陳康，紀(jì)廣軒，朱有峰，張華川

(自然資源實(shí)物地質(zhì)資料中心,河北 三河 065201)

熱液形成的銅礦床礦體周圍通常出現(xiàn)圍巖蝕變，蝕變特征受巖性、構(gòu)造等影響，形態(tài)較為復(fù)雜。在空間上，蝕變特征出現(xiàn)在礦體附近，離礦體越近，蝕變強(qiáng)度越大，特征越明顯；并且蝕變通常呈帶狀分布，有一定的規(guī)律性，所以蝕變特征是銅礦床的重要找礦標(biāo)志之一。例如，國外Lowell等[1]根據(jù)Kalamazoo礦床的蝕變，參照美洲27個斑巖礦床，提出斑巖型銅、鉬礦床的蝕變帶模式，得到了廣泛應(yīng)用。因?yàn)槲g變圍巖與伴生礦體有著密切的成因與空間關(guān)系，通過分析銅礦床蝕變特征，可以得到成礦時物理化學(xué)條件，熱液中成礦元素的遷移、富集以及演化規(guī)律，最終指示礦產(chǎn)的種類、礦化富集程度以及礦體賦存位置。由于蝕變巖體分布范圍廣，蝕變分帶性強(qiáng)，蝕變類型復(fù)雜，常規(guī)手段往往無法快速獲取礦體周圍的蝕變特征，所以近年來利用遙感地質(zhì)調(diào)查獲得的光譜數(shù)據(jù)，在銅礦床蝕變信息提取領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-4]。但是對于已經(jīng)獲取的巖心，應(yīng)用高光譜巖心掃描系統(tǒng)快速獲得光譜數(shù)據(jù)仍然處于起步階段。

高光譜巖心掃描系統(tǒng)是基于反射光譜分析技術(shù)，利用光譜儀采集和分析巖心、巖屑等樣品在一定波長范圍的反射光譜，并依據(jù)其光譜診斷性特征來識別不同的礦物，實(shí)現(xiàn)礦物的自動識別，同時獲取樣品的高分辨率圖像信息，幫助建立虛擬巖心數(shù)據(jù)庫和光譜找礦應(yīng)用模型。國外最早應(yīng)用的高光譜巖心掃描儀器是澳大利亞的PIMA紅外光譜儀和美國的ASD地面波譜儀，隨著挪威研制出能夠進(jìn)行圖譜合一采集的Hyspex地面成像光譜儀，高光譜儀器從單點(diǎn)式的采樣測量發(fā)展到成像式的面狀掃描測量[5-7]。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，澳大利亞科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)設(shè)計的Hylogger巖心高光譜掃描系統(tǒng)更加成熟，能夠更加準(zhǔn)確地識別圍巖蝕變特征[8-9]。近年來我國研發(fā)了一系列高光譜巖心掃描儀，尤其CMS350B型高光譜巖心掃描儀實(shí)現(xiàn)了對斑巖型銅礦床的蝕變特征準(zhǔn)確識別。但是高光譜巖心掃描系統(tǒng)的研制在我國還屬于起步階段，由于光譜特征復(fù)雜，礦物識別準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步提高，同時需要建立內(nèi)容更豐富、更精確的光譜庫[10-15]。

鐵路坎礦區(qū)位于城門山銅礦外圍，是近年來城門山銅礦外圍找礦的重要區(qū)域，礦區(qū)礦物蝕變特征與礦化機(jī)理仍有爭議。本文依據(jù)CMS350B型高光譜巖心掃描儀和TSG(The Spectral Geologist)光譜地質(zhì)分析軟件組成的高光譜巖心掃描系統(tǒng)，通過研究城門山銅礦外圍鐵路坎礦區(qū)鉆探獲取的代表性巖心，利用提取的高密度的蝕變礦物信息，參考已有的地球物理、地球化學(xué)等相關(guān)信息，采用鉆孔綜合柱狀圖、蝕變礦物豐度圖等手段，準(zhǔn)確鑒定了蝕變礦物類型，揭示礦區(qū)不同深度具有不同的蝕變礦物組合特征，反映成礦環(huán)境的演化。同時分析了重點(diǎn)礦段蝕變礦物的地球化學(xué)特征，為進(jìn)一步揭示城門山銅礦的成礦機(jī)理、拓展城門山銅礦外圍資源儲量以及勘探開發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品地質(zhì)特征

