地球化学勘查相关性研究与探讨——以胶莱盆地东北缘典型矿床为例

任良良,魏江,秦连元,王希君,潘宝亮,闫世峰

(1.中国冶金地质总局地球物理勘查院,河北 保定 071051;2.山东烟台鑫泰黄金矿业有限责任公司,山东 烟台 265147)

0 引言

地球化学勘查作为地球科学领域的重要分支,在自然资源开发、环境评估等方面发挥着关键作用[1-2]。多元统计分析作为经典统计学的一个分支,在地球科学研究中得到了广泛的应用,并取得了丰硕的成果[3-8]。传统的经典应用是将聚类分析、回归分析、相关分析、因子分析等多元统计分析方法产生的异常与已知矿床的异常进行比较,从而实现成矿预测[9-11],这也是目前实践中多数地球化学分析研究的通用方法。其中,作为地球化学特征之一的相关性研究被认为是地球化学勘查中最重要的内容之一[12-13]。通过地球化学元素的相关性分析,可以直接有效地发现主成矿元素和成矿指示元素间隐含的内在关联,从而揭示元素的来源、运移及富集规律,进而识别矿体、优化选区、辅助找矿、预测找矿信息等[14]。

本文将重点聚焦于地球化学勘查元素相关性研究,以山东胶莱盆地东北缘牟乳成矿带中的土堆、龙口、辽上金矿为研究对象,尝试总结相关性研究在判断成矿热液是否叠加、抽象评价勘查区成矿潜力以及识别相邻矿体是否同源等方面的应用。其中,土堆金矿主要用来论述成矿热液的叠加性,龙口与辽上矿床主要用来对比评价成矿潜力,最后用3个矿床元素相关性特征差异讨论成矿物质来源问题。本文旨在深化对地球化学勘查元素相关性的认知和理解,从而更好地指导找矿实践工作。

1 研究区地质特征

1.1 区域地质背景

研究区地处胶辽地块与胶南威海造山带的相邻部位,强烈的构造-岩浆活动形成了复杂的构造形态和优越的成矿条件。区域上分布着多个大、中型金矿床,如蓬家夼金矿、宋家沟金矿、辽上金矿、西涝口金矿、土堆—龙口金矿等(图1),累计探明金矿资源量超过150 t,其中,土堆和辽上矿床是胶莱盆地东北缘金矿床的典型代表[15-19]。

区域地层主要有新太古界胶东岩群、古元古界荆山群、下白垩统莱阳群和青山群,被第四系冲积层覆盖。区域断裂主要呈NE向展布,包括郭城断裂、朱吴—店集断裂、崖子断裂等,组成了该区域的主要构造格架。区内多见燕山早期玲珑九曲单元与燕山晚期伟德山序列等中酸性侵入岩类;此外,煌斑岩、闪长玢岩和辉绿岩等燕山晚期脉岩也有广泛分布(图1)。

1.2 矿田地质

土堆、龙口、辽上金矿位于胶莱盆地东北缘的一处微凸起构造中,西北部以郭城断裂为界,东南部边缘则以荆山群与莱阳群的不整合界面为界线。

区内主要出露有古元古界荆山群变质岩,还有下白垩统莱阳群、青山群和第四系冲积层。荆山群岩石类型复杂,主要出露于郭城断裂下盘(南东盘),包括黑云斜长变粒岩、黑云角闪片麻岩、大理岩等中高级变质岩;下白垩统莱阳群主要分布于郭城断裂上盘及崖子断裂以南,主要由砂砾岩等碎屑沉积物组成,本区内莱阳群未见与成矿的直接关系;第四系覆盖于低山丘陵、谷地以及河沟内,有砂金矿床产于其中。

本区构造以脆性断裂为主,局部有韧性断裂迹象,主要分为NE向、NW向和近SN向3个方向。其中,郭城断裂是具代表性的NE向断裂,其形成较早,宽度变化大;根据现场观察,断裂显示出多次活动的特点。NW向断裂相对形成较晚,多与其他断裂构造和脉岩存在穿切关系,对成矿产生破坏性影响。近SN向断裂形成较早,断裂带内多发育有断层泥、角砾岩和碎裂岩等,并具有不同程度的蚀变特征。

本区岩浆岩为约占总面积一半的古元古代牧牛山岩体,岩性为二长花岗岩,出露形态为“彩条”状。该岩体从NE-SW方向侵入下元古界荆山群,其最大宽度约100 m。岩体内多处可见变质岩的包体,如大理岩或变粒岩等。

本次研究的3个矿床中,龙口金矿与辽上金矿相距较近,二者的矿床特征也相似,均在浅部见矿,中部有约500 m的无矿间隔,深部又出现规模更大的矿体。其中辽上金矿床深部找矿成果最为突显,也是目前胶东东部发现的最大金矿床,金金属量近70 t[17]。

