强风化条件下基性岩的识别方法——以赞比亚卡皮萨比地区为例

段毅君,高 阳,陈建平,陈东越

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083； 2.核工业北京地质研究院，北京 100029)

强风化条件下基性岩的识别方法
——以赞比亚卡皮萨比地区为例

段毅君1,高 阳2,陈建平1,陈东越1

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083； 2.核工业北京地质研究院，北京 100029)

赞比亚卢菲利安弧中西段有大量辉长岩体发育。由于本区风化严重，辉长岩常被厚土壤层覆盖。辉长岩中的铜含量常高于其沉积围岩，易于形成铜异常。为了将辉长岩形成的异常与矿致异常区别开，有必要对土壤覆盖层下的辉长岩进行识别。作者对卡皮萨比地区的化探数据采用相关分析和因子分析进行了研究，认为铜异常与基性岩浆作用有关。根据野外地质观察、音频大地电磁测量、高精度磁法测量、槽探和钻探等工作，认为：地表砖红色土壤、高磁高阻地质体和Sc-Ti-V-Fe-Co-Ni-Cu的元素组合是识别强风化条件下隐伏基性岩体的标志。

隐伏辉长岩体 因子分析 地球化学 地球物理

Duan Yi-jun, Gao Yang, Chen Jian-ping, Chen Dong-yue. Methods for identifying gabbros under heavily weathering conditions—A case study from Kapisabi area, Zambia[J]. Geology and Exploration, 2014, 50(2):0332-0339.

赞比亚铜矿带(Copperbelt)以其丰富的铜、钴矿产资源闻名于世，砂页岩型铜矿是其主要的矿床类型(Alan，1930；Joseph，1963；Garlick，1964 ；Davidetal.， 2005；Hitzmanetal.，2010； Unrug， 1988)。卢菲利安造山运动后该区一直处于隆升状态，缺少古生代、中生代以及部分新生代的沉积。稳定的地质条件和常年的化学风化作用，形成了较厚地表第四系土壤层，为地质找矿工作增加了一定的难度。

本区在765～735Ma曾有一次广泛的基性岩浆活动，形成多个辉长岩岩体(Davidetal.， 2005)。由于基性岩中铜的丰度比其克拉克值高(Cu的克拉克值为55×10-6(Talor，1964)，在基性岩中的平均含量为87×10-6(Turekian and Wedepohl，1961))，因此，基性岩易于形成铜地球化学异常。若不明其理，对该类异常进行查证将是费时费力的。因此，识别由基性岩造成的铜异常是必要的。

卡皮萨比地区风化作用强，地表土壤覆盖层厚，地表露头少见。土壤化探工作是对该区进行资源评价的第一步工作。为了排除那些由基性岩体造成的铜异常，有必要对覆盖层下的基性岩体进行识别。作者根据多年来在该区的工作经验，总结出一些识别标志，以期对在相关地区从事矿产勘查的同仁提供一些借鉴。

1 地质背景简介

该区位于赞比亚西北省，东距铜带省钦格拉(Chingola)市120km，西距西北省省会索卢维奇(Solwezi)30km，北距刚果(金)与赞比亚国界40km。该区大地构造位置位于泛非造山带的卢菲利安弧中部(图1)。600～500Ma期间安哥拉-卡拉哈里板块与刚果-坦桑尼亚板块碰撞形成卢菲利安弧(Rossetal.，2006)。出露最老的地层为中元古界片岩、条带状片麻岩、花岗片麻岩和角闪片麻岩(本区的基底地层)，上覆新元古界加丹加超群地层(表1)。本区新元古界加丹加超群地层由矿山群和孔德龙古群构成(Porada and Berhorst，2000)。矿山群由上而下由Dumbwa山组(M)、Kimale组(N)和木瓦夏组构成。

图1 研究区大地构造位置图Fig.1 Tectonic map of study area 1-太古宙和元古宙克拉通；2-未变形的加丹加系地层；3-玄武岩和安山岩；4-强烈变形的加丹加系；5-中度变形的加丹加系；6-前加丹加期基底；7-孔德龙古群地层；8-Hook花岗岩；9-古生代盖层；10-赞比亚边界；11-城市；12-逆冲断层； 13-剪切带；14-断裂带；15-研究区1-Archean and proterozoic craton;2-undeformed Katanga system;3-basalt and andesite;4-strongly deformed Katanga system; 5-moderately deformed Kantanga systm;6-Pre-Katangan basement; 7-Kundelungu formation;8-Hook granite; 9-pleozoic cover;10- border; 11-city;12-thrust;13-shear zone;14-fault; 15-study area

