河南老灣金礦帶原生暈地球化學特征及深部找礦意義

郭 鵬 陳建立 陳英男 魏從玲 薛 艷

(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)

作為中央造山帶的一部分,秦嶺—大別造山帶經歷了多期次的碰撞造山拼合事件,是重要的成礦集中區[1]。老灣金礦帶是秦嶺—大別山造山帶內的一個典型超大型金礦床,近10 a來找礦成果顯著,累計新增金資源量達208 t,已成為河南省最大的單體金礦床。老灣金礦帶為俯沖(增生)造山型金礦,理論成礦深度可達15～20 km[2],目前總體控礦深度在1 000 m以淺。前人對老灣金礦帶的研究多集中在成礦年代、控礦構造、成礦物質來源、礦床成因等方面[3-4],對成礦深度的研究涉及較少。原生暈地球化學作為較成熟的熱液礦床深部研究方法[5-8],在成礦深度預測方面得到了成功應用,取得了良好的找礦效果[9-10]。本研究通過原生暈地球化學研究對老灣金礦帶的典型礦床深部找礦前景進行評價,并根據評價結果布設深部鉆探進行驗證,在成礦地質體深部探測到了金礦(化)體。

1 成礦地質背景

老灣金礦帶位于秦嶺—桐柏—大別造山帶東部,夾持于南陽盆地與吳城盆地之間,屬桐柏—大別有色貴金屬成礦帶的一部分。區內變質地層發育,巖漿活動頻繁,構造變形強烈,具備金銀、銅鋅多金屬礦良好的成礦地質條件。老灣金礦帶東西長約30 km,南北寬1.5～2.0 km,呈NWW向展布,自西向東分布有下肖灣金礦、歇馬玲金礦、上上河金礦、老灣金礦、北楊莊金礦、粉坊莊金礦等礦床(圖1)。

圖1 老灣金礦帶區域地質特征[11]Fig.1 Regional geological characteristics of Laowan gold metallogenic belt

2 礦床地質概況

2.1 礦床地質特征

老灣金礦體賦存于中元古界龜山巖組,南部出露老灣花崗巖體;北部出露古元古界秦嶺巖群雁嶺溝巖組,巖性為大理巖、斜長角閃片巖等;龜山巖組與老灣花崗巖、雁嶺溝巖組均呈斷層接觸(圖2)。龜山巖組地層包含兩個巖性段,中上部主要由二云石英片巖組成,夾有斜長角閃巖,分布于礦區南部;下部主要由斜長角閃片巖和絹云石英片巖組成,夾有大理巖透鏡體,分布于礦區北部[12]。

圖2 老灣礦區地質特征Fig.2 Geological characteristics of Laowan mining area

老灣金礦帶位于老灣韌性剪切帶內,呈NWW向展布。南北兩側由區域性走滑斷層控制,南側為老灣斷裂,北側為松扒斷裂。礦區地質構造復雜,地層及巖石經歷了多期次的變形、變質、逆沖、拼貼、推覆等構造旋回,發育大量構造巖片及混雜巖。

老灣金礦帶內巖漿巖較為發育,分布有花崗巖、花崗斑巖、石英鈉長斑巖、輝長巖等。其中,老灣花崗巖體規模最大,長約23 km,寬600～1800m,位于礦區南部。其早期沿老灣斷裂EW向展布充填,貫穿全區,其后向北逆沖推覆及在燕山晚期疊加構造熱液活動,與金成礦關系密切[13]。此外,花崗斑巖、石英鈉長斑巖、輝長巖在區內呈脈狀產出,寬2～5m,走向近EW,長約數百米到數千米,規模較小。

在老灣金礦帶內,除了松扒斷裂南側出現金礦化伴生銀外,全區蝕變巖型金礦化廣泛發育,局部伴有石英脈型金礦化。圍巖蝕變帶寬度為1m至數米,一般與礦體厚度具有正相關關系,蝕變種類包括黃鐵礦化、絹云母化、硅化、綠簾石化、碳酸鹽化等。

