0 引言
自2005年鄂东南矿集区响应国家“三深一土”战略部署以来,部分老矿区深部找矿取得重大突破,探明了一大批矿产资源,深化了矿区1.5 km以浅的地质认识,证明了深部找矿的巨大潜力[1]。从1960年始鄂东地质队、湖北省物探队等单位断续在鄂东南地区进行不同范围、多种比例尺的磁法、各种电法、测井等工作,如湖北省航测队完成鄂东南1:5万航磁、湖北物探队完成鄂东南1:10万重力等。为进一步挖掘研究区深部矿产资源,前人在总结鄂东南矿集区矿产成因及成矿规律的工作基础上,认为鄂东南地区大岩基(体)外围是寻找隐伏多金属矿的有利部位,而根据成矿系列理论,鄂东南地区热液矿产的成矿作用主要与深源侵入岩有关,因此区内矿床类型主要为接触交代矽卡岩型,如铜绿山铜铁矿、石头咀铜铁矿等[2⇓⇓⇓-6]。以铜绿山矿田为例,该区内与成矿关系密切的地层为大冶组和嘉陵江组,中酸性侵入岩为石英二长闪长岩和石英二长闪长玢岩 [4-5],因此矿体主要产出于地层与岩体边缘接触带或岩体内部捕虏体接触带[2,6]。为了开展精准的矿体定位预测,柳炳利等、邵显等、赵逸君等[7⇓-9]在铜绿山矿田运用三维地质建模手段对研究区进行三维成矿预测,但建立的模型数据库多依赖于已知的地质剖面和钻孔等先验信息,因此导致建模区域多集中在铜绿山铜铁矿附近,针对全区的成矿预测不足。
本文基于湖北地质局第一地质大队早期在大区域上采集的鄂东南1:5万航磁资料、矿田尺度上在铜绿山以及阳新岩体周边采集的1:1万重磁资料及多条电法剖面数据。在前人研究基础上,利用重磁小波叠合异常[10]分析铜绿山矿田捕虏体型铜铁矿、接触交代型矿化带和矿体分布范围及成矿特征,并运用三维物性反演、2.5D人机交互技术、3D人机交互技术[11]和三维地质建模技术[12]对铜绿山矿田深部岩矿体的空间分布、边缘特征、接触关系等进行可视化分析。通过该套方法,不仅可以对地面成矿特征进行处理分析,还进一步对深部成矿有利区域进行预测,通过对各种先验信息的整合,利用人机交互技术不仅有效解决了建模数据库范围集中在先验信息周围的问题,还为鄂东南矿集区其他矿区提供一定的深部成矿预测方法。
1 地质、地球物理特征
1.1 区域地质概况
图1
图1
铜绿山矿田区域构造(a)及地质(b)
F1—鄂城-咸宁超壳断裂;F2—襄樊-广济超壳断裂;F3—姜桥-下陆断裂;F4—江南带断裂;F5—毛铺-两剑桥断裂;F6—山坡-枫林超壳断裂;X1—大冶湖向斜;Y1—鄂城岩体;Y2—铁山岩体;Y3—金山店岩体;Y4—灵乡岩体;Y5—殷祖岩体;Y6—阳新岩体;L01~L55—反演的55条剖面位置
Fig.1
Regional teotonic map (a) and geological map (b) of Tonglyushan ore field
F1—Echeng-Xianning supershell fault;F2—Xiangfan-Guangji supershell fault;F3—Jiangqiao-Xialu fault; F4—Jiangnan Belt fault;F5—Maopu-Liangjianqiao fault;F6—Shanpo-Fenglin supershell fault;X1—Daye Lake syncline;Y1—Echeng rock mass;Y2—Tieshan rock mass;Y3—Jinshandian rock mass;Y4—Lingxiang rock mass;Y5—Yinzu rock mass;Y6—Yangxin rock mass;L01~L55—represents 55 sections for inversion
1.2 矿床地质概况
区内矿床多为接触交代矽卡岩型,矿床内矿物种类繁多,矿物成分较为复杂,矿床矿石主要为富铜、富铁矿石[14]。区内大中型矿床大都集中分布于鄂城—大幕山主干隆起带上,各矿带呈一东西走向且向北突出的弧形,与NNE向主干隆起带完全吻合,矿化类型由北至南从铁—铁铜—铜铁—铜—铜钼钨作有序分布;硫及硫铜矿带沿弧形体两侧分布;铅锌矿化带分布较不规则,大致呈一向北突出的弧形,分布范围较广;各矿带矿化富集部位严格受一定层位控制;除铅锌矿床外,各矿带、矿体皆位于接触带(广义)上,显示了岩浆岩和成矿的密切关系。
1.2.1 地层
