河南老湾金矿带原生晕地球化学特征及深部找矿意义

郭 鹏 陈建立 陈英男 魏从玲 薛 艳

(1.河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院,河南 郑州 450001;2.桂林理工大学地球科学学院,广西 桂林 541004)

作为中央造山带的一部分,秦岭—大别造山带经历了多期次的碰撞造山拼合事件,是重要的成矿集中区[1]。老湾金矿带是秦岭—大别山造山带内的一个典型超大型金矿床,近10 a来找矿成果显著,累计新增金资源量达208 t,已成为河南省最大的单体金矿床。老湾金矿带为俯冲(增生)造山型金矿,理论成矿深度可达15～20 km[2],目前总体控矿深度在1 000 m以浅。前人对老湾金矿带的研究多集中在成矿年代、控矿构造、成矿物质来源、矿床成因等方面[3-4],对成矿深度的研究涉及较少。原生晕地球化学作为较成熟的热液矿床深部研究方法[5-8],在成矿深度预测方面得到了成功应用,取得了良好的找矿效果[9-10]。本研究通过原生晕地球化学研究对老湾金矿带的典型矿床深部找矿前景进行评价,并根据评价结果布设深部钻探进行验证,在成矿地质体深部探测到了金矿(化)体。

1 成矿地质背景

老湾金矿带位于秦岭—桐柏—大别造山带东部,夹持于南阳盆地与吴城盆地之间,属桐柏—大别有色贵金属成矿带的一部分。区内变质地层发育,岩浆活动频繁,构造变形强烈,具备金银、铜锌多金属矿良好的成矿地质条件。老湾金矿带东西长约30 km,南北宽1.5～2.0 km,呈NWW向展布,自西向东分布有下肖湾金矿、歇马玲金矿、上上河金矿、老湾金矿、北杨庄金矿、粉坊庄金矿等矿床(图1)。

图1 老湾金矿带区域地质特征[11]Fig.1 Regional geological characteristics of Laowan gold metallogenic belt

2 矿床地质概况

2.1 矿床地质特征

老湾金矿体赋存于中元古界龟山岩组,南部出露老湾花岗岩体;北部出露古元古界秦岭岩群雁岭沟岩组,岩性为大理岩、斜长角闪片岩等;龟山岩组与老湾花岗岩、雁岭沟岩组均呈断层接触(图2)。龟山岩组地层包含两个岩性段,中上部主要由二云石英片岩组成,夹有斜长角闪岩,分布于矿区南部;下部主要由斜长角闪片岩和绢云石英片岩组成,夹有大理岩透镜体,分布于矿区北部[12]。

图2 老湾矿区地质特征Fig.2 Geological characteristics of Laowan mining area

老湾金矿带位于老湾韧性剪切带内,呈NWW向展布。南北两侧由区域性走滑断层控制,南侧为老湾断裂,北侧为松扒断裂。矿区地质构造复杂,地层及岩石经历了多期次的变形、变质、逆冲、拼贴、推覆等构造旋回,发育大量构造岩片及混杂岩。

老湾金矿带内岩浆岩较为发育,分布有花岗岩、花岗斑岩、石英钠长斑岩、辉长岩等。其中,老湾花岗岩体规模最大,长约23 km,宽600～1800m,位于矿区南部。其早期沿老湾断裂EW向展布充填,贯穿全区,其后向北逆冲推覆及在燕山晚期叠加构造热液活动,与金成矿关系密切[13]。此外,花岗斑岩、石英钠长斑岩、辉长岩在区内呈脉状产出,宽2～5m,走向近EW,长约数百米到数千米,规模较小。

在老湾金矿带内,除了松扒断裂南侧出现金矿化伴生银外,全区蚀变岩型金矿化广泛发育,局部伴有石英脉型金矿化。围岩蚀变带宽度为1m至数米,一般与矿体厚度具有正相关关系,蚀变种类包括黄铁矿化、绢云母化、硅化、绿帘石化、碳酸盐化等。

原生矿石的金属矿物主要为黄铁矿和少量黄铜矿,方铅矿、闪锌矿、黝铜矿等仅在局部地段发育。其中黄铁矿和黄铜矿是主要的载金矿物,尤以含铜黄铁矿含金性最佳。脉石矿物主要为石英、方解石,另含少量萤石等,氧化矿物为褐铁矿、菱铁矿等。矿床成矿期可分为变质热液期、热液成矿期和表生成矿期,热液成矿期内的金—多金属硫化物—石英阶段为主要成矿阶段。

