大冶市石头咀铜铁矿床原生晕地球化学特征及深部找矿预测

王 磊，杨伟卫，蔡恒安，宋玉龙，刘孟合，程俊鑫，孙 达

(湖北省地质局 第一地质大队,湖北 大冶 435100)

原生晕是元素因为自身的活动性及周围地质体的特性,在成矿地质作用过程中以渗滤、扩散、气相运移等方式,在矿体周围的地质体中形成的元素地球化学异常。通过研究赋存在矿体及其周围地质体中元素地球化学异常并用来指导找矿叫作原生晕找矿方法[1]。鄂东南矿集区是长江中下游成矿带的重要组成部分,其具有矿种齐全和厚度大、品位高的特点[2]。石头咀铜铁矿床位于矿集区内铜绿山矿田东部,该矿床西距铜绿山铜铁矿床约1.5 km,是典型的矽卡岩型铜铁矿。该矿床是在20世纪70年代,由原湖北省鄂东南地质大队所发现。目前,该矿床勘查及开采程度较高,已开拓至-720 m中段,但矿体深部延伸情况仍未得到控制。以往的地质勘查和科研工作集中在铜绿山铜铁矿床和鸡冠咀金铜矿床,石头咀铜铁矿床相关研究的文献和资料却较少。现今该矿床的深部找矿工作仍以“趋势外推法”结合钻探工程验证开展,而岩芯的原生晕测量数据没有得到充分的利用,缺少评价深部成矿潜力的有效方法。因而本文在详细分析矿集区及矿床地质特征的基础上,总结分析矿床原生晕特点,结合地质资料,预测成矿有利地段,为下一步深部勘查提供依据。

1 区域地质背景

鄂东南矿集区位于长江中下游最西端,扬子克拉通东北缘,北邻大别超高压变质带,由长阳—阳新断裂、襄樊—广济断裂和麻城—团风断裂所围限,并被长江深断裂横切[3]。

区内地层发育较为齐全,除中、下泥盆统和下石炭统缺失外,古生界—新生界地层均有出露,其中三叠系大冶群碳酸盐岩与区内铜铁矿关系最为密切[4]。区内构造从古生代以来可划分为加里东构造旋回、海西构造旋回、印支构造旋回、燕山构造旋回和喜山构造旋回[5],其中印支运动产生的北西—北西西向褶皱和断裂奠定了区内覆盖层的构造格架[6]。区内发育大面积的侵入岩和火山岩,岩浆岩的出露面积占全区23%,总面积5 100 km2。侵入岩包括六大岩体(图1),分别为鄂城、铁山、金山店、阳新、灵乡和殷祖岩体,另外还有100多个的花岗闪长斑岩、斑状闪长岩等小岩体[7]。石头咀铜铁矿所在的铜绿山矿田位于鄂城—大幕隆起带的轴部、姜桥—下陆断裂带的中段、大冶复向斜的南翼、阳新岩体的西北端,处于鄂东南三角形构造岩浆岩区的中部[8],成矿地质条件十分优越。

图1 鄂东南区域地质图Fig.1 Regional geological map of Southeast Hubei1.第四纪；2.白垩纪中期火山岩；3.晚三叠世—中侏罗世碎屑岩；4.寒武纪—中三叠世碳酸盐岩夹碎屑岩；5.白垩纪花岗岩；6.早白垩世早期花岗闪长斑岩；7.早白垩世早期石英闪长岩；8.铁矿床；9.铜矿床；10.铁铜矿床；11.金铜矿床；12.铜铁金矿床；13.铜钼矿床；14.钨铜矿床；15.钨铜钼矿床。

2 矿床地质特征

鄂东南矿区被第四系湖冲积层全掩盖,据工程揭露,第四系覆盖层下分布有大理岩且呈两种产出形态：一是被岩浆岩分割包围形成“舌状体”或称“捕虏体”,分布于矿区西部；二是与岩浆岩成反“S”型陡倾斜覆盖于岩浆岩之上,形成矿区中部以东的大规模大理岩。

构造主要为接触带构造。从岩浆岩的分布形态可明显的看出,岩浆岩侵入受到北西303°和北东20°两组断裂构造所控制,形成复杂的接触构造,控制矿体的空间形态、产状等,尤其是沿接触带处的断裂—侵入复合带是成矿最有利部位,部分单铜、单铁矿体充填于接触带附近碳酸盐岩地层的层间破碎带内,形成与主矿体相平行的小铜矿体或铁矿体。

本区岩浆岩为阳新岩体的一部分,阳新岩体形态复杂,为向深部逐渐扩大的巨大岩基。岩体长40 km,宽4～7 km,出露面积约215 km2,是鄂东南地区出露规模最大的侵入岩体。岩体与围岩呈侵入接触且四周均向外陡倾。该岩体为多期次(阶段)侵入的复式岩体,由多种岩石类型组成。主体岩性为中—细粒石英闪长岩,往中心过渡为中粒石英闪长岩[9]。

