段毅君,高 陽,陳建平,陳東越

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

強(qiáng)風(fēng)化條件下基性巖的識(shí)別方法
——以贊比亞卡皮薩比地區(qū)為例

段毅君1,高 陽2,陳建平1,陳東越1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083； 2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

贊比亞盧菲利安弧中西段有大量輝長巖體發(fā)育。由于本區(qū)風(fēng)化嚴(yán)重，輝長巖常被厚土壤層覆蓋。輝長巖中的銅含量常高于其沉積圍巖，易于形成銅異常。為了將輝長巖形成的異常與礦致異常區(qū)別開，有必要對(duì)土壤覆蓋層下的輝長巖進(jìn)行識(shí)別。作者對(duì)卡皮薩比地區(qū)的化探數(shù)據(jù)采用相關(guān)分析和因子分析進(jìn)行了研究，認(rèn)為銅異常與基性巖漿作用有關(guān)。根據(jù)野外地質(zhì)觀察、音頻大地電磁測(cè)量、高精度磁法測(cè)量、槽探和鉆探等工作，認(rèn)為：地表磚紅色土壤、高磁高阻地質(zhì)體和Sc-Ti-V-Fe-Co-Ni-Cu的元素組合是識(shí)別強(qiáng)風(fēng)化條件下隱伏基性巖體的標(biāo)志。

隱伏輝長巖體 因子分析 地球化學(xué) 地球物理

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贊比亞銅礦帶(Copperbelt)以其豐富的銅、鈷礦產(chǎn)資源聞名于世，砂頁巖型銅礦是其主要的礦床類型(Alan，1930；Joseph，1963；Garlick，1964 ；Davidetal.， 2005；Hitzmanetal.，2010； Unrug， 1988)。盧菲利安造山運(yùn)動(dòng)后該區(qū)一直處于隆升狀態(tài)，缺少古生代、中生代以及部分新生代的沉積。穩(wěn)定的地質(zhì)條件和常年的化學(xué)風(fēng)化作用，形成了較厚地表第四系土壤層，為地質(zhì)找礦工作增加了一定的難度。

本區(qū)在765～735Ma曾有一次廣泛的基性巖漿活動(dòng)，形成多個(gè)輝長巖巖體(Davidetal.， 2005)。由于基性巖中銅的豐度比其克拉克值高(Cu的克拉克值為55×10-6(Talor，1964)，在基性巖中的平均含量為87×10-6(Turekian and Wedepohl，1961))，因此，基性巖易于形成銅地球化學(xué)異常。若不明其理，對(duì)該類異常進(jìn)行查證將是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。因此，識(shí)別由基性巖造成的銅異常是必要的。

卡皮薩比地區(qū)風(fēng)化作用強(qiáng)，地表土壤覆蓋層厚，地表露頭少見。土壤化探工作是對(duì)該區(qū)進(jìn)行資源評(píng)價(jià)的第一步工作。為了排除那些由基性巖體造成的銅異常，有必要對(duì)覆蓋層下的基性巖體進(jìn)行識(shí)別。作者根據(jù)多年來在該區(qū)的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一些識(shí)別標(biāo)志，以期對(duì)在相關(guān)地區(qū)從事礦產(chǎn)勘查的同仁提供一些借鑒。

