梁 鸣,罗先熔,刘永胜,2,王晓东,陈 皓,刘攀峰,杨青松,桑园林,竹 峰
(1.桂林理工大学地球科学学院隐伏矿床预测研究所,广西桂林 541006;2.甘肃省有色金属地质勘查局天水矿产勘查院,甘肃天水 741024;3.河北省地矿局第四地质大队,河北承德 067000)
小梨树沟研究区位于河北省围场满族蒙古族自治县北部,属于大陆性、季风型山地气候区。小梨树沟地区地形总体西北高、东南低,西北部相对高差较小,地表第四系黄土风成沙覆盖较厚、地表基岩露头少、水系不发育;东南部相对高差较大,沟谷发育,切割侵蚀强烈。近年来,在研究区周围发现满汉土-小扣花营银矿(李国兴,1993;赵向奎等,2018)、五十六号银多金属矿化点,表明了该地区具有较好的成矿潜力。
土壤地球化学测量通过系统采集地表疏松残坡积物样品,分析其中元素含量,总结元素间的聚合、分离规律,进而发现异常并对异常进行解释与评价;该方法在寻找浅覆盖区矿体时具有快速、有效的特点(罗先熔等,2007;张善明等,2011;杨笑笑等,2018;李超等,2020;袁和和许云鹏,2021)。前人在研究区及周边已开展过研究程度较高的地质和化探工作,如:2012~2014年,河北省地矿局地质调查院开展了大唤起鹿场幅1:5万区域地质调查工作,对研究区的地层、构造等特征进行了划分及描述,为本次土壤地球化学测量工作提供了基础地质信息;2017年,河北省地矿局第四地质大队开展了大唤起鹿场幅1:5万水系沉积物测量工作,显示出研究区所在的水系沉积物异常区以Pb-Ag-Zn-Cd-Au组合异常为主,5种元素均具Ⅲ级浓度分带,异常形态规则,套合较好,初步圈定了水系沉积物异常区范围①。
本文工作在前人成果的基础上,开展1:1万土壤地球化学测量工作,运用地球化学方法分析元素的分布特征、富集规律,划定综合异常带,通过槽探工程对异常进行验证。通过详细查证,进一步缩小找矿范围,同时对研究区内找矿潜力进行评价,为下一步勘查工作指明方向。
研究区大地构造位置(图1a)位于华北陆块区北缘的冀北岩浆弧内、额尔齐斯-西拉木伦对接带的通辽岩浆弧的南侧(潘桂棠和肖庆辉,2015)。区域构造活动复杂,活动具有多期性,以断裂构造为主(图1b),主要断裂为姜家店断裂(陈鸿沛,2019)。
图1 小梨树沟地区大地构造位置图(a,据潘桂棠和肖庆辉,2015修编)和区域地质图(b,据注释①)
区域内一般断裂展布方向以北东向为主、北西向为辅,同时在岩浆活动过程中形成了围绕火山喷发中心的环状、放射状火山断裂。北东向断裂主要有F1正断层、F4正断层和F10正断层,控制着区域构造格局;北西向小断裂错位切割北东向断裂,导致区域火山喷发和岩浆热液活动频繁,是有利的成矿构造。
研究区主要出露地层有下白垩统张家口组二段、中新统汉诺坝组以及第四系松散沉积物(图2)。
图2 研究区1:1万地质草图
下白垩统张家口组二段(K1z2)主要分布于研究区山腰部位。组内岩性呈层状分布,从下至上依次为火山角砾岩、粗安岩、安山岩、粗面岩。火山角砾岩多呈灰黑色,角砾状构造,岩石中角砾多为粗面岩、粗安岩等,呈棱角状-次棱角状,砾径2~20 mm,胶结物为硅质;粗安岩,新鲜面多呈紫灰色,斑状结构,块状构造,斑晶为斜长石,含量较低,在3%~5%之间,基质为隐晶质;安山岩风化面大多呈深灰-灰褐色,新鲜面多呈浅灰-浅紫灰色,斑状结构,块状构造,斑晶为斜长石,在7%~8%之间,基质为隐晶质;粗面岩风化面大多呈黄褐色,新鲜面多呈浅灰色,斑状结构,块状构造,斑晶为斜长石,在3%~5%之间,基质为隐晶质。
中新统汉诺坝组地层(N1h)位于研究区西北部及东部地形较高的山顶处。主要岩性为橄榄玄武岩,灰黑色,斑状结构,块状构造或气孔构造。斑晶为斜长石、橄榄石和辉石;基质主要为斜长石,呈自形板条状,分布杂乱,粒间充填橄榄石、辉石和磁铁矿构成间粒结构,磁铁矿呈半自形-它形晶粒状充填在斑晶矿物颗粒之间。
