巴布亚新几内亚镍元素地球化学特征及成矿潜力

Geochemical characteristics and metallogenic potential of nickel in Papua New Guinea

摘要

巴布亚新几内亚位于太平洋板块和印度-澳大利亚板块的汇聚边缘，由3个构造单元组成。巴布亚新几内亚发育两种镍矿化类型。2015—2018年开展的巴布亚新几内亚国家尺度地球化学填图，在高地地区、巴布亚半岛和新几内亚群岛采集了1 399件水系沉积物样品。本文研究了巴新镍的地球化学背景、空间分布特征和成矿潜力。巴新镍含量在2.7～2 430.0μg/g之间，中位数(地球化学基准值)为42.0μg/g,接近上地壳镍元素丰度，高于欧洲、澳大利亚、北美和中国的镍地球化学基准值。由于广泛发育镁铁质-超镁铁质岩浆岩，由巴布亚褶皱带、新几内亚冲断带、奥罗褶皱带、东部褶皱带、东巴布亚复合地体、巴布亚群岛、伯瓦尼-托里塞利地体和菲尼斯特雷地体组成的中央弧陆碰撞带的镍基准值高于美拉尼西亚岩浆弧。地球化学图中，四月蛇绿岩、马鲁姆蛇绿岩和巴布亚超镁铁质岩带等蛇绿杂岩体与高镍含量的区域具有高度耦合对应关系。通过本次工作，圈定了7处镍地球化学省和8处镍地球化学异常区，主要分布于新几内亚逆冲带。8处异常区均具有发育红土型镍矿的潜力，可作为下一阶段巴新镍矿找矿方向。

关键词

国家尺度地球化学填图 / 镍 / 异常 / 红土型矿化 / 巴布亚新几内亚

Key words

national-scale geochemical mapping / nickel / anomaly / laterite mineralization / Papua New Guinea

0 引言

镍(Ni)原子序数为28,原子量为58.693 4 u,位于第四周期第Ⅷ族,是一种有光泽的银白色金属。镍的密度为8.8~8.9 g/cm³,硬度为5,熔点为1 455 ℃,沸点为3 075 ℃,导热导电性能好,具有可塑性强、耐高温、抗腐蚀、化学性质稳定、抗氧化能力强等优异特性^[1]。

镍是具有战略意义的金属矿种之一,和其他金属可冶炼成不锈钢、高镍合金钢和合金结构钢,广泛用于飞机、舰艇、导弹、雷达、宇宙飞船、坦克、拖拉机、汽车等各种军工制造业和机械制造业。目前85%的镍用于生产不锈钢^[1]。镍在战略性新兴产业发展中的应用主要体现在电池领域,如锂电池、镍氢电池等。此外镍还应用于某些军事装置和医疗装置等领域^[2-3]。

全球各主要国家均将镍视为战略性/关键矿产资源而加以开发利用。我国发布的《全国矿产资源规划(2016—2020)》首次将镍确定为战略性矿产资源;日本2009年出台《稀有金属保障战略》将包括镍在内的31个矿种作为优先考虑的战略矿产;澳大利亚地质调查局于2013年确定了镍等22种关键矿产目录;英国于2015年更新了风险矿产清单,包括镍等41种矿产/矿产组;美国2019年发布的《确保关键矿产安全可靠供应的联邦战略》也将镍包含在35种关键矿产之内^[1]。

2022年,全球范围内生产金属镍330万t,48%生产于印度尼西亚。其他的镍生产国主要有菲律宾、俄罗斯、新喀里多尼亚、加拿大、澳大利亚等^[4]。中国从2005年超过日本和美国,成为全球第一大镍消费国。但受国内镍资源禀赋制约,矿山镍产量增长远低于需求增长,资源缺口不断扩大,镍资源对外依存度高达90%^[5]。鉴于此,在境外发现新的镍资源远景区对于保障我国镍矿供应和安全至关重要。

