礦物地球化學勘查方法在鄂東南地區(qū)深部找礦中的初步應用

許 高, 張世濤, 陳華勇, 金尚剛, 魏克濤, 張 宇, 李書濤

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034; 2.中國科學院 廣州地球化學研究所礦物學與成礦學重點實驗室,廣東 廣州 510640; 3.湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊,湖北 黃石 435100; 4.中南大學 地球科學與信息物理學院 有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室,湖南 長沙 410012)

礦產(chǎn)資源的發(fā)現(xiàn)和利用,對中國當前的經(jīng)濟建設和社會發(fā)展具有重要作用。進入21世紀,隨著近地表礦產(chǎn)資源的逐漸減少,未來深部隱伏礦床和低品位礦床的勘探、開發(fā)和利用將成為礦業(yè)界關注的焦點[1-4]。但由于隱伏礦床主要位于淺剝蝕區(qū),地表所能觀察到的蝕變及礦化信息非常有限,運用傳統(tǒng)的找礦方法有時效果并不顯著[5-6]。在當前全球面臨地表資源逐漸枯竭和亟需深部勘查的新形勢下,如何發(fā)現(xiàn)并指導可能存在于深部的隱伏礦體,指明找礦方向并確定礦體的具體位置,是當前礦產(chǎn)勘查領域內(nèi)面臨的較大的挑戰(zhàn)。

近年來,隨著短波紅外光譜(SWIR)和激光剝蝕電感耦合等離子質(zhì)譜(LA-ICP-MS)技術的發(fā)展和應用,使得礦物地球化學勘查已逐漸成為國際上重要的勘查方法之一[7]。該方法主要是以成巖成礦過程中廣泛分布的礦物為具體研究對象,分析其短波紅外光譜特征和化學成分組成,特別是礦物微量元素的空間變化規(guī)律,尋找與礦化信息相關的異常值,從而有效指導具體的找礦勘查工作。目前,礦物地球化學勘查方法主要運用于斑巖型銅(金)礦床、淺成低溫熱液礦床和塊狀硫化物(VMS)礦床。

Chang等研究了菲律賓Lepanto高硫型淺成低溫熱液Cu-Au礦床后發(fā)現(xiàn),不僅明礬石～1480 nm SWIR光譜特征吸收峰有明顯的變化規(guī)律,明礬石微量元素變化亦具有顯著的變化特征,特別是Pb含量降低、Sr/Pb和La/Pb比值升高等,均可以有效指示熱液礦化中心。Cooke等[3]研究了菲律賓Baguio斑巖—矽卡巖礦區(qū)綠簾石的微量元素變化特征,發(fā)現(xiàn)靠近熱液礦化中心附近的綠簾石相對富集Cu、Mo、Au和Sn等微量元素,而遠離礦化中心在外圍青磐巖化帶中,則相對富集As、Sb、Pb和Zn等元素。Wilkinson等[8]詳細研究了印度尼西亞BatuHijau斑巖型Cu-Au礦床中綠泥石的微量元素,發(fā)現(xiàn)綠泥石微量元素在空間上的變化特征較明顯,在距離侵入體2 km范圍內(nèi),綠泥石微量元素Ti/Sr比值與礦化中心的距離呈反比關系,并求得線性回歸方程,用于預測礦體的方位和深度。此外,在新疆東天山土屋—延東(古生代)斑巖銅礦疊加改造區(qū),研究者發(fā)現(xiàn)綠泥石的Ti和V及綠簾石的Pb元素含量具有與上述斑巖礦床相似的空間變化特征,可有效指示土屋—延東斑巖熱液礦化中心[9]。