图2 卡皮萨比地区岩性地质图Fig.2 Geological map of the Kapisabi area 1-硅质壳、铁质壳、地表沉积、河流冲积物；2-跨不同地层的泥质岩；3-细粒片岩、变泥岩、石英岩层、含铁粉砂岩条带；4-透闪石-阳起石片岩、钙质片岩、含石榴子石和角闪石钙质砂屑石英黑云母片岩；5-副砾岩建造；6-细粒、极细粒含石英铁石建造；7-大理岩层夹片岩8-泥质岩；9-黑云母片岩、白云质片岩、石英岩、黑云母石榴石片岩，滑石质、白云质片岩，千枚岩；10-石英金云母片岩，含云母石英岩与云母片岩、砾岩互层；11-浅色片麻岩；12-条带状铁矿石建造；13-中粗粒花岗闪长岩、正长花岗岩、二长花岗岩、英云闪长岩；14-辉长岩；15-断裂；16-航磁解译断裂；17-推断断裂；18-化探工作区及编号1-silcrete, ferricrete, superticial and fluvial deposits;2-argillaceous succession spanning a wide stratigraphical range;3-fine-grained schists, metasilstones,quartzite and ferruginous siltstone bands;4-tremolite-actinolite schists, calcareous, quartz-biotite schists with garnet and hornblende in places;5-paraconglomerate formation;6-fine to very fine-grained quartzose ironstones;7-mable with schists;8-pelite;9-bicosotite schist,dolomitic schist, quartzite, biotite-garnetschist, talcose schist phyllite;10-quartz phlogopite schist, mica quartzite with mica schist, conglomerate interbeds;11-leucocratic gneiss;12-banded ironstone;13-medium to coarse granodiorite, syenogranite, monzogranite,tonalite;14-gabbro;15-fault;16-airbonre inferred faults;17-inferred faults;18-geochemical work area and its code

其中木瓦夏组包括Chafugoma大理岩建造(P)和泥质岩建造(O)。Dumbwa山组主要岩性为粗粒的含蓝晶石变斑晶的石英-金云母片岩、石英岩、云母片岩和砾岩。Kimale组(N)主要岩性为黑云母石榴石片岩、滑石白云质片岩、大理岩、炭质千枚岩、黑云母片岩、石英岩和白云岩。Chafugoma大理岩建造(P)，主要岩性为粗晶钙质和白云质大理岩，有少量的页岩和黑云母片岩夹层。泥质岩建造(O)的主要岩性为灰黑色的泥岩。孔德龙古群地层的主要岩性为石英铁矿石(R)、碎屑岩(T)、石英黑云母片岩(S)和泥岩(U)。孔德龙古群地层上被第四系覆盖。区域内有一系列北西向褶皱发育，断裂有NE、NNE和NNW向三组(图2)。主要的变质作用为绿片岩相到角闪岩相。区内有数个小的变质辉长岩和中酸性岩岩株发育，这些岩株面积较小，常小于1km2，中酸性岩株侵入在围岩地层中，变质作用不明显，而辉长岩中变质程度较深，辉石多变成角闪石。

表1 卡皮萨比地区地层简表Table 1 Strata table of Kapisabi area

本区为热带雨林气候，长期强烈的化学风化作用使得地表土壤覆盖严重，平均厚度为20～100m。在该区开展的土壤化探圈定了多个铜异常，由于该区辉长岩发育，辉长岩中的铜的含量常高于其沉积围岩(3个辉长岩样品铜的平均含量为75×10-6)，因此，某些异常可能是由辉长岩形成的。如何排除由辉长岩造成的岩性异常，是在本区开展铜矿找矿工作的一道难题。

