辽西新民金矿床原生晕地球化学特征及深部找矿远景

许云鹏 袁 和

(辽宁省第四地质大队有限责任公司，辽宁 阜新 123000)

辽西阜新地区金属矿产资源较为丰富，自20世纪60年代以来，该地区陆续发现了规模不等的金矿床，如排山楼金矿、新民金矿、靳家店金矿等，其中排山楼金矿床是我国典型的韧性剪切带型金矿床[1-3]。据矿床的产出特征显示，新民金矿床与排山楼金矿床产于同一韧性剪切带内，矿床主要受近EW向韧性剪切带控制。近些年，随着新民金矿床的逐年开采，地表和地下浅部矿体已开采殆尽，“攻深找盲”已成为矿区今后工作的重点，为此迫切需要通过运用有效的方法来实现深部找矿突破。

截至目前，前人在新民金矿区开展的深部找矿工作所运用的方法主要为地球物理方法(电磁法、激电测深等)，但地球物理方法常具有多解性，使得深部找矿信息的可信度受到一定程度制约。在地球化学方面，前人的研究主要注重矿石样品中Au品位及矿体厚度的变化，对于矿体原生晕轴向分带特征以及深部盲矿体赋存状态的研究涉及较少，并且对成矿元素与其他元素之间的相关性研究也有待深入，忽略了其他元素对深部找矿的指示作用。由于原生晕找矿法对深部盲矿体预测具有良好效果，被认为是寻找深部隐伏矿体的一种有效的地球化学方法，在寻找金、银、铜等矿种方面得到了广泛应用[4]。为此，本研究在矿区内选择59号勘探线开展原生晕地球化学测量工作，采用因子分析和聚类分析来挖掘成矿元素与其他相关元素之间的关系，并运用重心法对矿体原生晕轴向分带序列进行定量研究，构建深部找矿模型及深部盲矿体定量评价指标，为在矿区深部实现找矿突破提供理论依据。

1 区域成矿地质背景

新民金矿床大地构造位置位于华北板块北缘燕辽成矿带的最东端，NE向大巴—后三角山韧性剪切带与近EW向排山楼—马家荒剪切带的交汇处(图1)。华北板块北缘被认为是我国重要的成矿区带之一，蕴藏着丰富的金、钼、稀土等重要矿产资源[5]。在早白垩世时期，华北陆块经历了大地构造体系的转换，发生了从挤压到伸展的巨大转变[6]。在伸展背景下辽西地区发生了强烈的岩浆活动，导致区域内中生代岩浆活动频繁以及NE向、近EW向韧性剪切带较发育，并伴随着大规模的金成矿地质作用[7]，致使区域地质情况复杂，成矿条件极为优越。

图1 新民金矿区域地质特征Fig.1 Regional geological characteristics of Xinmin Gold Mine

区域内出露的地层有新太古界建平群小塔子沟组(Arx)、中元古界长城系大红峪组(Pt2)、中元古界蓟县系高于庄组(Pt2)及中生界白垩系孙家湾组(K2s)。其中，新太古界建平群小塔子沟组岩性主要为黑云斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩，其次为白云质大理岩。由于建平群金丰度值较高，被认为是区域内金成矿的重要源岩[8]。中元古界长城系大红峪组岩性主要为粗碎屑岩，并夹有少量碳酸盐岩;中元古界蓟县系高于庄组岩性主要为白云岩、白云质灰岩。中生界白垩系孙家湾组岩性主要为砾岩。

2 矿区地质特征

2.1 矿区地层岩性特征

矿区内分布的地层由老到新主要有新太古界建平群小塔子沟组，该组岩性由于受韧性剪切作用的影响而形成糜棱岩系;中元古界长城系大红峪组岩性为石英岩质初糜棱岩;中元古界蓟县系高于庄组岩性为白云质糜棱岩。出露的脉岩主要有玄武玢岩、闪长玢岩、流纹斑岩(图2)。区内发育3条断裂构造，其性质为压剪性和张性断裂。其中F1压剪性断裂控制着矿体的分布，并且断裂带内见有蚀变较强的碳酸盐化。

