溝礦床剝蝕程度明顯降低。

(3)區(qū)域巖石風(fēng)化程度制約著多金屬礦床出露和次生暈成礦信息富集強(qiáng)度。區(qū)內(nèi)多金屬礦床多分布在WIG 低值區(qū)(風(fēng)化程度較高區(qū)域)。火山蓋層之下的多金屬礦床呈隱伏-半隱伏狀態(tài)分布, 如何提取火山巖蓋層下面的多金屬成礦信息是亟需解決的找礦技術(shù)問題。

Acknowledgements:

This study was supported by Department of Natural Resources of Hebei Province (Nos.2011055548 and 2013045650).