甘肃北山辉铜山铜矿地球化学异常结构研究

马生明,朱立新,刘海良,王会强,徐明钻

1)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;

2)中国地质科学院,北京 100037;

3)辽宁省第九地质大队,辽宁铁岭 112000

甘肃北山辉铜山铜矿地球化学异常结构研究

马生明1),朱立新2),刘海良1),王会强3),徐明钻2)

1)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;

2)中国地质科学院,北京 100037;

3)辽宁省第九地质大队,辽宁铁岭 112000

以甘肃北山辉铜山铜矿为例,探讨了矽卡岩型铜矿中元素的富集贫化特征以及由富集、贫化元素形成的正、负异常构成的地球化学异常结构。结果表明,在矿床中发生富集的元素,例如成矿元素 Cu、矿化伴生元素As、Ag、Mo等、常量组分MgO等在试验区内形成了明显的环带结构,中间为这些元素的正异常,向外经背景带过渡为负异常。这些元素的正异常带与稀土元素Pr、Yb等的负异常吻合很好,构成了有规律的地球化学异常结构,共同指示出有利的成矿地质环境或矿化影响范围。在矿体产出部位,矿化伴生元素Zn等的正异常及常量组分Al2O3、Na2O、微量元素Sr等的负异常明显,与地球化学异常结构构成有机的整体,有效反映出辉铜山铜矿总体成矿系统。本项研究是北山地区矽卡岩型铜矿靶区优选地球化学勘查方法的新尝试,对该区地质找矿具有重要的实用价值。

辉铜山铜矿;微量富集贫化;正负异常;地球化学异常结构;靶区优选

有研究结果表明(弓秋丽等,2009;马生明等,2009),元素的富集、贫化是矿床中固有的客观规律。通过对矿床中元素富集、贫化规律的研究筛选出发生富集、贫化的元素,综合利用富集、贫化两类指标构建地球化学异常结构,可以为矿床地球化学勘查提供更全面的信息。本文以甘肃北山地区典型矽卡岩型铜矿—辉铜山铜矿为例,在系统研究了矿床中元素含量随主矿化元素 Cu含量增高而变化的规律之后,确定了发生富集、贫化的典型元素,利用其中代表性元素形成的正异常、负异常及正、负异常空间位置关系,探讨了该矿床地球化学异常结构及其在找矿靶区优选上的应用。试验结果表明,综合利用富集、贫化元素形成的正、负异常结构进行找矿靶区优选比单纯利用富集元素形成的正异常具有更明确的矿化指示作用。

1 试验区地质概况

北山地区地处塔里木板块与哈萨克斯坦板块的对接部位,大洋岩石圈及沟弧盆体系在本区都有出露,洋壳向陆壳演化过程中的火山-花岗岩类岩浆活动频繁,成熟陆壳的再裂陷作用和裂谷型岩浆作用占重要地位,两大古板块大陆边缘沉积作用类型较齐全。区内矿产资源丰富,其中中型铜矿床3处,成因类型分别是斑岩型、矽卡岩型和热液型。辉铜山铜矿是矽卡岩铜矿的代表性矿床。

辉铜山铜矿试验区内出露地层为前长城系三岩组,主要由大理岩和云母石英片岩组成,局部有石英岩、流纹岩。岩石蚀变强烈,以矽卡岩化为主,其次是蛇纹石化和角岩化。北北西向逆断层起到导矿和贮矿的作用,北东东向正断层对矿体起到破坏作用。矿区内出露的岩浆岩有两期:一是分布在矿区南侧的华力西中期侵入的辉长岩和零星出露的辉石岩;二是分布在矿区北部的印支期砖红色钾长花岗岩,是本矿床的成矿母岩(图1)。

形成该矿床的地质条件是印支期钾长花岗岩的外接触带,岩体边部形状不规则,同期花岗岩枝(脉)发育,岩体中铜含量高于 70×10-6;成矿前的北北西向挤压破碎带和层间滑动面,为控制矿体的良好构造部位;矿体赋存的有利围岩为大理岩,但随着硅质的增高,矿化程度越来越弱,反之,矿化强烈;近矿围岩蚀变强烈、普遍,有利的围岩蚀变为石榴石-绿帘石-矽卡岩,矿化与绿帘石化尤为密切。

