青海察汗烏蘇河地區水系沉積物地球化學特征及地質意義

鄭振華，李文君，李笑龍，張聲桃，何俊江

（1.青海省地質調查局，青海 西寧 810000；2.青海省有色第三地質勘查院，青海 西寧 810012；3.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

水系沉積物地球化學勘查是當前使用最廣、效率最高的礦產勘查手段之一［1-3］，常用的方法包括傳統的統計學法、累計頻率法、趨勢面法和多重分形分析法等，受地質條件復雜及方法原理限制等影響，各方法優缺點明顯［4-7］。

青海省察汗烏蘇河地區所在的東昆侖造山帶屬于中國西北干旱區，是重要的金屬成礦帶，蘊含豐富的礦產資源。開展區域地球化學勘查是圈定礦產資源有利區，提高礦產資源勘探開發效率的有效途徑之一。由于地處內陸，屬高山高原氣候，水系較不發育，巖屑受物理風化嚴重，地表徑流受干旱氣候影響水流不穩定，水系沉積物的介質分布不均勻，所反映的水系沉積物地球化學特征不穩定，地層與巖體所反映的地球化學特征本身存在差異，在地質內容復雜的情況下，水系沉積物地球化學測量數據往往受干擾較多。傳統的水系沉積物地球化學測量方法在這一區域的表現并不理想，選擇一種簡單可行的數據處理方法對這類地區水系沉積物地球化學結構識別與礦產勘查有著重要意義。

多重分形法中的含量-面積分形法有著數據處理過程簡單、原始測量數據與地質內容結合緊密等優勢，能夠相對客觀地對地球化學結構進行識別與提取，較為適用于西北干旱地區的化探數據處理。以青海察汗烏蘇河地區水系沉積物地球化學測量數據為例，采用含量-面積分形法進行數據處理和地球化學異常特征提取，結合野外地質調查對其結果進行驗證，為西北干旱地區礦產勘查探索一種較為理想的地球化學勘查方法。

1 區域地質背景

東昆侖造山帶位于青藏高原北部（圖1（a），（b）），北依柴達木盆地、南臨巴顏喀拉地體、西鄰阿爾金斷裂和塔里木地塊、東接秦嶺造山帶［7-8］，具有多旋回碰撞造山的特點和優良的成礦條件［9］。受昆北、昆中和昆南斷裂所控，東昆侖地區地層和巖漿巖十分發育，其中昆中斷裂以北主要出露多期次演化的巖漿侵入巖及火山巖，以南主要為不同時代的沉積地層（圖1（c））［10］。

圖1 東昆侖大地構造及地質要素（據文獻［11-12］修改）Fig.1 Geotectonic and geological elements of East Kunlun（revised by［11-12］）

察汗烏蘇河地區位于東昆侖造山帶東段，出露地層由老至新依次為古元古界金水口群、中元古界長城系小廟巖組、上古生界上石炭統締敖蘇組、中生界上三疊統鄂拉山組和新近系獅子溝組（圖2）。金水口群和小廟巖組主要為角閃巖相高級變質巖，分別出露于西部和西南部地區，受東西向構造控制明顯；鄂拉山組為一套中酸性火山巖，出露于中東部地區；獅子溝組主要為一套上新統沉積巖，分布于東部地區。區內巖漿活動頻繁，印支期、海西期和加里東期等多期次巖漿巖廣泛出露，部分地區侵入巖脈較為發育，已知的主要成礦類型為熱液脈型（那更康切爾溝大型銀礦床、哈日扎銅多金屬礦床等）和巖漿熔離型（浪木日銅鎳礦床等）［11-19］。

圖2 察汗烏蘇河地區地質礦產及綜合異常分布Fig.2 Geological and comprehensive anomaly distribution of Chaghanwusu River Area