原生礦石的金屬礦物主要為黃鐵礦和少量黃銅礦,方鉛礦、閃鋅礦、黝銅礦等僅在局部地段發育。其中黃鐵礦和黃銅礦是主要的載金礦物,尤以含銅黃鐵礦含金性最佳。脈石礦物主要為石英、方解石,另含少量螢石等,氧化礦物為褐鐵礦、菱鐵礦等。礦床成礦期可分為變質熱液期、熱液成礦期和表生成礦期,熱液成礦期內的金—多金屬硫化物—石英階段為主要成礦階段。

2.2 礦體特征

老灣金礦帶內分布著眾多礦床或礦點,礦體南北等間距分布,NW向斜列展布,中部以老虎洞為界,西側上上河、東側老灣,中部相連,金礦床規模巨大、最為典型,向礦帶兩端礦化變弱(圖3)。區內金礦體多達上百條,均賦存于龜山巖組中,沿走向和傾向均呈舒緩波狀彎曲,有時具有分支、復合、尖滅再現及膨縮現象。礦體走向290°～310°,上上河礦段北傾,傾角60°～85°,老虎洞一帶礦體陡立,其他南傾 42°～72°。

圖3 老灣金礦帶上上河—老灣礦體分布[14]Fig.3 Distribution of Shangshanghe-Laowan gold orebody in Laowan gold metallogenic belt

Ⅱ-2號金礦體為區內主要礦體,位于礦區中部老灣礦段,為隱伏礦體,礦體沿走向長2 084 m,傾向最大延深490 m,礦體平均厚度1.62 m,平均品位3.39×10-6,礦體形態為脈狀,礦體傾向 186°～197°,傾角40°～70°,深部延伸較好。

3 樣品采集與測試

本研究對老灣金礦帶W1勘探線施工了3個鉆孔(ZKW101、ZKW102、ZKW103)由淺到深系統采集巖石地球化學樣品,不同巖性分別取樣,樣品基本間距為10 m,對礦化蝕變加密取樣,取樣位置見圖4,共采集樣品212件。該剖面存在多個金礦體,其中Ⅱ-2號礦體規模最大,原生暈特征主要受其影響,重點對該礦體進行研究。

圖4 老灣金礦帶W1勘探線剖面Fig.4 No.W1 prospecting line profile of Laowan gold metallogenic belt

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。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)進行測試,用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、5.0、15.0、0.5、0.5 ug/g)進行測試,用AFS-3100雙道原子熒光光度計對As、Sb、Bi、Hg(檢出限分別為 1.000 0、0.200 0、0.100 0、0.000 5 ug/g)進行測試,用N0800540交流電弧-發射光譜儀對Ag、Sn(檢出限分別為0.03、1.00 ug/g)等元素進行分析測試。

4 原生暈特征

4.1 元素濃度分帶

元素濃度分帶是熱液礦床原生暈的顯著特征,通過分析元素的分帶特征,可了解礦床埋深、剝蝕程度以及深部成礦潛力[15-16]。根據區內地球化學找礦實踐經驗,本研究分析以累積頻率77%時的元素含量值為異常下限,以累積頻率92%時的元素含量值為中帶,內帶的累頻數為98%。各元素分帶參數取值見表1。

表1 元素分帶參數Table 1 Element zoning parameters(×10-6)

根據原生暈空間分布圖(圖5)分析可知,各元素濃集中心明顯,分帶清晰,具體特征為:①各元素分帶明顯,均有清晰的內、中、外帶,結構完整,原生暈整體表現出南傾,與礦體傾向一致。 ②Ag、As、Cu、Sb、W在礦體中上部濃集明顯、分帶清晰,具有較強的異常強度,主要分布在-200～-400 m標高,沿礦體延深異常強度減小減弱。③Sn、Hg在礦體中部濃集明顯,分帶清晰,表現出較高的異常強度,主要集中在-400～-570 m標高,雖然在礦體中、下部均有異常分布,但異常強度小。 ④Au、Bi、Pb、Zn、Mo在整個原生暈分帶中出現了2個明顯的濃集中心,異常套合較好,其中Au異常強度主要在-280 m和-620 m標高附近,說明該原生暈模式是多個金礦體原生暈疊加的結果。這些元素異常分帶均未閉合,向下延伸較好,表明礦體向深部仍有延深伸,或深部存在盲礦體。⑤與成礦元素 Au關系密切的元素有 Bi、Pb、Zn、Mo,可以作為找金的地球化學標志。

