新疆乌尔沟地区水系沉积物地球化学分区及其地质意义

曹园园, 倪 萍, 石天池, 杨建锋, 王 超, 虎新军, 陈晓晶, 马贵林

(宁夏回族自治区地球物理地球化学调查院,宁夏 银川 750004)

水系沉积物测量是地球化学找矿工作中最常用的手段之一,因其找矿效果显著,在地质工作中广泛应用[1-4].对水系沉积物测量成果进行地球化学分区,既能反映研究区整体的地质特征,又能明确各类子区的地质地球化学特征及其相互关系,进而为后续找矿和进一步研究提供参考[5-12].地球化学分区的关键是确定分区的类型和边界.因子分析是将研究对象归为几个综合因子的多元统计方法[13].通过R型因子分析法划分元素组合,可确定分区的类型和分区边界[14].地球化学分区可为进一步详细划分构造单元提供依据,也可为构造演化和古环境的重建研究提供重要参考.新疆乌尔沟地区位于古亚洲成矿区域,具有较大的成矿潜力,但大量的研究多针对该地区的地质成矿特征与成矿作用的研究,有关该区域地质地球化学及找矿方面的研究较少.笔者基于新疆乌尔沟地区水系沉积物测量成果进行地球化学分区,探讨不同分区与大地构造位置、断裂、地层、岩浆岩和变质作用的相互关系和成矿作用，该研究可为新疆乌尔沟地区的地质找矿研究提供参考.

1 研究区的地质概况

研究区大地构造位置处于准噶尔地块-吐哈地块南缘与伊宁-中天山地块的交汇处,主体位于北部的准噶尔地块-吐哈地块、伊连哈比尔尕山主脊东段的新疆托克逊乌尔沟地区(φE=87°15′～87°45′,λN=42°40′～43°00′),包括K45E007014,K45E007015,K45E008014,K45E008015(图1).天山地区的地质构造复杂,在欧亚板块形成过程中占有重要的地位[15-18],也是重要的成矿带[19].天山地区主要受红五月桥-苏木特达坂断裂和冰达坂-夏热嘎断裂2条区域性大断裂的控制.出露地层有中元古界的变质岩、沉积岩、石炭系的火山岩和二叠系以来的沉积岩,岩石类型丰富.研究区内侵入岩广泛分布(约940 km2),属于北天山和中天山构造岩浆岩带.

图1 研究区地质简图

2 样品的采集及测试

该研究完成1∶5万水系沉积物测量,面积为1 450 km2,采集水系沉积物样品7 863件.在新疆地矿局第一地质大队实验室测定16种元素(Cu,Zn,Co,Ni,Cr,Pb,W,Mo,Bi,U,Nb,As,Sb,Ag,Sn,Au)的质量含量.

2.1 元素的聚类分析

对水系沉积物中元素进行R型聚类分析,可推断区域内不同元素组合的地球化学特征,而不同的元素组合反映不同的元素亲合性,是不同地球化学信息的综合反应,且与不同的地质环境和成矿作用有关.笔者将工作区内能够较好地反映地质背景和成矿作用的16种元素进行R型聚类分析(图2).

图2 R型聚类分析

截取R=0.25处进行分析,将工作区内16种元素分5类:第1类,Au-Zn-Ag-Pb(因子F1)为中低温元素组合,与火山活动有关;第2类,As-Sb(因子F5)为低温元素,均为V主族元素,地球化学行为相近,迁移能力较强,可作为前缘指示元素,在研究区与冰达坂-夏热嘎断裂和红五月桥-苏木特达坂断裂的分布完全吻合;第3类,Cu-Co-Ni-Cr(因子F2)为高温元素组合,是Cu和亲铁元素组合,与断裂构造、火山活动及基性岩浆活动关系密切,指示研究区内有铜多金属矿以及基性岩浆活动;第4类,U-Nb-Sn(因子F4)为高温元素,与区内酸性岩体及花岗岩关系密切;第5类,Bi-W-Mo(因子F3)为高温元素,多富集在酸性岩体中,与花岗岩有关.

