老撾東南部某多金屬礦區(qū)土壤地球化學(xué)特征及找礦預(yù)測

楊青松，高 文，羅先熔，劉攀峰，梁 鳴，劉永勝，石佳磊，孫 瑤

(1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004;2.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室，廣西桂林 541004)

0 引言

老撾靠近印度洋板塊與亞歐板塊的交界處，是東南亞成礦帶的重要組成部分，同時也屬于我國三江成礦帶向南的延伸部分(賈潤幸等，2014；王瑋等，2020)。老撾大部分地區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候，植被茂密，腐殖層厚，基巖露頭極少，開展找礦工作的難度大，但同時也因為第四系覆蓋嚴重，土壤較厚，極為適合開展土壤地球化學(xué)測量法進行找礦工作(羅先熔等，2008)。

土壤地球化學(xué)測量法是對研究區(qū)土壤進行系統(tǒng)性的取樣，運用統(tǒng)計學(xué)方法分析樣品中的各元素的含量和分布規(guī)律，從中發(fā)現(xiàn)異常，并對異常進行解釋，圈定成礦潛力較大的靶區(qū)，進而指導(dǎo)找礦(牟保磊等，1999；蔣敬業(yè)等，2006；王立濤等，2020)。本文首先使用了因子分析和R型聚類分析對老撾東南部某礦區(qū)的1:10000土壤地球化學(xué)樣品測量數(shù)據(jù)進行處理，初步確定了成礦潛力較大的元素；運用含量-頻數(shù)分形法確定主成礦元素和各元素的內(nèi)中外帶值；依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)條件、此次研究成果和探槽結(jié)果，圈定了找礦靶區(qū)，從而為老撾東南部尋找金礦和多金屬礦提供依據(jù)(劉剛等，2018；梁鳴等，2022；蘇藝懷等，2021)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)屬低中山地貌區(qū)，總體西南部較高，最高點位于研究區(qū)西部，海拔標高約1809 m，最低點在研究區(qū)北部，海拔標高約900 m，相對高差909 m，為農(nóng)業(yè)種植區(qū)，山坡為森林覆蓋，在平壩地帶主要種植少量旱稻、咖啡、玉米等。

研究區(qū)出露的地層主要為一套陸湖相沉積建造，主要由石英砂巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖組合，經(jīng)淺-中等區(qū)域變質(zhì)作用后，變質(zhì)成變質(zhì)砂巖，砂質(zhì)、粉砂質(zhì)板巖，千枚巖以及少量片巖等。據(jù)前人地質(zhì)資料及類比相臨礦區(qū)和老撾國內(nèi)各時代巖性組合特征，將本研究區(qū)內(nèi)地層所屬時代暫定為三疊紀(T)，但地層所屬具體組段無法界定。本文以各巖層的基本巖性特征及變質(zhì)程度作為劃分依據(jù)，將研究區(qū)三疊系(T)地層劃分為兩個巖性段：變質(zhì)砂巖段(mss)和砂質(zhì)、粉砂質(zhì)板巖段(Sl)。

根據(jù)航測解譯資料，研究區(qū)內(nèi)印支期巖漿活動強烈。因第四系覆蓋，只有零星露頭。據(jù)地表勘查，研究區(qū)出露的巖漿巖主要有灰白色、乳白色褐鐵礦絹云母鈉長石化二長巖。

研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，斷層較多，總體以壓性、壓扭性構(gòu)造為主。目前發(fā)現(xiàn)一條橫跨研究區(qū)的NEE向斷層和一條較短的NNW向斷層(圖1)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置(a,據(jù)賈潤幸等，2014修編)和區(qū)域構(gòu)造簡圖(b)

