青海察汗乌苏河地区水系沉积物地球化学特征及地质意义

2023-05-17郑振华李文君李笑龙张声桃何俊江

西安科技大学学报 2023年2期

郑振华，李文君，李笑龙，张声桃，何俊江

（1.青海省地质调查局，青海西宁 810000；2.青海省有色第三地质勘查院，青海西宁 810012；3.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北武汉 430074）

0 引言

水系沉积物地球化学勘查是当前使用最广、效率最高的矿产勘查手段之一［1-3］，常用的方法包括传统的统计学法、累计频率法、趋势面法和多重分形分析法等，受地质条件复杂及方法原理限制等影响，各方法优缺点明显［4-7］。

青海省察汗乌苏河地区所在的东昆仑造山带属于中国西北干旱区，是重要的金属成矿带，蕴含丰富的矿产资源。开展区域地球化学勘查是圈定矿产资源有利区，提高矿产资源勘探开发效率的有效途径之一。由于地处内陆，属高山高原气候，水系较不发育，岩屑受物理风化严重，地表径流受干旱气候影响水流不稳定，水系沉积物的介质分布不均匀，所反映的水系沉积物地球化学特征不稳定，地层与岩体所反映的地球化学特征本身存在差异，在地质内容复杂的情况下，水系沉积物地球化学测量数据往往受干扰较多。传统的水系沉积物地球化学测量方法在这一区域的表现并不理想，选择一种简单可行的数据处理方法对这类地区水系沉积物地球化学结构识别与矿产勘查有着重要意义。

多重分形法中的含量-面积分形法有着数据处理过程简单、原始测量数据与地质内容结合紧密等优势，能够相对客观地对地球化学结构进行识别与提取，较为适用于西北干旱地区的化探数据处理。以青海察汗乌苏河地区水系沉积物地球化学测量数据为例，采用含量-面积分形法进行数据处理和地球化学异常特征提取，结合野外地质调查对其结果进行验证，为西北干旱地区矿产勘查探索一种较为理想的地球化学勘查方法。

1 区域地质背景

东昆仑造山带位于青藏高原北部（图1（a），（b）），北依柴达木盆地、南临巴颜喀拉地体、西邻阿尔金断裂和塔里木地块、东接秦岭造山带［7-8］，具有多旋回碰撞造山的特点和优良的成矿条件［9］。受昆北、昆中和昆南断裂所控，东昆仑地区地层和岩浆岩十分发育，其中昆中断裂以北主要出露多期次演化的岩浆侵入岩及火山岩，以南主要为不同时代的沉积地层（图1（c））［10］。

图1 东昆仑大地构造及地质要素（据文献［11-12］修改）Fig.1 Geotectonic and geological elements of East Kunlun（revised by［11-12］）

察汗乌苏河地区位于东昆仑造山带东段，出露地层由老至新依次为古元古界金水口群、中元古界长城系小庙岩组、上古生界上石炭统缔敖苏组、中生界上三叠统鄂拉山组和新近系狮子沟组（图2）。金水口群和小庙岩组主要为角闪岩相高级变质岩，分别出露于西部和西南部地区，受东西向构造控制明显；鄂拉山组为一套中酸性火山岩，出露于中东部地区；狮子沟组主要为一套上新统沉积岩，分布于东部地区。区内岩浆活动频繁，印支期、海西期和加里东期等多期次岩浆岩广泛出露，部分地区侵入岩脉较为发育，已知的主要成矿类型为热液脉型（那更康切尔沟大型银矿床、哈日扎铜多金属矿床等）和岩浆熔离型（浪木日铜镍矿床等）［11-19］。

图2 察汗乌苏河地区地质矿产及综合异常分布Fig.2 Geological and comprehensive anomaly distribution of Chaghanwusu River Area

2 地球化学特征

察汗乌苏河地区属高山高原干旱气候，地形切割较深，地理条件差。文中对东昆仑东段察汗乌苏河4幅1∶5万水系沉积物地球化学测量数据进行分析（分别为巴加别里赤尔幅I47E002011，那更幅I47E002012，鲁木切幅I47E001012和察汗乌苏河I47E001011），在有利于冲积物汇集的河道宽缓、交汇地带，选择流水线不稳定时，以水系沉积物中的淤泥、岩屑为主要采集对象，通过多点（坑）采样法（即在采样点上下30 m范围内多坑组合采样），共采集1∶5万水系沉积物地球化学样品8 043件。平均采样密度4.82件／km2，采样粒级-10～＋80目，分析Au，Ag，Cu，Pb，Zn，W，Sn，Mo，Bi，As，Sb和Co等共12种元素。

2.1 水系沉积物地球化学数据统计特征

对所有地球化学测量数据进行统计分析（表1），发现察汗乌苏河地区12种元素的变异系数（标准差／平均值）Cv均大于0.5，说明所有元素均有局部富集的特征，其中Mo，Bi等元素尤为明显。而除Sn，Mo，Bi等元素以外的其余元素平均值与背景值的比值（E／S）均大于1，表明这些元素平均含量均大于沟里地区背景值［11］，属于区域富集。其中Cu，Pb，Zn元素的E／S比值较大，与区内已发现多处银铅锌矿和铜多金属矿的实际情况相吻合。就元素整体的成矿潜力而言，区内的成矿元素主要为Au，Cu，Pb，Zn和As等［20］，结合区内已发现多处可观的Ag矿，确定该地区的主要成矿元素为Au，Ag，Cu，Pb，Zn和As。

