西秦嶺常家山地區(qū)水系沉積物地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

王 斌，任 濤，宋伊圩，楊 可，王占彬，孫亞柯

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710199)

圖1 西秦嶺造山帶區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch map of Western Qinling Orogen(a)西秦嶺構(gòu)造格架(據(jù)Chen等[18])；(b)西秦嶺成礦帶北亞帶地質(zhì)簡圖(據(jù)肖力等[19])

0 引 言

常家山地區(qū)位于甘肅省岷縣西北部，是西秦嶺成礦帶北亞帶內(nèi)重要的金-鉛-鋅多金屬礦化區(qū)之一，周邊已發(fā)現(xiàn)有寨上、鎖龍、馬塢、李壩、金山、馬泉金礦床以及耳陽溝鉛鋅礦床、雪花山鎢錫礦點等多金屬礦化點，具有良好的成礦潛力[1-11]。

水系沉積物測量是一種高效的地球化學(xué)勘查手段，在金屬礦產(chǎn)勘查初期對提取成礦信息、圈定找礦遠景區(qū)具有重要的作用[12-17]。研究區(qū)為高原山地地形，屬寒冷濕潤氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，水系發(fā)育，適合開展水系沉積物地球化學(xué)測量。原武警黃金部隊第五支隊先后在該區(qū)梅川—申都、蒲麻、中寨—十里鋪和寨上等地區(qū)開展過1:20萬和1:5萬水系沉積物測量工作，圈定出多處成礦遠景區(qū)，但由于前人采用傳統(tǒng)的均值-標(biāo)準差法、累頻法不能很好地提取弱異常，導(dǎo)致靶區(qū)圈定不夠合理，難以進一步開展工作[18-21]。本文根據(jù)常家山地區(qū)1:2.5萬水系沉積物測量數(shù)據(jù)進行核密度估算、因子分析等數(shù)理統(tǒng)計，利用濃度-面積(C-A)分形模型確定各元素和因子的異常閾值，從而得到相應(yīng)的地球化學(xué)空間分布，篩選成礦有利地段，縮小找礦靶區(qū)；進一步通過原生暈找礦法和巖石地球化學(xué)剖面查明常家山成礦規(guī)律，為勘查找礦提供新方向。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

圖2 常家山地區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，2014)Fig.2 Geological map of the Changjiashan region (from Xi’an Center of Mineral Resources Survey, 2014)

常家山地區(qū)位于西秦嶺弧形構(gòu)造帶的中西部，屬于西秦嶺成礦帶北亞帶(圖1)。該成礦亞帶北以商丹縫合帶為界，南以合作—臨潭—兩當(dāng)斷裂為界[22-25]，區(qū)內(nèi)集中分布有十幾個金銀、鉛鋅等多金屬礦床，也被稱為岷(縣)—禮(縣)成礦帶[26-28]。區(qū)域沉積建造主要為古生界淺變質(zhì)海相復(fù)理石建造和三疊系深水濁流復(fù)理石建造[29]。西秦嶺晚三疊世以來巖漿巖類型齊全，分布于西南部，其中中酸性小巖體、巖脈與多金屬成礦關(guān)系密切[30]。三疊紀晚期的印支期是區(qū)內(nèi)主造山階段，金礦床產(chǎn)于區(qū)域性逆沖斷裂上盤，具“背斜加一刀”的控礦規(guī)律[31-32]。

研究區(qū)出露有泥盆系、二疊系和古(新)近系，構(gòu)成一套由石英砂巖、粉砂巖、板巖和灰?guī)r組成的濁積巖建造[33](圖2)，教場壩花崗巖出露于其東北端。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育，以北西向為主，包括禮縣—閭井?dāng)嗔训奈鞅毖由觳糠趾妥柯濉闃浔承钡臇|南段。

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集與測試方法

水系沉積物測量樣品主要取自一、二級水系河床底部或河道邊的淤泥和粉砂，采樣面積66 km2，平均密度17.3點/ km2，共采集1 141件。

分析了樣品的Au、Ag、As、Sb、Bi、Cu、Pb、Zn、W和Mo共10種元素含量。各元素測試方法分別為：Au采用石墨爐原子吸收分光法，Ag采用發(fā)射光譜法，As、Sb、Bi采用原子熒光分光法，Cu、Pb、Zn采用火焰原子吸收法，W、Mo采用催化極譜法。檢出限分別為：Au為0.3×10-9，Ag為0.05×10-6，As、W、Mo為0.5×10-6，Sb為0.2×10-6，Bi為0.1×10-6，Cu為1.5×10-6，Pb為5.0×10-6，Zn為10×10-6。密碼抽查合格率均大于90%，數(shù)據(jù)可靠。

