鈷礦床類型劃分初探及其對特提斯鈷礦帶的指示意義*

張洪瑞，侯增謙，楊志明，宋玉財，劉英超，柴 鵬

（中國地質科學院地質研究所，北京 1 00037）

鈷是一種戰(zhàn)略性關鍵金屬，被廣泛應用于新能源汽車、電子信息與通訊、航空航天、高端裝備制造等新興產業(yè)。然而，中國鈷資源儲量嚴重不足，目前對外依存度高達97%（Gulley et al.,2019）。隨著新興產業(yè)的快速發(fā)展，未來鈷資源將更加緊缺。在當前嚴峻形勢下，開展鈷礦床成因機制研究，實現成礦理論創(chuàng)新，指明未來找礦方向，具有重要的科學和現實意義。

目前鈷礦床的研究還處于起步階段，通用的礦床類型劃分方案中包括沉積巖容礦層控型、變質沉積巖容礦型等十余種（Zou et al.,2014;王輝等,2019;趙俊興等,2019）。這一方案存在劃分標準不一的問題，如成因類型、礦體描述以及專用名詞等混用。礦床類型劃分有助于深入理解礦床成因機制，同時還有利于指導找礦勘查和礦產評價工作。文章從鈷礦床成因的角度，提出新的劃分方案；并基于這一新方案，討論了控制鈷礦床形成的關鍵要素，提出了具有重大成礦潛力的新成礦帶。

1 原有劃分方案概述

鈷在地殼中的豐度極低，很少獨立成礦。絕大部分鈷礦床都是銅、鎳、鉛鋅和鐵等礦床的伴生組分。目前鈷礦床類型的劃分主要沿用原主礦體的礦床類型（Smith,2001;豐成友等,2004;Zou et al.,2014;Slack et al.,2017;Petavratziet al.,2019;張偉波等,2018;趙俊興等,2019），具體包括以下十幾種（圖1a，2a）：

（1）沉積巖容礦層控型Cu-Co礦床。主要呈層狀或似層狀產在沉積盆地碎屑巖或碳酸鹽巖中（Hitzman et al.,2012）。含銅礦物主要為黃銅礦、輝銅礦、斑銅礦，含鈷礦物為硫銅鈷礦、硫鈷礦（Cail‐teux et al.,2005）。品位一般為0.1%～0.2%，最高可達1.2%（圖3a）。該類礦床以中非銅鈷礦帶最為著名，其鈷儲量占全球41%，產量占全球60%（Slack,2017）。盡管其成礦時代、成礦背景還存在較大爭議（Hitzman et al.,2017；Sillitoe et al.,2017），但對成礦流體來源的認識比較一致，即中-低溫度、氧化性的富金屬盆地鹵水（圖 4a、b，McGowan et al.,2006;Greyling et al.,2005;El Desouky et al.,2009）。因此，它是典型的與盆地流體有關熱液礦床。

（2）風化型紅土Ni-Co礦床。由超基性巖和玄武巖經長期強烈的風化和侵蝕作用而形成，主要表現為富含鐵、鎳、鈷的紅土。該類礦床蘊含著世界陸地36%的鈷資源（Slack,2017），鈷品位一般在0.02%～0.18%（圖3a）。主要載鈷礦物為鈷土礦、含鎳鈷土礦和含鈷的鐵氫氧化物（Petavratzi et al.,2019）。

（3）巖漿Ni-Cu(-Co-PGE)硫化物礦床。該類礦床中的鈷儲量占全球的15%，代表性礦床如中國金川（湯中立,1996）等。鈷品位比較低，一般為0.05%～0.10%。成礦與幔源巖漿中硫化物飽和之后的熔離作用有關。主要硫化物為磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦和黃銅礦，鈷主要集中在鎳黃鐵礦中（秦克章等,2007）。

