滇西北格咱铜多金属矿集区含矿斑岩、不含矿斑岩与全球埃达克岩对比研究

刘学龙 陈建航 李守奎 李方兰 刘思晗 李振焕 曹振梁 周博文

(1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南 昆明 650093;2.云南省地质矿产勘查院,云南 昆明 650051)

大数据开辟了科学研究的新思路,而地质学作为一门典型的数据密集型学科,在大数据时代正面临着前所未有的机遇与挑战。目前虽然地质大数据面临如何深入研究、能够解决哪些地质问题、突破点在哪里、数据库如何建设等诸多问题,但利用大数据思维方法在地质学领域已经取得的多项新进展、新成就,不仅值得学术界重视和学习,更为地球科学大数据研究提供了源源不断的新动能。

云南格咱铜多金属矿集区作为滇西地区重要的矿产勘查开发资源基地,其中以普朗斑岩铜矿作为区内印支期成矿作用的典型代表,经过长时间的地质勘探与科学研究已积累了大量的地质数据和资料。前人对包括普朗斑岩铜矿在内的矿床做过大量的研究工作,包括成矿构造环境、成矿岩体的地球化学特征、成岩成矿年代、成矿流体与矿床成因等方面取得了许多重要成果[1-9]。研究认为,区内主要矿床的成矿时期集中于晚三叠世,成矿岩体属于钙碱性系列Ⅰ型花岗岩,同时具有埃达克质岩性质;成矿阶段流体主要来自于岩浆热液,晚期有大气降水参与。本研究利用大数据手段对普朗斑岩铜矿与成矿有关的花岗岩与全球埃达克岩的对比发现,普朗斑岩具有与全球埃达克岩类似的特征,且具有低w(Sr)/w(Cu)、w(Ta)/w(Cu)、w(Al)/w(Mo)、w(Mn)/w(Zn)、w(Mn)/w(Cu)、w(Mn)/w(Mo)、w(Ca)/w(Cu)值以及低Hf、K、Ti、P、Co、Th 含量的地球化学特征,为普朗铜矿床深部及外围的地质找矿提供了新的地球化学找矿标志[10]。

本研究在以往成果的基础上,系统整理了格咱铜多金属矿集区内15 个代表性成矿斑岩体的岩石地球化学数据,依据铜元素含量分为含矿和不含矿两类数据,通过计算特征元素地球化学比值和投图,并与全球埃达克岩进行对比,研究与成矿有关和无关元素的地球化学指标,探讨有效和可靠的找矿标志,为区内深部及外围地质找矿工作提供科学参考。

1 区域背景与矿床地质特征

格咱铜多金属矿集区位于义敦岛弧南端,西界为格咱断裂带,东部和南部为甘孜—理塘结合带,是西南“三江”古特提斯洋演化阶段形成的重要地质构造单元之一,即印支期甘孜—理塘洋向西俯冲于格咱—中甸微陆块所诱发的大规模构造—岩浆作用的产物,也是三江特提斯成矿域内重要的斑岩—矽卡岩型铜钼多金属矿集区(图1)。区内现已探明15 个代表性的铜多金属矿床,包括普朗、雪鸡坪、红山、松诺、春都、地苏嘎、亚杂、浪都、卓玛、欠虽、烂泥塘、茨莱、休瓦促、热林、铜厂沟。其中普朗斑岩铜矿作为区内印支期成矿作用的典型代表,是我国近年来新发现的超大型矿床[2,7,11-12]。

图1 滇西北格咱铜多金属矿集区构造—岩浆分布及大地构造位置Fig.1 Tectonic-magmatic distribution and geotectonic position of Geza copper polymetallic ore-concentrated area in Northwestern Yunnan

区内地层主要由上三叠统碎屑岩、碳酸盐岩和火山岩及次火山岩组成,主要发育两期岩浆侵入活动[13],在构造活动强烈区伴有较强的变质作用及相关的成矿作用。其中,印支晚期甘孜—理塘洋壳向西俯冲作用导致大量中酸性斑岩发生浅成侵位,形成了与岛弧构造背景有关的斑岩型铜矿;侏罗纪—白垩纪陆内汇聚和造山后伸展作用诱发同碰撞型中酸性岩浆活动,形成了陆壳重熔型二长花岗岩和花岗闪长斑岩体,并伴随有钼、铜、钨成矿事件发生。

