2020年河南省第一地质勘查院有限公司在老湾金矿带提交金资源量208 t,实现了重大找矿突破,探明了河南省有史以来最大的独立金矿床,对确立秦岭—大别造山型金矿是巨型金成矿带的地位具有决定性作用,对区域金矿找矿具有借鉴意义。为继续深入开展新一轮重要矿产资源深部找矿行动,根据矿山深部找矿工作中的新发现、新现象和新进展,发现老湾金矿带找矿潜力仍然巨大^[1-3],亟须提高该区域深部找矿理论与技术的创新,加速实现新的找矿突破。本次笔者采用原生晕等地球化学方法对深部矿体进行研究和成矿预测,以期指导下一步的深部矿产探测。

原生晕的形成与成矿作用是一个统一的过程,是由于热液溶液的矿化作用,在矿体周围形成的地球化学异常,其规模大小是评价某个地区找矿有利程度的重要标志,是研究矿床深部成矿远景的有效手段^[4-7]。

本次笔者利用全岩分析(主量、微量、稀土),初步探讨成矿物质来源。通过研究格里戈良分带序列和元素分带指数,分析矿体原生晕地球化学特征;利用相关分析、聚类分析、因子分析等统计方法探讨成矿元素与其他元素之间的相关关系,寻找可靠的地球化学预测标志,进而预测深部找矿方向。

老湾金矿带赋矿地层为中元古界龟山岩组,地层夹持在西部泌阳凹陷和东部吴城盆地之间,北部以松扒断裂为界,与雁岭沟组大理岩、斜长角闪片岩等接触,南部以老湾断裂为界,与老湾花岗岩体接触。龟山组主要岩性为二云石英片岩夹斜长角闪片岩等,地层呈层状、似层状或透镜状,平行区域构造线呈NWW—SEE方向展布,倾向NE或SW,倾角48°~82°,为区内金矿体的主要含矿层位^[1-2]。

矿区主要断裂为北部的松扒断裂和南部的老湾断裂,以及受两大断裂影响派生的一系列NNW向、NE向、SN向次级断裂,以NNW向为主(图1)。

松扒断裂主断面走向275°~280°,倾向北倾,倾角67°~78°。该断裂沿走向及倾斜形成宽度200~300 m的破碎带,常被后期相互平行的花岗斑岩脉充填;该断裂形成时代较早,规模较大,在区域上控制着本区金矿带的分布。

老湾断裂位于老湾花岗岩体北侧,控制了矿区南部边界,主断面走向约275°,倾向南倾,倾角45°~55°。由于断层多期次、多阶段的活动形成了压扭性逆冲脆性断裂。

NWW向脆性断裂分布于老湾断裂下盘,近等间距分布,水平间距一般20~30 m,总体表现为向西略具撒开、向东略呈收敛之势。断束总体走向290°~310°,向北陡倾,倾角60°~80°。断裂带具碎裂岩化、硅化、碳酸盐化。该断束具体控制着本区金矿体的空间分布和形态变化,是本区金矿的主要容矿构造。

老湾金矿带岩浆岩较发育,以老湾花岗岩体为主,沿着老湾断裂的南侧呈EW向展布,北以老湾断裂为界,与龟山岩组接触,南与泥盆系南湾组不整合接触,岩体长约23 km,宽约0.6~2.1 km。矿区脉岩较为发育但规模较小,较为常见的有辉长岩、煌斑岩、花岗斑岩、石英钠长斑岩等,呈岩脉或岩墙产出。老湾金矿带赋矿地层中有大量的煌斑岩、石英钠长斑岩脉,伴有金、银、钼矿化等,局部地段可构成矿体;老湾花岗岩体与老湾金矿带成矿具有密切的时空和成因关系。

通过井下穿脉坑道地质观察及电子显微镜鉴定,确定老湾金矿区主要有4类矿石类型,即浸染状构造、细脉网脉状构造、块状构造和条带状构造,其中浸染状构造是最常见的矿石类型,可见矿石中散布着中—细粒的黄铁矿和黄铜矿等金属硫化物,呈薄膜状或少量呈团块状分布在石英脉表面及石英脉中。依据金属硫化物含量可进一步将浸染状构造分为稠密浸染状(图2a、b)或稀疏浸染状构造(图2c、d),该类型矿石构造贯穿研究区整个成矿阶段,主要发育在斜长角闪片岩蚀变岩型矿石及含多金属硫化物石英脉型金矿石中。

