湖北大冶銅綠山銅鐵礦床找礦預測模型及找礦突破思路

閆 芳，魏克濤*，王 宇，劉冬勤， 朱柳琴，3，蔡恒安，2，3，尚世超，2，3，華先錄

(1.湖北省地質局 第一地質大隊,湖北 大冶 435100； 2.湖北省地質局 第一地質大隊 院士專家工作站，湖北 大冶 435100； 3.湖北省地質局 找礦突破創新中心，湖北 大冶 435100)

湖北大冶銅綠山銅鐵礦是鄂東南地區乃至中國最著名的礦床之一,具有悠久的采礦歷史。研究區內的地質勘查工作始于1952年,至今仍在進行?？v觀其找礦歷史,充分體現了就礦找礦思想,早期注重其地表含孔雀石鐵帽、銅草花及獨特的地名等線索開展地質調查工作而發現并開展鐵礦的找礦工作；后認識到地表鐵帽是深部原生銅鐵礦床的產物,原生礦床為接觸帶控制的矽卡巖型銅礦床而轉變為以找銅為主,銅鐵并重開展工作,圍繞接觸帶找礦取得重大突破[1]；深部找礦階段,注重構造控礦規律、蝕變礦化分帶規律和原生暈分帶規律的研究,在Ⅲ號礦體延伸部位發現了厚大的ⅩⅢ號礦體[2],在ⅩⅢ號礦體對應的背斜西翼發現了ⅩⅣ號礦體[3],取得了深部找礦新突破。然而,隱伏礦的找尋及深部礦體的定位預測仍是目前工作中的難點,制約了礦區的深部找礦工作。本文以葉天竺等專家創立的“三位一體”勘查區找礦預測理論方法為指導,通過對銅綠山銅鐵礦的成礦地質體、成礦構造與成礦結構面、成礦作用特征標志進行研究,構建研究區內找礦預測地質模型,基于此開展礦床邊深部的找礦預測工作,優選出下步工作靶區。

1 區域地質背景

研究區位于揚子準地臺下揚子臺褶帶西端,大冶復式向斜南翼,陽新巖體西北端,姜橋—下陸斷裂帶與保安—陶港斷裂帶的交匯部位。區域地層除缺失中、下泥盆統及上侏羅統外,自寒武系至第四系均有出露,其中三疊系大冶組和嘉陵江組大理巖、白云質大理巖及蒲圻組砂頁巖是區內矽卡巖型銅鐵礦床重要的賦礦圍巖。區域構造主要由印支期與燕山期所形成的構造變形疊加而成,印支期發育一系列北西西向—近東西向復式褶皺構造、同向的走向斷裂以及北東向、北西向剪切斷裂,燕山期形成的北北東向褶皺和斷裂疊加其上,兩期構造近于直交疊加,形成網格狀的構造格架,是研究區內重要的控巖控礦構造。研究區內廣泛發育的中酸性侵入巖,主要包括鄂城、鐵山、金山店、陽新、殷祖、靈鄉等六大巖體,以及銅綠山、銅山口、阮家灣、龍角山等多個小巖株,形成時代均為燕山期,巖性以閃長巖、花崗閃長巖、石英閃長巖為主,與區域銅鐵金等金屬礦產的形成密切相關。

2 礦床概況

銅綠山銅鐵礦床位于大冶復式向斜南翼,陽新巖體西北端銅綠山巖株體銅綠山礦田內,東鄰石頭咀銅鐵礦,西鄰雞冠咀金銅礦、桃花嘴金銅礦和猴頭山銅鉬礦,北有鯉泥湖銅鐵礦,南為銅山銅礦。