矿体主要赋存于石英闪长岩与大理岩接触带部位,矿体的空间分布、形态和产状严格受北西向接触带(伴随有破碎带)和破碎带控制,且以前者为主。主矿体均分布在断裂—侵入接触带内,矿体长900 m(3～20勘探线),倾向北东,倾角40°～85°。矿床主要由7个铜铁矿体(铁矿体)和1个辉钼矿体组成,矿体赋存标高+36～-900 m。其中Ⅰ号矿体规模最大,占矿床资源储量的90%。

Ⅰ号矿体(图2)产于阳新岩体北缘石英闪长岩与大理岩的断裂—接触复合带内,走向北西310°,局部随接触带的形态变化出现分支复合。剖面上矿体沿接触带呈反“S”形分布,在岩体凸入围岩或围岩伸入岩体内的大理岩捕虏体接触带矿体厚度增大,局部陡倾接触带部位,矿体厚度减小或尖灭,形成自上而下沿断裂—侵入接触带分布的7个分支矿体,单个矿体倾向延长50～550 m,矿体厚1.43～100 m,埋藏标高+36～-900 m,自西向东侧伏。矿石类型以铜铁矿石为主,次为铁矿石、铜矿石,有少量的钼矿石(图3)。矿体的中心多为铁矿石和铜铁矿石,钼矿石多分布于接触带近岩体一侧,铜矿石多分布于铜铁矿石的外部近大理岩一侧或大理岩的层间破碎带内。

图2 石头咀矿区Ⅰ号矿体剖面、中段矿体立体图Fig.2 Section and middle section stereogram of No.1 orebodyin Shitouzui mining area1.石英闪长岩;2.大理岩;3.铜铁矿体;4.中段标高;5.线号及位置。

图3 石头咀矿区各类型矿石Fig.3 Various types of ores in Shitouzui mining area

矿石结构主要有自形—半自形晶粒状、他形粒状、固熔体分离、胶状、鳞片状、压碎和交代等结构。矿石构造主要为浸染与细脉浸染状、块状、脉状、角砾状和条带状等构造。根据岩矿鉴定及人工重砂样等综合统计,本矿区共有矿物60余种,铜矿物有黄铜矿、斑铜矿、孔雀石、辉铜矿等；铁矿物有赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿等；钼矿物主要有辉钼矿；脉石矿物有方解石、白云石、透辉石、蒙脱石、石英、长石等。

3 样品及分析方法

本次对石头咀矿区深部12个钻孔(共589件样品)进行了全孔原生晕取样分析,样品依岩性、蚀变、破碎程度不同分段采取,样长一般5～10 m。分析检测Au、Cu、Ag、As、Sb、W、Mo、Zn、Pb、Co、Ni、Ba等12种元素。其中,Cu、Pb、Zn、Co、Ni、Ba 6种元素用等离子光谱法(ICP-AES)定量分析；As、Sb 2种元素采用原子荧光光谱法(AFS)定量分析；W、Mo 2种元素采用极谱法(POL)定量分析；Au元素采用化学光谱法(ES)定量分析；Ag元素采用光谱深孔电极(ES)定量分析。分析检测单位为湖北省地质局第一地质大队实验室。

4 原生晕地球化学分析

4.1 背景值和异常下限的确定

元素背景值反映的是一个区域地质体中元素含量的平均水平,也是计算元素异常下限基础参数。“迭代法”是目前应用最为广泛求解背景值和异常下限的计算方法,具有可操作性强且计算结果能较好反映矿区的基本地球化学特征,计算程序为：①求原始数据样本的均值以及标准离差S,运用(n=1,2,3……)进行检验,只保留数值介于+nS和-nS之间的原始数据,生成一个新的样本数据库；②继续计算新样本库,得到新的均值和标准离差,按照上述方法进行检验,保留数值介于+nS和-nS之间的数据,再生成一个新的样本数据库；③循环上述操作,直到剩下的数据X都满足-nS≤X≤+nS停止运算；④用这次数据样本的均值代表元素的背景值,均值加上n倍的标准离差代表元素的异常下限[10]。

本次工作选用了无矿化蚀变的205件中酸性岩浆岩样品和228件大理岩样品综合计算了元素的背景值和异常下限,结果见表1。

表1 石头咀矿床元素背景值及异常下限值归纳表Table 1 Element background value and anomalylower limit value of Shitouzui deposit

