甘肃白银厂矿区及其外围铜矿床成矿特征与定量预测

2014-08-25，，，

地质学刊 2014年3期

，，，

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北武汉 430074； 2.国家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州 310012)

0 引言

甘肃白银厂矿田面临着接替资源量不足的困境，几十年来，白银矿田及其周边开展了大量的地质、地球物理、地球化学、遥感等方面的找矿工作，但效果并不理想，因此，如何合理利用已有资料进行再次开发，在矿田深部和外围找到新的接替资源，成为今后找矿工作的一道难题。成矿预测工作中多元找矿信息综合化是矿产资源勘查和评价的重要趋势，尤其是基于GIS的多元信息资源综合评价方法和技术的发展，使矿产定量预测水平和效率大幅提高(矫东风等，2005)。MORPAS(Metal Ore Resources Perambulation and Analysis System)矿产预测系统，可以把GIS与数学方法有机结合，进一步实现矿产预测的智能化、可视化，使矿产预测工作更加方便、灵活、有效(苏红旗等，1999)。以白银矿田及外围地区火山成因块状硫化物矿床为研究对象，在对其成矿模式剖析的基础上，提取了与成矿有关的地质、地球化学等多元信息，利用 MORPAS平台，采用证据权重法对该区进行了铜多金属成矿预测研究，分析了该地区的成矿前景和找矿潜力，为该地区的矿产资源勘查和再开发提供科学依据。

1 研究区矿产资源概述

白银地区位于北祁连加里东褶皱带东段，是我国最重要的海相火山成因块状硫化物(VMS)矿床产地(彭素霞等，2012)。研究区位于甘肃省白银市以北约15 km处。区内地层自寒武系至第四系均有出露(图1)，下古生界地层分布于北部及中部，中生界地层分布于东部及中南部，新生界则零星分布于全区，以东北和西南部较为集中。其中，中、上奥陶统基性火山岩、寒武系中统白银厂和寒武系火山杂岩，分别为北部火山岩带猪嘴哑巴式铜铅矿床和中部火山岩带白银厂式铜多金属矿床的赋矿层位。区域构造总体为一大的单斜构造，次级褶皱发育(彭秀红，2007)。断裂构造以NEE向和NW向为主(高兆奎等，2009)。矿田为复式背斜构造：白银厂复式背斜，矿床位于石英角斑岩、石英角斑凝灰岩为核心的短轴背斜构造内。区域内岩浆活动强烈，侵入岩比较发育，岩浆作用分异连续，基性、中基性、中性、酸性火山岩发育齐全。

图1 白银矿田地质简图

研究区VMS矿床的空间分布和定位均严格受火山机构的控制(任有祥等，1995；李向民等，1998)。火山岩的空间分布受断裂的控制，各个喷发中心沿古构造方向分布并形成北、中2条与成矿有关的火山岩。目前，区内已发现的金属矿床(点)达80多处，规模最大的是位于中部火山岩带的折腰山、火焰山、小铁山、四个圈、铜厂沟以及石青硐矿床。其中石青硐矿床与白银矿田有着相似的地质背景和成矿条件，具有形成与白银矿田相似的大、中型矿床的基础条件(赵军等，2006)，且以深部隐伏矿床为主(吴辉，2005)。而北部火山岩带主要有银硐沟、猪嘴哑巴2个小型块状硫化物矿床。

2 证据权法

证据权法是一种以贝叶斯条件概率为基础的多源信息定量评价方法，其基本思路是将分别赋以不同权值的专题图数据(证据)在GIS环境下进行空间叠加和分析，生成具有不同含矿概率值的网格专题图，这种定量分析结果反映了不同的含矿潜力分析区在空间上的分布，并以可视化图形的方式圈定出成矿远景区。其数学原理及计算关键在于得到前验概率、证据权重、后验概率值(刘星等，2003；Agterberg et al，2012)。该方法可分解为4个步骤(胡鹏等，2009)：(1) 资料矢量化，建立空间数字数据库；(2) 根据矿床勘查模型提取目标矿床类型的预测证据层；(3) 计算各个证据图层的权重值；(4) 综合各证据图层，圈定成矿有利地段。

