地球化學(xué)勘查相關(guān)性研究與探討
——以膠萊盆地東北緣典型礦床為例

任良良,魏江,秦連元,王希君,潘寶亮,閆世峰

(1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院,河北 保定 071051;2.山東煙臺(tái)鑫泰黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司,山東 煙臺(tái) 265147)

0 引言

地球化學(xué)勘查作為地球科學(xué)領(lǐng)域的重要分支,在自然資源開發(fā)、環(huán)境評(píng)估等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1-2]。多元統(tǒng)計(jì)分析作為經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的一個(gè)分支,在地球科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了豐碩的成果[3-8]。傳統(tǒng)的經(jīng)典應(yīng)用是將聚類分析、回歸分析、相關(guān)分析、因子分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法產(chǎn)生的異常與已知礦床的異常進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)成礦預(yù)測(cè)[9-11],這也是目前實(shí)踐中多數(shù)地球化學(xué)分析研究的通用方法。其中,作為地球化學(xué)特征之一的相關(guān)性研究被認(rèn)為是地球化學(xué)勘查中最重要的內(nèi)容之一[12-13]。通過(guò)地球化學(xué)元素的相關(guān)性分析,可以直接有效地發(fā)現(xiàn)主成礦元素和成礦指示元素間隱含的內(nèi)在關(guān)聯(lián),從而揭示元素的來(lái)源、運(yùn)移及富集規(guī)律,進(jìn)而識(shí)別礦體、優(yōu)化選區(qū)、輔助找礦、預(yù)測(cè)找礦信息等[14]。

本文將重點(diǎn)聚焦于地球化學(xué)勘查元素相關(guān)性研究,以山東膠萊盆地東北緣牟乳成礦帶中的土堆、龍口、遼上金礦為研究對(duì)象,嘗試總結(jié)相關(guān)性研究在判斷成礦熱液是否疊加、抽象評(píng)價(jià)勘查區(qū)成礦潛力以及識(shí)別相鄰礦體是否同源等方面的應(yīng)用。其中,土堆金礦主要用來(lái)論述成礦熱液的疊加性,龍口與遼上礦床主要用來(lái)對(duì)比評(píng)價(jià)成礦潛力,最后用3個(gè)礦床元素相關(guān)性特征差異討論成礦物質(zhì)來(lái)源問(wèn)題。本文旨在深化對(duì)地球化學(xué)勘查元素相關(guān)性的認(rèn)知和理解,從而更好地指導(dǎo)找礦實(shí)踐工作。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)地處膠遼地塊與膠南威海造山帶的相鄰部位,強(qiáng)烈的構(gòu)造-巖漿活動(dòng)形成了復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)和優(yōu)越的成礦條件。區(qū)域上分布著多個(gè)大、中型金礦床,如蓬家夼金礦、宋家溝金礦、遼上金礦、西澇口金礦、土堆—龍口金礦等(圖1),累計(jì)探明金礦資源量超過(guò)150 t,其中,土堆和遼上礦床是膠萊盆地東北緣金礦床的典型代表[15-19]。

區(qū)域地層主要有新太古界膠東巖群、古元古界荊山群、下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群和青山群,被第四系沖積層覆蓋。區(qū)域斷裂主要呈NE向展布,包括郭城斷裂、朱吳—店集斷裂、崖子斷裂等,組成了該區(qū)域的主要構(gòu)造格架。區(qū)內(nèi)多見燕山早期玲瓏九曲單元與燕山晚期偉德山序列等中酸性侵入巖類;此外,煌斑巖、閃長(zhǎng)玢巖和輝綠巖等燕山晚期脈巖也有廣泛分布(圖1)。

1.2 礦田地質(zhì)

土堆、龍口、遼上金礦位于膠萊盆地東北緣的一處微凸起構(gòu)造中,西北部以郭城斷裂為界,東南部邊緣則以荊山群與萊陽(yáng)群的不整合界面為界線。

區(qū)內(nèi)主要出露有古元古界荊山群變質(zhì)巖,還有下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群、青山群和第四系沖積層。荊山群巖石類型復(fù)雜,主要出露于郭城斷裂下盤(南東盤),包括黑云斜長(zhǎng)變粒巖、黑云角閃片麻巖、大理巖等中高級(jí)變質(zhì)巖;下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群主要分布于郭城斷裂上盤及崖子斷裂以南,主要由砂礫巖等碎屑沉積物組成,本區(qū)內(nèi)萊陽(yáng)群未見與成礦的直接關(guān)系;第四系覆蓋于低山丘陵、谷地以及河溝內(nèi),有砂金礦床產(chǎn)于其中。

