试论临朐铁寨地区矽卡岩型铜金多金属矿床地球化学模型

张海瑞，武 斌，周勇，徐友松

(1.山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021；2.山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室，山东 潍坊 261021；3.潍坊市矿产资源服务中心，山东 潍坊 261000)

0 引言

山东临朐铁寨矽卡岩金铜多金属矿区前人已做过大量化探工作，但前期化探工作仅是对区内的重要成矿元素圈定了异常，根据异常进行了查证工作，并未对引起异常的地球化学信息进行深入分析研究。由于矽卡岩型多金属矿床的地球化学元素在地层、岩体、矿石中含量的规律性较强[1-3]，地球化学元素组合异常在空间分布上亦具有一定分带性，本文通过地球化学数据应用统计分析的方法[4]，从异常下限的确定、地球化学元素组合分类特征等方面结合该地区的成矿地质条件，建立了该地区矽卡岩型矿床的地球化学异常结构模型[5]。

1 地质概况

临朐铁寨一带区域上出露寒武纪、奥陶纪地层和新太古代及中生代中酸性侵入体，断裂构造发育，岩浆活动频繁(图1)。区域矿产丰富，已发现沂南铜金矿、淄博铁矿、莱芜铁矿、齐河—禹城铁矿等矽卡岩型矿床[6-8]。

图1 鲁西区域地质简图(据文献[6-8])Fig.1 Regional and geological sketch map of West Shandong1—新生界地层 2—中生界地层 3—古生界地层 4—古元古代结晶基底 5—太古代结晶基底 6—中生代侵入岩 7—地质界线 8—断层 9—推测断层 10—研究区

该地区成矿地质条件优越(图2)，其中地层出露古生代寒武系长清群、九龙群碳酸盐岩、砂岩及页岩，另发育小面积新生代第四系松散堆积物。断裂构造亦较为发育，主要有NW向、NE向、近EW向三组，均为燕山运动以来的产物。NE向断裂主要为五井断裂带，截切NW向断裂，具多期活动性特点，早期为张性或张扭性，晚期表现为右行压扭性；NW向断裂为杨桃—李季断裂，总体走向325°，切割早元古代、中生代侵入岩和寒武纪地层。区内岩浆岩主要发育新太古代傲徕山序列花岗岩，中元古代牛岚单元辉绿岩脉，中生代济南序列橄榄辉长岩、沂南序列闪长岩类、苍山序列斑岩类。

图2 铁寨地区地质简图及重要成矿元素地球化学特征图Fig.2 Geological sketch map of Tiezhai area and geochemical characteristic diagram of important metallogenic elements1—第四系松散堆积物 2—寒武系 3—苍山序列侵入岩 4—沂南序列侵入岩 5—济南序列侵入岩 6—傲徕山序列侵入岩 7—牛岚单元侵入岩 8—构造破碎带 9—断层 10—产状 11—角岩化 12—矽卡岩化 13—赤铁矿点 14—银矿点 15—铜金多金属矿点 16—金矿点

2 地球化学特征

2.1 样品采集及分析质量

水系沉积物采样点以网格状沿水系布设，按照基本采样密度4个样/km2，局部采样点加密至5～8个样/km2。采样点兼顾均匀分布和最大限度控制汇水域两个原则，在采样点水系上下游20～30 m范围内3～5处进行多点采集组合样，在日光下自然干燥过-60目粒级孔径样筛，筛后样品重量≥300 g。

样品分析Au、Ag、Cu、Pb、Zn、As、Sb、Hg、W、Sn、Bi、Mo、Ni、Co、Cr、V、Ti、Mn十八种元素。其中Au采用化学光谱，Ag采用光谱深孔电极，As、Sb、Hg采用原子荧光，其余样品采用电感耦合等离子体质谱法进行分析测试。样品测试通过重复样、二级标样等进行控制，经监控测试元素的报出率均大于90%，二级标样精密度合格率大于98%，金合格率大于90%，内检分析、异常点检查和密码抽查结果的合格率大于90%，样品分析结果均合格可靠。

2.2 异常下限的确定

地质学中的许多事物都具有复杂的空间属性，并且往往表现出非线性和不规则性。传统的统计学方法忽略了元素含量的空间信息，分形理论和方法的提出，为定量刻画复杂地球化学现象中精细结构提供了理论基础。元素含量-面积分形计算方法[9]的理论基础是地球化学数据服从分形分布，故能体现地球化学数据原始特征。本次研究利用含量-面积法分形技术对区内的地球化学异常下限进行了确定(表1)。

表1 元素含量-面积分形计算拟合线交点Table 1 List of intersection points of element content-area fractal calculation fitting line

