內(nèi)蒙古維拉斯托錫多金屬礦石英脈形態(tài)分帶定量分析

李柱，張德會

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

大興安嶺南段是中國北方重要的錫銅銀多金屬成礦帶，分布著至少23個錫礦產(chǎn)地，尤其是近些年白音查干(約22萬t錫)和維拉斯托(約9萬t錫)2個大型錫多金屬礦床相繼被發(fā)現(xiàn)，顯示出該地區(qū)錫礦找礦具有巨大潛力，越來越多學(xué)者開始關(guān)注該地區(qū)錫礦床成因研究。前人對維拉斯托錫多金屬礦床進(jìn)行了詳細(xì)的研究，包括與成礦有關(guān)的花崗巖成因、成巖和成礦年齡、流體包裹體、同位素地球化學(xué)等方面(江思宏等，2010；OUYANG et al.，2014；LIU et al.，2016；WANG et al.，2017；祝新友等，2016；翟德高等，2016；劉瑞麟等，2018a，2018b；周振華等，2019)，但目前鮮有對含錫鎢石英脈形態(tài)方面的研究。通過鉆孔揭露的資料和對井下巷道內(nèi)礦化石英脈形態(tài)的觀察，發(fā)現(xiàn)該礦床石英脈總體上呈緩傾斜產(chǎn)出，在剖面中部發(fā)育緩傾的厚脈，而厚脈的上、下兩側(cè)是傾角更緩甚至近水平的薄脈體，其分帶類型既不同于嶺南地區(qū)鎢礦的“五層樓”分帶模式(LIU et al.，2014；劉向沖等，2017)，也不同于葡萄牙潘納斯卡拉鎢錫礦床的整體近水平的葉脈模式(FOXFORD et al., 2000)。維拉斯托緩傾石英脈的形態(tài)分帶現(xiàn)象在該地區(qū)并非個例，而是具有一定普遍性(LIU et al., 2016；周振華等，2019)，但是關(guān)于其成礦動力學(xué)機制的科學(xué)問題尚未被關(guān)注和研究。該問題制約著維拉斯托礦床和該地區(qū)類似礦床的外圍和深部找礦方向和效率。筆者以維拉斯托錫多金屬礦床中的含礦石英脈為研究對象，利用分形和混合篩分工具定量分析脈體形態(tài)分帶和成礦元素在不同分帶中的分布規(guī)律，探討石英脈形態(tài)分帶和成礦動力學(xué)關(guān)系。

1 礦床地質(zhì)背景

維拉斯托礦床大地構(gòu)造上處于中亞造山帶大興安嶺南段晚古生代寶力道弧增生帶內(nèi)(圖1a)，該區(qū)域從古生代末期開始到中生代期間，經(jīng)歷了碰撞造山、碰撞后伸展作用和受古太平洋板塊俯沖影響的構(gòu)造轉(zhuǎn)換階段，構(gòu)造-巖漿活動強烈(劉瑞麟等，2018a；周振華等，2019)。

1.第四系；2.侏羅系；3.二疊系；4.石炭系；5.下元古界；6.華力西期花崗巖；7.華力西期石英閃長巖；8.燕山期花崗巖；9.閃長巖脈；10.花崗巖脈；11.隱爆角礫巖筒；12.背斜；13.向斜；14.斷裂；15.礦床；16.剖面線a.區(qū)域地質(zhì)簡圖；b.礦區(qū)地質(zhì)簡圖圖1 維拉斯托錫多金屬礦地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch of Weilasituo Sn-polymetallic ore deposit

區(qū)域出露的地層主要有：下元古界黑云斜長片麻巖和斜長角閃巖，上石炭統(tǒng)碎屑巖，中、下二疊統(tǒng)的火山碎屑巖和碎屑巖，中、上侏羅統(tǒng)含煤巖系和第四系(郭秉程等，2017)。礦區(qū)內(nèi)地層出露簡單，以下元古界黑云斜長片麻巖和第四系為主(圖1b)。區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造運動具有多旋回的特征，華力西期以褶皺構(gòu)造運動為主，其中維拉斯托礦床發(fā)育在米生廟復(fù)背斜內(nèi)，該褶皺為一樞紐北東向，軸面近直立，兩翼傾角65°左右的復(fù)背斜。印支—燕山期構(gòu)造運動則以斷裂為主，形成近東西向、北東向和北北東西壓扭性斷裂帶，控制著燕山期巖漿巖和礦體分布特征，礦區(qū)內(nèi)主要以北北東向逆斷層為主，控制著主要石英大脈和深部的石英斑巖的發(fā)育(付旭等，2015)。在巖漿巖方面，區(qū)域出露華力西期石英閃長巖、花崗閃長巖和花崗巖(308～320 Ma)(王新宇等，2013)，燕山期花崗巖(140～142 Ma)出露在區(qū)域內(nèi)西南方向的北大山地區(qū)(LIU et al.，2016；管育春等，2017)；而礦區(qū)內(nèi)巖漿巖則以華力西期石英閃長巖為主，局部出露花崗巖脈和閃長巖脈，與錫鎢成礦密切相關(guān)的燕山期石英斑巖(135～140 Ma)隱伏在距地表400 m以下，呈巖鐘狀產(chǎn)出(祝新友等，2016)。此外，該區(qū)域內(nèi)圍繞維拉斯斯托錫多金屬礦還發(fā)育著一系列鉛鋅多金屬礦床(圖1a)。

