山东乳山唐家沟金矿构造叠加晕研究及深部预测

魏江,安文通,2,张之武,任良良,杨吉刚,王旭

(1.中国冶金地质总局地球物理勘查院,河北 保定 071051; 2.上海市地质勘查技术研究院,上海 200072;3.中国冶金地质总局,北京 100621; 4.乳山市金华矿业有限公司,山东 乳山 264503)

0 引言

随着地表出露矿、浅部埋藏矿及易判识矿的发现日益减少,找矿突破的难度进一步增大,找矿效果日益降低,自20世纪80年代以来,隐伏矿床和深部盲矿成为许多国家和地区找矿工作的主要对象[1-2]。原生晕作为深部找矿的重要标志,最早被前苏联学者Safronov应用在矿床相关的研究中[3]。矿床的原生晕通常是由成矿流体与围岩相互作用形成,这一过程导致围岩蚀变[4-5],造成元素的局部富集或亏损[6],因此原生晕在矿产勘查中常被视为矿床存在的重要标志[7]。国内关于原生晕的研究始于20世纪50年代末,谢学锦等系统研究了热液矿床的原生晕分带,为原生晕在深部找矿中的广泛应用奠定了理论基础[8-9]。邵跃总结前人研究提出了一种关于热液矿床多元素垂直(轴向)分带序列地球化学模型,并研究了元素分带对找矿的重要意义[10]。李惠等根据热液矿体在多期多阶段成矿成晕过程中的叠加特点,提出原生晕叠加理论,继而根据热液矿床受构造控制的特点,提出了构造叠加晕理论[11-15]。目前构造叠加晕找矿法被广泛应用于深部找矿工作中,并于2014年以资料性附录的形式被写入《岩石地球化学测量技术规程》来推广应用[16]。

山东胶东半岛是我国最重要的金矿产矿集区之一,而牟(平)乳(山)金成矿区是胶东地区3个最重要的成矿区之一(另外2个为胶西北和栖蓬福金矿成矿区带)[17]。唐家沟金矿床位于牟乳金矿成矿区的南段西侧,是该区域内典型的中温热液型矿床。本文基于叠加理论对唐家沟金矿床的岩石地球化学异常特征进行综合研究,分析其元素组成、轴向分带和浓度分带等特征,在此基础上开展深部盲矿预测,圈定预测靶区,以期对胶东地区乃至全国同类型金矿床的理论研究和深部找矿提供参考。

1 唐家沟金矿地质背景

1.1 区域地质

唐家沟金矿位于苏鲁造山带(Ⅰ)威海—胶南隆起(Ⅱ)威海隆起区(Ⅲ)乳山—昆嵛山凸起(Ⅴ)的中部,牟(平)乳(山)金成矿区南段西侧。区域出露的地层主要为古元古界荆山群,为一套高铝片岩、变粒岩、大理岩、含石墨岩系、片麻岩、透辉岩等岩石组合,具高角闪岩相-麻粒岩相变质;构造以断裂为主,断裂走向以NE向、NNE向及NNW向为主;区内岩体主要为中元古代海阳所岩体、新元古代荣成岩体、中生代玲珑岩体、伟德山岩体和同期脉岩;区内已探明福禄地、西直格庄、南东庄、邓格庄、金牛山等金矿床多处,金矿床(点)主要受控于NNE向断裂(图1),矿床成因以中温热液充填型金矿床为主。

图1 牟平—乳山金矿带地质略图(据何江涛,2021)Fig.1 Geological sketch of Muping-Rushan gold deposit belt1.荆山群野头组:大理岩;2.新元古代:片麻状中细粒黑云二长花岗岩;3.晚侏罗世:中粒二长花岗岩;4.晚侏罗世:斑状中粗粒二长花岗岩;5.早白垩世:中粗粒二长花岗岩;6.断裂;7.金矿;8.村镇

1.2 矿区地质

唐家沟金矿区出露地层主要为荆山群和第四系。断裂构造主要有NE向、NNE向、NW向3组,以脆性断裂为主。其中NE向、NNE向断裂为主要的控矿构造。矿区岩浆岩为新元古代荣成岩体、中生代玲珑岩体和脉岩等。矿区内共圈定9条矿化蚀变带,其中1号矿体作为本文的研究对象,规模最大,矿化蚀变带呈波状弯曲,地表出露长度约2.6 km,宽5～15 m,总体倾向SEE,倾角52°～78°,走向约10°,蚀变带内的主要岩石为黄(褐)铁矿化碎裂岩、黄铁矿化石英脉(局部充填煌斑岩)等,发育黄(褐)铁矿化、碳酸盐化、硅化及绢云母化等蚀变,金品位一般为w(Au)=0.05×10-6～3.86×10-6。