長江中下游成礦帶是中國東部重要的銅鐵金多金屬成礦帶,自西向東依次分布有鄂東南、九瑞、安慶—貴池、銅陵、廬樅、寧蕪、寧鎮(zhèn)七個中—大型礦集區(qū)[10-12]。其中,鄂東南礦集區(qū)是中國重要的矽卡巖型銅鐵金礦床的大型礦集區(qū)。自20世紀50—80年代,地質(zhì)工作者在鄂東南地區(qū)開展了多階段的礦產(chǎn)勘查工作,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個大—中型銅鐵多金屬礦床。然而,90年代—新世紀初期,區(qū)內(nèi)一直沒有顯著的找礦突破,而隨著各大礦山逐年連續(xù)開采,區(qū)內(nèi)保有的礦產(chǎn)資源量日益減少。為尋找有效的接替資源,2006年起,大冶有色金屬公司在銅綠山、雞冠咀和桃花咀等危機礦山實施了接替資源勘查項目。此次勘查工作,地質(zhì)工作者在老礦山深部發(fā)現(xiàn)了一些新礦體,同時也了解到部分的深部地質(zhì)信息。盡管如此,區(qū)內(nèi)新增金屬資源量仍不足以維持礦山的生存和長期發(fā)展,因而需要進一步深入地進行勘查。然而,經(jīng)過多年的研究和勘查實踐,傳統(tǒng)的物化探及遙感等技術在這些老礦山深部找礦中的可適用性逐漸減弱,因而探索和研究新的勘查方法對深部找礦顯得尤為重要。

在國土資源部公益性行業(yè)科研專項項目《鄂東南礦物地球化學勘查標志體系建立與應用》(以下簡稱《鄂東南礦物勘查》項目)的支持下,筆者選取鄂東南地區(qū)銅綠山礦田內(nèi)的銅綠山銅鐵金礦床和雞冠咀銅金礦床以及銅山口銅鉬礦床為主要研究對象,進行深入的礦床學、礦物學、地球化學、礦床地球化學和礦產(chǎn)勘查等多學科綜合研究,查明典型熱液礦床蝕變分帶和礦物組合,揭示蝕變礦物的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和地球化學特征并探討其變化規(guī)律,建立蝕變礦物地質(zhì)—地球化學綜合勘查標識體系并應用到找礦勘查實踐中,為區(qū)域礦產(chǎn)的深部勘查工作提供新方法和新思路。限于篇幅和項目工作進展,在這里不能逐一詳細的介紹,本文將對主要礦物勘查標志的建立和初步應用作簡要概述。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂東南地區(qū)位于長江中下游成礦帶的最西段,隸屬揚子板塊北緣,北鄰秦嶺—大別造山帶,南接華夏板塊[13-14]。在鄂東南地區(qū),出露的地層較為齊全,從前震旦系到第四系均有發(fā)育,僅缺失中—下泥盆統(tǒng)和上石炭統(tǒng)(圖1)。

圖1 鄂東南地區(qū)地質(zhì)及礦產(chǎn)分布簡圖(據(jù)舒全安[15];Xie[16]修改)Fig.1 Geological map of the Edongnan ore district showing the main types of ore deposits1.第四紀;2.白堊紀火山巖;3.晚三疊世—侏羅世碎屑巖;4.寒武紀—中三疊世碳酸鹽巖夾碎屑巖;5.白堊紀花崗巖;6.早白堊世花崗閃長斑巖;7.早白堊世石英閃長巖。

區(qū)域內(nèi)的地層主要由前震旦系基底和震旦系—第四系沉積蓋層組成,沉積蓋層與基底之間呈角度不整合關系。前震旦系基底主要由變質(zhì)奧長花崗巖—英云閃長巖—花崗閃長巖組合(TTG)及白云母石英片巖夾角閃巖等組成,主要分布在區(qū)域南部大幕山一帶和北部大別山南坡等地區(qū)。震旦系由碎屑巖、白云巖和硅質(zhì)巖等組成,分布在區(qū)域南部。寒武系—三疊系下統(tǒng)的淺海相碳酸鹽巖及少量碎屑巖分布于區(qū)域中部的廣大地區(qū)(圖1)[15-16]。三疊系中—上統(tǒng)、侏羅系和白堊系下統(tǒng)主要分布于黃石—大冶—靈鄉(xiāng)以西、梁子湖以東地區(qū),以陸相碎屑巖為主,局部為火山巖。白堊系上統(tǒng)—第三系主要分布于長江沿岸和梁子湖、大冶湖、陽新盆地及其附近地區(qū),為陸相碎屑巖,第四系松散沉積物分布于地勢低洼地段[17]。其中,三疊系下統(tǒng)大冶組碳酸鹽巖分布廣泛,是鄂東南地區(qū)鐵銅成礦的重要賦礦圍巖[18]。