矿区内地层在岩体内呈残留状态,主要有三叠系下统大冶组、三叠系中下统嘉陵江组、白垩系下统大寺组、侏罗系上统灵乡组和第四系(图1)。与成矿关系密切的为三叠系大冶组和嘉陵江组,岩性主要为大理岩,均与成矿作用密切相关,矿体主要产于碳酸盐地层与岩浆岩的接触带及接触带附近的层间破碎带内。
1.2.2 构造
铜绿山矿田位于阳新岩体西北段,发育印支期NNNW向构造、印支—燕山期NEE—NNE—SWW向S型构造、燕山期NNE向构造。
阳新岩体西北段的基础构造即NWW向构造在印支期已基本定型,由于燕山运动以来构造叠加改造和岩体的侵入,致使NWW向构造原来面貌显示得不是很清楚。矿区主体构造即NNE向叠加背斜控制着矿床,矿床中的矿体沿背斜的两翼及核部分布,因此背斜的分布范围也即是矿体的分布范围。矿体的分布主要受NNE向、NEE向2组构造控制,因而形成2个相应方向的矿带。
岩体侵入与围岩形成接触构造。该类构造是区内最基本的控矿构造。接触构造常与其他构造类型复合而形成复合接触构造,如接触破碎带构造、接触断裂带构造。复合接触带对成矿有利,往往形成大矿体和主矿体。接触带的形态、产状与矿体的发育关系密切,陡倾斜、转折部位有利于矿体的发育,多形成大矿体、主矿体。缓倾斜、锯齿状接触带多数只能形成小矿体。
褶皱的特点是由于岩体侵入,均为不完整、不协调的隐伏褶皱。其中印支期形成的NWW向褶皱是矿床的基础构造,现存构造行迹因遭受燕山期构造—岩浆作用的破坏而不完整[15],断裂具有多期活动的特点。
1.2.3 岩浆岩
区内岩浆作用十分强烈,活动时代主要为燕山期,活动方式以岩浆侵入为主,次为火山喷发作用。
岩体主要由闪长岩类至花岗岩类的一系列过度岩石组成,多呈岩基或岩株体,属中—中浅成相[16]。其与成矿关系密切的岩体为铜绿山岩株体,位于阳新复式岩体西北端,主体岩性为石英二长闪长玢岩,为燕山早期第三次岩浆侵入形成。
1.3 地球物理特征
1.3.1 岩(矿)石物性特征
如表1所示,区内侵入岩中的酸性岩、中酸性岩密度低,具有中等磁性,当它侵入碳酸盐岩地层时能够产生局部低重、高磁异常,这是识别中酸性侵入岩的标志。而中性岩密度较高,与碳酸盐岩相当,当它侵入碳酸盐岩地层时,则只产生局部高磁、无重力异常。
表1 铜绿山矿田主要岩(矿)石物性(据湖北省第一地质大队,2014[17])
Table 1
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闪长岩类具有中等磁性,铜磁铁矿、矽卡岩等具较强磁性,而沉积岩则不具磁性,因此根据局部磁异常可以解释为侵入型火成岩体及矿体、矿化体。侵入型火成岩体密度约2.60~2.69 g/cm3,属较低密度,当它与密度较高的大理岩接触时能够产生局部低重力异常,但与密度较低砂页岩等接触时,则可能不产生低重力异常,甚至会产生局部高重力异常。因此根据局部重力异常不能单一的解释火成岩体,应以磁异常为主解释火成岩。
1.3.2 重磁异常特征
研究区位于中纬度地区,ΔT磁异常受斜磁化影响,为了便于解释需进行化极处理,化极后ΔT磁异常的磁力高主要集中在研究区东南部,其位置和范围均与铜绿山火成岩体、阳新火成岩体有非常好的对应关系(图2a),并且值得注意的是阳新岩体所对应的磁异常没有较强烈的起伏变化,但铜绿山岩体磁异常则起伏变化非常强烈,反映矿化和矿体强幅值磁异常均位于铜绿山岩体之上。
图2
图2
铜绿山矿田航磁化极异常(a)和布格重力异常(b)
Fig.2
Aero magnetization pole anomaly (a) and Bouguer gravity anomaly (b) in Tonglyushan ore field
如图2b所示研究区布格重力异常总体呈由NW向SE递减趋势,根据布格重力异常的特征可大致分成7个区域,其中G1为区内幅值最大的重力低,走向NW—SE,位置和范围与地表出露的阳新火成岩体有很好的对应,且其数值向SE逐渐减小,是阳新岩体向SE方向厚度变大的反映;G2为紧邻G1西北端且幅值较小的次一级重力低,该重力低异常与地表出露的铜绿山火成岩体有很好的对应关系,并且在G2重力低异常背景上明显地叠加有NE向或近SN向的局部重力高异常,如图2b深紫色虚线椭圆区域为其中一个NE向局部重力高,虽然受露天采坑地形的影响,该条带状重力高在中段不连续,但铜绿山矿区露天采坑、已知的铜铁矿体和已知的灰岩大理岩捕虏体均还是位于该局部重力高异常带上,显然G2重力低异常上叠加的局部重力高异常可能主要是由相对于火成岩体密度较大的灰岩大理岩捕虏体或矿体(矿化体)所引起的;G3位于铜绿山岩体西北部,为次一级重力低异常,在航磁异常上位于低磁异常区域,地表出露第四系和白垩系地层,由于第四系和白垩系地层相对于新近系灰岩为低密度并且无磁性,因此推测该G3重力低是向斜或第四系地层增厚的反映;剩余的G4次级重力低以及G5~G7重力高均位于磁低异常区内,且地表出露第四系地层和新近系地层,根据岩石物性特征可以推测G4~G7重力异常均主要是围岩地层的反映。
