低密度地球化学填图在热带雨林区的适用性探索：以印度尼西亚苏门答腊岛巴东明古鲁地区为例

程 湘，胡 鹏*，战明国，潘罗忠，戴 昱，潘贝红

1. 中国地质调查局 武汉地质调查中心，武汉 430205；

2. 广西壮族自治区地质矿产勘查开发局，南宁 530023；

3. 中国东盟地学合作中心(南宁)，南宁 530023；

4. 广西壮族自治区区域地质调查研究院，桂林 450304

1:5 万和1:25 万区域地球化学填图在矿产勘查界被公认为是一种有效的和应用广泛的找矿技术，20 世纪七八十年代许多国家都实施了这种类型的地球化学填图工作。这种方法对于局部小范围找矿非常实用，但是当面积上升到国家或者全球尺度，其经济适用性及效率会大大降低（Xie and Cheng,1997；Smith and Reimann, 2008；Zhao et al., 2014）。低密度地球化学填图有效的解决了这一问题，通过大面积低密度普查，发现区域异常，然后在其内部圈定局部异常直接找矿，从而降低风险并节约成本（施俊法，1999；王学求等，2005；谢学锦，2008）。同时该方法在环境评价领域的应用也很广泛，中国、欧洲、美国等已初步建立了覆盖本国的地球化学基准网来研究未来全球的化学变化（王学求，2013）。自20 世纪六十年代在非洲实施第一个低密度地球化学填图（1 个样/200 km2）计划开始（Garrett and Nichol, 1967），这种方法在欧洲（挪威1 个样/460 km2，芬兰1 个样/300 km2，德国1 个样/380 km2，葡萄牙1 个样/100 km2）、北美（1 个样/1600 km2）、澳大利亚（1 个样/550 km2）等地迅速推广，取得了一系列显著成果（Armour and Nichol,1970；Koljonen, 1992；Ottesen et al., 2000；Ferreira et al., 2001；Smith et al., 2013；Birke et al., 2015）。 中国近30 年来在中蒙边界、中哈边界、东天山、黑龙江等地也相继开展了1:100 万低密度地球化学填图工作（王学求，2001，2013；程志忠等，2005；Wang et al., 2007；张必敏，2008；Tian et al., 2018），不仅解决了森林沼泽、荒漠戈壁等特殊景观区地球化学填图的难题，还圈定了一批已知的矿床，并发现新的成矿远景区（王学求等，2006，2007）。

尽管低密度地球化学填图有许多成功的案例，但是在科学界仍然有人质疑其准确性，认为如此低的采样密度所生成的地球化学图是不可靠的，如果在相同地点重新采样、重新制图会得到不同的地球化学模式（Smith and Reimann, 2008）。为了验证低密度地球化学填图的可靠性与适用性，地球化学家们对比了中国、德国、芬兰、津巴布韦等不同国家不同尺度地球化学填图结果，发现低密度和高密度调查所生成的地球化学图在形态和变化趋势上非常类似，证明了低密度地球化学填图也能获得稳定的、可追索的地球化学模式（Xie and Cheng, 1997；王学求等，2005；Reimann et al.,2007；Smith and Reimann, 2008；Zhao et al., 2014；Birke et al., 2015）。目前，这种对比研究涉及热带草原、荒漠戈壁、平原丘陵等不同景观区，但是在热带雨林区还未进行过类似的对比研究工作。在当前“一带一路”背景下，低密度地球化学填图作为地质调查国际合作一项重要内容，将会在越来越多的国家推广实施，其中不乏热带雨林区。如果在热带雨林区也能取得良好的效果，将会为该技术在全球的推广提供更多的借鉴意义。

印度尼西亚苏门答腊岛属典型的热带雨林区，中国地质调查局武汉地质调查中心于2011～2014年度在该岛巴东—明古鲁地区完成了面积约125000 km2的1:25 万区域地球化学填图（1 个样/4 km2），2016～2018 年度实施了覆盖全岛的1:100万低密度地球化学填图工作（1 个样/100 km2）。本文试图通过对比巴东—明古鲁地区这两种不同尺度地球化学填图结果，探索低密度地球化学填图在热带雨林区的适用性。

1 地质矿产概况

1.1 区域地质特征

苏门答腊岛位于印度尼西亚北西缘，构造上处于欧亚板块与印度—澳大利亚板块碰撞过渡部位，受晚白垩纪以来俯冲作用的影响，发育典型的沟—弧—盆构造格架，并形成贯穿全岛北西—南东向苏门答腊大断裂（张海坤等，2017）。

