墨西哥全球尺度土壤铜地球化学背景与异常特征

Geochemical background and anomaly characteristics of copper in soils of Mexico on a global scale

摘要

墨西哥是拉丁美洲经济大国和世界重要的矿业生产国。本文首次根据墨西哥全境全球尺度地球化学填图287件深层(C层)土壤组合样品铜元素含量测试结果，制作了1∶8 000 000 C层土壤铜地球化学图，从全球尺度角度研究了墨西哥C层土壤铜地球化学背景和空间分布特征，圈定了墨西哥铜主要地球化学异常，主要取得如下结论：(1)墨西哥全球尺度C层土壤铜含量为3.6～129.0μg/g,铜含量平均值和中位值分别为20.3和15.9μg/g,背景值为15.6μg/g。恰帕斯高原和南马德雷岛弧带构造单元中铜的中位值显著大于其他构造单元，背景值高于全境背景值。(2)墨西哥全球尺度C层土壤铜地球化学图显示，铜含量分布不均，总体呈南高北低、西高东低的格局。(3)墨西哥全球尺度C层土壤铜地球化学异常图共圈定铜地球化学异常10处，8处达到地球化学巨省规模，两处达到地球化学省规模。从铜地球化学信息和已有矿床的套合情况来看，墨西哥南部南马德雷山脉和恰帕斯山脉可能成为墨西哥铜的重要找矿远景区。

关键词

全球尺度 / 土壤 / 地球化学背景 / 异常特征 / 铜 / 墨西哥

Key words

global-scale / soil / geochemical background / anomaly character / copper / Mexico

0 引言

本文旨在为全球自然资源与生态环境可持续发展提供系统性、长期性和权威性的地球化学数据,为资源环境可持续发展提供解决方案,2016年5月,由联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心发起“化学地球”国际大科学计划^[1⇓-3]。墨西哥积极响应该计划,中墨两国地质调查局在2016年11月签署“中墨合作开展地球化学填图协议”。2017—2018年,中国地质调查局和墨西哥地质调查局合作在墨西哥利用2008—2013年实施的“北美土壤地球化学景观计划”(1个样/(40 km×40 km))采集0~5 cm层、A层和C层3层土壤副样^[4],按照全球地球化学基准网墨西哥部分的格子布置要求,每80 km×80 km获得一个组合样品作为全球尺度土壤样品,其中0~5 cm层和A层样品(表层样品)几乎覆盖墨西哥全境,C层(深层样品)为不完全覆盖。组合后样品在中国实验室完成76种元素分析测试^[3]。为了解墨西哥土壤中铜的地球化学背景,并分析其异常特征,本文选择受后期人为等外界环境影响比较小的C层样品作为研究对象^[2-3],统计铜元素地球化学参数,绘制铜元素含量地球化学图和地球化学异常图,以期为墨西哥全境铜元素的高精度、高质量地球化学基准数据和铜资源评价提供可对比的基础数据。

1 墨西哥大地构造与地质矿产概况

墨西哥位于北美洲南部,面积约196万km²,北邻美国,南接危地马拉和伯利兹。东、西和南3面为马德雷山脉所环绕,中央为墨西哥高原,东南为地势平坦的尤卡坦半岛,沿海多狭长平原。墨西哥大地构造演化主要受两个过程控制:(1)裂谷作用形成走滑断裂,地壳减薄导致墨西哥湾开始形成,并触发了初始的酸性和基性火山活动。(2)中生代以来太平洋边缘几乎一直经历俯冲作用,并且不停地发生变化,引起了弧火山作用的迁移。汇聚边缘板块超俯冲裂谷和收缩作用交替进行,岩浆活动和构造增生导致陆壳的加厚^[5-6]。墨西哥构造演化的复杂性,致使现今的墨西哥大陆由多个各具特色的地体拼接而成^[5-6]。从全球构造演化背景来看,墨西哥地处太平洋的科科斯(Cocos)板块和大西洋的加勒比板块之间,属双向俯冲带之间的隆起地块,形成北科迪勒拉褶皱带和墨西哥湾沿岸向斜两大构造单元^[7]。根据构造地质演化特征和地形特征,结合墨西哥地质调查局研究成果,进一步划分为13个二级构造单位^[8]。

