分散元素地球化学特征及在西昆仑成矿带研究中的启示

李学彪

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004)



分散元素地球化学特征及在西昆仑成矿带研究中的启示

李学彪

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004)

分散元素在地壳中常以分散和稀痕状态存在，对轻微地质作用并不敏感；一旦出现分散元素异常时则多具超常富集，其异常衬度均可达到几个数量级。然而分散元素超常富集背后常常蕴含着重大和复杂的大陆动力学作用过程。分析表明：①伴生元素富集区往往是造山带、板块缝合带、地壳重熔及地幔柱活动区；②不同时代和构造环境下形成的热水-沉积改造型铅锌矿具有相似分散元素组合(Pb-Zn-Tl-Cd-Ag-Sr-Ba)；③分散元素以亲硫性为主，伴与卤化而具长距离迁移，且Te是硫化矿床的矿头晕标志，Re是高温热液钨钼矿、斑岩型铜钼矿的远程晕指示元素；④Se与火山岩关系密切，In与Sn形影不离，Cd重复着Zn的地球化学历史，Se、Te伴随S而活动，Ge的富集与有机质关系密切；⑤分散元素组合、w(Ba)/w(Tl)、w(Ga)/w(Al)、w(Zn)/w(Cd)、w(Ge)/w(Si)值和同位素体系等，可进行岩浆演化阶段识别、成矿物质来源和核幔互相作用过程示踪；⑥分散元素的富集程度与矿床吨位、品位间可能存在正相关。在地处塔里木地块西南缘的西昆仑成矿带，具有大陆裂解—增生—碰撞的完整演化历史、不同构造-成矿域汇聚过程的大陆动力学过程，分散元素以伴生或独立矿床类型产出；通过引入分散元素研究，有望揭示西昆仑地区分散元素大规模和超常富集背后蕴含的复杂地质作用。

分散元素；超常富集；地球化学省；热水沉积；塔里木西南缘

0 引言

“分散元素”的概念最早由维尔纳茨基1919年引入地球化学领域中，于1930年在他的元素地球化学分类中与其它各组元素(如惰性气体、贵金属等)并列，其含义“以分散状态存在，很少形成独立矿物的一组元素，它们以原子形式分散于地壳中”，主要为Cd、Ga、In、Tl、Se、Te、Re、Hf、Rb、Sc共11元素。1940年阿·费尔斯曼提出：稀有元素并不生成纯态的矿物，有时候溶解、分散在别的元素的许多种矿物里，主要为Ga、In、Tl、Cd、Ge、Se、Te、Re、Rb、Cs、Ra、Sc、Hf共13种。涂光炽等认为：分散元素是指在地壳中丰度很低(多为×10-9级)，而且在岩石中极为分散，多以类质同像代替主成矿元素而超常富集成矿、少以独立矿物形成或堆积成矿为特征的一组元素，一般指Cd、Ga、In、Tl、Ge、Se、Te和Re共8种元素[1-3]。

过去，地学工作者一直认为“分散元素不形成独立矿床，它们以伴生元素方式存于其它元素的矿床内”[1]。长期以来，国内外未见有分散元素独立矿床的报道。随着20世纪后半叶微细粒矿物测试鉴定手段与技术的快速发展，所有分散元素的独立矿物都已被发现，是分散元素研究中突破性发现。近十年来，在我国西南地区相继发现了锗、铊、硒和碲的独立矿床[1]。迄今为止，世界范围内发现的分散元素的独立矿物共有339种，其中Re(2种)、Ga(3种)、In(10种)、Cd(13种)、Tl(44种)、Se(104种)、Te(142种)的矿物最多，而且Te、Se、Tl的富集能力最强。

