陕西山阳夏家店金矿找矿预测模型构建与找矿示范

Development of a geological prospecting prediction model and its application in exploration targeting: A case study of the Xiajiadian gold deposit, Shanyang, Shaanxi Province

摘要

夏家店金矿地处秦岭造山带北缘,是柞水—山阳矿集区典型矿床,近年来找矿勘查工作取得重大突破,显示深部和外围有较大的找矿潜力,但其勘查深度仅在地表以下500 m以内,寻找深部矿、隐伏矿已经成为本区矿产勘查最突出的问题。本文以勘查区找矿预测理论为指导,总结了夏家店金矿地质背景、地球物理与地球化学特征,构建了以成矿地质体、成矿构造和成矿结构面特征和成矿作用特征标志为核心内容的找矿预测地质模型,为区内金多金属矿找矿预测提供范例。夏家店金矿为远成低温岩浆热液型金矿,成矿时代为晚侏罗世—早白垩世。成矿地质体为中酸性隐伏侵入体,成矿构造属区域性夏家店—耀岭河倒转背斜和镇安—板岩镇大断裂复合系统,成矿结构面为断裂构造、岩性界面和不整合面。与金成矿关系最密切的是硅化、绢云母、方解石化、萤石化,在矿区上部及外围雌黄、雄黄等矿物较发育,在矿体及其下部黄铁矿和毒砂等矿物较发育。矿体具有“高极化率、低电阻率”电性特征,成矿元素具Au、As、Hg、Sb组合特征,原生晕分带总体表现为As-Hg-Sb为前缘晕,Au-Ag-Zn为矿体晕,W-Sn-Mo为尾晕。综合地质、物探和化探等信息,建立综合信息找矿预测模型,圈定3处找矿靶区,经工程验证,在镇安—板岩镇大断裂内新发现厚大金矿体。

Abstract

The Xiajiadian gold deposit, located on the northern margin of the Qinling Orogenic Belt, is a representative deposit in the Zhashui-Shanyang ore concentration area. In recent years, significant breakthroughs have been achieved in mineral exploration, indicating considerable potential for mineral discovery in deep and peripheral areas. However, exploration has only reached depths of up to 500 meters below the surface. The search for deep and concealed ore deposits has become the most pressing issue in mineral exploration in this region. Guided by the theory of ore prospecting prediction based on ore-forming geological bodies, this paper summarizes the geological background, geophysical and geochemical characteristics of the Xiajiadian gold deposit. It constructs a geological model for mineral exploration prediction, focusing on the characteristics of ore-forming geological bodies, ore-controlling structures, ore-controlling structural planes, and mineralization features, providing an example for gold and polymetallic mineral exploration prediction in the area. The Xiajiadian gold deposit is a low-temperature magmatic hydrothermal gold deposit, with mineralization occurring during the Late Jurassic to Early Cretaceous. The ore-forming geological body is a concealed intermediate-acidic intrusive body, and the ore-controlling structures are the Xiajiadian-Yaolinghe regional overturned anticline and the Zhen’an-Banyanzhen major fault complex system. The ore-controlling structural planes include fault structures, lithological interfaces, and unconformities. The alteration types most closely related to gold mineralization are silicification, sericitization, calcitization, and fluoritization. Orpiment and realgar are relatively developed in the upper part and periphery of the mining area, while minerals such as pyrite and arsenopyrite are more developed in and below the ore body. The electrical characteristics show “high polarizability and low resistivity”, and the ore-forming elements exhibit an association of Au, As, Hg and Sb. The primary halo zoning generally shows As-Hg-Sb as the front halo, Au-Ag-Zn as the ore halo, and W-Sn-Mo as the tail halo. Integrating geological, geophysical, and geochemical information, a comprehensive information-based mineral exploration prediction model is established, and three mineral exploration target areas are delineated. Engineering verification has led to the discovery of a thick and extensive gold orebody within the Zhen’an-Banyanzhen major fault.