针对全球构造演化背景和成矿特征将全球划分为劳亚、冈瓦纳、特提斯和环太平洋4大成矿域^[9]。其中,环太平洋成矿域环绕太平洋周缘展布,成矿地质构造背景主要是显生宙造山带和新生代风化壳,受中—新生代以来太平洋板块俯冲作用的影响,环太平洋成矿域发生以铜、金、钼、银、镍、钨、锡、铅和锌等矿产为主的大规模成矿作用^[10]。墨西哥属于该成矿域东带的北科迪勒拉成矿带。以大地构造单元划分为基础,结合构造单元与成矿带实际矿床(点)的发育和空间分布特征,将墨西哥划分为9个III级构造岩浆成矿区带(图1^[8,11])。有研究显示自180 Ma开始,随着太平洋板块向东北的俯冲作用,墨西哥境内一系列近平行的北西向深大断裂控制着区域地层建造、岩浆岩带和褶皱带轴部呈北西向展布的基本构造格架,同时也作为区域性控矿和导矿构造,控制了墨西哥主要成矿带呈北西-南东向展布的基本空间分布特征。

墨西哥作为拉丁美洲经济大国和世界重要矿业生产国,储量位居世界前列的有铁、铜和银等金属矿产。据美国地质调查局2023年统计,墨西哥铜资源储量位居世界第六(5 300万t),年产量约为74万t。成矿类型多样,与岩浆热液有关的斑岩型、接触交代型和块状硫化物(VMS)型铜矿床在墨西哥境内广泛分布。

2 研究方法

2.1 样品和分析

以墨西哥由“北美土壤地球化学景观计划”C层671件土壤样品组合的287件全球尺度深层(C层)土壤地球化学数据为研究对象,考虑到原始样品数量、质量和组合后分析测试需要的样品质量要求,经和墨方商讨后确认,组合后样品质量不少于200 g。例如,80 km×80 km网格内有4件可组合样品,则每件样品称取50 g后混合形成200 g组合样;再如,网格内有3件可组合样品,则每件样品称取66.7 g后混合形成组合样;又如,网格内有两件可组合样品,则每件样品称取100 g后混合形成组合样。为了保证称取样品均一,在称取样品前需使用分样器对样品进行混合处理,每件样品至少混合3次。为满足矿产勘查、基础地质和生态环境等需求,所有样品在河南省岩石矿物测试中心完成76元素分析测试。铜元素分析采用等离子质谱法(ICP-MS),铜检出限为1 μg/g,报出率为100%,标准样合格率为100%,重复样合格率为100%。

2.2 图件编制

地球化学图的底图采用ArcGIS 10.8版本制作,底图中点、线和面文件格式分别以shp文件格式存储,地球化学专题图使用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研发的Geochem Studio软件制作,对数据进行网格化处理后,地球化学等值线的编制采用累积频率的分级方法按累积频率所对应的0.5%、2.5%、5%、7.5%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92.5%、95%、97.5%和99.5%含量划分为15级,所对应的铜含量分别为7.3、8、8.7、9.2、11、13.2、14.8、17.6、21.4、25.3、30.2、34.3、43.2、55.6和85 μg/g。同时,以累积频率85%、92.5%和97.5%所对应的含量(25.3、34.3和43.2 μg/g)范围划分异常的外、中和内带编制地球化学异常图。