鄂東南地區(qū)主要的構(gòu)造運動發(fā)生在印支期和燕山期,在區(qū)域上形成了不同尺度的褶皺和斷裂構(gòu)造,大致可分為北西—北西西和北東—北北東向兩組。印支運動奠定了區(qū)內(nèi)蓋層的構(gòu)造格架,燕山運動的疊加形成了區(qū)內(nèi)特殊的控巖控礦構(gòu)造及大量的中酸性巖漿巖[19]。

區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的中酸性侵入巖,主要包括鄂城巖體(花崗巖和花崗閃長斑巖,～100 km2)、鐵山巖體(石英閃長巖和閃長巖,～140 km2)、金山店巖體(石英二長巖、二長花崗巖和閃長巖,～19 km2)、靈鄉(xiāng)巖體(閃長巖和石英閃長巖,～54 km2)、殷祖巖體(石英閃長巖,～90 km2)和陽新巖體(石英閃長巖,～215 km2)六大雜巖體(圖1)。此外,還有銅綠山、銅山口、阮家灣、龍角山、南山茶廠等多個中酸性小巖株。在這些大巖基或小巖株內(nèi)部,亦發(fā)育有多條后期的基性—中酸性巖脈,主要包括煌斑巖、輝長巖、輝綠(玢)巖、閃長玢巖、鈉長斑巖等[20]?；鹕綆r主要分布于鄂東南地區(qū)的西側(cè),位于保安和金牛、靈鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間,出露面積約200 km2,為繼承式火山巖盆地,自下而上可分為馬架山組、靈鄉(xiāng)組和大寺組,巖性包括英安巖、玄武巖、流紋巖、粗面巖等。

區(qū)域內(nèi)的金屬和非金屬礦產(chǎn)資源豐富,以鐵礦和銅礦為主,共生或伴生有金、鎢、鉬、鋅、鉛、鈷、鎳、銦、錸、硒、碲、鈾、硫、石膏、硅灰石等。其中,鐵、銅和金的金屬儲量在國內(nèi)矽卡巖型礦床中占有極其重要的地位[21]。截至目前,鄂東南地區(qū)已探明的鐵礦石資源量超過8億t,銅金屬資源量超過400萬t,金金屬資源量超過250 t[22-24]。其中,大型礦山有程潮鐵礦、鐵山(大冶)鐵銅礦、銅綠山銅鐵金礦、雞冠咀銅金礦、桃花咀銅鐵金礦、銅山口銅鉬礦和阮家灣鎢銅鉬礦。

2 區(qū)域礦產(chǎn)勘查新進展

近十年來,在湖北省地質(zhì)局的支持下,受大冶有色金屬公司和湖北三鑫金銅股份有限公司的委托,湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊在銅綠山礦田內(nèi)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個規(guī)模不等的隱伏礦體[25-26](圖2)。其中,銅綠山ⅩⅢ號和雞冠咀Ⅶ號隱伏礦體最具代表性,它們的金屬儲量均達到中等規(guī)模。

在銅綠山礦區(qū),目前已發(fā)現(xiàn)有13個礦體,以Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和ⅩⅢ號礦體為主,Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ和Ⅺ等為次要礦體[27](圖3)。礦體的分布受NNE和NEE向兩組構(gòu)造控制,大致排列成兩個帶。其中,NNE向礦體沿N22°延伸,包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅺ、Ⅻ和ⅩⅢ號礦體;NEE向礦體沿N68°延伸,有Ⅹ、Ⅷ、Ⅶ和Ⅸ號礦體,這些礦體的規(guī)模相對較小,且互不連續(xù)。在空間上,礦體主要產(chǎn)于石英二長閃長(玢)巖與(白云質(zhì))大理巖的接觸帶,且在接觸帶與構(gòu)造破碎帶交叉復合部位往往形成厚大的富礦體[28]。

