基于科学钻探技术的老湾金矿带金成矿机制研究

2023-02-23陈建立陈英男魏从玲

金属矿山 2023年1期

陈建立郭鹏陈英男赵焕魏从玲

(1.河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院,河南郑州 450001;2.桂林理工大学地球科学学院,广西桂林 541004;3.桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西桂林 541004;4.河南省地质研究院,河南郑州 450001)

近年来,科学钻探技术发展迅速,被誉为“观测地球内部的望远镜”。我国是继前苏联、德国后第3个实施超过5 000 m科学钻探的国家,相继实施了多个大陆科学钻探项目,取得了令人瞩目的成果[1-2],在固体矿产勘查领域也取得了好的效果。例如,西藏甲玛铜矿实施科学钻探3 003.33 m,在深部揭露到厚达234.34 m的角岩型铜钼矿体和厚度超过298 m的矽卡岩型铜钼金银矿体,矿床规模突破大型,并详细揭示了陆陆碰撞造山背景下斑岩成矿系统的精细结构[3]。还有,川西花岗—伟晶岩型锂矿通过实施3 211.21 m科学钻探,建立了与锂矿成矿相关的多学科地壳锂柱[4]。可以说,科学钻探是揭示深部成岩成矿规律的重要窗口,具有重要的现实科学意义。

老湾金矿带位于桐柏造山带中部,成矿地质条件优越,找矿成果丰硕,2016年在该带发现了老湾特大型金矿床,2020年被控制为超大型[5-7]。为了进一步探索老湾金矿带的深部控矿条件、成矿规律及富矿成因机制,2021—2022年本研究课题组对老湾金矿带实施了3 006.42 m科学钻探,获得了丰富的地质数据;而且在深部还发现了隐伏花岗岩体,其在空间上与老湾花岗岩体紧密伴生,两者的矿物成分相近。总体来说,科学钻探技术首次在桐柏造山带得以应用,效果显著,同时,也将对秦岭—大别山造山带甚至我国固体矿产勘查技术创新起到了很好的引领和借鉴作用。

本研究基于最新的科学钻探数据对桐柏地区老湾金矿带的岩体地球化学特征进行了详细分析,对区内元素分布规律、成矿物质来源、成矿规律、矿床成因、成矿机制等进行了系统总结,为下一步实现更大的找矿突破提供指导。

1 区域地质背景

老湾金矿带位于秦岭—大别造山带的中部桐柏造山带,以商丹断裂为界,划分为南秦岭和北秦岭。北秦岭自北向南依次出露宽坪岩群(Pt2K)变火山岩、二郎坪群(Pz1er)变火山—沉积岩、歪头山组(Pt3w)变火山—沉积岩、秦岭岩群(Pt1Q)变火山—沉积岩;南秦岭自北向南依次出露龟山岩组(Pt2g)变火山—沉积岩、南湾组(Dn)碎屑沉积岩、肖家庙组(Pz1x)构造混杂岩、桐柏杂岩(PtTxog)(图1)。龟山岩组位于商丹断裂(桐柏段称为松扒断裂)和老湾断裂之间,主要出露岩性为斜长角闪片岩、二云石英片岩、大理岩等,是老湾金矿带的赋矿层位[8]。

图1 秦岭—大别造山带构造特征及桐柏地区区域地质特征[15]Fig.1 Structural characteristics of Qinling-Dabie orogenic belt and regional geological characteristics of Tongbai area

桐柏地区构造体系主体由NW向褶皱和断裂、剪切带组成[9]。区域性的大断裂自北向南有栾川断裂、瓦穴子断裂、大河断裂、松扒断裂,老湾断裂属松扒断裂南部的次级断裂。区内加里东期和燕山晚期岩浆岩较为发育,加里东期岩浆岩沿NW向断裂和背斜构造产出,呈不规则带状分布,以黄岗岩体和桃园岩体为代表[10],燕山期岩浆岩分布较为分散,主要由铜山岩体[11]、老寨山岩体、梁湾岩体、老湾岩体等组成[12-13]。