研究区位于苏门答腊岛中部，出露地层主要为第四纪沉积岩、火山岩，新近纪—第四纪火山及侵入变质岩，古近纪和新近纪花岗岩、火山及侵入变质岩，第四纪河流冲积层（Qal）主要沿较大河流洪泛平原分布（图1）。研究区沉积岩以古近纪、新近纪和第四纪为主，包括Palembang 组、Ombilin组、Brani 组等，岩性主要为一套粘土岩、砂岩、砾岩等碎屑岩，局部夹煤层，主要分布在研究区中北部。变质岩主要为三叠纪Tuhur 组（Tts）和二叠纪Kuantan 组（Pck），集中分布在研究区中部和北部，其中Tuhur 组主要岩石为板岩、页岩夹薄层变质杂砂岩，Kuantan 组主要包括页岩、千枚岩、板岩、石英岩等变质岩。火山岩与侵入岩在区内广泛分布，在南部较为集中，主要为凝灰岩（Qpt）、安山岩（Qatg）、花岗岩（Jgr、Kgr、Ngr）、石英斑岩（Qp）以及一些未分异的熔岩（Qyl）及火山喷发物（QNau）。

1.2 区内矿产概况

图1 研究区地质简图Fig. 1 The simplified geological map of the study area in Sumatra, Indonesia

研究区位于苏门答腊铜、金、铅、锌、铁成矿带上，主要矿种为铜、铁、金（包括砂金）、银、铅锌等。矿床类型主要分三大类：接触变质型、低温热液型与沉积变质型。接触变质型矿床主要为与矽卡岩有关的铜、铜金矿床；低温热液型矿床主要为铜、铅锌矿床；而沉积变质型矿床则以铁矿为主。矿产资源的形成和分布严格受岩浆活动及褶皱断裂构造的控制。

2 研究方法

2.1 野外采样

巴东—明古鲁地区1:25 万地球化学填图以1:5 万地形图为野外工作手图，以水系沉积物作为采样介质，采样密度为1 点/4 km2，但在自然保护区、私人领地等难以进入地区采样密度放低到1点/16 km2以下，采样点主要布置在二级水系及三级水系上游地段。经与印尼方协商，采样粒级定为-60 目，样品重量过筛后大于150 g。共采集水系沉积物样品5145 个，含重复样174 个，覆盖面积约125 000 km2（图2）。

1 :100 万低密度地球化学填图覆盖整个苏门答腊岛，以1:25 万地形图为野外工作手图。巴东—明古鲁地区位于山区，该区域仍以水系沉积物作为采样介质，采样密度为1 点/100 km2，难以进入地区采样密度放低到1:250 万到1:500 万，采样粒级为-10 目，样品重量过筛后大于1 kg。共采集水系沉积物样品141 个，含重复样9 个。

2.2 实验室分析

两种不同尺度地球化学样品分析测试工作均由湖北省地质试验测试中心承担。该中心技术力量强、仪器设备先进，多年来承担国内外项目化探样品的分析测试工作，获得的数据比较可靠。

图2 研究区采样点位图Fig. 2 The geochemical sampling location map of the study area

样品在送到实验室分析测试前先进行样品加工，待样品烘干及杀菌工作完成之后，将样品粉碎至-200 目粒度送至实验室分析（1:25 万80 g，1:100 万250 g）。每50 个样品中插入4 个标样和1 个重复样，对分析质量进行监控。实验室以X射线荧光光谱法（XRF）、全谱直读光谱法（ICPOES）、等离子体质谱法（ICP-MS）为主，辅以原子荧光法（AFS）、离子电极法（ISE）、催化极谱法（POL）、发射光谱法（ES）等其它方法，对样品分析测试，其中1:25 万水系沉积物样品分析40 种元素，1 :100 万水系沉积物样品分析69 种元素，每种元素分析方法及检出限见表1。由于分析方法的检出限不仅与仪器本身有关，还受样品测试过程中取样量等因素的影响，而1:100 万和1:25 万两种不同尺度地球化学填图样品测试所需要的样品量是不同的，因此相同的测试方法很多元素的检出限有区别。

