甘肃北山白山堂铜矿外围找矿靶区地球化学评价方法示范

马生明, 朱立新, 唐世新, 徐明钻

1)中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北廊坊 065000;

2)中国地质科学院, 北京 100037;

3)江苏省地质勘查技术院, 江苏南京 210018

有统计资料显示, 1950—2000年50年间, 全球27个国家70个典型矿床中有41.5%是在老矿区外围,或已知成矿带附近找到的, 由此表明, 在已知矿床外围找矿是扩大矿产资源量的有效途径之一。通常情况下, 已知矿床及其外围地质矿产工作程度均相对较高, 因此要想实现地质找矿新发现, 应用的勘查技术需要有所创新和发展。本文以甘肃白山堂斑岩型铜矿为中心, 探讨了综合利用富集、贫化两类指标构成的异常结构进行找矿靶区优选的方法技术试验。结果证实, 与单纯利用成矿元素及其伴生元素形成的正异常相比, 综合利用富集、贫化两类指标形成的正、负异常及其构成的异常结构优选找矿靶区与已知(白山堂)矿区异常的吻合程度更高, 预测结果更有效。

北山地区地处塔里木板块与哈萨克斯坦板块的对接部位, 大洋岩石圈及沟弧盆体系在本区都有出露, 洋壳向陆壳演化过程中的火山-花岗岩类岩浆活动频繁, 成熟陆壳的再裂陷作用和裂谷型岩浆作用占重要地位, 两大古板块大陆边缘沉积作用类型较齐全。区内矿产资源丰富, 其中中型铜矿床3处, 成因类型分别是斑岩型、矽卡岩型和热液型。白山堂铜矿是斑岩型铜矿的代表性矿床。

白山堂矿床位于北山裂谷带, 俞井子—丁字路口石炭纪裂陷海槽褶皱带。岩浆岩主要为华力西中—晚期火山岩和中酸-酸性侵入岩, 属造山期产物,为钙碱性岩石系列, 表现为高硅、高碱特性。含矿浅成侵入体的围岩是蓟县系平头山群, 主要由绢云石英片岩、石墨石英片岩和钙质片岩组成, 矿体受到北北东向平移断裂控制(图1)。多数研究者认为该矿床属斑岩型成因(张廷瑞, 2003; 李文渊等, 2006),但也有研究者认为, 该矿床自下而上构成斑岩型—矽卡岩型—热液脉型成矿系列, 并建议在该矿区深部及外围加强勘查工作, 力求铜矿储量有大的突破(殷先明, 2003)。矿区内含矿流纹斑岩呈 NNE向以岩墙状侵入于前震旦系平头山群, 地表为浅紫灰色,深部灰绿—灰黑色, 聚斑状结构, 斑晶为石英和酸性斜长石, 基质一般为细粒-霏细状, 主要由长英质组成。含矿斑岩体在时间和空间上均与同期(或略早)的火山活动有直接关系, 是火山活动期后岩浆分异和侵位的结果(王玉往等, 1996)。在试验区北部, 一系列流纹斑岩脉呈近东西向出现在花岗岩体的南部,对这些流纹斑岩含矿性的评价是该区地质找矿的热点问题, 受到普遍关注和重视。

1 区域找矿靶区圈定方法及结果

区域地球化学勘查数据处理及异常、靶区圈定识别方法有许多种(谢学锦等, 2009; 徐明钻等, 2010;张焱等, 2011), 本文在广泛借鉴前期试验研究结果基础上, 依据白山堂铜矿所在的1:20万营盘幅区域化探扫描数据, 综合利用在白山堂铜矿中发生富集、贫化的典型元素, 包括富集的微量元素(Cu、Zn、Au、Ag、As、Sb、Cd、Mo)、常量组分(Fe2O3、MgO),贫化的微量元素(Ba、Sr)、常量组分(Al2O3、Na2O)构成的综合指标及异常进行靶区圈定。具体步骤如下:

