甘肃寨上金矿南矿带构造叠加晕实用模型及深部找矿预测

王 斌，宋伊圩，孙 彪，杨 可，马振宇，康成鑫，张 旺，蒋东祥，唐源壑，杨 洋，姬省军，牛秋生

(中国地质调查局 西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710199)

0 引 言

自20世纪70年代以来，国内外学者利用原生晕找矿方法在热液成因矿产寻找新矿体、增加矿产储量等方面取得了重要突破[1-4]。近年来，李惠教授团队依据热液矿床严格受构造控制的理论，认为构造带中叠加晕可以反映原生晕轴向分带和叠加结构，提出了构造叠加晕理论[5-6]，且应用效果良好[7-8]。随着构造叠加晕理论的发展，有学者进一步将构造叠加晕与成矿规律密切结合，建立了构造叠加晕实用模式[9-11]。该模式可用于判断有利成矿空间是否有矿，从而使地球化学找矿思路更加清晰，提高了靶位预测的准确性，在解决矿山资源危机和深部探矿增储方面有重要参考和实用价值。

甘肃寨上金矿是近些年在西秦岭地区发现的超大型类卡林型金矿床[12-14]。目前对矿区勘探的程度在逐步加强，而深部及外围找矿效果欠佳，因此有必要寻求新的找矿方法。前人主要对北矿带[15-17]和南矿带[18]单个钻孔或单个勘探线进行过原生晕的讨论，预测深部有找矿潜力，但没有从整体的角度分析矿脉的展布形态和侧伏规律，在实际工作中难以操作。为此，本文基于对矿区的野外地质认识和前人已有研究成果，对寨上金矿床南矿带32号脉微量元素进行数理分析，建立南矿带构造叠加晕实用理想模型，预测深部盲矿体位置并通过钻孔进行验证，为矿区勘查找矿工作提供科学依据。

1 区域地质背景

寨上金矿床位于甘肃省南部的岷县禾驮乡，矿区范围为东经104°09′00″—104°15′00″,北纬34°30′30″—34°33′00″。区域大地构造属于西秦岭造山带北亚带，该构造单元被夹持于华北和扬子南北大陆之间，北以商丹断裂为界，南以临潭—凤县断裂为界[19-20](图1)。西秦岭地区矿产丰富，是著名的“陕—甘—川”金三角密集区[21-22]。区内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[23]。西秦岭晚三叠世以来火山岩类型齐全，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[24]。

图1 西秦岭地区地质简图(据张国伟等[19]和陈衍景等[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[25-26]。

2 矿产地质特征

工作区出露地层有中—上泥盆统、下二叠统和新近系，为一套石英砂岩、粉砂岩、板岩和灰岩组成的浊积岩建造[27]。矿区岩浆活动较弱，地表无岩体和脉岩出露，仅寨上村个别钻孔和平硐见闪长玢岩脉。矿区构造发育，由区域性断裂 (F1、F10)、卓洛—扎麻树背斜、主干断裂 (F3、F5、F8、F9)和容矿断裂组成(图2)。矿脉和矿体受背斜、断裂和地层联合控矿，280°～300°走向的F5断裂既是上泥盆统D3与下二叠统P1的岩性分界线，同时也将矿区划分为南、北矿带，分别位于背斜的核部和北翼[28]。矿区矿物成分复杂，种类繁多，有自然元素及其多金属互化物。矿石矿物主要有黄铁矿、毒砂、白钨矿、辉锑矿等；脉石矿物主要有石英、方解石、高岭石、绢云母等[29-30]。金以类质同象形式赋存在黄铁矿、毒砂、石英等载金矿物中，有晶格金、粒间金和裂隙金三种存在形式[31]。

3 样品采集与分析

3.1 样品采集与测试方法

本次研究选择南矿带43、49、55、61、67勘探线的16个钻孔(表1、图3)，样品均采自32号脉构造蚀变带附近的围岩及矿石，其中碎裂岩和矿化较好地段采样间隔为2 m/件，矿化较差地段采样间隔为5 m/件，共采集441件。相邻勘探线距离为150 m，同一勘探线内钻孔间距约50 m。

图3 南矿带32号脉勘探线联合剖面图(修改自西安矿产资源调查中心，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 样品采集参数Table 1 Sampling parameters of this study

