巴基斯坦斑岩型铜矿地球化学特征与成矿潜力分析

张晶 ,  李天虎 ,  王志华 ,  Naghmah HAIDER ,  洪俊 ,  张辉善 ,  梁楠

地学前缘 ›› 2025, Vol. 32 ›› Issue (01) : 91 -104.

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地学前缘 ›› 2025, Vol. 32 ›› Issue (01) : 91 -104. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.10.45
特提斯成矿带战略资源地球化学调查评价

巴基斯坦斑岩型铜矿地球化学特征与成矿潜力分析

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Geochemical characteristics and metallogenic potential analysis of porphyry copper deposits in Pakistan

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摘要

本文首次应用巴基斯坦国家尺度水系沉积物地球化学调查数据,分析了研究区铜元素地球化学背景和大型斑岩型铜矿区域地球化学特征及地球化学异常特征,分析了该区内主要地层、岩浆岩的地球化学特征。巴基斯坦主要基岩出露区铜元素平均值为23.48×10-6,背景值为18.6×10-6,与我国西北地区、青藏高原的铜元素丰度相当。与成矿斑岩体有关的岩浆岩主要为新生代酸性岩和中生代酸性岩,铜元素的地球化学平均值分别为39.09×10-6和28.28×10-6,富铜斑岩体是主要物质来源。应用1∶1 000 000国家尺度地球化学异常信息进行建模,元素组合为Cu、Au、Mo、Ag、Pb、Zn、Co和Cr,说明国家尺度地球化学异常对大型、超大型斑岩铜矿具有指示意义。以地球化学块体理论为基础,计算了铜异常的成矿有利度和致矿物质量,对区内铜资源量进行了预测和排序。在梳理典型斑岩型铜矿地球化学模型的基础上,以Cu、Mo、Au和Ag为主要指示元素,以Pb、Zn、Co和Cr为参考指示元素,结合地质背景圈定斑岩型铜矿找矿预测区4处,并对找矿预测区进行了成矿潜力分析。

关键词

铜地球化学异常 / 地球化学特征 / 成矿潜力分析 / 斑岩铜矿地球化学模型

Key words

geochemical anomaly of copper / geochemical characteristics / metallogenic potential analysis / geochemical model of porphyry copper deposits

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张晶,李天虎,王志华,Naghmah HAIDER,洪俊,张辉善,梁楠. 巴基斯坦斑岩型铜矿地球化学特征与成矿潜力分析[J]. 地学前缘, 2025, 32(01): 91-104 DOI:10.13745/j.esf.sf.2024.10.45

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0 引言

斑岩型铜矿是一种储量大、品位低、可开展大规模露天开采的铜矿类型,矿石储量可达几亿t,铜品位多小于1%,因其规模较大而具有较高经济价值。斑岩型铜矿是世界上重要的铜矿工业类型之一,目前占世界铜总储量一半以上。斑岩铜矿伴生钼、金、银、铼、硒、碲、硫等多种有益组分,具有很大的经济价值[1-2]

世界三大主要斑岩型铜矿带包括古亚洲带、特提斯—喜马拉雅带和环太平洋带,巴基斯坦就位于特提斯—喜马拉雅成矿带上[3-4]。近年来,在我国的西藏和伊朗均发现了数量较多、规模较大的斑岩型铜矿[5-7]。但在位于特提斯成矿带中段的巴基斯坦,受地质工作程度低,缺少系统的地质勘查投入等因素的影响,目前发现的大型及以上斑岩型铜矿仅有两处[8-9]

许多学者在斑岩铜矿的构造环境、动力学背景、成矿物质来源、成矿物质的迁移和沉淀机制等方面进行了研究,取得了丰硕的研究成果[3,5,10-12]。前人对斑岩型铜矿的地球化学特征、元素富集规律和异常元素组合特征进行了研究[13-15],但是研究主要是基于区域尺度地球化学数据或更大比例尺的数据。本文利用1∶1 000 000巴基斯坦国家尺度地球化学调查数据展开研究,以探讨大型斑岩型铜矿及矿集区成矿地质背景和异常特征,为巴基斯坦境内寻找斑岩型铜矿的可能性和找矿方向提供战略靶区优选。