为了进一步更加细致地分析岩体、灰岩大理岩捕虏体、矿体(矿化体)的重磁异常特征,对布格重力异常和化极磁异常进行了小波多尺度分析,图3是布格重力异常小波2~4阶细节,其功率谱分析得到的场源似深度分别为245、512、1 040 m,图4是航磁化极异常小波2~4阶细节,其功率谱分析得到的场源似深度分别为165、347、736 m,可以看出随着分解阶次的增加,浅部不均匀体异常被压制而突出了深部异常,反映铜绿山岩体边界的重力低异常边界以及磁高异常边界在2~4阶细节上变化并不大,表明铜绿山岩株体的产状很陡,在东部、北部与西部产状可能在70°~90°,在铜绿山—石头咀一带,2~3阶细节高磁异常的范围比4阶范围大,说明浅部岩体可能超覆到地层之上。重磁异常与火成岩体的对应关系说明该区内火成岩体总体表现为低重、高磁特征。已知矿点多分布在岩体边缘,多为火成岩体与新近系嘉陵江组或大冶组碳酸盐岩接触形成的接触交代型矽卡岩矿床。
图3
图3
铜绿山矿田布格重力异常小波变换2~4阶细节
a—布格重力异常小波变换2阶细节;b—布格重力异常小波变换3阶细节;c—布格重力异常小波变换4阶细节
Fig.3
Wavelet transform of Bouguer gravity anomaly in Tonglyushan ore field with order 2~4 details
a—Bouguer gravity anomaly wavelet transform 2 order details; b—Bouguer gravity anomaly wavelet transform 3 order details; c—Bouguer gravity anomaly wavelet transform 4 order details
图4
图4
铜绿山矿田化极磁异常小波变换2~4阶细节
a—化极磁异常小波变换2阶细节;b—化极磁异常小波变换3阶细节;c—化极磁异常小波变换4阶细节
Fig.4
Wavelet transform of magnetic anomaly of Tonglyushan ore field with order 2~4 details
a—polarization magnetic anomaly wavelet transform 2 order details; b—polarization magnetic anomaly wavelet transform 3 order details; c—polarization magnetic anomaly wavelet transform 4 order details
值得注意的是已知的铜绿山灰岩大理岩捕虏体在重磁小波2阶细节上与局部重力高和磁力低有较好的对应关系,且从已知的12TL勘探线也可以看出(图5),灰岩大理岩捕虏体与局部重力高和局部中低磁异常相对应,矿体和矿化体与局部重力高、磁力高相对应,在12TL勘探线上灰岩大理岩捕虏体向SE方向倾伏,并在重力小波细节中可以看到,随着小波分解阶数的增大,与捕虏体对应的重力高异常逐渐向东偏移,且该异常的南段也逐渐增强,捕虏体重力异常在小波分解细节上的表现特征是捕虏体向南东方向倾伏、向南西方向侧伏的反映。
图5
2 铜绿山矿田成矿远景
2.1 捕虏体型铜铁矿远景
根据以上论述可知,新近系灰岩大理岩捕虏体表现为高重、无磁(或弱磁)异常,因此寻找铜绿山捕虏体型铜铁矿远景区应该根据局部重力高异常,在铜绿山岩株体内部识别高密度的新近系灰岩大理岩捕虏体。
铜绿山岩体对应的重力小波2~3阶细节均存在明显的局部重力高异常,但低阶小波细节受干扰较为严重,信息较为杂乱,捕虏体异常特征较为分散,不利于捕虏体远景的预测,而随着小波阶次的增加,浅部信息被压制,在捕虏体远景圈定时容易忽略浅部信息的作用。因此为压制浅部干扰突出中浅层高密度体异常,取重力小波2~4阶细节叠合异常进行垂向一阶导数和向上延拓(延拓100 m)处理,得到图6所示结果,对比2、3阶重力小波细节,重力高较为集中且信息较为丰富。