4.2 原生晕异常分析

元素异常浓度分带标准是圈定原生晕异常和评价异常强弱的依据。浓度分带标准一般定为三个级别,即外带、中带、内带。外带以元素异常下限为临界值,中带和内带一般以外带的2倍和4倍为临界值[11]。石头咀矿床元素原生晕异常的浓度分带见表2。

表2 石头咀矿区14勘探线元素浓度分带表Table 2 Element concentration zoning of exploration line 14in Shitouzui mining area

依据各元素分带标准,在矿体厚度较大的14线利用Surfer软件绘制石头咀铜铁矿床各元素的原生晕异常剖面图(图4)。

4.2.1成矿指示元素

Cu元素是本矿床最主要的成矿元素,主要集中在-800～-950 m,其元素异常分布范围也是最广的,异常的浓集中心与矿体空间位置基本吻合,-1 000 m以下的微小串珠状异常也有矿体与之对应,-800～-900 m之间的内带异常较强且未封闭,可能指示剖面左侧仍有矿体延伸。Au元素在14勘探线剖面是与Cu套合最好的元素,除浓度较Cu异常弱外,Au具有更好的分带性。据前人研究成果,Ag除了以独立矿物存在外,还在透辉石、石榴子石等矽卡岩矿物以及磁铁矿、赤铁矿、黄铜矿、斑铜矿辉铜矿等金属矿物中富集[12]。在本区,Ag元素异常分布在14线剖面中部,其异常的浓集中心和矿体空间位置较为吻合,但强度较小,元素异常集中在-850～-950 m之间,在-1 000 m下的深部,Ag元素又出现了小范围的异常。Zn元素分布具有范围小而异常连续的特点,异常主要出现在-800～-950 m,异常的分布和矿体分布较为接近,表现出成矿指示元素的特征。Zn不仅具有亲硫性还具有亲铁性,所以Zn的内带异常区域代表了铜矿和铁矿的富集。

图4 石头咀矿区14线钻孔原生晕剖面对比图Fig.4 Profile comparison graph of primary haloes of 14 lines in Shitouzui mining area1.石英闪长岩；2.大理岩；3.矽卡岩；4.石英闪长岩；5.大理岩；6.矽卡岩；7.铜铁矿矿体；8.钻孔编号；9.地质界线；10.取样位置及编号。

4.2.2近矿指示元素

Ba元素在矿体外围的围岩中出现了元素异常,特别是岩体一侧表现出高浓度异常,这和很多矽卡岩矿床的地球化学异常特征相似[13]。这是因为Ba主要以Ba2+形式存在,离子半径(0.135 nm)和K(0.138 nm)很接近,且Ba-O,K-O电负性差也非常接近,这导致Ba易于在岩浆岩中以类质同象的方式占据K在造岩矿物中的位置。含钾矿物是Ba的主要富集矿物,在矽卡岩化、围岩蚀变过程中,K2O迁出,其含量逐渐降低,随着K的带出,因为Ba和K相似的地球化学行为,Ba也被带出形成了近矿部位的低值带[14]。根据Ba这一特性以及元素异常特征,在矽卡岩铜矿勘查时可以将Ba的连续低值区作为一个成矿的评价指标。

Co、Ni的元素异常分布范围较大,Co元素以-850 m异常浓度最高,Ni元素的浓集中心位于-800 m处,Co、Ni元素的异常主要形成在近矿部位。Co和Ni具有较强的亲铜、亲铁性,而该矿床是以成铜、成铁作用形成的Cu(Fe)硫化物矿床,因此Co是主要的伴生元素,其异常的分布范围主要也是矿化的范围。

Mo元素异常范围呈串珠状不连续,多集中在靠近岩体一侧,Mo一般认为是尾晕元素,重心应该在矿体的下部,但本区的矿床在矿上或者矿前缘也可能出现Mo的原生晕异常浓集中心,这是因为该区矿床上方钾化、钠化、黄铁矿等蚀变比较发育,而Mo在这些蚀变中比较富集,符合Mo元素在热液成矿作用中的地球化学行为。在成矿热液中,K2MoS4和Na2MoS4是Mo元素的主要迁移形式。随着物化条件的改变,K、Na元素析出,在围岩中形成钾化和钠化,其含量降低,Mo元素便以MoS2形式沉淀下来,在矿体外围形成异常或单独成矿[15]。因此,本矿床中Mo的元素异常不能直接作为尾晕的标志,必须结合地质事实以及其他元素异常综合分析。

4.2.3前缘指示元素

Sb元素在异常剖面图中分布范围较小且异常较弱,As元素从-720 m到深部-1 000 m都出现了异常,且As元素的异常未封闭。根据前人对于原生晕找矿法的研究[11],以及该方法在鄂东南地区的应用,As和Sb元素普遍作为前缘指示元素存在,此次研究发现As和Sb元素在剖面深处矿体尖灭处又出现了高浓度异常,根据“反分带”准则,前缘指示元素出现在序列下部,或者典型尾部指示元素出现在序列上部,说明已知矿体为多个矿体叠加形成的结果,尾部发育的前缘异常则说明在深部可能存在一定潜力[16]。