2 地球化學特征

察汗烏蘇河地區屬高山高原干旱氣候，地形切割較深，地理條件差。文中對東昆侖東段察汗烏蘇河4幅1∶5萬水系沉積物地球化學測量數據進行分析（分別為巴加別里赤爾幅I47E002011，那更幅I47E002012，魯木切幅I47E001012和察汗烏蘇河I47E001011），在有利于沖積物匯集的河道寬緩、交匯地帶，選擇流水線不穩定時，以水系沉積物中的淤泥、巖屑為主要采集對象，通過多點（坑）采樣法（即在采樣點上下30 m范圍內多坑組合采樣），共采集1∶5萬水系沉積物地球化學樣品8 043件。平均采樣密度4.82件／km2，采樣粒級-10～＋80目，分析Au，Ag，Cu，Pb，Zn，W，Sn，Mo，Bi，As，Sb和Co等共12種元素。

2.1 水系沉積物地球化學數據統計特征

對所有地球化學測量數據進行統計分析（表1），發現察汗烏蘇河地區12種元素的變異系數（標準差／平均值）Cv均大于0.5，說明所有元素均有局部富集的特征，其中Mo，Bi等元素尤為明顯。而除Sn，Mo，Bi等元素以外的其余元素平均值與背景值的比值（E／S）均大于1，表明這些元素平均含量均大于溝里地區背景值［11］，屬于區域富集。其中Cu，Pb，Zn元素的E／S比值較大，與區內已發現多處銀鉛鋅礦和銅多金屬礦的實際情況相吻合。就元素整體的成礦潛力而言，區內的成礦元素主要為Au，Cu，Pb，Zn和As等［20］，結合區內已發現多處可觀的Ag礦，確定該地區的主要成礦元素為Au，Ag，Cu，Pb，Zn和As。

表1 察汗烏蘇河地區原始水系沉積物地球化學數據Table 1 Geochemical data of original stream sediment in Chaghanwusu River Area

除Cu元素含量分布最接近標準對數正態分布以外，其余元素含量分布較為離散（圖3），并且存在一定的奇異值。Ag，W，Sn，Bi等元素對數含量低值頻數較大，為背景低值區域，這一現象在中等區域尺度內較為常見，可能是由區內地質體及元素空間富集特征的差異所造成；Au，Pb，Zn，Mo等元素對數含量中間值突出，意味著這些元素的含量分布相對集中，其中Pb，Zn元素高值頻數較為突出，表現出一定的奇異性。

圖3 察汗烏蘇河地區水系沉積物元素對數含量分布關系Fig.3 Distribution of logarithmic content of stream sediment elements in Chaghanwusu River Area

2.2 元素組合特征

因子分析是對區域地球化學異常進行識別、分析及評價的有效方法之一［21］，當分析因子（元素組合）被賦予客觀合理的地質、成礦作用解釋后，每個因子即是對該采樣點地質與礦化信息的指示［22］。由于元素含量的高低及其空間分布特征與其賦存的地質體有一定的相關性，因此本次研究選用因子分析和相關性分析法對各元素間的相關性進行分析研究。為了避免元素間的量綱不同而對結果產生影響，首先對原始數據采用Z-score標準差對數據進行標準化處理［23-24］，使用標準化后的數據采用Pearson相關系數衡量定距變量之間的線性關系，獲得各元素間的相似系數矩陣（表2），分析各元素之間的相關性。進而采用主成分分析法分析因子初始特征值與方差貢獻值，采用特征值大于1的標準確定因子，使用最大方差法對初始因子載荷矩陣作正交旋轉，獲得因子成分分析矩陣（表3），各主因子即可代表區域內優勢礦化線索。

表2 察汗烏蘇河地區各元素間相似系數矩陣Table 2 Matrix of similarity coefficient between elements in Chaghanwusu River Area

表3 察汗烏蘇河地區因子分析成分矩陣（旋轉后）Table 3 Matrix of factor analysis component in Chaghanwusu River Area（after rotation）

結果表明除了Au和Mo元素與各元素間相關性較小以外（R＜0.2），其余元素之間均存在一定的相關性：Ag和Pb，Zn，As，Sb等元素相關性明顯（R＞0.3）（表2），表現為與成礦相關的中低溫元素組合；Cu和W，Sn，Bi，Co等元素相關性明顯，表現 為和高溫礦床或巖漿侵入有關的中高溫元素組合。

