四川會理縣白草礦區釩鈦磁鐵礦床中鈷的地球化學特征

李石磊,張 敏,林 建,張國禮,范仕貴

（四川省川威集團，四川 成都 610000）

1 概述

峨眉山大火成巖省內帶的四川攀枝花-西昌地區發育一系列基性-超基性層狀含礦巖體，蘊藏著巨大經濟價值的含Fe-Ti 氧化物礦床與Cu-Ni 硫化物礦床[1],是我國Fe、Ti 和Ni 等金屬的重要生產基地。攀西含礦巖體和成礦域沿南北向斷裂帶展布，從北向南為太和、白馬、新街、紅格、攀枝花等。攀西地區除發育釩鈦磁鐵礦床外，含礦的基性-超基性巖體中還賦存一定規模的巖漿型Cu-Ni 硫化物礦床，如楊柳坪Cu-Ni-PGE 礦床[2]、冷水箐Cu-Ni-PGE 礦床[3]、力馬河Cu-Ni 礦床[4]、白馬寨Cu-Ni 礦床[5]、朱布PGE 礦床[6]，金寶山礦 床[7]。關于該 類型Cu-Ni 硫化物礦床的形成時代、構造環境和成礦環境等開展過諸多研究，總體上認為它們具有相似的形成時代和成礦機制[8]，為該地區銅鎳硫化物成礦作用積累大量資料。

攀西地區除了上述獨立的Cu-Ni 硫化物礦床之外，在釩鈦磁鐵礦中還賦存著大量與其共生的鈷鎳硫化物。有關于該類型硫化物礦的相關研究還較為缺乏，資料積累較少。作者在會理縣白草礦區的工作時，發現釩鈦磁鐵礦中發育有大量的鈷鎳硫化物，呈乳滴狀、蠕蟲狀等分布在釩鈦磁鐵礦中，關于硫化物礦成因機制和成礦背景還沒有系統的研究。因此，文章選擇會理縣白草礦區的釩鈦磁鐵礦中共生的硫化物作為研究對象，對其進行系統的巖相學、地球化學研究，討論鈷鎳硫化物形成機理和地球化學特征，為該地區Cu-Ni 硫化物礦床成礦機制研究提供一定的理論支持。

2 區域地質背景

攀西地區位于揚子陸塊與松潘-甘孜活動帶的西南結合部，峨眉山大火成巖省(ELIP)之內，與三江造山帶毗鄰，是巖漿、構造、成礦等地質作用非常活躍的區域。峨眉山玄武巖-層狀巖體-正長巖的“三位一體”巖石組合是重要的成礦標志[1]。含礦巖體形成年代學研究表明，其形成于二疊紀末期[9-14]，含礦層狀巖體與峨眉山大火成巖是同一巖漿活動的產物。

攀西地區地質構造極其復雜，東部及中部位于揚子陸塊西南緣，包括鹽源-麗江前陸逆沖-推覆帶、康滇斷隆帶、上揚子地塊三部分。中部的康滇斷隆帶由南北向斷裂帶與其間的基底、蓋層組成。上揚子地塊構造比較簡單，屬蓋層構造，與康滇斷隆帶蓋層構造一致。鹽源-麗江前陸逆沖-推覆帶位于揚子陸塊與松潘-甘孜活動帶的結合部。攀西地區含礦鎂鐵－超鎂鐵質巖體沿著南北向斷裂帶分布，受不同的南北向斷裂帶的控制作用很明顯。

攀西地區的基底分別由結晶基底及成層褶皺基底組成，前者以康定雜巖為代表；后者由變質碎屑巖、碳酸鹽巖等組成。震旦系為中酸性火山熔巖及火山碎屑巖，角度不整合覆于元古代褶皺基底之上；上震旦統以大套白云巖為主。古生界為碳酸鹽巖、碎屑巖、變質碎屑巖夾凝灰巖、條帶狀的灰巖、硅質巖及生物灰巖等。下、中三疊統地層陸相碎屑巖向海相碳酸鹽巖過渡。侏羅系—古近系以陸相砂巖、泥巖為主。第四系沖、洪積階地堆積物多沿河流和構造斷陷盆地分布。

3 礦區地質特征

白草礦區含礦層是紅格含釩鈦磁鐵礦層狀基性—超基性巖體一部分，位于紅格巖體的東北部，沿南北走向呈帶狀展布。區內出露巖石以基性-超基性巖侵入體、基性火山巖、堿性正長巖及各種巖脈為主。巖漿巖占全區總面積的90%以上，前震旦系變質巖、第四系殘破積、沖洪積層占面積不足10%。礦區內發育南北、北西、東西向三組斷裂構造。南北向斷裂是區內主斷裂、控礦構造，北西和東西向斷裂對礦體和圍巖造成破壞。

礦區內含礦巖體為輝長巖、輝石巖兩個巖相帶，頂底板均為玄武巖。上部的輝長巖相帶由流狀輝長巖和底部條帶狀輝長巖組成。下部的輝石巖相帶為礦區主要含礦層位，主要由含長輝石巖、輝石巖夾橄輝巖和橄欖巖薄層組成，其底部已被玄武巖所破壞。