1 地質(zhì)背景簡(jiǎn)介

該區(qū)位于贊比亞西北省，東距銅帶省欽格拉(Chingola)市120km，西距西北省省會(huì)索盧維奇(Solwezi)30km，北距剛果(金)與贊比亞國界40km。該區(qū)大地構(gòu)造位置位于泛非造山帶的盧菲利安弧中部(圖1)。600～500Ma期間安哥拉-卡拉哈里板塊與剛果-坦桑尼亞板塊碰撞形成盧菲利安弧(Rossetal.，2006)。出露最老的地層為中元古界片巖、條帶狀片麻巖、花崗片麻巖和角閃片麻巖(本區(qū)的基底地層)，上覆新元古界加丹加超群地層(表1)。本區(qū)新元古界加丹加超群地層由礦山群和孔德龍古群構(gòu)成(Porada and Berhorst，2000)。礦山群由上而下由Dumbwa山組(M)、Kimale組(N)和木瓦夏組構(gòu)成。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic map of study area 1-太古宙和元古宙克拉通；2-未變形的加丹加系地層；3-玄武巖和安山巖；4-強(qiáng)烈變形的加丹加系；5-中度變形的加丹加系；6-前加丹加期基底；7-孔德龍古群地層；8-Hook花崗巖；9-古生代蓋層；10-贊比亞邊界；11-城市；12-逆沖斷層； 13-剪切帶；14-斷裂帶；15-研究區(qū)1-Archean and proterozoic craton;2-undeformed Katanga system;3-basalt and andesite;4-strongly deformed Katanga system; 5-moderately deformed Kantanga systm;6-Pre-Katangan basement; 7-Kundelungu formation;8-Hook granite; 9-pleozoic cover;10- border; 11-city;12-thrust;13-shear zone;14-fault; 15-study area

圖2 卡皮薩比地區(qū)巖性地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of the Kapisabi area 1-硅質(zhì)殼、鐵質(zhì)殼、地表沉積、河流沖積物；2-跨不同地層的泥質(zhì)巖；3-細(xì)粒片巖、變泥巖、石英巖層、含鐵粉砂巖條帶；4-透閃石-陽起石片巖、鈣質(zhì)片巖、含石榴子石和角閃石鈣質(zhì)砂屑石英黑云母片巖；5-副礫巖建造；6-細(xì)粒、極細(xì)粒含石英鐵石建造；7-大理巖層夾片巖8-泥質(zhì)巖；9-黑云母片巖、白云質(zhì)片巖、石英巖、黑云母石榴石片巖，滑石質(zhì)、白云質(zhì)片巖，千枚巖；10-石英金云母片巖，含云母石英巖與云母片巖、礫巖互層；11-淺色片麻巖；12-條帶狀鐵礦石建造；13-中粗?；◢忛W長巖、正長花崗巖、二長花崗巖、英云閃長巖；14-輝長巖；15-斷裂；16-航磁解譯斷裂；17-推斷斷裂；18-化探工作區(qū)及編號(hào)1-silcrete, ferricrete, superticial and fluvial deposits;2-argillaceous succession spanning a wide stratigraphical range;3-fine-grained schists, metasilstones,quartzite and ferruginous siltstone bands;4-tremolite-actinolite schists, calcareous, quartz-biotite schists with garnet and hornblende in places;5-paraconglomerate formation;6-fine to very fine-grained quartzose ironstones;7-mable with schists;8-pelite;9-bicosotite schist,dolomitic schist, quartzite, biotite-garnetschist, talcose schist phyllite;10-quartz phlogopite schist, mica quartzite with mica schist, conglomerate interbeds;11-leucocratic gneiss;12-banded ironstone;13-medium to coarse granodiorite, syenogranite, monzogranite,tonalite;14-gabbro;15-fault;16-airbonre inferred faults;17-inferred faults;18-geochemical work area and its code

其中木瓦夏組包括Chafugoma大理巖建造(P)和泥質(zhì)巖建造(O)。Dumbwa山組主要巖性為粗粒的含藍(lán)晶石變斑晶的石英-金云母片巖、石英巖、云母片巖和礫巖。Kimale組(N)主要巖性為黑云母石榴石片巖、滑石白云質(zhì)片巖、大理巖、炭質(zhì)千枚巖、黑云母片巖、石英巖和白云巖。Chafugoma大理巖建造(P)，主要巖性為粗晶鈣質(zhì)和白云質(zhì)大理巖，有少量的頁巖和黑云母片巖夾層。泥質(zhì)巖建造(O)的主要巖性為灰黑色的泥巖?？椎慢埞湃旱貙拥闹饕獛r性為石英鐵礦石(R)、碎屑巖(T)、石英黑云母片巖(S)和泥巖(U)?？椎慢埞湃旱貙由媳坏谒南蹈采w。區(qū)域內(nèi)有一系列北西向褶皺發(fā)育，斷裂有NE、NNE和NNW向三組(圖2)。主要的變質(zhì)作用為綠片巖相到角閃巖相。區(qū)內(nèi)有數(shù)個(gè)小的變質(zhì)輝長巖和中酸性巖巖株發(fā)育，這些巖株面積較小，常小于1km2，中酸性巖株侵入在圍巖地層中，變質(zhì)作用不明顯，而輝長巖中變質(zhì)程度較深，輝石多變成角閃石。