样品测试工作由中国人民武装警察部队黄金第五支队实验室完成，测试了Au、Ag、As、Sb、Bi、W、Cu、Pb、Zn共9种元素。各元素测试方法分别为：Au采用原子吸收分光法，Ag采用平面光栅摄谱法，As、Sb采用原子荧光分光法，Bi、W采用电感耦合等离子体质谱法，Cu、Pb、Zn采用等离子体发射光谱法。检出限分别为：Au为0.3×10-9，Ag为20×10-9，As为1×10-6，Sb为0.1×10-6，Bi为0.1×10-6，W为0.5×10-6，Cu为1×10-6，Pb为2×10-6，Zn为10×10-6。挑选部分复样送至西北有色地质研究院化验，合格率为97.1%，数据可靠。

为了分析各元素在地质体内的亲和性，笔者基于SPSS软件对数据进行相关性分析、聚类分析和因子分析等进行数学统计学分析，有助于建立找矿预测的地球化学标志[32-33]。

3.2 相关性分析

相关性分析可衡量各元素间的相关性和亲和性。利用Pearson相关系数法对9种元素进行了相关性分析，由矩阵散点图(图4)和多元素相关系数表(表2)可以看出，与Au呈正相关(α≥0.25)的元素有Ag、As、Pb、Sb、W，说明以上元素在金成矿过程中有一定富集。As与Sb、Cu与Bi的相关系数分别为0.586、0.945，可能与它们在热液上升过程中靠近头部和尾部有关。Cu与W之间表现出负相关，Au与Cu之间相关性不明显。

图4 南矿带多元素矩阵散点图Fig.4 Matrix scatter plots of metal elements in the Southern Ore Belt

表2 南矿带多元素相关系数Table 2 Correlation coefficients between metals in the Southern Ore Belt

3.3 R型聚类分析

通过Pearson相关系数法对元素进行R型聚类分析得到直观的树形谱系图(图5)，揭示了各变量在成岩、成矿过程中相对富集和运移的差异，进而说明元素间的亲疏关系和共生组合特征[34]。以相似系数0.4为界，可将元素划分为Ag、Sb、Au、As元素组，Pb、Zn元素组和Bi、Cu元素组。第一个元素组中Ag和As是矿区重要的伴生元素，可作为良好的地球化学晕指示元素。Au和As元素的相似系数高达0.58，这与寨上微细浸染型金矿床的次显微金主要赋存在含砷黄铁矿、毒砂等硫化物的增生环带内或边缘有关[35]。

图5 南矿带R型聚类分析谱系图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

矿床的形成伴随着围岩、热液、构造等多种地质条件的叠加与改造，从而使得岩石或矿物中所获元素的含量也不同。因此可通过地质因子分析来识别矿化活动的阶段和类型，并分析成矿控制因素[36]。因子分析时，提取主因子的原则是特征值大于1且非单因素单因子[37]。累计方差贡献值不宜取值过高或过低，过高会使信息分散，过低又会失去有意义的信息，因此选择适当的累计方差贡献值，提取恰当数目的公因子，才能较好地揭示地质地球化学内在规律[38]。使用SPSS软件对数据降维处理得到因子载荷矩阵(表3)，前3个主因子特征值大于1，累计方差贡献率为61.961%，各元素公因子方差百分比在0.84%～0.97%之间，认为包含了数据变化的绝大部分信息[39]。

表3 南矿带R型因子分析旋转因子载荷矩阵Table 3 Factor loading of R type factor analysis with orthogonal rotation in the Southern Ore Belt

以0.5作为因子载荷标准，F1主要载荷因子为Cu、Bi；F2主要载荷因子为As、Au，方差贡献率为20.079%，是矿区重要的矿化指示元素，代表了热液成矿期[40]含As黄铁矿-毒砂-石英主阶段(Ⅱ)；F3主要载荷因子Zn、Pb与多金属硫化物有关，代表热液成矿期多金属硫化物-白钨矿-石英-碳酸盐主阶段(Ⅲ)。