区内晚三叠世普朗铜矿成矿作用发生于普朗复式斑岩体内,在岩体中心形成了以细脉浸染状矿石为主的柱状矿体[14-15]。该斑岩体由3 个期次岩浆侵入形成,其中第1 阶段((221.0±1.0) Ma)主要形成石英闪长玢岩,第2 阶段((211.8±0.5) Ma)主要形成石英二长斑岩,第3 阶段((206.3±0.7) Ma)形成花岗闪长斑岩,均属于印支期构造—岩浆活动的产物[2,5]。矿区岩石地球化学特征研究表明,石英闪长岩、石英二长岩等含矿斑岩富集 Ba、La、Rb、Sr、K和亲铜元素 Cu、Pb 及亲铁元素 Mo、Ni,亏损 Nb、Zr、Hf、Ti 等高场强元素( HFSE)和轻稀土元素(HREE)及 Y,具有较高的w(Sr)/w(Y)(27 ～63)和w(La)/w(Yb)(14 ～31)值,为岛弧型钙碱性岩系[7],并具有埃达克岩地球化学特征[8,15]。

2 数据来源与整理

2.1 数据来源

首先利用GEOROC 数据库提取全球花岗岩数据(花岗岩w(SiO2) ＞ 56%),尽可能保留更多的数据,剔除所有含有空值的行后,利用埃达克岩的提取标志(w(Sr) ＞ 400×10-6,w(Yb)＜1.9×10-6,w(Y)＜1.8×10-6)[16]进行数据筛选,最终得到全球埃达克岩有效数据共计6 954 个。针对格咱铜多金属矿集区,本研究系统收集了区内代表性斑(玢)岩体的地球化学数据共计768 个,包括普朗、雪鸡坪、红山、松诺、春都、地苏嘎、亚杂、浪都、卓玛、欠虽、烂泥塘、茨莱、休瓦促、热林、铜厂沟的岩石地球化学数据[1-8,17-22]。

2.2 数据整理

将格咱铜多金属矿集区768 件斑岩全岩地球化学数据,通过人工筛选剔除空值和异常数据后,最终保留可用有效数据共638 个,根据铜元素含量将分为324 件含矿岩石(w(Cu)≥200×10-6)和314 件不含矿岩石(w(Cu)＜200×10-6)的样品数据。

本研究将通过Cu 品位进行区分的含矿、不含矿两组数据集作为已知的两种区分模型;然后经过数据前期整理后,运用K 近邻(KNN)和随机森林(RF)等机器学习算法对格咱铜多金属矿集区内含矿与不含矿数据进行了判别,结果见表1。由表1 可知:随机森林模型区分模型优于K 近邻区分模型,另一方面利用Cu 品位进行区分的含矿、不含矿数据集模型具有一定的可靠性。

表1 KNN 与RF 分析结果Table 1 KNN and RF Analysis Results

3 数据挖掘方法

3.1 数据筛选原则

数据筛选参照前人研究方法[23-24],保留SiO2含量大于56%且小于90%的数据;剔除H2O、LOI 含量大于7%、CO2含量大于3%的数据;剔除某些主元素含量异常高的样品,如w(Fe2O3)＞30%、MnO 含量异常高的样品;剔除微量元素异常高的数据(样品保留)。

3.2 置信椭圆绘制

置信椭圆又名误差椭圆,用来直观地反映点位或平均值函数的估值与期望值之间的差异。结合线性代数相关知识,计算出数据点的协方差矩阵,该矩阵的特征值和特征向量可用来确定置信椭圆的轴长(长轴,短轴)及其方向,椭圆的中心由数据均值求得。给定置信区间后便可绘制置信椭圆。