1)利用1: 20万营盘幅区域化探数据, 统计上述4组元素中每个元素的背景值及异常下限。用图幅(即统计单元)内每个元素的分析数据除以该元素的异常下限, 对原始分析数据进行处理, 得到每个元素的衬值。

2)将统计单元内 Cu、Zn、Au、Ag、As、Sb、Cd、Mo等微量元素和 Fe2O3、MgO等常量化学组分的衬值分别按升序, 即从小到大的方式进行排序,构成富集类元素衬值数据集。

3)分别将富集类微量元素和常量组分衬值数据集中排位在第80%、85%、90%、95%位上的衬值之和除以微量元素个数7和常量组分个数2, 得到富集类微量元素和常量组分衬值算术平均值。

4)将富集类微量元素和常量组分衬值算术平均值的第 80%位上的数值作为富集类微量元素和常量组分衬值异常下限, 将第85%、90%、95%位上的数值作为衬值异常等值线, 制作富集类微量元素和常量组分衬值异常图。

5)将统计单元内 Ba、Sr等微量元素和 Al2O3、Na2O等常量组分的衬值分别按降序, 即从大到小的方式进行排序, 构成贫化类元素衬值数据集。

6)分别将贫化类微量元素和常量组分衬值数据集中排位在第80%、85%、90%、95%位上的元素衬值之和除以 2, 得到贫化类微量元素和常量组分衬值算术平均值。

7)将贫化类微量元素和常量组分衬值算术平均值的第 80%位上的数值作为贫化类元素衬值异常上限, 第85%、90%、95%位上的数值作为衬值异常等值线, 作贫化类微量元素和常量组分衬值异常图。

将富集类微量元素和常量组分衬值异常图和贫化类微量元素和常量组分衬值异常图组合在一起,形成1:20万营盘幅内由富集、贫化两类指标构成的衬值综合异常图(图2)。

图1 白山堂矿区地质略图(据甘肃省冶金地质勘探四队资料简编)Fig.1 Geological map of the Baishantang ore district(modified after No.4 Geological Party of Gansu Bureau of Geological Exploration)

图2 1:20万营盘幅水系沉积物测量综合异常图Fig.2 Comprehensive anomaly map of Yingpan Sheet based on stream sediment survey

从图 2中可以看到, 在营盘幅内已知的白山堂矿床产出位置出现了富集类微量元素、常量组分和贫化类常量组分等 3组元素异常。由此表明, 除成矿元素及其伴生元素的富集以外, 部分常量组分(Fe2O3、MgO)在矿区范围内也发生富集, 同时部分常量组分(Al2O3、Na2O)在矿区范围内发生贫化, 这应该是矿床中元素富集贫化特征在矿区范围内的宏观反映(马生明等, 2009), 同时也证实在矿床中发生富集、贫化的元素, 在北山地区以水系沉积物为采样介质的区域地球化学调查结果中同样有显示, 由此就为以异常结构模式思想为指导, 利用1:20万区域化探资料圈定找矿靶区提供了试验案例, 更重要的是证实了综合利用富集贫化指标在区域尺度上圈定找矿靶区是可行的。

如果将图2中所示的衬值综合异常均视为找矿靶区, 那么从图 2中不难看出, 每个找矿靶区内出现富集、贫化元素异常的情况是不同的。针对这种情况, 如何评价靶区的成矿前景, 文中利用异常结构模式的思路进行了探讨和示范。具体示范靶区的范围, 在充分依据图 2中展示的综合异常以外, 还特别考虑了微地貌条件及基岩出露情况, 对发育在以第四系地层分布区为主的综合异常不作为有利靶区考虑。故示范区范围与综合异常(包括白山堂矿床异常)分布范围不一致。