分散元素在国民经济建设的各领域中有着广泛的用途，特别在高科技领域，如通讯用的高性能电池、集成电路、超导材料、光纤和半导体材料、特种玻璃、钢铁和橡胶工业等。它们在电子、冶金、仪表、化工、医药等行业的发展中是不可替代的原材料。迄今中国所发现的分散元素矿产资源主要以有色金属矿产的伴生或与煤共生产出，少许以独立矿产产出。寻找分散元素独立矿床重要，更重要的是重视分散元素的伴生矿床以及大规模富集。

分散元素在地壳中常常以分散、稀痕、孤寡状态存在，对微小、微弱的地质作用过程不敏感；一旦出现异常时，异常衬度均可达到几个数量级。可以预计，分散元素的指示作用远比地壳丰度较大的元素要更为有效。以往的地质工作注意力都集中在分散元素的储量上，而对分散元素超常富集、大规模富集蕴含的地质作用及者潜在的生态环境效应未得到高度的关注。本文试图通过分散元素的地球化学性质分析及在各类地质作用过程中的特征，总结分散元素在矿产勘查中的启示。

1 分散元素的地球化学特征

分散元素在元素周期表中的位置不仅与Cu、Pb、Au、Ag、Hg、As、Sb、Co等左右对称斜角邻近，还又因Ga、Ge、Cd与Al、Cu、Si等相邻，因此，分散元素不仅具有较强的亲硫性，还具有亲石性，少数还具有亲铁性(Ga、Ge、Re)。8种分散元素地球化学参数见表1，从表1中可以看出以下特征：

①外层电子构型有M、N、P三个能层，具相似的ds或sp轨道电子构型，且f轨道上均未填满电子，有强的主极化能力。

②电离势呈Se>Te>Cd>Ge>Re>Tl>Ga>In，其抗氧化能力逐渐减弱。电离势越强越具有亲铜(硫)性，反之则越具亲石性；分散元素大都具有亲硫性和亲石性，少许具有亲铁性(Re)。

③分散元素大都是元素的离子半径、电价、电负性、配位数与造岩元素相差太大，不利于类质同像替代而留在残余岩浆或者中晚期热水溶液中。

④氧化还原电位呈Tl>Re>Ge>In>Cd>Ga>Se>Te，氧化还原电位越高，氧化性越强，氧化还原电位越低，氧化性越弱。

表1 分散元素地球化学参数一览表

⑤相对电负性在1.4～2.4之间，属中等，各分散元素活动性较弱，常具有金属与非金属的特性。

2 分散元素矿床时空分布规律

据杨敏之[4-6]对我国2007年以前272个与金属矿床、稀有金属矿床、贵金属矿床(铅、锌、铜、钼、钨、锡、汞、锑、砷、金、银、铂、钯、铌、钽、铍、铝、铁)有关伴生分散元素矿床和分散元素独立矿床统计分析表明，目前在中国境内可划分出5个(东北、华北、华南、秦祁、川滇黔)分散元素成矿域[6]，其位于滨太平洋成矿域、中亚成矿域和特提斯-喜马拉雅成矿域的汇聚地带。

我国分散元素的时空分布规律具体有如下特征：

①我国分散元素矿床成矿密集区主要分布在北纬30°附近及其以南地区和北纬40°以北地区。

②分散元素矿床含矿岩系的地层层位主要为中-上泥盆统、上石炭统；部分产出于中-上元古界。含矿岩系的岩石类型为硅质岩、碳酸盐岩、藻白云灰岩、泥灰岩。

③分散元素矿床成矿区内成矿时代主要为印支-燕山期，部分为华力西期、加里东期和元古代。矿床形成过程中多为多时代继承-叠加成矿。

④分散元素独立矿床(锗3处、镉2处、硒2处、碲5处、铊2处)的矿床类型，主要为热水沉积-低温-改造型矿床，部分为高-中温热液矿床(碲等)。

⑤分散元素成矿区内成矿元素组合为多元素组合；多元素组合叠加成矿。诸如锗、镉、铊、镓与铅锌铜组合；铊、镓、硒与汞、锑、砷组合；铜与锡、铌、钽组合(湘粤桂成矿区)；碲、硒与铂、钯、金组合。

