釩鈦磁鐵礦床關(guān)鍵金屬鈷的地球化學(xué)特征

李石磊，張 敏，林 建，張國(guó)禮，范仕貴

（1.四川省川威集團(tuán)有限公司礦業(yè)總公司，四川 成都 610100；2.會(huì)理縣財(cái)通鐵鈦有限責(zé)任公司，四川 涼州 615100）

峨眉山大火成巖省內(nèi)帶的四川攀枝花-西昌地區(qū)發(fā)育一系列基性-超基性層狀含礦巖體，蘊(yùn)藏著巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的含F(xiàn)e-Ti氧化物礦床與Cu-Ni 硫化物礦床[1](宋謝炎等，2018),是我國(guó)重要的Fe、Ti 和Ni 等金屬生產(chǎn)基地。攀西的含礦巖體和成礦域沿南北向斷裂帶展布，從北向南為太和、白馬、新街、紅格、攀枝花等。攀西是除發(fā)育釩鈦磁鐵礦床外，含礦的基性-超基性巖體中還賦存一定規(guī)模的巖漿型Cu-Ni 硫化物礦床，如楊柳坪Cu-Ni-PGE 礦床[2](Songet al.,2006)、冷水箐Cu-Ni-PGE 礦床[3](茍?bào)w忠等，2010)、力馬河Cu-Ni 礦床[4](陶琰等，2007)、白馬寨Cu-Ni 礦床[5](石貴勇等，2006)、朱布PGE 礦床[6](Tangetal.,2013)，金寶山礦床[7](盧宜冠與和文言，2018)，關(guān)于該類型Cu-Ni 硫化物礦床的形成時(shí)代、構(gòu)造環(huán)境和成礦環(huán)境等均做了大量工作，總體上認(rèn)為它們具有相似的形成時(shí)代和成礦機(jī)制[8](尤敏鑫等，2017)，為該地區(qū)銅鎳硫化物成礦作用積累大量資料。

攀西地區(qū)除了上述獨(dú)立的Cu-Ni 硫化物礦床之外，在釩鈦磁鐵礦中還賦存著大量與其共生的鈷鎳硫化物，對(duì)該類型硫化物礦的研究較為缺乏。作者在會(huì)理縣白草礦區(qū)的工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)釩鈦磁鐵礦中發(fā)育有大量的鈷鎳硫化物，呈乳滴狀、蠕蟲(chóng)狀等分布在釩鈦磁鐵礦中，關(guān)于硫化物礦成因機(jī)制和成礦背景還沒(méi)有系統(tǒng)的研究。因此，本文選擇會(huì)理縣白草礦區(qū)的釩鈦磁鐵礦中共生的硫化物作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的巖相學(xué)、地球化學(xué)研究，討論鈷鎳硫化物形成機(jī)理和地球化學(xué)特征，為該地區(qū)Cu-Ni 硫化物礦床成礦機(jī)制研究提供一定的理論支持。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

攀西地區(qū)位于揚(yáng)子陸塊與松潘-甘孜活動(dòng)帶的西南結(jié)合部，峨眉山大火成巖省(ELIP)之內(nèi)，與三江造山帶毗鄰，是巖漿、構(gòu)造、成礦等地質(zhì)作用非常活躍的區(qū)域。峨眉山玄武巖-層狀巖體-正長(zhǎng)巖的“三位一體”巖石組合是重要的成礦標(biāo)志[1](宋謝炎，2018)。含礦巖體形成年代學(xué)研究表明，其形成于二疊紀(jì)末期[9-13](Zhou et al.,2008；Zhou et al.,2002；2005；Zhong and Zhu,2006；Zhong et al.,2011；She et al.,2014)，含礦層狀巖體與峨眉山大火成巖是同成因形成的。

攀西地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，東部及中部位于揚(yáng)子陸塊西南緣，包括鹽源-麗江前陸逆沖-推覆帶、康滇斷隆帶、上揚(yáng)子地塊三部分。中部的康滇斷隆帶由南北向斷裂帶與其間的基底、蓋層組成。上揚(yáng)子地塊構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，屬蓋層構(gòu)造，與康滇斷隆帶蓋層構(gòu)造一致。鹽源-麗江前陸逆沖-推覆帶位于揚(yáng)子陸塊與松潘-甘孜活動(dòng)帶的結(jié)合部。攀西地區(qū)含礦鎂鐵－超鎂鐵質(zhì)巖體沿著南北向斷裂帶分布，受不同的南北向斷裂帶的控制作用很明顯。

