内蒙古边家大院铅锌银多金属矿床原生晕地球化学特征及深部找矿预测

刘怀金，杨永强，孙引强，辛　江，温海成，李　浩

(1.内蒙古有色地质矿业(集团)有限责任公司，呼和浩特 010010；2.中国地质大学(北京)，北京 100083；3.核工业二四三地质大队，内蒙古 赤峰 024000；4.新疆维吾尔自治区地质调查院，乌鲁木齐 830011)



内蒙古边家大院铅锌银多金属矿床原生晕地球化学特征及深部找矿预测

刘怀金1,2，杨永强2，孙引强3，辛江4，温海成1，李浩2

(1.内蒙古有色地质矿业(集团)有限责任公司，呼和浩特 010010；2.中国地质大学(北京)，北京 100083；3.核工业二四三地质大队，内蒙古 赤峰 024000；4.新疆维吾尔自治区地质调查院，乌鲁木齐 830011)

摘要：边家大院铅锌银多金属矿床为大兴安岭中南段新发现的一个典型的热液脉型矿床，矿体呈脉群状产出。文章通过对矿区5个钻孔岩心进行系统采样和光谱测试分析，运用格里戈良分带指数法和数理统计方法(相关分析、聚类分析、因子分析)对矿区A—A′勘探线矿脉群的原生晕特征进行了详细系统的研究。认为矿脉群原生晕分带明显，前缘晕元素为Sb、Hg、As，尾晕元素为Mo、W、Sn、Bi，近矿晕元素为Pb、Zn、Ag、Cd、Cu、Au；垂向分带序列为Sb-Co-Zn-As-Mo-W-Bi-Cd-Pb-Hg-Sn-Ag-Cu-Ni-Au，出现了Mo、W 、Bi的“反向分带”现象，具有两个阶段成矿作用；成矿元素(Pb、Zn、Ag)和前缘晕元素(Hg、As)在矿脉群下部异常值较高，且异常向深部延伸，推测矿区深部可能存在隐伏矿脉群。综合上述特征，初步建立了矿区的成矿成晕理想模型。

关键词：原生晕；深部矿产预测；边家大院；大兴安岭中南段；内蒙古

0引言

边家大院铅锌银多金属矿床是内蒙古林西县境内继著名的大井铜多金属矿床发现之后，找矿勘查工作的又一重大突破。自2013年矿山投入建设以来，已有地质学者对此矿床的成因[1]、侵入岩地球化学特征[2]、控矿因素[3]等方面做了大量的研究工作。随着矿山开采工作的推进，资源需求量的增大，对矿区开展“探边摸底”、“攻深找盲”工作将成为今后矿山地质工作的主要目标。

自前苏联科学家格里戈良等人提出热液矿床原生晕典型分带序列以来，原生晕法找矿[4]得到了广泛的开展，并被认为是预测深部矿体(或盲矿体)较为有效的手段之一，尤其近年来国内学者在有色金属矿区开展了大量的研究工作，并取得了较好的地质找矿效果[5-9]。本文将以边家大院铅锌银多金属矿床原生晕分带序列研究为基础，运用相关分析、聚类分析、因子分析等数学统计方法，探索成矿元素及其伴生元素的关系，以期建立成矿成晕模型，力图为矿区的深部及外围开展进一步找矿工作提供帮助。

图1　边家大院矿区地质简图(据文献[2]改绘)Fig.1　The geologic sketch of the Bianjiadayuan area1.第四系；2.中二叠统哲斯组上段；3.中二叠统哲斯组中段；4.闪长岩；5.石英二长斑岩；6.石英脉；7.断裂；8.地层产状；9.地质界线；10.钻孔及编号；11.勘探线及编号

图2　A—A′勘探线不同高程的平面矿体形态特征Fig.2　Morphologic feature of ore bodies atdifferent levels along A-A′ exploration line(备注：ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5分别代表ZKA26-43、ZKA32-37、ZK36-35、ZKO452、ZKA44-27。)

