膠西北金礦構造控礦規律定量分析

李星燦， 毛先成， 陳 進， 劉占坤， 鄧 浩， 趙其輝

(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)

0 引 言

膠西北位于華北克拉通邊緣，是膠東金礦礦集區的主要成礦區域之一。膠西北區域內3條超殼斷裂(三山島斷裂、焦家斷裂、招平斷裂)是成礦熱液運移的主要通道，控制著礦體的空間定位、形態以及規模(Zeng et al., 2001; Goldfarb et al., 2014)，控制了膠東金礦礦集區超過80%的金儲量(Wang et al., 2019)，斷裂產狀的變化對金礦的礦化富集有著直接的影響(丁正江等，2015；呂古賢等，2017)。膠西北區域內的金礦常見2種礦化特征，按礦石類型分為焦家型破碎蝕變巖金礦及玲瓏型石英脈金礦(Song et al., 2015)。

隨著找礦難度的不斷加大，膠西北區域找礦工作向深部開展，焦家、招平礦帶相繼在深部發現金礦化第二富集帶(宋明春等，2010)，各金礦帶深部及外圍的接替資源十分可觀。但前人在膠西北地區開展的構造控礦模式研究集中于構建定性模型，缺少關于構造部位對礦化富集約束作用的定量關系描述(陳進等，2020)。

近年來，隨著三維建模與分析方法不斷應用于深部找礦研究(陳建平等，2009；肖克炎等，2012；Mao et al., 2016, 2019；劉暢等，2019；Nielsen et al., 2019)，對礦床三維地質模型進行空間分析顯得愈發重要。三維地質模型能準確描述地質構造，是礦產勘查的重要工具(Ruzek et al., 2011)?？臻g分析不僅是綜合分析三維地質模型、充分挖掘地質體空間信息與形態特征、使成礦預測從2D(或2.5D)轉向真3D的重要步驟，更是充分挖掘地質資料的客觀信息、實現成礦預測從定性分析轉向數值化定量(劉靜等，2017)、從邏輯驅動轉向數據驅動(趙鵬大，2012；陳建平等，2017)、準確揭示礦化富集規律的重要手段(毛先成，2006)。

因此，利用空間分析手段將膠西北礦體定位的空間特征與形態特征加以定量化表達，并分析礦體定位特征與礦化指標間的關系，確定控制金礦床形成的構造特征，為膠西北地區的構造控礦模式提供新的定量證據。

1 礦床地質背景與構造控礦模型

1.1 礦床地質背景

圖1 膠西北地區地質簡圖(據Song et al., 2015; Yang et al., 2016修編)1-第四紀沉積物;2-白堊紀沉積巖及火山巖;3-新元古代蓬萊群變質巖;4-古元古代粉子山群和荊山群變質巖;5-太古宙膠東群變質巖;6-侏羅紀欒家河花崗巖;7-侏羅紀玲瓏花崗巖;8-白堊紀郭家嶺花崗巖閃長巖;9-金礦床；10-斷裂帶Fig. 1 Simplified geologic map of the northwestern Jiaodong Peninsula(modified from Song et al., 2015; Yang et al., 2016)

膠西北地區位于華北克拉通東部(圖1)，涵蓋平度—蓬萊一線，東起欒家河斷裂，西至渤海地區，屬膠東礦集區西北部成礦小區，西隔郯廬斷裂帶與魯西隆起相鄰(宋明春等，2020)。膠西北地區經歷了多期構造運動，以斷裂構造發育為主要特征，區內金礦的形成與構造熱事件高度相關。斷裂構造對含礦熱液的遷移、聚集及沉淀成礦等過程均有控制作用，并影響成礦時的物理化學條件，是區內金成礦過程的重要影響因素(鄧軍，1992)。

中生代新華夏系NE-NNE向構造為區內主導構造，與金礦密切相關，是膠西北構造與地表形態的“骨架”，包括三山島斷裂帶、焦家斷裂帶、招平斷裂帶，三山島、焦家、大尹格莊、新城等金礦床群即分布于該構造系統內。膠西北區域3條區域級控礦斷裂對成礦的控制作用非常明顯，斷裂兩側的破碎帶普遍發育蝕變，形成焦家式金礦，垂向上具有階梯式分布特征(Song et al., 2015)。玲瓏式金礦整體上同樣受區域控礦斷裂控制，產出于斷裂下盤一定深度內的次級斷裂，礦體呈脈狀產出。