圖5 W1勘探線成礦成暈元素濃度分帶Fig.5 Concentration zonation of metallogenic halo elements in No.W1 prospecting line profile

4.2 原生暈軸向分帶特征

原生暈軸向分帶特征可以反映熱液礦床礦體疊加情況,指示礦體剝蝕深度,預測盲礦體,判斷深部成礦潛力[17-18]。格里戈良分帶指數法是研究原生暈軸向分帶特征的方法之一,本研究采用該方法對Ⅱ-2號金礦體原生暈的軸向分帶進行分析。根據礦體控制情況,將W1勘探線剖面由淺至深分為3個中段,分別為-283、-474、-626 m。計算各中段暈中元素的線金屬量,將各中段不同元素的線金屬量進行標準化,通過線金屬量標準化值計算分帶指數(表2)。經過數據處理,基于分帶指數最大值所在的中段,建立的分帶序列由上至下為(Ag,As,Hg,Mo)-(Sb,Zn,W)-(Au,Sn,Bi,Cu,Pb)。

表2 W1勘探線不同中段指示元素的分帶指數Table 2 Zoning indexes of primary halos in No.W1 prospecting line profile

對于分帶指數最大值處于同一中段的元素,采用變化指數、變化指數梯度差2個指標對其進行詳細區分。分帶指數最大值均在最上部的元素為Ag、As、Hg、Mo,計算其變化指數Iν,得到Iν(Ag)=8.240 4,Iν(As)=2.981 4,Iν(Hg)=3.635 4,Iν(Mo)=5.157 8,根據Iν(Ag)＞Iν(Mo)＞Iν(Hg)＞Iν(As),詳細分帶序列為Ag-Mo-Hg-As;分帶指數最大值均在中部的元素為Sb、Zn、W,計算其變化指數梯度差 ΔIν,得到 ΔIν(Sb)=0.048 9,ΔIν(Zn)=14.624 9,ΔIν(W)=0.017 9,根據ΔIν(W)＜ΔIν(Sb)＜ΔIν(Zn),詳細分帶序列為W-Sb-Zn;分帶指數最大值在最下部的元素為 Au、Sn、Bi、Cu、Pb,同樣計算其變化指數Iν,得到Iν(Au)=3.762 7,Iν(Sn)=3.470 8,Iν(Bi)=5.140 8,Iν(Cu)=3.775 3,Iν(Pb)=62.984 0,根據Iν(Sn)＜Iν(Au)＜Iν(Cu)＜Iν(Bi)＜Iν(Pb),詳細分帶序列為Sn-Au-Cu-Bi-Pb。最終得到Ⅱ-2號金礦體的軸向分帶序列由上至下為Ag-Mo-Hg-As-W-Sb-Zn-Sn-Au-Cu-Bi-Pb。

將老灣金礦帶Ⅱ-2號礦體軸向分帶序列與前人總結的典型金礦床綜合軸向分帶序列[19]進行對比,認為兩者存在明顯差異,本研究得到的軸向分帶序列高、中、低溫元素排列無序。高溫熱液元素Mo出現在低溫熱液元素Hg、As之前,高溫元素W出現在低溫元素Sb之前。這些特征表明原生暈是由不同期次多個礦體(礦化)疊加形成的,暗示深部可能出現新的礦體,說明深部找礦潛力較好。

5 元素組合特征

5.1 相關性分析

數學地質方法是研究地質體元素組合特征的有效手段,利用相關分析可以評價和衡量元素的親和性和相關性。由表3可知:所有元素普遍相關,其中Au與 Mo、Sn與 Hg、Sn 與 Mo、Bi與 Mo呈負相關;Au 與Bi、Cu的相關系數均大于0.5,具有高度相關性,關系密切,Bi、Cu的分布對找金有指示意義;Ag、As、W 與Au 也有一定的相關性;Sn、Sb、Hg、Pb、Zn 與 Au 的相關性較差。

表3 巖石地球化學元素相關系數矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix of lithogeochemical element

