銅陵礦集區水系沉積物中主成礦元素空間分布模式-基于變差函數的分析

孟剛剛， 張苗苗， 林 鑫, 2,3*， 付亞龍， 常海欽

(1.長安大學地球科學與資源學院，西安 710054; 2.全球尺度地球化學國際研究中心，廊坊 065000;3.國土資源部地球化學探測技術重點實驗室，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

0 引言

銅陵地區是我國大型礦集區之一，有“古銅都”之美譽。先后探明了以銅官山銅礦、獅子山銅礦、鳳凰山銅礦、新橋銅(硫、鐵、金、銀)礦、冬瓜山銅礦、天馬金礦等為代表的一大批大-中型礦床[1]。但是現在新的發現越來越少，老礦山礦產資源枯竭，并且以往工作程度較低的地區還需要開展深部和外圍的找礦工作，存在“第二找礦空間”[2-3]；同時前人對銅陵地區化探數據處理仍存在不足，僅僅局限于異常含量識別[4]，對于元素的空間分布規律研究較少。因此筆者利用銅陵地區水系沉積物地球化學數據研究成礦及伴生元素空間分布模式，從而揭示元素礦化富集和空間分布規律[5]。

有效地利用地球化學數據尋找元素空間分布模式，已經成為人們關注的重點問題，并且各種傳統和現代方法均得到廣泛使用。套合模式譜系方法主要是將不同范圍的異常區域由低到高一個個套合在一起，這種套合能夠反映巨量成礦物質的供應和逐步聚集，空間上在大型和巨型礦床周圍有較好地體現[6]；異常與背景分解方法一般假設地球化學數據服從正態分布，采用平均值加n倍標準差作為異常下限值，區分背景與異常，從而圈定地球化學異常范圍[7-9]。同時隨著計算機技術的發展，許多現代統計方法被應用于地球化學數據處理，比如多重分形技術、主成分分析方法、地質統計學方法等。前人利用多重分形技術可以進行空間數據插值，不僅能突出異常的局部變化性以及空間結構信息，還能有效地度量場的局部奇異性[10-12]。主成分分析方法主要尋找空間上與成礦有關的異常組合，并利用相關的異常組合進行地球化學分區的判別，進而圈定地球化學異常[13-14]。地質統計學方法以區域化變量為基礎，借助變差函數，對空間域或時間域自然變量進行定量化描述。不僅能夠有效地揭示元素在空間上的分布及相關特征，而且還可以將其空間分布特征與成礦元素分布聯系起來，有效解釋空間分布特征對成礦元素分布的影響[15-19]，其中對變差函數的研究能透過隨機性反映區域變化量的結構性，從而了解區域化探變量的空間變化特征[20-22]。套合模式譜系方法、異常與背景分解方法多用于提取元素異常，多重分形技術研究異常的局部奇異性，主成分分析方法主要用于尋找異常組合，這幾種方法對于元素空間分布規律的研究較為缺乏，而地質統計學方法在元素空間分布特征的研究與應用較為廣泛。因此，筆者主要利用地質統計學(變差函數分析)來剖析銅陵地區1:200 000水系沉積物地球化學數據，在不同尺度下對主成礦元素(Cu、Au、Pb和Zn)進行變差函數分析，并定量刻畫主成礦元素的空間分布特征，為研究區勘查找礦提供有效地地球化學空間變異信息，建立成礦及伴生元素的空間分布模式。

1 區域地質概況

銅陵礦集區位于我國東部長江中下游地區，自古以來就是銅金的重要產地。區內有五大礦田，自西向東依次是銅官山礦田、獅子山礦田、新橋礦田、鳳凰山礦田和沙灘腳礦田[23]。構造位置位于揚子準地臺東北部下揚子臺坳的中部，貴池-繁昌凹斷褶束的東段，大別造山帶的前陸褶皺帶[24]。

