西秦岭寨上卡林型金矿南矿段综合找矿模型及地质意义

薛仲凯，李朋伟，常铭，黄豪擎

(1.中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710100；2.中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心，河北 廊坊 065000；3.中国地质大学(北京)，地球科学与资源学院，北京 100083；4.中国地质调查局应用地质研究中心，四川 成都 610036；5.成都理工大学，环境与土木工程学院，四川 成都 610036)

20世纪60年代开始，自美国率先提出卡林型-类卡林型金矿床概念之后，该类型矿床便获得世界范围内普遍关注，截至目前，卡林型金矿床已经成为世界上重要黄金来源之一(陈国忠等，2017)。位于西秦岭造山带的寨上金矿床，属超大型金矿(陈衍景等，2014)，近年来专家学者们在寨上矿区做了大量的工作，同时也取得了一定的成果，例如刘新会(2005)通过研究矿床成因，认为泥盆系的沉积地层与矿区成矿物质来源有一定的联系；路彦明(2006b)通过40Ar/39Ar同位素测年，得出绢云母40Ar/39Ar年龄为(125±5) Ma，提出寨上金矿床成矿阶段主要是在燕山晚期；刘新会(2010)通过电子探针观测到闪长玢岩中存在辉砷镍矿、黝铜矿、锌黝铜矿交代黄铜矿现象；刘家军等(2015)通过元素和同位素地球化学工作成果，推测可能有岩浆流体参与成矿过程中，很多矿物学组合符合本区的成矿物质组合特征。

虽然寨上金矿已经成为地质工作者们最为关注的几个热点矿床之一，众多专家学者们对寨上金矿床均进行了系列的研究和探索。建立矿区综合找矿模型是寻找同一矿床深部盲矿体的关键手段之一，郝迪(2016)、张沛(2018)完成了矿区原生晕找矿模型的建立，但研究重点仍主要放在了北矿段，支撑南矿段深部找矿的系统性研究很少，对于南矿段而言仍没有很强的说服力，严重制约后期工作开展。

笔者通过分析物化探调查结果，综合研究找矿信息，建立了南矿段地质-地球物理-地球化学综合找矿模型，经过后期钻孔验证与模型预测吻合，有效的指导了南矿段下一步找矿工作。

1 区域地质

西秦岭寨上金矿床位于岷(县)-礼(县)多金属成矿带西段，大地构造位置为秦岭褶皱系中礼县—镇安华力西褶皱带的新寺-大草滩复背斜，北接祁连山褶皱系和北秦岭加里东褶皱带，南邻西秦岭印支褶皱带(刘一平，2012；岳连雄等，2009；喻万强2010a，2010b; 柯昌辉等，2020)。区域为一北西向复式背斜。因构造活动强烈，华力西期和印支期最为明显，有利于成矿；柯昌辉燕山期在一定程度上对前期区域构造进行了推进；到喜山期和新构造期，使断块发生位移，这些对形成地形地貌都有重要的推进作用。区域出露的地层以晚古生界为主，中、新生代地层次之，极少量早古生界地层只有在东北部可见，以泥盆系和二叠系为主，原岩为滨-浅海相碎屑岩、碳酸盐岩、泥质岩建造，断裂构造主要以北西向和近东西向为主。