2.2 地球化学分区

通过廊坊物化探所开发的Geochem Studio 对地球化学数据进行R型因子分析,取特征值大于1的5个因子,其累计方差贡献率为75%.根据正交旋转因子载荷矩阵,将16个变量组合为5个因子(表1),分别为F1(Au-Ag-Zn-Pb),F2(Co-Ni-Cr),F3(W-Mo),F4(Sn-U-Nb),F5(As-Sb).

表1 正交旋转因子负载矩阵

根据样品的因子得分,将所有样品归类,并在MapGIS中生成点文件,将各类样品用不同颜色区分,再与地质矿产勘查结果叠加分析[20].同时,结合各因子的密集程度和所处的大地构造位置、断裂构造、地层、岩浆岩、矿床点的分布,将研究区划分为4个地球化学分区:Ⅰ区(As-Sb分区)、Ⅱ区(Co-Ni-Cr分区)、Ⅲ区(Sn-U-Nb分区)、Ⅳ区(Au-Ag-Zn-Pb分区)(图3).

图3 地球化学分区

博格达裂谷I-13-22构造单元对应地球化学分区中(图4)的Ⅰ区(As-Sb-Sn-U-Nb-W-Mo),伊连哈比尔尕裂谷I-13-21构造单元对应地球化学分区中的Ⅱ区(As-Sb-Co-Ni-Cr),可可乃克早古生代陆缘弧I-15-22构造单元对应地球化学分区中的Ⅲ区(Co-Ni-Cr-W-Mo-As-Sb)和Ⅳ区(Au-Ag-Zn-Pb-W-Mo).

图4 主要的综合异常及矿化点分布

Ⅰ区的石炭系小热泉子组(C1x)以火山岩为主,浅层多为酸性脉岩,且为多期次的断裂发育;Ⅱ区以北天山构造岩浆带晚石炭世的闪长岩和花岗闪长岩、二长花岗岩(γδC2Q)为主,分布蓟县系卡瓦布拉克变质岩群,两侧发育有一条强变形的韧性剪切带,并在韧性剪切带上可见Cu,Au和石墨矿化点分布;Ⅲ区以志留系的石英闪长岩-晚石炭世的二长花岗岩为主,西北方向分布的系列基性辉长辉绿岩脉与Cu,Fe矿化点的分布一致.Ⅳ区以中天山构造岩浆带晚泥盆世的中酸性岩浆岩为主,变质作用弱,Ⅳ区构造不发育.

3 讨论与结论

3.1 分区与大地构造位置的关系

工作区属天山-兴蒙造山系(Ⅰ),自北向南分属2个Ⅱ级构造单元、2个Ⅲ 级构造单元和3个Ⅳ级构造单元(图5).

图5 构造单元

博格达裂谷Ⅰ-13-22构造单元对应地球化学分区中的I区,裂谷呈东-西向,于早-中石炭世启动和沉降,闭合于中石炭世末至晚石炭世[21-22].在工作区出露的为上石炭统、中-上三叠统、下侏罗统中侏罗统西山窑组和渐新统-中新统上新统地层.浅层岩脉发育,主要表现为As-Sb-Sn-U-Nb-W-Mo的组合特征.由于博格达-哈尔里克构造带存在地质作用复杂、多期次的岩浆活动和成矿有利的地质条件,具有巨大的Cu，Au成矿潜力[23].

伊连哈比尔尕裂谷Ⅰ-13-21构造单元对应地球化学分区中的Ⅱ区,出露的地层有下石炭统小热泉子组,夹持在冰达坂-夏热嘎与红五月桥-苏木特达坂断裂之间,表现为As-Sb-Co-Ni-Cr的组合特征.

可可乃克早古生代陆缘弧Ⅰ-15-22构造单元对应地球化学分区中的Ⅲ区(Co-Ni-Cr-W-Mo-As-Sb)和Ⅳ区(Au-Ag-Zn-Pb-W-Mo).在工作区见下部由长城系星星峡岩群、蓟县系卡瓦布拉克岩群构成的褶皱基底;上部构造层未见出露,星星峡岩群为一含中基性火山岩-碎屑岩岩石组合,反映为一活动性沉积岩,岩石变质程度已达绿片岩-低角闪岩相,局部有热接触变质、叠加的达角闪岩相.