全球范围内,镍矿大体可以分为7种矿床类型,总资源量(探明+控制资源量,下同)约为1.77亿t^[6]。主要的矿床类型包括:红土型矿床,占全球总资源量的57%,代表性矿床如巴布亚新几内亚(以下简称“巴新”)的瑞木(Ramu)镍矿;岩浆铜镍硫化物矿床,占比10%,代表性矿床如中国的金川镍矿;与层状基性-超基性侵入岩有关的矿床,占比9%,代表性矿床如加拿大的克劳福德(Crawford)镍矿;科马提岩型矿床,占比8%,代表性矿床如加拿大的杜蒙特(Dumont)镍矿。此外,海底结核型矿床(瑙鲁的诺瑞(NORI)镍矿)、黑色页岩赋矿型矿床(芬兰的泰若法摩(Terrafame)镍矿)、与陨石有关的矿床(加拿大的萨德伯里(Sudbury Operations)镍矿)也是重要的镍矿类型(图1)^[7-8]。

2015—2018年,在联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心的指导下,中国地质调查局南京地质调查中心和巴新矿产资源局首次合作开展了巴新国家尺度地球化学填图工作,填补了巴新国家尺度地球化学调查的空白。受交通条件、社区问题、私人领地等因素的限制,地球化学填图工作主要在高地地区、巴布亚半岛和新几内亚群岛(新不列颠岛、新爱尔兰岛和马努斯岛)等地开展。采样工作完成后,分析测试了地球化学样品镍、钴、铬等69种元素的含量。本文首次报道了巴新不同构造单元中的镍含量,编制了镍地球化学图和镍地球化学异常图,目的是:(1)探讨镍的空间分布特征及其与构造单元、成矿母岩和矿化的耦合关系;(2)指出下一阶段镍矿的找矿方向^[9]。

1 巴新自然地理、地质及镍矿产

巴新位于澳大利亚稳定大陆和太平洋深海盆地之间,主体是新几内亚岛的东半部,此外还包括新不列颠岛、新爱尔兰岛等外岛。巴新中部发育该国规模最大的北西-南东向展布的中央山脉,从印度尼西亚的伊里安查亚(Irian Jaya)一直延伸到巴布亚新几内亚欧文斯坦利(Owen Stanley)山脉末端的东部角(East Cape),该山脉含巴新最高的山峰——威廉山(Mt. Wilhelm),海拔4 509 km。巴新规模第二大的山脉沿着北部海岸发育,与中央山脉近平行。巴新发育活火山,无冰川和积雪,海拔较低的地方多发育沼泽和泛滥平原。巴新最长的河流是塞皮克(Sepik)河,长1 126 km,流向北海岸;第二长河是弗莱(Fly)河,长1 050 km,流向南海岸。

巴新位于欧亚板块、印度-澳大利亚板块和太平洋板块的结合部位,自晚白垩世以来经历了复杂的地质构造演化过程。不同板块间的汇聚、碰撞、俯冲和拆离、扩张等地质作用,形成了研究区复杂的沟-弧-盆体系。巴新主要由3个地质构造单元组成:南部的弗莱地台、中部的巴新中央弧陆碰撞带和北部的美拉尼西亚岩浆弧^{[10⇓⇓⇓-14]}。弗莱地台与澳大利亚大陆相连,基底为元古宙—二叠纪澳大利亚克拉通的一部分,上覆厚层近水平三叠纪—新近纪滨海相和大陆架相的海相沉积地层,地台基本未受到北部新生代造山活动的影响,但在地台北部发生了部分的变质变形作用^[10]。巴新中央弧陆碰撞带由多个规模较小的地体经弧陆碰撞拼贴形成,基底为变质的古生代—中生代沉积岩,盖层由新生代沉积岩、火山岩和侵入岩组成^[15-16],可进一步划分为8个次级构造单元:巴布亚褶皱带、新几内亚逆冲带、奥罗褶皱带、东部褶皱带、东巴布亚复合地体、巴布亚群岛、伯瓦尼-托里塞利地体和菲尼斯特雷地体^{[10⇓⇓-13]}。巴布亚褶皱带的基底主要由二叠纪变质沉积岩组成,早、中三叠世花岗岩侵入其中,上覆晚三叠世—上新世已变形的海相沉积岩层^[17-18];新几内亚逆冲带则以三叠纪—始新世细粒沉积岩和小规模的火山岩为特征^[19-20];奥罗褶皱带和东部褶皱带发育渐新世—上新世厚层碎屑沉积岩,渐新世辉长岩侵入其中^[11];东巴布亚复合地体由东北部的巴布亚超镁铁质岩带和西南部的欧文斯坦利变质岩组成,巴布亚超镁铁质岩带主要发育白垩纪基性-超基性侵入岩,欧文斯坦利变质岩为一套变质的白垩纪厚层陆源细粒海相沉积物^[11];伯瓦尼-托里塞利地体主要由晚白垩世—始新世的海底火山岩和晚渐新世的火山岩组成,并发育大规模同期侵入岩^[21];菲尼斯特雷地体主要发育厚层中晚始新世火山沉积序列,向上过渡为早渐新世—早中新世安山玄武质熔岩和中始新世—上新世灰岩^[21];巴布亚群岛发育由变火成岩和变沉积岩组成的古近纪基底,上覆上新世火山沉积序列和玄武岩盖层^[22]。美拉尼西亚岩浆弧由一系列被肢解的岛弧组成,位于中央弧陆碰撞带东北方向,是由始新世开始的俯冲作用形成的岩浆弧,主要为始新世—更新世海底玄武岩、安山岩和伴生的沉积岩^[23]。