图2 新民金矿矿区地质特征Fig.2 Geological characteristics of the mining area of Xinmin Gold Mine

2.2 矿体特征

目前地表共圈出1条金矿体，矿体呈脉状产于近EW向韧性剪切带内，并受韧性剪切带及F1压剪性断裂控制。矿体走向近EW向、倾向N，倾角为48°～90°。矿体规模为大—中型，由工程控制的矿体长度为740 m，倾斜延深 410 m;矿体厚度为 1.33～43.52 m，平均厚度 15.67 m;Au品位为(1.01～4.95)×10-6，平均品位 1.63×10-6。矿石类型主要为长英质糜棱岩型和黑云斜长糜棱岩型两种。矿石结构以糜棱结构为主，矿石构造以浸染状构造为主，细脉状构造次之。金属矿物主要为黄铁矿及少量黄铜矿。脉石矿物主要有石英、斜长石、绢云母等。

矿区内围岩蚀变较发育，主要有硅化、绿泥石化、绢云母化、黄铁矿化等，其中黄铁矿化与金矿化关系最为密切，矿石中主要的载金矿物为黄铁矿。

3 成矿模式

3.1 成矿物质来源

前人通过对区内地层进行研究发现，建平群小塔子沟组岩石中金含量为(3～108)×10-9，高于克拉克值[9]，认为该组岩性是区内金成矿的初始矿源层，为金矿床的形成提供了物源。此外，根据矿床的产出特征显示，新民金矿床位于排山楼金矿床西侧0.25 km，是排山楼金矿体沿走向向西延伸部分，两者属于同一矿体的不同矿段，认为其成矿物质来源可能为同源。前人对排山楼金矿区内的矿石、赋矿围岩及二长花岗岩样品中的黄铁矿进行的Pb同位素测试结果[10-11]显示，矿石样品中Pb同位素组成变化范围为:w(206Pb)/w(204Pb)=16.40～17.00，w(207Pb)/w(204Pb)=15.21～15.37，w(208Pb)/w(204Pb)=36.69～37.38，这与围岩(15.15～15.62、15.11～15.27、35.61～38.45)、二长花岗岩(16.67～16.76、15.27～15.29、36.77～36.84)中的Pb同位素组成基本相近，暗示其成矿物质来源与围岩、花岗岩具有一定的亲缘性。

3.2 成矿流体来源

由于新民金矿床与排山楼金矿床属于同一矿体的不同矿段，本研究认为两者的成矿流体来源可能为同源。前人对排山楼矿区内7件矿石样品中石英流体包裹体的氢氧同位素进行了测试，结果显示:δ18O(H2O)值为 3.8‰ ～ 7.40‰，δD 值为 -116.2‰ ～-87.3‰[11]。据δD-δ18O 图解(图 3)显示，数据投影点主要落在变质水—岩浆水的左下方，较接近岩浆水，总体属于大气—热液水范畴，表明金矿床的成矿热液可能为多种成因热液参与，主要为岩浆水和变质水，后期又有大气水加入。

图3 δD-δ18O变化范围图解Fig.3 Illustration of the variation range of δD-δ18O

3.3 成矿机制

新民金矿床位于华北板块北缘，从区域地质演化来看，华北板块的演化是一个漫长而复杂的过程，是由多个陆块及微陆块相互碰撞拼接的结果[12]。在其碰撞过程中辽西地区发生了挤压、抬升以及大规模的变质变形作用，使赋存于小塔子沟组岩石中的“散金”初步活化和“挤出”。同时伴随着深部热能聚集促使含矿流体库爆发，驱动流体向上迁移。并且在强烈的韧性剪切作用下，原岩的物质成分发生改变，同时产生变质流体，矿物在动力重结晶过程中的可释放金被活化进入流体相中，此时上侵的岩浆流体与变质流体混合沿韧性剪切带发生迁移，在其迁移过程中常与围岩发生一系列的岩—水反应形成蚀变带。以矿体为中心，从远离矿体到近矿体(包括矿体)，蚀变带依次可以划分为绿泥石化带、碳酸盐化带和黄铁矿—绢云母化带。由于金与黄铁矿关系密切，为此推断Au主要以[Au(HS)2]-形式迁移，并在有大气降水参与下形成深循环体系，Au通过以下反应从围岩中萃取、活化:

