河南熊耳山礦集區及其鄰區分形特征與找礦方向探討*

崔中良，孔德坤

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司, 云南 曲靖 655000)

0 引言

熊耳山礦集區位于豫西地區，大地構造位置上處于華北克拉通南緣，屬于小秦嶺-崤山-熊耳山金銀多金屬成礦帶[1]，是我國極為重要的黃金產地之一[2-4]。熊耳山礦集區及其鄰區分布大量金銀多金屬礦床，主要為構造蝕變巖型、隱爆角礫巖型、斑巖型等熱液型礦床[5]，受斷裂構造及不整合面控制特征顯著[4,6-7]。目前地質學者已對熊耳山礦集區及其鄰區開展了大量研究工作，并取得了許多成果[2-10]，但斷裂與成礦關系的研究還是以定性評價為主。分形理論能夠對復雜和不規則的地質現象進行客觀描述和定量表征，可以從混亂復雜的現象中發現秩序和結構，目前已被廣泛應用于斷裂構造展布[11-13]、礦床(點)分布[14-16]、成礦規律及找礦預測[16-19]等研究。因此，本文對河南熊耳山礦集區及其鄰區的控礦構造體系(指斷裂構造及熊耳群與太華巖群之間的不整合面)和礦床(點)開展分形研究，并結合巖漿巖條件綜合探討有利成礦區，以期為該區的礦產勘查提供參考。

1 地質背景

研究區地處華北克拉通南緣(見圖1a)，是小秦嶺-崤山-熊耳山金銀多金屬成礦帶的重要組成部分[1](見圖1b)。研究區內主要出露太華巖群中深變質巖系(綠巖建造)、熊耳群淺變質火山巖系、官道口群濱海相沉積巖和中-新生界沉積物[5]。其中，太華巖群變質巖構成熊耳山地區結晶基底，而熊耳群火山巖和官道口群濱海相沉積巖構成了本區的沉積蓋層。熊耳山地區為典型變質核雜巖帶，其中北部沿洛寧斷裂與洛寧盆地相拆離，南部沿太華巖群與熊耳群不整合界線與熊耳群相拆離[5,20]。區內構造以斷裂為主，褶皺相對較弱，礦床的分布主要受斷裂帶控制[2,8-9]。區內斷裂按展布方向可分為NE(含NNE、NEE)、NW、近EW、近SN向，其中NE(含NNE、NEE)向斷裂發育程度最高，是區內最主要的控礦、容礦斷裂構造[1,5]。區內熊耳群與太華巖群之間的不整合面(接觸關系為拆離斷層帶、韌性剪切帶、角度不整合接觸等)對區內礦床(點)分布亦有重要控制作用[7]。區內巖漿活動頻繁，主要集中在太古代、中元古代和中生代，其中中生代巖漿活動與成礦關系最為密切[1,5]。研究區礦產資源豐富，金屬礦床成因類型以熱液型為主，其中金礦是本區優勢礦產。

圖1 研究區大地構造位置(a，據文獻[21])及礦床(點)分布(b，據文獻[7])

2 分形原理及計算方法

分維值是刻畫物體占據空間規模和整體復雜性的量度，其計算方法主要有根據測度關系求分維值、根據密度相關函數求分維值、改變觀察尺度求分維值等。根據研究對象的特點，對構造控礦體系采用改變觀察尺度求分維值的方法，而對礦床(點)既采用改變觀察尺度求分維值的方法，亦采用根據密度相關函數求分維值的方法。

2.1 構造控礦體系分維值計算方法

對于構造控礦體系，本文以礦床(點)分布圖(見圖1b)為底圖，采用應用最為廣泛的計盒維數法進行計算。計盒維數法的分形計算思路[12]為：采用不同邊長r(r=L，L/2，L/4，L/8,…，其為首項為正數、公比等于0.5的等比數列)的正方形格子覆蓋研究區，分別計算覆蓋至斷層的網格數N(r)：

N(r)=Cr-D0，

(1)

式中，C、D0均為常數。若N(r)與r滿足式(1)，則研究對象為分形。

將式(1)兩邊分別取對數得

lnN(r)=-D0lnr+lnC。

(2)

由式(2)可知，若lnN(r)與lnr為線性關系，則研究對象為分形，分維值D0即為該線性關系式斜率的絕對值。

具體計算步驟為：①分別采用邊長為60.833、30.417、15.208、7.604、3.802 km的二維正交網格覆蓋研究區，并分別統計斷裂構造、熊耳群與太華巖群之間的不整合界線等覆蓋至斷層的網格數N(r)，在Excel中以lnr為橫軸，以lnN(r)為縱軸，分別繪制不同類型控礦要素的回歸擬合直線，得到相應控礦要素的分維值；②將邊長r為15.208 km的二維正交網格進行編號，分區結果如圖2所示。對于每個分區，分別以邊長7.604、3.802 km的二維正交網格覆蓋，并統計分區覆蓋的網格數N(r)。利用Excel繪制回歸擬合直線，得到分區分維值。

