斑岩型铜矿的地球化学特征及在矿产资源勘查中的作用

斑岩型铜矿的地球化学特征及在矿产资源勘查中的作用

岩铜矿床是世界上最重要的铜矿床，占世界铜矿总面积的55%左右，也是中国最重要的铜矿床之一。其铜合金矿床的储量占中国铜储量的35.53%，在各种资源储量中排名第一，是中国铜金属生产中最重要的开采对象。近年来,我国铜矿资源的需求量持续增加,迄今为止,铜金属消费量有30%~40%的缺口需要靠进口补足,因此,发现并探明更多的铜矿资源,尤其是斑岩型铜矿,具有重要的经济和战略意义。世界三大主要斑岩型铜矿带——古亚洲带(北部成矿域)、环太平洋带(东部成矿域)和特提斯—喜马拉雅带(西南部成矿域)都贯通我国地域,因此,在我国找寻斑岩型铜矿具有广阔的的前景。我国于20世纪70年代兴起“斑岩型铜矿热”,并取得许多重大进展。随着地表矿和近地表矿的日趋减少,找矿难度越来越大,可以预见,勘查地球化学在矿产勘查中的作用将变得至关重要。勘查地球化学继承了运用地质方法观察矿化露头或矿化引起的蚀变标志,随后进行直接找矿的传统,并借助分析技术,将辨认矿化直接信息的能力提高了数千、数万倍。笔者试图从勘查地球化学方面对斑岩型铜矿的研究现状、勘查指标进行总结,并简要介绍斑岩型铜矿的最新研究进展。1斑岩型铜矿的概念斑岩型铜矿的突出特点是矿石矿物呈浸染状产出,品位较低,分布均匀,但规模巨大,产出较浅,适于露采,经济效益高。在矿山环境、技术条件有利时,铜品位达0.3%~0.2%的矿石亦可开采利用。20世纪初,美国宾厄姆铜矿的开发,开拓了研究、勘查和利用该类型矿床的先河。1918年,W·H·艾孟斯首次提出“斑岩型铜矿床”这一术语。此后,F·L·兰塞姆、W·林格伦等学者对这类矿床的成矿条件和地质特征进行了研究总结,至40年代末,“斑岩型铜矿”作为一种工业类型被肯定下来。“斑岩型铜矿”的原意是指产于强烈绢云母、石英化中酸性斑岩里的细脉浸染型铜矿,由于该类矿床的矿化并非都产于斑岩体内,考虑到其名字的连贯性和完整性,将全部或部分矿体产于中酸性(斑)岩体(部分矿体产于围岩中)的铜矿床均称为斑岩型铜矿。随着研究的不断深入,“斑岩型铜矿”的概念由单纯的地质描述逐渐上升到地球化学层面,表述为:与中酸性斑岩体相关,并具有钾、氢蚀变矿物晕和铜、钼、银、铅、锌、硫地球化学晕的岩浆期后中—高温热液形成的细脉浸染状硫化物铜(钼)矿床。从概念的演变可以看出,未来的找矿,勘查地球化学将占据愈来愈多的比重。2角岩矿地质和地球化学特征2.1斑岩型铜矿成矿带斑岩型铜矿床在时间、空间、成因上均与斑状结构的中酸性浅成或超浅成小侵入体有关,出露面积一般小于1km2,矿化多集中在岩体顶部,岩体形态复杂,岩株、岩筒状对成矿较有利。斑岩铜矿的成矿时代主要集中在新生代(约占46.6%),其次是中生代(约占6.1%)。斑岩型铜矿的围岩主要为硅铝质岩(如千枚岩)和碳酸盐岩。当围岩为硅铝质时,形成斑岩型和(热液)脉型组合,如美国大型的比尤特铜矿;当围岩是碳酸盐岩时,形成矽卡岩型和斑岩型组合,如丰山洞铜矿;当碳酸盐岩层与硅铝质岩层的岩性分界面有利于成矿热流体渗透时,有可能形成层控块状硫化物矿;当斑岩型、矽卡岩型和层控块状硫化物矿出现于同一矿床或矿田中,则被许多地质工作者称之为“三位一体”或“多位一体”,如城门山铜矿。