大冶市石頭咀銅鐵礦床原生暈地球化學(xué)特征及深部找礦預(yù)測(cè)

王 磊，楊偉衛(wèi)，蔡恒安，宋玉龍，劉孟合，程俊鑫，孫 達(dá)

(湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊(duì),湖北 大冶 435100)

原生暈是元素因?yàn)樽陨淼幕顒?dòng)性及周圍地質(zhì)體的特性,在成礦地質(zhì)作用過(guò)程中以滲濾、擴(kuò)散、氣相運(yùn)移等方式,在礦體周圍的地質(zhì)體中形成的元素地球化學(xué)異常。通過(guò)研究賦存在礦體及其周圍地質(zhì)體中元素地球化學(xué)異常并用來(lái)指導(dǎo)找礦叫作原生暈找礦方法[1]。鄂東南礦集區(qū)是長(zhǎng)江中下游成礦帶的重要組成部分,其具有礦種齊全和厚度大、品位高的特點(diǎn)[2]。石頭咀銅鐵礦床位于礦集區(qū)內(nèi)銅綠山礦田東部,該礦床西距銅綠山銅鐵礦床約1.5 km,是典型的矽卡巖型銅鐵礦。該礦床是在20世紀(jì)70年代,由原湖北省鄂東南地質(zhì)大隊(duì)所發(fā)現(xiàn)。目前,該礦床勘查及開(kāi)采程度較高,已開(kāi)拓至-720 m中段,但礦體深部延伸情況仍未得到控制。以往的地質(zhì)勘查和科研工作集中在銅綠山銅鐵礦床和雞冠咀金銅礦床,石頭咀銅鐵礦床相關(guān)研究的文獻(xiàn)和資料卻較少?，F(xiàn)今該礦床的深部找礦工作仍以“趨勢(shì)外推法”結(jié)合鉆探工程驗(yàn)證開(kāi)展,而巖芯的原生暈測(cè)量數(shù)據(jù)沒(méi)有得到充分的利用,缺少評(píng)價(jià)深部成礦潛力的有效方法。因而本文在詳細(xì)分析礦集區(qū)及礦床地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上,總結(jié)分析礦床原生暈特點(diǎn),結(jié)合地質(zhì)資料,預(yù)測(cè)成礦有利地段,為下一步深部勘查提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂東南礦集區(qū)位于長(zhǎng)江中下游最西端,揚(yáng)子克拉通東北緣,北鄰大別超高壓變質(zhì)帶,由長(zhǎng)陽(yáng)—陽(yáng)新斷裂、襄樊—廣濟(jì)斷裂和麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂所圍限,并被長(zhǎng)江深斷裂橫切[3]。

區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較為齊全,除中、下泥盆統(tǒng)和下石炭統(tǒng)缺失外,古生界—新生界地層均有出露,其中三疊系大冶群碳酸鹽巖與區(qū)內(nèi)銅鐵礦關(guān)系最為密切[4]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造從古生代以來(lái)可劃分為加里東構(gòu)造旋回、海西構(gòu)造旋回、印支構(gòu)造旋回、燕山構(gòu)造旋回和喜山構(gòu)造旋回[5],其中印支運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的北西—北西西向褶皺和斷裂奠定了區(qū)內(nèi)覆蓋層的構(gòu)造格架[6]。區(qū)內(nèi)發(fā)育大面積的侵入巖和火山巖,巖漿巖的出露面積占全區(qū)23%,總面積5 100 km2。侵入巖包括六大巖體(圖1),分別為鄂城、鐵山、金山店、陽(yáng)新、靈鄉(xiāng)和殷祖巖體,另外還有100多個(gè)的花崗閃長(zhǎng)斑巖、斑狀閃長(zhǎng)巖等小巖體[7]。石頭咀銅鐵礦所在的銅綠山礦田位于鄂城—大幕隆起帶的軸部、姜橋—下陸斷裂帶的中段、大冶復(fù)向斜的南翼、陽(yáng)新巖體的西北端,處于鄂東南三角形構(gòu)造巖漿巖區(qū)的中部[8],成礦地質(zhì)條件十分優(yōu)越。

