早在20世纪50年代，国内外学者就开始了对金属矿床原生晕的研究，经过多年对众多典型矿床的研究，在工作方法、技术和原生晕分带理论方面取得了较大发展。前苏联的C.B格里戈良、奥勃钦尼科夫等根据前苏联200多个不同类型热液金属矿床原生晕的研究，通过元素原生地球化学晕的成分与矿体的空间分布关系，总结确定了热液矿床元素统一分带序列(从下至上):W-Be-As-Sn₁-U-Mo-Co-Ni-Bi-Cu₁-Au-Sn₂-Zn-Pb-Ag-Cd-Cu₂-Sb- Hg-Ba-Sr^[1]。前苏联在研究金属矿的原生晕找矿方法中取得明显的找矿效果，据统计，仅1965—1972年间，用原生晕方法预测深部盲矿体成功率就达84%以上^[2]。中国的勘查地球化学家几乎与前苏联的学者同时开展原生晕的研究工作，并提出了中国热液矿床原生晕的分带序列^[3]。此后，众多学者对铅锌矿床、斑岩型铜钼矿床、矽卡岩型铜矿床、钨钼矿床、金矿床、锡矿床等典型热液矿床的原生晕分带特征进行了深入研究，提出了各类矿床的地球化学模型^[4-10]，并在多个矿床的深部矿体预测中发挥了重要作用。

然而，以往的矿床原生晕研究多在二维尺度开展，以剖面的形式表达元素的分带特征及深部矿化的预测结果。前人^[11-12]对甘肃省早子沟金矿开展了原生晕分带特征和深部找矿预测研究，建立了地质-地球化学深部找矿模型，并圈定了深部找矿预测靶区。但成矿作用往往是在三维空间进行的，因此，地球化学预测工作也应该在三维尺度上开展^[13]。

随着三维建模理论和技术方法的飞速发展，国内外学者进行了颇有成效的研究^[14-17]，提出了很多三维地质模型建立和可视化的基本方法^[18-19]。与传统的二维平面地质资料表示方法相比，三维地质模型能够更完整和准确地表达各种地质现象，可快速直观地再现地质体的空间分布规律及其相互关系，挖掘潜在的地质信息，方便找矿预测、地质分析和自动制图^[20]。而钻孔又是获取深部三维地质信息的最直观、最准确和最详细的手段，如何根据钻孔数据构建三维地质模型，进而通过构建三维地质模型指导找矿？这是今后在深部找矿预测中需要解决的棘手问题。本文以早子沟金矿61个钻孔原生晕资料为研究对象，将传统的二维找矿方法与三维可视化技术相结合，实现了基于钻孔数据的三维地球化学建模及可视化，并开展了深部找矿预测和综合评价，提出了下一步的找矿方向，以期为原生晕找矿方法在矿床尺度的三维找矿预测提供新思路。

1.   矿区地质特征

早子沟金矿的大地构造位置处于西秦岭褶皱带北部断褶带与中部裂陷槽之间的过渡部位(图 1-a)，属同仁-夏河-岷县金成矿带的一部分^[23-25]，成矿条件非常优越。早子沟金矿地处合作市西南方向20 km，在一号沟—四号沟之间，是夏河-合作矿集区内的超大型金矿之一。矿床位于夏河-合作断裂带南侧，区域构造线呈北西西向展布，矿体赋存于一套以细碎屑岩为主的巨厚三叠系沉积地层中。矿区岩浆活动频繁，构造广泛发育^[26]。金矿床与断裂构造、岩浆侵入作用关系密切。

图  1  早子沟金矿地质简图(据参考文献[21-22]修改)

Q-第四系; T₂g³-古浪堤组上段粉砂质板岩; T₂g²-古浪堤组中段含岩质粉砂质板岩; T₂g¹-古浪堤组下段粉砂质板岩; QLA-祁连构造带; NQL-北秦岭构造带; WQL-西秦岭构造带; SG-松潘-甘孜构造带; YZ-扬子板块; SF1-武山-天水-商丹缝合带; SF2-玛曲-南坪-略阳缝合带