1 研究区地质概况

1.1 地质背景

巴基斯坦地处特提斯构造域中部,位于印度板块和欧亚板块之间,地质构造演化与新特提斯洋演化和陆陆碰撞过程密切相关。其西部处于阿拉伯板块与印度板块的拼合部位。以印度河—穆斯林巴赫—贝拉蛇绿岩带为界,东南部为印度陆块的一部分,西北部地质演化历史比较复杂,初步研究认为白沙瓦—伊斯兰堡一带在晚古生代为特提斯洋的一部分,三叠纪初因印度板块北移而消失,并伴有较广泛的印支中晚期岩浆侵入活动;晚白垩世晚期至古近纪早期印度板块开始向欧亚板块俯冲[16-17](图1)。

巴基斯坦岩浆活动比较频繁,华力西期、加里东期和前寒武纪岩浆岩仅零星分布于西北部与阿富汗和中国边境附近,以及巴基斯坦控制的克什米尔地区,主要位于主地幔逆冲断裂(MMT)之南的前寒武系地层中,为一套钙碱性花岗岩和片麻岩。北部的马拉坎德地区发育含有铬铁矿的超基性岩,围岩为前寒武纪变质岩,包括多格拉斑岩、萨拉克拉沉积岩和变质岩[17](图2)。

1.2 主要矿产

巴基斯坦已发现的金属矿产有铜矿、金矿、铁矿、铅锌矿、锑矿、铬矿等[8](图3)。位于西部的俾路支省是矿产最丰富的省份,贾盖—拉斯科赫岩浆弧和印度河缝合带是俾路支省主要的成矿带[8],世界级斑岩型铜矿雷克迪克、大型铜矿山达克就位于此岩浆弧,铬矿、铁矿则主要分布在印度河缝合带上[17]

2 巴基斯坦铜元素地球化学特征

2.1 数据来源及处理方法

本文采用的是中国与巴基斯坦合作开展的国家尺度地球化学调查数据,采样介质为水系沉积物,共采集样品2 563件,采样粒级为小于20目,采样密度为1~2个点/100 km2,分析Cu、Mo、Au、Ag、Pb、Zn、W、Bi、Sn、Sb、Cd、Cr、Ni、Co等69种元素和氧化物。

数据处理应用GeoExpl地质勘查数据处理与分析系统(international版)[18],将数据导入并进行网格化处理,采用网格距10 km×10 km,计算模型采用指数距离加权法,搜索半径设定为25 km。单元素地球化学图的编制采用累积频率法,累积频率分别为0、0.5%、1.2%、2,3%、4.5%、8%、15%、25%、40%、60%、75%、85%、92%、95.5%、97%、98%、98.8%、99.5%和100%。选择92%作为异常下限,保留异常下限以上的部分,编制地球化学异常图。

2.2 铜元素地球化学背景

对巴基斯坦2 563件样品的铜元素分析结果进行参数统计(表1),获得铜元素含量平均值,与地壳铜元素丰度[19-20](25×10-6)相比略低,比值为0.94。与我国铜元素丰度[21-24]相比(20×10-6,24×10-6),比值分别为1.17和0.98。巴基斯坦与我国西北地区和青藏高原相邻,西北地区铜元素平均值为23.7×10-6 [25],略高于巴基斯坦基岩出露区的铜平均值,青藏高原铜元素平均值为23.16×10-6 [26],略低于巴基斯坦基岩出露区的铜平均值。用中位数(50%分位数)计算铜的背景值为18.6×10-6

图1中划分的地层单元分区统计,统计结果见表2。铜元素平均值较高的地层为上白垩统—古近系,该地层包括俾路—瓦齐里斯坦蛇绿岩带;白垩系—全新统地层,主要为火山岩和火山碎屑岩,该地层单元的铜元素丰度值也较高;白垩系—古近系地层的铜元素平均值也较高,该套地层主要出露科希斯坦岛弧深成岩体及其伴随岩石;铜元素平均值较低的地层单元包括古近系海陆相沉积以及零散分布的火山岩和变质岩、古近系地层等地层单元。标准离差比较大的地层单元包括中生界—古近系,该地层包含哈扎拉和巴基斯坦北部沉积岩和变质岩,元古宇—古生界地层单元铜元素的标准离差也较高,主要为哈扎拉和巴基斯坦北部沉积岩,有部分为变质岩,第四系地层的铜元素标准离差也较高。平均值和标准离差同时占有优势的地层单元为上白垩统—古近系下部地层,与查盖—拉斯科岩浆弧构造单元重叠,这里已发现有山达克、雷克迪克等大型、超大型斑岩型铜金矿床。

