内蒙古维拉斯托锡多金属矿石英脉形态分带定量分析

李柱，张德会

(中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083)

大兴安岭南段是中国北方重要的锡铜银多金属成矿带，分布着至少23个锡矿产地，尤其是近些年白音查干(约22万t锡)和维拉斯托(约9万t锡)2个大型锡多金属矿床相继被发现，显示出该地区锡矿找矿具有巨大潜力，越来越多学者开始关注该地区锡矿床成因研究。前人对维拉斯托锡多金属矿床进行了详细的研究，包括与成矿有关的花岗岩成因、成岩和成矿年龄、流体包裹体、同位素地球化学等方面(江思宏等，2010；OUYANG et al.，2014；LIU et al.，2016；WANG et al.，2017；祝新友等，2016；翟德高等，2016；刘瑞麟等，2018a，2018b；周振华等，2019)，但目前鲜有对含锡钨石英脉形态方面的研究。通过钻孔揭露的资料和对井下巷道内矿化石英脉形态的观察，发现该矿床石英脉总体上呈缓倾斜产出，在剖面中部发育缓倾的厚脉，而厚脉的上、下两侧是倾角更缓甚至近水平的薄脉体，其分带类型既不同于岭南地区钨矿的“五层楼”分带模式(LIU et al.，2014；刘向冲等，2017)，也不同于葡萄牙潘纳斯卡拉钨锡矿床的整体近水平的叶脉模式(FOXFORD et al., 2000)。维拉斯托缓倾石英脉的形态分带现象在该地区并非个例，而是具有一定普遍性(LIU et al., 2016；周振华等，2019)，但是关于其成矿动力学机制的科学问题尚未被关注和研究。该问题制约着维拉斯托矿床和该地区类似矿床的外围和深部找矿方向和效率。笔者以维拉斯托锡多金属矿床中的含矿石英脉为研究对象，利用分形和混合筛分工具定量分析脉体形态分带和成矿元素在不同分带中的分布规律，探讨石英脉形态分带和成矿动力学关系。

1 矿床地质背景

维拉斯托矿床大地构造上处于中亚造山带大兴安岭南段晚古生代宝力道弧增生带内(图1a)，该区域从古生代末期开始到中生代期间，经历了碰撞造山、碰撞后伸展作用和受古太平洋板块俯冲影响的构造转换阶段，构造-岩浆活动强烈(刘瑞麟等，2018a；周振华等，2019)。

1.第四系；2.侏罗系；3.二叠系；4.石炭系；5.下元古界；6.华力西期花岗岩；7.华力西期石英闪长岩；8.燕山期花岗岩；9.闪长岩脉；10.花岗岩脉；11.隐爆角砾岩筒；12.背斜；13.向斜；14.断裂；15.矿床；16.剖面线a.区域地质简图；b.矿区地质简图图1 维拉斯托锡多金属矿地质简图Fig.1 Geological sketch of Weilasituo Sn-polymetallic ore deposit

区域出露的地层主要有：下元古界黑云斜长片麻岩和斜长角闪岩，上石炭统碎屑岩，中、下二叠统的火山碎屑岩和碎屑岩，中、上侏罗统含煤岩系和第四系(郭秉程等，2017)。矿区内地层出露简单，以下元古界黑云斜长片麻岩和第四系为主(图1b)。区域内的构造运动具有多旋回的特征，华力西期以褶皱构造运动为主，其中维拉斯托矿床发育在米生庙复背斜内，该褶皱为一枢纽北东向，轴面近直立，两翼倾角65°左右的复背斜。印支—燕山期构造运动则以断裂为主，形成近东西向、北东向和北北东西压扭性断裂带，控制着燕山期岩浆岩和矿体分布特征，矿区内主要以北北东向逆断层为主，控制着主要石英大脉和深部的石英斑岩的发育(付旭等，2015)。在岩浆岩方面，区域出露华力西期石英闪长岩、花岗闪长岩和花岗岩(308～320 Ma)(王新宇等，2013)，燕山期花岗岩(140～142 Ma)出露在区域内西南方向的北大山地区(LIU et al.，2016；管育春等，2017)；而矿区内岩浆岩则以华力西期石英闪长岩为主，局部出露花岗岩脉和闪长岩脉，与锡钨成矿密切相关的燕山期石英斑岩(135～140 Ma)隐伏在距地表400 m以下，呈岩钟状产出(祝新友等，2016)。此外，该区域内围绕维拉斯斯托锡多金属矿还发育着一系列铅锌多金属矿床(图1a)。