礦區內地層較為簡單,主要為呈隱伏殘留狀態賦存的下三疊統大冶組(T1d)、下—中三疊統嘉陵江組(T1-2j)碳酸鹽巖類巖石以及下白堊統大寺組(K1d)凝灰巖類,第四系在礦區地表廣泛分布,與成礦關系密切的為大冶組、嘉陵江組碳酸鹽巖地層。礦區巖漿巖主要為陽新雜巖體西北端的銅綠山石英二長閃長玢巖巖株體,與成礦關系密切。礦區構造由北西西向—近東西向與北北東向的褶皺斷裂疊加交切而成,兩期背斜疊加成脊,早期向斜與后期背斜疊加成槽,脊部多抬升遭受剝蝕,槽部下降保留其大理巖殘留體。北北東向構造強烈,成為礦床的主體構造,其中,馬叫—銅綠山橫跨背斜是區內控制礦床的主體構造,礦床中的礦體群沿背斜的兩翼及核部分布。區內現已發現14個大小不等的銅鐵礦體(Ⅰ-ⅩⅣ號),其分布主要受北北東向、北東東向兩組構造控制,排列呈兩個帶狀,其中北北東向主礦帶沿北22°東延伸,長約2 100 m,寬約300～350 m,包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅺ、Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ號礦體；北東東向次礦帶沿北68°東延伸,長約1 850 m,寬約10 m,包括Ⅹ、Ⅷ、Ⅶ、Ⅸ號礦體,這些礦體規模小,分布零星,互不連續(圖1)。

圖1 銅綠山銅鐵礦區地質略圖Fig.1 Geological outline of Tonglvshan Cu-Fe mining area1.第四系沖積層；2.第四系坡積層；3.大寺組凝灰角礫巖；4.嘉陵江組第三段白云巖；5.嘉陵江組第二段白云巖；6.嘉陵江組第一段白云巖；7.石英二長閃長玢巖；8.斜長石巖；9.閃長玢巖脈；10.鈉長斑巖脈；11.石榴石矽卡巖；12.石榴石透輝石矽卡巖；13.金云母透輝石矽卡巖；14.鐵帽；15.地質界線；16.斷裂；17.礦體及編號；18.隱伏礦體范圍及編號。

3 找礦預測地質模型構建

3.1 成礦地質體特征

銅綠山巖株體在平面上東西長約4 km,南北寬約3.5 km,呈不規則短軸橢圓狀,面積約11 km2,為一向南超覆向南東傾斜的偏心蘑菇狀巖株體,屬中淺成相,剝蝕深度較淺。

3.1.1巖漿巖與成礦的時間關系

前人對銅綠山石英二長閃長玢巖開展了鋯石SHRIMP U-Pb定年和LA-ICP-MS定年,獲得的年齡數據分別為(140±2) Ma[4-5]和(141±1.1) Ma[6],同時對銅綠山礦床進行了金云母Ar-Ar測年和輝鉬礦Re-Os測年,測得成礦年齡分別為(140.3±1.1) Ma和(137.3±2.4) Ma[7]。綜上,銅綠山巖株體主要成巖年齡集中在140 Ma以前,而成礦年齡主要集中在140 Ma以后,表明了成礦作用緊隨于巖漿巖成巖之后,成巖成礦為一連續演化階段。

3.1.2巖漿巖與成礦的空間關系

研究區內銅鐵礦體主要呈似層狀、透鏡狀、藕節狀賦存于石英二長閃長玢巖與大理巖的接觸帶部位以及巖體內的大理巖捕虜體中,在遠離接觸帶的大理巖(或矽卡巖)破碎帶及巖漿巖裂隙中分布有小的銅礦體。此外,與銅鐵礦體異體共生的單鉬礦體主要賦存于接觸帶附近的巖體裂隙內,少量賦存在接觸帶附近的大理巖層間破碎帶中。

3.1.3巖漿巖與成礦的專屬性關系

從成礦物質來源角度看,巖體微量元素值與維氏值相比,成礦元素中Cu、Pb、Mo偏高,其中Cu平均含量達95.5×10-6,較維氏值高2.7倍,反映了巖漿含銅較高,是含礦巖體的特征之一,與本區銅礦化在成因上聯系密切[8]。同時,黃銅礦和黃鐵礦δ34S組成變化范圍窄,平均值為2.03‰,反映了硫化物礦石中的硫具有深源硫特征,即硫主要來源于深源巖漿；鉛同位素組成穩定,放射性鉛含量低,具正常鉛性質,礦石鉛源于上侵過程中受地殼物質混染的幔源巖漿[9]。以上說明富集地幔的經分離結晶作用及下地殼的混染形成的銅綠山石英二長閃長玢巖為成礦提供了物質來源。