維拉斯托礦區(qū)南北長1.8 km，東西寬2.5 km，礦化面積約4.5 km2。石英脈型礦體主要賦存在片麻巖和石英閃長巖內(nèi)，隱伏于地下，偶在地表上見到石英細(xì)脈，其脈厚(或稱脈幅)集中在0.1～1 cm。石英大脈是脈型錫鎢資源/儲量最重要的貢獻(xiàn)者，屬于緩傾脈狀礦體(圖2)，受控于北北東向逆斷層(付旭等，2015)。如Sn0號石英脈體是礦區(qū)內(nèi)最大的礦體，未出露地表，構(gòu)成本次研究的斷層脈帶的主體，總體走向為13°～45°，傾向為103°～135°，傾角為20°～40°左右，呈緩波狀產(chǎn)出，具有分支復(fù)合和膨大縮小現(xiàn)象。此外，還有大量在節(jié)理內(nèi)充填的石英薄脈體呈更緩產(chǎn)狀，甚至近水平產(chǎn)出，傾角多在10°～15°左右。石英脈型礦體的礦石礦物主要有錫石、黑鎢礦、黝錫礦、閃鋅礦、鐵鋰云母等，脈石礦物則為石英、絹云母、黃玉、螢石、方解石等。根據(jù)礦物共生組合、圍巖蝕變及穿插關(guān)系，礦床成礦期次可以分為：巖漿-熱液期、熱液期和表生期；成礦階段可劃分為：斑巖型錫礦化階段、云英巖型鋰礦化階段、石英脈型錫鎢礦化階段、石英脈型硫化物礦化階段、螢石-碳酸鹽階段和表生風(fēng)化階段(郭桂娟，2016)。

圖2 維拉斯托錫多金屬礦地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of the Weilasituo Sn-polymetallic ore deposit

2 石英脈形態(tài)分帶

盡管礦床范圍內(nèi)的石英脈在地表出露有限，但隨著井下巷道的開拓，石英脈的產(chǎn)狀和形態(tài)也逐漸被揭露(圖2)。觀察發(fā)現(xiàn)石英脈具有以下3個主要特征：①充填結(jié)構(gòu)特征。②脈體緩傾斜產(chǎn)出。③受不同構(gòu)造控制的脈厚/厚差異較大。在含礦石英脈中可以觀察到鐵鋰云母沿著兩側(cè)脈壁垂直生長，脈體中心有錫石、黑鎢礦及硫化物發(fā)育，局部發(fā)育石英晶簇，具有充填結(jié)構(gòu)特征(FOXFORD et al.，2000)。脈體的傾角集中在10°～30°，不同于南嶺地區(qū)“五層樓”陡傾石英脈(LIU et al.，2014；劉向沖等，2017)，也與葡萄巖潘納斯卡拉鎢錫礦床中基本近水平石英脈不完全相同(FOXFORD et al.，2000)，可能屬于上述兩者之間的過渡類型。含礦石英脈的脈厚在剖面上變化大，主要表現(xiàn)為：剖面中部是受走向北北東的緩傾逆斷層構(gòu)造控制的石英大脈，脈厚度較大，集中在0.40～3.00 m(圖3a)；而大脈的上側(cè)或下側(cè)脈體以薄脈體為主，脈厚范圍集中分布在1～30 cm，其形成可能主要受節(jié)理控制(圖3b)；在剖面累計脈厚統(tǒng)計中(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)累計厚度曲線在中部較陡，而在上部和下部則較緩。根據(jù)上述特征，筆者將維拉斯托礦床中含礦石英脈在剖面上分為中部的斷層脈帶、上節(jié)理脈帶和下節(jié)理脈帶；斷層脈帶包括主干和分支斷層內(nèi)發(fā)育的石英脈以及之間節(jié)理內(nèi)充填的石英脈體，其斷層呈北北東走向，統(tǒng)計的傾角總體上小于45°，剖面呈緩波狀，是在晚侏羅—早白堊世北西—南東向區(qū)域應(yīng)力擠壓的環(huán)境下形成的逆斷層(付旭等，2015)；上、下節(jié)理脈帶分別指在斷層脈帶上側(cè)和下側(cè)范圍內(nèi)發(fā)育的石英脈體，這些脈體的形成可能主要受節(jié)理構(gòu)造控制。

