胶西北金矿构造控矿规律定量分析

李星灿， 毛先成， 陈 进， 刘占坤， 邓 浩， 赵其辉

(1. 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083；2. 中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083)

0 引 言

胶西北位于华北克拉通边缘，是胶东金矿矿集区的主要成矿区域之一。胶西北区域内3条超壳断裂(三山岛断裂、焦家断裂、招平断裂)是成矿热液运移的主要通道，控制着矿体的空间定位、形态以及规模(Zeng et al., 2001; Goldfarb et al., 2014)，控制了胶东金矿矿集区超过80%的金储量(Wang et al., 2019)，断裂产状的变化对金矿的矿化富集有着直接的影响(丁正江等，2015；吕古贤等，2017)。胶西北区域内的金矿常见2种矿化特征，按矿石类型分为焦家型破碎蚀变岩金矿及玲珑型石英脉金矿(Song et al., 2015)。

随着找矿难度的不断加大，胶西北区域找矿工作向深部开展，焦家、招平矿带相继在深部发现金矿化第二富集带(宋明春等，2010)，各金矿带深部及外围的接替资源十分可观。但前人在胶西北地区开展的构造控矿模式研究集中于构建定性模型，缺少关于构造部位对矿化富集约束作用的定量关系描述(陈进等，2020)。

近年来，随着三维建模与分析方法不断应用于深部找矿研究(陈建平等，2009；肖克炎等，2012；Mao et al., 2016, 2019；刘畅等，2019；Nielsen et al., 2019)，对矿床三维地质模型进行空间分析显得愈发重要。三维地质模型能准确描述地质构造，是矿产勘查的重要工具(Ruzek et al., 2011)。空间分析不仅是综合分析三维地质模型、充分挖掘地质体空间信息与形态特征、使成矿预测从2D(或2.5D)转向真3D的重要步骤，更是充分挖掘地质资料的客观信息、实现成矿预测从定性分析转向数值化定量(刘静等，2017)、从逻辑驱动转向数据驱动(赵鹏大，2012；陈建平等，2017)、准确揭示矿化富集规律的重要手段(毛先成，2006)。

因此，利用空间分析手段将胶西北矿体定位的空间特征与形态特征加以定量化表达，并分析矿体定位特征与矿化指标间的关系，确定控制金矿床形成的构造特征，为胶西北地区的构造控矿模式提供新的定量证据。

1 矿床地质背景与构造控矿模型

1.1 矿床地质背景

图1 胶西北地区地质简图(据Song et al., 2015; Yang et al., 2016修编)1-第四纪沉积物;2-白垩纪沉积岩及火山岩;3-新元古代蓬莱群变质岩;4-古元古代粉子山群和荆山群变质岩;5-太古宙胶东群变质岩;6-侏罗纪栾家河花岗岩;7-侏罗纪玲珑花岗岩;8-白垩纪郭家岭花岗岩闪长岩;9-金矿床；10-断裂带Fig. 1 Simplified geologic map of the northwestern Jiaodong Peninsula(modified from Song et al., 2015; Yang et al., 2016)

胶西北地区位于华北克拉通东部(图1)，涵盖平度—蓬莱一线，东起栾家河断裂，西至渤海地区，属胶东矿集区西北部成矿小区，西隔郯庐断裂带与鲁西隆起相邻(宋明春等，2020)。胶西北地区经历了多期构造运动，以断裂构造发育为主要特征，区内金矿的形成与构造热事件高度相关。断裂构造对含矿热液的迁移、聚集及沉淀成矿等过程均有控制作用，并影响成矿时的物理化学条件，是区内金成矿过程的重要影响因素(邓军，1992)。

中生代新华夏系NE-NNE向构造为区内主导构造，与金矿密切相关，是胶西北构造与地表形态的“骨架”，包括三山岛断裂带、焦家断裂带、招平断裂带，三山岛、焦家、大尹格庄、新城等金矿床群即分布于该构造系统内。胶西北区域3条区域级控矿断裂对成矿的控制作用非常明显，断裂两侧的破碎带普遍发育蚀变，形成焦家式金矿，垂向上具有阶梯式分布特征(Song et al., 2015)。玲珑式金矿整体上同样受区域控矿断裂控制，产出于断裂下盘一定深度内的次级断裂，矿体呈脉状产出。