攀西地區(qū)的基底分別由結(jié)晶基底及成層褶皺基底組成，前者以康定雜巖為代表；后者由變質(zhì)碎屑巖、碳酸鹽巖等組成。震旦系為中酸性火山熔巖及火山碎屑巖，角度不整合覆于元古代褶皺基底之上；上震旦統(tǒng)以大套白云巖為主。古生界為碳酸鹽巖、碎屑巖、變質(zhì)碎屑巖夾凝灰?guī)r、條帶狀的灰?guī)r、硅質(zhì)巖及生物灰?guī)r等。下、中三疊統(tǒng)地層陸相碎屑巖向海相碳酸鹽巖過(guò)渡。侏羅系—古近系以陸相砂巖、泥巖為主。第四系沖、洪積階地堆積物多沿河流和構(gòu)造斷陷盆地分布。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

白草礦區(qū)含礦層是紅格含釩鈦磁鐵礦層狀基性—超基性巖體一部分，位于紅格巖體的東北部，沿南北走向呈帶狀展布。區(qū)內(nèi)出露巖石以基性-超基性巖侵入體、基性火山巖、堿性正長(zhǎng)巖及各種巖脈為主。巖漿巖占全區(qū)總面積的90%以上，前震旦系變質(zhì)巖、第四系殘破積、沖洪積層占面積不足10%。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育南北、北西、東西向三組斷裂構(gòu)造。南北向斷裂是區(qū)內(nèi)主斷裂、控礦構(gòu)造，北西和東西向斷裂對(duì)礦體和圍巖造成破壞。

礦區(qū)內(nèi)含礦巖體為輝長(zhǎng)巖、輝石巖二個(gè)巖相帶，頂?shù)装寰鶠樾鋷r。上部的輝長(zhǎng)巖相帶由流狀輝長(zhǎng)巖和底部條帶狀輝長(zhǎng)巖組成。下部的輝石巖相帶為礦區(qū)主要含礦層位，主要由含長(zhǎng)輝石巖、輝石巖夾橄輝巖和橄欖巖薄層組成，其底部已被玄武巖所破壞。

白草釩鈦磁鐵礦體礦體與輝石巖、輝長(zhǎng)巖呈韻律重復(fù)交替產(chǎn)出，礦體厚度與輝石巖、輝長(zhǎng)巖厚度不一，產(chǎn)狀與含礦巖層相同，向西傾、傾角為26°～52°，呈似層狀、層狀、透鏡狀產(chǎn)出。礦石礦物主要為鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、硫化物礦等，脈石礦物主要為普通輝石、斜長(zhǎng)石、角閃石、橄欖石、磷灰石等。礦石結(jié)構(gòu)以海綿隕鐵結(jié)構(gòu)、填隙狀結(jié)構(gòu)為主，構(gòu)造以浸染狀和塊狀構(gòu)造為主。

3 樣品采集與分析

在白草礦區(qū)選擇典型釩鈦磁鐵礦體采集樣品，分別為稀疏浸染狀和塊狀釩鈦磁鐵礦樣品，一般硫化物礦物含量約為2%～3%，最高可達(dá)5%。根據(jù)鏡下鑒定結(jié)果，選擇46 件樣品送實(shí)驗(yàn)室分析。元素分析在澳實(shí)分析檢測(cè)有限公司進(jìn)行的，地球化學(xué)分析采用儀器為ICP-MS Perkin Elmer Elan 9000 及ICP-AES Agilent VISTA，分析精度優(yōu)于10%。

4 結(jié)果

4.1 硫化物賦存形式

釩鈦磁鐵礦中與之密切共生的硫化物礦物，一般呈星散浸染狀、細(xì)脈浸染狀構(gòu)造產(chǎn)出，呈乳滴狀、不規(guī)則狀、星點(diǎn)狀、細(xì)脈狀分散在其它礦物中或之間。硫化物主要有磁黃鐵礦、黃鐵礦、黃銅礦、鈷鎳黃鐵礦、紫硫鎳礦等組成；礦石中還可見(jiàn)少量的砷化物等(圖1)。根據(jù)電子探針?lè)治鼋Y(jié)果顯示，鈷的賦存礦物為輝鈷礦、鈷鎳黃鐵礦、紫硫鎳礦、磁黃鐵礦等。

4.2 礦床地球化學(xué)特征

含硫化物的釩鈦磁鐵礦中關(guān)鍵金屬Co、Ni、Cu 等含量較高，Co 含量為159±51μg/g，最高為240μg/g，最低為38.8μg/g；Ni 含量為634±588μg/g，最高為2680μg/g，最低為4.2μg/g；Cu的含量為471±544μg/g，最高為2990μg/g，最低為10μg/g。Co元素含量大于180μg/g 樣品有19 件，一般Co 大于100μg/g，具有綜合利用的價(jià)值。Co 等含量分布見(jiàn)圖2。系統(tǒng)礦物學(xué)研究和電子探針?lè)治霰砻鳎珻o 主要賦存在硫化物中，主要的賦存礦物有磁黃鐵礦、鈷鎳黃鐵礦、紫硫鎳礦等。