图6
如图6所示,G1区域对应阳新火成岩体,区内重力低异常相较于重力二阶细节异常变化较缓,起伏不大,说明浅部干扰被有效消除或压制。G2区域对应铜绿山火成岩体,区内存在多个条带状重力高区域,推测重力高、磁力低为新近系灰岩大理岩捕虏体引起,重力高、磁力高为灰岩大理岩与铜绿山岩株体接触交代形成的矿体(矿化体)引起。根据重力高走向特征划分出3个捕虏体型铜铁矿远景区,B1区域内存在出露的捕虏体及沿NE—WS分布的矿化带,为主要的捕虏体型铜铁矿远景区,B3重力高异常为B1区域捕虏体向南东倾伏造成,B2区域由另一隐伏的灰岩大理岩捕虏体造成。3个重力高条带均与磁小波三阶细节磁力高对应,其高重、低磁是灰岩大理岩捕虏体的反应,高重、高磁是矿体(矿化体)的反映。
2.2 接触交代型铜铁矿远景
石头咀、鸡冠咀—陈彦利一带矿床主要受NNE向断裂破碎带控制,为研究接触带成矿特征,对13、B15、C27线进行分析解释。
石头咀矿化带位于铜绿山岩株体东南边界,附近存在出露的新近系中统地层,该地层与局部重力低异常对应,根据不同阶次磁小波磁力高范围变化特征,推测铜绿山岩株体石头咀一带岩体可能超覆在地层之上,因此推断石头咀出露的地层较薄,隐伏地层被岩体穿插覆盖,受低密度火成岩体影响较为严重,造成重力异常特征表现为重力低异常。石头咀旁侧新近系中统地层边界存在铁帽且局部异常特征表现为高重、高磁异常(图7所示),推测该处为铜绿山岩株体与新近系中统地层接触边界,存在隐伏的矿体(矿化体);旁侧虚线对应高重、低磁异常,为隐伏的高密度新近系地层的反映;铜绿山火成岩体边界对应低重、高磁异常,局部存在的高重、高磁异常对应隐伏的矿体(矿化体)。从石头咀13线地球物理综合解释剖面可以看出大理岩与闪长岩接触带处形成铜铁矿及矿化体,当规模大、埋深较浅时,可以形成高磁、高重的组合异常,但当规模较小、埋深较浅时则不能形成高重、高磁的组合异常(图8a所示)。
图7
图7
化极磁异常小波变换二阶细节解释
(绿色区域为布格重力异常小波变换1+2阶细节0 mGal以上重力高)
Fig.7
Second order detail interpretation of polarization magnetic anomaly wavelet transform
(the green area shows the Bouguer gravity anomaly wavelet transform with 1+2 order details and gravity height above 0 mGal)
图8
图8
地球物理综合解释剖面
a—13线地球物理综合解释剖面;b—B15线地球物理综合解释剖面;c—C27线地球物理综合解释剖面
Fig.8
Integrated geophysical interpretation section
a—comprehensive geophysical interpretation section of line 13; b—comprehensive geophysical interpretation section of line B15; c—comprehensive geophysical interpretation section of line C27
3 铜绿山矿田三维地质模型
通过以上分析研究,为进一步了解铜绿山矿田深部岩体分布及接触关系,采用3D物性反演、2.5D重磁人机交互反演和3D重磁人机交互反演的方法得到铜绿山矿田4 km以浅主要岩体(矿化体)的分布范围及产状特征并建立三维岩矿体模型。
本次在铜绿山矿田选取了55条剖面(图1所示)进行2.5D/3D反演,剖面方向正EW向,剖面长度6 640 m,中部重点区的剖面间距100 m,边部剖面间距200 m,反演区域的范围为6 640 m×6 800 m。反演资料主要为1:1万的重磁异常、已知的勘探剖面和钻孔数据。反演过程以磁异常为主,重力异常为辅的方法进行,主要对铜绿山矿田内具有磁性的火成岩体、矿体(矿化体)进行4 km以浅范围内的反演。
图9
图9
3D物性反演和2.5D/3D人机交互反演结果
a—磁化率3D反演结果;b—密度3D反演结果;c—2.5D/3D重磁人机交互反演结果
Fig.9