三山岛断裂位于莱州三山岛—仓上一带，南北两端均延伸至渤海，陆上长12 km。总体走向北东42°，倾向南东，倾角33°～47°，由北东向南西倾角总体变陡。主断裂面上盘为胶东群，下盘为玲珑黑云母花岗岩，断裂带内断层泥、糜棱岩、黄铁绢英岩、黄铁绢英岩化碎裂岩发育。沿三山岛断裂带分布有三山岛与新立矿田。

焦家断裂位于三山岛断裂东侧石良集—黄山馆—莱州一带，走向北东，倾向北西，倾角30°～50°，呈S形弯曲延伸。 南段发育在玲珑岩体与胶东群接触带中，北段发育在郭家岭岩体与玲珑岩体接触带中，主裂面发育有断层泥，蚀变带由黄铁绢英岩、黄铁绢英岩化碎裂岩等组成。沿焦家断裂带分布有红布、焦家、马塘、南吕欣木、曲家、前李家、纱岭、新城、朱郭李家等矿田。

招平断裂位于焦家断裂东侧，是3条成矿断裂中长度最长、延伸最广的一条。该断裂南起平度，经招远后继续向北东延伸；北端在蓬莱以西入渤海，走向北东，倾向南东，倾角约30°～60°，有分支复合现象出现，主断裂面附近发育有断层泥、糜棱岩类和碎裂岩类。沿招平断裂带分布有大尹格庄、曹家洼、夏甸、姜家窑等矿田。

1.2 构造控矿模型

三维空间分析是基于地质体三维模型的控矿因素定量分析，建立矿体定位概念模型是进行三维空间分析的必要前提，为三维空间分析提供了知识驱动。宋明春等(2012)对胶西北金矿进行过系统研究，总结了胶西北金矿在平面上的断裂分支复合、膨胀转折，以及剖面上断裂倾角由陡变缓之转折点下部等赋矿构造特征；于学峰等(2019)在研究焦家金矿带3 km深部成矿条件时，论述了焦家金矿床深部与浅部在成矿部位、蚀变带分布与蚀变程度等特征上的不同。此外，在其他矿床的地质构造与找矿预测中还揭示了成矿物质往往在岩体接触部位(毛景文等, 2005)、转折处(毛景文等, 2009)、断裂面及断裂交会部位(郑有业等, 2014)等处聚集。

根据上述地质信息及研究的控矿构造特征，建立胶西北区域矿体定位的构造控矿模型(表1)。

表1 胶西北区域矿体构造控矿模型

研究范围为胶西北的三山岛、焦家、招平3条金矿带，具体包括三山岛矿带上的三山岛、新立(含深部及外围)，焦家矿带上的红布、焦家、马塘、南吕欣木、曲家、前李家、纱岭、新城、朱郭李家，招平矿带上的大尹格庄、曹家洼、夏甸、姜家窑矿床(矿段)。

研究使用的地质体三维模型包括三山岛主断裂、焦家主断裂、招平主断裂模型以及全部地质体的块体模型。3个断裂面的模型是对区内矿田勘探剖面图中的断裂信息进行三维地学建模得到的三角网(TIN)模型。地质体块体模型包括钻孔轨迹块体、矿体块体2部分：钻孔轨迹块体由剖面钻孔轨迹信息数字化得到，矿体块体通过对区内矿田勘探剖面图中的矿体信息进行三维地学建模得到的表面模型的块体化得到，块体初始尺寸为5 m×5 m×5 m，数量总计2 282 592个。

2 三维空间分析方法

2.1 距离场分析

要定量考察控矿断裂对矿化部位影响因素的强弱，地理学第一定律(Tobler，1970)提示应当首先考虑空间距离。计算区内矿化块体至对应控矿主断裂面的距离，以表征断裂对该矿化块体的影响强弱程度，并约定矿化块体至控矿主断裂面的距离具体为块体中心点至主裂面的最短距离，即：

dF(xv,yv,zv)=±min[(x-xv)2+(y-yv)2+(z-zv)2]