Co(鈷)與其它金屬元素的相關(guān)圖解上(圖3)，顯示出鈷與鐵、鈦、硫有很好的正相關(guān)關(guān)系，鈷與銅、鎳有較好的正相關(guān)關(guān)系，鈷與鎂、鈧呈現(xiàn)倒三角(或扇形)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，鈷與砷沒(méi)有相關(guān)系。

圖1 白草礦區(qū)釩鈦磁鐵礦鈷鎳硫化物鏡下照片

圖2 白草礦區(qū)Co、Ni、Cu 等元素含量直方圖

5 數(shù)據(jù)分析

5.1 因子分析

因子分析是指從多變量中提取公共因子，將多個(gè)變量用少數(shù)因子替代，達(dá)到將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化的目的。將其應(yīng)用于地質(zhì)領(lǐng)域，就可以將地質(zhì)現(xiàn)象的內(nèi)在共生關(guān)系提煉出來(lái)，將相同成因、同形成機(jī)制的歸納成為一群，獲得并確定元素組合信息[14](楊永春等，2017)。將46 個(gè)樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，截取各因子特征根較大、累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.5%的前11 個(gè)引子作為主要因子，對(duì)其做方差極大正交旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)后因子模型，特征根值、主要載荷元素及其載荷值、因子結(jié)構(gòu)式見(jiàn)表1。

F1 因子包含Zr、Hf、Th、Nb、U、Ta、Na 等7 種正載荷，占因子總貢獻(xiàn)率11.3%，為有色金屬和放射性元素組合，顯示了稍晚出現(xiàn)的堿性巖漿作用(如角閃正長(zhǎng)巖等)對(duì)釩鈦磁鐵礦的改造作用信息保留下來(lái)了，該巖漿作用階段是Nb、Ta主要的成礦期，是區(qū)域內(nèi)重要的找礦方向。F2 因子包含有Ca、Mg、Sc 三種正載荷和Ga、Fe、V、Zn、Co、Ti、Mn 等7 種負(fù)載荷，顯示Fe 等7 種元素與鈣、鎂、鈧的地球化學(xué)行為相反，在硅酸鹽礦物(輝石、斜長(zhǎng)石)結(jié)晶過(guò)程中，鐵、鈦等元素主要參與氧化礦物的形成。F3 因子包含有Cu、Ag、Te、Ni、S 等5 種負(fù)載荷，為銅鎳硫化物成礦組合的特征，因子得分特征根是負(fù)值，反映出銅鎳硫化物與釩鈦磁鐵成礦作用相反。F4 因子包含有Bi、Pb、Be、Rb、Sn 等5 種正載荷，F(xiàn)5 因子包含有In、Sr、Ba、P、K、Al 等5 種正載荷，記錄了正長(zhǎng)巖漿作用。

F6 因子包含有Fe、V、Zn、Co、Ti、Mn、(Ga)等7 種正載荷，鐵、鈦等元素為氧化物成礦階段的反映，鈷元素與鐵、鈦等屬于鐵族元素，地球化學(xué)性質(zhì)比較相似，鈷與鐵、鈦相比親硫性較強(qiáng)，在內(nèi)生作用下鈷既可以進(jìn)入硅酸鹽礦物、鈦鐵礦、也可以進(jìn)入硫化物中，特別是在有硫存在條件下形成獨(dú)立礦物，如輝鈷礦、紫硫鎳礦和鈷鎳黃鐵礦等，以類質(zhì)同象形式進(jìn)入磁黃鐵礦等礦物中。F7 因子包含有As、Sb、Cd 等3 種負(fù)載荷和F11 因子包含有Ge、Se 等2 種負(fù)載荷，記錄了后期熱液事件。F8 因子包含有Li、Cs、Tl、Sn 等4 種負(fù)載荷和F9 因子包含W、Mo 等2 種負(fù)載荷，記錄后期花崗巖漿事件。F10 因子包含Cr、Mg、Re 等3 種正載荷，反映超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)巖漿作用。

5.2 聚類分析

因子分析提取了各元素對(duì)區(qū)內(nèi)地球化學(xué)變差的貢獻(xiàn)，利用R型聚類分析進(jìn)一步分析各元素間的親疏關(guān)系以發(fā)現(xiàn)其它的地質(zhì)信息。根據(jù)聚類分析圖顯示可以分為Ⅰ、Ⅱ兩大群簇(圖4)。