3 结果与讨论

3.1 铜元素地球化学背景特征

墨西哥全境可划分为13个构造单元^[8],分别为下加利福尼亚造山带、索诺拉盆岭区、西马德雷岛弧带、北部山盆区、东马德雷逆冲带、墨西哥湾地块、滨太平洋平原、中央高原、泛墨西哥火山岩带、南马德雷岛弧带、恰帕斯马德雷山脉、恰帕斯高原和尤卡坦地块。墨西哥全境及各构造单元全球尺度C层土壤铜元素地球化学统计参数见表1。

从表1中可以看出,墨西哥全球尺度C层土壤铜含量为3.6~129.0 μg/g,铜含量平均值和中位值分别为20.3和15.9 μg/g,背景值为15.6 μg/g(按剔除变异值后平均值±2倍的标准差一次剔除后方法计算)。墨西哥C层土壤铜含量平均值与我国热带雨林区水系沉积物中铜含量(20 μg/g)接近^[12⇓-14],高于墨西哥铜含量背景值,说明墨西哥铜局部富集较为明显。就墨西哥境内不同构造单元全球尺度C层土壤中的铜含量而言,铜含量范围、平均值、中位值和背景值结果分别如下:下加利福尼亚造山带5.7~65.8、22.6、18.2和17.0 μg/g;索诺拉盆岭区4.2~67.8、19.1、17.0和16.3 μg/g;西马德雷岛弧带6.4~67.7、18.9、14.9和16.5 μg/g;北部山盆区6.5~22.1、14.2、14.4和14.2 μg/g;东马德雷逆冲带3.6~58.1、17.1、14.6和15.2 μg/g;墨西哥湾地块3.9~104.3、18.2、14.7和13.6 μg/g;滨太平洋平原17.5~33.1、22.1、18.91和22.1 μg/g;中央高原10.0~30.2、15.4、14.5和13.2 μg/g;泛墨西哥火山岩带4.9~35.4、19.1、15.2和19.1 μg/g;南马德雷岛弧带7.7~129.0、32.7、20.5和19.5 μg/g;恰帕斯马德雷山脉5.1~76.5、30.3、19.8和21.1 μg/g;恰帕斯高原6.3~53.8、22.3、19.9和16.1 μg/g;尤卡坦地块5.7~32.0、19.7、18.37和19.7 μg/g。以不同构造单元铜背景值排序:滨太平洋平原>恰帕斯马德雷山脉>尤卡坦地块>南马德雷岛弧带>泛墨西哥火山岩带>下加利福尼亚造山带>西马德雷岛弧带>索诺拉盆岭区>恰帕斯高原>东马德雷逆冲带>北部山盆区>墨西哥湾地块 >中央高原;以剔除变异值后中位值排序:恰帕斯高原>南马德雷岛弧带>滨太平洋平原>尤卡坦地块>下加利福尼亚造山带>索诺拉盆岭区>泛墨西哥火山岩带>恰帕斯马德雷山脉>西马德雷岛弧带>东马德雷逆冲带>中央高原>北部山盆区>墨西哥湾地块。中位值分布特征显示,恰帕斯高原、南马德雷岛弧带、滨太平洋平原、尤卡坦地块、下加利福尼亚造山带和索诺拉盆岭区6个构造单元铜含量均高于全区背景值;东马德雷逆冲带、中央高原、北部山盆区和墨西哥湾地块4个构造单元铜含量均低于全区。

墨西哥全球尺度C层土壤铜含量直方图和箱式图(图2)显示所采集样品的铜含量大致具有对数正态分布特征。

3.2 铜异常特征与空间分布

墨西哥全球尺度C层土壤地球化学图的底图采用累积频率的分级方法划分成15级,从墨西哥地球化学图(图3)中可以看出,墨西哥铜含量分布不均,形成多个高背景区,总体上表现为北低南高、西高东低的格局,其中滨太平洋一带,从索诺拉州向南至恰帕斯州均出现铜含量的高值区。墨西哥东北部和中东部地区是铜含量的低值区。