3 成矿条件分析

3.1 地层与成矿

研究区出露的地层主要有(由老到新)中下寒武统、中寒武统、奥陶系、下志留统、上三叠统、下侏罗统、下白垩统以及新近系、第四系。为确定有利的地层组合，对白银厂矿区及其外围铜矿床(点)和地层作空间相交分析(图2)，有16个矿床(点)落在下古生界地层中。对大、中、小型矿床分别赋值125、25、5，计算成矿强度(黄海峰等，2003)，结果见表1。由图2、表1可知：主要含矿地层奥陶系(O)中基性火山岩和寒武系(C-)火山杂岩集中了87.5%的铜矿点。故选取奥陶系(O)和寒武系(C-)地层作为预测证据层。

图2 地层含矿性直方图

表1 白银厂矿区及其外围铜矿床(点)信息表

注:成矿强度=某一地层中产出的矿产当量/该地层的出露面积

3.2 岩浆岩与成矿

白银厂矿区及其外围的岩体从超基性岩到花岗岩都有出露，以中性-酸性侵入体为主，其形成时代从元古代到新生代，含矿岩体时代主要为早古生代岩体。基性-超基性侵入体的岩石类型有辉绿岩、辉长岩、蛇纹石化橄榄岩。前人通过航磁数据对研究区内的隐伏岩体进行了推断，所推断的隐伏岩体大致沿NWW向深大断裂分布。

对区内18个铜矿床(点)和地表出露岩体作空间分析，矿区南带有2个矿床(点)落在加里东中期侵入的花岗岩体上，通过对研究区内矿区南带与铜铅锌矿床成矿有关的酸性花岗岩和老虎山地区塞浦路斯型成矿有关的玄武岩作缓冲区分析，可以确定最佳的岩体缓冲区。对不同缓冲半径的缓冲区与矿床(点)空间叠加分析，统计在不同缓冲半径下矿床(点)落入缓冲区的个数(图3)。由图3可知，矿点数随岩体缓冲半径增大而增多，当岩体缓冲半径大于2.1 km以后，矿点数不再增加，即16个矿床中的12个落在2.1 km的缓冲区范围之内，因此选取缓冲区半径为2.1 km作为预测证据层。

图3 落入不同半径的岩体缓冲区的矿床(点)个数统计图

3.3 断层与成矿关系

研究区线性构造发育，按其展布形态主要可分3组：NWW向、NW向和NE向。其中NWW向在区内最为发育，走向与区域构造线方向一致，规模较大，密集成束。运用空间分析功能对断裂进行缓冲分析，可以确定最佳的断层缓冲区，通过对断层缓冲区与矿点空间叠加分析，并统计矿床(点)到断层的距离，发现18个铜矿床(点)中有16个分布在断层的3 km的缓冲区内。但铜矿点出现密集频率较高的区域主要集中在2.1 km范围之内。通过对矿床与缓冲区的面积分析，选择3 km矿床密度(矿床个数与面积比)为0.000 124，而选取2.1 km矿床密度为0.000 262，考虑到进一步增加距离，矿床密度不再明显增加以及断裂对成矿的影响域，因此最终选取缓冲区半径为2.1 km作为预测证据层(图4)。

图4 矿床与断裂的距离统计

此外，由于地质复杂度是衡量某一单元子区相对于研究区复杂程度的度量(廖崇高等，2001)。地层组合熵异常是地层边界、岩体接触带、构造切割等因素的度量。断裂交点数反映了断裂构造的复杂程度，2个变量往往与成矿有一定的相关关系(廖崇高，2001)。因而提取研究区地层组合熵，并结合断裂交点数，构置综合变量:地质复杂度=地层组合熵×(1+断裂交点数)，作为预测证据层。

