基于GlS 的麻陽銅礦銅元素遷移機制研究

鄭 平，肖清華

(湖南工程職業技術學院，湖南 長沙 410151)

麻陽銅礦位于湖南省麻陽縣九曲灣銅礦區，行政區劃屬湖南省懷化市麻陽縣管轄。自20世紀60年代至今，多家地礦單位對沅麻盆地銅礦開展了普查與勘探工作，多家科研院和多位地質工作者對礦床地質、礦體地質特征、礦床成因等做了相關研究，部分學者根據與遺跡化石和有機質共生的自然銅礦化，強調生物成因說[1]；有的提出礦床沉積改造成因說[2]，認為沉積環境為河湖三角洲水上、水下交替沉積，或河湖水下三角洲相沉積；部分學者根據古流向和碎屑長石認為含銅砂巖碎屑成分的來源是雪峰古陸，銅是以碎屑形式機械搬運至礦區，經淋濾—溶解—沉淀形成礦化富集[3]；也有學者認為該礦床類似其它銅礦床，其形成是后期熱液作用結果。

前人所做的工作大部分以基礎地質特征為主，部分涉及到地球化學方面的研究，未曾運用GIS 技術對礦床的形成環境、形成機制等開展過相關研究工作。隨著科學技術的發展以及各種先進精密儀器及專業軟件的問世，如GIS 技術在研究恢復古地理環境方面的應用，使得對礦床的研究廣度與深度不斷增加和革新。筆者擬通過資料分析、現場踏勘、采樣鑒定分析、GIS 運用等方式，從物質組份、巖相特征、數字高程顯示（DEM）、銅元素遷移富集的因素、銅礦化富集規律方面開展麻陽銅礦銅元素遷移機制的研究。

1 麻陽銅礦地質概況

麻陽銅礦位于黔桂地洼區雪峰地穹系沅麻地洼中段的南東側。礦區地層包括第三系和白堊系下統。二者呈角度不整合接觸。第三系為一套紫紅色砂礫巖，厚度大于110 米，底部有零星工業礦體，不整合于白堊系下統之上。白堊系下統為一套濱湖一河口三角洲環境沉積的碎屑巖。碎屑巖分為三個巖性組，第一巖組由紫紅色厚層狀粉砂巖夾含礫粗砂巖與磚紅色礫巖層組成；第二巖組為一套礫巖、砂礫巖及礫砂巖層、砂礫巖；第三巖組由泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖、砂巖、粗砂巖粉砂質泥巖等多種巖性組成的復雜巖層，期間存在細砂巖與紫紅色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖互層，含礫中-粗砂巖局部夾礫巖透鏡體現象，為含礦層位。

礦區內構造十分發育，主要為類型為褶皺和斷層，其中，礦區北部以褶皺為主，由一系列軸向北北東的背、向斜組成。由北往南，含礦巖系逐漸過渡到向北西傾斜的單斜構造。去呢斷層按走向分為NNE、NE、NNW、NW 和SN 向五組。

礦床中有用礦物以自然銅為主，輝銅礦次之，此生含銅礦物主要由孔雀石、赤銅礦和少量輝銅礦。

2 研究方法

（1）文獻研究：收集整理有關麻陽銅礦的地質特征、成礦規律及不同成因類型的銅礦床、GIS在地質地理方面的應用研究等相關研究資料，了解熟悉國內外的研究現狀及迄今對麻陽銅礦研究的深度與廣度，為課題的研究提供參考與理論依據。

（2）樣品測試分析：通過現場踏勘，采集礦區地層典型巖石標本，從礦物組分、顯微鑒定特征及地球化學特征等方面研究地層、構造與成礦的關系，并探討對銅元素遷移富集的影響因素，總結其遷移富集規律。

（3）GIS 運用研究：結合麻陽銅礦現狀，運用GIS 軟件繪制其地形地質圖，并構建麻陽銅礦區數字高程模型(DEM)，利用GIS 軟件，提取該區高程、坡度、坡向等基本地形指標的柵格圖層，統計高程、坡度、坡向等地貌特征，為后期古地理地貌恢復研究提供對比參照。

（4）對比研究：結合收集資料及其它相關研究，對麻陽銅礦區附近的銅礦床及外省個別典型的銅礦床的地質特征、流體包裹體特征、礦床成因等進行對比研究和分析總結，為麻陽銅礦后期的深度與廣度研究提供參考和依據。

