基于大数据分析的铜坑锡铟多金属矿床Sn-Zn-Pb矿化规律及其地质意义*

2019-12-02燕永锋贾福聚杨光树秦德先陈爱兵杨鸿飞

岩石学报 2019年11期

燕永锋贾福聚杨光树秦德先陈爱兵杨鸿飞

昆明理工大学国土资源工程学院,昆明 650093

广西大厂矿田是世界著名的富锡多金属矿田，不但锡、锌、铅、锑等有色金属达超大型规模, 铟、锗、镉、硒等伴生稀散元素同样具有重要的经济价值。前人围绕大厂锡矿做了大量科研工作，且取得了丰富的科研成果(Cheng and Peng, 2014；Chengetal., 2014, 2015, 2016；Zhaoetal., 2018；Huangetal., 2019；Wangetal., 2019)，但有关该矿床的成因至今没有形成统一的认识。当前主要存在三种观点：①与燕山期花岗岩有关的岩浆热液成因(Fuetal.,1991,1993；陈毓川等, 1993；王登红等，2004；蔡明海等，2006；梁婷等，2011)；②海底喷流沉积成因(蔡宏渊和张国林，1985；韩发等, 1997；Jiangetal.,1999；赵葵东等, 2002)；③多成矿物质来源复合成因观点(涂光炽，1987；Lattanzietal., 1989；雷良奇和曾允孚，1993；秦德先等，1998, 2002, 2004；范森葵，2011)。

早期围绕大厂矿田矿床分布、矿体形态、矿物、元素、同位素、稀土组成的空间演变，前人均进行过研究(杨家聪等，1985；何海洲和叶绪孙，1996；叶绪孙等，1999；范森葵等，2010；徐明等，2011；许远清和钟利，2012；秦燕等，2014；谭泽模等，2014；汪劲草等，2016)，这些研究得出的分析结果证实了大厂矿田矿化具有明显的空间分布规律性。

近年来，随着地质工作的不断深入，地学数据也随之变得更加丰富和多元，对地学数据的深入挖掘被逐步应用在成矿规律总结、成岩环境判别和综合信息成矿预测等方面，促进了数学地质的快速发展(周永章等，2017；王成彬等，2018；王玉玺等，2018)。由于受传统统计方法的限制，对大厂矿田铜坑矿床主量元素空间矿化规律少有量化，且不够深入。本文系统收集了铜坑锡多金属矿床品位数据资料，以多年资源勘查、开发过程中形成的主量元素分析数据为主，结合探矿、采矿工程编录资料建立数据库，实现了Sn、Zn和Pb主量金属元素原始化验数据的三维空间定位，巨量的样品分析数据与三维空间属性相结合，构建了传统方法难于全面处理的大数据。在此基础上，运用统计学原理，对与矿山经济效益密切相关的Sn、Zn、Pb成矿元素进行全面相关性分析，探寻它们的空间变化规律，并剖析矿床成因，为矿区深边部找矿勘探提供地质依据。由于大厂矿区稀散金属In、Cd和Ga主要赋存在闪锌矿中(李晓峰等, 2007，2010；徐净和李晓峰, 2018)，矿床Zn的富集规律对于稀散金属也具有找矿指示意义。

1 地质背景

大厂富锡多金属矿田位于江南古陆西南缘北西向丹池成矿带的中部，含矿地层为泥盆系，以砂岩、页岩和碳酸盐岩为主，局部夹炭质泥岩和硅质岩。北西向丹池断裂及其派生的次级平行断裂将矿田分为西、中、东三个矿带，西带典型矿床有铜坑锡多金属矿床和巴力-龙头山锡多金属矿床，中带典型矿床有拉么铜锌锡矿床、杉木冲铜锌矿床及茶山钨锑矿床，东带典型矿床有大福楼、灰乐和亢马等锡多金属矿床，其中铜坑矿床以储量规模巨大而著称，巴力-龙头山矿床以资源储量富大而闻名(陈毓川等，1993；范森葵，2011)。中矿带有龙箱盖燕山晚期花岗岩出露，以中细粒黑云母花岗岩为主,锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb测年结果为96.6～93.9Ma(梁婷等，2011)。西矿带的铜坑锡多金属矿床东西两侧分别出露花岗斑岩脉(东岩墙)和闪长玢岩脉(西岩墙)，两条岩墙锆石SHRIMP U-Pb测年结果均为91±1Ma，即形成于燕山晚期(蔡明海等，2006)。

