秘鲁铜元素地球化学空间分布及对成矿远景区的预测

Geochemical spatial distribution of copper and mineral prospectivity prediction in Peru

摘要

秘鲁位于南美洲西岸，作为安第斯成矿带的重要组成部分，矿产资源丰富，铜矿资源储量和产量位居世界第二。本文首次对秘鲁开展全国范围全球尺度地球化学调查工作，获得汇水域沉积物样品共416件，秘鲁全境铜元素含量为2.38～495μg/g,背景值(中位数)为24.0μg/g。秘鲁全境、沿海带、安第斯山区和亚马孙平原的表层(深层)汇水域沉积物中铜元素平均含量依次为31.4(31.6)、45.6(32.2)、47.5(48.2)和21.3μg/g(24.9μg/g)。地球化学图显示，秘鲁铜空间分布整体呈现出西高东低的趋势，西部沿海带和中部安第斯山区含量较高，东部亚马孙平原区含量较低的特征。本文选用75%累积频率作为异常下限值，圈定出5处铜地球化学异常，其中两处达到地球化学巨省规模，两处达到地球化学域规模。同时，讨论铜地球化学异常的来源和影响因素，解析与之对应的矿产资源响应，秘鲁良好的构造演化环境，为大型、超大型铜矿床的形成提供有利条件。太平洋纳斯卡板块向南美大陆不断俯冲变换，致使洋壳发生部分熔融，产生强烈而广泛的中酸性岩浆活动，且岩浆中铜含量大规模富集，局部地区在特定环境下富集成矿。这一构造运动导致铜元素在秘鲁空间分布上呈现出多个地球化学块体，可能也是铜地球化学异常形成的原因之一。这些巨大的地球化学块体发现可用于未来寻找铜矿集区或大型、超大型铜矿床，圈定找矿远景区，并可以降低找矿风险，提高找矿效率，缩短找矿周期。研究圈定的地球化学找矿远景区，可为秘鲁铜矿勘查开发利用提供基础资料和数据。

关键词

秘鲁 / 铜 / 汇水域沉积物 / 地球化学填图 / 成矿远景区

Key words

Peru / copper / catchment sediment / geochemical mapping / metallogenic prospective area

0 引言

铜作为新一代信息技术、高端装备制造、新能源和新能源汽车等战略性新兴产业所需的核心矿产^[1],现已被中国、美国等国家和组织(如经济合作与发展组织)纳入关键材料(战略矿产)清单^[2⇓-4]。

秘鲁作为世界第二铜资源大国,铜矿资源储量和产量仅次于智利^[5],其铜矿类型以斑岩型为主(占全国总储量的88%)^[6],还分布有氧化铁型铜-金矿(IOCG)和夕卡岩型铜矿等^[5]。目前,对于利用地球化学方法指导铜矿勘查的应用,已有学者在秘鲁局部地区开展区域地球化学调查工作,或在已知矿区开展矿区尺度地球化学调查圈定找矿靶区。例如,刘君安等^[7]对秘鲁南部阿雷基帕省阿蒂科地区开展1∶100 000水系沉积物地球化学测量,结合成矿地质条件和元素分布特征,圈定阿祖卡、塞罗皮耶霍、帕姆帕和卡拉帕尔卡4处找矿远景区;李子鹏等^[8]对秘鲁南部晚白垩世斑岩型铜-钼矿成矿带中Baya铜矿区开展1∶10 000土壤地球化学测量,圈定综合异常共7处,铜异常的分布与角砾岩带和细粒钾长花岗岩分布相吻合,并经地表查证发现3处铜矿化体且矿化体的分布与铜异常浓度中心的分布高度一致;李子鹏等^[9]对秘鲁中南部Pucapuca铜矿区中部开展1∶2 000土壤地球化学测量,并结合地球物理探测资料圈定3处铜异常,经钻孔验证发现矿化体。以上案例充分说明地球化学调查方法对于铜矿床的发现具有重要指导意义。但整体而言,秘鲁缺乏系统的地球化学调查工作,尤其是覆盖全国的高精度高质量的地球化学填图工作,无法在全国范围有效确定秘鲁铜地球化学背景和勘探远景区。

