岩屑地球化学测量在甘肃北山干旱戈壁荒漠区的找矿效果——以三白墩地区金砷矿的发现为例

雷自强，陈杰，陈世明，方成豪，杨镇熙，王振

(甘肃省地矿局 第四地质矿产勘查院，甘肃 酒泉 735000)

0 引言

岩屑地球化学测量是一种广泛应用的以岩石碎屑为采样对象的简捷方便、效果明显的地球化学找矿方法[1-6]，笔者在甘肃北山[7-8]三白墩一带开展1∶5万矿产远景调查时，通过1∶5万水系沉积物测量圈定了较好的化探异常，但是异常面积大，浓集中心不明显，不利于开展查证工作，为进一步缩小找矿靶区，优选了具有找矿前景的AS-3异常进一步开展1∶1万岩屑地球化学测量，对所圈定的岩屑地球化学异常特征进行分析，研究其分散、集中规律，并优选岩屑综合异常进行详细检查，圈定了较好的金砷矿体。笔者通过总结岩屑测量在甘肃北山干旱戈壁荒漠景观区的工作方法、应用效果，特别是三白墩地区金砷矿的发现过程，验证了岩屑地球化学测量在北山干旱戈壁荒漠区地质找矿实践的有效性，为甘肃北山一带干旱戈壁荒漠地球化学景观区以及同类型景观区找矿工作提供了思路。

1 区域地质背景

根据中国大地构造单元划分[9-10]，三白墩金砷矿区地处塔里木陆块区的敦煌基底杂岩隆起区。地层区(图1a)划分为昆仑—祁连—秦岭地层区、敦煌地层分区，出露地层较少，主要为太古宇—古元古界敦煌岩群B、C岩组以及第四系更新统和第四系全新统。区域侵入岩发育，志留纪、三叠纪均有岩浆活动，岩性主要以中酸性花岗岩类为主(图1b)。

区内主构造线总体方向为NW—SE向展布(图1c)，构造极为发育，NNW向断裂截穿NW向断裂，为成矿提供了良好运移通道和储矿空间。矿区区域上位于小西弓—账房山华力西期—印支期金钨成矿带[11]，主要矿种为金[12-18]、钨[19]、砷、萤石[20]和硅灰石[21]等。

a—区域地层分区；b—区域岩性分布；c—区域地质图；1—第四系冲积物；2—第四系残坡积物；3—敦煌岩群B岩组；4—敦煌岩群C岩组；5—石英闪长岩；6—石英二长闪长岩；7—二长花岗岩；8—花岗闪长岩；9—英云闪长岩；10—太古宇花岗质-英云闪长质片麻岩；11—古元古界中低级变质岩；12—石炭-二叠系浅海相碎屑岩；13—基性-超基性岩；14—加里东-华力西期石英闪长岩和花岗岩；15—韧性剪切带和强应变带；16—断层；17—地质界线；18—金矿床；19—地层大区分界线；20—地层区分界线；21—研究区；Ⅱ—塔里木地层区；Ⅲ—华北地层区；Ⅳ—昆仑-祁连-秦岭地层区；敦煌地层分区；罗雅楚山-柳园地层分区；阿拉善地层分区；走廊地层分区；北祁连地层分区；中祁连地层分区；南祁连地层分区a—regional stratigraphic division; b—regional lithology distribution; c—regional geological map；1—Quaternary alluvium; 2—Quaternary eluvial and Deluvial deposits; 3—rock group B of Dunhuang rock group; 4—rock group C of Dunhuang rock group; 5—quartz diorite; 6—quartz monzonite diorite; 7—monzogranite; 8—granodiorite; 9—tonalite; 10—Archean granitic tonalite gneiss; 11—Paleoproterozoic middle and low-grade metamorphic rocks; 12—Carboniferous-Permian shallow marine clastic rock; 13—basic-ultrabasic rock; 14—Caledonian-Wallician quartz diorite and granite; 15—ductile shear zone and strong strain zone; 16—fault; 17—geological boundary; 18—gold deposit; 19—stratigraphic boundary; 20—stratigraphic boundary; 21—study area; Ⅱ—Tarim stratigraphic area;Ⅲ—North China stratigraphic area; Ⅳ—Kunlun -Qilian-Qinling stratigraphic area; division of south Qilian图1 三白墩地区区域地质简图Fig.1 Regional geological map of Sanbaidun area