Graphical abstract

关键词

夏家店金矿 / 成矿地质体 / 成矿构造和成矿结构面 / 成矿作用特征标志 / 找矿预测

Key words

Xiajiadian gold deposit / ore-forming geological body / ore-controlling structure and structural plane / characteristics of mineralization / prospecting prediction

0 引言

寻找和发现隐伏矿、深部矿是矿产勘查界的研究热点和找矿难点,大比例尺找矿预测研究直接服务于矿产勘查工作,是实现科学找矿的重要途径^[1-4]。20世纪80—90年代,朱裕生等提出大比例尺矿产预测的概念^[5],程裕淇、陈毓川院士创建成矿系列理论^[6],翟裕生院士创建成矿系统理论^[7]。21世纪以来,大数据智能化时代引领了地球科学技术发展,基于大数据和人工智能技术的矿产资源预测评价成为国际上地学大数据应用的重要方向之一,开拓了找矿新思路^[4,8-15]。2014年,叶天竺教授创建了勘查区找矿预测理论^[1-2,16],该理论在异常找矿推进至模型找矿的基础上更进一步,将成矿作用内因(元素的地球化学特征)和外因(地质作用类型)相结合,以构建能定性且定量反映矿体赋存位置的成矿地质体、成矿构造和成矿结构面、成矿作用特征标志“三位一体”找矿预测地质模型为核心,将深部找矿从传统的直接寻找矿体扩大为寻找成矿地质体、成矿结构面等间接找矿标志,并揭示矿化样式在三维空间中的变化规律,精细刻画三维空间结构(深浅、上下、左右、内外等结构模式),利用综合找矿和间接找矿的方式,实现隐伏矿体的精准定位,指导矿山深边部找矿取得重大突破^[17-19]。

柞水—山阳矿集区位于秦岭造山带北缘,北部以商南—丹凤深大断裂为界,南部以镇安—板岩镇大断裂为界。夏家店金矿作为区内代表性金矿床,近年来找矿勘查工作取得重大突破,并显示其深部和外围有较大的找矿潜力^[20-22]。前人对该区的地质背景、构造特征、成矿时代、成矿流体、矿床成因和找矿标志等进行了较为深入了研究^[23-37],构建了区域找矿模式,但对于夏家店金矿找矿预测模型研究较少。本文以勘查区找矿预测理论为指导^[38],在夏家店金矿深部和外围找矿中取得了找矿新发现和新突破。本文在系统梳理总结前人研究成果基础上,结合近年地质找矿进展,分析研究夏家店金矿典型矿床成矿地质体、成矿构造和成矿结构面、成矿作用特征标志,总结了矿床地质预测要素,构建了找矿预测地质模型,并综合地球物理和地球化学特征,建立夏家店金矿综合信息找矿预测模型,阐述了找矿示范应用过程,为区域内金多金属矿找矿预测提供思路和示范,以期更好地应用大数据分析指导深部矿和隐伏矿矿产勘查。

1 地质背景

夏家店金矿床位于秦岭造山带南秦岭构造带北部,区域性大断裂山阳—凤镇大断裂和镇安—板岩镇大断裂的南侧(图1^[23,39-41]),属于东川—夏家店—耀岭河金银钒铜成矿带的东段夏家店—耀岭河段。区域上由于秦岭造山带长期演化活动,在不同的构造体制下形成一套基底+盖层的二元结构。其基底主要有新元古界耀岭河群火山岩系、震旦系—奥陶系碳酸盐岩-碎屑岩、寒武系—志留系陆棚边缘盆地炭泥硅质岩^[42],盖层主要有泥盆系碳酸盐岩和碎屑岩。区域构造带主要呈近东西向带状展布,大型近东西向褶皱构造和断裂构造构成本区构造基本骨架。区域内还发育NE、NNE和NW向断裂带,这些断裂带与东西向断裂带的交汇部位控制区域内中生代晚期岩浆岩侵位和相关矿床的分布^[43]。区内存在新元古代、三叠纪、晚侏罗世—早白垩世三期岩浆活动^[44-45],尤其以中生代岩浆岩体在区内分布最为广泛。近年来在池沟一带铜矿床勘查发现的厚度达百米的斑岩型铜矿体^[46]及小河口岩体外围勘查新发现的庙梁爆破角砾岩型金矿床,均显示晚侏罗世至早白垩世的岩体在该区域内具有较强的成矿作用。

