甘肅寨上金礦南礦帶構造疊加暈實用模型及深部找礦預測

王 斌，宋伊圩，孫 彪，楊 可，馬振宇，康成鑫，張 旺，蔣東祥，唐源壑，楊 洋，姬省軍，牛秋生

(中國地質調查局 西安礦產資源調查中心，陜西 西安 710199)

0 引 言

自20世紀70年代以來，國內外學者利用原生暈找礦方法在熱液成因礦產尋找新礦體、增加礦產儲量等方面取得了重要突破[1-4]。近年來，李惠教授團隊依據熱液礦床嚴格受構造控制的理論，認為構造帶中疊加暈可以反映原生暈軸向分帶和疊加結構，提出了構造疊加暈理論[5-6]，且應用效果良好[7-8]。隨著構造疊加暈理論的發展，有學者進一步將構造疊加暈與成礦規律密切結合，建立了構造疊加暈實用模式[9-11]。該模式可用于判斷有利成礦空間是否有礦，從而使地球化學找礦思路更加清晰，提高了靶位預測的準確性，在解決礦山資源危機和深部探礦增儲方面有重要參考和實用價值。

甘肅寨上金礦是近些年在西秦嶺地區發現的超大型類卡林型金礦床[12-14]。目前對礦區勘探的程度在逐步加強，而深部及外圍找礦效果欠佳，因此有必要尋求新的找礦方法。前人主要對北礦帶[15-17]和南礦帶[18]單個鉆孔或單個勘探線進行過原生暈的討論，預測深部有找礦潛力，但沒有從整體的角度分析礦脈的展布形態和側伏規律，在實際工作中難以操作。為此，本文基于對礦區的野外地質認識和前人已有研究成果，對寨上金礦床南礦帶32號脈微量元素進行數理分析，建立南礦帶構造疊加暈實用理想模型，預測深部盲礦體位置并通過鉆孔進行驗證，為礦區勘查找礦工作提供科學依據。

1 區域地質背景

寨上金礦床位于甘肅省南部的岷縣禾馱鄉，礦區范圍為東經104°09′00″—104°15′00″,北緯34°30′30″—34°33′00″。區域大地構造屬于西秦嶺造山帶北亞帶，該構造單元被夾持于華北和揚子南北大陸之間，北以商丹斷裂為界，南以臨潭—鳳縣斷裂為界[19-20](圖1)。西秦嶺地區礦產豐富，是著名的“陜—甘—川”金三角密集區[21-22]。區內沉積建造主要為古生界淺變質海相復理石建造和三疊系深水濁流復理石建造[23]。西秦嶺晚三疊世以來火山巖類型齊全，分布于西南部，其中中酸性小巖體、巖脈與多金屬成礦關系密切[24]。

圖1 西秦嶺地區地質簡圖(據張國偉等[19]和陳衍景等[20])Fig.1 Geological sketch map of the West Qinling region (after Zhang et al.[19] and Chen et al.[20])

三疊紀晚期的印支期是區內主造山階段，金礦床產于區域性逆沖斷裂上盤，具“背斜加一刀”的控礦規律[25-26]。

2 礦產地質特征

工作區出露地層有中—上泥盆統、下二疊統和新近系，為一套石英砂巖、粉砂巖、板巖和灰巖組成的濁積巖建造[27]。礦區巖漿活動較弱，地表無巖體和脈巖出露，僅寨上村個別鉆孔和平硐見閃長玢巖脈。礦區構造發育，由區域性斷裂 (F1、F10)、卓洛—扎麻樹背斜、主干斷裂 (F3、F5、F8、F9)和容礦斷裂組成(圖2)。礦脈和礦體受背斜、斷裂和地層聯合控礦，280°～300°走向的F5斷裂既是上泥盆統D3與下二疊統P1的巖性分界線，同時也將礦區劃分為南、北礦帶，分別位于背斜的核部和北翼[28]。礦區礦物成分復雜，種類繁多，有自然元素及其多金屬互化物。礦石礦物主要有黃鐵礦、毒砂、白鎢礦、輝銻礦等；脈石礦物主要有石英、方解石、高嶺石、絹云母等[29-30]。金以類質同象形式賦存在黃鐵礦、毒砂、石英等載金礦物中，有晶格金、粒間金和裂隙金三種存在形式[31]。

3 樣品采集與分析

3.1 樣品采集與測試方法

本次研究選擇南礦帶43、49、55、61、67勘探線的16個鉆孔(表1、圖3)，樣品均采自32號脈構造蝕變帶附近的圍巖及礦石，其中碎裂巖和礦化較好地段采樣間隔為2 m/件，礦化較差地段采樣間隔為5 m/件，共采集441件。相鄰勘探線距離為150 m，同一勘探線內鉆孔間距約50 m。

