基于科學(xué)鉆探技術(shù)的老灣金礦帶金成礦機制研究

陳建立 郭 鵬 陳英男 趙 煥 魏從玲

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院,河南 鄭州 450001;2.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004;3.桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室,廣西 桂林 541004;4.河南省地質(zhì)研究院,河南 鄭州 450001)

近年來,科學(xué)鉆探技術(shù)發(fā)展迅速,被譽為“觀測地球內(nèi)部的望遠鏡”。我國是繼前蘇聯(lián)、德國后第3個實施超過5 000 m科學(xué)鉆探的國家,相繼實施了多個大陸科學(xué)鉆探項目,取得了令人矚目的成果[1-2],在固體礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域也取得了好的效果。例如,西藏甲瑪銅礦實施科學(xué)鉆探3 003.33 m,在深部揭露到厚達234.34 m的角巖型銅鉬礦體和厚度超過298 m的矽卡巖型銅鉬金銀礦體,礦床規(guī)模突破大型,并詳細揭示了陸陸碰撞造山背景下斑巖成礦系統(tǒng)的精細結(jié)構(gòu)[3]。還有,川西花崗—偉晶巖型鋰礦通過實施3 211.21 m科學(xué)鉆探,建立了與鋰礦成礦相關(guān)的多學(xué)科地殼鋰柱[4]?？梢哉f,科學(xué)鉆探是揭示深部成巖成礦規(guī)律的重要窗口,具有重要的現(xiàn)實科學(xué)意義。

老灣金礦帶位于桐柏造山帶中部,成礦地質(zhì)條件優(yōu)越,找礦成果豐碩,2016年在該帶發(fā)現(xiàn)了老灣特大型金礦床,2020年被控制為超大型[5-7]。為了進一步探索老灣金礦帶的深部控礦條件、成礦規(guī)律及富礦成因機制,2021—2022年本研究課題組對老灣金礦帶實施了3 006.42 m科學(xué)鉆探,獲得了豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù);而且在深部還發(fā)現(xiàn)了隱伏花崗巖體,其在空間上與老灣花崗巖體緊密伴生,兩者的礦物成分相近?？傮w來說,科學(xué)鉆探技術(shù)首次在桐柏造山帶得以應(yīng)用,效果顯著,同時,也將對秦嶺—大別山造山帶甚至我國固體礦產(chǎn)勘查技術(shù)創(chuàng)新起到了很好的引領(lǐng)和借鑒作用。

本研究基于最新的科學(xué)鉆探數(shù)據(jù)對桐柏地區(qū)老灣金礦帶的巖體地球化學(xué)特征進行了詳細分析,對區(qū)內(nèi)元素分布規(guī)律、成礦物質(zhì)來源、成礦規(guī)律、礦床成因、成礦機制等進行了系統(tǒng)總結(jié),為下一步實現(xiàn)更大的找礦突破提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

老灣金礦帶位于秦嶺—大別造山帶的中部桐柏造山帶,以商丹斷裂為界,劃分為南秦嶺和北秦嶺。北秦嶺自北向南依次出露寬坪巖群(Pt2K)變火山巖、二郎坪群(Pz1er)變火山—沉積巖、歪頭山組(Pt3w)變火山—沉積巖、秦嶺巖群(Pt1Q)變火山—沉積巖;南秦嶺自北向南依次出露龜山巖組(Pt2g)變火山—沉積巖、南灣組(Dn)碎屑沉積巖、肖家廟組(Pz1x)構(gòu)造混雜巖、桐柏雜巖(PtTxog)(圖1)。龜山巖組位于商丹斷裂(桐柏段稱為松扒斷裂)和老灣斷裂之間,主要出露巖性為斜長角閃片巖、二云石英片巖、大理巖等,是老灣金礦帶的賦礦層位[8]。

圖1 秦嶺—大別造山帶構(gòu)造特征及桐柏地區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征[15]Fig.1 Structural characteristics of Qinling-Dabie orogenic belt and regional geological characteristics of Tongbai area