1矿床地质特征概述

边家大院铅锌银多金属矿床地处大兴安岭中南段Sn-Pb-Zn-Fe-Cu成矿带的南东端[10]，大地构造单元属大兴安岭南段晚古生代增生造山带[11]。矿区内地层出露较单一，主要为中二叠统哲斯组中段(P2z2)和上段(P2z3)，为一套浅海相沉积的地层(图1)。哲斯组中段由深灰色粉砂质板岩、灰色变质粉砂岩及黑色板岩互层组成，地层总体走向NE，倾向NW，倾角50°～75°，为矿区的主要赋矿围岩之一。哲斯组上段出露面积较小，岩性主要为绿灰色板岩、浅灰色钙质板岩及变质细砂岩，地层总体走向NE，倾向SE，倾角60°±。岩浆岩广泛发育，主要岩性有闪长岩、石英二长斑岩及石英斑岩；石英斑岩为矿区西部隐伏岩体。闪长岩、石英二长斑岩、石英斑岩侵位于哲斯组中段层位当中，其中闪长岩体内外接触带中发育的裂隙为储矿的主要空间之一。矿区内构造以NE向和NW向两组断裂构造为主，NW向断裂为成矿物质的运移提供了有利的通道。在矿区的北西部发育有一处隐爆角砾岩筒，为隐伏石英斑岩体侵位的直接产物，其平面上呈带状展布，整体向SW侧伏，侧伏倾角10°～20°。

边家大院铅锌银多金属矿床为热液脉型铅锌银矿，矿脉主要赋存于矿区中东部的闪长岩体内外接触带附近及地层的破碎带内，夹持于F1、F2断裂构造之间(见图1)，受低次序密集裂隙(断裂)带的控制[3]，呈脉群状产出；目前探明的矿体达百余条，均为隐伏矿体。矿体平面上呈透镜状及不规则脉状，连续性较差，成群出现；矿体(群)整体走向NE，倾向NW，倾角10°～25°，个别矿体产状变化较大，走向上近SN向(图2)；矿体大多赋存在550～840 m标高范围内；矿体厚度变化较大，最小厚度为0.87 m，最大厚度达8.99 m；以铅锌银共生为主。矿石金属矿物以方铅矿、闪锌矿、黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿、毒砂为主；脉石矿物主要为石英、方解石、绿泥石等。表生矿物有褐铁矿、孔雀石，以及铅黄。矿石结构包括自形-半自形粒状结构、它形粒状结构、固溶体分离结构、碎裂结构等；矿石构造主要有块状构造、脉状构造、网脉状构造、角砾状构造、晶洞构造等。

2原生晕分带特征

2.1样品采集与分析

本次研究系统采集了控制边家大院矿区中东部矿脉群的5个钻孔(ZKA26-43、ZKA32-37、ZKA36-35、ZK0452、ZKA44-27)的岩心样，钻孔相对位置见图1中的A—A′勘探线。对每个钻孔的岩心由上至下每隔10 m左右进行取样，矿体部位采样间距控制在5～8 m，共计采集样品203件作为原生晕研究的基本样品。分析测试15 种元素，由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成，其中Cu、Pb、Zn、Co、Ni、Mo、W、Cd、Bi 元素含量采用X Serise2等离子体质谱仪测定，As、Sb、Hg 元素含量采用XGY1011A原子荧光光度计测定，Ag、Sn元素含量采用WP-1光栅摄谱仪测定，Au元素含量采用ICE3400原子吸收分光光度计测定。

2.2元素浓度分带

异常下限的确定是研究元素浓度分带的先行步骤。首先运用数据统计分析软件Spss对测试样品所获得的原始数据进行处理，逐步剔除数据中的离群点(特低、特高异常值)，直至剩余数据符合正态分布；然后按照平均值加上二倍的标准离差的标准求出异常下限；再按照目前广泛使用的三级浓度分带准则(即异常下限(CA)的1倍、2倍、4倍划分为外带、中带、内带)绘制各元素浓度分带剖面图。