白草釩鈦磁鐵礦體礦體與輝石巖、輝長巖呈韻律重復交替產出，礦體厚度與輝石巖、輝長巖厚度不一，產狀與含礦巖層相同，傾向西部，傾角為26°～52°，呈似層狀、層狀、透鏡狀產出。礦石礦物主要為鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、硫化物礦等，脈石礦物主要為普通輝石、斜長石、角閃石、橄欖石、磷灰石等。礦石結構以海綿隕鐵結構、填隙狀結構為主，構造以浸染狀和塊狀為主。

4 樣品采集與分析

在白草礦區選擇典型釩鈦磁鐵礦體采集樣品，分別為稀疏浸染狀和塊狀釩鈦磁鐵礦樣品，一般硫化物礦物含量約為2%～3%，最高可達5%。根據鏡下鑒定結果，選擇46 件樣品送實驗室分析。元素分析在澳實分析檢測有限公司進行的，地球化學分析采用儀器為ICP-MS Perkin Elmer Elan 9000 及ICP-AES Agilent VISTA，分析精度優于10%。

5 結果

5.1 硫化物賦存形式

釩鈦磁鐵礦中與之密切共生的硫化物礦物，一般呈星散浸染狀、細脈浸染狀構造產出，呈乳滴狀、不規則狀、星點狀、細脈狀分散在其他礦物中或之間。硫化物主要有磁黃鐵礦、黃鐵礦、黃銅礦、鈷鎳黃鐵礦、紫硫鎳礦等組成；礦石中還可見少量的砷化物等(如圖1 所示)。根據電子探針分析結果顯示，鈷的賦存礦物為輝鈷礦、鈷鎳黃鐵礦、紫硫鎳礦、磁黃鐵礦等。

圖1 白草礦區釩鈦磁鐵礦鈷鎳硫化物鏡下照片

5.2 礦床地球化學特征

含硫化物釩鈦磁鐵礦中Co、Ni、Cu 等含量較高，Co 含量為159±51μg/g，最高為240μg/g，最低為38.8μg/g；Ni 含量為634±588μg/g，最高為2680μg/g，最低為4.2μg/g；Cu 的含量為471±544μg/g，最高為2990μg/g，最低為10μg/g。Co 元素含量大于180μg/g樣品有19 件，一般Co 大于100μg/g，具有綜合利用的價值。Co 等含量分布見圖2。系統礦物學研究和電子探針分析表明，Co 主要賦存在硫化物中，主要的賦存礦物有磁黃鐵礦、鈷鎳黃鐵礦、紫硫鎳礦等。Co(鈷)與其他金屬元素的相關圖解上(圖3)，顯示出鈷與鐵、鈦、硫有很好的正相關關系，鈷與銅、鎳有較好的正相關關系，鈷與鎂、鈧呈現倒三角(或扇形)的負相關關系，鈷與砷沒有相關性。

6 數據分析

6.1 因子分析

因子分析是指從多變量中提取公共因子，將多個變量用少數因子替代，達到將復雜問題簡單化的目的。將其應用于地質領域，就可以將地質現象的內在共生關系提煉出來，將相同成因、同形成機制的歸納成為一群，獲得并確定元素組合信息[15]。將46個樣品的數據進行因子分析，截取各因子特征根較大、累計貢獻率達92.5%的前11 個因子作為主要因子，對其做方差極大正交旋轉，得到旋轉后因子模型，特征根值、主要載荷元素及其載荷值、因子結構式見表1。

表1 白草礦區釩鈦磁鐵礦中硫化物主要因子特征根及結構式

F1 因子包含Zr、Hf、Th、Nb、U、Ta、Na 等7 種正載荷，占因子總貢獻率11.3%，為有色金屬和放射性元素組合，顯示了稍晚出現的堿性巖漿作用(如角閃正長巖等)對釩鈦磁鐵礦的改造作用，該巖漿作用階段是Nb、Ta 主要的成礦期，是區內重要的找礦方向。F2 因子包含有Ca、Mg、Sc 三種正載荷和Ga、Fe、V、Zn、Co、Ti、Mn 等7 種負載荷，顯示Fe 等7 種元素與鈣、鎂、鈧的地球化學行為相反，在硅酸鹽礦物(輝石、斜長石)結晶過程中，鐵、鈦等元素主要參與氧化礦物的形成。F3 因子包含有Cu、Ag、Te、Ni、S 等5 種負載荷，為銅鎳硫化物成礦組合的特征，因子特征根是負值，反映出銅鎳硫化物與釩鈦磁鐵成礦作用相反。F4 因子包含有Bi、Pb、Be、Rb、Sn 等5 種正載荷，F5 因子包含有In、Sr、Ba、P、K、Al 等5 種正載荷，記錄了正長巖漿作用，如圖2 所示。

