蚀变矿物勘查标识体系

第1章 绪论 1.1 蚀变矿物勘查方法定义与产生背景 近年来，蚀变矿物勘查方法正逐渐引起矿床学与矿产勘查研究工作者的广泛关注。然而，利用矿物进行勘查标识的提取并应用于矿产勘查实践，已经在国内外开展了至少半个世纪的研究与探索。我国学者在20世纪80年代提出的“找矿矿物学”(陈光远等，1987)即包含了蚀变矿物勘查的众多方面。本书中所述的“蚀变矿物勘查方法”是指针对全球主要热液矿床类型中广泛分布的热液蚀变矿物，研究它们及其矿物组合的起源、发生、发展、形成和变化的条件和过程，以及时间和空间上的分布和演化规律，并从中提取可以进行勘查应用的标识特征，形成一套完整的“蚀变矿物勘查方法”理论与应用体系。 蚀变矿物勘查方法再次引起科技界与工业界的关注与近年来科学技术的飞速发展和深部找矿勘查的迫切需求是密切相关的。众所周知，矿床其实是具有经济价值的矿物集合体，因此，矿床学的基础研究大部分都是以矿物为主要研究对象来开展的。矿物的成因信息对矿床的成矿机制与矿体勘查探测都有着重要的指示意义，这些方面的研究工作我国学者在20世纪80～90年代曾经做过很好的总结(陈光远等，1987)。近40年以来，建立在矿床地质研究基础上的矿物勘查方法，与物探、化探以及遥感方法一起，成为现代矿产勘查方法体系(即常说的“地物化遥”)的重要组成部分。然而，在20世纪90年代末期至21世纪初，由于矿物勘查方法在测试手段和探测精度等方面的局限性和物化遥技术的迅猛进步，作为“矿床地质勘查标识”中重要组成部分的“矿物勘查标识”相关研究进入了发展低谷期，甚至以前研发的众多矿物勘查标识体系的成果也未得到进一步更好的应用和发展。与此同时，“地物化遥”几大主要矿产勘查方法体系之间的关联性没有得到充分重视，甚至出现了严重的脱节(图1.1)。作为“地物化遥”勘查体系中*为基础的“矿床地质勘查标识”更是成为几乎“无人问津”的领域，不仅一线勘查人员感到无所可用，相关科研人员也逐渐失去了研发的兴趣。这些情况的出现也导致当前矿产勘查高度依赖于物化探和遥感等技术性工作，且常常面临地质解译的困难和多解性等问题。 图1.1 地物化遥勘查方法与矿产勘查及其相互之间的关系现状示意图 随着全球地表矿产资源的逐渐枯竭，当前矿产勘查正在走向“深部勘查”和“隐伏矿体探测”。近几十年的勘探实践表明，全球矿床探测平均深度正逐渐增加，越来越多的重要勘查突破和发现几乎都是隐伏矿体(图1.2a)。然而，令人感到意外的是，近20年来虽然矿产勘查在物化探以及遥感等技术上获得长足进步，对新矿体的勘查发现起到重要推动作用，但全球整体勘查效率却并没有得到显著提高，甚至在近十年来出现明显的下降，勘查成本急剧攀升(图1.2b)。更有统计研究表明，在近年来的很多大型矿床发现过程中，以矿物标识为核心的矿床地质基础信息依然起到了至关重要的作用(表1.1；Sillitoe，2014)。显然，在当前深部勘查逐渐成为矿产勘查主流的形势下，基于地质基础研究的矿物勘查方法仍然具有旺盛的生命力，可以一定程度上弥补物化探和遥感勘查技术存在的不足。 图1.2 全球矿产勘查现状 a.西方国家勘查投入与矿床发现趋势统计图(据Schodde，2016)；b.全球金属矿产勘查深度演化趋势图 (据Arndt et al.，2017) 表1.1 全球近年来新发现的主要大型斑岩铜矿决定性勘查方法使用情况(据Sillitoe，2014) 与物化探和遥感勘查技术相比较，矿物勘查标识在多个方面具有不可替代的优势，主要表现在：①勘查标识来源于矿物成因，与成矿机制和矿床建模密切相关；②矿物物理结构和化学特征相对比较稳定，不易受表生作用和后期改造等影响；③先进测试技术，特别是矿物微区微量测试手段和分析精度的提高使得利用矿物进行相对精确的矿体空间定位和成矿类型划分等成为可能；④*新研究表明，矿物中元素化学异常范围在三维空间尺度可达5 km，这在一定程度上能弥补物化探特别是遥感技术等在深部勘查中多解性和浅表性的局限。