“全球地球化学基准计划”(Global Geochemical Baselines)将整个地球陆域面积划分为约5 000个基准网格,每个网格大小为160 km×160 km,旨在了解化学元素在全球尺度上的分布情况,为研究全球变化提供参考基准,指导资源评价和环境监测^[10]。2016年,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,推动了全球地球化学填图蓬勃发展^[11]。经过近30年的努力,截至2022年,全球地球化学基准网覆盖面积累计达3 600万 km²,约占全球陆地面积的32%^[12]。根据中国秘鲁双方签署关于共同开展秘鲁全境低密度地球化学填图项目的合作协议,现已完成覆盖秘鲁全境约120万 km²的全球尺度地球化学基准网样品的采集和分析工作,有力推动了“化学地球”国际大科学计划的实施。地球化学勘查旨在通过分析地球化学元素的时空分布信息圈定地球化学异常,为寻找特定类型矿床提供直接有效的信息^[13⇓-15]。以铜元素为例,众多学者已利用地球化学块体等理论,在我国华南^[16-17]、中蒙边界^[18]、老挝^[19]和埃塞俄比亚^[20]等国家和地区的铜矿勘查划分出多个找矿远景区。

本文依托首次获得的秘鲁全球尺度汇水域沉积物地球化学数据,分析铜元素地球化学空间分布特征,讨论地球化学异常源和影响因素,解析与之对应的矿产资源响应,圈定地球化学找矿远景区,为秘鲁铜矿勘查开发利用提供基础资料和数据。

1 区域地质特征

秘鲁位于南美洲西岸,安第斯山脉贯穿南北,将全境自西向东分割为西部沿海带、中部安第斯山区和东部亚马孙平原,其气候分别为沙漠草原气候(气候温和、湿度大、降水量少)、热带山岳气候(夏季多雨,气温和湿度随海拔升高而下降)和热带雨林气候(高温多雨)^[21]。秘鲁可划分为两大地质构造单位,西部安第斯褶皱造山带和东部美洲地台,前者对应沿海干旱带和安第斯山区,后者则对应亚马孙平原。

秘鲁地层在前寒武系-新生界均有出露^[5]。前寒武系变质结晶基底主要出露于沿海基岩带南部^[22]。古生界沉积岩在西部安第斯褶皱造山带均有分布,其中以泥盆系-二叠系为主,海陆相交替沉积。古生界火山侵入岩则自西部沿海往安第斯山区呈现逐渐年轻化,奥陶系侵入岩(如San Nicolás基岩)出露于西南沿海带,而泥盆系-二叠系火山侵入岩广泛发育在安第斯山区(如Machu Picchu基岩带、Balsas和Cachicoto岩体等)^[23]。中生界普遍发育:(1)三叠系-侏罗系沉积岩和侵入岩主要分布于安第斯山区北部和沿海带南部,海相和火山沉积相交替沉积,代表性岩层有Punta Coles超单元、Mitu群火山碎屑岩和Oyotún组火山碎屑岩等;(2)白垩系沉积主要分布于安第斯山区北部,并呈现陆相、海相和火山沉积相交替沉积特征,代表性岩层如Goyllarisquizga群海相碎屑岩和碳酸盐岩等,而火山侵入岩则广泛发育于沿海带,代表性岩层有Paccho、Santa Rosa和Jecuán超单元等^[23]。新生界则以海相、陆相沉积和厚层火山岩堆积为代表:(1)沿海带代表性沉积岩层有始新统Salinas组海相沉积、更新统Cañete组陆相沉积和渐新统Calipuy组火山沉积等,代表性侵入岩层有古新统Li Mina超单元、始新统Challavienlo基岩和渐新统-中新统Catahuasi超单元;(2)安第斯山区以中新统-更新统陆相沉积、火山沉积和侵入岩为主,代表性岩层有上始新统砾岩序列Huanc组,渐新统-中新统的火山碎屑岩序列Tacaza群等^[24]和Andahuaylas-Yauri侵入基岩;(3)亚马孙平原以上新统-更新统陆相沉积为主。

