新疆东天山地区磁性组分测量有效性研究

唐世新，马生明，李建军，宋云涛

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000; 2.河北省地质测绘院，廊坊 065000)

0 引言

典型的干旱荒漠区由于其独特的自然景观，通常表现为地势平缓、植被稀少、水系也不发育，并且风积作用较强，风成沙覆盖较普遍，用常规地球化学勘查方法圈定的异常除较弱外，一般还较零散且异常范围较小，以至于在该类景观区常规化探方法技术的使用受到限制。为彻底解决这一困境，勘查地球化学家们近些年来在该景观区做了大量试验研究，其中不乏包括地电化学与地气测量等新兴技术，也显示出一定效果，但由于技术本身始终面临一些问题，一直也并未真正大范围推广应用。可以说在干旱荒漠区地球化学勘查方法技术正面临着挑战，当然也面临着难得的发展机遇。作者及研究团队前期研究结果证实[1-3]，受自然环境条件影响，在半干旱草原景观残坡积物和风成沙土覆盖区，磁性组分测量技术显示出良好的找矿效果，而在新疆东准噶尔干旱荒漠景观区，磁性组分测量技术在斑岩型铜矿找矿勘查中具有较常规土壤测量更有效发现异常的能力，初步显示出其独特的优越性，应用潜力值得期待。土壤磁性组分测量方法技术有效性试验在东准噶尔地区的初步成功，为干旱荒漠景观区地质找矿勘查技术突破带来希望。但与此同时，试验区涵盖范围有限、矿床类型单一等问题又反过来制约着磁性组分测量技术的应用、发展以及推广。

东天山-北山成矿带成矿地质条件较好，是我国比较重要的 Fe、Au、Cu、Ni、W、Mo、Pb、Zn矿集区之一，铜镍硫化物矿床是该成矿带内较重要的矿床类型，而铜镍硫化物矿床本身磁性矿物含量较高，为开展土壤磁性组分中元素含量和分布特征研究提供了先决条件。因此为扩大磁性组分测量这一新方法技术的适用范围，同时更为了早日提出适用于我国干旱荒漠区有色金属矿地球化学勘查方法，作者以新疆东天山沙泉子铜镍硫化物矿床为试验区，开展磁性组分测量有效性试验研究，为说明方法技术本身的实用性，将磁性组分元素分析数据与常规土壤测量数据进行对比研究，以此来体现磁性组分测量技术的优越性，进而为该方法技术能够广泛应用于干旱荒漠景观区实际地质勘查中奠定基础。

1 试验区地质概况

沙泉子铜镍矿区位于塔里木板块与准噶尔板块间的那拉提-红柳河缝合带(NHT)。北部为巴仑台-星星峡离散地体，该地体是从塔里木古陆裂解出来的古老碎块，以往称中天山地块。古老的变质岩系为区域上出露的主要地层，基底历经多次构造活动，伴随极为活跃的岩浆活动，侵入岩大面积出露，为该区铜镍硫化物矿床的形成提供了必要的物质条件与环境条件。

1)区域地层分布范围较广，主要出露下石炭统雅满苏组(C1yb)、中石炭统底坎尔组(C2d)、二叠系下统阿其克布拉克组(P1a)、中元古界长城系星星峡群(Chx)和蓟县系卡瓦布拉克群(Jxkw)地层，其中，下石炭统雅满苏组为一套基-酸性火山岩，主要岩性为玄武岩、熔结凝灰岩类、晶屑岩屑凝灰岩、凝灰质砂岩、流纹岩等；中石炭统底坎尔组为一套中基性火山岩、碳酸盐岩组合，以火山碎屑岩为主，夹灰岩透镜体，局部见少量酸性凝灰岩；二叠系下统阿其克布拉克组主要岩性为玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩以及一些正常沉积杂砂岩、细砂岩、粉砂岩等；中元古界长城系星星峡群为一套滨海-浅海相碎屑岩建造，岩性组合为片岩、片麻岩及薄层大理岩；蓟县系卡瓦布拉克群为一套浅海相细碎屑岩，局部为海退泻湖相沉积，岩性组合为绿泥石英片岩、绢云母石英片岩、石英岩和大理岩。

2)区域构造比较发育，深大断裂主要有北部的沙泉子深大断裂及南部的红柳河深大断裂(图1)，沙泉子铜镍矿床在区域上则位于两大断裂之间，构造线总体表现为近东西向，断裂呈东西- 北东东-东西向波状延伸。区域东部为东宽西窄的带状白虎关复背斜，总体呈50°～60°方向展布，根据有关资料该构造呈西南倾伏，由一系列的背斜和向斜组成，沙泉子铜镍硫化物矿床就产出于白虎关复背斜的北翼。