本區(qū)構(gòu)造以脆性斷裂為主,局部有韌性斷裂跡象,主要分為NE向、NW向和近SN向3個(gè)方向。其中,郭城斷裂是具代表性的NE向斷裂,其形成較早,寬度變化大;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,斷裂顯示出多次活動(dòng)的特點(diǎn)。NW向斷裂相對(duì)形成較晚,多與其他斷裂構(gòu)造和脈巖存在穿切關(guān)系,對(duì)成礦產(chǎn)生破壞性影響。近SN向斷裂形成較早,斷裂帶內(nèi)多發(fā)育有斷層泥、角礫巖和碎裂巖等,并具有不同程度的蝕變特征。

本區(qū)巖漿巖為約占總面積一半的古元古代牧牛山巖體,巖性為二長(zhǎng)花崗巖,出露形態(tài)為“彩條”狀。該巖體從NE-SW方向侵入下元古界荊山群,其最大寬度約100 m。巖體內(nèi)多處可見變質(zhì)巖的包體,如大理巖或變粒巖等。

本次研究的3個(gè)礦床中,龍口金礦與遼上金礦相距較近,二者的礦床特征也相似,均在淺部見礦,中部有約500 m的無(wú)礦間隔,深部又出現(xiàn)規(guī)模更大的礦體。其中遼上金礦床深部找礦成果最為突顯,也是目前膠東東部發(fā)現(xiàn)的最大金礦床,金金屬量近70 t[17]。

1.3 礦石特征

金礦化和黃鐵礦化、碳酸鹽化關(guān)系密切,并伴有絹英巖化、硅化和綠泥石化等蝕變。金礦體與圍巖表現(xiàn)為漸變過(guò)渡關(guān)系,二者沒(méi)有明顯的分界線。

遼上金礦與龍口金礦床的礦石類型以含黃鐵礦碳酸鹽細(xì)脈型為主,這一特征顯著區(qū)別于膠東其他金礦床。碳酸鹽脈體狹小,多不足1 cm,形態(tài)不規(guī)則。金屬礦物主要有黃鐵礦、黃銅礦和磁黃鐵礦;脈石礦物則種類繁多,以長(zhǎng)石、石英、絹云母、透輝石和碳酸鹽等最多見。諸多礦物中,以黃鐵礦+碳酸鹽的礦物共生組合為特征,構(gòu)成了膠東特有的“遼上式”金礦特征[20-21]。

2 原生暈樣品的采集與分析測(cè)試

2.1 樣品采集

在本次研究中,土堆金礦主要在坑道、采場(chǎng)中采集礦體樣品,采樣深度集中在-240～-300 m標(biāo)高;龍口金礦樣品主要來(lái)自于鉆孔巖芯,采樣深度集中在-700～-1100 m標(biāo)高;遼上金礦也是主要采集鉆孔中巖芯樣品,采樣深度集中在-600 m～-1000 m標(biāo)高?？拥啦蓤?chǎng)中采樣點(diǎn)距5～15 m,平均約10 m,樣品質(zhì)量300～500 g;鉆孔中主要選擇主成礦元素含量高、礦化蝕變強(qiáng)的部位進(jìn)行采樣[22-25]。

2.2 分析測(cè)試

根據(jù)以往地質(zhì)資料,結(jié)合本次研究需要,確定本區(qū)地球化學(xué)測(cè)試分析元素為:Au、As、Sb、Hg、B、Ag、Cu、Pb、Zn、Te、Bi、Mn、Co、Ni、Ti、V、Mo、Sn、W共19項(xiàng),所有樣品為同一批次分析測(cè)試,測(cè)試由中冶一局環(huán)境科技有限公司測(cè)試中心完成。各元素使用的分析方法與對(duì)應(yīng)儀器設(shè)備見表1。

3 相關(guān)性研究用于判斷成礦熱液是否疊加

3.1 元素暈在理論上的相關(guān)性

同一次熱液活動(dòng)的元素不一定都相關(guān)。以巖漿熱液型礦床的成礦過(guò)程為例,在成礦過(guò)程中,含礦熱液攜帶的各種元素化學(xué)性質(zhì)不同,在熱液中遷移形式也不同,即各元素絡(luò)合物的形成、穩(wěn)定性、遷移和破壞條件不同,成礦時(shí)物理化學(xué)環(huán)境的不斷變化,在成礦元素的絡(luò)合物破壞之前,由于液相中的飽和度和溶解度的變化,有些元素先行沉淀下來(lái),形成尾暈;與此同時(shí),一些活潑性和揮發(fā)性較強(qiáng)的元素如Hg、As、Sb等在沉淀之后依然具有一定活性和揮發(fā)性,它們沿著構(gòu)造向上遷移一定距離,在前緣區(qū)域形成前緣暈,各種元素不同的沉淀過(guò)程,最終形成熱液礦床特有的軸向分帶特征。