区域构造上,秘鲁位于安第斯型大陆边缘中段,受太平洋纳斯卡板块中—新生代持续向南美大陆俯冲造山影响,发生了大规模、多期次的构造-岩浆活动,并伴随铜、钼、金和银等多金属大规模成矿事件^[5,25]。秘鲁境内多金属成矿带主要包括中侏罗世斑岩型铜钼矿带等28条,其中铜矿带多达17条^[26]。Rodríguez Morante等^[5]将秘鲁斑岩型铜矿矿化时期主要划分为3类:(1)白垩纪—始新世,分布有塞罗贝尔德、夸霍内和奎拉维科等巨型斑岩型铜矿;(2)始新世—渐新世,分布有安达维拉斯、阿普里马可等大型-超大型斑岩型铜矿;(3)中新世,分布有卡哈马卡、加莱诺里和奥布兰科等斑岩型铜矿。此外,秘鲁夕卡岩型铜矿主要分布在中部安第斯山区的中生代沉积带,与三叠纪—侏罗纪—白垩纪碳酸盐岩和古近纪—新近纪侵入岩接触^[5],而IOCG型铜矿则分布在西部沿海带,包括中—上侏罗世和下白垩世两条IOCG型铜铁金矿带^[26]。

2 样品采集、分析方法与数据处理

2.1 样品采集

全球地球化学基准网格为160 km×160 km^[10],根据经济承受力等情况,可将每一个基准网格划分为更小的4个子网格(80 km×80 km)或16个子网格(40 km×40 km)作为采样单元^[11]。秘鲁选择的采样网格单元为80 km×80 km,即80 km×80 km网格内采集1~2个代表性样品。

采样点位布置以能控制采样网格内最大汇水域为原则,采样介质以汇水域沉积物和泛滥平原沉积物为主,所有点位同时采集表层样品和深层样品,表层样品用于反映人类活动的影响,深层样品则用于代表自然地质背景^[27]。表层和深层样品分别采自0~25和100 cm深度以下,如果土壤剖面深度不足100 cm,则采集土壤C层样品。在每个采样点位上采集3个子样进行组合,3个点位大致呈等边三角形,每两点相距50 m以内,每个组合样品的质量约为5 kg,所有样品粒度小于2 mm(-10目)^[11,28]。秘鲁现阶段共采集样品416件,其中包括重复样32件,占总样品数的7.7%,控制面积约为120万 km²(图1)。

2.2 测试方法

所有样品分析测试工作均在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所分析测试中心实验室完成。样品在分析测试前先进行预处理:将样品放置空气中干燥,而后放入玛瑙钵体研磨至200目,留出一份样品(500 g)装进聚乙烯塑料瓶保存于储藏室,其余(500 g)送至实验室进行分析测试。具体样品制备和分析测试流程参见文献[29]。

针对Cu元素的分析测试,具体如下:称取0.25 g样品放于聚四氟乙烯烧杯中,加入10 mL HF、5 mL HNO₃和2 mL HClO₄并置于200 °C电热板上加热分解、蒸干,取下稍冷后加入8 mL王水在电热板加热溶液至3~5 mL。用约10 mL去离子水冲洗杯墙,微热至溶液清亮。冷却后将溶液移至25 mL聚乙烯试管中,用水稀释定容至25 mL,分取1 mL澄清溶液,用2% HNO₃稀释至10 mL,摇匀待测^[29]。根据相关分析测试标准方法^[29],使用由Thermo Fisher Scientific(USA)公司研发的电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定样品中的Cu含量。采用国家一级土壤地球化学标准物质GSS2a、GSS39、GSS43和GSS44进行测量精度监控,其和重复样测量值误差均在5%以内,标准物质和重复样品合格率均为100%,检测限为1 μg/g。

