長江中下游及鄰區水系沉積物和巖石銅元素分布特征及銅地球化學省成因研究

劉 彬, 王學求

長江中下游及鄰區水系沉積物和巖石銅元素分布特征及銅地球化學省成因研究

劉 彬1, 王學求2, 3*

(1. 河北地質大學 資源與環境工程研究所, 河北 石家莊 050031; 2. 自然資源部地球化學探測重點實驗室, 中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所, 河北 廊坊 065000; 3. 聯合國教科文組織全球尺度地球化學國際研究中心, 河北 廊坊 065000)

利用水系沉積物地球化學數據, 以Cu含量大于32×10–6為邊界在長江中下游及鄰區圈定出面積大于1000 km2的銅地球化學省6個。為識別該區銅地球化學省的成因, 對水系沉積物和巖石中Cu的分布特征以及銅地球化學省與礦集區的空間對應關系進行了剖析。結果表明, 銅礦集區往往產出于具有3層套合結構的銅地球化學省內部, 銅礦集區與銅地球化學省的濃集中心存在空間對應關系。研究區銅地球化學省主要包括三種成因類型, 分別為: 由成礦作用及后期的風化分散作用引起、由高背景地層引起和由高背景地層和成礦作用及后期風化分散作用共同引起。該認識對于縮小找礦靶區, 提高找礦精度和效率起到較大的促進作用。

長江中下游; 水系沉積物; 巖石; 銅地球化學省

自然界存在著一系列地球化學模式, 根據規模大小可將其劃分為<100 km2的局部異常、100～1000 km2的區域異常、1000～10000 km2的地球化學省、10000～100000 km2的地球化學巨省和100000～ 1000000 km2的地球化學域(Xie and Yin, 1993; 王學求, 2001)。在勘查地球化學經典著作中, 地球化學省這一概念是指在地殼相對較大范圍內時代不同、類型多樣的一套巖石, 這套巖石具有與地殼背景明顯不同的化學組分, 這個省可以提供具有相當經濟意義的初始勘查靶區(Hawkws and Webb, 1962; Rose et al., 1979)。20世紀80年代以來, 隨著一批大規模地球化學填圖計劃的開展, 積累了大量地球化學數據并繪制了眾多的地球化學空間分布圖, 上述工作的開展使得利用地球化學填圖來定量表示地球化學省成為了可能。Xie and Yin (1993)對地球化學省這一概念重新賦予了新的內容, 并將其面積限定在1000～10000 km2的范圍。地球化學省的形成與多種地質因素有關, 如高背景巖石、成礦作用對元素的富集作用以及成礦后元素的分散作用(王學求等, 2013a; Ye et al., 2014)。

近年來眾多研究者以中國的區域化探全國掃面計劃(RGNR)數據為基礎, 借助地球化學省或地球化學塊體理論, 研究成礦元素的空間分布與礦集區的空間對應關系(王學求和謝學錦, 2000; 謝學錦等, 2002; 劉大文和謝學錦, 2005; 王學求等, 2007, 2013b;劉雪敏等, 2012; 徐善法等, 2012; 徐善法和王瑋, 2012), 掀起了對地球化學省研究的熱潮。劉雪敏等(2012)系統闡述了華南陸塊銅地球化學塊體與成礦省的關系。徐善法和王瑋(2012)對長江中下游及鄰區不同尺度Cu地球化學異常的應用及大型礦床預測作了詳細研究, 認為不同比例尺的地球化學異?？梢詰糜诓煌幠?大型礦床、礦區、礦集區)的資源預測。王學求等(2013b)利用1∶20萬水系沉積物數據系統制作了華南陸塊Cu、Pb、Zn、W、Sn和Au六個主要成礦元素的1∶250萬地球化學空間分布圖, 并詳細分析了每個元素巨量聚集的空間分布特征及各自產出的地質背景。對元素分布特征的研究不僅有助于洞察地質作用過程中成礦物質的分異和就位機制, 同時可以圈定成礦物質富集區的分布范圍和邊界, 為找礦提供有效信息。