2 岩屑测量工作方法

2.1 地球化学景观特征

研究区位于甘肃北山南带[22]碰撞伸展的大地构造环境[23]，是典型的干旱荒漠石质戈壁区，海拔在1 750～1 810 m，地貌上为山前冲洪积扇和山间槽型盆地之间过渡地带，水系较发育，多为季节性流水，谷底较宽，分布相对较均匀，水系形式为典型的树枝状水系。区内流水机械搬运强烈，以流水剥蚀和风蚀作用为主。区内基岩出露较好，由于气候干旱，岩石风化以物理风化为主，化学风化和生物化学作用十分有限，物理风化形成的地表岩石碎屑，磨圆度差，主要为岩石风化破碎后短距离搬运形成的残积物和坡积物，偶见少量冲洪积物。研究区植被稀少，沟系发育情况不适合开展1∶1万或者1∶2.5万水系沉积物测量及沟系岩屑测量，但对开展面积性的岩屑测量则极为有利。区内基岩基本裸露，岩石碎屑迁移量较小，样品中的成矿元素及伴生元素受表生作用和化学作用的影响相对较小，元素的次生异常整体以机械分散晕为主，适合面积性岩屑测量及找矿工作。

2.2 工作方法

“甘肃省玉门市大口子山一带1∶5万矿产远景调查”项目共圈定水系沉积物测量综合异常10处(图2)，根据异常面积、规模、套合程度、衬度、浓度分带等情况，经评序AS-3异常排序靠前，结合地质特征，综合研究，该异常具有较好的找矿潜力。因此，针对该异常开展了1∶1万岩屑测量对其进行详细查证，以期发现金砷矿化线索。本次岩屑测量根据异常展布、地质体分布情况，确定测网方向0°，网度为100m×20 m，采样点距20～40 m，在构造破碎蚀变带、蚀变矿化等地段进行加密采样，点距10 m，无矿化蚀变、构造及岩性简单地段采样点距为30～40 m，第四系冲沟发育地段适当进行了放稀。为了使每个样品均具代表性，采样部位选取风化层、顶部残积层，在1/3线距范围内采用多点法采样，采取地表2～20 mm大小的岩石碎块或岩屑；第四系内有岩石碎块(可判断位移不远的)均可取样(图3)。

依据工作区1∶5万水系沉积物测量综合异常特征、主成矿元素及指示元素，结合地质矿产特征，确定分析Au、Ag、Cu、Pb、Zn、W、Sn、Mo、As、Sb共10种元素。分析方法主要有电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)为主体，辅以X射线荧光光谱法(XRF)、原子荧光光谱法(AFS)、垂直电极发射光谱法(OES)(表1)[24]。

本次工作采用Geochem Studio软件对数据进行处理，背景值X0、离差S和变化系数Cv等采用“X±3S”迭代剔除法进行统计，异常下限采用T=X0+k×S表达式求得(表2)，k取值介于2.0～2.4，确定异常下限值时综合考虑了地质背景、累计频率值等因素。

3 1∶10 000岩屑地球化学特征

3.1 地球化学参数统计

地球化学场主要通过计算全区各元素原始数据的均值X和标准差S来获得。原始数据按X+(2～2.4)S剔除一批高值后获得一个新的数据集，再计算此数据集的均值X1和标准差S1，重复第二步，直到无高值存在且数据符合正态分布，最终获得地球化学背景场均值X0和标准差S0。

1—第四系；2—敦煌岩群B岩组；3—敦煌岩群C岩组；4—正长花岗岩；5—石英二长闪长岩；6—石英闪长岩；7—英云闪长岩；8—二长花岗岩；9—花岗闪长岩；10—花岗岩；11—斑状花岗岩；12—斑状二长花岗岩；13—二长花岗质糜棱岩；14—实测正断层；15—实测右行平移断层；16—性质不明断层；17—糜棱岩化带；18—综合异常位置及编号1—Quaternary system; 2—rock group B of Dunhuang rock group; 3—rock group C of Dunhuang rock group; 4—syenogranite; 5—quartz monzonite diorite; 6—quartz diorite；7—tonalite; 8—monzogranite; 9—granodiorite; 10—granite; 11—porphyritic granite; 12—porphyritic monzogranite; 13—monzonitic granitic mylonite; 14—measured normal fault; 15—measured right lateral translation fault; 16—faults of unknown nature; 17—mylonitization zone; 18—comprehensive abnormal location and number图2 三白墩一带1∶5万水系沉积物测量综合异常Fig.2 Comprehensive anomaly map of 1∶50 000 stream sediment survey in Sanbaidun area