2 矿床地质

该矿床中主要构造为卓洛-牛场次级背斜，矿体大致分布为以F5断裂为界的南、北矿段。北矿段位于背斜北翼，存在于F3和F5断裂带之间(图1)。南矿段位于背斜核部，位于F5断裂带以南(廖延福，2013，王增涛等，2015)。该背斜对成矿元素的保存和运移起着关键作用，伴生构造为矿体的形成提供了有利构造条件，二者在寨上矿区矿床形成过程中密切配合，缺一不可(胡建民等，2008)。背斜地层从内向外逐渐变新，依次为中泥盆统(D2)、上泥盆统(D3)和下二叠统(P1)，是一个不对称北倾倒转背斜，北翼为正常翼，地层特点为缓薄，南翼为倒转翼，地层特点陡厚(陈勇敢等，2004；郭红乐等，2003)(图2)。矿脉赋存于中泥盆统安家岔组(D2a)，脉体成分主要为碎裂岩，碎裂岩化钙质板岩，蚀变砂岩、灰岩，矿化、蚀变也比较发育，碳质是富集矿的重要场所，碎裂化岩石更利于富矿，岩石特征明显，是找矿最明显的标志(孙延光等，2013)。金属矿物有自然金、金属互化物、碲化物、白钨矿、黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、黝铜矿、方铅矿、菱铁矿，脉石矿物有方解石、石英、重晶石等(刘家军等，2010a；刘新会等，2010)。矿石的结构主要有自形结构、他形结构、草莓状结构等，构造有块状构造、浸染状构造、网脉状构造等。

1.第四系；2.老第三系砾岩；3.下二叠统碳质板岩；4.上泥盆统大草滩群B组下段含石英砂岩粉砂质板岩；5.上泥盆统大草滩群B组上段粉砂质板岩；6.中泥盆统灰岩、灰质板岩；7.中泥盆统安家岔组；8.地质界线；9.断层及编号；10.矿体及编号图1 寨上地区地质简图(据李福生等，2016修改)Fig.1 Geological map of Zhaishang area(According to LI Fusheng, et al., 2016)

图2 矿区褶皱-断裂示意图(据李福生等，2016修改)Fig.2 Schematic diagram of fold-fault in the mining area (According to LI Fusheng, et al.,2016)

围岩蚀变类型主要有硅化，黄铁矿化、白钨矿化、方解石化、毒砂矿化，可作为直接的找矿标志，其次，锑与金密切共生，锑矿出露特征明显，可作为金最好的找矿标志成矿物质来源。次生蚀变有褐铁矿化、高岭土化。寨上金矿床的形成经历了3个成矿期：沉积-成岩作用、中低温热液成矿作用和表生氧化作用等3个成矿期(刘家军等，2008；吕喜旺等，2007；张永文，2012)，根据热液脉的互相穿插关系以及矿物共生组合特征，将热液成矿阶段划分为以下5个成矿阶段：少硫化物-石英早阶段(Ⅰ)、含As黄铁矿-毒砂-石英主阶段(Ⅱ)、多金属硫化物-石英-碳酸盐主阶段(Ⅲ)、少硫化物-碲化物-石英-碳酸盐阶段(Ⅳ)和碳酸盐晚阶段(Ⅴ)(刘家军等，2010d)。

3 成矿区物探找矿标志

由于矿区浅部工作已开展很多，对于深部研究程度不够，可控源音频大地电磁法(CSAMT)因其在探测深度、横向分辨率和抗干扰能力等方面特点，对于解决深部矿体和地质问题具有重要的意义，为后期地球物理勘探地质解释提供解释依据(石昆法，1999；于泽新等，2009)。

3.1 矿区主要岩矿石电阻率信息

测定本区不同岩性的岩石电性资料，是开展野外工作的前提(表1)。

表1 寨上矿区主要地质体电性参数Tab.1 Electrical parameters of main geological bodies in Zhaishang mining area

通过表1看出，本区岩石间存在明显的电阻率差异，其中弱黄铁矿化破碎蚀变岩、碳质板岩电阻率相对较低，电阻率基本在100～250 Ω·m；砾岩、板岩电阻率相对中等，基本在300～600 Ω·m；灰岩、砂岩电阻率相对较高，电阻率在500～1 200 Ω·m。该矿区的围岩与矿体的电阻率差异很大，围岩为高阻体，矿体为低阻体，由于矿体范围小，经常由于叠加，导致测量结果无异常显示。含矿破碎蚀变带常常位于刚性与软性岩层的接触位置，对应为高阻与低阻的接触位置。另一方面，可以看出，蚀变的破碎的岩体其电阻率明显低于完整的岩层，故剖面中的显著的低阻异常所对应的破碎带也是赋矿有利空间。