2.2 矿体特征

老湾金矿带内分布着众多矿床或矿点,矿体南北等间距分布,NW向斜列展布,中部以老虎洞为界,西侧上上河、东侧老湾,中部相连,金矿床规模巨大、最为典型,向矿带两端矿化变弱(图3)。区内金矿体多达上百条,均赋存于龟山岩组中,沿走向和倾向均呈舒缓波状弯曲,有时具有分支、复合、尖灭再现及膨缩现象。矿体走向290°～310°,上上河矿段北倾,倾角60°～85°,老虎洞一带矿体陡立,其他南倾 42°～72°。

图3 老湾金矿带上上河—老湾矿体分布[14]Fig.3 Distribution of Shangshanghe-Laowan gold orebody in Laowan gold metallogenic belt

Ⅱ-2号金矿体为区内主要矿体,位于矿区中部老湾矿段,为隐伏矿体,矿体沿走向长2 084 m,倾向最大延深490 m,矿体平均厚度1.62 m,平均品位3.39×10-6,矿体形态为脉状,矿体倾向 186°～197°,倾角40°～70°,深部延伸较好。

3 样品采集与测试

本研究对老湾金矿带W1勘探线施工了3个钻孔(ZKW101、ZKW102、ZKW103)由浅到深系统采集岩石地球化学样品,不同岩性分别取样,样品基本间距为10 m,对矿化蚀变加密取样,取样位置见图4,共采集样品212件。该剖面存在多个金矿体,其中Ⅱ-2号矿体规模最大,原生晕特征主要受其影响,重点对该矿体进行研究。

图4 老湾金矿带W1勘探线剖面Fig.4 No.W1 prospecting line profile of Laowan gold metallogenic belt

样品分析测试由具有甲级资质的河南省地矿局第一地质勘查院岩矿测试中心完成,进行Au、Ag、Sn、As、Sb、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo 等 12 个元素测试。采用AAnalyst800泡沫塑料富集-石墨炉原子吸收光谱仪对Au(检出限0.000 3 ug/g)进行测试,用Optima8000电感耦合等离子发射光谱仪对Cu、Pb、Zn、W、Mo(检出限分别为 1.5、5.0、15.0、0.5、0.5 ug/g)进行测试,用AFS-3100双道原子荧光光度计对As、Sb、Bi、Hg(检出限分别为 1.000 0、0.200 0、0.100 0、0.000 5 ug/g)进行测试,用N0800540交流电弧-发射光谱仪对Ag、Sn(检出限分别为0.03、1.00 ug/g)等元素进行分析测试。

4 原生晕特征

4.1 元素浓度分带

元素浓度分带是热液矿床原生晕的显著特征,通过分析元素的分带特征,可了解矿床埋深、剥蚀程度以及深部成矿潜力[15-16]。根据区内地球化学找矿实践经验,本研究分析以累积频率77%时的元素含量值为异常下限,以累积频率92%时的元素含量值为中带,内带的累频数为98%。各元素分带参数取值见表1。

表1 元素分带参数Table 1 Element zoning parameters(×10-6)

根据原生晕空间分布图(图5)分析可知,各元素浓集中心明显,分带清晰,具体特征为:①各元素分带明显,均有清晰的内、中、外带,结构完整,原生晕整体表现出南倾,与矿体倾向一致。 ②Ag、As、Cu、Sb、W在矿体中上部浓集明显、分带清晰,具有较强的异常强度,主要分布在-200～-400 m标高,沿矿体延深异常强度减小减弱。③Sn、Hg在矿体中部浓集明显,分带清晰,表现出较高的异常强度,主要集中在-400～-570 m标高,虽然在矿体中、下部均有异常分布,但异常强度小。 ④Au、Bi、Pb、Zn、Mo在整个原生晕分带中出现了2个明显的浓集中心,异常套合较好,其中Au异常强度主要在-280 m和-620 m标高附近,说明该原生晕模式是多个金矿体原生晕叠加的结果。这些元素异常分带均未闭合,向下延伸较好,表明矿体向深部仍有延深伸,或深部存在盲矿体。⑤与成矿元素 Au关系密切的元素有 Bi、Pb、Zn、Mo,可以作为找金的地球化学标志。

