西秦岭常家山地区水系沉积物地球化学特征及其地质意义

王 斌，任 涛，宋伊圩，杨 可，王占彬，孙亚柯

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093； 2.中国地质调查局 西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710199)

图1 西秦岭造山带区域地质简图Fig.1 Geological sketch map of Western Qinling Orogen(a)西秦岭构造格架(据Chen等[18])；(b)西秦岭成矿带北亚带地质简图(据肖力等[19])

0 引 言

常家山地区位于甘肃省岷县西北部，是西秦岭成矿带北亚带内重要的金-铅-锌多金属矿化区之一，周边已发现有寨上、锁龙、马坞、李坝、金山、马泉金矿床以及耳阳沟铅锌矿床、雪花山钨锡矿点等多金属矿化点，具有良好的成矿潜力[1-11]。

水系沉积物测量是一种高效的地球化学勘查手段，在金属矿产勘查初期对提取成矿信息、圈定找矿远景区具有重要的作用[12-17]。研究区为高原山地地形，属寒冷湿润气候区，区内沟谷纵横，水系发育，适合开展水系沉积物地球化学测量。原武警黄金部队第五支队先后在该区梅川—申都、蒲麻、中寨—十里铺和寨上等地区开展过1:20万和1:5万水系沉积物测量工作，圈定出多处成矿远景区，但由于前人采用传统的均值-标准差法、累频法不能很好地提取弱异常，导致靶区圈定不够合理，难以进一步开展工作[18-21]。本文根据常家山地区1:2.5万水系沉积物测量数据进行核密度估算、因子分析等数理统计，利用浓度-面积(C-A)分形模型确定各元素和因子的异常阈值，从而得到相应的地球化学空间分布，筛选成矿有利地段，缩小找矿靶区；进一步通过原生晕找矿法和岩石地球化学剖面查明常家山成矿规律，为勘查找矿提供新方向。

1 研究区地质概况

图2 常家山地区地质图(据西安矿产资源调查中心，2014)Fig.2 Geological map of the Changjiashan region (from Xi’an Center of Mineral Resources Survey, 2014)

常家山地区位于西秦岭弧形构造带的中西部，属于西秦岭成矿带北亚带(图1)。该成矿亚带北以商丹缝合带为界，南以合作—临潭—两当断裂为界[22-25]，区内集中分布有十几个金银、铅锌等多金属矿床，也被称为岷(县)—礼(县)成矿带[26-28]。区域沉积建造主要为古生界浅变质海相复理石建造和三叠系深水浊流复理石建造[29]。西秦岭晚三叠世以来岩浆岩类型齐全，分布于西南部，其中中酸性小岩体、岩脉与多金属成矿关系密切[30]。三叠纪晚期的印支期是区内主造山阶段，金矿床产于区域性逆冲断裂上盘，具“背斜加一刀”的控矿规律[31-32]。

研究区出露有泥盆系、二叠系和古(新)近系，构成一套由石英砂岩、粉砂岩、板岩和灰岩组成的浊积岩建造[33](图2)，教场坝花岗岩出露于其东北端。区内构造较为发育，以北西向为主，包括礼县—闾井断裂的西北延伸部分和卓洛—扎麻树背斜的东南段。

2 样品采集与分析

2.1 样品采集与测试方法

水系沉积物测量样品主要取自一、二级水系河床底部或河道边的淤泥和粉砂，采样面积66 km2，平均密度17.3点/ km2，共采集1 141件。

分析了样品的Au、Ag、As、Sb、Bi、Cu、Pb、Zn、W和Mo共10种元素含量。各元素测试方法分别为：Au采用石墨炉原子吸收分光法，Ag采用发射光谱法，As、Sb、Bi采用原子荧光分光法，Cu、Pb、Zn采用火焰原子吸收法，W、Mo采用催化极谱法。检出限分别为：Au为0.3×10-9，Ag为0.05×10-6，As、W、Mo为0.5×10-6，Sb为0.2×10-6，Bi为0.1×10-6，Cu为1.5×10-6，Pb为5.0×10-6，Zn为10×10-6。密码抽查合格率均大于90%，数据可靠。

2.2 元素地球化学特征

由于样本分布受分析测试、数学原理和组距选择等因素的影响，常规的频率分布图和概率密度曲线难以刻画其真实分布形态，而核密度估算法(Kernel Density Estimation, KDE)可以有效弥补这种不足[34-37]。核密度估计是以数据样本点密度为基础，通过核函数来控制同一组样本中不同误差的数据对总体密度函数贡献的大小，使最终的估计结果更贴近实际情况，核密度估计曲线公式[38]为：

