安徽省铜陵焦冲Au矿床地质-地球化学建模与深部找矿

2018-05-08王功文郭东伟陈林杰谢佳雨

现代地质 2018年2期

庞宗，王功文，张帅，郭东伟，陈林杰，谢佳雨

(1.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083； 2.安徽省地质矿产勘查局321地质队，安徽铜陵 244033)

0 引言

近年来找矿预测研究的重点是深部找矿，而深部找矿的关键是找矿方法技术开发。当前，国内外矿床尺度的金矿深部找矿方法技术以地质地球化学和地球物理以及钻探工程为主体，成本高，成效小，风险大。另一方面，近年来在深部找矿方法技术开发方面也进行了新的探索。在国际上，以法国Nancy大学研发的GOCAD(Geo-logical Object Computer Aided Design)软件为代表的信息处理平台，能够综合多元地学信息使三维空间可视化，建立更加直观、准确的三维地学多要素地质模型，为深部找矿提供科学依据[1-2]。同时，黄铁矿矿物学在判断成矿温度、剥蚀程度和矿床规模、寻找深部隐伏矿体等方面有重要作用[3-6]。虽然GOCAD技术和黄铁矿矿物学在深部找矿中发挥了一定作用，但将GOCAD技术与黄铁矿矿物学结合起来进行综合研究以提高深部找矿的效果，这方面的成果尚不多见。

铜陵矿集区是我国深部找矿示范重点攻关地段。研究区内铜金矿床分布广泛，地质、地球物理、地球化学和遥感资料丰富，深部找矿潜力大[7]。焦冲金矿是铜陵矿集区的典型金矿，地质、物探、化探、遥感以及坑道和钻孔资料丰富，是进行GOCAD技术与黄铁矿矿物学结合研究的理想选区。

本文依托焦冲矿床地质、勘探工程和地球化学测试分析等资料，根据主矿体的空间分布特征及其岩浆热液成矿模式，利用GOCAD三维建模平台构建了研究区复杂地质体的几何模型，提取了找矿地质信息标志。在此基础上，通过对矿区深部钻孔岩心及矿体开采中段中的矿石取样分析，获取了黄铁矿热电性数据。最后，利用ArcGIS中的克里格空间插值模块，计算了焦冲金矿的成矿温度场，确定了深部成矿的主要地质体，并优选出了找矿靶区。

1 矿床地质调研

焦冲金矿位于铜陵狮子山矿田西南端。矿田内出露的地层主要为三叠系中下统，包括三叠系下统的塔山组(T1t)和三叠系中统的分水岭组(T2f)和南陵湖组(T2n)。地表出露岩体主要分布于鸡冠山、胡村、大团山、包村、焦冲一带。这些岩体大都伴生有强烈的蚀变作用和金铜矿化作用。

焦冲金矿区出露的地层简单，自然露头较少，主要有三叠系中统南陵湖组(T2n)及下统塔山组(T1t)(图1)。受褶皱断裂构造控制明显，区内岩浆岩较为发育，主要包括燕山期的辉石闪长岩和闪长玢岩，矿区的锆石207Pb/235U-206Pb/238U分析结果显示闪长玢岩谐和年龄为(126.5±2.0)Ma，辉石闪长岩为(119.7±1.2)Ma[8]。

图1 安徽省铜陵县焦冲金矿地质图(据安徽省地质矿产勘查局321地质队)Fig.1 Geological map of Jiaochong gold deposit in Tongling district,Anhui Province(after No.321 Geological Team,Anhui Bureau of Geology and Mineral Resources)

焦冲金矿成矿过程复杂，矿化类型多样，既有矽卡岩型矿化，又有含金硫化物型矿化，形成了区内的矽卡岩型和含金硫化物型金矿床。

1.1 矽卡岩型金矿床

矽卡岩型金矿体产在闪长玢岩与大理岩的接触部位，受褶皱构造影响明显，矿体形态较为简单，剖面上沿褶皱呈层状-似层状产出，矿体由核部向翼部尖灭，总长约400 m，厚2～10 m。