礦集區地層從志留系(S)到第四系(Q)在地表均有出露，累計厚度大于4 500 m。主要包括志留系(S)淺海相的頁巖和砂巖；泥盆系(D)的中下統地層缺失，上統五通組(D1w)和石炭系下統(C)為石英砂巖夾粉砂質頁巖、細砂巖、粉砂巖；石炭系中上統黃龍組(C2h)船山組(C3h)和三疊系棲霞組(P1q)以灰巖、白云巖為主；二疊系下統孤峰組(P1g)，上統以及三疊系下統殷坑組(T1y)為頁巖、硅質巖、泥巖以及砂巖和煤層；三疊系下統和龍山組(T1h)以及中統主要是灰巖-白云巖系列,對區內成礦作用的形成有重要影響[25-26]。

區內構造發育，有近東西向、近南北向以及北東向、北北東向的隱伏深大基底斷裂將礦集區圍限，其中東西向銅陵-戴匯基底斷裂對巖漿活動和成礦作用影響很大。在印支期地層由于礦集區周圍地質單元的擠壓和剪切而發生變形，形成了一系列北東向的短軸褶皺，北東向的順層滑脫斷層，以及北東向、北西向和近南北向的表殼斷裂。區內多數礦床受NNE向與NE向、EW向等構造的復合部位所控制[27-28]。主導金屬礦質(如銅、金、鐵)沉淀的巖漿活動在礦集區也非常強烈。礦集區主要是以燕山期高鉀鈣堿性侵入巖為主，侵入體多呈巖枝、巖墻、巖脈等。巖體主要有石英二長閃長巖、花崗閃長巖、輝石閃長巖以及花崗閃長斑巖[29]。LA-ICP-MS和SHRIMP鋯石U-Pb定年,表明這些巖體的形成時代為(144.9±2.3)Ma-(137.5±1.1)Ma[30](圖1)。

2 數據來源與方法

2.1 樣品采集與數據處理

研究區內水系沉積物主要為基巖風化物，采樣點布置在一級水系及其分支水系口，可以有效的反映基巖的基本特征，適于開展水系沉積物的測量[31]。本次研究區共采樣374件樣品，采樣密度1個/km2～2個/km2，4 km2一個組合樣，野外采集樣品后自然風干，然后過60目篩，選取-60目(<250 um)細粒沉積物，重量不少于300 g，并對樣品進行組合分析，每件樣品分析了39元素，包括主量元素和微量元素，分析方法如表1所示[32]。本文主要分析銅陵地區成礦及其伴生元素，因此選取了Ag、As、Au、Bi、Cd、Cu、Hg、Mn、Pb、Sb、W、Zn等13種元素。樣品分析采取以下質量監控方案：①將全國性一級標準樣插入不同實驗室分析樣品中，監控實驗室之間的偏倚；②將各省二級標準樣插入同一實驗室不同樣品之間，監控不同批次、時間和圖幅之間的偏倚；③選定分析方法之前先對一級標準樣分析，減小全國不同實驗室分析方法之間的偏倚[33-34]。

圖1 銅陵礦集區地質礦產圖及地形圖

表1 元素分析方法

圖2 變差函數示意圖[22]

2.2 變差函數

地質統計學是數學地質的一個很重要的分支，其以區域化變量理論為基礎，以變差函數為主要工具，主要研究區域變化量在空間或時間域內變化的現象[35]。其中變差函數指空間上點的相關性會隨它們之間的距離發生變化而變化，它既能描述變量的結構性變化，也能描述其隨機性變化[36-37]。

實驗變差函數的計算公式為:

(1)

圖2中a為變程,其代表的含義是研究對象中某個區域變量的變化大??；C為基臺值,代表區域化變量在空間上的變化幅度；C0為塊金值，其含義指在樣品間距很小時的區域化變量的變化幅度，反映了變量的連續性很差，其差異性也很大[21-22]。