本次研究對象是國家實(shí)物地質(zhì)資料庫ZKJ9-7鉆孔巖心，取自城門山銅礦鐵路坎礦區(qū)。該礦區(qū)位于長江中下游成礦帶的中部，九瑞銅礦田東南端，長山—城門山背斜東端北翼近傾伏端處，城門山礦區(qū)東部，西與城門山銅礦采坑緊鄰。該礦床是一個以銅為主，共生有銀、鉛、鋅、硫、鉬、鐵，伴生有金、鎘、錸等有用組分的銅多金屬礦床。大地構(gòu)造位置位于揚(yáng)子陸塊(Ⅰ級)的下?lián)P子地塊(Ⅱ級)西部，Ⅲ級構(gòu)造單元為長江中下游坳陷帶，Ⅳ級構(gòu)造單元為九江坳陷。區(qū)域地層發(fā)育較好，基底地層為中元古界雙橋山群，蓋層除早、中泥盆系、晚石炭系、晚三疊系、侏羅系—白堊系地層外，其他各時代地層均較發(fā)育。區(qū)域斷裂以北東東向最為發(fā)育，次為北西—北北西及北東—北北東向。區(qū)域巖漿侵入活動主要為燕山旋回導(dǎo)致。區(qū)域內(nèi)礦體主要賦存于巖體與碳酸鹽巖接觸帶及接觸帶內(nèi)外，礦床具有斑巖型、矽卡巖型、塊狀硫化物型“三位一體”成礦模式，以及規(guī)模大、礦種多、礦石類型復(fù)雜等特色[16-20]。

ZKJ9-7鉆孔位于鐵路坎礦區(qū)9號勘探線上，巖心長度為578.37m，穿插了礦區(qū)內(nèi)主要巖體和礦體，具有典型性。通過高光譜巖心掃描系統(tǒng)快速厘定了孔內(nèi)蝕變及礦化發(fā)育情況?？變?nèi)圈出礦體共5層，均為礦區(qū)主礦體，累計見礦厚度為50.61m，主礦體平均品位均達(dá)到全區(qū)的水平。該孔巖性種類豐富，包含了全區(qū)大部分巖性。由淺到深，所見礦體為銀、鉛鋅、銅礦和硫礦，體現(xiàn)了垂向上金屬分帶性，豐富的礦種和礦石自然類型的特點(diǎn)，為全區(qū)鉆孔的代表和典型(圖1)。

圖1 ZKJ9-7鉆孔位置示意圖Fig.1 Map of the ZKJ9-7 drilling location

1.2 高光譜巖心掃描系統(tǒng)

高光譜巖心掃描系統(tǒng)，在巖心編錄中的特色是快速、高效、低成本、永久性、數(shù)字圖像化存儲，自動化、圖像化、無損識別巖心礦物種類，定量、半定量估算礦物含量，甚至取代了昂貴的礦物測量方法，可識別出巖心中常規(guī)難以識別的礦物[21]。

本文采用的高光譜巖心掃描系統(tǒng)主要由CMS350B型全自動數(shù)字化巖心掃描儀和TSG(The Spectral Geologist)光譜地質(zhì)分析軟件組成。CMS350B型全自動數(shù)字化巖心掃描儀，是由中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心研制，主要基于反射光譜分析技術(shù)，采集和分析巖心樣品反射光譜，實(shí)現(xiàn)礦物的自動識別，同時獲取樣品的高分辨率圖像信息[15](表1)。