（4）變質沉積巖容礦型Co-Cu-Au礦床。礦體呈層狀、似層狀、脈狀和角礫狀賦存在元古代變形變質碎屑巖中。載鈷礦物包括輝鈷礦、硫砷鈷礦、含鈷黃鐵礦等。具有礦床噸位小但鈷品位高（0.1%～0.7%）的特點。該類礦床與沉積巖容礦層控型Cu-Co礦床的主要區(qū)別在于：礦區(qū)范圍內缺少后者必有的紅層。另外，在金屬組合上比后者更富As和Au。實際上，除了Co-Cu-Au以外，該類礦床還共生多種金屬元素，如親石元素（B、Be、Cl、F、REE、Th、U、W、Y），親鐵元素（Mo、Ni）和親銅元素(Ag、As、Bi、Hg、Pb、Se、Te、Zn)等。代表性礦床有澳大利亞 Carlow Castle（Fox et al.,2019）和美國Blackbird礦集區(qū)（后者也被劃分為鐵氧化物銅金型礦床，Slack et al.,2010）。

（5）熱液脈狀多金屬礦床。一般賦存在沉積巖中，礦體受構造（斷層、褶皺等）控制呈脈狀產出。伴生銅、鈷、鉍、砷、銀、鉛鋅等多種金屬，部分礦床可以見到自然銀、鉍、砷、汞等礦物（Markl et al.,2016）。鈷成礦或與巖漿熱液有關，或與盆地流體有關（賈敬伍等，2014；Wang et al.,2018）。這類礦床鈷品位高（＞0.2%），長期以來一直作為鈷、銀礦床開采，對鈷產量具有重要貢獻（Kissin,1992）。礦床遍布在全球各地，如摩洛哥Bou Azzer、加拿大安大略省的Cobalt-Gowganda、中國西南蘭坪地區(qū)白秧坪等。

（6）密西西比河谷型Zn-Pb-(Co-Ni)礦床。該類礦床是與盆地流體有關的鉛鋅礦床，少數礦床中伴生有鈷（Horrall et al.,1993）。載鈷礦物為硫銅鈷礦、硫鎳鈷礦。

圖1 全球主要鈷礦床類型與分布示意圖a.原礦床類型劃分方案；b.本文劃分方案Fig.1 The sketch of global distribution of major cobalt-bearing mineral deposits a.The division in previous study;b.The division in this study

圖2 鈷礦床劃分方案對比圖Fig.2 Comparison between previous and new divisions for the cobalt deposit

（7）黑色頁巖容礦型Ni-Cu-Zn-Co礦床。黑色頁巖中富含銅、鉬、鎳、釩、鈷等金屬，局部可以富集成礦過程。鈷主要賦存于黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦中，其成因很可能與海水沉積（Xu et al.,2013）或熱液活動（Jiang et al.,2006）有關。典型礦床有芬蘭北部的Talvivaara，其鈷品位很低（0.02%），但由于噸位大，也構成了超大型鈷礦床（Loukola-Ruskeeniemi et al.,2013）。

（8）矽卡巖和交代型Fe-Cu-Co礦床。此類礦床中的鈷品位比較低，一般在0.02%左右甚至更低。鈷主要見于輝鈷礦或者含鈷黃鐵礦等硫化物中。中國湖北大冶銅綠山即是此類礦床的代表（Zhao et al.,2012）。

（9）鐵氧化物銅金型Cu-Au-Ag-U-REE-Co-Ni礦床。該類礦床噸位大小不一，但鈷品位一般低于0.05%。這類礦床的成礦過程比較復雜，同一個礦床內可鑒別出巖漿熱液、盆地鹵水、變質流體及大氣降水等多種不同性質的成礦流體。代表性礦床有澳大利亞南部的Olympic Dam礦床和中國云南拉拉礦床（Chen et al.,2012）。

（10）火山巖塊狀硫化物型Cu(-Zn-Co-Ag-Au)礦床。礦體賦存在中基性火山巖中，主要產出銅、鉛鋅、金、銀等金屬礦產，部分礦床中也富集鈷。鈷成礦與火山作用過程中的熱液活動有關。代表性礦床有中國青海德爾尼和俄羅斯烏拉爾山地區(qū)的眾多礦床等（王玉往等，1997）。