3.2 可控源音频大地电磁测量的条件及方法

本次野外实际工作中使用美国Zonge公司生产的GDP-32多功能电法工作站，是目前国内外主流电法勘探仪器。测量方式采用CSAMT标量测量(图3)，其中本次工作供电极距AB约1.5 km，剖面观测点及供电极位置采用RTK定点布设，收发距r约10 km，测量极距MN为40 m。工作频率为1～18 192 Hz，自最低频率1 Hz始以 为倍数依次递增，采集全部27个频点数据，确定本工区最低远场频率为32 Hz，后以为倍数采集加密频点数据，共计22个频点。通过对实测数据观察，本测区于32 Hz进入远场区，后续采集时于最低远场频率32 Hz后加密观测频点。

图3 可控源音频大地电磁法工作方法示意图(据汤井田等，2005)Fig.3 Schematic diagram of the CSAMT working method(According to TANG Jingtian et al.,2005)

可控源音频大地电磁法实现效果需要满足以下条件：被测目的体位于探测盲区以下且具有一定厚度，并与围岩存在电性差异，各层电性稳定，测区无较强磁场干扰以及地形切割较弱。

3.3 南矿段43线可控源音频大地电磁法反演和解释

完成测深点的数据处理及基本数据分析工作后，需通过反演计算构建工区地下介质的电性结构模型，并在对模型进行分析的基础上，最终获得工区地下深层岩石电阻率值。实验剖面数据经处理成图后(图4)，与地质剖面相结合进行综合解释。

图4 寨上金矿区43线二维反演电阻率剖面图Fig.4 Two-dimensional inversion resistivity profile of 43 line in Zhaishang gold mining area

由43线二维反演电阻率剖面显示，沿剖面方向呈现高低阻异常间隔排列的形态，异常以剖面中部的东路沟为中心，两侧异常对称出现。结合地表观测和前期钻探工程ZK43-1、ZK43-2等钻孔揭露，43线地下主要以板岩和灰岩互层为主，结合上述岩石电阻率实验，剖面中1 000 Ω·m以上的部分为灰岩，在400 Ω·m以下的部分为碳质。板岩，在两者之间的部分为钙质板岩，剖面中部电阻率极低的部分为板岩的破碎带。剖面南侧的高低阻异常过渡部位经钻孔验证为区内31号矿脉，见矿部位位于脆性板岩同刚性灰岩的接触地带，于板岩中见矿，在电阻率剖面图中反应为电阻率快速变化的部位。在剖面中部位于研究区内东路沟处是剖面中明显的低阻异常L2，低阻异常两侧同高阻异常的横向电性梯度带均是赋矿有利部位，ZK43-1钻孔在L2低阻异常区域见矿及低阻异常北侧电性过渡带两处见矿，在H1高阻异常和L2低阻异常间的电性梯度带对应32号脉，矿脉成舒缓波状延深，略向南倾，下延深度较大有膨大富集可能。剖面北侧同南侧近似对称，高低阻异常间隔排列，结合剖面南侧钻探工程控制及规律总结，在剖面800 m处的电性梯度带应为研究区41号脉在43勘探线的延伸位置，对应的层间破碎带沿灰岩界面展布，整体北倾，产状稳定。

结合上述对于研究剖面的推测并结合钻探工程控制，对43线深部地质情况做以推测，以43线为代表的寨上矿区南矿段，处于卓洛-国营牛场背斜的构造控制下，研究区域内43线，以剖面中部的低阻异常为背斜核部，核部为板岩、破碎蚀变岩，两翼为灰岩和板岩互层，层厚逐渐变宽，即在电性模型中对应剖面中部两侧高低阻间隔排列。由北北东向应力的挤压，背斜两翼各地层产状近直立，剖面中显示为高低阻异常陡立接触。寨上矿区南矿段矿脉主要产在背斜核部及层间破碎带，矿脉产状与硬性岩石边界有关，背斜轴部及两翼层间裂隙发育，脆性板岩与刚性灰岩间岩性接触界面是深部构造薄弱部位，有利于含矿热液在这些部位赋存，而传统卡林型金矿的赋矿岩层碳酸盐岩即本区内的灰岩，在本研究区仅为含矿热液的阻挡层，因而地球物理找矿标志应确立为寻找在刚性灰岩两侧同板岩的接触部位，以及研究区内次一级的断裂或顺层裂隙对应的电性过渡带。在剖面中31号脉、40号脉等多条矿脉均符合这一方式。另一方面，由本次可控源音频大地电磁勘探来看，除了上述矿体赋存位置外，在背斜构造核部的低阻异常，其电阻率明显低于完整岩层的电阻率水平，应是大量密集裂隙的集中体现，故也是成矿有利部位。