桐柏地区矿产资源丰富,矿床类型多样,空间上受NWW向背斜或剪切带控制。代表性矿床有乱马山萤石矿、条山铁矿、破山银矿、银洞坡金矿、刘山岩VMS铜锌矿、老湾金矿等[14]。

2 金矿带特征

老湾金矿带的赋矿岩性主要是中元古界龟山岩组(Pt2g)斜长角闪片岩、二云石英片岩,局部夹大理岩透镜体。NWW向脆—韧性剪切带为矿区的控矿构造。

图2 老湾金矿带E10勘查线剖面Fig.2 No.E10 prospecting profile of Laowan gold re belt

老湾金矿带全长30 km,宽2～3 km,发现金矿体221个,提交金资源量235 t,金平均品位5.36×10-6。矿石矿物主要是黄铁矿和少量黄铜矿,矿石主要结构可分为半自形晶—他形晶粒状结构、碎裂结构、填隙(充填结构)结构、交代残余结构、镶嵌结构,矿石主要构造类型为浸染状构造、块状构造、蜂窝状构造、角砾状构造。目前矿床规模为超大型,预测资源量可达500 t[17]。

3 样品采集与测试

本研究采取由浅到深的方式,对老湾金矿带系统采集科学钻探(ZKE1012)岩石地球化学样品,基本采样间距为5 m,对矿化蚀变部位进行加密取样。在老湾花岗岩、老湾隐伏花岗岩中分别采集了112件、236件样品。

样品分析测试由具有甲级资质的河南省地矿局第一地质勘查院岩矿测试中心完成,进行Au、Ag、Sn、As、Sb、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo等12个元素测试。分别采用AAnalyst800泡沫塑料富集-石墨炉原子吸收光谱仪对Au(检出限0.000 3 ug/g),Optima8000电感耦合等离子发射光谱仪对Cu、Pb、Zn、W、Mo(检出限分别为1.5、5、15、0.5、0.5 ug/g),AFS-3100双道原子荧光光度计对As、Sb、Bi、Hg(检出限分别为1、0.2、0.1、0.000 5 ug/g),N0800540交流电弧-发射光谱仪对Ag、Sn(检出限分别为0.03、1 ug/g)元素进行分析测试,各元素分析结果报出率均为100%。

4 老湾花岗岩元素组合特征

4.1 元素丰度及其分布特征

岩石微量元素的丰度及其分布特征,除了反映地球化学特点之外,还提供元素可能富集成矿的重要信息。老湾花岗岩的金属元素平均含量见表1。各类金属元素中,Au、Ag、Sn、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo等元素的丰度高于中国二长花岗岩的平均值[18],对区内金多金属成矿有积极作用[19]。As、Sb的丰度与中国二长花岗岩的平均值接近一致。从各元素的分布特征来看,Au、Bi、Cu、Mo等元素的变异系数较大,在老湾花岗岩中离散程度较悬殊,分布不均匀,在局部聚集。Ag、Sn、Sb、Hg、Pb、Zn等元素的变异系数不大,在老湾花岗岩中活动趋于稳定,分布较均匀。

表1 老湾花岗岩和老湾隐伏花岗岩的金属元素丰度及分布特征Table 1 Abundance and distribution characteristics of metal elements in Laowan granites and hidden granites

4.2 相关性分析

相关性分析是利用元素间的相关系数来衡量各元素相关性和亲和性的一种有效的方法[20]。从表2中可以看到,所有元素普遍相关,其中Au与Sb高度负相关;Au与Pb、W、Mo具有良好的正相关性,相关系数大于0.3,特别是与W相关系数最高,达到0.8;Ag与Bi、Cu、Pb具有较强的相关性,相关系数大于0.5;Sb与Pb、W、Mo呈现负相关性,相关系数均小于-0.3;Bi与Pb、Cu与Pb的相关性较强,相关系数分别约为0.67、0.42。