3.3 交叠率计算

交叠率表示两个数据区域即置信椭圆的交叠程度,由Monte Carlo 方法计算。本研究在坐标系范围内随机生成足够数量的数据点,根据置信椭圆方程判断该点的位置(椭圆内还是椭圆外),通过计数来求得椭圆之间的交叠率。本研究利用Python 语言编写程序,用来读取清洗后的数据、分析数据并绘图,在所有的组合情形中挑选出最佳的判别图解。在构筑判别图解时,为了增强判别效果,减少重叠性和多解性,往往使用元素含量比值作为图解的横、纵坐标,如w(Ti)/w(Y)—w(Nb)/w(Y)、w(La)/w(Yb)—w(Sc)/w(Ni)等[25]。此外,全体数据中各元素含量值的分布范围往往比抽样数据扩大许多,为了使数据相对集中,通常采用取对数方法处理原数据,计算元素含量比值一般取以10为底的对数。

3.4 数据挖掘步骤

本研究数据挖掘步骤为:① 按11 种不同构造环境收集GEOROC 数据库中全部岩石样品的地球化学数据;② 查阅研究区包含地球化学数据的所有文献,并对其中的地球化学数据进行整理,形成研究区数据集;③ 对于GEOROC 数据库中下载的数据按“SAMPLE NAME”标签删除样品中重复数据以及沉积岩和变质岩的数据得到岩浆岩数据;④ 按照埃达克岩的地球化学标准筛选出埃达克岩;⑤ 删除样品中某个元素数值异常高或者异常低值(超出样品元素平均值20 倍),样品保留,并删除负值(可能超出测限),排除异常值对统计结果的影响;⑥ 利用MATLAB 软件将45 个元素数据两两组合计算含量比值并取以10为底的对数,获得元素组合和交叠率比值;⑦ 绘制格咱铜多金属矿集区含矿、不含矿以及全球埃达克岩置信度为85%的三置信椭圆散点图;⑧ 寻找格咱铜多金属矿集区内含矿岩体、不含矿岩体与全球埃达克岩的相关性关系并提取地球化学特征,通过对比分析得出结果。

4 结果分析

本研究针对格咱铜多金属矿集区内含矿斑岩、不含矿岩体和全球埃达克岩3 组数据,通过MATLAB软件运行计算,绘制三置信椭圆散点图解,开展岩石地球化学特征的对比研究。选择岩石地球化学组成中常见的主微量元素共45 个,计算不同元素对比值,进行投图并绘制85%置信度的三置信椭圆散点图,最终得到交叠率较好的图件共14 340 幅。

从全部所得图件中挑选归纳出格咱铜多金属矿集区含矿岩体、不含矿岩体与全球埃达克岩的元素地球化学比值特征图解。

格咱铜多金属矿集区内含矿岩体与全球埃达克岩的数据分布具有相似性的变化规律,而不含矿岩体地球化学数据与全球埃达克岩的数据分布显示出明显偏离性。在w(Al2O3)/w(Cu)—w(SiO2)/w(TiO2)置信椭圆散点图(图2(a))中,区内含矿岩体数据分布范围与全球埃达克岩数据分布高度重合,但变化趋势完全相反, 矿集区内含矿岩体的w(SiO2)/w(TiO2)值变化范围较小,而全球埃达克岩的w(SiO2)/w(TiO2)值分布范围极差较大,反映出矿集区内含矿岩体具有独特的地球化学组合特征。在w(SiO2)/w(Cu)—w(SiO2)/w(MgO)(图2(b))、w(TiO2)/w(Cu)—w(SiO2)/w(Gd)(图2(d))散点图中,相对于矿集区内含矿岩体,不含矿岩体具有较高w(SiO2)/w(Cu)、w(TiO2)/w(Cu)值,w(SiO2)/w(MgO)、w(SiO2)/w(Gd)值变化较小,维持在一个较小的范围内。在w(SiO2)/w(Cu)—w(SiO2)/w(Ba)(图2(c))散点图中,区内含矿岩体数据分布包含了全球埃达克岩的整个右部散点区,且其w(SiO2)/w(Ba)值分布范围明显小于不含矿岩体,表明矿集区内含矿岩体具有全球埃达克岩的部分地球化学元素组合特征,但相对于其不含矿岩体来说,又存在明显差异,值得继续深入研究。

图2 格咱铜多金属矿集区含矿、不含矿岩体与全球埃达克岩数据分布置信椭圆图解Fig.2 Confidence elliptic diagram of data distribution of ore-bearing and non-ore-bearing rocks and adak rocks in Geza copper polymetallic ore-concentrated area