对区内重要成矿元素Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Hg、W、Mo等种元素建立元素-面积分形模型(图3)，各元素的“元素含量-面积”关系可以用2条或2条以上的直线进行拟合，这说明各元素含量的空间分布存在2个或2个以上的无标度区。在低值区拟合的直线较为平缓，为元素背景区。第二段直线一般为元素的主要含量区，拟合直线斜率一般较大，应为区域地质作用形成的区域异常区。第三段反映的是局部地质作用即矿化作用形成的局部地球化学异常，Pb、Zn、Mo、W第三段的斜率均小于第二段斜率，说明这几种元素的矿化作用强烈，成矿潜力较大，有形成矿床的可能；Hg元素的第三段斜率明显大于第二段斜率，反映其成矿作用较弱，仅有形成矿(化)点可能；Au元素拟合线虽然分为三段，但其第三段的下半部分斜率接近水平，反映出Au元素具有局部范围内形成矿床的可能；Ag元素分为四段，且第三段斜率较第二段平缓，说明其矿化作用亦较强烈，具有形成矿床潜力，但第四段斜率较大，推测其矿床高品位具有不稳定性；Cu元素分为三段，且第三段直线后半段的拟合度不是很高，说明该地区Cu元素可能作为Au、Ag矿床的硫化物伴生元素而导致的地球化学异常。

图3 重要成矿元素含量-面积分形模型图(双对数)Fig.3 Important mineralization element content-area fractal model diagram(double logarithm)

根据上述描述，可以对该地区的地球化学元素通过“元素含量-面积”关系的多重分形模式分为3个类型：第一类，仅有2段无标度区的简单分形模型，该模型的元素在该地区成矿富集的趋势不明显，很难形成较大矿床；第二类，具有3段无标度区的高富集分形模型，它在第一类模型的基础上叠加有高含量的元素异常场，该模式的元素在该地区内局部富集成矿的可能性非常大；第三类，具有3段无标度区的低富集分形模型，它在第一类模型的基础上叠加了较弱的元素异常场，该模式下的元素在该地区矿化较弱，有可能形成小规模的矿(化)点；Ag元素虽然分为4段无标度区，但是由于其第三段拟合直线上的变量个数远远大于第四段拟合线上的变量个数，故从严格意义上来说其亦属于第二类的高富集分形模型元素。

2.3 元素组合分类特征

元素组合是元素亲合性在地质体内的具体表现，而元素亲合性又与地质环境有关。确定成矿及伴生元素的组合特征是确定成矿最佳地球化学标志元素组合的前提，为了研究本区元素的共生组合规律和区域成矿的特点，对研究区范围内的的874件样品进行了R型聚类分析和因子分析。

2.3.1 聚类分析

聚类分析以变量之间的相似程度为基础，将变量分成不同级别的类或点群，直观地对变量进行分类。据元素聚类谱系图(图4)组内连接法按照平方欧式距离标度值10，可分为三簇。

图4 聚类分析谱系图Fig.4 Cluster analysis pedigree diagram

第一簇(Sb、Mo、Au、Cu、Ag、As、W、Pb、Hg)：这类元素组合为一组中高温元素组合，其中W、Mo元素富集一般认为与高温酸性岩具有密切关系，Hg、As这类迁移性、络合性较强的元素一定程度反映区域内断裂构造的存在，Au、Ag、Cu、Sb元素亦表明其亲硫的地球化学属性。

第二簇(Cr、Mn、Zn、V)：该类元素代表了亲氧(石)亲铁的地球化学亲合性，而这几种元素共生很可能与该地区的寒武系地层中的铁锰质结核具有密切关系。

第三簇(Ni、Ti、Co、Bi、Sn)：这类元素组合一般为基性岩中的岩浆矿床组合，这几种元素主要来自深部地壳或上地幔，再或是早期原始地幔分异的残留物，从现今环境来看这些元素属于难以迁移的元素，它们在氧化、弱酸或中性条件下，其风化物以各种次生矿物的形式固滞在母质有限范围内，并在风化过程中易于一起聚集和离散。

2.3.2 因子分析

因子分析的基本目的就是用少数几个因子去描述许多指标或多变量之间的联系，是化探数据处理的主要技术方法之一。运用因子分析，可以找出元素之间的地球化学属性与地质构造背景的联系，便于研究元素共生组合富集离散特征与地质背景或成矿间关系[10]。