维拉斯托矿区南北长1.8 km，东西宽2.5 km，矿化面积约4.5 km2。石英脉型矿体主要赋存在片麻岩和石英闪长岩内，隐伏于地下，偶在地表上见到石英细脉，其脉厚(或称脉幅)集中在0.1～1 cm。石英大脉是脉型锡钨资源/储量最重要的贡献者，属于缓倾脉状矿体(图2)，受控于北北东向逆断层(付旭等，2015)。如Sn0号石英脉体是矿区内最大的矿体，未出露地表，构成本次研究的断层脉带的主体，总体走向为13°～45°，倾向为103°～135°，倾角为20°～40°左右，呈缓波状产出，具有分支复合和膨大缩小现象。此外，还有大量在节理内充填的石英薄脉体呈更缓产状，甚至近水平产出，倾角多在10°～15°左右。石英脉型矿体的矿石矿物主要有锡石、黑钨矿、黝锡矿、闪锌矿、铁锂云母等，脉石矿物则为石英、绢云母、黄玉、萤石、方解石等。根据矿物共生组合、围岩蚀变及穿插关系，矿床成矿期次可以分为：岩浆-热液期、热液期和表生期；成矿阶段可划分为：斑岩型锡矿化阶段、云英岩型锂矿化阶段、石英脉型锡钨矿化阶段、石英脉型硫化物矿化阶段、萤石-碳酸盐阶段和表生风化阶段(郭桂娟，2016)。

图2 维拉斯托锡多金属矿地质剖面图Fig.2 Geological profile of the Weilasituo Sn-polymetallic ore deposit

2 石英脉形态分带

尽管矿床范围内的石英脉在地表出露有限，但随着井下巷道的开拓，石英脉的产状和形态也逐渐被揭露(图2)。观察发现石英脉具有以下3个主要特征：①充填结构特征。②脉体缓倾斜产出。③受不同构造控制的脉厚/厚差异较大。在含矿石英脉中可以观察到铁锂云母沿着两侧脉壁垂直生长，脉体中心有锡石、黑钨矿及硫化物发育，局部发育石英晶簇，具有充填结构特征(FOXFORD et al.，2000)。脉体的倾角集中在10°～30°，不同于南岭地区“五层楼”陡倾石英脉(LIU et al.，2014；刘向冲等，2017)，也与葡萄岩潘纳斯卡拉钨锡矿床中基本近水平石英脉不完全相同(FOXFORD et al.，2000)，可能属于上述两者之间的过渡类型。含矿石英脉的脉厚在剖面上变化大，主要表现为：剖面中部是受走向北北东的缓倾逆断层构造控制的石英大脉，脉厚度较大，集中在0.40～3.00 m(图3a)；而大脉的上侧或下侧脉体以薄脉体为主，脉厚范围集中分布在1～30 cm，其形成可能主要受节理控制(图3b)；在剖面累计脉厚统计中(图4)，可以发现累计厚度曲线在中部较陡，而在上部和下部则较缓。根据上述特征，笔者将维拉斯托矿床中含矿石英脉在剖面上分为中部的断层脉带、上节理脉带和下节理脉带；断层脉带包括主干和分支断层内发育的石英脉以及之间节理内充填的石英脉体，其断层呈北北东走向，统计的倾角总体上小于45°，剖面呈缓波状，是在晚侏罗—早白垩世北西—南东向区域应力挤压的环境下形成的逆断层(付旭等，2015)；上、下节理脉带分别指在断层脉带上侧和下侧范围内发育的石英脉体，这些脉体的形成可能主要受节理构造控制。

a.南斜井2中3线处发育在断层内的厚大石英脉；b.南斜井2中与主运交汇处充填在节理内的石英脉图3 维拉斯托矿床巷道中脉体形态及产状Fig.3 Morphology and occurrence of quartz veins in the underworkings of the Weilasituo ore deposit

图4 维拉斯托矿床31勘探线钻孔内石英脉累计厚度剖面Fig.4 Cumulative thickness profile of quartz veins in boreholes of No.31 line of the Weilasituo ore deposit

3 数据与方法

目前，维拉斯托矿床中脉厚大于20 cm的含矿石英脉有100条以上，分布在不同开采水平段内。对于缓倾和近水平的脉体来说，利用钻孔能够有效揭露比较完整的脉体厚度和数量数据。为了探讨不同脉带中脉体的生长机制和在成矿过程中的定量关系，笔者对矿区内17条勘探线上的124个钻孔(直孔)中的脉体数据进行统计分析，统计内容包括：T-脉伪厚，Sn品位(%)，WO3品位(%)。其中，脉厚t需要利用轴夹角和脉伪厚进行计算求得，脉厚t计算公式如下(GILLESPIE et al.，1999)。

t=T×Sinθ；其中θ为轴夹角。

脉厚是脉体系统中的重要参数，而脉厚分形可作为解释脉体生长机制的重要工具，能够揭示脉体的连通性和生长规律(GILLESPIE et al.，1999；ROBERTS et al.，1998；ROBERTS et al.，1999)，目前已被应用于各类脉型矿床的分析(ROBERTS et al.，1998；FOXFORD et al.，2000；MONECKE et al.，2001；LIU et al.，2014；刘向冲等，2017)。脉厚分形原理是基于脉厚不小于t的脉体数量N(t)与脉厚t之间通常服从幂律分或负指数分布的关系，幂律分布公式如下(Liu et al.，2014；GILLESPIE et al.，1999)。