3 結果與討論

3.1 單元素統計參數特征

表2呈現了13種元素的統計參數，包括各百分位數、中位值、平均值、中國水系沉積物元素豐度中位值和中國水系沉積物背景值。此處統計平均值為了便于對比研究，但是地球化學數據是典型的成分數據,在歐式空間計算誤差則相對較大[38]。而中位數不容易受到極值的影響，能夠較好地估計數據集的中心[39]，因此我們選取平均值和中位數統計對比分析。通過對比研究區各元素中位值與中國水系沉積物元素豐度中位值發現：Au、Hg的中位值比值大于2.0；Cd、Sb的比值大于1.5；Ag、As、Bi、Cu、Mn、Mo、Pb、W、Zn的比值均大于1.0。對比研究區各元素平均值與中國水系沉積物背景值發現：Au、Cd、Hg的比值大于4.0，Ag、Bi、Pb的比值大于3.0，As、Cu、Sb、Zn的比值大于2.0，Mn、Mo、W的比值大于1.0。這些數值表明研究區水系沉積物中含有大量與成礦有關的礦物，可能由于銅陵礦集區大規模成礦和長期礦業活動導致，并在后期經過物理化學風化作用使水系沉積物中成礦和伴生元素大量富集。

3.2 單元素分布特征

圖3為銅陵礦集區4種主成礦元素Cu、Au、Pb和Zn地球化學含量等值線圖。

從圖3(a)可以發現，Cu呈現以下空間分布特征：①大于85%分位數(即56.0 ug/g)的高含量值空間上與已知的銅官山、獅子山、新橋、鳳凰山和沙灘腳五大礦田吻合；②從區域上看，這些高含量值整體沿近東西向展布，與該地區沿東西向銅陵-戴匯基底斷裂侵入的中酸性巖體高度相關；③區內大多數地層，尤其是志留系、石炭系、侏羅系和白堊系地層中Cu含量較低。因此，研究區水系沉積物中高含量的Cu應與中酸性侵入體及相關成礦關系密切。

從圖3(b)可以發現，Au呈現以下空間分布特征：①大于85%分位數(即9.60ng/g)的高含量值空間上主要分布在銅官山、獅子山、新橋和鳳凰山礦田，沙灘腳礦田的含量明顯較低；②從區域上看，這些高含量值整體呈東西向條帶狀連續性展布，與研究區的東西向銅陵-戴匯基底斷裂位置吻合；③與Cu相比，Au高含量值分布相對聚集，具有一定的連續性。因此，研究區水系沉積物中高含量的Au可能受到主斷裂及鄰近次級斷裂控制，影響Au的遷移。

從圖3(c)可以發現，Pb呈現以下空間分布特征：①大于85%分位數(即97.1ug/g)的高含量值空間上主要分布在新橋和鳳凰山礦田附近，獅子山礦田也有分布；②這些高含量值分布集中，帶型異常特征突出,整體上呈北東-南西向展布，多分布于地勢較低區域，并與研究區地層走向接近；③區內高含量值主要分布在二疊系與三疊系地層，空間上與二疊系、三疊系碳酸鹽巖高度吻合。因此，研究區水系沉積物中高含量的Pb可能受地層控制。

從圖3(d)可以發現，Zn呈現以下空間分布特征：①大于85%分位數(即217.2ug/g)的高含量值空間上主要分布在新橋、鳳凰山附近，銅官山、獅子山礦田也有分布，沙灘腳礦田沒有高含量值分布；②從區域上看，這些高含量值整體沿北東-南西向展布，多分布于地勢較低區域，并且與研究區地層走向接近；③區內高含量值主要分布在二疊系與三疊系地層，空間上與二疊系、三疊系碳酸鹽巖高度吻合。因此，研究區水系沉積物中高含量的Zn可能受地層控制。