3)区内岩浆岩十分发育，种类较多，岩性也比较复杂，主要出露有酸性、中性以及超基性杂岩体，受构造影响，岩体多呈北东-东向长轴状产出，并具有多期性。侵入岩以华力西中期中性岩为主，基性-超基性岩组成的天宇杂岩体，则分布在其边部及中部，脉岩一般规模较小，岩性从基性到酸性均有分布。沙泉子铜镍硫化物试验区内主要岩性有橄榄岩、橄辉岩、辉石岩、苏长岩、辉长岩、闪长岩、片麻状花岗岩及黑云斜长片岩等，其中单辉橄榄岩、角闪辉长岩、橄榄岩和斜长橄辉岩为主要含矿岩石[4]，目前已发现多处具有工业价值的矿体，片麻状花岗岩为矿体顶板围岩，黑云斜长片岩为矿体底板围岩。

图1 沙泉子试验区构造位置略图[13]Fig．1 Geological map of mafic-ultramafic rocks and structure of Shaquanzi deposit[13]

2 样品采集与样品分析

在沙泉子铜镍硫化物试验区内选择 3.75 km2(图2)，按照100 m×40 m 的采样网度系统采集土壤原始样品1 031件，在风成砂覆盖地区，采样深度一般为40 cm～50 cm。采集的土壤原始样品在野外经自然风干后，用不锈钢样品筛筛分出+4目～-60目及+60目～-120目两个粒级子样，前者用于常规土壤测量，后者利用电磁分选仪分离出土壤中天然磁性组分后，进行元素含量分析测试。

样品采用常规方法在无污染的玛瑙研钵机中研磨至 200目以下，送至辽宁省地质矿产研究院实验室分析测试。考虑到试验区为铜镍硫化物型矿床，土壤及磁性组分测量样品同时分析测试了 Ni、Co、Cu、Ag、Cr、As、Sb、Bi、Mo、W 等10种元素，分析方法、检出限如表1 所示。分析质量监控采用一级标准物质和重复分析方法，合格率100% (表1)，表明样品分析质量满足研究要求。

图2 沙泉子铜镍矿试验区地质简图Fig．2 Geological sketch of Shaquanzi Cu-Ni deposit

表1 样品分析方法及质量监控结果

注：XRF为压片法X-射线荧光光谱法；ICP-MS为等离子体质谱法； HG-AFS为氢化物原子荧光光谱法。样品分析测试单位为辽宁省地质矿产研究院。Ag以ng/g计量，其他以μg/g计量。

3 数据处理方法——EDA技术

本次试验采取常规土壤与磁性组分测量对比研究，因此选择合适的统计学方法尤为重要，常规的统计学方法都有明确的基本假设条件，例如迭代法要求整体样本符合正态分布，而它们又常常不能准确地描述勘查地球化学数据的真实特性，有学者曾提出一种非常规勘查数据分析技术(EDA)[5-9]，这种数据方法的优势在于其不需要任何假设条件，只是根据样本本身所固有的特性来识别异点，并且不需要预先对原始数据作任何数学处理，它利用式(1)与式(2)来识别异点。

Fu=Qu+1.5×Sh

(1)

F1=Q1+1.5×Sh

(2)

其中：Fu和F1分别相当于异常下限和异常上限；Qu为整体样本的上四分点；Q1为样本下四分点；Sh则相当于样本的标准离差。从式(1)与式(2)可以看出，在该种方法中，异常上限或异常下限并不会受个别异常值的影响，即样本中个别的极高值或极低值也就不会对整体样本的算术平均值和标准离差带来很大的影响，从而影响到异常下限的确定。因此，考虑到 EDA 技术能够有效抵抗个别异常数据干扰和影响[10]，本次研究采用该数据处理技术对土壤及磁性组分两种测量方法的分析数据进行处理，以更加客观、真实的结果展示磁性组分测量在东天山干旱荒漠地区的有效性。

4 结果与讨论

作者从数据本身(特征统计参数)和成矿元素的地球化学异常特征这两个方面入手，分别对两种测量方法进行对比研究。元素测试分析数据及其特征统计参数可以直观地反映出数据本身的差异，再通过人为解译出数据背后所包含的真实地质意义，而成矿元素的地球化学异常图件则可以直观地进行试验效果的比对，两个方面缺一不可。