Figure  1.  Geological map of the Zaozigou gold deposit

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矿区出露地层主要为中三叠统古浪堤组下段，岩性为一套浅变质的钙质、粉砂质、泥质细碎屑岩^[27]，地层总体走向呈近南北向，受断裂构造和岩浆侵入作用的影响，地层产状较乱，总体倾向西。矿区内中酸性岩脉密集发育(图 2)，但岩脉单体产出不大，岩脉的展布受断裂构造作用明显，走向主要为北北东向，西部偏转到近南北向，少数为北西向。主要岩性有石英闪长玢岩、黑云闪长玢岩及少量花岗(闪长)斑岩等浅成侵入体，多具斑状结构，岩浆演化的时序为：石英闪长玢岩→石英黑云闪长玢岩→花岗斑岩^[28]。矿区内断裂构造发育，从走向看，大致由北东向、北西向、近南北向、近东西向和北北东向5组断裂组成，前3组断裂分别控制并构成3组主要金矿带。

图  2  早子沟金矿70勘查线剖面

Figure  2.  Sectionmap of No.70 exploration line from the Zaozigou gold deposit

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早子沟金矿的矿体主要呈脉状产出，受断裂构造控制非常明显。矿体主要赋存于断裂破碎带或岩体内、外接触带的断裂破碎带中及其旁侧的次级裂隙构造中(图 2)。区内的北东向、北西向和南北向3条断裂带是主要的容矿构造，分别控制了矿区北东、北西和近南北向3条金矿带^[29-30]。目前，矿区共圈定金矿体147条，金资源量超过百余吨^[31]，其中，金资源量大于1 t的主矿体有17条。代表性矿体有Au1、Au9、Au15、Au46等，主矿体厚度变化在0.82~18.13 m之间，矿体平均厚度约3.48 m，矿体品位变化在1.00×10^-6~11.20×10^-6之间，矿体平均品位约4.42×10^-6。同时在矿区深部发现大量缓倾斜的盲矿体，如M4、M6等(图 2)，走向290°~320°，主要倾向南西，倾角8°~26°。矿体厚度变化在0.94~15.77 m之间，平均厚度约4.27 m，矿体品位变化在1.06×10^-6~20.52×10^-6之间，矿体平均品位约4.05×10^-6。这组缓倾斜盲矿体与北东向矿体相交叠加成矿，形成富含金、锑的高品位矿体，2组矿体交而不断。

2.   样品采集与分析

本次采集的样品主要来自“甘肃省合作市早子沟金矿接替资源勘查”项目开展的钻孔原生晕样品，以及早子沟金矿勘查的历年岩心进行系统采样的样品。样品主要分布于北东向54~120号勘查线和北西向200~208号勘查线，从61个钻孔中共计采集了4012件样品。采样方法为全孔连续捡块法，多点采样组合成一个样品，样品重量一般不低于500 g。采样间隔一般在10~20 m，在金矿体或蚀变较强的地段采样间距加密至2~5 m。

根据以往区域上和矿区范围内开展的化探工作中选定的与成矿有关的元素，本次研究工作选取了12种元素进行分析测试，包括Au、Ag、Cu、Pb、Zn、As、Sb、Hg、W、Mo、Bi、Co。分析测试工作在自然资源部兰州矿产资源监督检测中心实验室完成，分别采用等离子体质谱法、原子吸收法、发射光谱法、原子荧光法、X射线荧光光谱法等多种分析方法。采用国家一级标准物质作为质量监控，样品分析结果质量优良。

3.   元素地球化学特征

矿石中的主要载金矿物为黄铁矿、毒砂、褐铁矿及辉锑矿，其他金属矿物有磁铁矿、磁黄铁矿、赤铁矿、黄铜矿等。近几年，对矿区主矿体的矿石组合样分析结果表明，矿石伴生Sb含量一般为0.01%~2.50%，Ag含量一般为0.04×10^-6~1.50×10^-6，达到了伴生有用组分要求^[32]。伴生Sb和Ag的矿物分布不均匀或极不均匀，Sb、Ag含量具有同步变化的趋势，二者的相关系数达0.83，高含量样品主要出现在Au1、Au46和M6矿体中，说明金矿体规模大、品位较高时伴生有用组分Sb、Ag含量较高，分布较均匀。矿石中的As含量为0.07%~3.18%，一般为0.33%~1.73%，平均含量1.13%，绝大部分As以毒砂形式存在，少量以臭葱石形式或分散于锑铁矿、褐铁矿等氧化矿物中。其他元素(Cu、Pb、Zn)含量均低于0.05%。