a.南斜井2中3線處發(fā)育在斷層內(nèi)的厚大石英脈；b.南斜井2中與主運交匯處充填在節(jié)理內(nèi)的石英脈圖3 維拉斯托礦床巷道中脈體形態(tài)及產(chǎn)狀Fig.3 Morphology and occurrence of quartz veins in the underworkings of the Weilasituo ore deposit

圖4 維拉斯托礦床31勘探線鉆孔內(nèi)石英脈累計厚度剖面Fig.4 Cumulative thickness profile of quartz veins in boreholes of No.31 line of the Weilasituo ore deposit

3 數(shù)據(jù)與方法

目前，維拉斯托礦床中脈厚大于20 cm的含礦石英脈有100條以上，分布在不同開采水平段內(nèi)。對于緩傾和近水平的脈體來說，利用鉆孔能夠有效揭露比較完整的脈體厚度和數(shù)量數(shù)據(jù)。為了探討不同脈帶中脈體的生長機制和在成礦過程中的定量關(guān)系，筆者對礦區(qū)內(nèi)17條勘探線上的124個鉆孔(直孔)中的脈體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計內(nèi)容包括：T-脈偽厚，Sn品位(%)，WO3品位(%)。其中，脈厚t需要利用軸夾角和脈偽厚進(jìn)行計算求得，脈厚t計算公式如下(GILLESPIE et al.，1999)。

t=T×Sinθ；其中θ為軸夾角。

脈厚是脈體系統(tǒng)中的重要參數(shù)，而脈厚分形可作為解釋脈體生長機制的重要工具，能夠揭示脈體的連通性和生長規(guī)律(GILLESPIE et al.，1999；ROBERTS et al.，1998；ROBERTS et al.，1999)，目前已被應(yīng)用于各類脈型礦床的分析(ROBERTS et al.，1998；FOXFORD et al.，2000；MONECKE et al.，2001；LIU et al.，2014；劉向沖等，2017)。脈厚分形原理是基于脈厚不小于t的脈體數(shù)量N(t)與脈厚t之間通常服從冪律分或負(fù)指數(shù)分布的關(guān)系，冪律分布公式如下(Liu et al.，2014；GILLESPIE et al.，1999)。

N(t)∝t-Dt；上式中Dt是脈厚的分形維數(shù)。

負(fù)指數(shù)分布公式如下(GILLESPIE et al., 1999；SANDERSON et al., 2008)。

N(t)∝e-Dtt

概率統(tǒng)計是地球化學(xué)研究經(jīng)典和重要的課題，在追蹤深部地質(zhì)過程和分離背景與異常方面有著重要作用(CHENG et al.，1994)。在對地球化學(xué)元素進(jìn)行分析過程中，常利用分形分布工具主要有以下4種：分形、多重分形、正態(tài)分布和多模式分布(ALLEGRE et al.，1995)。在成礦過程中，成礦元素品位也常服從冪律分布(申維，2002；劉向沖等，2017)。在分組適當(dāng)和樣品數(shù)量足夠的情況下，多模式分布中的雙峰或多峰曲線常代表多成因的總體混合分布(趙鵬大等，1994；LIU et al.，2020)。維拉斯托錫多金屬礦床經(jīng)歷了多期、多階段的成礦作用(OUYANG et al.，2014；LIU et al.，2016；WANG et al.，2017)，錫鎢成礦元素品位可能服從多模式(混合)分布。因此，筆者綜合利用分形和多模式分布手段對維拉斯托錫多金屬礦床3個脈帶的石英脈型WO3和Sn品位進(jìn)行統(tǒng)計分析工作，其中多模式分布是利用MML-EM算法對錫鎢品位分別進(jìn)行混合分布篩分分析(算法見FIGUEIREDO et al.，2002；劉向沖等，2011，2017；LIU et al.，2020)。