格咱铜多金属矿集区内含矿岩体与不含矿岩体的地球化学数据分布具有相似性,但表现出一定的独特性。在w(Al2O3)/w(V)—w(SiO2)/w(Sr)散点图(图3(a))中,区内含矿岩体、不含矿岩体数据分布基本全部包含在全球埃达克岩范围内,并且含矿、不含矿岩体的地球化学数据具有一致的变化趋势,表明矿集区内岩体具有埃达克岩的地球化学属性。在w(Al2O3)/w(Cr)—w(SiO2)/w(Sr) 散点图(图3(b))中,区内含矿岩体的数据全部包含在不含矿岩体的数据中,且含矿与不含矿岩体部分数据落在全球埃达克岩范围内,但明显低于全球埃达克岩的数据,表明矿集区含矿、不含矿岩体具有相同的w(Al2O3)/w(Cr)、w(SiO2)/w(Sr)特征,但其w(Al2O3)/w(Cr)值明显低于全球埃达克岩。在w(Al2O3)/w(Co)—w(SiO2)/w(Sr) 散点图(图3 (c))、w(Al2O3)/w(Mo)—w(SiO2)/w(Sr)散点图(图3(d))中,区内含矿与不含矿岩体同样具有相似的数据分布特征,但与全球埃达克岩的元素比值明显相反,另外,部分数据落在全球埃达克岩范围内但明显高于全球埃达克岩的数据,表明矿集区内岩体具有相同的w(Al2O3)/w(Co)、w(Al2O3)/w(Mo)特征,且相对于全球埃达克岩明显具有更高的w(Al2O3)/w(Co)、w(Al2O3)/w(Mo)值。

图3 格咱铜多金属矿集区含矿、不含矿岩体数据差异性置信椭圆图解Fig.3 Confidence elliptic diagram for difference of ore-bearing and non-ore-bearing rock mass data in Geza copper polymetallic ore-concentrated area

格咱铜多金属矿集区内含矿斑岩地球化学数据主要分布在全球埃达克岩数据分布范围的局部,而不含矿岩体地球化学数据大部分超出全球埃达克岩分布范围,说明区内含矿岩体数据与全球埃达克岩的w(TiO2)/w(U)、w(TiO2)/w(Nb)、w(TiO2)/w(Sr)、w(TiO2)/w(Hf)值存在一定的相关性但不完全相同,即相对于全球埃达克岩,矿集区内不含矿岩体表现出独特的地球化学特征。在w(TiO2)/w(Ni)—w(SiO2)/w(Cu) (图4(a))、w(TiO2)/w(U)—w(SiO2)/w(Cu) (图4(b))、w(TiO2)/w(Nb)—w(SiO2)/w(Cu) (图4(c))、w(TiO2)/w(Sr)—w(SiO2)/w(Cu) (图4(d))、w(TiO2)/w(Zr)—w(SiO2)/w(Cu)(图4(e))以及w(TiO2)/w(Hf)—w(SiO2)/w(Cu)(图4(f))置信椭圆散点图中,矿集区内含矿岩体与不含矿岩体中Ni、U、Nb、Sr、Zr、Hf 等元素与主量元素含量比值的分布范围基本相同,且包含在全球埃达克岩的比值分布范围之内。

图4 格咱铜多金属矿集区含矿岩体与全球埃达克岩差异性置信椭圆图解Fig.4 Confidence elliptic diagram of difference between ore-bearing rock mass in Geza copper polymetallic ore-concentrated area and global adakite

格咱铜多金属矿集区内含矿岩体与全球埃达克岩的数据分布具有相似性,主要表现为含矿岩体数据包含了全球埃达克岩数据,说明矿集区内含矿岩体的部分元素含量比值范围变化较大,超出了全球埃达克岩的元素比值变化范围。在w(Fe2O3)/w(Ba)—w(Al2O3)/w(Cu)(图5(a))、w(Fe2O3)/w(Ni)—w(Al2O3)/w(Cu)(图5(b))、w(Fe2O3)/w(V)—w(Al2O3)/w(Cu)(图5(c))、w(Fe2O3)/w(Co)—w(Al2O3)/w(Cu)(图5(d))置信椭圆散点图中,可以看出在比值变化范围内,普朗含矿岩体与全球埃达克岩具有相似的地球化学特征,但普朗含矿岩体的w(Fe2O3)/w(Ba)、w(Fe2O3)/w(V)、w(Fe2O3)/w(Ni)、w(Fe2O3)/w(Co)值变化范围更大。