桐柏地區(qū)構(gòu)造體系主體由NW向褶皺和斷裂、剪切帶組成[9]。區(qū)域性的大斷裂自北向南有欒川斷裂、瓦穴子斷裂、大河斷裂、松扒斷裂,老灣斷裂屬松扒斷裂南部的次級斷裂。區(qū)內(nèi)加里東期和燕山晚期巖漿巖較為發(fā)育,加里東期巖漿巖沿NW向斷裂和背斜構(gòu)造產(chǎn)出,呈不規(guī)則帶狀分布,以黃崗巖體和桃園巖體為代表[10],燕山期巖漿巖分布較為分散,主要由銅山巖體[11]、老寨山巖體、梁灣巖體、老灣巖體等組成[12-13]。

桐柏地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富,礦床類型多樣,空間上受NWW向背斜或剪切帶控制。代表性礦床有亂馬山螢石礦、條山鐵礦、破山銀礦、銀洞坡金礦、劉山巖VMS銅鋅礦、老灣金礦等[14]。

2 金礦帶特征

老灣金礦帶的賦礦巖性主要是中元古界龜山巖組(Pt2g)斜長角閃片巖、二云石英片巖,局部夾大理巖透鏡體。NWW向脆—韌性剪切帶為礦區(qū)的控礦構(gòu)造。

圖2 老灣金礦帶E10勘查線剖面Fig.2 No.E10 prospecting profile of Laowan gold re belt

老灣金礦帶全長30 km,寬2～3 km,發(fā)現(xiàn)金礦體221個,提交金資源量235 t,金平均品位5.36×10-6。礦石礦物主要是黃鐵礦和少量黃銅礦,礦石主要結(jié)構(gòu)可分為半自形晶—他形晶粒狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、填隙(充填結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu),礦石主要構(gòu)造類型為浸染狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造、蜂窩狀構(gòu)造、角礫狀構(gòu)造。目前礦床規(guī)模為超大型,預(yù)測資源量可達500 t[17]。

3 樣品采集與測試

本研究采取由淺到深的方式,對老灣金礦帶系統(tǒng)采集科學(xué)鉆探(ZKE1012)巖石地球化學(xué)樣品,基本采樣間距為5 m,對礦化蝕變部位進行加密取樣。在老灣花崗巖、老灣隱伏花崗巖中分別采集了112件、236件樣品。

樣品分析測試由具有甲級資質(zhì)的河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院巖礦測試中心完成,進行Au、Ag、Sn、As、Sb、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo等12個元素測試。分別采用AAnalyst800泡沫塑料富集-石墨爐原子吸收光譜儀對Au(檢出限0.000 3 ug/g),Optima8000電感耦合等離子發(fā)射光譜儀對Cu、Pb、Zn、W、Mo(檢出限分別為1.5、5、15、0.5、0.5 ug/g),AFS-3100雙道原子熒光光度計對As、Sb、Bi、Hg(檢出限分別為1、0.2、0.1、0.000 5 ug/g),N0800540交流電弧-發(fā)射光譜儀對Ag、Sn(檢出限分別為0.03、1 ug/g)元素進行分析測試,各元素分析結(jié)果報出率均為100%。

4 老灣花崗巖元素組合特征

4.1 元素豐度及其分布特征

巖石微量元素的豐度及其分布特征,除了反映地球化學(xué)特點之外,還提供元素可能富集成礦的重要信息。老灣花崗巖的金屬元素平均含量見表1。各類金屬元素中,Au、Ag、Sn、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo等元素的豐度高于中國二長花崗巖的平均值[18],對區(qū)內(nèi)金多金屬成礦有積極作用[19]。As、Sb的豐度與中國二長花崗巖的平均值接近一致。從各元素的分布特征來看,Au、Bi、Cu、Mo等元素的變異系數(shù)較大,在老灣花崗巖中離散程度較懸殊,分布不均勻,在局部聚集。Ag、Sn、Sb、Hg、Pb、Zn等元素的變異系數(shù)不大,在老灣花崗巖中活動趨于穩(wěn)定,分布較均勻。