研究区内形成了具有活动大陆边缘特色的成矿系统,主要发育有两种类型镍矿(图2)^[24]。由纯橄岩、橄榄岩等组成的蛇绿杂岩体风化形成的红土型矿床是巴新最主要的镍矿类型,分布于新几内亚逆冲带、东巴布亚复合地体和巴布亚群岛。瑞木矿床是巴新唯一正在开发的镍矿床,由马鲁姆(Marum)蛇绿杂岩体风化形成。沃沃加普(Wowo Gap)矿床也是巴新另一个规模较大的镍矿床,由巴布亚超镁铁质岩带中的纯橄岩、橄榄岩风化而形成。与层状基性-超基性侵入岩有关的矿床则主要分布于巴布亚褶皱带和东巴布亚复合地体中(表1)。

2 分析测试

2.1 样品采集与加工

国家尺度地球化学调查的野外工作手图以经纬度为网格,以1∶250 000地形图为底图,坐标系为GCS WGS 1984,每个采样网格为5'×5',网格面积约100 km²,每个网格内至少采集一个样品,采样位置控制采样网格的最大面积。工作区为热带雨林景观区,主要地貌为山地和丘陵,平原较少,根据联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心的国际地球化学制图技术要求,采样介质为水系沉积物,采样深度为0~25 cm,采样粒级为<10目。共采集了1 399件样品,覆盖面积约12.8万km²,平均采样密度约为1.1个点/100 km²。重复样占总样品数的3.3%。样品质量约为1 kg,一半用于分析测试,剩余作为副样保留^[25]。采样位置见图3。

2.2 分析测试及质量控制

样品由河南省岩石矿物测试中心进行分析测试。镍元素的分析方法为X射线荧光光谱法(XRF),检出限为0.5 μg/g。在分析过程中,将样品加工至200目(95%过200目)后,称取4 g经105 ℃烘干的样品,用低压聚乙烯镶边,并在35 t压力下压制成样品直径为32 mm的圆片^[26]。

样品的分析测试是在严格的质量控制下进行的。通过对国家一级地球化学标准物质的分析,验证了分析方法的准确度和精确度。使用X射线荧光光谱法对标样进行平行分析。对12种标样中的每一种进行12次分析。准确度由标样测试数据的算术平均值与标准值之间的对数偏差(Δ1gC)确定。

(1)Δ1gC=︱lg \overline{C_{\mathrm{i}}}-lgC_s︱

式中: \overline{C_{\mathrm{i}}}为测试数据的算术平均值;C_s为标准值。

精确度由标样测试数据和标准值之间的相对标准偏差(RSD)确定:

(2) \mathrm{R} \mathrm{S} \mathrm{D} \mathrm{(\%)} = \frac{\frac{\sqrt{\stackrel{n}{\sum _{i=1}}(C_{\mathrm{i}}-C_{\mathrm{s}}{)}^2}}{n-1}}{C_{\mathrm{s}}}

式中:C_i为测试数据;C_s为标准值;n取12。

平行分析表明,该分析方法的准确度和精确度符合规范要求。

1 399个样品分为28个分析批次,即每批次50个样品。4个标样随机插入每一批次中,共测试112次标样。数据的报出率达到100%。直方图显示镍元素数据符合正态分布,证明了数据的有效性(图4)。

2.3 数据处理

编制地球化学图对找矿勘查和环境研究有重要意义^[27]。镍地球化学图(图3)由GeoExpl(International)和ArcGIS软件生成。将原始离散数据进行网格化处理,网格化计算模型采用指数距离加权,相邻网格中心距离(D_x和D_y)为10 km。数据搜索模式为圆域搜索,搜索半径为相邻网格中心距离的2.5倍,即25 km,指数因子为5。地球化学图的编制采用累积频率的分级方法,按累积频率0.5、1.2、2.0、3.0、4.5、8.0、15.0、25.0、40.0、60.0、75.0、85.0、92.0、95.0、97.0、98.0、98.8和99.5(%)分为19个等级,相应的镍含量为5.8、6.6、8.5、9.8、10.9、13.5、19.0、29.1、40.1、55.4、72.8、89.0、114.5、146.7、170.6、210.8、247.6和315.4(μg/g)。用深蓝-浅蓝-浅绿-黄色-黄褐色-红色-深红的渐变表明含量从低到高(图3)^[25,28-29]。

3 测试结果

3.1 巴新镍元素分布趋势

巴新国家尺度地球化学样品镍含量在2.7~2 430.0 μg/g之间,中位数(地球化学基准值)为42.0 μg/g,平均值为70.4 μg/g,几何平均值为42.9 μg/g,平均值>中位数≈几何平均值,进一步表明镍含量数据符合正态分布^[30]。巴新镍元素含量接近于上地壳镍元素丰度(47 μg/g)^[31],显著高于欧洲、澳大利亚、美国和加拿大等大陆和国家的镍地球化学基准值(表2^[32⇓-34])。

3.2 不同构造单元中镍元素空间分布特征

巴新不同构造单元中水系沉积物镍含量统计表(表3)显示,不同构造单元镍地球化学基准值由高到低依次为奥罗褶皱带(64.0 μg/g)、东部褶皱带(60.3 μg/g)、菲尼斯特雷地体(54.7 μg/g)、新几内亚逆冲带(46.5 μg/g)、东巴布亚复合地体(46.3 μg/g)、巴布亚褶皱带(45.5 μg/g)、美拉尼西亚岩浆弧(22.1 μg/g)。相对于整个巴新的地球化学基准值,美拉尼西亚岩浆弧的镍含量显著偏低。

4 讨论

4.1 镍地球化学特征与地质背景的关系

镍属于亲铁元素,在自然界中,镍多呈Ni²⁺以化合物的形式出现。Ni²⁺与Mn²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺等离子具有相似的离子半径和电子构型,使得Ni²⁺很容易取代这些离子进入橄榄石和辉石等暗色矿物^[35],导致镍在基性和超基性岩中富集,在酸性岩和碳酸岩中亏损。

巴新的盖层主要由中新生代地层、火山岩和侵入岩组成。太平洋板块向印澳板块的俯冲导致残留洋壳拼接到大陆板块边缘,并发育大量蛇绿杂岩体^[36-37]。巴新镍地球化学基准值显著高于欧洲、澳大利亚、美国和加拿大等大陆和国家,可能是由于广泛发育白垩纪以来形成的镁铁质-超镁铁质岩浆岩(图2)的缘故。镍地球化学图中,呈深红色的高镍含量(>210.8 μg/g)区域与四月(April)蛇绿杂岩体、马鲁姆蛇绿杂岩体和巴布亚超镁铁质岩带具有高度耦合对应关系(图3)。

