巴布亚新几内亚金元素地球化学特征及成矿预测

Geochemical characteristics and metallogenic prediction of gold 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。巴布亚新几内亚主要发育两种金矿化类型，即浅成低温热液型和斑岩型。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。文章研究了巴布亚新几内亚金的地球化学背景、空间分布特征和成矿潜力。巴布亚新几内亚金含量为0.2～6 188.0 ng/g,中位数(地球化学基准值)为1.5 ng/g,高于大陆地壳金元素丰度，略低于中国和澳大利亚的金地球化学基准值。由于广泛发育中酸性侵入岩、碱性侵入岩和碱性火山岩，由巴布亚褶皱带、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组成的中央弧陆碰撞带的金基准值高于美拉尼西亚岩浆弧。地球化学图中，新几内亚逆冲带的钙碱性侵入杂岩体、美拉尼西亚岩浆弧中的钙碱性侵入杂岩体和富钾火山-侵入杂岩体与高金含量的区域具有高度耦合对应关系。这次工作圈定了7处金地球化学省和9处金地球化学异常区，主要分布于新几内亚逆冲带。8处异常区均具有发育浅成低温热液型或斑岩型金矿的潜力，可作为下一阶段巴布亚新几内亚金矿找矿方向。

关键词

国家尺度地球化学填图 / 金 / 异常 / 浅成低温热液型 / 斑岩型 / 巴布亚新几内亚

Key words

national-scale geochemical mapping / gold / anomaly / epithermal / porphyry / Papua New Guinea

0 引言

世界上的主要国家都将金作为战略性矿产资源而加以储备和开发利用。我国发布的《全国矿产资源规划(2016—2020年)》将金确定为战略性矿产资源^[1-2]。2022年2月,俄乌冲突爆发以后,国际金价格从约1 860美元/盎司一路震荡上行,到2024年7月已经上涨至2 337美元/盎司左右。

全世界范围内,金矿总储量约5.9万吨,其中澳大利亚和俄罗斯位居前两位^[3]。前人总结了全球主要金矿资源国(除中国以外)的111 个大型和超大型金矿山的基本信息:36 座矿山为斑岩型(铜)金矿,典型矿床如巴布亚新几内亚的奥克泰迪(OK Tedi)金矿;31座矿山为造山型金矿,典型矿床如澳大利亚的卡尔古利(Kalgoorlie)金矿;21 座矿山为浅成低温热液型金矿,典型矿床如多米尼加的普韦布洛维霍(Pueblo Viejo)金矿;黑色岩系型为8座,典型矿床如乌兹别克斯坦的穆龙套(Muruntau)金矿;砂岩型为7座,典型矿床如南非的维特瓦特斯兰德(Witwatersrand)金矿;卡林型为3座,典型矿床如美国的卡林(Carlin)金矿;块状硫化物(VMS)型为2座,典型矿床如西班牙的里奥廷托(Rio Tinto)金矿;铁氧化物(IOCG)型为3座,典型矿床如澳大利亚的奥林匹克坝(Olympic Dam)金矿^[4](图1)。

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布亚新几内亚矿产资源局首次合作开展了巴布亚新几内亚国家尺度地球化学填图工作,填补了巴布亚新几内亚国家尺度地球化学调查的空白。受交通条件、社区问题和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金、镍、钴和铬等69种元素的含量。本文首次报道了巴布亚新几内亚不同构造单元中的金含量,编制了金地球化学图和金地球化学异常图,目的如下:(1)探讨金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)指出下一阶段金矿的找矿方向^[5]。

1 巴布亚新几内亚自然地理、地质及金矿产

巴布亚新几内亚由北部的新几内亚和南部的巴布亚两部分组成,西与印度尼西亚的伊里安查亚省接壤,南隔托雷斯海峡与澳大利亚相望。全境共有600多个岛屿,是大洋洲的第三大国。各岛多山,火山较多,地震频繁,包括新几内亚岛(伊里安岛) 东部、新不列颠岛、新爱尔兰岛、马努斯岛、布干维尔岛、布卡岛等。巴布亚新几内亚南部为平原和低地,中部是中央山系,北部山岭走向与山系平行,由几个单独的山岭组成^[6]。