矽卡岩型金矿石分为斑杂状和脉状-网脉状两类。斑杂状矿石中矿石矿物集合体形状不规则，大小不一，且分布不均匀。可见较自形黄铁矿、方铅矿、闪锌矿呈斑杂状分布(图2a)，镜下可见不规则形状的黄铁矿、方铅矿、闪锌矿不均匀分布，构成斑杂状构造(图2b)。脉状-网脉状矿石中金属矿物主要为黄铁矿和闪锌矿(图2c)，方铅矿次之，另含少量黄铜矿(图2d)。脉石矿物主要为方解石和石英等。

矽卡岩型金矿石常见的结构有粒状结构、包含结构、固溶体出溶结构、交代残余结构等。常见半自形、自形的黄铁矿散布在脉石矿物或闪锌矿矿物集合体中(图3a，b)。有时也可见半自形黄铁矿包含在磁黄铁矿中(图3c)，表明黄铁矿先结晶，形成时间早于磁黄铁矿。镜下可观察到黄铜矿呈细小的乳滴状、细长乳片状颗粒分布于闪锌矿中(图3d)，表明黄铜矿与闪锌矿同时出溶。还可见到早先形成的黄铁矿被闪锌矿交代并有少许黄铁矿残余，形成交代残余结构(图3e)。后期形成的黄铜矿交代早期晶形较完整的黄铁矿，黄铁矿有残余，构成交代残余结构(图3f)。

图2 焦冲金矿矽卡岩型金矿矿石类型Fig.2 Types of skarn gold ores in Jiaochong gold deposita.不同大小的黄铁矿和铅锌矿呈斑杂状分布在大理岩中(手标本)；b.斑杂状矿石中的黄铁矿、方铅矿和闪锌矿(反射光)；c.沿方解石脉充填的黄铁矿矿脉，可见少量闪锌矿(手标本)；d.方解石中的黄铁矿脉，含少量黄铜矿(反射光)。矿物缩写：Py.黄铁矿；Sp.闪锌矿；Gn.方铅矿；Cp.黄铜矿

根据矿石结构构造以及矿物共生组合特征，可将焦冲矽卡岩型金矿床成矿过程分为早矽卡岩、晚矽卡岩、石英硫化物和碳酸盐4个阶段(表1)。

表1焦冲矽卡岩型金矿成矿阶段划分
Table1DivisionofthemetallogenicstagesintheJiaochongskarntypegolddeposit

1.2 含金硫化物型金矿床

含金硫化物型金矿体主要赋存于辉石闪长岩及其周边栖霞组地层中，呈似层状或透镜状产出。剖面上矿体多数顺层产出，受褶皱控制明显，矿体由深部到浅部尖灭，总长约200 m，厚2～15 m。

图3 焦冲矽卡岩型金矿矿石结构Fig.3 Textures of skarn gold ores in Jiaochong gold deposita.呈半自形粒状结构的黄铁矿(反射光)；b.自形、半自形粒状的黄铁矿分布在后期形成的闪锌矿矿物集合体中(反射光)；c.较自形黄铁矿被包含在磁黄铁矿中，可见磁黄铁矿对黄铁矿表面的改造(反射光)；d.黄铜矿呈乳滴状分布于闪锌矿中，可见方铅矿特殊的三角孔构造(反射光)；e.黄铁矿被闪锌矿交代充填(反射光)；f.黄铁矿被黄铜矿交代形成残余结构(反射光)。矿物缩写：Py.黄铁矿；Cp.黄铜矿；Sp.闪锌矿；Gn.方铅矿；Po.磁黄铁矿

含金硫化物型金矿石分为致密块状和脉状两类。致密块状矿石金属矿物主要为闪锌矿和磁黄铁矿，含量在80%以上，矿物集合体杂乱分布而无方向性(图4a，b)。脉状金矿石多见结晶完好的粒状黄铁矿(图4c，d)。

