刘 彬, 王学求

长江中下游及邻区水系沉积物和岩石铜元素分布特征及铜地球化学省成因研究

刘 彬1, 王学求2, 3*

(1. 河北地质大学 资源与环境工程研究所, 河北 石家庄 050031; 2. 自然资源部地球化学探测重点实验室, 中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所, 河北 廊坊 065000; 3. 联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心, 河北 廊坊 065000)

利用水系沉积物地球化学数据, 以Cu含量大于32×10–6为边界在长江中下游及邻区圈定出面积大于1000 km2的铜地球化学省6个。为识别该区铜地球化学省的成因, 对水系沉积物和岩石中Cu的分布特征以及铜地球化学省与矿集区的空间对应关系进行了剖析。结果表明, 铜矿集区往往产出于具有3层套合结构的铜地球化学省内部, 铜矿集区与铜地球化学省的浓集中心存在空间对应关系。研究区铜地球化学省主要包括三种成因类型, 分别为: 由成矿作用及后期的风化分散作用引起、由高背景地层引起和由高背景地层和成矿作用及后期风化分散作用共同引起。该认识对于缩小找矿靶区, 提高找矿精度和效率起到较大的促进作用。

长江中下游; 水系沉积物; 岩石; 铜地球化学省

自然界存在着一系列地球化学模式, 根据规模大小可将其划分为<100 km2的局部异常、100～1000 km2的区域异常、1000～10000 km2的地球化学省、10000～100000 km2的地球化学巨省和100000～ 1000000 km2的地球化学域(Xie and Yin, 1993; 王学求, 2001)。在勘查地球化学经典著作中, 地球化学省这一概念是指在地壳相对较大范围内时代不同、类型多样的一套岩石, 这套岩石具有与地壳背景明显不同的化学组分, 这个省可以提供具有相当经济意义的初始勘查靶区(Hawkws and Webb, 1962; Rose et al., 1979)。20世纪80年代以来, 随着一批大规模地球化学填图计划的开展, 积累了大量地球化学数据并绘制了众多的地球化学空间分布图, 上述工作的开展使得利用地球化学填图来定量表示地球化学省成为了可能。Xie and Yin (1993)对地球化学省这一概念重新赋予了新的内容, 并将其面积限定在1000～10000 km2的范围。地球化学省的形成与多种地质因素有关, 如高背景岩石、成矿作用对元素的富集作用以及成矿后元素的分散作用(王学求等, 2013a; Ye et al., 2014)。

近年来众多研究者以中国的区域化探全国扫面计划(RGNR)数据为基础, 借助地球化学省或地球化学块体理论, 研究成矿元素的空间分布与矿集区的空间对应关系(王学求和谢学锦, 2000; 谢学锦等, 2002; 刘大文和谢学锦, 2005; 王学求等, 2007, 2013b;刘雪敏等, 2012; 徐善法等, 2012; 徐善法和王玮, 2012), 掀起了对地球化学省研究的热潮。刘雪敏等(2012)系统阐述了华南陆块铜地球化学块体与成矿省的关系。徐善法和王玮(2012)对长江中下游及邻区不同尺度Cu地球化学异常的应用及大型矿床预测作了详细研究, 认为不同比例尺的地球化学异常可以应用于不同规模(大型矿床、矿区、矿集区)的资源预测。王学求等(2013b)利用1∶20万水系沉积物数据系统制作了华南陆块Cu、Pb、Zn、W、Sn和Au六个主要成矿元素的1∶250万地球化学空间分布图, 并详细分析了每个元素巨量聚集的空间分布特征及各自产出的地质背景。对元素分布特征的研究不仅有助于洞察地质作用过程中成矿物质的分异和就位机制, 同时可以圈定成矿物质富集区的分布范围和边界, 为找矿提供有效信息。