⑥分散元素成矿区内分散元素矿床都具特有的岩浆岩石组合。如陕豫成矿区的铼、碲、铟与花岗斑岩、花岗闪长岩组合；甘青成矿区的碲、硒与橄榄岩、二辉岩岩石组合；浙赣闽鄂成矿区的铟、镉、镓与流纹英安斑岩组合等。

⑦在成矿过程中，分散元素独立矿物(碲铋矿、砷铊汞矿、铁铊矿等)在成矿晚期阶段出现，与含硫盐矿物(锑、铋、砷含硫盐)伴生。

⑧成矿区内分散元素矿床氧化带是分散元素的富集带。川滇黔矿区内锡矿床氧化带内出现水铟石富集体。

⑨成矿区在地史演化过程中，裂谷坳陷区-裂谷槽沉积盆地内，热水沉积作用普遍，硅质岩、碳酸岩石发育区是分散元素富集区(辽吉成矿区、川滇黔成矿区、苏皖成矿区)。

⑩成矿区赋存分散元素的岩层内生物-有机质发育，多形成分散元素富集层和分散元素独立床。如川滇黔成矿区内下寒武统清虚洞组藻类白云岩层内的镉矿床(牛角塘)、寒武系太阳顶群上部碳质硅岩内的硒矿床(拉尔玛)、新近系第一岩段硅质岩-煤层内的锗矿床(临沧)。

3 分散元素在各类地质作用过程中的特征及勘查启示

一般情况下，在分散元素的亲硫性和亲石性两重性质中侧重为亲硫性，以致它们很少呈独立矿物存在，而多数均在黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、辉锑矿、辉银矿和辉钼矿等矿物的晶格中，这就决定了它们在地壳中的聚集与有色重金属硫化物的富集条件有一致性和明显的倾向性，使它们为有色金属的找矿提供了重要的信息[7]。另一方面，由于分散元素在周期表上旁近卤族，显示出它们也具有与卤素元素形成卤络的倾向。众所周知，金属卤化络合物在热液中具有搬运众多金属元素的作用，在低温热液成矿中，金属与硫、氧结合时，置换出的卤离子则分散在周围的岩石中。当围岩及金属硫化物经过水蚀、风化、氧化作用后，金属离子又可与卤离子结合为卤络离子，形成复杂的卤化络合物迁移，这时受水溶介质和卤化介质影响的分散元素，也可呈各种水化、卤化的复合离子而被带到地表，渗透或气化而上升到地表土壤层中。由于多数分散元素的卤化物不稳定，在表生环境中，因阳光、水、生物等的作用，使低价卤化物分解或受细菌作用形成气态金属有机化合物，对于寻找隐伏矿床是一种有效指示元素[7]。

二十世纪六十年代以来，分散元素开始被应用于矿床勘查。六十年代初，原苏联H·H·萨弗朗诺夫就曾在亚美尼亚的阿赫塔里和格鲁吉亚的克瓦依欣利用分散元素作为指示元素找矿，取得了一定找矿效果。苏联科学家В.В.Иванов(1966)出版了专著《Ga、Ge、Cd、In、Tl等分散元素在热液矿床中的地球化学》，该书介绍了这五个分散元素的物理化学性质和地球化学行为、金属矿床中这些分散元素的平均含量和分布特点以及它们的区域分布规律。该书还首次计算出了In、Tl、Cd、Ga、Ge五种分散元素在主要类型金属矿床和矿物中的克拉克值，初步解释了这五种分散元素成矿过程中的地质和物理化学条件，并指出了这五种分散元素的找矿标志。七十年代中期，美国阿波罗登月舱从月球上取的岩样，用分散元素作为指示元素，对月球可能存在的矿产资源做了推断。八十年代，加拿大F·W·弗尔默报道，加拿大的育空地区的汤姆矿床，就是利用分散元素作为指示，使矿床延长了3 km。据P·R·林勃等报导，在苏格兰的厄普兰兹南部的格伦代宁，也是根据分散元素的指示作用使矿床延伸了1 km，还指出了另处可进一步工作的四个远景区。我国的山东、吉林、广西，也是利用分散元素的指示作用而发现较好的金矿床。这些都足以说明分散元素作为找矿指示元素，特别是用于热水沉积作用、岩浆岩热液成矿等有关矿床的指示效果极为明显。因此，可以预言，在今后的找矿工作中，分散元素将会发挥其更大的作用[7]。