含金硫化物型金矿石常见的结构有粒状结构(自形粒状结构、半自形粒状结构、他形粒状结构)和乳滴状结构等。在含金硫化物型金矿石中，常见有自形的方铅矿(图5a)、半自形的磁黄铁矿(图5b)和假像方铅矿(图5c)。同时，在含金硫化物型金矿石中，常见黄铜矿呈细小乳滴状无规律地分散在闪锌矿中(图5d)。

根据矿石结构构造以及矿物共生组合特征，可将焦冲含金硫化物型金矿床成矿过程分为铁砷硫化物、铁硫化物和铜铅锌硫化物3个阶段(表2)。

2 三维地质建模

三维地质建模技术是在三维环境下，综合或集成各类地质信息，运用地质解译与地学统计等质领域的三维可视化建模软件。GOCAD软件的DSI技术(Discrete Smooth Interpolation，离散光滑插值)在三维建模软件领域有非常明显的优势，DSI是指建立离散化的自然体模型内相互联系的网络，当网络上的点值满足某种约束条件，则可通过解一个线性方程得到未知节点上的值，根据概率估算最优化地质问题，如地质边界的确定，地质体的分类及其拓扑关系等。例如可以对空间几何对象进行修正以及直观地了解地质体的三维空间属性[9-10]。

表2焦冲含金硫化物型金矿成矿阶段划分
Table2DivisionofthemetallogenicstagesinJiaochongAu-bearingsulfidesgolddeposit

图4 焦冲含金硫化物型金矿矿石类型Fig.4 Types of Au-bearing sulfide ores in Jiaochong gold deposita.致密块状的闪锌矿和磁黄铁矿矿石(手标本)；b.致密块状矿石中的闪锌矿和磁黄铁矿(反射光)；c.沿裂隙充填的黄铁矿矿脉(手标本)；d.大理岩裂隙中的黄铁矿(反射光)。矿物缩写：Py.黄铁矿；Po.磁黄铁矿；Sp.闪锌矿

图5 焦冲含金硫化物型金矿矿石结构Fig.5 Textures of Au-bearing sulfide ores in Jiaochong gold deposita.晶形完好的方铅矿(反射光)；b.半自形结构的磁黄铁矿，磁黄铁矿显微镜下多为玫瑰红色(反射光)；c.呈石榴石六边形假像结构的方铅矿，表明方铅矿晚于石榴石形成(反射光)；d.黄铜矿呈细小乳滴状分布于闪锌矿中，可见少许方铅矿(反射光)。矿物缩写：Po.磁黄铁矿；Gn.方铅矿；Sp.闪锌矿；Cp.黄铜矿；Grt.石榴石

2.1 地学数据库

本文较系统地收集了研究区1∶2 000地形地质图1张、开采中段图10张、钻孔74个(表3)，其中钻孔包含巷道钻孔，最深终孔深度1 243.56 m，总计钻孔长度55 349.84 m。

2.2 三维矿体模型建立

三维地质体模型主要建立在曲面线框模型(Wireframe Modeling)技术上，即两两相邻的约束工具及方法，进行地学分析的技术。GOCAD地质建模软件是法国Nancy大学开发的主要应用于地曲线(直线或曲线)或特征点用多边形的方式连接起来，形成一系列连续的不规则三角网(Triangulated Irregular Network，TIN)[11]。三维地质体模型可以以深入浅出的形式，将专业范围内复杂抽象的研究成果以易于理解、直观的形式表现，还能有助于相同领域或相关领域间的工程师进行交流，帮助工程师做出正确的地质判断。

表3 三维建模数据库信息Table 3 The information of 3D modeling database

2.2.1 钻孔数据库导入

根据安徽省地质矿产勘查局321地质队提供的资料，基于GOCAD软件建立-420～-820 m中段的三维地质模型。按照GOCAD软件要求的格式，将数据库中各类文件(表4)导入，建立基于钻孔数据的实体模型。

表4 地质钻孔数据库字段Table 4 The geological borehole database field list

2.2.2 运用MapGIS对中段图进行信息提取与转换

根据焦冲金矿Ⅰ号主矿体所在矿区内各标高的中段图，运用MapGIS软件将各类地质体的界线分图层矢量化，再提取出地质体界线中Ⅰ号主矿体边界，以.wl形式保存并用MapGIS转换软件将.wl文件转换成为ArcGIS的Shape (.shp)文件。

