2016年,联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心启动“化学地球”国际大科学计划,该计划旨在通过建立全球地球化学基准网和观测网,开展“一带一路”地球化学填图,服务于全球自然资源与环境可持续发展,对矿产资源发现发挥支撑作用^[1]。在此计划下,中国地质调查局西安地质调查中心联合吉尔吉斯斯坦地球物理研究所共同开展了吉尔吉斯斯坦国家尺度(1∶100万)地球化学填图工作,本次工作覆盖吉尔吉斯斯坦全境约19万km², 分析69种元素,填补了吉尔吉斯斯坦国家尺度地球化学填图空白,为吉尔吉斯斯坦基础地质、矿产开发、环境保护、农业生产等多个方面研究提供了基础地球化学数据支撑。本文以1∶100万水系沉积物化探数据为基础,对吉尔吉斯斯坦主要成矿元素地球化学特征进行细致研究,分析了吉尔吉斯斯坦重要矿产资源潜力,圈定找矿远景区,为企业在该区开展勘查、开发投资提供支撑。

吉尔吉斯斯坦是位于中亚东北部的内陆国,面积为19.85万km²,北与哈萨克斯坦相连,西界为乌兹别克斯坦,南同塔吉克斯坦接壤,东南和东面与中国为邻^[2]。境内地形以山地为主,全境平均海拔高度2 750 m,其中约1/3的地区海拔在3 000~4 000 m,高山常年积雪,多冰川,山地之间有伊塞克湖盆地、楚河谷地等,低地仅占土地面积的15%,属于温带大陆性气候,植被较为发育,基岩出露较好,地质调查工作程度不高。吉尔吉斯全境位于天山造山带,在大地构造位置上跨“哈萨克斯坦—准噶尔板块”和“卡拉库姆—塔里木板块”,由横贯全境的EW向乌拉尔—突厥斯坦—阿特巴什—伊内尔切克缝合线所焊接^[3]。构造线以NWW和NEE向为主,地层出露齐全,岩浆岩发育。

低密度地球化学调查能快速有效圈定战略靶区^[4]。吉尔吉斯斯坦低密度地球化学调查(1∶100万)设计采样网格10 km×10 km,按照编制地球化学图的要求,每100 km²范围内至少1个点,按此原则在1∶20万地形图上布设整个研究区的采样点位。采样介质以水系沉积物为主,采样位置选择在现代流水线上的河道岸边与水面接触部位、间歇性流水或季节性流水的河道底部或主河道上、在水流较急的河道中,尽量在水流变缓处、水流停滞处、河道转弯内侧。采集成分复杂、大小颗粒混杂的细砂、砂、砾等物质,并在采样点附近一定范围内(50~100 m)多点采集,合并为一个样品。采样粒级小于2 mm(-10目),过筛后的样品质量≥500 g,每50件样品中要求有2件重复样。吉尔吉斯斯坦全境共采集样品1 785件(图1),总控制面积为19万km²,扣除不可采区(保护区、居民区、矿区、边境区、湖区等),平均采样密度为1.12点/100 km²。

吉尔吉斯斯坦1∶100万地球化学填图测试工作由自然资源部武汉矿产资源监督检测中心承担,统一分析了69种元素,分析元素为:Ag、Al₂O₃、As、Au、B、Ba、Be、Bi、CaO、Cd、Co、Cr、Cu、F、TFe₂O₃、Hg、K₂O、La、Li、MgO、MnO、Mo、Na₂O、Nb、Ni、P₂O₅、Pb、Sb、SiO₂、Sn、Sr、Th、Ti、U、V、W、Y、Zn、Zr、Br、C、Ce、Cl、Ga、Ge、I、N、Rb、S、Sc、Se、Tl、Cs、Dy、Er、Eu、Gd、Ho、In、Lu、Ta、Nd、Pr、Sm、Ta、Te、Tb、Tm、Yb。测试方法:对主量和难熔元素主要采用XRF方法,一般微量元素主要采用ICP-OES方法,对含量低的痕量元素主要采用ICP-MS方法,特殊元素选用有针对性的专用方法。各种元素的分析方法及检出限见表1。