4 分析結(jié)果

4.1 脈厚分形特征

維拉斯托含礦石英脈脈厚整體上呈現(xiàn)：上、下節(jié)理脈帶平均脈厚相似，值均較小，而中部的斷層脈帶的較大(表1)。3個脈帶的脈厚數(shù)據(jù)的負(fù)指數(shù)分布和冪律分布的分形分布擬合結(jié)果如圖5和表1所示。從負(fù)指數(shù)分形分布結(jié)果(圖5a)中可以看出3個脈帶擬合優(yōu)度均較高，接近1；而冪律分形分布擬合結(jié)果(圖5b)中3個脈帶的擬合優(yōu)度均較低，僅在0.6～0.7左右，雙對數(shù)曲線呈開口向下的弧形，曲線斜率變化較大。因此判斷維拉斯托含礦石英脈脈厚分形服從負(fù)指數(shù)分布，斷層脈帶分形維數(shù)小于1，上、下節(jié)理脈帶分形維數(shù)均大于1，上節(jié)理脈帶分形維數(shù)略小于下節(jié)理脈帶。

4.2 鎢錫品位統(tǒng)計分布特征

4.2.1 鎢錫品位分形特征

本次對3個脈帶中統(tǒng)計的原始鎢錫品位數(shù)據(jù)和截斷數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了分形分布擬合，其中2個元素的截斷數(shù)據(jù)的閥值均設(shè)為0.03%。整體上鎢錫截斷數(shù)據(jù)分形擬合優(yōu)度略高于高于原始數(shù)據(jù)的，而鎢品位分形擬合優(yōu)度高于錫品位。不論鎢品位還是錫品位，上、下脈帶的擬合優(yōu)度都要大于斷層脈帶的。原始數(shù)據(jù)和截斷數(shù)據(jù)分形結(jié)果(表1，圖6a、圖6b)中3個脈帶的錫分形維數(shù)均小于1，并且斷層脈帶分形維數(shù)均小于上、下節(jié)理脈帶，上、下節(jié)理脈帶的分形維數(shù)接近；鎢品位的分形結(jié)果(表1，圖6c、圖6d)也顯示3個脈帶分形維數(shù)都小于1，斷層脈帶的鎢品位分形維數(shù)也小于上、下節(jié)理脈帶，上節(jié)理脈帶鎢品位分形維數(shù)略大于下節(jié)理脈帶。

a.負(fù)指數(shù)分布擬合；b.冪律分布擬合圖5 脈厚數(shù)據(jù)分形分布擬合圖Fig.5 The fitting diagrams of fractal distribution of vein thickness data

表1 不同脈帶脈厚和鎢錫品位的分形分布統(tǒng)計結(jié)果表Tab.1 The fitting results of fractal distribution of vein thickness, Sn and WO3 grades in different zonations

a、b.原始Sn品位和截斷數(shù)據(jù)擬合；c、d.原始WO3品位和截斷數(shù)據(jù)擬合圖6 鎢錫品位數(shù)據(jù)的分形擬合圖Fig.6 The fitting diagrams of fractal distribution of Sn and WO3 grades data

4.2.2 鎢錫品位混合篩分特征

本次的鎢錫品位混合篩分結(jié)果顯示3個脈帶的鎢錫品位數(shù)據(jù)都服從混合對數(shù)據(jù)分布，篩分結(jié)果如表2和圖7所示。3個脈帶的錫和鎢品位都由2個對數(shù)正態(tài)分布組成。斷層脈帶錫品位和鎢品位2個子分部的均值分別都高于上、下節(jié)理脈帶的，而上、下節(jié)理脈帶子分部均值都相同或相近。

圖7 鎢錫品位混合篩分分布擬合圖Fig.7 The fitting diagrams of mixed distributions of WO3 and Sn grades data

表2 錫和鎢品位混合分布篩分結(jié)果Tab.2 Separation results of mixed distribution of Sn and WO3 grades data

5 討論

5.1 脈厚分形分布意義

脈體通常是在圍巖變形和流體因素共同耦合作用下生長的，目前用來解釋其動力學(xué)過程的物理模型主要有滲流模型和隨機生長模型(MONECKE et al.，2002；SANDERSON et al.，2008；劉向沖等，2017)。在滲流模型中，脈體的生長受滲透閥值的控制，在高于滲透閥值的骨干裂隙內(nèi)會形成聚焦化流動，可以提供阻止早期水巖反應(yīng)的必要流體渠道，同時伴隨脈厚分形維數(shù)會減小(SANDERSON et al.，2008)。隨機生長模型則強調(diào)脈體的生長受脈體成核率rn(單位時間單位體積內(nèi)新生脈體數(shù)量)和脈體生長率rg(單位時間脈厚生在量)約束，脈厚分形維數(shù)Dt滿足以下公式(MONECKE et al.，2002；劉向沖等，2017)。

