广西大厂矿田深部成矿预测及成矿机制研究

2021-04-16刘成功景建恩金胜魏文博

物探与化探 2021年2期

刘成功，景建恩，金胜，魏文博

(1.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院，北京 100083; 2.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000; 3.中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083)

0 引言

矿产资源是人类社会和经济发展的物质基础，由于浅层矿产资源不断开采而日趋减少，深部矿产资源勘查成为世界各国的勘查重点，寻找和开发深部隐伏矿床已成为矿产资源勘查的新内容和新挑战，也是解决危机矿山，延长矿山服务寿命的有效途径[1]。深部找矿存在诸多困难和不确定因素，地球物理方法作为开展深部找矿工作的主要技术手段之一，越来越受到矿产勘查领域的重视[2-3]。

广西大厂矿田是世界知名的锡(Sn)多金属矿田之一，成矿条件优越，已探明大、中型矿床数十个，产有丰富的锡、锌、银、锑、铜、汞、钨等多种矿产资源。大厂矿田浅部至中深部已发现有长坡—铜坑矿床、巴力矿床、瓦窑山矿床、大福楼矿床、灰乐矿床、亢马矿床等高温岩浆热液型锡矿床，以及黑水沟—大树脚锌铜矿、拉么矿床等接触交代型锌铜矿床和茶山锑钨矿产[4-6]。经过几十年的开采，现有可开采资源储备严重不足，迫切需要增加矿山的资源储量，以延长矿山的开采寿命。目前，大厂矿田西矿带除黑水沟—长坡矿区，其他大部分已知矿床的勘查深度不超过600 m，已知矿床周边和深部成矿条件好，限于前人的勘查技术，留下了大量“空白区”[7]。NW、NE向断裂构造附近，隐伏岩体接触带及其附近的找矿远景良好；沿响水湾至茶山一线都有寻找钨锑和锌铜矿的前景[8-9]。

音频大地电磁测深(AMT)法具有探测深度大、操作方便、对低阻层反应灵敏等优点，在矿产资源勘查方面得到了广泛应用[10-11]。本文为研究大厂矿田笼箱盖花岗岩体外围隐伏矿床的分布，对矿集区的AMT数据进行精细处理，得到地下2 500 m深度的电阻率模型，结合已有的地球物理和岩石物性资料，确定花岗岩体和隐伏矿体的位置，并讨论大厂矿田的成矿机制。

1—断裂；2—背斜；3—矿田；4—花岗岩；5—槽盆界限；6—推测花岗岩体 1—fracture; 2—anticline; 3—ore field; 4—granite; 5—basin boundary; 6—speculative granite图1 丹池成矿带构造和矿产分布(据徐新煌等[12]修改)Fig.1 Structure and mineral distribution map of The Danchi metallogenic belt (modified by Xu Xinhuang et al[12])

1 地质环境

华南是我国 Sn、W、Sb及其他有色金属矿产资源最为丰富的地区，广西大厂矿田位于华南加里东褶皱系和扬子地台交接部位，具体位于江南古陆西南缘、右江盆地北东侧、NW 向丹池褶断带中段[12-13](图1)。受丹池断裂带的控制，区内出露中泥盆统生物礁灰岩、粉砂岩和页岩，上泥盆统灰岩和硅质页岩，石炭系至二叠系页岩、粉砂岩和石灰岩，夹杂少量的二叠系灰岩和砂岩(图2)。主要赋矿地层为泥盆系纳标组(D2n)、罗富组(D2l)、榴江组(D3l)、五指山组(D3w)，同车江组(D3t)中矿化较弱[14]。矿田内的主要构造为NNW向的复式褶皱，NW向丹池背斜和丹池断裂带组成了区内构造格架，NE、SN及EW向构造叠加其上[15-16]。