据芮宗瑶等对我国21个斑岩型铜矿成矿带的研究,斑岩型铜矿带的展布方向和延伸直接受深大断裂控制。另外,斑岩型铜矿床与构造复合、区域火山活动及区域侵入活动都有十分明显的关系,而矿化(体)的形态、大小、范围明显受接触带及由断裂引起的网脉状、脉状微裂隙的控制,尤其微裂隙的大量出现直接控制着蚀变及矿化程度。裂隙发育的空间范围越大、越密集,蚀变越强烈,金属矿化的强度就越高。含矿斑岩体的一个重要特征,是在矿体外围发生规律性蚀变,蚀变范围可达几百米到几千米,并具有明显的分带性。关于分带模式的研究论述较多,其中J·D·Lowell等在美国卡拉马祖矿床上建立的矿化蚀变模式得到了广泛承认,并在找矿中发挥了实际效用。综合来看,自岩体中心向外,理想的分带模式包括:①钾化带(黑云母—钾长石化带);②石英—绢云母化带(又称千枚岩化带、似千枚岩化带);③泥化带(高岭石—蒙脱石化带);④青磐岩化带(绿泥石—绿帘石—方解石化带)。这4个带在一个矿床中不一定都存在,可以是其中某一两个带特别发育。我国大部分斑岩型铜矿泥化带不发育。石英—绢云母化带是斑岩型铜矿主要赋存部位,一般在地表均有出露,该带可进一步分为石英—绢云母化、石英—绢云母—水白云母化、伊利石—水白云母化等亚类,如富家坞铜矿。与蚀变相一致,斑岩型铜矿在矿化和矿石结构上也呈现出较明显的分带性。自外向内表现为:含金、银的黄铁矿、方铅矿、闪锌矿,或磁铁矿、镜铁矿、重晶石大脉→脉状、细脉状黄铁矿→细脉浸染状黄铁矿、黄铜矿→浸染状黄铜矿、辉钼矿。这种水平分带不仅表现在同一矿床上,而且也常常反映在一个矿区或矿田上,构成所谓斑岩型铜矿的“卫星矿”,因此,广义的斑岩型铜矿包括Cu、Cu—Mo、Cu—Au、Cu—Pb—Zn—Ag等类型。2.2含矿岩体地球化学特征近年来,国内外普遍注意利用岩体的地球化学特征进行岩体的含矿性评价,有关研究成果如下:据游志成研究,wCu>100×10-6、0.11<(wFe+wMg+wCa)/(wSi+wK+wNa)<0.17、0.2<wRb/wSr<0.5、wCu/wW>2可用于指示成矿斑岩体,反之则为非成矿斑岩体。另据研究,含矿花岗岩体以很低的wBa/wRb比值为特征,斯洛伐克和蒙古的一些资料显示,无矿花岗岩的wBa/wRb较含矿花岗岩高50~80倍。朱炳球等研究了我国几个主要斑岩铜矿区含矿岩体与无矿岩体中Cu的频率分布型式,发现含矿岩体的分布型式通常呈双峰,而无矿岩体一般为单峰。刘英俊等将岩体中Li、Rb、Cs、Sr、Ba、F的平均含量投影到Li、Rb、Cs—Sr、Ba—F组合的三角图中,发现典型含矿岩体的投影点集中在F—Li、Rb、Cs一边。蒋耀辉等对玉龙斑岩铜矿含矿与非含矿斑岩元素地球化学特征的对比研究发现,斑岩体全岩中F和Cl含量、wK2O/wNa2O、wSm/wYb以及黑云母中wFe3+/wFe2+值是区分含矿与非含矿斑岩的重要地球化学参数(含矿斑岩中wF>1200×10-6,wCl>150×10-6,非含矿斑岩则相反;含矿斑岩中wK2O/wNa2O>1.2,非含矿斑岩<1.2;含矿斑岩wSm/wYb>6.5,非含矿斑岩<6.5;含矿斑岩wFe3+/wFe2+>0.7,非含矿斑岩<0.7)。关于副矿物的研究发现,与斑岩型铜矿有关的金红石含铜量达(100~500)×10-6,呈红色特征,其他成因的金红石含铜量不超过50×10-6。