2.3 数据成图

秘鲁汇水域沉积物中铜元素地球化学图采用ArcGIS Desktop 10.8制作。秘鲁铜元素网格等值线图从GeoExpl 2024(International)中以shp格式导出,然后加载进ArcGIS Desktop 10.8 中完成秘鲁汇水域沉积物中铜元素地球化学图和异常图的绘制。在GeoExpl 2024 (International)中对原始数据进行离散数据网格化处理。采用指数距离加权计算模型和圆域搜索模式,指数因子为5,网格单元间距为40 km,搜索半径网格间距为160 km。网格等值线采用累积频率分级法编制^[30],累积频率按2.5%、7.5%、15%、25%、37.5%、50%、62.5%、75%、85%、92.5%和97.5%划分为11级,并以四分位数(25%、50%和75%)对应铜含量分别作为低背景、中背景和高背景地球化学背景值^[30]。勘察数据分析(EDA)技术中的中位值(50%分位数)属于稳健统计学参数,具有很强的抵抗“野”数据干扰的能力^[31-32]。因此,选择样品的中位数作为秘鲁全国铜元素地球化学背景值。

3 结果与讨论

3.1 秘鲁铜元素地球化学参数特征

秘鲁全境和不同地理单元汇水域沉积物中铜元素地球化学参数特征列于表1和图2。秘鲁全境汇水域沉积物中铜元素的背景值为24.0 μg/g。秘鲁表层和深层的铜地球化学参数特征略有差异:表层汇水域沉积物铜含量为2.38~364.0 μg/g,平均值为31.4 μg/g,其低背景、中背景和高背景值分别为15.5、24.1和37.4 μg/g,异常下限为49.0 μg/g;而深层汇水域沉积物铜含量为5.38~495.0 μg/g,平均值为31.6 μg/g,其低背景、中背景和高背景值分别为15.9、23.8和35.4 μg/g,异常下限为45.0 μg/g(表1、图2)。

不同景观区各地理单元汇水域沉积物中铜元素特征各具特点。沿海带和安第斯山区的表层和深层铜含量均高于秘鲁全境铜含量的背景值(24.0 μg/g),其中沿海带的表层铜含量平均值(45.6 μg/g)远高于深层铜含量平均值(32.2 μg/g),安第斯山区表层和深层的铜含量平均值相近,分别为47.5和48.2 μg/g。而亚马孙平原则差异较小,铜含量整体偏低,其表层和深层的平均铜含量分别为21.3和24.9 μg/g,其中深层平均铜含量高于秘鲁全境铜含量的背景值(表1、图2)。

总体而言,秘鲁全境汇水域沉积物中铜元素在表层和深层的分布较为均衡,其表层与深层比值的背景值(0.97)和平均值(1.29)相近。但各地理单元间铜元素在表层和深层的分布则呈现出较大差异:亚马孙平原铜的表层与深层比值为0.91,略低于秘鲁背景值(0.97),而沿海带和安第斯山区铜的表层与深层比值分别为1.57和 2.05,远高于秘鲁背景值,说明受到后期表生作用影响较大。

3.2 秘鲁铜元素的空间分布

秘鲁汇水域沉积物中铜元素的地球化学图(图3、图4)显示,其表层和深层的铜元素空间分布特征相对一致,只在东部亚马孙平原区略有不同。总体上,受太平洋纳斯卡板块中—新生代持续向南美大陆俯冲造山作用的影响,秘鲁铜元素空间分布不均并表现出西部沿海带和中部安第斯山区含量较高,东部亚马孙平原区含量较低的分布格局。

其中,秘鲁沿海带和安第斯山区表层和深层的铜元素空间分布特征基本一致(图3、图4)。在秘鲁安第斯山区北部的卡哈马卡省,沿海带和安第斯山区北部过渡地带的特鲁希略省和安卡什省地区,秘鲁安第斯山区中部(包括利马省东北部—瓦努科省西南—帕斯科省和胡宁省西部地区)、中南沿海带的伊卡省中北部地区,秘鲁安第斯山区中南部的阿普里马克省—阿雷基帕省东北部—库斯科省西南部地区,以及西南沿海带和安第斯山区南部的阿雷基帕省—莫克瓜省—塔克纳省均存在大面积高值区,而秘鲁地区主要低值区则以西北沿海带的皮乌拉省和亚马孙平原区的圣马丁省—乌卡亚利省—马德雷德迪奥斯省为主。