2.2.3 GOCAD数据导入与建模

将由MapGIS转换后的Shape文件导入GOCAD软件中后，进行X、Y、Z坐标校正，即可见矿体与各中段所处标高水平面相交的闭合交线。按照此方法，将-420～-820 m各个面的Ⅰ号主矿体界线导入GOCAD并进行坐标校正后即可得到矿体联合剖面图，再将相邻的2个封闭界线连接成面，即可得到-420～-820 m矿体三维模型。

2.3 三维岩体、蚀变岩体、地层建模

研究区三维岩体、蚀变岩体、地层建模约束曲线主要从地质剖面图中确定的三维岩体、蚀变岩体、地层边界矢量化获取[12]，具体操作步骤与三维矿体模型构建步骤相同(图6)，最后得到矽卡岩岩体、闪长玢岩岩体、地层界面以及岩体、矿体、钻孔联合效果图(图7)。

3 黄铁矿热电性测试

3.1 测试原理及应用

黄铁矿热电性是指黄铁矿作为半导体矿物，在一定的温差条件下能够产生热电效应，产生温差电动势。这种热电效应主要受温度和微量元素等条件制约[12-14]，测量结果包括热电系数和导电类型两个方面，对外表现为温差电势，热电系数为单位温差下的热电动势[15-17]，计算公式为：

α=E/(TH-TL)=E/ΔT

(1)

式中：α为热电系数，μV·℃-1；E为热电动势，mV；TH为热端温度，℃；TL为冷端温度，℃；ΔT为温差，℃。

导电类型分为电子型(N)和空穴型(P)，E值为负，矿物表现为N型导电；E值为正，矿物表现为P型导电。一般认为早期生成的矿物温度较高，常呈N型，晚期形成的矿物温度较低，常呈P型[14]。在水平和垂向上两种导电型呈规律变化，水平方向，由矿体中部至边缘导型呈P型→N-P混合型→N型变化[14]。垂向上，矿体上部以P型为主，中部以N-P混合型为主，矿体下部则以N型为主，根据黄铁矿热电性标型P、N空间上的变化规律可对矿体剥蚀进行评价。

3.2 测试方法及结果

图6 基于GOCAD软件的三维地质建模步骤图Fig.6 3D geological modeling steps based on GOCAD software

图7 研究区主要岩体、矿体、钻孔三维综合模型Fig.7 The synthetic 3D model of rock mass,ore body and boreholes in the study area

本次实验由笔者在中国地质大学(北京)矿物标型实验室完成，从焦冲金矿岩心库及中段取样共131件。样品取样注重样品的空间连续性以及含矿岩石的主要类型(包括矽卡岩型的多硫化物阶段，含金硫化物型金矿的黄铁矿阶段)，旨在注重约束成矿地质体的主要温度场的分布及其趋势。每件样品随机测试50粒纯净黄铁矿单晶，在BHTE-8型热电系数测量仪上进行测试，活化温度选取(60±3)℃，测试结果如表5所示。

根据测试结果可知焦冲金矿黄铁矿热电系数α的变化范围为-350.9～352.2 μV·℃-1。其中N型黄铁矿α的变化范围为-350.9～-1.6 μV·℃-1；P型黄铁矿α的变化范围为1.6～352.2 μV·℃-1；总体上以P型为主，出现率为80.91%。

3.3 黄铁矿热电性与成矿温度

黄铁矿的生成温度与其热电系数密切相关，戈尔巴乔夫利用大量数据做出黄铁矿热电性-温度图，并从图中获得线性方程[18]：

t=(704.51-α)/1.818 (N型)

(2)

t=3×(122.22+α)/5.0 (P型)

(3)