2 土壤地球化學(xué)樣品采集和測試方法

樣品采集流程嚴格遵守《土壤地球化學(xué)測量規(guī)范》(DZ/T 0145-2017)要求，按照100 m×20 m測網(wǎng)共采集土壤樣品1407件，所采集樣品均為B層或BC層新鮮土壤。每份樣品重量不低于300 g，隨后將野外采集樣品于室內(nèi)低溫烘干，破碎，過200目網(wǎng)篩，然后由四川省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局化探隊實驗室對所采集樣品進行測試。分析Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Bi、As、Sb、Hg九種元素，其中Au元素使用無焰原子吸收法(AAN)；Ag元素使用發(fā)射光譜法(ES)；As、Bi和Sb元素使用原子熒光法(AFS)；Cu、Pb和Zn元素使用X熒光法(XRF)。樣品按照行業(yè)標準《地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范》DZ/TO130.4-2006執(zhí)行，分析質(zhì)量達到標準要求。

3 土壤地球化學(xué)異常特征

運用統(tǒng)計學(xué)手段對樣品測試數(shù)據(jù)進行處理，可以直觀地觀察數(shù)據(jù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，幫助了解各元素的成礦潛力，從而能更準確地圈定找礦靶區(qū)(向東進，2005；魏浩等，2011；李倩，2019)。本文首先根據(jù)樣品測試數(shù)據(jù)繪制元素箱型圖，觀察各元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(何旺等，2019)，了解各元素在研究區(qū)的分布情況。然后計算各元素的變異系數(shù)和剔除比率，確定研究區(qū)中成礦潛力大的元素和研究區(qū)的地質(zhì)背景是否有利于成礦(臧金生等，2014)。最后使用因子分析(姚玉增等，2005)和R型聚類分析(劉曉玲和陳建平，2010)明確元素之間的相關(guān)關(guān)系。

3.1 單元素異常特征分析

將各元素的原始值除以剔除異常值之后的算術(shù)平均值后得出各元素的襯值(用以消除極端值的影響)，使用Excel軟件繪制元素箱型圖(圖2)。各元素的中位數(shù)均表現(xiàn)出不同程度的右偏分布，且在“箱子”邊緣之外存在大量數(shù)據(jù)，說明各元素數(shù)據(jù)的平均值較低，各元素的異常強度較高，但僅有Pb-Au-As-Sb四種元素表現(xiàn)出強烈的不均一性，說明其在研究區(qū)內(nèi)分布極不均勻，可能在局部地區(qū)富集。

圖2 元素箱型圖

剔除箱型圖上下邊緣之外的所有數(shù)據(jù)，確保處理后的數(shù)據(jù)全部位于“箱子”之內(nèi)。以此統(tǒng)計研究區(qū)9種元素原始數(shù)據(jù)與處理后數(shù)據(jù)的平均值、標準差、變異系數(shù)(Cv)，結(jié)果見表1。原始數(shù)據(jù)中Au(3.295)、Pb(1.673)、As(1.358)和Sb(1.288)的變異系數(shù)均大于1，呈極強的分異性，說明這些元素在研究區(qū)內(nèi)分布極不均勻，易于在局部地區(qū)富集成礦。Cu(0.576)、Zn(0.916)、Ag(0.332)、Bi(0.404)和Hg(0.546)的變異系數(shù)均小于1，表明這些元素在研究區(qū)內(nèi)分布均勻，難以富集成礦。箱圖剔除極值點后，除As元素外，其余所有元素的變異系數(shù)均小于1，表明基本消除極值對離散程度的影響。使用Cv1的值作為縱坐標，Cv1/Cv2的值作為橫坐標，繪制研究區(qū)變異系數(shù)點位散圖(圖3)，從而評價元素富集成礦的可能性。Au元素的高強數(shù)據(jù)占比大，分異程度高，研究區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)變化幅度極大，富集成礦可能性大；Pb、As和Sb元素的高強數(shù)據(jù)占比較大，分異程度較高，富集成礦可能性較大；Cu、Zn、Ag、Bi和Hg元素的高強數(shù)據(jù)占比小，分異程度低，富集成礦可能性小(楊龍坤等，2015；李超等，2020；湯國棟等，2020)。