圖3 南礦帶32號脈勘探線聯合剖面圖(修改自西安礦產資源調查中心，2021)Fig.3 Integrated profile of exploration line in No.32 Vein of the southern ore belt (modified from Xi’an Center of Mineral Resources Survey,2021)

表1 樣品采集參數Table 1 Sampling parameters of this study

樣品測試工作由中國人民武裝警察部隊黃金第五支隊實驗室完成，測試了Au、Ag、As、Sb、Bi、W、Cu、Pb、Zn共9種元素。各元素測試方法分別為：Au采用原子吸收分光法，Ag采用平面光柵攝譜法，As、Sb采用原子熒光分光法，Bi、W采用電感耦合等離子體質譜法，Cu、Pb、Zn采用等離子體發射光譜法。檢出限分別為：Au為0.3×10-9，Ag為20×10-9，As為1×10-6，Sb為0.1×10-6，Bi為0.1×10-6，W為0.5×10-6，Cu為1×10-6，Pb為2×10-6，Zn為10×10-6。挑選部分復樣送至西北有色地質研究院化驗，合格率為97.1%，數據可靠。

為了分析各元素在地質體內的親和性，筆者基于SPSS軟件對數據進行相關性分析、聚類分析和因子分析等進行數學統計學分析，有助于建立找礦預測的地球化學標志[32-33]。

3.2 相關性分析

相關性分析可衡量各元素間的相關性和親和性。利用Pearson相關系數法對9種元素進行了相關性分析，由矩陣散點圖(圖4)和多元素相關系數表(表2)可以看出，與Au呈正相關(α≥0.25)的元素有Ag、As、Pb、Sb、W，說明以上元素在金成礦過程中有一定富集。As與Sb、Cu與Bi的相關系數分別為0.586、0.945，可能與它們在熱液上升過程中靠近頭部和尾部有關。Cu與W之間表現出負相關，Au與Cu之間相關性不明顯。

圖4 南礦帶多元素矩陣散點圖Fig.4 Matrix scatter plots of metal elements in the Southern Ore Belt

表2 南礦帶多元素相關系數Table 2 Correlation coefficients between metals in the Southern Ore Belt

3.3 R型聚類分析

通過Pearson相關系數法對元素進行R型聚類分析得到直觀的樹形譜系圖(圖5)，揭示了各變量在成巖、成礦過程中相對富集和運移的差異，進而說明元素間的親疏關系和共生組合特征[34]。以相似系數0.4為界，可將元素劃分為Ag、Sb、Au、As元素組，Pb、Zn元素組和Bi、Cu元素組。第一個元素組中Ag和As是礦區重要的伴生元素，可作為良好的地球化學暈指示元素。Au和As元素的相似系數高達0.58，這與寨上微細浸染型金礦床的次顯微金主要賦存在含砷黃鐵礦、毒砂等硫化物的增生環帶內或邊緣有關[35]。

圖5 南礦帶R型聚類分析譜系圖Fig.5 R type cluster hierarchical diagram of the indicator elements in rock samples from the Southern Ore Belt

3.4 因子分析

礦床的形成伴隨著圍巖、熱液、構造等多種地質條件的疊加與改造，從而使得巖石或礦物中所獲元素的含量也不同。因此可通過地質因子分析來識別礦化活動的階段和類型，并分析成礦控制因素[36]。因子分析時，提取主因子的原則是特征值大于1且非單因素單因子[37]。累計方差貢獻值不宜取值過高或過低，過高會使信息分散，過低又會失去有意義的信息，因此選擇適當的累計方差貢獻值，提取恰當數目的公因子，才能較好地揭示地質地球化學內在規律[38]。使用SPSS軟件對數據降維處理得到因子載荷矩陣(表3)，前3個主因子特征值大于1，累計方差貢獻率為61.961%，各元素公因子方差百分比在0.84%～0.97%之間，認為包含了數據變化的絕大部分信息[39]。

表3 南礦帶R型因子分析旋轉因子載荷矩陣Table 3 Factor loading of R type factor analysis with orthogonal rotation in the Southern Ore Belt

以0.5作為因子載荷標準，F1主要載荷因子為Cu、Bi；F2主要載荷因子為As、Au，方差貢獻率為20.079%，是礦區重要的礦化指示元素，代表了熱液成礦期[40]含As黃鐵礦-毒砂-石英主階段(Ⅱ)；F3主要載荷因子Zn、Pb與多金屬硫化物有關，代表熱液成礦期多金屬硫化物-白鎢礦-石英-碳酸鹽主階段(Ⅲ)。