4 元素空间分布特征

4.1 元素概率分布

元素在成矿成晕过程中具有分带性，通过多元统计分析能客观地反映其空间集聚规律。笔者随机选取寨上矿区钻孔、槽探和路线中无矿化的围岩样品1 577件，对其多元素数据进行概率统计分析，发现Au、As、Sb满足对数正态分布，Ag、Bi满足多模式分布，W、Cu、Pb、Zn既不满足对数正态分布，也不满足多模式分布。对满足对数正态分布的元素，将其对数均值的真数作为背景值，对数均值加2倍标准差后的真数作为异常下限；对满足多模式分布的元素，通过概率拟合计算求出两条概率分布曲线的参数，将第一条曲线均值的真数作为区域背景值，2条曲线交点的真数作为异常下限；对其余元素，将其对数中众数的真数作为区域背景值，众数加上2倍标准差后的真数作为异常下限[41-42]。再对南矿带32号脉构造蚀变带内441件样品中各元素进行相同方法的处理，得到矿化平均值(表4)。矿区Bi、Cu、Pb、Zn与西秦岭地区背景值基本相近[43-44]，Sb、W元素值明显较高，可能与矿区发育辉锑矿和白钨矿有关；Au元素是区域平均值的两倍，为矿区金矿的富集提供了充足的物源；Ag作为金的伴生元素也有较高的异常；As的高值与矿区金产在含砷黄铁矿增生环带内有关。

表4 寨上矿区主要成矿元素含量特征参数Table 4 Content of major ore elements in the Zhaishang gold deposit

4.2 元素轴向分带序列

基于对矿区Au、Ag、As、Sb、Bi、W、Cu、Pb、Zn 9种元素的数学统计分析并与中国金矿床原生晕综合轴向(垂向)分带序列[45]对比得到寨上矿区理想原生晕分带序列为：As-Sb(前缘晕)→Pb-Ag-Au-Zn-W(近矿晕)→Cu-Bi(尾晕)。

根据王建新等2007年的改良格里戈良分带指数法[46]，分别计算43、49、55、61和67号勘探线32号脉各中段的线金属量和，正规化处理后求得分带指数和变异指数，得到各勘探线的原生晕轴向分带序列如表5所示。

表5 南矿带32号脉各勘探线轴向分带序列Table 5 Primary halo axial zoning sequences in each prospecting line of the No.32 Vein in the Southern Ore Belt

55、67线尾晕元素Cu出现在矿体中部，55、67线尾晕元素Bi较靠前。前缘晕指示元素As、Sb相对尾晕元素总体都在矿体前部或中部。矿体Au元素相对近矿晕元素Pb、Ag靠前。近矿晕靠后的元素W在43—61线之间处在矿体最前端。西侧的43、49勘探线分带趋势相近为近矿晕→(前缘晕+近矿晕+尾晕)；中部的55为(近矿晕+前缘晕+尾晕+近矿晕)，61线为(近矿晕+前缘晕)→(近矿晕+尾晕)；东侧的67线为(尾晕+近矿晕+前缘晕)→近矿晕。从各勘探线分带序列来看，矿体浅部都为近矿晕，说明存在一定剥蚀；67线深部仍以前缘晕和近矿晕为主，推测矿体还有一定延伸。

4.3 浓度分带

为了使元素在剖面上的变化情况更明显，将32号脉矿体样品按不同勘探线位置和标高投影到同一剖面图，即垂纵投影图。对各样品数据均一化处理(原始含量取对数后除以相应元素异常下限的对数值)，使其变为无量纲量，然后将前缘晕(As-Sb)、Au矿体晕、近矿晕(Pb-Ag-Au-Zn-W)、尾晕(Cu-Bi)内的各元素累加求平均值得到相应位置的衬值，按照衬值的大小分为外带(1～2)、中带(2～4)、内带(>4)。使用ArcGIS软件进行克里金插值法处理，得到对数衬值晕分带图(图6)。由于相邻钻孔之间距离不同，导致插值时部分区域数据空白，表现在图上无异常，但前缘晕、Au矿体晕、近矿晕整体趋势为向东倾覆。同时矿脉受背斜和断裂联合控制，背斜为东南向侧伏，因此含矿热液应从东南向西北运移，32号脉东侧埋藏更深，西侧剥蚀程度更高。

图6 南矿带32号脉纵剖面对数衬值晕分带图Fig.6 Logarithmic contrast halo zoning of the profile for the No.32 Vein of Southern Ore Belt(a)Au元素；(b)近矿晕；(c)前缘晕；(d)尾晕

5 构造叠加晕实用模型及深部预测

在野外地质工作的基础上，根据寨上金矿床南矿带的地球化学特征和元素空间分布规律，初步建立了南矿带构造叠加晕实用模型(图7)。其中，矿体晕(Au)、近矿晕(Pb-Ag-Au-Zn-W)、前缘晕(As-Sb)和尾晕(Cu-Bi)为相应元素标准化处理后的累加结果；地球化学参数为前缘晕(As-Sb)和尾晕(Cu-Bi)的标准化累加比值。