表1 卡皮薩比地區(qū)地層簡(jiǎn)表Table 1 Strata table of Kapisabi area

本區(qū)為熱帶雨林氣候，長期強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用使得地表土壤覆蓋嚴(yán)重，平均厚度為20～100m。在該區(qū)開展的土壤化探圈定了多個(gè)銅異常，由于該區(qū)輝長巖發(fā)育，輝長巖中的銅的含量常高于其沉積圍巖(3個(gè)輝長巖樣品銅的平均含量為75×10-6)，因此，某些異?？赡苁怯奢x長巖形成的。如何排除由輝長巖造成的巖性異常，是在本區(qū)開展銅礦找礦工作的一道難題。

2 強(qiáng)風(fēng)化條件下基性巖體的識(shí)別標(biāo)志

2.1 紅土剖面與基性巖體

紅土是一種分布于熱帶、亞熱帶區(qū)域的紅色土壤，是陸地表面巖石強(qiáng)烈風(fēng)化的產(chǎn)物。這種土壤之所以呈現(xiàn)紅色，是因?yàn)檫@種土壤里的紅色的三氧化二鐵含量較高(一般達(dá)5%以上)，在30°以內(nèi)的緯度范圍內(nèi)易于形成紅土，其中粗玄巖(或輝綠巖)以及其他的基性巖石易于形成獨(dú)特的紅棕色土壤(John and Richard，2004)。根據(jù)對(duì)典型紅土剖面的研究，基性侵入巖上常形成紅土(圖3)。另外，我國廣東雷州半島的紅土型鋁土礦也是由玄武巖紅土化形成的。

圖3 工作區(qū)紅土特征(a)與典型紅土剖面圖(b)①對(duì)比Fig.3 Comparison diagram between laterite in kapisabi area (a) and typical laterite profile (b)

該區(qū)土壤剖面A層普遍很薄或缺失，在工作區(qū)內(nèi)施工的2m深的探槽(圖3)揭露的全為磚紅色的紅土，對(duì)應(yīng)紅土剖面的B層，在紅土剖面的底部，鉆孔巖心揭露了淺黃色的土壤，對(duì)應(yīng)于紅土剖面的薄層淋濾帶。本區(qū)紅土垂向剖面與典型熱帶地區(qū)的紅土剖面可以進(jìn)行對(duì)比，表明在紅土之下的覆蓋層可能為基性的火成巖。

2.2 地球化學(xué)元素組合特征

土壤地球化學(xué)是尋找隱伏礦體的傳統(tǒng)手段(張善明等，2011；汪校鋒等，2011；孫凱等，2011)。在重點(diǎn)工作區(qū)進(jìn)行了1∶25 000比例尺的土壤化探異常(圖2)。采集的對(duì)象為B層土，對(duì)樣品進(jìn)行了采集、風(fēng)干、過篩、裝袋、編號(hào)。然后送核工業(yè)地學(xué)分析測(cè)試中心用ICP-MS進(jìn)行分析測(cè)試，共分析了Be、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Nb、Mo、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、Ta、W、Pb、Bi、Th、U等元素。本次研究共使用了2156個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)每個(gè)元素的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行了分析，其中Cu的平均值高于克拉克值55×10-6(Taylor，1964)，表明該區(qū)具有富銅的特征。

為研究各元素之間的關(guān)系，采用多元統(tǒng)計(jì)的數(shù)理分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2.1 聚類分析