圖2 白草礦區Co、Ni、Cu 等元素含量直方圖

F6 因子包含有Fe、V、Zn、Co、Ti、Mn、(Ga) 等7種正載荷，鐵、鈦等元素為氧化物成礦階段的反映，鈷元素與鐵、鈦等屬于鐵族元素，地球化學性質比較相似，鈷與鐵、鈦相比親硫性較強，在內生作用下鈷既可以進入硅酸鹽礦物、鈦鐵礦、也可以進入硫化物中，特別是在有硫存在條件下形成獨立礦物，如輝鈷礦、紫硫鎳礦和鈷鎳黃鐵礦等，以類質同象形式進入磁黃鐵礦等礦物中。F7 因子包含有As、Sb、Cd 等3 種負載荷和F11 因子包含有Ge、Se 等2種負載荷，記錄了后期熱液事件。F8 因子包含有Li、Cs、Tl、Sn 等4 種負載荷和F9 因子包含W、Mo 等2種負載荷，記錄后期花崗巖漿事件。F10 因子包含Cr、Mg、Re 等3 種正載荷，反映超鎂鐵質-鎂鐵質巖漿作用，如圖3 所示。

圖3 白草礦區Co 與Cu、Ni、S、As 等元素協變圖

6.2 聚類分析

因子分析提取了各元素對區內地球化學變差的貢獻，利用R 型聚類分析進一步分析各元素間的親疏關系以發現其他的地質信息。根據聚類分析圖顯示可以分為Ⅰ、Ⅱ兩大群簇(圖4)。第一群簇(Ⅰ)反映了釩鈦磁鐵礦形成階段的元素組合，巖漿分異作用中氧化物成礦過程，與因子結構式中的F2 負載荷和F6 正載荷反映的成礦作用是一致的。

第二群簇(Ⅱ)反映了研究區內巖漿作用過程，又進一步分了兩個亞群簇(Ⅱ1、Ⅱ2)，Ⅱ1 亞群簇代表研究區內的超基性巖-基性巖作用過程，反映了銅鎳硫化物成礦作用過程，與因子結構式中的F3負載荷和F11 負載荷反映的銅鎳硫化物成礦元素組合是一致的。Ⅱ2 亞群簇記錄了正長巖和花崗巖漿作用過程。Ⅱ2 亞群簇又分為Ⅱ2-1 亞亞群簇和Ⅱ2-2 亞亞群簇，Ⅱ2-1 亞亞群簇為As、Sb、Cd、Be、U、Ta、Hf、Zr、Nb、Cs、Rb、Sn、Pb、Tl、W、Mo 為 一 群組，Al、Ba、Sr、P、In、Ca、Sc 為一群組，各大群組又分為若干小群，如圖4 所示。

圖4 白草礦區元素聚類分析圖

7 討論

從釩鈦磁鐵礦中各元素地球化學特征來看，Co元素反映出與Fe 等過渡族元素相似的地球化學特征，在因子分析和聚類分析中Co 與Fe、V、Ti 等聚類一組，Fe、Ti 等元素為氧化物成礦階段的反映，Co元素與Fe、Ti 等屬于鐵族元素，地球化學性質比較相似，Co 與Fe、Ti 相比親硫性較強，在內生作用下Co 既可以進入硅酸鹽礦物、鈦鐵礦、也可以進入硫化物中，特別是在有硫存在條件下形成獨立礦物，如輝鈷礦、紫硫鎳礦和鈷鎳黃鐵礦等，更多時候以類質同象形式進入磁黃鐵礦等礦物中。Co 與Fe、S、Cu、Ni、Ti 具有正相關性，說明在釩鈦磁鐵礦形成的同時，熔離型硫化物也同時形成，部分鈷以類質同象形式進入釩鈦磁鐵礦中，大部分鈷進入硫化物熔體中，以類質同象形式進入磁黃鐵礦等硫化物中或形成獨立礦物，形成了與釩鈦磁鐵礦共生的熔離型硫化物礦化體。

通過主成分因子分析顯示，鈷有兩個成礦階段，一個階段為釩鈦磁鐵礦成礦階段以類質同象形式進入鈦鐵礦中，另一階段是熔離硫化物熔體中形成獨立礦物或以類質同象形式進入磁黃鐵礦、黃銅礦等硫化物礦物中，其中硫化物階段是鈷主要的成礦階段。后期的巖漿作用和熱液作用對釩鈦磁鐵礦具有一定的改造作用，其地球化學信息得以記錄下來，為期后成礦作用的尋找提供有價值的地球化學信息。

8 結論

通過對白草礦區釩鈦磁鐵礦的元素地球化學研究，對Co、Ni 等關鍵金屬元素成礦機制和成因做了歸納總結，得到以下初步結論：

1）白草礦區鈷與硫、鐵、釩、鈦等元素具有相關性。

2）白草礦區鈷具有兩階段成礦模式，一個階段為釩鈦磁鐵礦成礦階段以類質同象形式進入鈦鐵礦中，另一階段為熔離成礦階段形成獨立礦物或以類質同象形式進入硫化物礦物中，硫化物階段是鈷主成礦階段。

3）相關元素的因子分析和聚類分析顯示，白草礦區還存在其他期次的成礦作用，對理解該地區的成礦作用和礦產資源尋找具有一定的參考意義。