这种金红石中(wCr+wV)/(wNb+wTa)很高,其他成因的金红石该比值很低。与斑岩型铜矿有关的磷灰石富含Cl、F、La、Ce,如Cl含量可达0.7%~2.5%,而其他岩体Cl含量则小于0.02%%~0.21%。与斑岩型铜矿相伴生的黄铁矿,Se含量大多都高于Te,甚至高出5~10倍。蚀变分带是斑岩型铜矿重要的地质特征,它作为地球化学响应,在岩体周围发生一系列地球化学分带现象,范围比蚀变更宽阔,而且一直延伸到毗邻的未蚀变区。简单来看,从强蚀变到弱蚀变,SiO2、K2O含量明显降低,FeO(或TFe)、CaO、MgO含量显著增加;Cu、Mo、Ag含量显著降低,Pb、Zn、Mn含量增加。而且,元素的含量变化与一定的蚀变带相联系,如石英绢云母化带普遍有SiO2、K2O和Cu、Mo、Ag的高含量,青磐岩化带FeO(或TFe)、CaO、MgO和Pb、Zn、Mn的含量普遍较高。由于Rb和Sr在地球化学上与K和Ca相关,因此蚀变带本身可以通过K、Ca、Rb、Sr含量的变化可靠地反映出来,其矿化作用的特征是K和Rb富集而Ca和Sr贫化,从无矿到矿化,wK/wRb减小而wRb/wSr有增大趋势。关于矿化元素的分带性,国内外研究资料很多,规律趋近。从岩体内向外,黄崇轲等归纳为Mo—Cu→Mo(Au)→Cu—S→(Au)—(Pb、Zn、Ag);从矿化中心向外,G·J·S·戈维特等概括为Cu→(S、Mo)→Zn。这2种分带模式,一个始于岩体,一个始于矿体,前者内容比较丰富,后者相对精简一些,但主体内容一致。3斑岩铜地球化学分析3.1斑岩型铜矿化探活动加强了地球化学的研究勘查地球化学自20世纪30年代诞生以来,为全球矿产发现作出了决定性的贡献,其中之一是从20世纪30年代一直延续到70年代,在前苏联和北美发现斑岩型铜矿。如前苏联1932~1933年间利用岩屑采样在中亚Almalyk地区发现巨型Kalmakyr和Balikti斑岩型铜矿,这是世界首个被报道的地球化学找矿成功实例。前苏联另一个重大发现是利用水系沉积物和土壤测量方法在远东Baimsky地区发现巨型Peschanka斑岩型铜金矿。加拿大于1968年在环太平洋带的育空地区发现了Casino斑岩型铜矿,这是北美首个利用地球化学方法寻找斑岩型铜矿的实例,使用的方法是水系沉积物和土壤测量。我国早在20世纪50年代末就开始应用地球化学方法进行斑岩型铜矿的普查评价工作,其中,土壤测量对富家坞铜矿的发现和评价起了重要作用,水化学测量发现了朱砂红盲矿,而沙溪铜矿自发现以来,始终坚持把化探资料作为找矿和布钻的重要依据。70年代中后期,地质部物探所和桂林地质所几乎同时对斑岩型铜矿进行了地球化学方面的研究,这一举措进一步推动了全国斑岩型铜矿化探工作的发展。20世纪80年代以后,世界斑岩型铜矿找矿仍有不断发现,较大的如智利埃斯康迪达斑岩铜矿床、印度马兰杰坎德斑岩铜矿床、菲律宾勒班陀“远东南”富金斑岩铜矿床、加拿大米利根山斑岩金铜矿床等。在这些矿床的发现过程中,有一些成功运用了地球化学方法,如智利埃斯康迪达铜矿勘查中,水系沉积物测量显示了较好的地球化学异常,这些异常沿控制了第三纪斑岩铜矿西侧的裂隙断层分布;加拿大米利根山斑岩金铜矿床则是用地表传统找矿配合化探和物探方法找到的。