巴布亚新几内亚位于印度-澳大利亚板块和太平洋板块之间的过渡带上,自晚白垩世以来经历了复杂的地质构造演化过程,主要表现为一条由许多活动俯冲带和与其伴生的岛弧组成的缝合带,向南东经所罗门群岛、瓦努阿图和斐济延伸至新西兰,向北西向着印度尼西亚、菲律宾和日本延伸^{[6⇓⇓⇓-10]}。巴布亚新几内亚分为5个大地构造单元,自南向北为弗莱地台、巴布亚新几内亚中央弧陆碰撞带、美拉尼西亚岩浆弧、太平洋板块和卡洛琳板块^[6]。弗莱地台,由元古宙—二叠纪澳大利亚克拉通基底和巴布亚盆地三叠纪—新近纪沉积岩盖层组成,基本未受新生代变形作用的影响^[6];巴布亚新几内亚中央弧陆碰撞带,以巴布亚新几内亚山脉为代表,是一个碰撞带^[11-12];美拉尼西亚岩浆弧,由一系列目前被肢解的岛弧组成,位于新几内亚造山带以北节段式的太平洋海洋板块边缘以内^[13-14];太平洋板块和卡洛琳板块(行政上仅小部分属巴布亚新几内亚),分别俯冲于马努斯和基里耐劳海沟中^{[15⇓⇓⇓-19]}。

巴布亚新几内亚形成了具有陆缘火山岛弧特征的成矿系统,发育4种类型金和铜金矿(图2^[6])。巴布亚新几内亚最主要的金矿类型是与钙碱性和碱性火山-侵入活动有关的斑岩型矿床和浅成低温热液型矿床,其次还有VMS型和砂金矿等其他类型的金矿床,分布于新几内亚造山带的巴布亚褶皱带、新几内亚逆冲带、美拉尼西亚岩浆弧和俾斯麦(Bismarck)海微板块马努斯盆地的扩张中心内^[20-21](表1^[22])。利希尔是巴布亚新几内亚最大的金矿,也是世界上最大的金矿之一,由富金高钾岩浆成矿作用所形成^[20]。波尔盖拉(Porgera)也是巴布亚新几内亚另一个世界级的金矿,矿化与碱性的波尔盖拉侵入杂岩体有关^[23]。奥克泰迪是巴布亚新几内亚最大的铜金矿床,也是世界第八大铜矿,金矿资源也很丰富,成矿作用主要受区域构造、侵入杂岩体、道劳伊(Darai)组灰岩地层和断裂等因素的控制^[24]。

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 分析测试和质量控制

样品由河南省岩石矿物测试中心进行分析测试。金元素的分析方法为原子吸收光谱法(AAS),检出限为0.5 ng/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。使用原子吸收光谱法对标样进行溶样分析。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和标准值之间的对数偏差(Δlg C)确定。

(1)Δlg C= \left|\mathrm{l}\mathrm{g}\overline{C_i}-\mathrm{l}\mathrm{g}{C}_{\mathrm{s}}\right|

式中: \overline{C_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} = \frac{\frac{\sqrt{\stackrel{n}{\sum _{i=1}}(C_i-C_{\mathrm{s}}{)}^2}}{n-1}}{C_{\mathrm{s}}} \times 100 \mathrm{\%}

式中:C_i为测试数据;C_s为标准值;n为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%。直方图显示金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]。金地球化学图(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(累频)的分级方法,按累频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,相应的金含量为0.29、0.34、0.41、0.44、0.48、0.51、0.57、0.70、0.98、1.48、2.15、2.97、5.39、13.77、41.74、73.24、101.3、142.49和190.50 ng/g。用深蓝—浅蓝—浅绿—黄色—黄褐色—红色—深红的渐变表明含量的从低到高(图3)^[25,28-29]。

3 测试结果

3.1 巴布亚新几内亚金元素分布趋势

巴布亚新几内亚国家尺度地球化学样品金含量为0.2~6 188.0 ng/g,中位数(地球化学基准值)为1.5 ng/g,平均值为12.2 ng/g,几何平均值为1.6 ng/g,平均值>中位数≈几何平均值,进一步表明金含量数据符合正态分布^[30]。巴布亚新几内亚金元素地球化学基准值高于大陆地壳金元素丰度 (1.3 ng/g)^[31],略低于中国和澳大利亚等国家的金地球化学基准值^[32-33](表2^[34-35])。

3.2 巴布亚新几内亚金元素相关性分析

采用R 型聚类方法对研究区水系沉积物中的元素进行研究(图5),结果显示区内元素相关性中等。Te与Mo、As与Se相关性较好,相关系数均约0.54;Ag与S 相关系数约0.48;Cu与Mo、Te、Tl相关系数约0.40;其他元素间相关系数较低。Au与其他元素相关性差,反映主要受后期热液作用的影响,与后期构造活动和热液作用有关,也是巴布亚新几内亚斑岩型和浅成低温热液型金矿床的主要成矿控制因素。