在小梨树沟研究区进行1:1万土壤地球化学测量,按照《地球化学普查规范(1:50000)》(DZ/T0011-2015)和《土壤地球化学测量规程》(DZ/T0145-2017)要求,并结合研究区的实际情况,1:1万面积性土壤测量网度设置为100 m×40 m;土壤剖面测量测线垂直异常长轴,且大致垂直地层、构造线和矿化(蚀变带)走向,点距设置为20 m。采样物质为原地残积物或残坡积物。采样深度一般为30~60 cm,风积物和腐殖层较厚时,则穿透风积物和腐殖层取样。在采样点周围5 m范围内多点取样组合成1件样品。经粒级实验验证,采样粒度为-10~+60目,并保证加工后可用样品质量在150 g以上。
研究区面积2.76 km2,本次工作共布设测线13条,采集面积性测量土壤样品699件(图3),重复样16件。样品在河北省地矿局第四地质大队实验室进行测试分析;分析元素:Au、Ag、Bi、As、Cu、Pb、Zn、Mo、Mn共计9种。其中Au采用石墨炉原子吸收法;Ag采用发射光谱法;As采用原子荧光光谱法;Cu、Pb、Zn、Mo、Mn、Bi采用电感耦合等离子质谱法。
图3 研究区取样点位图
样品分析测试的报出率以及一级标准物质的准确度、精密度等质量控制指标均满足规范要求。
运用Geochem Studio软件对研究区采集的699件样品的分析结果进行参数统计(表1)。统计参数包括最大值、最小值、算术平均值、标准离差、变异系数(CV1)及迭代剔除特异值后的均值加减3倍标准离差后的算术平均值、变异系数(CV2)等。
将区内各元素算术平均值与中国土壤丰度值(鄢明才等,1997)的比值,作为富集系数(X1/Cf1),来反映其各元素相对富集贫化趋势(翟玉林等,2015;罗恒等,2021)。由表1可见,元素Pb、Zn、Mo、Mn的富集系数大于1.2,表明这5类元素处于高背景场,局部富集;元素Au、As、Bi的富集系数小于0.8,表明这3类元素在研究区局部贫化;元素Ag、Cu富集系数介于二者之间,富集、贫化特征不明显。
表1 小梨树沟地区土壤地球化学参数Table 1 Geochemical parameters of soil in the Xiaolishugou area
研究区1:1万土壤地球化学原始数据变异系数(CV1)反映数据集的相对离散程度(臧金生等,2014)。变异系数(CV1)较大的元素有Pb(2.74)、Ag(2.18)、Bi(1.99)、As(1.36),表明这4种元素在研究区内分布不均匀,且具有显著次生富集的地球化学特征,具备富集成矿的地球化学条件(陆伟彦等,2020)。迭代剔除特异值后,各元素的变异系数(CV2)均小于1,基本消除特异值对离散程度的影响。用CV1/CV2比值来反映背景拟合处理时对于极值的削平程度(袁和等,2017)。CV1/CV2数值大于2.5的元素有Ag(4.74)、Pb(4.03)、Zn(2.64)、Bi(2.93),说明这4类元素被剔除的高值点较多,局部富集的可能性较高。运用CV1与CV1/CV2数据的比值制作变异系数点位散图(图4),从而评价元素的成矿性。Ag、Pb元素的高强数据占比大,分异程度高,变化幅度大,富集成矿潜力大;Bi、As、Zn元素高强数据较多,分异程度较高,富集成矿可能性较大;Cu、Mo、Mn、Au元素分异程度较弱,成矿潜力较小。
图4 研究区变异系数点位散图
为探究研究区内各元素间的联系,对9类元素进行R型聚类分析、相关分析和因子分析,用以分析研究区的元素分布规律和成矿特征(姜海伦等,2020)。
3.3.1 R型聚类分析
