地球化學勘查相關性研究與探討
——以膠萊盆地東北緣典型礦床為例

任良良,魏江,秦連元,王希君,潘寶亮,閆世峰

(1.中國冶金地質總局地球物理勘查院,河北 保定 071051;2.山東煙臺鑫泰黃金礦業有限責任公司,山東 煙臺 265147)

0 引言

地球化學勘查作為地球科學領域的重要分支,在自然資源開發、環境評估等方面發揮著關鍵作用[1-2]。多元統計分析作為經典統計學的一個分支,在地球科學研究中得到了廣泛的應用,并取得了豐碩的成果[3-8]。傳統的經典應用是將聚類分析、回歸分析、相關分析、因子分析等多元統計分析方法產生的異常與已知礦床的異常進行比較,從而實現成礦預測[9-11],這也是目前實踐中多數地球化學分析研究的通用方法。其中,作為地球化學特征之一的相關性研究被認為是地球化學勘查中最重要的內容之一[12-13]。通過地球化學元素的相關性分析,可以直接有效地發現主成礦元素和成礦指示元素間隱含的內在關聯,從而揭示元素的來源、運移及富集規律,進而識別礦體、優化選區、輔助找礦、預測找礦信息等[14]。

本文將重點聚焦于地球化學勘查元素相關性研究,以山東膠萊盆地東北緣牟乳成礦帶中的土堆、龍口、遼上金礦為研究對象,嘗試總結相關性研究在判斷成礦熱液是否疊加、抽象評價勘查區成礦潛力以及識別相鄰礦體是否同源等方面的應用。其中,土堆金礦主要用來論述成礦熱液的疊加性,龍口與遼上礦床主要用來對比評價成礦潛力,最后用3個礦床元素相關性特征差異討論成礦物質來源問題。本文旨在深化對地球化學勘查元素相關性的認知和理解,從而更好地指導找礦實踐工作。

1 研究區地質特征

1.1 區域地質背景

研究區地處膠遼地塊與膠南威海造山帶的相鄰部位,強烈的構造-巖漿活動形成了復雜的構造形態和優越的成礦條件。區域上分布著多個大、中型金礦床,如蓬家夼金礦、宋家溝金礦、遼上金礦、西澇口金礦、土堆—龍口金礦等(圖1),累計探明金礦資源量超過150 t,其中,土堆和遼上礦床是膠萊盆地東北緣金礦床的典型代表[15-19]。

區域地層主要有新太古界膠東巖群、古元古界荊山群、下白堊統萊陽群和青山群,被第四系沖積層覆蓋。區域斷裂主要呈NE向展布,包括郭城斷裂、朱吳—店集斷裂、崖子斷裂等,組成了該區域的主要構造格架。區內多見燕山早期玲瓏九曲單元與燕山晚期偉德山序列等中酸性侵入巖類;此外,煌斑巖、閃長玢巖和輝綠巖等燕山晚期脈巖也有廣泛分布(圖1)。

1.2 礦田地質

土堆、龍口、遼上金礦位于膠萊盆地東北緣的一處微凸起構造中,西北部以郭城斷裂為界,東南部邊緣則以荊山群與萊陽群的不整合界面為界線。

區內主要出露有古元古界荊山群變質巖,還有下白堊統萊陽群、青山群和第四系沖積層。荊山群巖石類型復雜,主要出露于郭城斷裂下盤(南東盤),包括黑云斜長變粒巖、黑云角閃片麻巖、大理巖等中高級變質巖;下白堊統萊陽群主要分布于郭城斷裂上盤及崖子斷裂以南,主要由砂礫巖等碎屑沉積物組成,本區內萊陽群未見與成礦的直接關系;第四系覆蓋于低山丘陵、谷地以及河溝內,有砂金礦床產于其中。

本區構造以脆性斷裂為主,局部有韌性斷裂跡象,主要分為NE向、NW向和近SN向3個方向。其中,郭城斷裂是具代表性的NE向斷裂,其形成較早,寬度變化大;根據現場觀察,斷裂顯示出多次活動的特點。NW向斷裂相對形成較晚,多與其他斷裂構造和脈巖存在穿切關系,對成礦產生破壞性影響。近SN向斷裂形成較早,斷裂帶內多發育有斷層泥、角礫巖和碎裂巖等,并具有不同程度的蝕變特征。

本區巖漿巖為約占總面積一半的古元古代牧牛山巖體,巖性為二長花崗巖,出露形態為“彩條”狀。該巖體從NE-SW方向侵入下元古界荊山群,其最大寬度約100 m。巖體內多處可見變質巖的包體,如大理巖或變粒巖等。

本次研究的3個礦床中,龍口金礦與遼上金礦相距較近,二者的礦床特征也相似,均在淺部見礦,中部有約500 m的無礦間隔,深部又出現規模更大的礦體。其中遼上金礦床深部找礦成果最為突顯,也是目前膠東東部發現的最大金礦床,金金屬量近70 t[17]。

