冀北高尖子地区土壤地球化学特征及其找矿预测

梁 鸣，高 文，罗先熔，王晓东，刘秀娟，陈 皓，刘攀峰，竹 峰，李 伟

(1.桂林理工大学地球科学学院隐伏矿床预测研究所，广西 桂林 541006；2.河北省地矿局第四地质大队，河北 承德 067000；3.华北地质勘查局五一四地质大队，河北 承德 067000)

0 引 言

高尖子地区位于河北省承德市围场县西北部，属内蒙—大兴安岭褶皱系的内蒙华力西晚期褶皱系棋盘山中凹陷构造单元[1]。区域内构造-岩浆活动强烈，具有多期次成矿作用叠加的特征，是冀北重要的成矿地段[2-3]。近年来，高尖子地区开展了较多的区域地质普查工作，2009年中国地质科学院地质所与河北省区域地质矿产调查研究所合作完成的冀北1:25万西老府幅区域地质调查项目，对研究区进行数字地质填图，较高程度地研究了侵入岩，详细划分了地层；2012年河北省地球物理勘查院完成冀北1:25万西老府幅区域化探项目，为研究区成矿潜力元素的选择及区域地球化学背景值的计算，提供了重要的参考资料；2017年河北省地矿局第四地质大队完成1:5万新拨幅水系沉积物测量工作，显示高尖子地区以Ag-Mo-Au组合异常为主，具有良好的成矿和找矿潜力。

以往勘查工作多为中小比例尺的普查，而大比例尺的详查工作较少，且区域内风成沙和风成黄土覆盖较厚，地表矿化线索较少。为了进一步缩小高尖子地区的水系沉积物异常找矿靶区并圈定矿(化)体分布，笔者通过在高尖子地区开展1:1万土壤地球化学测量[4]，分析该地区土壤地球化学参数特征，提取有效的找矿信息，总结成矿元素分布规律，结合异常查证和工程验证的结果，探讨土壤地球化学测量在高尖子地区地质背景和地球化学景观下的有效性，为高尖子地区勘查工作提供科学依据[5-7]。

1 地质背景

高尖子地区大地构造位置系华北陆块区北缘的冀北岩浆弧，其南侧与额尔齐斯—西拉木伦对接带的通辽岩浆弧接壤(图1(a))[8]，属于棋盘山火山-沉积盆地，区内断裂构造发育，主构造线呈近北东向展布；因后期地层覆盖及后期岩体侵位，白垩系地质体零星出露[9]。

图1 高尖子地区大地构造略图(a)(据文献[8])和区域地质图(b)(据陈皓等①)Fig.1 Tectonic map of the Gaojianzi area (a)(from reference [8])and regional geological map (b)(from Chen et al①)1.第四系；2.新近系汉诺坝组；3.下白垩统义县组；4.下白垩统大北沟组；5.下白垩统张家口组；6.花岗斑岩；7.闪长玢岩；8.潜流纹岩；9.石英正长斑岩；10.地质界线；11.断层；12.研究区范围

研究区地层出露较好，岩性较为简单(图1(b))。主要出露地层为白垩系、新近系及第四系地层。白垩系地层由张家口组(K1z)、大北沟组(K1d)和义县组(K1y)组成，主要岩性为流纹质凝灰岩、凝灰质岩屑砂岩和辉石安山岩等。新近系地层为中新统汉诺坝组(N1h)，主要岩性为玄武岩。第四系(Q)地层主要包括上更新统马兰组(Qp3m)，为一套河流-牛轭湖相的灰色细砂层；另有部分全新统风积残积物和全新统冲洪积物。

区域内以北东向于家沟—姜家店断裂为主。该断裂在研究区周围衍生出北北东向次级断裂F1(长脖子梁断裂)、F2(母子沟门断裂)和多处构造破碎带，组成了良好的成矿构造环境，为成矿元素的迁移提供运移通道，同时也是良好的容矿空间。