2.3 数据处理及制图

两种不同尺度地球化学填图的数据处理及图件编制均采用MapGIS 6.7 和GeoExpl（international）软件，其中MapGIS6.7 软件用于制作地理底图，GeoExpl（international）软件用于生成地球化学图。在GeoExpl 中用克里格法对原始数据进行网格化处理，计算模型采用指数加权模型，其中数据搜索模式采用圆域搜索，搜索半径为网格单元间距的2.5 倍（1:25 万网格间距为2 km×2 km，1:100万网格间距为10 km×10 km）。根据以上方法对数据进行网格化处理后在GeoExpl 软件中以等值线图生成地球化学图，在等值线过密区进行适当的抽稀，稀疏区进行内插加密。根据国际地球化学填图技术要求，地球化学图的编制采用累积频率的分级方法按累积频率2.5、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70、75、80、85、90、95、97.5（%）所对应的含量划分成18 级。1:25 万地球化学填图共编制40 种元素地球化学图，1:100 万地球化学填图共编制69 种元素地球化学图。

3 结果和讨论

3.1 不同采样密度的元素背景值对比

该区1:100 万和1:25 万地球化学填图所获得的元素背景参数见表2。元素背景值是指无矿化介质加入的情况下的元素的正常含量分布，在计算时采用迭代法将连续剔除大于平均值加3 倍标准偏差后的数据平均值作为元素背景值。

选取Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Fe、Ni 这七种研究区比较典型的成矿元素制作箱线图对1:100 万和1:25 万这两种不同尺度地球化学填图获得的地球化学数据进行对比（图3）。由图3 可以看出，由1:25万地球化学填图获得的这七种元素含量的最大值比由1:100 万地球化学填图获得的元素含量最大值要大，除Au 元素外，由1:25 万地球化学填图获得的元素含量的最小值比由1:100 万地球化学填图获得的元素含量最小值要小，但是它们的上四分位数、下四分位数和中位数却非常接近。因此可以认为，巴东—明古鲁地区两种不同尺度的地球化学填图尽管采样密度和样品个数不一致，但是元素的背景值和中位数非常接近，均可以代表工作区元素含量分布的平均水平。只不过1:25 万地球化学填图获得的数据范围更宽，即最小值更小，最大值更大，这是由于元素分布的不均匀性造成的，采样密度越大，其数据的离散程度也会越大，细节的刻画也会更具体，通过加密采样来追踪矿化体也正是利用了这一原理。另一方面也证明了这两种不同尺度的地球化学填图从野外采样到室内分析测试的全过程均具备一定可靠性。

3.2 两种不同类型地球化学填图结果对比

3.2.1 研究区矿产、地质体的分布以及与元素异常的关系

研究区位于苏门答腊铜金铅锌铁成矿带上，发育大量接触变质型、浅成低温热液型与沉积变质型矿床，这些矿床多数与石炭纪Kuantan 组地层以及侏罗纪花岗质侵入体相关。石炭纪Kuantan 组地层为研究区内最古老的地层，形成了研究区的变质沉积基底，呈北西—南东向分布，主要出露在研究区中部地区和东北部地区，岩性主要为泥岩、砂岩、灰岩和浅变质的千枚岩、板岩、石英岩等，为大陆架型浅海沉积。研究区中部的该组地层发育较多北西—南东向断裂构造，目前在其中已发现大量浅成低温热液型铅铜铅锌矿床和多金属矿床。1:100 万地球化学填图和1:25 万地球化学填图在该片区域均圈出多个Cu、Pb、Zn 异常，呈北西—南东向展布，且套合较好，与该区Kuantan 组地层具有良好的对应关系。而研究区东北部虽然也发育有Kuantan 组地层，但是由于缺乏构造活动，在该片区域并未发现具规模的铜铅锌矿床。

表1 两种不同尺度地球化学填图元素分析方法及检出限Table 1 The analytical methods and detection limits of the two different sampling densities

研究区中北部地区发育较多侏罗世花岗质侵入体，该侵入体可能与Sulit Air 深成岩套有关，呈北西—南东向展布，与区内发育的断裂构造方向一致。目前在该片区域已发现大量矽卡岩型铜矿床、铜金矿床，尤其在Sulit Air 地区不到300 km2的面积上，有十多个矿床点集中出现。1:100 万地球化学填图和1:25 万地球化学填图在该片区域圈出多个Au、Cu 异常，异常呈椭圆状，具多个浓集中心，与该片区域侏罗纪花岗质侵入体、金矿点的分布对应良好。在研究区东南部发育较多侏罗纪花岗岩，同时也存在较多断裂构造，两种不同尺度地球化学填图均圈出了Cu、Au 异常，由于该区研究程度较低，仅发现少量小规模Cu、Au 矿点，因此该片区域具备发现矽卡岩型铜金矿床的潜力。