3.4 化探找矿信息提取

通过对1∶20万水系沉积物化探数据进行聚类分析，选取Cu、As、Pb、Hg、Zn、Bi、Ag、Au、Sb 共9种成矿及伴生元素作为白银厂矿区及其外围地区铜矿勘查的重要指示元素，在循环剔除特异值后，采用均值与 2 倍标准差之和(μ+2σ)作为异常下限，提取找矿异常信息。为了突出找铜矿的目的，运用相关系数加权累加归一法来计算累加指数F的异常下限(吴轩等，2006)作为地球化学综合异常证据层，即：

F=0.298w(Cu)+0.198w(As)+0.192w(Pb)+0.169w(Hg)+0.157w(Zn)+0.071w(Bi)+0.06w(Ag)+0.013w(Au)+0.004w(Sb)

4 综合信息证据权预测模型

证据权重法预测模型是根据已知矿床(点)与各种控矿条件之间的条件概率来确定每种条件的权重值，然后推广到全区，既可以对多金属矿床进行预测，也可以对特定成因矿种进行综合预测(赵江南等，2009)。根据基础数据的情况，确定工作比例尺为1∶20万。

(1) 根据实际资料水平、采用的评价模型及已知铜矿床(点)分布情况，以单元格大小2 km×2 km对预测区进行网格单元划分。研究区共划分了单元数4 536个，其中有矿单元18个，即先验概率为0.003 968。

(2) 经过上述成矿条件分析，可建立白银厂矿区及外围铜矿资源找矿概念模型(表2)。将各个证据图层与网格文件进行相交分析，依据评价模型确定地质变量，在 MORPAS平台上，以提取的各个变量为自变量，以预测的铜矿为应变量，计算各个变量的权重(表2)。

表2 综合有利证据权值参数表

(3) 通过各个权重的大小，将证据层与矿床(点)的相关程度C值进行排序。分析结果表明，各证据因子对成矿的指示作用依次为(由大到小)：组合元素地球化学异常、断裂等密度、C-地层、O地层、断裂缓冲区、地质复杂度、岩体缓冲区、断裂交点数、断裂条数、Cu元素异常、断裂平均方位、地层组合熵、断裂优益度，即Cu、As、Pb、Hg、Zn、Bi、Ag、Au、Sb组合元素地球化学异常和含矿有利的地层在该地区找矿中起到主要的指示作用，断裂也具有较强的找矿指示意义，而Cu单元素异常以及地层的组合对于矿床的指示作用相对较弱。

(4) 应用证据权法进行预测需要各证据因子之间满足条件独立。如果一个控矿因素的存在取决于另一个控矿因素，把这2个因素都作为证据层就会过高或过低估计后验概率，使得预测结果发生偏差(赵江南等，2009)。故对这13个证据因子采用相关性分析进行独立性检验(表3)，结果表明，断裂条数(L9)、断裂等密度(L10)、断裂优益度(L6)之间的相关系数均比较大，因为它们都是由断层产生的变量，因此仅选取断裂等密度用于模型评价。而构置综合变量地质复杂度(L13)时已包含断裂交点数(L7)，故放弃选择该变量。其余变量间的相关系数均较小，满足本研究预测要求。

表3 变量相关系数矩阵表

注：L1-C-地层；L2-O地层；L3-地层组合熵；L4-岩体缓冲区；L5-断裂平均方位；L6-断裂优益度；L7-断裂交点数；L8-岩体缓冲区；L9-断裂条数；L10-断裂等密度；L11-Cu元素异常；L12-组合元素地球化学异常；L13-地质复杂度

(5) 排除C值是负值，W-值很小，选择W+值比较大、同时C值也较大的。结合本区控矿条件分析，完成变量优选，最后确定构置的证据图层为：O地层、C-地层、断裂缓冲区、综合化探异常、地质复杂度、断裂等密度、岩体缓冲区。根据综合权重值，在MORPAS平台上生成综合证据权异常等值线图(图5)。