圖2 研究區分維值計算分區圖(底圖據文獻[7])

2.2 礦床(點)分形分維值計算方法

將礦床視為空間上的一個點集時，即可運用計盒維數法計算分維值，具體計算步驟與控礦構造體系分維值的計算類似，此處不再贅述。本節著重敘述根據密度相關函數求分維值的方法，計算中常采用概率密度相關函數：

d(r)=KrD-2(0

(3)

式中：d(r)為概率密度函數，是指距離已知礦床為r的范圍內單位面積礦床數量；K為常數；D為分維值，在相同無標度區內，D越大，礦床越聚集[14]。研究過程中除采用概率密度相關函數外，為定量探討已知礦床周邊一定距離范圍內其他礦床的個數，本文建立如下函數：

N(r)=KrD，

(4)

式中，N(r)為數量分形分布函數，是指距離已知礦床為r的范圍內礦床的數量。本文選取分布較均勻的5個礦床作為中心，在不同標度下分別確定其周圍的礦床個數及密度，然后取各個中心計算結果的均值，最后對數據進行擬合。

3 礦集區分形特征

3.1 控礦構造體系分形特征

3.1.1 整體分形特征

研究區控礦構造體系分維值計算參數見表1，根據表1中的參數繪制研究區斷裂構造及控礦不整合界線分維值計算線性擬合圖(見圖3)。

表1 研究區斷裂構造及控礦不整合界線分維值計算參數

圖3 研究區斷裂構造及控礦不整合界線分維值計算線性擬合圖

由圖3可知，3條回歸擬合直線的判定系數(擬合度)R2分別為 0.995 5、0.981 9、0.996 7，擬合程度較高，說明在研究標度3.802～60.833 km范圍內，研究區控礦構造體系具有很好的統計自相似性。分維值與地質體連通性有關：當分維值低于臨界值(1.22～1.38)[22]時，地質體變形及滲透率偏低，連通性差，不利于成礦；當分維值達到或高于臨界值[22]時，地質體變形強烈，滲透率增大，此時連通性較好，有利于成礦流體的運移、聚集以及熱液礦床的形成[23]。研究區控礦構造體系分維值為1.698 4，斷裂構造分維值為1.680 6，熊耳群與太華巖群之間的不整合界線分維值為1.022 6，由此可知：①研究區控礦構造體系分維值>地質體臨界值，表明研究區地質體具有很好的連通性，有利于成礦流體的運移、聚集以及熱液礦床的形成；②研究區斷裂構造分維值與控礦構造體系分維值十分接近，遠大于熊耳群與太華巖群之間不整合界線的分維值，亦大于地質體臨界值，說明研究區礦床的分布主要受斷裂帶控制，這與前人的研究成果[2,8-9]吻合；③熊耳群與太華巖群之間不整合界線的分維值小于地質體臨界值,說明熊耳群與太華巖群之間不整合界線對研究區的控礦作用次之。

中國部分金銀成礦區斷裂構造分維值見表2。由表2可以看出，研究區控礦構造體系分維值與中國大陸活動區(地洼區)分維值上限接近，遠大于膠東焦家地區、東天山康古爾塔格金礦帶及招遠金礦礦集區斷裂構造分維值，略大于桂東南金銀礦集區斷裂構造分維值，這能在一定程度上說明研究區控礦構造體系成熟度較高，成礦條件比較優越。需要特別說明的是：①同一研究區，無論是根據密度相關函數求分維值，還是采用改變觀察尺度求分維值，若采用不同的研究標度，計算得出的分維值一般不同；②利用盒數計維法得出的分維值代表的是分形體占據相應盒子的能力，分維值即為這種能力的量化表征；③同一類型的不同分形體(如不同地區的斷裂等)，若采用的研究標度不同，分維值的比較代表的是不同分形體在不同研究標度下占據盒子能力的比較。

表2 中國部分金銀成礦區斷裂構造分維值

3.1.2 分區分形特征

研究區分區分維計算參數見表3。表中，分維值>1.38的分區16個，其中容礦分區10個，分維值≤1.38的分區8個。

表3 分區分維值計算參數

3.2 礦床(點)空間分布分形叢集結構

3.2.1 礦床分形展布特征

研究區礦床(點)分布分維值計算參數見表4，根據表4繪制礦床(點)空間分布分維值計算線性擬合圖(見圖4)。由圖4可知，研究區礦床(點)空間分布分維值為0.647 1。

