地质内涵法在化探矿化信息提取中的应用探讨——以山东五井-悦庄一带为例

武斌，张海瑞，聂佩孝，徐友松，张洪滨，史国萍

(1.山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021；2.山东省海岸带地质研究中心，山东 潍坊 261021；3.山东省国土测绘院，山东 济南 250000)

0 引言

勘查地球化学找矿方法作为矿产地质调查中最主要的找矿手段，长期以来为区域地质找矿提供主要的找矿依据，对矿产资源勘查发挥了重要作用[1]。传统方法由于化探数据处理之后，利用化探数据的高低或结构特征来圈定异常，然后对化探异常进行评价，所以异常评价存在明显的主观性，异常评价过程主要受评价者专业基础和对工作区地质条件掌握程度等人为因素影响，很可能导致对高背景下的大范围的外带异常和可能具有找矿前景的隐伏低缓异常的遗漏[2]。深入挖掘勘查地球化学数据隐藏的成矿信息，强调成矿作用与地球化学信息的关联性，如何定性、定量地对异常进行客观的综合评价，消除异常评价的多解性问题，是化探数据处理的前沿课题[3]。传统的化探成果图包括地球化学图、地球化学元素异常图、综合异常图、组合异常图、异常元素剖析图。在前人化探数据处理的基础上，本文运用一种新的化探成果表达方式，从化探数据代表的地质意义出发，强调变量之间的相互关系[4]，利用成矿类型异常图和成矿强度异常图来直观的表达和评价区内的主要矿产的成矿潜力。

1 研究区地质背景

研究区位于华北板块鲁西隆起区鲁中隆起沂山-临朐断隆之沂山凸起与鲁山-邹平断隆之博山凸起、鲁山凸起的相毗邻地带[5]，中心部位为嵩山复式杂岩体(图1)，外围出露新太古代及中生代中酸性侵入体和寒武纪、奥陶纪地层，断裂构造发育，岩浆活动频繁。研究区内各时代地层发育较齐全，包括古生代长清群、九龙群、马家沟群、月门沟群，中生代淄博群、莱阳群、青山群，新生代官庄群及新生代第四系。

1—第四系；2—白垩系；3—侏罗系；4—二叠系；5—石炭系；6—奥陶系；7—寒武系；8—苍山序列侵入岩；9—沂南序列侵入岩；10—傲俫山序列侵入岩；11—推断断裂；12—实测断裂；13—不整合接触界线；14—嵩山褶皱穹隆图1 研究区地质简图

构造较发育，断裂构造以脆性断裂为主，褶皱次之。脆性断裂按展布方向划分，主要有NW向、NE向、近EW向、近SN向4组，构成研究区“米”字型断裂构造格架，均为燕山运动以来的产物(1)山东省地质调查院，山东省1∶5万五井幅、悦庄幅区域地质调查报告，1992年。；区内规模较大的褶皱构造是由中生代岩体侵位于寒武纪地层形成的穹窿构造--嵩山穹窿，位于研究区中部五井断裂以东的嵩山周围，穹窿核部为嵩山杂岩体，四周的寒武纪地层层理产状向四周倾斜，为中生代岩体就位时向周边推挤围岩所形成。

2 样品采集及分析测试

2.1 样品采集

研究区地球化学景观分区为低山丘陵区，沿断裂、裂隙等发育的沟谷切割较深，风化剥蚀强烈，多为干涸季节性河流，是粗粒碎屑主要供给源，化探样品均为水系沉积物样品，采样点密度为4.32点/km2，共采集样品3583件，其中重复样品79件。采样介质为代表汇水域基岩成分的细沙、粉砂等物质成分，采样粒度采用-60目粒级；重复样采集由不同同组人员或质量检查人员在同点不同时采集，用来衡量采样误差。按《地球化学普查规范(1∶50000)》(DZ/T0011—2015)的要求，本次重复采样数占全区总采样数的2.3%，五井幅内38件，悦庄幅内41件，重复样点都均匀分布在研究区内。具体样品采集情况见表1。