利用上述公式(2)和(3)，结合图8中数据得到黄铁矿的形成温度范围为93.2～388 ℃。N型黄铁矿的形成温度范围为194.5～388 ℃，P型黄铁矿的成矿温度范围为93.2～254.5 ℃。N型黄铁矿的形成温度明显高于P型黄铁矿的成矿温度。由黄铁矿热电系数和温度图解可得成矿温度集中于130～370 ℃，属于中-低温矿床。

3.4 黄铁矿热电系数的空间分布特征

根据黄铁矿样品的垂向距离，将样品按-337.7～-370 m，-591～-596 m，-600～-700 m,-700～-800 m，-800～-885 m,-906～-988 m，-1 191～-1 348 m分为7段，分别进行数据统计(图9)。

图8 焦冲金矿黄铁矿热电系数-温度图解Fig.8 The relationship between thermoelectric coefficient and temperature of pyrite from Jiaochong gold deposit

前人研究认为：金矿体的顶部至底部，黄铁矿具有从P型→P-N型或N-P型→N型的规律[14]。由以上各标高分段统计来看，焦冲金矿各分段中黄铁矿标型均以P型为主，从整体上看P型黄铁矿出现率自上而下具有减小→增大→减小→增大的趋势(表6)，且P型黄铁矿热电系数均值具有与出现率正相关的特征。根据黄铁矿导电类型的分布特征可预测在-1 300 m以下仍有很大的找矿空间，P型黄铁矿出现率的韵律性分布对于下一步寻找深部矿体具有指导意义[19]。

3.5 黄铁矿热电系数离散性特征

黄铁矿热电系数值的分布特征能够在一定程度上体现矿床的成矿期次和成矿阶段，反映不同矿化期和矿化阶段的叠加程度。黄铁矿热电系数离散度能够较准确地反映出各样品热电系数值的集中和分散情况[20]。

离散度计算公式：

(4)

表5 焦冲金矿钻孔岩心黄铁矿热电系数Table 5 Thermoeletric coefficients of pyrite grains from cores of various drillholes in Jiaochong gold deposit

(续)表5 焦冲金矿钻孔岩心黄铁矿热电系数(Continued)Table 5 Thermoeletric coefficients of pyrite grains from cores of various drillholes in Jiaochong gold deposit

注：测试单位为中国地质大学(北京)岩矿实验室，测试仪器为BHTE-8型热电系数测量仪。

图9 焦冲金矿黄铁矿热电系数柱状图(以-337.7～-370 m，-591～-596 m，-600～-700 m及总体热电系数空间分布图为例)Fig.9 The histogram of thermoelectric coefficient values of pyrite from Jiaochong gold deposit(from -337.7 to -370 m,-591 to -596 m,-600 to -700 m and the overall thermoelectric coefficient of space distribution as an example)

表6 不同标高黄铁矿热电性特征Table 6 The thermoelectricity of different levels

图10 P型黄铁矿出现率和离散度散点图Fig.10 The scatter diagram of frequency of P-type pyrite and dispersion

3.6 黄铁矿标型、成矿温度离散度与矿体关系

图12 Ⅰ号主矿体平面与垂向分布图(据安徽省地质矿产勘查局321地质队)Fig.12 The plane map and vertical section showing distribution of Ⅰore body