2 构造叠加晕找盲矿法

矿床原生晕分带的空间分布通常分为3种基本类型:轴向分带、纵向分带和横向分带[18]。在三维空间原生晕特征分布的研究文献中,与轴向分带相关的研究最为多见,这是因为矿床的轴向通常与成矿流体的运移方向一致。在成矿过程中,控矿断裂的产状变化和成矿物理化学条件的改变,往往会引起热液流体中成矿物质的沉淀,在局部富集形成矿体[19]。成矿过程中,热液流体的运移方向通常与矿体的延伸方向(即矿体的轴向)一致。在热液迁移过程中,成矿系统的物理化学环境发生变化,造成部分指示元素在Au的络合物(配合物)被破坏之前产生沉淀,表现为沿金矿体轴向的下部形成异常富集(尾部晕),部分指示元素与Au同时或近同时沉淀而形成异常富集(近矿晕),某些活泼性和挥发性强的元素则在Au沉淀之后沿构造空间再向上迁移一段距离形成异常富集(前缘晕)。即每次成矿作用形成的矿(化)体-晕的轴向分带比较明显(图2)。由于前缘晕的扩散距离比矿体远得多,因此在矿体的轴向上可以获取深部盲矿存在的更有利信息[12]。

图2 单一次成矿作用形成矿体的原生晕空间分布Fig.2 Spatial distribution of primary halo of ore body formed by a single ore-forming process

构造叠加晕找盲矿法紧密结合并应用热液矿床成晕成矿理论,分析热液矿床单一次成矿作用中矿床(体)形成晕的特点及多次成矿作用下形成晕的叠加特征,应用叠加结构和叠加特征来判别深部是否存在盲矿体。热液活动具有多次脉动性和继承性,寻找深部盲矿需要紧随控矿构造蚀变异常寻找矿体主要成矿阶段(期次)形成的叠加蚀变痕迹,判别矿床特征、指示元素及分带指标,识别多期矿体晕在构造空间上的叠加特征和规律,建立矿床的构造叠加晕判别模型,对深部进行含矿性评价及盲矿预测。图3为2个主成矿阶段形成矿(化)体的原生晕在构造空间上的分布特征及轴向变化规律[19-20]。

图3 2个成矿阶段形成矿体的原生晕空间分布[19]Fig.3 Spatial distribution of primary halo of ore body formed by two ore-forming stages

3 唐家沟金矿床地球化学异常特征

3.1 矿床指示元素及特征

3.1.1 围岩元素特征

研究矿床的地球化学背景是分析矿床地球化学异常特征的基础,本次研究在唐家沟金矿共采集了23件无矿化样品作为地球化学背景样品,涵盖了矿区内出露的所有岩性。其中,含石榴石二长花岗岩样品11件、含黑云母二长花岗岩样品7件、变粒岩样品2件、大理岩样品3件;化验分析了Au、Sb、As、B、Hg、Cu、Pb、Ag、Zn、Bi、Co、Mn、Ni、Ti、V、Mo、Sn、W等18种元素,剔除异常值后,计算出各元素的几何平均值作为矿区背景值(表1)。

表1 唐家沟金矿围岩元素含量及背景值Table 1 Element content and their background values for wall rock in Tangjiagou Au deposit

唐家沟金矿微量元素中浓度克拉克值≥1的元素有Au、Pb、Bi、Sn,从大到小依次为:Bi(15.27)>Pb (1.57)>Au (1.44)>Sn (1.08);含石榴石二长花岗岩以富含Au、Pb、Bi、Sn为特点;含黑云二长花岗岩以富含Au、Ag、Zn、Bi、Pb、Sn为特点;变粒岩以富含Pb、Bi为特点;大理岩各元素含量均较低,只有Bi元素高于地壳丰度。

3.1.2 矿体元素特征

为了分析唐家沟金矿的矿体组成元素特征,本次研究分析了唐家沟金矿Au≥1×10-6的矿石样品(共149件样品)和Au≥3×10-6的相对富矿石样品(共71件样品)中的元素含量特征,其结果见表2。