(1)

式(1)中，(xv,yv,zv)为矿化块体中心点的坐标。dF的正负由主断裂面与点(xv,yv,zv)的相对关系确定:点(xv,yv,zv)位于断裂上盘时，约定dF值为正；位于断裂下盘时，dF值为负。

2.2 趋势起伏分析

控矿断裂的形态，尤其是局部隆起和凹陷，往往控制着矿体的产出及分布。为了定量表示控矿主断裂面的起伏程度，对控矿主断裂面进行形态滤波以获得断裂面平滑形态，再求取原构造形态与平滑形态间的差值，表征主断裂面表面各处的隆起或凹陷程度，即：

wF(x,y)=O(x,y)-T(x,y)

(2)

式(2)中，O(x,y)为原主断裂面坐标值为(x,y)的点的高程值，T(x,y)为趋势面上对应点的高程值。wF(x,y)值为正代表主断裂面在此处隆起，为负代表凹陷。

趋势面的求取过程充分利用断裂面TIN模型中存储的拓扑信息，引入滑动平均运算进行实现。以TIN模型点的ID号为索引，设置指定外推拓扑层数进行滑动平均计算，得到构造面的趋势面。根据指定的外推拓扑层数的不同，将趋势面记为不同级别的趋势面，并得到不同级别的起伏分析结果。

2.3 坡度分析

坡度能表达控矿断裂产状的细节以及局部产状变化下热液运移及矿体就位的微观环境。控矿主断裂面TIN模型的坡度指各三角形面与空间水平面的二面角大小，即：

(3)

式(3)中，a,b为TIN模型上点(x,y,z)处三角形所在平面的解析式z=ax+by+c的参数。

2.4 陡缓转换场分析

控矿断裂在倾向方向的陡倾区段与缓倾区段交替出现，常常影响成矿热液的运移过程，矿化常定位于断裂面陡缓转折部位(宋明春等，2012)。陡缓转换可以衡量构造倾斜形态的局部变化特征及变化强度，此次研究所表述的陡缓转换方向均指沿构造面的深部向浅部方向，与成矿流体运移方向契合。对于矿体定位来说，受此种构造形态转换部位控制是综合了转换强度与距离的复合场模型而非单一强度数值指标，即：

(4)

式(4)中，i为缓冲区内陡缓转换点的编号，m为缓冲区内陡缓转换点的个数，qi为陡缓转换部位的强度，di为单元(x,y,z)与编号为i的陡缓转换部位点的欧式距离。陡缓转换部位强度qi用下式进行计算：

(5)

式(5)中，gFi+1为过点i与倾向方向的面与倾向反方向三角形形成的交线与水平面形成的线面角大小，gFi-1为过点i与倾向方向的面与倾向方向的三角形形成的交线与水平面形成的线面角大小；di+1为过点i与倾向方向的面与倾向反方向三角形形成的交线长度，di-1为过点i与倾向方向的面与倾向方向的三角形形成的交线长度。

3 控矿信息指标及矿化关联分析结果与讨论

三维空间分析结果定量表达了断裂形态及矿体离散化块体的空间分布情况。从数据驱动的视角看，要实现控矿信息指标与矿化分布的关联规律的定量化表达，应当从空间数据本身出发，直接挖掘地质空间数据背后的相关关系，摒弃传统地学研究中常使用的逻辑分析(严光生等，2015)。通过对控矿信息指标与矿化指标进行统计分析，研究在统计意义上是否存在内在联系。