2 矿体特征与矿化规律

铜坑矿床是大厂矿田中规模最大且最具代表性的超大型矿床。主要由91～96号矿体和细脉带矿体组成，被切穿地层的花岗斑岩脉(即东岩墙)分隔东西两部分。91、92号矿体和细脉带矿体产于在东岩墙以西，主要以网脉状、似层状锡石硫化物等赋存于300～600m标高的上泥盆统榴江组(D3l)硅质岩和五指山组(D3w)细条带状硅质灰岩、“小扁豆”状灰岩、“大扁豆”状灰岩中(图1)。94、95和96号矿体产于东岩墙以东，主要以似层状块状硫化物和网脉状硫化物等形式产出，赋存于标高-100～200m的中泥盆统罗富组(D2l)粉砂岩、泥岩夹泥质灰岩中(图1)，96号矿体中厚大部分主要分布于东岩墙附近，远离该岩脉，矿体的品位和储量均具有降低趋势，表明岩脉与矿体具有密切成因联系(皮桥辉等，2015)。

图1 大厂矿田A-A’剖面图(据范森葵等，2010修改)Fig.1 The profile map of A-A’ in the Dachang ore field (modified after Fan et al., 2010)

91号矿体主要由纹层条带状矿化和北东向节理细脉状矿化组成，主要矿石矿物为锡石、铁闪锌矿、毒砂和磁黄铁矿，其次为黄铁矿，主要脉石矿物为石英和电气石，其次为方解石和钾长石等。

92号矿体表现为纹层条带状矿化、网脉状矿化、结核状矿化和少量层间脉状矿化，主要矿石矿物为铁闪锌矿和黄铁矿，次要矿石矿物有锡石、毒砂和磁黄铁矿，脉石矿物以石英为主，其次为方解石、电气石和斜长石等。

细脉带矿体以细脉状矿化为主，局部见纹层条带状矿化，主要矿石矿物为铁闪锌矿、黄铁矿和脆硫锑铅矿，其次为锡石、毒砂、磁黄铁矿和辉锑锡铅矿，主要脉石矿物有方解石、石英和电气石等。大脉带矿体以节理脉矿化为主，主要矿石矿物为铁闪锌矿、黄铁矿、脆硫锑铅矿和辉锑锡铅矿，其次为锡石和毒砂。

已有研究表明(黄民智和唐绍华，1988)，大厂矿田96.28%的Sn以锡石形式存在，2.54%的Sn赋存于黄锡矿、硫锡矿和硫锡铅矿等矿物中，1.18%的Sn分散在电气石、石英及硅酸盐矿物中呈胶态锡存在；86.70%的Zn赋存于闪锌矿中，其余主要分散在磁黄铁矿中；92.52%的Pb赋存在脆硫锑铅矿中。