区内围岩蚀变强烈,呈分带性,常见蚀变类型主要有硅化、黄铁矿化、钾长石化、碳酸盐化、绿泥石化等。其中黄铁矿化与矿体关系非常密切,多呈浸染状及细脉状分布于矿体或蚀变岩中,由矿体向围岩蚀变逐渐减少(图3a、b)。主成矿期的黄铁矿化大致可分3个阶段:早期黄铁矿Py1以立方体粗晶呈浸染状分布于矿石中;中期黄铁矿Py2结构较破碎,以半自形—它形粒状为主,呈细脉浸染状分布于矿石中;中晚期黄铁矿Py3-4呈自形—半自形细粒晶集合体,与多金属硫化物交代接触。黄铁矿为主要载金矿物,是区内重要找矿标志之一。

钾长石化:区内常形成肉红色或灰白色钾长石脉沿岩石裂隙充填,后期断裂和石英脉错断钾长石脉,为最早期阶段的蚀变作用,与金矿的形成作用密切相关,可作为矿化的重要标识物(图3c)。

硅化:硅化在矿化蚀变带内十分发育,伴随整个成矿过程。硅化具多期性,成矿早阶段石英脉呈乳白色,多含中粗粒自形程度较好的黄铁矿(图2c);主成矿阶段为细粒黄铁矿、黄铜矿等多金属硫化物,呈浸染状分布于烟灰色石英脉中,将早期乳白色石英脉错断,该阶段矿化较好,金品位较高,是井下主要的开采对象(图3b)。成矿晚期的石英脉发育碳酸盐化,可见大量石英与方解石胶结,并切穿早期的石英脉。

碳酸盐化:区内碳酸盐化发育较普遍。成矿早期碳酸盐矿物多为方解石,常呈细脉状、薄膜状与石英互相胶结,可见金属硫化物(图3d)。成矿晚期多为方解石细脉,少量铁白云石细脉,含少量金属硫化物,不见金。

老湾金矿上上河矿段含金矿化蚀变带多达数十条,呈脉状、透镜状斜列式产出。本次以59号矿体为例进行研究。该矿体为隐伏矿体,埋深7~1 463 m,工程控制矿体标高为+219.4~-1 138.09 m;59号矿体规模大,目前单矿体资源量约0.98 t,矿体沿走向长1 364 m,沿垂向延伸1 452 m,矿体平均品位5.77×10^-6,品位变化系数为178.76%;真厚度0.28~1.96 m,平均厚度0.82 m,厚度变化系数26.38%;矿体呈波状弯曲的细脉状,沿走向矿体东部边界未封闭,仍有较好的延伸趋势,倾向22°~37°,倾角57°~82°。该矿体不在同标高连续分布,适合开展原生晕分带特征研究。

共采集14件全岩分析样品,其中7件矿石样品,3件斜长角闪片岩类围岩,3件长英质岩类,1件老湾深钻中的二长花岗岩(表1)。从表2可知,矿石全碱(K₂O+Na₂O)含量为0.48%~2.61%,围岩斜长角闪岩类全碱(K₂O+Na₂O)含量为3.70%~7.80%,围岩样品具有镁铁质至中性岩的成分,MgO和CaO含量较高,与角闪石的大量存在相吻合。岩浆岩类全碱(K₂O+Na₂O)含量为6.02%~8.71%,具有富碱特点,与晚中生代花岗岩类富碱特点相一致^[8];SiO₂含量59.46%~75.54%,平均66.75%,在桐柏—大别山地区花岗岩类SiO₂含量(60.71%~77.60%)范围内^[9]。老湾花岗岩具有全碱(K₂O+Na₂O)含量高、SiO₂相对较低的特点,花岗岩的ANKC值(ANKC=Al₂O₃/(K₂O+Na₂O+CaO),分子数)在1~1.49之间,属于S型花岗岩^[10]。