所有地球化学底图均采用Mapgis 67版本制作,地球化学专题图层利用Geochem Studio3.5制作。地球化学专题图制作前首先要对原始测试数据进行网格化处理,数据网格化处理采用的网格距为10km×10 km,数据计算模式采用距离反比加权插值幂的方法,搜索扇形类型为八方向搜索,数据的搜索半径选择网格距的5.5倍,每搜索方向点数3,有效最少数据点数5,最大空方向允许数8。以网格化数据为基础,编制研究区的单元素地球化学图、元素异常图、组合异常图、综合异常图。

单元素地球化学图按各元素含量高低分级,采用累频分级方式,分15级。分级色阶选取:以冷色调(蓝色)作为低值区,随着数据增大,颜色变暖,由蓝—绿—黄—红—深红(图2)。在单元素地球化学图的基础上,按统计规律确定异常下限,分别按累频的85%—95.5%—98%划分内、中、外带,制作单元素地球化学异常图。在获得了单元素异常图的基础上,按异常类别、异常元素的相关性与组合特点以及参考测区主要成矿类型确定元素组合,利用3~5个元素的异常图,确定一个主成矿元素,编制组合异常图(图3)。图面上,主成矿元素的异常用区表示,区颜色为对应的矿种颜色,由浅到深表示外、中、内带;伴生元素的异常形态则用外带线的范围来表示, 线颜色为对应的矿种颜色,用线型表示出其分带性。

综合异常的圈定是在组合异常图的基础上,将空间上密切相伴、同种成因的所有元素异常归并为一个综合异常,用封闭的线表示其范围,并将每个综合异常进行编号,研究区共圈定综合异常25个。

根据区域地质构造演化特征,整个吉尔吉斯斯坦归属于哈萨克斯坦—准噶尔板块(Ⅰ)和塔里木板块(Ⅱ)两大板块,分为北天山(Ⅰ₁)、中天山(Ⅰ₂)、南天山(Ⅱ₁)三个二级构造单元^[5]。综合1∶100万地球化学背景分布特征、局部地球化学场的差异在研究区内划分出5个构造地球化学分区:Ⅰ_1-1伊塞克地块地球化学区、Ⅰ_2-1塔拉斯-纳伦地球化学区、Ⅰ_2-2恰特卡尔地球化学区、Ⅱ_1-1南天山西段地球化学区、Ⅱ_1-2南天山东段地球化学区(图4、表2)。

Ⅰ_1-1伊塞克地块地球化学区。地层:前寒武系、奥陶系、泥盆系、石炭系等。构造:区域构造强烈,断裂构造发育。岩浆岩:里菲纪发育闪长岩和花岗闪长岩,晚奥陶世为闪长岩、花岗闪长岩,志留纪为花岗岩,泥盆纪主要为花岗斑岩和闪长玢岩,呈岩脉状产出。矿产:以金为主,其次是铜、银、铅及铀矿产,代表性矿床为塔尔迪布拉克列瓦别列日恩大型金矿,济尔奥姆普利砂矿型大型铀矿^[6,7,8]。

Ⅰ_2-1塔拉斯—纳伦地球化学区。地层:里菲系、文德系、寒武系、奥陶系,泥盆系、石炭系等。构造:构造不甚发育。岩浆岩:侵入岩以晚里菲世和早古生代为主,其次为志留纪花岗岩岩株、中石炭世花岗闪长岩,及二叠纪的花岗岩类。矿产:以金为主,矿种齐全,有捷鲁依、马克马尔大型金矿,库梅什塔格大型银矿床,杰德姆超大型沉积变质铁矿床,以及乌尊—塔什大型铍矿床等。

Ⅰ_2-2恰特卡尔地球化学区。地层:中元古界、里菲系、文德系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系等。构造:断裂构造十分发育。岩浆岩:有中元古代、文德纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪等6个活动时期,其中石炭纪和二叠纪岩浆活动最为强烈,与成矿作用最为密切。矿产:以金、铜、锑矿化为特点,其次是汞和锡等。代表性矿床有伊什塔姆别尔德大型金矿床、捷列坎大型金矿床、博济姆恰克大型铜金矿床、捷列克中型金锑矿床等^[6,7,8]。