從成礦流體來源角度來看,不同成礦階段的熱液礦物的氫、氧同位素組成顯示,從干矽卡巖階段—氧化物階段—石英硫化物階段及碳酸鹽階段,δDH2O由-80‰～-40‰變化至-73‰至-77.1‰～-56.8‰,δ18OH2O由5.5‰～9.0‰變化至12.95‰至-1.5‰～4.95‰,顯示了成礦早期階段的成礦流體主要來源于巖漿熱液,有少量天水加入,成礦后期階段熱液中大氣降水的比重加大[9]。說明巖漿巖在早期提供主要成礦流體,晚期作為流體循環的驅動力。

綜上所述,界定銅綠山石英二長閃長玢巖為銅綠山銅鐵礦的成礦地質體。

3.2 成礦構造和成礦結構面特征

3.2.1成礦構造

研究區內北北東向馬叫—銅綠山橫跨背斜及同向斷裂疊加在印支期形成的北西西向大冶復式向斜南翼的次級背向斜之上,兩期背斜疊加成脊抬升剝蝕,早期向斜與后期背斜疊加成槽,槽部下降保留其大理巖殘留體,后期侵入的巖漿巖沿北北東向、北西西向構造分割包裹大理巖形成一系列半島狀、懸垂體狀捕虜體接觸構造,這類接觸構造與北東東向褶皺和斷裂復合,成為區內的主要控礦構造,控制Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ號等礦體的分布,礦體深部主要為褶皺兩翼與斷裂、接觸帶復合控礦,淺部為斷裂與接觸帶復合控礦,礦體形態剖面上呈“入”字型。此外,北東向破鐘山—大巖陰山斷裂帶,控制著銅綠山的Ⅹ、Ⅷ、Ⅶ號等礦體的分布,組成銅綠山礦區獨立的北東向礦帶。

銅綠山礦床野外可見矽卡巖具有多次穿切變形的現象,工業礦體的礦石礦物在鏡下可見由多世代的礦石礦物組成。這是由于巖漿侵入后仍在活動的斷裂構造破壞先期侵入的巖漿巖、矽卡巖和銅鐵金礦石,使礦質在斷裂—接觸復合帶反復沉淀形成多世代的礦石礦物和厚大的工業礦體。

因此,侵入接觸構造(包含捕虜體構造)、北北東向褶皺—斷裂—接觸復合構造、北東向破鐘山—大巖陰山斷裂帶及大理巖、巖體內部裂隙為銅綠山礦床的成礦構造,巖漿侵入后仍在活動的斷裂構造是最重要的控礦構造。

3.2.2成礦結構面

成礦結構面主要為圍巖侵蝕大理巖形成的接觸面,同時復合北北東向斷裂面及同向褶皺軸向和層間滑脫面,次為巖體及圍巖內裂隙面。

3.3 成礦作用特征標志

3.3.1礦體特征

研究區內礦體在剖面上呈透鏡狀或似層狀,主要賦存于石英二長閃長玢巖與大理巖及大理巖捕虜體的接觸帶部位,其次賦存在接觸帶附近的大理巖層間裂隙,極少量賦存于接觸帶附近的巖體裂隙內。其中,Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅺ、ⅩⅢ號等礦體都是由兩個到數十個不同類型礦石組成的礦體群,礦體在平面上表現為一組出露深度不等的平行脈,剖面上呈雁行式斜列,具尖滅再現現象,單脈呈狹長透鏡狀,傾角50°～80°不等。各礦體長一般為200～520 m,延伸較大,一般為105～650 m,局部可達-1 000 m以下。Ⅲ號礦體在-820 m以下,ⅩⅢ號礦體在-1 200 m以下仍未尖滅。此外,在Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ號等礦體的頂底板及附近分布有單鉬礦體,在遠離接觸帶的大理巖(或矽卡巖)及巖漿巖中分布有小的銅礦體。這類礦體規模小,變化大,但都分布在主礦體的周圍。