圖2 鄂東南銅綠山礦田地質(zhì)簡圖(據(jù)謝桂青等[21]修改)Fig.2 Simplified geological map of the Tonglvshan ore field in the Edongnan ore district1.石英二長閃長(玢)巖;2.大理巖/白云質(zhì)大理巖;3.砂巖—粉砂巖;4.玄武巖;5.鈉長斑巖;6.閃長玢巖;7.礦體;8.縣級市/村莊。

圖3 銅綠山矽卡巖型銅鐵金礦床地質(zhì)圖(據(jù)Li 等[29];張世濤 等[20]修改)Fig.3 Geological map of the Tonglvshan Cu-Fe-Au skarn deposit1.鈉長斑巖;2.云母煌斑巖;3.角礫巖;4.矽卡巖;5.石英二長閃長(玢)巖;6.大理巖/白云質(zhì)大理巖;7.鐵礦體;8.銅礦體;9.銅鐵礦體;10.鉬礦體;11.礦體編號;12.隱伏礦體;13.背斜軸部;14.斷層;15.勘探線;1 6.鉆孔編號;17.村莊。

在平面上,礦體表現(xiàn)為一組出露深度不等的平行脈,剖面上呈雁行式斜列,具尖滅再現(xiàn)等特征,且單個礦脈多呈狹長透鏡狀,傾角在50°～80°(圖3)[20,29]。各礦體的長度一般為200～520 m,延深較大,一般為100～650 m,局部可達-1 000 m以下,如Ⅲ號礦體在-820 m以下,ⅩⅢ號礦體在-1 200 m以下仍沒有尖滅。其中,ⅩⅢ號礦體主要分布在Ⅺ號礦體東側(cè)的深部(1#～14#勘探線之間),由1個主礦體和5個分枝礦體組成,受巖體與大理巖接觸帶及復合其上的斷裂控制,形態(tài)、產(chǎn)狀隨接觸帶的變化而改變(圖3和圖4)。ⅩⅢ號礦體的主體埋深在標高-365～-1 275 m之間,走向NNE,傾向SEE,傾角45°～75°,走向延伸600 m,傾向延深110～800 m(圖4)。

圖4 銅綠山銅鐵金礦床4#勘探線地質(zhì)剖面圖(據(jù)湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊[25])Fig.4 Geological map of the section-line of 4# in the Tonglvshan Cu-Fe-Au deposit1.第四紀;2.石英二長閃長(玢)巖;3.大理巖/白云質(zhì)大理巖;4.矽卡巖型礦體;5.角礫巖型礦體;6.透輝石矽卡巖;7.石榴子石矽卡巖;8.石榴子石透輝石矽卡巖;9.鉆孔及編號。

在雞冠咀銅金礦區(qū),目前共發(fā)現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ六個主礦體群以及Ⅴ礦體(圖5)。與礦體有關的巖漿巖主要是閃長玢巖和石英閃長巖,圍巖主要為中三疊統(tǒng)蒲圻組的粉砂巖和中下三疊統(tǒng)嘉陵江組的白云質(zhì)大理巖。在接替資源勘查項目中,新發(fā)現(xiàn)的Ⅶ號礦體群分布在Ⅲ號礦體群的下部20#～34#勘探線間。其中,24#勘探線的KZK30、KZK09,26#勘探線的KZK11、ZK02619、KZK23,28#勘探線的ZK02812、KZK13、ZK0287、KZK25,32#勘探線的ZK0327、ZK0326控制Ⅶ號礦體群的分布,從上至下分為三個分枝礦體(Ⅶ1、Ⅶ2和Ⅶ3號礦體)。Ⅶ號礦體群中Ⅶ1、Ⅶ2和Ⅶ3號礦體規(guī)模最大,除此之外,可見一些小型的礦體呈透鏡狀分布在Ⅶ2和Ⅶ3號礦體之間。