矿区主要出露震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系等地层,其中下寒武统水沟口组和下泥盆统西岔河组为区内主要储矿建造(图2)。下寒武统水沟口组黑色页岩系为一套碳-硅-泥质岩石建造,下泥盆统西岔河组为一套以粗碎屑岩为基底的碎屑岩夹少许泥质和镁质碳酸盐岩。矿区褶皱、断裂构造发育,主要褶皱构造为夏家店—耀岭河—湘河倒转背斜。目前发现、圈定了十条主要断裂构造,其中近东西向的镇安—板岩镇断裂(F₁)、烟囱沟—紫草沟层间断裂(F₅)和北东-南西走向的老林沟—柳树沟断裂(F₄)为区内主要控矿断裂。

2 地球物理与地球化学特征

2.1 地球物理特征

区域重力场处于布格重力负值区,异常值介于-156×10^-5~80×10^-5 m/s²之间。布格重力异常具有明显的东南高、北部及西部低的特征,北部地区分布有北西向的重力高带以及镶嵌其中的重力低区(带)。1∶5万高精度磁测在夏家店—中村一带圈定1个东西向带状磁异常,磁异常从七蓬沟经彭家岭到张家院子由东西向转为北西向展布,长12.7 km,宽1.2~3 km。异常正值最高可达1 550.01 nT,负值最小-461.3 nT,正异常最大宽度约1.3 km,有双峰甚至三峰特征^[30]。在夏家店金矿区解译出一条北北东向断裂,长约7.8 km,该断裂贯穿整个夏家店金矿区,矿区部分与夏家店控矿断裂F₄重合。

2.2 地球化学特征

1∶5万水系沉积物测量结果^[47]显示,夏家店金矿异常元素组合主要为Hg、Sb、As、Au,位于刘家峡—老林沟一带。异常呈带状,近东西向展布,异常长约6 km,宽约3 km,面积15 km²(图3)。其中Hg、Sb异常最大,向东与Hs10号异常部分重合。Au异常面积约为12 km²,As异常面积约为2.5 km²,被Au、Hg、Sb异常全部或者局部包容,异常东部与一Ag异常局部套合,异常由内向外有As-Au-Ag、Sb、Hg的组合分带特征。Au、Ag、Hg、As、Sb含量分别为(5~40)×10^-9、0.3×10^-6、2.7×10^-9、50×10^-6、(1.8~6)×10^-6。近年来在夏家店金矿床外围的找矿工作不断取得突破,显示出该异常巨大的找矿潜力。

3 找矿预测地质模型的构建

3.1 成矿地质体

夏家店金矿在矿区范围内无岩浆岩出露。1∶20万区域重力调查在夏家店金矿北部洪河寺一带圈定出重力低异常区,显示深部存在隐伏低密度中酸性岩体^[29]。1∶5万高精度磁法测量推断在区域上存在隐伏的中酸性岩体4处且在镇-板断裂中西部有中酸性隐伏岩体存在^[21]。遥感资料解释发现区内有6处环形(弧形)构造,环形构造的发育位置多同时发育多组断裂构造,推测这些环形构造或与隐伏岩体有关^[20]。以隐伏岩体为中心,夏家店金矿成矿元素发育显著的水平和垂向分带^[27]。综合重磁资料以及遥感构造解译的环形异常(图4)、矿区矿物蚀变及矿石地球化学等特征,初步推断深部有隐伏侵入岩存在。

3.2 成矿构造与成矿结构面特征研究

夏家店金矿床属区域性大型夏家店—耀岭河倒转背斜和镇安—板岩镇大断裂复合系统控制^[48],矿体的就位以镇安—板岩镇断裂及其次级断裂为主^[30],矿区内金矿体主要赋存于东西向构造与北北东向构造交汇部位(图2)。