这些优势也使得现代矿物勘查标识体系的建立能进一步丰富和完善“地物化遥”几大主要勘查技术体系之间的地质关联，从而更好地服务于深部矿产勘查核心任务。 1.2 蚀变矿物勘查方法研究国内外进展综述 蚀变矿物的成因研究与勘查应用在我国起步较早(陈光远等，1987，1989)，主要研究手段属于“成因矿物学和找矿矿物学”范畴，是现代矿物学的重要分支，也是矿床学研究的重要手段(李胜荣和陈光远，2001；李胜荣，2013)。在20世纪八九十年代，矿物标型特征(主要是物理标型)的研究出现许多优秀的成果，如姚书振等(1990)对湖北省大冶铜山口夕卡岩-斑岩复合型铜(钼)矿床各蚀变带矿物组合、空间变化特征、矿物形成期次等做了仔细研究，划分了6个蚀变带；并对矿床中黄铁矿的晶型、硬度、导型、热电系数、化学成分及特征值变化规律等进行了细致分析，建立了黄铁矿标型特征分带，并提出其分带可以为寻找同类型矿床提供重要的信息。近些年来的蚀变矿物工作主要侧重于成因机制研究，如采用电子探针等手段，对蚀变矿物成分及其在不同成矿阶段的演化进行分析，以尝试反演成矿流体变化(赵海杰等，2012；姚磊等，2012；王建等，2014)，并对金矿床蚀变矿物找矿标识等做了部分总结(申俊峰等，2021)。但在勘查应用方面，特别是定向定位矿床预测上进展不大。 近10年来，国外对蚀变矿物地球化学在勘查方面的应用研究正在如火如荼地进行，并由此产生了区别于全岩地球化学的新型勘查体系——“矿物地球化学勘查”。该方法的兴起是与近年来矿产资源供需失衡有着紧密联系的。以全球著名的安第斯斑岩铜矿带为例，20世纪七八十年代所发现的一些大型斑岩铜矿一直占据智利-秘鲁主要资源储备量，近10多年来并无类似丘奎卡马塔和埃尔特列安提等的超大型铜矿发现。主要原因是目前传统的全岩地球化学方法已经较难有效地指导发现多位于深部的隐伏矿体，比如：大多数矿山浅部有较厚的覆盖层；矿区土壤及水源可能均已遭受污染；当勘探区域离矿体中心一定距离后，全岩异常会变得非常微弱。以上几种现状会导致传统的全岩地球化学方法常得到假异常或者弱异常，从而影响其在勘探方面的有效应用；而新近发展的地球物理方法在深部矿体探测方面也存在很大的不确定因素和多解性。因此，急需更多有效的方法来提高隐伏矿体勘查的准确性，从而能帮助我们确立盲矿体的方向和距离，以及盲矿体的大小和类型等。 随着现代激光熔融-电感耦合等离子质谱(LA-ICP-MS)技术的突破，矿物微区的微量元素测试已成功应用到地质学研究中，这也使得常见蚀变矿物的微量元素测试能被常规使用。相对于传统全岩地球化学方法，定位的矿物微量元素变化能极大提高异常变化范围，从而能够为隐伏矿体勘查提供新的导向。近年来以澳大利亚和加拿大等西方矿业强国为主导的研究团队在蚀变矿物地球化学勘查方法研发方面做了大量工作。如澳大利亚塔斯马尼亚大学国家矿产研究中心(CODES)自2004年以来尝试利用先进的LA-ICP-MS测试手段对全球多个大型斑岩-浅成低温成矿系统进行蚀变矿物地球化学勘探的应用，取得了显著成果。该项目以矿物微量元素为核心手段，结合地质、传统全岩地球化学和地球物理，力求为斑岩-浅成低温成矿系统隐伏矿体的勘查提供可靠适用的标志体系。该项目完全由国际大中型矿业公司资助，赞助商从当初的7个矿业公司发展到21个公司，其中包括全球*大的必和必拓(BHP)、力拓(Rio Tinto)、淡水河谷(Vale)、英美矿业(Anglo American)、纽蒙特(Newmont)及巴力克(Barrick)等矿业巨头。项目自2004年以来已经在全球20多个大型-超大型矿床或矿区进行工作，并将初步成果应用于赞助商所提供的多个试点中，大部分取得了满意的成果，已有的一些成果正被赞助此项目的大型矿业公司应用于勘探实践中。 