2 靶区评价方法示范结果

2.1 靶区评价方法技术

本文中所说的靶区评价方法, 是指以异常结构思想为指导的靶区优选、评价方法, 因此由富集、贫化指标构成的异常结构模式是靶区评价方法技术的核心内容。也就是说, 靶区评价示范的主要技术环节不是野外采样方法, 而是样品分析测试指标的选择及分析资料的解释、推断方法。以异常结构思想为指导的靶区评价方法与以往靶区筛选方法相比,最大的差别体现在以下两点: (1)分析测试指标类型的多样化(实质是矿化信息的多样化), 除以往工作中常规分析的成矿及伴生元素以外, 特别增加了矿化过程中发生富集的常量组分、发生贫化的微量元素和常量组分(这些指标异常的矿化指示作用很明显, 其蕴含的深层次矿化信息有待深入挖掘); (2)资料综合研究及解释推断时兼顾富集、贫化两类指标的指示作用, 也就是通过富集、贫化指标构成的异常结构模式而不是单纯的成矿及伴生元素异常对靶区成矿前景进行评价。

示范研究选择在已知白山堂铜矿及其外围进行。样品采集采用两种常规的地球化学勘查方法:一种是岩屑(–4 ～ +40目)测量, 另一种是裂隙岩石测量。岩屑测量采样深度20～30 cm, 采样对象为基岩风化产物, 样品加工粒级–4 ～ +40目。原始采样重量没有固定要求, 但是要求经过筛分处理后, –4 ～ +40目粒级子样的重量不少于 150 g。工作比例尺为1: 2.5万, 测网密度250 m×50 m。样品采自采样点周围位于点线距1/10距离范围内, 由2～3个子样组合而成。特殊情况下, 在规定的采样点范围内无法采到符合要求的样品时, 可以在 1/2点线距范围内移动采样点, 但是要综合考虑其与相邻采样点的位置关系, 采样点确定之后必须如实记录实际采样点位置的坐标, 并在实地做好标记。所采集样品用不锈钢样品筛筛分出–4 ～ +40目粒级子样送分析。

岩石裂隙测量采样对象是基岩裂隙充填物质,首选采样介质包括硅质细脉、断层碎屑、褐铁矿化物质、矿化蚀变物、脉岩等。样品在200 m×200 m方格网内采集, 在每个采样格子内, 随机、分散、尽量均匀地在4～5处采集岩石裂隙充填物或岩石样品,在每个子样采集点周围间隔5～10 m采集2～3个子子样。所有子子样的重量要大体一致, 一般为20～30 g。将每200 m×200 m采样格子内的4～5个子样组合成一个分析样送分析。

2.2 靶区评价示范结果

2.2.1白山堂铜矿示范区

在该示范区开展工作的目的有两个, 一是探讨已知白山堂铜矿床产出部位异常结构模式是否存在,二是在白山堂铜矿外围进行找矿靶区优选。白山堂铜矿由 4个矿带构成, 其中一矿带的 1号矿体是目前矿区内发现的最主要铜矿体(图1)。岩屑测量结果表明, 在整个白山堂铜矿范围内, 成矿元素Cu及伴生元素Au、Ag、Pb、Zn、As、Mo、Se等含量均较高, 形成了多处多元素组合异常。其中, 一矿段和四矿段内异常范围更大, 强度也更高。在一矿段 1号矿体产出位置出现较明显成矿及伴生元素正异常的同时(图3), 还出现了常量组分Fe2O3、MgO的正异常和 Na2O的负异常, 两组正异常与一组负异常分布范围总体吻合, 由此不仅证实了白山堂铜矿主矿体产出部位异常结构特征的存在, 而且还证实这种异常结构能够很好地指示矿体的产出位置, 为利用异常结构思想评价找矿靶区奠定了试验基础。

图3 白山堂铜矿示范区岩屑测量异常图Fig.3 Anomaly map of the Baishantang ore district based on debris survey

在白山堂铜矿三矿带北部与四矿带重叠部位出现了一处明显的 Cu异常, 除 Cu异常之外, 还有Ag、Pb、Zn等伴生元素及Fe2O3、MgO常量组分的正异常和Na2O的负异常, 构成了与一矿带1号矿体基本一致的异常结构模式, 而且异常与此处产出的呈近东西向展布的流纹斑岩脉吻合, 由此推测此处应该具有较好的找矿前景。

