长江中下游地区是我国主要斑岩型以及矽卡岩型铜矿的产地之一, 铜陵矿集区在成矿复杂性、 成矿规模以及成矿作用等方面均具有代表性, 其中冬瓜山铜金矿床是目前该矿集区内典型的“ 斑岩型-层控矽卡岩型-矽卡岩型” 铜矿床(安徽省地质矿产局321地质队. 安徽铜陵狮子山矿区冬瓜山铜矿床南段勘探地质报告, 1995. 1-24), 其成矿地质背景、 控矿因素、 地质特征以及矿化特征等方面, 在长江中下游地区具有典型性和代表性^[13]。 冬瓜山矿床主要的成矿地层分布在二叠系和石炭系等。

本次样品取自冬瓜山铜矿床ZK3801钻孔, 孔深1 201.10 m, 其中490.20~1 160.15 m内可观察到共有10层矿体, 主要金属矿物为黄铜矿、 黄铁矿和磁黄铁矿。 孔内可见石英闪长岩、 角岩、 矽卡岩、 大理岩、 硅质岩、 细砂岩、 石英砂岩等(安徽省地质矿产局321地质队。 安徽省铜陵市冬瓜山铜矿接替资源勘查项目总体设计, 2013. 1-73)。 本次岩心样品分别从四个矿层部位获取, 涉及地层为三叠系、 二叠系和石炭系, 岩心通过切割、 研磨、 抛光等手段, 经过多次反复, 制成薄片样品, 尺寸约为200 mm× 50 mm× 2 mm(表1)。

表1

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表1(Table 1)

表1 岩心样品地质信息简表 Table 1 Geological information of core samples 样品名 起始深度/m 终止深度/m 样品尺寸/cm 地层 主要矿石矿物 主要脉石矿物 含铜角岩夹矽卡岩 492.23 492.40 17× 5.0 三叠系下统小凉亭组 黄铜矿、 黄铁矿 石英、 石榴子石、 透辉石、 绿泥石、 方解石 含铜硅质岩 852.68 852.90 22× 4.5 二叠系下统栖霞组 黄铜矿 石英、 石榴子石、 透辉石 含铜矽卡岩 1 124.94 1 125.10 16× 4.6 石炭系中、 上统黄龙、 船山组 黄铜矿、 黄铁矿、 磁黄铁矿 石榴子石、 透辉石、 石英、 绿泥石 含铜磁黄铁矿石 1 156.70 1 156.90 20× 4.7 石炭系中、 上统黄龙、 船山组 磁黄铁矿、 黄铜矿、 磁铁矿 绿泥石、 透闪石

表1 岩心样品地质信息简表 Table 1 Geological information of core samples

实验在中国地质大学(北京)完成, 采用德国布鲁克(Bruker)公司研发的微区X射线荧光光谱仪(M6 JETSTREAM)进行扫描。 该设备可对大尺寸样品进行微区分析, 是一种跨越宏观-微观尺度的分析设备。 该仪器有效面积为50 mm²、 具有能量分辨率小于145 eV(@MnKα )的硅漂移探测器, 装备有微束斑的直径低至50 μ m毛细管, 可对800 mm× 600 mm样品进行Na到U元素的面扫描。 实验装置采用铑(Rh)靶X射线光管, 电压为50 kV, 电流600 μ A, 光斑大小50 μ m, 每点时长约10 ms左右。 本次数据使用Golden Software Surfer 13软件进行处理。 具体参数如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 微区扫描参数一览表 Table 2 Scan parameters of Micro-XRF 样品名 宽/ pixel 高/ pixel 总像素/pixel 单像素大小/ μ m 停留时间/ (ms· pixel-1) 移动速度/ (mm· s-1) 含铜角岩夹矽卡岩 3 480 998 3473 040 50 10 5 含铜硅质岩 4 545 901 4 095 045 50 8 6.3 含铜矽卡岩 3 398 932 3 166 936 50 8 6.3 含铜磁黄铁矿石 4 245 937 3 977 565 50 10 5

表2 微区扫描参数一览表 Table 2 Scan parameters of Micro-XRF

从扫描结果可以看出, 平面上, 主要元素(Fe, Cu和S)呈条带状、 团块状分布, 而微量元素(Ni, Bi, Pb, Zn等)呈零星状、 脉状(图1)分布, 非金属元素(Al, Na等)较均匀分布。 垂向上, Fe含量随深度增加而增大, 而Cu和其他微量元素也随深度呈下降趋势。