5.2 R型聚類分析

本研究對12種元素做R型聚類分析研究(圖6)。聚類方法采用組間聯接,聚類結果顯示,在相關系數0.5水平,元素可分為5組,分別為Cu-Bi-Au,As-W-Zn-Pb-Sb-Ag,Sn,Hg,Mo。 Cu、Bi與 Au 密切相關,與相關分析結果一致。強的親硫性是Cu的突出地球化學特征,在老灣金礦區Cu以黃銅礦的形式存在。Bi同樣具有強的親硫性,常富集在黃銅礦、黃鐵礦中,前人研究已發現Bi與Au的正相關性很強[20],金礦化好的地段Bi含量都很高,Bi具有聚集貴金屬的特性,Bi是Au的近礦指示元素,并趨于在金礦體下方部位富集。Au和硫有一定的親和性,在成礦熱液中Au常與親銅元素一起遷移和富集,Au與Cu、Bi有著密切的成生關系,這與它們的原子半徑相近有關。在本區找礦實踐中,Cu、Bi可作為很好的找Au指示元素。

圖6 R型聚類分析譜系Fig.6 R-type cluster analysis pedigree

5.3 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[21]以及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譯的依據[22-23]。本研究利用主成分分析法在12個元素中提取出了4個主因子,其累計方差貢獻率為74.94%,可以認為基本包含了原始變量中的多數信息。通過方差最大旋轉,對主因子載荷矩陣實施變換,得到正交旋轉載荷矩陣(表4)。由表4可知:4個主因子分別為F1(Cu-Pb-Zn-W)、F2(Au-Bi)、F3(Hg-Mo)、F4(Ag-As-Sb)。 即,Cu、Pb、Zn、W 元素富集或貧化受主因子F1影響,Au、Bi元素受主因子F2影響,Hg、Mo元素受主因子F3影響,Ag、As、Sb 元素受主因子F4影響。主因子F2(Au-Bi)代表了促使金富集的地質作用,在這一過程中Au、Bi密切關聯,為主成礦作用階段。4個主因子相互獨立,代表了4次重要的地質作用過程,反映出老灣金礦帶經歷了復雜的、多期次的地質改造過程。

表4 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

6 深部預測及靶區驗證

6.1 因子得分的空間分布

因子得分即理想因子在各樣品中的權重,得分越高表明該因子代表的地質作用在樣品中施加的影響越大[24]。本研究通過分析F2因子得分等值線圖(圖7),分析主成礦地質作用在空間表現出的強弱程度。F2因子在-626 m標高得分較高,表明主成礦作用在該部位表現強烈,Au高度富集,與施工鉆孔見礦位置一致。F2因子代表的成礦過程在W1勘探線剖面中的痕跡表現出南傾的趨勢,與已揭露的金礦體傾向一致。F2因子得分等值線異常發育,-650 m標高以下仍有延深且未閉合,表明深部具有較好的找礦前景。

圖7 F2因子得分等值線圖Fig.7 Contour map of F2 factor score

6.2 深部靶區驗證

依據前述分析,認為W1勘探線-650 m標高以下礦體仍有延深,找礦前景較好。結合研究區開展的勘查工作,對擬施工的鉆孔位置進行優化,對找礦靶區進行驗證,在W1勘探線ZKW103鉆孔南部施工了ZKW104鉆孔,于深部探測到了多層金礦化體(表5),說明本研究深部找礦靶區預測較為可靠。

表5 鉆孔ZKW104控礦數據Table 5 Ore-controlling data by ZKW104 drilling

7 結 論

(1)老灣金礦帶原生暈軸向分帶序列為Ag-Mo-Hg-As-W-Sb-Zn-Sn-Au-Cu-Bi-Pb,高、中、低溫熱液元素排列無序,反映出原生暈是由多期礦化疊加形成的。 各元素濃度分帶清晰,而且 Au、Bi、Pb、Zn、Mo 元素濃度分帶未閉合,表明深部仍有金礦化延深。

(2)相關性分析、聚類分析表明Au與Bi、Cu相關性較高,其中Au與Bi關系最為密切,暗示二者在成礦熱液中共同遷移、富集,說明Bi、Cu元素可作為找金的指示元素。

(3)因子分析表明老灣金礦帶經歷復雜的、多期次的地質改造過程,主因子F2(Au-Bi)代表了促使金富集的地質作用。此外,F2因子得分的空間分布特征顯示深部具有較好的找礦潛力,由此預測-650 m標高以下仍屬于金富集區。通過鉆探工程驗證,在深部探測到了多層金礦化體,說明采用該方法進行深部成礦預測較為可靠。