4 元素空間分布特征

4.1 元素概率分布

元素在成礦成暈過程中具有分帶性，通過多元統計分析能客觀地反映其空間集聚規律。筆者隨機選取寨上礦區鉆孔、槽探和路線中無礦化的圍巖樣品1 577件，對其多元素數據進行概率統計分析，發現Au、As、Sb滿足對數正態分布，Ag、Bi滿足多模式分布，W、Cu、Pb、Zn既不滿足對數正態分布，也不滿足多模式分布。對滿足對數正態分布的元素，將其對數均值的真數作為背景值，對數均值加2倍標準差后的真數作為異常下限；對滿足多模式分布的元素，通過概率擬合計算求出兩條概率分布曲線的參數，將第一條曲線均值的真數作為區域背景值，2條曲線交點的真數作為異常下限；對其余元素，將其對數中眾數的真數作為區域背景值，眾數加上2倍標準差后的真數作為異常下限[41-42]。再對南礦帶32號脈構造蝕變帶內441件樣品中各元素進行相同方法的處理，得到礦化平均值(表4)。礦區Bi、Cu、Pb、Zn與西秦嶺地區背景值基本相近[43-44]，Sb、W元素值明顯較高，可能與礦區發育輝銻礦和白鎢礦有關；Au元素是區域平均值的兩倍，為礦區金礦的富集提供了充足的物源；Ag作為金的伴生元素也有較高的異常；As的高值與礦區金產在含砷黃鐵礦增生環帶內有關。

表4 寨上礦區主要成礦元素含量特征參數Table 4 Content of major ore elements in the Zhaishang gold deposit

4.2 元素軸向分帶序列

基于對礦區Au、Ag、As、Sb、Bi、W、Cu、Pb、Zn 9種元素的數學統計分析并與中國金礦床原生暈綜合軸向(垂向)分帶序列[45]對比得到寨上礦區理想原生暈分帶序列為：As-Sb(前緣暈)→Pb-Ag-Au-Zn-W(近礦暈)→Cu-Bi(尾暈)。

根據王建新等2007年的改良格里戈良分帶指數法[46]，分別計算43、49、55、61和67號勘探線32號脈各中段的線金屬量和，正規化處理后求得分帶指數和變異指數，得到各勘探線的原生暈軸向分帶序列如表5所示。

表5 南礦帶32號脈各勘探線軸向分帶序列Table 5 Primary halo axial zoning sequences in each prospecting line of the No.32 Vein in the Southern Ore Belt

55、67線尾暈元素Cu出現在礦體中部，55、67線尾暈元素Bi較靠前。前緣暈指示元素As、Sb相對尾暈元素總體都在礦體前部或中部。礦體Au元素相對近礦暈元素Pb、Ag靠前。近礦暈靠后的元素W在43—61線之間處在礦體最前端。西側的43、49勘探線分帶趨勢相近為近礦暈→(前緣暈+近礦暈+尾暈)；中部的55為(近礦暈+前緣暈+尾暈+近礦暈)，61線為(近礦暈+前緣暈)→(近礦暈+尾暈)；東側的67線為(尾暈+近礦暈+前緣暈)→近礦暈。從各勘探線分帶序列來看，礦體淺部都為近礦暈，說明存在一定剝蝕；67線深部仍以前緣暈和近礦暈為主，推測礦體還有一定延伸。

4.3 濃度分帶

為了使元素在剖面上的變化情況更明顯，將32號脈礦體樣品按不同勘探線位置和標高投影到同一剖面圖，即垂縱投影圖。對各樣品數據均一化處理(原始含量取對數后除以相應元素異常下限的對數值)，使其變為無量綱量，然后將前緣暈(As-Sb)、Au礦體暈、近礦暈(Pb-Ag-Au-Zn-W)、尾暈(Cu-Bi)內的各元素累加求平均值得到相應位置的襯值，按照襯值的大小分為外帶(1～2)、中帶(2～4)、內帶(>4)。使用ArcGIS軟件進行克里金插值法處理，得到對數襯值暈分帶圖(圖6)。由于相鄰鉆孔之間距離不同，導致插值時部分區域數據空白，表現在圖上無異常，但前緣暈、Au礦體暈、近礦暈整體趨勢為向東傾覆。同時礦脈受背斜和斷裂聯合控制，背斜為東南向側伏，因此含礦熱液應從東南向西北運移，32號脈東側埋藏更深，西側剝蝕程度更高。

圖6 南礦帶32號脈縱剖面對數襯值暈分帶圖Fig.6 Logarithmic contrast halo zoning of the profile for the No.32 Vein of Southern Ore Belt(a)Au元素；(b)近礦暈；(c)前緣暈；(d)尾暈