三山島斷裂位于萊州三山島—倉上一帶，南北兩端均延伸至渤海，陸上長12 km?？傮w走向北東42°，傾向南東，傾角33°～47°，由北東向南西傾角總體變陡。主斷裂面上盤為膠東群，下盤為玲瓏黑云母花崗巖，斷裂帶內斷層泥、糜棱巖、黃鐵絹英巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖發育。沿三山島斷裂帶分布有三山島與新立礦田。

焦家斷裂位于三山島斷裂東側石良集—黃山館—萊州一帶，走向北東，傾向北西，傾角30°～50°，呈S形彎曲延伸。 南段發育在玲瓏巖體與膠東群接觸帶中，北段發育在郭家嶺巖體與玲瓏巖體接觸帶中，主裂面發育有斷層泥，蝕變帶由黃鐵絹英巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖等組成。沿焦家斷裂帶分布有紅布、焦家、馬塘、南呂欣木、曲家、前李家、紗嶺、新城、朱郭李家等礦田。

招平斷裂位于焦家斷裂東側，是3條成礦斷裂中長度最長、延伸最廣的一條。該斷裂南起平度，經招遠后繼續向北東延伸；北端在蓬萊以西入渤海，走向北東，傾向南東，傾角約30°～60°，有分支復合現象出現，主斷裂面附近發育有斷層泥、糜棱巖類和碎裂巖類。沿招平斷裂帶分布有大尹格莊、曹家洼、夏甸、姜家窯等礦田。

1.2 構造控礦模型

三維空間分析是基于地質體三維模型的控礦因素定量分析，建立礦體定位概念模型是進行三維空間分析的必要前提，為三維空間分析提供了知識驅動。宋明春等(2012)對膠西北金礦進行過系統研究，總結了膠西北金礦在平面上的斷裂分支復合、膨脹轉折，以及剖面上斷裂傾角由陡變緩之轉折點下部等賦礦構造特征；于學峰等(2019)在研究焦家金礦帶3 km深部成礦條件時，論述了焦家金礦床深部與淺部在成礦部位、蝕變帶分布與蝕變程度等特征上的不同。此外，在其他礦床的地質構造與找礦預測中還揭示了成礦物質往往在巖體接觸部位(毛景文等, 2005)、轉折處(毛景文等, 2009)、斷裂面及斷裂交會部位(鄭有業等, 2014)等處聚集。

根據上述地質信息及研究的控礦構造特征，建立膠西北區域礦體定位的構造控礦模型(表1)。

表1 膠西北區域礦體構造控礦模型

研究范圍為膠西北的三山島、焦家、招平3條金礦帶，具體包括三山島礦帶上的三山島、新立(含深部及外圍)，焦家礦帶上的紅布、焦家、馬塘、南呂欣木、曲家、前李家、紗嶺、新城、朱郭李家，招平礦帶上的大尹格莊、曹家洼、夏甸、姜家窯礦床(礦段)。

研究使用的地質體三維模型包括三山島主斷裂、焦家主斷裂、招平主斷裂模型以及全部地質體的塊體模型。3個斷裂面的模型是對區內礦田勘探剖面圖中的斷裂信息進行三維地學建模得到的三角網(TIN)模型。地質體塊體模型包括鉆孔軌跡塊體、礦體塊體2部分：鉆孔軌跡塊體由剖面鉆孔軌跡信息數字化得到，礦體塊體通過對區內礦田勘探剖面圖中的礦體信息進行三維地學建模得到的表面模型的塊體化得到，塊體初始尺寸為5 m×5 m×5 m，數量總計2 282 592個。

2 三維空間分析方法

2.1 距離場分析

要定量考察控礦斷裂對礦化部位影響因素的強弱，地理學第一定律(Tobler，1970)提示應當首先考慮空間距離。計算區內礦化塊體至對應控礦主斷裂面的距離，以表征斷裂對該礦化塊體的影響強弱程度，并約定礦化塊體至控礦主斷裂面的距離具體為塊體中心點至主裂面的最短距離，即：

dF(xv,yv,zv)=±min[(x-xv)2+(y-yv)2+(z-zv)2]

