烃汞气体测量法在中非沉积型铜矿的找矿可行性研究

doi:10.11720/wtyht.2023.2565

烃汞气体测量法在中非沉积型铜矿的找矿可行性研究

黄学强^,¹, 陈远荣², 吴二³, 刘峰¹, 卢安宁¹

1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西桂林 541006

2.桂林理工大学地球科学学院,广西桂林 541006

3.桂林理工大学博文管理学院,广西桂林 541006

The feasibility of applying hydrocarbon-mercury gas measurement method in the prospecting of sedimentary copper deposits in Central Africa

HUANG Xue-Qiang^,¹, CHEN Yuan-Rong², WU Er³, LIU Feng¹, LU An-Ning¹

1. Mineral Geology Institute Co., Ltd. of China Nonferrous Metal Mining (Group) Co., Ltd., Guilin 541006, China

2. College of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin 541006, China

3. Bowen College of Management, Guilin University of Technology, Guilin 541006, China

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2021-10-14 修回日期: 2022-04-12

基金资助:

桂矿院创新基金项目“中非卢弗里安铜钴成矿带西延成矿地质条件及成矿潜力评价”(KDY2019002)

Received: 2021-10-14 Revised: 2022-04-12

作者简介 About authors

黄学强(1987-),男,硕士,工程师,主要从事勘查地球化学工作。Email:505837684@qq.com

摘要

沉积型铜矿是中非铜—钴成矿带最主要的铜(钴)成矿类型,为提高该类矿床的找矿效果,在刚果(金)马本德—利卡西一带开展烃汞气体测量法找矿可行性研究。试验结果表明,在两处已知矿体上均有较好的烃汞多指标异常显示,但异常分布位置受控于矿体的产状,据此总结了烃汞气体异常模式,并初步探讨其成因;在该地区开展了隐伏铜(钴)矿找矿预测,圈定的找矿有利靶区经钻探验证发现了一处工业铜矿体,取得了一定的找矿效果。

关键词： 烃汞气体测量法; 沉积型铜矿; 找矿; 可行性研究

Abstract

Sedimentary copper deposits are the predominant type of copper (cobalt) mineralization in the Central African copper-cobalt metallogenic belt. To improve the prospecting efficiency of such deposits, the feasibility of applying the hydrocarbon-mercury gas measurement method in the prospecting of sedimentary copper deposits was studied in the Mabende-Likasi area of the Democratic Republic of Congo. As indicated by the test results, two known ore bodies show remarkable anomalies of multiple indicators of hydrocarbon and mercury, but the anomaly distribution is controlled by the occurrence of orebodies. Based on these findings, this study summarized the anomaly pattern of hydrocarbon-mercury gas and primarily explored the anomaly causes. Moreover, this study conducted the prospecting prediction of concealed copper (cobalt) deposits in the study area. An industrial copper orebody was discovered through drilling in the delineated favorable target area, thus achieving achieved prospecting results.

Keywords： hydrocarbon-mercury gas measurement method; sedimentary copper deposit; prospecting; feasibility study

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本文引用格式

黄学强, 陈远荣, 吴二, 刘峰, 卢安宁. 烃汞气体测量法在中非沉积型铜矿的找矿可行性研究[J]. 物探与化探, 2023, 47(1): 31-38 doi:10.11720/wtyht.2023.2565

HUANG Xue-Qiang, CHEN Yuan-Rong, WU Er, LIU Feng, LU An-Ning. The feasibility of applying hydrocarbon-mercury gas measurement method in the prospecting of sedimentary copper deposits in Central Africa[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(1): 31-38 doi:10.11720/wtyht.2023.2565

0 引言

随着全球经济化发展趋势和我国对外开放的进一步扩大,中南部非洲赞比亚、刚果金等国是我国矿产资源开发转移的重要区域,该区域的加丹加铜—钴成矿带更是备受关注^[1⇓⇓-4]。近年来不少专家学者先后在该成矿带开展常规物探、化探及遥感找矿工作,取得了较丰富的成果^[5⇓-7]。而随着找矿目标体产出环境、地貌景观、盖层厚度的变化,传统地球化学勘查方法越来越不能满足新的找矿需要,开发一系列快速有效的找矿勘查新技术已势在必行。烃汞气体组分具有挥发性强、迁移距离远、与金属矿床存在一定成因关系等特点^[8-9],以往该测量方法主要用于热液成因类矿床的找矿勘查,对于沉积型矿床成果甚少。为此,笔试尝试在中非成矿带上开展沉积型铜矿的烃汞气体测量法找矿可行性研究,以期探讨该方法的有效性,丰富该类型矿床的找矿技术方法。