图5 格咱铜多金属矿集区含矿岩体包含全球埃达克岩置信椭圆图解Fig.5 Confidence elliptic diagram of ore-bearing rocks in Geza copper polimetallic ore-concentrated area containing global adakite

5 讨 论

5.1 矿集区斑岩体与全球埃达克岩的关系

埃达克岩因其独特的源区组成、形成条件及成岩成矿过程中较高的氧逸度,指示了埃达克岩富含矿质和挥发分的埃达克质岩浆[26]。因此,在全球规模上,多数埃达克岩省是重要的成矿省;在区域尺度上,多数矿床的主岩即埃达克岩;在矿区尺度上,当埃达克岩与非埃达克岩共存时,成矿主要为前者[27-28]。

矿集区成矿斑岩的埃达克岩地球化学性质研究工作开展较早,其中普朗斑岩型铜矿[2,42]、雪鸡坪斑岩型铜矿[42]的成矿斑岩体具有明显的埃达克岩地球化学特征。综合区内构造环境以及年代学特征分析可知,矿集区位于义敦岛弧带南段,是西南“三江”古特提斯洋盆中甘孜—理塘洋壳向西俯冲造山作用的产物,但由于洋壳板片俯冲角度减缓、速度减慢,从而形成了以安山质火山岩和中酸性斑岩为特征的斑岩铜多金属矿集区[2,29-31]。年代学研究表明,红牛Cu矿区矽卡岩中石榴子石的形成年龄为(79±15) Ma[32],热林Mo-W-Cu 矿床花岗闪长斑岩形成于(82.4±3.03)Ma[33],休瓦促W-Mo 矿床二长花岗岩形成于(85.9±3.3) Ma[33],松诺Cu 矿黄铜矿化石英二长斑岩的锆石年龄为(204.7±1.12) Ma[34],普朗斑岩Cu 矿区辉钼矿Re-Os 年龄为(213±3.8) Ma[35],雪鸡坪绢英岩化带含矿斑岩的形成时代为(215.3±2.6) Ma[36-37],春都含矿花岗闪长斑岩体的锆石年龄为(217.5±1.9) Ma[38],茨莱花岗斑岩的成岩年龄为(220.6±0.78) Ma[39]。综上所述,从构造环境和成矿时代来看,格咱铜多金属矿集区的成矿斑岩具有与埃达克岩相似的地球化学特征[40-41,47]。

由矿集区含矿、不含矿岩体与全球埃达克岩的三置信椭圆图解可知,除了主要成矿元素存在差异之外,其他地球化学特征多表现出与全球埃达克岩具有高度的相关性(图3、图4)。通过进一步图解(图6)判别发现,矿集区各典型矿床数据反映该区岩石属于钙碱性系列。而在各斑岩体w(K2O)—w(SiO2)图解(图7)中,格咱成矿斑岩的分布范围较为宽泛,但样品基本落入高钾钙碱性系列和钾玄岩系列区域,其中只有少部分样品落入钙碱性系列区域。岩石学研究认为,高钾性岩石可能是源区钾含量较高或者埃达克岩浆遭受到了同化混染和结晶分异所致[42],这与中国东部埃达克岩以及中国大部分斑岩铜矿的容矿斑岩多为高钾钙性系列和钾玄岩的特征相似[45],是区别于全球典型埃达克岩多为钙碱性系列的明显特征。

图6 格咱铜多金属矿集区各典型矿床岩体AFM 图解Fig.6 AFM diagram of typical ore bodies in Geza copper polymetallic ore-concentrated area

图7 格咱铜多金属矿集区各典型矿床岩体w(K2O)—w(SiO2)图解Fig.7 w(K2O)—w(SiO2) diagram of rock mass of typical deposits in Geza copper polymetallic ore-concentrated area