（11）海底Fe-Mn(-Ni-Cu-Co-Mo)結核。生長在現代大洋底的深海平原（海平面下3500～6500 m），由鐵錳氫氧化物沉淀而成。品位一般在0.2%～0.4%（Slack,2017）。結核直徑通常2～8 cm，鈷通常在結核表層，被表殼氧化過程而吸附。生長速率差異較大，從1～250 mm/Ma不等。目前發(fā)現的結核集中于太平洋Clarion and Clipperton斷裂區(qū)和Cook Islands專屬經濟區(qū)、印度洋Pioneer地區(qū)（Hein et al.,2013）。

（12）海底Fe-Mn(-Co-Mo-REE)結殼。生長在水深800～3000 m的大洋海山、海底高原以及大洋中脊。結殼厚度不一，可以＜1cm，最厚可達26 cm。成礦與海底結核過程類似，但生長速度極低（1～6 mm/Ma）。品位一般在0.35%～0.66%（Slack,2017）。太平洋中西部是結殼的重要產區(qū)。

圖3 世界主要鈷礦床品位和礦石噸位協(xié)變圖（修改自Slack,2017）a.原礦床類型劃分方案；b.本文劃分方案Fig.3 Grade-tonnage plot for major cobalt-bearing mineral deposits worldwide(modified after Slack,2017)a.The division in previous study;b.The division in this study

圖4 代表性鈷礦床含礦脈體C-O同位素（a）和成礦流體溫度-鹽度（b）協(xié)變圖數據來源：Bou Azzer(Dolansky,2007)；Blackbird(Johnson et al.,2012)；拉拉 (Chen et al.,2012)；銅綠山 (Zhao et al.,2012)；白秧坪(Wang et al.,2018)；中非銅鈷礦帶(Greyling et al.,2005)Fig.4 The carbon and oxygen isotopic composition of ore-bearing veins(a)and homogenization temperature(Th)versus salinity diagram of ore-bearing fluids for representative cobalt-bearing deposits(b)Data source:Bou Azzer(Dolansky,2007),Blackbird(Johnson et al.,2012),Lala(Chen et al.,2012),Tonglvshan(Zhao et al.,2012),Baiyangping(Wang et al.,2018),the Central African Copper Cobalt belt(Greyling et al.,2005)

2 鈷礦床類型劃分標準

從上節(jié)簡述可知，現有劃分方案存在較大問題。一是劃分標準不一，有賦礦圍巖（沉積巖、變質沉積巖）、礦體形態(tài)（層狀、脈狀）、礦床成因（巖漿型、風化型）等；二是彼此存在重復，如美國Blackbird礦集區(qū)同時屬于鐵氧化物銅金型礦床和變質沉積巖容礦型礦床；三是沿用主礦體類型名稱。對于伴生鈷礦床來說，其成因很可能與主礦體相同。因此，套用名稱來劃分也無可厚非。但是也有一些礦床類型，大多數都不伴生鈷，僅有少數幾例有鈷礦報道，如密西西比河谷型礦床等。這反映了鈷礦床具有更加獨特的形成條件，不能簡單地套用原成礦模型。更重要的是，沿用主礦體的劃分方案禁錮了對鈷礦床可能存在其他成因的思考。因此，現有劃分方案亟需修正。

而欲對礦床進行類型劃分，賦礦圍巖顯然不能作為唯一標準，如碳酸鹽巖可以作為密西西比河谷型和矽卡巖型礦床的圍巖。礦體形態(tài)也不能作為標準，實際上，中非銅鈷礦帶除了發(fā)育層狀礦床外，還有大量脈狀鈷礦床（Cailteux et al.,2005）。另外，金屬組合也不能作為主要依據，因為礦床金屬組合主要取決于含礦流體流經的圍巖。如果流經泥巖，礦床會富As，載鈷礦物為輝鈷礦(CoAsS)；而流經石英砂巖，礦床則貧As，鈷出現在硫鈷礦(Co3S4)和硫鈷鎳礦((Co,Ni)3S4)中（Johnson,2013）。