1—第四系冲积物；2—二长花岗岩；3—花岗闪长岩；4—石英片岩；5—角闪片岩；6—黑云斜长片麻岩；7—角闪斜长片麻岩；8—绢英岩；9—花岗岩脉；10—石英脉；11—岩屑采样点位；12—岩屑重复样采样点位1—Quaternary alluvium; 2—monzogranite; 3—granodiorite; 4—quartz schist; 5—amphibolite schist; 6—biotite plagioclase gneiss; 7—hornblende plagioclase gneiss; 8—sericite; 9—granite vein; 10—quartz vein; 11—rock cuttings sampling point; 12—sampling points of repeated rock cuttings图3 三白墩岩屑点位分布Fig.3 Location map of Sanbaidun cuttings

表1 岩屑样品分析测试方法

从表3可以看出：相对北山背景值[25]而言，全区强分异(Cv>2)的元素有Au、As、Cu、Mo，从强至弱分别为Au、Cu、As、Mo；分异较强(2>Cv>1)的元素有Zn；分异弱(Cv<1)的元素有Pb、W、Sb、Ag、Sn。全区强富集(Kk>2)元素有Zn；局部地段富集(2>Kk>1)的元素有Au、Cu、Pb、Ag、Mo；As、W、Sn、Sb相对贫化，Kk小于1。全区强叠加(D≥10)元素有Au、Mo；其余元素具有一定的叠加性。综合以上特征参数可以得出，矿区主成矿元素为Au、As，而Mo、Cu也具有一定的成矿能力。

表3 研究地球化学参数特征

3.2 元素的相关性

3.2.1 聚类分析

对研究区4 102件样品中的Au、Ag、As、Sb、W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn等10种元素用GeoIPAS软件进行R型聚类分析，由聚类分析谱系(图4)可见，以相似水平线0.15为界元素可以分为4组，第一组为As、Sb，近矿元素及前缘元素的元素组合特征，表现为低温热液矿床元素；第二组为Cu、Mo、Au、Pb、Ag，主要显示出亲硫性，多以硫化物形式出现,表现为热液活动的多期次性特征；第三组为Zn、Sn，以高中温元素组合为主；第四组为W，以高温元素为主，反应了岩体自身地球化学特征。

图4 研究区岩屑测量R型聚类分析谱系Fig.4 R-type cluster analysis pedigree of rock debris measment in Sanbaidun area

3.2.2 因子分析

对研究区4 102件样品中的10个元素利用Geochem Studio软件进行R型因子分析，按主因子特征值大于1确定因子个数为3个。据正交旋转因子载荷矩阵(表4)，因子载荷大于0.5的元素作为关联成员：F1因子，为区内占主要地位的因子，由Au、Cu、Mo、Pb、Ag组成，代表主要成矿元素组合类型，与已知矿化吻合；F2因子，为区内占次要地位的因子，由As、Sb组成，为典型的低温热液作用产物，是本区主要成矿元素之一，与已知矿化完全吻合；F3因子，各元素形成独立因子，与本区金、砷成矿关系不大，反映了区内岩浆活动、热液叠加改造等地质作用的特点。

因子分析结果说明，元素间及元素与因子轴的亲疏关系比较明确(图5)，Au、Cu、Mo、Pb、Ag所出现的异常主要与构造、岩体关系较密切； As、Sb则是其热液在有利地质构造部位的叠加富集，形成异常或矿(化)体。而Sn、Zn等未与成矿元素叠加，说明本区金、砷矿(化)体剥蚀程度较低。

4 1∶10 000岩屑异常特征及异常查证

4.1 综合异常

通过1∶1万岩屑测量工作，共圈出综合异常3个(图6)，根据各元素相互关系和异常分布情况，共优选出2个具找矿前景的综合异常，异常特征分述如下。

表4 正交旋转因子载荷矩阵

图5 正交旋转因子载荷Fig.5 Orthogonal rotation factor load diagram

1—第四系冲积物；2—二长花岗岩；3—花岗闪长岩；4—石英片岩；5—角闪片岩；6—黑云斜长片麻岩；7—角闪斜长片麻岩； 8—石英岩； 9—花岗岩脉； 10—石英脉； 11—探槽位置及编号；12—地质界线；13—Au矿体及编号；14—As矿体及编号；15—综合异常及编号1—Quaternary alluvium; 2—monzogranite;3—granodiorite; 4—quartz schist; 5—amphibolite schist; 6—biotite plagioclase gneiss; 7—hornblende plagioclase gneiss; 8—quartzite; 9—granite vein; 10— quartz vein; 11—location and number of probe groove;12—geological boundary; 13—Au ore body and number; 14—As ore body and number; 15—comprehensive anomaly and number of 1 ∶ 10 000 rock cuttings measurement图6 研究区综合异常Fig.6 Comprehensive anomaly map of the study area