成矿结构面主要以断裂构造为主,其次还有岩性界面、不整合面等^[30,49](图5)。目前已发现的主要工业矿体大多产出于镇安—板岩镇大断裂(F1)与其次级断裂形成的“入”字形系统内,矿体受区域构造同一应力控制的不同产状和性质的断裂控制^[30,49](图5a)。寒武系水沟口组是本区重要的成矿岩性界面,其中硅质岩、碳硅质板岩和白云岩、泥质板岩形成一套有利于含矿热液沉淀富集的硅钙面(图5b)。岩性的差异往往也可以形成有利于含矿热液沉淀的岩石地球化学结构面,这些界面同时又是构造薄弱带,后期构造往往叠加其上,在成矿过程中成为矿液运移的通道和储矿的有利空间^[30](图5a)。

3.3 成矿作用特征标志研究

3.3.1 矿体宏观特征

夏家店金矿床矿体总体形态简单,呈透镜状、似板状,具有尖灭再现、侧列再现、分支复合现象(图5a)。金矿体受北东向穿层断裂、东西向层间断裂控制,产状与断裂带产状基本一致,倾角50°~80°,长约100~200 m,平均品位1.56~4.65 g/t,真厚度0.9~34.06 m,矿体倾向延伸往往大于走向延长,在走向和倾向上基本呈等间距分布,如Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4金矿体走向间距100~200 m,沿倾向在Ⅰ-1、Ⅰ-3号金矿体深部也发现了新的矿体且间距100~150 m。

3.3.2 矿石特征

夏家店金矿床主要发育角砾岩型、碎裂岩型、糜棱岩型三种类型。

矿石矿物成分较简单,金属矿物以褐铁矿为主,其次是黄铁矿、磁铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、毒砂、自然金。脉石矿物以石英为主,次为白云石、方解石,含少量绢云母、萤石、石墨、重晶石以及碳质、泥质物质等。金矿物为自然金和银金矿,金的成色为966.9‰~985.9‰,以不可见金及少量显微金面貌呈现。矿石构造主要为角砾状构造、变余纹层状构造,次有糜棱状构造、脉状构造、揉皱构造、星点状构造、星散状构造等。矿石结构以它形粒状结构、半隐晶质-晶质结构、碎裂结构、交代结构为主,其次有自形结构、次生边结构、假象结构、晶簇状结构、纤维状结构等。

3.3.3 围岩蚀变特征

与金成矿关系最密切的是硅化、绢云母化、方解石化、萤石化。硅化是矿体附近普遍发育的蚀变,呈烟灰色微细粒-细粒粒状分布,或以脉状、透镜状、网脉状分布于围岩中。方解石化多呈乳白色-紫红色分布于断裂构造带内,脉状、细脉状,局部晶形粗大,方解石边部多伴生有灰黑色硫化物,尤其是NNE向的方解石脉体为本区的重要找矿标志。绢云母化蚀变强度往往与金矿石品位高低呈现正相关关系,多呈浸染状分布于矿体中。萤石化主要分布于Ⅰ-3矿体内,呈紫色、浅紫色脉状-不规则脉状分布于构造裂隙内,与萤石伴生的有黄铁矿、黄铜矿等硫化物。

根据夏家店金矿床矿体蚀变特征、矿石矿物组成及矿体与脉体之间的穿插关系,可将成矿过程分为三个成矿阶段(图6):早期石英阶段(Ⅰ)、主成矿期石英-方解石-萤石-硫化物阶段(Ⅱ)、晚期方解石阶段(Ⅲ)。

3.3.4 成矿时代

多数学者认为该区最为显著的成矿活动发生在晚侏罗世至早白垩世^{[35-36,50-53]}。晚侏罗世—早白垩世岩体规模较小,岩性较为单一,主要有袁家沟、小河口、园子街、池沟、双元沟及土地沟岩体,具有成带、成群分布的特点,出露面积一般小于0.12 km²,最大0.17 km²,长度数百米,呈岩枝、岩株、岩筒状出现,主要形成年龄为148~140 Ma^[53-56]。刘凯等^[21]对主成矿期的方解石、萤石等矿物进行了 Sm-Nd 同位素测试,获得夏家店金矿等时线年龄为(139.64±0.98) Ma,与区域上大规模中酸性侵入岩活动时间一致,认为夏家店金矿床成矿作用与晚侏罗世—早白垩世构造-岩浆事件有关^[57-59]。