墨西哥铜地球化学异常图是以累积频率85%、92.5%和97.5%所对应的含量划分异常的外、中和内带编制地球化学异常图,同时以异常范围内至少两个异常点为原则。按照上述原则,从地球化学块体理论出发^[15],在墨西哥共圈定全球尺度C层土壤铜地球化学异常10处(图4),其中8处达到地球化学巨省规模,两处达到地球化学省规模,各地球化学异常区统计参数见表2。

Cu-1异常和Cu-4异常位于下加利福利亚造山带斑岩型Cu-Mo-Au成矿带,按照异常面积划分,达到地球化学巨省规模。发育中生代侵入岩,区内断裂构造发育,目前Cu-1异常区内无已知铜矿床,Cu-4异常区内分布一处中型碳酸盐岩交代型矿床。

Cu-2、Cu-3和Cu-5异常位于西马德雷构造带和西部盆岭区斑岩型Cu-Mo-Au成矿带,其中Cu-2异常面积为19 280 km²,Cu-3异常面积为48 129 km²,Cu-5异常面积为17 405 km²,达到地球化学巨省规模,这3个地球化学异常整体呈近南北向展布。该区域从地质上看属于北美斑岩型铜矿集区“大集群”在墨西哥境内的延伸,该区域拉拉米期(80~40 Ma)岩浆弧广泛分布^[16],岩性特征为由闪长岩-二长花岗岩组成的深成岩及塔拉乌马拉(Tarhumara)组安山岩、流纹岩和凝灰岩火山岩系,同时发育古新世—始新世拉拉米花岗闪长岩^[17]。3个异常区组成的异常带中,已知铜矿床较多,且已知铜矿床也是大致沿着由北向南呈连续带状分布,该带从北部索诺拉州向南延伸到锡那罗亚州南部^[5,18],区内有卡纳内亚(Cananea)矿集区和纳科札里(Nacozari)成矿区两个大的铜矿集区,其中卡纳内亚矿集区包括Buenavista del Cobre矿床、Milpillas矿床、Lucy矿床、Mariquita矿床、María矿床、El Alacr’an矿床和El Pilar矿床等。纳科札里成矿区位于卡纳内亚矿区东南约80 km处的纳科札里,区内分布La Caridad矿床、Pilares矿床、Santo Domingo矿床、Los Alios矿床、Bella Esperanza矿床、El Batamote矿床和Florida-Barrig’on矿床等,成矿类型以斑岩型为主^{[19⇓⇓⇓⇓⇓-25]}。

Cu-6地球化学省异常,位于中部高原和东部盆岭夕卡岩型Zn-Pb-Ag-Cu成矿带,构造上位于东马德雷逆冲带,岩性以灰岩、碎屑岩和沿海冲积物为主。

Cu-7异常强度不高,位于尤卡坦地块,岩性以灰岩、碎屑岩和沿海冲积物为主,该区域属于旅游区,无矿产开发。

Cu-8异常位于横贯墨西哥火山带格雷罗古地体中VMS型Au-Ag-Zn-Cu-Pb成矿带内,该异常规模排名第二,异常面积为108 226 km²,达到地球化学巨省规模。该区域岩性为侏罗纪—白垩纪的沉积岩和火山岩,这些岩石经历了不同程度的变形和变质。中白垩世和古近纪—新近纪深成岩侵入了火山-沉积岩序列^[26]。区内分布的已知矿床以小型为主,成矿类型多样,有VMS型、夕卡岩型和斑岩型^[27]。

Cu-9异常属于南马德雷构造带浅成低温热液型Au-Ag-Cu成矿带,达到地球化学巨省规模。区内岩性主要为前寒武纪、早古生代变质岩和花岗岩,以及中—新生代的沉积岩和火山岩,褶皱强烈,呈NW-NWW向,区内发现一处已知斑岩型铜矿^[27]。