国内开展的仅是部分元素在某些特定矿床中找矿指示，有关分散元素在其它矿产勘查中的应用尚未系统、深入的开展。随着现代分析技术日新月异的发展，分散元素检测已成为现实，检测精度远低于其地壳丰度。此外，更重要的是伴生分散元素的大型、超大型矿床的勘探历史表明：分散元素早已揭示了矿床特殊的地质作用过程，但因分散元素含量低、提取困难等原因，在矿床勘探早期未得到重视。因此，深入剖析诸如热液、沉积改造、热水沉积、低温成矿等一系列成岩成矿作用以及大面积分散元素异常带或局部超常富集区，必将揭示分散元素超常富集背后蕴含的地质作用过程。

通过目前资料分析，从内生和外生地质作用过程中分散元素在不同地质作用过程中分散元素的地球化学特征及在地质找矿勘探过程中的启示，见表2所述。

从表2可以得到如下启示：

①地区上着重加强江南古陆周边(贵州、云南、广西、湖南)、康滇隆起、杨子陆块、塔里木盆地西南缘、秦岭造山带、内蒙古西部、西天山等地域分散元素矿床的找寻和成矿预测工作，同时也要重视伴生元素超常富集所蕴含重大地质作用。

②重视裂谷坳陷区-裂谷槽沉积盆地的热水沉积作用，产出的容矿岩主要为碳酸盐岩(镉、锗)、硅质岩(锗)、炭质泥质灰岩(铊)、炭质硅质页岩(硒)、白云质泥质灰岩(碲)及黑色岩系(硒、铼、锗等)。特别是西南低温成矿域内低温改造矿床、层控改造、热液叠加型矿床(镉、铊、硒等，成矿温度100～200℃)，其中碲、铟、铼成矿温度偏高(200～300 ℃)。重点为西昆仑铅锌矿集区分散元素的找矿以及盆地热水沉积过程研究。

③分散元素找矿标志方面，利用分散元素的亲硫性，为寻找Cu、Pb、Zn、Au、Ag、As、Sb、Hg等有色金属提供了重要的信息。弱氧化条件下，Cd异常出现在Zn异常的近源一端；强氧化条件下，Cd异常出现在Zn异常的远源一端。Te是硫化矿床的矿头晕标志，作为找寻金矿床等的有效指标；在高温热液钨钼矿，斑岩性铜钼矿中要注意Re的远程晕指示意义。

④利用分散元素的稳定性，选取适合的分散元素组合、w(Ba)/w(Tl)、w(Ga)/w(Al)、w(Zn)/w(Cd)、w(Ge)/w(Si)值、Re-Os同位素体系及Se、In、Re、Se的专属性，可进行岩浆演化阶段识别、成矿流体的温度及组分、示踪硫化物矿床成矿物质来源和核幔互相作用过程等。

⑤利用Se富集特征追踪火山口的位置、火山喷发机理、沉积环境的性质等及导致产生蚀变的演化过程及环境条件，同时指导火山岩发育地区Se矿找矿勘查。此外，利用硒受温度的严格控制，对热液成矿及热液活动等方面开展流体形成环境及成矿阶段进行区分。在黑色岩系区不仅重视Se的找矿，更重要是探讨黑色岩系形成及成矿机制及分散元素蕴含的潜在地质作用过程。

