基于科學鉆探技術的老灣金礦帶金成礦機制研究

陳建立 郭 鵬 陳英男 趙 煥 魏從玲

(1.河南省地質礦產勘查開發局第一地質勘查院,河南 鄭州 450001;2.桂林理工大學地球科學學院,廣西 桂林 541004;3.桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室,廣西 桂林 541004;4.河南省地質研究院,河南 鄭州 450001)

近年來,科學鉆探技術發展迅速,被譽為“觀測地球內部的望遠鏡”。我國是繼前蘇聯、德國后第3個實施超過5 000 m科學鉆探的國家,相繼實施了多個大陸科學鉆探項目,取得了令人矚目的成果[1-2],在固體礦產勘查領域也取得了好的效果。例如,西藏甲瑪銅礦實施科學鉆探3 003.33 m,在深部揭露到厚達234.34 m的角巖型銅鉬礦體和厚度超過298 m的矽卡巖型銅鉬金銀礦體,礦床規模突破大型,并詳細揭示了陸陸碰撞造山背景下斑巖成礦系統的精細結構[3]。還有,川西花崗—偉晶巖型鋰礦通過實施3 211.21 m科學鉆探,建立了與鋰礦成礦相關的多學科地殼鋰柱[4]。可以說,科學鉆探是揭示深部成巖成礦規律的重要窗口,具有重要的現實科學意義。

老灣金礦帶位于桐柏造山帶中部,成礦地質條件優越,找礦成果豐碩,2016年在該帶發現了老灣特大型金礦床,2020年被控制為超大型[5-7]。為了進一步探索老灣金礦帶的深部控礦條件、成礦規律及富礦成因機制,2021—2022年本研究課題組對老灣金礦帶實施了3 006.42 m科學鉆探,獲得了豐富的地質數據;而且在深部還發現了隱伏花崗巖體,其在空間上與老灣花崗巖體緊密伴生,兩者的礦物成分相近。總體來說,科學鉆探技術首次在桐柏造山帶得以應用,效果顯著,同時,也將對秦嶺—大別山造山帶甚至我國固體礦產勘查技術創新起到了很好的引領和借鑒作用。

本研究基于最新的科學鉆探數據對桐柏地區老灣金礦帶的巖體地球化學特征進行了詳細分析,對區內元素分布規律、成礦物質來源、成礦規律、礦床成因、成礦機制等進行了系統總結,為下一步實現更大的找礦突破提供指導。

1 區域地質背景

老灣金礦帶位于秦嶺—大別造山帶的中部桐柏造山帶,以商丹斷裂為界,劃分為南秦嶺和北秦嶺。北秦嶺自北向南依次出露寬坪巖群(Pt2K)變火山巖、二郎坪群(Pz1er)變火山—沉積巖、歪頭山組(Pt3w)變火山—沉積巖、秦嶺巖群(Pt1Q)變火山—沉積巖;南秦嶺自北向南依次出露龜山巖組(Pt2g)變火山—沉積巖、南灣組(Dn)碎屑沉積巖、肖家廟組(Pz1x)構造混雜巖、桐柏雜巖(PtTxog)(圖1)。龜山巖組位于商丹斷裂(桐柏段稱為松扒斷裂)和老灣斷裂之間,主要出露巖性為斜長角閃片巖、二云石英片巖、大理巖等,是老灣金礦帶的賦礦層位[8]。

圖1 秦嶺—大別造山帶構造特征及桐柏地區區域地質特征[15]Fig.1 Structural characteristics of Qinling-Dabie orogenic belt and regional geological characteristics of Tongbai area

桐柏地區構造體系主體由NW向褶皺和斷裂、剪切帶組成[9]。區域性的大斷裂自北向南有欒川斷裂、瓦穴子斷裂、大河斷裂、松扒斷裂,老灣斷裂屬松扒斷裂南部的次級斷裂。區內加里東期和燕山晚期巖漿巖較為發育,加里東期巖漿巖沿NW向斷裂和背斜構造產出,呈不規則帶狀分布,以黃崗巖體和桃園巖體為代表[10],燕山期巖漿巖分布較為分散,主要由銅山巖體[11]、老寨山巖體、梁灣巖體、老灣巖體等組成[12-13]。