这期间我国斑岩型铜矿的找矿虽有进展,如长江中下游某些矽卡岩铜矿床中伴有斑岩型铜矿化,但没有发现规模大、条件好、可供开采的斑岩铜矿床。国内斑岩铜矿地球化学勘查更多集中在对已知矿床的深层次研究。如黄恩邦等对城门山铜矿进行了矿床地质、成矿地球化学和稳定同位素地质等系统研究,建立了“三位一体”的成矿模式;吴承烈等从矿床—矿田—矿带的角度对国内若干斑岩铜(钼)矿进行了研究,建立了斑岩型铜(钼)矿地质—地球化学勘查模型;朱炳球等研究总结了国内若干斑岩铜(钼)矿原生地球化学异常特征及评价标志;秦克章等研究发现斑岩热液蚀变过程中主岩和围岩的稀土元素具有互补性,证实了热液对流的存在,铕亏损对斑岩铜矿化具指示意义。3.2元素方法的研究斑岩型铜矿地球化学勘查的常规方法主要有岩石、土壤和水系沉积物测量等,非常规方法很多,如元素存在形式法、卤素找矿法以及地植物测量等。过去几十年,土壤和水系沉积物测量在西方国家矿产勘查中发挥了重大作用,已找到的大部分矿床都是借助于这2种方法发现的(据美国地调所)。对于斑岩型铜矿,水系中Cu、Mo异常延伸距离一般都在4km以上,水系沉积物测量时,每平方公里范围内取样1~2个则不会漏掉矿体。E·L·罗伯特(1972)和J·斯诺浦等(1979)指出,土壤测量Au是寻找斑岩型铜矿有效的勘查指标。岩石测量能很好反映成矿作用前后元素的分散、聚集情况,揭示成矿的地质、地球化学控制因素,为地质、物探和其他化探方法的综合运用、资料解释提供最可靠的基础,前苏联对该方法一直给予高度重视,并取得了良好的找矿效果。元素存在形式法、热磁地球化学法、部分提取金属法等均属相量化探方法,是以研究不同相态元素与隐伏金属矿床之间的内在联系而发展起来的一系列找矿方法。据文献介绍,这些方法可在厚覆盖层(厚度达150m)和厚基岩(厚度达500m)条件下寻找到金属矿(500m以上)。这些方法最为突出的优势在于它们可在不同地貌、气候(如永久性冻土、沼泽、酸性和半酸性景观等),不同成分、年龄的疏松盖层(如冰碛层、黏土、砂层等)条件下发挥作用。20世纪70、80年代,壤中汞气测量被广泛用于矿产勘查,这是因为大部分矿体与构造断裂关系密切,尤其斑岩型铜矿。众人皆知的破裂裂隙事件,足以导致明显的汞气异常。1979年原地质部物探所在公婆泉斑岩型铜矿的测汞试验显示,壤中汞气异常与铜的原生晕异常均与矿体分布方向一致,而前者异常范围比后者窄,却与矿体在地表的投影更为吻合。卤素找矿方法是利用原生晕或次生晕指标去追踪和发现矿体的一种方法,这种方法是前苏联学者提出的。H·H·Tpoфимови等人(1989)在“碘——哈萨克斯坦隐伏斑岩铜矿的标志”一文中明确指出,“在用于普查埋藏矿化和深埋矿化的指示元素中,碘具有头等重要的意义”。另据B·A·Cудов(1982)报道,I原生晕由矿体向上可达500~1000m,Br由几十米到200~300m。美国亚利桑那州的斑岩铜矿查明了I和Br的原生晕;国内安徽沙溪斑岩型铜矿床地表岩石卤素测量发现,在盲矿体群前缘和其旁侧相应部位,有断续的氟、碘异常显示。水化学、地植物测量等方法常作为一种辅助手段使用。水化学测量可以在水体发育的多种景观区应用,如风成砂覆盖区、高寒山区等。李清等在呼伦贝尔半干旱草原区进行的水化学测量,在乌努格吐山和头道沟等大型斑岩铜钼矿床上方均发现较好的Cu、Mo、Pb、Zn异常,面积大,形态规整,具有明显浓集中心。