微量元素含量及其比值对矿床的物质来源与成因有一定的指示作用^[11-14]。从图4可知,矿石、花岗岩和围岩三者的稀土元素球粒陨石标准化曲线形态走势相似,具有轻稀土富集、弱负铕、轻微的正铈异常等特征;花岗岩和围岩的稀土总量值均高于矿石,暗示成矿物质可能来自于花岗岩浆和龟山岩组围岩。围岩、矿石、花岗岩的微量元素含量总体变化趋势相同,具有Th、Ti亏损(图5),矿石w(Co)/w(Ni)比值处在围岩与花岗岩各元素对比值之间,进一步反映了成矿物质可能来源于围岩和花岗岩。

样品采自老湾金矿上上河矿区0、-100、-200、-250、-350、-450、-550 m和-650 m穿脉坑道,分别采集样品60、60、55、37、21、33、24、27件,共317件岩石化探样。样品经初步整理后送至河南省第一地质勘查院岩矿测试中心分析测试,分析的主要元素为Au、Ag、Cu、Pb、Zn As、Sb、Hg、Ba、W、Bi、Mo、Sn。其中采用等离子体质谱仪(ICP-MS)分析Cu、Pb、Zn、W和Mo,采用X射线荧光光谱仪分析Ba,采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)分析Au、Ag、Sn,采用原子荧光光度计分析As、Sb、Bi、Hg。

所有中段的穿脉坑道均经过59号主矿体,矿体规模较大,原生晕的结果将主要受59号矿体的影响(图6),因此本次选择59号矿体作为典型研究对象,分析矿区内矿体的地球化学特征,预测隐伏矿体深度,指导探矿方向。

不同成矿元素在成矿地质过程中,由于物理化学性质的变化先后从热液中沉淀析离出来,在空间上呈现分带展布。元素异常的内带与矿体的边界几乎一致,利用元素在空间上的分带特征,可有效判断矿体埋深、矿床剥蚀程度,进行矿床深部潜力的初步判断^[15-17]。

将研究区样品含量数据进行对数变换后,发现其基本符合正态分布。按平均值加(减)2倍标准离差的原则,采用迭代法对13种元素含量逐步剔除特高与特低异常值,然后将符合要求的元素含量按照平均值加2倍标准离差计算出异常下限(表3),以1倍、2倍、4倍的异常下限圈出原生晕的外带、中带、内带,绘制了13种元素的异常剖析图(图7),图中显示成矿元素及伴生元素异常分带清晰,各元素原生晕组合具有如下特征。

1)As、Sb、Ba、Pb浓集中心发育在矿体头部,三级浓度带主要发育在标高-50~-250 m之间,在此区间具有较强的异常强度,沿矿体向下异常规模逐渐变小,这些可作为矿体前缘晕元素。

2)Au、Ag、Cu、As、Hg、Mo在矿体中部具强异常,三级浓度带主要位于标高-350~-550 m之间,发育完整,几个元素异常中心套合较好,异常形态与矿体形态基本一致,可视为近矿晕元素。成矿元素Au、Ag在矿体中下部异常仍较发育,规模和强度向深部有升高的趋势且未封闭,指示矿体在-650 m标高以深有盲矿体存在,或原有矿体向下仍有较好的延伸。

3)Zn、W、Bi异常主要集中在矿体下部。其中Zn没有异常内带,结构不完整。Bi异常强度与异常规模向下有增加的趋势。由于矿体中白钨矿的存在,W含量是大陆地壳的数倍至20倍。以上元素向深部异常均未封闭,具有尾晕元素的特征。

从图6看出,304勘探线剖面上存在较多的小矿体,与主矿体分布较近,各矿体原生晕可能存在叠加现象,显示出较为复杂的原生晕特征。

原生晕轴向分带序列对判断矿体埋深、剥蚀程度和预测盲矿体具有重要意义。本次采用格里格良分带指数法^[18]对老湾金矿轴向分带序列进行研究。

由于不同元素线金属量差异较大,需要统一量纲进行分析,一般采用4种标准化方法进行数据处理,即(测量值-平均值)/均方差、(测量值-最小值)/极差、(测量值-最小值)/数量级、最大值数量级统一。通过对比,将不同元素的最大值统一到同一量值,即乘以标准化系数得出的结果最为合理。