研究發(fā)現(xiàn),熱液礦床的分帶具有一定的共性,通常前緣暈特征指示元素主要包括As、Sb、Hg、B、F和I等;近礦特征指示元素主要有Au、Ag、Cu、Pb和Zn等;尾暈特征指示元素則包括Bi、Mo、Mn、Co和Ni等。受熱液成礦過(guò)程中沉積特點(diǎn)影響,前緣暈元素富集于礦體的上部或頭部位置,而尾暈元素則偏向礦體的下部或尾部位置[24-25,26-29]。

熱液礦床元素暈理論上的相關(guān)關(guān)系為:①前緣暈、近礦暈和尾暈元素各自內(nèi)部應(yīng)彼此正相關(guān);②Au、Ag、Cu、Pb、Zn等近礦指示元素以礦體為中心向四周遠(yuǎn)離礦體的方向濃度降低,相關(guān)性減弱;③前緣暈指示元素As、Sb、Hg、B、F、I等和尾暈特征指示元素Bi、Mo、Mn、Co、Ni等不相關(guān)。

實(shí)踐中得到的熱液礦床元素相關(guān)矩陣結(jié)果往往與理論上的相關(guān)或不相關(guān)元素并不吻合,元素間相關(guān)關(guān)系會(huì)更趨復(fù)雜。

3.2 實(shí)踐中元素暈的相關(guān)性:以土堆礦床為例

實(shí)際工作中經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的元素相關(guān)矩陣往往是熱液疊加的結(jié)果,疊加作用會(huì)大大干擾礦體暈理論上的相關(guān)性。如金礦體中會(huì)出現(xiàn)本應(yīng)與Au相關(guān)的元素出現(xiàn)不相關(guān),而不應(yīng)相關(guān)的元素卻出現(xiàn)相關(guān)。

本項(xiàng)研究選取了土堆礦床中w(Au)≥0.5×10-6的樣品參與研究,共選取112件樣品研究其相關(guān)關(guān)系,總結(jié)其共性與特性。各微量元素相關(guān)矩陣見表2,相關(guān)關(guān)系特征元素見表3。

表3 土堆礦床元素相關(guān)關(guān)系特征Table 3 Correlation characteristics of elements of Tudui Au deposit

與主成礦元素Au相關(guān)的元素中,Au-Ag的相關(guān)系數(shù)最高(0.47),As、Sb、Hg前緣暈元素彼此相關(guān),Au、Bi、Te、Ag、Pb與Ag、Te、Cu、Zn等近礦元素間彼此相關(guān),Co、Ni與W、Sn等尾暈元素彼此相關(guān),均反映了與理論相關(guān)性吻合,為單一次成礦特點(diǎn);Au和前緣暈元素As、Sb與尾暈元素Co相關(guān),Ag和前緣暈元素Sb、Hg與尾暈元素Co、Ni、W、Sn相關(guān),均反映了疊加后的復(fù)雜關(guān)系。

地球化學(xué)研究表明,理論上不該相關(guān)的元素彼此相關(guān)的原因是成礦熱液存在疊加,使得單一次成礦形成的礦體-暈中元素理論相關(guān)關(guān)系遭到了破壞。大量的構(gòu)造疊加暈研究表明,相關(guān)的元素在后續(xù)模型構(gòu)建和盲礦預(yù)測(cè)中,具有更好的指示意義[22-24]。

4 相關(guān)性研究在抽象評(píng)價(jià)成礦潛力方面的應(yīng)用

龍口金礦和遼上金礦處在同一成礦帶中,二者相距較近,且礦床特征和礦石特征相似,特選取這2個(gè)礦床開展成礦條件和礦床規(guī)模的研究,對(duì)兩個(gè)礦床相同深度中w(Au)>0.5×10-6的鉆孔樣品進(jìn)行相關(guān)性分析,各選取18件樣品,元素組成見表4、表5。

表4 龍口礦床w(Au)>0.5×10-6的深部鉆孔元素組成Table 4 Composition of elements of samples from deep holes in Longkou Au deposit with w(Au)>0.5×10-6

表5 遼上礦床w(Au)>0.5×10-6的深部鉆孔元素組成Table 5 Composition of elements of samples from deep holes in Liaoshang Au deposit with w(Au)>0.5×10-6

兩礦床各微量元素相關(guān)矩陣見表6、表7,元素相關(guān)關(guān)系特征匯總見表8。

表6 龍口礦床深部鉆孔元素相關(guān)矩陣Table 6 Correlation matrix of elements of samples from deep holes in Longkou Au deposit

表7 遼上礦床深部鉆孔元素相關(guān)矩陣Table 7 Correlation matrix of elements of samples from deep holes in Liaoshang Au deposit

表8 龍口、遼上礦床深部鉆孔元素相關(guān)關(guān)系特征匯總表Table 8 Integration of correlation characteristics of elements of samples from deep holes in Longkou, Liaoshang Au deposit