表1 样品采集情况一览表

2.2 样品制备

样品加工前在小于60℃恒温箱内进行充分烘干，并在实验室进行细碎加工，为防止样品污染，采用无污染的磨样机进行加工，样品的加工场所进行严格隔离；样品细碎加工的粒度为-0.074mm(200目)。符合粒度要求的样品重量均不少于加工前样品重量的90%，为保证加工粒度要求，质量检查人员每天在已加工好的样品中随机抽出一定的样品用不锈钢筛过筛，达到90%的样品通过-0.074mm(200目)。

2.3 分析方法

根据研究区的区域地球化学特征，结合成矿地质条件及近年化探普查元素分析项目的执行情况，本次研究确定的分析元素为Au，Ag，Cu，Pb，Zn，As，Sb，Hg，W，Sn，Bi，Mo，Ni，Co，Cr，V，Ti，Mn 18种元素，元素的测试分析方法如下：Au元素为化学光谱法，Ag元素为光谱深孔电极法，As，Sb，Hg元素为原子荧光法，Bi，Cu，Pb，Zn，Mo，W，Mn，Cr，Co，Ni，Sn，Ti，V元素为电感耦合等离子体质谱法。

样品测试通过重复样、二级标样等进行控制，经监控测试元素的报出率均为92.36%大于90%，二级标样精密度合格率为98.48%大于98%，金合格率为93.54%大于90%，内检分析、异常点检查和密码抽查结果的合格率为95.74%大于90%，样品分析结果均合格可靠。

3 确定异常下限

区内各化探元素数据基本符合正态分布[6]，在此基础上确定了研究区的异常下限(表2)，异常下限为平均值加两倍的标准离差求得。

表2 各元素化探特征值一览表

续表2 各元素化探特征值一览表

本次研究以地质时代和岩性特征为基础，划分地质子区[7]，统计各子区元素特征值(表3)。全区划分为4个地质子区，分别是寒武-奥陶系、第四系，新太古代基底花岗岩类，中生代侵入岩。各子区所包含的地质体岩性为:第四系主要岩性为黏土、泥质砂岩、砂岩等沉积物；寒武系包括长清群、九龙群，主要岩性为泥岩、砂岩、灰岩、白云岩等，奥陶系包括九龙群和马家沟群，主要岩性为灰岩、白云岩等；新太古代基底花岗岩类地质子区包括新太古代傲徕山序列花岗岩、万山庄序列变质岩；中生代侵入岩地质子区包括沂南序列和苍山序列，其中沂南序列岩性为闪长岩、二长闪长玢岩、石英闪长玢岩，苍山序列岩性为二长斑岩、石英闪长玢岩。

4 讨论

4.1 成矿元素组合分类

成矿元素之间的组合关系，揭示区内经历的主要成矿地质作用，可以较大程度的反映不同成矿类型的存在，亦可反映地质背景、构造环境、成矿规律等地质特征，因此科学合理的对成矿元素组合分类进行分析，并提取有用的矿化指示信息对成矿预测起着至关重要的作用[8]。本次研究运用SPSS数据处理软件，结合区内实际地质概况和不同类型矿床的元素组合分类特征，采用R型聚类分析法(图2)和主成分因子分析法，对大量的化探数据原始变量进行相关性分析[9]，利用各类成矿元素的组合特征来表达客观的地质成矿类型(表3、表4)。

表4 因子解释总方差一览表

图2 R型聚类分析谱系图(平方欧式距离组间平均连接)