Cu-10异常,位于南马德雷岛弧带,该异常强度不高,无已知矿床信息。

从铜异常分布特征和与现有已知矿床套合关系来看,墨西哥南部南马德雷山脉和恰帕斯山脉可能成为墨西哥铜的重要找矿远景区。

4 结论

通过全球尺度低密度地球化学调查,采集深层土壤样品获得的铜异常分布特征总体情况与区域构造和成矿特征走向一致,说明该数据可作为墨西哥全国铜地球化学背景参考。

(1)墨西哥全球尺度C层土壤铜含量为3.6~129.0 μg/g,铜含量平均值和中位值分别为20.3和15.9 μg/g,背景值为15.6 μg/g。就墨西哥境内不同构造单元全球尺度C层土壤中铜含量而言,恰帕斯高原和南马德雷岛弧带铜含量的中位值显著大于其他构造单元,背景值高于全境背景值。

(2)墨西哥全球尺度C层土壤铜地球化学图显示,不同构造单元铜含量分布不均,总体呈南高北低、西高东低的格局。

(3)墨西哥全球尺度C层土壤铜地球化学异常图共圈定铜地球化学异常10处,其中有8处达到地球化学巨省规模,两处达到地球化学省。从铜地球化学信息和已有矿床的套合情况来看,墨西哥南部南马德雷山脉和恰帕斯山脉可能成为墨西哥铜的重要找矿远景区。

参考文献

[1] 王学求, 谢学锦, 张本仁, 地壳全元素探测: 构建“化学地球”[J]. 地质学报, 2010, 84(6): 854-864.

[2] 王学求. 全球地球化学基准: 了解过去, 预测未来[J]. 地学前缘, 2012, 19(3): 7-18.

[3] 王学求, 周建, 徐善法, 全球地球化学基准网建立与土壤地球化学基准值特征[J]. 中国地质, 2016, 43: 1469-1480.

[4] SMITH D B, CANNON W F, WOODRUFF L, et al. History and progress of the North American soil geochemical landscapes project, 2001-2010[J]. Geoscience Frontiers, 2012, 19: 19-32.

[5] 姚春彦, 郭维民, 丁海峰, 墨西哥北部拉拉米期斑岩型铜矿床时空分布及典型矿床特征[J]. 地质论评, 2023, 69(1): 383-395.

[6] CENTENO-GARCÍA E. Mesozoic tectono-magmatic evolution of Mexico: an overview[J]. Ore Geology Reviews, 2017, 81: 1035-1052.

[7] 王素平, 王绘清, 吕晓东, 墨西哥地质、矿产及矿业经济概况[J]. 安徽地质, 2012, 22(4): 273-277, 280.

[8] SEDLOCK R L, ORTEGA-GUTIÉRREZ F, SPEED R C. Tectonostratigraphic terranes and tectonic evolution of Mexico[J]. Geological Society of America Special Papers, 1993, 278: 1-153.

[9] 梅燕雄, 裴荣富, 杨德凤, 全球成矿域和成矿区带[J]. 矿床地质, 2009, 28(4): 383-389.

[10] 张伟波, 叶锦华. 环太平洋成矿域主要铜-金矿床地质特征、成矿作用及找矿潜力[J]. 地质通报, 2017, 36(1): 1-15.

[11] 王翠芝, 雷华, 姚仲友, 墨西哥中—新生代成矿系列和成矿带划分及其大地构造意义[J]. 地质通报, 2017, 36(12): 2116-2123.

[12] 鄢明才, 迟清华, 顾铁新, 中国各类沉积物化学元素平均含量[J]. 物探与化探, 1995, 19(6): 465-472.

[13] 黄加忠, 杨明龙, 王晓龙, 四川省瓦岗地区水系沉积物地球化学特征及找矿方向[J]. 华东地质, 2024, 45(3): 332-344.

[14] 何清, 魏路, 肖永红. 基于多源数据的土壤侵蚀时空变化分析: 以安徽省宿松县为例[J]. 华东地质, 2023, 44(3): 333-344.

