基于GIS的长江中下游同位素空间分布规律探究

张明明,李思洋,汪方跃,范 裕,王成宝

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学 矿床成因与勘查技术研究中心,安徽 合肥 230009; 3.合肥工业大学 安徽省矿产资源与矿山环境工程技术研究中心,安徽 合肥 230009; 4.合肥工业大学 空间信息集成与综合分析平台,安徽 合肥 230009)

长江中下游地区的矿产资源十分丰富,一直以来都是热门研究区域,国内外研究者已经对该地区的年代情况、岩石数据、成矿元素特征等方面做了较为详细的研究,对其成矿空间情况与范围分布做了大量的分析研究[1]。通过对比分析相关研究成果[1-3],可知长江中下游地区的成矿过程与各个时期发生的板块构造运动有着密不可分的关系,该地区各时期的成矿爆发现象、地球化学数据异常都与不同时期的板块变动有着密切的联系,通过地球化学数据能够对长江中下游地质体的成矿规律进行剖析,这些数据能准确反映成矿体在空间上的分布。因此,从时空层次与地球化学数据的结合来挖掘长江中下游地区的成矿潜力,对于该地区的找矿采矿工作具有重要意义。

本文在简要分析研究区地质特征和地球化学数据的基础上,阐述了基于地理信息系统(geographic information system,GIS)的长江中下游成矿特征分析过程,探究了基于同位素分析的成矿信息与规律的提取方法,利用GIS技术进行铜、金等成矿岩体及其多金属矿床的研究,并进一步揭示了同位素成矿预测的重要意义和科学找矿的重要性。

1 研究区域概况

长江中下游成矿带位于扬子板块北部,该成矿带共发育各类铜、铁、金矿床200余处,是我国东部重要的铜、铁多金属成矿带之一。该区成岩成矿作用是中国东部中生代大规模成岩成矿作用的典型代表。长江中下游爆发式的岩浆活动为成矿带规模化的成岩成矿作用提供了巨量的物质来源,成矿岩体在各时期形成了独特的时空分布特征[3]。长江中下游地区的地质情况总体上具有纵向成带、横向分段的特征[3-4],主要成矿带位于华北板块和扬子板块的交界地带,其北部为郯庐断裂和襄樊—广济断裂,南部为崇阳—常州断裂,地层从前寒武系至第四系均有分布。

相关研究中,国内外研究者大多根据长江中下游水系沉积物地球化学数据使用多元统计分析方法来分析异常的相关元素[4],并绘制综合地球化学元素异常图,结合GIS描绘勘探目标区域。由于水系沉积物地球化学数据在环境变化的影响下反映的信息相对容易缺失,因此,将GIS技术与地球化学数据相结合成为当前的研究热点,采用同位素数据进行分析,可以提高研究的准确性和效率。地球化学数据具有典型的空间和属性特征,这使GIS填图分析成为一个有效的平台来探究成矿岩石在长江中下游的空间分布,清楚地展示出成矿特征。

2 数据来源及研究方法

本研究收集了长江中下游成岩成矿地球化学数据5 000余项,数据来源于有关该地区1998—2019年已公开发表的地质文献、Georoc数据库、Earthchem数据库及本团队收集的数据。数据点均分布在长江中下游成矿带附近及主要聚矿区,如图1所示[1],能够满足成矿带和聚矿区空间尺度上的成矿特征分析。本研究将地球化学数据与GIS技术相结合,采用多种分析方法进行分析处理。

图1 长江中下游数据点分布

(1) 同位素分析方法。近年来,同位素技术发展迅速,同位素定年和地球化学示踪广泛应用于各项地质研究中。176Hf/177Hf值可用于表示锆石形成时的性质特征[5-6],锆石Hf同位素分析为岩石的成因探讨提供了重要依据,通过锆石Hf同位素分析可以从时空上推测地壳的性质。锆石176Hf/177Hf是一个样品的客观同位素平均值,有利于开展大范围内的同位素填图,进行不同地区的比较分析。