Ⅱ_1-1南天山西段地球化学区。地层:志留—泥盆—下石炭统陆源地层,中—上石炭统和下二叠统碎屑建造。构造:近EW向、NE向断裂构造发育。岩浆岩:以二叠纪酸性和中性花岗岩类,二叠—三叠纪碱性岩为主,强烈的侵入活动导致了该成矿带各种矿产的形成和多种成因类型的存在。矿产:成矿以汞锑为特色,其次是铅锌、铝土矿、金矿、锶矿等。代表性矿床有琼科依超大型汞矿床,海达尔坎、恰乌瓦伊、卡拉姆贾伊等汞锑矿,坎伊古特和图拉布拉克铅锌矿^[6,7,8]。

Ⅱ_1-2南天山东段地球化学区。地层:志留系、泥盆系、石炭系、二叠系等。构造:断裂构造以NE向为主。岩浆岩:在构造接触带有中古生代超基性岩产出,侵入岩主要为晚石炭世—早二叠世花岗岩、花岗二长岩、花岗正长岩等。矿产:成矿作用主要与花岗岩类有关,主要矿产是锡和钨,形成锡和锡—钨矿化集中区,其次是铅、锌、钼等^[6,7,8]。

参数统计是基于吉尔吉斯斯坦1∶100万地球化学填图原始分析数据进行,计算前不对数据进行调频、校正,不剔除也不加权。参与计算统计的为 1 756 件样品(扣除重复样)的69种元素测试数据,统计的基本参数包括最大值、最小值、几何平均值、算数平均值、中位数、标准离差等,部分主要成矿元素地球化学参数统计结果见表3。

从地球化学观点来看,区域成矿的实质是区域岩石圈内成矿物质通过各种地质—地球化学作用,由分散状态逐步在局部地段浓集的过程。控制这一过程的因素之一就是成矿元素的初始浓度^[9],而原始的元素丰度数据存在着量纲或数量级上的不一致,因此需要对元素丰度进行标准化,选择一个参照地质体元素丰度为本底值,用目标地质体元素丰度值与参照地质体相比,即可得到相对于参照地质体的富集系数。

吉尔吉斯斯坦天山地貌景观与中国高寒山区地貌景观类似,故本文选择中国高寒山区元素含量算数平均值为本底值,将吉尔吉斯斯坦天山元素含量算数平均值与中国高寒山区元素含量算数平均值相比得出元素富集系数(K)。从计算结果可以看出,吉尔吉斯斯坦天山主要成矿元素丰度(算术平均值)与中国高寒山区的元素丰度值相比,富集(2.62>K≥1.71)Ca、Au、Sb、Hg、Ba等,弱富集(1.51>K≥1.13)Sr、Cr、Mo、Ni、Cd、Ag、Cu等,而U、V、P、W、Mn、Co等处于背景水平(1.09>K≥0.92),相对弱贫乏(0.88>K>0.78)的有Bi、Zn、Th、Sn、Pb、 La等,贫乏(0.65≥K)的为Li、Zr等,见表4。

变异系数(C_v)是反映区域分异特征的主要参数,是元素标准离差(S₀)与其平均值(X-)的比值^[10,11]。变异系数反映了数据在单位均值上的离散、变异程度,常被当作数据不确定性的一种指标,它是元素在各种地质作用的综合影响下在研究区内分配不均匀程度的度量。在一个具体的研究区内,元素平均值一定的情况下,元素变异系数越大,元素在不同样品(地域)间的贫富分化就越大,就越有利于形成局部富集,就越利于成矿^[12,13,14]。

计算区内主要成矿元素的变异系数,得到:区内元素的变异系数较高的有Sb、Hg、Au、Cd、Ag、W、Sn、Ni、Bi、Cr等,Pb、Mo分异程度一般,而Cu、Sr、Co、Zn、Mn、Be、Li等的分异程度较弱,主要元素分异程度由强到弱排序如下(表5)。