1.3 礦石特征

金礦化和黃鐵礦化、碳酸鹽化關系密切,并伴有絹英巖化、硅化和綠泥石化等蝕變。金礦體與圍巖表現為漸變過渡關系,二者沒有明顯的分界線。

遼上金礦與龍口金礦床的礦石類型以含黃鐵礦碳酸鹽細脈型為主,這一特征顯著區別于膠東其他金礦床。碳酸鹽脈體狹小,多不足1 cm,形態不規則。金屬礦物主要有黃鐵礦、黃銅礦和磁黃鐵礦;脈石礦物則種類繁多,以長石、石英、絹云母、透輝石和碳酸鹽等最多見。諸多礦物中,以黃鐵礦+碳酸鹽的礦物共生組合為特征,構成了膠東特有的“遼上式”金礦特征[20-21]。

2 原生暈樣品的采集與分析測試

2.1 樣品采集

在本次研究中,土堆金礦主要在坑道、采場中采集礦體樣品,采樣深度集中在-240～-300 m標高;龍口金礦樣品主要來自于鉆孔巖芯,采樣深度集中在-700～-1100 m標高;遼上金礦也是主要采集鉆孔中巖芯樣品,采樣深度集中在-600 m～-1000 m標高?？拥啦蓤鲋胁蓸狱c距5～15 m,平均約10 m,樣品質量300～500 g;鉆孔中主要選擇主成礦元素含量高、礦化蝕變強的部位進行采樣[22-25]。

2.2 分析測試

根據以往地質資料,結合本次研究需要,確定本區地球化學測試分析元素為:Au、As、Sb、Hg、B、Ag、Cu、Pb、Zn、Te、Bi、Mn、Co、Ni、Ti、V、Mo、Sn、W共19項,所有樣品為同一批次分析測試,測試由中冶一局環境科技有限公司測試中心完成。各元素使用的分析方法與對應儀器設備見表1。

3 相關性研究用于判斷成礦熱液是否疊加

3.1 元素暈在理論上的相關性

同一次熱液活動的元素不一定都相關。以巖漿熱液型礦床的成礦過程為例,在成礦過程中,含礦熱液攜帶的各種元素化學性質不同,在熱液中遷移形式也不同,即各元素絡合物的形成、穩定性、遷移和破壞條件不同,成礦時物理化學環境的不斷變化,在成礦元素的絡合物破壞之前,由于液相中的飽和度和溶解度的變化,有些元素先行沉淀下來,形成尾暈;與此同時,一些活潑性和揮發性較強的元素如Hg、As、Sb等在沉淀之后依然具有一定活性和揮發性,它們沿著構造向上遷移一定距離,在前緣區域形成前緣暈,各種元素不同的沉淀過程,最終形成熱液礦床特有的軸向分帶特征。

研究發現,熱液礦床的分帶具有一定的共性,通常前緣暈特征指示元素主要包括As、Sb、Hg、B、F和I等;近礦特征指示元素主要有Au、Ag、Cu、Pb和Zn等;尾暈特征指示元素則包括Bi、Mo、Mn、Co和Ni等。受熱液成礦過程中沉積特點影響,前緣暈元素富集于礦體的上部或頭部位置,而尾暈元素則偏向礦體的下部或尾部位置[24-25,26-29]。

熱液礦床元素暈理論上的相關關系為:①前緣暈、近礦暈和尾暈元素各自內部應彼此正相關;②Au、Ag、Cu、Pb、Zn等近礦指示元素以礦體為中心向四周遠離礦體的方向濃度降低,相關性減弱;③前緣暈指示元素As、Sb、Hg、B、F、I等和尾暈特征指示元素Bi、Mo、Mn、Co、Ni等不相關。

實踐中得到的熱液礦床元素相關矩陣結果往往與理論上的相關或不相關元素并不吻合,元素間相關關系會更趨復雜。

3.2 實踐中元素暈的相關性:以土堆礦床為例

實際工作中經過計算得到的元素相關矩陣往往是熱液疊加的結果,疊加作用會大大干擾礦體暈理論上的相關性。如金礦體中會出現本應與Au相關的元素出現不相關,而不應相關的元素卻出現相關。

本項研究選取了土堆礦床中w(Au)≥0.5×10-6的樣品參與研究,共選取112件樣品研究其相關關系,總結其共性與特性。各微量元素相關矩陣見表2,相關關系特征元素見表3。

表3 土堆礦床元素相關關系特征Table 3 Correlation characteristics of elements of Tudui Au deposit

與主成礦元素Au相關的元素中,Au-Ag的相關系數最高(0.47),As、Sb、Hg前緣暈元素彼此相關,Au、Bi、Te、Ag、Pb與Ag、Te、Cu、Zn等近礦元素間彼此相關,Co、Ni與W、Sn等尾暈元素彼此相關,均反映了與理論相關性吻合,為單一次成礦特點;Au和前緣暈元素As、Sb與尾暈元素Co相關,Ag和前緣暈元素Sb、Hg與尾暈元素Co、Ni、W、Sn相關,均反映了疊加后的復雜關系。