表2 老湾花岗岩地球化学元素相关系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrix of geochemical elements in Laowan granite

4.3 R型聚类分析

R型聚类分析主要遵循“物以类聚”的原则将性质相近的元素归为一类[21]。本研究对12种元素做R型聚类分析研究,聚类方法采用组间连接,聚类结果显示(表3和图3),在相关系数0.2的水平,12种元素可分为5组,分别为Ag-Cu-Bi-Pb-Au-W-Mo-Zn、Hg、Sn、Sb、As;在相关系数0.5的水平,元素可分为8组,分别为:Ag-Cu-Bi-Pb、Au-W、Mo、Zn、Hg、Sn、Sb、As。

图3 老湾花岗岩R型聚类分析谱系Fig.3 R-type cluster analysis pedigree in Laowan granite

表3 老湾花岗岩元素分类统计Table 3 Classification statistics of Laowan granite elements

W与Au密切相关,与相关分析结果一致。Pb、Bi、Cu、Ag关系较为密切,相关性较强。Mo、Zn、Hg、Sn则表现出相对独立的地球化学行为。R型聚类分析结果与相关性分析结果一致。

4.4 因子分析

因子分析可从众多变量中提炼出起主导作用的变量因子,阐明各变量之间的关系、变量因子与地质作用的关系,数据分析模型可作为地质作用解释的依据[22-23]。本研究利用主分量分析法,从112个样品12种元素中提取出了3个主因子,其累计方差贡献率为60.37%,可以认为基本包含了原始变量的大部分信息。通过对因子载荷矩阵极大旋转,得到了正交旋转载荷矩阵,见表4。

表4 老湾花岗岩R型因子分析正交旋转因子载荷矩阵Table 4 Orthogonal rotation factor loading matrix in R-factor analysis in Laowan granite

由表3可知:3个主因子分别为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的贫化受主因子F2控制,Zn、Mo的富集受主因子F3控制。

5 老湾隐伏花岗岩元素组合特征

5.1 元素丰度及其分布特征

老湾隐伏花岗岩的金属元素丰度和分布特征见表1。Au、Ag、Bi、Hg、Cu、Pb、W、Mo等元素的含量高于中国二长花岗岩的平均含量,尤其是Au、Bi、W、Mo等元素前者分别是后者的6.12、52、32、51倍,这一特征说明老湾隐伏花岗岩与区内的金成矿关系密切,隐伏花岗岩具有Bi、W、Mo矿化。As含量约为中国二长花岗岩平均含量的1/4,Sn、Sb、Zn元素丰度与中国二长花岗岩平均含量基本一致。从分布特征看,Au、As、Sb、Bi、Hg、Cu、W、Mo等元素变异系数较大,在老湾隐伏花岗岩中分布不均匀,尤以Au、W、Mo元素的离散程度十分悬殊,其数值变化倍数高于2.2,在局部高度富集,形成金属矿化。

岩石地球化学含量曲线(图4)显示,老湾隐伏花岗岩富集W、Mo、Bi等元素,局部存在强烈的钼、钨矿化。Mo在1 753.8～2 707.6 m富集,Mo含量大于100×10-6的累计厚度为51.3 m,最高值为348×10-6。在1 880.45～2 855.07 m发现3层钼矿体,累计厚度为1.04 m,Mo品位为0.067%～0.075%;在2 240.89～2 855.07 m发现2层钼矿化体,累计厚度为1.58 m,Mo品位分别为0.021%、0.016%。钼矿(化)体赋存于隐伏中粗粒二长花岗岩中,矿石矿物为辉钼矿、黄铁矿,脉石矿物为石英、斜长石、钾长石等。辉钼矿呈亮灰色细脉状、团块状、斑点状分布于石英脉、花岗岩裂隙以及细晶正长岩脉中。黄铁矿与辉钼矿密切共生,黄铁矿—辉钼矿脉呈弯曲细脉状,显示张性性质。W在1 821～2 899 m富集,W含量大于100×10-6的累计厚度为34.55 m,最高值为379×10-6。在1 886.41～2 307.47 m发现2层钨矿化体,累计厚度为1.59 m,WO3品位分别为0.043%、0.063%。钨矿化体赋存于隐伏中粗粒二长花岗岩中,白钨矿在紫外线照射下呈紫兰色,呈细脉状、星点状、浸染状,主要分布于黄铁矿—辉钼矿—石英脉内。