Pb元素异常特征表现为异常范围狭窄,在矿上出现内带异常。热液作用过程中,Cu和Pb矿化类型相近,可以同时存在于一个矿床中,也可能分别富集,Pb相比较于Cu,其富集偏向于较低温度,加上它们亲硫性的差别,Cu、Pb常出现一定的分带性,铜趋向于更深处,而铅趋向于浅部与外围[17]。Pb、Mo、Ba等元素与围岩蚀变钾化和钠化也有关,因为Pb2+和Ba2+易于和K+、Na+替换形成类质同象,成岩成矿过程中,K、Na析出形成钾化和钠化围岩蚀变,Pb、Ba等进入造岩矿物晶格的几率增大而使它们在钾化、钠化带中富集。因此Pb的元素异常常表现出前缘晕的特征。

4.2.4其他元素

W元素异常分布符合矿体的形态分布但浓度较弱。W具有较强的亲铁性,其内带异常反映了磁铁矿或者赤铁矿等铁氧化物的富集,大量矽卡岩铜矿床的异常特征研究也显示,W为矿床深部或矿体尾部指示元素,但往往与近矿元素异常叠加。

综上所述,初步研究认为石头咀矿区成矿指示元素为Cu、Au、Ag、Zn,近矿指示元素为Ba、Mo、Co、Ni,前缘指示元素为As,Sb,Pb。

5 深部找矿预测

5.1 钻孔原生晕特征对深部找矿的指示

根据14线剖面钻孔原生晕特征(图4),Cu、Au、Ag等成矿指示元素浓度中心呈串珠状分布,且在矿体末端浓度依然较强,因此,在已知矿体深部可能存在下一个浓度中心；As元素作为前缘指示元素,在矿体末端亦出现浓度再次聚集现象。结合地质资料成果(KZK1404钻孔在240.47～249.91 m未含铜磁铁矿矿石,累计见矿体厚度9.44 m),预测14线深部还存在较厚大矿体,也说明Ⅰ号主矿体沿倾向可以继续延伸,在深部控制深度有望突破-1 000 m。走向上,主接触带深部Ⅰ号主矿体已延伸至17线(KZK1701见矿体厚度11.32 m),而19线、22线浅部的情况与17线非常相似,也发育尖灭再现的Ⅰ号矿体,因此在其深部很可能出现Ⅰ号主矿体走向上的延伸(图5)。

图5 石头咀矿区各剖面对比及找矿预测图Fig.5 Profile comparison and prospecting prediction graph ofShitouzui mining area1.第四系;2.闪长岩;3.石英闪长岩;4.大理岩;5.矽卡岩;6.铜铁矿矿体;7.铜矿体;8.预测矿体。

5.2 矿区北部接触带远景评价区

矿区北部的北东向接触带,长450 m,周边岩体和围岩分别为石英闪长岩和嘉陵江组碳酸盐地层,此接触带形态与产状,类似矿区10～15线间反S型陡倾斜接触构造,倾向东,上部倾角约80°,一般已控制到-350～-650 m标高,最深达-700 m标高,但均未控制到下接触带,且深部拐弯处接触带倾向不明,根据前期钻孔资料,矿石类型为含铜磁铁矿矿石和单铜矿石,与矿区中东部的10～15线相似,且地表存在原生晕Cu异常及重力梯度带,据此推断本区在-700 m标高以下深部接触带是成矿有利部位。

6 结论

(1) 石头咀铜铁矿床为一典型矽卡岩矿床,铜铁矿体主要赋存于断裂—侵入接触带内,矿体产出形态及位置严格受接触带控制,接触带与破碎带重合处对成矿最有利。

(2) 通过与地质剖面对比,Cu、Au、Ag、Zn 4种元素异常分布范围广,浓度分带发育,具有明显的以矿体为浓集中心的浓度梯度分带,异常形态或分布与矿体套合较好,是较好的成矿指示元素；Ni、Co、Ba、Mo元素异常主要集中在矿体前缘和矿上,符合近矿指示元素的特征；Pb、As、Sb为前缘指示元素。

(3) 根据14线剖面钻孔原生晕特征结合钻孔资料成果,认为14线深部还存在较厚大矿体, Ⅰ 号矿体在深部存在“台阶状”形态规律,在矿区深部北东方向继续对 Ⅰ 号矿体走倾向进行追索和控制,寻找台面,追索台斜,进而发现新的台面、台斜,能够进一步扩大找矿空间。