表2 两种不同尺度地球化学填图获得的地球化学背景参数对比Table 2 Comparison of the geochemical parameters obtained by the two different sampling densities

基于以上研究，认为地球化学异常与矿点和地质体的分布有较好的对应关系，因此1:100 万和1:25 万地球化学填图所圈出的异常均能真实地反映研究区成矿元素的分布情况。

3.2.2 两种不同类型的地球化学填图获得的地球化学模式对比

图3 两种不同采样密度获得的地球化学数据箱线图对比Fig. 3 The comparison of the boxplots obtained by the two different sampling densities

选择苏门答腊岛巴东—明古鲁地区Au、Ag、Cu、Zn、Ni 这五种代表性元素进行两种不同尺度地球化学图结果进行对比研究，其地球化学模式对比分别见图4—8。

从图4—图8 可以看出，1:100 万低密度地球化学填图（1 个样/100 km2）和1:25 万地球化学填图（1 个样/4 km2）所获得的地球化学图在形态和变化趋势上非常类似，浓集中心的位置也较为重合，尤其是Au、Zn、Ni 这三种元素，浓集中心几乎完全重合，但是Ag 和Cu 却稍有偏差，这是因为1:100 万地球化学填图的采样密度偏稀，造成元素在沿水系分散过程中异常发生偏移。1:100 万低密度地球化学填图所圈定的多为地球化学省以上的异常，将若干区域异常连成一片，而1:25 万地球化学填图则是将地球化学省分解成了若干区域异常，且区域异常细节更为清晰，局部一些小的区域异常也能反映出来。这与前人在平原丘陵、热带草原、荒漠戈壁区的研究结果非常类似（Xie and Cheng, 1997 ； 王 学 求 等，2005 ；Reimann et al., 2007 ；Smith and Reimann, 2008 ；Zhao et al., 2014；Birke et al., 2015），因此认为1:100万低密度地球化学填图在热带雨林区也能获得稳定的、可追溯的地球化学模式。

图4 两种不同采样密度获得的Au地球化学图对比Fig. 4 The comparison of Au geochemical maps obtained by the two different sampling densities

图5 两种不同采样密度获得的Ag地球化学图对比Fig. 5 The comparison of Ag geochemical maps obtained by the two different sampling densities

图6 两种不同采样密度获得的Cu地球化学图对比Fig. 6 The comparison of Cu geochemical maps obtained by the two different sampling densities

以上事实说明1:100 万低密度地球化学填图在热带雨林区也能有效的圈定成矿带或矿集区所形成的大规模地球化学异常。尽管异常细节不如1:25 万地球化学图清晰，但是却是一种快速、低成本圈定大规模地球化学异常的填图方法，能为后期的矿产勘查工作指明方向，降低勘查风险。

4 结论

图7 两种不同采样密度获得的Zn地球化学图对比Fig. 7 The comparison of Zn geochemical maps obtained by the two different sampling densities

图8 两种不同采样密度获得的Ni地球化学图对比Fig. 8 The comparison of Ni geochemical maps obtained by the two different sampling densities

（1）使用1 个样/100 km2和1 个样/4 km2这两种不同采样密度的地球化学填图获得的元素背景值和中位数非常接近，证明了不同尺度的地球化学填图均可以获得调查区内元素分布的总体含量水平，所采集的样品具有代表性，分析技术是可靠的。

（2）研究区1:100 万低密度地球化学填图和1:25 万地球化学填图所圈定的地球化学省在形态和变化趋势上非常类似，浓集中心的位置基本重合，表明这两种不同尺度的地球化学填图均可获得稳定的和可追溯的地球化学模式。

（3）研究区两种不同尺度地球化学填图的对比研究结果与热带草原、平原丘陵、荒漠戈壁等景观区非常类似，证明低密度地球化学填图这种工作方法在热带雨林区是适用的，助力了该方法在全球的推广。

（4）低密度地球化学填图能圈定地球化学省规模以上的异常（前提是研究区内存在大规模的地球化学异常），在这些异常区内开展大比例尺的地球化学填图工作，圈定局部异常直接找矿，从而降低企业勘查投资风险。

致谢：本文在写作过程中得到了刘江涛博士、赵凯博士、姜军胜博士、白杨工程师的帮助，张海坤、曹亮、刘阿睢、赵辞、向剑桥等高级工程师在野外采样过程中给予了指导，在此表示衷心的感谢！