图3 常家山地区水系沉积物样品元素核密度估计图Fig.3 Kernel density estimation diagrams of elements for stream sediment samples from the Changjiashan region

(1)

其中：K表示核函数，n表示样本数，xi表示样本点，h表示核函数的带宽。同时核函数K满足：

(2)

本文使用核函数密度软件(Density Plotter 8.5)对研究区内1 141件样品的10种元素含量进行统计分析(图3)，其核函数采用二次核函数(Epa-nechnikov)，宽带变换为扩散方程带宽函数[39]。从图3可以看出，Bi、Cu、W、Mo元素分布相对均匀，波峰与平均值的距离较小；Au、Ag、As、Sb、Pb、Zn元素分布范围广、不均匀，整体右倾，波峰位于平均值的左侧，说明元素较为分散，而这是金属富集成矿的有利因素。从常家山地区水系沉积物的元素含量平均值与全国、区域水系沉积物的平均值对比发现：研究区Au、As、Sb、Cu、Zn、W元素含量平均值远高于全国水系沉积物的平均值，其他元素含量平均值则基本持平；区域水系沉积物元素含量平均值与全国的相比，也有类似的规律，表明区内元素成矿物质基础好，处于高背景场。研究区水系沉积物Ag、As、Sb、Bi、Pb、Zn、W、Mo元素含量平均值高于区域水系沉积物元素含量平均值，其他元素含量平均值则略低，说明常家山地区成矿地球化学环境较为有利。

2.3 因子分析

在研究多变量关系的地球化学数据中常采用因子分析方法，它将变量或样品之间的共生组合规律及相互关系用降维的方法浓缩、提炼成新变量(因子)，用来解决复杂的地质成因和矿化叠加问题[42-44]。本文使用SPSS软件对数据进行降维处理，其中KMO值为0.613，Bartlett球度检验通过，符合因子分析条件。提取主因子特征值大于1且非单因素因子得到因子载荷矩阵(表1)，前4个主因子特征值大于1，累计方差贡献率为57.641%，认为包含了数据变化的绝大部分信息[45-46]。

表1 常家山地区R型因子分析旋转因子载荷矩阵

以0.5作为因子载荷标准，各因子的组成如下：F1主要载荷因子为Bi、Cu、Zn；F2主要载荷因子为Au(接近0.5)、As、Sb；F3主要载荷因子为Ag、Pb；F4主要载荷因子为W、Mo。为更直观地反映各因子所处的优势位，对所有元素进行均一化处理(原始含量取对数后除以相应元素平均值的对数值)使其变为无量纲量，再求得各个点的因子得分值，最高得分的因子类型代表该点的优势因子，并用MapGIS软件投影到相应位置得到优势因子分区图，如图4所示。

图4 常家山地区样品优势因子分区 Fig.4 Map of dominant factor of samples from the Changjiashan region

从图4中可以看出，F1因子主要集中在研究区西南角和砖塔寨附近，其代表中-高温亲硫组合；F2因子多分布在区内北边，集中于元草村和礼县—闾井断裂两侧，是区内与金矿有关的低温元素组合，与热液成矿期的含As黄铁矿-毒砂-石英主阶段有关[47]；F3因子分布较为稀散，代表中-低温多金属硫化物组合；F4因子多分布在研究区断裂带附近，是高温成矿元素组合。

2.4 C-A分形模型

地质成矿中矿石矿物和成矿元素的富集和亏损是非常复杂的过程，特别是对于热液矿床，其成矿物质和流体往往受地球内部物质分布不均匀性和大地构造活动、演化的制约，具有非线性、空间自相关性的特征[48-54]。在复杂的化探数据处理过程中采用传统方法的效果并不理想，而分形模型能够定量表征非线性地质异常强度，成为确定和解释异常阈值的重要方法[55-59]。浓度-面积(C-A)分形的原理是元素浓度高于C的面积A(>C)与C服从幂指数关系，即元素的浓度-面积分形模型服从以下数学关系式：

A(>C)∝C-α

(3)

基于C-A分形方法计算得到研究区Au、Ag、As、Sb、Bi、Cu、Pb、Zn、W、Mo 10种元素和F1、F2、F3、F4 4个因子(若因子得分出现负值，对变量值做+2调整后处理，不会改变拟合曲线的形态)的分形模式(图5)，并求得相应元素和因子的异常阈值(表2)。