2 强风化条件下基性岩体的识别标志

2.1 红土剖面与基性岩体

红土是一种分布于热带、亚热带区域的红色土壤，是陆地表面岩石强烈风化的产物。这种土壤之所以呈现红色，是因为这种土壤里的红色的三氧化二铁含量较高(一般达5%以上)，在30°以内的纬度范围内易于形成红土，其中粗玄岩(或辉绿岩)以及其他的基性岩石易于形成独特的红棕色土壤(John and Richard，2004)。根据对典型红土剖面的研究，基性侵入岩上常形成红土(图3)。另外，我国广东雷州半岛的红土型铝土矿也是由玄武岩红土化形成的。

图3 工作区红土特征(a)与典型红土剖面图(b)①对比Fig.3 Comparison diagram between laterite in kapisabi area (a) and typical laterite profile (b)

该区土壤剖面A层普遍很薄或缺失，在工作区内施工的2m深的探槽(图3)揭露的全为砖红色的红土，对应红土剖面的B层，在红土剖面的底部，钻孔岩心揭露了浅黄色的土壤，对应于红土剖面的薄层淋滤带。本区红土垂向剖面与典型热带地区的红土剖面可以进行对比，表明在红土之下的覆盖层可能为基性的火成岩。

2.2 地球化学元素组合特征

土壤地球化学是寻找隐伏矿体的传统手段(张善明等，2011；汪校锋等，2011；孙凯等，2011)。在重点工作区进行了1∶25 000比例尺的土壤化探异常(图2)。采集的对象为B层土，对样品进行了采集、风干、过筛、装袋、编号。然后送核工业地学分析测试中心用ICP-MS进行分析测试，共分析了Be、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Nb、Mo、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、Ta、W、Pb、Bi、Th、U等元素。本次研究共使用了2156个数据。对每个元素的数理统计特征进行了分析，其中Cu的平均值高于克拉克值55×10-6(Taylor，1964)，表明该区具有富铜的特征。

为研究各元素之间的关系，采用多元统计的数理分析方法对数据进行处理。

2.2.1 聚类分析

聚类分析是地球化学数据处理中常用的方法之一(胡以铿，1991；张彦艳等，2006；李伟等，2007) ，其结果是将多个地球化学元素以其相似性分为不同的点群，从而反映地球化学元素之间的亲缘性，本次数据处理采用了SPSS软件，对数值进行标准化，采用组间连接的方法，计算元素间Euclidean距离，进行系统聚类(图4)。在距离系数为10的范围内， Cu与Nb、Ta、Ti、Mn、Zn、V、Fe、Co、Sc、Ga、In可归为一组。其中V、Ti、Sc、Fe、Mn、Co等为铁族元素，Ga、In为亲铜分散元素，Nb、Ta为稀有元素。数据分析结果表明铜族元素与铁族元素有密切的关系。

2.2.2 因子分析

因子分析的主导思想是“降维”，也就是在较少损失原始数据信息的前提下，用少量的彼此独立的因子替代原始的变量，是一种研究元素共生组合的有效手段和方法(董庆吉等，2008；姚玉增等，2005；孙华山等，2005)。对卡皮萨比地区土壤化探元素分析结果进行了因子分析，共提取出5个因子(表2)，累积方差贡献率达77.38%。同时进行了KMO和Bartlett的检验，KMO为0.824，Bartlett球形度检验sig=0。其中F1因子由Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Cd、In构成， F2因子由Be、Rb、Sr、Cs、U构成，F3因子由Cr、Ni、Ga、Mo、Sn、Th构成，F4为Pb和Bi所构成，F5因子为Nb、Sn、Ta所构成。

因子分析结果反映了元素之间的地球化学亲缘性关系。其中F1因子由为铁族元素和亲铜元素构成，铁族元素Sc、Ti、V、Co主要在基性岩浆中富集，而铜在基性岩中的含量也超过其他类型的岩浆岩，因此，二者应是同一地质作用-基性岩浆作用的产物。

图4 元素聚类分析谱系图Fig.4 Tree map of clustering analysis

根据聚类分析和因子分析结果，与铜元素有关的元素为Sc、Ti、V、Fe、Co、Ni ，其中与V和Ti关系尤为密切(相关系数分别为0.924和0.894)，Sc、Ti、V、Fe、Co、Ni元素组合反映了基性岩浆作用(刘英俊等，1987)，因此，铜异常与基性岩体有关。