4.1 特征参数统计

本次研究采用 EDA 技术中 boxplot 来对比突出显示沙泉子铜镍矿试验区土壤与磁性组分间数据的差异，以确定更具代表性的取样介质。与经典统计学相比，boxplot 的主要优势在于，它可以在没有任何假设模式的前提下描述元素的经验分布。因此，它是完全建立在数据结构基础上的。在 boxplot 中可以直观地看出一批数据的下列特征：位置、散度、偏度、尾长和外围数据点数，在相当程度上强化了对单一数据集上述特性的直观评价。这使得boxplot 非常适合于数据组之间的对比。

图3为试验区内成矿元素 Ni 的 boxplot 对比结果。土壤中 Ni 的中值为15 μg/g(表2)，异常下限为 40 μg/g，含量超过异常下限的试验点，即异常点数为 60 个。磁性组分中Ni的中值为 44 μg/g，异常下限为 93 μg/g，异常点数则达到 101 个。与土壤相比，磁性组分中成矿元素Ni表现为中值较高，实际上其中值还要高于土壤的异常下限，数据变化性较大，异常下限相当高，异常点数非常多，分析精度对结果的影响不大，具有明显的优势。

成矿元素 Cu 的 boxplot 对比结果示于图4，与 Ni 元素类似。土壤中 Cu 的中值为18 μg/g，异常下限为39 μg/g，异常点数仅为 57 个。磁性组分中Cu的中值为 50 μg/g，异常下限为 83 μg/g，异常点数则高达 98 个。与土壤相比，磁性组分中成矿元素 Cu 则表现为中值较高，甚至明显高于土壤的异常下限，数据变化性也较大，异常下限相当高，异常点数非常多，分析精度对结果的影响不大。

本次研究除了应用 boxplot 图解法直观地表现两种测量方法的差异性及优劣性以外，还选择了以往勘查地球化学数据统计方法中常用的均值、背景值、标准离差等参数，对比研究对土壤及磁性组分两种测量方法的有效性，特征参数统计见表3。

从表3中可见，磁性组分中统计的Ag、Cr、Co、Ni、Cu、As、Sb、Bi、Mo、W等十种元素相比土壤均表现为具有更高的平均值，一般是土壤的2倍～3倍。例如磁性组分中主成矿元素 Ni 和 Cu 含量平均值分别为 59 μg /g 和 58 μg /g，基本都达到土壤原样的3倍左右。背景值对比结果显示，其与均值基本一致，各元素背景值在磁性组分中更高，成矿元素Ni和 Cu 的背景值分别是土壤原样的 2.9倍和 2.7倍。从统计结果中可以看出，无论是平均值，还是背景值，抑或是表2中所罗列的元素异常下限值，均表现为磁性组分中数值较高，这无疑是更加利于把某些含量低、变化微弱的信息放大，增加异常识别的可能性。

图3 土壤和磁性组分中成矿元素Ni boxplot对比图Fig．3 Contrast boxplot of Ni of soil and magnetic material

图4 土壤和磁性组分中成矿元素Cu boxplot对比图Fig．4 Contrast boxplot of Ni of soil and magnetic material

表3 土壤及磁性组分测量部分元素地球化学参数统计

注：表中统计的土壤及磁性组分样品数均为1 031 件；表中元素除Ag含量单位为×10-9外，其余均为×10-6。

与单纯地对比元素含量高低相比，数据本身的离散程度(标准离差)能够更进一步反映地球化学勘查的实际效果。从表3中可见，土壤与磁性组分两种测量方法的元素分析数据标准离差存在明显差异，总体表现为磁性组分中元素含量标准离差较大。其中磁性组分中主成矿元素 Ni 的标准离差为60，土壤仅为30，前者为后者的2倍。从绝对离散程度看，磁性组分测量离散程度更大。

异常衬度在地球化学勘查中也是一项比较重要的参数，经常用来评价方法技术的有效性。表3中土壤和磁性组分两种测量方法异常衬度差异并不明显，因此仅从衬度角度来看，并不能突显出磁性组分测量技术的优越性。基于这种情况，本次研究中引入异常强度参数，以期望进一步展示该方法技术的实用优越性；而有研究表明[12]，异常强度的大小在一定条件下对异常源或矿体中元素含量和矿化规模有所反映。比对两种方法的异常强度发现(表3)，磁性组分测量各元素具有更强的异常强度，从数值上看，成矿元素 Ni、Cu 以及其它伴生元素均达到土壤的2倍～3倍。由此可见，相比常规土壤测量，磁性组分测量由于具有更高的异常强度，更有利于发现一些微弱的地球化学异常信息。