杨少平等在西藏驱龙斑岩铜矿区进行的水化学测量,元素组合及其分布模式显示出比较典型的斑岩铜矿床的异常模式。“铜草”(海州香薷)作为铜矿指示植物,于1951年首次发现于安徽。此后,地植物测量被列为一种找矿方法。近年来,地植物测量经常被应用于森林覆盖率低、受风沙干扰的戈壁荒漠、湖泊沉积和厚土覆盖区,如宋慈安、潘小菲等在北山公婆泉斑岩铜矿开展的植物地球化学找矿试验研究。3.3异常性质和异常评价3.3.1化学异常研究在地球化学异常特征中,异常面积、异常强度、异常元素组合是非常重要的表述参数。根据水系沉积物测量资料,一个大型斑岩铜矿田,其异常面积可由几十到几百km2。对矿区而言,一个具有一定规模的斑岩型铜矿床,Cu异常面积一般大于1km2(指土壤或岩石地球化学异常),邵跃认为至少在0.2km2以上(指原生异常)。一般来说,主成矿元素Cu、Mo的含量直接反映了地表矿化强度,原生异常wCu>300×10-6,wMo为(n~10n)×10-6时,对找矿具重要意义;土壤中Cu异常平均含量达150×10-6以上就值得重视。邵跃认为,原生异常凡出现内带浓度的地段,经地表检查,一般能发现与该元素有关的矿化,在内带异常区,一般能发现具工业品位的矿化(体)存在。朱训等通过对德兴斑岩铜矿的研究得出以下规律性认识:①面积达数10km2的Cu、Mo、Au、Ag、Pb、Zn、Mn、Ba等多元素组合而成的区域面状异常,是寻找矿田和矿床的良好标志;②蚀变矿化区内,当地表有Pb、Zn、Hg、Mn、Ba等异常和Cu、Mo、Ag弱异常,面积达0.5~1km2,且组分分带不甚清楚时,深部有隐伏铜矿体的远景;③矿体范围内,地表出现Rb、W、Bi、Ti、Ni、Co异常,Cu、Mo、Au、Ag异常浓度高,面积大于0.5km2,且Mn为负异常,元素组分分带和浓度分带明显,是矿体已剥露地表的标志;④当矿床中Cu、Mo、Ag异常浓度较高,但Cu、Ag异常规模较小,Mo异常浓度更高,并伴有W、Sn、Rb、Sr异常时,显示矿床已被剥蚀到根部。欧阳宗圻等对斑岩型铜矿床地球化学异常模式的研究也获得了类似的认识。斑岩型铜矿床的原生晕较之其他成因类型内生矿床的原生晕具有更明显的三度空间组分分带性,黄书俊等按其空间形态将之分为钟状和背斜状理想分带模式。结合国内情况,欧阳宗圻将这2种分带模式直接概括为富家坞式和沙溪式。吴承烈、朱炳球等则根据异常规模、异常与矿体的空间关系和级次、异常元素的组合特征等,将与斑岩铜矿有关的原生地球化学异常划分为矿带异常模型、矿田异常模型、矿床异常模型和矿体异常模型。这4种模型在空间上具同一性,在组分上具重现性。3.3.2元素比值wacu、wco、wag/wmo异常评价包括区分矿与分散矿化、辨认矿化类型、推断剥蚀程度等内容。A·H·克里夫佐夫(1985)将斑岩型铜矿分为斑岩钼矿、含金斑岩铜—钼矿、含金斑岩钼—铜矿、斑岩金—铜矿,其矿石成分中wCu/wMo分别为<20、20~45、45~200、>200。朱炳球等将之归并为斑岩型钼矿、斑岩型铜钼矿和斑岩型铜矿,异常组分中wCu/wMo分别为<2、2~10、>10,比值降低一个数量级,但对应的不同矿化类型,其变化梯度依然很明显。根据这种特征,再结合主要伴生元素异常,可以较快辨认出矿化类型。