1 地质背景

中非加丹加铜—钴成矿带也称卢弗里安成矿带,属中非中新元古代铜钴多金属成矿带的一部分,西起刚果(金)卡库拉—卡莫阿(Kakula-Kamoa)矿床,呈NE向逐渐转为EW向,最后呈SE向延伸到赞比亚恩多拉(Ndola)东南约40 km的龙溪(Lonshi)矿床,长约700 km,宽约150 km^[10](见图1)。马本德—利卡西矿段位于中非加丹加铜—钴成矿带的中—西段,是坎博韦和绿莎两处大型次级成矿带的中间过渡地段,长约50 km,宽约20~25 km。矿石以铜为主,钴相对较少,含矿地层主要为罗恩群矿山亚群白云质页岩组,原生沉积地层对成矿具有重要的控制作用,同时受NW向推覆构造影响,但是受变质、构造热液改造不明显,整体仍以层状、似层状产出,围岩蚀变相对较弱,以白云岩重结晶、大理岩化为主。

图1

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图1 卢弗里安成矿带铜—钴成矿带交通位置

Fig.1 Traffic location of Lufrian Cu-Co metallogenic belt

前人研究表明,有机质在沉积型矿床的成岩成矿作用过程中起到了重要的作用。非洲卢富里安沉积型铜—钴矿带是以还原的(含碳质或有机质)沉积岩(页岩、砂岩)为围岩的矿床,即称为“Kupferschiefer式”容矿沉积地层^[11-12]。非洲卢富里安成矿带中铜矿化与生物有机质之间的关系同全球其他的沉积型铜矿省的关系类似,铜带中的矿体单元很可能含有原始有机质^[13]。赞比亚穆富里拉矿床中各矿体间发育的富碳质物质,明确表明了成矿过程中碳氢化合物的参与,同时矿体周围发育富含叠层石生物礁白云岩也说明生物有机质对成矿的贡献^[14]。任超等^[15]在分析赞比亚卢安夏盆地金属硫化物的沉积过程时,认为硫化物是通过细菌作用而形成的,这些微生物在地质作用下产生的派生物,如有机质、沥青等,通过吸附、还原、配合、沉积和聚集广义的成矿溶液中金属组分,形成它们的矿物集合体。

试验区BD(Bazano Deposit)及马本德(Mabende)矿区矿体均产出于下罗恩亚群(图2),成矿盆地为半封闭—封闭海盆,下罗恩亚群沉积是半还原—还原环境下的粉砂岩—泥质岩相,矿床原生含铜硫化矿以黄铜矿+黄铁矿为主。因此表明,有机质直接参与了研究区的沉积成岩、成矿作用,成岩成矿后其热降解可产生大量烃类,这为通过探索有机烃类相关组分异常获取找矿信息提供了理论依据。

图2

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图2 研究区区域地质图

1—湖面;2—第四系;3—孔德龙古群;4—恩古巴群;5—木瓦夏群;6—下罗恩亚群;7—地质界线;8—断层;9—中型以上铜(钴)矿床及名称;10—研究区范围(试验区+预测区)

Fig.2 Regional geological map in research area

1—lake;2—Quaternary system;3—Kundelungu group;4—Nguba group;5—Mwashia group;6—the lower Roan subgroup;7—geological boundary;8—fault;9—Cu(Co) deposits above medium size and names;10—scope of research area(test area and inferred area)

2 采样及测试方法

本次采集样品均为土壤样品,为避免富含有机质的A层土壤等干扰因素,采样深度约为0.4~0.5 m区段。在样品加工过程中不能进行火烤及暴晒,以阴干为主。颗粒粒级选用100目。所有样品分析测试均由桂林矿产地质研究院分析测试中心完成,烃类组分的测试均采用酸解烃法,分析测试的仪器为惠普公司生产的Agliant6820型气相色谱仪,汞气测试采用热释汞法,由冷原子吸收测汞仪分析测定。