[15] 谢学锦, 刘大文, 向运川, 地球化学块体: 概念和方法学的发展[J]. 中国地质, 2002, 29(3): 225-233.

[16] TITLEY S. Porphyry copper deposit of the American Cordillera[J]. Arizona Geological Society Digest, 1995, 20: 6-20.

[17] MCDOWELL F W, ROLDÁN-QUINTANA J, CONNELLY J N. Duration of late Cretaceous-early Tertiary magmatism in east-central Sonora, Mexico[J]. Geological Society of America Bulletin, 2001, 113(4): 521-531.

[18] 姚春彦, 姚仲友, 李汉武, 墨西哥西马德雷山脉中—新生代构造、岩浆演化及成矿特征[J]. 地质通报, 2017, 36(12): 2124-2133.

[19] BARRA F, RUIZ J, VALENCIA V A, et al. Laramide porphyry Cu-Mo mineralization in northern Mexico: age constraints from Re-Os geochronology in molybdenite[J]. Economic Geology, 2005, 100(8): 1605-1616.

[20] BEJARANO-CARRILLO C, OCHOA-LANDÍN L, DEL RIO-SALAS R, et al. La Caridad Vieja: vestiges of a removed HS-epithermal system in the La caridad porphyry Cu-Mo system, northeastern Sonora, Mexico, based on XRD, SEM, SWIR spectral analysis and U-Pb zircon dating[J]. Journal of South American Earth Sciences, 2020, 104: 102820.

[21] SANTILLANA-VILLA C, VALENCIA-MORENO M, DEL RIO-SALAS R, et al. Geochemical variations of precursor and ore-related intrusive rocks associated with porphyry copper deposits in Sonora, northwestern Mexico[J]. Journal of South American Earth Sciences, 2021, 105: 102823.

[22] VALENCIA-MORENO M, IRIONDO A, GONZÁLEZ-LEÓN C. Temporal constraints on the eastward migration of the late Cretaceous-early Tertiary magmatic arc of NW Mexico based on new ⁴⁰Ar/³⁹Ar hornblende geochronology of granitic rocks[J]. Journal of South American Earth Sciences, 2006, 22(1/2): 22-38.

[23] VALENCIA V A, NOGUEZ-ALCÁNTARA B, BARRA F, et al. Re-Os molybdenite and LA-ICPMS-MC U-Pb zircon geochronology for the Milpillas porphyry copper deposit: insights for the timing of mineralization in the Cananea district, Sonora, Mexico[J]. Revista Mexicana de Ciencias Geologicas, 2006, 23(1): 39-53.

[24] BARRA F, VALENCIA V A. Late Cretaceous porphyry copper mineralization in Sonora, Mexico: implications for the evolution of the southwest North America porphyry copper province[J]. Mineralium Deposita, 2014, 49(7): 879-884.

[25] DEL RIO-SALAS R, OCHOA-LANDÍN L, VALENCIA-MORENO M, et al. New U-Pb and Re-Os geochronology of Laramide porphyry copper mineralization along the Cananea lineament, northeastern Sonora, Mexico: contribution to the understanding of the Cananea copper district[J]. Ore Geology Reviews, 2017, 81: 1125-1136.

[26] FERRARI L, OROZCO ESQUIVEL T, BRYAN S E, et al. Cenozoic magmatism and extension in western Mexico: linking the Sierra Madre Occidental silicic large igneous province and the Comondú Group with the Gulf of California rift[J]. Earth Science Reviews, 2018, 183: 115-152.

[27] CAMPRUBI A. Tectonic and metallogenetic history of Mexico[J]. Society of Economic Geologists, Special Publication, 2013, 17: 201-243.

基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFC2901804)

中国地质调查局项目(DD20230129)

中国地质调查局项目(DD20230583)

中国地质调查局项目(DD20230584)

中国地质调查局项目(DD20230585)