3.3 不同构造单元中金元素空间分布特征

巴布亚新几内亚不同构造单元中水系沉积物金含量统计表(表3)显示,不同构造单元金地球化学基准值由高到低依次如下:菲尼斯特雷地体(2.1 ng/g),奥罗褶皱带(2.0 ng/g),东部褶皱带(1.9 ng/g),东巴布亚复合地体(1.7 ng/g),新几内亚逆冲带(1.6 ng/g),巴布亚褶皱带(1.5 ng/g),美拉尼西亚岩浆弧(0.8 ng/g)。相对于整个巴布亚新几内亚的地球化学基准值,美拉尼西亚岩浆弧的金含量显著偏低。

4 讨论

4.1 金地球化学特征与地质背景的关系

金属于亲硫元素,在自然界中是个很不活泼的金属,主要呈现为自然金或者金属互化物。金的亲硫性表现在它常与硫化物如黄铁矿、毒砂、方铅矿和黄铜矿等密切共生^[34]。金的亲硫性使其在地球化学行为上表现出在特定的地质条件下,对其成矿作用和分布有着重要影响。

巴布亚新几内亚的盖层主要由中—新生代地层、火山岩和侵入岩组成^[35-36]。巴布亚新几内亚的大地构造位于印度-澳大利亚板块和太平洋板块之间的过渡带上,表现为一条由许多活动俯冲带和与其伴生的岛弧组成的缝合带^[6]。金地球化学图中,呈深红色的高金含量(>101.3 ng/g)区域与新几内亚逆冲带的钙碱性侵入杂岩体、美拉尼西亚岩浆弧中的钙碱性侵入杂岩体和富钾火山-侵入杂岩体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中酸性侵入杂岩体和碱性火山-侵入杂岩体,导致这些构造单元中金地球化学基准值高于巴布亚新几内亚金基准值(表3),如新几内亚逆冲带中发育中新世俾斯麦侵入杂岩体^[20],巴布亚褶皱带中发育中新世波尔盖拉碱性侵入杂岩体^[23],东部褶皱带中发育古新世火山碎屑岩^[21]。菲尼斯特雷地体金地球化学基准值最高(2.1 ng/g),其次是奥罗褶皱带地体金地球化学基准值(2.0 ng/g),这可能是因为在这两个地区采集的样品均位于凯南图(Kainatu)金矿区周围。相对而言,美拉尼西亚岩浆弧金地球化学基准值则明显低于巴布亚新几内亚全国金基准值(表3),这可能是由该构造单元中的中-酸性岩浆岩分布不均匀所造成的(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^[37-38],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^{[39⇓⇓⇓-43]}。以85%(5.39 ng/g)作为异常外带的基线,在采样范围内圈定了7处金地球化学省。在此基础上,以98%(101.3 ng/g)作为异常内带的基线,在地球化学省内圈定了9处金地球化学异常区。这些异常区可作为巴布亚新几内亚下一阶段金矿找矿勘查的方向(表4、表5、图6)。

Au001地球化学省位于美拉尼西亚岩浆弧中部,面积为273.3 km²,金含量大于5.39 ng/g的异常点数为5个。区内样品金含量为5.9~500.0 ng/g,中位数为30.0 ng/g,平均值为129.5 ng/g,异常规模排序第七。区内主要发育更新世碱性火山岩。地球化学省内发育1号金地球化学异常区,异常区面积为45 km²,金异常与更新世碱性火山岩密切相关,辛柏李浅成低温热液型金矿即发育于该异常区中。

Au002地球化学省位于美拉尼西亚岩浆弧中部,面积为203.2 km²,金含量大于5.39 ng/g的异常点数为2个。区内样品金含量为7.6~480.0 ng/g,中位数为243.8 ng/g,平均值为243.8 ng/g,异常规模排序第六。区内主要发育更新世碱性火山岩和高钾的橄榄玄粗岩。地球化学省内发育2号金地球化学异常区,异常区面积为67 km²,金异常与更新世碱性火山岩和高钾的橄榄玄粗岩密切相关。该异常区内有利希尔浅成低温热液型金矿,它也是巴布亚新几内亚最大的金矿。

Au003地球化学省位于新几内亚逆冲带中部,面积为2 221.6 km²,金含量大于5.39 ng/g的异常点数为6个。区内样品金含量为5.9~6 188.0 ng/g,中位数为9.7 ng/g,平均值为1 038.7 ng/g,异常规模排序第二。区内主要发育新近纪火山岩和中新世侵入岩,侵入岩岩性主要为闪长岩。地球化学省内发育3号金地球化学异常区,异常区面积为541 km²,金异常与新近纪火山岩和中新世侵入岩密切相关。该异常区周围有弗里达河斑岩型、浅成低温热液型铜金矿,具有斑岩型和浅成低温热液型金矿的找矿潜力。