表3 因子载荷矩阵正交旋转载荷一览表

研究区内已有铁寨、李季等比较成熟的矿产地，其金铜多金属矿床类型以斑岩-矽卡岩接触交代型为主[10]，故本次首先选取斑岩-矽卡岩型矿床类型的异常值进行分析研究，区内的矽卡岩型接触交代矿床与中生代燕山期侵入杂岩关系密切，故本次主要针对斑岩-矽卡岩型和浅成低温热型多金属矿开展成矿强度评价工作。首先对区内的化探数据进行元素相关性分析，运用的方法为R型聚类分析[11-13]和因子分析。其中R型聚类分析利用平方欧氏距离的标准化得分进行各元素组间平均连接，求得各类元素间的谱系图(图2)，然后按标准化得分小于16，得到四组元素组合类簇(元素组合大于1种)，分别为Ⅰ类簇为Ni，Cr，V，Ti，Co；Ⅱ类簇为Au，Cu；Ⅲ类簇为Pb，Zn，Ag，Mo；Ⅳ类簇为Sb，As。

因子分析利用主成分分析法对因子载荷矩阵进行正交旋转，变量选择取值在0.4以上的可以将其看作能够具有明显成因联系的元素组合。通过计算，可以得出累计方差贡献率为57.84%，并在旋转矩阵中根据主要载荷元素得出因子结构式，F1成分对应元素组合为Cr，Ni，Co，V，F2成分对应元素组合为Pb，Sb，Zn，As，F3成分对应元素组合为Au，Cu，Ag，Mo，W，F4成分对应元素组合为Bi，Mn，Ti。

斑岩-矽卡岩矿床系统中各类元素与成矿岩体的亲疏关系是不同的，受其地球化学性质影响，普遍存在元素分带。W，Cu元素相对来说较亲岩体[14]，一般来说在成矿岩体近端和成矿岩体中富集成矿；Au元素既可以在岩体中和岩体近端富集，又可在岩体末端富集；而Hg，Sb，As，Pb，Zn等元素则一般在岩体的远端富集[15]；本次分析测试的元素中Cr，Ni，Co，V，Ti，Mn，Bi元素均为基性—超基性类岩体富集元素[16-17](图3)。

图3 斑岩-矽卡岩系统成矿元素分带特征图[17]

通过R型聚类分析、因子分析和各元素与地质成矿条件的对应关系[18]，本次研究按照不同矿床类型所对应的元素组合类型将18种分析测试元素分为6类，其中大于两种元素个数的组合分为4类，具体如下：第一类，Cr，Ni，Co，V，该类为基性元素组合；第二类，Pb，Sb，Zn，As，为斑岩-矽卡岩矿床低温远端富集成矿元素；第三类，Au，Cu，Ag，Mo，W，该类元素为亲岩体的高温近端元素；第四类，Bi，Mn，Ti为基性元素特征组合，其组合类型根据聚类分析和因子分析结果划分。

4.2 矿床类型异常

矿床类型异常值其本质就是利用与不同矿床或是不同地质体相关的成矿指示元素[19]和环境指示元素的富集程度进行定量评价，从而客观的反映出不同类型矿床的成矿异常强度，其基础是指示元素的组合分类特征及其分类的置信度。

矿床类型异常值圈定代表矿床类型成矿的异常图主要用到以下表达式：

式中：Ad—矿床类型异常值，n—元素个数，Ci—某元素矿集系数，xi—某个采样点中第i种元素含量，Ti—某子区内第i种元素的异常下限，m—某地质子区内采样点个数。

n的选取原则可分以下3种情况：①该类型矿床相关的指示元素(包括成矿指示元素和环境指示元素)；②主成矿元素和只与该类型矿床相关的指示元素；③所有与该类型矿床相关元素；