第一群簇(Ⅰ)反映了釩鈦磁鐵礦形成階段的元素組合，巖漿分異作用中氧化物成礦過(guò)程。與因子結(jié)構(gòu)式中的F2 負(fù)載荷和F6 正載荷反映的成礦作用是一致的。

第二群簇(Ⅱ)反映了研究區(qū)內(nèi)巖漿作用過(guò)程，又進(jìn)一步分了兩個(gè)亞群簇(Ⅱ1、Ⅱ2)，Ⅱ1亞群簇代表研究區(qū)內(nèi)的超基性巖-基性巖作用過(guò)程，反映了銅鎳硫化物成礦作用過(guò)程，與因子結(jié)構(gòu)式中的F3 負(fù)載荷和F11 負(fù)載荷反映的銅鎳硫化物成礦元素組合是一致的。Ⅱ2 亞群簇記錄了正長(zhǎng)巖和花崗巖漿作用過(guò)程。Ⅱ2亞群簇又分為Ⅱ2-1 亞亞群簇和Ⅱ2-2 亞亞群簇，Ⅱ2-1 亞亞群簇 為As、Sb、Cd、Be、U、Ta、Hf、Zr、Nb、Cs、Rb、Sn、Pb、Tl、W、Mo 為一群組，Al、Ba、Sr、P、In、Ca、Sc 為一群組，各大群組又分為若干小群。

圖3 白草礦區(qū)Co 與Cu、Ni、S、As 等元素協(xié)變圖

表1 白草礦區(qū)釩鈦磁鐵礦中硫化物主要因子特征根及結(jié)構(gòu)式

圖4 白草礦區(qū)元素聚類分析圖

6 討論

從釩鈦磁鐵礦中各元素地球化學(xué)特征來(lái)看，Co 元素反映出與Fe 等過(guò)渡族元素相似的地球化學(xué)特征，在因子分析和聚類分析中Co 與Fe、V、Ti 等聚類一組，F(xiàn)e、Ti 等元素為氧化物成礦階段的反映，Co 元素與Fe、Ti 等屬于鐵族元素，地球化學(xué)性質(zhì)比較相似，Co 與Fe、Ti 相比親硫性較強(qiáng)，在內(nèi)生作用下Co 既可以進(jìn)入硅酸鹽礦物、鈦鐵礦、也可以進(jìn)入硫化物中，特別是在有硫存在條件下形成獨(dú)立礦物，如輝鈷礦、紫硫鎳礦和鈷鎳黃鐵礦等，更多時(shí)候以類質(zhì)同象形式進(jìn)入磁黃鐵礦等礦物中。Co 與Fe、S、Cu、Ni、Ti 具有正相關(guān)性，說(shuō)明在釩鈦磁鐵礦形成的同時(shí)，熔離型硫化物也形成，部分鈷以類質(zhì)同象形式進(jìn)入釩鈦磁鐵礦中，大部分鈷進(jìn)入硫化物熔體中，以類質(zhì)同象形式進(jìn)入磁黃鐵礦等硫化物中或形成獨(dú)立礦物，形成了與釩鈦磁鐵礦共生的熔離型硫化物礦化體。

通過(guò)主成分因子分析顯示，鈷有兩個(gè)成礦階段，一是在釩鈦磁鐵礦成礦階段以類質(zhì)同象形式進(jìn)入鈦鐵礦中，另一是在熔離的硫化物熔體中形成獨(dú)立礦物或以類質(zhì)同象形式進(jìn)入磁黃鐵礦、黃銅礦等硫化物礦物中，硫化物階段是鈷主要的成礦階段。后期的巖漿作用和熱液作用對(duì)釩鈦磁鐵礦具有一定的改造作用，其地球化學(xué)信息得以記錄下來(lái)，為期后成礦作用的尋找提供有價(jià)值的地球化學(xué)信息。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)白草礦區(qū)釩鈦磁鐵礦的元素地球化學(xué)研究，對(duì)Co、Ni 等關(guān)鍵金屬元素成礦機(jī)制和成因做了歸納總結(jié)，初步得到以下結(jié)論。

（1）白草礦區(qū)關(guān)鍵金屬鈷與硫、鐵、釩、鈦等元素具有相關(guān)性。

（2）白草礦區(qū)關(guān)鍵金屬鈷具有兩階段成礦模式，一是在釩鈦磁鐵礦成礦階段以類質(zhì)同象形式進(jìn)入鈦鐵礦中，另一是在熔離成礦階段形成獨(dú)立礦物或以類質(zhì)同象形式進(jìn)入硫化物礦物中，硫化物階段是鈷主成礦階段。

（3）相關(guān)元素的因子分析和聚類分析顯示，白草礦區(qū)還存在其它期次的成礦作用，對(duì)理解該地區(qū)的成礦作用和礦產(chǎn)資源尋找具有一定的參考意義。