基于Markov鏈的金川銅鎳礦床超基性巖體侵位過程模擬及找礦啟示

鄧　浩, 劉曉霞, 趙　瑩, 張苗苗, 毛先成

(1.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室,湖南長沙410083; 2.中南大學地球科學與信息物理學院,湖南長沙410083)

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基于Markov鏈的金川銅鎳礦床超基性巖體侵位過程模擬及找礦啟示

鄧浩1,2, 劉曉霞1,2, 趙瑩1,2, 張苗苗1,2, 毛先成1,2

(1.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室,湖南長沙410083; 2.中南大學地球科學與信息物理學院,湖南長沙410083)

金川銅鎳礦床是世界第三大銅鎳硫化物巖漿礦床,現有研究表明其成礦模式為巖漿通道成礦,但是對于金川超基性巖體的侵位過程存在較大爭議。為探索巖體的侵位過程,將巖漿侵位描述為馬爾可夫(Markov)過程,提出一種基于Markov鏈的巖體侵位模擬算法,實現對金川超基性巖體侵位過程的模擬。以金川Ⅱ礦區為例,探討了侵位過程與礦化的關聯及巖漿通道骨架,為在礦床深部尋找第二成礦空間提供方向和線索。

銅鎳硫化物礦床;巖漿通道;Markov鏈;巖體侵位;甘肅金川

0　引　言

近年來研究發現,巖漿通道對銅鎳硫化物礦床的形成具有重要的作用(湯中立等,1995;蘇尚國等,2010;宋謝炎等,2010;Naldrett et al.,1995;Lightfoot et al.,1999，2005;Li et al.,1999，2003;Maier et al.,2001;Arndt et al.,2005;Barnes et al.,2005;Ripley et al.,2005)。金川銅鎳礦床作為世界上在采的第三大銅鎳硫化物礦床,越來越多的學者通過地球化學、成礦機制等方面的研究支持巖漿通道成礦理論,并用其解釋金川銅鎳硫化物礦床成礦模式(閆海卿等,2005;田毓龍等,2007;宋謝炎等,2010;蘇尚國等,2010，2014;曾認宇等,2013a,2013b;Chai et al.,1992;Chen et al., 2013)。金川巖體被認為是巖漿沿傾斜巖墻型通道流動冷凝形成,巖體所在部位可認為是巖漿通道的位置(宋謝炎等,2010；蘇尚國等, 2010)。

金川巖體被公認為現存巖漿通道的一部分,學者們就此對巖體沿巖漿通道侵位進行了研究。宋謝炎等(2005)認為Ⅱ-1號礦體是巖漿通道的頂端,而Ⅱ-2號礦體具有獨立的含礦巖漿通道,且巖漿流動有“樹狀分叉”的特征;閆海卿等(2013)認為金川4個礦區的巖漿具有自西向東運移的特點;曾認宇等(2015,2016)認為形成Ⅱ-1號和Ⅱ-2號礦體的成礦巖漿深部在同一巖漿通道中演化,冷凝分離后進入2條相對獨立的巖漿通道,最終由不同巖漿通道入口侵位。然而,上述研究對金川超基性巖體的侵位過程和侵位方式仍存在較大爭議。對金川礦區巖體侵位過程的研究,有助于了解成礦過程和含礦巖體空間就位方式,確定巖漿通道中心位置,進而尋找巖體侵位過程與含礦巖體空間就位的關聯,指導下一步的隱伏礦體預測;另一方面,巖體侵位可視為馬爾可夫(Markov)過程,這種簡化的假設為研究巖漿侵入就位過程提供了一種新的思路。

為此,本次研究提出一種基于Markov鏈的巖漿侵位模擬算法,并以金川礦床Ⅱ號礦區為例,實現對巖體侵位軌跡的重建,旨在探索金川巖體的侵入就位過程,發現侵位過程與礦化的關聯,尋找巖漿通道骨架,為金川深部找礦提供方向和線索。