2.2 元素地球化學(xué)特征

由于樣本分布受分析測試、數(shù)學(xué)原理和組距選擇等因素的影響，常規(guī)的頻率分布圖和概率密度曲線難以刻畫其真實分布形態(tài)，而核密度估算法(Kernel Density Estimation, KDE)可以有效彌補這種不足[34-37]。核密度估計是以數(shù)據(jù)樣本點密度為基礎(chǔ)，通過核函數(shù)來控制同一組樣本中不同誤差的數(shù)據(jù)對總體密度函數(shù)貢獻的大小，使最終的估計結(jié)果更貼近實際情況，核密度估計曲線公式[38]為：

圖3 常家山地區(qū)水系沉積物樣品元素核密度估計圖Fig.3 Kernel density estimation diagrams of elements for stream sediment samples from the Changjiashan region

(1)

其中：K表示核函數(shù)，n表示樣本數(shù)，xi表示樣本點，h表示核函數(shù)的帶寬。同時核函數(shù)K滿足：

(2)

本文使用核函數(shù)密度軟件(Density Plotter 8.5)對研究區(qū)內(nèi)1 141件樣品的10種元素含量進行統(tǒng)計分析(圖3)，其核函數(shù)采用二次核函數(shù)(Epa-nechnikov)，寬帶變換為擴散方程帶寬函數(shù)[39]。從圖3可以看出，Bi、Cu、W、Mo元素分布相對均勻，波峰與平均值的距離較??；Au、Ag、As、Sb、Pb、Zn元素分布范圍廣、不均勻，整體右傾，波峰位于平均值的左側(cè)，說明元素較為分散，而這是金屬富集成礦的有利因素。從常家山地區(qū)水系沉積物的元素含量平均值與全國、區(qū)域水系沉積物的平均值對比發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)Au、As、Sb、Cu、Zn、W元素含量平均值遠高于全國水系沉積物的平均值，其他元素含量平均值則基本持平；區(qū)域水系沉積物元素含量平均值與全國的相比，也有類似的規(guī)律，表明區(qū)內(nèi)元素成礦物質(zhì)基礎(chǔ)好，處于高背景場。研究區(qū)水系沉積物Ag、As、Sb、Bi、Pb、Zn、W、Mo元素含量平均值高于區(qū)域水系沉積物元素含量平均值，其他元素含量平均值則略低，說明常家山地區(qū)成礦地球化學(xué)環(huán)境較為有利。

2.3 因子分析

在研究多變量關(guān)系的地球化學(xué)數(shù)據(jù)中常采用因子分析方法，它將變量或樣品之間的共生組合規(guī)律及相互關(guān)系用降維的方法濃縮、提煉成新變量(因子)，用來解決復(fù)雜的地質(zhì)成因和礦化疊加問題[42-44]。本文使用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行降維處理，其中KMO值為0.613，Bartlett球度檢驗通過，符合因子分析條件。提取主因子特征值大于1且非單因素因子得到因子載荷矩陣(表1)，前4個主因子特征值大于1，累計方差貢獻率為57.641%，認為包含了數(shù)據(jù)變化的絕大部分信息[45-46]。

表1 常家山地區(qū)R型因子分析旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

以0.5作為因子載荷標(biāo)準，各因子的組成如下：F1主要載荷因子為Bi、Cu、Zn；F2主要載荷因子為Au(接近0.5)、As、Sb；F3主要載荷因子為Ag、Pb；F4主要載荷因子為W、Mo。為更直觀地反映各因子所處的優(yōu)勢位，對所有元素進行均一化處理(原始含量取對數(shù)后除以相應(yīng)元素平均值的對數(shù)值)使其變?yōu)闊o量綱量，再求得各個點的因子得分值，最高得分的因子類型代表該點的優(yōu)勢因子，并用MapGIS軟件投影到相應(yīng)位置得到優(yōu)勢因子分區(qū)圖，如圖4所示。

圖4 常家山地區(qū)樣品優(yōu)勢因子分區(qū) Fig.4 Map of dominant factor of samples from the Changjiashan region