桐柏地區礦產資源豐富,礦床類型多樣,空間上受NWW向背斜或剪切帶控制。代表性礦床有亂馬山螢石礦、條山鐵礦、破山銀礦、銀洞坡金礦、劉山巖VMS銅鋅礦、老灣金礦等[14]。

2 金礦帶特征

老灣金礦帶的賦礦巖性主要是中元古界龜山巖組(Pt2g)斜長角閃片巖、二云石英片巖,局部夾大理巖透鏡體。NWW向脆—韌性剪切帶為礦區的控礦構造。

圖2 老灣金礦帶E10勘查線剖面Fig.2 No.E10 prospecting profile of Laowan gold re belt

老灣金礦帶全長30 km,寬2～3 km,發現金礦體221個,提交金資源量235 t,金平均品位5.36×10-6。礦石礦物主要是黃鐵礦和少量黃銅礦,礦石主要結構可分為半自形晶—他形晶粒狀結構、碎裂結構、填隙(充填結構)結構、交代殘余結構、鑲嵌結構,礦石主要構造類型為浸染狀構造、塊狀構造、蜂窩狀構造、角礫狀構造。目前礦床規模為超大型,預測資源量可達500 t[17]。

3 樣品采集與測試

本研究采取由淺到深的方式,對老灣金礦帶系統采集科學鉆探(ZKE1012)巖石地球化學樣品,基本采樣間距為5 m,對礦化蝕變部位進行加密取樣。在老灣花崗巖、老灣隱伏花崗巖中分別采集了112件、236件樣品。

樣品分析測試由具有甲級資質的河南省地礦局第一地質勘查院巖礦測試中心完成,進行Au、Ag、Sn、As、Sb、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo等12個元素測試。分別采用AAnalyst800泡沫塑料富集-石墨爐原子吸收光譜儀對Au(檢出限0.000 3 ug/g),Optima8000電感耦合等離子發射光譜儀對Cu、Pb、Zn、W、Mo(檢出限分別為1.5、5、15、0.5、0.5 ug/g),AFS-3100雙道原子熒光光度計對As、Sb、Bi、Hg(檢出限分別為1、0.2、0.1、0.000 5 ug/g),N0800540交流電弧-發射光譜儀對Ag、Sn(檢出限分別為0.03、1 ug/g)元素進行分析測試,各元素分析結果報出率均為100%。

4 老灣花崗巖元素組合特征

4.1 元素豐度及其分布特征

巖石微量元素的豐度及其分布特征,除了反映地球化學特點之外,還提供元素可能富集成礦的重要信息。老灣花崗巖的金屬元素平均含量見表1。各類金屬元素中,Au、Ag、Sn、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo等元素的豐度高于中國二長花崗巖的平均值[18],對區內金多金屬成礦有積極作用[19]。As、Sb的豐度與中國二長花崗巖的平均值接近一致。從各元素的分布特征來看,Au、Bi、Cu、Mo等元素的變異系數較大,在老灣花崗巖中離散程度較懸殊,分布不均勻,在局部聚集。Ag、Sn、Sb、Hg、Pb、Zn等元素的變異系數不大,在老灣花崗巖中活動趨于穩定,分布較均勻。

表1 老灣花崗巖和老灣隱伏花崗巖的金屬元素豐度及分布特征Table 1 Abundance and distribution characteristics of metal elements in Laowan granites and hidden granites

4.2 相關性分析

相關性分析是利用元素間的相關系數來衡量各元素相關性和親和性的一種有效的方法[20]。從表2中可以看到,所有元素普遍相關,其中Au與Sb高度負相關;Au與Pb、W、Mo具有良好的正相關性,相關系數大于0.3,特別是與W相關系數最高,達到0.8;Ag與Bi、Cu、Pb具有較強的相關性,相關系數大于0.5;Sb與Pb、W、Mo呈現負相關性,相關系數均小于-0.3;Bi與Pb、Cu與Pb的相關性較強,相關系數分別約為0.67、0.42。

表2 老灣花崗巖地球化學元素相關系數矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix of geochemical elements in Laowan granite

4.3 R型聚類分析

R型聚類分析主要遵循“物以類聚”的原則將性質相近的元素歸為一類[21]。本研究對12種元素做R型聚類分析研究,聚類方法采用組間連接,聚類結果顯示(表3和圖3),在相關系數0.2的水平,12種元素可分為5組,分別為Ag-Cu-Bi-Pb-Au-W-Mo-Zn、Hg、Sn、Sb、As;在相關系數0.5的水平,元素可分為8組,分別為:Ag-Cu-Bi-Pb、Au-W、Mo、Zn、Hg、Sn、Sb、As。