长江中下游地区是我国铜、铁、金等多金属矿产资源的重要产地, 其中以铜矿资源最具特色, 分布有鄂东南、九瑞、安庆‒贵池、庐枞、铜陵、宁芜和宁镇7大矿集区, 产出各类金属矿床200余处, 矿床类型以内生(层控)矽卡岩型、斑岩型(玢岩型)和热液脉型为主。前人在该区做过地球化学省相关的研究(刘雪敏等, 2012; 徐善法和王玮, 2012; 王学求等, 2013b), 但缺乏岩石地球化学数据支撑。本次研究首次将覆盖长江中下游及邻区的水系沉积物地球化学数据与岩石地球化学数据相结合, 利用水系沉积物地球化学数据圈定的铜地球化学省的特征, 分析铜地球化学省与铜矿集区和背景岩石的关系, 以期分析铜地球化学省的成因, 为找矿提供参考。

1 区域地质背景

长江中下游多金属成矿带位于华北板块和扬子板块汇聚地带边缘的陆内部分, 北侧为襄樊‒广济断裂和郯庐断裂, 南缘为阳兴‒常州断裂(图1)。该区受特提斯构造域、古太平洋构造域和深部壳幔作用过程共同控制(常印佛等, 1991; 翟裕生等, 1992; 周涛发等, 2008)。

研究区地层从前寒武系至第四系均有分布。其中, 太古宙‒元古宙以及新元古代变质基底在区内零星出露, 而寒武纪‒早三叠世碎屑岩和碳酸盐岩以及侏罗纪‒白垩纪陆相火山岩夹碎屑岩在区内分布较广。矿床主要赋存于石炭系‒三叠系中(毛景文等, 2009; 高林志等, 2010)。

研究区NNE向断裂最发育, 明显控制着该区岩浆活动和矿床的分布。同时, 区内也分布有EW和NW向断裂。不同方向断裂的交汇部位对成矿作用最有利(常印佛等, 1991; 翟裕生等, 1992)。

区内岩浆活动较强烈, 岩浆岩主要形成于145～120 Ma之间, 主要由三个系列组成, 分别为高钾钙碱性系列、橄榄安粗岩系列和碱性花岗岩系列(常印佛等, 1991; 周涛发等, 2008, 2011; Li et al., 2012)。与成矿作用关系最密切的是中酸性岩浆岩,其形成与壳幔相互作用有关(王元龙等, 2001; Li et al., 2008; 周涛发等, 2008, 2011, 2012)。

该区成矿作用主要集中于145～130 Ma(董树文等, 2011)。矿床类型多样, 发育以下矿化类型: 与高钾钙碱性岩系有关的矽卡岩‒斑岩型铜矿化; 与橄榄安粗岩系有关的玢岩铁矿型矿化; 与A型花岗岩有关的氧化物‒铜‒金(铀)矿化; 与岩浆活动关系不明显的金‒锑‒铅‒锌矿化(周涛发等, 2012)。目前已发现5个铜矿集区: 鄂东南矿集区、九瑞矿集区、安庆‒贵池矿集区、铜陵矿集区和宁镇矿集区。

2 数据来源及分析方法

水系沉积物数据来源于中国1∶20万区域化探全国扫面计划(Regional Geochemistry-National Reconnaissance Project, RGNR), 共选取覆盖长江中下游及邻区的75259个水系沉积物数据。以水系沉积物作为采样介质, 采样密度为每平方千米1个样, ４个相邻样品组合成１个分析样品, 共测试了39种元素。有关水系沉积物采样及分析方法见Xie et al. (1997)。岩石地球化学数据来自中国地球化学基准计划 (China Geochemical Baselines, CGB), 共选取覆盖研究区的岩石地球化学数据433件。以相当于1∶20万网格大小的80 km×80 km作为中国基准网格, 系统采集不同时代的沉积岩、变质岩和岩浆岩样品, 共测试了76种元素(王学求等, 2010; Wang and the CGB Sampling Team, 2015)。

由于采样密度过大, 在成图之前, 首先对原始水系沉积物地球化学数据进行了求平均值处理, 使得每个1∶25000图幅(大约1个平均值/100 km2)取一个平均值, 共获得2253个新的组合地球化学数据(图2)。