表1 察汗乌苏河地区原始水系沉积物地球化学数据Table 1 Geochemical data of original stream sediment in Chaghanwusu River Area

除Cu元素含量分布最接近标准对数正态分布以外，其余元素含量分布较为离散（图3），并且存在一定的奇异值。Ag，W，Sn，Bi等元素对数含量低值频数较大，为背景低值区域，这一现象在中等区域尺度内较为常见，可能是由区内地质体及元素空间富集特征的差异所造成；Au，Pb，Zn，Mo等元素对数含量中间值突出，意味着这些元素的含量分布相对集中，其中Pb，Zn元素高值频数较为突出，表现出一定的奇异性。

图3 察汗乌苏河地区水系沉积物元素对数含量分布关系Fig.3 Distribution of logarithmic content of stream sediment elements in Chaghanwusu River Area

2.2 元素组合特征

因子分析是对区域地球化学异常进行识别、分析及评价的有效方法之一［21］，当分析因子（元素组合）被赋予客观合理的地质、成矿作用解释后，每个因子即是对该采样点地质与矿化信息的指示［22］。由于元素含量的高低及其空间分布特征与其赋存的地质体有一定的相关性，因此本次研究选用因子分析和相关性分析法对各元素间的相关性进行分析研究。为了避免元素间的量纲不同而对结果产生影响，首先对原始数据采用Z-score标准差对数据进行标准化处理［23-24］，使用标准化后的数据采用Pearson相关系数衡量定距变量之间的线性关系，获得各元素间的相似系数矩阵（表2），分析各元素之间的相关性。进而采用主成分分析法分析因子初始特征值与方差贡献值，采用特征值大于1的标准确定因子，使用最大方差法对初始因子载荷矩阵作正交旋转，获得因子成分分析矩阵（表3），各主因子即可代表区域内优势矿化线索。

表2 察汗乌苏河地区各元素间相似系数矩阵Table 2 Matrix of similarity coefficient between elements in Chaghanwusu River Area

表3 察汗乌苏河地区因子分析成分矩阵（旋转后）Table 3 Matrix of factor analysis component in Chaghanwusu River Area（after rotation）

结果表明除了Au和Mo元素与各元素间相关性较小以外（R＜0.2），其余元素之间均存在一定的相关性：Ag和Pb，Zn，As，Sb等元素相关性明显（R＞0.3）（表2），表现为与成矿相关的中低温元素组合；Cu和W，Sn，Bi，Co等元素相关性明显，表现为和高温矿床或岩浆侵入有关的中高温元素组合。

根据特征值大于1所提取的因子分析结果（表3），12种元素共提取了4个主因子，即F1因子由Ag，Pb，Zn，As，Sb 6种元素组成，F2因子由Cu，W，Sn，Mo，Bi 5种元素组成，F3因子为Co元素，F4因子为Au元素。

F1因子的方差贡献率为28.06%，广泛分布于察汗乌苏河一带，与区内已知矿化较为吻合，主要与中低温热液成矿作用有关，如青海省都兰县热水地区内的哈日扎铜多金属矿、那更康切尔沟银矿等。但也有部分矿点在高值区外围，如那更康切尔北银矿点、叶陇沟金矿点等，这可能是由于水系沉积物的异常漂移所致。此外，中北部的一处大面积高值区与西部的哈日扎矿床异常区特征相似，且均位于印支期岩体与北西向构造发育地带，可能具有一定的矿产勘查前景。

F2因子的方差贡献率为10.50%，主要分布于察汗乌苏河地区北部，多集中于岩体与岩体、岩体与地层的接触带，表现为一套中高温元素组合，与区内构造活动及岩浆侵入作用有关。最为浓集的区域主要分布于研究区西北部，可能是由于岩体-构造活动较为频繁，深部岩浆侵入所致，也可能是其南部的哈日扎铜多金属矿床造成的矿致富集。

F3因子的方差贡献率为8.92%，主要分布于察汗乌苏河以西，多位于金水口岩群地层内或其与岩体的交界地带，与区内的基性-超基性侵入岩及古老地层有关。西南部的富集区与已知的矿点相吻合，说明区内热液蚀变作用与深部岩体及成矿作用存在成因联系。东部广泛发育酸性侵入岩和鄂拉山组中酸性火山岩的区域未见富集。

F4因子的方差贡献率为8.39%，以面积较小的点状分散于察汗乌苏河地区内，与已知的叶陇沟金矿点、尕之麻金矿点及图中未标注的小型金矿化有一定相关性，但存在一定程度的漂移，这一现象在1∶5万水系沉积物地球化学中的较为常见。