区域内中生代燕山旋回岩浆活动较为强烈，以白垩纪花岗斑岩和闪长玢岩为主。大规模的火山喷发和岩浆侵入，造成区内火山岩厚度较大、岩体较发育的特征。侵入岩里特曼指数(σ)变化在1.03～3.80之间，属于钙碱性-碱性岩石。分异指数88.50～94.33，岩浆分异演化程度较高*陈皓，张立剑，赵向奎，等.河北省大唤起鹿场、新拨、于家店1:5万地球化学测量成果报告[R].承德：河北省地矿局第四地质大队，2019.。火山喷发的后期形成大量浅成、超浅成侵入岩，为多金属矿产的形成提供了热源和部分成矿物质来源。

2 样品采集与测试分析

研究区面积5.36 km2，按照《土壤地球化学测量规程》(DZ/T0145—2017)要求，网度设置为100 m×40 m，采集土壤样品1419件，重复样33件(图2)。采集的样品均为原地残积物或残坡积物，筛分粒度为60目至10目，采样深度为30～60 cm，并保证加工后可用样品质量在150 g以上。

图2 高尖子地区土壤样品采样位置Fig.2 Map showing the soil sampling locations at Gaojianzi

样品测试单位为河北省地矿局第四地质大队，元素含量测试分析项目包括Au、Ag、Bi、Cu、Pb、Zn、Sb、Mo和Mn共9种元素。测试分析方法及质量均满足规程要求，Ag为发射光谱法，Au为石墨炉原子吸收法，Mo、Mn、Bi、Cu、Pb和Zn为电感耦合等离子质谱法，Sb为原子荧光光谱法。各元素的重复性检测合格率在98%～100%之间，符合规范要求。

3 土壤关键元素组成特征

3.1 地球化学参数统计

对高尖子地区1419件样品的地球化学参数进行统计，包括原始数据的样品数(N1)、最大值、最小值、算术平均值、标准离差、变异系数(CV1)及迭代剔除均值±3倍标准离差(特异值)后的样品数(N2)、算术平均值、标准离差、变异系数(CV2)、剔除比率和富集系数，数据统计结果见表1。

表1 高尖子地区土壤地球化学参数

3.2 元素含量分布型式

成矿作用通常伴随着复杂的地质构造活动和多期次叠加的地质作用，使得微量元素含量分布型式多呈正偏分布[10-12]。因此，分析研究区元素含量分布型式有助于了解该区域成矿演化过程中地质改造作用的情况[13]。

运用SPSS 26软件对高尖子地区9种元素进行统计，得到原始数据均为正偏分布，其中Au、Ag、Bi和Mo 4种元素的偏度、峰度较大。取对数后，9种元素含量分布型式变化较为明显(图3)，偏度、峰度均变小。其中Au、Ag、Cu、Mo和Mn 5种元素呈正偏分布，表明这5种元素遭受后期矿化作用叠加，找矿前景较好；Au、Ag和Mo 3种元素右侧拖尾现象较为明显，表明这三种元素可能存在局部富集；Pb、Zn、Sb和Bi 4种元素呈负偏分布，找矿前景较弱；Cu、Zn和Mn 3种元素为多峰分布，可能受多期次地球化学作用叠加影响。

图3 高尖子地区土壤代表性金属元素分布直方图Fig.3 Histograms of representative metal distributions of soils in Gaojianzi area

3.3 元素含量特征

为了获取各元素客观、准确的背景值，对服从正偏分布的原始数据进行迭代剔除特异值的处理[14]。剔除特异值的样品数越多，剔除比率(E)就越大，该元素就越可能为主元素[15-16]。其中，剔除比率(E，%)的计算公式为：

E={(N1-N2)/N1}×100

(1)

由表1可知，元素Ag、Au和Mo的剔除比率分别为15.72%、11.84%和10.64%，表明这3种元素被剔除的特异值数据较多，可能为研究区内的强异常元素。

运用元素原始数据的算术平均值(Cf1)除以相对应的中国土壤丰度值(Cf2)[17]的结果作为富集系数(Cf1/Cf2)。由表1可知，研究区内富集系数最高的元素为Mo(3.81)，其次为Ag(1.93)，表明Mo和Ag元素处于高背景场，这2种元素局部富集；元素Pb(0.73)、Cu(0.72)、Sb(0.56)和Bi(0.27)富集系数小于0.8，这4种元素局部贫化；元素Zn(1.08)、Mn(1.08)和Au(0.93)富集系数介于0.8～1.2之间，富集、贫化特征不明显。

