多元素分析在岩性及含矿性判别的应用——以塞尔维亚佩吉铜金矿床为例

饶东平

（中色紫金地质勘查（北京）有限责任公司，北京 100012）

0 引言

塞尔维亚佩吉铜金矿是紫金矿业集团股份有限公司于2018年底从加拿大Nevsun资源有限公司手中收购的超大型高硫-斑岩型铜金矿，目前已探获铜金属量超1500万t。该矿床位于塞尔维亚著名的Timok岩浆杂岩带波尔铜金矿集区南部，目前在该岩浆杂岩带上已相继发现多个大型-超大型的斑岩型铜金矿床和高硫型铜金矿床，以及数量众多的中小型铜金矿床/点（Albrecht et al.,2005;Handler et al.,2004）。Timok岩浆杂岩带上多数大型铜金矿床具有上百年的发现及开采历史（Zimmerman et al.,2008），而佩吉铜金矿床由于埋藏深度较大（超过500 m），先后经多家公司数十年的地质勘查，于2012年被发现，至目前已积累较丰富的原始地质资料。

佩吉铜金矿床由上部高硫型矿化和下部斑岩型矿化组成，矿化主要赋存在下部安山岩（LA）中。根据前人研究及地质编录资料显示，下部安山岩并非单一的岩性，可能由一系列流纹质至安山质的次火山岩、火山岩和火山沉积岩及深成侵入体组成，但由于蚀变较强，肉眼难以区分。

随着近年来元素分析测试方法的不断改进，各种元素分析精度逐步提高，测试成本大幅降低，多元素分析测试方法及商业应用越来越受国际矿业公司的青睐。目前多元素地球化学特征常用于岩石类型判别、蚀变分类、硫化物和硫酸盐演化、微量元素示踪等多个方面（Scott,2020）。本文从多元素地球化学特征着手，结合地质编录情况，通过分析佩吉铜金矿床最典型的100勘探线多元素地球化学特征，进一步划分下部安山岩组成，并对其含矿性进行初步判别。

1 地质概况

塞尔维亚佩吉铜金矿床位于特提斯欧亚成矿带西端，阿尔卑斯-喜马拉雅造山带最西端的Timok杂岩带南部（Janković,1976,1997;Heinrich and Neubauer,2002;Schmid et al.,2008），如图1所示。该杂岩带为一个南北狭长的透镜状地堑，南北长约85 km，宽最大可达25 km，是由一系列与钙碱性岩浆有关的安山岩-英安质亚火山岩、火山-沉积序列及主要为二长岩-闪长斑岩和花岗闪长岩组合而成的深成岩体（Ciobanu et al.,2002；韩宁等,2019）。区内主要出露的地层为侏罗系，分布于Timok岩浆杂岩带的东西两侧，呈带状分布；上白垩统地层广泛分布于Timok杂岩带中；中新统沉积物覆盖于东部地区。

图1 区域大地构造位置图（据Handler et al.,2004修改）

佩吉铜金矿床主要出露晚白垩世（次）火山岩、火山碎屑沉积岩，中新世粗碎屑岩和全新世冲洪积物。根据钻孔揭露情况，从下至上大致划分为下部安山岩、上部安山岩、泥灰岩、波尔砾岩和中新世沉积岩（图2）。

图2 塞尔维亚佩吉铜金矿100勘探线剖面示意图

区内上部高硫型铜金矿化（矿体编号：UZ-1和UZ-2）主要产于上部安山岩与下部安山岩接触部位或下部安山岩中，围岩蚀变以泥化和高级泥化为主，主要矿石矿物为黄铁矿、铜蓝、硫砷铜矿，局部见少量辉铜矿和黄铜矿；下部斑岩型铜金矿化（LZ-1）主要赋矿围岩为下部安山岩，围岩蚀变以黄铁绢英岩化为主，叠加泥化和高级泥化，局部见弱钾化蚀变，主要矿石矿物为黄铁矿、黄铜矿和铜蓝，次为斑铜矿和硫砷铜矿。

2 样品采集及分析

本次研究挑选100勘探线13个钻孔3429件基本分析结果，涵盖上部高硫型矿化和下部斑岩型矿化。钻孔岩心采样一般按2～3 m一个样，从上部安山岩开始至孔底连续采样，均匀采集二分之一岩心，每个样品重量大于3 kg。样品在送检之前按一定比例插入标准样、空白样和重复样，这些控制样品一般占总样品数的12%～15%，确保样品具有较高的合格率。