(1)

式(1)中，(xv,yv,zv)為礦化塊體中心點的坐標。dF的正負由主斷裂面與點(xv,yv,zv)的相對關系確定:點(xv,yv,zv)位于斷裂上盤時，約定dF值為正；位于斷裂下盤時，dF值為負。

2.2 趨勢起伏分析

控礦斷裂的形態，尤其是局部隆起和凹陷，往往控制著礦體的產出及分布。為了定量表示控礦主斷裂面的起伏程度，對控礦主斷裂面進行形態濾波以獲得斷裂面平滑形態，再求取原構造形態與平滑形態間的差值，表征主斷裂面表面各處的隆起或凹陷程度，即：

wF(x,y)=O(x,y)-T(x,y)

(2)

式(2)中，O(x,y)為原主斷裂面坐標值為(x,y)的點的高程值，T(x,y)為趨勢面上對應點的高程值。wF(x,y)值為正代表主斷裂面在此處隆起，為負代表凹陷。

趨勢面的求取過程充分利用斷裂面TIN模型中存儲的拓撲信息，引入滑動平均運算進行實現。以TIN模型點的ID號為索引，設置指定外推拓撲層數進行滑動平均計算，得到構造面的趨勢面。根據指定的外推拓撲層數的不同，將趨勢面記為不同級別的趨勢面，并得到不同級別的起伏分析結果。

2.3 坡度分析

坡度能表達控礦斷裂產狀的細節以及局部產狀變化下熱液運移及礦體就位的微觀環境?？氐V主斷裂面TIN模型的坡度指各三角形面與空間水平面的二面角大小，即：

(3)

式(3)中，a,b為TIN模型上點(x,y,z)處三角形所在平面的解析式z=ax+by+c的參數。

2.4 陡緩轉換場分析

控礦斷裂在傾向方向的陡傾區段與緩傾區段交替出現，常常影響成礦熱液的運移過程，礦化常定位于斷裂面陡緩轉折部位(宋明春等，2012)。陡緩轉換可以衡量構造傾斜形態的局部變化特征及變化強度，此次研究所表述的陡緩轉換方向均指沿構造面的深部向淺部方向，與成礦流體運移方向契合。對于礦體定位來說，受此種構造形態轉換部位控制是綜合了轉換強度與距離的復合場模型而非單一強度數值指標，即：

(4)

式(4)中，i為緩沖區內陡緩轉換點的編號，m為緩沖區內陡緩轉換點的個數，qi為陡緩轉換部位的強度，di為單元(x,y,z)與編號為i的陡緩轉換部位點的歐式距離。陡緩轉換部位強度qi用下式進行計算：

(5)

式(5)中，gFi+1為過點i與傾向方向的面與傾向反方向三角形形成的交線與水平面形成的線面角大小，gFi-1為過點i與傾向方向的面與傾向方向的三角形形成的交線與水平面形成的線面角大小；di+1為過點i與傾向方向的面與傾向反方向三角形形成的交線長度，di-1為過點i與傾向方向的面與傾向方向的三角形形成的交線長度。

3 控礦信息指標及礦化關聯分析結果與討論

三維空間分析結果定量表達了斷裂形態及礦體離散化塊體的空間分布情況。從數據驅動的視角看，要實現控礦信息指標與礦化分布的關聯規律的定量化表達，應當從空間數據本身出發，直接挖掘地質空間數據背后的相關關系，摒棄傳統地學研究中常使用的邏輯分析(嚴光生等，2015)。通過對控礦信息指標與礦化指標進行統計分析，研究在統計意義上是否存在內在聯系。