图5 W1勘探线成矿成晕元素浓度分带Fig.5 Concentration zonation of metallogenic halo elements in No.W1 prospecting line profile

4.2 原生晕轴向分带特征

原生晕轴向分带特征可以反映热液矿床矿体叠加情况,指示矿体剥蚀深度,预测盲矿体,判断深部成矿潜力[17-18]。格里戈良分带指数法是研究原生晕轴向分带特征的方法之一,本研究采用该方法对Ⅱ-2号金矿体原生晕的轴向分带进行分析。根据矿体控制情况,将W1勘探线剖面由浅至深分为3个中段,分别为-283、-474、-626 m。计算各中段晕中元素的线金属量,将各中段不同元素的线金属量进行标准化,通过线金属量标准化值计算分带指数(表2)。经过数据处理,基于分带指数最大值所在的中段,建立的分带序列由上至下为(Ag,As,Hg,Mo)-(Sb,Zn,W)-(Au,Sn,Bi,Cu,Pb)。

表2 W1勘探线不同中段指示元素的分带指数Table 2 Zoning indexes of primary halos in No.W1 prospecting line profile

对于分带指数最大值处于同一中段的元素,采用变化指数、变化指数梯度差2个指标对其进行详细区分。分带指数最大值均在最上部的元素为Ag、As、Hg、Mo,计算其变化指数Iν,得到Iν(Ag)=8.240 4,Iν(As)=2.981 4,Iν(Hg)=3.635 4,Iν(Mo)=5.157 8,根据Iν(Ag)＞Iν(Mo)＞Iν(Hg)＞Iν(As),详细分带序列为Ag-Mo-Hg-As;分带指数最大值均在中部的元素为Sb、Zn、W,计算其变化指数梯度差 ΔIν,得到 ΔIν(Sb)=0.048 9,ΔIν(Zn)=14.624 9,ΔIν(W)=0.017 9,根据ΔIν(W)＜ΔIν(Sb)＜ΔIν(Zn),详细分带序列为W-Sb-Zn;分带指数最大值在最下部的元素为 Au、Sn、Bi、Cu、Pb,同样计算其变化指数Iν,得到Iν(Au)=3.762 7,Iν(Sn)=3.470 8,Iν(Bi)=5.140 8,Iν(Cu)=3.775 3,Iν(Pb)=62.984 0,根据Iν(Sn)＜Iν(Au)＜Iν(Cu)＜Iν(Bi)＜Iν(Pb),详细分带序列为Sn-Au-Cu-Bi-Pb。最终得到Ⅱ-2号金矿体的轴向分带序列由上至下为Ag-Mo-Hg-As-W-Sb-Zn-Sn-Au-Cu-Bi-Pb。

将老湾金矿带Ⅱ-2号矿体轴向分带序列与前人总结的典型金矿床综合轴向分带序列[19]进行对比,认为两者存在明显差异,本研究得到的轴向分带序列高、中、低温元素排列无序。高温热液元素Mo出现在低温热液元素Hg、As之前,高温元素W出现在低温元素Sb之前。这些特征表明原生晕是由不同期次多个矿体(矿化)叠加形成的,暗示深部可能出现新的矿体,说明深部找矿潜力较好。

5 元素组合特征

5.1 相关性分析

数学地质方法是研究地质体元素组合特征的有效手段,利用相关分析可以评价和衡量元素的亲和性和相关性。由表3可知:所有元素普遍相关,其中Au与 Mo、Sn与 Hg、Sn 与 Mo、Bi与 Mo呈负相关;Au 与Bi、Cu的相关系数均大于0.5,具有高度相关性,关系密切,Bi、Cu的分布对找金有指示意义;Ag、As、W 与Au 也有一定的相关性;Sn、Sb、Hg、Pb、Zn 与 Au 的相关性较差。

表3 岩石地球化学元素相关系数矩阵Table 3 Correlation coefficient matrix of lithogeochemical element