表4 礦床(點)分布分維值計算參數

圖4 礦床(點)空間分布分維值計算線性擬合圖

中國部分地區礦床空間分布分維值見表5。由表5可知，研究區金多金屬礦床(點)空間分布分維值與華南金礦床的相當，大于中國金礦床、華北金礦床、膠東金礦床及云開隆起西、北緣金礦床的空間分布分維值，說明研究區金多金屬礦床(點)空間分布在研究標度3.802～30.417 km內的叢集性與華南金礦床空間分布在研究標度5～80 km內的叢集性相當，小于中國金礦床、華北金礦床、膠東金礦床及云開隆起西、北緣金礦床空間分布在相應研究標度下的叢集性。

表5 中國部分地區礦床空間分布分維值

3.2.2 礦床數量及密度分形特征

研究區礦床(點)數量及密度分形分布數據見表6，根據表6繪制礦床(點)數量及密度分形分布擬合圖(見圖5)。

表6 礦床(點)數量及密度分形分布數據

圖5 礦床(點)數量及密度分形分布擬合圖

由圖5可知：在研究標度2.5～20.0 km內，礦床(點)的研究標度-礦床平均數量呈冪律關系，判定系數為0.989 5，擬合度較高，研究區礦床(點)數量分形分布分維值為1.404 3；在研究標度2.5～20.0 km內，礦床(點)的研究標度-密度呈冪律關系，判定系數為0.944 2，擬合度亦較高，研究區礦床(點)密度分形分布分維值為1.404 0；礦床(點)數量及密度分形分布分維值均較高(>1.4)，說明研究區礦床(點)的叢集性較高，因此就礦找礦的思路在研究區仍然適用。

4 分維值有利成礦區探討

分維值與地質體連通性有關，分維值越高，地質體連通性越好，從而越利于成礦流體的運移、聚集以及熱液礦床的形成。理想狀態下主要受斷裂體系控制的礦床有利分布區應滿足2個條件[12]：①本身分維值較高，利于成礦流體流通、滲透；②鄰區分維值較低，利于阻擋、封閉成礦流體?？紤]到礦床分布的叢集性，實際分析中往往需要將連續發育礦床的分區視作一個整體，從而認識構造匯聚并封閉流體成礦的作用。從研究區分區分維值空間變化(見圖6)來看：分區5可單獨視作一個整體，其分維值較橫向兩個鄰區高；除分區5外，其他9個分區需視作一個整體進行分析。其相鄰分區中有6個可視作相對阻擋、封閉成礦流體區，且上部(北部)鄰區分維值較低，說明除已發育礦床(點)分區外，下部(南部)成礦潛力較大。

圖6 分區分維值空間變化

為探討成礦有利分維值區間，繪制容礦分區分維值-礦床(點)數量投影圖(見圖7)。

圖7 容礦分區分維值-礦床(點)數量投影圖

從圖7可以看出：24個分區中，分維值>1.4的分區有16個，其中容礦分區10個，共發育礦床(點)27個；分維值<1.4的分區有8個，其中容礦分區0個，發育礦床(點)0個；研究區分維值>1.4的區域為成礦有利區。

5 找礦方向

基于分維值有利成礦區分析，結合控礦構造體系及有利巖漿巖等方面綜合劃分成礦有利區(見圖8)。

圖8 綜合分析有利成礦區

圈定分維值>1.4的區域作為研究區有利成礦區，而圈定的有利成礦區周邊分維值均較小，滿足成礦有利區條件。在有利成礦區中圈定兩個最有利成礦區(Ⅰ級有利成礦區)，即Ⅰ-1、Ⅰ-2。有利成礦區Ⅰ-1：分維值>1.4，空間上呈EW向分布，覆蓋研究區內主要控礦構造，已發現的礦床(點)絕大多數發育于此。研究區礦床(點)叢集性較高，根據就礦找礦的思路來看，此區找礦潛力仍然很大。有利成礦區Ⅰ-2：分維值>1.4，空間上呈NE向分布，位于有利成礦區Ⅰ-1的下部，覆蓋研究區內部分控礦構造，可見與成礦關系密切的中生代巖漿巖(合峪巖體)。該區分維值較高，且被分維值非常低的鄰區夾持，從分維值對地質體連通性的刻畫來看，該區亦為成礦流體相對匯聚區，目前該區已發現若干鉛鋅銀礦床(點)及鉬鎢礦床(點)，顯示該區成礦潛力較大。

6 結論

a.研究區構造控礦體系分維值為1.698 4，成熟度較高，表明研究區地質體具有很好的連通性，有利于成礦流體的運移、聚集以及熱液礦床的形成。

b.礦床(點)空間分布分維值為0.647 1，數量及密度分形分布分維值分別為1.404 3和1.404 0，說明研究區礦床(點)的叢集性較高，就礦找礦的思路在熊耳山礦集區仍然適用。

c.研究區分維值有利成礦區需滿足分維值>1.4、鄰區分維值較低兩個條件。

d.基于分維值有利成礦區分析，結合控礦構造體系及有利巖漿巖等方面綜合劃分了最有利成礦區，即Ⅰ-1和Ⅰ-2。