長江中下游地區是我國銅、鐵、金等多金屬礦產資源的重要產地, 其中以銅礦資源最具特色, 分布有鄂東南、九瑞、安慶?貴池、廬樅、銅陵、寧蕪和寧鎮7大礦集區, 產出各類金屬礦床200余處, 礦床類型以內生(層控)矽卡巖型、斑巖型(玢巖型)和熱液脈型為主。前人在該區做過地球化學省相關的研究(劉雪敏等, 2012; 徐善法和王瑋, 2012; 王學求等, 2013b), 但缺乏巖石地球化學數據支撐。本次研究首次將覆蓋長江中下游及鄰區的水系沉積物地球化學數據與巖石地球化學數據相結合, 利用水系沉積物地球化學數據圈定的銅地球化學省的特征, 分析銅地球化學省與銅礦集區和背景巖石的關系, 以期分析銅地球化學省的成因, 為找礦提供參考。

1 區域地質背景

長江中下游多金屬成礦帶位于華北板塊和揚子板塊匯聚地帶邊緣的陸內部分, 北側為襄樊?廣濟斷裂和郯廬斷裂, 南緣為陽興?常州斷裂(圖1)。該區受特提斯構造域、古太平洋構造域和深部殼幔作用過程共同控制(常印佛等, 1991; 翟裕生等, 1992; 周濤發等, 2008)。

研究區地層從前寒武系至第四系均有分布。其中, 太古宙?元古宙以及新元古代變質基底在區內零星出露, 而寒武紀?早三疊世碎屑巖和碳酸鹽巖以及侏羅紀?白堊紀陸相火山巖夾碎屑巖在區內分布較廣。礦床主要賦存于石炭系?三疊系中(毛景文等, 2009; 高林志等, 2010)。

研究區NNE向斷裂最發育, 明顯控制著該區巖漿活動和礦床的分布。同時, 區內也分布有EW和NW向斷裂。不同方向斷裂的交匯部位對成礦作用最有利(常印佛等, 1991; 翟裕生等, 1992)。

區內巖漿活動較強烈, 巖漿巖主要形成于145～120 Ma之間, 主要由三個系列組成, 分別為高鉀鈣堿性系列、橄欖安粗巖系列和堿性花崗巖系列(常印佛等, 1991; 周濤發等, 2008, 2011; Li et al., 2012)。與成礦作用關系最密切的是中酸性巖漿巖,其形成與殼幔相互作用有關(王元龍等, 2001; Li et al., 2008; 周濤發等, 2008, 2011, 2012)。

該區成礦作用主要集中于145～130 Ma(董樹文等, 2011)。礦床類型多樣, 發育以下礦化類型: 與高鉀鈣堿性巖系有關的矽卡巖?斑巖型銅礦化; 與橄欖安粗巖系有關的玢巖鐵礦型礦化; 與A型花崗巖有關的氧化物?銅?金(鈾)礦化; 與巖漿活動關系不明顯的金?銻?鉛?鋅礦化(周濤發等, 2012)。目前已發現5個銅礦集區: 鄂東南礦集區、九瑞礦集區、安慶?貴池礦集區、銅陵礦集區和寧鎮礦集區。

2 數據來源及分析方法

水系沉積物數據來源于中國1∶20萬區域化探全國掃面計劃(Regional Geochemistry-National Reconnaissance Project, RGNR), 共選取覆蓋長江中下游及鄰區的75259個水系沉積物數據。以水系沉積物作為采樣介質, 采樣密度為每平方千米1個樣, ４個相鄰樣品組合成１個分析樣品, 共測試了39種元素。有關水系沉積物采樣及分析方法見Xie et al. (1997)。巖石地球化學數據來自中國地球化學基準計劃 (China Geochemical Baselines, CGB), 共選取覆蓋研究區的巖石地球化學數據433件。以相當于1∶20萬網格大小的80 km×80 km作為中國基準網格, 系統采集不同時代的沉積巖、變質巖和巖漿巖樣品, 共測試了76種元素(王學求等, 2010; Wang and the CGB Sampling Team, 2015)。