运用SPSS软件获得R型聚类分析谱系图(图5),在R=11相关水平上,研究区土壤地球化学元素可以分为五组元素组合。第一组由Zn、Pb、Ag、Bi组成,Ag、Pb、Zn为中温成矿元素、Bi为高温成矿元素,表明元素间具有多期热液活动叠加的特征;第二组由As单独组成,为低温成矿元素;第三组由Au单独组成,形成异常较弱,表明其相对独立的地球化学行为;第四组由Mo单独组成,为高温成矿元素,形成的异常较弱,与其他因子关系不密切;第五组由Cu、Mn组成,反映为基性岩富集元素组合。
图5 研究区R型聚类分析谱系图
3.3.2 相关分析
运用SPSS软件对研究区元素原始数据进行相关性分析(表2),获得元素间的相关系数,有助于确定研究区元素组合(王乔林等,2021;尹志刚等,2021)。由表2可见,研究区内各元素相关性主要表现为:Pb与Zn、Ag与Bi、Cu与Mn的相关系数均大于0.6,属于强相关关系,其中Pb与Zn相关系数最大(R=0.678),表明这两类元素在富集成矿过程中,具有来源和成因的相似性(魏浩等,2011;苏艺怀等,2021);Ag与Pb、Ag与Zn、Bi与Zn、Bi与As之间相关系数介于0.4~0.6,属于中度相关;其余元素间相关系数均小于0.4,属于弱相关关系或不相关。研究区内主攻矿种Ag、Pb、Zn、Bi间呈明显的正相关关系,可能为源自同一岩体或同一成矿阶段元素组合(杜佰松等,2017)。
表2 研究区土壤地球化学测量各元素相关系数Table 2 Correlation coefficients of elements in soil geochemical survey in study area
3.3.3 因子分析
对研究区内9种元素采用因子分析方法来研究元素组合的内在联系(刘晓玲和陈建平,2010;翁望飞等,2018;董一博等,2019)。运用SPSS软件检查原始数据是否符合因子分析的条件,对其进行KMO和巴特利特球形度检验,得出:KMO值为0.647,大于判别标准值0.6;Sig值为0,小于显著性水平值0.05,因此认为研究区原始数据适合进行因子分析(黄文斌等,2019;汤国栋等,2020)。按旋转载荷平方和大于1,累积方差贡献率为74.932%为基准条件,得出四组因子分别代表研究区9种元素(表3)。
表3 正交旋转因子矩阵及因子方差贡献累计
F1因子代表Ag-Pb-Zn-Bi,方差贡献率为29.442%,Pb与Zn关系最为密切,其次是Bi与Ag,四类元素相关系数表对应较好,为一套多金属成矿元素组合。F2因子代表Cu-Mn,方差贡献率为20.129%,Cu与Mn在基性岩中相对富集,与研究区内大面积出露汉诺坝组橄榄玄武岩相对应,推测是由岩性引起的异常。F3因子代表As-Mo,方差贡献率为14.082%,As为低温热液成矿元素,Mo为高温热液成矿元素,表明热液活动具有多期次的特征。F4因子代表Au,方差贡献率为11.279%,Au与其他三类因子的相关关系较弱,表明研究区内Au元素具有相对独立的地球化学行为。
四组因子的累积方差贡献率接近75%,且各因子间方差贡献率收敛较快,反映了相对集中的元素信息(赵欣怡等,2020)。F1因子特征值和方差贡献率均较大,且与R型聚类分析中的第一组套合,说明元素组合的客观存在,反映了物源一致性。结合区域地质特征和元素参数特征,认为研究区内Pb、Zn、Ag、Bi具有较好的成矿潜力。
对小梨树沟研究区1:1万土壤地球化学测量数据进行特异值检测时,发现除Cu以外的其他元素数据既不符合正态分布,也不符合对数正态分布,故对各元素原始数据进行迭代剔除(高艳芳等,2016)。以原始数据为依据,采用均值±3倍标准差的筛选准则进行剔除,直到无特异值的存在。再以迭代剔除后数据的均值+2倍标准差作为异常下限(表4),最后结合研究区地质背景及成图效果确定实际异常下限(写熹等,2021)。依据实际异常下限取值的1倍、2倍、4倍来确定异常的外带、中带、内带,并绘制单元素异常图(图6)。
