矿物地球化学勘查方法在鄂东南地区深部找矿中的初步应用

许 高, 张世涛, 陈华勇, 金尚刚, 魏克涛, 张 宇, 李书涛

(1.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034; 2.中国科学院 广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室,广东 广州 510640; 3.湖北省地质局 第一地质大队,湖北 黄石 435100; 4.中南大学 地球科学与信息物理学院 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室,湖南 长沙 410012)

矿产资源的发现和利用,对中国当前的经济建设和社会发展具有重要作用。进入21世纪,随着近地表矿产资源的逐渐减少,未来深部隐伏矿床和低品位矿床的勘探、开发和利用将成为矿业界关注的焦点[1-4]。但由于隐伏矿床主要位于浅剥蚀区,地表所能观察到的蚀变及矿化信息非常有限,运用传统的找矿方法有时效果并不显著[5-6]。在当前全球面临地表资源逐渐枯竭和亟需深部勘查的新形势下,如何发现并指导可能存在于深部的隐伏矿体,指明找矿方向并确定矿体的具体位置,是当前矿产勘查领域内面临的较大的挑战。

近年来,随着短波红外光谱(SWIR)和激光剥蚀电感耦合等离子质谱(LA-ICP-MS)技术的发展和应用,使得矿物地球化学勘查已逐渐成为国际上重要的勘查方法之一[7]。该方法主要是以成岩成矿过程中广泛分布的矿物为具体研究对象,分析其短波红外光谱特征和化学成分组成,特别是矿物微量元素的空间变化规律,寻找与矿化信息相关的异常值,从而有效指导具体的找矿勘查工作。目前,矿物地球化学勘查方法主要运用于斑岩型铜(金)矿床、浅成低温热液矿床和块状硫化物(VMS)矿床。

Chang等研究了菲律宾Lepanto高硫型浅成低温热液Cu-Au矿床后发现,不仅明矾石～1480 nm SWIR光谱特征吸收峰有明显的变化规律,明矾石微量元素变化亦具有显著的变化特征,特别是Pb含量降低、Sr/Pb和La/Pb比值升高等,均可以有效指示热液矿化中心。Cooke等[3]研究了菲律宾Baguio斑岩—矽卡岩矿区绿帘石的微量元素变化特征,发现靠近热液矿化中心附近的绿帘石相对富集Cu、Mo、Au和Sn等微量元素,而远离矿化中心在外围青磐岩化带中,则相对富集As、Sb、Pb和Zn等元素。Wilkinson等[8]详细研究了印度尼西亚BatuHijau斑岩型Cu-Au矿床中绿泥石的微量元素,发现绿泥石微量元素在空间上的变化特征较明显,在距离侵入体2 km范围内,绿泥石微量元素Ti/Sr比值与矿化中心的距离呈反比关系,并求得线性回归方程,用于预测矿体的方位和深度。此外,在新疆东天山土屋—延东(古生代)斑岩铜矿叠加改造区,研究者发现绿泥石的Ti和V及绿帘石的Pb元素含量具有与上述斑岩矿床相似的空间变化特征,可有效指示土屋—延东斑岩热液矿化中心[9]。

长江中下游成矿带是中国东部重要的铜铁金多金属成矿带,自西向东依次分布有鄂东南、九瑞、安庆—贵池、铜陵、庐枞、宁芜、宁镇七个中—大型矿集区[10-12]。其中,鄂东南矿集区是中国重要的矽卡岩型铜铁金矿床的大型矿集区。自20世纪50—80年代,地质工作者在鄂东南地区开展了多阶段的矿产勘查工作,陆续发现了多个大—中型铜铁多金属矿床。然而,90年代—新世纪初期,区内一直没有显著的找矿突破,而随着各大矿山逐年连续开采,区内保有的矿产资源量日益减少。为寻找有效的接替资源,2006年起,大冶有色金属公司在铜绿山、鸡冠咀和桃花咀等危机矿山实施了接替资源勘查项目。此次勘查工作,地质工作者在老矿山深部发现了一些新矿体,同时也了解到部分的深部地质信息。尽管如此,区内新增金属资源量仍不足以维持矿山的生存和长期发展,因而需要进一步深入地进行勘查。然而,经过多年的研究和勘查实践,传统的物化探及遥感等技术在这些老矿山深部找矿中的可适用性逐渐减弱,因而探索和研究新的勘查方法对深部找矿显得尤为重要。