由于采樣密度過大, 在成圖之前, 首先對原始水系沉積物地球化學數據進行了求平均值處理, 使得每個1∶25000圖幅(大約1個平均值/100 km2)取一個平均值, 共獲得2253個新的組合地球化學數據(圖2)。

3 結果和討論

3.1 銅地球化學省的空間分布

銅地球化學省分布圖的編制在GeoChem Studio 1.5軟件中完成(高艷芳等, 2015, 2016, 2017), 離散數據網格化采用距離冪函數反比加權, 搜索半徑25 km。利用不同的色階來表示不同的異常等級, 采用85%累計頻率作為Cu地球化學省的異常下限(32×10–6), 色階分級采用92%、98%累計頻率表示。共圈定出面積>1000 km2的銅地球化學省6個, 分別以Cu1、Cu2、Cu3、Cu4、Cu5和Cu6表示(圖3), 各銅地球化學省的參數指標見表1。由圖3可知, 研究區銅地球化學省往往具有多層套合結構, 即局部異常被區域異常包裹, 區域異常又被更大規模的地球化學省包裹的區域地球化學分布模式(王學求等, 2013a)。與此同時, 研究區Cu礦床與銅地球化學省之間關系密切, 已發現的所有Cu礦集區和絕大多數大型Cu礦床都產出于銅地球化學省范圍內(圖3), 該結論與徐善法和王瑋(2012)、劉雪敏等(2012)的研究成果基本一致。各銅地球化學省的特征描述如下:

(1) 大冶?九江銅地球化學省(Cu1): 位于研究區西部的大冶?九江一帶, 面積為6760 km2。該異常范圍內寒武系?第四系均有出露, 其中以下三疊統大冶群為主; 巖性主要為碳酸鹽巖, 次為頁巖、泥巖、砂巖等碎屑巖。鄂東南地區絕大多數Cu儲量(91%)和Au儲量(96%)與大冶群灰質白云巖、白云質灰巖等碳酸鹽巖有關。Cu1異常具有3層套合結構, 兩處明顯的異常濃集中心分別對應鄂東南、九瑞兩大銅礦集區。典型礦床包括鄂東南礦集區的銅綠山大型矽卡巖型Cu-Co-Mo礦床、銅山口中型斑巖?矽卡巖復合型Cu-Mo礦床、雞冠咀中型矽卡巖型Cu-Co-Mo礦床; 九瑞礦集區的武山大型斑巖?矽卡巖型Cu礦床和城門山大型斑巖?矽卡巖型Cu-Zn-Mo礦床。

圖1 長江中下游及鄰區地質簡圖(據劉彬等, 2020修改)

圖2 長江中下游及鄰區水系沉積物組合樣點位圖

(2) 安慶?銅陵銅地球化學省(Cu2): 位于研究區中部的安慶?銅陵一帶, 面積達5978 km2。異常范圍內寒武系?第四系均有出露, 以古生界為主, 泥盆系?三疊系是成礦的有利部位。巖性主要為頁巖、粉砂巖、細砂巖、石英砂巖和碳酸鹽巖。與Cu多金屬礦床關系密切的巖體多呈小巖株產出, 多為中酸性鈣堿性巖石。與Cu1類似, Cu2異常同樣具有3層套合結構, 具有兩處明顯的異常濃集中心, 分別產出有安慶?貴池礦集區和銅陵礦集區。典型礦床包括安慶?貴池礦集區的銅山中型矽卡巖?斑巖型Cu礦床, 銅陵礦集區的銅官山大型矽卡巖型Cu礦床和冬瓜山大型矽卡巖型Cu礦床。

(3) 馬鞍山?南京銅地球化學省(Cu3): 位于研究區東北部的馬鞍山?南京一帶, 面積為3611 km2。該地區震旦系?第四系均有出露, 巖性以碳酸鹽巖、細碎屑巖為主, 少量火山碎屑巖。區內從基性巖至酸性侵入巖均有出露, 以中酸性侵入巖分布面積最廣, 約占侵入巖總面積的80%。該異常具有3層套合結構, 寧鎮礦集區產于該異常內。產出的典型礦床為安基山中型矽卡巖?斑巖型Cu-Pb-Zn-Mo礦床。