實驗學研究構建了鈷的地球化學行為和富集方式，實例解剖揭示了鈷礦床成因。這兩方面資料可以用來理解鈷成礦過程，劃分鈷礦成因類型。研究表明，鈷在巖漿演化、熱液活動、風化和沉積作用過程中都會富集并成礦（趙俊興等,2019）。巖漿演化階段，鈷主要以類質同象的形式分散到造巖礦物和副礦物中，優(yōu)先進入橄欖石，其次是輝石、鈦鐵礦和磁鐵礦（Herzberg et al.,2016）。隨著結晶過程的演化，鈷含量在巖漿體系中有一定的下降，表現為晚結晶的橄欖石中鈷含量逐漸降低（Matzen et al.,2016）。熱液環(huán)境下，鈷主要以正二價氯絡合物遷移（Liu et al.,2011）；當體系存在H2S并且溫度＜200℃的情況下，鈷則以CoHS+的形式遷移（Migdisov et al.,2011）。流體冷卻和流體稀釋會造成熱液中鈷的溶解度和穩(wěn)定性下降，進而造成鈷沉淀（Liu et al.,2011）。另外，還原反應也會造成含鈷硫化物的沉淀（Muchez et al.,2012）。風化作用過程中，橄欖石、輝石等暗色礦物的晶格被破壞，所含的鈷、鎳等元素從中釋放出來。地表富氧的酸性水溶解Co和Ni、Mn等元素，形成水鈷礦以及鐵、錳的氧化物或氫氧化物。下濾沉淀形成鈷帽等風化型礦床（De‐crée et al.,2010）。另外，海底化學沉積作用也會造成鈷沉淀，主要表現為結殼或結核中的鐵錳氫氧化物（主要為水羥錳礦）強烈吸附海水中的Co2+離子，造成鈷富集（Manheim,1986）。

3 鈷礦床類型劃分新方案

根據鈷富集方式和成礦過程，文章將鈷礦床劃分出巖漿型、風化型、熱液型和化學沉積型4種基本類型（圖1b、圖2）。

（1）巖漿型即巖漿銅鎳硫化物礦床，主要分布在古老克拉通內部及造山帶邊緣，與地幔柱火山噴發(fā)（Li et al.,2005）或陸塊裂解（Hou et al.,2015）背景下的超基性-基性巖漿活動有關。該類礦床鈷品位主要為0.01%～0.20%（0.01%是伴生鈷礦床的最低工業(yè)品位）。

（2）風化型是指風化型紅土Ni-Co礦床。新生代以來的風化型鈷礦主要分布在炎熱潮濕的熱帶地區(qū)，如菲律賓、印度尼西亞、巴西、澳大利亞等。此外，還有一些中生代風化型鈷礦床出露在土耳其西部和俄羅斯烏拉爾地區(qū)?？紤]到風化型鈷礦形成所需的苛刻氣候條件（Thorne et al.,2012），上述非熱帶地區(qū)的風化型鈷礦床很可能當時也位于熱帶地區(qū)，后來的板塊運動將之定位于此。因此，風化型鈷礦床很可能對板塊構造恢復具有一定的指示意義。風化型鈷礦床品位集中在0.04%～0.10%之間，反映了地表風化作用造成了均一化鈷富集。該類礦床鈷最低品位也高于很多巖漿型礦床的品位（0.01%），說明鈷產自超基性巖甚至是富鈷超基性巖礦石的次生富集。

（3）化學沉積型礦床指在洋底環(huán)境下由離子吸附作用或氧化還原反應等化學過程而沉積形成的鈷礦，包括現代海底結核結殼和古代海底與沉積作用有關的黑色頁巖容礦型礦床2個亞類型（Xu et al.,2013）。其中，結核主要分布在大洋內部的深海平原，沒有洋中脊和海山影響，地勢平坦，有利于金屬沉淀。結殼主要生長在太平洋the Pacific prime crust zone。該區(qū)對應于地幔低速異常區(qū)（LLSVP，Torsvik et al.,2014），密集發(fā)育與地幔巖漿噴發(fā)有關的洋島、海山等。這些洋島海山是結殼發(fā)育的有利區(qū)域。囿于開采條件、成本等方面的限制，海底的富鈷結核和結殼還未得到工業(yè)化開采。