值得注意的是,秘鲁亚马孙平原区的表层和深层铜元素空间分布则表现出明显差异。其中,表层铜元素高值区(37.4 μg/g)仅出现在亚马孙平原洛雷托省的马拉尼翁河流域中部地区,而深层铜元素高值区(35.4 μg/g)分布较广,不仅出现在亚马孙平原洛雷托省的纳波河和普图马约河间的北部地区,而且在马拉尼翁河流域中部地区和亚马孙河流域中部地区,东南部的安第斯山区和亚马逊平原过渡区域(包括库斯科省东部—马德雷德迪奥斯省西部地区)也有较大面积出现(图3、图4)。

3.3 秘鲁铜元素地球化学异常特征

秘鲁汇水域沉积物中铜元素地球化学异常统计参数列于表2。其中,秘鲁汇水域沉积物中铜元素地球化学异常图以累积频率75%所对应的铜含量(表层为41.1 μg/g,深层为36.6 μg/g)作为异常下限值,并以满足地球化学异常套合特征或异常范围内存在连续异常点为原则^[33-34]。异常区编号原则为“地理景观分区(I、II和III,分别指西部沿海带、中部安第斯山区和东部亚马孙平原)-表层(T)/深层(D)-序号”,按从北到南的编排序号。若横跨两个及以上的构造区域,则以异常面积最大的区域编号(图5、图6)。

地球化学模式(地球化学省)是指某种元素或多种元素含量明显高于地壳平均值,且该高值区域具有较大的分布范围^[35]。可根据分布面积,将其划分为局部异常(<100 km²)、区域异常(100~1 000 km²)、地球化学省(1 000~10 000 km²)、地球化学巨省(10 000~100 000 km²)、地球化学域(100 000~1 000 000 km²)和地球化学洲(>1 000 000 km²)^[14]。谢学锦等^[14]将面积大于等于1 000 km²地球化学省范围的巨大岩块统称为地球化学块体。这种地球化学块体能够为大型、巨型矿床的形成提供足够的物质供应基础。而本次研究所采用的超低密度(1个组合样品/1 600 km²)的地球化学填图方法,目的就是圈定地球化学巨省或地球化学域^[14]。在全球尺度,秘鲁地区可圈定表层铜地球化学异常共计4处,其中3处达到地球化学巨省规模(II-T1、II-T2和III-T1),一处达到地球化学域规模(II-T3)^[14](图5);可圈定深层铜地球化学异常8处,其中两处达到地球化学省规模(II-D1和III-D3),5处达到地球化学巨省规模(I-D1、II-D2、II-D3、III-D1和III-D2)(图6),一处达到地球化学域规模(II-D4)。秘鲁表层和深层的铜地球化学异常区共有4个区域高度重合,分别为II-T1(II-D2)、II-T2(I-D1和II-D3)、II-T3(II-D4)和III-T1(III-D2)(图5、图6)。

3.4 秘鲁铜元素地球化学异常空间分布

3.4.1 卡哈马卡铜地球化学省(II-D1)

II-D1面积为2 168 km²,达到地球化学省规模(图6)。II-D1有一个异常点,异常强度和异常衬度分别为2.90和1.54(表2)。该地球化学省位于秘鲁北部卡哈马卡省,以新元古界片岩-片麻岩、中侏罗统火山-沉积岩、始新统-古新统侵入岩和中新统陆相碎屑沉积为主。