图5 白银厂及其外围铜矿成矿预测及远景区圈定

5 远景区圈定及优选

利用MORPAS的空间分析，将大于前验概率预测图与已知矿床(点)进行叠加，发现除了2个矿点以外，所有的矿床(点)都落在后验概率大于先验概率的区域内，且已知矿床的空间分布特征与后验概率的分布特征极为类似，表明预测结果可信。

根据后验概率的大小和已知矿床(点)的分布情况，建立找矿后验概率与矿床累计概率之间的关系(图6)，可用于划分远景区。

图6 找矿后验概率与矿床累计概率图

在上述远景区圈定的前提下，根据各找矿远景区相对成矿可能性的大小和各找矿标志，如地球化学异常、地层、矿与构造的关系等诸方面因素进行综合比较，对远景区进行评价和优劣排序，将上述找矿靶区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3级(图5)，划分标准如下。

(1) Ⅰa号远景区：位于白银厂矿田及其小外围。该区落在高权重区，含矿概率60%左右，成矿地质条件优越，已知的主要大型矿床以及少量中小型矿床都落在其中。同时，远景区 Cu、Pb、Zn 等元素组合异常均非常发育，异常吻合程度高，衬度值高，主要出露地层为奥陶系火山岩，褶皱、断裂等构造较为发育。该区正在进行井下开采，为在井下巷道中施工钻孔创造了条件。2010年，在小铁山和火焰山之间施工钻孔，见到了较厚的工业矿体。故将区域确定为今后的找矿工作重点，且应着重深部，找寻隐伏矿床的可能性较大。

(2) Ⅰb号远景区：位于老虎山—猪嘴哑巴地区。该区落在中高权重区，含矿概率60%左右，成矿地质条件较好。该区和白银矿田酸性火山岩块状硫化物矿床具有类似的控矿特征。虽然研究程度远低于白银矿田，仅发现猪嘴哑巴等少数矿点，尚未发现大型铜矿床，但区内Cu、Pb、Zn 等元素组合异常发育广泛，衬度值高，且岩浆活动较为强烈，火山作用较为强烈，故具有相当的潜力。

(3) Ⅰc号远景区：位于银硐沟一带。该区落在高权重区，含矿概率接近60%。主要出露奥陶系基性火山岩，NW和近EW向的断裂发育。Cu元素异常明显，发现银硐沟铜铅锌矿床，显示该区良好的找矿前景。

(4) Ⅱa号远景区：位于石青硐—朵家滩地区。该区落在中权重区。 NW向的断裂发育，目前区内发现的铜多金属矿床以浸染状矿化为主，受区域上的火山岩空间展布的控制，产于细碧玢岩凝灰岩夹石英角斑岩、无英斑石英角斑岩和石英角斑凝灰岩中，同时受到构造作用控制明显。该区和白银矿田具有同样的地层、构造，为铜矿的成矿富集提供了同样的有利条件。

(5) Ⅱb号远景区：位于大匣子—花鹿坪一带。该区落在中低权重区，含矿概率约30%。火山活动强烈，虽然没有发现已知的矿床点，但前人工作表明，该区玄武岩、次安山岩及成分相当的熔岩和火山碎屑岩中均发现铜矿化，还见有与斜长花岗岩和石英闪长岩体有关的黄铁矿化、铜、铅锌矿化存在。

(6) Ⅱc号远景区：位于亲青崖—胡麻水一带。该区落在中权重区，含矿概率接近60%。主要出露奥陶系火山岩，虽然没有发现已知的矿床点，但该区的成矿后验概率较高(>0.7)且范围比较广。

(7) Ⅲa号远景区：位于银硐沟以北3 km一带。该区落在中低权重区，含矿概率约30%。NW向断裂发育，虽然异常值相对不高，但已发现一小型铜铅锌矿床，具有一定的找矿前景。

(8) Ⅲb、Ⅲc号远景区：位于白银厂矿田以南，铅洞子沟以北一带。该区落在低权重区，含矿概率不到30%。呈NS向展布，构造较为简单，区内出露有花岗斑岩，Pb具有较高的异常值，仅发现矿化点，具有一定的找矿前景。