3.2 分区与构造的关系

地球化学分区可为大地构造单元提供划分依据[24].研究区跨3个Ⅲ 级构造单元,其中冰达坂-夏热嘎断裂和红五月桥-苏木特达坂断裂从研究区内通过,是区内的2条深大断裂,控制区内的地层、岩浆岩的分布.该断裂南北两侧的地层、岩浆岩差异较大,次级断裂构造不甚发育.

1)冰达坂-夏热嘎断裂为区内主要构造单元的分界断裂,分布于研究区中北部,呈北西—南东向穿过研究区,以南为博罗科努早古生代陆缘弧,以北为伊连哈比尔尕-博格达裂谷盆地,以东为吐哈地块.Ⅱ区以本条断裂为界.

2)红五月桥-苏木特达坂断裂在研究区内是一条重要的分界线,分布于研究区东北角,Ⅰ区以本条断裂为界.断裂以北为博格达裂谷,以南为伊连哈比尔尕夭折裂谷.断裂两侧地层发育有明显不同,断层南发育有下石炭统小热泉子组和上泥盆统天格尔组浅变质岩,总体构成中浅层次强脆-韧性剪切变形构造带.该断裂是一条具有多期活动、多种性质的区域性断裂,其规模仅次于冰达坂-夏热嘎断裂,为本区Fe,Mn的矿化提供了通道.

3)研究区内一般断裂不甚发育,且主要位于Ⅰ区.按其走向可分为北东—南西向、北西—南东向，断裂性质均为逆断层，与研究区北东方向Fe的矿化有直接关系.北西—南东向主要分布于博罗科努早古生代陆缘弧,断裂性质主要为逆断层.

4)在冰达坂-夏热嘎断裂两侧发育有一条强变形的韧性剪切带,区域上称为中天山北缘韧性剪切带,研究区内称为冰达坂-夏热嘎韧性剪切带.韧性剪切带由各类糜棱岩组成,变质矿物以绿泥石、黑云母矿物为主,显示较深的构造层次,主体构成为深层次的强变形带,在韧性剪切带上可见Cu，Au和石墨矿化点分布.

因此,研究区的2条大断裂为本区的成矿作用提供了通道,即控矿构造成矿.在已查明的矿点中,Cu矿点有6处,其中5处位于Ⅲ区,表明Cu矿的形成和展布受北西向的2条大断裂和韧性剪切带控制.

3.3 分区与岩浆岩的关系

研究区的岩浆岩十分发育.研究区侵入岩属于北天山和中天山构造岩浆带.北天山构造岩浆带以二叠纪的花岗岩和晚石炭世的闪长岩、花岗闪长岩为主;中天山构造岩浆带以晚泥盆世的石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、志留世钾长花岗岩为主.

Ⅰ区的石炭系小热泉子组(C1x)含有较多酸性、中性的火山岩,且由火山碎屑岩、钠长斑岩、石英斑岩和安山玢岩组成,它们在时间、空间和成因上均与Mn的矿化关系密切.

Ⅱ区以北天山构造岩浆带晚石炭世的闪长岩和花岗闪长岩、二长花岗岩(γδC2Q)为主,分布与Fe矿点的分布并未对应,因此岩体的分布与Fe的矿化无直接关系.

Ⅲ区以志留系石英闪长岩晚石炭世的二长花岗岩为主.其中,在分区北西方向分布有系列基性的辉长辉绿岩脉,且岩脉的分布与Cu,Fe矿化点的分布一致,表明基性岩脉与本区的Cu,Fe矿化关系密切.

Ⅳ区出露岩体有中天山构造岩浆带晚泥盆世石英闪长岩、晚泥盆世二长花岗岩和志留世钾长花岗岩等酸性岩浆岩.在此区域未布设矿化点的查证工作.

3.4 分区与脉岩的关系

普查区脉岩广为发育,以基性脉岩为主,其次为酸性脉岩:基性脉岩主要位于地球化学分区Ⅲ区,且沿冰达板断裂分布于花岗岩、花岗闪长岩及部分地层中,一般宽0.3～10 m,长度数十米,主要岩石是灰绿色蚀变辉长岩和暗绿色辉绿岩;酸性脉岩位于地球化学分区Ⅰ区,分布在花岗闪长岩、花岗岩及部分地层内，一般长200～300 m,宽3～8 m,主要岩石是土黄色花岗细晶岩和花岗斑岩以及长英岩、钠长斑岩和石英斑岩.