N(t)∝t-Dt；上式中Dt是脉厚的分形维数。

负指数分布公式如下(GILLESPIE et al., 1999；SANDERSON et al., 2008)。

N(t)∝e-Dtt

概率统计是地球化学研究经典和重要的课题，在追踪深部地质过程和分离背景与异常方面有着重要作用(CHENG et al.，1994)。在对地球化学元素进行分析过程中，常利用分形分布工具主要有以下4种：分形、多重分形、正态分布和多模式分布(ALLEGRE et al.，1995)。在成矿过程中，成矿元素品位也常服从幂律分布(申维，2002；刘向冲等，2017)。在分组适当和样品数量足够的情况下，多模式分布中的双峰或多峰曲线常代表多成因的总体混合分布(赵鹏大等，1994；LIU et al.，2020)。维拉斯托锡多金属矿床经历了多期、多阶段的成矿作用(OUYANG et al.，2014；LIU et al.，2016；WANG et al.，2017)，锡钨成矿元素品位可能服从多模式(混合)分布。因此，笔者综合利用分形和多模式分布手段对维拉斯托锡多金属矿床3个脉带的石英脉型WO3和Sn品位进行统计分析工作，其中多模式分布是利用MML-EM算法对锡钨品位分别进行混合分布筛分分析(算法见FIGUEIREDO et al.，2002；刘向冲等，2011，2017；LIU et al.，2020)。

4 分析结果

4.1 脉厚分形特征

维拉斯托含矿石英脉脉厚整体上呈现：上、下节理脉带平均脉厚相似，值均较小，而中部的断层脉带的较大(表1)。3个脉带的脉厚数据的负指数分布和幂律分布的分形分布拟合结果如图5和表1所示。从负指数分形分布结果(图5a)中可以看出3个脉带拟合优度均较高，接近1；而幂律分形分布拟合结果(图5b)中3个脉带的拟合优度均较低，仅在0.6～0.7左右，双对数曲线呈开口向下的弧形，曲线斜率变化较大。因此判断维拉斯托含矿石英脉脉厚分形服从负指数分布，断层脉带分形维数小于1，上、下节理脉带分形维数均大于1，上节理脉带分形维数略小于下节理脉带。

4.2 钨锡品位统计分布特征

4.2.1 钨锡品位分形特征

本次对3个脉带中统计的原始钨锡品位数据和截断数据分别进行了分形分布拟合，其中2个元素的截断数据的阀值均设为0.03%。整体上钨锡截断数据分形拟合优度略高于高于原始数据的，而钨品位分形拟合优度高于锡品位。不论钨品位还是锡品位，上、下脉带的拟合优度都要大于断层脉带的。原始数据和截断数据分形结果(表1，图6a、图6b)中3个脉带的锡分形维数均小于1，并且断层脉带分形维数均小于上、下节理脉带，上、下节理脉带的分形维数接近；钨品位的分形结果(表1，图6c、图6d)也显示3个脉带分形维数都小于1，断层脉带的钨品位分形维数也小于上、下节理脉带，上节理脉带钨品位分形维数略大于下节理脉带。

a.负指数分布拟合；b.幂律分布拟合图5 脉厚数据分形分布拟合图Fig.5 The fitting diagrams of fractal distribution of vein thickness data

表1 不同脉带脉厚和钨锡品位的分形分布统计结果表Tab.1 The fitting results of fractal distribution of vein thickness, Sn and WO3 grades in different zonations

a、b.原始Sn品位和截断数据拟合；c、d.原始WO3品位和截断数据拟合图6 钨锡品位数据的分形拟合图Fig.6 The fitting diagrams of fractal distribution of Sn and WO3 grades data

4.2.2 钨锡品位混合筛分特征

本次的钨锡品位混合筛分结果显示3个脉带的钨锡品位数据都服从混合对数据分布，筛分结果如表2和图7所示。3个脉带的锡和钨品位都由2个对数正态分布组成。断层脉带锡品位和钨品位2个子分部的均值分别都高于上、下节理脉带的，而上、下节理脉带子分部均值都相同或相近。