有利找矿元素的判定,主要是通过对研究区内浓集系数和变异系数两个参数的统计得出。一个元素富集系数大,表明该元素的成矿物质条件好,但如果它分布比较均匀就不一定能够成矿。同样,一个元素分异程度很高,即变异系数很大,但如果其成矿物质不够丰富,也不一定能够成矿。只有把元素富集系数(K)和相应元素的变异系数(C_v)综合考虑,才能得出较合理的结论,为此这里提出成矿有利度概念,定义为:Ma=K×C_v。

通过对吉尔吉斯斯坦30种主要成矿元素成矿有利度计算,得出:成矿有利度十分强烈的元素有Sb、Hg、Au,成矿有利度的值超过了14(表6)。成矿有利度较强的元素有Cd、Ag、Cr、Ni、W、Sn、Bi,成矿有利度值介于1.9~3.5之间。而Mo、Sr、Ba、Pb、Cu等成矿有利度一般,成矿有利度值为0.8<Ma<1.5。其他元素成矿有利度较弱,均小于0.7。结合吉尔吉斯斯坦天山成矿地质背景,认为吉尔吉斯斯坦是Au、Cu、Pb、Sb、Sn、W等元素的有利成矿区。

根据吉尔吉斯斯坦1∶100万元素地球化学图、元素异常图、组合异常图等,可以定性看出主要成矿元素异常在吉尔吉斯北天山、中天山、南天山的分布规律。

1) 北天山: Au、Cu、Pb、Zn、Ag、Be、As等异常强度高,Au-Cu、Pb-Zn-Ag、Li-Be-Nb等异常套合关系好,北天山的西段塔拉斯地区分布着Au、Cu的串珠状异常集群,呈近NE向展布。

2) 中天山:吉尔吉斯斯坦中天山以费尔干纳断裂为界,分为西部、东部。在西部恰特卡尔地区,Au、Cu、Cr、Mo、Co组合异常呈串珠状沿近NE向集中分布,异常浓集中心明显。而Au、W、Sn异常以及与基性超基性岩浆作用有关的Co、Cr、Ni异常主要分布在东部库姆托尔地区,异常强度高,且套合关系好,异常集群近SN向分布。

3) 南天山:南天山被费尔干纳断裂分割成东西段,南天山西段具有较好的与基性超基性岩浆作用有关的组合异常,大部分组合异常都包括了Cu、Co、Cr、Ni等,异常集群展布方向为EW向。此外,南天山西段也是Au、As、Sb、Hg比较集中的区域,低温异常套合的很好。而南天山东段的W、Sn、Bi异常强烈,套合较好,异常大致呈近EW向展布。低温元素的组合在南天山比中天山、北天山分布广。

上面我们从地球化学图上初步判断了研究区异常的分布情况和强弱,为了进一步较准确地分析异常强度,下面将通过地球化学参数来定量描述,即用量化的概念来表达。我们将各地球化学区中的各元素异常面积总和与该区总面积的比值定义为异常显著度,利用异常显著度的大小能够判断元素在各区中的显著程度,从而实现用量化的方法表达异常在该区的突出程度。

本文选择Au、Cu、Pb、Zn、W、Sn等6个元素,统计其在5个地球化学区中的异常显著度,然后将各地球化学区中各元素的异常显著度值进行累加,得出各地球化学区中元素异常综合显著度(表7),最后进行排序分析,便可以判断哪个地区、哪个矿种最显著,最有优势,从而回答了在什么地方找什么矿的问题。