從圖4中可以看出，F(xiàn)1因子主要集中在研究區(qū)西南角和磚塔寨附近，其代表中-高溫親硫組合；F2因子多分布在區(qū)內(nèi)北邊，集中于元草村和禮縣—閭井?dāng)嗔褍蓚?cè)，是區(qū)內(nèi)與金礦有關(guān)的低溫元素組合，與熱液成礦期的含As黃鐵礦-毒砂-石英主階段有關(guān)[47]；F3因子分布較為稀散，代表中-低溫多金屬硫化物組合；F4因子多分布在研究區(qū)斷裂帶附近，是高溫成礦元素組合。

2.4 C-A分形模型

地質(zhì)成礦中礦石礦物和成礦元素的富集和虧損是非常復(fù)雜的過程，特別是對于熱液礦床，其成礦物質(zhì)和流體往往受地球內(nèi)部物質(zhì)分布不均勻性和大地構(gòu)造活動、演化的制約，具有非線性、空間自相關(guān)性的特征[48-54]。在復(fù)雜的化探數(shù)據(jù)處理過程中采用傳統(tǒng)方法的效果并不理想，而分形模型能夠定量表征非線性地質(zhì)異常強度，成為確定和解釋異常閾值的重要方法[55-59]。濃度-面積(C-A)分形的原理是元素濃度高于C的面積A(>C)與C服從冪指數(shù)關(guān)系，即元素的濃度-面積分形模型服從以下數(shù)學(xué)關(guān)系式：

A(>C)∝C-α

(3)

基于C-A分形方法計算得到研究區(qū)Au、Ag、As、Sb、Bi、Cu、Pb、Zn、W、Mo 10種元素和F1、F2、F3、F4 4個因子(若因子得分出現(xiàn)負值，對變量值做+2調(diào)整后處理，不會改變擬合曲線的形態(tài))的分形模式(圖5)，并求得相應(yīng)元素和因子的異常閾值(表2)。

圖5 常家山地區(qū)水系沉積物中不同元素和因子C-A模型雙對數(shù)圖Fig.5 Double logarithm diagrams of C-A fractal model for different elements and factors of stream sediment samples from the Changjiashan region

3 地球化學(xué)空間分布特征及異常提取

3.1 各元素和因子地球化學(xué)空間分布特征

根據(jù)表2統(tǒng)計的異常閾值，使用克里金插值法得到Au、Ag、As、Sb、Bi、Cu、Pb、Zn、W、Mo 10種元素和F1、F2、F3、F4 4個因子的地球化學(xué)空間分布圖(圖6)。

從圖6可以看出，Au元素異常在元草村—磚塔寨一帶較為集中，可能與該區(qū)域的泥盆紀地層和斷層有關(guān)，研究區(qū)東北方向的上亮魚溝金礦化點、西北方向的寨上金礦床都是受地層和構(gòu)造共同控礦[60]；Ag元素異常集中在研究區(qū)中上部，也有沿斷裂帶分布的規(guī)律；As元素異常面積較小，集中在斷裂帶西北角；Sb元素異常面積較小，在研究區(qū)東北角和禮縣—閭井?dāng)嗔褞л^高，斷裂交匯部位比較集中；Bi元素以低異常居多，高異常在研究區(qū)東北角處和斷裂交匯部位出現(xiàn)；Cu元素異常面積較廣，高異常出現(xiàn)在禮縣—閭井?dāng)嗔押推浯渭墧嗔迅浇籔b、Zn元素異常較為分散，遍布全區(qū)，高異常區(qū)較??；W元素低異常分布較廣，高異常集中分布在元草村泥盆紀地層中，該元素是區(qū)內(nèi)白鎢礦的重要指示元素，與金為同期或由兩期疊加形成[61-62]；Mo元素高異常主要在元草村和研究區(qū)西南角出現(xiàn)。

表2 常家山地區(qū)水系沉積物中各元素和因子的C-A分形特征

F1因子為Bi、Cu、Zn高溫親硫元素組合，高異常主要出現(xiàn)在元草村、研究區(qū)西南角和禮縣—閭井?dāng)嗔褞У奈鞅碧?；F2因子為Au、As、Sb低溫元素組合，低異常分布較廣，高異常集中在元草村和斷裂帶西北處；F3因子為Ag、Pb多金屬硫化物元素組合，低異常分布廣，高異常集中在禮縣—閭井?dāng)嗔眩詳嗔呀粎R部位異常最高，該因子組合與構(gòu)造異常套合好，是尋找斷裂的重要指示因子[63]；F4因子為W、Mo高溫元素組合，低異常區(qū)分布廣，高異常主要集中在禮縣—閭井?dāng)嗔?、常家山和研究區(qū)東南角。