3 试验区烃汞地球化学背景、异常参数和异常特征

3.1 矿床地质概况

选择研究区内的BD矿区和马本德矿区为试验区,开展试验剖面异常特征研究。BD矿区北部是孔德龙古群砂岩、砂质页岩,南部为下罗恩亚群(R1)红色泥质白云质粉砂岩、砂岩和泥质岩,主要含矿地层下罗恩亚群(R2)白云岩、白云质页岩和粉砂岩呈近环带状分布于R1地层之中。矿体主要呈层状、似层状近水平产出,在北侧被陡直的断层切断,在南侧呈自然尖灭,平均厚度约16 m,TCu平均品位2.61%。矿体较为平缓,埋藏深度18~75 m。地表多覆盖有5~10 m厚的覆土,表土大都是残余的风化层。沿南北向布设3条试验剖面,按20 m点距共采集土壤样品78个。

马本德矿区矿化主要赋存在罗恩群(R3)砂质板岩、硅质板岩中、白云质粉砂岩内,严格受该层位控制,顶底板围岩为白云岩化砂岩、粉砂岩,主要矿化类型是硅质氧化矿和白云质氧化矿,矿体平均厚度20 m,平均品位3.15%,层状—似层状产出,延伸倾角35°~40°。本次试验沿着垂直矿体的方向布设2条试验剖面,按20 m点距采集土壤样品52个。

3.2 地球化学背景、异常参数特征

试验区烃汞组分的背景、标准方差等地球化学参数变化特征见表1。从表1可知,各烃类组分含量变化特征为:

表1 试验区烃汞组分地球化学参数

Table 1 Geochemical parameters of hydrocarbon mercury components in test area

矿区	烃汞组分	最大值	最小值	背景值	标准方差	异常下限	变异系数	异常衬度
BD矿区	甲烷	4.361	1.828	2.800	0.594	3.691	0.21	1.50
	乙烷	0.150	0.046	0.089	0.030	0.134	0.33	1.62
	丙烷	0.217	0.034	0.074	0.040	0.135	0.55	2.65
	异丁烷	0.032	0.006	0.013	0.006	0.022	0.45	2.12
	正丁烷	0.170	0.013	0.048	0.034	0.099	0.71	2.95
	乙烯	1.648	0.533	1.013	0.320	1.492	0.32	1.61
	丙烯	0.985	0.335	0.618	0.159	0.857	0.26	1.49
	汞	1.269	0.439	0.714	0.204	1.021	0.29	1.58
马本德矿区	甲烷	4.948	1.821	3.169	0.993	4.658	0.31	3.03
	乙烷	1.666	0.101	0.529	0.486	1.258	0.92	2.85
	丙烷	1.724	0.052	0.513	0.479	1.231	0.93	2.91
	异丁烷	0.159	0.005	0.048	0.042	0.110	0.87	2.95
	正丁烷	1.385	0.038	0.363	0.377	0.929	1.04	3.77
	乙烯	2.176	0.270	0.994	0.611	1.911	0.61	2.18
	丙烯	2.919	0.435	1.128	0.669	2.131	0.59	2.27
	汞	2.390	0.236	0.771	0.378	1.338	0.49	3.10

注:烃类含量单位为μL/kg,Hg含量单位为10^-9;异常下限=背景值+1.5×标准方差;变异系数=标准方差/背景值;异常衬度=异常内元素平均含量/背景值。

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1)无论是烷烃还是烯烃,均具有随着分子量的增加,含量逐步降低的变化趋势,如甲烷含量在烷烃中最高,达到4.361~4.948 μL/kg,其他烃类组分含量均较低。

2)马本德矿区的烃类组分含量明显高于BD矿区,其中乙烷、丙烷及正丁烷甚至高出BD矿区5倍以上。

3)汞的背景值在两处试验区较为相近,介于(0.71~0.77)×10^-9。

4)各组分的变异系数处于0.21~1.04,仅马本德矿区正丁烷变异系数>1.0,说明试验区背景变化较小,背景值变化较均匀。

5)马本德矿区异常衬度为2.18~3.77,明显优于BD矿区异常衬度(1.49~2.95),因而前者异常更清晰明显。

上述特点表明,研究区背景场中,有机烃气含量并不高,变化也较均匀,无论是轻烃组分甲烷(CH₄),还是重烃组分乙烷(C₂H₆)、丙烷(C₃H₈),它们对由成矿而引起的异常都不会形成干扰,而成矿叠加使得相应的部位出现更加清晰明显的异常,因而利用烃汞气测量法开展找矿可行性研究是可行的。