3.1 斷層距離場分析結果

膠西北3條成礦斷裂的距離場因素對礦體的控制作用顯著。膠西北礦化富集空間主要集中分布在斷裂面下盤一側，上盤少見礦化富集(圖2)。其中，三山島礦帶礦化富集在下盤距斷裂200 m至上盤距斷裂35 m之間，焦家礦帶礦化富集在下盤距斷裂100 m至上盤距斷裂10 m之間，招平礦帶礦化富集在下盤距斷裂60～200 m之間。礦化富集區域控制了所在礦帶約90%的金屬量產出。膠西北3條礦帶的礦化分布在成礦斷裂距離場中的規律較為一致，揭示了同樣的控礦特征，即發育于斷裂面的低滲透性斷層泥(楊林等，2014)作為障礙層阻擋了成礦流體在垂向上進一步向上盤運移，成礦流體沿主斷裂面擴散，形成蝕變礦化帶。

從Au品位分布來看，除個別距離場值因礦化塊體較少而出現Au品位平均值零星高值外，均值整體分布在1～5 g/t區間。焦家礦帶Au品位的分布在斷裂面附近出現1處低于兩側的低谷(圖3)，與該部位金屬量AuMet的大量富集形成了明顯對比：焦家礦帶距主斷裂面較近區域的Au品位低于稍遠處，但成礦規模大,連續性好；距主斷裂面稍遠處的礦石品位較高，但成礦規模小。上述規律為闡釋焦家礦帶在主斷裂附近破碎蝕變巖處與下盤一定深度石英脈充填的次級構造處的不同成礦特征提供了證據。

圖2 主斷裂面距離場因素dF與礦化的關系(a) 三山島礦帶；(b) 焦家礦帶；(c) 招平礦帶Fig. 2 Statistical relationship between main fault surface′s distance field dF and mineralization(a) Sanshandao mineralization belt; (b) Jiaojia mineralization belt; (c) Zhaoping mineralization belt

圖3 焦家主斷裂面距離場因素dF與Au品位的關系Fig. 3 Relationship between Jiaojia fault surface′s distance field dF and Au content

3.2 趨勢起伏分析結果

膠西北3條成礦斷裂的趨勢起伏因素對礦體具有明顯的控制作用，且控礦規律體現了較強的一致性，僅程度有所區別。膠西北主要礦化位于斷裂面起伏0 m附近，即斷裂面形態相對平緩、連續的區域(圖4)：三山島礦帶礦化集中于斷裂面一級起伏程度-30～15 m、二級起伏程度-85～25 m內，焦家礦帶礦化集中于斷裂面一級起伏程度-13～10 m、二級起伏程度-20～12 m內，招平礦帶礦化集中于斷裂面一級起伏程度-28～4 m、二級起伏程度-42～22 m內。上述礦化富集部位控制了所在礦帶內約90%的金屬量產出。

從Au品位及金屬量AuMet分布看，在礦化富集的起伏區間，3條礦帶Au品位均值差異不大，基本維持在同一水平，起伏程度較小區域的Au品位略低于起伏程度較大的區域，但金屬量AuMet呈高度集中分布形態，3條礦帶金屬量最高處均位于起伏程度0 m附近的區域，且三山島、招平礦帶略向負值即凹陷一側分布。上述證據證明，膠西北礦集區3條礦帶礦化定位均受主斷裂起伏形態的控制，礦化集中產出于主斷裂形態較為平緩的區域附近，而非起伏劇烈的區域，這可能是因為斷裂作為成礦流體運移的通道，較為平緩的區域使流體運移變緩，有利于沉淀成礦。

3.3 坡度分析結果

膠西北3條成礦斷裂的坡度因素對礦體有一定的控制作用。膠西北主要礦化富集空間集中于斷裂面坡度適中處(圖5)：三山島礦帶礦化集中于斷裂面坡度26°～67°之間，焦家礦帶礦化集中于斷裂面坡度16°～50°之間，招平礦帶礦化集中于斷裂面坡度17°～65°之間。

從Au品位來看，三山島、焦家、招平礦帶在礦化富集的坡度區間內的Au品位差異不大，基本維持在1～3 g/t。

從金屬量AuMet分布看，三山島、焦家礦帶在礦化集中的坡度區間內金屬量AuMet分布均呈向特定坡度集中的近似正態分布，但集中程度不太高。其中，三山島礦帶金屬量AuMet集中分布于主斷裂面坡度42°附近，焦家礦帶金屬量AuMet集中分布于主斷裂面坡度33°附近，招平礦帶金屬量AuMet分布可見2處較弱的峰，坡度分別為32°、46°。在焦家礦帶金屬量AuMet集中部位附近，Au品位分布出現1處低于兩側的局部低谷(圖6)，這與焦家礦帶在主斷裂面距離場因素、趨勢起伏因素所體現的礦體定位特征相似。