在NW、NE两组断裂的交汇部位，岩浆活动极其发育，以燕山中—晚期中酸性浅成岩为主。区内产出的岩石类型有花岗岩、花岗斑岩、闪长玢岩等。岩浆岩主要出露于大厂矿田中部的龙箱盖一带，地表分布面积较小，仅0.5 km2，经钻孔资料和重、磁的研究结果发现，地表出露的小岩体下部存在一个巨大的隐伏岩株，并延伸到了西矿带的巴里、铜坑、长坡矿区深部[17-19]。根据SHRIMP 锆石U-Pb方法确定，笼箱盖花岗岩中黑云母花岗岩的年代为93±1 Ma，斑岩花岗岩的年代为91±1 Ma，花岗斑岩的年代为91±1 Ma，闪长斑岩的年代为91±1 Ma，均属于燕山期热事件的产物[20-21]。拉么矽卡岩铜锌矿床(图2)[16]位于上泥盆统灰岩与花岗岩体的接触带；铜坑—长坡、巴厘、龙头山、大福楼、灰乐、亢马多锡金属矿沿花岗岩的东西边缘分布。花岗岩中主要成矿元素Sn、Cu、Sb、W、Ag的含量一般高于其他花岗岩平均值的数倍或数十倍，因此，花岗岩分布区域是寻找矿体的有利靶区[22]。

图2 大厂矿田地质构造及矿产分布(据蔡明海等[16]修改)Fig.2 Geological structure and mineral distribution map of the large factory ore field (modified by Cai Minghai et al[16])

2 AMT数据处理

为了研究大厂田深部隐伏矿体的分布特征，在大厂矿田中段布设了1条音频大地电磁测深(AMT)剖面(见图2)，测线全长约6 000 m，方位NE20°，横跨笼箱盖断裂和笼箱盖背斜构造。野外数据采集使用加拿大凤凰公司MTU-5A型大地电磁测深仪，数据采集过程中采用张量测量方式布极，每个测点测量2个磁场分量(Bx，By)和2个相互正交的水平电场分量(Ex，Ey)。大地电磁测深点采集过程中使用GPS同步观测，采集时间均在4～5 h。对采集的原始时间序列数据进行快速傅立叶变换，将时间域信号转变为频率域数据，再通过Robust估计、远参考、功率谱挑选等技术处理，获得了高质量的阻抗数据。图3给出了A04测点和A10测点的视电阻率和相位曲线。

阻抗二维偏离度也是描述地下介质构造维度的重要指标，根据维性分析结果，剖面二维偏离度基本都小于0.3，呈现二维构造特征。同时，研究表明，大厂矿田矿脉严格受到呈二维NW向控矿构造的制约，本文采用的AMT 测线是垂直于构造走向布设的，因此，对测线AMT数据进行二维反演建模是合理可行的。采用G-B阻抗张量分解技术[23]进行电性主轴分析，存在60°和150°两个优势主轴方向(图4)，由于本区主要为NW向断裂构造，由此确定电性主轴方向为NE150°，据此将阻抗数据旋转到电性主轴方向。为克服三维畸变的影响，实践中多采用TM或 TE+TM联合模式进行大地电磁数据二维反演[24]。本文应用非线性共轭梯度(NLCG)算法[25]对AMT数据选取TE+TM模式的数据参与反演。对于AMT剖面TE+TM数据反演参数设置为：TE模式视电阻率误差为20%，相位误差为10%，TM模式视电阻率误差为10%，相位误差为5%，采用L曲线法[26]确定正则化因子为5(图5)，迭代168次后，获得大厂矿区中部二维电阻率模型(图6)。

图3 部分测点的视电阻率和相位Fig.3 Apparent resistivity and phase diagram of some measuring points

图4 电性主轴分频统计结果Fig.4 Strike analysis results for the specfic corresponding frequency band

3 电性结构分析

矿区岩矿石标本电阻率测试数据统计结果：矿石0.5～35 Ω·m，尾矿砂40 Ω·m左右，炭质层和围岩(灰岩、硅质岩、大理岩等)电阻率约100～1 000 Ω·m，围岩与矿体存在明显的电性差异[27]。电性结果显示，沿剖面自西向东存在3个不连续的高导体(C1、C2、C3)和2个不连续高阻块体(R1、R2)，高导和高阻区域形态分明。高阻异常体R1呈锥形隆起(图6中虚线所示部位)，其深部电阻率可能高达2 000 Ω·m以上，与两侧围岩存在明显的电性差异。根据大厂矿田1∶20万和1∶5万重力研究发现，笼箱盖岩体顶部沿丹池断裂、铜坑—灰乐横断裂、大厂断裂均呈脊状隆起[17,19]；此外，根据大厂矿田岩石物性测试和钻探资料，花岗岩呈高阻特征[7]，由此推断高阻异常体R1可能为隐伏的笼箱盖花岗岩体，其顶板埋深约1 500 m。高阻体R2形态呈不规则块状，埋深西浅东深，电阻率值在1 000 Ω·m以上；地层以中泥盆统生物礁灰岩为主，推测高阻体R2主要是致密的生物礁灰岩。