3.3 變差函數研究

變差函數是區域化變量空間變異性的一種度量，應用在地質學中，可以反映地質情況在空間上的分布特征，表征地質情況的空間各向異性。我們在縮小研究區空間范圍后進行變差函數研究，縮小范圍的依據和方法：從地質角度考慮，銅陵礦集區主要包含五大礦田，范圍縮小的基本思想是：先去掉一個礦田(例如沙灘腳)，并且主體是第四系覆蓋物，目的是觀察由空間范圍的變化會不會引起處理結果(即空間變差函數分析)的變化以及如何變化；其次考慮到為了保證和未縮小范圍之前數據的比例一致，因此利用矩形框同等比例縮小研究區范圍將沙灘腳周圍的數據去除，只改變范圍大小，減少樣品數量，不改變采樣密度，觀察元素空間分布模式在不同研究尺度下展現的特征是否會發生變化，但原理上變差函數展現的不同結果是由于數據缺少而造成。圖4和圖5為不同范圍下主成礦元素(Cu、Au、Pb和Zn)的變差函數圖，表3和表4分別為對應的擬合變差函數參數表。

Ag、Au、Hg單位：10-9；其他元素：10-6；比值1：研究區元素中位值/中國水系沉積物元素豐度中位值；比值2：研究區元素平均值/中國水系沉積物背景值(平均值作為背景值的估計值)

球狀模型：Cu: 0.17*Nugget+0.39*Spherical(22000,11428,83.5);Au: 0.45*Nugget+0.89*Spherical(24000,11317,88.6);Pb: 0.14*Nugget+0.85*Spherical(26000,14714,62.1);Zn: 0.12*Nugget+0.53*Spherical(24000,16249,49.7)

表4 擬合變差函數參數表(縮小范圍后)

球狀模型: Cu:0.12*Nugget+0.46*Spherical(16000,5036,35.3);Au:0.73*Nugget+0.64*Spherical(18000,6003,94.6);Pb:0.20*Nugget+0.74*Spherical(16000,10498,48.2);Zn:0.27*Nugget+0.23*Spherical(18000,7531,42.0)

圖3 銅陵礦集區4種主成礦元素地球化學等值線圖

圖4 (a)、圖4 (b)、圖4 (c)、圖4 (d)四幅圖分別為Cu、Au、Pb、Zn四個元素在整個研究區的變差函數圖像，圖中藍色延伸方向代表了元素的最大空間連續方向。表3是四個元素的變差函數參數，結合圖4和表3可以看出：

1)Cu、Au元素:①圖4(a)、圖4 (b)呈現了Cu、Au兩個元素的空間最大連續性，均呈近東西向展布(83.5°和88.6°)，空間上與近東西向的銅陵-戴匯基底斷裂帶吻合，但南北向的色差變化較大，連續性差；②當Cu、Au元素的變程達到次變程(11 428和11 317)時，基臺值為0.56和1.34(塊金值+偏基臺值)，此時達到Cu、Au元素空間自相關的最大值，隨著變程的增加，元素空間相關性不再變化。

2)Pb、Zn元素：①圖4(c)、圖4 (d)兩幅圖中Pb、Zn元素的延伸方向都呈現了近北東-南西向(62.1°和49.7°)的連續性，空間上與二疊系、三疊系碳酸鹽巖高度吻合，此外發現Pb和Zn元素在北西-南東方向的連續性差，跨地層單元也出現含量差異較大的現象，說明兩個元素應該與特定的地層相關；②當Pb、Zn元素的變程達到次變程(14714和16249)時，基臺值為0.85和0.53，此時達到Pb、Zn元素空間自相關的最大值，隨著變程的增大，元素的空間相關性不再變化；③Pb、Zn元素的基臺值相近，說明兩個元素空間相關性變化幅度差不多，空間上位置相近，屬于伴生關系,可能都受地層控制。例如，荷花山鉛鋅銀多金屬礦產于三疊系(T)灰巖角礫巖中,其中和龍山組(T1h)、南陵湖組(T1n)為區內主要含礦層位,礦體形態呈似層狀或透鏡狀,屬中低溫熱液礦床[42]。姚家嶺Pb、Zn礦與二疊系棲霞組(P1q)地層有關，二疊系棲霞組是主要賦礦層位，灰巖的形態呈向斜展布，軸向呈近東西向，礦體賦存形態嚴格受地層形態控制[43]。