该异常区内分布着两条与铜相关的多金属成矿带:(1)中新世斑岩-夕卡岩铜等多金属成矿带,分布有Rio Blanco 超大型Cu-Mo矿,矿化年龄约为11.2 Ma,其形成与秘鲁北部Quechua II造山期有关^[36-37];(2)Au-Ag浅层热液多金属成矿带,分布有La Granja超大型Cu-Au-Ag矿和Canariaco Norte大型Cu-Au-Ag矿等^[38]。卡哈马卡铜地球化学省表层与深层样品中铜含量比值的平均值为1.06(图7),说明表层和深层铜来源基本一致,主要来自金银铜矿床^[26]。

3.4.2 特鲁希略—安卡什铜地球化学巨省(II-T1和II-D2)

II-T1和II-D2面积分别为40 978和22 397 km²,均达到地球化学巨省规模(图5、图6)。II-T1有8个异常点,异常强度和异常衬度分别为1.52和0.74;II-D2有5个异常点,异常强度和异常衬度分别为2.15和1.15(表2)。该地球化学巨省主体位于秘鲁沿海带和安第斯山区北部过渡地带的特鲁希略省和安卡什省,在卡哈马卡省南部有小面积分布。在岩石地层组成上,主要包括下白垩统海-陆相沉积岩与火山-沉积岩(如Casma群)、上白垩统岩浆侵入岩(如Humayay Cochahuasi超单元)、古新统岩浆侵入岩、渐新统火山-沉积岩和中新统火山-沉积岩。沿海岸线平行发育7条下白垩统构造断裂带。

该异常区内没有形成专门的铜成矿带,但分布着两条与铜矿相关的金银浅层热液矿床带,分别如下:(1)高硫化浅成热液沉积型金银矿床带,其存在于下白垩统Goyllarisquizga群硅质碎屑岩中,矿化年龄为17~14 Ma^[26]。矿带分布着Cascabamba Cu-Au矿、Lgor Cu-Ag-Au矿和La Arena Au-Cu-Ag矿等。(2)中新世浅成热液型金银矿床,分布有Pachagón Cu-Au矿、Eposuyay Cu矿、Llaguén Cu矿、Quiruvilca Cu-Ag-Pb-Zn矿和Alto Dorado Au-Cu矿等铜矿床(表3^[38])。特鲁希略—安卡什铜地球化学巨省表层与深层样品中铜含量比值的平均值为1.58(图7),表层铜含量较高可能与该区域近期大规模铜矿开发利用有关。

3.4.3 利马—伊卡铜地球化学域(II-T2、I-D1和II-D3)

II-T2、I-D1和II-D3面积分别为63 125、14 333和68 663 km²,均达到地球化学巨省规模(图5、图6)。II-T2有8个异常点,异常强度和异常衬度分别为2.70和1.32;I-D1有一个异常点,异常强度和异常衬度分别为3.14和1.68;II-D3有6个异常点,异常强度和异常衬度分别为4.83和2.58(表2)。利马—伊卡铜地球化学域可细分为北部的利马铜地球化学巨省和西南部的伊卡铜地球化学巨省。

(1)利马铜地球化学巨省横跨沿海带和安第斯山区,分布于利马省—瓦努科省西南—帕斯科省和胡宁省西部地区。自沿海带往东至安第斯山区,地层从更新统Cañete组陆相沉积、下白垩统-上白垩统Casma群Lancones组火山-沉积岩、上白垩统火山-侵入岩再到渐新统火山-沉积岩、下白垩统海相与海陆相沉积、上白垩统-古新统陆相沉积、始新统Sacsaqueroy Tantará组火山-沉积岩、中新统Nazcay Huaylillas组火山岩和乐平统Mitu组陆相沉积。