在地質(zhì)特征方面，維拉斯托錫多金屬礦與具有“五層樓”分帶的南嶺大吉山鎢礦和葡萄牙Panasqueira鎢礦床的含礦石英脈均發(fā)育在隱伏花崗巖的頂上帶內(nèi)，圍巖蝕變都比較弱；大吉山鎢礦石英脈是陡傾脈，Panasqueira鎢礦近水平產(chǎn)出的，維拉斯托礦床石英脈則是在北西—南東向擠壓應(yīng)力作用下形成的緩波狀逆斷層控制下呈緩傾狀，其傾角介于上述兩者之間；這種脈體產(chǎn)狀的差異可能是由于應(yīng)力條件的不同(劉向沖，2014；Foxford et al., 2000)。在脈厚(幅)方面，大吉山鎢礦具有“五層樓”模式垂直形態(tài)分帶，Panasqueira鎢礦的脈厚(幅)則從礦體中心向外減小，維拉斯托礦床的石英脈脈厚也是從中間的斷層脈帶向上下節(jié)理脈帶變??；三者脈厚的變化規(guī)律相近，具有共同的特征即脈厚增大的方向指向成礦熱液的來源(ROBERTS et al.，1999)。

5.2 鎢錫品位統(tǒng)計分布意義

在鎢錫品位分形方面，3個脈帶的分形維數(shù)均小于1，表明鎢錫元素均發(fā)生了富集(劉向沖等，2017)。斷層脈帶的鎢、錫品位分形維數(shù)值均高于上、下節(jié)理脈帶，反映斷層脈帶內(nèi)的鎢錫元素富集程度或者富礦石比例要高于上、下節(jié)理脈帶；而上、下節(jié)理脈帶鎢、錫品位均具有相似的分形維數(shù)則可以暗示兩者富集程度相當(dāng)。鎢錫品位混合篩分結(jié)果反映出錫和鎢元素在3個脈帶脈體可能均經(jīng)歷了至少2次以上成礦作用，而不是一次充填或礦化作用下形成的，并且不同脈帶可能具有相似的脈體充填次數(shù)。錫和鎢品位的統(tǒng)計特征明顯不同：總體上錫的平均品位高于鎢平均品位(表1)；3個脈帶的錫的分形維數(shù)均小于鎢分形維數(shù)(圖6)；與鎢品位相比，錫品位子分部均值整體上比較大(表2)，如斷層脈帶錫品位子分布2均值(0.93%)是該脈帶鎢品位的子分布2均值(0.13%)的7倍；這些都表明該礦床錫的成礦強度要高于鎢。這與南嶺地區(qū)鎢礦中鎢錫元素統(tǒng)計特征區(qū)別很大(劉向沖等，2017)。

筆者所述成礦元素品位的分形結(jié)果并不是完美地服從分形分布，尤其是斷層脈帶，這些對數(shù)曲線都是不同程度呈現(xiàn)左側(cè)平緩和右側(cè)陡傾。這種現(xiàn)象在地學(xué)數(shù)據(jù)中普遍存在(CHENG et al.，1994；XIE et al.，2009)，其背后更深層次成因機制仍需進(jìn)一步研究。

5.3 成礦動力學(xué)意義

6 結(jié)論

(1)斷層脈帶的厚脈和富礦比例均高于上、下節(jié)理脈帶，并且其脈體系統(tǒng)連通性也顯著高于后兩者。

(2)3個脈帶的鎢錫品位都服從混合正態(tài)分布，都由2個子分部組成，暗示3個脈帶脈體的形成均存在至少2次以上的充填成礦作用。

(3)上、下節(jié)理脈帶在脈厚、鎢錫品位分形維數(shù)和混合篩分特征方面均具有相似性，反映兩者具有相似的成礦機制。

(4)與上、下節(jié)理脈帶相比，斷層脈帶內(nèi)的聚焦化流動、較低的脈體成核率、脈體疊加生長和礦化疊加富集可能造成其厚脈和富礦比例均高于上、下節(jié)理脈帶的重要原因。

致謝：在野外踏勘、巖心編錄和資料收集過程中得到內(nèi)蒙古維拉斯托礦業(yè)公司的王可詳總經(jīng)理的大力支持，論文得到審查稿專家的有益建議，在此一并感謝。