3.5 分区与地层的关系

由于不同时代地层中形成物质来源及其环境不同,各地层中不同成矿元素的地球化学演化特点有着明显的差异.

研究区7个锰矿矿化点全部分布于Ⅰ区石炭系小热泉子组(C1x)的石英粗面岩脉发育区,小热泉子组是一个中酸性火山喷发岩、火山碎屑岩和次火山岩的组合.这表明酸性岩浆为Mn矿的形成提供了成矿热液,矿源层为石炭系小热泉子组(C1x),成因类型为火山热液型Mn矿.

研究区的铁矿化点多产出于上泥盆统天格尔组(D3t)地层,以灰色、灰白色糜棱岩化变长石石英砂岩和夹灰色糜棱岩化变凝灰质粉砂岩为主,是Fe矿的赋矿层.

Ⅲ区主要为大片的中酸性岩浆岩侵入区,零星分布有蓟县系的卡瓦布拉克岩群和长城系的星星峡岩群的变质岩系.研究区的Cu,Cu-Au矿化点主要分布在岩浆岩发育区,与地层的关系不密切.

Ⅳ区主要为中天山构造岩浆带侵入区.

3.6 分区与变质岩的关系

研究区域变质岩主要发育在长城系星星峡岩群(Ⅲ,Ⅳ区)、蓟县系卡瓦布拉克岩群(Ⅱ区)、下石炭统小热泉子地层及不同时代已变质的侵入岩体中.

变质岩类型有3种,区域变质岩以千枚岩、片岩、片麻岩、变粒岩、石英岩和变质砂岩为主;动力变质岩主要有初糜棱岩、糜棱岩和千糜岩;接触变质岩主要是角岩类,分为长英质角岩和基性角岩.

石墨的成因之一是区域变质作用,产出于变质岩系[25-28].本区蓟县系卡瓦布拉克岩群2个岩组(Jxk2、Jxk3)位于Ⅱ区均为变质岩系,为石墨形成的天然赋矿层.其中,第二岩组(Jxk2)主要岩性为灰白色厚层状细粒大理岩夹叠层石白云岩、灰白色中层状细粒大理岩化白云岩、灰白色薄层细粒大理岩夹灰绿色-紫红色钙质片岩,局部为灰-深灰色、中-薄层状大理岩;第三岩组(Jxk3)主要岩性为灰色绢云千枚岩、炭质千枚岩、绢云钠长片岩、绢云绿泥钠长片岩夹钙质片岩与薄层灰色大理岩的组合.

从变质岩的类型可知,本区域经历了多次构造热事件，其原岩为石墨矿提供了充足的碳源,区域内构造热事件为大量碳成分的迁移、聚集、转化提供主要驱动力,同时也是区域变质作用的主要热来源,推断区域变质作用对石墨的形成具有重要贡献[29-30].

3.7 主要综合异常的地球化学特征

3.7.1Hs17综合异常 位于Ⅲ区,异常区为椭圆形,长轴方向近东西向,面积15.43 km2,位于1∶20万区域化探42乙3号中的Au,Pb,W综合异常处.异常元素有W,Sn,Mo,Bi,U,Au、As,Ag,Pb,Zn,Co,异常强度高、规模大,主要元素组合与忠宝钨矿元素组合类似.通过异常强度与规模判别主成矿元素为W,Sn,且元素在空间展布上相互套合较好.其中，Au,W,Sn,Mo,Bi的质量含量最大值分别为22.6×10-9,98.2×10-6,12.5×10-6,10.4×10-6,6×10-6,W具有三级浓度分带特征.

在综合异常区的南部,新发现一处W矿化点.此处异常元素组合为高温元素,与此处发育的晚石炭世二长花岗岩及花岗闪长岩有关.综上所述,该异常区规模大,异常强度高.萨拉钨矿化点与中酸性岩体有关,为高温热液型钨矿点，是寻找高温热液型钨钼矿的有利靶区,进一步工作有望扩大矿(化)点的规模.