表1 含銅巖石主要造巖礦物及巖屑等組份的平均含量統計

3 研究內容

3.1 物質組份及其特征分析

3.1.1 含銅巖石組分特征

通過對采集標本的肉眼鑒定、放大觀察及測試分析統計，發現研究區含銅巖石中，非金屬礦物和巖屑組份等非常復雜，各種組份多達30 余種(見表1)，其總含量在65%～90%左右。膠結類型主要為孔隙式膠結，少數為接觸式和基底式膠結。

含銅巖石組份上表現為不穩定組份含量高，約占25—33%。其中主要為長石、板巖類、泥巖、泥質粉砂巖和少量灰巖等。因而巖石的成熟度較低。根據20 個巖石碎屑組份統計，絕大部分屬長石硬砂質石英砂巖和石英長石硬砂巖，其中巖屑總量占20%～40%，平均28%，個別達74%。巖石的分選性偏差，據粒度分析資料的統計，巖石的分選系數絕大多數2-2.345，個別最大為3.742，極少數在1.581 以下。砂巖的滾圓度較差，為多棱角到次棱角狀。

含銅巖石粒度范圍很廣，從砂礫巖到微砂巖，均可不同程度的含銅。其中主要為中—粗粒(微含礫)砂巖，其次是中細粒砂巖、少量巨砂巖和砂礫巖。粉砂巖及其以下粒級的巖石，則—般不含銅。

3.1.2 地層巖石標本顯微特征

本次在研究區采集了數塊典型的白堊統、古新統地層巖石標本，制成薄片，在偏光顯微鏡鏡下鑒定觀察，其鑒定結果顯示主要為棕紅色泥質粉砂巖，其砂粒以石英為主，次為云母，巖屑極少，膠結物主要是粘土、鈣質和鐵質；含礫中-粗砂巖、含礫細砂巖和細砂巖,礫石、碎屑成分復雜,包括石英、長石、云母等30 余種晶屑以及巖漿巖、變質巖、沉積巖等各種巖屑，泥質含量少,以鈣質膠結為主。部分樣品顯微特征如下：

3.1.3 地球化學特征

選擇在麻陽銅礦區不同方向斷裂帶處、同一斷裂不同深度部位共選取了10 塊標本，對其進行地球化學分析，分析結果如下表2 所示。

從上述分析可以看出，和斷層產狀一致、傾向相同的斷裂含Cu 一般高于和礦層傾向相反的斷層或NE 向斷層，可推測層間華東和順層切割斷層能促使成礦物質的活化改造和疊加富集；成礦物質和斷裂深度存在一定的關系，揮發性元素（As、Sb 等）從淺部向深部明顯減少，Cu 含量由淺部向深部略有增高趨勢。根據Zn/Cd 比值推測，在斷層與礦層相切割部位有成礦物質被活化改造的熱流體通過，造成礦物質的局部富集的可能性。

3.2 含銅層巖相特征分析

根據礦區內含銅層的巖性特征、結構構造、古地理位置及毗連巖相類型等多方面資料分析，我們認為麻陽銅礦含礦巖系是屬河口三角洲環境沉積，其主要依據如如下：

（1）據區內古動力及巖性變化等資料分析，該區是處于河流與湖盆匯合處，沉積物既有河流相的（如淺色層中的沙體），也有淺湖湘的（深色層物質）。

（2）含銅層在空間上呈不規則的扇形槳葉狀；在斷面上表現為透鏡狀，常常一個含銅層由若干個透鏡體組成。

（3）含銅層與淺湖相多次交替出現，二者在空間、時間上均是相變過渡關系。在時間上由巖性粒度較粗的含銅層往上部與粒度較細的湖相過渡；在空間上含銅層扇形中心向邊緣粒度逐漸變小，并最后向湖相過渡。