Kaiser(1974)认为KMO值小于0.6时较不宜进行因子分析。在做因子分析前对数据的相关关系进行KMO和球度检验(表2)，从研究区18个元素测试数据KMO检验结果和Bartlett球形检验结果看，KMO值为0.785(>0.6，其值愈逼近1，表明对这些变量进行因子分析的效果愈好)；Bartlett球形检验显著P=0.000(<0.05)，认为变量样本数据因子分析的效果非常好，其分析结果能较好地反应元素之间成因上的联系；满足因子分析条件，适合做因子分析。

对水系沉积物测量样品数据进行相关性分析，得出相关系数矩阵(表3)。由表3可知，Au与Ag、Cu、W相关系数集中在0.57～0.82，呈正强相关；Co与Ni、Cr、V、Ti等元素相关系数集中在0.53～0.65，亦呈正强相关；Mo与Ag、Sb、Au、Pb、Zn、W元素相关系数集中在0.35～0.49，呈一般正相关；As与Sb、Zn元素相关系数集中在0.32～0.36，呈一般正相关；Cu与Zn、Ni、Cr、V、Mn元素相关系数集中在0.31～0.45，亦呈一般正相关。从表3可以看出，Au、Ag、Cu、W元素组和Co、Ni、V、Ti元素组相关性均较为显著。

利用主成分分析法得出F1、F2、F3因子解释总方差。具体步骤：对因子载荷矩阵进行正交旋转，在正交旋转载荷矩阵中，将取值大于0.5的变量作为该因子的主要载荷元素组，即认为该元素是具有成因联系的多种元素；而初始特征值大于1的前五个因子认为是“有意义”的主要影响因子，计算其累计方差贡献率达52.995%，并在旋转矩阵中根据主要载荷元素得出因子结构式(表4)。

表4 因子解释总方差Table 4 List of factor explanation total variance

根据各元素的因子载荷值求得F1、F2、F3因子下的空间载荷分布图[11-12](图5)。由图5可见，18种元素在主因子F1-F2-F3空间载荷分布图上明显的分成4个集团。集团Ⅰ包括Co、Cr、V、Ti、Ni、Mn 六种元素，它们的特征在主因子F1、F3上均较小，该类元素组合代表了该地区的中基性侵入岩类；集团Ⅱ包括Au、Ag、Cu、W 四种元素，在主因子F1上的特征较为明显，这类元素是该区域内的主要成矿元素，为铜金多金属矿床的指示性元素；集团Ⅲ包括Pb、As、Sb、Zn、Sn、Bi 六种元素，这类元素在主因子F1、F2、F3上特征均不明显，其中As、Sb元素的迁移性、络合性地球化学属性明显，故该类元素代表了该地区的活动迁移性元素，推测为本地区找矿前缘指示性元素；集团Ⅳ包含Hg、Mo两种元素，其特征在F1上特征相对较明显，该类元素代表了该地区岩浆活动、断裂构造的地质活动产物。

图5 F1-F2-F3因子空间载荷分布图Fig.5 F1-F2-F3 factor spatial load distribution diagram

2.4 地球化学异常圈定

2.4.1 单元素地球化学异常圈定

该地区单元素异常运用异常衬度法圈定[13-14]，首先将各个采样点元素数据进行归一化处理，即利用异常下限值计算各采样点元素的异常衬度，然后利用异常衬度圈定单元素的地球化学异常，这样可以使异常衬度值量化到每个测量点，增加了不同元素之间的可比性。运用该方法勾绘出了该地区主要成矿元素Au、Ag、Cu的单元素异常(图2)。

2.4.2 组合元素地球化学异常圈定

组合异常的圈定传统方法一般是根据异常规模、形态进行手工圈定，这种圈定方法非常繁琐，且无法对组合异常进行定量评价。鉴于上述原因，本次组合异常亦采用异常衬度值来圈定，具体处理方法：①计算每个采样测量点的异常衬度值，利用异常衬度值对每个测量点进行赋得分值，得分值等于异常衬度值；②将各采样点不同元素的得分值进行加和计算，该值相当于规格化后的组合异常强度值；③确定组合异常的下限值，由于每个单元素异常衬度值大于1即认定为异常，该地区3组组合异常元素数量均为6，故组合异常衬度下限值定为6较合适，但为了不漏调任何一个可能致矿弱异常，本次将组合异常下限值暂定为5。最终圈定该地区3组组合异常见图2。

由于铁寨地区矿床集中区的面积相对于区域上尺度来说并不是很大，所以在圈定组合异常时个别元素的极高值、孤高点可能会导致圈定的组合异常不能准确完整的反映客观地质成矿条件，为了避免这种情况，本次研究工作首先利用异常衬值法来确定各采样点的组合异常衬度值，之后又对各采样点的组合异常衬值在9×9窗口下进行了趋势面滤波处理[5]，从而获取了铁寨地区区域性增高或降低趋势的局部异常信息，在铁寨地区复杂的地球化学场背景条件下，模拟出了各成矿元素的客观分布趋势(图6)。为该地区地球化学异常结构模型的建立提供依据。