图1 试验区地质及工作布置简图Fig.1 Geological map of the test area,showing work arrangment

2 试验研究方法

本文试验研究总体上分为两个部分,岩石中元素富集贫化特征研究和地球化学异常结构研究,各部分的试验研究方法因拟解决的问题而异。

根据试验区内矿床形成的地质条件,在已知矿床范围内系统采集了不同矿化程度矿石、不同蚀变类型岩石(矿石)以及与已知矿床成矿作用有关但是没有发生明显矿化或蚀变作用的正常围岩样品 49件,用来研究岩石中元素富集贫化特征,其中矽卡岩样品9件,大理岩样品 25件,钾长花岗岩样品5件,辉长岩样品10件。采样点分布范围如图1所示。每件样品定量分析测试了57项指标。试验过程中按岩石类型统计了出现明显规律性变化的41项指标的含量平均值。由于试验区内主要含矿岩石是矽卡岩,而作为辉铜山重要而特殊的岩石类型,矽卡岩类岩石目前尚没有可作对比的元素丰度资料。针对这种情况,矽卡岩中元素的富集贫化特征通过与辉铜山矿床主要矿化围岩钾长花岗岩、辉长岩中元素含量以及我国酸性岩、基性岩中元素丰度进行对比来讨论。

地球化学异常结构研究在包括辉铜山铜矿在内的约18km2范围内进行,工作比例尺为1:2万,采样网度 200×100～200(m)。利用试验区元素表生活动性研究结果(另有文章讨论),地球化学异常结构研究样品采集土壤样品,经水筛筛分出其中的－4～＋40目土壤粒级组成部分送分析。根据辉铜山矿床元素富集贫化特征研究结果,选取其中具有富集、贫化代表性的常量组分、微量元素(包括稀土元素)26项进行分析测试。考虑到部分元素在试验区内可能既出现正异常(富集),又出现负异常(贫化),试验中采用元素含量百分位值的方法确定富集元素正异常下限及贫化元素负异常上限。试验步骤是将试验区内某一元素,例如Cu的所有分析数据按升序方式排序,取排位在第n%位上的Cu含量值作为Cu异常界限(负异常上限、正异常下限)或含量等值线。具体取位视元素实际含量分布情况确定,试验中涉及元素的异常值及等值线值见图2。

3 岩石中元素富集贫化特征

试验区各类岩石元素平均含量列于表1中,从中可以看出岩石中元素的富集贫化特征。矽卡岩中主成矿元素Cu及其伴生亲铜元素Au、Ag、As、Bi、Cd、In、Mo、S、Sb、Sn、Te、W、Zn等含量都很高,表现出显著富集的特征。此外,Pb、Cs、Li等在矽卡岩中的含量也比较高,表现出富集的特点。常量化学组分Fe2O3、CaO含量显著高于辉铜山试验区钾长花岗岩和辉长岩含量,也显著高于各自在花岗岩和辉长岩中的丰度,表现出显著富集特征。MgO含量显著高于其在钾长花岗岩中的含量以及花岗岩中的丰度,但是低于其在辉长岩中的含量以及辉长岩中的丰度,SiO2、Al2O3、Na2O、K2O含量明显低于它们在钾长花岗岩和辉长岩中的含量及其在钾长花岗岩和辉长岩中的丰度。

与大理岩中元素丰度相比,辉铜山试验区大理岩中 Cu 以及 Au、Ag、As、Bi、Cd、In、Mo、S、Sb、Sn、Te、W、Zn、Pb、Cs、Li、Fe2O3、MgO、Ba、SiO2、Al2O3、K2O、Na2O以及 REE等绝大多数元素都表现出富集的特征,部分元素的富集程度还很显著,发生贫化作用的只有 CaO、Sr等极少数几个元素。这里需要说明一点,由于此次试验中没有测试CO2组分的含量,而在大理岩中CO2所占的比例又很大(丰度为38.72%),因此本次试验中获得的元素在大理岩中的含量可能与在大理岩中的丰度不好直接比较。为了探讨大理岩中元素富集贫化特征在矽卡岩型矿床地球化学勘查中的指示意义,将辉铜山试验区大理岩中元素的含量与钾长花岗岩、辉长岩中的含量进行了对比,结果发现,辉铜山试验区大理岩中 Cu、Au、Ag、As、Bi、Cd、In、Mo、S、Sb、Sn、Te、W、Zn、Pb等元素显著富集,而SiO2、Al2O3等则贫化。