總體來說,研究區內厚大的銅鐵礦體主要賦存于巖體與大理巖捕擄體上、下接觸帶的外帶,并以下接觸帶為主,賦存于大理巖捕擄體與巖體裂隙中的礦體規模不大；礦體沿傾向具有尖滅再現、側列再現現象；在巖漿侵入后仍在活動的斷裂構造成為巖漿期后熱液的通道,使得礦質在斷裂—接觸復合帶反復堆積形成厚大的工業礦體(圖2)。

圖2 銅綠山銅鐵礦區3-12號勘探線地質剖面透視圖Fig.2 Perspective drawing of joint geological profiles from line 3- line 12 of Tonglvshan Cu-Fe mining area1.嘉陵江組第三段；2.嘉陵江組第二段；3.嘉陵江組第一段；4.大冶組第四段；5.大冶組第三段；6.石英二長閃長玢巖；7.斜長石巖；8.地層界線；9.地層與巖體界線；10.斷裂；11.銅鐵礦體；12.銅礦體；13.鐵礦體；14.低品位銅鐵礦體；15.低品位銅礦體；16.低品位鐵礦體；17.鉬礦體；18.礦體編號。

3.3.2礦石特征

研究區主要礦石礦物有磁鐵礦、黃銅礦、黃鐵礦、斑銅礦、輝銅礦、赤鐵礦、孔雀石；主要脈石礦物有方解石、白云石、石英、葉蛇紋石、玉髓、透輝石、次透輝石、鈣鋁榴石、鈣鐵榴石、金云母。礦石結構主要有膠狀、他形、半自形、自形粒狀、固溶體分解、熔蝕交代等結構；礦石構造主要為致密塊狀、半致密塊狀、浸染狀、星點狀、角礫狀、蜂窩狀等構造。

3.3.3礦床元素分帶

根據鉆孔原生暈資料,其礦床指示元素具有明顯的軸向分帶,即由礦上—礦下F-As-Au-Ag-Cu-Mn-Zn-Co-W(Mo)。在剖面上異常沿斷裂接觸復合帶展布,礦體上方呈現Cu、Au、Ag、Mo、Fe、Zn、Co、Sn、Bi、As、F、B、Ba、Pb異常；礦體中出現Cu、Au、Ag、Fe、Zn、Co、Sn、Bi異常；Mo、W偏向巖體一側,也在礦體部位出現。

3.3.4蝕變組合

研究區內圍巖蝕變主要有硅化、透輝石化、金云母化、鈉化、綠簾石化、碳酸巖化,鉀長石化等,其中鈉化與鐵礦化相關,鉀化、硅化與鉬礦化相關,鉀化、碳酸巖化與銅礦化關系密切。

3.3.5成礦期和成礦階段

銅綠山銅鐵礦床為銅鐵復合礦床,區域巖漿演化到特定階段的含礦巖漿在一定控礦構造帶與不同的碳酸鹽類圍巖接觸,在接觸帶的各類矽卡巖中或兩側被高—中溫含礦氣液多期次多階段脈動式交代,銅鐵等成礦元素富集沉淀形成礦床體。其礦床成巖成礦作用具有多期多階段的特點,與典型矽卡巖礦床兩個成礦期五個成礦階段相比,根據礦體的相互穿插關系、礦石中的礦物共生組合以及礦物的穿插交代關系,本礦床成礦作用過程可劃分為三個成礦期五個成礦階段(表1)。

表1 銅綠山銅鐵礦成礦期與成礦階段Table 1 Mineralization period and metallogenic stage of Tonglvshan Cu-Fe deposit

3.4 找礦預測地質模型

通過對銅綠山銅鐵礦床成礦地質體、成礦構造和成礦結構面、成礦作用特征標志進行綜合研究,建立了銅綠山銅鐵礦床“三位一體”找礦預測地質模型(圖3、表2)。

表2 銅綠山銅鐵礦“三位一體”找礦預測地質模型要素表Table 2 Elements of geological model for prospecting prediction of Tonglushan Copper iron deposit