3.3.5 矿床地球化学特征

矿体主体及深部黄铁矿、毒砂等矿物较发育,矿体浅部及外围雌黄、雄黄、萤石等矿物较发育(图6b),显示浅部及外围挥发性组分、低温矿物组合更富集。矿石的稀土元素总量明显高于近矿围岩,属于轻稀土富集、重稀土亏损型,负Eu异常,δEu平均值介于地壳值和上地幔值之间,更接近上地幔值^[32]。成矿元素分带较强,原生晕分带总体表现为As-Hg-Sb为前缘晕,Au-Ag-Zn为矿体晕,W-Sn-Mo为尾晕^[27,32,60]。

流体包裹体主要为富液相包裹体,见少量富气相包裹体。成矿期均一温度范围为50~270 ℃,集中在90~179 ℃和190~250 ℃,表明成矿具有多阶段,属于低温热液型矿床^{[20,24-25,30-31]}。流体盐度为0.88%~14.98% NaCl_eqv(质量分数),密度范围为0.749~0.988 g/cm³,属于低盐度低密度流体^[24,30]。平均成矿压力13.815 MPa,平均成矿深度1.381 km,为浅成矿床^[30,61]。在δD-δ¹⁸O组成图解(图7a)中,样品投影点主要落入岩浆水下方及岩浆水和大气降水之间,显示从成矿早中阶段到成矿晚阶段有大气降水不断加入^[60]。含矿方解石脉和白云石脉中碳氧同位素数据投点集中于岩浆源与海相碳酸盐岩之间的范围内,主要靠近花岗岩区域^[31,60,62]。

矿石中黄铁矿的δ³⁴S值变化范围分布在-9.4‰~6.4‰之间,围岩中的黄铁矿的δ³⁴S值变化范围为-8.84‰~25.3‰^[23,30,60],矿石中黄铁矿的δ³⁴S整体低于围岩。硫同位素数据变化范围较宽,但分布相对较集中,总体上接近于岩浆硫同位素组成范围(图7b)。铅同位素组成整体呈壳幔混源铅的特点,并落入造山带源区,指示成矿物质来源为下地壳与地幔的混合。

矿石的微量元素、共生矿物组合、成矿元素分带、流体包裹体、碳氢氧同位素、黄铁矿硫铅同位素等特征显示,成矿流体主要为岩浆热液特征,成矿物质可能来源于深部岩浆。在区域构造运动引发的成矿过程中,深部的岩浆热液上移,在浅部形成的容矿空间中沉淀。

3.4 找矿预测地质模型

夏家店金矿为远成低温热液型金矿床,成矿地质体为晚侏罗世—早白垩世中酸性侵入体。矿床位于低温蚀变为主的矿化蚀变带,距离成矿地质体还较远。矿区范围内均未见到与成矿相关的中酸性岩体或岩脉,含矿热液主要沿构造通道运移,成矿物质在断裂构造、不整合面、硅钙面等成矿结构面附近沉淀形成层状、脉状、透镜状矿体,矿体倾向延伸往往大于走向延长,沉淀机制以交代作用为主,其次还有充填和混合作用。成矿期蚀变主要为硅化、绢云母化、方解石化、萤石化等。

夏家店金矿床矿体空间结构受控于区域构造带+侵入体外接触带+侧伏+物理化学界面组合。就目前勘探程度来看,该矿床在1 000 m以浅主要表现为“上下结构”,上部和下部矿体矿化样式区别不大,均受断裂构造控制,形成粗大脉状、透镜状金矿体;而在深部隐伏成矿地质体附近,矿化样式则可能发生变化,在岩体顶部形成层状矿体,构成“上脉下层”的二元结构模式。

成矿元素以Au为主,伴生Ag和As,成矿物质主要来源于深源岩浆,以“岩浆期后热液携带”方式为主,部分萃取活化了赋矿围岩的Au等,导致Au大量沉淀聚集成矿。成矿深度为0.871~1.864 km,为浅成矿床。