岩石中稀土元素的含量具有特殊的规律性。在花岗岩中,与各自的花岗岩丰度相比,从轻稀土元素La到重稀土元素Lu各元素的含量逐次增高,具体说是轻稀土元素La、Ce微弱贫化,Pr、Nd与各自丰度相当,其它轻稀土元素以及重稀土元素富集的特征,而且稀土元素越“重”,富集的幅度越大,例如Sm富集1.3倍,而Lu则富集3.3倍。与花岗岩中稀土元素富集贫化特征不同,与辉长岩中稀土元素丰度相比,试验区辉长岩中元素含量的最显著特点是稀土元素普遍显著贫化,不过贫化程度不同,从轻稀土元素La到重稀土元素Lu贫化程度依次减弱,从La含量仅有其丰度的3.5%,到Lu含量达其丰度的50%,规律性非常明显。

从以上对辉铜山矽卡岩型铜矿床赋矿围岩及近矿围岩中元素富集贫化特征的讨论中已经知道,在该区矽卡岩矿化过程中,亲铜成矿元素以及钨钼族元素等在矿床及近矿蚀变围岩中含量显著增高,表

明这些元素是寻找矽卡岩型矿床的有效指标。统计结果显示,这些元素的含量随着矿化强度的增强,即Cu含量增高而增高,因此利用这些元素的异常可以有效指示矿化体的产出位置及其分布特征,为勘探工程布置提供依据,实际上这也是以往矿产勘查中常用的地球化学指标。

表1 辉铜山铜矿床中元素含量统计表Table 1 Statistics of element content in the Huitongshan copper deposit

除上述常用地球化学指标之外,在矿体及蚀变围岩中还出现了 Fe2O3、MgO、CaO等常量化学组分的富集以及 Ba、Sr、SiO2、Al2O3、Na2O、K2O等的贫化。特别值得一提的是稀土元素,从15项稀土元素指标总体富集贫化特征推测,稀土元素将具有独特的指示作用。

应该说,元素的贫化现象同样是矿化过程中元素分布分配规律的客观反映,发生贫化的元素对地球化学勘查而言具有与发生富集的元素同等重要的作用,但是元素的贫化在以往地球化学勘查中并没有受到应有的重视,特别是由富集、贫化两类指标构成的异常结构规律及其在地球化学勘查中的指示作用更是少有涉及。因此,本文重点对贫化元素的负异常及由富集、贫化元素正、负异常构成的异常结构进行了系统研究。

4 辉铜山铜矿地球化学异常结构及其找矿意义

4.1 成矿元素Cu及其伴生元素异常结构

文中地球化学异常结构是指由矿床中发生富集元素形成的正异常和负异常、贫化元素形成的负异常在空间上的有序排列。试验中分析测试指标比较多,这里仅从中选择出 Cu、Zn、MgO、Al2O3、Na2O、Sr、Pr和 Yb这8项指标来展示辉铜山铜矿地球化学异常结构规律(图2),其中,Cu为主矿化元素,Zn代表铜矿化伴生元素,MgO代表在矿床中发生富集的常量组分,Al2O3、Na2O代表在矿床中发生贫化的常量组分,Sr代表在矿床中发生贫化的微量元素,Pr代表在矿床中发生贫化的轻稀土元素,Yb代表在矿床中发生贫化的重稀土元素。

从图2中可以看到,在辉铜山铜矿及其外围,主成矿元素Cu呈现出正、负异常套合出现的空间关系。Cu的正异常主体位于已知矿床西矿段南部,主体发育在钾长花岗岩与辉长岩接触带的辉长岩一侧,但是在西矿段产出部位并没有出现Cu异常,也就是说,这里出现的Cu的正异常没有很好地指示矿体的产出位置。在辉铜山铜矿东矿段,Cu异常与已知矿段产出位置吻合。在Cu的正异常四周出现的是Cu的背景区。背景区总体呈环状绕 Cu的正异常分布,不过在紧邻西矿段的南、北两侧背景区分布范围较窄,很快过渡为Cu的负异常,在西矿段东部(也即东矿段周围)背景区分布范围却较大,而且再向外围也基本没有出现Cu的负异常。

矿床中发生富集的伴生元素Ag、Au、As、Mo、Zn等,只有Zn在西矿段、东矿段同时出现异常,其它元素异常大体上与 Cu类似,正异常基本出现在Cu的正异常地段,向外围经背景过渡为负异常。从总体上看,除 Zn以外,其它伴生元素如 Ag、Au、As、Mo等的正异常对矿体产出位置的指示作用并不是很明确。

结合矿床成因及其形成的地质条件分析,辉铜山铜矿南部大范围Cu及其伴生元素的正异常可能是成矿地质环境的反应。关于这一认识,可以从MgO的正、负异常结构中得到一些支持。研究结果表明(表1),在大理岩中 MgO显著富集,而大理岩是辉铜山铜矿床矿体赋存的有利围岩,因此MgO的正异常可能就是有利成矿地质环境的客观反映。