纵观大厂锡矿诸多已有研究成果，对矿化机制的主要争议焦点在于喷流沉积和岩浆热液充填两种矿化作用的地位和贡献。部分学者强调喷流沉积作用的重要性和主导地位(蔡宏渊和张国林，1985；韩发等，1997；Jiangetal.，1999；赵葵东等，2002；刘陈明等，2012)，主要依据有：①赋矿地层中生物礁灰岩、硅质岩发育且夹有火山物质，矿石中发育富镁电气石、富钡钾长石等成分；②矿区发育热水喷流口，91号、92号矿体呈层状，纹层、条带状矿石发育；③矿石稀土、微量元素及同位素组成特征与其它喷流沉积型矿床一致。也有人认为锡多金属矿床的形成是燕山晚期岩浆期后热液沿围岩层间结构面和节理等充填交代的结果(陈毓川等，1993；王登红等，2004；蔡明海等，2006)，近年来得到了越来越多支持(梁婷等，2011；Guoetal., 2018)，主要依据有：①燕山晚期花岗岩与矿床空间位置关系密切，围绕岩体矿化具有分带性；②花岗岩富含成矿物质，且与矿石元素组成具有一致性；③矿体产出受构造控制，与围岩界线清晰，具热液充填成矿特征；④矿石稀土、微量元素及同位素组成具有岩浆热液来源特征；⑤矿石中锡石、闪锌矿及包裹体等测年结果与花岗岩侵入时代基本一致。

3 成矿流体空间演化规律

铜坑矿床细(网)脉状矿化不穿出含层纹条带状矿化地层，只有上部大脉状矿化可穿层，矿体在空间上自下而上呈似层状→细网脉状→裂隙脉状大脉状“三层楼”式产出规律(王桂琴等，2001；秦来勇，2008)。往上部脉状矿体，含硫盐类矿物增多，往下部矿体电气石化和钾长石化增强，反映矿化环境下部高氧低硫、上部低氧高硫(杨家聪等，1985；徐明等，2011)。

铜坑矿床由上至下部层位SiO2含量呈增高趋势，96号矿体Fe含量随深度增大而增高，反映了成矿物质自下而上运移的趋势(梁婷等，2008)。碳、氧同位素方面，已有分析显示铜坑矿区南部泥盆系灰岩从上往下δ13C和δ18O呈降低趋势，而横向上自远矿围岩至近矿围岩和矿体碳酸盐岩中的δ13C和δ18O 也呈降低趋势(梁婷等，2011；秦燕等，2014)，反映13C、18O亏损流体参与了成矿过程。铜坑矿区南部泥盆系灰岩稀土元素中δ13Eu正异常随深度增大而减弱(秦燕等，2014)。

可见，铜坑矿床矿化类型、矿物、元素、同位素和稀土组成均显示出由下而上规律性变化，成矿流体演化具有明显的空间规律性。

图2 铜坑矿床主要矿体Sn-Zn-Pb三角图解(a) 92号矿体；(b) 91号矿体； (c)细脉带矿体Fig.2 Sn-Zn-Pb triangular diagrams of main orebodies in Tongkeng deposit(a) No.92 ore body；(b) No.91 ore body； (c) veinlet belt ore body

4 数据库与统计分析

本文系统收集整理了铜坑矿床以往资源勘查、开发过程中形成的工程编录资料，包括1642个工程和7.07万组Sn、Zn、Pb化验数据，录入Surpac三维模型软件系统，建立三维空间数据库，实现了每组分析数据的三维空间定位，用于统计分析。

为了分析主矿体Sn、Zn、Pb元素组成变化规律，提取矿体内部Sn、Zn、Pb三元素均有品位样品共23540件，其中92号矿体16921件，91号矿体589件，细脉带矿体6030件，分矿体统计了Sn、Zn、Pb三主要成矿元素均值、比值和相关性特征(表1、图2)，并沿垂直矿体层面方向和走向方向分带统计了样品Zn/Pb值变情况(表2、图3)。

表1铜坑矿床Sn-Zn-Pb组成统计表

Table 1 Sn-Zn-Pb compositions of Tongkeng deposit

矿体样品数均值相关系数Sn(%)Zn(%)Pb(%)Zn/SnPb/SnZn/PbSn-ZnSn-PbZn-Pb细脉带矿体60300.7454.4961.02813.2023.2439.6090.3760.2080.41991号矿体5891.1804.8030.39422.3641.46179.2110.2470.1450.13892号矿体169210.5372.3940.34919.5712.45323.9230.2740.1810.245总体235400.6062.9930.52418.0092.63121.6400.3270.1990.392