对巴基斯坦主要岩浆岩类型的铜元素地球化学参数进行了统计,岩浆岩分布见图2,统计结果见表3。巴基斯坦与斑岩体有关的主要是新生代酸性岩、中生代酸性岩、前寒武纪酸性岩和古生代酸性岩。从表3可以看出,新生代酸性岩、中生代基性岩和中生代酸性岩的铜元素平均值较高,在新生代酸性岩中,铜元素平均值排序第一,铜元素的最小值达到了21.15×10-6,但最高值不是很高,只有58×10-6,标准离差排序中等,该类岩体主要为分布在俾路支省的斑岩体。中生代基性岩所在区域铜元素平均值为34.11×10-6,蛇绿岩区域内的铜元素平均值为32.78×10-6,基性岩体和蛇绿岩中的铜元素含量本就较高,也不排除在该区内有寻找铜镍硫化物型矿床的潜力。中生代酸性岩的铜元素平均值也较高,最大值和标准离差也较大,该类岩体主要分布在巴基斯坦西北部的查盖地区和北部地区。前寒武系酸性岩和古生代酸性岩中铜元素的值都较低。由此可见,新生代和中生代酸性岩是富铜斑岩体的主要来源。

2.3 铜元素空间分布特征

图4可以看出,铜异常走向整体呈南北向,位于巴基斯坦西北部查盖地区的铜元素丰度值整体较高,在俾路支省西南部的柯塔克地区有一处铜高异常,呈近东西走向,主要由斑岩体引起,达尔本丁东北部有一处铜高异常,异常展布方向近东西向,异常浓集中心呈南北向,对应地层单元为古近系—全新统。研究区南部和中部的高异常与低异常均呈南北向分布,与地层单元的走向一致,俾路支省南部的沃德到乌特尔之间有一处南北向展布的铜高异常,该异常有两处浓集中心,且异常十分显著,该异常带的东侧是南北向展布的负异常,有一处负异常中心,对应地层单元为古近系—全新统。俾路支省古尔卡茨到梅克德尔之间有一处较强的铜高异常,也呈南北向展布,异常浓集中心十分显著。有一处铜的高异常位于巴基斯坦和阿富汗边境的勒兹莫格,异常展布方向也为南北向,位于中生代地层中,其间有蛇绿岩出露。北部的异常分布受酸性岩浆岩控制,整体显示高背景值,在开伯尔—普什图省和吉尔吉特—巴尔蒂斯坦省有铜高异常显示,位于白沙瓦北部的德尔盖地区有一处东西展布的铜异常,该异常有两个浓集中心,其中一处浓集中心有向阿富汗延伸的趋势,在达苏、恰尔特、德罗什南部、格拉姆南部均有铜的高异常显示。铜元素的低值异常区主要集中在基岩出露区与平原区的过渡地带,如伊斯兰堡及其周边区域的铜元素显示为背景值或负异常,苏莱曼山的北坡铜元素也显示为低异常,俾路支省奎达市到沃德市之间的区域铜元素显示为低值。

3 巴基斯坦斑岩型铜矿成矿潜力分析

3.1 地球化学块体预测分析

应用地球化学块体理论[27]和《矿产预测方法指南》[28]中推荐的地球化学块体资源量预测的方法原理,对铜异常的平均值、标准离差、成矿有利度和致矿物质量等参数进行统计。成矿有利度是指异常平均值与异常下限所得的比值再乘以标准离差[25,29-30],其计算公式为

P f d = X ¯ A t × S e v

式中: X ¯为异常平均值;At为异常下限;Sev为标准离差。此公式所采用的参数既能反映元素在特定区域内的富集程度,也能反映元素的分异程度。致矿物质量的计算公式是成矿有利度与异常面积(S)的乘积[25,29],计算公式为