地球化學研究表明,理論上不該相關的元素彼此相關的原因是成礦熱液存在疊加,使得單一次成礦形成的礦體-暈中元素理論相關關系遭到了破壞。大量的構造疊加暈研究表明,相關的元素在后續模型構建和盲礦預測中,具有更好的指示意義[22-24]。

4 相關性研究在抽象評價成礦潛力方面的應用

龍口金礦和遼上金礦處在同一成礦帶中,二者相距較近,且礦床特征和礦石特征相似,特選取這2個礦床開展成礦條件和礦床規模的研究,對兩個礦床相同深度中w(Au)>0.5×10-6的鉆孔樣品進行相關性分析,各選取18件樣品,元素組成見表4、表5。

表4 龍口礦床w(Au)>0.5×10-6的深部鉆孔元素組成Table 4 Composition of elements of samples from deep holes in Longkou Au deposit with w(Au)>0.5×10-6

表5 遼上礦床w(Au)>0.5×10-6的深部鉆孔元素組成Table 5 Composition of elements of samples from deep holes in Liaoshang Au deposit with w(Au)>0.5×10-6

兩礦床各微量元素相關矩陣見表6、表7,元素相關關系特征匯總見表8。

表6 龍口礦床深部鉆孔元素相關矩陣Table 6 Correlation matrix of elements of samples from deep holes in Longkou Au deposit

表7 遼上礦床深部鉆孔元素相關矩陣Table 7 Correlation matrix of elements of samples from deep holes in Liaoshang Au deposit

表8 龍口、遼上礦床深部鉆孔元素相關關系特征匯總表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,兩礦床元素間的相關關系存在較大差異,遼上金礦的元素相關性復雜程度遠超過龍口金礦。根據李惠教授團隊在上百個礦山的實踐工作,元素間的相關關系復雜,說明成礦熱液成分復雜,其復雜程度能很好地反映成礦熱液的活動強度和疊加程度等。推測遼上金礦的成礦過程經歷了強烈且多期次的成礦熱液活動,最終形成了復雜且混亂的元素相關性;相比之下,龍口金礦的成礦熱液活動與疊加程度要弱很多。由此判斷,遼上礦床深部的成礦地質條件優于龍口礦床,這一結論也與近年來探礦成果相吻合。

綜上,根據礦山礦(化)體樣品元素間相關關系的復雜程度,可以大致判斷一個礦區的成礦潛力。

5 相關性研究在判斷相鄰礦體成礦物質來源方面的應用

根據李惠教授團隊多年的實踐工作,在相同成礦物質來源的成礦區帶上,不同礦體元素的相關性往往比較相近。土堆、龍口、遼上3個金礦床雖同處牟乳成礦帶,但通過將3個礦床礦(化)體元素相關關系特征表(表3和表8)對比分析可以發現:Hg元素在遼上金礦和龍口金礦的相關性比較接近,只與近礦暈的Pb(Ag)相關,這一特點與土堆金礦存在較大的差異。土堆金礦中Hg元素與前緣暈(As、Sb)、近礦暈(Bi、Ag、Cu、Zn)、尾暈(Co、Ni、W、Sn)元素均表現出較強的相關性,Zn元素也類似。B元素在遼上金礦和龍口金礦中與多個元素表現出相關性,而在土堆金礦中則僅與V元素存在相關。Cu元素在遼上、龍口金礦體中,主要與尾暈元素(Co、Ni、V、Ti、W等)相關,而在土堆金礦體中,Cu元素與前緣暈(Hg)、近礦暈(Te、Ag、Zn)、尾暈(Co、Ni、Sn)元素均存在相關。

土堆、龍口、遼上金礦雖處于同一成礦區帶,但土堆金礦的成礦物質來源可能與龍口、遼上金礦不同。實際中,土堆金礦緊鄰郭城斷裂,礦體傾向為NW;而深部鉆孔控制的龍口、遼上金礦距郭城斷裂較遠,傾向為SE。也有學者在研究中認為土堆與龍口、遼上金礦的成礦物質來源可能不同。

6 結語

本文以地球化學勘查元素相關性為研究對象,通過對膠萊盆地東北緣的土堆、龍口、遼上3個金礦礦石樣品開展相關性研究,可總結得出三個方面的應用:①通過將計算得出的礦床實際元素暈的相關性與理論上的相關性進行對比,判斷成礦熱液是否存在疊加;②通過查看礦體元素間相關關系復雜程度,判斷成礦熱液的活動強度、活動期次等,進而抽象評價研究區的成礦潛力;③通過對比不同礦床元素間相關性特征,判斷不同礦床的成礦物質來源是否一致等。本文結合實際工作經驗,從前人關注較少的三個維度對相關性研究在地球化學勘查中的應用進行了總結。

相關性研究作為地球化學特征性研究方法之一,在研究工作中圍繞元素間相關關系這一本質特征,注重對元素表現出的相關性這一結果的直接應用與解讀,從而使工作更為直接有效。在今后工作中可進一步挖掘其應用方向與領域。

致謝：成文過程中,得到中國冶金地質總局地球物理勘查院安娜同志的細心指導和校對,在此表示衷心的感謝。