在国土资源部公益性行业科研专项项目《鄂东南矿物地球化学勘查标志体系建立与应用》(以下简称《鄂东南矿物勘查》项目)的支持下,笔者选取鄂东南地区铜绿山矿田内的铜绿山铜铁金矿床和鸡冠咀铜金矿床以及铜山口铜钼矿床为主要研究对象,进行深入的矿床学、矿物学、地球化学、矿床地球化学和矿产勘查等多学科综合研究,查明典型热液矿床蚀变分带和矿物组合,揭示蚀变矿物的物理性质、结构和地球化学特征并探讨其变化规律,建立蚀变矿物地质—地球化学综合勘查标识体系并应用到找矿勘查实践中,为区域矿产的深部勘查工作提供新方法和新思路。限于篇幅和项目工作进展,在这里不能逐一详细的介绍,本文将对主要矿物勘查标志的建立和初步应用作简要概述。

1 区域地质概况

鄂东南地区位于长江中下游成矿带的最西段,隶属扬子板块北缘,北邻秦岭—大别造山带,南接华夏板块[13-14]。在鄂东南地区,出露的地层较为齐全,从前震旦系到第四系均有发育,仅缺失中—下泥盆统和上石炭统(图1)。

图1 鄂东南地区地质及矿产分布简图(据舒全安[15];Xie[16]修改)Fig.1 Geological map of the Edongnan ore district showing the main types of ore deposits1.第四纪;2.白垩纪火山岩;3.晚三叠世—侏罗世碎屑岩;4.寒武纪—中三叠世碳酸盐岩夹碎屑岩;5.白垩纪花岗岩;6.早白垩世花岗闪长斑岩;7.早白垩世石英闪长岩。

区域内的地层主要由前震旦系基底和震旦系—第四系沉积盖层组成,沉积盖层与基底之间呈角度不整合关系。前震旦系基底主要由变质奥长花岗岩—英云闪长岩—花岗闪长岩组合(TTG)及白云母石英片岩夹角闪岩等组成,主要分布在区域南部大幕山一带和北部大别山南坡等地区。震旦系由碎屑岩、白云岩和硅质岩等组成,分布在区域南部。寒武系—三叠系下统的浅海相碳酸盐岩及少量碎屑岩分布于区域中部的广大地区(图1)[15-16]。三叠系中—上统、侏罗系和白垩系下统主要分布于黄石—大冶—灵乡以西、梁子湖以东地区,以陆相碎屑岩为主,局部为火山岩。白垩系上统—第三系主要分布于长江沿岸和梁子湖、大冶湖、阳新盆地及其附近地区,为陆相碎屑岩,第四系松散沉积物分布于地势低洼地段[17]。其中,三叠系下统大冶组碳酸盐岩分布广泛,是鄂东南地区铁铜成矿的重要赋矿围岩[18]。

鄂东南地区主要的构造运动发生在印支期和燕山期,在区域上形成了不同尺度的褶皱和断裂构造,大致可分为北西—北西西和北东—北北东向两组。印支运动奠定了区内盖层的构造格架,燕山运动的叠加形成了区内特殊的控岩控矿构造及大量的中酸性岩浆岩[19]。

区内广泛发育的中酸性侵入岩,主要包括鄂城岩体(花岗岩和花岗闪长斑岩,～100 km2)、铁山岩体(石英闪长岩和闪长岩,～140 km2)、金山店岩体(石英二长岩、二长花岗岩和闪长岩,～19 km2)、灵乡岩体(闪长岩和石英闪长岩,～54 km2)、殷祖岩体(石英闪长岩,～90 km2)和阳新岩体(石英闪长岩,～215 km2)六大杂岩体(图1)。此外,还有铜绿山、铜山口、阮家湾、龙角山、南山茶厂等多个中酸性小岩株。在这些大岩基或小岩株内部,亦发育有多条后期的基性—中酸性岩脉,主要包括煌斑岩、辉长岩、辉绿(玢)岩、闪长玢岩、钠长斑岩等[20]。火山岩主要分布于鄂东南地区的西侧,位于保安和金牛、灵乡镇之间,出露面积约200 km2,为继承式火山岩盆地,自下而上可分为马架山组、灵乡组和大寺组,岩性包括英安岩、玄武岩、流纹岩、粗面岩等。