图5 不同正则化因子反演得到的模型粗糙度与拟合差曲线Fig.5 Model roughness and fitting difference curve of inversion by different regularization factors

图6 大厂矿区电阻率模型Fig.6 Resistivity map of Dachang deposit

大厂矿田隐伏矿体为多金属矿体，呈低阻(高导)特征，因此，高导体是寻找隐伏矿床的重点区域。结合地质构造和岩石的物性特征，对高导体的成因进行了讨论。高导体C1位于丹池背斜残留的石炭系灰岩地层，因地层剥蚀严重，灰岩裂隙和节理极为发育，推断低阻体C1可能是破碎的石炭系灰岩风化带。高导体C2出露于上泥盆统灰岩和硅质页岩地层中，紧邻笼箱盖断裂，异常中心位于地表，推断高导体C2可能是由于上泥盆沉积层遭到破坏形成的局部破碎带。高导体C3埋深较大，位于拉么Zn-Cu矿床和茶山Sn-W矿床之间，与深部脊状隆起的花岗岩相互伴生，推测其可能是深部隐伏矿床。

4 讨论

4.1 隐伏矿床的讨论

整个矿田内矿体同属于一个岩浆活动成矿系统，各类矽卡岩型矿床围绕岩笼箱盖花岗岩体中心呈环状分布，矽卡岩系统位于碳酸盐岩中，横向和垂直都与花岗岩相接触[28-29]。花岗岩体向外依次为锌铜矿床(局部叠加有晚期的钨锑矿化)、锡多金属矿床、铅锌银矿床和汞锑矿床，各环之间有着明显的叠加和渐变现象。据统计，一般矽卡岩型锌铜矿距离花岗岩体约0～200 m，锌矿体约200～600 m，锑钨矿约500～2 000 m，锡石硫化物型矿床约600～2 000 m，铅锌银矿约800～3 000 m[30]。接触交代型锌铜矿床，位于大厂矿田笼箱盖隐伏岩浆房的顶部及其周边，这类矿床成矿作用主要集中出现在岩浆房高位突出的顶界面凹凸部位及其内外接触带范围。根据本文所获得的电阻率模型，高导体C3位于大厂矿田笼箱盖隐伏岩浆房的顶部，距离笼箱盖花岗岩体约500 m，具有接触交代型锌铜矿床的构造特征(接触交代型锌铜矿床，位于大厂矿田笼箱盖隐伏岩浆房的顶部及其周边，这类矿床成矿作用主要集中在岩浆房高位突出的顶界面凹凸部位及其内外接触带范围)。此外，根据大厂矿田地表岩石地球化学Sn、Zn、Sb、Cu元素异常平面示意图，笼箱盖—茶山区地表Sb、W、Zn、Cu矿化强烈，反映了深部可能存在隐伏Zn-Cu和Sb-W矿床[7]；大厂矿田ΔT高精度磁测化极上延500 m垂向二导异常图显示，异常总体围绕隐伏花岗岩体呈环状分布，反映矿液活动可能来源于隐伏花岗岩体或受到岩浆的驱动[18]。基于以上研究，推测隐伏矿体C3可能为矽卡岩型锌铜矿床，后期叠加锑钨矿床。

4.2 成矿物质——流体来源和高阻隐伏岩浆侵入体

老地层富含的成矿物质和晚古生代地层中的成矿物质，与大气水、地层水、封存水等携带的成矿物质在相对稳定的地段储存起来，成为高浓度的成矿流体[31]。在推断的泥盆系地层下方存在着一个显著的高阻体 R2(图6)，被中高阻的区域包围，位于NW向笼箱盖断裂带的中间位置，属于笼箱盖花岗岩体在南侧延伸的支脉。矿田内产出的岩浆岩属燕山晚期中酸性侵入体，岩性以黑云母花岗岩为主。根据电阻率模型，岩浆岩隆起埋深约1.5 km，以陡直岩墙沿NW向断裂延伸。花岩体作为成矿物质的主要来源，为矿体的形成提供主要的成矿物质和热动力，成矿热液由岩体向外流动并在有利的构造部位交代充填成矿。