表1 CMS350B巖心光譜掃描技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of core spectrum scan in CMS350B

TSG(The Spectral Geologist)光譜地質(zhì)分析軟件，是將巖心掃描儀采集的巖心高光譜數(shù)據(jù)通過處理轉(zhuǎn)化為有用的純凈的巖心信息。該軟件是澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織(CSIRO)針對采礦和勘探地質(zhì)工作人員設(shè)計，用于對礦物、巖石、土壤、巖心以及切片等地質(zhì)樣品的波譜進(jìn)行分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件。

經(jīng)過CMS350B型全自動數(shù)字化巖心掃描儀掃描采集的ZKJ9-7巖心高光譜數(shù)據(jù)相當(dāng)于初級數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過TSG光譜地質(zhì)分析軟件進(jìn)行輻射校正、反射率光譜重建、噪聲去除、蝕變信息提取等過程的數(shù)據(jù)處理和加工，才能轉(zhuǎn)化為有用信息。硬件加軟件組成的高光譜巖心掃描系統(tǒng)能夠提取巖心中各種蝕變礦物信息，并且可以利用多種手段進(jìn)行圖像處理與分析、鉆孔蝕變信息編錄、信息系統(tǒng)集成和三維可視化等，由地質(zhì)人員解譯信息得出地質(zhì)認(rèn)識，進(jìn)一步指導(dǎo)找礦勘查應(yīng)用研究。

1.3 電子探針分析

電子探針分析在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成。本文在高光譜巖心掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用電子探針進(jìn)一步解釋掃描的結(jié)果。選取ZKJ9-7巖心重點(diǎn)區(qū)域巖石，按照規(guī)范要求制作成35mm×25mm，厚0.04mm的探針片，仔細(xì)拋光后在顯微鏡下標(biāo)記選好分析部位和區(qū)域，以便分析時可以快速地找到需要分析的位置。用JEOL JEE-420真空噴鍍儀將探針片鍍碳，使探針片具導(dǎo)電性。用JEOL JXA-8230電子探針顯微分析儀對樣品進(jìn)行微區(qū)分析，根據(jù)莫塞萊定律，測定激發(fā)源轟擊樣品產(chǎn)生的特征X射線的波長及強(qiáng)度，即可確定樣品中含有的元素種類及含量，對礦物進(jìn)行定性或定量分析。測試條件為：電壓15kV，電流20nA，溫度23℃，濕度55%～60%，束斑直徑5μm，ZAF校正[22]。

2 結(jié)果與討論

2.1 短波紅外光譜特征

通過CMS350B型全自動數(shù)字化巖心掃描儀能夠快速獲得ZKJ9-7鉆孔巖心的光譜信息與圖像信息，同時利用TSG(The Spectral Geologist)光譜地質(zhì)分析軟件進(jìn)行自動光譜匹配來識別礦物，通過解譯ZKJ9-7鉆孔巖心的短波紅外光譜特征，獲得蝕變礦物-巖性分布柱狀圖(圖2)。在ZKJ9-7鉆孔中，根據(jù)短波紅外光譜曲線圖，碳酸鹽在2300～2400nm間具有單一的吸收特征，在2100～2200nm及2500nm附近具有次一級特征吸收峰；蒙脫石在2208nm附近表現(xiàn)出強(qiáng)烈吸收的特征，同時在1410nm和1910nm附近也具有吸收特征；絹云母在2200nm附近出現(xiàn)明顯的吸收峰，在2100nm附近會出現(xiàn)一個微弱的肩峰，以此區(qū)別于其他礦物；高嶺石在1400nm和2200nm處出現(xiàn)雙吸收峰，同時雙吸收峰的距離較近(表2)。根據(jù)ZKJ9-7鉆孔不同深度代表性巖石樣品的銅品位測試結(jié)果，得到銅含量與鉆孔深度關(guān)系圖(圖3)。圖2和圖3結(jié)果顯示，ZKJ9-7鉆孔0～350m，光譜特征以碳酸鹽、蒙脫石為主，巖石類型以灰?guī)r和花崗斑巖為主，銅礦化程度不高；ZKJ9-7鉆孔350～578m，蝕變礦物以高嶺土、白云母為主，巖石類型以石英斑巖、矽卡巖為主，銅的含量有明顯增高，礦化程度增強(qiáng)。