图6 铁寨地区异常衬值法9×9窗口趋势面滤波组合异常图Fig.6 The combination anomaly map of the trend surface filter of 9×9 window by anomaly contrast method in Tiezhai area1—第四系松散堆积物 2—寒武系 3—苍山序列侵入岩 4—沂南序列侵入岩 5—济南序列侵入岩 6—傲徕山序列侵入岩 7—牛岚单元侵入岩 8—构造破碎带 9—断裂 10—产状 11—角岩化 12—矽卡岩化 13—赤铁矿点 14—银矿点 15—铜金多金属矿点 16—金矿点

3 地球化学结构模型

综合以上异常特征及地质成矿条件可知，铁寨地区矽卡岩型矿床主要以接触交代型[15]为主，控矿构造为NW向杨桃—李季断裂，该断裂亦为中生代岩浆、含矿热液活动提供了通道，故在该成矿地质背景条件下，该地区的地球化学异常在空间分布上具有明显的分带性，分带序列亦具有一定规律性。据此建立了铁寨地区矽卡岩型矿床平面、垂向地球化学异常结构概念模型(图7、图8)。

图7中平面边缘部位指示元素为Pb、Zn、Sb、Bi、Sn、As，矿体或近矿指示元素为Au、Ag、Cu、W、Hg、Mo，中心指示元素为Cr、Ni、V、Co、Ti、Mn。成矿元素异常与矿化蚀变带范围基本吻合，易活动元素的异常相对靠外部。主要元素和密切伴生元素出现水平分带(自矿化中心向外)：Cu(Au)-Ag-W-Pb-Zn-Mn-As-Sb，表明矿体受到剥蚀。

图7 铁寨地区矽卡岩型矿床地球化学结构概念模型图(水平)Fig.7 Conceptual model diagram of geochemical structure of skarn deposits in Tiezhai area(horizontal)1—地层 2—沂南序列岩浆岩 3—断裂 4—银矿床 5—铜金矿床 6—金矿床 7—环状异常(Cr、Ni、V、Co、Ti、Mn) 8—前缘异常(Pb、Zn、Sb、Bi、Sn、As) 9—矿异常(Au、Ag、Cu、W、Hg、Mo)

由图8可见，该地区矽卡岩型接触交代矿床，垂向上与矿体一致并包裹矿体的异常元素为Cu、Ag、W、Au(Hg、Mo)，靠近围岩一侧或在矿体前缘发育易活动元素为Pb、Zn、Sb、Sn、As[16]，靠近中生代侵入岩(沂南序列)及岩体中发育中基性元素Cr、Ni、V、Co、Ti、Mn。

图8 铁寨地区矽卡岩型矿床地球化学结构概念模型图(垂向)Fig.8 Conceptual model diagram of the geochemical structure of skarn deposits in Tiezhai area (vertical)1—Au、Ag、Cu、W、Hg、Mo组合异常 2—Pb、Zn、Sb、Bi、Sn、As组合异常 3—Cr、Ni、V、CO、Ti、Mn组合异常 4—寒武系 5—沂南序列侵入岩 6—金铜多金属矿体

4 结论

1)通过异常下限的分形分析，使得铁寨地区各类化探元素的成矿潜力数据化、图形化，在化探数据处理的异常下限确定阶段，就初步判断了各类元素的成矿可能性。通过分形分析来看铁寨地区的Au、Ag元素均具有形成规模矿床的特征，该地区在开采中矽卡岩型Au、Ag矿床充分验证了这一特征。

2)铁寨地区矽卡岩型矿床的地球化学异常特征与矿体的出露程度关系密切。从矿(床)点整体分布情况来看，元素异常基本上以岩体为中心呈环状分布，特别是NW向断裂两侧和地层围岩接触带上。

3)从铁寨地区地球化学概念模型的水平模型和垂向模型上来看，该地区矽卡岩型矿床的异常元素组合具有明显的分带性，这一特性也是斑岩-矽卡岩矿床的典型特征。根据斑岩-矽卡岩矿床特点，可以在成矿岩体的远端寻找Pb、Zn等低温成矿元素的矿化线索。

4)该地区矽卡岩型矿床地球化学异常结构概念模型的建立，对该地区的矽卡岩型铜金多金属矿床的地球化学找矿工作具有借鉴参考意义。