目前该研究取得的成果主要体现在斑岩和浅成低温两大成矿系统中，主要成矿理论依据是目前较为成熟的斑岩(即“绿岩”，greenrock)与浅成低温(即“盖层”，lithocap)蚀变成矿模式(图1.3)。浅成低温系统中核心研究实例为菲律宾北吕宋岛Mankayan地区，包括Lepanto高硫型浅成低温金矿和隐伏的Farsoutheast斑岩铜金矿体(Chang et al.，2011)；斑岩系统的核心实例为菲律宾Baguio地区和印度尼西亚的Batu Hijau斑岩铜-金矿床(Cooke et al.，2014；Wilkinson et al.，2015)。更多的成果在*近的Economic Geology关于斑岩系统矿物勘查专辑中出版，如智利的Collahuasi矿区(Baker et al.，2020)和El Teniente 矿床(Wilkinson et al.，2020)，加拿大Highland Valley矿床(Byrne et al.，2020)，澳大利亚的Northparkes矿区(Pacey et al.，2020)以及美国的Resolution矿床(Cooke et al.，2020a)等。其中一些主要研究实例都将在本书相应章节中详细介绍，这里将该项目在蚀变矿物地球化学勘查指示研究中获得的主要成果简介于下。 图1.3 斑岩-浅成低温成矿系统蚀变分带模式(Holliday and Cooke，2007) Ab.钠长石；Act.阳起石；Anh.硬石膏；Au.金；Bi.黑云母；Bn.斑铜矿；Cb.碳酸盐矿物；Chl.绿泥石； Cp.黄铜矿；Epi.绿帘石；Kf.钾长石；Py.黄铁矿；Qz.石英 1.浅成低温成矿系统中的主要成果 (1)全岩地球化学分析一般对于隐伏矿体指示作用不强，在含隐伏矿体的浅成低温环境中甚至出现极低品位现象，且没有任何指向性。研究发现如果仅使用无矿化且含明矾石的样品，全岩微量元素含量(如铅等)仍可以较为明确地指向矿体及斑岩方向。 (2)由LA-ICP-MS分析获得的明矾石矿物微量元素能更加清晰地指示矿体及斑岩体方向，一些元素比值，如Sr/Pb等，可以强化这种指示作用。 2.斑岩铜矿系统中的主要成果 (1)斑岩铜矿系统中典型蚀变矿物——绿帘石可作为指示斑岩体(热源)方向的重要矿物，其主要微量元素中，As、Sb和Pb随远离斑岩体而升高，而Cu、Mg等元素则相反。As、Sb等多种微量元素在远离斑岩体4～5 km范围里就出现异常值，而全岩地球化学方法测试显示未检测到此异常。此外绿帘石的As-Mn还能帮助判别矿床规模大小及可能的类型。 (2)斑岩系统中另一典型蚀变矿物——绿泥石则显示出比绿帘石更为清晰的矿体方向指示作用。其Ti含量直接与温度相关，从而有效地指向斑岩体(热源)，而如Sr等元素则显示相反指示方向。多种微量元素的含量在4～5 km范围里出现异常，从而提供了比传统地球化学方法更为敏捷的判别手段。Ti/Sr及Ti与其他几种元素的比值被证明十分有效地指示斑岩体方向。 (3)由于绿泥石Ti及其他几类比值与斑岩体距离具有高度线性相关关系，可以利用得出的线性方程来对斑岩体位置进行计算。即利用样品所含微量元素含量计算产生此蚀变的斑岩体可能距离。研究表明，计算值在2.5 km范围里准确率小于200 m，从而显著提高了隐伏矿体预测的准确性。 在以上研究基础上，Cooke等初步总结了近年来CODES研究团队利用矿物地球化学特征进行勘查标识提取的工作(Cooke et al.，2020b)。同时，国内近几年来围绕不同类型矿床也开展了矿物微量元素地球化学方面的勘查标识研究工作，并取得了部分原创性成果(Xiao et al.，2018a，2020；Chu et al.，2020a，b；Xiao and Chen，2020；Zhang et al.，2020b)，在国外斑岩-浅成低温矿床为主的基础上，也对夕卡岩型矿