唐世新，馬生明，李建軍，宋云濤

(1.中國地質(zhì)科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000; 2.河北省地質(zhì)測繪院，廊坊 065000)

0 引言

典型的干旱荒漠區(qū)由于其獨特的自然景觀，通常表現(xiàn)為地勢平緩、植被稀少、水系也不發(fā)育，并且風積作用較強，風成沙覆蓋較普遍，用常規(guī)地球化學勘查方法圈定的異常除較弱外，一般還較零散且異常范圍較小，以至于在該類景觀區(qū)常規(guī)化探方法技術的使用受到限制。為徹底解決這一困境，勘查地球化學家們近些年來在該景觀區(qū)做了大量試驗研究，其中不乏包括地電化學與地氣測量等新興技術，也顯示出一定效果，但由于技術本身始終面臨一些問題，一直也并未真正大范圍推廣應用。可以說在干旱荒漠區(qū)地球化學勘查方法技術正面臨著挑戰(zhàn)，當然也面臨著難得的發(fā)展機遇。作者及研究團隊前期研究結果證實[1-3]，受自然環(huán)境條件影響，在半干旱草原景觀殘坡積物和風成沙土覆蓋區(qū)，磁性組分測量技術顯示出良好的找礦效果，而在新疆東準噶爾干旱荒漠景觀區(qū)，磁性組分測量技術在斑巖型銅礦找礦勘查中具有較常規(guī)土壤測量更有效發(fā)現(xiàn)異常的能力，初步顯示出其獨特的優(yōu)越性，應用潛力值得期待。土壤磁性組分測量方法技術有效性試驗在東準噶爾地區(qū)的初步成功，為干旱荒漠景觀區(qū)地質(zhì)找礦勘查技術突破帶來希望。但與此同時，試驗區(qū)涵蓋范圍有限、礦床類型單一等問題又反過來制約著磁性組分測量技術的應用、發(fā)展以及推廣。

東天山-北山成礦帶成礦地質(zhì)條件較好，是我國比較重要的 Fe、Au、Cu、Ni、W、Mo、Pb、Zn礦集區(qū)之一，銅鎳硫化物礦床是該成礦帶內(nèi)較重要的礦床類型，而銅鎳硫化物礦床本身磁性礦物含量較高，為開展土壤磁性組分中元素含量和分布特征研究提供了先決條件。因此為擴大磁性組分測量這一新方法技術的適用范圍，同時更為了早日提出適用于我國干旱荒漠區(qū)有色金屬礦地球化學勘查方法，作者以新疆東天山沙泉子銅鎳硫化物礦床為試驗區(qū)，開展磁性組分測量有效性試驗研究，為說明方法技術本身的實用性，將磁性組分元素分析數(shù)據(jù)與常規(guī)土壤測量數(shù)據(jù)進行對比研究，以此來體現(xiàn)磁性組分測量技術的優(yōu)越性，進而為該方法技術能夠廣泛應用于干旱荒漠景觀區(qū)實際地質(zhì)勘查中奠定基礎。

1 試驗區(qū)地質(zhì)概況

沙泉子銅鎳礦區(qū)位于塔里木板塊與準噶爾板塊間的那拉提-紅柳河縫合帶(NHT)。北部為巴侖臺-星星峽離散地體，該地體是從塔里木古陸裂解出來的古老碎塊，以往稱中天山地塊。古老的變質(zhì)巖系為區(qū)域上出露的主要地層，基底歷經(jīng)多次構造活動，伴隨極為活躍的巖漿活動，侵入巖大面積出露，為該區(qū)銅鎳硫化物礦床的形成提供了必要的物質(zhì)條件與環(huán)境條件。

1)區(qū)域地層分布范圍較廣，主要出露下石炭統(tǒng)雅滿蘇組(C1yb)、中石炭統(tǒng)底坎爾組(C2d)、二疊系下統(tǒng)阿其克布拉克組(P1a)、中元古界長城系星星峽群(Chx)和薊縣系卡瓦布拉克群(Jxkw)地層，其中，下石炭統(tǒng)雅滿蘇組為一套基-酸性火山巖，主要巖性為玄武巖、熔結凝灰?guī)r類、晶屑巖屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、流紋巖等；中石炭統(tǒng)底坎爾組為一套中基性火山巖、碳酸鹽巖組合，以火山碎屑巖為主，夾灰?guī)r透鏡體，局部見少量酸性凝灰?guī)r；二疊系下統(tǒng)阿其克布拉克組主要巖性為玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖以及一些正常沉積雜砂巖、細砂巖、粉砂巖等；中元古界長城系星星峽群為一套濱海-淺海相碎屑巖建造，巖性組合為片巖、片麻巖及薄層大理巖；薊縣系卡瓦布拉克群為一套淺海相細碎屑巖，局部為海退瀉湖相沉積，巖性組合為綠泥石英片巖、絹云母石英片巖、石英巖和大理巖。