(4) 東至?績溪?寧國?開化銅地球化學省(Cu4): 位于研究區東南部的東至?績溪?寧國?開化一帶, 面積為13602 km2。開化?績溪一帶出露新元古代?早古生代地層, 其中震旦系?寒武系尤為發育, 巖性為海相含碳質硅質巖?白云質砂巖?碳質粉砂巖及碳質灰巖等。在褶皺軸部有燕山早期I型中酸性?酸性淺成小巖體侵入, 巖性以黑云母花崗巖?黑云母二長花崗巖?花崗閃長巖為主。該異常具有2層異常套合結構, 未見明顯的異常濃集中心, 迄今為止沒有發現大型銅礦床, 產出有東至縣兆吉口Pb-Zn多金屬礦床和祁門大型W-Mo多金屬礦床, 開化?績溪一帶產有潘家小型Cu-Zn礦床, 以及新發現的3處礦產地。

(5) 修水?武寧銅地地球化學省(Cu5): 分布于研究區西南部的修水?武寧一帶, 面積為4990 km2。出露中元古代和震旦紀地層, 發育元古宙晉寧期花崗閃長巖、華力西晚期花崗巖和燕山早期花崗巖。該異常具有3層套合結構, 見一處異常濃集中心, 異常濃集中心產出一處熱液型銅礦床。

圖3 長江中下游及鄰區Cu地球化學異?？臻g分布圖

表1 長江中下游及鄰區銅地球化學省統計參數

(6) 德興銅地球化學省(Cu6): 分布于德興以北地區, 面積1146 km2。出露新元古代、古生代和中生代地層。巖性主要為變余細?粗粒雜砂巖、條帶狀板巖、片巖、片麻巖夾基性火山熔巖。中侏羅世和晚侏羅世侵入巖體廣泛出露, 巖性主要為黑云二長花崗巖和花崗閃長斑巖, 燕山早期淺成小型花崗閃長斑巖與成礦作用密切相關。Cu6異常具有明顯的3層套合結構, 見1處異常濃集中心。產出有著名的德興斑巖型銅礦田, 礦床類型主要為斑巖型和斑巖?次火山巖型, 代表性礦床有銅廠大型Cu-Mo礦床、富家塢大型Cu-Mo礦床、朱砂紅大型Cu-Mo礦床和銀山中型Cu-Pb-Zn礦床。

由銅地球化學省與大型礦床/礦集區之間的空間對應關系可以看出, 研究區大型銅礦床/礦集區往往產于銅地球化學省的內部, 產出有大型礦床/礦集區的銅地球化學省往往具有3層套合結構, 且具有明顯的異常濃集中心, 大型礦床/礦集區與異常濃集中心存在空間對應關系。

3.2 巖石中Cu元素的分布特征

研究區巖石Cu地球化學分布圖的編制在Mapgis 6.7中完成, 采用20%、40%、60%、80%百分位數的分級方法, 利用不同色階表示巖石中Cu元素的含量級次。研究區巖石Cu地球化學空間分布見圖4。

長江中下游及鄰區各構造單元不同時代地層和侵入巖中Cu含量分布特征見表2。中位值能夠大致反映地質體中元素的背景含量, 各時代地層中, 僅有奧陶系和志留系Cu的中位值(分別為17.09×10–6, 27.74×10–6)高于中國東部上地殼Cu豐度(17×10–6) (鄢明才等, 1997; 遲清華和鄢明才, 2007)。華北克拉通內所采集到的各時代地層樣品中Cu的中位值均低于中國東部上地殼Cu豐度。大別造山帶除石炭系具有較高的Cu的中位值外(30.02×10–6), 其余地層Cu的中位值均低于中國東部上地殼Cu豐度。華夏地塊Cu的中位值較高的是太古宇、元古宇和寒武系, 第三系僅有一個樣品, 代表性不強。揚子克拉通Cu的中位值較高的是新元古界和志留系, 分別為25.15×10–6和27.74×10–6。