根據特征值大于1所提取的因子分析結果（表3），12種元素共提取了4個主因子，即F1因子由Ag，Pb，Zn，As，Sb 6種元素組成，F2因子由Cu，W，Sn，Mo，Bi 5種元素組成，F3因子為Co元素，F4因子為Au元素。

F1因子的方差貢獻率為28.06%，廣泛分布于察汗烏蘇河一帶，與區內已知礦化較為吻合，主要與中低溫熱液成礦作用有關，如青海省都蘭縣熱水地區內的哈日扎銅多金屬礦、那更康切爾溝銀礦等。但也有部分礦點在高值區外圍，如那更康切爾北銀礦點、葉隴溝金礦點等，這可能是由于水系沉積物的異常漂移所致。此外，中北部的一處大面積高值區與西部的哈日扎礦床異常區特征相似，且均位于印支期巖體與北西向構造發育地帶，可能具有一定的礦產勘查前景。

F2因子的方差貢獻率為10.50%，主要分布于察汗烏蘇河地區北部，多集中于巖體與巖體、巖體與地層的接觸帶，表現為一套中高溫元素組合，與區內構造活動及巖漿侵入作用有關。最為濃集的區域主要分布于研究區西北部，可能是由于巖體-構造活動較為頻繁，深部巖漿侵入所致，也可能是其南部的哈日扎銅多金屬礦床造成的礦致富集。

F3因子的方差貢獻率為8.92%，主要分布于察汗烏蘇河以西，多位于金水口巖群地層內或其與巖體的交界地帶，與區內的基性-超基性侵入巖及古老地層有關。西南部的富集區與已知的礦點相吻合，說明區內熱液蝕變作用與深部巖體及成礦作用存在成因聯系。東部廣泛發育酸性侵入巖和鄂拉山組中酸性火山巖的區域未見富集。

F4因子的方差貢獻率為8.39%，以面積較小的點狀分散于察汗烏蘇河地區內，與已知的葉隴溝金礦點、尕之麻金礦點及圖中未標注的小型金礦化有一定相關性，但存在一定程度的漂移，這一現象在1∶5萬水系沉積物地球化學中的較為常見。

3 異常信息提取

地球化學異常信息的提取是勘查地球化學中最重要的環節，常用方法主要包括傳統統計學方法、累計頻率法、趨勢面分析法以及多重分析法［25-30］，其中多重分析法被廣泛運用，并取得了良好的礦產勘查效果，形成的多種異常下限計算模式包括：分形求和法、含量-頻率分形法、含量-面積分形法等［31-35］。文中將驗證含量-面積分形法對于類似的西北干旱氣候下的水系沉積物地球化學數據處理的合理性與可行性。

3.1 含量－面積分形法

西北干旱地區化探原始數據分布不集中，地層和巖體之間的地球化學屬性差異明顯，容易導致不同地質體之間的化探結構不均，造成范圍性的化探低值區與高值區。利用含量-面積分形法可以對元素含量和所賦的地質體面積進行綜合判定，增強對差異背景下元素異常的識別。

成礦過程中成礦元素的富集或虧損過程是復雜的非線性過程，多期的礦化疊加及改造使同一成礦過程可能經歷不同的成礦階段，造成成礦元素在成礦域內呈現出不均勻的自然屬性。成秋明等提出的含量-面積分形模型以分維數與冪函數為分形基礎，尋找觀測尺度與觀測量（及元素含量與觀測面積）之間的冪級數關系［36-38］，可以合理并有效地度量不均勻的自然屬性。

3.2 異常下限確定

通過對研究區內12種元素進行含量-面積分形處理，根據不同元素含量（Value）與面積（Area）之間的對數變化規律，將元素含量分為不同區間進行擬合，在盡可能保證剩余平方和值最小、擬合精度最高的前提下，得到各元素的含量-面積分形法圖解（圖4）。

圖4 察汗烏蘇河地區12種元素的含量-面積分形法擬合關系Fig.4 Fitting relation of 12 elements by Value-Area method in Chaghanwusu River Area