3 结果和讨论

3.1 铜地球化学省的空间分布

铜地球化学省分布图的编制在GeoChem Studio 1.5软件中完成(高艳芳等, 2015, 2016, 2017), 离散数据网格化采用距离幂函数反比加权, 搜索半径25 km。利用不同的色阶来表示不同的异常等级, 采用85%累计频率作为Cu地球化学省的异常下限(32×10–6), 色阶分级采用92%、98%累计频率表示。共圈定出面积>1000 km2的铜地球化学省6个, 分别以Cu1、Cu2、Cu3、Cu4、Cu5和Cu6表示(图3), 各铜地球化学省的参数指标见表1。由图3可知, 研究区铜地球化学省往往具有多层套合结构, 即局部异常被区域异常包裹, 区域异常又被更大规模的地球化学省包裹的区域地球化学分布模式(王学求等, 2013a)。与此同时, 研究区Cu矿床与铜地球化学省之间关系密切, 已发现的所有Cu矿集区和绝大多数大型Cu矿床都产出于铜地球化学省范围内(图3), 该结论与徐善法和王玮(2012)、刘雪敏等(2012)的研究成果基本一致。各铜地球化学省的特征描述如下:

(1) 大冶‒九江铜地球化学省(Cu1): 位于研究区西部的大冶‒九江一带, 面积为6760 km2。该异常范围内寒武系‒第四系均有出露, 其中以下三叠统大冶群为主; 岩性主要为碳酸盐岩, 次为页岩、泥岩、砂岩等碎屑岩。鄂东南地区绝大多数Cu储量(91%)和Au储量(96%)与大冶群灰质白云岩、白云质灰岩等碳酸盐岩有关。Cu1异常具有3层套合结构, 两处明显的异常浓集中心分别对应鄂东南、九瑞两大铜矿集区。典型矿床包括鄂东南矿集区的铜绿山大型矽卡岩型Cu-Co-Mo矿床、铜山口中型斑岩‒矽卡岩复合型Cu-Mo矿床、鸡冠咀中型矽卡岩型Cu-Co-Mo矿床; 九瑞矿集区的武山大型斑岩‒矽卡岩型Cu矿床和城门山大型斑岩‒矽卡岩型Cu-Zn-Mo矿床。

图1 长江中下游及邻区地质简图(据刘彬等, 2020修改)

图2 长江中下游及邻区水系沉积物组合样点位图

(2) 安庆‒铜陵铜地球化学省(Cu2): 位于研究区中部的安庆‒铜陵一带, 面积达5978 km2。异常范围内寒武系‒第四系均有出露, 以古生界为主, 泥盆系‒三叠系是成矿的有利部位。岩性主要为页岩、粉砂岩、细砂岩、石英砂岩和碳酸盐岩。与Cu多金属矿床关系密切的岩体多呈小岩株产出, 多为中酸性钙碱性岩石。与Cu1类似, Cu2异常同样具有3层套合结构, 具有两处明显的异常浓集中心, 分别产出有安庆‒贵池矿集区和铜陵矿集区。典型矿床包括安庆‒贵池矿集区的铜山中型矽卡岩‒斑岩型Cu矿床, 铜陵矿集区的铜官山大型矽卡岩型Cu矿床和冬瓜山大型矽卡岩型Cu矿床。

(3) 马鞍山‒南京铜地球化学省(Cu3): 位于研究区东北部的马鞍山‒南京一带, 面积为3611 km2。该地区震旦系‒第四系均有出露, 岩性以碳酸盐岩、细碎屑岩为主, 少量火山碎屑岩。区内从基性岩至酸性侵入岩均有出露, 以中酸性侵入岩分布面积最广, 约占侵入岩总面积的80%。该异常具有3层套合结构, 宁镇矿集区产于该异常内。产出的典型矿床为安基山中型矽卡岩‒斑岩型Cu-Pb-Zn-Mo矿床。