运用标准离差和算数平均值的比值作为变异系数[18]。由表1可知，原始数据变异系数较大的元素有Ag(10.44)、Mo(3.93)、Bi(2.27)和Cu(1.15)，表明这4种元素在研究区内发生了较强的分异作用，具备富集成矿的地球化学条件。利用CV1/CV2的比值来反映数据集的相对离散程度，比值越大，说明特异值数据占比越大，越易形成地球化学异常，成矿可能性越高。CV1/CV2比值大于2.5的元素有Ag(21.28)、Mo(6.79)、Bi(3.97)和Au(2.93)，表明这4种元素高强数据占比大，富集成矿的可能性大。

结合剔除比率、富集系数和变异系数等地球化学参数统计，认为Ag、Au和Mo元素的特异值数据较多，具有较强的富集成矿可能性，是区域内的成矿有利元素。

3.4 元素组合特征

3.4.1 相关分析

对土壤地球化学原始数据进行相关分析(表2)，有利于确定元素间亲疏关系[19-21]。由表2可知，Cu与Zn相关性最好，相关系数为0.84；其次为Cu与Mn，相关系数为0.83；Cu与Zn和Mn均为强相关关系。结合单元素异常分析结果，3种元素的异常均出现在玄武岩分布区，且汉诺坝组玄武岩的Cu和Zn岩石样元素含量分别为52.02×10-6和139.30×10-6，远高于华北总陆壳Cu和Zn元素背景值(分别为30×10-6和74×10-6)，推断研究区内这3种元素地球化学异常主要由汉诺坝组玄武岩引起①。其次，Au与Bi、Sb和Mo之间相关系数均大于0.6。

表2 高尖子地区元素相关系数矩阵

3.4.2 R型聚类分析

对研究区土壤地球化学原始数据进行R型聚类分析，可以直观地反映元素间空间组合的亲疏关系[22-23]。在相关系数R=0.4的相似水平上，将9种元素组合分为4组(图4)：①Cu-Zn-Mn、②Sb-Mo、③Au-Bi-Pb和④Ag。结合研究区单元素异常图，获得以下几点认识：Cu-Zn-Mn为中高温元素组合，3种元素相关性较好；Cu、Mn元素在研究区汉诺坝组玄武岩中相对富集，反映了与区域喷出岩有关的岩浆活动，推断该因子主要反映区域岩浆活动引起的岩性异常。②③和④组元素是局部构造热液活动或局部成矿的反映；Sb、Mo、Pb和Bi异常呈散点状分布在研究区，推测研究区可能受到了多期次的地质作用影响；Ag与其它元素相关性较差，可能为构造热液活动的反映。

图4 高尖子地区元素R型聚类分析谱系图Fig.4 R cluster analysis pedigree chart for Gaojianzi area

3.5 元素异常特征

本文运用累频法[24]统计各元素的异常下限。将原始数据从小到大排列，分别取累频数85%、92%和98%的原始数据分别作为外带、中带和内带的下限(表3)。

表3 高尖子地区元素异常分带值

1:1万地质草测显示研究区内存在两条构造破碎带(F11、F12)，均呈NNE方向展布。F11构造破碎带蚀变作用较不发育，蚀变类型多为硅化，另见少量锰矿化、褐铁矿化、萤石矿化和局部弱银矿化。

结合单元素异常图(图5)可以看出，9种元素均具有较好的浓集中心，浓度分带较为明显；元素分布特征与R型聚类分析结果一致，且Cu、Zn和Mn元素异常形态套合较好。因此，结合研究区地质情况，分析元素异常的特征[25]。