圖3 銅綠山銅鐵礦“三位一體”找礦預測地質模型Fig.3 Geological model of prospecting of Tonglvshan Cu-Fe deposit1.石英二長閃長玢巖；2.灰巖；3.矽卡巖；4.矽卡巖化大理巖；5.銅鐵礦石；6.銅礦石；7.鐵礦石；8.鉬礦石；9.斷裂；10.地質界線；11.蝕變帶界線。

4 找礦突破思路

4.1 深部找礦方向

銅綠山銅鐵礦具有悠久的開采歷史,最早始于殷小乙時期,經春秋戰國到西漢,延續達千余年?；仡欍~綠山銅鐵礦的找礦過程,大致可分為三個階段，初期以接觸帶控礦規律為指導,圍繞大理巖捕虜體與巖體接觸帶找礦,對區內-700 m以淺的礦體進行勘探；中期開展了礦區深部構造研究,以斷裂—接觸復合構造控礦為依據在深部取得了重要進展和突破,在-600～-1 200 m發現了厚大的ⅩⅢ號礦體,將區內找礦深度拓展到-1 200 m以下；后期通過對礦區控礦構造和重磁異常的綜合研究,認識到礦體受褶皺—斷裂—接觸復合構造帶控制,在礦區背斜西翼-1 000 m以淺發現了ⅩⅣ、Ⅳ6礦體,并證實了背斜西翼在銅綠山礦區18～31線穩定存在,拓展了背斜西翼的找礦空間。對區內勘查資料研究發現,以往對背斜西翼的規模和連續性控制不夠,其向深部及向南的延伸性和含礦性并未查明。根據“三位一體”找礦預測地質模型,結合礦床成礦規律和礦體延伸規律,對區內今后深部找礦方向進行預測。

4.1.1ⅩⅣ號礦體沿走傾向延伸

研究區內新發現的ⅩⅣ號礦體目前受3線、0線、4線、8線、12線共5條勘探線控制,賦存標高在-465～-1 533 m,傾向延伸120～478 m,礦體主要賦存于隱伏背斜西翼大理巖與石英二長閃長玢巖的下接觸帶,受巖體與隱伏背斜西翼大理巖接觸帶及復合其上的斷裂控制,在走向較為穩定,傾向上局部有分枝復合現象,與東翼ⅩⅢ號礦體相接呈“∧”型。礦體在4～8線之間較厚大達65 m,向北和向南均有變薄的趨勢,總體來說,ⅩⅣ號礦體呈現由北到南捕虜體厚度逐漸增大,礦體埋深也隨著接觸帶深度增大而增加的分布特征,且ⅩⅣ號礦體走向上的延伸在12線以南尚未控制,傾向上也均未控制。類比ⅩⅢ號礦體,其主礦體賦存于銅綠山背斜東翼大理巖殘留體與巖體的下接觸帶,傾向延伸達111～800 m,且礦體隨著接觸帶的產狀起伏出現局部膨大和收縮現象。因此,推測循著背斜西翼大理巖向南西膨大和向下延伸的趨勢,在其與巖體的上、下接觸帶繼續追索ⅩⅣ號礦體的走傾向延伸,具有很大找礦潛力(圖4)。

圖4 銅綠山銅鐵礦床4勘探線剖面預測礦體圖Fig.4 Prediction of orebody of the 4 exploration line of Tonglvshan Cu-Fe deposit1.嘉陵江組第三段；2.嘉陵江組第二段；3.嘉陵江組第一段；4.大冶組第四段；5.大冶組第三段；6.石英二長閃長玢巖；7.斜長石巖；8.地層界線；9.地層與巖體界線；10.斷裂；11.銅鐵礦體；12.銅礦體；13.鐵礦體；14.低品位銅鐵礦體；15.低品位銅礦體；16.低品位鐵礦體；17.礦體編號；18.以往工作鉆孔；19.預測見礦鉆孔；20.預測礦體位置。