圖1 鄂東南區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of Southeast Hubei1.第四紀(jì)；2.白堊紀(jì)中期火山巖；3.晚三疊世—中侏羅世碎屑巖；4.寒武紀(jì)—中三疊世碳酸鹽巖夾碎屑巖；5.白堊紀(jì)花崗巖；6.早白堊世早期花崗閃長(zhǎng)斑巖；7.早白堊世早期石英閃長(zhǎng)巖；8.鐵礦床；9.銅礦床；10.鐵銅礦床；11.金銅礦床；12.銅鐵金礦床；13.銅鉬礦床；14.鎢銅礦床；15.鎢銅鉬礦床。

2 礦床地質(zhì)特征

鄂東南礦區(qū)被第四系湖沖積層全掩蓋,據(jù)工程揭露,第四系覆蓋層下分布有大理巖且呈兩種產(chǎn)出形態(tài)：一是被巖漿巖分割包圍形成“舌狀體”或稱“捕虜體”,分布于礦區(qū)西部；二是與巖漿巖成反“S”型陡傾斜覆蓋于巖漿巖之上,形成礦區(qū)中部以東的大規(guī)模大理巖。

構(gòu)造主要為接觸帶構(gòu)造。從巖漿巖的分布形態(tài)可明顯的看出,巖漿巖侵入受到北西303°和北東20°兩組斷裂構(gòu)造所控制,形成復(fù)雜的接觸構(gòu)造,控制礦體的空間形態(tài)、產(chǎn)狀等,尤其是沿接觸帶處的斷裂—侵入復(fù)合帶是成礦最有利部位,部分單銅、單鐵礦體充填于接觸帶附近碳酸鹽巖地層的層間破碎帶內(nèi),形成與主礦體相平行的小銅礦體或鐵礦體。

本區(qū)巖漿巖為陽(yáng)新巖體的一部分,陽(yáng)新巖體形態(tài)復(fù)雜,為向深部逐漸擴(kuò)大的巨大巖基。巖體長(zhǎng)40 km,寬4～7 km,出露面積約215 km2,是鄂東南地區(qū)出露規(guī)模最大的侵入巖體。巖體與圍巖呈侵入接觸且四周均向外陡傾。該巖體為多期次(階段)侵入的復(fù)式巖體,由多種巖石類型組成。主體巖性為中—細(xì)粒石英閃長(zhǎng)巖,往中心過(guò)渡為中粒石英閃長(zhǎng)巖[9]。

礦體主要賦存于石英閃長(zhǎng)巖與大理巖接觸帶部位,礦體的空間分布、形態(tài)和產(chǎn)狀嚴(yán)格受北西向接觸帶(伴隨有破碎帶)和破碎帶控制,且以前者為主。主礦體均分布在斷裂—侵入接觸帶內(nèi),礦體長(zhǎng)900 m(3～20勘探線),傾向北東,傾角40°～85°。礦床主要由7個(gè)銅鐵礦體(鐵礦體)和1個(gè)輝鉬礦體組成,礦體賦存標(biāo)高+36～-900 m。其中Ⅰ號(hào)礦體規(guī)模最大,占礦床資源儲(chǔ)量的90%。

Ⅰ號(hào)礦體(圖2)產(chǎn)于陽(yáng)新巖體北緣石英閃長(zhǎng)巖與大理巖的斷裂—接觸復(fù)合帶內(nèi),走向北西310°,局部隨接觸帶的形態(tài)變化出現(xiàn)分支復(fù)合。剖面上礦體沿接觸帶呈反“S”形分布,在巖體凸入圍巖或圍巖伸入巖體內(nèi)的大理巖捕虜體接觸帶礦體厚度增大,局部陡傾接觸帶部位,礦體厚度減小或尖滅,形成自上而下沿?cái)嗔选秩虢佑|帶分布的7個(gè)分支礦體,單個(gè)礦體傾向延長(zhǎng)50～550 m,礦體厚1.43～100 m,埋藏標(biāo)高+36～-900 m,自西向東側(cè)伏。礦石類型以銅鐵礦石為主,次為鐵礦石、銅礦石,有少量的鉬礦石(圖3)。礦體的中心多為鐵礦石和銅鐵礦石,鉬礦石多分布于接觸帶近巖體一側(cè),銅礦石多分布于銅鐵礦石的外部近大理巖一側(cè)或大理巖的層間破碎帶內(nèi)。