表7统计数据显示:Au在南天山西段地球化学区(Ⅱ_1-1)、南天山东段地球化学区(Ⅱ_1-2)、中天山恰特卡尔地球化学区(Ⅰ_2-2)中异常显著度十分高,其值均超过0.43;其次在塔拉斯—纳伦地球化学区(Ⅰ_2-1)异常也有一定程度的显示,异常显著度为0.2;在伊塞克地块地球化学区(Ⅰ_1-1)异常较弱,仅为0.08;说明Au在吉尔吉斯南天山、中天山都有十分好的成矿前景。Cu在恰特卡尔地球化学区(Ⅰ_2-2)异常显著度最高,为0.31;其次在南天山东段地球化学区(Ⅱ_1-2)、塔拉斯—纳伦地球化学区(Ⅰ_2-1)、南天山西段地球化学区(Ⅱ_1-1)异常也较为显著。Pb在恰特卡尔地球化学区(Ⅰ_2-2)、塔拉斯—纳伦地球化学区(Ⅰ_2-1)异常显著度很高,均超过0.4;其次在伊塞克地块地球化学区(Ⅰ_1-1)、南天山西段地球化学区(Ⅱ_1-1)也有一定程度的显示。Zn在南天山东段地球化学区(Ⅱ_1-2)异常不显著,仅为0.06;在其他4个区异常较好,且差异不大(值均在0.1~0.2之间)。W主要在南天山东段地球化学区(Ⅱ_1-2)、恰特卡尔地球化学区(Ⅰ_2-2)、南天山西段地球化学区(Ⅱ_1-1)有较好的异常显著度。而Sn除了在南天山东段地球化学区(Ⅱ_1-2)显著度较高外,在其他4个区显著度都较低。

对5个地球化学区元素综合异常显著度排序(图5),得出:吉尔吉斯斯坦Au、Cu、Pb、Zn、W、Sn综合找矿条件最好的区是中天山的恰特卡尔地球化学区(Ⅰ_2-2),其次依次为:南天山东段地球化学区(Ⅱ_1-2)(排名第二)、南天山西段地球化学区(Ⅱ_1-1)(排名第三)、塔拉斯—纳伦地球化学区(Ⅰ_2-1)(排名第四)、伊塞克地块地球化学区(Ⅰ_1-1)(排名第五)。

依据各个地球化学区中Au、Cu、Pb、Zn、W、Sn异常显著度程度、异常分布情况,结合区域地质成矿背景,分析了各地球化学区未来找矿方向,并圈定出找矿远景区11处(图6)。

恰特卡尔地球化学区(Ⅰ_2-2):元素异常综合显著度排名第一,是吉尔吉斯斯坦最具成矿潜力的区域。本地区是吉尔吉斯斯坦金、铜等矿床分布最密集的地区,这里已知小型以上金矿、铜金矿、铅锌矿等有50余处,具有代表性的有库鲁捷列克大型铜金矿、恰拉特大型金锑矿、博济姆恰克大型铜矿等。区内Pb、Au、Cu异常显著度优势十分明显,占整体异常的82.17%,主要分布在该区的西北部、西南部,西北部以Au、Cu异常为主(找矿远景区4),西南部以Au、Cu、Pb异常为主(找矿远景区5),套合关系好,因此认为本区未来寻找Pb、Au、Cu的潜力十分巨大。

南天山东段地球化学区(Ⅱ_1-2):是吉尔吉斯重要的钨、锡矿集区,该区分布小型以上钨、锡、金等矿床20余处,代表性矿床有特鲁多沃耶大型钨锡矿、乌奇科什康大型锡矿、萨雷布拉克中型锡、铅锌矿、贾加尔特中型金矿等。该区Au异常占据明显优势,占整体异常的41.3%,其次W、Cu、Sn显著度也较高,因此认为本地区是未来寻找Au、Cu、W、Sn十分有利的地区,在该区圈定出未来Au、Cu、W、Sn找矿远景区两处(找矿远景区10、11)。

南天山西段地球化学区(Ⅱ_1-1):是吉尔吉斯重要的Hg、Sb多金属矿集区,该区分布小型以上金等矿床80余处,具有代表性的有杜瓦塔什大型金铜矿、乔基米斯德克特库加德大型金锑矿、阿尔特别希克大型金矿、卡达姆扎伊大型锑矿、海达尔坎大型汞锑矿、琼科伊大型汞矿等。该区Au素异常显著度十分显著,占整体异常的47.7%,其次Zn、Cu、Pb、W显著度也较高,因此该地区是未来寻找Au、Cu、Pb、Zn等多金属矿有利的地区(找矿远景区8、9)。