1　地質背景

金川銅鎳硫化物礦床位于華北板塊西南邊部的阿拉善地塊西南緣的龍首山隆起帶內(李文淵,2006;高輝等,2009),大致以10°交角不整合侵位于前長城系白家嘴子組中(甘肅省地質礦產局第六地質隊,1984;曾南石等,2013)。

巖體直接與片麻巖、大理巖、條帶狀混合巖接觸,呈NWW向似墻狀、透鏡狀分布,傾角50°～80°,上陡下緩,巖體沿傾斜方向有明顯的膨縮變化和波狀起伏,巖體深部有分叉現象(王亮等,2014;曾認宇,2014)。巖體長6 500 m,寬20～527 m,出露面積僅約1.4 km2。NEE向扭性斷層F8、F16-1、F23將礦床自西向東分為Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ 4個相對獨立的礦區(圖1)。

圖1　金川銅鎳礦床地質構造簡圖(據曾認宇,2014)1-第四系;2-角礫狀-均質混合巖;3-黑云斜長片麻巖;4-蛇紋大理巖;5-條帶狀-均質混合巖;6-綠泥石英片巖+含榴二云片麻巖;7-蛇紋石大理巖中部分叉夾條痕狀混合巖;8-超基性巖;9-地質界線;10-推測地質界線;11-斷層及隱伏斷層;12-礦區編號Fig.1　Geological structure sketch map of the Jinchuan Cu-Ni deposit(after Zeng, 2014)

Ⅱ礦區位于Ⅰ、Ⅳ礦區之間,巖體長3 000余m,介于斷層F16-1與F23之間。巖體走向為310°,西端受斷層影響有明顯的偏轉而呈NEE向,巖體傾向SW,傾角50°～80°。Ⅱ礦區以26線為界可分為2段:西段巖體產狀較緩,寬度較窄(30～300 m),延深較大,最大延深超過1 000 m,由上、下2個分支組成,上分支呈板狀,延深300～400 m即尖滅,下分支規模巨大,一般延深數百米至千余米尚未尖滅,其中賦存有規模巨大的富礦體(即Ⅱ-1號礦體);東段巖體較淺(600～800 m),出露較寬,最大寬度可達530 m,橫剖面上變成漏斗狀,硫化物(礦化)堆積在底部,形成1個向SW緩傾斜的礦化透鏡體(Ⅱ-2號礦體)。Ⅱ-1號礦體為金川礦區最大礦體,Ⅱ-2號礦體為礦區第二大礦體,二者鎳金屬量總和占全礦區總量的70%以上。

2　方　法

2.1巖漿通道判別指標

廣義上,對于一個巖體,其巖漿曾經運移和賦存的空間都可以看作是巖漿通道。對于巖漿通道,將較細小的巖漿運移管道與膨大的巖漿房的連接處視為巖漿通道入口。在巖漿房中,同樣存在1條巖漿主要的運移路徑,涌入巖漿房的巖體主要是順著該路徑擴散而填滿整個巖漿房,本次研究將該運移路徑定義為巖漿通道骨架。

巖漿通道骨架是巖漿流在巖漿房中流經的中心位置,長期有較多的新鮮巖漿與該區域巖體進行物質交換,在該過程中,Cu/Ni的含量比值會相對升高,當硫化物從狹窄的巖漿通道進入巖漿房后,由于流速的驟減,巖漿中的硫化物會發生沉淀,故在巖漿通道入口處由于硫化物較多,Cu、Ni元素更易富集。因此,以超基性巖體內Cu、Ni及Cu/Ni的空間展布作為巖漿通道的特征指標。然而,Cu、Ni及Cu/Ni指標之間有一定的相關性,反映的信息在一定程度上有所重疊。