中央弧陆碰撞带的次级构造单元广泛发育蛇绿杂岩体,导致这些构造单元中镍地球化学基准值高于巴新镍基准值(表3,图5),如:新几内亚逆冲带中发育有四月蛇绿岩和马鲁姆蛇绿岩^{[15,19-20,38-39]},东巴布亚复合地体中发育有巴布亚超镁铁质岩带,菲尼斯特雷地体中发育有芒特图鲁(Mount Turu)蛇绿岩和新近纪镁铁质侵入岩^[40]。奥罗褶皱带镍地球化学基准值最高(64.0 μg/g),可能是因为在该地区采集的样品均位于新近纪基性侵入岩和玄武安山质火山岩范围内。东部褶皱带亦具有较高的镍地球化学基准值(60.3 μg/g),可能与该构造单元内广泛发育的米尔恩(Milne)蛇绿杂岩体有关,该岩体具有较高的镍含量(16个岩石样品,镍含量1.3~120.4 μg/g,中位数为55.25 μg/g)^[41]。相对而言,美拉尼西亚岩浆弧镍地球化学基准值则明显低于巴新全国镍基准值(表3,图5),这可能是因为该构造单元中广泛发育中性岩浆岩和沉积地层,而缺少基性-超基性岩浆岩(图2)。

4.2 对找矿勘查的意义

前人研究发现,国家尺度地球化学填图可以有效地圈定与矿化有关的地球化学异常区^[42-43],元素含量大于85%样品的异常区域在找矿勘查过程中值得关注^{[44⇓⇓⇓-48]}。以85%(89.0 μg/g)作为异常外带的基线,在采样范围内圈定了7处镍地球化学省。在此基础上,以98%(210.8 μg/g)作为异常内带的基线,在地球化学省内圈定了8处镍地球化学异常区。这些异常区可作为巴新下一阶段镍矿找矿勘查的方向(表4、表5、图6)。

Ni01地球化学省位于新几内亚逆冲带中部,面积4 304 km²,异常点数为56,其中镍含量大于89.0 μg/g的点数为17。区内样品镍含量在7.5~997.0 μg/g之间,中位数为56.8 μg/g,平均值为150.1 μg/g,异常规模排序第二。区内主要发育白垩纪四月蛇绿杂岩体、由闪长岩和辉长岩组成的新近纪中基性侵入岩和新近纪中基性火山岩。地球化学省内发育(1)号镍地球化学异常区,异常区面积为622 km²,镍异常与白垩纪蛇纹石化橄榄岩(四月蛇绿岩)密切相关。该异常区附近发育有Korosameri River 、Cloud Mountain、Sitipa River Headwaters等红土型镍矿化点,具有发育红土型镍矿的潜力。

Ni02地球化学省位于新几内亚逆冲带中东部,面积6 070 km²,异常点数为118,其中镍含量大于89.0 μg/g的点数为41。区内样品镍含量在12.6~2 430.0 μg/g之间,中位数为60.2 μg/g,平均值为170.7 μg/g,异常规模排序第一。区内主要出露三叠纪未分火山岩、白垩纪—古近纪未分火山岩、新近纪镁铁质侵入岩和新近纪—第四纪未分火山岩。地球化学省内发育两处镍地球化学异常区:(2)号异常区面积为445 km²,异常主要与区内的晚三叠世中基性卡纳火山岩相关;(3)号异常区面积为596 km²,异常主要受由辉长岩和闪长岩组成的中中新世欧珀侵入岩控制。两个异常区附近发育有瑞木红土型镍矿床,均具有发育红土型镍矿的潜力。

Ni03地球化学省位于新几内亚逆冲带东部,面积935 km²,异常点数为11,其中镍含量大于89.0 μg/g的点数为5。区内样品镍含量在24.7~643.0 μg/g之间,中位数为35.9 μg/g,平均值为144.6 μg/g,异常规模排序第七。区内主要出露白垩纪马鲁姆蛇绿杂岩体。地球化学省内发育(4)号镍地球化学异常区,异常区面积为25 km²,主要受马鲁姆蛇绿杂岩体控制。瑞木红土型镍矿即发育于该异常区中。