圖3 老灣花崗巖R型聚類分析譜系Fig.3 R-type cluster analysis pedigree in Laowan granite

表3 老灣花崗巖元素分類統計Table 3 Classification statistics of Laowan granite elements

W與Au密切相關,與相關分析結果一致。Pb、Bi、Cu、Ag關系較為密切,相關性較強。Mo、Zn、Hg、Sn則表現出相對獨立的地球化學行為。R型聚類分析結果與相關性分析結果一致。

4.4 因子分析

因子分析可從眾多變量中提煉出起主導作用的變量因子,闡明各變量之間的關系、變量因子與地質作用的關系,數據分析模型可作為地質作用解釋的依據[22-23]。本研究利用主分量分析法,從112個樣品12種元素中提取出了3個主因子,其累計方差貢獻率為60.37%,可以認為基本包含了原始變量的大部分信息。通過對因子載荷矩陣極大旋轉,得到了正交旋轉載荷矩陣,見表4。

表4 老灣花崗巖R型因子分析正交旋轉因子載荷矩陣Table 4 Orthogonal rotation factor loading matrix in R-factor analysis in Laowan granite

由表3可知:3個主因子分別為F1(Ag-Bi-Cu-Pb)、F2(Au-Sb-W)、F3(Zn-Mo)。即,Ag、Bi、Cu、Pb元素的富集受主因子F1控制,Au、W的富集以及Sb的貧化受主因子F2控制,Zn、Mo的富集受主因子F3控制。

5 老灣隱伏花崗巖元素組合特征

5.1 元素豐度及其分布特征

老灣隱伏花崗巖的金屬元素豐度和分布特征見表1。Au、Ag、Bi、Hg、Cu、Pb、W、Mo等元素的含量高于中國二長花崗巖的平均含量,尤其是Au、Bi、W、Mo等元素前者分別是后者的6.12、52、32、51倍,這一特征說明老灣隱伏花崗巖與區內的金成礦關系密切,隱伏花崗巖具有Bi、W、Mo礦化。As含量約為中國二長花崗巖平均含量的1/4,Sn、Sb、Zn元素豐度與中國二長花崗巖平均含量基本一致。從分布特征看,Au、As、Sb、Bi、Hg、Cu、W、Mo等元素變異系數較大,在老灣隱伏花崗巖中分布不均勻,尤以Au、W、Mo元素的離散程度十分懸殊,其數值變化倍數高于2.2,在局部高度富集,形成金屬礦化。

巖石地球化學含量曲線(圖4)顯示,老灣隱伏花崗巖富集W、Mo、Bi等元素,局部存在強烈的鉬、鎢礦化。Mo在1 753.8～2 707.6 m富集,Mo含量大于100×10-6的累計厚度為51.3 m,最高值為348×10-6。在1 880.45～2 855.07 m發現3層鉬礦體,累計厚度為1.04 m,Mo品位為0.067%～0.075%;在2 240.89～2 855.07 m發現2層鉬礦化體,累計厚度為1.58 m,Mo品位分別為0.021%、0.016%。鉬礦(化)體賦存于隱伏中粗粒二長花崗巖中,礦石礦物為輝鉬礦、黃鐵礦,脈石礦物為石英、斜長石、鉀長石等。輝鉬礦呈亮灰色細脈狀、團塊狀、斑點狀分布于石英脈、花崗巖裂隙以及細晶正長巖脈中。黃鐵礦與輝鉬礦密切共生,黃鐵礦—輝鉬礦脈呈彎曲細脈狀,顯示張性性質。W在1 821～2 899 m富集,W含量大于100×10-6的累計厚度為34.55 m,最高值為379×10-6。在1 886.41～2 307.47 m發現2層鎢礦化體,累計厚度為1.59 m,WO3品位分別為0.043%、0.063%。鎢礦化體賦存于隱伏中粗粒二長花崗巖中,白鎢礦在紫外線照射下呈紫蘭色,呈細脈狀、星點狀、浸染狀,主要分布于黃鐵礦—輝鉬礦—石英脈內。