本次研究利用主成分分析法(PCA)實現降維。結果表明,第一主成分PCA1對應的累計方差貢獻率達67.2%,于是,僅利用第一主成分PCA1作為巖漿通道的判別指標。

2.2Markov鏈模型

巖體的侵位過程可認為是一個Markov過程。Markov過程是一種具有Markov性的隨機過程:如果隨機過程在已知其目前狀態(現在)的條件下,它未來的演變(將來)不依賴于以往的演變(過去),這種已知“現在”的條件下,“將來”與“過去”獨立的特性稱為Markov性。就巖體侵位過程而言,可以認為巖漿前鋒在下一時刻的狀態(位置、速度)僅與當前狀態(位置、速度)相關,而與之前的狀態(位置、速度)獨立。

基于上述思路,采用Markov鏈模型模擬巖漿流,從而對每一個體元vtarget建立巖漿流動路徑T。對于vtarget,從巖漿通道口體元v0到其所在位置可能經過n個連續的體元:

T={v0,v1,…,vn},vn=vtarget

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

由于巖漿流動路徑具有Markov性,所以式(5)可以簡化為:

(6)

(7)

(8)

至此,基本得到了描述巖漿流動過程的Markov鏈模型,結合式(2)、(3)、(4)和(6)有:

(9)

2.2.3初始狀態顯然在初始時,巖漿從巖漿通道入口進入巖體。所以,需確定巖漿通道入口。

(1) 巖漿通道入口的位置由于不斷地有新的巖體從深部侵入,所以溫度降低相對較慢,長期處于熔融狀態,將會造成液態硫化物-硅酸鹽間分配系數較高的元素的強烈富集,且高、低分配系數元素之間的比值也會相應提高。在液態硫化物-硅酸鹽間，分配系數Cu大于Ni,Pt和Pd大于Os、Ir、Ru、Rh，因此,在巖漿通道入口的位置,Cu/Ni、PPGE/IPGE比值相應會提高。

(2) 金川礦床的形成是巖漿分期侵位作用所致，其中晚期侵位巖漿含礦性明顯高于早期巖漿。早期侵位的物質由于受到晚期物質的擠壓力,會遠離巖漿通道入口,而晚期的物質將在離巖漿通道口較近的位置凝固。同時,由于巖漿通道進入巖漿房的巖漿口,空間突然變大,巖漿流速變慢,從急流突然變為緩流,也會導致大多數所含的硫化物在靠近入口處沉淀(施俊法等,2010)。因此,接近巖漿通道入口處的礦體相對較富。

所以,Ⅰ、Ⅱ號礦區的結合部(Ⅱ號礦區西北側)被許多學者認為是一個巖漿通道入口(宋謝炎等,2005;高亞林等,2009;田毓龍等,2009;曾認宇,2013a,2013b)。最近有學者(曾認宇等,2016)對金川礦區縱剖面成礦元素分布規律進行研究發現:在Ⅰ號和Ⅱ號礦區的結合部,Ni、Cu品位均具有一個明顯的高值區,且在Ⅱ-6行—Ⅱ-14行間存在一個從深部升到淺部、然后分開的區域,該區域由異常高值區組成,這形象地展示了巖漿從巖漿通道中心部位涌入、之后向四周流動的軌跡;與之對應的,在Ⅱ-2號礦體中部的Ⅱ-34行—Ⅱ-50行間,Ni與Cu同樣有這樣一個高值區;另外,Ⅱ-2號巖體呈現出水平對稱分異的巖相,并且在中部發現了成群的特富礦,也支撐了該部位存在巖漿通道的事實。綜上所述，可確定Ⅱ-1號和Ⅱ-2號礦體的巖漿通道入口(圖2)分別位于F16-1附近的金川Ⅱ-1號礦體的巖漿通道入口以及在F17附近形成的Ⅱ-2號礦體的巖漿通道入口。

圖2　PCA1標量場及巖漿通道入口(黃色部分)Fig.2　Scalar field of PCA1 and entrances of magma conduits (yellow parts)

2.3模擬實現

給定Markov模型,利用Viterbi(1967)算法得到極大化式(9)中后驗的概率,獲得“當前”。然而,對于任意一個目標體元vtarget而言,可能存在多個經過不同時刻t=0,…,n到達該體元的最優路徑。為此,選擇出現最大概率巖漿流路徑的時刻作為到達目標體元的最優路徑:

(10)

利用式(10)求解所有體元的侵位路徑,模擬得到巖體侵位過程。

3　討　論

3.1巖漿流動距離與礦體之間的關系

研究表明,Ⅱ-1號礦體和Ⅱ-2號礦體擁有相同的母巖漿,早期在同一巖漿通道系統中演化,當演化到一定程度后分別在次一級巖漿通道獨立演化(曾認宇等,2015),導致二者在形態、礦化程度、鉑族元素等方面具有明顯的區別。

圖3分別給出了Ⅱ-1號礦體巖漿流動距離與Cu、Ni品位之間的關系。圖中顯示,Ⅱ-1號礦體的Cu、Ni品位整體隨著巖漿流動距離(dflow)的增加呈明顯下降的趨勢,但在450、600m處還存在2個明顯的峰值,而在600～2 000m的范圍內Cu、Ni品位迅速減小。

圖3　Ⅱ-1號礦體巖漿流動距離與品位的關系Fig.3　Correlation between magma flow distance and the grades of Cu (a) and Ni (b) of orebody Ⅱ-1

從圖4中可以看出,Ⅱ-2號礦體的Cu、Ni品位隨著巖漿流動距離(dflow)的增加呈明顯下降的趨勢,但在600 m處還存在1個明顯的峰值,而在600～1 500 m的范圍內Cu、Ni品位迅速減小。

金川礦區含礦巖漿是多期次侵位的,且晚期巖漿的含礦性高于早期。由于晚期侵位的巖體受到早期侵位巖體的約束,巖漿常侵位于巖漿通道入口附近的位置,而巖漿通道入口因成礦環境良好,會出現明顯的固溶體分離作用,故Cu、Ni品位整體顯示與巖漿流動距離呈反比的特征。在特定距離出現的次級異常峰可能因含礦巖漿的多期上侵和巖漿流動過程中的重力分異作用有關。

圖4　Ⅱ-2號礦體巖漿流動距離與品位的關系Fig.4　Correlation between magma flow distance and the grades of Cu (a) and Ni (b) of orebody Ⅱ-2

Ⅱ-1和Ⅱ-2號礦體中的Cu、Ni品位并不是一直呈減小的趨勢,而是在特定距離出現次級異常峰,這可能是因為:(1) 含礦巖漿是多期次侵位的,而在每一次侵位過程中,由于硅酸鹽與硫化物之間的物質交換,Cu、Ni值會在特定的位置(一般是靠近巖漿通道入口及骨架的區域)發生富集,而這些成礦元素富集的巖漿在后期巖漿侵位時,又會被推向巖漿流動距離較大的位置,而這些位置就形成了這些小的峰值;(2) 在成礦空間里,由于重力的原因,硫化物會向下富集,導致在某些區域出現峰值。總之,模擬結果整體上服從2.1節中Cu、Ni元素在巖漿通道入口處更易富集的假設。

3.2找礦啟示

為了探尋巖體侵位過程的模式與規律,進而獲得找礦啟示,在上述巖漿侵位模擬后,利用蒙特卡洛方法(Robert et al.,2009)在超基性巖體表面進行隨機采樣,實現對巖漿流動軌跡的可視化。圖5給出了Ⅱ-1號和Ⅱ-2號礦體巖漿流動軌跡可視化的結果,從中可以發現,巖漿侵入就位過程中巖漿流動呈樹形擴散軌跡。

圖5　礦體巖漿流動軌跡Fig.5　Trajectory of magma migration in the orebody Ⅱ-1 (a) and orebody Ⅱ-2 (b)

另一方面,可以根據Markov鏈得到的巖漿樹形擴散軌跡反推初始條件之前的巖漿流動路徑。通過可視化發現,巖漿流動軌跡發現巖漿流剛好收斂于巖漿通道入口處且收斂于同一主干,在進行巖漿流動過程的反向推導時,可以按此主干趨勢向下延伸。顯然,在巖體深部礦化數據未知的前提下,沿主干趨勢向下的方向也是極大化式(2)中后驗概率的方向。