表3 因子旋转成分矩阵Table 3 Matrix of rotated factors

2.3 地球物理特征

根据地质填图成果，研究区主要发育泥质岩、白云质大理岩、石英黑云母片岩等沉积岩或沉积变质岩(图2)。这些岩石常具有弱磁性或无磁性。石英黑云母片岩中常因片理中充水而造成电阻率较低，泥质岩和白云质大理岩、基性岩体的电阻率较高。辉长岩中因含有磁铁矿和钛铁矿(>10%)等顺磁性、弱磁性矿物而使其具有较高磁性的特征，以此可与沉积围岩相区别。若磁性地质体为铁矿体，则矿体应具有相对低阻的特征，以此可与基性岩体相区别。音频大地电磁法和高精度磁法是目前地质勘探工作中常用的较新的物探方法(齐文秀等，2005)，根据辉长岩与围岩的电性和磁性差异，可用音频大地电磁法结合高精度磁法来探测隐伏辉长岩体。

在研究区施工了一条南北向的高精度磁法-音频大地电磁测量剖面(图5)，对应于铜异常的部位为一高电阻率、高磁性地质体。若该高磁性地质体为铁矿体引起，则其应具有低阻性质。因此，综合来看，高阻高磁体应为基性岩体，而非铁矿体。

3 查证结果

在验证铜异常时，在研究区内具有如上特征的地区施工了两个钻孔，穿过土壤覆盖层即发现了辉长岩体。另外，将高磁异常与铜异常进行叠加，发现二者空间分布具有明显的一致性，表明铜异常应为基性岩体造成。在基性岩体中未见有铜矿化，且在整个赞比亚-刚果铜钴成矿带中未有与基性岩有关的铜矿床的报道，从而表明该铜异常非矿致异常。

4 结论

通过研究可得出该区隐伏基性岩体的识别标志如下：

(1) 地质标志：TiO2含量较高的地表砖红色土壤；

(2) 地球化学标志： Sc、Ti、V、Fe、Co、Ni、Cu等元素组合；

(3) 地球物理标志：高磁、高阻体。

这些标志均非直接定性的标志，都存在一定的不确定性，在使用时必须综合使用。而地球化学标志是其中可信度较高的标志，地质标志是最易于观察的标志。因此，在使用时可先采用地质和地球化学方法进行初步判断，在此基础上配合地球物理特征来进一步判断，可查明基性岩体的产状和埋深。

另外，通过这些标志可在风化严重的覆盖区识别出基性岩体，排除非矿致异常，对在赞比亚地区开展异常评价和铜矿找矿有一定的参考和指导意义。

图5 音频大地电磁测量和高精度磁法测量剖面图Fig.5 Audio megnetotelluric survey and Magnetic survey profile

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Methods for Identifying Gabbros under Heavily Weathering Conditions—A Case Study from Kapisabi area, Zambia

DUAN Yi-jun1, GAO Yang2, CHEN Jian-ping1, CHEN Dong-yue1

(1.China University of Geosciences, Beijing 100083; 2.Beijing Research Institute of Uranium Geology,Beijing 100029)

There are many gabbros occurred in the middle and western part of the Lufilian arc, Zambian. Gabbros used to be covered by thick soil layers because of being heavily weathered. Copper in gabbros is normally higher than in sedimentary rocks, which makes it to form copper anomaly. In order to distinguish anomalies caused by gabbro and those caused by mineralization, it is necessary to identify gabbros under soil cover. Correlation analysis and factor analysis were used to analysis the geochemical data in Kapisabi area, which shows that copper anomaly is related to basic magma. Based on field geology, audio Magnetotellurics survey , high resolution magnetic survey , pitting and drilling results, the signature for identifying covered basic rocks are :red soil, geologic body with high magnetic intensity and the elements combination composed of Sc, Ti,V,Fe,Co,Ni and Cu.

covered gabbro, factor analysis, geochemistry, geophysics

2013-09-21；

2014-02-12；[责任编辑]郝情情。

段毅君(1983年—)，男，北京，中国地质大学(北京)在读博士研究生，主要从事矿产普查与勘探等方面研究。Email:bjgtjdyj2013@163.com。

高阳(1983年—)，男，博士，高级工程师，主要从事矿产勘查工作。Email:gaoyangcugb@gmail.com。

P618

A

0495-5331(2014)02-0332-8