4.1.1 Ay1综合异常

Ay1综合异常为乙1类异常，位于三白墩金砷矿区，异常呈不规则状，展布方向与花岗岩岩体展布方向基本一致，异常面积为0.6 km2，异常组合为Au、As、Cu、Mo、Sn、Cu、Pb、W，各元素之间套合较好，其中异常区内Au具有三级浓度分带，元素峰值1 000×10-9，衬值达到58.62，其余元素特征见图7、表5。

异常区内出露地层为敦煌岩群B岩组，岩性以黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、角闪片岩、大理岩为主；侵入岩主要为花岗岩，受韧性剪切作用，具糜棱岩化，岩石具褪色蚀变，主要的蚀变及矿化特征为臭葱石化、云英岩化、电气石化、孔雀石化等，通过蚀变特征，初步认为异常与热液活动关系密切。

通过对该异常进行综合剖析，认为在异常范围内各单元素异常套合较好，异常强度高，尤其为Au、As，均具有强异常分带和浓集中心，异常位于矿体边部，属矿致异常。

1—第四系冲积物；2—黑云斜长片麻岩；3—角闪斜长片麻岩；4—花岗岩；5—石英脉；6—1∶1万岩屑测量综合异常及编号；7—1∶1万岩屑测量Au异常及编号；8—极值点；9—Au异常；10—As异常；11—Sb异常；12—Ag异常；13—Cu异常；14—W异常；15—Pb异常；16—Mo异常1—Quaternary alluvium; 2—biotite plagioclase gneiss; 3—hornblende plagioclase gneiss; 4—granite; 5—quartz vein; 6—1∶10 000 rock cuttings measurement; 7—anomaly and number of Au measured by 1∶10 000 rock cuttings; 8—extreme point of element; 9—Au abnormality; 10—As abnormality; 11—Sb abnormality; 12—Ag abnormality; 13—Cu abnormality; 14—W abnormality; 15—Pb abnormality; 16—Mo abnormality图7 1∶1万岩屑测量Ay1异常剖析Fig.7 Analysis of Ay1 anomaly in 1∶10 000 cuttings measurement

表5 1∶1万岩屑测量Ay1异常特征参数统计

4.1.2 Ay3综合异常

该异常为乙2类异常，位于三白墩金砷矿区，异常呈不规则状，展布方向与构造线方向基本一致，异常面积为1.07 km2，异常组合为Au、As、Pb，各元素之间套合较好，其中异常区内Au具有三级浓度分带(图8)，元素峰值1 028×10-9。其余元素异常特征见表6。

异常区内出露地层为敦煌岩群B岩组，岩性以角闪斜长片麻岩、角闪片岩、石英岩为主；侵入岩主要为花岗岩、花岗闪长岩、二长花岗岩等，受韧性剪切作用，具糜棱岩化，岩石具褪色蚀变，主要的蚀变及矿化特征为硅化、黄钾铁矾化等，通过蚀变特征，初步认为异常与构造带关系密切。

通过对该异常进行综合剖析，认为在异常范围内各单元素异常套合较好，异常强度高，尤其为Au，具有强异常分带和浓集中心，异常位于矿体边部，属矿致异常。

4.2 异常查证

为验证岩屑地球化学测量在该区的有效性及准确性，对区内2处综合异常在踏勘检查的基础上，通过地球化学剖面、槽探等方法进一步开展详细检查，查明了引起异常的地质原因，并圈定Au矿体4条，As矿体2条，Au、As矿化体各1条。

4.2.1 Ay1综合异常查证

该异常通过异常查证圈定Au矿体2条、As矿体2条，Au、As矿化体各一条(图9)。Au1号矿体长160 m，厚度1.49 m，平均品位4.17×10-6，矿体北倾，倾向42°，含矿岩性为敦煌岩群中的蚀变石英脉(图10)；Au2号矿体长160 m，厚度0.98，品位1.53×10-6，矿体北倾，倾向42°，含矿岩性为敦煌岩群中的蚀变石英脉；As1矿体长205 m，厚度1.10～1.38 m，矿体品位7.72%～12.60 %，为工业矿体；As2矿体长520 m，厚度2.90～2.93 m，矿体品位3.02%～6.56 %，为低品位矿体(图11)。As矿体分布于敦煌岩群B岩组黑云斜长片麻岩与花岗岩接触部位，严格受断层控制，矿体呈层状、似层状产出，矿体走向100°～130°，倾角60°～80°。砷矿体围岩较为复杂，严格受断层控制，围岩蚀变主要为臭葱石化、云英岩化、电气石化、孔雀石化等。矿石呈它形—半自形粒状结构，块状构造，矿石主要有用矿物为毒砂、黄铁矿，有用组分为Au、As，个别矿体伴生W、Cu。