2.2.2 2010-1号示范区

2010-1号示范区分布范围内出现了富集类微量元素、常量组分和贫化类常量组分等3组元素异常,与已知的白山堂铜矿异常元素组合基本一致。示范区内出露的地层主要有长城系古硐井群、石炭系红柳园组、白垩系赤金堡组(图4)。野外样品采集方法采用岩石裂隙测量, 结果显示, 在该靶区内出现明显正异常的是As、Sb两个元素, 异常总体呈NWW向展布, 基本贯穿整个试验区。与As、Sb异常相伴出现的是Na2O的负异常。Na2O贫化显著, 含量低于0.03%的地段分布范围比较大, 基本与As、Sb异常范围一致, 综合As、Sb的正异常和Na2O的负异常分析, 此处应该经历了较强的成矿作用。但是与已知白山堂铜矿异常不同的是, 该靶区内基本没有出现 Cu 的异常, 不仅如此, 在 As、Sb、Na2O(–) 异常的南侧边缘和东南部地段出现了显著的Cu、Ag、Zn等成矿及伴生元素的负异常, 构成了与铜矿化截然不同的异常结构规律(图 5)。As、Sb、Na2O(–)、Cu(–)等异常产出在长城系石英片岩、千枚岩、变质砂岩、变质泥质粉砂岩中, 与这些元素的丰度相比, 各元素的异常强度都很高, 表明该地段矿化改造作用很强。在该异常带的中部偏西地段虽有 Fe矿点产出, 但规模较小, 分析如此强的多元素异常应该不是由该Fe矿点引起的。结合Sb、As出现强异常而 Cu等出现负异常这一结果推测, 此处异常如果成矿的话, 主矿化元素应该以 Sb、As为主。在Sb、As异常带的东南地段, 除Na2O的贫化强烈以外, 还出现了MgO、CaO的异常, 表明这一地段具有更好的找矿前景。从试验区地质背景以及异常元素组合、异常结构特征分析, 该试验区内的矿化类型可能不是铜矿化, 不过在这一试验区内以异常结构规律为指导的靶区优选方法技术的可行性和有效性还是得到了验证。据此认为, 异常结构规律不仅在铜矿, 而且在其他类型矿种的勘查中也同样有效。

图4 2010-1号示范区地质简图Fig.4 Geological map of study area No.2010-1

图5 2010-1号示范区岩石裂隙测量异常图Fig.5 Anomaly map of study area No.2010-1 based on rock fracture survey

2.2.3 2009-2号示范区

2009-2号示范区分布范围内出现了富集类微量元素、常量组分和贫化类微量元素、常量组分等 4组元素异常, 异常元素组合类型甚至比已知白山堂铜矿异常元素组合还多, 但是这些异常的分布范围并不完全一致, 尤其是贫化类常量组分异常, 在区域上构成了一个近南北展布的异常带。该试验区内大面积出露的地层主要是震旦系中统(Z21)绢云千枚岩、硅质板岩和石英岩, 第四系(Q2L)湖积亚粘土、亚砂土、粉砂土等出露于试验区的东南角。岩浆岩主要是华力西中期的闪长岩(δ42b)和花岗岩(γ42c), 闪长岩主要分布在试验区南部中间地段, 花岗岩分布在东部偏北地段(图6)。岩屑测量结果表明(图7), Cu及Ag、Pb、Zn、As、Mo、Se等元素出现了明显的正异常, 异常总体环绕花岗岩体呈弧形出现在远离岩体的震旦系地层中, 在Cu、Ag等元素正异常靠近花岗岩体一侧, 出现了常量组分 Al2O3、Na2O的负异常。试验区内Cu异常有3处(编号分别为I、II、III), 在这3处Cu异常中, III号异常产出地段除Ag等伴生元素正异常外, Na2O、Al2O3的负异常很明显,还出现有较弱的 Fe2O3、MgO正异常。该试验区内地质条件除地表未见流纹斑岩脉(体)以外, 其它基本与白山堂铜矿类似, 综合成矿地质条件及异常结构特征分析, Ⅲ号Cu异常具有更好的成矿前景。