依据成矿成晕元素的分带参数(表1)绘制的各元素的浓度等值线图如图3所示。

从元素浓度等值线图上可以清晰地看出：

(1)Pb、Zn、Ag、Sn、Cd、As、Sb、Hg、Au、W等元素的原生晕浓度分带结构完整，浓集中心突出，形态显著，很好地指示出成矿热液活动的整体趋势(由南东至北西方向)，指示了找矿的重点靶区。

(2)从Co、Ni的异常趋势和形态来看，二者的地球化学异常与闪长岩体关系密切，充分地体现了多建造晕的地球化学异常[12]。

(3)Cd 与Pb、Zn、Ag的原生晕发育形态相近，说明Cd 对Pb、Zn、Ag的富集沉淀有很好的指示作用。

(4)Sn、Mo、W的浓集中心在矿脉群的下部较发育，是典型尾晕元素的代表。

(5)As、Sb、Au的浓集中心多分布在矿脉群的头部及上盘，可视为前缘晕元素。

(6)在钻孔深部，成矿元素Pb、Zn、Ag地球化学异常值较高，且异常未封闭；同时，As、Hg浓集中心再现，且向下延伸，其特征反映深部可能有矿脉群的存在。

基于上述分析，初步定性地确立前缘晕元素为As、Sb、Au，近矿晕元素为Cd、Hg、Bi、Pb、Zn、Ag、Cu，尾晕元素为W、Sn、Mo。

2.3原生晕垂向分带特征

针对A—A′勘探线矿脉数量多、连续性差、规模小等特点(见图2)，本文以研究原生晕垂向分带规律为基础，评价矿区深部的成矿潜力，进而指导盲矿体的找寻；并采用格里戈良提出的分带指数法来研究原生晕的垂向分带特征。

原生晕的垂向分带具体运算步骤如下：

(1)将A—A′勘探线原生晕剖面从地表向下依次划分为4个中段(>800 m、800～700 m、700～600 m、<600 m)；

(2)计算出不同中段各元素异常的线金属量；

(3)将求得的线金属量进行标准化处理；

(4)依据分带指数公式[13]进一步得出分带指数值(表2)，根据分带指数初步排出元素原生晕的垂向分带序列(由浅至深)为(Zn、Co、Sb)→(Mo、W、Bi、As)→(Ag、Sn、Cu、Pb、Cd、Hg)→(Au、Ni)。

(5)采用变化指数(G)和变化指数梯度(ΔG)计算公式[13]对同一中段元素的先后顺序做进一步的先后排序。①对于两种及以上元素的分带指数最大值同时出现在最上部和最下部中段时，用变化指数(G)来划分分带序列的前后。最上部中段求得变化指数为GZn=11.92、GCo=20.24、GSb=71.05，即GSb>GCo>GZn，值越大排序位置越靠前，所以由浅至深的排列顺序为Sb→Co→Zn。最下部中段求得的变化指数为GAu=14.55、GNi=7.71，即GAu>GNi，值越大排序位置越靠后，所以由浅至深的排列顺序为Ni→Au。②对于元素的分带指数最大值处于其它中段时，用变化指数梯度公式(G=ΔG上-ΔG下)来确定元素排列的先后，梯度值越小，反映元素向上迁移的能力越强，排序也就相应靠前。中上部中段求得变化指数梯度为ΔGMo=-3.43、ΔGW=-3.38、ΔGBi=-0.92、ΔGAs=-6.69，即ΔGBi>ΔGW>ΔGMo>ΔGAs，所以由浅入深的排列顺序为As→Mo→W→Bi；中下部中段求得变化指数梯度为ΔGAg=4.61、ΔGSn=3.67、ΔGCu=14.83、ΔGPb=0.68、ΔGCd=-0.21、ΔGHg=2.41，即ΔGCu>ΔGAg>ΔGSn>ΔGHg>ΔGPb>ΔGCd，所以由浅至深的排序为Cd→Pb→Hg→Sn→Ag→Cu。