由上述特征参数综合分析可知，相比于常规的土壤测量，磁性组分测量具有高含量、高离散、高强度等优势，更加有助于发现和识别微弱的地球化学异常信息，具有更佳的找矿效果。典型荒漠区矿产勘查难度一般较大，勘查地球化学元素含量较低且变化不大，异常较弱，磁性组分测量恰好能够克服上述困难，通过提高异常强度来发现弱小异常，从而有望实现荒漠区矿产勘查突破。

4.2 成矿元素异常特征

本次研究主要通过主成矿元素 Ni、Cu 进行研究说明。为了对比研究的需要，统一使用 Mapgis 软件绘制地球化学异常图。将二种试验方法测量结果的异常图色阶均确定为3级，依次作为异常内、中、外带等值线，其中外带以 EDA 数据处理技术所得异常下限为准，中带及内带色阶则按照累积频率的方法获得。

沙泉子铜镍矿试验区土壤测量成矿元素 Ni、Cu圈定的异常总体相似(图5)，规模较小，在地表矿体出露部位有不连续的异常显示。异常总体分布在试验区南部，呈北东向展布，与控矿构造及矿体有较好对应。Ni、Cu 异常除在矿体部位有显示外，在∑19号杂岩体有少量弱异常分布。

磁性组分测量在沙泉子铜镍矿区圈出了规模较大、内部结构较清晰的镍、铜异常(图6)，主要分布在试验区南部及中部，外、中、内带三分带明显，具有多个浓集中心，Ni、Cu均可达到内带水平。元素 Ni、Cu 异常套合较好，形态不规则。在南部圈定的异常明显，呈带状沿北东向连续展布，异常范围大，分带性好，浓集中心也突出。试验区中部元素Ni异常总体呈东西向分布，与∑19号杂岩体产出位置一致，Cu 元素在此处也有较为明显的异常显示，而铜镍矿床的形成与基性-超基性杂岩侵位密切相关，因此基性—超基性复式岩体赋存位置是铜镍硫化物矿床成矿的有利部位。

上述试验结果表明，土壤及磁性组分两种测量方法在已知矿体出露部位均有较为明显的成矿元素异常显示，但两者在异常总体分布、规模和强度等方面还是存在一定差异。磁性组分测量成矿元素 Ni、Cu 异常表现为连续且规模较大，在已知矿体出露地表部位，圈出的成矿元素强异常分布规律较好，受岩体及构造等地质条件控制呈北东向带状分布，而在未知区同样有明显分带的强异常显示。相比而言，常规土壤测量除矿体出露部位圈定出强异常以及未知区的孤点异常外，其它基本为分布较散且范围较小的弱异常，异常在本试验区总体分布规律较差。

结合地质背景分析，磁性组分测量不仅在沙泉子铜镍矿试验区内已知矿体出露处圈出了强异常，并且在未知区也发现了规模大、强度高的异常；相反，土壤测量对弱小异常反映较差。磁性组分测量与土壤测量相比，具有如下优势：①保持了强异常，并且使强异常呈明显的带状分布，在试验区南部，矿体出露部位，二种测量方法均有异常显示，但磁性组分测量异常较常规土壤测量更规整也更连续，总体显示出北东向带状分布，异常面积也有所增加；②强化了弱小异常。常规土壤测量在∑19号杂岩体分布部位表现为弱、小异常，而磁性组分测量异常不仅强度大大提高，而且异常面积也有所增加，元素Ni更是显示出近东西向带状分布；③发现了新异常。常规土壤测量法除在矿体出露处圈出强异常及∑19号杂岩体分布部位显示弱、小异常外，基本再未圈出异常，而磁性组分测量却在试验区北部发现了较强异常。

图5 沙泉子铜镍矿试验区土壤测量异常图(图例参见图2)Fig．5 Geochemical anomaly maps of soil survey in Shaquanzi Cu-Ni deposit

图6 沙泉子铜镍矿试验区磁性组分测量异常图(图例参见图2)Fig．6 Geochemical anomaly maps of magnetic material survey in Shaquanzi Cu-Ni deposit

5 结论

本次试验研究表明，在受风成砂土干扰比较严重的干旱荒漠区，针对铜镍硫化物型矿床，通过磁性组分测量及土壤测量总体上均能够发现异常，但是在相同的采样位置和相同的采样密度条件下，与常规土壤测量相比，磁性组分测量能够更好地、更成功地圈出已知矿体，显示出较高的金属含量和地球化学异常强度，更有利于发现和识别荒漠区中微弱的异常信息。本次试验结果，为我国干旱荒漠景观区地球化学勘查提供了新的思路和借鉴，进一步扩大了磁性组分测量技术的适用范围，对指导该类景观区地质找矿具有明确意义。

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