塔拉斯—纳伦地球化学区(Ⅰ_2-1):本区分布有库姆托尔超大型金矿、杰鲁伊大型金矿、库梅什塔格大型银矿、萨雷贾兹铀钼钒、肯苏钨钼多金属矿,以及一些小型铅锌矿等。该区Pb异常显著度在本区最高,占整体异常的38.5%,其次Au、Zn、Cu等异常也较为显著,因此认为本地区是未来寻找Pb、Zn、Au、Cu比较有利的区域。

伊塞克地块地球化学区(Ⅰ_1-1):是吉尔吉斯的重要铅锌多金属成矿带,分布有博尔杜大型铅锌矿、塔尔德布拉克大型铜金矿、阿克塔什大型金铜矿、克济尔奥姆普利大型铀矿、左岸大型金矿等。该区Pb、Zn异常显著度较高,而Au、Cu、Sn、W等异常显著度均小于0.1,结合地质背景,认为本区是未来寻找Pb、Zn、Au、Cu等多金属矿的潜力区(找矿远景区1、2)。

1) 吉尔吉斯斯坦国家尺度(1∶100万)地球化学填图覆盖了吉尔吉斯约19万km²,编制了69种元素的地球化学图和地球化学异常图,填补了吉尔吉斯斯坦国家尺度地球化学填图空白,为吉尔吉斯基础地质、矿产开发、环境保护、农业生产等多个方面提供了基础地球化学保障。

2) 根据区域地质构造演化特征、区域地球化学背景分布特征、局部地球化学场的差异将研究区划分为5个构造地球化学分区:Ⅰ_1-1伊塞克地块地球化学区、Ⅰ_2-1塔拉斯—纳伦地球化学区、Ⅰ_2-2恰特卡尔地球化学区、Ⅱ_1-1 南天山西段地球化学区、Ⅱ_1-2 南天山东段地球化学区。

3) 与中国高寒山区相比,吉尔吉斯天山地区富集Ca、Au、Sb、Hg、Ba、Sr、Cr、Mo、Ni、Cd、Ag、Cu等,亏损Bi、Zn、Th、Sn、Pb、 La、Li、Zr等。区内元素的变异系数较高的有Sb、Hg、Au、Cd、Ag、W、Sn、Ni、Bi、Cr等,分异程度较弱的元素为Cu、Sr、Co、Zn、Mn、Be、Li等。

4) 吉尔吉斯斯坦成矿有利度十分强烈的元素有Sb、Hg、Au,成矿有利度较强的元素有Cd、Ag、Cr、Ni、W、Sn、Bi,而Mo、Sr、Ba、Pb、Cu等成矿有利度一般。结合成矿地质背景,认为吉尔吉斯斯坦是Au、Cu、Pb、Sb、Sn、W等的有利成矿区。

5) 吉尔吉斯斯坦地球化学异常分布特征明显,北天山Au、Cu、Pb、Zn、Ag、Be、As等异常强度高,Au-Cu、Pb-Zn-Ag、Li-Be-Nb等异常套合关系好;中天山以费尔干纳断裂为界,西部富集Au、Cu、Cr、Mo、Co,东部富集Au、W、Sn、Co、Cr、Ni;南天山西段以Cu、Co、Cr、Ni、Au、As、Sb、Hg集中分布为主,而南天山东段以W、Sn、Bi组合分布为特点。

6) 分析成矿显著度,吉尔吉斯斯坦最具有找矿潜力的地区为恰特卡尔地区,该区寻找铅、金、铜的潜力巨大。其次是南天山东段撒雷贾兹地区,该区是寻找金、铜、钨、锡十分有利的地区。南天山西段和塔拉斯—纳伦地区找矿潜力也较好,是金、铜、铅、锌等多金属矿的有利找矿区。而伊塞克地区成矿显著度较弱,该区找矿潜力较好的矿种有铅、锌等矿种。