圖3 ZKJ9-7鉆孔Cu含量與鉆孔深度關(guān)系Fig.3 Relationship between Cu content and depth in ZKJ9-7 drilling

表2 ZKJ9-7鉆孔典型蝕變礦物光譜特征Table 2 Spectral characteristics of typical altered minerals from the ZKJ9-7 drilling

圖2 ZKJ9-7鉆孔蝕變礦物——巖性分布柱狀圖Fig.2 Histogram of altered mineral-lithology in ZKJ9-7 drilling

城門山鐵路坎銅礦床ZKJ9-7鉆孔主要受花崗閃長斑巖體與碳酸鹽類圍巖之間的接觸帶構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)花崗閃長斑巖巖漿-熱液活動期與銅礦有關(guān)的蝕變最主要的是矽卡巖化。鉆孔內(nèi)主要蝕變礦物為灰?guī)r、蒙脫石、高嶺石和白云母等。矽卡巖基本上就是礦體，這種空間上依存的原因主要是：矽卡巖具有不穩(wěn)定性和高孔隙度(中細(xì)粒結(jié)構(gòu))以及性脆易碎等特點(diǎn)，而有利于成礦溶液進(jìn)行充填交代；區(qū)內(nèi)矽卡巖主要由鈣鐵石榴子石組成，可提供黃銅礦沉淀需要的鐵質(zhì)，從而降低了黃銅礦沉淀所需銅的濃度，而有利于黃銅礦沉淀富集。硅化發(fā)育，灰?guī)r中形成硅化灰?guī)r。蝕變不甚強(qiáng)烈，為近礦蝕變。綠泥石化分布在矽卡巖和花崗閃長斑巖內(nèi)，多交代石榴石矽卡巖，常與綠泥石伴生又被綠泥石交代，與黃鐵礦關(guān)系密切[23-25]。

2.2 圍巖蝕變特征

城門山銅礦鐵路坎礦區(qū)圍巖以石榴矽卡巖、閃長玢巖、花崗斑巖、石英巖、粉晶灰?guī)r為主(圖2)，結(jié)構(gòu)種類較多。由于圍巖的物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，不同的巖性組合，以及在成礦作用方式、礦體產(chǎn)出特征上的不同，而形成不同的礦床類型。在ZKJ9-7鉆孔附近，石英斑巖、含炭灰?guī)r、角礫巖、石英砂巖這些圍巖均與成礦密切相關(guān)。同時，圍巖蝕變種類復(fù)雜，主要有大理巖化、矽卡巖化、綠泥石化、硅化、絹云母化、高嶺土化等。

ZKJ9-7鉆孔內(nèi)上部主要是以城門山巖體為中心的斑巖礦床蝕變分帶，銅礦化與蝕變圍巖關(guān)系十分密切，礦石就是蝕變了的巖石；下部銅礦化程度高，主要是以接觸帶為中心的矽卡巖蝕變分帶，并且還存在層間破碎帶組成的硅化帶、以石英斑巖體為中心的斑巖礦床蝕變分帶等，在空間上的相互影響和重疊，構(gòu)成了復(fù)雜的綜合蝕變分帶。根據(jù)原巖巖性及蝕變礦物組合的空間分布規(guī)律，礦區(qū)從復(fù)式雜巖體中心向外可劃分為內(nèi)、外兩帶。內(nèi)帶，以巖體為中心形成面狀蝕變分帶。外帶，以花崗閃長斑巖接觸帶為中心形成環(huán)帶狀蝕變分帶[26-31](表3)。