区域内的金属和非金属矿产资源丰富,以铁矿和铜矿为主,共生或伴生有金、钨、钼、锌、铅、钴、镍、铟、铼、硒、碲、铀、硫、石膏、硅灰石等。其中,铁、铜和金的金属储量在国内矽卡岩型矿床中占有极其重要的地位[21]。截至目前,鄂东南地区已探明的铁矿石资源量超过8亿t,铜金属资源量超过400万t,金金属资源量超过250 t[22-24]。其中,大型矿山有程潮铁矿、铁山(大冶)铁铜矿、铜绿山铜铁金矿、鸡冠咀铜金矿、桃花咀铜铁金矿、铜山口铜钼矿和阮家湾钨铜钼矿。

2 区域矿产勘查新进展

近十年来,在湖北省地质局的支持下,受大冶有色金属公司和湖北三鑫金铜股份有限公司的委托,湖北省地质局第一地质大队在铜绿山矿田内陆续发现了多个规模不等的隐伏矿体[25-26](图2)。其中,铜绿山ⅩⅢ号和鸡冠咀Ⅶ号隐伏矿体最具代表性,它们的金属储量均达到中等规模。

在铜绿山矿区,目前已发现有13个矿体,以Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和ⅩⅢ号矿体为主,Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ和Ⅺ等为次要矿体[27](图3)。矿体的分布受NNE和NEE向两组构造控制,大致排列成两个带。其中,NNE向矿体沿N22°延伸,包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅺ、Ⅻ和ⅩⅢ号矿体;NEE向矿体沿N68°延伸,有Ⅹ、Ⅷ、Ⅶ和Ⅸ号矿体,这些矿体的规模相对较小,且互不连续。在空间上,矿体主要产于石英二长闪长(玢)岩与(白云质)大理岩的接触带,且在接触带与构造破碎带交叉复合部位往往形成厚大的富矿体[28]。

图2 鄂东南铜绿山矿田地质简图(据谢桂青等[21]修改)Fig.2 Simplified geological map of the Tonglvshan ore field in the Edongnan ore district1.石英二长闪长(玢)岩;2.大理岩/白云质大理岩;3.砂岩—粉砂岩;4.玄武岩;5.钠长斑岩;6.闪长玢岩;7.矿体;8.县级市/村庄。

图3 铜绿山矽卡岩型铜铁金矿床地质图(据Li 等[29];张世涛 等[20]修改)Fig.3 Geological map of the Tonglvshan Cu-Fe-Au skarn deposit1.钠长斑岩;2.云母煌斑岩;3.角砾岩;4.矽卡岩;5.石英二长闪长(玢)岩;6.大理岩/白云质大理岩;7.铁矿体;8.铜矿体;9.铜铁矿体;10.钼矿体;11.矿体编号;12.隐伏矿体;13.背斜轴部;14.断层;15.勘探线;1 6.钻孔编号;17.村庄。

在平面上,矿体表现为一组出露深度不等的平行脉,剖面上呈雁行式斜列,具尖灭再现等特征,且单个矿脉多呈狭长透镜状,倾角在50°～80°(图3)[20,29]。各矿体的长度一般为200～520 m,延深较大,一般为100～650 m,局部可达-1 000 m以下,如Ⅲ号矿体在-820 m以下,ⅩⅢ号矿体在-1 200 m以下仍没有尖灭。其中,ⅩⅢ号矿体主要分布在Ⅺ号矿体东侧的深部(1#～14#勘探线之间),由1个主矿体和5个分枝矿体组成,受岩体与大理岩接触带及复合其上的断裂控制,形态、产状随接触带的变化而改变(图3和图4)。ⅩⅢ号矿体的主体埋深在标高-365～-1 275 m之间,走向NNE,倾向SEE,倾角45°～75°,走向延伸600 m,倾向延深110～800 m(图4)。

图4 铜绿山铜铁金矿床4#勘探线地质剖面图(据湖北省地质局第一地质大队[25])Fig.4 Geological map of the section-line of 4# in the Tonglvshan Cu-Fe-Au deposit1.第四纪;2.石英二长闪长(玢)岩;3.大理岩/白云质大理岩;4.矽卡岩型矿体;5.角砾岩型矿体;6.透辉石矽卡岩;7.石榴子石矽卡岩;8.石榴子石透辉石矽卡岩;9.钻孔及编号。