5.2 矿集区含矿岩体、不含矿岩体与全球埃达克岩的关系

全球埃达克岩与矿集区含矿、不含矿斑岩体的微量元素/原始地幔标准化蛛网图如图8所示。由图8可知:主要微量元素可以分为3 类,第1 类是矿集区含矿、不含矿岩体与全球埃达克岩类似的元素,包括U、Ta、La、Ce、Sr、Zr、Hf、Sm、Ti;第2 类是矿集区含矿、不含矿岩体明显高于全球埃达克岩的元素,包括Rb、Ba、Th、K、Cu、Mo、Cr;第3 类是矿集区含矿、不含矿岩体明显低于全球埃达克岩的元素,包括W、Ga、Zn。第1 类元素代表了矿集区含矿岩体、不含矿岩体具有全球埃达克岩的特征,在置信椭圆散点图中(图4),矿集区含矿岩体与不含矿岩体中Ni、U、Nb、Sr、Zr、Hf等元素与主量元素含量比值的分布范围基本相同,并且包含在全球埃达克岩的比值分布范围内同样验证了这一点。第2 类元素代表了矿集区含矿岩体的主要特征,即明显富集Rb、Ba、Th、K、Cu、Mo、Cr 元素。前人对矿集区内普朗[44-45]、雪鸡坪[45]、红牛[46]、热林[46]、休瓦促[47]等多个印支期斑岩Cu 多金属矿床的地球化学特征研究表明,矿集区各主要典型铜矿均具有富集Sr、K、Rb、Ba、Th 等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Zr、Hf、Ti 高场强元素,具有低HREE 含量,暗示了区内各成矿斑岩体的形成具有相似的构造背景。第3 类元素则是区分矿集区含矿岩体、不含矿岩体的主要特征,即不含矿岩体相对于含矿岩体具有更低的W、Ga、Zn 含量。

图8 全球埃达克岩与矿集区斑岩微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.8 Porphyry primitive mantle normalized spider diagram of trace elements in the ore-concentrated area

图9所示置信椭圆图解横坐标为lg[w(SiO2)/w(Sr)],分母大小决定了比值的波动范围,明显可以看出格咱铜多金属矿集区含矿、不含矿岩体的w(SiO2)/w(Sr)值变化范围包含在全球埃达克岩比值分布范围之中,即说明格咱铜多金属矿集区含矿、不含矿岩体的Sr 含量虽然区别于全球埃达克岩,但又完全包含在全球埃达克岩之中; 纵坐标为lg[w(Al2O3)/w(Mo)],分母越大比值越小,即含矿岩体具有更高的Mo 含量,表明岩体矿化作用越强烈,越靠近全球埃达克岩的数据分布范围,表明与全球埃达克岩的关系越密切,即为含矿岩体;矿化作用越弱,越远离全球埃达克岩,即属于格咱铜多金属矿集区的不含矿岩体。

图9 矿集区含矿、不含矿岩体与全球埃达克岩置信椭圆散点图Fig.9 Confidence elliptic dispersion diagram of ore-bearing,non-ore-bearing and global adakite in the ore-concentrated area

6 结 论

(1)通过对格咱铜多金属矿集区内成矿斑岩体的地球化学特征、构造环境和成矿时期的综合对比分析,认为格咱斑岩体属于全球埃达克岩但又区别于典型埃达克岩,具有明显的高钾性特征,与中国东部埃达克岩以及中国大部分斑岩铜矿的容矿斑岩多为高钾钙性系列和钾玄岩的特征相似。

(2)矿集区含矿岩体相对于全球埃达克岩的数据分布具有明显的相似性,表明区内含矿岩体具有一定的埃达克岩地球化学特征;但区内含矿岩体又具有一定的特点,即相对于全球埃达克岩明显具有更高的w(Al2O3)/w(Co)、w(Al2O3)/w(Mo)值。

(3)相对于不含矿岩体,矿集区含矿岩体中w(SiO2)/w(Ba)、w(Fe2O3)/w(Ba)、w(Fe2O3)/w(V)、w(Fe2O3)/w(Ni)、w(Fe2O3)/w(Co)值分布范围更集中,即含矿岩体Ba、V、Ni、Co 等元素可能集中在更小、更集中的范围内,另外含矿岩体的w(Al2O3)/w(Mo)值明显低于不含矿岩体比值,为区内岩体含矿性的判别研究提供了参考。