所有样品均分析Au、Cu、Ag、Pb、Zn等49种常量和微量元素。样品送至北爱尔兰澳实（ALS）实验室，溶样采用四酸（HCl、HNO3、HF和HClO4）溶解法。该方法相比起传统的王水溶解法能更好的溶解长石、锆石、独居石等难溶矿物。分析方法采用等离子体质谱法（ICP-MS），若部分元素含量超过ICP-MS分析上限，再采用等离子光谱法（ICP-AES）或原子吸收光谱法（AAS）测试。Au元素采用火试金方法熔样，火法熔样后一般采用等离子光谱法（ICP-AES）测试；若Au含量大于10 g/t，则采用火试金+称重法测定。各元素分析方法及检出限详见表1。

3 数据处理

前文已述，佩吉铜金矿主要产于下部安山岩中，下部安山岩可能由多期次不同成分的火山岩、次火山岩和侵入岩等岩石单元组成，但由于蚀变较强，肉眼难以区别。本文从多元素地球化学方面着手，对下部安山岩进一步细分。一般岩石越新鲜，多元素特征越趋近于原岩化学性质，原岩恢复也越接近于真实，且后期发育的脉体、矿化会显著稀释微量元素含量（Winter,2010）。本区下部安山岩蚀变广泛发育，难于获得新鲜岩石多元素数据，且部分样品强烈蚀变矿化。因此，应先对矿化/蚀变较强的样品进行剔除。

由于大部分岩浆岩的Al含量介于6%～9%之间，低Al含量指示了强烈热液活动对元素含量的稀释作用（Winter,2010）。例如细脉发育和强烈角砾化的岩石，后期填充的矿物（硫化物、石膏、石英和碳酸盐等）稀释了岩石中微量元素中的含量，显示非其原始的微量元素分布特征。而对于元素含量被稀释至接近检出限的样品，即使是元素比值有时也无法反映原岩的微量元素特征。因此，可先利用Sc-Al图解（图3），并结合地质编录将低Al含量样品剔除。

图3 佩吉铜金矿床Sc-Al元素图解

先将下部安山岩（LA）样品全部挑选出，将其分类为Al含量大于6%和小于6%两组。如图3所示，橙色样品为Al含量低于6%的样品，该样品空间分布正好位于上下部矿体对应位置（图2,4），显示为强烈蚀变和矿化样品，将该样品剔除，仅保留Al含量大于6%的样品（绿色）。

4 讨论

4.1 岩石组成的识别

地质学上通常是使用SiO2含量作为火成岩分类的标准，如酸性岩、中性岩、基性岩和超基性岩。但由于SiO2含量无法在四酸溶解的方法中测得，其会与HF反应形成SiF4配合物。因此，经前人研究认为，火成岩的分类还可以根据不活动的微量元素含量进行划分。其中，Sc元素具有较好的划分效果，因为它能以类质同象的形式替代铁赋存于含铁硅酸盐和铁镁矿物中，如角闪石、辉石、黑云母、绿泥石等，因此Sc元素可以作为镁铁质-长英质岩石的指示元素（Scott,2020）。

图4 佩吉铜金矿床下部安山岩样品Al含量剖面分布示意图

另外，Sc元素通常呈正三价且在大部分风化和热液蚀变环境下仍然不易迁移（Williams-Jones and Vasyukova,2018）。在热液环境下最不易移动的元素主要是正三价和正四价的高场强元素，而在通常的四酸溶解-ICP-MS/AES分析项目中，这些元素主要有Sc、Al、P、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、La和Th，而Sc是这些元素里面最不易迁移的（Railsback,2003）。此外，过渡金属元素Sc、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn都拥有相似的化学性质，在未蚀变岩石中，这些元素与Sc通常呈较好的线性关系，含量都随岩浆分异程度而降低；在蚀变岩石中，其它元素和Sc线性关系的偏离可以显示出不透明矿物的分离结晶作用、熔体中硫化物的饱和以及热液环境下某些金属元素的浸出。

一般玄武岩Sc含量大于30×10-6，安山岩Sc含量介于20×10-6～30×10-6之间，英安岩Sc含量介于10×10-6～20×10-6之间，而流纹岩Sc含量小于10×10-6（Scott,2020;Winter,2010）。