在鸡冠咀铜金矿区,目前共发现Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ六个主矿体群以及Ⅴ矿体(图5)。与矿体有关的岩浆岩主要是闪长玢岩和石英闪长岩,围岩主要为中三叠统蒲圻组的粉砂岩和中下三叠统嘉陵江组的白云质大理岩。在接替资源勘查项目中,新发现的Ⅶ号矿体群分布在Ⅲ号矿体群的下部20#～34#勘探线间。其中,24#勘探线的KZK30、KZK09,26#勘探线的KZK11、ZK02619、KZK23,28#勘探线的ZK02812、KZK13、ZK0287、KZK25,32#勘探线的ZK0327、ZK0326控制Ⅶ号矿体群的分布,从上至下分为三个分枝矿体(Ⅶ1、Ⅶ2和Ⅶ3号矿体)。Ⅶ号矿体群中Ⅶ1、Ⅶ2和Ⅶ3号矿体规模最大,除此之外,可见一些小型的矿体呈透镜状分布在Ⅶ2和Ⅶ3号矿体之间。

图5 鸡冠咀矽卡岩型铜金矿床地质简图(据湖北省地质局第一地质大队[26])Fig.5 Simplified geological map of the Jiguanzui Cu-Au skarn deposit1.下白垩统灵乡组;2.上侏罗统马架山组;3.中三叠统蒲圻组;4.中下三叠统嘉陵江组第四段;5.中下三叠统嘉陵江组第三段;6.燕山晚期安山玢岩;7.燕山晚期闪长玢岩;8.燕山晚期石英闪长岩;9.燕山晚期闪长岩;10.硅化岩;11.铁帽;12.铁矿;13.地质界线;14.不整合界线;15.地质产状;16.实测平推断层;17.推测逆断层;18.推测隐伏背斜;19.推测隐伏向斜;20.剖面及基线。

3 矿物地球化学勘查标志及应用

在前人研究的基础上,本次通过对铜绿山铜铁金矿床ⅩⅢ号(东翼)矿体和鸡冠咀铜金矿床Ⅶ号矿体详细的野外钻孔岩芯编录、岩浆岩序列划分、蚀变分带及矿化期次、蚀变矿物SWIR填图及光谱特征参数以及绿泥石化学成分组成等研究,初步建立了铜绿山矿床和鸡冠咀矿床的新矿物勘查标志体系。

在本次研究中,基于详细的野外地质调查、钻孔岩芯编录(采用五分段/六对比的编录方法:矿化分段、蚀变分段、岩性分段、颜色分段、矿物组合分段;岩性对比、蚀变分带对比、蚀变强度对比、蚀变矿物组合对比、矿化度对比、矿化长度对比;采样时遵从全孔控制、小密度覆盖、特征处加重、适量可持续的原则)和室内岩相学观察,进行了大量的短波红外光谱及蚀变矿物电子探针化学成分分析。

本次在铜绿山和鸡冠咀矿区,共编录钻孔36个,编录长度达3万余米,采集岩芯样品约4 100余件,采样密度大约每6～8 m/样,在蚀变矿化比较集中的区域采取适当加密采样,而在蚀变较弱的区域适当稀疏采样。在室外钻孔岩芯编录和岩相学观察的基础上,对部分典型样品进行光薄片切片(～1 000件),并观察相关的矿物组合及交代关系。之后,对所有采集样品进行短波红外(SWIR)光谱分析。

短波红外光是介于近红外光与中红外光之间的电磁波,其波长范围在1 300～2 500 nm之间。由于不同的矿物含有不同的基团,不同的基团又有不同的能级,不同的基团与同一基团在不同的物理化学环境中,对短波红外光的吸收波长有明显的差别[4,30]。当利用短波红外光对地质样品进行照射时,频率相同的光线与基团会发生共振现象,光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子,同时也会被吸收并被仪器记录。因此,可以利用这一物理化学原理,选用连续变化频率的短波红外光来照射某样品,样品对不同波长红外光的选择性吸收并被仪器记录,透射出来的短波红外光就会携带着样品矿物成分(和/或结构)。目前,该技术能够有效识别含氢基团、氨基团、碳酸盐及部分硫酸盐矿物等[30]。