3.4 地质-地球物理综合解译

结合上述地质-地球物理综合解译所确定的可控源音频大地电磁法深部找矿标志，对于笔者所研究的43线剖面地下成矿部位作出推断，布设了钻孔ZK43-6、ZK43-7，其中ZK43-7穿过高阻异常对应灰岩，在高阻异常南侧边界见矿33号矿脉，深部进入剖面深部低阻异常核心部位，于标高2 200 m见矿32号脉。同样，ZK43-6直接定位于32号脉深部延伸趋势，结合物探剖面显示推测矿脉延伸同高阻异常边界相关，即深部向南陡倾的推断，于标高2 500 m处见矿。钻孔见矿位置同CSAMT断面对应的横向电性梯度带及低阻异常核心部位相吻合，且对矿脉深部延展情况的推测符合实际情况，CSAMT法在寨上矿区深部探矿具有不俗效果(图5)。

图5 寨上金矿区43线地质解译图Fig.5 Geological interpretation map of line 43 in Zhaishang gold mine

4 成矿区原生晕化探找矿标志

随着地质工作的研究不断深入，发现南矿段钻孔见矿效果好，潜力大，使其逐渐作为重点研究区域，根据对南矿段各勘探线钻孔剖面研究，发现43线钻孔控矿效果好，样品多，所以选择43勘探线控制的脉体进行分析研究。

4.1 样品采集和分析

选定43号勘探线上的ZK43-1、ZK43-3、ZK43-6、ZK43-7五个钻孔，按照规范的采样方法，根据不同的岩性、矿化蚀变程度挑选地化样品共508件，对Ag、Au、Sb等10种元素进行测试分析。

4.2 因子分析

在用数据前还要通过计算检查是否符合计算要求，一般通过KMO和Bartlett’s球度检验进行检验，KMO值大于0.6就说明处理后的数据相关性好，适合做因子分析，数据处理后得到KMO值为0.712，大于 0.6， Bartlett的球度检验相伴概率为0.000，小于0.05，均符合因子分析条件。

从元素相关系数表(表2)中可以观察到，各因子之间有关联且强度不同，通过把有一定关联关系的因子组合进行系统解译，最大程度达到解译效果。利用“方差极大旋转”的方法，通过正交旋转因子分析得到因子载荷。从解译的总方差表(表3)中得到前3个因子的累积贡献方差为80.762%，故将前3个因子作为反应样品的主因子。

表2 寨上金矿南矿段元素相关系数Tab.2 Element correlation coefficient of south ore block of Zhaishang gold mine

表3 寨上金矿南矿段元素总方差Tab.3 Total variance of elements in the southern ore block of Zhaishang gold mine

从得出的表(表4)中可以总结出，将研究对象的矿石组分划分为3组正交因子组合。

表4 寨上金矿南矿段元素旋转成分矩阵Tab.4 Element rotation component matrix of the southern ore block of Zhaishang gold mine