斑岩-矽卡岩金铜多金属矿床类型异常的圈定，n选取Au，Cu，Ag，Mo，W五种组合元素，最终求得该类矿床异常图如图4A所示，该类金铜多金属成矿的高大全异常主要沿NW向的九山断裂断续分布，区内九山断裂最北端的异常具有两处浓集中心，分别位于铁寨和李季，而上述两者也正是铁寨金铜矿床所在位置，这也揭示了该类矿床类型异常圈定模型具有较高的置信度；区内九山断裂中段异常位于NE，NW，NWW向断裂交会处，该异常亦有两处浓集中心，其中一处位于寺头村附近，另一处浓集中心位于吕匣附近，吕匣附近的浓集中心的强度值为研究区内的最高值，显示出其具有较好的斑岩-矽卡岩成矿潜力，但在此处目前为止未有发现的金铜多金属矿(化)点与之相对应，故可以作为后期找矿勘查的重点；区内九山断裂南段异常位于下洋河附近，该处异常规模虽然相对较小，但其亦具有两级浓度分带，显示出该处具有一定找矿潜力。

斑岩-矽卡岩铅锌多金属矿床类型异常的圈定，n选取Pb，Zn，Sb，As四种组合元素，最终求得该类矿床异常图(图4B)，该类铅锌多金属成矿的异常分为两类，一类沿北西向九山断裂的两侧分布，且与九山断裂的垂向距离具有等距性特点，另一类沿区内南部的前寒武纪花岗岩类基底与古生代盖层的不整合面呈近东西向的波状分布，浅成低温热液矿化元素沿成矿结构面(不整合面)的富集沉淀是该类异常的主要成因，区内该类矿床成矿的主要寻找方向为各类深、大断裂两侧及成矿结构面[20]，但因区域上缺少铅锌多金属低温的成熟矿床(2)山东省地质调查院，山东省1∶25万淄博幅区域地质调查报告，2003年。，笔者认为在区内铅锌多金属矿床的找矿潜力具有一定局限性。

Cr，Ni，Co，V组合元素的成矿异常作为名义上的一种“矿床类型”，其在区内的主要地质内涵为该类具有基性—超基性特征组合元素的分布强度，从其成矿类型异常图上来看(图4C)，其主要沿区内NE向、NW向、NWW向的断裂分布，这类元素基性—超基性的特性揭示了区内的这几组断裂具有深大断裂的可能，另外根据研究区域上矿产特征及区内的成矿类型异常强度结合后期的矿产检查工作，初步推断区内这类元素组合的成矿潜力不大。

Bi，Mn，Ti组合元素成矿异常值的地质含义与上述“Cr，Ni，Co，V”相同(图4D)，在区内并未显示有高大全异常，这类组合元素的成矿外带异常，主要有特定地质体所引起，通过后期的研究工作发现，这类组合主要为区内寒武纪炒米店组的含铁质结核引起[21]，从圈定的异常图上亦可看出与寒武系地层空间分布对应性较好，异常强度较低但稳定，均属于低缓的大范围异常，该类异常对于成矿的指示意义不大。

1—第四系；2—白垩系；3—侏罗系；4—二叠系；5—石炭系；6—奥陶系；7—寒武系；8—苍山序列侵入岩；9—沂南序列侵入岩；10—傲俫山序列侵入岩；11—实测断裂；12—不整合接触界线；13—嵩山褶皱穹隆；14—金铜矿(化)体；15—砂金矿点；A组合类型为Au-Cu-W-Ag-Mo；B组合类型为Pb-Zn-Sb-As；C组合类型为Co-Ni-Cr-V；D组合类型为Bi-Mn-Ti图4 矿床类型异常图

4.3 成矿强度异常

对内生矿床而言，要形成一个矿集区、大型或超大型矿床必须要有多种地质作用叠加，单一的地质作用很难形成大型或超大型的矿床。而多种地质作用的叠加改造必然造成强烈的成矿物质交换和各种复杂的元素在空间上的聚集，从而导致组合元素的复杂[22]，利用组合元素的复杂程度来代表地质成矿作用的叠加复杂程度[23]，从而客观的反映在不同空间位置的成矿强度(图5)。

1—第四系；2—白垩系；3—侏罗系；4—二叠系；5—石炭系；6—奥陶系；7—寒武系；8—苍山序列侵入岩；9—沂南序列侵入岩；10—傲俫山序列侵入岩；11—推断断裂；12—实测断裂；13—不整合接触界线；14—嵩山褶皱穹隆；15—金铜矿(化)体；16—砂金矿点；17—金铜成矿远景区；18—金铜多金属找矿靶区；19—成矿强度异常极值图5 成矿强度异常图