表1　成矿成晕元素分带参数

量单位：Hg、Au为wB/10-9，其余元素为wB/10-6。

表2　A—A′勘探线成矿成晕元素分带指数

注：*各元素的分带指数最大值

图3　A—A′勘探线成矿成晕元素浓度分带图Fig.3　Map showing element concentration zoningduring formation of ore and halo along A—A′ exploration line

通过上述计算，得出A—A′勘探线成矿成晕元素垂向分带序列(由浅至深)为：Sb→Co→Zn→As→Mo→W→Bi→Cd→Pb→Hg→Sn→Ag→Cu→Ni→Au。

2.4对原生晕垂向分带的解释

边家大院铅锌银多金属矿床的原生晕垂向分带与我国东部热液型铅锌矿床原生晕综合分带序列[14]相比，边家大院矿区A—A′勘探线原生晕垂向分带序列与东部地区的热液型铅锌矿床存在很大的差异。

(1)边家大院矿区高温元素Mo、W、Bi在序列中排列相对靠前，且排在成矿元素Pb、Ag之前，表明具有两个阶段的成矿成晕过程。即第一阶段以Zn的沉淀为主，Pb、Ag次之，且As的成晕作用强烈，这与矿石中见到的闪锌矿与毒砂伴生相一致；第二阶段以Pb、Ag沉淀为主，Zn次之。

(2)边家大院矿区内Au、Cu等近矿元素分别赋存在黄铁矿、黄铜矿中，排在序列的末端，指示第二阶段热液活动的成矿成晕过程。

(3)边家大院矿区内的Sb、Zn元素排在序列的前面，说明矿床在保存过程中遭受剥蚀较弱，亦或尚未遭受剥蚀。

3成矿及伴生元素组合特征

通过相关分析、聚类分析、因子分析等数理统计分析方法对成矿成晕元素进行综合研究，可了解成矿成晕元素之间的组合关系及伴生特征，对明确矿化类型、厘定矿床成因、指导矿产勘查具有重要的意义。

3.1相关分析

通过对矿区成矿成晕元素进行相关分析，衡量元素之间的亲和程度，有利于对矿区的地球化学异常进行综合评价。

为了缓和个别特高点对相关系数的影响，首先对原始数据进行对数转换，然后借助软件Spss进行相关性分析，得出相关系数矩阵(表3)；以大于临界值(a=0.138)表示为显著相关，从相关系数矩阵中可以看出，与成矿元素(Pb、Zn、Ag)呈显著正相关的元素有W、Sn、Bi、Cu、Cd、As、Sb、Hg，上述伴生元素地球化学异常均为矿致异常反应出成矿成晕过程中大部分地球化学信息；其中，Cd、Hg 、Sn 、Sb与成矿元素(Pb、Zn、Ag)，表现为极大正相关(a>0.6)，具有很强的成晕地球化学特征，能够作为矿区找矿勘探工作的地球化学标志。此外，Co、Ni与Pb、Ag、Cd、Hg、W、Sn等成矿成晕元素表现为负相关，说明Co、Ni成晕过程与Pb、Zn、Ag的成矿过程是两个孤立的地球化学事件，即Co、Ni为非矿致异常。

图4　A—A′勘探线成矿成晕元素聚类分析图Fig.4　Cluster analysis diagram for formationof ore and halo along A—A′ exploration line