4.1.2銅綠山礦體沿走向向南延伸

位于銅綠山礦床南500 m的銅山銅鐵礦床,前人研究認為其與銅綠山礦床是同期生成、同礦床成因、同礦石類型的外圍礦床,其礦體主要賦存于馬叫—銅綠山背斜東翼大理巖捕虜體與巖體上接觸帶及接觸帶內外的巖體、地層裂隙中。由于區內鉆探工程多在700 m以淺,未能控制巖體與大理巖下接觸帶,且背斜核部和西翼礦體也均未探索。類比銅綠山礦區厚大礦體多賦存于大理巖與巖體的下接觸帶的規律,推斷在區內背斜東翼深部主接觸帶及礦區外圍西部探索背斜核部和西翼與巖體的主接觸帶上的礦體具有較大的找礦潛力(圖5)。

圖5 銅山銅鐵礦床413勘探線剖面預測礦體圖Fig.5 Prediction of orebody of the 413 exploration line of Tongshan Cu-Fe deposit1.嘉陵江組第一段；2.大冶組第四段；3.大冶組第三段；4.石英二長閃長玢巖；5.正長閃長玢巖；6.地層界線；7.地層與巖體界線；8.銅鐵礦體；9.銅礦體；10.低品位鐵礦體；11.低品位銅鐵礦體；12.礦體編號；13.以往工作鉆孔；14.預測見礦鉆孔；15.預測礦體位置。

4.2 開展深部礦體精準定位預測的主要技術手段

在有利成礦地段,開展深部礦體精準的定位預測,需要依賴多種深部找礦技術手段。

4.2.1大測深地球物理探測手段

近年來的深部找礦工作使中國地質勘查者們意識到,深部找礦一方面更加依賴于地質成礦理論的指導作用,另一方面也必須向新技術、新方法尋求幫助,以解決深部礦埋深較大、信息弱和干擾大的特點,因而出現了大深度物探技術和深穿透的化探新方法、高分辨率航衛遙感技術以及大深度的鉆探技術等方法,并在深部礦勘查中取得了較好的效果。其中,廣域電磁法突破CSAMT法遠區測量的限制,把提取視電阻率的觀測范圍拓展到更大的區域,具有勘探深度大、觀測范圍廣、測量精度高、適應性強等優點,對二、三維地質結構的探測能力強、分辨率高；微動勘探具備抗干擾能力強、探測深度大的獨特優勢,對地層的橫波速度變化非常敏感,對軟弱夾層、裂隙、斷層等地質體有較高的分辨率,在深部找礦中,微動勘探對深部的構造破碎帶、隱伏斷層等控礦因素有較好的探測效果,與AMT、CSAMT、廣域電磁等方法綜合解釋能一定程度上解決深部異常信息微弱、多解性強等問題。目前,上述兩種方法已在雞冠咀礦區外圍深部找礦中進行試驗,從試驗剖面看,廣域電磁法電性結構、微動勘探法橫波速度結構均與已知地質剖面對應良好,對于盆地邊緣的刻畫、成礦地質體及重要的成礦界面的識別均反映出較好的效果,應加強在銅綠山礦區邊深部找礦中的運用。

4.2.2三維地質建模與成礦預測

目前,中國已有多處礦田區及礦床開展了精細的三維地質建模,并基于此開展了成礦預測工作,取得了良好的效果。銅綠山銅鐵礦曾在20世紀80年代末開展了立體填圖,屬于較早期的三維建模,在指導當時的深部找礦探索工作中發揮了重要作用。因此,基于礦區已積累的豐富的地質、礦產、物化探、礦山開采資料及礦床“三位一體”預測要素開展礦床尺度的三維地質建模,對于今后在礦區邊深部找礦具有重要意義。通過精細刻畫礦體、礦化富集空間分布規律及與構造、成礦地質體的空間定位關系,并通過投入大探測深度的廣域電磁法、微動勘探法及大地電磁測深法等測量工作及其相應的地質解譯成果對礦床三維空間精細地質組構進行完善,同時運用三維可視化技術和數學建模方法,最終構建礦區三維結構模型和找礦預測模型,實現礦田3 000 m以淺“透明化”,能夠有效指導礦區深部找礦。