图3 铜坑矿床垂向-走向Zn/Pb变化趋势图Fig.3 Zn/Pb value variation trend of Tongkeng deposit

铜坑矿床共23540件样品计算得到Sn、Zn、Pb平均品位分别为0.606%、2.993%和0.524%(表1)，显示矿床主量金属含量以Zn为主、Sn次之、Pb最低。矿石Sn-Zn-Pb三角图解(图2)，也显示三个主要矿体成矿元素向Zn端富集特征。

不同矿体Sn、Zn、Pb元素组成统计结果(表1)对比显示，Sn、Zn均值91号矿体最高，分别为1.180%和4.803%；Sn-Zn-Pb三角图解(图2b)也显示，91号矿体主量金属以Sn和Zn为主， Pb占比较其它两个矿体低。Pb均值在细脉带矿体最高，为1.028%，Pb均值自下往上(92号矿体→91号矿体→细脉带矿体)呈增高趋势。Zn/Sn和Zn/Pb均值在91号矿体最高，分别为22.364和79.211，其中Zn/Pb均值在91号矿体较其它两个矿体有明显增大，是矿床总体Zn/Pb均值(21.640)的三倍以上。

矿床总体元素相关性Sn-Zn、Sn-Pb和Zn-Pb分别为0.327、0.199和0.392，Zn-Pb相关性最好(表1)。91号、92号和细脉脉带矿体中上述元素相关性最高值均出现在细脉带矿体中，分别为0.376、0.208和0.419，而最低值出现在91号矿体，分别为0.247、0.145和0.138，说明相对于91和92号矿体，细脉带矿体的成矿可能较简单，是一次热液充填作用的结果。

矿体垂向和走向分带统计结果显示，Zn/Pb均值空间分布具有一定规律性(表2、图3)。垂向方向自下往上，92号矿体Zn/Pb均值随高程呈线性增高趋势，91号矿体先增高再降低，细脉带矿体呈线性降低趋势。走向方向91号矿体和92号矿体在0～600米范围，Zn/Pb均值随距离波状起伏，变化较稳定；从距原点600m向NE方向，两矿体Zn/Pb均值呈明显增高趋势，91号矿体Zn/Pb均值从45.023曾高到210.259，变化程度最为剧烈。细脉带矿体Zn/Pb均值自SW向NE从4.966增至12.781，随距离呈线性增高，变化程度相对平缓。

表2铜坑矿床垂向-走向Zn/Pb变化统计表

Table 2 Zn/Pb variation in strike and vertical directions of Tongkeng deposit

分带92号矿体91号矿体细脉带矿体垂直层面方向分带标高(m)样品数(个)Zn/Pb均值标高(m)样品数(个)Zn/Pb均值标高(m)样品数(个)Zn/Pb均值375～400619325.844450～47512267.564650～70021.921350～375433123.344425～45037584.286600～6508964.872325～350154618.518400～4258478.521550～60016447.899300～32550316.126375～400633.971500～55022858.632275～30021110.690 450～500115516.756走向方向分带距离分带(m)样品数(个)Zn/Pb均值距离分带(m)样品数(个)Zn/Pb均值距离分带(m)样品数(个)Zn/Pb均值0～1002023.082100～20016020.118100～2001834.966200～30059212.314200～3001116.739200～3004977.552300～400240729.476300～4002015.857300～4006836.964400～500539215.298400～50011720.068400～50011519.402500～600464916.417500～600798.462500～60022719.470600～700160929.091600～7009045.023600～700124512.781700～80099236.993700～8003935.680 800～90043063.965800～9007293.104 900～100049881.288900～100092167.225 1000～110017274.9781000～110069210.259

5 讨论

5.1 Sn、Zn、Pb空间矿化规律

Pb含量自下部92号矿体、91号矿体到上部细脉带矿体，均值变化呈增高趋势，即0.349%→0.394%→1.028%。由于Pb属中低温热液成矿元素，一般在远离热源处沉积成矿，Pb在上部细脉带矿体富集的特征，与96号矿体高温元素Fe含量随深度增大而增高(梁婷等，2008)相对应，反映了铜坑矿床上部富低温元素、下部富高温元素，成矿物质总体自下向上运移的规律。