3.1 断层距离场分析结果

胶西北3条成矿断裂的距离场因素对矿体的控制作用显著。胶西北矿化富集空间主要集中分布在断裂面下盘一侧，上盘少见矿化富集(图2)。其中，三山岛矿带矿化富集在下盘距断裂200 m至上盘距断裂35 m之间，焦家矿带矿化富集在下盘距断裂100 m至上盘距断裂10 m之间，招平矿带矿化富集在下盘距断裂60～200 m之间。矿化富集区域控制了所在矿带约90%的金属量产出。胶西北3条矿带的矿化分布在成矿断裂距离场中的规律较为一致，揭示了同样的控矿特征，即发育于断裂面的低渗透性断层泥(杨林等，2014)作为障碍层阻挡了成矿流体在垂向上进一步向上盘运移，成矿流体沿主断裂面扩散，形成蚀变矿化带。

从Au品位分布来看，除个别距离场值因矿化块体较少而出现Au品位平均值零星高值外，均值整体分布在1～5 g/t区间。焦家矿带Au品位的分布在断裂面附近出现1处低于两侧的低谷(图3)，与该部位金属量AuMet的大量富集形成了明显对比：焦家矿带距主断裂面较近区域的Au品位低于稍远处，但成矿规模大,连续性好；距主断裂面稍远处的矿石品位较高，但成矿规模小。上述规律为阐释焦家矿带在主断裂附近破碎蚀变岩处与下盘一定深度石英脉充填的次级构造处的不同成矿特征提供了证据。

图2 主断裂面距离场因素dF与矿化的关系(a) 三山岛矿带；(b) 焦家矿带；(c) 招平矿带Fig. 2 Statistical relationship between main fault surface′s distance field dF and mineralization(a) Sanshandao mineralization belt; (b) Jiaojia mineralization belt; (c) Zhaoping mineralization belt

图3 焦家主断裂面距离场因素dF与Au品位的关系Fig. 3 Relationship between Jiaojia fault surface′s distance field dF and Au content

3.2 趋势起伏分析结果

胶西北3条成矿断裂的趋势起伏因素对矿体具有明显的控制作用，且控矿规律体现了较强的一致性，仅程度有所区别。胶西北主要矿化位于断裂面起伏0 m附近，即断裂面形态相对平缓、连续的区域(图4)：三山岛矿带矿化集中于断裂面一级起伏程度-30～15 m、二级起伏程度-85～25 m内，焦家矿带矿化集中于断裂面一级起伏程度-13～10 m、二级起伏程度-20～12 m内，招平矿带矿化集中于断裂面一级起伏程度-28～4 m、二级起伏程度-42～22 m内。上述矿化富集部位控制了所在矿带内约90%的金属量产出。

从Au品位及金属量AuMet分布看，在矿化富集的起伏区间，3条矿带Au品位均值差异不大，基本维持在同一水平，起伏程度较小区域的Au品位略低于起伏程度较大的区域，但金属量AuMet呈高度集中分布形态，3条矿带金属量最高处均位于起伏程度0 m附近的区域，且三山岛、招平矿带略向负值即凹陷一侧分布。上述证据证明，胶西北矿集区3条矿带矿化定位均受主断裂起伏形态的控制，矿化集中产出于主断裂形态较为平缓的区域附近，而非起伏剧烈的区域，这可能是因为断裂作为成矿流体运移的通道，较为平缓的区域使流体运移变缓，有利于沉淀成矿。

3.3 坡度分析结果

胶西北3条成矿断裂的坡度因素对矿体有一定的控制作用。胶西北主要矿化富集空间集中于断裂面坡度适中处(图5)：三山岛矿带矿化集中于断裂面坡度26°～67°之间，焦家矿带矿化集中于断裂面坡度16°～50°之间，招平矿带矿化集中于断裂面坡度17°～65°之间。

从Au品位来看，三山岛、焦家、招平矿带在矿化富集的坡度区间内的Au品位差异不大，基本维持在1～3 g/t。

从金属量AuMet分布看，三山岛、焦家矿带在矿化集中的坡度区间内金属量AuMet分布均呈向特定坡度集中的近似正态分布，但集中程度不太高。其中，三山岛矿带金属量AuMet集中分布于主断裂面坡度42°附近，焦家矿带金属量AuMet集中分布于主断裂面坡度33°附近，招平矿带金属量AuMet分布可见2处较弱的峰，坡度分别为32°、46°。在焦家矿带金属量AuMet集中部位附近，Au品位分布出现1处低于两侧的局部低谷(图6)，这与焦家矿带在主断裂面距离场因素、趋势起伏因素所体现的矿体定位特征相似。