表1 老灣花崗巖和老灣隱伏花崗巖的金屬元素豐度及分布特征Table 1 Abundance and distribution characteristics of metal elements in Laowan granites and hidden granites

4.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是利用元素間的相關(guān)系數(shù)來衡量各元素相關(guān)性和親和性的一種有效的方法[20]。從表2中可以看到,所有元素普遍相關(guān),其中Au與Sb高度負相關(guān);Au與Pb、W、Mo具有良好的正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)大于0.3,特別是與W相關(guān)系數(shù)最高,達到0.8;Ag與Bi、Cu、Pb具有較強的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)大于0.5;Sb與Pb、W、Mo呈現(xiàn)負相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均小于-0.3;Bi與Pb、Cu與Pb的相關(guān)性較強,相關(guān)系數(shù)分別約為0.67、0.42。

表2 老灣花崗巖地球化學(xué)元素相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix of geochemical elements in Laowan granite

4.3 R型聚類分析

R型聚類分析主要遵循“物以類聚”的原則將性質(zhì)相近的元素歸為一類[21]。本研究對12種元素做R型聚類分析研究,聚類方法采用組間連接,聚類結(jié)果顯示(表3和圖3),在相關(guān)系數(shù)0.2的水平,12種元素可分為5組,分別為Ag-Cu-Bi-Pb-Au-W-Mo-Zn、Hg、Sn、Sb、As;在相關(guān)系數(shù)0.5的水平,元素可分為8組,分別為:Ag-Cu-Bi-Pb、Au-W、Mo、Zn、Hg、Sn、Sb、As。

圖3 老灣花崗巖R型聚類分析譜系Fig.3 R-type cluster analysis pedigree in Laowan granite

表3 老灣花崗巖元素分類統(tǒng)計Table 3 Classification statistics of Laowan granite elements

W與Au密切相關(guān),與相關(guān)分析結(jié)果一致。Pb、Bi、Cu、Ag關(guān)系較為密切,相關(guān)性較強。Mo、Zn、Hg、Sn則表現(xiàn)出相對獨立的地球化學(xué)行為。R型聚類分析結(jié)果與相關(guān)性分析結(jié)果一致。

4.4 因子分析

因子分析可從眾多變量中提煉出起主導(dǎo)作用的變量因子,闡明各變量之間的關(guān)系、變量因子與地質(zhì)作用的關(guān)系,數(shù)據(jù)分析模型可作為地質(zhì)作用解釋的依據(jù)[22-23]。本研究利用主分量分析法,從112個樣品12種元素中提取出了3個主因子,其累計方差貢獻率為60.37%,可以認(rèn)為基本包含了原始變量的大部分信息。通過對因子載荷矩陣極大旋轉(zhuǎn),得到了正交旋轉(zhuǎn)載荷矩陣,見表4。

表4 老灣花崗巖R型因子分析正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 4 Orthogonal rotation factor loading matrix in R-factor analysis in Laowan granite

由表3可知:3個主因子分別為F1(Ag-Bi-Cu-Pb)、F2(Au-Sb-W)、F3(Zn-Mo)。即,Ag、Bi、Cu、Pb元素的富集受主因子F1控制,Au、W的富集以及Sb的貧化受主因子F2控制,Zn、Mo的富集受主因子F3控制。

5 老灣隱伏花崗巖元素組合特征

5.1 元素豐度及其分布特征

老灣隱伏花崗巖的金屬元素豐度和分布特征見表1。Au、Ag、Bi、Hg、Cu、Pb、W、Mo等元素的含量高于中國二長花崗巖的平均含量,尤其是Au、Bi、W、Mo等元素前者分別是后者的6.12、52、32、51倍,這一特征說明老灣隱伏花崗巖與區(qū)內(nèi)的金成礦關(guān)系密切,隱伏花崗巖具有Bi、W、Mo礦化。As含量約為中國二長花崗巖平均含量的1/4,Sn、Sb、Zn元素豐度與中國二長花崗巖平均含量基本一致。從分布特征看,Au、As、Sb、Bi、Hg、Cu、W、Mo等元素變異系數(shù)較大,在老灣隱伏花崗巖中分布不均勻,尤以Au、W、Mo元素的離散程度十分懸殊,其數(shù)值變化倍數(shù)高于2.2,在局部高度富集,形成金屬礦化。