中部的91号矿体Sn均值和Zn均值比上、下部矿体都高，同时91号矿体Sn、Pb、Zn之间相关性比上、下部矿体都差。已有资料显示(韩发等，1997)，与下部92号矿体相比，上部91号矿体锡石不只是呈浸染状分布于以硫化物为主的层状矿体中，有时可顺层演变为以锡石为主的层状矿体，反映了高温驱动下91号矿体中Sn与其它金属元素分离独立成矿的特征。此外，据皮桥辉等(2015)研究，该矿床闪锌矿中微量元素组成特征与燕山期、喜马拉雅期花岗岩叠加改造作用有关的喷流沉积铅锌矿床(如云南白牛厂和广东大宝山)相似，表明矿床形成可能主要经历了喷流沉积和岩浆热液叠加两期成矿作用。燕山晚期富Sn、Zn高温热液的叠加作用，致使原喷流沉积矿层品位增高的同时，高温促使金属元素发生分异和再富集，可能是导致91号矿体各元素相关性变弱的重要原因。

高温能使黄铁矿中的硫发生分解并释放出来，使黄铁矿转变成磁黄铁矿，富Sn、Zn高温成矿流体也能带来磁黄铁矿的叠加，这可能是造成下部92号矿体富黄铁矿，而上部91号矿体和细脉带矿体富磁黄铁矿的原因。

5.2 Zn、Pb组成的地质意义

Zn和Pb在自然界最常见的化合价均为+2价，都有很强的亲硫性，易于与硫离子结合成硫化物，在各种地球化学分类中，Zn和Pb常属同一类。而在原子结构和晶体化学性质上，Zn和Pb具有一定差异，Zn的原子半径和离子半径均比Pb小，表现出来的性质Zn和Fe、Mn相似，而Pb和K接近，统计显示自然界从基性岩到酸性岩，Zn含量明显减少、Pb含量呈增加趋势(李嘉曾，1984；刘英俊，1984)。Zn和Pb的地球化学行为既有诸多共性又有些许差异，使二元素组成变化规律成为成矿流体示踪的理想选择。

矿液运移过程中随着物理化学条件的改变，由于各元素的地球化学行为不同、晶出先后顺序不同，导致在不同空间形成不同元素组成和品位的矿石，使成矿具有一定的元素分带规律。研究表明成矿物质沉淀的先后顺序与金属元素的稳定序列有关，如As>Hg>Sb；Ag>Pb>Zn、Cu，稳定性小的元素先晶出、大的后晶出，铅锌矿床往往下部富闪锌矿、上部富方铅矿(瞿裕生和林新多，1993)。可运用Zn、Pb比值的变化指示成矿流体的来源，绘制Pb/Zn等值线图，低值中心即为成矿热液来源位置，该方法在塔山等众多国内外矿床得到成功运用(曾庆丰，1986 ; Kyleetal., 2002; Xueetal., 2007)。

Zn、Pb比值在不同成因类型矿床中，均能显示出一定的空间分布规律性。

湖南香花岭岩浆热液型锡多金属矿床，随着远离成矿花岗岩体矿石Zn含量逐渐减小，而Pb含量逐渐增加，Zn/Pb值呈定向规律性减小，该分带规律在华南岩浆热液型矿床中具有普遍性(杜方权，1986)。

具有热水沉积与中低温热液复合成因特征的云南金顶铅锌矿床，空间上自东往西从架崖山、北厂到峰子山，Zn/Pb值变化为：7.8→4.9→0.3，Zn/Pb值降低趋势与成矿流体自东向西运移特征相对应 (Kyleetal., 2002; Xueetal., 2007)。

近年来被认为是密西西比河谷型(MVT)矿床的广东凡口铅锌矿床，在中段平面上矿石Zn/Pb值没有明显高值区和低值区，表明成矿溶液没有特定的流动方向(陈学明等，1999)，反映了稳定的沉积成矿环境。