（4）熱液型礦床指由熱液作用遷移富集并沉淀而形成的鈷礦床。該類礦床包含的范圍比較寬，可進一步細分為巖漿熱液礦床和盆地流體有關礦床2個亞類型。原劃分方案中的矽卡巖和交代型（如銅綠山）、火山巖塊狀硫化物型和鐵氧化物銅金型礦床（如拉拉礦床）的形成都與巖漿熱液有關（圖4a）。另外，部分黑色頁巖容礦型礦床（Jiang et al.,2006）、變質沉積巖容礦型礦床（如美國Blackbird礦集區(qū)）和熱液脈狀多金屬礦床（如摩洛哥Bou Azzer）也屬于巖漿熱液礦床（圖4a）。與盆地流體有關的鈷礦床包括沉積巖容礦層控型、密西西比河谷型以及部分變質沉積巖容礦型礦床和部分熱液脈狀多金屬礦床（如云南白秧坪礦集區(qū)，胡茂德等，2015）。這類礦床的形成時間可以與圍巖時代較接近（如中非銅鈷礦帶，Cailteux et al.,2005），也可以是明顯晚于圍巖（白秧坪等脈狀礦床）。

熱液型鈷礦床具有所有類型中最高的鈷品位，甚至達到巖漿型礦床品位（0.01%）的120倍。統(tǒng)計數據顯示，熱液鈷礦的儲量（占陸地資源的49%）和產量（全球占比62%）都遠高于巖漿型和風化型鈷礦床（圖3b）。其中，盆地流體有關鈷礦床的金屬量甚至可與化學沉積型礦床相媲美。這些數據表明，熱液作用，尤其是盆地流體有關的熱液過程，對鈷富集成礦具有重要作用。不同亞類型鈷礦床的成礦流體數據顯示（圖4b），無論是巖漿熱液鈷礦，還是盆地流體有關鈷礦，成礦流體都具有高鹽度的特征。這一點與鈷的地球化學行為相符合。

值得提及的是，很多礦床的形成是一個非常復雜的過程，或者涉及到多種流體的相互作用，如Blackbird礦集區(qū)中巖漿熱液、變質流體和盆地流體都有表現（Johnson,2013）；或者表現出多期成礦，如中非銅鈷礦帶很可能存在早期盆地流體成礦和晚期高溫熱液疊加（El Desouky et al.,2009）。因此，文章提出的巖漿型、風化型、熱液型和化學沉積型是最基本的鈷礦類型，劃分出的巖漿熱液和盆地流體是基本熱液礦床端員。

4 特提斯鈷礦帶

原劃分方案中，眾多的礦床類型分布在不同地區(qū)甚至同一地區(qū)（圖1a）。碎片化的信息難以分析成礦規(guī)律、對比礦帶延伸。例如，中非地區(qū)泛非碰撞造山帶內發(fā)育有著名的巨型沉積巖容礦層控型銅鈷礦床和眾多脈狀鈷礦床。盡管其成礦時代很可能一致（Cailteux，2005），但不同成因模式導致兩者看上去沒有任何聯系。按照文章提出的劃分方案，這些層狀礦床和脈狀礦床都屬于盆地流體有關礦床。按照泛非碰撞造山帶空間位置，脈狀礦床位于褶皺逆沖帶內，而層狀礦床則發(fā)育在盆地內。這很可能暗示了一種全新的綜合成礦模型，即碰撞擠壓驅動盆地流體運移，在褶皺逆沖帶內沉積脈狀礦床，而盆地內沉淀層狀礦體。

這種盆山結構下兩種礦床類型組合在全球并非孤例。歐洲中南部阿爾卑斯地區(qū)碰撞造山帶內發(fā)育一系列熱液脈狀鈷多金屬礦床（Kissin,1992），造山帶北側中歐盆地內則發(fā)育層狀銅鈷礦床。兩者成礦時代很可能一致，即大陸碰撞之時（新生代初，Kis‐sin,1992；Symons et al.,2011）。另外，在青藏高原東緣，蘭坪—思茅地區(qū)發(fā)育白秧坪、水泄等脈狀鈷多金屬礦床（胡茂德等，2015），遠離碰撞帶的楚雄盆地內發(fā)育層狀銅礦床（韓潤生等，2010）。該盆地還沒有鈷礦的報道。如果筆者的模型符合實際的話，楚雄盆地很可能具有鈷成礦潛力。