图5 常家山地区水系沉积物中不同元素和因子C-A模型双对数图Fig.5 Double logarithm diagrams of C-A fractal model for different elements and factors of stream sediment samples from the Changjiashan region

3 地球化学空间分布特征及异常提取

3.1 各元素和因子地球化学空间分布特征

根据表2统计的异常阈值，使用克里金插值法得到Au、Ag、As、Sb、Bi、Cu、Pb、Zn、W、Mo 10种元素和F1、F2、F3、F4 4个因子的地球化学空间分布图(图6)。

从图6可以看出，Au元素异常在元草村—砖塔寨一带较为集中，可能与该区域的泥盆纪地层和断层有关，研究区东北方向的上亮鱼沟金矿化点、西北方向的寨上金矿床都是受地层和构造共同控矿[60]；Ag元素异常集中在研究区中上部，也有沿断裂带分布的规律；As元素异常面积较小，集中在断裂带西北角；Sb元素异常面积较小，在研究区东北角和礼县—闾井断裂带较高，断裂交汇部位比较集中；Bi元素以低异常居多，高异常在研究区东北角处和断裂交汇部位出现；Cu元素异常面积较广，高异常出现在礼县—闾井断裂和其次级断裂附近；Pb、Zn元素异常较为分散，遍布全区，高异常区较小；W元素低异常分布较广，高异常集中分布在元草村泥盆纪地层中，该元素是区内白钨矿的重要指示元素，与金为同期或由两期叠加形成[61-62]；Mo元素高异常主要在元草村和研究区西南角出现。

表2 常家山地区水系沉积物中各元素和因子的C-A分形特征

F1因子为Bi、Cu、Zn高温亲硫元素组合，高异常主要出现在元草村、研究区西南角和礼县—闾井断裂带的西北处；F2因子为Au、As、Sb低温元素组合，低异常分布较广，高异常集中在元草村和断裂带西北处；F3因子为Ag、Pb多金属硫化物元素组合，低异常分布广，高异常集中在礼县—闾井断裂，以断裂交汇部位异常最高，该因子组合与构造异常套合好，是寻找断裂的重要指示因子[63]；F4因子为W、Mo高温元素组合，低异常区分布广，高异常主要集中在礼县—闾井断裂、常家山和研究区东南角。

3.2 异常提取

异常提取是对原始地质资料的进一步利用和总结，对缩小找矿靶区、提高找矿效率具有重要意义[64-65]。根据研究区水系沉积物地球化学空间分布及各元素、因子的异常套合情况，结合区内成矿地质背景和控矿因素等圈定了Hz1、Hz2、Hz3三处综合异常(图6)。

Hz1综合异常位于研究区北部的元草村周围，有Au、Sb、W、Mo元素和F1、F2因子高异常。区域内出露泥盆系和二叠系，坚硬的石英砂岩和软弱的板岩的接触带是有利成矿空间[66]，断层发育，在西北方向有上亮鱼村金矿化点。Hz2综合异常位于研究区西北部的砖塔寨附近，有Au、Ag、As、Cu、W元素和F1、F2、F3、F4因子高异常。区域内出露地层为二叠系，礼县—闾井断裂穿过其中。Hz3综合异常位于研究区中东部奇智附近，有Sb、Bi、Cu元素和F3、F4高异常；该处主要为礼县—闾井断裂和其次级断裂的构造交叉部位。

4 讨 论

4.1 原生晕找矿特征

利用原生晕找矿法寻找构造-热液金属矿产是勘查地球化学找矿的重要手段[67-69]。笔者曾在研究区NW方向的寨上金矿中使用该方法划分了寨上金矿理想原生晕分带序列：As-Sb(前缘晕)→Pb-Ag-Au-Zn-W(近矿晕)→Cu-Bi(尾晕)，并通过衬值晕分带图的特征反映出矿体向东倾覆、含矿热液从东南向西北运移的规律[70]。从图6可以看出，前缘晕元素As、Sb高异常出现在礼县—闾井断裂的西北端，Sb元素在元草村东边也有异常；近矿晕元素Pb、Ag、Au、Zn、W在断裂带中间较前处异常较高，而且Au、W元素在元草村西边有较高异常；尾晕元素Cu、Bi在断裂交叉部位及靠东南方向有高异常，同时在元草村南边也有较高异常。根据以上原生晕分布特点得到常家山地区理想原生晕模型(图7)。图7显示前缘晕、近矿晕、尾晕分别在研究区礼县—闾井断裂、元草村显示出自西北向东南的分布趋势，此特征与上述寨上原生晕反映的含矿热液从东南向西北运移的认识[70]互为印证。