2)區(qū)域構造比較發(fā)育，深大斷裂主要有北部的沙泉子深大斷裂及南部的紅柳河深大斷裂(圖1)，沙泉子銅鎳礦床在區(qū)域上則位于兩大斷裂之間，構造線總體表現(xiàn)為近東西向，斷裂呈東西- 北東東-東西向波狀延伸。區(qū)域東部為東寬西窄的帶狀白虎關復背斜，總體呈50°～60°方向展布，根據(jù)有關資料該構造呈西南傾伏，由一系列的背斜和向斜組成，沙泉子銅鎳硫化物礦床就產(chǎn)出于白虎關復背斜的北翼。

3)區(qū)內(nèi)巖漿巖十分發(fā)育，種類較多，巖性也比較復雜，主要出露有酸性、中性以及超基性雜巖體，受構造影響，巖體多呈北東-東向長軸狀產(chǎn)出，并具有多期性。侵入巖以華力西中期中性巖為主，基性-超基性巖組成的天宇雜巖體，則分布在其邊部及中部，脈巖一般規(guī)模較小，巖性從基性到酸性均有分布。沙泉子銅鎳硫化物試驗區(qū)內(nèi)主要巖性有橄欖巖、橄輝巖、輝石巖、蘇長巖、輝長巖、閃長巖、片麻狀花崗巖及黑云斜長片巖等，其中單輝橄欖巖、角閃輝長巖、橄欖巖和斜長橄輝巖為主要含礦巖石[4]，目前已發(fā)現(xiàn)多處具有工業(yè)價值的礦體，片麻狀花崗巖為礦體頂板圍巖，黑云斜長片巖為礦體底板圍巖。

圖1 沙泉子試驗區(qū)構造位置略圖[13]Fig．1 Geological map of mafic-ultramafic rocks and structure of Shaquanzi deposit[13]

2 樣品采集與樣品分析

在沙泉子銅鎳硫化物試驗區(qū)內(nèi)選擇 3.75 km2(圖2)，按照100 m×40 m 的采樣網(wǎng)度系統(tǒng)采集土壤原始樣品1 031件，在風成砂覆蓋地區(qū)，采樣深度一般為40 cm～50 cm。采集的土壤原始樣品在野外經(jīng)自然風干后，用不銹鋼樣品篩篩分出+4目～-60目及+60目～-120目兩個粒級子樣，前者用于常規(guī)土壤測量，后者利用電磁分選儀分離出土壤中天然磁性組分后，進行元素含量分析測試。

樣品采用常規(guī)方法在無污染的瑪瑙研缽機中研磨至 200目以下，送至遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院實驗室分析測試?？紤]到試驗區(qū)為銅鎳硫化物型礦床，土壤及磁性組分測量樣品同時分析測試了 Ni、Co、Cu、Ag、Cr、As、Sb、Bi、Mo、W 等10種元素，分析方法、檢出限如表1 所示。分析質(zhì)量監(jiān)控采用一級標準物質(zhì)和重復分析方法，合格率100% (表1)，表明樣品分析質(zhì)量滿足研究要求。

圖2 沙泉子銅鎳礦試驗區(qū)地質(zhì)簡圖Fig．2 Geological sketch of Shaquanzi Cu-Ni deposit

表1 樣品分析方法及質(zhì)量監(jiān)控結果

注：XRF為壓片法X-射線熒光光譜法；ICP-MS為等離子體質(zhì)譜法； HG-AFS為氫化物原子熒光光譜法。樣品分析測試單位為遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院。Ag以ng/g計量，其他以μg/g計量。