圖4 鉆孔ZKE1012綜合柱狀圖Fig.4 Comprehensive columnar profile of No.ZKE1012 drilling

5.2 相關性分析

從老灣隱伏花崗巖的元素相關系數矩陣(表5)可看出,Au與Bi相關系數為0.661 1,正相關性較好,老灣金礦帶金礦體也表現出Au與Bi具有高度相關性[24],說明區內金成礦與老灣隱伏花崗巖關系密切,后者可能為金成礦提供了物質來源。Ag與Sn、Bi、Hg呈弱相關性;Sn與Bi、Pb呈弱相關性;As與Sb相關系數為0.844 2,正相關性很強,在高溫條件下As與Sb混熔,地球化學行為相近,在巖漿作用中一起遷移沉淀;Bi與Hg相關性較好,相關系數大于0.6;Cu與Mo呈弱正相關性,Pb與W具有弱負相關性。

表5 老灣隱伏花崗巖地球化學元素相關系數矩陣Table 5 Correlation coefficient matrix of geochemical elements in Laowan concealed granite

5.3 R型聚類分析

對老灣隱伏花崗巖12種元素進行R型聚類分析(圖5、表6),在相關系數0.2的水平,元素可分為5組,分別是Pb、Zn、As-Sb、Cu-Mo、Au-Bi-Hg-Ag-Sn-W;在相關系數0.5的水平,元素可分為9組,分別為Pb、Zn、As-Sb、Cu、Mo、Au-Bi-Hg、Ag、Sn、W。

圖5 老灣隱伏花崗巖R型聚類分析譜系Fig.5 R-type cluster analysis pedigree in Laowan concealed granite

表6 老灣隱伏花崗巖元素分類統計Table 6 Classification statistics of Laowan concealed granite elements

元素整體表現出高、中、低溫的分類特征,Pb和Zn內生條件下它們關系密切,相伴出現。As與Sb關系密切。Cu與Mo關系密切,在燕山期花崗巖中,Mo常與Cu共生。在花崗質巖石中Mo主要分散在淺色礦物中,斜長石中Mo含量可達(1.2～5)×10-6,斜長石晶格對Mo的加入有利,斜長石是淺色巖漿巖中Mo的富集礦物。Au、Bi、Hg元素關系密切,與相關性分析結果一致,進一步證明區內金成礦與隱伏花崗巖關系密切。

5.4 因子分析

對老灣隱伏花崗巖12種元素進行因子分析,得到正交旋轉因子載荷矩陣(表7),根據分析結果可提取4個主因子,其累計方差貢獻達到61.17%,基本包含了原始變量的大部分信息。4個主因子分別為F1(Au-Ag-Bi-Hg)、F2(As-Sb)、F3(Pb-W)、F4(Cu-Mo)。

Au、Ag、Bi、Hg元素的含量主要受主因子F1控制;As、Sb元素含量主要受主因子F2控制;Pb、W元素含量主要受主因子F3控制,兩元素為負相關關系,隨著因子F3代表的地質作用加強,Pb含量持續升高,W含量則持續降低;Cu、Mo元素含量主要受主因子F4控制。4個主因子分別代表了巖漿演化過程中不同的熱力學狀態、溫度、壓力條件等。

6 礦床成因與成礦機制研究

6.1 元素地球化學特征及其指示意義

從元素豐度來看,老灣花崗巖的Au、Ag、Sn、Bi、Hg、Cu、Pb、Zn、W、Mo等10種元素含量高于中國二長花崗巖的平均值,As、Sb含量與中國二長花崗巖的平均值基本一致。老灣隱伏花崗巖體中8種元素高于中國二長花崗巖的平均值,As含量約為中國二長花崗巖平均值的1/4。從分布特征看,老灣花崗巖有4種元素變異系數高于100%,老灣隱伏花崗巖有8種元素變異系數高于100%,且后者的Au、W、Mo變異系數高于220%。可以看出,兩巖體的元素含量與分布特征不同,老灣花崗巖的金屬元素含量普遍較高,但多數元素分布較均勻,巖體不發育礦化蝕變;老灣隱伏花崗巖多數元素含量較高,離散程度懸殊,特別是Au、W、Mo局部高度富集,形成鎢鉬礦(化)體。