Qm=Pfd×S

在铜元素地球化学图的基础上,以38.9×10-6(累积频率92%)为异常下限编制铜元素地球化学异常图,圈定出13处铜异常(图5)。对这些异常的地球化学参数进行统计计算,根据各参数的统计结果对异常进行排序,见表45。从表中可以看出,以成矿有利度进行排序,则Cu08、Cu10、Cu13、Cu05和Cu09号异常排序靠前,除Cu05异常之外,其他4个异常均位于巴基斯坦北部地区,该区域属于鲁山-明铁盖中新生代岩浆弧和科希斯坦—拉达克缝合带。以致矿物质量为参考对异常进行排序,则Cu05、Cu01、Cu08、Cu13和Cu09号异常排序靠前,已发现有大型、超大型铜矿的Cu04异常排序在Cu09号异常之后,说明这些异常具有寻找铜矿的潜力。

3.2 元素组合预测分析

我国位于斑岩铜矿带的古亚洲成矿带(北部成矿域),斑岩型铜矿是我国最主要的铜矿床类型之一,前人对斑岩型铜矿的地球化学特征进行了总结[13-14,31]:邵跃[32]提出斑岩型铜矿元素组合为Cu、Mo、Au和Re,伴生元素可能为Pb、Zn、Ag、Ti、W等元素;张晶等[14]应用区域地球化学数据建立了斑岩铜矿元素组合地球化学模型。本文对前人梳理的典型斑岩铜矿床的地球化学异常组合特征进行了汇总,见表6

山达科铜矿与雷克迪克铜矿是巴基斯坦境内斑岩铜矿床的典型代表,两个铜矿均位于贾盖火山岩浆带的西部,由钙碱性侵入岩、火山岩和沉积岩组成,侵入岩统称为贾盖侵入岩和索尔科(Sor Koh)侵入岩,分为两期,早期侵入岩以闪长岩和花岗闪长岩为主,晚期为花岗闪长岩、石英二长岩和花岗岩。地层主要为晚白垩世Sinjrani群。贾盖火山岩浆岩带经历了多期构造改造,区域上与成矿有关的构造主要为断层和背斜[33-36]。从表6可以看出这两个铜矿的地球化学元素异常组合特征与我国境内的斑岩型铜矿地球化学特征具有相似性,由此总结出,Cu、Mo、Au和Ag 4种元素是斑岩铜矿的主要元素组合,不同程度地伴生Sb、Pb、Zn、Co、Cr等元素。

依据表6中总结出的斑岩型铜矿元素异常组合特征,以Cu、Mo、Au和Ag元素组合为主要参考依据,其他指示元素为辅,结合地质背景[16],共圈出4处斑岩型铜矿找矿预测区(图6)。

YC01预测区位于贾盖火山岩浆带的西段,雷克迪克和山达克斑岩铜矿在此预测区内。铜异常(Cu04)内中外带分带明显,有3处浓集中心,此异常按致矿物质量排序第六。区内还有4处金异常,面积最大金异常位于预测区的西段(图7),该区还伴生有Mo、Ag、Pb、Zn、Co、Sb、Cr等元素。所属构造单元为贾盖火山岩浆岩带,主构造呈北西向展布,与异常展布方向一致。从晚白垩世到古新世中期,有安山质火山活动的海相沉积和花岗岩类的侵入,且岩浆活动比较强烈。其南侧在始新世到渐新世沉积了浅海相石灰岩,区内还发育有晚白垩世到渐新世的浊积岩沉积物。侵入岩以闪长岩和辉长岩为主,多以岩脉出现[35-36]

YC02预测区有显著的Cu、Mo、Au和Ag元素异常,还伴生有Pb、Zn、Co、Cr等元素异常。铜异常(Cu05)展布方向为近南北向,与构造方向一致,Cu05异常以致矿物质量排序为第一。尽管在1∶1 000 000地质图上没有发现岩浆岩出露,但从Nb、Ta、F、Li等元素地球化学异常强度均较高来看,区内不排除有花岗岩,见图8。预测区内已发现铬铁矿、锰矿、菱镁矿和萤石矿各1处。