图4 钻孔ZKE1012综合柱状图Fig.4 Comprehensive columnar profile of No.ZKE1012 drilling

5.2 相关性分析

从老湾隐伏花岗岩的元素相关系数矩阵(表5)可看出,Au与Bi相关系数为0.661 1,正相关性较好,老湾金矿带金矿体也表现出Au与Bi具有高度相关性[24],说明区内金成矿与老湾隐伏花岗岩关系密切,后者可能为金成矿提供了物质来源。Ag与Sn、Bi、Hg呈弱相关性;Sn与Bi、Pb呈弱相关性;As与Sb相关系数为0.844 2,正相关性很强,在高温条件下As与Sb混熔,地球化学行为相近,在岩浆作用中一起迁移沉淀;Bi与Hg相关性较好,相关系数大于0.6;Cu与Mo呈弱正相关性,Pb与W具有弱负相关性。

表5 老湾隐伏花岗岩地球化学元素相关系数矩阵Table 5 Correlation coefficient matrix of geochemical elements in Laowan concealed granite

5.3 R型聚类分析

对老湾隐伏花岗岩12种元素进行R型聚类分析(图5、表6),在相关系数0.2的水平,元素可分为5组,分别是Pb、Zn、As-Sb、Cu-Mo、Au-Bi-Hg-Ag-Sn-W;在相关系数0.5的水平,元素可分为9组,分别为Pb、Zn、As-Sb、Cu、Mo、Au-Bi-Hg、Ag、Sn、W。

图5 老湾隐伏花岗岩R型聚类分析谱系Fig.5 R-type cluster analysis pedigree in Laowan concealed granite

表6 老湾隐伏花岗岩元素分类统计Table 6 Classification statistics of Laowan concealed granite elements

元素整体表现出高、中、低温的分类特征,Pb和Zn内生条件下它们关系密切,相伴出现。As与Sb关系密切。Cu与Mo关系密切,在燕山期花岗岩中,Mo常与Cu共生。在花岗质岩石中Mo主要分散在浅色矿物中,斜长石中Mo含量可达(1.2～5)×10-6,斜长石晶格对Mo的加入有利,斜长石是浅色岩浆岩中Mo的富集矿物。Au、Bi、Hg元素关系密切,与相关性分析结果一致,进一步证明区内金成矿与隐伏花岗岩关系密切。

5.4 因子分析

对老湾隐伏花岗岩12种元素进行因子分析,得到正交旋转因子载荷矩阵(表7),根据分析结果可提取4个主因子,其累计方差贡献达到61.17%,基本包含了原始变量的大部分信息。4个主因子分别为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,两元素为负相关关系,随着因子F3代表的地质作用加强,Pb含量持续升高,W含量则持续降低;Cu、Mo元素含量主要受主因子F4控制。4个主因子分别代表了岩浆演化过程中不同的热力学状态、温度、压力条件等。

6 矿床成因与成矿机制研究

6.1 元素地球化学特征及其指示意义

从元素丰度来看,老湾花岗岩的Au、Ag、Sn、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo等10种元素含量高于中国二长花岗岩的平均值,As、Sb含量与中国二长花岗岩的平均值基本一致。老湾隐伏花岗岩体中8种元素高于中国二长花岗岩的平均值,As含量约为中国二长花岗岩平均值的1/4。从分布特征看,老湾花岗岩有4种元素变异系数高于100%,老湾隐伏花岗岩有8种元素变异系数高于100%,且后者的Au、W、Mo变异系数高于220%。可以看出,两岩体的元素含量与分布特征不同,老湾花岗岩的金属元素含量普遍较高,但多数元素分布较均匀,岩体不发育矿化蚀变;老湾隐伏花岗岩多数元素含量较高,离散程度悬殊,特别是Au、W、Mo局部高度富集,形成钨钼矿(化)体。