用成矿强度异常值来圈定代表成矿强度的异常图主要用到以下表达式：

式中：Ad—成矿强度异常值，n—某子区内所有分析元素个数，Ci—某元素矿集系数(第i种元素含量值与该子区内第i种元素异常下限的比值)，xi—某个采样点中第i种元素含量，Ti—某子区内第i种元素的异常下限，m—某地质子区内采样点个数。n—选取原则可分以下4种情况：①代表某子区内所有已分析的元素个数；②代表某子区内成矿元素个数；③代表某子区内成矿元素+成矿指示元素的个数；④代表某子区内成矿元素+指示元素+环境指示元素的个数。

从成矿强度异常图来看(图5)，成矿强度的异常带集中区主要分布在3处。其中最北部一处成矿强度异常带位于铁寨-李季一带的NW向九山断裂沂南序列侵入岩分布地带，该处成矿强度异常带具有3处浓集中心，极值分别为11，11和10，代表该处至少具有10种以上成矿元素富集，反映出该处经历复杂的地质成矿作用叠加过程，具有较好的成矿潜力；另一处成矿强度异常带分布在九山断裂的吕匣-寺头一带，该处为NE向断裂、NWW向断裂与NW向九山断裂3组断裂交会部位，成矿强度异常具有两处浓集中心，极值分别为8和7，推测该成矿强度异常带地质成矿叠加作用稍弱于铁寨-李季一带，亦具有一定成矿潜力；第三处成矿强度异常带位于区内东南部下洋河-宝畔台-张家庄一带，成矿强度异常呈近东西向展布，长轴延伸方向基本与前寒武花岗岩基底与古生代盖层的不整合界线平行，下洋河浓集中心极值为9，宝畔台浓集中心极值为7，张家庄浓集中心极值为5，反映出该处成矿强度异常带从下洋河-宝畔台-张家庄地质成矿叠加作用逐步减弱，但该处异常带具有两级浓度分带，亦显示出具有一定的成矿潜力。

从上述3处成矿强度异常带的空间分布和规模可以看出均受断裂构造活动和中生代燕山晚期岩浆活动等重要地质成矿作用叠加影响[24]，且每个异常带内越靠近九山断裂其浓集中心的极值越大，说明九山断裂为区内主要的控矿断裂。

5 结论

(1)通过赋予数据以客观的地质内涵的方法，来圈定的成矿类型异常图、成矿强度异常图等带有特定地质意义的异常图能客观的凸显成矿规律性，研究区内已发现的铁寨、李季等成熟的金铜多金属矿床与本次化探矿化信息提取后成果表达的异常极值在空间位置上套合较好，很好的验证了本次研究的可信度，对于其他类型的矿床亦具有实用性。

(2)矿床类型和成矿强度的评价的核心是对成矿信息的分析与把握，关键是如何赋予各种成矿信息以客观的地质内涵，基础在于详实的野外地质调查与综合研究的有机结合，由理论认识创新带动找矿方法的创新最终实现找矿突破。

(3)矽卡岩型金铜多金属成矿强度评价成果在研究区内已有多处矿床进行验证，但是从矿床类型异常图和成矿强度异常图上来看，吕匣一带断裂交会部位斑岩-矽卡岩型矿床类型异常和成矿强度异常均有显示，指示该处斑岩-矽卡岩型金铜多金矿的成矿潜力较大，可作为研究区内下一步找矿工作的重点。

(4)根据本次对成矿类型异常图和成矿强度异常图的研究，结合研究区的地质特征、成矿背景、成矿环境在研究区内圈定出金铜多金属成矿预测区1处，预测区内根据已有矿床与成矿强度异常的相对应关系以及异常评价的置信度圈定金铜多金属找矿靶区3处。