圖2 石頭咀礦區(qū)Ⅰ號(hào)礦體剖面、中段礦體立體圖Fig.2 Section and middle section stereogram of No.1 orebodyin Shitouzui mining area1.石英閃長(zhǎng)巖;2.大理巖;3.銅鐵礦體;4.中段標(biāo)高;5.線號(hào)及位置。

圖3 石頭咀礦區(qū)各類型礦石Fig.3 Various types of ores in Shitouzui mining area

礦石結(jié)構(gòu)主要有自形—半自形晶粒狀、他形粒狀、固熔體分離、膠狀、鱗片狀、壓碎和交代等結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造主要為浸染與細(xì)脈浸染狀、塊狀、脈狀、角礫狀和條帶狀等構(gòu)造。根據(jù)巖礦鑒定及人工重砂樣等綜合統(tǒng)計(jì),本礦區(qū)共有礦物60余種,銅礦物有黃銅礦、斑銅礦、孔雀石、輝銅礦等；鐵礦物有赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等；鉬礦物主要有輝鉬礦；脈石礦物有方解石、白云石、透輝石、蒙脫石、石英、長(zhǎng)石等。

3 樣品及分析方法

本次對(duì)石頭咀礦區(qū)深部12個(gè)鉆孔(共589件樣品)進(jìn)行了全孔原生暈取樣分析,樣品依巖性、蝕變、破碎程度不同分段采取,樣長(zhǎng)一般5～10 m。分析檢測(cè)Au、Cu、Ag、As、Sb、W、Mo、Zn、Pb、Co、Ni、Ba等12種元素。其中,Cu、Pb、Zn、Co、Ni、Ba 6種元素用等離子光譜法(ICP-AES)定量分析；As、Sb 2種元素采用原子熒光光譜法(AFS)定量分析；W、Mo 2種元素采用極譜法(POL)定量分析；Au元素采用化學(xué)光譜法(ES)定量分析；Ag元素采用光譜深孔電極(ES)定量分析。分析檢測(cè)單位為湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì)實(shí)驗(yàn)室。

4 原生暈地球化學(xué)分析

4.1 背景值和異常下限的確定

元素背景值反映的是一個(gè)區(qū)域地質(zhì)體中元素含量的平均水平,也是計(jì)算元素異常下限基礎(chǔ)參數(shù)。“迭代法”是目前應(yīng)用最為廣泛求解背景值和異常下限的計(jì)算方法,具有可操作性強(qiáng)且計(jì)算結(jié)果能較好反映礦區(qū)的基本地球化學(xué)特征,計(jì)算程序?yàn)椋孩偾笤紨?shù)據(jù)樣本的均值以及標(biāo)準(zhǔn)離差S,運(yùn)用(n=1,2,3……)進(jìn)行檢驗(yàn),只保留數(shù)值介于+nS和-nS之間的原始數(shù)據(jù),生成一個(gè)新的樣本數(shù)據(jù)庫(kù)；②繼續(xù)計(jì)算新樣本庫(kù),得到新的均值和標(biāo)準(zhǔn)離差,按照上述方法進(jìn)行檢驗(yàn),保留數(shù)值介于+nS和-nS之間的數(shù)據(jù),再生成一個(gè)新的樣本數(shù)據(jù)庫(kù)；③循環(huán)上述操作,直到剩下的數(shù)據(jù)X都滿足-nS≤X≤+nS停止運(yùn)算；④用這次數(shù)據(jù)樣本的均值代表元素的背景值,均值加上n倍的標(biāo)準(zhǔn)離差代表元素的異常下限[10]。

本次工作選用了無(wú)礦化蝕變的205件中酸性巖漿巖樣品和228件大理巖樣品綜合計(jì)算了元素的背景值和異常下限,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 石頭咀礦床元素背景值及異常下限值歸納表Table 1 Element background value and anomalylower limit value of Shitouzui deposit