⑥根据In的矿床专属性，在岩浆岩发育地区注意寻找钨锡多金属矿。找到富锡的硫化物矿床也就意味着找到了富铟矿床；利用富铟矿床都有较高的成矿温度，但高温条件下形成的矿床并不一定都富铟。利用这一特点，可研究那些看似与岩浆岩无关的矿床(例如广西大厂，早期是不认为岩浆岩对成矿的作用)。

⑦利用Ge有机亲和力高，重视煤、沥青及富含有机质的环境中Ge的富集规模和强度；沉积变质型铁矿研究中，可以利用Ge在磁铁矿中Ge的丰度和晶格变化来揭示潜在的变质作用程度和规模。

⑧应用积岩中的Se、B、Ga也可以作为沉积环境的判别标标准。

⑨在找矿过程要注意诸如中国西南Cd地球化学省、西昆仑低温成矿、秦岭及华南黑色岩系地区分散元素赋存状态、迁移转换条件以及地表生态循环过程中的环境毒性，以便为未来矿产开发提供理论支撑。

4 分散元素在西昆仑铅锌矿集区的启示

西昆仑造山带处于塔里木地块(华北板块)、羌塘地块(华南板块)和印度板块交界地带, 西昆仑铅锌、金、铁、铜矿集区便位于塔里木地块盆地西南缘，具有大陆裂解—增生—碰撞的完整演化历史、不同构造-成矿域汇聚过程的大陆动力学过程，成矿条件优越，矿种多、矿床类型多样成矿潜力巨大。目前发现矿床类型主要有层控碳酸盐岩型(如：卡兰古铅锌矿)、沉积变质型、块状硫化物型(火山岩型)、层控砂岩型(如：乌拉根铅锌矿)、斑岩型、火山-沉积型、热水沉积型、低温热液型、夕卡岩型、岩浆热液型等，各类矿床、矿(化)点 500 余处，铁、金、铜、铅锌、钴、钨锡、汞锑、铜为优势矿产。据杨敏之[4-6]统计资料表明，我国分散元素伴生或者独立的分散元素矿床具有：Pb-Zn-In-Cd-Ag-Ga、Mo-Cu-Re-Se(Ga-In-Cd)、Te-Au-Ag、Cu-In-Ga-Se、Sn-In-Cu-Pb-Zn、Cu-Ni-Se-Te、Fe-Cu-In-Ga、Pb-Zn-Tl-Cd-Ag-Ba-Sr等分散元素与成矿元素组合特征。按前述矿床类型来讲，在西昆仑成矿带内均有同类矿床产出，但目前在西昆仑矿床研究中对分散元素的研究还未见相关报道。

依据分散元素的特殊性、专属性以及地质作用过程相似等特征分析，不同成矿域的伴生分散元素矿床类型特征如表3所述。

据表3，可以得出分散元素在西昆仑铅锌矿集区研究中的以下启示：

①伴生元素富集地区，往往是大规模造山带、板块缝合带、地壳重熔及大火成岩省的区域，这正体现了分散元素超常富集本身蕴含的地质作用。

②不同时代、不同大地构造环境下形成的热水-沉积改造型铅锌矿其分散元素成矿元素组合具有相似性，即：Pb-Zn-Tl-Cd-Ag-Sr-Ba，该规律除Tl元素未见报道外，其它分散元素与成矿元素组合已经在乌拉根铅锌矿中得到验证。早期认为乌拉根可能与云南金顶类似，其实早就显示两矿区具有相同的分散元素与成矿元素组合。

③西昆仑甜水海Pb、Zn异常其规模达几万km2，同时伴生Cd异常。异常空间位置基本一致，Cd异常范围较Pb、Zn广泛。目前发现了祥云沟、落石沟、宝塔山和多宝山等一批中大型铅锌矿，初步认为该成矿带是热水沉积改造型铅锌矿。由此推测，其成矿与分散元素组合具有Pb-Zn-Tl-Cd-Ag-Sr-Ba特征，这一点目前已经发现有沿铅锌矿而周边分布着石膏矿和锶矿得以佐证。