3.2 異常提取

異常提取是對原始地質(zhì)資料的進一步利用和總結(jié)，對縮小找礦靶區(qū)、提高找礦效率具有重要意義[64-65]。根據(jù)研究區(qū)水系沉積物地球化學(xué)空間分布及各元素、因子的異常套合情況，結(jié)合區(qū)內(nèi)成礦地質(zhì)背景和控礦因素等圈定了Hz1、Hz2、Hz3三處綜合異常(圖6)。

Hz1綜合異常位于研究區(qū)北部的元草村周圍，有Au、Sb、W、Mo元素和F1、F2因子高異常。區(qū)域內(nèi)出露泥盆系和二疊系，堅硬的石英砂巖和軟弱的板巖的接觸帶是有利成礦空間[66]，斷層發(fā)育，在西北方向有上亮魚村金礦化點。Hz2綜合異常位于研究區(qū)西北部的磚塔寨附近，有Au、Ag、As、Cu、W元素和F1、F2、F3、F4因子高異常。區(qū)域內(nèi)出露地層為二疊系，禮縣—閭井?dāng)嗔汛┻^其中。Hz3綜合異常位于研究區(qū)中東部奇智附近，有Sb、Bi、Cu元素和F3、F4高異常；該處主要為禮縣—閭井?dāng)嗔押推浯渭墧嗔训臉?gòu)造交叉部位。

4 討 論

4.1 原生暈找礦特征

利用原生暈找礦法尋找構(gòu)造-熱液金屬礦產(chǎn)是勘查地球化學(xué)找礦的重要手段[67-69]。筆者曾在研究區(qū)NW方向的寨上金礦中使用該方法劃分了寨上金礦理想原生暈分帶序列：As-Sb(前緣暈)→Pb-Ag-Au-Zn-W(近礦暈)→Cu-Bi(尾暈)，并通過襯值暈分帶圖的特征反映出礦體向東傾覆、含礦熱液從東南向西北運移的規(guī)律[70]。從圖6可以看出，前緣暈元素As、Sb高異常出現(xiàn)在禮縣—閭井?dāng)嗔训奈鞅倍?，Sb元素在元草村東邊也有異常；近礦暈元素Pb、Ag、Au、Zn、W在斷裂帶中間較前處異常較高，而且Au、W元素在元草村西邊有較高異常；尾暈元素Cu、Bi在斷裂交叉部位及靠東南方向有高異常，同時在元草村南邊也有較高異常。根據(jù)以上原生暈分布特點得到常家山地區(qū)理想原生暈?zāi)Ｐ?圖7)。圖7顯示前緣暈、近礦暈、尾暈分別在研究區(qū)禮縣—閭井?dāng)嗔?、元草村顯示出自西北向東南的分布趨勢，此特征與上述寨上原生暈反映的含礦熱液從東南向西北運移的認識[70]互為印證。

圖6 常家山地區(qū)水系沉積物中不同元素和因子的地球化學(xué)空間分布和異常圈定Fig.6 Spatial distribution maps of geochemical and anomaly delineation for different elements and factors of stream sediment samples from the Changjiashan region

圖7 常家山地區(qū)理想原生暈?zāi)Ｐ虵ig.7 Ideal primary halo model for the Changjiashan region

圖8 常家山地區(qū)P1 (a)、P2 (b) 巖石地球化學(xué)剖面圖Fig.8 Lithogeochemistry sections of P1 (a) and P2 (b) in the Changjiashan region

4.2 成礦規(guī)律

針對研究區(qū)各元素和因子空間分布特征及圈定的異常范圍，利用P1和P2兩條巖石地球化學(xué)剖面對異常進行查驗，并探尋礦化與地層和構(gòu)造之間的關(guān)系(圖8)。P1地球化學(xué)剖面顯示在碳質(zhì)板巖和斷層處Au元素異常值較高，最大值為13.6×10-9。P2地球化學(xué)剖面在碳質(zhì)板巖內(nèi)Au元素異常值較高，斷層處異常較小，但向形構(gòu)造核部Au異常值高達8.8×10-9。兩條剖面都證實了Au異常的存在，且高異常都在軟弱的碳質(zhì)板巖內(nèi)，與斷層或褶皺有關(guān)。