巖石地球化學(xué)含量曲線(圖4)顯示,老灣隱伏花崗巖富集W、Mo、Bi等元素,局部存在強烈的鉬、鎢礦化。Mo在1 753.8～2 707.6 m富集,Mo含量大于100×10-6的累計厚度為51.3 m,最高值為348×10-6。在1 880.45～2 855.07 m發(fā)現(xiàn)3層鉬礦體,累計厚度為1.04 m,Mo品位為0.067%～0.075%;在2 240.89～2 855.07 m發(fā)現(xiàn)2層鉬礦化體,累計厚度為1.58 m,Mo品位分別為0.021%、0.016%。鉬礦(化)體賦存于隱伏中粗粒二長花崗巖中,礦石礦物為輝鉬礦、黃鐵礦,脈石礦物為石英、斜長石、鉀長石等。輝鉬礦呈亮灰色細脈狀、團塊狀、斑點狀分布于石英脈、花崗巖裂隙以及細晶正長巖脈中。黃鐵礦與輝鉬礦密切共生,黃鐵礦—輝鉬礦脈呈彎曲細脈狀,顯示張性性質(zhì)。W在1 821～2 899 m富集,W含量大于100×10-6的累計厚度為34.55 m,最高值為379×10-6。在1 886.41～2 307.47 m發(fā)現(xiàn)2層鎢礦化體,累計厚度為1.59 m,WO3品位分別為0.043%、0.063%。鎢礦化體賦存于隱伏中粗粒二長花崗巖中,白鎢礦在紫外線照射下呈紫蘭色,呈細脈狀、星點狀、浸染狀,主要分布于黃鐵礦—輝鉬礦—石英脈內(nèi)。

圖4 鉆孔ZKE1012綜合柱狀圖Fig.4 Comprehensive columnar profile of No.ZKE1012 drilling

5.2 相關(guān)性分析

從老灣隱伏花崗巖的元素相關(guān)系數(shù)矩陣(表5)可看出,Au與Bi相關(guān)系數(shù)為0.661 1,正相關(guān)性較好,老灣金礦帶金礦體也表現(xiàn)出Au與Bi具有高度相關(guān)性[24],說明區(qū)內(nèi)金成礦與老灣隱伏花崗巖關(guān)系密切,后者可能為金成礦提供了物質(zhì)來源。Ag與Sn、Bi、Hg呈弱相關(guān)性;Sn與Bi、Pb呈弱相關(guān)性;As與Sb相關(guān)系數(shù)為0.844 2,正相關(guān)性很強,在高溫條件下As與Sb混熔,地球化學(xué)行為相近,在巖漿作用中一起遷移沉淀;Bi與Hg相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)大于0.6;Cu與Mo呈弱正相關(guān)性,Pb與W具有弱負相關(guān)性。

表5 老灣隱伏花崗巖地球化學(xué)元素相關(guān)系數(shù)矩陣Table 5 Correlation coefficient matrix of geochemical elements in Laowan concealed granite

5.3 R型聚類分析

對老灣隱伏花崗巖12種元素進行R型聚類分析(圖5、表6),在相關(guān)系數(shù)0.2的水平,元素可分為5組,分別是Pb、Zn、As-Sb、Cu-Mo、Au-Bi-Hg-Ag-Sn-W;在相關(guān)系數(shù)0.5的水平,元素可分為9組,分別為Pb、Zn、As-Sb、Cu、Mo、Au-Bi-Hg、Ag、Sn、W。

圖5 老灣隱伏花崗巖R型聚類分析譜系Fig.5 R-type cluster analysis pedigree in Laowan concealed granite

表6 老灣隱伏花崗巖元素分類統(tǒng)計Table 6 Classification statistics of Laowan concealed granite elements