2.2.4 2009-1号示范区

图6 2009-2号示范区地质简图Fig.6 Geological map of study area No.2009-2

图7 2009-2号示范区岩石裂隙测量异常图Fig.7 Anomaly map of study area No.2009-2 based on rock fracture survey

图8 2009-1号示范区地质简图Fig.8 Geological map of study area No.2009-1

试验区内出露地层以震旦系中统为主, 闪长玢岩脉及石英脉发育, 梧桐树沟铅锌多金属矿 1号采坑位于试验区中南部中间地段(图8)。岩屑测量结果表明(图9), 在该铅锌矿采坑及其周边, 除Au、Ag、Cu以外, 其它成矿伴生元素基本没有异常显示, 更令人费解的是Pb、Zn在这一地段也没有预想中的异常出现。范围比较大的 Zn、Pb、Ag异常出现在铅锌矿床采坑的北部, 以Zn异常范围最大, 浓集中心与Pb吻合。Ag异常浓集中心与Zn、Pb不吻合, 主体位于紧邻Zn、Pb浓集中心的东南侧, 与As异常吻合较好。在Zn、Pb、Ag、As综合异常产出地段,未见有规律的其它元素或常量组分异常, 即该异常地段仅有成矿及伴生元素异常, 而没有出现微量元素的贫化(负异常)、常量组分的富集(正异常)或贫化(负异常), 尽管试验区内有已知铅锌多金属矿床产出, 而且Zn、Pb等成矿元素的异常强度较高, 但是由于成矿元素产出地段异常结构规律不明显, 据此认为该异常进一步的找矿前景并不明朗。

3 结论

北山地区景观地球化学条件复杂, 主要表现在微景观条件变化很大, 可能给地球化学勘查方法技术的应用带来不利影响。从靶区优选方法技术示范结果来看, 无论是岩屑测量, 还是岩石裂隙测量,其结果均能有效发现地球化学异常、圈定找矿靶区,在此后的靶区圈定过程中可以根据工作区实际景观特征参照选用。在异常或靶区评价过程中, 综合利用富集贫化两类指标构成的异常结构判断矿化强度、评价成矿前景显示出较好的实用性。容易理解,矿化过程中不可能单纯发生成矿元素及伴生元素的富集, 同时必定伴有某些元素的贫化。由元素的带出而引起的贫化现象已经在众多矿床试验研究中得到证实(Robertson et al., 1987; 季克俭等, 1992; 孙承辕等, 1993; Shi et al., 1995; 朴寿成等, 1996;Goldberg et al., 2003; 马生明等, 2011), 现在可以肯定地说, 至少是在与热液有关的成因类型矿床中元素的贫化现象是普遍存在的。系列试验结果表明,矿床中元素的贫化在地球化学勘查中具有直接的指示作用, 与成矿及伴生元素配合使用, 可以对靶区的成矿前景进行更加合理、准确的评价, 这不仅为矿床地球化学勘查提供了有效手段, 而且也使地球化学勘查方法技术得到改进和提高。

图9 2009-1号示范区岩屑测量异常图Fig.9 Anomaly map of study area No.2009-1 based on debris survey

客观地说, 到目前为止矿床中元素的贫化机理尚不甚明了, 原因是此前对元素贫化指示作用的认识不足, 无疑会导致对相关研究工作的重视程度不够。既然现在元素的贫化现象及其指示作用的重要性已经被揭示, 那么此后有关这方面的试验研究理所当然将成为地球化学勘查方法技术应用基础理论研究的重要方面。在深入探讨矿床中元素富集过程、富集机理的同时, 加强对元素贫化过程、贫化机理的研究, 不仅可以对矿床的形成过程有更加全面、系统的了解和认知, 还可能利用富集、贫化元素间存在的“量化”内在固有联系提出定量化靶区评价指标及方法技术, 果能如此, 将使地球化学勘查方法技术及应用基础理论上一个新台阶。

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