F1:Zn-Cu-Bi-Pb；

F2:Au-Ag-As；

F3:Mo-W-Sb。

从解译的总方差得出，F1因子组合贡献值最大，最能代表这段的矿化信息，F1因子组合中的Cu，Zn以及Pb，所对应的成矿阶段为多金属硫化物-石英-碳酸盐主阶段，发育有方铅矿、黄铜矿等金属硫化物；F2的Au-Ag-As的组合中富集多种矿产，As在F2因子组合中的解译，含As黄铁矿导致Au的富集成矿，在该阶段可见黄铁矿和辉锑矿等，F2对应成矿阶段为含 As黄铁矿-毒砂-白钨矿-石英主阶段和多金属硫化物-石英-碳酸盐主阶段。通常表现为 Au与 Hg、 Sb、As共生为中低温成矿元素，基本与W富集无关。F3中W与Mo代表高温成矿元素阶段，主要由于热液中的钨杂多酸络合物，W与Hg、Sb、As在中低温热液矿床中共生。

4.3 原生晕轴向分带

4.3.1 异常特征

在利用地球化学方法寻找盲矿过程中，确定异常值和背景值是首要任务，异常值能够反映元素富集情况。通过分析测试结果可以观察出一定程度的矿化异常。对异常下限的计算，可以将研究区分为外、中、内带。通过区域划分可以直观的看清楚从内带向外带区域的分布以及含矿可能性的递减变化(吴运喜，1990；严汝珍等，1989)。

先计算求得所有元素的平均值X和标准离差S，通过对X+(-)2S求出Xmax(Xmin)，剔除范围外数据，重复计算直到没有异常值平均值即为背景值，再用背景值加上2S即为异常下限(Ca)，原生晕的对应Ca、2Ca、4Ca。其中，Ag的外、中、内带为Ca、3Ca、9Ca(表5)。根据矿体分布剖面图(图6a)绘制各元素异常剖面图(图6b—图6k)，对比各元素异常剖面图可得到以下结论：①元素Pb、Sb都具有完整的内中外三带，在矿体头部富集，越往深部含量越少，所以把这2个元素定为前缘晕元素。②Au、Ag、As、W 4个元素，内中外三带完整，在矿体中部比较富集，所以它们定为近矿晕元素。③Mo、Cu、Bi、Zn四个元素内中外三带完整，集中于矿体下部，故定为尾晕元素。综上所述，根据原生晕图和矿体的剖面图可以得到Pb、Sb为前缘晕元素，Au、Ag、As、W为近矿晕元素，Mo、Cu、Bi、Zn为尾晕元素。这些元素都用来研究指示可能存在的盲矿体。

表5 寨上金矿南矿段成晕元素浓度分带参数Tab.5 Zoning parameters of halo-forming element concentration in the southern ore block of Zhaishang Gold Mine

4.3.2 轴向分带序列

原生晕分带共有横向分带、纵向分带和轴向分带3种形式，对于深部找矿都有很好的指示意义，依据综合原生晕异常套合的特征，对深部隐伏矿体进行定位预测(王长明等，2007)，其中轴向分带被应用的最为频繁。在本次深部盲矿体预测中主要运用轴向分带形式进行分析预测，主要方法为格里戈良分带指数法(Beus et al.，1977；张艳宜，1996；白斌等，2018)。

对所得数据运用格里戈良分带指数法进行计算，剔除不符合要求的数值，再根据计算公式进行计算得到的比值就是每种元素的分带指数(表6)。依据此方法，将矿体从深到浅的轴向分带序列初步定为：As-Mo-Sb-Ag-Cu-Bi-Au-Zn-W-Pb。李惠(1999)根据研究推导出的典型分带序列，由浅至深：B-I-As-Hg-F-Sb-Ba-Pb-Ag-Au-Zn-Cu-W-Bi-Mo-Mn-Ni-Cd-Co-V-Ti。与前人典型序列进行对比，43线剖面原生晕具有以下特点。

表6 南矿段43线剖面原生晕分带指数表Tab.6 The index table of original halo in 43 line of the southern ore block

(1)典型分带序列的尾晕元素Mo、Bi分别位于43线剖面原生晕分带序列的前缘晕和近矿晕元素位置，说明以前上端可能存在矿体，已经开采过或长期地质作用破坏。

(2)典型分带序列的近矿晕元素Pb位于分带序列的尾晕元素位置，说明43线剖面深部有存在盲矿体的可能。

4.3.3 深部成矿预测

通过对南矿段43线剖面钻孔原始数据进行计算从而得出元素分带指数值，利用矿体对应各钻孔不同深度具有代表性的前缘晕元素组合与尾晕元素组合分带指数累乘值比值，该值大小反映前缘晕相比尾晕发育程度，进而预测深部矿体。