表3 城門山礦區(qū)蝕變帶劃分Table 3 Partition of alteration zone in Chengmenshan copper deposit

鐵路坎礦區(qū)銅礦化主要集中在下部接觸帶(圖2、圖3)，主要為矽卡巖化帶，分布于花崗閃長斑巖與灰?guī)r接觸處，特別發(fā)育于懸垂體內(nèi)及巖體呈枝狀穿插部位。該帶主要蝕變礦物為鈣鐵石榴石，其次為碳酸鹽、絹云母、綠泥石等熱液礦物。由巖體至圍巖主要顯露的是由矽卡巖化花崗閃長斑巖—石榴石矽卡巖—矽卡巖化灰?guī)r—灰?guī)r這一相帶規(guī)律。通過高光譜巖心掃描(圖2)，并且用電子探針測量ZKJ9-7鉆孔中的石榴子石進(jìn)行驗(yàn)證(表4)，鉆孔內(nèi)主要為鈣鐵-鈣鋁榴石系列，總體上鈣鐵榴石大于鈣鋁榴石。由于鉆孔上部主要為灰?guī)r，所以越接近灰?guī)r的石榴子石，其CaO含量越高，說明Ca來源于灰?guī)r。當(dāng)上升溶液沿著碳酸鹽類接觸面流動時，碳酸鹽中的CaO通過粒間溶液，以上升溶液為媒介向硅鐵質(zhì)巖和硅鋁質(zhì)巖石方向擴(kuò)散。相反，硅鐵質(zhì)巖和硅鋁質(zhì)巖中的FeO、Al2O3和SiO2以同樣的方式向灰?guī)r方向擴(kuò)散，從而接觸帶兩側(cè)的巖石發(fā)生成分置換而形成矽卡巖。在此過程中，銅在熱液中富集，易形成矽卡巖型銅礦床。

表4 ZKJ9-7鉆孔中石榴子石的化學(xué)組成Table 4 Chemical compositions of garnet in ZKJ9-7 drilling

3 結(jié)論

本文采用高光譜巖心掃描系統(tǒng)快速識別江西城門山銅礦床鐵路坎礦區(qū)蝕變特征，認(rèn)為城門山銅礦床淺部區(qū)域主要受花崗閃長斑巖體與碳酸鹽類圍巖之間的接觸帶構(gòu)造控制；深部區(qū)域主要經(jīng)歷矽卡巖化和硅化，部分有綠泥石化，這些蝕變過程有利于銅礦的形成與富集。富銅矽卡巖型礦床的形成，主要通過熱液在巖石的裂隙之間流動，從而實(shí)現(xiàn)組分交換，具體是組分的濃度差所引起的擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)的。上升溶液沿著碳酸鹽類接觸面流動時，碳酸鹽中的CaO通過粒間溶液，以上升溶液為媒介向硅鐵質(zhì)巖和硅鋁質(zhì)巖石方向擴(kuò)散。相反，硅鐵質(zhì)巖和硅鋁質(zhì)巖中的FeO、Al2O3和SiO2以同樣的方式向灰?guī)r方向擴(kuò)散，從而接觸帶兩側(cè)的巖石發(fā)生成分置換而形成矽卡巖。

本文通過高光譜巖心掃描系統(tǒng)獲得的光譜數(shù)據(jù)與地球化學(xué)特征數(shù)據(jù)相結(jié)合，在江西城門山鐵路坎銅礦床得到了很好的應(yīng)用，為礦床外圍擴(kuò)充資源儲量以及勘探開發(fā)奠定基礎(chǔ)。高光譜掃描系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確獲得巖心的礦物蝕變信息以及礦化特征，并且不損害巖心樣品，使得巖心樣品能夠重復(fù)利用。這種方法尤其適合有明顯蝕變特征的礦床，豐富的光譜特征信息指示出豐富的蝕變礦物，對找礦勘探等具有重要的實(shí)踐意義。