YC03预测区有显著的Cu、Mo、Au和Ag元素异常,还伴生有Pb、Zn、Co、Cr等元素异常(见图9)。铜异常(Cu07)呈近南北向展布,与主构造方向一致,异常浓集中心较显著,致矿物质量在13个铜异常中排序第七。地表主要为Kuchakki 火山岩,主要为集块岩、火山灰和凝灰岩组合,西部还出露有古新统蛇绿混杂岩,包括地幔橄榄岩、超镁铁质和镁铁质堆积岩,含铬铁矿和菱镁矿矿化。区内已有铜矿点3处,铬铁矿1处,锑矿1处,锰矿1处。

YC04预测区内的铜异常(Cu08)呈东西向展布,有两个较强的浓集中心(图10),其中西段的异常向西延伸至阿富汗境内,但浓集中心的主体在巴基斯坦境内,该异常的致矿物质量排序为第三。出露有花岗岩和浅色硅质片麻岩,包括细的叶片状到粗糙的眼球状片麻岩,还有小面积的印度河缝合带混杂岩。区内仅发现有一处小型铬铁矿床。

按铜地球化学参数统计结果(致矿物质量)进行排序,预测区的成矿潜力排序为YC02、YC04、YC01和YC03。

4 结论与讨论

(1)巴基斯坦主要基岩出露区铜元素平均值为23.48×10-6,背景值为18.6×10-6。与地壳丰度值的比值为0.94,与我国铜元素丰度值的比值为1.17(或0.98),与我国西北地区、青藏高原的铜元素丰度相当。与成矿斑岩体有关的岩浆岩主要为新生代酸性岩和中生代酸性岩,铜元素的地球化学平均值分别为39.09×10-6和28.28×10-6,主要位于巴基斯坦的西北部和北部,富铜斑岩体是主要物质来源。

(2)以累积频率92%(38.9×10-6)为异常下限圈出13处铜元素异常,以致矿物质量为参数对异常进行排序,则Cu05、Cu01、Cu08、Cu13和Cu09号异常排序靠前,排序结果可作为找矿预测区评价的主要依据。

(3)1∶1 000 000国家尺度地球化学异常,在雷克迪克、山达克斑岩型铜矿上显示出较强的Cu、Au、Mo、Ag、Pb、Zn、Co、Cr等元素异常,与区域尺度地球化学数据建立的典型矿床地球化学元素组合模式一致,说明国家尺度地球化学异常对大型、超大型斑岩铜矿具有指示意义。

(4)利用Cu、Mo、Au和Ag为主要指示元素,Pb、Zn、Co、Cr、Sb等为指示元素圈定了4处斑岩型铜矿找矿预测区。预测区成矿潜力排序为YC02、YC04、YC01和YC03预测区。目前在YC01预测区已发现大型和超大型斑岩铜矿,在YC02和YC04预测区有望实现大型及以上斑岩铜矿找矿突破。

(5)巴基斯坦全境的基岩出露区跨度大,涉及地质背景复杂,1∶1 000 000尺度地球化学调查数据可能会漏掉一些铜异常信息。斑岩型铜矿与铜镍硫化物矿床的地球化学指示元素有重叠,应开展该地区铜镍硫化物矿床的研究。本文依据典型斑岩铜矿元素组合与1∶1 000 000地质矿产图显示的信息对斑岩铜矿进行预测仍存在局限性,应持续关注后期更详细的调查结果。

地球化学样品采集由中国地质调查局境外合作团队和巴基斯坦地质调查局合作完成,中巴地球化学调查合作团队为在巴基斯坦开展地球化学成矿条件研究提供了珍贵的研究基础,在此表示感谢。同时感谢审稿老师提出的宝贵意见。

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基金资助

中国地质调查局项目“陆域地球化学调查(西安地调中心)”(DD20230248)

“西部重点成矿带关键元素超常富集时空分布规律与战略资源效应”(U2244219)

国家自然科学基金项目(92055314)

国际地球科学计划项目(IGCP-741)

中国科学院海外科教合作中心部署项目(046GJHZ2023071MI)

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