3.2R型聚类分析

R型聚类分析就是通过多个变量之间的相关系数来定量研究元素之间聚集和分离的一种数学方法，通过整体的相关水平分析，来划分成矿阶段[15]、确定成矿岩体[16]、分析探讨岩体之间的关系[17]，以及查明元素的赋存特征。本此运用软件Spss将原始数据转化为对数，采用组间聚类的方法，得出非常直观的聚类分析谱系图(图4)。以0.4为界，将各元素划分为三个系列：①与成矿紧密相关的Zn、Cd、Ag、Pb、Hg、Sn、W、Sb系列，Pb、Zn、Ag为成矿元素，可以沉淀富集、形成工业矿体，Cd、Hg、Sn、W、Sb等伴生元素则以一定规模的原生晕指示成矿作用；②与成矿期次紧密相关的As、Bi系列，反映了头、尾晕元素的叠加，突出成矿作用过程的复杂性；③与闪长岩体紧密相关的Co、Ni系列，显示了赋矿围岩的地球化学特征。以0.95为界，划分出两个系列：Zn、Cd系列和Pb、Ag系列，进一步说明了Cd、Ag分别赋存在闪锌矿和方铅矿中的微观特征。

表3　A—A′勘探线成矿成晕元素相关系数矩阵

备注：n=156，置信度为0.05的显著相关临界值为0.138[12]。

表4　极大方差旋转正交因子

3.3因子分析

因子分析是对大量地质观测资料进行分析和做出合理解释的一种多变量统计的方法，可以指示元素的共生组合和成因联系，为找矿勘探工作提供理论依据[13]。本次使用软件Spss进行因子分析，提取了7个主因子，其累计方差贡献率达到84.37%，基本包括了原始变量中的绝大部分信息，进而得出极大方差旋转正交因子(表4)。F1的主要载荷因子为Ag、Pb、Zn、Cd、Hg，反映出Pb、Ag、Zn沉淀温度较低的特点；F2、F6的主要载荷因子为Co、Ni，代表闪长岩体的地球化学特征；F3、F4、F5、F7的主要载荷因子为Sn、W、As、Cu、Bi、Sb、Mo，为成晕元素。F3还显示出前缘晕与尾晕叠加的过程，表明两期成矿作用。

从因子分析得出的成矿元素(Pb、Zn、Ag)因子模型(表4)可以看出：F3与Zn的成矿作用正相关，与Pb、Ag的成矿作用负相关；而F5与Zn的成矿作用负相关，与Pb、Ag的成矿作用正相关，进一步说明了两期成矿作用，其与轴向分带序列特征相一致。

4矿体深部预测指标及成矿成晕模型

运用前缘晕元素与尾晕元素的比值，来评价热液矿床深部的成矿潜力，国内外学者已经做过了大量的研究，并取得了丰硕的成果[14,18-20]。本次研究参考前人工作经验和思路，根据此矿床的地球化学特征，选取[w(As)×w(Sb)]/[w(Cu)×w(Sn)]为地球化学参数，对A—A′勘探线的矿脉群进行评价。以成矿成晕分带指数为基础，计算得出的各中段地球化学参数如表5所述。从表中可以看出，沿着矿脉群(浅→深)的倾向，地球化学参数出现了(1—2个数量级)递减后增加的轴向转折，符合该矿床多期次多阶段的成矿特点，可以作为深部潜力评价的有效指标。

表5　边家大院矿区各中段评价指

图5　边家大院矿区A—A′勘探线成矿成晕理想模型Fig.5　Ideal model for formation of ore and halo along A—A′ exploration line1.闪长岩；2.哲斯组中段板岩；3.地质界线(注：图中地球化学参数为[w(Sb)×w(As)]/[w(Sn)×w(Cu)值]

综合矿区成矿成晕元素的浓度分带特征、成矿与伴生元素的亲和性、以及垂向分带序列，确立单一成矿阶段前缘晕元素为Hg、Sb、As，近矿晕元素为Pb、Zn、Ag、Cd、Cu、Au，尾晕元素为W、Sn、Bi、Mo；并初步建立A—A′勘探线的成矿成晕理想模型(图5)，为矿山的深部勘探工作提供了有关地质找矿依据。