表1 各元素參數(shù)統(tǒng)計表

為了進一步了解某個元素的成礦潛力和研究區(qū)的地球化學(xué)背景是否有利于成礦，本文使用剔除比率來對數(shù)據(jù)進行分析。剔除比率越大的元素，該元素的異常值越多，即可認為該元素的成礦潛力越大，某元素的剔除比率計算公式為：

Re(%)={(M-N)/M}×100%

(1)

式(1)中：N為剔除異常值后的樣品數(shù)；M為樣品總數(shù)。

當某元素的剔除比率Re≥5%，且原始變異系數(shù)Cv1≥1時，可以認為該元素為研究區(qū)的成礦元素或強異常元素。同時若成礦元素或強異常元素個數(shù)總數(shù)≥7，則認為該區(qū)域地質(zhì)地球化學(xué)背景有利于成礦。由表1可知，Pb-Au-As-Sb這四種元素的Re≥5%且Cv1≥1，因此這四種元素是研究區(qū)的成礦有利元素，同時因為研究區(qū)內(nèi)成礦元素個數(shù)小于7，表明研究區(qū)地質(zhì)地球化學(xué)背景較為不利于成礦。

圖3 研究區(qū)變異系數(shù)點位散圖

3.2 多元素異常組合分析

地殼中的元素不可能單獨存在，必然具有一定的相關(guān)性。為了進一步揭示元素之間的相關(guān)性，本文選用因子分析和R型聚類。首先對樣品數(shù)據(jù)進行適用性判定。從表2可以看出，巴特利特的球形度檢驗所得的Sig值為0，小于顯著性水平 0.05，因此拒絕巴特利特的球形度檢驗的零假設(shè)。KMO 取樣適切性量數(shù)為0.761，大于統(tǒng)計學(xué)家Kaiser給出的0.6的標準，拒絕原假設(shè)，說明本組數(shù)據(jù)適合作因子分析。

表2 KMO和巴特利特的檢驗表

由因子分析中元素相關(guān)性矩陣結(jié)果(表3)，可以看出：Cu與Zn、Bi元素之間的相關(guān)系數(shù)大于0.5且小于0.6，表現(xiàn)出較弱的正相關(guān)性；Pb與Zn、As、Sb元素之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.5，表現(xiàn)出較強的正相關(guān)性，其中As-Sb、Pb-Sb的相關(guān)系數(shù)大于0.75，表現(xiàn)出極強的正相關(guān)性；Au元素與其他元素的相關(guān)系數(shù)均小于0.5，表示本研究區(qū)的Au元素為獨立成因(時艷香等，2004；顧文博等，2020)。

表3 元素相關(guān)性矩陣

運用SPSS軟件對Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Bi、As、Sb、Hg九種元素進行R系統(tǒng)聚類分析，用圖形的線性關(guān)系表明各成礦元素之間的相關(guān)關(guān)系。分析結(jié)果表明(圖4)，當閾值取10時，可將九種元素分為兩個元素組合和多個單獨元素：第一組F1元素組合由Pb-As-Sb組成，反映了低溫巖漿熱液成礦作用；第二組F2元素組合由Cu-Zn組成，反映了中溫巖漿熱液成礦作用(程志中和謝學(xué)錦，2006；楊笑笑等，2018；袁和等，2019)。成礦元素Pb、Au、As、Sb除As-Pb外，均出現(xiàn)在不同的組別中，說明其有較強的獨立性，反映了研究區(qū)成礦元素組合的特征。R型聚類分析與因子分析的結(jié)果相同，說明其結(jié)果真實可信(黃文斌等，2019)。

圖4 R型系統(tǒng)聚類分析

4 單元素及元素組合異常圈定

研究表明，地質(zhì)體中的微量元素受到地質(zhì)活動的影響，常常有所富集或虧損，使元素的地球化學(xué)背景值和異常形成相互獨立的冪指數(shù)關(guān)系，服從多重分形規(guī)律。因此本文使用含量-頻數(shù)法建立分形模型(趙欣怡等，2020；張文博等，2022)，計算出各元素的異常下限和內(nèi)、中、外帶值，并且確定本研究區(qū)的主成礦元素，再運用Surfer15、CorelDraw等軟件，繪制Pb-Au-As-Sb單元素和F1(Pb-As-Sb)元素組合異常圖，同時結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)情況進行異常圈定。