在测试之前,需要将样品清洗干净并晾干,以避免矿物表面的杂质或水分带来的干扰。为了提高数据的可靠性,对每块样品都测试3个点,并对每一个测点进行标记。关于Terra Spec上述参数设置值的选取及其他注意事项,详细请参考Chang等[31]和张世涛等[4]。对测试所得的光谱数据,先用“光谱地质师(The Spectral Geologist;TSG)V.3”软件进行自动解译,然后,需通过人工进行逐条核对和矫正,并最终确定矿物的种类。白云母族矿物/蒙脱石(1 900 nm和2 200 nm)和绿泥石(2 250 nm和2 335 nm)的吸收峰位(Position)、吸收峰位深度(Deep)等参数都可以通过TSG V.3的标量(scalar)直接获取,白云母族矿物/蒙脱石的结晶度(IC card)也可以通过TSG V.3的标量功能直接求出。具体参数设置请参考Chang等和杨志明等。

基于以上研究,针对铜绿山矿区笔者提出:富铁绿泥石(SWIR-Pos2 250>2 253 nm;Fe/(Fe+Mg)>0.4)、迪开石及高结晶度高岭石(SWIR-Pos2 170>2 170 nm)、皂石以及近矿区蒙脱石—白云族矿物异常SWIR-Pos2 200值(Pos2 200>2 212 nm或<2 202 nm),可以作为铜绿山矽卡岩型铜铁金矿床的新勘查标志体系;而在鸡冠咀矿区,蒙脱石—白云母族矿物的高Pos2 200值(>2 209 nm)、低含量Gd、W、Si、Ca和高Co/Ni比值的(石英—)黄铁矿及铁镁绿泥石的大量出现,可以作为鸡冠咀矽卡岩型铜金矿体的勘查标志。其中,铜绿山铜铁金矿床部分短波红外光谱的成果已经发表。

在《鄂东南矿物勘查》项目的支持下,笔者利用这些矿物地球化学勘查标志,结合湖北省地质局第一地质大队对铜绿山矿床多年的勘查经验、勘查成果及矿区控矿构造特征,提出在铜绿山矿区NNE向主背斜西翼的深部,可能存在与东翼ⅩⅢ号矿体类似的深部矽卡岩型矿体。这一预测得到了最新钻孔勘探的验证,间接为铜绿山矿床新增铜金属量超过10万t,铁矿石量0.14亿t(平均品位37.7%)。

4 区域深部找矿勘查启示

在本次研究中,通过SWIR蚀变填图,在铜绿山铜铁金矿床和鸡冠咀铜金矿床中识别出大量的粘土矿物,主要包括绿泥石(铁绿泥石、铁镁绿泥石和镁绿泥石)、白云母族(白云母、多硅白云母和伊利石)、蒙皂石族(蒙脱石和皂石)及高岭石族(高岭石、迪开石和埃洛石)矿物。其中,部分粘土矿物类(特别是绿泥石)的短波红外光谱特征参数对指示深部热液矿化中心具有良好的指示作用。在靠近深部热液矿化中心,矽卡岩化及粘土化蚀变呈显著增强的趋势。

结合矿区控矿构造特征,笔者认为在铜绿山NNE向主背斜的西翼深部,有可能还存在较大的隐伏矿体(图2)。另外,由于鸡冠咀矿区位于金牛火山盆地东侧边缘,在矿区的火山角砾岩中发现较多的块状磁铁矿角砾,其中并未见到与其伴生的脉石矿物,显示深部应具有一定规模的磁铁矿矿体。角砾中未见明显的矽卡岩角砾,说明深部磁铁矿矿体可能并非为铜绿山矿田广泛存在的矽卡岩型矿化。因此,笔者推测在鸡冠咀靠近金牛盆地方向的深部有高品位块状磁铁矿体的成矿潜力。

在鄂东南矿集区,除铜绿山和鸡冠咀两个典型矽卡岩型矿床之外,还有程潮铁矿、铁山铜铁矿、金山店铁矿、阮家湾和付家山钨铜钼矿和龙角山钨铜矿等典型的矽卡岩型矿床(图1)。在这些矿区深部,沿着有利控矿构造部位,特别是矽卡岩化和粘土化蚀变增强的部位仍具有一定的深部找矿空间。