矿体预测模型：矿体头部选为标高2 500 m，其比值为8.7；矿体中上选为标高2 400 m，其比值为3.17；矿体下部选为标高2 300 m，其比值为28；矿体尾部选为标高2 200 m，其比值为1。

a.矿体剖面图；b—k.元素异常剖面图6 寨上南矿段43勘探线矿体和元素异常剖面图Fig.6 Section of the ore body and element anomalies in the 43 exploration line of the Zhaishang Southern ore block

从矿体深部预测模型(图7)可以得出，矿体的指标数经历了从减小到增大再减小的过程，表明矿体头部到中上部的时候，尾晕在不断发育，从矿体中上部到矿体中下部过程中，前缘晕不断发育，而后尾晕不断发育，指示矿体深部有可能不存在盲矿。

(选取(Sb×As)D/(Mo×Pb)D作为定量评价指标预测深部矿体)图7 寨上金矿南矿段深部预测模型Fig.7 Deep prediction model of southern ore block of Zhaishang gold Mine

5 综合找矿模型和找矿突破

整理分析多种找矿标志，综合观察各类标志信息，才能够更加准确为找矿服务。因此，综合考虑各类找矿信息标志，提出矿床综合找矿模型(表7)。根据上述找矿标志，结合物探和化探结果，在32号脉55号勘探线施工，进行钻孔验证，钻孔55-4孔深320 m，见矿位置为孔深27～47 m和118～135 m，Au平均品位分别为3.42×10-6和4.28×10-6,真厚度为6.37 m和2.80 m，岩性为碎裂岩化钙质板岩，蚀变岩化主要为黄铁矿化和硅化，该孔的见矿证明了该模型及方法对于本区域找矿是可行的，找矿工作有了突破性进展，对于以后工作开展具有重要的指导意义。

表7 寨上金矿南矿段综合找矿模型Tab.7 Comprehensive prospecting model for the south ore block of Zhaishang gold mine

6 结论

笔者通过在南矿段部分剖面运用地球物理和地球化学方法，对深部盲矿进行预测和深入研究，总结物理和化学找矿特征，结合地质找矿特征，建立综合找矿模型，对下一步找矿具有一定的指导意义，现将研究成果总结如下。

(1)ZK43-1钻孔在电性过渡带见矿， 32号脉也存在于电性过渡带，且矿脉成舒缓波状延深，略向南倾，下延深度较大有膨大富集可能，在横向电性梯度带含矿可能性大。

(2)结合各元素原生晕分布图与格里格良法计算结果推出南矿段43线剖面原生晕序列为：As-Mo-Sb-Ag-Cu-Bi-Au-Zn-W-Pb，通过与前人典型分带序列相比，分析得出一是典型分带序列的尾晕元素Mo、Bi分别位于43线剖面原生晕分带序列的前缘晕和近矿晕元素位置，说明以前上端可能存在矿体，已经过开采或长期地质作用破坏。

二是典型分带序列的近矿晕元素Pb位于43线剖面原生晕分带序列的尾晕元素位置，说明43线剖面深部有存在盲矿体的可能。从矿体深部预测模型可以得出，矿体的指标数经历了从减小到增大再减小的过程，表明矿体头部到中上部的时候，尾晕在不断发育，从矿体中上部到矿体中下部过程中，前缘晕不断发育，从矿体中下部到深部过程中，尾晕不断发育，指示矿体深部有可能不存在盲矿，物探发现的深部异常有可能是不含矿的破碎带或者是含碳地层。

(3)运用综合找矿模型，在南矿段55线进行钻孔验证，并得到理想效果。

致谢：感谢刘家军教授为本文提供写作思路，及修改意见建议，感谢郝迪、张沛师兄为本文写作提供指导意见。