(4) 东至‒绩溪‒宁国‒开化铜地球化学省(Cu4): 位于研究区东南部的东至‒绩溪‒宁国‒开化一带, 面积为13602 km2。开化‒绩溪一带出露新元古代‒早古生代地层, 其中震旦系‒寒武系尤为发育, 岩性为海相含碳质硅质岩‒白云质砂岩‒碳质粉砂岩及碳质灰岩等。在褶皱轴部有燕山早期I型中酸性‒酸性浅成小岩体侵入, 岩性以黑云母花岗岩‒黑云母二长花岗岩‒花岗闪长岩为主。该异常具有2层异常套合结构, 未见明显的异常浓集中心, 迄今为止没有发现大型铜矿床, 产出有东至县兆吉口Pb-Zn多金属矿床和祁门大型W-Mo多金属矿床, 开化‒绩溪一带产有潘家小型Cu-Zn矿床, 以及新发现的3处矿产地。

(5) 修水‒武宁铜地地球化学省(Cu5): 分布于研究区西南部的修水‒武宁一带, 面积为4990 km2。出露中元古代和震旦纪地层, 发育元古宙晋宁期花岗闪长岩、华力西晚期花岗岩和燕山早期花岗岩。该异常具有3层套合结构, 见一处异常浓集中心, 异常浓集中心产出一处热液型铜矿床。

图3 长江中下游及邻区Cu地球化学异常空间分布图

表1 长江中下游及邻区铜地球化学省统计参数

(6) 德兴铜地球化学省(Cu6): 分布于德兴以北地区, 面积1146 km2。出露新元古代、古生代和中生代地层。岩性主要为变余细‒粗粒杂砂岩、条带状板岩、片岩、片麻岩夹基性火山熔岩。中侏罗世和晚侏罗世侵入岩体广泛出露, 岩性主要为黑云二长花岗岩和花岗闪长斑岩, 燕山早期浅成小型花岗闪长斑岩与成矿作用密切相关。Cu6异常具有明显的3层套合结构, 见1处异常浓集中心。产出有著名的德兴斑岩型铜矿田, 矿床类型主要为斑岩型和斑岩‒次火山岩型, 代表性矿床有铜厂大型Cu-Mo矿床、富家坞大型Cu-Mo矿床、朱砂红大型Cu-Mo矿床和银山中型Cu-Pb-Zn矿床。

由铜地球化学省与大型矿床/矿集区之间的空间对应关系可以看出, 研究区大型铜矿床/矿集区往往产于铜地球化学省的内部, 产出有大型矿床/矿集区的铜地球化学省往往具有3层套合结构, 且具有明显的异常浓集中心, 大型矿床/矿集区与异常浓集中心存在空间对应关系。

3.2 岩石中Cu元素的分布特征

研究区岩石Cu地球化学分布图的编制在Mapgis 6.7中完成, 采用20%、40%、60%、80%百分位数的分级方法, 利用不同色阶表示岩石中Cu元素的含量级次。研究区岩石Cu地球化学空间分布见图4。

长江中下游及邻区各构造单元不同时代地层和侵入岩中Cu含量分布特征见表2。中位值能够大致反映地质体中元素的背景含量, 各时代地层中, 仅有奥陶系和志留系Cu的中位值(分别为17.09×10–6, 27.74×10–6)高于中国东部上地壳Cu丰度(17×10–6) (鄢明才等, 1997; 迟清华和鄢明才, 2007)。华北克拉通内所采集到的各时代地层样品中Cu的中位值均低于中国东部上地壳Cu丰度。大别造山带除石炭系具有较高的Cu的中位值外(30.02×10–6), 其余地层Cu的中位值均低于中国东部上地壳Cu丰度。华夏地块Cu的中位值较高的是太古宇、元古宇和寒武系, 第三系仅有一个样品, 代表性不强。扬子克拉通Cu的中位值较高的是新元古界和志留系, 分别为25.15×10–6和27.74×10–6。