3 數(shù)據(jù)處理方法——EDA技術

本次試驗采取常規(guī)土壤與磁性組分測量對比研究，因此選擇合適的統(tǒng)計學方法尤為重要，常規(guī)的統(tǒng)計學方法都有明確的基本假設條件，例如迭代法要求整體樣本符合正態(tài)分布，而它們又常常不能準確地描述勘查地球化學數(shù)據(jù)的真實特性，有學者曾提出一種非常規(guī)勘查數(shù)據(jù)分析技術(EDA)[5-9]，這種數(shù)據(jù)方法的優(yōu)勢在于其不需要任何假設條件，只是根據(jù)樣本本身所固有的特性來識別異點，并且不需要預先對原始數(shù)據(jù)作任何數(shù)學處理，它利用式(1)與式(2)來識別異點。

Fu=Qu+1.5×Sh

(1)

F1=Q1+1.5×Sh

(2)

其中：Fu和F1分別相當于異常下限和異常上限；Qu為整體樣本的上四分點；Q1為樣本下四分點；Sh則相當于樣本的標準離差。從式(1)與式(2)可以看出，在該種方法中，異常上限或異常下限并不會受個別異常值的影響，即樣本中個別的極高值或極低值也就不會對整體樣本的算術平均值和標準離差帶來很大的影響，從而影響到異常下限的確定。因此，考慮到 EDA 技術能夠有效抵抗個別異常數(shù)據(jù)干擾和影響[10]，本次研究采用該數(shù)據(jù)處理技術對土壤及磁性組分兩種測量方法的分析數(shù)據(jù)進行處理，以更加客觀、真實的結果展示磁性組分測量在東天山干旱荒漠地區(qū)的有效性。

4 結果與討論

作者從數(shù)據(jù)本身(特征統(tǒng)計參數(shù))和成礦元素的地球化學異常特征這兩個方面入手，分別對兩種測量方法進行對比研究。元素測試分析數(shù)據(jù)及其特征統(tǒng)計參數(shù)可以直觀地反映出數(shù)據(jù)本身的差異，再通過人為解譯出數(shù)據(jù)背后所包含的真實地質(zhì)意義，而成礦元素的地球化學異常圖件則可以直觀地進行試驗效果的比對，兩個方面缺一不可。

4.1 特征參數(shù)統(tǒng)計

本次研究采用 EDA 技術中 boxplot 來對比突出顯示沙泉子銅鎳礦試驗區(qū)土壤與磁性組分間數(shù)據(jù)的差異，以確定更具代表性的取樣介質(zhì)。與經(jīng)典統(tǒng)計學相比，boxplot 的主要優(yōu)勢在于，它可以在沒有任何假設模式的前提下描述元素的經(jīng)驗分布。因此，它是完全建立在數(shù)據(jù)結構基礎上的。在 boxplot 中可以直觀地看出一批數(shù)據(jù)的下列特征：位置、散度、偏度、尾長和外圍數(shù)據(jù)點數(shù)，在相當程度上強化了對單一數(shù)據(jù)集上述特性的直觀評價。這使得boxplot 非常適合于數(shù)據(jù)組之間的對比。

圖3為試驗區(qū)內(nèi)成礦元素 Ni 的 boxplot 對比結果。土壤中 Ni 的中值為15 μg/g(表2)，異常下限為 40 μg/g，含量超過異常下限的試驗點，即異常點數(shù)為 60 個。磁性組分中Ni的中值為 44 μg/g，異常下限為 93 μg/g，異常點數(shù)則達到 101 個。與土壤相比，磁性組分中成礦元素Ni表現(xiàn)為中值較高，實際上其中值還要高于土壤的異常下限，數(shù)據(jù)變化性較大，異常下限相當高，異常點數(shù)非常多，分析精度對結果的影響不大，具有明顯的優(yōu)勢。

成礦元素 Cu 的 boxplot 對比結果示于圖4，與 Ni 元素類似。土壤中 Cu 的中值為18 μg/g，異常下限為39 μg/g，異常點數(shù)僅為 57 個。磁性組分中Cu的中值為 50 μg/g，異常下限為 83 μg/g，異常點數(shù)則高達 98 個。與土壤相比，磁性組分中成礦元素 Cu 則表現(xiàn)為中值較高，甚至明顯高于土壤的異常下限，數(shù)據(jù)變化性也較大，異常下限相當高，異常點數(shù)非常多，分析精度對結果的影響不大。

本次研究除了應用 boxplot 圖解法直觀地表現(xiàn)兩種測量方法的差異性及優(yōu)劣性以外，還選擇了以往勘查地球化學數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法中常用的均值、背景值、標準離差等參數(shù)，對比研究對土壤及磁性組分兩種測量方法的有效性，特征參數(shù)統(tǒng)計見表3。