從圖4可以看出，所有元素均具有多重分形的結構特征，元素的含量與分布面積表現為近似冪相關。根據各元素分形特征將Cu，Pb，Mo，Bi，Sb，Co劃分為3個區段，Au，Ag，Zn，W，Sn，As元素劃分為4個區段。由于不同地區或者地質體的元素背景值存在一定的差異［39］，所以在捕捉低背景地區微弱異常的同時還應注意剔除高背景所帶來的無效異常干擾。因此，選取第1段與第2段擬合直線的分界值作為低背景下的異常下限更為準確合理，以1，2，4倍的下限值作為異常濃集分帶；選取第2段與第3段擬合直線的分界值作為高背景值下的異常下限，以1，1.5，2倍的下限值作為異常濃集分帶（表4）。以Au，Ag元素為例，分別提取這2種元素在高、低背景下的外帶濃度作為元素異常下限，以1，2，4倍的異常下限作為外帶、中帶和內帶，所得的異常范圍面積整體較大（圖2），濃集中心突出，既不會遺漏低背景異常，又保留了元素的奇異性分布特征，且與已知礦點吻合度高。

表4 察汗烏蘇河地區元素異常下限Table 4 Abnormal lower limit of the elements in Chaghanwusu River Area

4 地質意義

4.1 反映西北干旱地區地球化學分布特征

利用含量-面積分形法共圈定22處綜合異常（圖2），多個異常與已知礦化點十分吻合，能客觀地反映西北干旱地區地球化學分布特征并識別地球化學異常。綜合研究區地質體、構造背景和礦化信息，篩選出5個最有潛力的遠景區（圖2），其中多個遠景區在野外地質調查中均有礦化異常發現：第一，熱水遠景區華力西期巖漿巖中蝕變巖型礦化，露頭表面發育較強的褐鐵礦化，內部可見蜂窩狀硫化物和細脈狀深色金屬礦物（圖5（a）），撿塊樣中Ag含量為23.2×10-9；第二，加羊遠景區蝕變石英脈，蝕變類型以褐鐵礦化為主，脈體中可見原生硫化物以及蜂窩狀流失孔洞（圖5（b））；第三，各瑪龍東遠景區構造蝕變帶（圖5（c）），地表發育較強的硅化蝕變，可見以黃鐵礦、毒砂為主的原生硫化物。

4.2 降低西北干旱地區巖屑介質分布不均的干擾

從圖2中可以看出，多種礦產異常較為分散，篩選出的礦產資源信息降低了西北干旱地區物理風化嚴重和地表徑流不穩定所導致巖屑介質分布不均等干擾。

4.3 反映低背景值下的微弱異常

在熱水遠景區中圈定出Ag，Cu綜合異常，而區內已發現鉬礦床1處，銅、鉬礦化點8處，與本次圈定綜合異常有所出入，但是野外調查中發現的礦化信息（圖5（a））證實該區確有Ag礦化異常，未遺漏低背景值下的微弱異常，驗證了含量-面積分形法的可靠性。

圖5 察汗烏蘇河地區礦化蝕變特征Fig.5 Characteristics of mineralization alteration in Chaghanwusu River Area

在西北干旱地區特殊的自然條件下，地球化學整體變化幅度不大，僅在異常濃集區表現明顯。而含量-面積分形法能夠比較客觀地反映地球化學異常特征，并可對微弱、分散的地球化學異常進行更好地識別與提取。尤其對低背景區域的元素異常識別更具優勢，可以避免傳統方法容易疏漏低背景下的異常，造成有礦無異常的現象，具備良好的可靠性。

5 結 論

1）西北干旱條件氣候條件下的巖屑介質分布不均勻，所獲取的水系沉積物地球化學信息差異性明顯，在區域尺度上存在元素的高低背景差異。

2）含量-面積分形法圈定的化探異常能針對元素分布的奇異性特征，客觀的反映實際地球化學分布特征，尤其可以不遺漏低背景值下的微弱異常，適用于西北干旱條件下的水系沉積物地球化學數據處理，是一種可靠的地球化學勘探方法。