4.1 主成礦元素和異常下限的確定

基于分形統(tǒng)計學(xué)的含量-頻數(shù)法，建立分形模型：

(2)

其中：N(C>n)為元素含量(C)大于某一值(n)的頻數(shù)，D為分形維數(shù)，K為比例常數(shù)。對公式(2)取對數(shù)化為一元線型回歸模型：

lg[N(C>n)]=-Dlg(C)+lg(K)

(3)

首先，將樣品測試數(shù)據(jù)按照從小到大的順序排列并分組；再使用Excel軟件，將N(C)和C投影到雙對數(shù)圖上；最后采用最小二乘法進行線性擬合，可將數(shù)據(jù)分為多個無標度區(qū)間，無標度區(qū)間的斜率即為分形維數(shù)。最后一個無標度區(qū)間的拐點的實際意義為地球化學(xué)場發(fā)生突變的臨界點，故該點對應(yīng)的元素含量C0，即為分形的異常下限(T)，按照異常下限的0.5、1、2倍數(shù)，確定研究區(qū)的元素的異常外帶、中帶和內(nèi)帶值(表4)。

表4 研究區(qū)元素分形數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通常來說，D值越小,表明元素的富集程度越高,富集成礦的可能性越大。分形結(jié)果表明(圖5)：①D1值普遍較小，且都小于1，表示元素差異較小，反映了研究區(qū)元素背景值低的特點；②Cu-Ag-Bi的D2值均大于2，表示這些元素在研究區(qū)內(nèi)的空間差異小，高含量值點較少，成礦潛力小；③Pb-Zn-Au-As-Sb-Hg的D2值均小于2，表示這些元素在研究區(qū)內(nèi)高度富集，空間差異性大，分布范圍廣，且分形結(jié)果圖呈現(xiàn)出多標度分形特征，表示Pb-Zn-Au-As-Sb-Hg至少經(jīng)歷了兩次或兩次以上的富集作用(李健，2014；劉君等，2015)。

結(jié)合含量-頻數(shù)分形與R型聚類分析對樣品數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，將Pb-Au-As-Sb這四種元素作為本研究區(qū)的主要成礦元素(羅恒等，2021)。

4.2 主成礦元素異常特征

(1)As元素：研究區(qū)As異常規(guī)模較小，集中于研究區(qū)的西南部，三疊系變質(zhì)雜砂巖(mss)地層中。異常極大值為341×10-6，異常極小值為0.43×10-6，算術(shù)平均值為30.74×10-6。As-1異常分布于研究區(qū)西南角，有一個富集中心，異常整體呈長柱狀，內(nèi)帶面積約0.035 km2。異常未閉合，有向西南方向延伸的趨勢。

圖5 元素含量-頻數(shù)分形圖解

(2)Au元素：研究區(qū)Au異常發(fā)育中等，集中于研究區(qū)的西北東部，三疊系變質(zhì)雜砂巖(mss)和板巖(Sl)地層中。異常極大值為228×10-9，異常極小值為0.36×10-9，算術(shù)平均值為3.02×10-9，規(guī)模較大的異常區(qū)域有2處。Au-1異常分布于研究區(qū)中部偏東位置，有一個富集中心，異常整體呈不規(guī)則的煎蛋狀，內(nèi)帶面積約0.083 km2。Au-2異常分布于研究區(qū)北東角，有一個富集中心，異常整體呈不規(guī)則狀，內(nèi)帶面積約0.018 km2。