從表3中可見，磁性組分中統(tǒng)計的Ag、Cr、Co、Ni、Cu、As、Sb、Bi、Mo、W等十種元素相比土壤均表現(xiàn)為具有更高的平均值，一般是土壤的2倍～3倍。例如磁性組分中主成礦元素 Ni 和 Cu 含量平均值分別為 59 μg /g 和 58 μg /g，基本都達到土壤原樣的3倍左右。背景值對比結果顯示，其與均值基本一致，各元素背景值在磁性組分中更高，成礦元素Ni和 Cu 的背景值分別是土壤原樣的 2.9倍和 2.7倍。從統(tǒng)計結果中可以看出，無論是平均值，還是背景值，抑或是表2中所羅列的元素異常下限值，均表現(xiàn)為磁性組分中數(shù)值較高，這無疑是更加利于把某些含量低、變化微弱的信息放大，增加異常識別的可能性。

圖3 土壤和磁性組分中成礦元素Ni boxplot對比圖Fig．3 Contrast boxplot of Ni of soil and magnetic material

圖4 土壤和磁性組分中成礦元素Cu boxplot對比圖Fig．4 Contrast boxplot of Ni of soil and magnetic material

表3 土壤及磁性組分測量部分元素地球化學參數(shù)統(tǒng)計

注：表中統(tǒng)計的土壤及磁性組分樣品數(shù)均為1 031 件；表中元素除Ag含量單位為×10-9外，其余均為×10-6。

與單純地對比元素含量高低相比，數(shù)據(jù)本身的離散程度(標準離差)能夠更進一步反映地球化學勘查的實際效果。從表3中可見，土壤與磁性組分兩種測量方法的元素分析數(shù)據(jù)標準離差存在明顯差異，總體表現(xiàn)為磁性組分中元素含量標準離差較大。其中磁性組分中主成礦元素 Ni 的標準離差為60，土壤僅為30，前者為后者的2倍。從絕對離散程度看，磁性組分測量離散程度更大。

異常襯度在地球化學勘查中也是一項比較重要的參數(shù)，經(jīng)常用來評價方法技術的有效性。表3中土壤和磁性組分兩種測量方法異常襯度差異并不明顯，因此僅從襯度角度來看，并不能突顯出磁性組分測量技術的優(yōu)越性?；谶@種情況，本次研究中引入異常強度參數(shù)，以期望進一步展示該方法技術的實用優(yōu)越性；而有研究表明[12]，異常強度的大小在一定條件下對異常源或礦體中元素含量和礦化規(guī)模有所反映。比對兩種方法的異常強度發(fā)現(xiàn)(表3)，磁性組分測量各元素具有更強的異常強度，從數(shù)值上看，成礦元素 Ni、Cu 以及其它伴生元素均達到土壤的2倍～3倍。由此可見，相比常規(guī)土壤測量，磁性組分測量由于具有更高的異常強度，更有利于發(fā)現(xiàn)一些微弱的地球化學異常信息。

由上述特征參數(shù)綜合分析可知，相比于常規(guī)的土壤測量，磁性組分測量具有高含量、高離散、高強度等優(yōu)勢，更加有助于發(fā)現(xiàn)和識別微弱的地球化學異常信息，具有更佳的找礦效果。典型荒漠區(qū)礦產(chǎn)勘查難度一般較大，勘查地球化學元素含量較低且變化不大，異常較弱，磁性組分測量恰好能夠克服上述困難，通過提高異常強度來發(fā)現(xiàn)弱小異常，從而有望實現(xiàn)荒漠區(qū)礦產(chǎn)勘查突破。

4.2 成礦元素異常特征

本次研究主要通過主成礦元素 Ni、Cu 進行研究說明。為了對比研究的需要，統(tǒng)一使用 Mapgis 軟件繪制地球化學異常圖。將二種試驗方法測量結果的異常圖色階均確定為3級，依次作為異常內(nèi)、中、外帶等值線，其中外帶以 EDA 數(shù)據(jù)處理技術所得異常下限為準，中帶及內(nèi)帶色階則按照累積頻率的方法獲得。

沙泉子銅鎳礦試驗區(qū)土壤測量成礦元素 Ni、Cu圈定的異?？傮w相似(圖5)，規(guī)模較小，在地表礦體出露部位有不連續(xù)的異常顯示。異?？傮w分布在試驗區(qū)南部，呈北東向展布，與控礦構造及礦體有較好對應。Ni、Cu 異常除在礦體部位有顯示外，在∑19號雜巖體有少量弱異常分布。