wCu/wMo同样可用于推断斑岩铜矿床剥蚀程度,比值变化分别对应于矿下、矿体内、矿上等不同位置,类似的比值还有wCu/wCo、wCu/wPb、wCu/wZn等。元素比值研究基于原生晕元素分带理论,若结合矿石品位、高程建立起回归方程,还可计算出矿体自地表向深部的延伸距离,指导深部寻找盲矿。此外,运用元素比值还可以推测矿液流动方向,格里戈良等(1976)在原苏联撒隆雷切库斑岩铜矿床上研究原生晕时发现,Ag异常在矿体前上方变宽,而Mo异常在矿体后下方变宽,故指出,可运用Ag和Mo原生晕分布态势以及wAg/wMo来判定缓倾斜矿体的头部和尾部,以确定矿液可能的流动方向。多种元素综合异常的指示作用是异常评价中运用较多的一种方式,如某铜矿利用Ag、As、Zn、Bi在矿区的特殊意义指导找矿,当Ag、As、Zn、Bi综合异常出现时,指示矿体就在异常的下部;当只出现Ag、Bi异常时,盲矿体很可能在异常的侧方或离矿体较近;当只出现Zn、As异常,说明异常离矿体还比较远。朱炳球等研究认为,Cu异常中伴有明显的Au、Ag异常时,一般是铜工业矿体的标志;而Cu的分散矿化异常中一般无明显的Au、Ag异常。关于分散矿化,阮天健等指出其具有如下特点:①异常规模小;②没有明显浓集中心,浓度分带不明显;③元素组合相对比较简单;④不具明显的指示元素垂直分带性,在不同的深度上都有矿上元素和矿下元素出现。4斑岩铜地球化学勘探标记斑岩型铜矿地球化学找矿标志前人总结了很多,下面就适合于我国寻找斑岩型铜矿的一些典型标志进行阐述。4.1控矿元素及含矿部位Cu、Mo、Ag、Pb、Zn、Co是斑岩型铜矿的主要成矿元素和伴生元素,Cu、Mo、Ag是最直接、最主要的指示元素,Pb、Zn、Co是远程指示元素;F、Cl、S是携带剂,也是重要的远程指示元素;Si、K、Na、Sr、Rb、Ba是控矿元素及伴生元素,反映蚀变强度;K2O带入最高的部位指示了矿体赋存部位;Ti、Mn为活化转移元素,来自围岩,带出负异常反映强蚀变带,并指示赋矿部位,带入正异常则是矿体的远程指示。4.2速有效的方法分散流是普查寻找斑岩型铜矿远景区或含矿岩体的一种快速有效的方法。当分散流异常出现了以Cu、Mo异常为中心,外围有Pb、Zn、Co异常呈环状或半环状分布模式时,则有把握在Cu、Mo异常范围内找到矿化斑岩体。4.3wf3+wge2o+wrae1.2Cu、Mo、Ag等浓度克拉克值为(2~10)×10-6;wF>1200×10-6,wCl>150×10-6;wCu/wW>2;wK2O/wNa2O>1.2;0.11<(wFe+wMg+wCa)/(wSi+wK+wNa)<0.17;0.2<wRb/wSr<0.5;wSm/wYb>6.5;黑云母中,wFe3+/wFe2+>0.7;黄铁矿中,wSe≫wTe,甚至高出5~10倍。以上指标可用于指示成矿斑岩体,反之则为非成矿斑岩体。4.4cu、mo异常区斑岩型铜矿床的地球化学异常分带模式中,不同标高水平切面的异常分带特点是评价异常的主要依据和标志。盲矿体:无明显分带,Cu、Mo异常强度低,规模小;在Cu、Mo异常范围内有Pb、Zn、Mn、Ba等异常;异常区的岩体有青磐岩化或弱绢云母化。中等剥蚀:元素组分分带和浓度分带明显,中心是Cu、Mo、Ag强异常,伴有高K、低Mn(Mn的负异常);外围Pb、Zn、S、As等异