图6 Pb(a)、Zn(b)、Bi(c)和Ag(d)单元素异常图Fig.6 Single element anomalies of Pb(a),Zn(b),Bi(c)and Ag(d)
表4 各元素迭代剔除后异常下限及实际异常下限Table 4 Anomaly threshold after iterative elimination and actual anomaly threshold of each element
研究区内共圈定单元素异常65个,其中Au异常8个,Ag异常11个,Cu异常6个,Pb异常7个,Zn异常6个,As异常3个,Bi异常5个,Mo异常9个,Mn异常10个。异常主要分布在研究区的西北部与东南部,中部异常较弱。结合研究区实际取样点位图与1:1万地形地质草图(图2、图3),认为中部异常较弱与该区域第四纪沉积物覆盖较厚以及道路附近、水系底部连续舍样有一定的关系。
运用Geochem Studio软件对研究区单元素异常特征进行统计分析,以规格化面金属量(NAP)作为主要评序参数(龚鹏和马振东,2013),规格化规模(NAD)作为辅助评序参数,确定65个单元素异常的排列序数(表5)。结合R型聚类分析及因子分析结果,参照研究区的有利成矿元素为Pb、Zn、Bi、Ag四种元素的单元素异常图对其异常特征进行描述。
表5 研究区单元素异常评序表(排序前十)Table 5 Sequence table of single element anomalies in study area(top ten)
研究区内Pb异常共由7个小异常组成。Pb-1至Pb-5号异常和Pb-7号异常面积较小,主要分布于研究区的北部、中部和东南部,呈散点状零星分布,异常强度较弱,有Ⅰ、Ⅱ级浓度分带,多数为单点高值异常;Pb-6号异常面积0.51 km2,最大值为1502×10-6,均值为175.96×10-6,NAP值高达2.07,为研究区面积最大的单元素异常,分布于研究区的西南部,主要分布于下白垩统张家口组二段地层中,呈不规则状,异常成带性较好,具有多处浓集中心,高值区呈开发放状态,在研究区南部未封闭。
Zn异常共由6个小异常组成,异常分布较分散,浓集中心多集中在研究区的中南部。Zn-1至Zn-5号异常面积较小,Zn-1、Zn-3号异常具有Ⅱ级浓度分带,其他异常均为Ⅰ级浓度分带,多数为单点高值引起的弱异常;Zn-6号异常面积0.48 km2,最大值为941×10-6,均值为308.65×10-6,浓集中心主要集中于异常西侧第四系覆盖区和异常东侧的张家口组二段地层中,高值点呈条带状分布,与破碎带走向较为一致。异常形态不规则,在研究区南部高值区未封闭。
Bi异常共由5个小异常组成,主要集中在研究区的西北和东南部。Bi-1至Bi-4号异常位于研究区的西北部及中部,均具有Ⅱ级浓度分带,Bi-1号异常面积为0.15 km2,Bi2-4号异常面积较小,为单点高值引起的Ⅱ级浓度分带异常。Bi-5号异常面积0.20 km2,最大值为1.85×10-6,均值为0.39×10-6,多处具有Ⅲ级浓度分带,异常形态不规则,在研究区南部高值区为封闭。
Ag异常共由11个小异常组成,小异常多呈散点状分布于研究区内。Ag-9号异常面积0.18 km2,最大值为3.03×10-6,均值为0.38×10-6,浓集中心与Bi5号异常重合,形态相似。Ag-10号异常面积0.05 km2,最大值为0.62×10-6,均值为0.36×10-6,具有一处浓集中心,Ⅲ级浓度分带在研究区南部为封闭。