表2 唐家沟金矿床矿体微量元素含量特征Table 2 Characteristics of trace element content of ore bodies in Tangjiagou Au deposit

由表2可知,在Au≥1×10-6的矿石样品中,Au、Sb、As、B、Cu、Pb、Ag、Zn、Mo、Bi、Co、V、Ni、W等14种元素的含量高于矿区背景值(衬值>1),说明在成矿过程中这些元素在矿体中相对富集,而Au、Sb、As、Pb、Ag、Bi、W等7种元素在矿体中的含量是矿区背景值的5倍以上,表明在唐家沟金矿这些元素对矿体的存在具有明显的指示意义。在Au≥3×10-6的相对富矿石样品中,Au、Sb、B、As、Cu、Ag、Zn、Pb、Bi、Co、Mo、Ni、W等13种元素的含量高于矿区背景值(衬值>1),而Au、Sb、As、Cu、Ag、Pb、Co、Bi、W等9种元素在富矿体中的含量达矿区背景值的5倍以上,反映出唐家沟金矿富矿体形成时金属元素极为富集的特征。

3.2 矿床指示元素相关分析

如前所述,在成矿热液作用下,每次形成的元素晕随矿体形态在轴向上具有明显的异常分带,即单个矿体在形成过程中都有自已的元素晕展布,表现为矿体尾晕、矿体近矿晕、矿体前缘晕。理论上讲若形成的矿体是单一次成矿作用的结果,则矿体前缘晕元素之间的富集沉淀环境相似,元素之间的相关性应该较高。同理,近矿晕元素之间,尾晕元素之间的相关性也应该较高。

单次成矿形成的矿体其理论上的相关性较为简单统一,但在实际成矿过程中由于矿体通常是多期多阶段叠加成矿作用形成的,与理论上的指示元素相关关系不符,元素间部分相关关系变得十分复杂。生产实践中通过对矿床实际与理论相关性对比,分析其特征,其一可有效反映热液矿床成矿晕过程中是否存在叠加特征以及叠加的程度如何;其二是能反映矿床叠加后各元素之间的实际相关性,为盲矿指示元素的确定和预测标志的细化提供部分依据。当前缘晕与尾晕在矿体轴向深度上叠加(或部分叠加)共存时,反映为前缘晕特征元素与尾晕特征元素出现部分相关特征。

本次研究分析了唐家沟金矿床Au≥1×10-6样品元素之间的相关关系,选取样品数149件,在5%信度下元素间相关的最低相关系数值为0.1596,其结果如表3所示。

表3 唐家沟金矿床矿石组成元素相关矩阵Table 3 Correlation matrix of element constituting ore of Tangjiagou Au deposit

大量成果数据表明,指示单一金矿床(体)的上部特征元素有B、F、I、As、Hg、Sb等,表现为前缘晕特征;指示中部特征元素有Pb、Cu、Au、Zn、Ag等,表现为近矿晕特征;指示尾部特征元素有Mn、Bi、Co、Mo、Ni等,表现为尾晕特征[12-14]。根据表3相关分析结果可以看出唐家沟金矿与Au元素正相关(>0.1596)的有As、Cu、Ag、Pb、Zn、Bi、Co、Ni等8种元素,包括了前缘晕元素As,近矿晕元素Ag、Cu、Zn、Pb,尾晕元素Co、Bi、Ni。出现了近矿元素与前缘元素和尾晕元素相关的情况,表明唐家沟金矿是有多期多阶段成矿作用叠加现象的存在。

3.3 指示元素浓度分带及轴向变化特征

构造叠加晕指示元素浓度分带是研究矿体各指示元素轴向变化规律的基础,其目的是为了突出及判别矿体原生晕的轴向分带特点。构造叠加晕找盲矿法往往将目标矿床指示元素分为3个浓度梯度(外、中、内)带,以矿床地球化学元素背景为标准基础,按等比或等差作为3个浓度分带的下界限值[12-14];唐家沟金矿各元素浓度分带标准如表4所示,浓度分带特征如图4所示。其中,由于Ti元素异常太弱,且为多个零星分散的无规律外带异常,在此不再讨论。

表4 唐家沟金矿床各元素浓度分带标准Table 4 Standard for element concentration zoning in Tangjiagou Au deposit

图4 唐家沟金矿床元素浓度分带特征Fig.4 Characteristics of element concentration zoning in Tangjiagou Au deposit