元素整體表現(xiàn)出高、中、低溫的分類特征,Pb和Zn內(nèi)生條件下它們關(guān)系密切,相伴出現(xiàn)。As與Sb關(guān)系密切。Cu與Mo關(guān)系密切,在燕山期花崗巖中,Mo常與Cu共生。在花崗質(zhì)巖石中Mo主要分散在淺色礦物中,斜長石中Mo含量可達(1.2～5)×10-6,斜長石晶格對Mo的加入有利,斜長石是淺色巖漿巖中Mo的富集礦物。Au、Bi、Hg元素關(guān)系密切,與相關(guān)性分析結(jié)果一致,進一步證明區(qū)內(nèi)金成礦與隱伏花崗巖關(guān)系密切。

5.4 因子分析

對老灣隱伏花崗巖12種元素進行因子分析,得到正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣(表7),根據(jù)分析結(jié)果可提取4個主因子,其累計方差貢獻達到61.17%,基本包含了原始變量的大部分信息。4個主因子分別為F1(Au-Ag-Bi-Hg)、F2(As-Sb)、F3(Pb-W)、F4(Cu-Mo)。

Au、Ag、Bi、Hg元素的含量主要受主因子F1控制;As、Sb元素含量主要受主因子F2控制;Pb、W元素含量主要受主因子F3控制,兩元素為負相關(guān)關(guān)系,隨著因子F3代表的地質(zhì)作用加強,Pb含量持續(xù)升高,W含量則持續(xù)降低;Cu、Mo元素含量主要受主因子F4控制。4個主因子分別代表了巖漿演化過程中不同的熱力學(xué)狀態(tài)、溫度、壓力條件等。

6 礦床成因與成礦機制研究

6.1 元素地球化學(xué)特征及其指示意義

從元素豐度來看,老灣花崗巖的Au、Ag、Sn、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo等10種元素含量高于中國二長花崗巖的平均值,As、Sb含量與中國二長花崗巖的平均值基本一致。老灣隱伏花崗巖體中8種元素高于中國二長花崗巖的平均值,As含量約為中國二長花崗巖平均值的1/4。從分布特征看,老灣花崗巖有4種元素變異系數(shù)高于100%,老灣隱伏花崗巖有8種元素變異系數(shù)高于100%,且后者的Au、W、Mo變異系數(shù)高于220%?？梢钥闯?兩巖體的元素含量與分布特征不同,老灣花崗巖的金屬元素含量普遍較高,但多數(shù)元素分布較均勻,巖體不發(fā)育礦化蝕變;老灣隱伏花崗巖多數(shù)元素含量較高,離散程度懸殊,特別是Au、W、Mo局部高度富集,形成鎢鉬礦(化)體。

從相關(guān)性分析結(jié)果來看,兩巖體的元素相關(guān)性特征差別較大,基本沒有相關(guān)性一致的元素對。老灣隱伏花崗巖表現(xiàn)出的Au與Bi高相關(guān)性特征,與老灣金礦體的這一元素特征一致,表明老灣隱伏花崗巖與金成礦關(guān)系密切,為金成礦提供了物質(zhì)來源[25-27]。Bi為親地核地幔元素,老灣金礦體中鉍礦物的出現(xiàn),指示成礦物質(zhì)具有深成源區(qū),與地?；蛘呱畈繋r漿活動具有較密切的關(guān)系,顯示了成礦物質(zhì)深成、幔源的成因信息[28-30],也間接指示了老灣隱伏花崗巖為幔源成因。

由R型聚類分析結(jié)果可知:在相關(guān)性系數(shù)0.2的水平,兩個巖體12種元素雖然都可分為5組,但各組元素的聚類方式完全不同。在相關(guān)性系數(shù)為0.5的水平,老灣花崗巖元素可分為8組,老灣隱伏花崗巖可分為9組,且兩巖體的元素聚類方式也完全不同。老灣花崗巖總體表現(xiàn)出元素組合無序的特征;老灣隱伏花崗巖的元素表現(xiàn)出高、中、低溫的分類特征,在巖漿結(jié)晶分異過程中,相容元素中的高溫組先于低溫組進入礦物晶格中[31],同一溫度區(qū)間的元素具有相同的地球化學(xué)行為和遷移特征。