图4 长江中下游及邻区岩石Cu地球化学分布图

研究区铜地球化学省全部分布于扬子克拉通。对扬子克拉通不同岩性的岩石中Cu含量进行统计, 结果见表3。其中, 泥岩的Cu平均值(36.09×10–6)和中位值(35.04×10–6)最高, 较高的Cu平均值和中位值还出现在新元古代浅变质岩(34.92×10–6、33.49×10–6)、粉砂岩(33.69×10–6、29.55×10–6)和硅质岩(34.80×10–6、29.19×10–6)中。中酸性岩和碳酸盐岩中Cu含量较低, 平均值分别为9.18×10–6和5.51×10–6,中位值分别为6.48×10–6和3.59×10–6。

研究区铜矿床主要产于3个层位, 分别为上石炭统黄龙组(C2)、二叠系、中下三叠统东马鞍山组(T2)和大冶组(T1), 这3个层位的主体为碳酸盐岩(常印佛等, 1991)。而扬子克拉通碳酸盐岩中Cu含量较低(3.59×10–6), 因此, 这3个层位在成矿过程中主要提供容矿空间, 对矿体中Cu的贡献微乎其微。

表2 长江中下游及邻区各构造单元不同时代地层和侵入岩Cu含量分布特征(×10–6)

备注: N. 样品数;. 基性岩; γ. 中酸性侵入岩; Ar. 太古宇; Pt. 元古宇; Є. 寒武系; O. 奥陶系; S. 志留系; D. 泥盆系; C. 石炭系; P. 二叠系; T. 三叠系; J. 侏罗系; K. 白垩系; R. 第三系; －表示无样品点。

表3 扬子克拉通不同岩性Cu含量分布特征

3.3 水系沉积物和岩石Cu含量对比研究

为保证水系沉积物和岩石数据对比的准确性, 本节所涉及的水系沉积物数据为未经求平均值处理的原始数据。研究区水系沉积物和岩石Cu含量统计参数见表4。整个研究区水系沉积物与岩石Cu的中位值分别为21×10–6和10.18×10–6, 二者比值为2.06。究其原因, 可能与岩石采样尽量避免受蚀变与矿化影响的样品, 而水系沉积物样品可能含有矿化或矿体的风化产物有关。

长江中下游及邻区水系沉积物和岩石Cu含量的频率直方图(图5)显示, 水系沉积物和岩石的Cu含量均大致呈对数正态分布, 水系沉积物Cu含量主要集中于百分位数25%～75%这一区间, 而岩石中Cu含量在该区间内较为分散。岩石中Cu含量未见下部异常值, 仅有一个上部异常值, 这与岩石采样过程中尽量避免在接触带、蚀变带等部位采样有关。水系沉积物中Cu含量有一定数量的下部异常值和大量的上部异常值(图6), 这与图3中圈定的6个铜地球化学省以及该地区的Cu成矿作用密切相关。

地表分布的一系列套合的地球化学模式受多种地质因素的制约, 如高背景岩石、成矿作用对元素的富集作用以及成矿后元素的分散作用(王学求等, 2013a; Ye et al., 2014), 即这种大规模的地球化学异常可能是某些特定地质单元富含某种或某几种元素的反映, 也可能由大型矿集区或一系列大小不等的矿床经后期风化分散作用而展现出来(王学求和谢学锦, 2000)。