圖5 雞冠咀矽卡巖型銅金礦床地質(zhì)簡圖(據(jù)湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊[26])Fig.5 Simplified geological map of the Jiguanzui Cu-Au skarn deposit1.下白堊統(tǒng)靈鄉(xiāng)組;2.上侏羅統(tǒng)馬架山組;3.中三疊統(tǒng)蒲圻組;4.中下三疊統(tǒng)嘉陵江組第四段;5.中下三疊統(tǒng)嘉陵江組第三段;6.燕山晚期安山玢巖;7.燕山晚期閃長玢巖;8.燕山晚期石英閃長巖;9.燕山晚期閃長巖;10.硅化巖;11.鐵帽;12.鐵礦;13.地質(zhì)界線;14.不整合界線;15.地質(zhì)產(chǎn)狀;16.實測平推斷層;17.推測逆斷層;18.推測隱伏背斜;19.推測隱伏向斜;20.剖面及基線。

3 礦物地球化學勘查標志及應用

在前人研究的基礎上,本次通過對銅綠山銅鐵金礦床ⅩⅢ號(東翼)礦體和雞冠咀銅金礦床Ⅶ號礦體詳細的野外鉆孔巖芯編錄、巖漿巖序列劃分、蝕變分帶及礦化期次、蝕變礦物SWIR填圖及光譜特征參數(shù)以及綠泥石化學成分組成等研究,初步建立了銅綠山礦床和雞冠咀礦床的新礦物勘查標志體系。

在本次研究中,基于詳細的野外地質(zhì)調(diào)查、鉆孔巖芯編錄(采用五分段/六對比的編錄方法:礦化分段、蝕變分段、巖性分段、顏色分段、礦物組合分段;巖性對比、蝕變分帶對比、蝕變強度對比、蝕變礦物組合對比、礦化度對比、礦化長度對比;采樣時遵從全孔控制、小密度覆蓋、特征處加重、適量可持續(xù)的原則)和室內(nèi)巖相學觀察,進行了大量的短波紅外光譜及蝕變礦物電子探針化學成分分析。

本次在銅綠山和雞冠咀礦區(qū),共編錄鉆孔36個,編錄長度達3萬余米,采集巖芯樣品約4 100余件,采樣密度大約每6～8 m/樣,在蝕變礦化比較集中的區(qū)域采取適當加密采樣,而在蝕變較弱的區(qū)域適當稀疏采樣。在室外鉆孔巖芯編錄和巖相學觀察的基礎上,對部分典型樣品進行光薄片切片(～1 000件),并觀察相關的礦物組合及交代關系。之后,對所有采集樣品進行短波紅外(SWIR)光譜分析。

短波紅外光是介于近紅外光與中紅外光之間的電磁波,其波長范圍在1 300～2 500 nm之間。由于不同的礦物含有不同的基團,不同的基團又有不同的能級,不同的基團與同一基團在不同的物理化學環(huán)境中,對短波紅外光的吸收波長有明顯的差別[4,30]。當利用短波紅外光對地質(zhì)樣品進行照射時,頻率相同的光線與基團會發(fā)生共振現(xiàn)象,光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子,同時也會被吸收并被儀器記錄。因此,可以利用這一物理化學原理,選用連續(xù)變化頻率的短波紅外光來照射某樣品,樣品對不同波長紅外光的選擇性吸收并被儀器記錄,透射出來的短波紅外光就會攜帶著樣品礦物成分(和/或結(jié)構(gòu))。目前,該技術能夠有效識別含氫基團、氨基團、碳酸鹽及部分硫酸鹽礦物等[30]。

在測試之前,需要將樣品清洗干凈并晾干,以避免礦物表面的雜質(zhì)或水分帶來的干擾。為了提高數(shù)據(jù)的可靠性,對每塊樣品都測試3個點,并對每一個測點進行標記。關于Terra Spec上述參數(shù)設置值的選取及其他注意事項,詳細請參考Chang等[31]和張世濤等[4]。對測試所得的光譜數(shù)據(jù),先用“光譜地質(zhì)師(The Spectral Geologist;TSG)V.3”軟件進行自動解譯,然后,需通過人工進行逐條核對和矯正,并最終確定礦物的種類。白云母族礦物/蒙脫石(1 900 nm和2 200 nm)和綠泥石(2 250 nm和2 335 nm)的吸收峰位(Position)、吸收峰位深度(Deep)等參數(shù)都可以通過TSG V.3的標量(scalar)直接獲取,白云母族礦物/蒙脫石的結(jié)晶度(IC card)也可以通過TSG V.3的標量功能直接求出。具體參數(shù)設置請參考Chang等和楊志明等。