表6 1∶1万岩屑测量Ay3异常特征参数统计

1—第四系冲积物；2—黑云斜长片麻岩；3—角闪片岩；4—石英片岩；5—花岗岩；6—花岗闪长岩；7—二长花岗岩；8—综合异常位置及编号；9—单元素异常位置及编号；10—极值点;11—Au异常；12—As异常；13—Pb异常1—Quaternary alluvium; 2—biotite plagioclase gneiss; 3—amphibolite schist; 4—quartz schist; 5—granite; 6—granodiorite; 7—monzogranite; 8—comprehensive abnormal position and number; 9—abnormal position and number of single element; 10—extreme point; 11—Au abnormality; 12—As abnormality; 13—Pb abnormality图8 1∶1万岩屑测量Ay3异常剖析Fig.8 Analysis of Ay3 anomaly in 1∶10 000 cuttings measurement

该异常具有进一步寻找As矿床的巨大潜力，Au矿床主要分布于敦煌岩群的石英脉中，进一步找矿潜力较小。

4.2.2 Ay3综合异常查证

该异常通过异常查证，共圈定金矿体2条。Au4矿体呈脉状，长160m，厚度1.18m，品位4.01×10-6。矿体产于NW—SE向蚀变带中，蚀变带中岩石破碎，原岩多为花岗闪长岩，其内穿插有后期石英脉；Au5矿体呈脉状，长160 m，厚度1.76m，品位11.61×10-6，赋存于近EW向蚀变带中，岩石原岩推测为黑云斜长片麻岩成分，岩石断面见有后期硅质脉体穿插，岩石蚀变主要有赤铁矿化、硅化、碎裂化、黄铁矿化等。该异常具有进一步寻找蚀变岩型金矿的潜力。

5 结论

1) 通过岩屑地球化学测量，在三白墩地区圈定综合异常3处，经工程验证发现Au矿体4条，As矿体2条，Au、As矿化体各1条，找矿效果显著，说明在甘肃北山干旱戈壁荒漠区通过岩屑测量方法指导找矿行之有效，为同类型地球化学景观区新疆东天山、内蒙古中西部找矿提供了思路。

1—第四系冲积物；2—黑云斜长片麻岩；3—角闪斜长片麻岩；4—花岗岩；5—石英脉；6—金矿体；7—金矿化体；8—砷矿体；9—砷矿化体；10—探槽位置及编号1—Quaternary alluvium; 2—biotite plagioclase gneiss; 3—hornblende plagioclase gneiss; 4—granite; 5—quartz vein；6—gold ore body; 7—gold mineralized body; 8—arsenic ore body; 9—arsenic mineralized body; 10—location and number of probe groove图9 三白墩金砷矿Ay1异常区工程部署Fig.9 Project deployment of Sanbaidun gold arsenic mine

图10 三白墩金矿石宏观特征(a)及显微特征(b)Fig.10 Macroscopic and microscopic characteristics of Sanbaidun gold deposit

1—第四系；2—角闪斜长片麻岩；3—黑云斜长片麻岩；4—碎裂岩；5—花岗闪长岩；6—石英脉；7—断层；8—产状；9—光谱；10—化学样采样位置及编号1—Quaternary system; 2—hornblende plagioclase gneiss; 3—biotite plagioclase gneiss; 4—cataclastic rock; 5—granodiorite; 6—quartz vein; 7—fault; 8—occurrence; 9—spectrum; 10—sampling location and number of chemical samples图11 三白墩STC5探槽素描图Fig.11 Sketch of STC5 trench in Sanbaidun

2) 岩屑地球化学特征表明，研究区Au、Cu、As等分异强，Zn、Au、Cu、Pb、Ag、Mo等较富集，Au、Mo等后生叠加作用强。综合研究，区内主成矿元素为Au、As，而Cu、Mo也具有一定的成矿能力。

3)甘肃北山南带具有寻找Au、As、W多金属矿资源潜力大，成矿地质条件优越等特征。该区Au、As异常规模大，与其他元素套合好，与构造、岩浆岩、地层关系对应性好。如以Au为主成矿元素的综合异常与赤铁矿化、硅化、碎裂化、孔雀石化、黄铁矿化关系密切，是寻找石英脉型和蚀变岩型金矿的有利地区；以As为主成矿元素的综合异常与臭葱石化、云英岩化、电气石化有关，是寻找构造热液型砷矿的有利地段。