图4 主断裂面趋势起伏因素wF与矿化的关系(a) 三山岛矿带(一级起伏，waF)；(b) 焦家矿带(一级起伏，waF)；(c) 招平矿带(一级起伏，waF)；(d) 三山岛矿带(二级起伏，wbF)；(e) 焦家矿带(二级起伏，wbF)；(f) 招平矿带(二级起伏，wbF)Fig. 4 Statistical relationship between main fault surface′s morphological undulation wF and mineralization (a) Sanshandao mineralization belt (first-level undulation, waF); (b) Jiaojia mineralization belt (first-level undulation, waF); (c) Zhaoping mineralization belt (first-level undulation, waF); (d) Sanshandao mineralization belt (second-level undulation, wbF); (e) Jiaojia mineralization belt (second-level undulation, wbF); (f) Zhaoping mineralization belt (second-level undulation, wbF)

3.4 陡缓转换分析结果

胶西北3条成矿断裂的陡缓转换场因素对矿体的控制作用显著。主要矿化富集空间集中于陡缓转换场强度较小的区域(图7)：三山岛矿带矿化集中于陡缓转换强度-20～15之间，焦家矿带矿化集中于陡缓转换强度-150～270之间，招平矿带矿化集中于陡缓转换强度-410～15之间。矿化富集部位控制了90%以上的金属量产出。

三山岛、焦家、招平矿带在矿化富集的陡缓转换场强度区间均出现了金属量的高度富集，峰值在陡缓转换强度0附近。胶西北矿集区3条矿带矿化定位在陡缓转换部位的分布状况揭示矿化集中分布于陡缓转换不强烈，即产状相对比较连续的部位。招平矿带图件显示，矿化除集中分布于产状相对连续的部位外，在由陡变缓的部位也出现一定量的成矿，证明含矿热液沿断裂面向浅部运移的过程中，经过倾角较陡的区段后，在倾角转缓的部位遇到了“屏障”，在此沉淀成矿。

图5 主断裂面坡度因素gF与矿化的关系(a) 三山岛矿带；(b) 焦家矿带；(c) 招平矿带Fig. 5 Statistical relationship between main fault surface′s slope gF and mineralization(a) Sanshandao mineralization belt; (b) Jiaojia mineralization belt; (c) Zhaoping mineralization belt

图6 焦家主断裂面坡度因素gF与Au品位的关系Fig. 6 Relationship between Jiaojia fault surface′s slope gF and Au content

4 结 论

(1) 对胶西北矿集区三山岛矿带、焦家矿带、招平矿带进行构造控矿分析，采用距离场分析、趋势起伏分析、坡度分析、陡缓转换分析等方法分别提取了3条控矿断裂的距离场因素及形态特征因素。

(2) 通过分析控矿指标与矿化指标的关联性，定量揭示出胶西北地区下列构造控矿特征：① 区域级的3条断裂控矿作用显著，矿化主要富集在断裂面附近及断裂下盘；② 浅部与深部成矿呈现的不同矿化特征表明分属不同的成矿模式，尤以焦家矿带最为显著，控矿断裂主裂面附近以蚀变岩型(焦家式)矿化为主，含矿流体在主裂面与断层碎屑岩发生交代作用成矿，深部以含矿流体充填构造空间形成的石英脉型(玲珑式)矿化为主；③ 断裂面形态特征是重要控矿因素，矿化集中分布于形态特征较为连续的平缓区域，或产状由陡变缓的“屏障”区域。

图7 主断裂面陡缓转换因素f V与矿化的关系(a) 三山岛矿带；(b) 焦家矿带；(c) 招平矿带Fig. 7 Relationship between main fault surface′s change of slope strength fV and mineralization(a) Sanshandao mineralization belt; (b) Jiaojia mineralization belt; (c) Zhaoping mineralization belt