图4反映了唐家沟金矿床地球化学的浓度分带特征。从图4中可以看出,前缘晕元素总趋势是其浓集中心在Au浓集中心上部或前缘部位,成矿元素Au在构造带中存在多个富集(浓集)中心或富矿体,每个Au富集中心上部都有自己的前缘指示元素异常存在,当2个矿体相近或部分叠加时,下部矿体前缘与上部矿体尾部出现叠加共存现象,在图上表现为前缘晕元素和尾晕元素异常复杂分布(异常叠加交错出现)。从图中可以大体判断出前缘晕有2个内、中异常区,上部异常区出现在已知矿体富集中心前缘部位,下部异常区出现在已知矿体富集中心中下部,推测可能是另一期次热液成矿形成的晕在此处部位与已知矿体下部叠加,故此推测在已知矿体的下部或深部可能存在盲矿体。

指示元素的轴向变化特征对于矿床成矿规律的研究非常重要,对于轴向分带的计算方法有很多,比较常用的如格里戈良法等,众多学者也开展过相关计算研究[22-24],具体计算方法请参考《岩石地球化学测量技术规程》。本文在浓度分带的基础上采用浓集中心法来大体判断唐家沟金矿指示元素的轴向分带序列(图4),不同指示元素浓集中心的所在标高不尽相同,从上到下大致为As、Au、Sb、Hg→W、C、B、Ag、Zn、Pb、Bi、Co→Mo、V、Mn、Ni、Sn、Ti。

通过比较可见,唐家沟金矿的指示元素轴向分带规律与李惠等[25]总结的热液金矿床元素分带的规律基本一致,但是也有部分独特的地方,如在唐家沟金矿W和Co元素异常相对较强,且浓集中心分布在矿体的中部,As和Hg元素在矿体下部也有较强的异常存在,这些特征同样反映了唐家沟金矿多期多阶段成矿叠加的特点。

4 唐家沟金矿床深部盲矿预测

通过对唐家沟金矿床指示元素异常分布特征进行综合研究,在唐家沟金矿的深部圈定了3个预测靶区(图5)。3个靶区均位于断裂构造带中,靶位上部已知蚀变矿化带宽约5～14 m,膨胀狭缩特点明显。

图5 唐家沟金矿深部预测靶区Fig.5 The predicted targets to depth of Tangjiagou Au deposit

结合图4和图5不难看出:

(1)Ⅰ号靶区 上部Au具强-内带异常;前缘晕元素Hg和As表现出以中、内带异常为主且较连续,Sb以中带异常为主,B以外带异常为主;近矿晕元素Cu、Ag、Zn、Pb均存在较为连续的内带指示异常。I号靶区部位地质情况较好,主要前缘晕及近矿晕异常均较强,预测其深部有盲矿体存在。

(2)Ⅱ号靶区 上部Au以强-内带异常为主;前缘晕元素As主要为内带连续异常,Sb和Hg主要为中带连续异常,B以中-外带连续异常为主;近矿晕指示元素Pb、Ag、Zn均以中-外带连续异常为主,Cu以中-内带异常为主。Ⅱ号靶区主要前缘晕及近矿晕异常均较强,预测深部有盲矿体存在。

(3)Ⅲ号靶区 上部由于坑道封闭未能采集到足够样品支撑研究,Au元素采用了矿山历史生产数据进行补充至-400 m标高,其他元素数据仅仅到-240 m标高。从图5中可以看出,Au以内带异常为主;前缘晕指示元素Sb、As、B有中内带多点异常出现;近矿晕元素Pb、Ag以中-外带异常为主。综合来说Ⅲ号靶区地质情况相对较好,深部有出现矿化体富集带的可能,但是需要进一步的数据支撑。

5 结语

本次研究基于构造叠加晕理论开展了山东乳山唐家沟金矿床地球化学异常特征分析,采用指示元素浓度异常的方式直观展现了唐家沟金矿的元素叠加特征。研究表明,唐家沟金矿的地球化学特征基本符合国内多数热液型金矿床的综合轴向分带序列,但也有其特性存在,如W元素含量相对较高,Ti元素异常较弱,这些特征在开展构造叠加晕研究过程中需要充分考虑。通过研究,对唐家沟金矿深部圈定了3个预测靶区。

致谢：成文过程中,得到中国冶金地质总局地球物理勘查院马晓辉、魏子鑫同志的细心指导和校对,在此表示衷心的感谢。