图7 钨锡品位混合筛分分布拟合图Fig.7 The fitting diagrams of mixed distributions of WO3 and Sn grades data

表2 锡和钨品位混合分布筛分结果Tab.2 Separation results of mixed distribution of Sn and WO3 grades data

5 讨论

5.1 脉厚分形分布意义

脉体通常是在围岩变形和流体因素共同耦合作用下生长的，目前用来解释其动力学过程的物理模型主要有渗流模型和随机生长模型(MONECKE et al.，2002；SANDERSON et al.，2008；刘向冲等，2017)。在渗流模型中，脉体的生长受渗透阀值的控制，在高于渗透阀值的骨干裂隙内会形成聚焦化流动，可以提供阻止早期水岩反应的必要流体渠道，同时伴随脉厚分形维数会减小(SANDERSON et al.，2008)。随机生长模型则强调脉体的生长受脉体成核率rn(单位时间单位体积内新生脉体数量)和脉体生长率rg(单位时间脉厚生在量)约束，脉厚分形维数Dt满足以下公式(MONECKE et al.，2002；刘向冲等，2017)。

在地质特征方面，维拉斯托锡多金属矿与具有“五层楼”分带的南岭大吉山钨矿和葡萄牙Panasqueira钨矿床的含矿石英脉均发育在隐伏花岗岩的顶上带内，围岩蚀变都比较弱；大吉山钨矿石英脉是陡倾脉，Panasqueira钨矿近水平产出的，维拉斯托矿床石英脉则是在北西—南东向挤压应力作用下形成的缓波状逆断层控制下呈缓倾状，其倾角介于上述两者之间；这种脉体产状的差异可能是由于应力条件的不同(刘向冲，2014；Foxford et al., 2000)。在脉厚(幅)方面，大吉山钨矿具有“五层楼”模式垂直形态分带，Panasqueira钨矿的脉厚(幅)则从矿体中心向外减小，维拉斯托矿床的石英脉脉厚也是从中间的断层脉带向上下节理脉带变小；三者脉厚的变化规律相近，具有共同的特征即脉厚增大的方向指向成矿热液的来源(ROBERTS et al.，1999)。

5.2 钨锡品位统计分布意义

在钨锡品位分形方面，3个脉带的分形维数均小于1，表明钨锡元素均发生了富集(刘向冲等，2017)。断层脉带的钨、锡品位分形维数值均高于上、下节理脉带，反映断层脉带内的钨锡元素富集程度或者富矿石比例要高于上、下节理脉带；而上、下节理脉带钨、锡品位均具有相似的分形维数则可以暗示两者富集程度相当。钨锡品位混合筛分结果反映出锡和钨元素在3个脉带脉体可能均经历了至少2次以上成矿作用，而不是一次充填或矿化作用下形成的，并且不同脉带可能具有相似的脉体充填次数。锡和钨品位的统计特征明显不同：总体上锡的平均品位高于钨平均品位(表1)；3个脉带的锡的分形维数均小于钨分形维数(图6)；与钨品位相比，锡品位子分部均值整体上比较大(表2)，如断层脉带锡品位子分布2均值(0.93%)是该脉带钨品位的子分布2均值(0.13%)的7倍；这些都表明该矿床锡的成矿强度要高于钨。这与南岭地区钨矿中钨锡元素统计特征区别很大(刘向冲等，2017)。

笔者所述成矿元素品位的分形结果并不是完美地服从分形分布，尤其是断层脉带，这些对数曲线都是不同程度呈现左侧平缓和右侧陡倾。这种现象在地学数据中普遍存在(CHENG et al.，1994；XIE et al.，2009)，其背后更深层次成因机制仍需进一步研究。

5.3 成矿动力学意义

6 结论

(1)断层脉带的厚脉和富矿比例均高于上、下节理脉带，并且其脉体系统连通性也显著高于后两者。

(2)3个脉带的钨锡品位都服从混合正态分布，都由2个子分部组成，暗示3个脉带脉体的形成均存在至少2次以上的充填成矿作用。

(3)上、下节理脉带在脉厚、钨锡品位分形维数和混合筛分特征方面均具有相似性，反映两者具有相似的成矿机制。

(4)与上、下节理脉带相比，断层脉带内的聚焦化流动、较低的脉体成核率、脉体叠加生长和矿化叠加富集可能造成其厚脉和富矿比例均高于上、下节理脉带的重要原因。

致谢：在野外踏勘、岩心编录和资料收集过程中得到内蒙古维拉斯托矿业公司的王可详总经理的大力支持，论文得到审查稿专家的有益建议，在此一并感谢。