表4 长江中下游及邻区各构造单元水系沉积物和岩石Cu含量分布特征

图5 长江中下游及邻区水系沉积物和岩石中Cu含量的频率直方图

图6 长江中下游及邻区各构造单元水系沉积物和岩石中Cu含量箱图

扬子克拉通各时代地层中, 新元古界和志留系的Cu背景值较高, 分别为25.15×10–6, 27.74×10–6, 其他各时代地层Cu含量均较低。圈定的6个铜地球化学省中, Cu1、Cu2和Cu3范围内分布的地层Cu背景值较低, Cu4、Cu5和Cu6范围内出露有大面积Cu含量较高的新元古代地层; 同时, Cu1、Cu2、Cu3、Cu6范围内产出有铜矿集区, Cu5范围内产出有小型铜矿床。通过剖析每个铜地球化学省内部出露地层的Cu背景含量以及铜矿床的分布情况, 得出以下认识: Cu1、Cu2和Cu3与地层无关, 而主要由发生于145～135 Ma的岩浆‒构造活动和伴生的铜成矿作用及后期的风化分散作用引起; Cu4主要由高背景地层引起; Cu5和Cu6由高背景地层和成矿作用及后期风化分散作用共同引起。本文在前人研究成果的基础上, 识别出了每个铜地球化学省的具体成因类型。地球化学省能够为找矿提供初始靶区, 有效识别地球化学省的成因类型, 对于缩小找矿靶区、提高找矿精度和效率起到较大的促进作用。

4 结 论

(1) 以Cu含量大于32×10–6为边界, 在长江中下游及邻区圈定出面积大于1000 km2的铜地球化学省6个, 所有Cu矿集区和绝大多数大型Cu矿床均产出于铜地球化学省范围内。产出有大型矿床/矿集区的铜地球化学省往往具有3层套合结构, 大型矿床/矿集区与浓集中心存在空间对应关系。

(2) 扬子克拉通Cu背景值较高的地层为元古宇和志留系, 而上石炭统黄龙组、二叠系和中下三叠统3个主要赋矿层位主体为Cu背景值较低的碳酸盐岩, 因此, 这3个层位在成矿过程中主要提供容矿空间, 而对于矿体中Cu的贡献微乎其微。

(3) 长江中下游及邻区铜地球化学省可归结为3种成因类型, 分别为由成矿作用及后期的风化分散作用引起、由高背景地层引起、由高背景地层和成矿作用及后期风化分散作用共同引起。

致谢:合肥工业大学周涛发教授和另一位匿名审稿专家对本文提出了非常宝贵的修改意见与建议, 表示由衷的感谢！

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Distribution of Copper in Stream Sediments and Rocks and Genesis of Copper Geochemical Provinces in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River and its Adjacent Areas, China

LIU Bin1, WANG Xueqiu2, 3*

(1.Institute of Resource and Environmental Engineering, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, Hebei, China; 2. MNR Key Laboratory of Geochemical Exploration, Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, Hebei, China; 3. UNESCO International Centre on Global-scale Geochemistry, Langfang 065000, Hebei, China)

Six copper geochemical provinces, each with area of over 1000 km2, are delineated in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River and its adjacent areas on the basis of a threshold value of 32×10–6for the stream sediments. To reveal the genesis of the copper geochemical provinces in this region, the distribution of copper in stream sediments and rocks as well as the spatial relationship between the copper geochemical provinces and ore districts were analyzed.The copper ore districts usually occur within the copper geochemical provinces with a three-layered structure, and the copper ore districts are situated in the concentrated center of the copper geochemical provinces. There are three genetic types of the copper geochemical provinces in the study area, which are caused by (1) mineralization and later weathering and dispersion, (2) strata with high copper background values, and (3) strata with high copper background values and mineralization and later weathering and dispersion.This understanding is useful in narrowing the prospecting target area and improving the accuracy and efficiency of prospecting.

the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River; stream sediment; rock; copper geochemical province

P612; P595

A

1001-1552(2022)04-0744-011

2021-01-12;

2021-09-18

河北省科技重大专项(19057411Z)、国家重点研发计划项目(2016YFC0600600)和地质调查计划“化学地球”大科学计划“全球地球化学填图”(121201108000150005)联合资助。

刘彬(1990–), 男, 博士, 助理研究员, 主要从事应用地球化学研究。E-mail: 13488156587@163.com

王学求(1963–), 男, 研究员, 从事勘查地球化学与地球化学基准值研究。E-mail: wangxueqiu@igge.cn

10.16539/j.ddgzyckx.2022.04.004