④西昆仑钼元素地球化学异常主要分布在阿克陶—叶城的西若—喀依孜一带，其规模较大、浓集趋势明显，异常面积约3 559 km2。在西若的东北发现有喀依孜斑岩型铜(钼)矿，目前属小型规模，在该钼异常带内还陆续发现一些铜(钼)、钼的矿(化)点。其斑岩型钼矿中有无Mo(Cu)-Re-Se元素组合或者是否属于斑岩型铜钼矿等有待后期探讨(目前该矿点是否属于斑岩型铜钼矿存在较大争议)。西若—喀依孜地区大面积钼异常蕴含的地质作用及潜在资源潜力有待新的认识与发现。

⑤地质作用的规模、强度和复杂性均体现在分散元素的富集特征上，推测分散元素的富集程度与地质作用强度是正相关，与伴生分散元素矿床的吨位、品位也可能是正相关的。

因此，在西昆仑铅锌矿、沉积变质型铁矿和斑岩型铜钼矿等矿床中开展分散元素的研究意义重大，不仅有利于发现伴生的分散元素矿床，还有利于用分散元素进行相关矿床的资源潜力评价和矿床类型及成因探讨，更有利于了解西昆仑潜在的、重大的和复杂的地质作用过程。

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Geochemical characteristics of dispersed elements and its implication on study of the west Kunlun ore belt

LI Xuebiao

(ChinaNonferrousMetal(Guilin)GeologyandMiningCo.,Ltd.,Guilin541004,Guangxi,China)

The disperse elements are often dispersed and diluted in the earth’s crust and the minor not sensitive to minor geological events. Once a disperse element anomly occurs its contrast will be several magnitudes of the background value and implies a significant and complex continental dynamics. Analysis shows: ①enrichment of the disperse element occurs often in the orogenic belt, the plate suture zone, the crustal remelting and the mantle plume-active area; ②the reworked hot water sedimentary Pb-Zn deposits formed under different age and tectonic setting have similar disperse element combination(Pb-Zn-Tl-Cd-Ag-Sr-Ba); ③enrichment of the disperse elements are dominated by sulfophillic elements and accompanied by halogenation and long distance migration; Te is the head halo indicator of sulfide deposit; Re the remote halo indicator of the high temperature hydrothermal W-Mo and porphyric Cu deposits; ④Se is closely related to volcanism; indium and tin are closely accompanied. Cd experiences the same history of Zn. Activity of S is followed by those Se、Te. Ge enrichment is closely related to organic matter; ⑤ combinations of the dispersed elements, thew(Ba)/w(Tl),w(Ga)/w(Al),w(Zn)/w(Cd),w(Ge)/w(Si) ratios and isotopic compositions of the disperse elements can be used to identify magmatic evolution stages and the source of ore-forming materials and trace the core-mantle interaction process; ⑥The degree of enrichment of disperse elements may correlated positively to tonnage and grade of ore deposits. At the west Kunlun ore belt occur the complete evolution history of continent break, accretion and collision and continent dynamic process of convergence of different tectonic-metallogenic realms and independent disperse element deposits and deposits accompanied by the disperse elements. Introduction of the results of the disperse element studies will imply the complex geological processes leading to the extraordinary enrichment of the disperse elements.

the disperse element; extraordinary enrichment; geochemical province; the southwest margin of Tarim basin; hot water sedimentation

2015-09-23； 责任编辑： 王传泰

“十二五”国家科技支撑计划项目“高寒深切割山区大型矿床找矿靶区圈定与评价技术研究”(编号：2015BAB05B05)资助。

李学彪(1981—)，男，大学本科毕业，工程师，从事区域地质、地球化学、环境科学等领域研究。通信地址：广西桂林市三里店铺星路9号，中国有色桂林矿产地质研究院有限公司；邮政编码：541004；E-mail:lixuebiao@126.com

10.6053/j.issn.1001-1412.2016.04.001

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