聚類分析是地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理中常用的方法之一(胡以鏗，1991；張彥艷等，2006；李偉等，2007) ，其結(jié)果是將多個(gè)地球化學(xué)元素以其相似性分為不同的點(diǎn)群，從而反映地球化學(xué)元素之間的親緣性，本次數(shù)據(jù)處理采用了SPSS軟件，對(duì)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，采用組間連接的方法，計(jì)算元素間Euclidean距離，進(jìn)行系統(tǒng)聚類(圖4)。在距離系數(shù)為10的范圍內(nèi)， Cu與Nb、Ta、Ti、Mn、Zn、V、Fe、Co、Sc、Ga、In可歸為一組。其中V、Ti、Sc、Fe、Mn、Co等為鐵族元素，Ga、In為親銅分散元素，Nb、Ta為稀有元素。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明銅族元素與鐵族元素有密切的關(guān)系。

2.2.2 因子分析

因子分析的主導(dǎo)思想是“降維”，也就是在較少損失原始數(shù)據(jù)信息的前提下，用少量的彼此獨(dú)立的因子替代原始的變量，是一種研究元素共生組合的有效手段和方法(董慶吉等，2008；姚玉增等，2005；孫華山等，2005)。對(duì)卡皮薩比地區(qū)土壤化探元素分析結(jié)果進(jìn)行了因子分析，共提取出5個(gè)因子(表2)，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)77.38%。同時(shí)進(jìn)行了KMO和Bartlett的檢驗(yàn)，KMO為0.824，Bartlett球形度檢驗(yàn)sig=0。其中F1因子由Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Cd、In構(gòu)成， F2因子由Be、Rb、Sr、Cs、U構(gòu)成，F(xiàn)3因子由Cr、Ni、Ga、Mo、Sn、Th構(gòu)成，F(xiàn)4為Pb和Bi所構(gòu)成，F(xiàn)5因子為Nb、Sn、Ta所構(gòu)成。

因子分析結(jié)果反映了元素之間的地球化學(xué)親緣性關(guān)系。其中F1因子由為鐵族元素和親銅元素構(gòu)成，鐵族元素Sc、Ti、V、Co主要在基性巖漿中富集，而銅在基性巖中的含量也超過其他類型的巖漿巖，因此，二者應(yīng)是同一地質(zhì)作用-基性巖漿作用的產(chǎn)物。

圖4 元素聚類分析譜系圖Fig.4 Tree map of clustering analysis

根據(jù)聚類分析和因子分析結(jié)果，與銅元素有關(guān)的元素為Sc、Ti、V、Fe、Co、Ni ，其中與V和Ti關(guān)系尤為密切(相關(guān)系數(shù)分別為0.924和0.894)，Sc、Ti、V、Fe、Co、Ni元素組合反映了基性巖漿作用(劉英俊等，1987)，因此，銅異常與基性巖體有關(guān)。

表3 因子旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 3 Matrix of rotated factors

2.3 地球物理特征

根據(jù)地質(zhì)填圖成果，研究區(qū)主要發(fā)育泥質(zhì)巖、白云質(zhì)大理巖、石英黑云母片巖等沉積巖或沉積變質(zhì)巖(圖2)。這些巖石常具有弱磁性或無磁性。石英黑云母片巖中常因片理中充水而造成電阻率較低，泥質(zhì)巖和白云質(zhì)大理巖、基性巖體的電阻率較高。輝長巖中因含有磁鐵礦和鈦鐵礦(>10%)等順磁性、弱磁性礦物而使其具有較高磁性的特征，以此可與沉積圍巖相區(qū)別。若磁性地質(zhì)體為鐵礦體，則礦體應(yīng)具有相對(duì)低阻的特征，以此可與基性巖體相區(qū)別。音頻大地電磁法和高精度磁法是目前地質(zhì)勘探工作中常用的較新的物探方法(齊文秀等，2005)，根據(jù)輝長巖與圍巖的電性和磁性差異，可用音頻大地電磁法結(jié)合高精度磁法來探測(cè)隱伏輝長巖體。