Cu、MgO以及 Ag、Au、As、Mo、Zn等元素正异常外围的负异常是否是矿化过程中近矿围岩中元素带出的证据尚需进一步的试验结果证实,这里可以确认的是,矿床中发生富集元素形成的正、负异常及其空间结构,是辉铜山铜矿元素地球化学异常的一个显著特征,对矿化体产出地质环境具有很好的指示作用,这一点是以往研究和应用中较少涉及的。

4.2 矿床中贫化元素异常特征

矿床中元素富集贫化规律研究结果表明,在辉铜山铜矿床中发生贫化元素的种类比较多,有常量组分(SiO2、Al2O3、Na2O、K2O)、微量元素(Ba、Sr)以及稀土元素(15项)。其中Al2O3、Na2O、Sr、Pr、Yb等元素的负异常如图2所示。从中可见,整个试验区内 Al2O3、Na2O、Sr三者的负异常总体吻合不好,但是在辉铜山西矿段产出位置,三个元素却同时有明显的异常显示,对矿化体的指示作用显而易见。轻稀土元素 Pr、重稀土元素 Yb的负异常形态及分布范围基本一致,而且与Cu、MgO的正异常很吻合。

4.3 辉铜山铜矿地球化学异常结构

纵观上述元素地球化学异常及其分布特征不难发现,辉铜山铜矿床中发生富集和发生贫化的两类指标,在西矿段及其外围一定范围内构成了完整的异常结构。异常结构由成矿元素及其伴生元素的正异常、背景和负异常,成矿环境指示元素的正异常、背景和负异常以及贫化元素的负异常呈环带状展布。成矿元素Cu、成矿环境指示元素MgO的正异常及稀土元素(Pr、Yb等)的负异常构成环带的核心部位,大体上与试验区内辉长岩分布范围相吻合,Cu、MgO的背景构成中间过渡带,Cu、MgO的负异常构成环带结构的外带,主要出现在钾长花岗岩分布区。在环带结构内部,成矿伴生元素(Zn等)的正异常、贫化元素(Al2O3、Na2O、Sr等)的负异常组成局部的矿体异常,整个异常结构很好地指示了矿床产出的地质环境和矿体产出的部位。

图2 辉铜山铜矿部分元素正负异常分布图Fig.2 Positive and negative anomalies formed by some elements in the Huitongshan copper deposit

4.4 地球化学异常结构找矿意义

对比辉铜山铜矿东、西两矿段地球化学异常结构特征可以看出,两者在异常元素组合及结构规律上均存在显著差异。在东矿段产出部位,除Cu、Zn两元素异常以外,其余元素基本没有异常显示,更没有出现相应的异常结构。对照两矿段矿体及资源量规模认为,这应该是两矿段矿化规模的客观反映。辉铜山铜矿西矿段矿体规模和资源量远大于东矿段,在西矿段产出地段出现了明显的多元素异常结构规律,而东矿段产出地段除成矿元素及少数伴生元素正异常外,没有出现贫化元素的负异常。由此证实,较之富集元素的正异常,贫化元素的负异常可能是指示矿化规模的更有效指标。综合利用地球化学异常结构,可以更加准确地确定具有相当规模的矿化体的产出部位,指导找矿。

在辉铜山铜矿床地球化学异常结构研究中,一个显著特点是强调了常量组分异常、贫化元素负异常等对矿床产出环境的指示作用,实际上关于这两点,早在 20世纪 90年代就有研究者指出了它们在地质找矿中的意义,并进行了有益的尝试性工作,其结果对当前的研究工作仍然具有一定的借鉴意义。

有研究者(张西平,1992)指出,常量组分的异常可以反映矿质沉淀环境,而且控制了成矿组分在成矿作用过程中的地球化学行为,是矿床地球化学研究中的重要内容,同时也是一种重要的找矿标志,这一认识与本文研究结果很一致。由 MgO、Fe2O3等常量组分的正、负异常构成的异常结构,很好地指示了辉铜山铜矿的成矿地质环境。