靠近研究區(qū)的寨上金礦是一超大型金礦床，礦區(qū)11號金脈中石英和絹云母的40Ar/39Ar等時線年齡分別為(129.24±1.26) Ma和(125.56±1.20) Ma[71]，白鎢礦Sm-Nd同位素年齡為220.6 Ma[72]，前人認為其控礦因素分為地層和構(gòu)造兩種[73-75]，通過近幾年的地質(zhì)路線填圖和鉆孔巖心編錄發(fā)現(xiàn)礦體主要產(chǎn)于構(gòu)造破碎帶或者糜棱巖化板巖內(nèi)。同樣產(chǎn)在禮縣—閭井?dāng)嗔阎苓叺逆i龍金礦，礦體受斷裂和劈理控制[3]；金山和馬泉金礦均位于斷裂帶內(nèi)，且斷裂產(chǎn)狀決定了礦體形態(tài)[8]。馬塢金礦位于研究區(qū)東側(cè)，金礦脈常與煌斑巖、石英閃長巖相伴生或相互穿切，脈巖鋯石U-Pb年齡為(153.5±3.5)～(154.9±0.9) Ma，礦體受巖漿巖和構(gòu)造共同控制[4]。李壩金礦是區(qū)內(nèi)重要的造山型金礦床，金礦體產(chǎn)在煌斑巖脈的邊部，巖脈與礦體產(chǎn)于同一破碎構(gòu)造帶中，并與礦體產(chǎn)狀一致，花崗斑巖和閃長巖的同位素定年范圍為221.9～227.6 Ma[6-7]。耳陽溝鉛鋅礦產(chǎn)在泥盆系中，為典型層控礦床，并受NW向斷裂控制[9]。區(qū)內(nèi)的中川、柏家莊和教場壩3個花崗巖體的鋯石U-Pb同位素年齡介于216～222 Ma之間，巖漿主要來自變質(zhì)玄武巖和變質(zhì)雜砂巖的部分熔融[76-78]。以上對區(qū)內(nèi)金及多金屬礦床(點)的成礦規(guī)律研究表明，雖然各礦床類型有所不同，但都有受構(gòu)造控制的特點，斷裂為含礦熱液的上涌提供了通道，礦體的展布受構(gòu)造產(chǎn)狀影響。從成礦年齡來看，造山型金礦和淺成熱液型鎢礦與三疊紀花崗巖時間接近；而卡林型和類卡林型金礦形成于燕山期，晚于巖體形成時間。

綜上所述，構(gòu)造是區(qū)域內(nèi)金屬礦產(chǎn)重要的控礦因素，北西向的禮縣—閭井?dāng)嗔咽浅＜疑降貐^(qū)有利的成礦地段。

5 結(jié) 論

(1)常家山地區(qū)水系沉積物中Au、As、Sb、Cu、Zn、W元素含量平均值遠高于全國水系沉積物的平均值，Ag、As、Sb、Bi、Pb、Zn、W、Mo元素含量平均值高于區(qū)域水系沉積物的元素含量平均值，區(qū)內(nèi)成礦地球化學(xué)環(huán)境較為有利。

(2)根據(jù)研究區(qū)水系沉積物地球化學(xué)空間分布及各元素、因子的異常套合情況，結(jié)合區(qū)內(nèi)成礦地質(zhì)背景和控礦因素等圈定了Hz1、Hz2、Hz3 3處異常；通過2條實測巖石地球化學(xué)剖面發(fā)現(xiàn)Au高異常都在軟弱的碳質(zhì)板巖內(nèi)，與斷層或褶皺有關(guān)。

(3)研究區(qū)原生暈分布特征為前緣暈、近礦暈和尾暈分別在禮縣—閭井?dāng)嗔押驮荽宄首晕鞅毕驏|南的分布趨勢。研究區(qū)水系沉積物特征和區(qū)域金成礦規(guī)律表明北西向的禮縣—閭井?dāng)嗔咽浅＜疑降貐^(qū)有利的成礦地段。

(4)區(qū)域內(nèi)各金屬礦床受構(gòu)造控制。造山型金礦和淺成熱液型鎢礦與三疊紀花崗巖的形成時間接近；而卡林型和類卡林型金礦形成于燕山期，晚于巖體形成時間。