從因子分析結(jié)果來看,老灣花崗巖的12種元素可提取出3個主因子,老灣隱伏花崗巖可提取出4個主因子,各主因子分別控制不同的元素組合,兩巖體提取的主因子互不相同,代表了不同的熱力學(xué)狀態(tài)、溫度、壓力條件等,反映出兩巖體經(jīng)歷了不同的巖漿演化過程。

6.2 礦床成因及成礦機制

老灣金礦受控于NWW向的老灣韌性剪切帶,剪切帶內(nèi)變形組構(gòu)多樣且變形標(biāo)志均較明顯。其中糜棱面理、S-C組構(gòu)、拉伸線理、分異條帶、旋轉(zhuǎn)碎斑系、脈體剪切變形和形態(tài)多樣的緊閉同斜褶皺等變形形跡廣泛發(fā)育。該剪切帶內(nèi)的脆性、脆—韌性斷裂構(gòu)造控制著金礦脈及礦體的展布,是主要的容礦構(gòu)造,具有典型的韌性剪切帶控礦特征。

氫、氧同位素特征顯示成礦流體主要來源于巖漿水和大氣降水,并經(jīng)歷早期以巖漿水為主、向晚期以大氣降水為主的演化;老灣金礦床的硫同位素組成具有深源巖漿硫的特征,硫的來源比較單一,均一化程度比較高;鉛同位素特征表明,鉛主要來源于與造山作用有關(guān)的深源,有少量殼源鉛的加入。前文研究已說明老灣金礦體Au與Bi具有高度相關(guān)性,成礦過程中富金鉍成礦流體的加入,指示有地幔源巖漿流體參與成礦過程。YANG等[15]對含金蝕變巖中熱液成因的金紅石、獨居石、磷釔礦等副礦物進行LA-ICP-MS U-Pb測年,獲得年齡分別為(120.0± 6.7)Ma、(125.0±2.4)Ma和(126.3±2.0)Ma,說明老灣金礦的成礦時間為早白堊世。

綜上所述,老灣金礦床的形成中,以地層具高背景分散金元素為基礎(chǔ),加入的深源幔源巖漿熱液提供了主要的金鉍物質(zhì)來源及流體,沿脆—韌性斷裂上升過程中與圍巖發(fā)生反應(yīng)混染殼源物質(zhì),生成大量硫化物、碲鉍化物并導(dǎo)致金的沉淀,隨著成礦深度降低,大氣降水加入,導(dǎo)致成礦作用結(jié)束。老灣金礦是處在秦嶺—大別造山帶構(gòu)造背景下,受早白堊世大規(guī)模巖漿活動影響的產(chǎn)物。

7 結(jié) 論

(1)元素豐度及分布特征、相關(guān)性分析、R型聚類分析、因子分析結(jié)果均說明,老灣花崗巖和老灣隱伏花崗巖具有不同的元素組合特征,后者具有幔源成因特點。

(2)老灣花崗巖、老灣隱伏花崗巖的多數(shù)元素豐度高于中國二長花崗巖的平均值。老灣花崗巖的元素分布較均勻,老灣隱伏花崗巖的元素分布離散程度較懸殊,Au、W、Mo局部高度富集,形成了鉬鎢礦(化)體。

(3)老灣隱伏花崗巖的Au、Bi具有高度相關(guān)性,受同一地質(zhì)因子控制,老灣金礦體也具有這一元素特征,表明老灣隱伏花崗巖與金成礦關(guān)系密切,為老灣地區(qū)金成礦提供了物質(zhì)來源。

(4)老灣金礦是處在秦嶺—大別造山帶構(gòu)造背景下,受早白堊世大規(guī)模巖漿活動影響的產(chǎn)物,深源幔源巖漿熱液為金成礦提供了主要的金鉍物質(zhì)來源及流體。