(3)Sb元素：研究區(qū)Sb異常發(fā)育中等，集中于研究區(qū)的西南部，三疊系變質(zhì)雜砂巖(mss)地層中。異常極大值為23.30×10-6，異常極小值為0.08×10-6，算術(shù)平均值為2.16×10-6，規(guī)模較大的異常區(qū)域有2處。Sb-1異常分布于研究區(qū)的西南角位置，有一個富集中心，異常整體呈不規(guī)則狀，內(nèi)帶面積約0.012 km2。Sb-2異常分布于研究區(qū)的西部位置，有一個富集中心，異常整體呈不規(guī)則狀，內(nèi)帶面積約0.008 km2。

(4)Pb元素：研究部Pb異常發(fā)育極好，主要分布于研究區(qū)的西南部位置的三疊系變質(zhì)雜砂巖(mss)地層中，少量分布于北東部位置的板巖(Sl)地層。異常極大值為1070×10-6，異常極小值為3.26×10-6，算術(shù)平均值為33.85×10-6，規(guī)模較大的異常區(qū)域有3處。Pb-1異常分布于研究區(qū)的西南角位置，異常整體呈不規(guī)則狀，有兩個濃集中心，內(nèi)帶面積約0.087 km2。Pb-2異常分布于研究區(qū)的東南角位置，異常整體呈不規(guī)則狀，有兩個濃集中心，內(nèi)帶面積約0.046 km2。Sb-3異常分布于研究區(qū)的西南位置，異常整體呈不規(guī)則狀，有三個濃集中心，內(nèi)帶面積約0.069 km2。

As-1、Sb-1和Pb-1異常區(qū)域套合較好，均位于橫跨研究區(qū)的北東東向斷裂上，受構(gòu)造活動影響明顯。Au元素的異常區(qū)域與其余所有元素的異常區(qū)域都不套合或相鄰，表明研究區(qū)的Au元素與Pb-As-Sb元素?zé)o直接關(guān)系。

4.3 元素組合異常特征

為進一步研究區(qū)內(nèi)成礦元素組合的異常特征，本文選用累頻法對成礦元素組合進行統(tǒng)計。具體操作是利用SPSS 25軟件統(tǒng)計出研究區(qū)F1元素組合(Pb-As-Sb)百分比對應(yīng)的18個數(shù)值，最大值、最小值、低中高和異常基線值，再運用 Surfer、CorelDraw等軟件進行繪制異常圖件，并根據(jù)F1元素組合(Pb-As-Sb)的85%異?；€值確定異常下限，最后將85%、92%和98%的異?；€值作為異常的外、中和內(nèi)帶的界限(圖6)。

圖6 單元素及元素組合平面異常圖

F1元素組合(Pb-As-Sb)：異常集中于研究區(qū)的西南角位置，位于三疊系變質(zhì)雜砂巖(mss)地層中，受區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動影響明顯。異常規(guī)模中等，內(nèi)中外帶明顯。異常整體上呈不規(guī)則狀，與Sb-1形狀極為相似，說明Sb在元素組合中占比極重。

5 靶區(qū)預(yù)測與討論

將單元素和F1(Pb-As-Sb)元素組合異常圖的異常內(nèi)帶位置統(tǒng)一投影到研究區(qū)中(圖7)，進行空間套合，然后綜合研究區(qū)的地層條件、構(gòu)造痕跡和探槽結(jié)果，認為三疊紀(T)變質(zhì)巖段和區(qū)域內(nèi)的北東東向斷層是研究區(qū)內(nèi)成礦的有利因素。根據(jù)異常規(guī)模大小、組合異常特征和地質(zhì)條件，將異常區(qū)域分為A、B和C三類：

A類：Au元素異常強度高，分布范圍中等，濃集中心明顯，伴生元素Sb和Pb較發(fā)育，成礦條件優(yōu)越，地層巖性為三疊紀砂質(zhì)、粉砂質(zhì)板巖(Sl)，探槽(TC-1)中見明金。

B類：Au元素異常強度中等，分布范圍較A類小，濃集中心明顯，成礦條件優(yōu)越，地層巖性為三疊紀砂質(zhì)、粉砂質(zhì)板巖(Sl)和變質(zhì)砂巖(mss)。