1.3 矿石特征

金矿化和黄铁矿化、碳酸盐化关系密切,并伴有绢英岩化、硅化和绿泥石化等蚀变。金矿体与围岩表现为渐变过渡关系,二者没有明显的分界线。

辽上金矿与龙口金矿床的矿石类型以含黄铁矿碳酸盐细脉型为主,这一特征显著区别于胶东其他金矿床。碳酸盐脉体狭小,多不足1 cm,形态不规则。金属矿物主要有黄铁矿、黄铜矿和磁黄铁矿;脉石矿物则种类繁多,以长石、石英、绢云母、透辉石和碳酸盐等最多见。诸多矿物中,以黄铁矿+碳酸盐的矿物共生组合为特征,构成了胶东特有的“辽上式”金矿特征[20-21]。

2 原生晕样品的采集与分析测试

2.1 样品采集

在本次研究中,土堆金矿主要在坑道、采场中采集矿体样品,采样深度集中在-240～-300 m标高;龙口金矿样品主要来自于钻孔岩芯,采样深度集中在-700～-1100 m标高;辽上金矿也是主要采集钻孔中岩芯样品,采样深度集中在-600 m～-1000 m标高。坑道采场中采样点距5～15 m,平均约10 m,样品质量300～500 g;钻孔中主要选择主成矿元素含量高、矿化蚀变强的部位进行采样[22-25]。

2.2 分析测试

根据以往地质资料,结合本次研究需要,确定本区地球化学测试分析元素为:Au、As、Sb、Hg、B、Ag、Cu、Pb、Zn、Te、Bi、Mn、Co、Ni、Ti、V、Mo、Sn、W共19项,所有样品为同一批次分析测试,测试由中冶一局环境科技有限公司测试中心完成。各元素使用的分析方法与对应仪器设备见表1。

3 相关性研究用于判断成矿热液是否叠加

3.1 元素晕在理论上的相关性

同一次热液活动的元素不一定都相关。以岩浆热液型矿床的成矿过程为例,在成矿过程中,含矿热液携带的各种元素化学性质不同,在热液中迁移形式也不同,即各元素络合物的形成、稳定性、迁移和破坏条件不同,成矿时物理化学环境的不断变化,在成矿元素的络合物破坏之前,由于液相中的饱和度和溶解度的变化,有些元素先行沉淀下来,形成尾晕;与此同时,一些活泼性和挥发性较强的元素如Hg、As、Sb等在沉淀之后依然具有一定活性和挥发性,它们沿着构造向上迁移一定距离,在前缘区域形成前缘晕,各种元素不同的沉淀过程,最终形成热液矿床特有的轴向分带特征。

研究发现,热液矿床的分带具有一定的共性,通常前缘晕特征指示元素主要包括As、Sb、Hg、B、F和I等;近矿特征指示元素主要有Au、Ag、Cu、Pb和Zn等;尾晕特征指示元素则包括Bi、Mo、Mn、Co和Ni等。受热液成矿过程中沉积特点影响,前缘晕元素富集于矿体的上部或头部位置,而尾晕元素则偏向矿体的下部或尾部位置[24-25,26-29]。

热液矿床元素晕理论上的相关关系为:①前缘晕、近矿晕和尾晕元素各自内部应彼此正相关;②Au、Ag、Cu、Pb、Zn等近矿指示元素以矿体为中心向四周远离矿体的方向浓度降低,相关性减弱;③前缘晕指示元素As、Sb、Hg、B、F、I等和尾晕特征指示元素Bi、Mo、Mn、Co、Ni等不相关。

实践中得到的热液矿床元素相关矩阵结果往往与理论上的相关或不相关元素并不吻合,元素间相关关系会更趋复杂。

3.2 实践中元素晕的相关性:以土堆矿床为例

实际工作中经过计算得到的元素相关矩阵往往是热液叠加的结果,叠加作用会大大干扰矿体晕理论上的相关性。如金矿体中会出现本应与Au相关的元素出现不相关,而不应相关的元素却出现相关。

本项研究选取了土堆矿床中w(Au)≥0.5×10-6的样品参与研究,共选取112件样品研究其相关关系,总结其共性与特性。各微量元素相关矩阵见表2,相关关系特征元素见表3。

表3 土堆矿床元素相关关系特征Table 3 Correlation characteristics of elements of Tudui Au deposit

与主成矿元素Au相关的元素中,Au-Ag的相关系数最高(0.47),As、Sb、Hg前缘晕元素彼此相关,Au、Bi、Te、Ag、Pb与Ag、Te、Cu、Zn等近矿元素间彼此相关,Co、Ni与W、Sn等尾晕元素彼此相关,均反映了与理论相关性吻合,为单一次成矿特点;Au和前缘晕元素As、Sb与尾晕元素Co相关,Ag和前缘晕元素Sb、Hg与尾晕元素Co、Ni、W、Sn相关,均反映了叠加后的复杂关系。

地球化学研究表明,理论上不该相关的元素彼此相关的原因是成矿热液存在叠加,使得单一次成矿形成的矿体-晕中元素理论相关关系遭到了破坏。大量的构造叠加晕研究表明,相关的元素在后续模型构建和盲矿预测中,具有更好的指示意义[22-24]。