3.5.1 Ag元素异常特征

Ag元素含量最高值为59.8×10-6，是异常下限(0.17×10-6)的351.8倍。研究区内共圈定19处Ag单元素异常，并对单元素异常按照从北到南、从西到东的自然顺序进行编号统计[26-27]。Ag单元素异常主要分布在研究区北部及西北部，总体形态呈带状分布，沿南北向展布，具有多处三级异常浓度分带，主要位于白垩纪石英正长斑岩岩体中。其中Ag-3异常位于研究区北部，异常面积0.123 km2，均值6.06×10-6，最高值为59.8×10-6；Ag-9异常面积0.045 km2，均值2.47×10-6。Ag-3、Ag-9异常东部均进入F11断裂破碎带内，局部见银矿化、锰矿化、褐铁矿化和萤石矿化。

3.5.2 Au元素异常特征

Au元素含量最高值为30.60×10-9，是异常下限(1.97×10-9)的15.5倍。研究区内共圈定10处Au单元素异常，主要分布于研究区北部和西南部；北部异常主要富集于下白垩统大北沟组地层，西南部异常零散分布于白垩纪石英正长斑岩岩体和第四系覆盖区。北部异常规模较大，形态较为规则，具有多处三级异常浓度分带，有2处较大单元素异常：其中研究区西北部Au-2异常面积0.431 km2，均值2.98×10-9；研究区东北部Au-4异常面积0.216 km2，均值4.19×10-9，最高值30.60×10-9位于研究区东北角。Au-2、Au-4异常高值区均呈为封闭，表明研究区北部具有较好的成矿潜力。西南部有4处单元素异常，异常内带均为单点高值引起；其中Au-8为1个含量7.45×10-9的高值异常点位引起的异常。

3.5.3 Mn、Cu和Zn元素异常特征

Mn元素含量最高值为2942×10-6，是异常下限(1157×10-6)的2.5倍；Cu元素含量最高值为163×10-6，是异常下限(44.02×10-6)的3.7倍；Zn元素含量最高值为742.00×10-6，是异常下限(116.00×10-6)的6.4倍。3种元素浓集中心主要集中在研究区南部，异常形态相似，高值区相互套合，浓集中心明显，主体位于汉诺坝组玄武岩分布区中。

3.5.4 其他元素异常特征

Mo元素含量最高值为428.01×10-6，是异常下限(4.28×10-6)的10.0倍；Mo元素在研究区西部有几个较大的浓集中心，叠合在F11断裂破碎带上；在研究区中部呈散点状分布。Sb元素含量最高值为6.35×10-6，是异常下限(0.58×10-6)的10.9倍；Sb元素与Mo元素相关系数为0.643，两者异常叠合较好，多处浓集中心重合，表明两者具有一定的成因联系。Bi元素含量最高值为6.46×10-6，是异常下限(0.12×10-6)的53.8倍，浓集中心主要集中在研究区北部。Pb元素含量最高值为125.00×10-6，是异常下限(20.50×10-6)的6.1倍，浓集中心主要在研究区东南部。

4 靶区圈定及工程验证

在利用单元素异常图研究元素空间分布特征的基础上，运用Geochem Studio软件统计单元素异常参数特征(表4)，并用规格化面金属量(NAP)作为综合参数来评价单元素异常参数特征[28-29]。由表4可见，NAP排序前十的单元素异常，均具有三级异常浓度分带，Ag异常5个，Mo异常2个，Au异常2个，Bi异常1个。其中，Ag-3异常的NAP值最大，为4.171；Mo-16异常的NAP值次之，为2.193；Ag-9异常的NAP值第三，为0.595；其余异常的NAP值均小于0.5。结合元素含量特征和元素空间分布特征中Ag、Mo、Bi和Au四种成矿有利元素高值数据多、异常内点数多和部分单元素异常面积大的特点，将NAP值评序的结果作为圈定靶区的数据参考指标。

结合研究区的地层、构造条件，将元素成因相似、空间位置叠置的单元素异常进行综合圈定，共圈定4处综合异常区(图6)。

图6 高尖子地区土壤金属元素综合异常及工程布设图Fig.6 Comprehensive anomalies and engineering layout sketch for elements of soils in Gaojianzi area