由表8可以看出,兩礦床元素間的相關(guān)關(guān)系存在較大差異,遼上金礦的元素相關(guān)性復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過(guò)龍口金礦。根據(jù)李惠教授團(tuán)隊(duì)在上百個(gè)礦山的實(shí)踐工作,元素間的相關(guān)關(guān)系復(fù)雜,說(shuō)明成礦熱液成分復(fù)雜,其復(fù)雜程度能很好地反映成礦熱液的活動(dòng)強(qiáng)度和疊加程度等。推測(cè)遼上金礦的成礦過(guò)程經(jīng)歷了強(qiáng)烈且多期次的成礦熱液活動(dòng),最終形成了復(fù)雜且混亂的元素相關(guān)性;相比之下,龍口金礦的成礦熱液活動(dòng)與疊加程度要弱很多。由此判斷,遼上礦床深部的成礦地質(zhì)條件優(yōu)于龍口礦床,這一結(jié)論也與近年來(lái)探礦成果相吻合。

綜上,根據(jù)礦山礦(化)體樣品元素間相關(guān)關(guān)系的復(fù)雜程度,可以大致判斷一個(gè)礦區(qū)的成礦潛力。

5 相關(guān)性研究在判斷相鄰礦體成礦物質(zhì)來(lái)源方面的應(yīng)用

根據(jù)李惠教授團(tuán)隊(duì)多年的實(shí)踐工作,在相同成礦物質(zhì)來(lái)源的成礦區(qū)帶上,不同礦體元素的相關(guān)性往往比較相近。土堆、龍口、遼上3個(gè)金礦床雖同處牟乳成礦帶,但通過(guò)將3個(gè)礦床礦(化)體元素相關(guān)關(guān)系特征表(表3和表8)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn):Hg元素在遼上金礦和龍口金礦的相關(guān)性比較接近,只與近礦暈的Pb(Ag)相關(guān),這一特點(diǎn)與土堆金礦存在較大的差異。土堆金礦中Hg元素與前緣暈(As、Sb)、近礦暈(Bi、Ag、Cu、Zn)、尾暈(Co、Ni、W、Sn)元素均表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性,Zn元素也類似。B元素在遼上金礦和龍口金礦中與多個(gè)元素表現(xiàn)出相關(guān)性,而在土堆金礦中則僅與V元素存在相關(guān)。Cu元素在遼上、龍口金礦體中,主要與尾暈元素(Co、Ni、V、Ti、W等)相關(guān),而在土堆金礦體中,Cu元素與前緣暈(Hg)、近礦暈(Te、Ag、Zn)、尾暈(Co、Ni、Sn)元素均存在相關(guān)。

土堆、龍口、遼上金礦雖處于同一成礦區(qū)帶,但土堆金礦的成礦物質(zhì)來(lái)源可能與龍口、遼上金礦不同。實(shí)際中,土堆金礦緊鄰郭城斷裂,礦體傾向?yàn)镹W;而深部鉆孔控制的龍口、遼上金礦距郭城斷裂較遠(yuǎn),傾向?yàn)镾E。也有學(xué)者在研究中認(rèn)為土堆與龍口、遼上金礦的成礦物質(zhì)來(lái)源可能不同。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以地球化學(xué)勘查元素相關(guān)性為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)膠萊盆地東北緣的土堆、龍口、遼上3個(gè)金礦礦石樣品開展相關(guān)性研究,可總結(jié)得出三個(gè)方面的應(yīng)用:①通過(guò)將計(jì)算得出的礦床實(shí)際元素暈的相關(guān)性與理論上的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比,判斷成礦熱液是否存在疊加;②通過(guò)查看礦體元素間相關(guān)關(guān)系復(fù)雜程度,判斷成礦熱液的活動(dòng)強(qiáng)度、活動(dòng)期次等,進(jìn)而抽象評(píng)價(jià)研究區(qū)的成礦潛力;③通過(guò)對(duì)比不同礦床元素間相關(guān)性特征,判斷不同礦床的成礦物質(zhì)來(lái)源是否一致等。本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),從前人關(guān)注較少的三個(gè)維度對(duì)相關(guān)性研究在地球化學(xué)勘查中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

相關(guān)性研究作為地球化學(xué)特征性研究方法之一,在研究工作中圍繞元素間相關(guān)關(guān)系這一本質(zhì)特征,注重對(duì)元素表現(xiàn)出的相關(guān)性這一結(jié)果的直接應(yīng)用與解讀,從而使工作更為直接有效。在今后工作中可進(jìn)一步挖掘其應(yīng)用方向與領(lǐng)域。

致謝：成文過(guò)程中,得到中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院安娜同志的細(xì)心指導(dǎo)和校對(duì),在此表示衷心的感謝。