4.3 控矿因素

根据大厂矿田钻孔中岩心样品分析结果认为，大厂锡多金属矿的形成受地层、构造和岩浆岩的共同作用。大厂矿田矿化几乎无一例外地集中在泥盆系的不同层位中，主要控矿层位是中泥盆统到上泥盆统早期地层[32]。中带矽卡岩型矿床赋存在中、上泥盆统泥灰岩及扁豆状、条带状灰岩地层，石英脉型矿床(Sb、W矿床)的赋矿地层为中、上泥盆统泥灰岩、页岩、硅质岩、扁豆状和条带状灰岩地层。另外，矿区泥盆系地层存在诸如灰岩与泥岩、页岩、泥页岩等互层现象，灰岩在构造作用下易于破碎，形成一些有利于矿液充填的容矿空间，泥岩、页岩及泥页岩等低渗透性岩石则扮演了盖层的角色，使得泥盆系地层具备良好的储盖组合[33]。

区域性的大构造控制了成矿带、矿田、矿床的形成与分布，而矿区范围内的小构造则控制了矿体的形态、产状。NW向的深大断裂在区域地质挤压、拉张作用下，往往成为混合成矿流体运移的通道；而NE、SN和EW3组次级断裂构造控制了矿体的形态和结构。背斜轴部易产生轴向断裂构造和虚脱空间，是矿液充填的有利场所。大厂矿田的容矿构造主要为层间滑脱破碎带、细(网)脉状裂隙构造、NE向大脉状裂隙构造及岩浆侵入接触带构造，层间滑脱破碎带是大厂矿田最主要的控矿构造类型。流体包裹体特征和 He、Ar、S 同位素组成共同表明，铜坑—长坡矿床脉状及层状矿体具有相同的成矿物质来源和相同的成因，成矿作用与燕山期构造、岩浆热事件有关[34]。

4.4 成矿机制

根据南丹地区1∶20万区域重力及航磁资料，结合广西地区1∶100万区域重力、地震测深资料综合推断，NW向断层可能达到下部地壳，甚至上地幔[16,19,22]。电性结果表明紫云—垭都断裂带中、下地壳及上地幔高导体主要是岩石圈物质局部熔融，幔源岩浆底侵地壳产生的热量使上覆成熟地壳发生部分熔融[35]。上地幔物质的局部熔融产生大量的热使上覆地壳发生部分熔融，断裂构造为中、下地壳(及少量上地幔物质)的岩浆热液和深部地幔热源向上运移提供了通道[35-36]。基于3He/4He比值高和富CO2流体的存在，认为在铜坑—长坡矿床成矿过程中有少量深部地幔流体的参与，另外，高的R/Ra比表明了矿液中存在地幔物质的贡献[21]。根据对稀土元素含量和S、Pb等元素的同位素分析，也得出了类似的结论[37-41]。

根据成矿模式的综合描述，得到研究区电性约束下的大厂锡多金属矿理想化成矿模式图(图7)。晚白垩世时期，华南西部地区软流圈上涌并诱发岩石圈地幔部分熔融，幔源岩浆底侵地壳产生足够的热使上覆成熟地壳发生部分熔融。燕山运动期间本区深部的岩浆活动强烈，中、下地壳(及少量上地幔物质)的岩浆热液和深部地幔岩浆沿上涌到浅层泥盆系地层。岩浆作用推动原有的成矿流体和岩浆流体带来的成矿物质在SN向断裂和NE向构造带等构造附近的减压地带成矿，形成部分层状矿体和大部分的脉状矿体，同时有中性—酸性岩浆侵入[7]。泥盆纪至白垩纪形成了一个完整的成矿时空格架:泥盆纪时期，区域性控矿断裂形成；印支—燕山期，强烈的挤压褶皱作用和拉张形成层间裂隙和次级断裂等容矿构造；晚白垩世时期，中酸性岩浆侵入(深、浅源流体混合)，后经成矿流体分异，在中上泥盆统地层富集成矿。