Results of physical property inversion and human-computer interaction inversion
a—3D inversion of magnetic susceptibility; b—3D density inversion result; c—2.5D/3D gravity and magnetic human-machine interaction inversion result
物性反演结果为2.5D/3D人机交互反演提供一定的参考模型,再结合地质剖面、钻孔、地质图等先验信息进行基于先验信息约束的2.5D重磁人机交互反演,得到较为理想的反演结果,再利用3D重磁人机交互反演方法将2.5D反演剖面之相邻剖面相关地质信息进行关联,以消除旁侧地质体的影响,得到更为精确的反演结果。如L01线通过2.5D/3D重磁人机交互反演得到的地质信息与地质图出露信息、磁化率反演高磁性体对应且重磁异常曲线拟合较好(图9c所示),因此通过该方法可以有效的得到一定深度范围内地下空间的地质信息,为找矿探矿提供一定信息基础。
运用Geomodeller软件对55条反演剖面进行三维岩矿体建模。建模计算过程中简化半径设置为5 m,节点间距110 m(x方向60个节点,y方向65个节点,z方向55个节点)。
铜绿山岩株体主要分布在建模区北部,延深至4 km,由主体岩体和旁侧岩体破碎带构成,主要岩性为石英正长闪长玢岩,其内部存在R1、R2两处矿化体,分别对应石头咀矿化带和捕虏体B2远景区(图6所示),该岩株体南部接壤燕山早期第二次侵入形成的火成岩,即阳新岩体,延深至4 km,主要组成岩性为中、细粒石英正长闪长岩。其余岩体主要分布在建模区WS角,由细粒花岗闪长岩、黑云母石英正长闪长岩和石英闪长玢岩3种岩性组成,细粒花岗闪长岩岩体南部向深部延深至2.5 km,北部发育逐渐变浅,黑云母石英正长闪长岩岩体延深至2 km,主要向SN发育,石英闪长玢岩穿插在2种岩体中间,呈薄片状,埋深较浅,厚度不到200 m(图10所示)。
图10
图10
铜绿山矿田三维岩体模型
Fig.10
Three-dimensional rock mass model of Tonglyushan ore field
如图11a所示,铜绿山岩株体主体岩体不断向北延伸且浅部向深部延伸,NE向边缘深部产状较陡,在80°~90°,浅部超覆在地层之上,石头咀附近存在一处埋深较浅,横向规模较大的矿化体(R1),与石头咀13线高重、高磁异常对应,其岩体超覆区域与石头咀出露的新近系地层对应且超覆岩体厚度较厚,是造成该处新近系高密度地层表现为低重力异常特征的原因。因此在受较厚超覆火成岩体影响的情况下,在矿体(矿化体)规模较小、新近系地层较薄时,高重力异常特征不是很明显,应以靠近铜绿山岩株体边缘处高重力异常为主,岩体边缘高重、高磁异常为辅进行矿体(矿化体)的寻找,即铜绿山岩株体NE向岩体超覆区域是寻找该类接触交代型铜铁矿的远景区。
图11
图11
铜绿山主体岩体不同角度视
a—东南视角;b—西南视角
Fig.11
Different view of Tonglyushan main body rock mass
a—southeast view ; b—southwest view
4 结论
1)根据铜绿山矿田岩(矿)石和地层物性特征及已知矿点矿床的重磁场特征,可利用磁力高重力低、磁力低重力高、磁力高重力高组合异常对铜绿山岩株体、铜铁矿、大理岩捕虏体等进行识别与圈定。
2)通过对已知主要勘探剖面的地球物理综合解释,认为在铜绿山矿田内,燕山早期花岗闪长岩、铜绿山岩株体与新近系嘉陵江组大理岩地层接触边界是寻找接触交代型铜铁矿的远景区,矿体主要赋存在大理岩捕虏体层间破碎带及其与石英正长闪长玢岩的接触带,或者是闪长岩与石英正长闪长玢岩接触带及闪长岩的裂隙中。
3)在铜绿山矿田运用2.5D/3D重磁人机交互、三维地质建模等一系列技术手段,初步揭示了矿区内4 km以浅范围内岩矿体的分布范围及接触关系,为深部找矿提供了重要成矿岩体(铜绿山岩株体)的边界及产状信息。结合平面资料的对比分析,认为铜绿山岩株体NE边缘岩体超覆在新近系嘉陵江组地层区域及西部岩体破碎带为成矿有利区域,且R2矿体与捕虏体型铜铁矿B2远景区对应,进一步揭示该区捕虏体型铜铁矿的成矿潜力。