从相关性分析结果来看,两岩体的元素相关性特征差别较大,基本没有相关性一致的元素对。老湾隐伏花岗岩表现出的Au与Bi高相关性特征,与老湾金矿体的这一元素特征一致,表明老湾隐伏花岗岩与金成矿关系密切,为金成矿提供了物质来源[25-27]。Bi为亲地核地幔元素,老湾金矿体中铋矿物的出现,指示成矿物质具有深成源区,与地幔或者深部岩浆活动具有较密切的关系,显示了成矿物质深成、幔源的成因信息[28-30],也间接指示了老湾隐伏花岗岩为幔源成因。

由R型聚类分析结果可知:在相关性系数0.2的水平,两个岩体12种元素虽然都可分为5组,但各组元素的聚类方式完全不同。在相关性系数为0.5的水平,老湾花岗岩元素可分为8组,老湾隐伏花岗岩可分为9组,且两岩体的元素聚类方式也完全不同。老湾花岗岩总体表现出元素组合无序的特征;老湾隐伏花岗岩的元素表现出高、中、低温的分类特征,在岩浆结晶分异过程中,相容元素中的高温组先于低温组进入矿物晶格中[31],同一温度区间的元素具有相同的地球化学行为和迁移特征。

从因子分析结果来看,老湾花岗岩的12种元素可提取出3个主因子,老湾隐伏花岗岩可提取出4个主因子,各主因子分别控制不同的元素组合,两岩体提取的主因子互不相同,代表了不同的热力学状态、温度、压力条件等,反映出两岩体经历了不同的岩浆演化过程。

6.2 矿床成因及成矿机制

老湾金矿受控于NWW向的老湾韧性剪切带,剪切带内变形组构多样且变形标志均较明显。其中糜棱面理、S-C组构、拉伸线理、分异条带、旋转碎斑系、脉体剪切变形和形态多样的紧闭同斜褶皱等变形形迹广泛发育。该剪切带内的脆性、脆—韧性断裂构造控制着金矿脉及矿体的展布,是主要的容矿构造,具有典型的韧性剪切带控矿特征。

氢、氧同位素特征显示成矿流体主要来源于岩浆水和大气降水,并经历早期以岩浆水为主、向晚期以大气降水为主的演化;老湾金矿床的硫同位素组成具有深源岩浆硫的特征,硫的来源比较单一,均一化程度比较高;铅同位素特征表明,铅主要来源于与造山作用有关的深源,有少量壳源铅的加入。前文研究已说明老湾金矿体Au与Bi具有高度相关性,成矿过程中富金铋成矿流体的加入,指示有地幔源岩浆流体参与成矿过程。YANG等[15]对含金蚀变岩中热液成因的金红石、独居石、磷钇矿等副矿物进行LA-ICP-MS U-Pb测年,获得年龄分别为(120.0± 6.7)Ma、(125.0±2.4)Ma和(126.3±2.0)Ma,说明老湾金矿的成矿时间为早白垩世。

综上所述,老湾金矿床的形成中,以地层具高背景分散金元素为基础,加入的深源幔源岩浆热液提供了主要的金铋物质来源及流体,沿脆—韧性断裂上升过程中与围岩发生反应混染壳源物质,生成大量硫化物、碲铋化物并导致金的沉淀,随着成矿深度降低,大气降水加入,导致成矿作用结束。老湾金矿是处在秦岭—大别造山带构造背景下,受早白垩世大规模岩浆活动影响的产物。