在单元素异常特征的基础上,将成因性质相似、空间位置相关的单元素叠加在一起形成4类组合异常(图7)。
图7 研究区组合异常图
F1组合异常由Pb、Zn、Ag、Bi四种元素组成,四种元素均具有Ⅲ级浓度分带。从异常整体分布来看,Pb、Zn、Ag、Bi异常在研究区西南部套合较好,多处浓集中心重合。Pb与Zn异常分布形态相似,高值区相互套合,极值位置相近,主要分布在张家口组二段地层中。F2组合异常由Mn、Cu组成,仅Mn元素在研究区西南部存在单点高值引起的Ⅱ级浓度分带。Mn、Cu异常主要叠加在汉诺坝组橄榄玄武岩盖层中,该组合异常继承了橄榄玄武岩的地球化学成岩成矿信息,推测为岩性引起的异常。F3组合异常由As、Mo组成,As元素具Ⅲ级浓度分带,在研究区西北部与Mo元素叠合较好,表明在不同热液期内元素相互叠加。F4组合异常由Au单独组成,形成异常较弱,在研究区西南部存在单点高值引起的Ⅲ级浓度分带,推测其经后期构造变动,零散分布于研究区。
根据组合异常的特征及异常所处的地质背景,对研究区数据进行统计分析,在研究区共圈定综合异常3处(图8)。综合异常特征分述如下:
图8 研究区综合异常及工程布置图
AP1综合异常位于研究区西北部,呈不规则状,异常北部未闭合,研究区内面积0.20 km2。北部主要为全新统风积残积物,南部主要出露地层为张家口组二段,岩性为火山角砾岩。综合异常主体由As、Bi、Ag、Mo、Pb等五种元素组成。其中As、Ag元素具有Ⅲ级浓度分带;Bi元素具有Ⅱ级浓度分带。其中Bi最高含量0.38×10-6;As最高含量68.9×10-6。
AP2综合异常位于研究区西北部,异常西部未封闭,研究区内面积为0.14 km2。主要出露地层为中新统汉诺坝组橄榄玄武岩。该异常主要由Cu、Mn、Zn元素组成,三类元素均为Ⅰ级浓度分带,异常强度较弱。Cu、Mn元素在汉诺坝组地层内呈明显富集特征,推测该异常为橄榄玄武岩岩性引起的异常。
AP3综合异常位于研究区南部,异常西南部未封闭,研究区内面积为0.75 km2。西部为全新统风积残积物、冲洪积物;东部主要出露地层为张家口组二段,岩性为火山角砾岩、粗安岩、安山岩、粗面岩、熔结凝灰岩。该异常主要由规模大、强度高的Pb、Zn、Ag、Bi异常,叠加Au、As、Mn、Mo等元素组成。其中Pb、Zn、Ag、Bi元素具有Ⅲ级浓度分带;As、Mn具有Ⅱ级浓度分带。该综合异常元素组分齐全,浓集中心明显。异常整体形态不规则,Pb、Zn、Ag、Bi四种元素高值区呈开放状态,未在研究区南部内封闭。其中Pb最高含量1502×10-6,Zn最高含量941×10-6,Pb、Zn高值区相互套合,主要富集在张家口组二段地层,并形成了相对明显的异常浓集中心。
运用AP3综合异常中单个元素的NAP值除以该异常的NAP总,即矿化度(DOM)进行排序(表6),进一步分析和判断该异常区的主成矿元素和伴生元素。AP3综合异常区NAP排序靠前的元素示踪了研究区的主成矿元素(图9),Pb元素的DOM排名第一且大于50%,为主成矿元素;Ag、Zn、Bi元素的DOM介于10%~15%,为重要伴生元素;As、Mn、Au、Mo元素的DOM小于5%,为一般伴生元素。
表6 AP3综合异常区NAP及DOM得分表Table 6 NAP and DOM scores in AP3 comprehensive anomaly area
图9 AP3综合异常区NAP百分率排序图
根据研究区土壤地球化学测量异常特征及成矿地质条件,选择在AP3综合异常区开展土壤剖面测量、槽探工程等查证工作(图8)。