随着岩—水反应不断进行使得成矿流体的温度、压力、氧逸度及pH值发生改变[13]，化学平衡遭到破坏，导致金硫络合物的稳定性破坏，促使金发生沉淀富集，最终形成含金糜棱岩带(图4)。

图4 成矿模式示意Fig.4 Schematic of metallogenic model

4 样品采集与分析方法

为研究矿体原生晕分带特征，在59号勘探线100 m中段及ZK5908、ZK5909号钻孔内的矿体及围岩部位进行了连续样品采集(样长1 m)，共采集了164件样品，每件样品加工后的质量在200 g以上。

样品分析测试由具有甲级资质的中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁测试研究所完成，分析元素有Au、Ag、Cu、Zn、Hg、As、Sb、Ba、Bi、Co、Mo、Ni、Mn 等13种元素，测试方法见表1。

表1 地球化学元素分析方法及检出限Table 1 Geochemical analytical methods and their detection limits of elements

5 原生晕特征

5.1 成矿及伴生元素组合特征

确定成矿及伴生元素组合有助于了解各地球化学元素之间的相关关系。为此，本研究对164件样品数据进行了因子分析和聚类分析。

5.1.1 因子分析

因子分析可以揭示各变量间的内在联系，使变量具有明确的意义[14-17]。为此，本研究采用SPSS19.0软件对164件样品的13种元素进行因子分析，运用Bartlett和KMO检验方法对数据进行相关性检验，结果见表2。分析表2可知:KMO检验值为0.781，概率P值(sig.)为0，表明数据适合进行因子分析。

表2 因子分析正交旋转因子载荷矩阵Table 2 Factor analysis orthogonal rotation factor load matrix

表2显示:F1因子变量组合为 Sb、As、Zn，F2因子变量组合为 Mn、Co，F3因子变量组合为 Ni、Bi，F4因子变量组合为Hg、Au，F5因子变量组合为Mo、Ba，F6因子变量组合为Ag、Cu。因子累计方差贡献率为70.296%，包含了原始变量中的大部分信息。其中F1、F4因子组合中的 As、Sb、Hg 3种元素具有较强的迁移能力，这几种元素可能反映了与中低温热液矿化作用有关，通常作为寻找金矿床的重要指标。

5.1.2 聚类分析

本研究采用组间聚类方法计算各变量之间的相关系数，所得聚类分析谱系图如图5所示。由图5可知:当距离系数取25时，将13种元素分为两大类，第1 类元素组合为 As、Zn、Sb、Mn、Cu、Mo、Ba，第 2 类元素组合为 Au、Hg、Bi、Ni、Ag、Co。当距离系数取5 时，可将元素进一步划分为3类:第1类为Au、Hg，第2类为 Ni、Bi，第 3 类为 As、Zn、Sb。

图5 聚类分析谱系图Fig.5 Cluster analysis pedigree diagram

式中，Fu为异常界限值(即异常下限);Sh为内散度;Qu为上四分位数;Q1为下四分位数。Qu位于25%位置上的数值，Q1位于75%位置上的数值，有50%的数据落在Qu和Q1之间，这个范围构成了Sh的数据范围。

依据该方法求取各元素的异常下限值，并以2倍、3倍的异常下限值来确定原生晕的中带和内带(表 3)。

表3 EDA技术处理各元素特征参数统计Table 3 Statistical of the characteristics parameters of the elements processed by EDA technique (×10-6)

上述分析表明:以距离系数取5为限，聚类分析与因子分析结果相一致，即成矿元素Au与Hg元素关系最为密切，认为Hg可作为寻找金的重要找矿指示元素。

5.2 成晕元素分带

元素异常的分带首先确定异常下限，传统方法是运用“平均值+n倍标准差”来逐步剔除特高和特低异常值，进而求取各元素的异常下限，然而在剔除特高值和特低值时会改变原始数据结构，这种人为删除异常数据效果往往不理想。为此，本研究采用EDA方法求取异常下限，该方法将数据按照从大到小顺序进行排列，根据特定位置的数据进行分析。该方法最显著的特点是能够有效排除特高值和特低值的干扰，对于处理不服从正态分布或对数正态分布的数据具有一定的优势[18]。EDA方法计算公式为