Au004地球化学省位于巴布亚褶皱带中部,面积为1 553.4 km²,金含量大于5.39 ng/g的异常点数为3个。区内样品金含量为8.3~701.3 ng/g,中位数为15.0 ng/g,平均值为241.5 ng/g,异常规模排序第三。区内主要发育新近纪—第四纪火山岩、白垩纪含碳沉积岩、中新世钙碱性和碱性侵入岩。地球化学省内发育4号金地球化学异常区,异常区面积为80 km²,金异常与新近纪—第四纪火山岩、中新世钙碱性和碱性侵入岩密切相关。该异常区及其周围有凯利泰克斑岩型铜金矿、波尔盖拉和芒特卡勒等浅成低温热液型金矿,具有斑岩型铜金矿和浅成低温热液型金矿的找矿潜力。

Au005地球化学省位于新几内亚逆冲带中部,面积为8 379.0 km²,金含量大于5.39 ng/g的异常点数为16个。区内样品金含量为5.5~1 482.0 ng/g,中位数为15.0 ng/g,平均值为286.2 ng/g,异常规模排序第一。区内主要发育白垩纪火山岩和侵入岩、新近纪—第四纪火山岩、二叠纪辉长岩、古生代变质岩、中新世侵入杂岩(英云闪长岩、花岗闪长岩和石英闪长岩)。地球化学省内发育3处金地球化学异常区:5号金地球化学异常区面积为146 km²,6号金地球化学异常区面积为172 km²,7号金地球化学异常区面积为220 km²,上述金异常均与中新世侵入杂岩(英云闪长岩、花岗闪长岩和石英闪长岩)有关。该异常区周围有俾斯麦和延德拉斑岩型铜金矿,均具有寻找斑岩型铜金矿的良好的找矿前景。

Au006地球化学省位于新几内亚逆冲带南部,面积为3 233.4 km²,金含量大于5.39 ng/g的异常点数为10个。区内样品金含量为5.4~362.6 ng/g,中位数为12.4 ng/g,平均值为66.5 ng/g,异常规模排序第五。区内主要发育中新世侵入岩,主要由闪长岩、花岗闪长岩、辉绿玢岩和角闪辉长岩等组成。地球化学省内发育8号金地球化学异常区,异常区面积为38 km²,金异常与中新世侵入岩密切相关。该异常区内有凯南图浅成低温热液型金矿,具有浅成低温热液型金矿的找矿前景。

Au007地球化学省位于东部褶皱带中部,面积为1 875.1 km²,金含量大于5.39 ng/g的异常点数为3个。区内样品金含量为6.2~420.8 ng/g,中位数为26.0 ng/g,平均值为151.0 ng/g,异常规模排序第四。区内主要发育新近纪镁铁质侵入岩、新近纪—第四纪火山岩、白垩纪—新近纪变质岩和始新世火山碎屑岩。地球化学省内发育9号金地球化学异常区,异常区面积为95 km²,金异常与始新世火山碎屑岩密切相关。该异常区内有戈杜斑岩型铜金矿和拉洛基VMS型铜金矿,兼具有斑岩型铜金矿和VMS型铜金矿的找矿潜力。

5 结论

(1)巴布亚新几内亚国家尺度地球化学填图水系沉积物样品中金含量为0.2~6 188.0 ng/g,地球化学基准值为1.5 ng/g,高于大陆地壳金元素丰度,略低于中国和澳大利亚的金地球化学基准值。

(2)斑岩型或浅成低温热液型金矿与Ag、S、Cd、Cu、Mo、Te、Se、Tl、As和Au元素组合相关,反映主要受后期热液作用的影响,与后期构造活动和热液作用有关,也是巴布亚新几内亚斑岩型和浅成低温热液型金矿床的主要成矿控制因素。

(3)巴布亚新几内亚不同构造单元中金含量具有明显区别。中央弧陆碰撞带因广泛发育中酸性侵入岩、碱性火山岩和碱性侵入岩,其金含量高于美拉尼西亚岩浆弧。

(4)新几内亚逆冲带的钙碱性侵入杂岩体、美拉尼西亚岩浆弧中的钙碱性侵入杂岩体和富钾火山-侵入杂岩体与高金含量的区域具有高度耦合对应关系。

(5)本次工作圈定了7处金地球化学省和9处金地球化学异常区,主要分布于新几内亚逆冲带。9处异常区均具有发育斑岩型或浅成低温热液型金矿的潜力,可作为下一阶段巴布亚新几内亚金矿的找矿方向。

感谢联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心在调查过程中给予的指导,感谢巴布亚新几内亚矿产资源局在工作过程的支持和帮助,感谢河南省岩石矿物测试中心分析测试样品。

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基金资助

科学技术部国家重点研发计划项目(2021YFC291804)

中国地质调查局地质调查项目(DD20230129)

中国地质调查局地质调查项目(DD20230583)

中国地质调查局地质调查项目(DD20230584)

中国地质调查局地质调查项目(DD20230585)