4.2 原生暈異常分析

元素異常濃度分帶標(biāo)準(zhǔn)是圈定原生暈異常和評(píng)價(jià)異常強(qiáng)弱的依據(jù)。濃度分帶標(biāo)準(zhǔn)一般定為三個(gè)級(jí)別,即外帶、中帶、內(nèi)帶。外帶以元素異常下限為臨界值,中帶和內(nèi)帶一般以外帶的2倍和4倍為臨界值[11]。石頭咀礦床元素原生暈異常的濃度分帶見(jiàn)表2。

表2 石頭咀礦區(qū)14勘探線元素濃度分帶表Table 2 Element concentration zoning of exploration line 14in Shitouzui mining area

依據(jù)各元素分帶標(biāo)準(zhǔn),在礦體厚度較大的14線利用Surfer軟件繪制石頭咀銅鐵礦床各元素的原生暈異常剖面圖(圖4)。

4.2.1成礦指示元素

Cu元素是本礦床最主要的成礦元素,主要集中在-800～-950 m,其元素異常分布范圍也是最廣的,異常的濃集中心與礦體空間位置基本吻合,-1 000 m以下的微小串珠狀異常也有礦體與之對(duì)應(yīng),-800～-900 m之間的內(nèi)帶異常較強(qiáng)且未封閉,可能指示剖面左側(cè)仍有礦體延伸。Au元素在14勘探線剖面是與Cu套合最好的元素,除濃度較Cu異常弱外,Au具有更好的分帶性。據(jù)前人研究成果,Ag除了以獨(dú)立礦物存在外,還在透輝石、石榴子石等矽卡巖礦物以及磁鐵礦、赤鐵礦、黃銅礦、斑銅礦輝銅礦等金屬礦物中富集[12]。在本區(qū),Ag元素異常分布在14線剖面中部,其異常的濃集中心和礦體空間位置較為吻合,但強(qiáng)度較小,元素異常集中在-850～-950 m之間,在-1 000 m下的深部,Ag元素又出現(xiàn)了小范圍的異常。Zn元素分布具有范圍小而異常連續(xù)的特點(diǎn),異常主要出現(xiàn)在-800～-950 m,異常的分布和礦體分布較為接近,表現(xiàn)出成礦指示元素的特征。Zn不僅具有親硫性還具有親鐵性,所以Zn的內(nèi)帶異常區(qū)域代表了銅礦和鐵礦的富集。

圖4 石頭咀礦區(qū)14線鉆孔原生暈剖面對(duì)比圖Fig.4 Profile comparison graph of primary haloes of 14 lines in Shitouzui mining area1.石英閃長(zhǎng)巖；2.大理巖；3.矽卡巖；4.石英閃長(zhǎng)巖；5.大理巖；6.矽卡巖；7.銅鐵礦礦體；8.鉆孔編號(hào)；9.地質(zhì)界線；10.取樣位置及編號(hào)。

4.2.2近礦指示元素

Ba元素在礦體外圍的圍巖中出現(xiàn)了元素異常,特別是巖體一側(cè)表現(xiàn)出高濃度異常,這和很多矽卡巖礦床的地球化學(xué)異常特征相似[13]。這是因?yàn)锽a主要以Ba2+形式存在,離子半徑(0.135 nm)和K(0.138 nm)很接近,且Ba-O,K-O電負(fù)性差也非常接近,這導(dǎo)致Ba易于在巖漿巖中以類質(zhì)同象的方式占據(jù)K在造巖礦物中的位置。含鉀礦物是Ba的主要富集礦物,在矽卡巖化、圍巖蝕變過(guò)程中,K2O遷出,其含量逐漸降低,隨著K的帶出,因?yàn)锽a和K相似的地球化學(xué)行為,Ba也被帶出形成了近礦部位的低值帶[14]。根據(jù)Ba這一特性以及元素異常特征,在矽卡巖銅礦勘查時(shí)可以將Ba的連續(xù)低值區(qū)作為一個(gè)成礦的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