根据8个中段穿脉坑道岩石化探分析结果,计算出8个中段13种元素的线金属量。将不同元素的线金属量最大值统一到同一量值进行标准化处理,得到元素分带指数(表4)。每个元素的分带指数在不同中段中的最大值即为该元素在分带序列中的位置,初步得到分带序列为Sn-(As、Ba)-Au-(Pb、Cu)- Sb-(Bi、Ag、W、Mo)-Hg-Zn(由浅至深)。根据变化指数和变化指数梯度差原理,进一步确定处于同一中段元素的先后顺序^[19],得到最终的分带序列从浅至深为:Sn-Ba-As-Au-Pb-Cu-Sb-Ag-Mo-Bi-W-Hg-Zn。

将所得的元素分带序列与李惠等^[20-21]总结的我国典型金矿床单一次成矿原生晕正常分带序列Hg→As→Sb→B→Ba→Cd(矿体前缘及上部)→Ag→Au→Cu→Pb→Zn(矿体中部)→W→Bi→Mo→Mn→Ni→Co→Ti(矿体下部及尾晕)进行对比,发现两者轴向分带序列差别较大,分析原因认为这是由于多期次、多阶段矿化作用叠加不同导致的。本次原生晕的轴向分带序列Sn-Ba-As-Au-Pb-Cu-Sb-Ag-Mo-Bi-W-Hg-Zn中,尾晕元素Sn在分带序列的前排,指示矿体遭受了一定程度的剥蚀,前缘元素Hg排在分带序列靠后的位置,在成矿元素Au、Ag、Pb、Cu的后面,说明下部矿体前缘晕与上部矿体尾晕叠加,指示矿体向-650 m以深还有较大的延伸。

元素组合是元素亲缘性在地质体内的具体体现,研究成矿元素与伴生元素之间的亲和程度,充分发掘特征指示元素,以便构建地球化学找矿预测标志^[22]。

元素之间的相关系数可以有效判别元素之间的亲和性,由表5相关系数矩阵看出:

1)成矿元素Au与Ag、Cu的相关系数均大于0.5(p<0.05),相关性较好,与其他元素的相关系数较小,相关性差。野外观察发现当矿石中出现以黄铜矿为主的多金属硫化物时,该矿石为高品位富矿石;Au和Ag具有相同的原子半径和相同的晶体构造类型,属于同族,Ag可完全替代Au进入矿物晶格中,区内常见自然金—金银矿—自然银等类质同象系列。因此,Ag、Cu可作为金矿床找矿的指示元素。

2)Bi与W、Mo相关性好,均属于高温成矿元素。

在成矿作用过程中,物理化学条件的改变会导致矿物先后迁移和富集,造成元素地球化学分带,形成不同元素的共生组合,利用聚类分析可以很好地研究不同元素之间的地球化学组合亲缘关系^[23],建立地球化学找矿标志。

通过计算各变量原始数据间的相关关系,得到各元素R型聚类分析谱系(图8)。当相似系数取0.35时,13种元素可划分为5个群, 即W、Mo、Bi、Hg,Au、Ag、Sb、Cu、Pb、As,Sn,Ba,Zn。以相似系数0.7为限,又将W、Mo、Bi、Hg进一步分为W、Mo、Bi和Hg 2个亚群;Au、Ag、Sb、Cu、Pb、As分为Au、Ag、Sb、Cu、Pb和As 2个亚群。

通过图8聚类分析表明,当相关系数取0.72时,Ag与Au划为一群,成矿元素Ag与Au密切程度高,Ag的富集异常可作为Au异常的地球化学找矿标志;W、Mo、Bi亚群为高温成矿元素组合,相当于尾晕;Au、Ag、Sb、Cu、Pb亚群基本为中温成矿元素组合,相当于矿体晕;该结论与上述相关性分析图解相吻合。