AP1综合异常位于研究区北部，由Ag、Mo、Bi、Sb和Au等单元素异常组成，其中Ag单元素异常面积最大(NAP值排序第一的Ag-3)，Mo单元素异常面积次之(Mo-5)，Ag、Mo元素异常形态分布较为集中，均被F11构造破碎带切割，具备有利的控矿和容矿构造，为研究区重点找矿靶区；在Ag、Mo异常和F11构造破碎带北部叠合的区域内，圈定Ⅰ号重点异常查证区，布设JC01土壤测量剖面。

AP2综合异常位于研究区东部，由Sb、Ag、Mo和Pb等元素组成，单元素异常的面积和强度均弱于AP1综合异常，将AP2综合异常区作为一般查证区，待查证。

AP3综合异常区位于研究区西北部，由Sb、Mo、Ag、Au和Mn等元素组成，其中Mo单元素异常面积最大(Mo-16)，Ag单元素异常面积次之(Ag-9)，为NAP值排序第二、三的单元素异常，同样被F11构造破碎带切割，具有良好的找矿潜力。将AP3综合异常区作为研究区重点找矿靶区，圈定Ⅱ号重点异常查证区，布设JC02土壤测量剖面。

AP4综合异常区位于研究区南部，主要由Mn、Cu和Zn三种元素的单元素异常组成，夹杂少量Pb、Au、Sb和Mo等元素的弱小单元素异常。分析单元素异常特征可知，AP4综合异常主体位于汉诺坝组玄武岩分布区，该综合异常受岩性影响较大。将AP4综合异常区作为一般查证区。

Ⅰ号重点异常查证区面积0.21 km2，位于研究北部，由Ag、Mo、Au、Bi和Sb等5种元素组成，均具有三级异常浓度分带。针对该靶区布设一条点距20 m、长300 m的土壤地球化学测量剖面JC01(图7)。在JC01剖面160 m处，Ag元素含量为3.33×10-6。剖面西侧为石英正长斑岩岩区，岩石新鲜面呈浅黄褐色，斑状结构，块状构造，斑晶为石英、钾长石等，基质为隐晶质，岩石沿裂隙面偶见有褐铁矿化。剖面向东约100 m处进入F11断裂带内，破碎带宽度约260 m。带内见构造角砾岩，呈黄褐色，角砾成分为石英正长斑岩，岩石受构造应力影响发生破碎，具定向排列。胶结物为硅质、黏土及少量岩屑。岩裂隙见有紫色萤石矿化、硅化，局部见锰染和黄铁矿化。

图7 高尖子地区JC01土壤地球化学剖面图Fig.7 JC01 soil geochemical profile in Gaojianzi area

参照JC01土壤地球化学剖面结果，在Ag元素含量较高的100～180 m布设槽探工程TC01，见银矿两层(图8)，均达到边界品位。第一层真厚度为0.94 m，Ag平均品位59.50×10-6；第二层真厚度为0.91 m，Ag平均品位70.20×10-6。矿体均产于F11断裂带中，矿体周围见有黄铁矿化，黄铁矿晶形较完整，局部见姜黄色蜂窝状褐铁矿化，另见少量萤石矿化。

图8 高尖子地区TC01矿化部位素描图Fig.8 Profile of mineralized area in Gaojianzi trench TC01

Ⅱ号重点异常查证区面积0.07 km2，位于研究区西北部，其中Mo、Ag、Sb、Cu和Au 5种元素具有三级浓度分带，Pb元素具有二级浓度分带，Mn、Zn具有一级浓度分带。针对该靶区布设一条点距20 m、长240 m的土壤地球化学测量剖面JC02(图9)。在JC02剖面120 m处，Mo元素含量为118.00×10-6；140 m处，Ag元素含量为3.33×10-6；Au元素含量为4.45×10-9。剖面西侧为汉诺坝组玄武岩，岩石表面呈灰褐色，新鲜面呈灰黑色，局部致密块状构造，表面见有少量气孔，未见填充物，沿裂隙见褐铁矿化。剖面向东延伸90 m后进入构造破碎带F11内，破碎带宽约250 m，内见构造角砾岩，呈浅黄褐色，角砾成分为石英正长斑岩，胶结物为硅质、黏土及少量岩屑。裂隙见有紫色萤石矿化、硅化，局部见锰染和黄铁矿化。