区域Hf同位素填图一般可分为2种表达模式:① 直接使用不同的颜色在地质填图中来区分岩体同位素值的差异(如εHf(t)值或模式年龄值),将其属性特征化;② 在地质填图中直接对等数值点进行分析,从而进行绘图(如等值线图)。2种方法结合可以提高分析的准确性[6]。

(2) 异常值分析方法。异常值能明显表现出某些地球化学数据的特异情况[7],通过异常值分析,可对长江中下游地区成矿相关元素进行投图,结合GIS技术来直观地展示其中的元素值特异点,在填图上显示出成矿元素异常波动区,从而估算成矿区域带。

(3) 对比分析方法。断裂带周围的成矿聚集区是当前的热门研究区域,通过对已有成矿带及成矿富集区的数据收集,整理对比前人对长江中下游成矿带的研究,将分析处理后的地球化学数据与相关结论对照,看是否具有相似规律,从而验证本研究分析的准确性,可为之后的成矿预测提供理论数据支持。

(4) 成矿预测方法。通过同位素分析和异常值分析等方法划分出成矿可能性较高的区域带,利用GIS分析如最邻近分析方法、核密度分析方法及缓冲区分析方法等,对研究区域进一步细分,量化其空间离散距离,确定研究区域的成矿核心,缩小找矿预测范围,进而获得最佳找矿有利区域。

3 同位素分布规律探究

3.1 同位素填图与同位素特征

文献[8]研究表明,Hf同位素填图可以圈定不同成矿系统或成矿带的地壳块体(新/老地壳)空间分布,并揭示深层地壳结构组成、区域成矿能力及成矿系统的发展空间。地壳块体类型对矿床类型的分类和空间分布的控制是第1级控制因素,根据Hf同位素填图结果可快速确定找矿战略靶区。

首先通过系统分析锆石Hf同位素组成,确定其源岩组成特征和地壳模式年龄(TDMc),然后制作岩浆岩锆石εHf(t)和TDMc等值线图,反映地壳源岩空间分布和模式年龄空间变化,依据锆石εHf(t)和TDMc值变化,推断不同地壳块体的空间展布和时间演变[9];同时将主要的多金属矿床也投在这些填图中,以显示不同矿床与特定地质特征的空间关系。

长江中下游锆石εHf(t)值空间分布如图2所示，TDMc等值线如图3所示。

图2 长江中下游锆石εHf(t)值空间分布

图3 长江中下游锆石TDMc等值线

由图2、图3可知,长江中下游大致可分为东部、中部和西部3个块体,分别具有不同的εHf(t)和TDMc:中部地体大多数区域具有高εHf(t)、低TDMc值,而东部地体和西部地体则具有低εHf(t)、高TDMc值;东、西部地体岩浆锆石εHf(t)值介于-10～-2,相应的TDMc年龄较老,而中部地体样品具有大而正的εHf(t)值(0～+10)和较为年轻的TDMc年龄。

区域范围内的Hf同位素填图,作为一种具有年龄约束的探测手段,不但可整体探测造山带和岩石圈物质结构,而且可深刻揭示成矿过程和区域成矿规律,并有望发展成为一种新的成矿预测方法[10-11]。应该注意的是,现阶段利用大范围高密度的同位素数据来进行精细的同位素填图是成本较高且困难的,但本研究表明,低密度的采样填图仍然可提供地壳的性质、组成、结构、成岩成矿相关信息,可以用于圈定成矿目标区域。

3.2 元素异常比较

地球化学填图结果具有一定的规律性,对大地构造研究和矿产勘查具有指导意义,可以为探究元素的分布为何会受到断层带缝合带的影响提供依据。虽然长江断裂带是封闭的,但在缝合带两侧仍保留着一些化学元素,代表着板块的变动。在各种元素的地球化学填图中,有2/3的元素沿缝合带出现高含量或低含量异常带。