因子分析降维后得到的因子意义更为明晰,可揭示各变量之间内在关系、变量与地质因素之间的关系,可从众多变量中提取出起主导作用的因子,是重要地质作用的体现^[24-26]。

本次利用因子分析主成分分析法对13种元素含量进行降维处理,得到初始因子载荷矩阵(表6),从众多元素含量中提取出7个主因子,累积方差贡献率达到80.94%,提取出了原始变量中的大部分信息,这时的累积方差贡献率可作为选择主因子数的界限。

对7个初始因子构成的公因子空间进行旋转得到斜交因子模型矩阵(表7)。由表7可看出,F1主因子由Ag、Bi、Mo组成,代表了促使Ag、Bi、Mo富集的地质过程。F2主因子由Au、Ag、Cu、Pb组成,反映的是近矿元素,Au、Ag、Cu、Pb亲和性好,与聚类分析结果一致。随着成矿热液的运移,Cu主要以毒砂、黄铜矿等多金属硫化物形式存在,Pb主要以方铅矿形式存在,Au不仅大量以包裹金、粒间金、裂隙金等可见金形式存在于金属硫化物粒间及裂隙中,也常以晶格金或包体金等不可见金形式存在于这些金属硫化物中,Ag与Au常以金银互化物共生,形成类质同象系列矿物,显示了Au迁移富集与多金属硫化物的同时性和同源性特征,因此主因子F2代表了金银多金属硫化物成矿地质过程。F3主因子由Pb、Zn组成,F4主因子由Ag、As、Sb组成,代表了成矿热液再次叠加的反应。F5主因子由Sn组成,代表了前缘晕元素。F6主因子由Ba组成,代表了尾晕元素。F7主因子由Hg、W组成。可以认为这7个主因子代表了7种主要的成矿地质过程。

如果元素分带指数呈现升高降低再升高的趋势,说明深部存在新矿体,导致深部前缘晕升高的现象出现^[27]。为强化异常分带特征,本次选取4种类型的分带指数比值$\frac{I z(\mathrm{As})+I z(\mathrm{Ba})}{I z(\mathrm{~W})+I z(\mathrm{Bi})}$、 $\frac{I z(\mathrm{Ba})+I z(\mathrm{As})+I z(\mathrm{Sb})}{I z(\mathrm{~W})+I z(\mathrm{Bi})+I z(\mathrm{Mo})}$、$\frac{I z(\mathrm{As})+I z(\mathrm{Ba})}{I z(\mathrm{Au})+I z(\mathrm{Ag})}$、 $\frac{I z(\mathrm{Ba})+I z(\mathrm{As})+I z(\mathrm{Sb})}{I z(\mathrm{Au})+I z(\mathrm{Ag})+I z(\mathrm{Cu})}$作为评价指标,对矿体深部远景进行地球化学评价。根据分带指数与埋深之间的关系,作分带指数垂向变化图(图9),从图中可以看出:

1)前缘晕与尾晕的累加指数比值$\frac{I z(\mathrm{As})+I z(\mathrm{Ba})}{I z(\mathrm{~W})+I z(\mathrm{Bi})}、 \frac{I z(\mathrm{Ba})+I z(\mathrm{As})+I z(\mathrm{Sb})}{I z(\mathrm{~W})+I z(\mathrm{Bi})+I z(\mathrm{Mo})}$随矿体埋深增加呈现先降低再升高,再降低再升高的趋势,在矿体的前缘比值最大,降幅猛,在-650 m以深比值升高,反映深部有盲矿体前缘晕的叠加。

2)前缘晕与矿体晕的累加指数比值$\frac{I z(\mathrm{As})+I z(\mathrm{Ba})}{I z(\mathrm{Au})+I z(\mathrm{Ag})} 、 \frac{I z(\mathrm{Ba})+I z(\mathrm{As})+I z(\mathrm{Sb})}{I z(\mathrm{Au})+I z(\mathrm{Ag})+I z(\mathrm{Cu})}$变化幅度平稳,并在矿体下部呈现升高的趋势,表明矿体变化较为平稳,在深部仍有较大的延伸。除-550 m这个标高内,前缘晕与矿体晕的累加指数比值小于1、大于0.5外,其余标高内的累加指数比值均大于1,表明矿体处于浅剥蚀程度。