青海锡铁山海底喷流沉积型(SEDEX)铅锌矿床，远离喷口大理岩Zn/Pb值呈明显增高(祝新友等，2007)。分布于伊朗Zarigan-Chahmir basin的SEDEX型铅锌矿床也被证实存在此分带特征(Rajabietal.,2015)。日本产出在新生代火山岩系中的黑矿型矿床，自下往上具硅质矿→黄矿→黑矿分带特征，矿石平均化学成分硅质矿(Zn：0.16%、Pb：0.48%)，黄矿(Zn：0.15%、Pb：0.27%)，黑矿(Zn：18.30%、Pb：9.42%)(梅纳德,1986)，具下矿带Pb含量大于Zn，而上矿带Zn含量大于Pb的特征。因此，海底热液活动早期喷流沉积低Zn/Pb值多金属硫化物，晚期喷流沉积高Zn/Pb值硫化物，随着距离喷口由近及远、层位由下往上，Zn/Pb值在空间上呈增加趋势。

5.3 铜坑矿床Zn/Pb空间演变与流体来源

对于前述分带统计方法所得出的铜坑矿床Zn/Pb空间分布规律(图3)，无论是运用喷流沉积成矿理论还是岩浆热液成矿理论似乎都无法全面解释。

根据喷流沉积成矿理论，垂向上从92号矿体底部到91号中部层位，Zn/Pb值逐层增加，与喷流沉积矿床Zn/Pb组成特征吻合。但从91号矿体中部开始到细脉带矿体的全部，Zn/Pb值变得逐层降低，与喷流沉积岩特征相互矛盾。

依据岩浆热液成矿理论，岩浆热液自NE向SW沿91号矿体充填交代成矿：矿床走向方向Zn/Pb自NE向SW降低，垂向方向自91号矿体中部到细脉带矿体全部，Zn/Pb逐渐降低，与远离热液源头Zn/Pb值降低特征相吻合。但走向方向91号矿体和92号矿体在0～600m范围分带统计结果Zn/Pb值降低趋势消失，没有热液自NE向SW交代特征；垂向方向自91号矿体中部向下至92号矿体全部，Zn/Pb值逐层降低，需要成矿热液由上往下逐层交代，目前缺乏此方面的证据。

铜坑矿床Zn/Pb空间分布规律具有喷流沉积和岩浆热液叠加改造复合的特征。早期喷流沉积成矿作用依次形成92号矿体(或矿源层)和91号矿体(或矿源层)(范森葵，2011)。在矿物组成和矿石结构方面：92号矿体黄铁矿含量高、具层条带状矿化和网脉状矿化，与黑矿型矿床的硅质矿带和黄矿带类似，91号矿体铁闪锌矿富集和层状矿化与黑矿带类似。92号矿体和91号矿体垂向Zn/Pb值总体趋势由下往上逐层增高，具喷流沉积岩Zn/Pb值分带特征。

叠加改造成矿阶段，岩浆期后含矿热液沿91号矿体和92号矿体，从北东向南西叠加改造，造成两矿体Zn/Pb值自北东向南西降低的趋势。91号矿体和92号矿体北东与花岗斑岩脉(东岩墙)相邻，推测东岩墙是岩浆期后热液运移的通道。据已有资料(梁婷等，2008)，东岩墙以东由西往东分布的ZK1507、ZK1512和ZK1509三个钻孔(图1)，计算得出钻孔Zn/Pb均值变化为2223→1181→203，呈降低趋势，因此远离东岩墙Zn/Pb值降低，东岩墙东西两侧存在Zn/Pb值近似对称分布特征，东岩墙是成矿热液运移通道。

细脉带矿体Sn、Pb、Zn两两相关性都很好，Zn/Pb值沿矿体垂向和走向都具规律性均匀演变特征(图3)，该矿体成矿流体来源相对单一。