例如,亲铜元素的地球化学区以Au、Zn、Pb等元素质量分数高为特点,通常情况下亲铜元素地球化学区域与成矿带相一致,因此在一定程度上这种对应关系能反映成矿元素丰度[1],同时也能反映出地质体地球化学元素组合,以及与矿床类型及其形成的矿带之间的成因关系。长江中下游Au、Zn、Pb质量分数特征如图4所示。从图4可以看出,位于长江断裂带附近的铜、金成矿集中区与部分元素填图的高值异常区重合。

图4 长江中下游Au、Zn、Pb质量分数特征

4 分析结果与讨论

4.1 同位素特征成因及地质意义

新生地壳形成时地质体发生剧烈变动,蕴含的物质大规模改变,新生地壳为富矿岩浆提供了更多的Cu、Au等成矿元素,因此新生地壳中同位素特征会相对明显[12-14]。

近年来,相关研究发现锆石εHf(t)值与斑岩Cu矿的品位、规模存在正相关关系[15-16],通过该同位素特征可对长江中下游地区的成矿潜力进一步分析。

4.2 新、老地壳影响

在长江中下游地体从东北向西南,随着地壳特征的变化,其成矿作用类型也随之发生了改变,这很可能是地壳的新老程度对成矿作用类型发挥了关键的控制作用。长江中下游中部地区以新地壳为主,说明中部具有非常重要的Cu、Au成矿潜力。

值得注意的是,在长江中下游西部靠南侧一带的锆石εHf(t)值和地壳模式年龄,与中部断裂带附近类似,此特征表明,该地区是长江中下游西部地区有潜力的Cu-Au成矿区。而在长江中下游东北部其他地区,由于地质特征变化不明显,Cu成矿潜力可能相对较低。

地壳的新老程度是控制成矿类型的关键因素之一,因此,中部地区相比于其他地区是长江中下游最具潜力的Cu-Au成矿带。

4.3 成矿区域预测

通过同位素填图分析,长江中下游成矿带成矿核心主要位于铜陵、安庆、贵池矿集区附近。

以控矿元素Cu、Au为例,对锆石Hf同位素进行空间分析,根据已有的铜、金、钨、钼等多金属矿床对成矿核心的取向进行预测[17-18],利用ArcGIS软件缓冲分析工具绘制长江中下游的成矿可能性较高范围,并根据成矿核心和成矿聚集规模绘制找矿预测区,得出长江中下游找矿预测图,如图5所示。

由图5可知,位于长江深断裂北侧的找矿预测区内铜、金含量高,且同位素值较高,是长江中下游地区铜、金等多金属矿床找矿的有利位置。

图5 长江中下游找矿预测图

4.4 断裂带影响

区域断裂构造在成矿作用中起着重要作用。长江中下游成矿岩体和重要多金属矿床受长江中下游深部断裂构造控制,其空间位置关系如图6所示。通过对矿点的空间分布分析[19-20],发现矿点主要分布在长江深断裂两侧。应用ArcGIS软件进行最近邻分析,计算矿点与长江中下游区域深断裂带的距离,发现长江中下游安徽段铜、金、钨、钼等多金属矿床主要集中在长江深断裂南部。从图6可以看出,矿点在长江主深断裂带附近最集中,且由前述的同位素填图与元素异常图可知,在长江深断裂两侧区域特征最明显,因此深断裂带地区是找矿的最有利区域。

图6 长江中下游深部断裂与矿床关系图

5 结 论

本文通过GIS填图结合地球化学数据和同位素分析,对长江中下游地区进行了找矿分析预测,研究结果表明，区内长江深断裂北侧的εHf(t)值高,地质构造对成矿元素的分布影响明显,具有较大的成矿潜力。基于Cu、Au含量区域分析及矿点分布,利用GIS技术进行分析,可获得不同层次的有利找矿区,可为长江中下游成矿带安徽段铜、金、钨、钼等多金属矿床找矿提供重要参考。

随着大数据分析技术的快速发展和高端分析仪器的广泛应用,获取大范围的同位素数据将更为便捷,填图成本也会降低。因此,通过同位素分析来快速圈定找矿战略靶区是一种可行且有效的方法,开展地球化学元素与同位素填图,可为现代找矿预测提供有力支持。