图6 常家山地区水系沉积物中不同元素和因子的地球化学空间分布和异常圈定Fig.6 Spatial distribution maps of geochemical and anomaly delineation for different elements and factors of stream sediment samples from the Changjiashan region

图7 常家山地区理想原生晕模型Fig.7 Ideal primary halo model for the Changjiashan region

图8 常家山地区P1 (a)、P2 (b) 岩石地球化学剖面图Fig.8 Lithogeochemistry sections of P1 (a) and P2 (b) in the Changjiashan region

4.2 成矿规律

针对研究区各元素和因子空间分布特征及圈定的异常范围，利用P1和P2两条岩石地球化学剖面对异常进行查验，并探寻矿化与地层和构造之间的关系(图8)。P1地球化学剖面显示在碳质板岩和断层处Au元素异常值较高，最大值为13.6×10-9。P2地球化学剖面在碳质板岩内Au元素异常值较高，断层处异常较小，但向形构造核部Au异常值高达8.8×10-9。两条剖面都证实了Au异常的存在，且高异常都在软弱的碳质板岩内，与断层或褶皱有关。

靠近研究区的寨上金矿是一超大型金矿床，矿区11号金脉中石英和绢云母的40Ar/39Ar等时线年龄分别为(129.24±1.26) Ma和(125.56±1.20) Ma[71]，白钨矿Sm-Nd同位素年龄为220.6 Ma[72]，前人认为其控矿因素分为地层和构造两种[73-75]，通过近几年的地质路线填图和钻孔岩心编录发现矿体主要产于构造破碎带或者糜棱岩化板岩内。同样产在礼县—闾井断裂周边的锁龙金矿，矿体受断裂和劈理控制[3]；金山和马泉金矿均位于断裂带内，且断裂产状决定了矿体形态[8]。马坞金矿位于研究区东侧，金矿脉常与煌斑岩、石英闪长岩相伴生或相互穿切，脉岩锆石U-Pb年龄为(153.5±3.5)～(154.9±0.9) Ma，矿体受岩浆岩和构造共同控制[4]。李坝金矿是区内重要的造山型金矿床，金矿体产在煌斑岩脉的边部，岩脉与矿体产于同一破碎构造带中，并与矿体产状一致，花岗斑岩和闪长岩的同位素定年范围为221.9～227.6 Ma[6-7]。耳阳沟铅锌矿产在泥盆系中，为典型层控矿床，并受NW向断裂控制[9]。区内的中川、柏家庄和教场坝3个花岗岩体的锆石U-Pb同位素年龄介于216～222 Ma之间，岩浆主要来自变质玄武岩和变质杂砂岩的部分熔融[76-78]。以上对区内金及多金属矿床(点)的成矿规律研究表明，虽然各矿床类型有所不同，但都有受构造控制的特点，断裂为含矿热液的上涌提供了通道，矿体的展布受构造产状影响。从成矿年龄来看，造山型金矿和浅成热液型钨矿与三叠纪花岗岩时间接近；而卡林型和类卡林型金矿形成于燕山期，晚于岩体形成时间。

综上所述，构造是区域内金属矿产重要的控矿因素，北西向的礼县—闾井断裂是常家山地区有利的成矿地段。

5 结 论

(1)常家山地区水系沉积物中Au、As、Sb、Cu、Zn、W元素含量平均值远高于全国水系沉积物的平均值，Ag、As、Sb、Bi、Pb、Zn、W、Mo元素含量平均值高于区域水系沉积物的元素含量平均值，区内成矿地球化学环境较为有利。

(2)根据研究区水系沉积物地球化学空间分布及各元素、因子的异常套合情况，结合区内成矿地质背景和控矿因素等圈定了Hz1、Hz2、Hz3 3处异常；通过2条实测岩石地球化学剖面发现Au高异常都在软弱的碳质板岩内，与断层或褶皱有关。

(3)研究区原生晕分布特征为前缘晕、近矿晕和尾晕分别在礼县—闾井断裂和元草村呈自西北向东南的分布趋势。研究区水系沉积物特征和区域金成矿规律表明北西向的礼县—闾井断裂是常家山地区有利的成矿地段。

(4)区域内各金属矿床受构造控制。造山型金矿和浅成热液型钨矿与三叠纪花岗岩的形成时间接近；而卡林型和类卡林型金矿形成于燕山期，晚于岩体形成时间。