磁性組分測量在沙泉子銅鎳礦區(qū)圈出了規(guī)模較大、內(nèi)部結構較清晰的鎳、銅異常(圖6)，主要分布在試驗區(qū)南部及中部，外、中、內(nèi)帶三分帶明顯，具有多個濃集中心，Ni、Cu均可達到內(nèi)帶水平。元素 Ni、Cu 異常套合較好，形態(tài)不規(guī)則。在南部圈定的異常明顯，呈帶狀沿北東向連續(xù)展布，異常范圍大，分帶性好，濃集中心也突出。試驗區(qū)中部元素Ni異常總體呈東西向分布，與∑19號雜巖體產(chǎn)出位置一致，Cu 元素在此處也有較為明顯的異常顯示，而銅鎳礦床的形成與基性-超基性雜巖侵位密切相關，因此基性—超基性復式巖體賦存位置是銅鎳硫化物礦床成礦的有利部位。

上述試驗結果表明，土壤及磁性組分兩種測量方法在已知礦體出露部位均有較為明顯的成礦元素異常顯示，但兩者在異?？傮w分布、規(guī)模和強度等方面還是存在一定差異。磁性組分測量成礦元素 Ni、Cu 異常表現(xiàn)為連續(xù)且規(guī)模較大，在已知礦體出露地表部位，圈出的成礦元素強異常分布規(guī)律較好，受巖體及構造等地質(zhì)條件控制呈北東向帶狀分布，而在未知區(qū)同樣有明顯分帶的強異常顯示。相比而言，常規(guī)土壤測量除礦體出露部位圈定出強異常以及未知區(qū)的孤點異常外，其它基本為分布較散且范圍較小的弱異常，異常在本試驗區(qū)總體分布規(guī)律較差。

結合地質(zhì)背景分析，磁性組分測量不僅在沙泉子銅鎳礦試驗區(qū)內(nèi)已知礦體出露處圈出了強異常，并且在未知區(qū)也發(fā)現(xiàn)了規(guī)模大、強度高的異常；相反，土壤測量對弱小異常反映較差。磁性組分測量與土壤測量相比，具有如下優(yōu)勢：①保持了強異常，并且使強異常呈明顯的帶狀分布，在試驗區(qū)南部，礦體出露部位，二種測量方法均有異常顯示，但磁性組分測量異常較常規(guī)土壤測量更規(guī)整也更連續(xù)，總體顯示出北東向帶狀分布，異常面積也有所增加；②強化了弱小異常。常規(guī)土壤測量在∑19號雜巖體分布部位表現(xiàn)為弱、小異常，而磁性組分測量異常不僅強度大大提高，而且異常面積也有所增加，元素Ni更是顯示出近東西向帶狀分布；③發(fā)現(xiàn)了新異常。常規(guī)土壤測量法除在礦體出露處圈出強異常及∑19號雜巖體分布部位顯示弱、小異常外，基本再未圈出異常，而磁性組分測量卻在試驗區(qū)北部發(fā)現(xiàn)了較強異常。

圖5 沙泉子銅鎳礦試驗區(qū)土壤測量異常圖(圖例參見圖2)Fig．5 Geochemical anomaly maps of soil survey in Shaquanzi Cu-Ni deposit

圖6 沙泉子銅鎳礦試驗區(qū)磁性組分測量異常圖(圖例參見圖2)Fig．6 Geochemical anomaly maps of magnetic material survey in Shaquanzi Cu-Ni deposit

5 結論

本次試驗研究表明，在受風成砂土干擾比較嚴重的干旱荒漠區(qū)，針對銅鎳硫化物型礦床，通過磁性組分測量及土壤測量總體上均能夠發(fā)現(xiàn)異常，但是在相同的采樣位置和相同的采樣密度條件下，與常規(guī)土壤測量相比，磁性組分測量能夠更好地、更成功地圈出已知礦體，顯示出較高的金屬含量和地球化學異常強度，更有利于發(fā)現(xiàn)和識別荒漠區(qū)中微弱的異常信息。本次試驗結果，為我國干旱荒漠景觀區(qū)地球化學勘查提供了新的思路和借鑒，進一步擴大了磁性組分測量技術的適用范圍，對指導該類景觀區(qū)地質(zhì)找礦具有明確意義。

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