圖4 主斷裂面趨勢起伏因素wF與礦化的關系(a) 三山島礦帶(一級起伏，waF)；(b) 焦家礦帶(一級起伏，waF)；(c) 招平礦帶(一級起伏，waF)；(d) 三山島礦帶(二級起伏，wbF)；(e) 焦家礦帶(二級起伏，wbF)；(f) 招平礦帶(二級起伏，wbF)Fig. 4 Statistical relationship between main fault surface′s morphological undulation wF and mineralization (a) Sanshandao mineralization belt (first-level undulation, waF); (b) Jiaojia mineralization belt (first-level undulation, waF); (c) Zhaoping mineralization belt (first-level undulation, waF); (d) Sanshandao mineralization belt (second-level undulation, wbF); (e) Jiaojia mineralization belt (second-level undulation, wbF); (f) Zhaoping mineralization belt (second-level undulation, wbF)

3.4 陡緩轉換分析結果

膠西北3條成礦斷裂的陡緩轉換場因素對礦體的控制作用顯著。主要礦化富集空間集中于陡緩轉換場強度較小的區域(圖7)：三山島礦帶礦化集中于陡緩轉換強度-20～15之間，焦家礦帶礦化集中于陡緩轉換強度-150～270之間，招平礦帶礦化集中于陡緩轉換強度-410～15之間。礦化富集部位控制了90%以上的金屬量產出。

三山島、焦家、招平礦帶在礦化富集的陡緩轉換場強度區間均出現了金屬量的高度富集，峰值在陡緩轉換強度0附近。膠西北礦集區3條礦帶礦化定位在陡緩轉換部位的分布狀況揭示礦化集中分布于陡緩轉換不強烈，即產狀相對比較連續的部位。招平礦帶圖件顯示，礦化除集中分布于產狀相對連續的部位外，在由陡變緩的部位也出現一定量的成礦，證明含礦熱液沿斷裂面向淺部運移的過程中，經過傾角較陡的區段后，在傾角轉緩的部位遇到了“屏障”，在此沉淀成礦。

圖5 主斷裂面坡度因素gF與礦化的關系(a) 三山島礦帶；(b) 焦家礦帶；(c) 招平礦帶Fig. 5 Statistical relationship between main fault surface′s slope gF and mineralization(a) Sanshandao mineralization belt; (b) Jiaojia mineralization belt; (c) Zhaoping mineralization belt

圖6 焦家主斷裂面坡度因素gF與Au品位的關系Fig. 6 Relationship between Jiaojia fault surface′s slope gF and Au content

4 結 論

(1) 對膠西北礦集區三山島礦帶、焦家礦帶、招平礦帶進行構造控礦分析，采用距離場分析、趨勢起伏分析、坡度分析、陡緩轉換分析等方法分別提取了3條控礦斷裂的距離場因素及形態特征因素。

(2) 通過分析控礦指標與礦化指標的關聯性，定量揭示出膠西北地區下列構造控礦特征：① 區域級的3條斷裂控礦作用顯著，礦化主要富集在斷裂面附近及斷裂下盤；② 淺部與深部成礦呈現的不同礦化特征表明分屬不同的成礦模式，尤以焦家礦帶最為顯著，控礦斷裂主裂面附近以蝕變巖型(焦家式)礦化為主，含礦流體在主裂面與斷層碎屑巖發生交代作用成礦，深部以含礦流體充填構造空間形成的石英脈型(玲瓏式)礦化為主；③ 斷裂面形態特征是重要控礦因素，礦化集中分布于形態特征較為連續的平緩區域，或產狀由陡變緩的“屏障”區域。

圖7 主斷裂面陡緩轉換因素f V與礦化的關系(a) 三山島礦帶；(b) 焦家礦帶；(c) 招平礦帶Fig. 7 Relationship between main fault surface′s change of slope strength fV and mineralization(a) Sanshandao mineralization belt; (b) Jiaojia mineralization belt; (c) Zhaoping mineralization belt