5结语

(1)成矿元素(Pb、Zn、Ag)和前缘晕元素(Hg、Sb、As)在矿脉群下部异常值较高，且向深部延伸，表明深部成矿潜力较大；结合各元素原生晕分带趋势，可以判断矿区A—A′勘探线的南东方向为热液的源区，是下一步找矿勘探的重点。

(2)根据格里戈良分带指数法确定的垂向分带序列为：Sb→Co→Zn→As→Mo→W→Bi→Cd→Pb→Hg→Sn→Ag→Cu→Ni→Au，出现了“Mo→W→Bi反向分带”现象，表明两个阶段的成矿作用。

(3)对成矿及伴生元素的数理统计分析发现，Cd、Hg、Sb、Sn与成矿元素Pb、Zn、Ag表现为较强的亲缘性，可以作为矿区外围及深部良好的地球化学找矿标志；Co、Ni与成矿成晕元素相关性较差，与闪长岩关系密切，表明闪长岩对成矿物质的供给较弱。

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The primary halo characteristics of Bianjiadayuan Pb-Zn-Ag polymetallic deposit in Inner Mongolia,China and ore prediction to depth

LIU Huaijin1,2，YANG Yongqiang2，SUN Yinqiang3，XIN Jiang4，WEN Haicheng1，LI Hao2

(1.Inner Mongolia Nonferrous Geological Mining(Group)Limited Liability Company, Hohhot 010010,China;2.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;3.GeologicPartyNo.243 ,CNNC,Chifeng024000,Neimonggol,China;4.XinjiangInstituteOfGeologicalSurvery,Urumqi830000,China)

Abstract：Bianjiadayuan Pb-Zn-Ag polymetallic deposit is located in the middle-southern of the Daxing′anling, and is a newly discovered hydrothermal vein-type deposit. Ore bodies occur in vein-groups. Samples are collected systematically from 5 drill holes, and spectral analysis are applied. Based on the methods of Grigoryan Zoning index and mathematical statistics(Correlation analysis, cluster analysis and factor analysis)primary halos characteristics of ore bodies in A-A′ exploratory line are detailly studied. The results show front elements Sb, Hg, and As; tail elements Mo, W, Sn and Bi; proximal elements Pb, Zn, Ag, Cd, Cu and Au; vertical zoning sequence Sb→Co→Zn→As→Mo→W→Bi→Cd→Pb→Hg→Sn→Ag→Cu→Ni→Au, with reverse zoning phenomenon of Mo W and Bi, showing two stages of mineralization. Ore elements (Pb, Zn, Ag) and front elements (Hg, As) are high at the lower part of vein-groups and the high anomly extends to depth and deep blind ore bodies of vein group are predicted. According to all the characteristics above, an ideal mineralization halo model has been established preliminary and provides important evidence for deep prospecting in the mining district.

Key Words：primary halo; ore prediction to depth; Bianjiadayuan; The central south Daxing′anling ore belt; Inner Mongolia

收稿日期：2015-04-05；改回日期：2016-01-10；责任编辑：王传泰

基金项目：国家自然科学基金项目(编号：41272110)资助。

作者简介：刘怀金(1985—)，男，硕士研究生，矿物学、岩石学、矿床学专业，从事矿产勘查工作。

通信地址：北京市海淀区学院路29号，中国地质大学(北京)地球科学与资源学院；邮政编码：100083；E-mail：499789306@qq.com 通信作者：杨永强(1965—)，男，教授，从事矿床地质教学和研究工作。 北京市海淀区学院路29号，中国地质大学(北京)地球科学与资源学院；邮政编码：100083；E-mail：dxqy8@cugb.edu.cn

doi:10.6053/j.issn.1001-1412.2016.02.012

中图分类号：P595，P618.4

文献标识码：A