3 异常信息提取

地球化学异常信息的提取是勘查地球化学中最重要的环节，常用方法主要包括传统统计学方法、累计频率法、趋势面分析法以及多重分析法［25-30］，其中多重分析法被广泛运用，并取得了良好的矿产勘查效果，形成的多种异常下限计算模式包括：分形求和法、含量-频率分形法、含量-面积分形法等［31-35］。文中将验证含量-面积分形法对于类似的西北干旱气候下的水系沉积物地球化学数据处理的合理性与可行性。

3.1 含量－面积分形法

西北干旱地区化探原始数据分布不集中，地层和岩体之间的地球化学属性差异明显，容易导致不同地质体之间的化探结构不均，造成范围性的化探低值区与高值区。利用含量-面积分形法可以对元素含量和所赋的地质体面积进行综合判定，增强对差异背景下元素异常的识别。

成矿过程中成矿元素的富集或亏损过程是复杂的非线性过程，多期的矿化叠加及改造使同一成矿过程可能经历不同的成矿阶段，造成成矿元素在成矿域内呈现出不均匀的自然属性。成秋明等提出的含量-面积分形模型以分维数与幂函数为分形基础，寻找观测尺度与观测量（及元素含量与观测面积）之间的幂级数关系［36-38］，可以合理并有效地度量不均匀的自然属性。

3.2 异常下限确定

通过对研究区内12种元素进行含量-面积分形处理，根据不同元素含量（Value）与面积（Area）之间的对数变化规律，将元素含量分为不同区间进行拟合，在尽可能保证剩余平方和值最小、拟合精度最高的前提下，得到各元素的含量-面积分形法图解（图4）。

图4 察汗乌苏河地区12种元素的含量-面积分形法拟合关系Fig.4 Fitting relation of 12 elements by Value-Area method in Chaghanwusu River Area

从图4可以看出，所有元素均具有多重分形的结构特征，元素的含量与分布面积表现为近似幂相关。根据各元素分形特征将Cu，Pb，Mo，Bi，Sb，Co划分为3个区段，Au，Ag，Zn，W，Sn，As元素划分为4个区段。由于不同地区或者地质体的元素背景值存在一定的差异［39］，所以在捕捉低背景地区微弱异常的同时还应注意剔除高背景所带来的无效异常干扰。因此，选取第1段与第2段拟合直线的分界值作为低背景下的异常下限更为准确合理，以1，2，4倍的下限值作为异常浓集分带；选取第2段与第3段拟合直线的分界值作为高背景值下的异常下限，以1，1.5，2倍的下限值作为异常浓集分带（表4）。以Au，Ag元素为例，分别提取这2种元素在高、低背景下的外带浓度作为元素异常下限，以1，2，4倍的异常下限作为外带、中带和内带，所得的异常范围面积整体较大（图2），浓集中心突出，既不会遗漏低背景异常，又保留了元素的奇异性分布特征，且与已知矿点吻合度高。

表4 察汗乌苏河地区元素异常下限Table 4 Abnormal lower limit of the elements in Chaghanwusu River Area

4 地质意义

4.1 反映西北干旱地区地球化学分布特征

利用含量-面积分形法共圈定22处综合异常（图2），多个异常与已知矿化点十分吻合，能客观地反映西北干旱地区地球化学分布特征并识别地球化学异常。综合研究区地质体、构造背景和矿化信息，筛选出5个最有潜力的远景区（图2），其中多个远景区在野外地质调查中均有矿化异常发现：第一，热水远景区华力西期岩浆岩中蚀变岩型矿化，露头表面发育较强的褐铁矿化，内部可见蜂窝状硫化物和细脉状深色金属矿物（图5（a）），捡块样中Ag含量为23.2×10-9；第二，加羊远景区蚀变石英脉，蚀变类型以褐铁矿化为主，脉体中可见原生硫化物以及蜂窝状流失孔洞（图5（b））；第三，各玛龙东远景区构造蚀变带（图5（c）），地表发育较强的硅化蚀变，可见以黄铁矿、毒砂为主的原生硫化物。

4.2 降低西北干旱地区岩屑介质分布不均的干扰

从图2中可以看出，多种矿产异常较为分散，筛选出的矿产资源信息降低了西北干旱地区物理风化严重和地表径流不稳定所导致岩屑介质分布不均等干扰。

4.3 反映低背景值下的微弱异常

在热水远景区中圈定出Ag，Cu综合异常，而区内已发现钼矿床1处，铜、钼矿化点8处，与本次圈定综合异常有所出入，但是野外调查中发现的矿化信息（图5（a））证实该区确有Ag矿化异常，未遗漏低背景值下的微弱异常，验证了含量-面积分形法的可靠性。

图5 察汗乌苏河地区矿化蚀变特征Fig.5 Characteristics of mineralization alteration in Chaghanwusu River Area

在西北干旱地区特殊的自然条件下，地球化学整体变化幅度不大，仅在异常浓集区表现明显。而含量-面积分形法能够比较客观地反映地球化学异常特征，并可对微弱、分散的地球化学异常进行更好地识别与提取。尤其对低背景区域的元素异常识别更具优势，可以避免传统方法容易疏漏低背景下的异常，造成有矿无异常的现象，具备良好的可靠性。