为了查明成矿成晕元素的地球化学特征，本次选取了深孔多、矿体较厚大的70勘查线剖面上的8个钻孔，对629件原生晕样品进行参数统计、R型聚类分析和因子分析。参数统计结果见表 1。从元素富集程度看，Au、As、Sb等元素在早子沟矿区的含量非常高，算术平均值分别为249.4×10^-9、695.5×10^-6和775.81×10^-6，远高于地壳中这些元素的丰度值，其中Sb元素的平均含量是地壳丰度值的2281.8倍，可能与北北西向缓倾斜的金锑矿体有关。从元素的变异系数看，大部分元素属于强变异(变异系数大于1)，其中Hg元素的变异系数为18.15，可能与矿区大量发育的构造有关；Cu、Pb、Zn、Co等元素属于中等变异(变异系数介于0.1~1之间)，说明这些元素的离散程度较小，在矿区分布较均匀。

表  1  早子沟金矿钻孔原生晕数据参数统计

Table  1.  Data parameter statistics table of drilling primary halo in the Zaozigou gold deposit

元素	最小值	最大值	几何平 均值	算术平 均值	中位数	标准 离差	浓集 系数	变异 系数
Au	1.80	24900	49.4	249.40	45.20	1097.40	293.47	4.40
As	1.10	12322.9	206.7	695.50	180.10	1417.30	158.07	2.04
Sb	1.98	93471.8	49.83	775.81	41.49	6112.53	2281.80	7.88
Hg	4.00	94931.0	37.00	209.00	31.00	3785.00	17.38	18.15
Cu	1.70	121.2	18.90	23.50	17.40	17.50	1.38	0.74
Pb	1.90	381.8	23.60	28.50	22.30	25.40	1.5	0.89
Zn	22.50	307.1	77.30	82.00	86.20	27.30	1.21	0.33
Co	1.90	54.9	14.30	15.90	16.70	6.20	1.59	0.39
Ag	0.045	2.86	0.107	0.151	0.09	0.255	2.52	1.69
Bi	0.08	203.92	0.61	1.64	0.51	8.94	9.1	5.45
W	0.18	1639.75	6.79	17.01	6.73	87.04	17.54	5.12
Mo	0.16	304.05	1.27	4.02	0.89	14.19	6.48	3.53
注：浓集系数为算术平均值与丰度值[33]的比值，变异系数为标准离差与算术平均值的比值。Au、Hg元素单位为10-9，其余元素为10-6

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从R型聚类分析谱系图(图 3)可以看出，以0.18为界，早子沟金矿成矿成晕元素组合可以分成三类：第一类主要为与Au成矿有关的Sb、Ag、As、Au元素组合，在矿区内，金矿体中普遍见有辉锑矿、毒砂、雄黄等矿物^[34]，可能与这一类组合元素有关。第二类为Pb、Bi、W、Mo，这套中高温元素组合，可能反映了中酸性脉岩的侵入与成矿有一定的关系。第三类主要为Cu、Zn、Co等中温元素组合，这组元素虽然与成矿元素Au和Sb相关性较差，但这些元素组成的硫化物与自然金、辉锑矿在空间上呈共生关系^[11]。

图  3  早子沟金矿70勘查线原生晕成晕元素R型聚类分析谱系图

Figure  3.  Spectrum diagram of R-type cluster analysis of primary halo elements in No.70 exploration line from the Zaozigou gold deposit

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因子分析是把具有多个变量的原始数据按成因联系进行归纳、整理、提炼，最后获得少数的“因子”，使得数据从多到少、从繁到简，达到降维的目的。对12个成矿成晕元素采用正交旋转方法进行了R型因子分析，提取了前5个主因子，主因子累积方差贡献超过60%，可认为其包含了原始变量大部分的地球化学信息，因子分析结果见表 2。F1主因子组成元素有Au、As、Sb、Ag，为金的矿化因子，组成元素为低温元素组合，指示金的主成矿阶段为低温热液环境^[12]。F2主因子组成元素有Cu和Zn，为一套中温元素组合，形成了与金共生的硫化物。F3主因子组成元素有Pb、Bi、W，为一套中高温元素组合，有学者^[11]推测该主因子与矿区黑云母石英闪长岩的侵入有关。F4和F5主因子为单元素因子组合，组成元素分别为Co和Hg，Hg元素的异常可用来指示构造活动的痕迹，因此F5主因子与金成矿相关的断裂构造关系密切。