依据上述参数绘制了各元素浓度分带图，如图6所示。分析该图可知:①Au、Ag 2种元素的浓度分带清晰，具有明显的外、中、内3级分带，其结构较完整，并且2种元素在矿体中部(100 m中段)异常规模较大，而在矿体尾部异常规模具有变小趋势;②Ba、Mn 2种元素的剖面发育形态较为相似，主要分布在矿体中部，表现为中、外带异常;③Hg、Bi、Mo、Ni、Co 5种元素在矿体尾部较发育，其异常规模随着深度的增加

而逐渐增大;④Cu、Zn、As、Sb 4种元素自矿体中部至尾部均有分布，其中As主要发育在矿体尾部，具有明显的3级分带现象。

图6 59号勘探线元素浓度分带特征Fig.6 Element concentration zoning characteristics of No.59 exploration line

5.3 矿体原生晕轴向分带确定

原生晕轴向分带的研究不仅可揭示含矿溶液的运移方向，而且对于追踪深部盲矿体具有重要的指示意义[19]。目前，计算原生晕轴向分带序列最常用的方法为格里戈良法，但该方法存在明显不足，即分带序列中某元素的位置受参加计算的其他元素含量多寡或种类影响[20]。为此，本研究采用重心法[21]确定原生晕的轴向分带序列。该方法将异常的空间位置(即标高)引入计算中，可以有效克服格里戈良法存在的不足，计算结果见表4。

表4 新民金矿区59号线元素分带序列计算结果Table 4 Calculation results of element zoning sequence of No.59 line in Xinmin Gold Mining Area

5.4 原生晕分带序列解译

根据表3，将基于重心法求得的各元素在空间上的异常重心值由大到小进行排列，得出59号线矿体原生晕轴向分带序列从上至下为Mn→Ba→Ag→Zn→Au→Sb→Co→As→Ni→Mo→Bi→Cu→Hg。与李惠等[22]统计的中国金矿床原生晕正常垂向分带序列((前缘晕元素 B—I—As—Hg—F—Sb—Ba)—(矿体晕元素 Pb—Ag—Au—Zn—Cu)—(尾晕元素 W—Bi—Mo—Mn—Ni—Co))对比，得出标准轴向分带序列的前缘晕指示元素Hg、As及矿体晕指示元素Cu分布在59号线分带序列的尾部，此外在图6(c)、图6(d)和图6(h)中也显示出Hg、As、Cu异常在矿体尾部较发育。标准轴向分带序列的尾晕指示元素Mn分布在59号线分带序列的上部。上述现象恰好满足李惠等[22]总结的构造叠加晕盲矿预测准则中的“反分带”和“前、尾晕共存”准则。

依据“反分带”准则，在59号线轴向分带序列中，前缘晕指示元素Hg出现在序列的尾部，而尾晕指示元素Mn出现在序列的上部，表明已知矿体是由多个矿体叠加形成的结果，其成矿作用具有多期、多阶段性，并且在已知矿体的尾部发育前缘晕异常，说明在矿区深部存在新的盲矿体的潜力较大[23]。根据“前、尾晕共存”准则，在已知矿体尾部有尾晕Mo、Bi、Ni异常的条件下，若同时出现前缘晕和尾晕共存现象，则表明矿区向深部赋存有新的盲矿体。由此推测，新民金矿区深部存在盲矿体的可能性较大。

5.5 深部矿体预测模型及远景评价

考虑到各元素含量间存在数量级差异，本研究采用元素含量的几何平均值与其背景值之比求取衬度系数表征元素的富集程度，结果见表5。由于多元素比值法能够有效地构建深部盲矿体预测模型[24]，故本研究以元素的衬度值为基础，运用成矿元素与前缘晕元素的衬度累乘值与尾晕元素组合的各元素衬度累乘值之比构建矿区深部盲矿体预测模型。