本次研究主要利用Sc、Nb、P、Th、Ti、V、Zr等不活动元素的相互关系，并结合地质编录以及三维上的产状和分布对岩石组合进行识别。前期先将强烈蚀变和矿化样品剔除，再根据上述7个不活动元素含量系列图解，进一步将原下部安山岩（LA）分为三个系列LA-1、LA-2和LA-3（图5），代表三种不同成分的岩性组合，剖面分布见图6。

图5 各系列（LA-1、LA-2、LA-3）安山岩不活动元素特征分布图

图6 佩吉铜金矿床100勘探线下部安山岩（LA）重新划分剖面示意图

其中，LA-1显示为英安质-安山质高Ti中Zr岩石，主要分布在上部及Bor2断裂下盘，根据地质编录显示可能为比较早期的火山碎屑岩；LA-2显示为英安质-流纹质低Ti低Zr岩石，主要分布在下部，特别是矿体上下盘，为本区的主要赋矿围岩，地质编录显示主要为复成分火山角砾岩带；LA-3显示为英安质-安山质高Ti高Zr岩石，主要呈脉状不规则分布，可能为侵入岩脉。

4.2 岩浆含矿性的判别

（1）V/Sc与Sc特征

前人发现富Cu的斑岩岩浆表现出随SiO2升高，V/Sc也随之升高的趋势，将其解释为熔体中较高的水含量使角闪石远早于磁铁矿的结晶（Loucks,2014）。但是在工业界一般采用的化验方法无法测取SiO2，如前文4.1中所述，Sc作为可指示岩石镁铁质-长英质的指示元素，通常与原岩中SiO2呈反比，所以可在图解中用Sc来代替SiO2。高V/Sc、低Sc指示高氧化含水的熔体，有利于形成富铜的斑岩体（Ballard et al.，2002；Richards，2011；Chiaradia，2014）。

V/Sc-Sc图解（图7）显示，LA-2样品主要分布在斑岩铜矿分布区，下部安山岩从LA-1→LA-3→LA-2，V/Sc值逐渐增加，而Sc含量逐渐降低的特征，反映LA-2原始岩浆可能为具有高氧化含水的富Cu斑岩岩浆。结合上文，LA-2岩石为区内高硫矿化和斑岩矿化的主要赋矿围岩，因此是否指示区内的斑岩铜金矿化可能与LA-2这期岩浆关系最为密切，这一点需要进一步研究与探讨。

图7 下部安山岩V/Sc-Sc图解（据Halley,2020）

（2）Sr/Y-Y特征

高Sr/Y和低Y也是富铜斑岩岩浆的一个特征（Richards and Kerrich,2007）。以俯冲大洋板块直接熔融形成的埃达克岩浆由于具有较高的温度和高氧逸度，具有较大的形成富金斑岩型铜金矿床的潜力。埃达克质岩浆一般具有高Sr（≥400×10-6）、低Y（≤18×10-6）和高Sr/Y比值（＞40）的特征（Defant and Drummond,1990;Kay,1978;Shafiei et al.,2008）。

Sr/Y-Y图解（图8）显示，下部安山岩总体具有高Sr、低Y、高Sr/Y比值的特征，多数样品分布在埃达克质岩浆范围内。特别是LA-2岩石，具有较高的Sr/Y比，Sr/Y比值绝大多数在40以上，显示该期岩浆是富铜的斑岩岩浆。

图8 下部安山岩Sr/Y-Y图解（据Halley,2020）

5 结论

通过对下部安山岩（LA）岩石多元素特征进行分析，并结合地质编录，可以得到以下几点认识：

（1）下部安山岩并非单一的岩性，而是多种岩性的组合，并大致划分为LA-1、LA-2和LA-3三种具有较为显著差异的岩性组合。

（2）LA-1为英安质-安山质高Ti中Zr岩石，为早期的火山碎屑岩；LA-2为英安质-流纹质低Ti低Zr岩石，可能为复成分火山角砾岩带；LA-3为英安质-安山质高Ti高Zr岩石，可能为侵入岩脉。

（3）LA-2岩石为本区的主要赋矿围岩，具有高V/Sc、低Sc和高Sr、低Y、高Sr/Y比值的特征，显示该期岩浆与成矿最为密切。

（4）多元素地球化学特征分析可作为火山岩地层岩性和含矿性识别提供参考。

致谢感谢在野外地质资料收集整理及勘查实践中项目组成员的共同努力，感谢甲方矿业公司对项目的大力支持和帮助，感谢评审专家对论文提出的宝贵意见。