C類：As、Sb和Pb元素異常強度高，分布范圍小，濃集中心明顯，且與F1(Pb-As-Sb)元素組合異常范圍套合好，但Au元素不發(fā)育。范圍內(nèi)構(gòu)造活動較強，恰好位于區(qū)域內(nèi)北東東向斷層之上，地層巖性為三疊紀變質(zhì)砂巖(mss)。

根據(jù)地質(zhì)條件、異常范圍和主成礦元素分布，篩選出3個找礦預(yù)測區(qū)，按照成礦找礦遠景將其劃分為A類靶區(qū)1個(A-1)、B類靶區(qū)1個(B-1)和C類靶區(qū)一個(C-1)。

A-1靶區(qū)位于研究區(qū)的中部偏東位置，靶區(qū)面積約0.18 km2，主成礦元素Au、Sb和Pb均有顯示，異常分布較集中，異常范圍較小，異常重疊性較差，與前文聚類分析結(jié)果相同，表示本研究區(qū)內(nèi)Au與其余成礦元素為不同成因。根據(jù)靶區(qū)地質(zhì)條件認為該處金礦化為矽卡巖型成因，找礦潛力極大。經(jīng)后期探槽驗證，在位于A-1靶區(qū)西部的探槽(TC-1)中見有枝杈狀、彎鉤狀、不規(guī)則粒狀、細條狀等形狀的明金，經(jīng)鑒定探槽內(nèi)所取明金樣品，達到工業(yè)品位，說明靶區(qū)圈定結(jié)果真實可靠。

圖7 土壤地球化學(xué)測量靶區(qū)預(yù)測圖

B-1靶區(qū)位于研究區(qū)的北東部位置，靶區(qū)面積約0.04 km2，僅有Au元素顯示，異常分布集中，異常范圍較小，表示本研究區(qū)內(nèi)Au與其余成礦元素為不同成因。根據(jù)靶區(qū)地質(zhì)條件認為該處金礦化為矽卡巖型成因，具有一定的找礦潛力。

C-1類靶區(qū)位于研究區(qū)的南部偏西位置，靶區(qū)面積約0.09 km2，主成礦元素Pb、As、Sb和F1(Pb-As-Sb)元素組合均有顯示，異常分布集中，異常范圍較小，異常重疊性較好，地理位置上靠近斷層，且?guī)r性為三疊紀變質(zhì)砂巖(mss)，為后期熱液灌入提供了通道，因此推測該異常與巖漿巖熱液的侵入關(guān)系極大，具有較大的找礦潛力。

6 結(jié)論

(1)研究區(qū)1:10000土壤地球化學(xué)測量數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)計分析結(jié)果表明：Au(3.295)、Pb(1.673)、As(1.358)和Sb(1.288)的變異系數(shù)均大于1，呈極強的分異性，說明這些元素在研究區(qū)內(nèi)分布極不均勻，可能在局部地區(qū)富集，且Pb-Au-As-Sb這四種元素的剔除比率Re≥5%和變異系數(shù)Cv1≥1，說明這四種元素是研究區(qū)的成礦有利元素。因此認為Pb-Au-As-Sb為研究區(qū)內(nèi)成礦潛力大的元素。

(2)通過SPSS軟件，對Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Bi、As、Sb、Hg九種元素進行R型聚類分析和因子分析，得到F1元素組合(Pb-As-Sb)和F2元素組合(Cu-Zn)。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景和含量-頻數(shù)分形的圖示，認為Pb-Au-As-Sb元素為研究區(qū)內(nèi)主成礦元素，且Au元素與Pb-As-Sb元素為不同的成礦期次、不同成礦成因。

(3)結(jié)合成礦地質(zhì)條件、異常特征、異常套合程度等，圈定了A、B和C類靶區(qū)各一個，并對其進行了潛力評價，其中A-1靶區(qū)成礦潛力最高，探槽 TC-1中也見達到工業(yè)品位的明金，說明A-1靶區(qū)是礦致異常，是尋找金礦床的有利位置。