表5 元素衬度值统计Table 5 Statistics of the element contrast values

本研究选择(Hg×Au)P/(Ni×Bi)P作为构建深部盲矿体定量评价模型的指标，该指标自矿体中部至矿体尾部具有“由降至升”的变化趋势:在100 m中段为 1.87，65 m标高(ZK5908)为 1.21，-63 m标高(ZK5909)为2.03，并且在65 m标高(ZK5908)出现转折(图7)。前人研究认为:该指标随深度的增加而降低之后，在某一深度突然升高，表明矿体常呈现出尖灭再现现象，即在矿区深部将会发现新的盲矿体[25]。这种现象主要是由深部盲矿体的前缘晕叠加其上部矿体的尾晕所致[26-27]，据此本研究推测矿区深部有新的盲矿体存在。

图7 新民金矿区深部矿体地球化学预测模型示意Fig.7 Schematic of geochemical prediction model of deep orebody in Xinmin Gold Mining Area

基于本研究上述分析，在59号勘探线实施了ZK5911号钻孔对深部矿体进行验证。经工程验证发现，在标高0 m处附近揭露出多条金矿体，钻孔穿越矿体厚度为1.0～3.0 m，Au品位为(1.0～2.3)×10-6。据图8显示，矿体主要赋存于长英质糜棱岩中，矿体顶板围岩为白云质糜棱岩，其底板围岩为黑云斜长糜棱岩。结合以往探矿工程发现，ZK5911号钻孔揭露的多条金矿体为主矿体的尾部矿，但被断裂错移至主矿体上部。根据深部矿体地球化学预测模型及原生晕轴向分带理论，认为矿区深部存在盲矿体的潜力较大，并且该验证孔的见矿成果充分说明了矿区深部具有良好的找矿远景，同时也为后续深部钻探工程布置提供了有利依据。

图8 59号勘探线地质剖面Fig.8 Geological profile of No.59 exploration line

6 结 论

(1)新民金矿区出露的建平群小塔子沟组地层为金矿床的形成提供了物源，据Pb同位素研究显示，成矿物质来源与围岩、花岗岩具有一定的亲缘性。氢氧同位素研究显示，成矿流体来源主要为岩浆水和变质水，后期又有大气水加入。

(2)矿区在强烈的韧性剪切作用下，上侵的含矿岩浆流体与变质流体混合并沿韧性剪切带发生迁移，在其迁移过程中与围岩发生岩—水反应形成蚀变带，Au主要以[Au(HS)2]-形式迁移。随着岩—水反应不断进行，成矿流体的温度、压力、氧逸度及pH值发生改变，破坏了金硫络合物的稳定性，促使金发生沉淀、富集形成含金糜棱岩带。

(3)根据因子分析和聚类分析显示，成矿元素Au与Hg关系最为密切，Hg可作为找金的重要指示元素。矿床原生晕轴向分带序列为Mn→Ba→Ag→Zn→Au→Sb→Co→As→Ni→Mo→Bi→Cu→Hg，其中前缘晕As、Hg及矿体晕Cu分布在分带序列尾部，Mn分布在分带序列上部，具有“反分带”和“前、尾晕共存”现象，暗示成矿作用具有多期、多阶段性，并且指示在矿区深部具有良好的找矿远景。

(4)根据(Hg×Au)P/(Ni×Bi)P指标构建了深部盲矿体预测模型，其预测评价指标自矿体中部至矿体尾部具有“由降至升”的变化趋势:在100 m中段为1.87，65 m 标高(ZK5908)为 1.21，-63 m标高(ZK5909)为 2.03，并在 65 m标高(ZK5908)出现转折，表明矿区内深部有新的盲矿体存在。根据钻探工程验证，在ZK5911号钻孔标高0 m处附近发现了新矿体。

致 谢

论文撰写过程中得到了桂林理工大学罗先熔教授和中国地质科学院矿产资源研究所王登红教授的指导，在此表示衷心感谢!