4 相关性研究在抽象评价成矿潜力方面的应用

龙口金矿和辽上金矿处在同一成矿带中,二者相距较近,且矿床特征和矿石特征相似,特选取这2个矿床开展成矿条件和矿床规模的研究,对两个矿床相同深度中w(Au)>0.5×10-6的钻孔样品进行相关性分析,各选取18件样品,元素组成见表4、表5。

表4 龙口矿床w(Au)>0.5×10-6的深部钻孔元素组成Table 4 Composition of elements of samples from deep holes in Longkou Au deposit with w(Au)>0.5×10-6

表5 辽上矿床w(Au)>0.5×10-6的深部钻孔元素组成Table 5 Composition of elements of samples from deep holes in Liaoshang Au deposit with w(Au)>0.5×10-6

两矿床各微量元素相关矩阵见表6、表7,元素相关关系特征汇总见表8。

表6 龙口矿床深部钻孔元素相关矩阵Table 6 Correlation matrix of elements of samples from deep holes in Longkou Au deposit

表7 辽上矿床深部钻孔元素相关矩阵Table 7 Correlation matrix of elements of samples from deep holes in Liaoshang Au deposit

表8 龙口、辽上矿床深部钻孔元素相关关系特征汇总表Table 8 Integration of correlation characteristics of elements of samples from deep holes in Longkou, Liaoshang Au deposit

由表8可以看出,两矿床元素间的相关关系存在较大差异,辽上金矿的元素相关性复杂程度远超过龙口金矿。根据李惠教授团队在上百个矿山的实践工作,元素间的相关关系复杂,说明成矿热液成分复杂,其复杂程度能很好地反映成矿热液的活动强度和叠加程度等。推测辽上金矿的成矿过程经历了强烈且多期次的成矿热液活动,最终形成了复杂且混乱的元素相关性;相比之下,龙口金矿的成矿热液活动与叠加程度要弱很多。由此判断,辽上矿床深部的成矿地质条件优于龙口矿床,这一结论也与近年来探矿成果相吻合。

综上,根据矿山矿(化)体样品元素间相关关系的复杂程度,可以大致判断一个矿区的成矿潜力。

5 相关性研究在判断相邻矿体成矿物质来源方面的应用

根据李惠教授团队多年的实践工作,在相同成矿物质来源的成矿区带上,不同矿体元素的相关性往往比较相近。土堆、龙口、辽上3个金矿床虽同处牟乳成矿带,但通过将3个矿床矿(化)体元素相关关系特征表(表3和表8)对比分析可以发现:Hg元素在辽上金矿和龙口金矿的相关性比较接近,只与近矿晕的Pb(Ag)相关,这一特点与土堆金矿存在较大的差异。土堆金矿中Hg元素与前缘晕(As、Sb)、近矿晕(Bi、Ag、Cu、Zn)、尾晕(Co、Ni、W、Sn)元素均表现出较强的相关性,Zn元素也类似。B元素在辽上金矿和龙口金矿中与多个元素表现出相关性,而在土堆金矿中则仅与V元素存在相关。Cu元素在辽上、龙口金矿体中,主要与尾晕元素(Co、Ni、V、Ti、W等)相关,而在土堆金矿体中,Cu元素与前缘晕(Hg)、近矿晕(Te、Ag、Zn)、尾晕(Co、Ni、Sn)元素均存在相关。

土堆、龙口、辽上金矿虽处于同一成矿区带,但土堆金矿的成矿物质来源可能与龙口、辽上金矿不同。实际中,土堆金矿紧邻郭城断裂,矿体倾向为NW;而深部钻孔控制的龙口、辽上金矿距郭城断裂较远,倾向为SE。也有学者在研究中认为土堆与龙口、辽上金矿的成矿物质来源可能不同。

6 结语

本文以地球化学勘查元素相关性为研究对象,通过对胶莱盆地东北缘的土堆、龙口、辽上3个金矿矿石样品开展相关性研究,可总结得出三个方面的应用:①通过将计算得出的矿床实际元素晕的相关性与理论上的相关性进行对比,判断成矿热液是否存在叠加;②通过查看矿体元素间相关关系复杂程度,判断成矿热液的活动强度、活动期次等,进而抽象评价研究区的成矿潜力;③通过对比不同矿床元素间相关性特征,判断不同矿床的成矿物质来源是否一致等。本文结合实际工作经验,从前人关注较少的三个维度对相关性研究在地球化学勘查中的应用进行了总结。

相关性研究作为地球化学特征性研究方法之一,在研究工作中围绕元素间相关关系这一本质特征,注重对元素表现出的相关性这一结果的直接应用与解读,从而使工作更为直接有效。在今后工作中可进一步挖掘其应用方向与领域。

致谢：成文过程中,得到中国冶金地质总局地球物理勘查院安娜同志的细心指导和校对,在此表示衷心的感谢。