Ni04地球化学省位于新几内亚逆冲带东南部,面积1 703 km²,异常点数为22,其中镍含量大于89.0 μg/g的点数为7。区内样品镍含量在16.7~906.0 μg/g之间,中位数为69.4 μg/g,平均值为163.0 μg/g,异常规模排序第六。区内主要出露二叠纪侵入岩和三叠纪未分火山岩。地球化学省内发育(5)号镍地球化学异常区,异常区面积为48 km²,与晚二叠世库博尔侵入杂岩体中发育的辉长岩密切相关。异常区附近发育有瑞木红土型镍矿床,具有发育红土型镍矿的潜力。

Ni05地球化学省位于巴布亚褶皱带东部,面积2 417 km²,异常点数为26,其中镍含量大于89.0 μg/g的点数为12。区内样品镍含量在19.3~1 234.0 μg/g之间,中位数为72.7 μg/g,平均值为159.7 μg/g,异常规模排序第四。区内主要出露新近纪未分火山岩和新近纪—第四纪未分火山岩。地球化学省内发育有(6)号镍地球化学异常区,异常区面积为292 km²,主要受上中新世闪长岩和上新世—全新世玄武安山质熔岩的控制。异常区附近发育有瑞木红土型镍矿床,具有发育红土型镍矿的潜力。

Ni06地球化学省位于东部褶皱带中部,面积2 246 km²,异常点数为8,其中镍含量大于89.0 μg/g的点数为5。区内样品镍含量在43.6~390.0 μg/g之间,中位数为120.9 μg/g,平均值为153.4 μg/g,异常规模排序第五。区内主要发育古近纪镁铁质侵入岩和新近纪—第四纪未分火山岩。地球化学省内发育有(7)号镍地球化学异常区,异常区面积为254 km²,主要受早始新世—中渐新世萨多瓦辉长岩和上新世芒特戴维森玄武岩控制。异常区附近发育有Mambare红土型镍矿和Kumusi River红土型镍矿化点,具有红土型镍矿成矿潜力。

Ni07地球化学省位于东部褶皱带中东部,面积3 632 km²,异常点数为21,其中镍含量大于89.0 μg/g的点数为14。区内样品镍含量在44.7~350.0 μg/g之间,中位数为115.0 μg/g,平均值为136.3 μg/g,异常规模排序第三。区内主要发育白垩纪—古近纪未分火山岩。地球化学省内发育有(8)号镍地球化学异常区,异常区面积为531 km²,主要受晚白垩世—中始新世库图火山岩控制,火山岩主要由玄武岩、辉长岩和超镁铁质岩石组成。异常区附近发育有沃沃加普红土型镍矿和Adau River与层状基性-超基性侵入岩有关的镍矿化点,兼具有红土型和与层状基性-超基性侵入岩有关的镍矿的成矿潜力。

5 结论

(1)巴新国家尺度地球化学填图水系沉积物样品中镍含量在2.7~2 430.0 μg/g之间,地球化学基准值为42.0 μg/g,接近于上地壳镍元素丰度,高于欧洲、澳大利亚、美国和加拿大等大陆和国家的镍地球化学基准值。

(2)巴新不同构造单元中镍含量具有明显区别。中央弧陆碰撞带因广泛发育镁铁质-超镁铁质岩浆岩,其镍含量高于美拉尼西亚岩浆弧。

(3)四月蛇绿岩、马鲁姆蛇绿岩和巴布亚超镁铁质岩带等蛇绿杂岩体与高镍含量的区域具有高度耦合对应关系。

(4)通过本次工作,圈定了7处镍地球化学省和8处镍地球化学异常区,主要分布于新几内亚逆冲带。8处异常区均具有发育红土型镍矿的潜力,可作为下一阶段巴新镍矿找矿方向。

感谢联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心,巴新矿产资源局,河南省岩石矿物测试中心给予的指导和支持。

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基金资助

中国地质调查局地质调查项目(DD20230129)

国家重点研发计划项目(2021YFC291804)