圖5(a)、圖5 (b)、圖5 (c)、圖5 (d)是Cu、Au、Pb、Zn四個元素縮小范圍后的變差函數圖像，圖中藍色延伸方向代表了元素的最大空間連續方向，表4是對應四個元素的變差函數參數。結合圖5和表4可以看出：圖4 (a)中Cu元素藍色延伸方向為北北東向(35.3°)，云圖四周高，中間低，而且連續性距離偏短；圖4 (b)中Au元素延伸方向為近東西向(94.6°)，南北向色差變化較大；圖4 (c)、圖4 (d)中Pb和Zn元素呈現了近北東-南西向的延伸(48.2°和42.0°)，且連續性良好，同時也發現北西-南東方向色差等級變化較大，連續性較差。

圖4 銅陵礦集區元素變差函數圖

圖5 銅陵礦集區元素變差函數圖(縮小范圍后)

綜合以上數據和圖示可以看出：縮小研究區范圍后，①四種元素的變差函數參數發生了相應的變化，Cu元素的塊金值降低，而Au、Pb和Zn元素的塊金值增大，說明Cu元素在小范圍內空間連續性較好，而Au、Pb和Zn元素的連續性較差，其差異性也很大；②Cu元素的空間最大連續性方向變化很大，由近東西向(83.5°)變為北北東向(35.3°)，變化幅度明顯(48.2°)，連續性距離偏短，說明Cu元素的空間分布特征是叢集程度高，可能在一個很小的范圍內在北北東向有很好的展現，呈現出與區內矽卡巖型銅礦控礦巖體(如銅官山巖體)[44]的空間相關性；③Au、Pb和Zn的最大連續性方向變化較小(94.6°、48.2°和42.0°)，變化幅度為(6°、13.9°和7.7°)，但是最大連續性延伸距離變長。綜上所述，Cu發生如此明顯變化，可能由于研究區范圍的變化導致，從而引起控制Cu的地球化學分布模式的主要因素發生改變。在全區范圍內，Cu的空間分布特征可能與該地區沿銅陵-戴匯基底斷裂侵入的中酸性巖體高度相關；縮小范圍后，礦田中單個巖體則是其主要控制因素。但是Au、Pb和Zn的主要控制因素沒有隨之改變，Au受到主斷裂及鄰近次級斷裂控制，Pb和Zn則受到二疊系、三疊系地層控制，說明范圍的改變對Au、Pb和Zn的主要控制因素的影響較小。

4 結論

1)對研究區13種元素的地球化學特征進行統計分析，發現主成礦元素Cu、Au、Pb、Zn的中位數明顯較中國水系沉積物中位數偏高，說明水系沉積物中含有大量與成礦有關的礦物，導致主成礦元素大量富集。

2)結合單元素等值線圖和變差函數圖分析發現，在全區范圍內，Cu和Au的高含量值沿近東西向呈現最大連續性，空間上與近東西向銅陵-戴匯基底斷裂帶吻合；Pb和Zn的高含量值則沿北東-南西向呈現最大連續性，空間上與二疊系、三疊系碳酸鹽巖高度吻合。當縮小研究區范圍后發現，Au、Pb和Zn的最大連續性方向變化幅度較小，Cu則由近東西向變為北北東向，變化幅度較大，呈現出與區內矽卡巖型銅礦控礦巖體(如銅官山巖體)的空間相關性，Cu發生如此明顯變化，可能由于范圍的變化引起元素空間分布模式發生變化。綜上所述，認為研究區水系沉積物中Cu的分布受成礦巖體控制，Au受到區域主斷裂及鄰近次級斷裂控制，Pb和Zn則受到二疊系、三疊系地層控制。

3)通過Cu的明顯變化，可以發現地球化學模式在不同研究尺度下展現的特征不同，并且研究的主要影響因素也不同。因此，后期的研究應該注意研究尺度問題。