因子在各样品中的取值为因子得分,因子得分绝对值大小决定了该因子代表的地质过程对样品的影响程度^[27]。根据各样品因子得分与埋深之间的关系,绘制了因子得分等值线图,研究因子在空间上的变化规律。主因子F2代表的是近矿元素,体现了金银多金属硫化物成矿地质过程在空间上的分布规律。从图10可以看出,在-650 m标高以深,F2因子得分等值线出现浓集中心,异常较发育且未封闭,表明深部有良好的找矿潜力。

基于前述地球化学特征的研究,并参考已查明的矿体特征,提出304勘探线ZK3041标高-650 m以深可能有盲矿体存在或原有矿体向下仍有延伸。为了验证深部盲矿体的存在,明确盲矿体的赋存标高,本次利用矿区内正在开展的普查工作,在304勘探线ZK3041北部230 m处指导施工了钻孔ZK3042(图11)。

在ZK3042金属蚀变较好的地方连续取岩石化探样,取样基本间距9~10 m。从图11可以看出,在孔深957.90~959.40 m(标高-717.08~-717.685 3 m)处,Au含量为2 490×10^-9,Ag含量为13.4×10^-6,经基本分析样检测,Au品位为30×10^-6,达到高品位金矿体,矿体真厚度1.50 m,产状南倾,倾角约50°。此外,图中显示在孔深1 033.10~1 039.10 m(标高-793.10 ~-799.10 m)处,Au含量为121×10^-9;1 068.99~1 077.80 m(标高-828.99~-837 m)处,Au含量为63×10^-9, Ag、Cu、Mo、Bi、Sn元素含量曲线异常突起,元素浓集中心套合较好,该处可能为金矿化体。

指导施工的钻孔ZK3042在预测靶区标高-720 m左右成功见到59号矿体的延伸,品位升高,验证结果表明本次得出的找矿预测标志是正确的,经综合分析认为矿体向下仍有很好的找矿潜力。

1)老湾金矿区矿石、花岗岩和围岩三者的稀土元素球粒陨石标准化曲线形态走势相似,矿石微量元素w(Co)/w(Ni)比值处在围岩与花岗岩之间,均指示成矿物质可能来源于围岩和花岗岩。

2)老湾金矿带原生晕的轴向分带序列为Sn-Ba-As-Au-Pb-Cu-Sb-Ag-Mo-Bi-W-Hg-Zn,尾晕元素Sn在分带序列的前排,指示矿体遭受了一定程度的剥蚀;前缘元素Hg排在分带序列靠后的位置,在成矿元素Au、Ag、Pb、Cu的后面,出现反分带的现象,说明存在下部矿体前缘晕与上部矿体尾晕叠加。元素异常剖析图中显示Au、Ag元素在-650 m以深异常规模和强度有升高的趋势,前缘晕与尾晕的累加指数比值在-650 m以深升高,均反映深部有盲矿体存在及矿体在深部有较好的延伸。

3)成矿元素Au与Ag、Cu相关性好。矿石中出现以黄铜矿为主的多金属硫化物时,该矿石为高品位富矿石;Au-Ag可以完全类质同象,形成自然金—金银矿—自然银类质同象系列。因此,Ag、Cu可作为金矿床找矿的指示元素。F2主因子影响的是Au、Ag、Cu、Pb近矿晕元素含量,与聚类分析结果一致,代表了金银多金属硫化物成矿地质过程。在空间分布规律上,F2因子得分和元素分带指数比值显示-650 m标高以深可能有盲矿体存在。

4)依据综合分析,提出304勘探线钻孔ZK3041标高-650 m以深为找矿靶区。在304勘探线ZK3041北部指导施工了预测钻孔,预测钻孔在-720 m左右成功见到59号矿体的延伸矿体。根据各评价指标,认为矿体向下仍有很好的找矿潜力。