图7 南矿带构造叠加晕实用模型Fig.7 Structure superimposing halo practical model of the Southern Ore Belt

第67勘探线位于32号矿脉的东侧，原生晕在2 510 m和2 360 m中段存在两个高峰，在2 410 m和2 330 m中段也有两个低谷。67线2 640 m处尾晕的存在说明浅部矿体1已被剥蚀，且原生晕在深部存在两个高峰。从原生晕预测截面可以看出，67线2 370 m处截面前缘晕和尾晕共存，说明深部有盲矿体存在。

地球化学参数的轴(垂)向变化规律可预测盲矿并判别矿体剥蚀程度。67线在2 600 m处开始有较长距离的升高，在2 510 m处降低，又从2 380 m处转为升，且升高幅度较大，标志着深部可能存在盲矿体。

由已知矿体侧伏规律，即32号脉在东南部的67线向南以高角度侧伏，推测深处存在有利成矿空间，该处前缘晕和尾晕叠加、轴向分带反常和地化参数转折等现象指示其有矿，因此将该有利成矿空间定为预测靶位。

6 钻孔验证

在构造叠加晕预测的基础上，2020年在第67勘探线布设后排孔ZK67-0。根据实验室检测报告，第254、255、256号样品均有矿化显示，金品位分别为0.31×10-6、2.66×10-6、0.17×10-6，在剖面图(图8(a))换算成标高为2 101.0～2 104.3 m。该处为粉砂质板岩与碎裂岩接触部位，靠近板岩一侧(图8(b))。碎裂岩磨圆较差，分选差；粉砂质板岩裂隙发育，有方解石、石英脉充填，肉眼见少量星点状黄铁矿。光薄片可见黄铁矿呈五角十二面体(图8(c))，该类型黄铁矿为矿区主成矿期载金矿物[47]。从岩性和构造样式来看其与相邻钻孔见矿特征一致，可判断为同一矿体，即32号脉。

图8 ZK67-0钻孔见矿情况Fig.8 Ore body in drill hole ZK67-0(a)67线剖面图；(b)岩心照片；(c)反射光显微镜下黄铁矿

钻孔见矿情况和原生晕预测结果基本一致，矿体在倾向、标高和金品位等方面有较好的对应关系，只是厚度较薄，与32号脉在55线以西的局部膨大有关。其结果进一步肯定了构造叠加晕实用模型在寨上矿区深部预测结果的可靠性和可行性。

7 结 论

(1)通过对寨上矿区南矿带32号脉构造带样品的测试数据进行相关性分析、R型聚类分析和因子分析，表明了Au与As元素具较好的相关性，可作为矿区重要的指示元素；As、Sb和Cu、Bi相关系数分别为0.586、0.945，可能与它们在热液上升过程中靠近头部和尾部有关。

(2)基于对矿区9种元素的数学统计分析并与中国金矿床原生晕综合轴向(垂向)分带序列对比得到寨上矿区理想原生晕分带序列为：As-Sb(前缘晕)→Pb-Ag-Au-Zn-W(近矿晕)→Cu-Bi(尾晕)；根据改良的格里戈良分带指数法得到各勘探线轴向分带序列，前、尾晕共存等“反分带”现象的出现表明存在多次热液叠加作用。

(3)将样品所在勘探线和标高投影到同一剖面，对数据均一化处理后将各晕体内元素累加求均值，使用克里金插值法得到元素对数衬值晕剖面图，显示出前缘晕、Au矿体晕、近矿晕整体趋势为向东倾覆，与背斜向西扬起一致。含矿热液从东南向西北方向运移，32号脉东侧埋藏更深，西侧剥蚀程度更高。

(4)结合矿区地质特征和元素空间分布规律，建立了南矿带构造叠加晕实用模型。认为67线深处存在有利成矿空间，且原生晕找矿标志指示有矿，因此将该有利成矿空间定为预测靶位。并通过钻孔验证了预测的准确性，进一步说明构造叠加晕实用模型对矿区深部找矿预测具有重要意义。

致谢：在野外期间得到中国地质大学(北京)刘家军教授、长安大学杨兴科教授的悉心指导，审稿人对论文修改提出宝贵的意见，在此表示衷心感谢。