（4）含銅層的巖石組份較為復雜，不穩定組份含量高，分選性較差。

表2 麻陽銅礦含礦斷裂中樣品的地球化學特征

（5）層理一般不發育，但在含銅層透鏡體中心部位，常有大型單向斜層理和交錯層理，而透鏡體邊緣可見水平層理和小斜層理。

（6）含銅層底部常有小沖刷，特別是在透鏡體的中心沖刷幅度較大，往邊緣或湖心沖刷強度逐漸減弱和消失。

（7）存在分流河環境，沙體中常含礫石，局部見透鏡狀礫巖層，扁平狀礫石定向排列；含粗碎屑的沙體呈樹枝狀、線條狀分布；沙體的交錯層理等。

根據巖性特征及與河口相對距離等，可進一步把河口三角洲劃分為三個亞相，分別為中心亞相（以礫巖、含礫粗砂巖為主）、中間亞相（以含中-粗砂巖為主），邊緣亞相（以中-細砂巖為主）。根據巖性和巖性的空間分布以及原生沉積構造特征推測，由于地殼的震蕩運動和季節性的水位變化，這個三角洲的沉積環境是動蕩不定的。當湖盆水位上漲，三角洲淹沒在較深的水下，水動力較弱，沉積環境相對穩定，沉積物以泥質、粉砂質為主（深色層）；當水位下落，三角洲露出水面或接近水面，水動力增強，在三角洲上發育一些分流河，沉積物以砂、礫等碎屑物為主（淺色層），并形成象波痕、泥裂、沖刷面、斜層理等層面構造。這種沉積方式的反復進行，就形成了淺色層和深色層相互交替出現的一套含礦巖系。

3.3 高程數據三維顯示

圖1 麻陽銅礦三維地貌圖

圖2 麻陽銅礦格網立體圖

圖3 麻陽銅礦現代地貌高程三維圖

數字高程模型是對地球表面地形地貌的數字表達、模擬。基于MapGIS6.7 提取離散高程數據，利用“圖像處理”模塊中的“電子沙盤”，裝入GRD 高程文件，全景顯示實體模型，添加“光照效果”可以得到高程三維圖（圖1）及格網立體圖（圖2）。用Surfer 軟件也能夠繪制三維圖[4]，其步驟如下：點擊網格菜單，進入網格化數據對話框，網格化方法選擇地學上常用的克里格法，網格間距設置為30m，生成＊.grd 文件；點選Surface 三維曲面圖命令按鈕，打開創建的格網文件，即可生成一個模擬的三維曲面圖（圖3）。從圖上可以清晰的觀察到麻陽銅礦區現代地形地貌全態，為后期古地理地貌恢復研究奠定研究基礎，并提供對比參照。

4 研究結論與成果

4.1 分析總結影響銅元素遷移富集的因素

從物質組份及其特征分析、巖相特征分析、古地理環境推測等方面可總結出影響銅元素遷移富集的因素主要包括是礦區的銅質來源于古老銅礦床；地殼的震蕩運動為使母巖銅礦床破壞、剝蝕、搬運和沉積，是形成本礦床的先決條件；古動力作用中等時，礦較好，即水流速度從快到慢的一段時間內(河湖三角洲地段)，才適合銅礦物粒的沉積；炎熱干燥氣候對于形成該類銅礦床是有利的條件；巖石顆粒較粗則礦化較富；礦區含銅層頂底板圍巖，一般為紫紅色泥質粉砂巖或紫紅色粉砂質泥巖，這對成巖期的還原改造，起了良好的封閉作用。

4.2 分析總結銅礦化富集規律

根據礦床地質特征、控礦因素分析、礦體的空間分布以及礦化與巖、構造的關系分析等,該礦床的礦化富集規律可歸納為以下幾點：礦化集中于河口三角洲分流河的河道上；在分流河分枝的部位,常形成較好的礦化；礦化常富集于古沖刷面上；層理較發育的細砂巖或含礫中--細砂巖,也可形成較好的礦化；夾于紫紅色泥質巖層中的薄層狀細礦巖常出現特高品位的銅礦化；位于粗砂巖中的細砂巖透鏡體,有時可形成特高品位的銅礦化；構造背斜傾伏端及其兩側有分流河道存在，常在河道上形成工業礦體；向斜核部或含礦層作微凹的地段，也是地下水聚集,作緩慢循環的部位，常形成工業礦體；斷層與淺色層(含礦層)交切、且淺色層向斷層作緩斜的地段往往具較好的礦化；斷層順淺色層產出,在斷層的兩側礦化較富集；在淺色層產由陡變緩的地段，一般形成較好的礦化；在礦體內或礦體附近的斷層中,常可見到自然銅呈片狀、樹枝狀沿斷層面充填。

4.3 初步建立麻陽銅礦現代地貌數字高程模型

通過構建麻陽銅礦地區的數字高程模型（DEM），在一定程度上，為古地理環境恢復研究奠定基礎，并提供參照對比模型。在后期研究中可結合從各個探井點或剖面上采集到的高程數據點，地層厚度、砂礫巖的顆粒含量、水動力影響因子等，運用GIS 技術，以其方便快捷的多源數據采集與輸入功能、強大的地圖編輯與空間數據管理功能、獨特的多種空間分析方法，以及直觀的圖形和屬性數據的可視化表達方法推測構建古地理地貌，從而追溯銅元素的遷移富集歷史與軌跡。