基于以上研究,針對銅綠山礦區(qū)筆者提出:富鐵綠泥石(SWIR-Pos2 250>2 253 nm;Fe/(Fe+Mg)>0.4)、迪開石及高結(jié)晶度高嶺石(SWIR-Pos2 170>2 170 nm)、皂石以及近礦區(qū)蒙脫石—白云族礦物異常SWIR-Pos2 200值(Pos2 200>2 212 nm或<2 202 nm),可以作為銅綠山矽卡巖型銅鐵金礦床的新勘查標志體系;而在雞冠咀礦區(qū),蒙脫石—白云母族礦物的高Pos2 200值(>2 209 nm)、低含量Gd、W、Si、Ca和高Co/Ni比值的(石英—)黃鐵礦及鐵鎂綠泥石的大量出現(xiàn),可以作為雞冠咀矽卡巖型銅金礦體的勘查標志。其中,銅綠山銅鐵金礦床部分短波紅外光譜的成果已經(jīng)發(fā)表。

在《鄂東南礦物勘查》項目的支持下,筆者利用這些礦物地球化學勘查標志,結(jié)合湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊對銅綠山礦床多年的勘查經(jīng)驗、勘查成果及礦區(qū)控礦構(gòu)造特征,提出在銅綠山礦區(qū)NNE向主背斜西翼的深部,可能存在與東翼ⅩⅢ號礦體類似的深部矽卡巖型礦體。這一預測得到了最新鉆孔勘探的驗證,間接為銅綠山礦床新增銅金屬量超過10萬t,鐵礦石量0.14億t(平均品位37.7%)。

4 區(qū)域深部找礦勘查啟示

在本次研究中,通過SWIR蝕變填圖,在銅綠山銅鐵金礦床和雞冠咀銅金礦床中識別出大量的粘土礦物,主要包括綠泥石(鐵綠泥石、鐵鎂綠泥石和鎂綠泥石)、白云母族(白云母、多硅白云母和伊利石)、蒙皂石族(蒙脫石和皂石)及高嶺石族(高嶺石、迪開石和埃洛石)礦物。其中,部分粘土礦物類(特別是綠泥石)的短波紅外光譜特征參數(shù)對指示深部熱液礦化中心具有良好的指示作用。在靠近深部熱液礦化中心,矽卡巖化及粘土化蝕變呈顯著增強的趨勢。

結(jié)合礦區(qū)控礦構(gòu)造特征,筆者認為在銅綠山NNE向主背斜的西翼深部,有可能還存在較大的隱伏礦體(圖2)。另外,由于雞冠咀礦區(qū)位于金?；鹕脚璧貣|側(cè)邊緣,在礦區(qū)的火山角礫巖中發(fā)現(xiàn)較多的塊狀磁鐵礦角礫,其中并未見到與其伴生的脈石礦物,顯示深部應具有一定規(guī)模的磁鐵礦礦體。角礫中未見明顯的矽卡巖角礫,說明深部磁鐵礦礦體可能并非為銅綠山礦田廣泛存在的矽卡巖型礦化。因此,筆者推測在雞冠咀靠近金牛盆地方向的深部有高品位塊狀磁鐵礦體的成礦潛力。

在鄂東南礦集區(qū),除銅綠山和雞冠咀兩個典型矽卡巖型礦床之外,還有程潮鐵礦、鐵山銅鐵礦、金山店鐵礦、阮家灣和付家山鎢銅鉬礦和龍角山鎢銅礦等典型的矽卡巖型礦床(圖1)。在這些礦區(qū)深部,沿著有利控礦構(gòu)造部位,特別是矽卡巖化和粘土化蝕變增強的部位仍具有一定的深部找礦空間。