表  2  早子沟金矿70勘查线原生晕样品正交旋转载荷矩阵

Table  2.  Orthogonal rotational load matrix of primary halo samples in No.70 exploration line from the Zaozigou gold deposit

因子	F1	F2	F3	F4	F5
Au	0.460	0.086	-0.036	-0.170	0.068
As	0.799	-0.096	-0.056	-0.062	0.016
Sb	0.567	-0.088	0.078	0.540	-0.280
Hg	-0.006	-0.087	0.001	0.442	0.878
Cu	0.274	0.761	-0.044	-0.035	0.170
Pb	-0.026	-0.02	0.778	-0.032	-0.051
Zn	-0.145	0.784	0.161	-0.053	-0.027
Co	-0.401	0.298	0.213	0.548	-0.128
Ag	0.823	0.137	0.156	0.238	-0.025
Bi	0.049	0.026	0.571	0.126	-0.052
W	0.128	-0.112	0.497	-0.476	0.293
Mo	-0.064	-0.469	0.302	-0.022	-0.030
主因子方差	2.128	1.566	1.376	1.124	0.993
累积方差贡献/%	17.840	31.078	42.493	51.612	60.886

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4.   原生晕三维特征

4.1   原生晕三维异常数据准备

为了研究各成矿成晕元素在三维空间的浓度分布和异常变化情况，应用美国Golden Software公司开发的Voxler软件研究早子沟金矿各成矿成晕元素的深部三维建模工作，其大致流程如下。

(1) 绘制三维定向钻孔轨迹图。Voxler软件的数据格式可以为xlxs文件，也可以为dat格式文件，按照XYZC数据格式编写，输入的数据由3个文件组成：井口文件，即61个钻孔开口坐标；测斜文件，即为钻孔测斜的参数，目的是准确地将钻孔在三维空间刻画出来；样品分析文件，即为4012个样品的原生晕分析结果数据文件。输入钻孔数据后，需将其属性设置成钻孔输入模式，利用图形输出模块中的WellRenger模块输出钻孔的大致轨迹图。

(2) 轨迹图修饰。在WellRenger模块中修改其属性，其中包括钻孔方位数据，钻孔显示的数据值的设置，钻孔数据值选用Au元素，其异常值会在钻孔轨迹中显示出来，Au元素值的大小将决定钻孔轨迹中小圆柱体的大小。然后再显示坐标轴和图框，根据自己的需要可以设置其属性。

(3) 绘制体积渲染图。体积渲染图可以用于显示一定区域范围内某元素的浓度在三维空间的分布特征，通过软件的数据插值处理(本次研究采用克里格插值法)，在WellRenger模块的属性管理窗口中选中Interval Data(区间数据)，分别进行设置；分别对所有元素添加Gridder模型将数据进行网格化，最后输出VolRender(体积渲染)和Isosurface(等值面)2个模块，元素的等值面异常下限和渲染图的显示比例根据实际设置。

4.2   三维异常模型构建

用原生晕数据进行三维地质建模的关键一步是如何确定各元素异常的临界值，即异常下限。对于Au、Ag、Sb三个成矿元素异常下限的确定根据原始数据的特点，结合邵跃^[3]对异常下限的划分方法，将异常的内带值定为边界品位的1/10，然后依次以含量的1/2定为内亚带、中带和外带。对于其他成晕元素，其异常下限值运用均值±3倍标准离差对数据进行迭代处理后，选取背景均值加2倍标准差作为异常下限。异常下限即为该元素成图的临界值。在实际成图过程中不断进行调试，使各元素能在体积渲染和等值面上突显最佳效果。各元素的临界值计算结果列于表 3中。然后采用较常用的反距离法进行插值，选择适当的渲染方式，输出体积渲染模块，调节色标模块，使渲染模式成图效果最佳。在网格化模块下输出等值面模块，其中使用的临界值即为表 3中计算的结果，基于以上步骤，最终建立的三维地质模型见图 4。

表  3  早子沟金矿各元素临界值

Table  3.  The critical value of elements in the Zaozigou gold deposit

元素	Au	As	Sb	Hg	Ag	Co	Cu	Pb	Zn	W	Mo	Bi
插值	0.12	800	130	0.08	0.18	20	48	30	100	25	2.8	1.2