图9 高尖子地区JC02土壤地球化学剖面图Fig.9 JC02 soil geochemical profile in Gaojianzi area

参考JC02剖面结果，在100～160 m处，Mo、Ag和Au元素含量较高的位置布设槽探工程TC02。该探槽共见矿两层，为达到边界品位银矿和金矿(图10)，其中银矿体真厚度为0.81 m，Ag平均品位67.3×10-6；金矿体真厚度为0.90 m，Au平均品位1.06×10-6。

图10 高尖子地区TC02矿化部位素描图Fig.10 Profile of mineralized area in Gaojianzi trench TC02

5 找矿潜力分析

槽探TC01揭露的两条Ag矿体与Ag元素面积最大的单元素异常Ag-3位置套合，槽探TC02揭露的Ag矿体与Ag元素面积第二大的单元素异常Ag-9位置套合，Au矿体与Au元素单点高值引起的异常Au-8位置套合。依据土壤地球化学测量结果圈定两处重点异常查证区并用槽探工程揭露多条Ag、Au矿体，表明这一方法的可靠性。因此，在研究区及周边区域内查证高、强异常的同时，需要注意Au元素的单点高值异常。

槽探工程揭露的Ag、Au矿体分布于受F11构造破碎带切割的石英正长斑岩岩体内，具有明显的构造控矿现象。地表追索的矿化主要为锰矿化、褐铁矿化和萤石矿化为主，局部见有银矿化。矿化部位均沿F11构造破碎带产出，分布在构造角砾岩的裂隙之中，矿化强度较弱。推测石英正长斑岩岩体为金属矿产的富集提供了物质来源，断裂构造为成矿热液提供了运移通道和储存空间。

因此，在土壤地球化学测量成果的基础上，将岩体与构造的叠加特征作为区域内寻找地表出露矿、半出露矿的找矿标志。可结合岩体与构造叠加的找矿标志，加强对新发现的金银矿化的控矿要素、发育特征和成因类型的分析。

6 结 论

(1)高尖子地区9种元素土壤地球化学测量结果统计分析显示：元素Mo、Ag富集系数较高，处于高背景场；元素Ag、Mo和Bi变异系数较高，具有较强的分异作用；元素Ag、Mo、Bi和Au的CV1/CV2数值较大，高强数据点位较多。因此，将Ag、Mo、Bi和Au作为研究区成矿有利元素。

(2)Cu、Zn和Mn相关性较强，异常形态相似，异常主体位于研究区南部的汉诺坝组玄武岩分布区；Sb、Mo、Au、Bi和Pb相关性一般，异常多呈散点状分布；Ag与其它元素相关性较差，主体分布于研究区北部及西北部，总体形态沿构造破碎带呈带状分布，具备独立富集成矿的可能。

(3)共圈定4处找矿靶区和2处重点异常查证区。Ⅰ号查证区槽探工程揭露2条达到边界品位的Ag矿体，Ⅱ号查证区槽探工程揭露1条达到边界品位的Ag矿体和1条达到边界品位的Au矿体。见矿部位与单元素异常形态套合较好，表明土壤地球化学测量在高尖子地区具有较好的找矿效果。

(4)Ag、Au矿体主体位于F11构造断裂带切割的石英正长斑岩岩体分布区，结合土壤地球化学特征和野外地质调查，认为石英正长斑岩岩体与构造破碎带结合的部位是研究区成矿有利空间，可以此为找矿标志加大对研究区的查证力度。

致谢：感谢河北省地矿局第四地质大队的同事共同在野外采集样品，以及在论文编写过程中编辑老师提出宝贵意见和匿名审稿人提出的建设性意见！