相对常量组分的指示作用而言,负异常在以往地质找矿中的作用似乎受到更多的重视,这方面的研究成果也更多些,早在1979年就有研究者对此进行了探讨,此后间或见有此类研究文献报导(Dunlop et al.,1979;Chaffee et al.,1981;Robertson et al.,1987;季克俭等,1992;马东升等,1991;孙承辕等,1993;史长义等,1995;Shi et al.,1995;Goldberg et al.,2003),这些研究成果对提高地球化学勘查效果起到积极的作用。综合利用化学元素的正异常、负异常及其构成的异常结构,无论是在区域上(史长义等,1995;Shi et al.,1995;张雨莲等,2009),还是在局部地段(梁胜跃等,2010)均取得了预期试验或找矿效果。纵观已有的这些研究结果,结合本文试验结果认为,通过元素的正异常、负异常及正、负异常构成的整体异常结构,可以逐步耦合出有利的成矿地质环境及矿体可能的产出位置,是实现地球化学勘查定量化的有效途径之一。以辉铜山铜矿为例,在辉铜山铜矿及其外围,MgO、Fe2O3等常量组分的正、负异常、Pr、Yb等稀土元素的负异常及其异常结构很好地反映了有利的成矿地质环境;Cu和伴生元素(Ag、As等)的正、负异常及其异常结构与MgO、Pr、Yb等的异常及其结构总体吻合,表明在有利成矿地质环境内,确实发生了成矿元素的矿化作用;成矿元素Cu及其伴生元素Zn、Mo等的正异常和常量组分 Al2O3、Na2O 的负异常、微量元素 Sr、Ba等的负异常,不仅具体指示了矿化体的产出部位,而且对矿化规模也有指示(矿化规模小的东矿段没有出现负异常)。通过成矿地质环境、矿化作用、矿化体产出位置等的逐步耦合,最终达到地质找矿的根本目的。较比单纯利用成矿元素及其伴生元素异常进行地质找矿而言,异常结构思路和方法向“定量化”(多种有利成矿条件的耦合)目标迈进了一步。

5 结论

从宏观上讲,矿床地球化学异常结构是由在矿床中发生富集元素形成的正异常(矿床范围内)、负异常(矿床外围)和发生贫化元素形成的负异常(矿床范围内)在空间上的有序排列构成的,并与矿床的成矿地质条件(岩浆岩、地层等)有关;从微观上讲是矿床形成过程中元素在成矿作用影响下重新分布分配的结果,是矿化系统的客观反映,因此,异常结构对矿床或矿化体的产出部位及其规模具有更明确的指示意义。辉铜山铜矿地球化学异常结构研究表明,单纯利用成矿元素及其伴生元素的异常并不能很好地指示矿化体的产出位置,而综合利用富集、贫化元素形成的正、负异常结构就很好地指示了矿化影响范围以及矿化体产出位置。这一试验结果无疑是地球化学勘查方法技术上的一项重要进展,将在此后的矿床地球化学勘查中起到积极作用。

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A Study of Geochemical Anomaly Structure of the Huitongshan Copper Deposit in Beishan Area,Gansu Province

MA Sheng-ming1),ZHU Li-xin2),LIU Hai-liang1),WANG Hui-qiang3),XU Ming-zuan2)
1)Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,Chinese Academy of Geological Sciences,Langfang,Hebei065000;
2)Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037;
3)No.9 Geological Party of Liaoning Province,Tieling,Liaoning112000

This paper has tentatively discussed characteristics of element enrichment and depletion and geochemical anomaly structure comprising positive anomalies of enriched elements and negative anomalies of depleted elements in skarn copper deposits of Beishan area,exemplified by the Huitongshan copper deposit.The results demonstrate that obvious zonal structures are formed by enriched elements,which include metallogenic element (Cu),mineralizing accompanying elements (As,Ag,Mo)and major element (MgO)in the study area.In the middle of the zonal structure there exist positive anomalies,which grade outward into negative anomalies through the background belt.Positive anomalies coincide well with negative anomalies formed by Pr and Yb,constituting regular geochemical anomaly structure and indicate favorable metallogenic geological environment or mineralization extension.At the position of the ore body,Zn positive anomalies and negative anomalies formed by Al2O3,Na2O and Sr exist obviously,making up an entirety with the geochemical anomaly structure and effectively reflecting the whole metallogenic system of the Huitongshan copper deposit.This study is a new attempt for the prospecting target optimization of geochemical exploration methods in Beishan area,and the result obtained may have practical value for geological prospecting of this area.

Huitongshan copper deposit;enrichment and depletion of trace elements;positive and negative anomalies;geochemical anomaly structure;prospecting target optimization

P632.2;P595;P611.13

A

10.3975/cagsb.2011.04.03

本文由中国地质调查局地质调查项目(编号:1212010813057)资助。

2011-03-15;改回日期:2011-06-27。责任编辑:魏乐军。

马生明,男,1963年生。教授级高工。现主要从事矿产勘查地球化学方法技术研究工作。通讯地址:065000,河北省廊坊市金光道84号。电话:0316-2267728。E-mail:msmigge@163.com。