在研究區(qū)施工了一條南北向的高精度磁法-音頻大地電磁測(cè)量剖面(圖5)，對(duì)應(yīng)于銅異常的部位為一高電阻率、高磁性地質(zhì)體。若該高磁性地質(zhì)體為鐵礦體引起，則其應(yīng)具有低阻性質(zhì)。因此，綜合來看，高阻高磁體應(yīng)為基性巖體，而非鐵礦體。

3 查證結(jié)果

在驗(yàn)證銅異常時(shí)，在研究區(qū)內(nèi)具有如上特征的地區(qū)施工了兩個(gè)鉆孔，穿過土壤覆蓋層即發(fā)現(xiàn)了輝長巖體。另外，將高磁異常與銅異常進(jìn)行疊加，發(fā)現(xiàn)二者空間分布具有明顯的一致性，表明銅異常應(yīng)為基性巖體造成。在基性巖體中未見有銅礦化，且在整個(gè)贊比亞-剛果銅鈷成礦帶中未有與基性巖有關(guān)的銅礦床的報(bào)道，從而表明該銅異常非礦致異常。

4 結(jié)論

通過研究可得出該區(qū)隱伏基性巖體的識(shí)別標(biāo)志如下：

(1) 地質(zhì)標(biāo)志：TiO2含量較高的地表磚紅色土壤；

(2) 地球化學(xué)標(biāo)志： Sc、Ti、V、Fe、Co、Ni、Cu等元素組合；

(3) 地球物理標(biāo)志：高磁、高阻體。

這些標(biāo)志均非直接定性的標(biāo)志，都存在一定的不確定性，在使用時(shí)必須綜合使用。而地球化學(xué)標(biāo)志是其中可信度較高的標(biāo)志，地質(zhì)標(biāo)志是最易于觀察的標(biāo)志。因此，在使用時(shí)可先采用地質(zhì)和地球化學(xué)方法進(jìn)行初步判斷，在此基礎(chǔ)上配合地球物理特征來進(jìn)一步判斷，可查明基性巖體的產(chǎn)狀和埋深。

另外，通過這些標(biāo)志可在風(fēng)化嚴(yán)重的覆蓋區(qū)識(shí)別出基性巖體，排除非礦致異常，對(duì)在贊比亞地區(qū)開展異常評(píng)價(jià)和銅礦找礦有一定的參考和指導(dǎo)意義。

圖5 音頻大地電磁測(cè)量和高精度磁法測(cè)量剖面圖Fig.5 Audio megnetotelluric survey and Magnetic survey profile

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Methods for Identifying Gabbros under Heavily Weathering Conditions—A Case Study from Kapisabi area, Zambia

DUAN Yi-jun1, GAO Yang2, CHEN Jian-ping1, CHEN Dong-yue1

(1.China University of Geosciences, Beijing 100083; 2.Beijing Research Institute of Uranium Geology,Beijing 100029)

There are many gabbros occurred in the middle and western part of the Lufilian arc, Zambian. Gabbros used to be covered by thick soil layers because of being heavily weathered. Copper in gabbros is normally higher than in sedimentary rocks, which makes it to form copper anomaly. In order to distinguish anomalies caused by gabbro and those caused by mineralization, it is necessary to identify gabbros under soil cover. Correlation analysis and factor analysis were used to analysis the geochemical data in Kapisabi area, which shows that copper anomaly is related to basic magma. Based on field geology, audio Magnetotellurics survey , high resolution magnetic survey , pitting and drilling results, the signature for identifying covered basic rocks are :red soil, geologic body with high magnetic intensity and the elements combination composed of Sc, Ti,V,Fe,Co,Ni and Cu.

covered gabbro, factor analysis, geochemistry, geophysics

2013-09-21；

2014-02-12；[責(zé)任編輯]郝情情。

段毅君(1983年—)，男，北京，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)在讀博士研究生，主要從事礦產(chǎn)普查與勘探等方面研究。Email:bjgtjdyj2013@163.com。

高陽(1983年—)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事礦產(chǎn)勘查工作。Email:gaoyangcugb@gmail.com。

P618

A

0495-5331(2014)02-0332-8