Co、Ni的元素異常分布范圍較大,Co元素以-850 m異常濃度最高,Ni元素的濃集中心位于-800 m處,Co、Ni元素的異常主要形成在近礦部位。Co和Ni具有較強(qiáng)的親銅、親鐵性,而該礦床是以成銅、成鐵作用形成的Cu(Fe)硫化物礦床,因此Co是主要的伴生元素,其異常的分布范圍主要也是礦化的范圍。

Mo元素異常范圍呈串珠狀不連續(xù),多集中在靠近巖體一側(cè),Mo一般認(rèn)為是尾暈元素,重心應(yīng)該在礦體的下部,但本區(qū)的礦床在礦上或者礦前緣也可能出現(xiàn)Mo的原生暈異常濃集中心,這是因?yàn)樵搮^(qū)礦床上方鉀化、鈉化、黃鐵礦等蝕變比較發(fā)育,而Mo在這些蝕變中比較富集,符合Mo元素在熱液成礦作用中的地球化學(xué)行為。在成礦熱液中,K2MoS4和Na2MoS4是Mo元素的主要遷移形式。隨著物化條件的改變,K、Na元素析出,在圍巖中形成鉀化和鈉化,其含量降低,Mo元素便以MoS2形式沉淀下來(lái),在礦體外圍形成異常或單獨(dú)成礦[15]。因此,本礦床中Mo的元素異常不能直接作為尾暈的標(biāo)志,必須結(jié)合地質(zhì)事實(shí)以及其他元素異常綜合分析。

4.2.3前緣指示元素

Sb元素在異常剖面圖中分布范圍較小且異常較弱,As元素從-720 m到深部-1 000 m都出現(xiàn)了異常,且As元素的異常未封閉。根據(jù)前人對(duì)于原生暈找礦法的研究[11],以及該方法在鄂東南地區(qū)的應(yīng)用,As和Sb元素普遍作為前緣指示元素存在,此次研究發(fā)現(xiàn)As和Sb元素在剖面深處礦體尖滅處又出現(xiàn)了高濃度異常,根據(jù)“反分帶”準(zhǔn)則,前緣指示元素出現(xiàn)在序列下部,或者典型尾部指示元素出現(xiàn)在序列上部,說(shuō)明已知礦體為多個(gè)礦體疊加形成的結(jié)果,尾部發(fā)育的前緣異常則說(shuō)明在深部可能存在一定潛力[16]。

Pb元素異常特征表現(xiàn)為異常范圍狹窄,在礦上出現(xiàn)內(nèi)帶異常。熱液作用過(guò)程中,Cu和Pb礦化類型相近,可以同時(shí)存在于一個(gè)礦床中,也可能分別富集,Pb相比較于Cu,其富集偏向于較低溫度,加上它們親硫性的差別,Cu、Pb常出現(xiàn)一定的分帶性,銅趨向于更深處,而鉛趨向于淺部與外圍[17]。Pb、Mo、Ba等元素與圍巖蝕變鉀化和鈉化也有關(guān),因?yàn)镻b2+和Ba2+易于和K+、Na+替換形成類質(zhì)同象,成巖成礦過(guò)程中,K、Na析出形成鉀化和鈉化圍巖蝕變,Pb、Ba等進(jìn)入造巖礦物晶格的幾率增大而使它們?cè)阝浕⑩c化帶中富集。因此Pb的元素異常常表現(xiàn)出前緣暈的特征。

4.2.4其他元素

W元素異常分布符合礦體的形態(tài)分布但濃度較弱。W具有較強(qiáng)的親鐵性,其內(nèi)帶異常反映了磁鐵礦或者赤鐵礦等鐵氧化物的富集,大量矽卡巖銅礦床的異常特征研究也顯示,W為礦床深部或礦體尾部指示元素,但往往與近礦元素異常疊加。

綜上所述,初步研究認(rèn)為石頭咀礦區(qū)成礦指示元素為Cu、Au、Ag、Zn,近礦指示元素為Ba、Mo、Co、Ni,前緣指示元素為As,Sb,Pb。

5 深部找礦預(yù)測(cè)