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图  4  早子沟金矿各元素原生晕异常模型图

Figure  4.  Primary halo anomaly model of the Zaozigou gold deposit

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4.3   原生晕三维找矿特征

建立早子沟金矿各元素原生晕异常模型图(图 4)，可以很直观地反映各异常元素在三维空间的分布情况，其三维特征总结如下。

(1) As、Sb、Hg等元素的强异常在地表和2500 m以深部位均有出现，异常基本位于矿体群的头部，因此，As、Sb、Hg等元素可以代表矿体的前缘晕元素。Au、Ag、Cu、Pb、Zn等元素异常区位于2500 m以浅范围，与2500 m以浅的矿体套合较好，可以作为矿体的近矿晕元素，但Cu、Pb、Zn等元素在2500 m以深，异常零星出现；W、Mo、Bi等元素，其异常主要出现在2500 m以浅的矿体尾部，因此可以作为矿体的尾晕元素，但Mo、Bi在2500 m以深出现少量异常。

(2) Au元素的异常模型与As、Sb等元素的异常模型基本一致，与Ag元素的异常模型图也较相似，说明这几个元素的相关性较好。从图 4可以看出，这几个元素的异常在深部有逐渐增强的趋势，因此元素异常区向深部的延伸趋势可作为矿区深部找矿预测的重要依据。Au、As、Sb元素的异常显示，部分主矿体在深部仍有很大的延深，Au元素的异常主要分布于构造带及其与围岩接触带内，并严格受构造控制。总体看，与Au相关性较好的As、Sb、Ag、Hg等元素的异常区代表了矿区最重要的矿化范围，也是今后勘查的重点地段。

5.   深部找矿预测

从早子沟金矿各元素原生晕异常模型图(图 4)看，Au、As、Sb、Ag的异常模型基本类似，在2500 m以浅，异常规模较小；在2500 m以深，异常规模呈现出向深部越来越大，且延伸稳定；同时也佐证了As、Sb、Ag等元素是矿区找Au的最重要指示元素^[12]。Hg异常出现在2500 m以浅，构成了金矿体的前缘指示元素；Cu、W、Mo、Bi等中高温元素异常与Au等元素相反，强异常出现在2500 m以浅。因此，前缘晕元素(As、Sb等)和近矿晕元素(Au、Ag)在深部出现强异常，且未闭合；尾晕元素(W、Bi等)在深部显示弱异常，由此可以推测向深部存在隐伏矿体，且规模应该很大。

早子沟金矿的主矿体大部分位于78~85勘查线之间，在深部2500~2000 m，Au元素强异常出现，延伸较稳定，向深部并未圈闭(图 5)，显示出进一步增强的趋势。目前探矿工程暂未完全控制金矿体向深部的延伸，因此，矿区深部的最有利找矿空间应该是78~85勘查线之间，推测在2000 m以深，Au的异常将稳定出现，找矿前景看好。

图  5  早子沟金矿Au元素原生晕异常模型图

Figure  5.  Primary halo anomaly model of Au in the Zaozigou gold deposit

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元素异常累加比值的变化规律可以反映该元素组合在三维空间的变化趋势。本次研究选择As+Sb与Au+Ag的异常比值，建立了早子沟金矿原生晕元素异常累加比值模型图(图 6)。由图 6可以看出，前缘元素与近矿元素异常累加比值表现为浅部地表异常较强，向深部表现为异常逐渐变小或无异常出现的现象，反映前缘元素的累加值在浅部的异常较强。由图 4中Au和Ag元素异常模型在深部出现强异常可知，近矿晕元素的累加值在深部也将出现强异常，也就是说下一个找矿空间即将出现，因此，可以推断深部(2000 m以深)存在隐伏矿体。

图  6  早子沟金矿As+Sb/Au+Ag元素异常累加比值模型图

Figure  6.  The anomaly ratio model of element accumulates in the Zaozigou gold deposit

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6.   结论

(1) 早子沟金矿中主成矿元素Au和Sb与成晕元素As和Ag较密切，Au、Sb、As、Ag等元素的原生晕异常模型可以用于指导深部找矿预测。

(2) 通过构建早子沟金矿各元素原生晕三维异常模型，总结了前缘晕元素为As、Sb、Hg，近矿晕元素为Au、Ag、Cu、Pb、Zn，尾晕元素为W、Mo、Bi。

(3) 据成矿成晕元素的原生晕在三维空间的分布特征推测，早子沟金矿深部找矿潜力巨大，在78~85勘查线之间的2000 m以深范围是今后深部找矿的重点地段，为该区下一步深部找矿工作提供了有利的依据。