3.3 异常特征

BD矿区2680线烃汞组分均出现了较明显的异常,尤其甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷最明显,乙烯、丙烯和Hg次之,异常连续性佳,较为同步。第一处异常分布在03~06点,异常宽60 m,异常明显,如丙烷、异丁烷和正丁烷峰值分别达到了0.175、0.025和0.114 μL/kg。第二处异常位于15~18号点,异常带宽60 m,异常衬值较高,如异丁烷、正丁烷高达1.7~1.8。两处异常分别对应矿体的头部及尾部位置,表现出明显的“对偶双峰异常”模式(图3)。

图3

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图3 BD矿区2680线地质—烃类异常剖面

1—浮土层;2—孔德龙古群砂质、页岩夹白云岩;3—硅化白云岩;4—泥质/白云质页岩;5—下罗恩亚群(R1)非均质(杂)角砾岩;6—实测/推测地质界线;7—实测/推测断裂;8—已施工钻孔及编号;9—铜矿体

Fig.3 Geological hydrocarbon anomaly profile of 2680 in BD mining area

1—topsoil;2—Kundelungu group sandy shale with dolomite;3—silicified dolomite;4—argillaceous/dolomitic shale;5—the lower Roan subgroup (R1) heterogeneous (complex) breccia;6—measured/inferred geological boundary;7—measured/inferred fault;8—drill hole under construction and numbers;9—copper orebody

马本德矿区P2线烃类异常主要位于08~12号点,异常宽80 m,除乙烯为弱异常外,其他组分均出现较明显的异常。异常连续性及同步性较好,异常衬度均大于2.5。吸附相态Hg异常主要表现为单点异常,峰值位于9号点,含量高达2.39×10^-9。烃汞组分综合异常与矿体头部有很好的对应关系,在矿体延伸地段局部出现弱异常,但规模小、衬度不高,可指示矿体延伸方向(图4)。

图4

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图4 马本德矿区P2线地质—烃类异常剖面

1—冰川混积岩(小砾岩);2—白云岩化砂岩、粉砂岩或页岩;3—罗恩群(R3)白云岩、白云岩化粉砂岩;4—铜矿体;5—实测/推测地质界线;6—断裂

Fig.4 Geological hydrocarbon anomaly profile of P2 in Mabende-mining area

1—glacial migmatite (small conglomerate);2—dolomitized sandstone, siltstone or shale;3—Roan group (R3) dolomite, dolomitized siltstone;4—copper orebody;5—measured/inferred geological boundary;6—fault

4 烃汞气体异常模式及成因探讨

上述两处铜矿床的烃汞气体测量的有效性试验结果显示,在已知矿体上方均出现不同规模及强度的异常,虽受地形高差的影响局部稍有偏移,但仍能不同程度指示隐伏矿体的赋存情况,只是对于不同产状的矿体,异常模型有较明显的区别。

近水平产出或产出较为平缓的隐埋矿床,其异常模型以“(不)对称对偶双峰式”为主,两异常峰分别对应于矿体地表投影的两侧,异常双峰之间的相对低值区与矿体的主要赋存部位或矿体主要富集地段相对应。而产出较为倾陡的出露地表或近地表的隐伏矿床表现出明显的“顶端单峰式”,即烃、汞等气体在矿体头部附近显示为单峰(单峰丛),往倾斜方向无异常或者弱异常。

关于金属矿床上方,烃、汞等气体组分形成各类异常模式的机理,前人研究表明决定因素主要有运移通道、成矿期的热差效应及金属硫化物的氧化作用^[16-17]。而笔者认为,对于沉积型矿床而言,运移通道是形成不同异常模式的主要因素:

1)近水平产出或产出较为平缓的隐埋矿床,其盘盖层特征与油气藏类似,矿体正上方的围岩封堵性相对较好,而矿体边部构造裂隙相对较发育,烃类和Hg等气体组分将主要通过这些位于矿体边部的构造裂隙向上运移,从而在剖面上形成对偶双峰异常。同时,矿体周边构造裂隙的不均匀性以及烃类等气体组分运移量的差异性可导致对偶双峰异常的不对称性,此时会形成不对偶双峰异常。如BD矿区,铜矿体水平产出,矿体之上被厚约20 m的泥质、白云质页岩覆盖,该盖层致密不利于烃汞气体垂直迁移。矿体南北两侧断裂、裂隙构造发育,因有利于烃汞气体侧向迁移后沿着构造裂隙向上运移,从而形成了较为明显的对偶双峰异常。

2)对于已出露地表或近地表的隐伏矿床,矿体分解的烃汞类气体因为没有顶部盖层的阻断,分解后呈包裹相、吸留相、附着相赋存在其上部土壤中,因而在矿体头部附近形成高值异常,往矿体倾伏方向因盖层变厚而异常较弱或者无异常。如马本德铜矿,即便含矿地层与围岩均为断裂接触,但矿体倾斜方向被厚达60 m的罗恩群R3白云岩、白云岩化粉砂岩顶板覆盖,沿倾伏方向没有异常反应,异常主要对应矿体近地表头部。

5 找矿预测及效果

凯义(Keyi)矿区位于利卡西市北约23 km。矿区出露的地层主要为罗恩群矿山亚群、恩古巴群和第四系红土层。矿山亚群是区域赋矿地层,岩层倾向北,倾角多在15°~20°。为合理的设计探矿钻孔,笔者在该矿区03、04勘探线采集、分析样品42个。结果发现在两条剖面上均分别出现了两处明显的异常,03号剖面的异常分别位于04~07号测点及12~15号测点,04号剖面的异常分别位于04~06号测点及14~15号测点(图5)。根据上述异常模式,结合地质情况推测在两处异常之间,推断存在一处产出较为平缓的富矿带。后经刚果金华鑫湿法冶炼有限公司实施钻探验证,由ZK301、ZK305及ZK401等钻孔控制了一个工业铜矿体,矿体厚度12~16 m,TCu平均品位2.38%,取得了一定的找矿效果。

图5

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图5 凯义矿区04线地质—烃类异常剖面

1—第四系红土层;2—滑石质粉砂岩;3—硅化粉砂岩;4—硅质页岩夹层泥质岩;5—白云质页岩、泥质粉砂岩;6—孔德龙古群粉砂岩、页岩;7—实测/推测地质界线;8—实测/推测断裂;9—验证钻孔及编号;10—工业铜矿体

Fig.5 Geological hydrocarbon anomaly profile of 04 in Keyi Mining area

1—Quaternary laterite layer;2—talc siltstone;3—silicified siltstone;4—siliceous shale intercalated argillaceous rock;5—dolomitic shale and argillaceous siltstone;6—Kundelungu group siltstone and shale;7—measured/inferred geological boundary;8—measured/inferred fault;9—verfication drill hole and numbers;10—industrial copper orebody

6 结论及认识

1)中非沉积型铜矿多产出于下罗恩亚群半还原—还原环境下的粉砂岩—泥质岩相,有机质直接参与其沉积成岩、成矿作用,成岩成矿后其热降解可产生大量烃类,因此通过探索有机烃类相关组分异常获取找矿信息具备理论基础。

2)研究区背景场有机烃气含量不高,变化较均匀,它们对由于成矿而引起的异常不会形成干扰,而成矿叠加使得相应的部位出现更加清晰明显的异常,因而利用烃汞气测量法开展找矿研究是可行的。

3)运移通道是沉积型矿床形成不同烃汞气体异常模式的主要因素,近水平产出或产出较为平缓的隐埋矿床异常模型以“(不)对称对偶双峰式”为主,产出较为倾陡的出露地表或近地表的隐伏矿床表现出明显的“顶端单峰式”。

4)烃类组分含量、异常衬度受后期变质热液的影响,马本德矿床在下罗恩亚群地层沉积成矿后,又经历了后期一定程度的变质改造,变质改造过程中的热差效应使得原有的有机物受热后转化生成更多的烃气,因而其烃类组分含量、异常衬度明显高于BD矿区。

5)经未知矿区找矿预测验证,取得了一定的找矿效果,该方法组合可推广到类似矿床的找矿应用中。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李志锋.

中非铜矿带地质勘查新进展

[J]. 矿产与地质, 1992, 6(6):448-453.