JC2土壤剖面测量中Pb、Zn、Ag形成连续的高值区,其中Pb最高含量1261×10-6;Zn最高含量598×10-6;Ag最高含量0.94×10-6。由于地表未发现明显矿化蚀变及构造破碎痕迹,所以在Pb、Zn异常突出的部位布设了TC05(图10)。经工程揭露及采样结果分析,该探槽共见破碎带两条(F13、F14)和铅矿体1层(Pb1),矿体真厚度为0.88 m,Pb平均品位:0.35%。Pb1矿体产于构造带F14中,破碎带岩性为构造角砾岩,岩石呈黄褐色,角砾状构造,岩石中角砾为粗安岩,呈棱角-次棱角状,砾径2~20 mm,个别30~40 mm,岩屑晶屑少量,胶结物为硅质。矿化体内局部见少量方铅矿,多已氧化,矿化程度一般,另见锰矿化、褐铁矿化、萤石矿化(紫色和绿色)和硅化等蚀变作用。
图10 探槽TC05见矿部位素描图
JC4土壤剖面Ag、Pb、Zn元素曲线呈明显的连续峰值分布,叠合较好。Ag最高含量9.3×10-6;Zn最高含量2368×10-6;Pb最高含量3770×10-6。在该剖面元素高值区西侧布设槽探工程TC01(图11),经工程揭露及采样结果分析,该探槽共见破碎带1条、锌矿体2层(Zn1、Zn2),其中Zn1真厚度为3.91 m,平均品位:Zn:0.51%;Zn2真厚度为1.69 m,平均品位:Zn:0.55%。矿体产于构造带F12中,破碎带内角砾岩成分为熔结凝灰岩,岩石呈黄褐色,假流纹构造,岩石受力破碎,沿裂隙面见有硅化细脉。矿化体内金属矿物见有零星的闪锌矿,多已氧化,矿化程度一般,另见有较强的褐铁矿化,局部呈姜黄色、蜂窝状,蜂窝内偶见微小石英晶簇充填,另沿裂隙见锰染、绿泥石化等。
图11 探槽TC01见矿部位素描图
AP3综合异常内Pb、Zn、Bi、Ag异常套合较好,主成矿元素Pb、重要伴生元素Zn、Bi、Ag主要分布在张家口组二段地层中;槽探工程揭露,土壤剖面测量Pb、Zn元素异常突出的区域均存在断裂破碎带。断裂构造为矿液的运移通道,张家口组二段地层内的破碎带为矿液富集的有利部位,因此将地层与构造的叠合作用作为区域内的找矿标志。
研究区周边区域已探明的断裂构造较为发育,但地表第四系覆盖较厚,细小破碎带不易观察。研究区南部Pb、Zn元素异常高值区未封闭,表明研究区周边具有一定的成矿潜力。下一步可结合此类找矿标志,选择最佳成矿位置,利用钻探工程对矿体深部进行控制,查明特征,以求达到更大的找矿突破。
(1)小梨树沟研究区1:10000土壤地球化学测量和统计分析结果统计显示,Pb(2.74)、Ag(2.18)、Bi(1.99)、As(1.36)变异系数(CV1)较大,具有高富集的地球化学特征。Ag(4.74)、Pb(4.03)、Zn(2.64)、Bi(2.93)的CV1/CV2数值大于2.5,被剔除的高值点较多,局部富集的可能性较高。Ag、Pb、Bi、Zn、As元素在研究区土壤中的次生富集能力强,成矿可能性较大。
(2)研究区内共圈定65个单元素异常、4类组合异常、3个综合异常区。其中AP3综合异常强度高,规模大,开展了槽探工程验证。在AP3综合异常西侧施工探槽TC01见两层锌矿体,Zn1真厚度3.92 m,平均品位:Zn:0.51%;Zn2真厚度1.69 m,平均品位:Zn:0.55%;东侧施工探槽TC05见一层铅矿体,Pb1真厚度0.88 m,平均品位:Pb:0.35%。
(3)槽探工程揭露Pb、Zn矿体主要富集于张家口组二段地层,均受断裂构造控制,可作为该区域的找矿标志。AP3综合异常南部Pb、Zn高值区未封闭,表明研究区周边区域具有较好的成矿潜力。可结合此类找矿标志,在邻区开展土壤地球化学测量和槽探工程,确定最佳成矿位置,利用钻探工程对矿体深部进行控制,查明其特征,以求达到更大的找矿突破。
[注 释]
① 河北省地矿局第四地质大队.2019.河北省大唤起鹿场、新拨、于家店1:5万地球化学测量成果报告[R].