Fe和Cu呈高强度、 大面积分布于岩心中, 两者高值区域分布范围基本不重叠, 分布特征具有差异性。 S同样呈大面积、 高强度分布, 与Fe分布特征高度相似, 相关系数达0.94, 而与Cu具有弱相关性, 说明该岩心金属矿物以含铁硫化物为主。 在含铜硅质岩中S, Fe, Cu分布范围和分布特征基本一致, 三者密切相关, 该岩心样品金属矿物可能以黄铜矿为主。 微量元素Ni, Bi, Pb, Zn与Cu关系密切, 而非金属元素Si和Na与Cu呈正相关, 相关系数均在0.9以上, Al, Ca与Cu具有弱相关性, K与Cu基本没有相关性, 而Ti, Al, K与Fe具有弱相关性, Si, Na, Ca与Fe元素呈负相关。 元素空间分布特征及相关性分析可以反映成矿环境和成矿作用, 比如K与Fe相关可能是由于酸性花岗岩岩浆热液的交代作用造成的, 而Na与Cu相关可能与中性岩浆热液活动或与早期的沉积成矿活动有关, 这种不同的相关性组合反映了该矿床多阶段的叠加成矿过程, 此外高值区域Ca, Fe, Ti, Mn等元素富集, 可能表明矽卡岩(石榴子石或透辉石)存在。

微区X射线荧光光谱仪对岩心样品进行面扫描, 可直接显示各元素分布特征, 反映元素之间的空间相关性, 通过分析元素空间分布规律及相关性, 可为元素组合和配比关系提供依据, 并在元素富集和运移以及成矿规律等方面均有指示性意义。 此外, 微量元素结合同位素元素分析, 在地质年代划分和物源示踪、 判别地质环境等方面具有重要作用。

通过研究各元素空间分布规律以及元素之间的组合和配比关系, 可以看出铜陵冬瓜山矿床以金属硫化物为主。 结合矿物含量分析、 比例组成及镜下矿物鉴定, 本次岩心样品的主要矿石矿物从上到下依次为黄铁矿+黄铜矿, 黄铜矿, 磁黄铁矿+黄铁矿+黄铜矿, 磁黄铁矿+黄铁矿+磁铁矿, 矿石矿物以磁黄铁矿、 黄铜矿和黄铁矿为主, 其次为磁铁矿, 少量方铅矿、 闪锌矿等其他矿物, 常见黄铜矿交代磁黄铁矿和黄铁矿等硫化物形成环斑结构。 脉石矿物以石英、 石榴子石和透辉石为主, 少量绿泥石、 方解石及透闪石等。

根据前人研究冬瓜山成矿作用经历了两个阶段: 第一成矿阶段, 在石炭纪中期海底喷流作用形成了块状硫化物矿床, 主要是含铁硫化物; 第二成矿阶段, 随着燕山期岩浆侵入上升, 一方面热液与围岩互相作用发生围岩蚀变, 形成矽卡岩型和斑岩型矿体, 另一方面岩浆热液对块状硫化物矿体进行改造, 致使块状硫化物矿物富集铜等成矿物质^{[13, 14]}。 黄铜矿矿化与围岩蚀变密切相关, 在岩体接触带附近的矿石中黄铜矿较多, 而远离接触带矿石中黄铜矿逐渐减少^[14]。 通过元素相关性以及矿物组合关系分析显示, 含铜矽卡岩和含铜磁黄铁矿石可能经历成矿第一阶段, 而含铜角岩夹矽卡岩和含铜硅质岩可能经历成矿第二阶段。

微区X射线荧光光谱仪可以进行线扫描和面扫描, 线扫描主要显示不同元素之间的线性关系, 为组分特征判别提供依据, 而面扫描可以显示各元素之间的组合和配比关系, 为成矿机制等地质过程提供新证据^[1]。 通过本次微区分析结果, 可为冬瓜山成矿模式和成矿阶段等方面提供更多依据。

微量元素在古环境研究、 岩浆分异演化、 变质岩原岩恢复、 判断物质来源以及矿床成因和地质过程研究等方面具有重要意义。 本次微区X射线荧光光谱仪除了识别主要元素(Cu, Fe和S)之外, 还识别了部分微量元素(Mn, Ni, Ti, Zn, Pb, Bi, Os, P和V等元素)。 经分析发现, 微量元素含量随深度的增加而呈下降趋势, 微量元素Ni, Bi, Pb, Zn, Si, Na与Cu密切相关, Al, Ca与Cu具有弱相关性, 而Ti, Al, K与Fe具有相关性。 在铜陵冬瓜山矿床, 从早期的石英-硫化物阶段, 阳离子以K⁺, Na⁺为主, 到了成矿晚期, 石英-碳酸盐阶段, 阳离子以 Ca²⁺, Na⁺, K⁺为主。 由于 Ca²⁺的加入, 并且不断消耗流体中的CO₂, 从而形成大量方解石脉, 并且由于富碱(K⁺, Na⁺) 和 Cl^-, S O42-热液的作用下, 致使围岩中的铜元素活化转移, 并在合适的位置和环境下, 铜等成矿物质分解并沉积富集成矿^[15]。 因此Ca和Na富集可以作为成矿晚期与黄铜矿富集密切相关的标志之一。 此外在该矿床中与Cu密切相关的微量元素Ni, Bi, Pb和Zn, 可作为深部找矿的依据之一。

通过分析微量元素与主要元素之间相关性和分布规律, 可作为寻找主要矿种的指示元素。 在冶炼过程中作为伴生元素进行综合利用, 提高矿床经济价值。