圖4 長江中下游及鄰區巖石Cu地球化學分布圖

研究區銅地球化學省全部分布于揚子克拉通。對揚子克拉通不同巖性的巖石中Cu含量進行統計, 結果見表3。其中, 泥巖的Cu平均值(36.09×10–6)和中位值(35.04×10–6)最高, 較高的Cu平均值和中位值還出現在新元古代淺變質巖(34.92×10–6、33.49×10–6)、粉砂巖(33.69×10–6、29.55×10–6)和硅質巖(34.80×10–6、29.19×10–6)中。中酸性巖和碳酸鹽巖中Cu含量較低, 平均值分別為9.18×10–6和5.51×10–6,中位值分別為6.48×10–6和3.59×10–6。

研究區銅礦床主要產于3個層位, 分別為上石炭統黃龍組(C2)、二疊系、中下三疊統東馬鞍山組(T2)和大冶組(T1), 這3個層位的主體為碳酸鹽巖(常印佛等, 1991)。而揚子克拉通碳酸鹽巖中Cu含量較低(3.59×10–6), 因此, 這3個層位在成礦過程中主要提供容礦空間, 對礦體中Cu的貢獻微乎其微。

表2 長江中下游及鄰區各構造單元不同時代地層和侵入巖Cu含量分布特征(×10–6)

備注: N. 樣品數;. 基性巖; γ. 中酸性侵入巖; Ar. 太古宇; Pt. 元古宇; ?. 寒武系; O. 奧陶系; S. 志留系; D. 泥盆系; C. 石炭系; P. 二疊系; T. 三疊系; J. 侏羅系; K. 白堊系; R. 第三系; －表示無樣品點。

表3 揚子克拉通不同巖性Cu含量分布特征

3.3 水系沉積物和巖石Cu含量對比研究

為保證水系沉積物和巖石數據對比的準確性, 本節所涉及的水系沉積物數據為未經求平均值處理的原始數據。研究區水系沉積物和巖石Cu含量統計參數見表4。整個研究區水系沉積物與巖石Cu的中位值分別為21×10–6和10.18×10–6, 二者比值為2.06。究其原因, 可能與巖石采樣盡量避免受蝕變與礦化影響的樣品, 而水系沉積物樣品可能含有礦化或礦體的風化產物有關。

長江中下游及鄰區水系沉積物和巖石Cu含量的頻率直方圖(圖5)顯示, 水系沉積物和巖石的Cu含量均大致呈對數正態分布, 水系沉積物Cu含量主要集中于百分位數25%～75%這一區間, 而巖石中Cu含量在該區間內較為分散。巖石中Cu含量未見下部異常值, 僅有一個上部異常值, 這與巖石采樣過程中盡量避免在接觸帶、蝕變帶等部位采樣有關。水系沉積物中Cu含量有一定數量的下部異常值和大量的上部異常值(圖6), 這與圖3中圈定的6個銅地球化學省以及該地區的Cu成礦作用密切相關。

地表分布的一系列套合的地球化學模式受多種地質因素的制約, 如高背景巖石、成礦作用對元素的富集作用以及成礦后元素的分散作用(王學求等, 2013a; Ye et al., 2014), 即這種大規模的地球化學異?？赡苁悄承┨囟ǖ刭|單元富含某種或某幾種元素的反映, 也可能由大型礦集區或一系列大小不等的礦床經后期風化分散作用而展現出來(王學求和謝學錦, 2000)。