沿著碰撞造山帶鈷礦床的思路繼續(xù)思考，筆者發(fā)現，阿爾卑斯和青藏高原都位于歐亞大陸南緣特提斯碰撞造山鏈內。該造山鏈內的伊朗地區(qū)也發(fā)育眾多熱液脈狀鈷多金屬礦床（Bagheri et al.,2007;Kuhanestani et al.,2014）。這些礦床，與阿爾卑斯和青藏高原的脈狀多金屬礦床一樣，都形成于新生代，就位在特提斯洋盆閉合后的大陸碰撞造山帶內（張洪瑞等，2015；2018），具有統(tǒng)一的動力學背景。成礦與盆地流體密切相關，礦體呈脈狀產出，受構造控制明顯。這些空間分布、產出環(huán)境和主控因素表明，上述礦床很可能構成一條上萬公里長的特提斯碰撞鈷礦帶（圖1b）。

文章認為，這一鈷礦帶還具有巨大鈷成礦潛力，具體體現在：

金屬來源：目前盆地流體有關鈷礦床鈷來源還存在爭議，三種可能的源區(qū)包括氧化紅層（Selley et al.,2005）、中基性火山巖（Van Wilderode et al.,2015）和超基性巖（Cailteux et al.,2005）。特提斯鈷礦帶所在地區(qū)經歷過多期裂解匯聚過程（Hou et al.,2015）。陸塊裂解和洋殼仰沖造成大量基性超基性巖就位（如特提斯蛇綠巖帶）；洋盆俯沖造就了上萬公里長的中基性弧巖漿巖；大陸碰撞后前陸盆地內沉積有厚層紅色碎屑巖。這些巖石組合可以為鈷成礦提供充足的來源。

流體運移：特提斯碰撞造山帶的前陸盆地內沉積有大量膏鹽建造，證明存在潛在的大量高鹽度盆地鹵水。另外，大型碰撞造山事件有利于驅動盆地流體大規(guī)模運移，從而萃取活化含鈷地層中的鈷。

金屬沉淀：實驗模擬工作證實含鈷熱液沉淀與流體降溫或稀釋有關（Liu et al.,2011），但經典成礦模型中強調氧化還原反應導致硫化物沉淀（Mc‐Gowan et al.,2006）。如果是前一種沉淀成礦模式的話，盆地流體只需運移至地殼淺部，與大氣降水混合即可。這一條件在任何造山帶都很容易滿足。如果是后一種模式，特提斯造山帶在俯沖階段發(fā)育有碳質泥巖（局部夾煤層）、碰撞以來形成有陸相盆地紅層。這些氧化還原界面有利于含鈷流體的沉淀。

5 結 語

由于鈷主要是伴生礦產，過去的研究多集中在主礦體成礦方面，專注于伴生鈷的研究較少。可以說，當前的鈷礦研究還處于起步階段。亟待解決的問題有：①繁雜甬亂的資料掩蓋了鈷成礦規(guī)律。文章概述了前人劃分的12種鈷礦床類型，但還不全面。例如，少量斑巖型銅礦床中也伴生有鈷，被稱之為斑巖型銅鈷礦床；②復雜的成礦作用使得主礦體研究認識和成果不一定適用于鈷礦體。例如，黑色頁巖容礦型礦床中發(fā)育Ni-Cu-Zn-Co多金屬礦化，有研究認為鈷和鎳都來自于超基性巖（Loukola-Rus‐keeniemi et al.,2013）。但是，也有數據表明，礦石中黃鐵礦和磁黃鐵礦所含的鈷和鎳具有負相關性（Loukola-Ruskeeniemi et al.,1996）。再如，研究表明，鐵氧化物銅金型礦床礦化可分為早期鐵礦化和晚期銅礦化（Williams et al.,2005），但是鈷在哪一期沉淀還不清楚。

因此，今后鈷礦床研究，一方面要宏觀把握，化繁為簡，高度概括凝練成礦規(guī)律，文章即是此背景下的初步嘗試。另一方面，又要細處著手，仔細解剖典型礦床，在清晰厘定主礦與伴生鈷礦關系的基礎上，建立起真正的鈷礦成因機制與成礦模型。