從相關性分析結果來看,兩巖體的元素相關性特征差別較大,基本沒有相關性一致的元素對。老灣隱伏花崗巖表現出的Au與Bi高相關性特征,與老灣金礦體的這一元素特征一致,表明老灣隱伏花崗巖與金成礦關系密切,為金成礦提供了物質來源[25-27]。Bi為親地核地幔元素,老灣金礦體中鉍礦物的出現,指示成礦物質具有深成源區,與地幔或者深部巖漿活動具有較密切的關系,顯示了成礦物質深成、幔源的成因信息[28-30],也間接指示了老灣隱伏花崗巖為幔源成因。

由R型聚類分析結果可知:在相關性系數0.2的水平,兩個巖體12種元素雖然都可分為5組,但各組元素的聚類方式完全不同。在相關性系數為0.5的水平,老灣花崗巖元素可分為8組,老灣隱伏花崗巖可分為9組,且兩巖體的元素聚類方式也完全不同。老灣花崗巖總體表現出元素組合無序的特征;老灣隱伏花崗巖的元素表現出高、中、低溫的分類特征,在巖漿結晶分異過程中,相容元素中的高溫組先于低溫組進入礦物晶格中[31],同一溫度區間的元素具有相同的地球化學行為和遷移特征。

從因子分析結果來看,老灣花崗巖的12種元素可提取出3個主因子,老灣隱伏花崗巖可提取出4個主因子,各主因子分別控制不同的元素組合,兩巖體提取的主因子互不相同,代表了不同的熱力學狀態、溫度、壓力條件等,反映出兩巖體經歷了不同的巖漿演化過程。

6.2 礦床成因及成礦機制

老灣金礦受控于NWW向的老灣韌性剪切帶,剪切帶內變形組構多樣且變形標志均較明顯。其中糜棱面理、S-C組構、拉伸線理、分異條帶、旋轉碎斑系、脈體剪切變形和形態多樣的緊閉同斜褶皺等變形形跡廣泛發育。該剪切帶內的脆性、脆—韌性斷裂構造控制著金礦脈及礦體的展布,是主要的容礦構造,具有典型的韌性剪切帶控礦特征。

氫、氧同位素特征顯示成礦流體主要來源于巖漿水和大氣降水,并經歷早期以巖漿水為主、向晚期以大氣降水為主的演化;老灣金礦床的硫同位素組成具有深源巖漿硫的特征,硫的來源比較單一,均一化程度比較高;鉛同位素特征表明,鉛主要來源于與造山作用有關的深源,有少量殼源鉛的加入。前文研究已說明老灣金礦體Au與Bi具有高度相關性,成礦過程中富金鉍成礦流體的加入,指示有地幔源巖漿流體參與成礦過程。YANG等[15]對含金蝕變巖中熱液成因的金紅石、獨居石、磷釔礦等副礦物進行LA-ICP-MS U-Pb測年,獲得年齡分別為(120.0± 6.7)Ma、(125.0±2.4)Ma和(126.3±2.0)Ma,說明老灣金礦的成礦時間為早白堊世。

綜上所述,老灣金礦床的形成中,以地層具高背景分散金元素為基礎,加入的深源幔源巖漿熱液提供了主要的金鉍物質來源及流體,沿脆—韌性斷裂上升過程中與圍巖發生反應混染殼源物質,生成大量硫化物、碲鉍化物并導致金的沉淀,隨著成礦深度降低,大氣降水加入,導致成礦作用結束。老灣金礦是處在秦嶺—大別造山帶構造背景下,受早白堊世大規模巖漿活動影響的產物。

7 結 論

(1)元素豐度及分布特征、相關性分析、R型聚類分析、因子分析結果均說明,老灣花崗巖和老灣隱伏花崗巖具有不同的元素組合特征,后者具有幔源成因特點。

(2)老灣花崗巖、老灣隱伏花崗巖的多數元素豐度高于中國二長花崗巖的平均值。老灣花崗巖的元素分布較均勻,老灣隱伏花崗巖的元素分布離散程度較懸殊,Au、W、Mo局部高度富集,形成了鉬鎢礦(化)體。

(3)老灣隱伏花崗巖的Au、Bi具有高度相關性,受同一地質因子控制,老灣金礦體也具有這一元素特征,表明老灣隱伏花崗巖與金成礦關系密切,為老灣地區金成礦提供了物質來源。

(4)老灣金礦是處在秦嶺—大別造山帶構造背景下,受早白堊世大規模巖漿活動影響的產物,深源幔源巖漿熱液為金成礦提供了主要的金鉍物質來源及流體。