3.7.2Hs21综合异常 位于Ⅲ区,异常区为椭圆形,长轴方向近东西向,面积17.74 km2,异常元素有W,Mo,Au,Pb,As,Cr,Bi,Sb,Ni,Cu,Ag,Zn,Co,Sn,U,Nb,表现出2个浓集中心,且元素组合不同.异常区北部浓集中心元素为Au,Ag,As,Sb,Pb,Zn,Cu,W,Bi,Mo,Sn,与异常查证中的Au矿均可能为低温热液型金矿;异常区南部浓集中心元素为Cr,Ni,Co,Au,As,Sb,为一组与基性-超基性岩有关的元素组合,与异常查证发现的Cu矿、Cr-Fe矿对应，通过异常强度与规模判别主成矿元素为Au,W,Cr,且与地质特征套合较好(图6).其中，Au,Cu,Ag,Pb的质量含量最大值分别为77.1×10-9,361×10-6,1.1×10-6,698×10-6,Au,W,Pb,As,Sb,Cr,Ni,Bi具有三级浓度分带特征,W达到矿体工业品位含量.

图6 主要的综合异常及矿化点分布

综上所述,该异常区的规模大、元素异常强度高,异常元素的聚集具有多期次性.W-Mo异常处具有寻找与中酸性岩有关的高温热液型W-Mo矿潜力;Cr-Ni异常主要与基性-超基性岩体有关,并发现星火Cr-Fe矿点,是寻找Au矿、Cr-Fe矿、W-Mo矿、Cu矿及Mg矿的有利靶区,进一步工作有望扩大矿点的规模.

3.7.3Hs22综合异常 位于Ⅲ区,异常区发育蓟县系卡瓦布拉克岩群第二岩组(Jxk2)及第三岩组(Jxk3)、中天山构造岩浆带晚泥盆世石英闪长岩,南部可见条带状强蛇纹石化基性-超基性岩体,与Cu,Au矿化关系较密切.在异常区内的蓟县系卡瓦布拉克岩群第三岩组地层中新发现木久克Cu,Au矿点.异常区为椭圆形,长轴近东西向,面积5.43 km2,异常元素有Au,W,As,Sb,Cr,Ni,Co.通过异常强度与规模判别主成矿元素为Au,元素异常与地质特征套合较好(图6).其中，Au,W质量含量的最大值分别为71.8×10-9,17.1×10-6,Au具有三级浓度分带特征.综合异常排序第13位,为甲1类异常.

该异常区元素异常强度高、规模中等,异常元素的聚集具有多期次性，具有寻找构造蚀变岩型Au矿及与基性-超基性岩有关的Co-Ni矿的潜力，进一步工作有望扩大矿(化)点的规模.

4 结论

1)Ⅰ区多期次的断裂,为研究区Fe,Mn的矿化提供了成矿通道和驱动力.而Ⅰ区南部的酸性石英粗面岩岩脉则为Mn矿的形成提供了成矿热液,石炭系小热泉子组(C1x)是Mn的天然矿源层.因此,Ⅰ区为Fe-Cu-Mn多金属找矿的远景区.

2)Ⅱ区的冰达坂-夏热嘎断裂贯穿整个分区,两侧发育有一条强变形的韧性剪切带,在韧性剪切带上可见铜、金、石墨矿化点分布.在上泥盆统天格尔组地层中，由动力变质变形作用形成的糜棱岩化变质砂岩，与Fe的矿化关系最密切.蓟县系卡瓦布拉克岩群变质岩系对石墨的形成具有重要贡献.因此,Ⅱ区是很好的Fe-Cu-Au-Mn多金属矿的成矿区.

3)Ⅲ区北西方向分布有系列基性的辉长辉绿岩脉,与Cu,Fe矿化点的分布一致,表明基性岩脉与本区的Cu,Fe矿化关系密切.因此,Ⅲ区的基性岩脉发育区是Cu-Fe金属矿的赋存区.

4)Ⅳ区构造不发育,变质作用也不发育,未发现可利用、有价值的矿点,因此找矿前景不好.