5.2 R型聚类分析

本研究对12种元素做R型聚类分析研究(图6)。聚类方法采用组间联接,聚类结果显示,在相关系数0.5水平,元素可分为5组,分别为Cu-Bi-Au,As-W-Zn-Pb-Sb-Ag,Sn,Hg,Mo。 Cu、Bi与 Au 密切相关,与相关分析结果一致。强的亲硫性是Cu的突出地球化学特征,在老湾金矿区Cu以黄铜矿的形式存在。Bi同样具有强的亲硫性,常富集在黄铜矿、黄铁矿中,前人研究已发现Bi与Au的正相关性很强[20],金矿化好的地段Bi含量都很高,Bi具有聚集贵金属的特性,Bi是Au的近矿指示元素,并趋于在金矿体下方部位富集。Au和硫有一定的亲和性,在成矿热液中Au常与亲铜元素一起迁移和富集,Au与Cu、Bi有着密切的成生关系,这与它们的原子半径相近有关。在本区找矿实践中,Cu、Bi可作为很好的找Au指示元素。

图6 R型聚类分析谱系Fig.6 R-type cluster analysis pedigree

5.3 因子分析

因子分析可从众多变量中提炼出起主导作用的变量因子,阐明各变量之间的关系[21]以及变量因子与地质作用的关系,数据分析模型可作为地质作用解译的依据[22-23]。本研究利用主成分分析法在12个元素中提取出了4个主因子,其累计方差贡献率为74.94%,可以认为基本包含了原始变量中的多数信息。通过方差最大旋转,对主因子载荷矩阵实施变换,得到正交旋转载荷矩阵(表4)。由表4可知:4个主因子分别为F1(Cu-Pb-Zn-W)、F2(Au-Bi)、F3(Hg-Mo)、F4(Ag-As-Sb)。 即,Cu、Pb、Zn、W 元素富集或贫化受主因子F1影响,Au、Bi元素受主因子F2影响,Hg、Mo元素受主因子F3影响,Ag、As、Sb 元素受主因子F4影响。主因子F2(Au-Bi)代表了促使金富集的地质作用,在这一过程中Au、Bi密切关联,为主成矿作用阶段。4个主因子相互独立,代表了4次重要的地质作用过程,反映出老湾金矿带经历了复杂的、多期次的地质改造过程。

表4 R型因子分析正交旋转因子载荷矩阵Table 4 Orthogonal rotation factor loading matrix in R-factor analysis

6 深部预测及靶区验证

6.1 因子得分的空间分布

因子得分即理想因子在各样品中的权重,得分越高表明该因子代表的地质作用在样品中施加的影响越大[24]。本研究通过分析F2因子得分等值线图(图7),分析主成矿地质作用在空间表现出的强弱程度。F2因子在-626 m标高得分较高,表明主成矿作用在该部位表现强烈,Au高度富集,与施工钻孔见矿位置一致。F2因子代表的成矿过程在W1勘探线剖面中的痕迹表现出南倾的趋势,与已揭露的金矿体倾向一致。F2因子得分等值线异常发育,-650 m标高以下仍有延深且未闭合,表明深部具有较好的找矿前景。

图7 F2因子得分等值线图Fig.7 Contour map of F2 factor score

6.2 深部靶区验证

依据前述分析,认为W1勘探线-650 m标高以下矿体仍有延深,找矿前景较好。结合研究区开展的勘查工作,对拟施工的钻孔位置进行优化,对找矿靶区进行验证,在W1勘探线ZKW103钻孔南部施工了ZKW104钻孔,于深部探测到了多层金矿化体(表5),说明本研究深部找矿靶区预测较为可靠。

表5 钻孔ZKW104控矿数据Table 5 Ore-controlling data by ZKW104 drilling

7 结 论

(1)老湾金矿带原生晕轴向分带序列为Ag-Mo-Hg-As-W-Sb-Zn-Sn-Au-Cu-Bi-Pb,高、中、低温热液元素排列无序,反映出原生晕是由多期矿化叠加形成的。 各元素浓度分带清晰,而且 Au、Bi、Pb、Zn、Mo 元素浓度分带未闭合,表明深部仍有金矿化延深。

(2)相关性分析、聚类分析表明Au与Bi、Cu相关性较高,其中Au与Bi关系最为密切,暗示二者在成矿热液中共同迁移、富集,说明Bi、Cu元素可作为找金的指示元素。

(3)因子分析表明老湾金矿带经历复杂的、多期次的地质改造过程,主因子F2(Au-Bi)代表了促使金富集的地质作用。此外,F2因子得分的空间分布特征显示深部具有较好的找矿潜力,由此预测-650 m标高以下仍属于金富集区。通过钻探工程验证,在深部探测到了多层金矿化体,说明采用该方法进行深部成矿预测较为可靠。