表4 長江中下游及鄰區各構造單元水系沉積物和巖石Cu含量分布特征

圖5 長江中下游及鄰區水系沉積物和巖石中Cu含量的頻率直方圖

圖6 長江中下游及鄰區各構造單元水系沉積物和巖石中Cu含量箱圖

揚子克拉通各時代地層中, 新元古界和志留系的Cu背景值較高, 分別為25.15×10–6, 27.74×10–6, 其他各時代地層Cu含量均較低。圈定的6個銅地球化學省中, Cu1、Cu2和Cu3范圍內分布的地層Cu背景值較低, Cu4、Cu5和Cu6范圍內出露有大面積Cu含量較高的新元古代地層; 同時, Cu1、Cu2、Cu3、Cu6范圍內產出有銅礦集區, Cu5范圍內產出有小型銅礦床。通過剖析每個銅地球化學省內部出露地層的Cu背景含量以及銅礦床的分布情況, 得出以下認識: Cu1、Cu2和Cu3與地層無關, 而主要由發生于145～135 Ma的巖漿?構造活動和伴生的銅成礦作用及后期的風化分散作用引起; Cu4主要由高背景地層引起; Cu5和Cu6由高背景地層和成礦作用及后期風化分散作用共同引起。本文在前人研究成果的基礎上, 識別出了每個銅地球化學省的具體成因類型。地球化學省能夠為找礦提供初始靶區, 有效識別地球化學省的成因類型, 對于縮小找礦靶區、提高找礦精度和效率起到較大的促進作用。

4 結 論

(1) 以Cu含量大于32×10–6為邊界, 在長江中下游及鄰區圈定出面積大于1000 km2的銅地球化學省6個, 所有Cu礦集區和絕大多數大型Cu礦床均產出于銅地球化學省范圍內。產出有大型礦床/礦集區的銅地球化學省往往具有3層套合結構, 大型礦床/礦集區與濃集中心存在空間對應關系。

(2) 揚子克拉通Cu背景值較高的地層為元古宇和志留系, 而上石炭統黃龍組、二疊系和中下三疊統3個主要賦礦層位主體為Cu背景值較低的碳酸鹽巖, 因此, 這3個層位在成礦過程中主要提供容礦空間, 而對于礦體中Cu的貢獻微乎其微。

(3) 長江中下游及鄰區銅地球化學省可歸結為3種成因類型, 分別為由成礦作用及后期的風化分散作用引起、由高背景地層引起、由高背景地層和成礦作用及后期風化分散作用共同引起。

致謝:合肥工業大學周濤發教授和另一位匿名審稿專家對本文提出了非常寶貴的修改意見與建議, 表示由衷的感謝！

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Distribution of Copper in Stream Sediments and Rocks and Genesis of Copper Geochemical Provinces in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River and its Adjacent Areas, China

LIU Bin1, WANG Xueqiu2, 3*

(1.Institute of Resource and Environmental Engineering, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, Hebei, China; 2. MNR Key Laboratory of Geochemical Exploration, Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, Hebei, China; 3. UNESCO International Centre on Global-scale Geochemistry, Langfang 065000, Hebei, China)

Six copper geochemical provinces, each with area of over 1000 km2, are delineated in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River and its adjacent areas on the basis of a threshold value of 32×10–6for the stream sediments. To reveal the genesis of the copper geochemical provinces in this region, the distribution of copper in stream sediments and rocks as well as the spatial relationship between the copper geochemical provinces and ore districts were analyzed.The copper ore districts usually occur within the copper geochemical provinces with a three-layered structure, and the copper ore districts are situated in the concentrated center of the copper geochemical provinces. There are three genetic types of the copper geochemical provinces in the study area, which are caused by (1) mineralization and later weathering and dispersion, (2) strata with high copper background values, and (3) strata with high copper background values and mineralization and later weathering and dispersion.This understanding is useful in narrowing the prospecting target area and improving the accuracy and efficiency of prospecting.

the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River; stream sediment; rock; copper geochemical province

P612; P595

A

1001-1552(2022)04-0744-011

2021-01-12;

2021-09-18

河北省科技重大專項(19057411Z)、國家重點研發計劃項目(2016YFC0600600)和地質調查計劃“化學地球”大科學計劃“全球地球化學填圖”(121201108000150005)聯合資助。

劉彬(1990–), 男, 博士, 助理研究員, 主要從事應用地球化學研究。E-mail: 13488156587@163.com

王學求(1963–), 男, 研究員, 從事勘查地球化學與地球化學基準值研究。E-mail: wangxueqiu@igge.cn

10.16539/j.ddgzyckx.2022.04.004