图11 取样点分布图Fig.11 The distribution of sampling locations

当前的勘探与采矿工程表明，焦冲金矿床Ⅰ号矿体为主矿体，规模最大，为采矿权中开采的I号矿体沿倾向、走向延伸部分。沿走向长度为338.05 m，分布于26～33线之间及两侧，赋存标高为-596～-830 m，次要矿体有Ⅰ1(标高为-330 m)、Ⅲ、V号矿体，其中Ⅲ号矿体位于Ⅰ号矿体上部，主要由28线控制，Ⅴ号矿体沿走向长度为80 m。工程见矿厚度最大为6.06 m(SK3103)，其他矿体均为由单线或单工程控制的零星矿体。根据取样点位置(图11)和主矿体平面与垂向分布特点(图12)，选取控制的26线Ⅰ号矿体(图13a)、26A线I号矿体(图13b)、29线Ⅰ号和Ⅳ2矿体(图13c)、31线Ⅰ、Ⅳ2号矿体(图13d)、32线Ⅰ号矿体(图13e)和33线Ⅰ号矿体(图13f)作为研究对象。通过对标高-580～-990 m共85个样品数据的分析处理，用ArcGIS软件对P型黄铁矿热电系数离散度、出现率和成矿温度进行普通克里格插值(图14)。根据插值结果可得Ⅰ号主矿体在P型黄铁矿出现率、黄铁矿热电性离散度和P型黄铁矿成矿温度方面具有以下特征：P型黄铁矿出现率为62.7%～83%的范围内是矿体出现的主要区域；主矿体中黄铁矿离散度值的范围为0.32～0.69；P型黄铁矿成矿温度为93.18～222.2 ℃。高值区域黄铁矿的热电系数离散度值较小，表明P型黄铁矿出现率越高，成矿环境越稳定，与之对应的P型黄铁矿成矿温度往往也相对较高。总体上Ⅰ号主矿体位于P型黄铁矿出现率和离散度趋势图的过渡带上。

图13 焦冲金矿典型勘探线剖面图Fig.13 Prospecting line profile map of Jiaochong gold deposit

图14 黄铁矿热电系数离散度(a)，P型黄铁矿出现率(b)和成矿温度垂直投影趋势图(c)Fig.14 The interpolation map of thermoelectric coefficient dispersion (a),frequency of P-type pyrite(b),P-type pyrite forming temperature (c)

4 三维成矿预测

根据焦冲矿床地质特征，Ⅰ号主矿体成矿地质体为地层、构造、岩浆岩3个有利因素叠加，在此基础上，利用勘探钻孔数据、岩心品位与黄铁矿热电性分析在三维空间中圈出了深部找矿有利靶区(图15)，具体阐述如下。

Ⅰ号靶区，深度应在-580 m以下，且有利成矿部位应在P1q地层与闪长玢岩侵入体交界部位附近，应有部分矽卡岩化矿体或蚀变岩体。坐标范围为X：581 113.6～581 197.8 m，Y：341 678 1.2～3 416 871.2 m，Z：-867.8～-697.8 m。

Ⅱ号靶区，根据沿矿体走向分布的岩心分析数据可知在P1q与P1g地层交界地带以及P1g地层中亦有少量矿体，其纵深应在40 m以内，矿体分布位置应在-580～-740 m之间。坐标范围为X: 581 211.1～581 314.0 m，Y:3 416 789.9～3 416 909.0 m，Z:-703.7～-615.9 m。

依据岩浆岩、构造等地质条件，将Ⅰ号靶区定为A1级别，Ⅱ号靶区定为A2级别。

图15 焦冲金矿找矿靶区三维模型 Fig.15 The 3D model of prospecting target area in Jiaochong gold deposit

5 结论

本文通过对铜陵焦冲金矿地质地球化学建模和黄铁矿矿物学的综合研究，得到以下主要结论。

(1)焦冲金矿区分布有矽卡岩和含金硫化物两种类型矿体。矽卡岩型金矿体产在闪长玢岩与碳酸盐岩围岩接触带上，而含金硫化物型金矿体分布在碳酸盐岩围岩中且穿插闪长玢岩，推测可能与辉石闪长岩有关。

(2)三维地质建模结果表明，栖霞组上硅质层层间滑脱构造为导矿、储矿构造；围岩蚀变、矿化作用在时间、空间上与侵入岩体关系密切。

(3)焦冲金矿深部找矿潜力较大且与侵入岩时空关系密切。从整体上看P型黄铁矿出现率自上而下具有减小→增大→减小→增大的趋势，P型黄铁矿热电系数具有与出现率正相关的特征。根据P型黄铁矿出现率和离散度散点图，焦冲金矿的成矿环境比较稳定，矿物成分比较接近，不同颗粒热电系数值相差不大，导电类型相同。结合研究区三维闪长玢岩岩体、蚀变地质体、矿体时空规律，圈定了深部2个找矿有利地段。

致谢：感谢杜杨松教授在矿床成因方面的指导与建议，提升了本文的质量。

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