圖5a給出了Ⅱ-1號礦體巖漿通道向下趨勢,以及按巖漿流動軌跡主干圈定的的巖漿通道。從圖6a中可以發現,主要巖漿流動軌跡主要呈“Y”形樹狀結構,在巖體底部收斂成1條主要流動路徑,流動路徑在深部有向SE向延伸的趨勢,與相關文獻(曾認宇等,2016)報道的礦區礦化縱投影圖規律一致。因此,在Ⅱ-1號礦體根部SE方向具有較好的找礦前景。

圖6　巖漿通道骨架延伸方向Fig.6　Extending direction of magma conduit skeleton in orebodyⅡ-1 (a) and orebodyⅡ-2 (b)

圖5b給出了Ⅱ-2號巖漿通道的主要流動軌跡,從圖6b中可以看出軌跡呈NW和SE方向交匯于巖漿通道入口處的分支,淺部巖漿通道在巖體入口直接分叉,因此按2條分支向下趨勢的折中方向延伸巖漿通道。該延伸方向與相關文獻(曾認宇等,2016)報道的礦區礦化縱投影圖所呈現的趨勢一致,所以Ⅱ-2 號礦體深部具有較好的找礦潛力。

4　結　論

(1) 提出了基于Markov鏈的超基性巖體侵位過程模擬方法。該方法將巖漿侵位過程描述為Markov鏈模型,在模型中考慮了重力、巖漿通道入口壓力及巖漿慣性等因素。利用Viterbi算法求解得到極大化巖漿流動路徑后驗概率,獲得了金川巖體侵位過程的巖漿流動軌跡。

(2) 金川Ⅱ-1號和Ⅱ-2號礦體的巖漿流動距離與Cu、Ni品位呈較為明顯的負相關關系,與巖漿的深部預富集、多期上侵和巖漿通道入口的成礦環境密切相關;特定距離出現的次級異常峰可能與含礦巖漿的多期上侵和巖漿流動過程中的重力分異作用有關。

(3) 通過對巖漿侵位過程中巖漿流動軌跡的可視化,展示了巖漿流動的樹形擴散軌跡,發現了金川Ⅱ-1號和Ⅱ-2號礦體巖漿通道樹形骨架的特征,按樹形主干向下的趨勢,在Ⅱ-1號礦體根部SE方向以及Ⅱ-2 號礦體深部具有較好的找礦前景。

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Emplacement simulation of ultrabasic pluton in the Jinchuan Cu-Ni deposit with Markov chain and its implication for prospecting

DENG Hao1,2, LIU Xiaoxia1,2, ZHAO Ying1,2, ZHANG Miaomiao1,2, MAO Xiancheng1,2

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education, Changsha 410083, Hunan, China; 2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China)

The Jinchuan Cu-Ni deposit is the third largest Cu-Ni sulfide magmatic deposit in the world. Previous research shows that the formation of this deposit depended on a magma conduit system. However, there is still great controversy over the emplacement process of the ultrabasic pluton. Thus, this work proposed a simulation method of the magma flow trajectory by regarding the magma flow as a Markov process. Taking the ore district No. II of Jinchuan deposit as an example, the correlation between the emplacement process and mineralization, and the magma conduit skeleton were discussed, which may provide direction and evidence for discovering new metallogenic space in deep areas.

Cu-Ni sulfide deposit; magma conduit; Markov chain; pluton emplacement; Jinchuan in Gansu Province

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.03.395

2016-07-07；

2016-07-14；編輯：侯鵬飛

國家自然科學基金項目(41472301、41401532)

鄧浩(1983—),男，講師,博士,地圖學與地理信息系統專業,E-mail: liuxiaoxia152@163.com

P628+.3

A

1674-3636(2016)03-0395-08