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DOI:10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504028
[本文引用: 1]
The 3D modeling method based on MAPGIS solid-mineral platform for Tonglvshan mining area is studied in this paper.On the basis of the data,that had been collected and sorted out from geological maps,topographic maps,geological sections,drilling,and other engineering surveys,the geological database is established.Two different 3D modeling methods,automated delineation of ore deposits and importation of external geological section maps,are applied in the study.The trend and fine changes of underground orebody 3D distribution are also demonstrated in the paper.These experiences will have certain reference values for similar mine 3D modeling.
鄂东南地区岩体重磁异常场特征及找矿方向
[J].
Gravity and magnetic anomalies characteristics of rock bodies and ore-prospecting orientation in the southeast of Hubei Province
[J].
磁测资料处理新方法及在危机矿山挖潜中的应用
[J].
The application new magnetic data processing methods to the potentiality exploration in crisis mines
[J].
基于先验信息约束的重磁电联合三维交互反演技术实践——以彭山穹隆构造为例
[J].
3D gravith magnetic and electrical inversion modeling based on prior information:A case study of the dome structure in Pengshan area,Jiangxi Province
[J].
鄂东南铜绿山矿田构造特征及其控矿规律
[J].铜绿山矿田位于鄂东南三角形构造岩浆区的中心,区内断裂构造发育,自浅至深形成网络系统,造成岩浆、成矿活动具长期演化的过程,这种优越的地质环境造就了矿田在鄂东南地区成矿中心的地位。控制矿田内矿床体的分布主要是北北东向构造与北西西—近东西向构造,两个方向的构造各自形成矿化带,而在两个方向的交切点就是矿床体的赋存部位。因而在平面上矿床体呈网格分布的格局。在空间中矿床体分布于岩体的周缘、顶盖及岩体中的残留体、捕掳体中。控制矿体的构造主要是北北东向叠加背斜的核部、北北东向断裂及其旁侧的羽状裂隙、北西西向的断裂接触带以及滑体平卧背斜的核部。
Structural characteristics and ore controlling law of Tonglushan Ore field in Southeastern Hubei
[J].
铜绿山铜铁矿床地质特征及找矿方向
[J].
Geological characteristics and prospecting direction of Tonglyushan copper-iron deposit
[J].
湖北大冶市铜绿山铜铁矿地质特征及矿床成因
[J].
The geological feature and genesis of Tonglvshan Cu-Fe deposit in date,Hubei
[J].