通过以上分析,总结了夏家店金矿地质预测要素(表1),构建了夏家店金矿找矿预测地质模型(图8)。

4 找矿预测综合信息模型构建

在找矿预测地质模型的基础上,综合地球物理和地球化学特征(表2),建立夏家店金矿综合信息找矿预测模型(图9)。

地球物理特征:根据区域地球物理异常特征,低重力高磁力异常和环形构造可能与隐伏岩体(成矿地质体)有关^[20,29]。激电测深异常总体呈低阻高极化的特征,围岩与目的层位具有明显的物性差异,能高效探测出矿源目的层碳硅质板岩^[33]。

地球化学特征:地表异常主成矿元素组合Au、Ag、As、Hg、Sb,元素异常大都沿着断裂构造展布或分布在其附近,断裂与Au、Ag、As、Hg、Sb异常叠加部位是重点找矿部位^[27]。在垂向上,矿化元素由远矿端—金矿体—远矿端呈现出As-Hg-Sb头部晕—Au-Ag-Zn近矿晕—W-Sn-Mo尾部晕的分带模式^[63]。

5 靶区圈定及验证示范

在本区已建的找矿预测综合信息模型的基础上,通过开展1∶1万遥感图解译、1∶1万构造图专项填图、地表路线调查、物化探测量、槽探等工作,圈定了“苏岭沟V-2”“夏家店II-5”“刘家峡K4-1-K6-1”3个找矿靶区(图10)。经钻探验证,在夏家店金矿床取得找矿突破,首次在镇安—板岩镇大断裂内发现Ⅴ-2号厚大金矿体。

苏岭沟V-2号矿体位于I号矿带中区域镇安—板岩镇大断裂F₁与F_5-1断裂交汇部位,遥感解译发现深部发育多组隐伏构造(图11a)。该靶区附近发育Au、As、Hg等元素化探异常(图11b),近地表的泥盆系地层中发育石英脉、石英团块,局部可见构造破碎带;据激电测深获得的 “低阻-高极化”异常^[33] 可推测泥盆系地层覆盖地段含矿构造带和深部含矿目标层黑色含矿岩系的空间赋存状况(图11c)。经钻探验证,在镇安—板岩镇大断裂中首次发现V-2金矿体,矿体受控制的长度约150 m,平均厚度3.28 m,金平均品位2.46×10^-6(图11d)。矿石主要由构造角砾岩组成,角砾主要为石英角砾、白云岩角砾,另外见少量萤石角砾;胶结物主要由硅质、铁质(细粒和浸染状黄铁矿)和局部的雌黄、雄黄等物质组成(图12)。

6 结论

(1)柞水—山阳矿集区夏家店金矿属于与侵入岩浆作用有关的低温岩浆热液型矿床。

(2)夏家店金矿床成矿地质体为晚侏罗世—早白垩世中酸性隐伏岩体,成矿构造属区域性大型背斜夏家店—耀岭河倒转背斜和镇安—板岩镇大断裂的复合系统,成矿结构面为断裂构造、岩性界面和不整合面,矿体侧伏规律明显;与金成矿关系最密切的是硅化和绢云母化等,在矿体浅部和外围发育雌黄和雄黄蚀变;在分析矿床的地质特征并总结其地质预测要素的基础上建立了找矿预测地质模型。

(3)结合地质、物探和化探等信息,建立综合信息找矿预测模型,圈定3处找矿靶区,经工程验证,在镇安—板岩镇大断裂内新发现厚大金矿体。

项目研究过程中,得到了叶天竺教授、王瑞廷教授、王功文教授的悉心指导,论文审稿人提出了宝贵的修改意见,在此一并表示衷心的感谢!

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基金资助

国家重点研发计划项目(2024YFC2909902)

国家重点研发计划项目(2021YFC2901805)

国家自然科学基金项目(42302079)

中国地质调查局项目(DD20230355)

中国地质调查局项目(DD20230356)

中国地质调查局项目(DD20221692)