5 構造疊加暈實用模型及深部預測

在野外地質工作的基礎上，根據寨上金礦床南礦帶的地球化學特征和元素空間分布規律，初步建立了南礦帶構造疊加暈實用模型(圖7)。其中，礦體暈(Au)、近礦暈(Pb-Ag-Au-Zn-W)、前緣暈(As-Sb)和尾暈(Cu-Bi)為相應元素標準化處理后的累加結果；地球化學參數為前緣暈(As-Sb)和尾暈(Cu-Bi)的標準化累加比值。

圖7 南礦帶構造疊加暈實用模型Fig.7 Structure superimposing halo practical model of the Southern Ore Belt

第67勘探線位于32號礦脈的東側，原生暈在2 510 m和2 360 m中段存在兩個高峰，在2 410 m和2 330 m中段也有兩個低谷。67線2 640 m處尾暈的存在說明淺部礦體1已被剝蝕，且原生暈在深部存在兩個高峰。從原生暈預測截面可以看出，67線2 370 m處截面前緣暈和尾暈共存，說明深部有盲礦體存在。

地球化學參數的軸(垂)向變化規律可預測盲礦并判別礦體剝蝕程度。67線在2 600 m處開始有較長距離的升高，在2 510 m處降低，又從2 380 m處轉為升，且升高幅度較大，標志著深部可能存在盲礦體。

由已知礦體側伏規律，即32號脈在東南部的67線向南以高角度側伏，推測深處存在有利成礦空間，該處前緣暈和尾暈疊加、軸向分帶反常和地化參數轉折等現象指示其有礦，因此將該有利成礦空間定為預測靶位。

6 鉆孔驗證

在構造疊加暈預測的基礎上，2020年在第67勘探線布設后排孔ZK67-0。根據實驗室檢測報告，第254、255、256號樣品均有礦化顯示，金品位分別為0.31×10-6、2.66×10-6、0.17×10-6，在剖面圖(圖8(a))換算成標高為2 101.0～2 104.3 m。該處為粉砂質板巖與碎裂巖接觸部位，靠近板巖一側(圖8(b))。碎裂巖磨圓較差，分選差；粉砂質板巖裂隙發育，有方解石、石英脈充填，肉眼見少量星點狀黃鐵礦。光薄片可見黃鐵礦呈五角十二面體(圖8(c))，該類型黃鐵礦為礦區主成礦期載金礦物[47]。從巖性和構造樣式來看其與相鄰鉆孔見礦特征一致，可判斷為同一礦體，即32號脈。

圖8 ZK67-0鉆孔見礦情況Fig.8 Ore body in drill hole ZK67-0(a)67線剖面圖；(b)巖心照片；(c)反射光顯微鏡下黃鐵礦

鉆孔見礦情況和原生暈預測結果基本一致，礦體在傾向、標高和金品位等方面有較好的對應關系，只是厚度較薄，與32號脈在55線以西的局部膨大有關。其結果進一步肯定了構造疊加暈實用模型在寨上礦區深部預測結果的可靠性和可行性。

7 結 論

(1)通過對寨上礦區南礦帶32號脈構造帶樣品的測試數據進行相關性分析、R型聚類分析和因子分析，表明了Au與As元素具較好的相關性，可作為礦區重要的指示元素；As、Sb和Cu、Bi相關系數分別為0.586、0.945，可能與它們在熱液上升過程中靠近頭部和尾部有關。

(2)基于對礦區9種元素的數學統計分析并與中國金礦床原生暈綜合軸向(垂向)分帶序列對比得到寨上礦區理想原生暈分帶序列為：As-Sb(前緣暈)→Pb-Ag-Au-Zn-W(近礦暈)→Cu-Bi(尾暈)；根據改良的格里戈良分帶指數法得到各勘探線軸向分帶序列，前、尾暈共存等“反分帶”現象的出現表明存在多次熱液疊加作用。

(3)將樣品所在勘探線和標高投影到同一剖面，對數據均一化處理后將各暈體內元素累加求均值，使用克里金插值法得到元素對數襯值暈剖面圖，顯示出前緣暈、Au礦體暈、近礦暈整體趨勢為向東傾覆，與背斜向西揚起一致。含礦熱液從東南向西北方向運移，32號脈東側埋藏更深，西側剝蝕程度更高。

(4)結合礦區地質特征和元素空間分布規律，建立了南礦帶構造疊加暈實用模型。認為67線深處存在有利成礦空間，且原生暈找礦標志指示有礦，因此將該有利成礦空間定為預測靶位。并通過鉆孔驗證了預測的準確性，進一步說明構造疊加暈實用模型對礦區深部找礦預測具有重要意義。

致謝：在野外期間得到中國地質大學(北京)劉家軍教授、長安大學楊興科教授的悉心指導，審稿人對論文修改提出寶貴的意見，在此表示衷心感謝。