5.1 鉆孔原生暈特征對(duì)深部找礦的指示

根據(jù)14線剖面鉆孔原生暈特征(圖4),Cu、Au、Ag等成礦指示元素濃度中心呈串珠狀分布,且在礦體末端濃度依然較強(qiáng),因此,在已知礦體深部可能存在下一個(gè)濃度中心；As元素作為前緣指示元素,在礦體末端亦出現(xiàn)濃度再次聚集現(xiàn)象。結(jié)合地質(zhì)資料成果(KZK1404鉆孔在240.47～249.91 m未含銅磁鐵礦礦石,累計(jì)見(jiàn)礦體厚度9.44 m),預(yù)測(cè)14線深部還存在較厚大礦體,也說(shuō)明Ⅰ號(hào)主礦體沿傾向可以繼續(xù)延伸,在深部控制深度有望突破-1 000 m。走向上,主接觸帶深部Ⅰ號(hào)主礦體已延伸至17線(KZK1701見(jiàn)礦體厚度11.32 m),而19線、22線淺部的情況與17線非常相似,也發(fā)育尖滅再現(xiàn)的Ⅰ號(hào)礦體,因此在其深部很可能出現(xiàn)Ⅰ號(hào)主礦體走向上的延伸(圖5)。

圖5 石頭咀礦區(qū)各剖面對(duì)比及找礦預(yù)測(cè)圖Fig.5 Profile comparison and prospecting prediction graph ofShitouzui mining area1.第四系;2.閃長(zhǎng)巖;3.石英閃長(zhǎng)巖;4.大理巖;5.矽卡巖;6.銅鐵礦礦體;7.銅礦體;8.預(yù)測(cè)礦體。

5.2 礦區(qū)北部接觸帶遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)區(qū)

礦區(qū)北部的北東向接觸帶,長(zhǎng)450 m,周邊巖體和圍巖分別為石英閃長(zhǎng)巖和嘉陵江組碳酸鹽地層,此接觸帶形態(tài)與產(chǎn)狀,類似礦區(qū)10～15線間反S型陡傾斜接觸構(gòu)造,傾向東,上部?jī)A角約80°,一般已控制到-350～-650 m標(biāo)高,最深達(dá)-700 m標(biāo)高,但均未控制到下接觸帶,且深部拐彎處接觸帶傾向不明,根據(jù)前期鉆孔資料,礦石類型為含銅磁鐵礦礦石和單銅礦石,與礦區(qū)中東部的10～15線相似,且地表存在原生暈Cu異常及重力梯度帶,據(jù)此推斷本區(qū)在-700 m標(biāo)高以下深部接觸帶是成礦有利部位。

6 結(jié)論

(1) 石頭咀銅鐵礦床為一典型矽卡巖礦床,銅鐵礦體主要賦存于斷裂—侵入接觸帶內(nèi),礦體產(chǎn)出形態(tài)及位置嚴(yán)格受接觸帶控制,接觸帶與破碎帶重合處對(duì)成礦最有利。

(2) 通過(guò)與地質(zhì)剖面對(duì)比,Cu、Au、Ag、Zn 4種元素異常分布范圍廣,濃度分帶發(fā)育,具有明顯的以礦體為濃集中心的濃度梯度分帶,異常形態(tài)或分布與礦體套合較好,是較好的成礦指示元素；Ni、Co、Ba、Mo元素異常主要集中在礦體前緣和礦上,符合近礦指示元素的特征；Pb、As、Sb為前緣指示元素。

(3) 根據(jù)14線剖面鉆孔原生暈特征結(jié)合鉆孔資料成果,認(rèn)為14線深部還存在較厚大礦體, Ⅰ 號(hào)礦體在深部存在“臺(tái)階狀”形態(tài)規(guī)律,在礦區(qū)深部北東方向繼續(xù)對(duì) Ⅰ 號(hào)礦體走傾向進(jìn)行追索和控制,尋找臺(tái)面,追索臺(tái)斜,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)新的臺(tái)面、臺(tái)斜,能夠進(jìn)一步擴(kuò)大找礦空間。