利马铜地球化学巨省内主要存在10条成矿带,其中与铜相关的多金属相关成矿带发育有6条:(1)古新世—始新世斑岩型Cu-Mo带和岩浆岩型多金属成矿带,分布有Raúl Condestable (Cu-Au-Ag-Zn-Pb)矿床等;(2)晚白垩世岩浆岩型Au-Pb-Zn-Cu成矿带,分布有Palma (Zn-Pb-Cu-Ag-Au) 矿床等;(3)晚白垩世—古新世火山成因块状硫化物Pb-Zn-Cu成矿带,分布有Lllari和Invicta金矿,但暂未发现铜矿床,具有很好的找矿前景;(4)中新世斑岩型Cu-Mo(Au)、夕卡岩型Pb-Zn-Cu(Ag)和岩浆岩型多金属成矿带,分布有Ariana (Cu)、Iscaycruz (Zn-Pb-Cu-Ag)、Casapalca (Ag-Zn-Pb-Cu)、Morococha (Cu-Zn-Pb-Ag)和Toromocho Expansion (Cu-Zn-Pb-Ag-Mo)等矿床,矿化年龄为18~13 Ma;(5)始新世—渐新世—中新世多金属成矿带,受控于NW-SE向的La Oroya-Huancavelica和Cerro de Pasco-Ayacucho构造断裂系统,发育有El Porvenir (Pb-Zn-Ag-Cu)、Atacocha (Zn-Pb-Ag-Cu)和Quicay (Au-Ag-Cu)等矿床;(6)二叠纪斑岩-夕卡岩型Mo-Au-Cu-Pb-Zn成矿带,受控于Cerro de Pasco-Ayacucho和Tamburco-Patacancha构造断层系统,发育有Loma Linda金矿,暂未发现铜矿床,但在该成矿带南部分布有Cobriza大型夕卡岩型铜矿床,该区具有很好的找矿前景^[26]。

其中,莫罗科查Morococha大型和特罗莫克Toromocho超大型铜钼矿位于利马铜地球化学巨省II-T2和II-D3范围内(图5、图6、表3^[38])。莫罗科查地区的特罗莫克Toromocho超大型斑岩-夕卡岩型铜钼矿,其赋存的花岗闪长岩、长石斑岩、石英斑岩和英安斑岩岩体形成于9.4~7.3 Ma,并伴随多期次蚀变矿化事件,其中铜钼矿化主要发生在8.0~7.8 Ma^[39]。利马铜地球化学巨省表层与深层样品中铜含量比值平均值为3.15,说明表层铜含量远超深层铜含量(图7),这可能与该区域大规模铜矿开发利用有关。

(2)伊卡铜地球化学巨省位于秘鲁沿海带的伊卡省,以上白垩统火山-侵入岩、下白垩统-上白垩统Casma群Lancones组火山-沉积岩和上侏罗统Guaneros组火山-沉积岩为主,分布有5条沿海岸线平行的构造断裂带。

异常区内分布有中—晚侏罗世和早白垩世两条Cu-Fe-Au型 IOCG成矿带。伊卡铜地球化学巨省表层与深层样品中铜含量比值的平均值为1.16(图7),说明表深层铜来源基本一致,推测来自Cu-Fe-Au 型IOCG成矿带^[26]。

3.4.4 库斯科—阿普里马克—阿雷基帕—莫克瓜地球化学域(II-T3和II-D4)

II-T3和II-D4面积分别为128 026和120 466 km²,均达到地球化学域规模(图5、图6)。II-T3有17个异常点,异常强度和异常衬度分别为1.45和0.71;II-D4有17个异常点,异常强度和异常衬度分别为2.35和1.26(表2)。该地球化学域横跨库斯科、马德雷德迪奥斯、阿普里马克、阿雷基帕、普诺、莫克瓜和塔克纳7个省,从北到南可细分为库斯科—马德雷德迪奥斯铜地球化学巨省、库斯科—阿普里马克—阿雷基帕铜地球化学巨省和阿雷基帕—莫克瓜—塔克纳铜地球化学巨省。

(1)库斯科—马德雷德迪奥斯铜地球化学巨省位于安第斯山区与亚马孙平原过渡区域的库斯科省东部—马德雷德迪奥斯省西部地区,地层以下三叠统-乐平统火山侵入岩、志留系Ananea组变质沉积岩和奥陶系Contaya组变质沉积岩为主,还分布有乐平统Mitu群Eney Mainique组陆相沉积、乌拉尔统Tarmay Copacabana群海相沉积、密西西比亚系Ambo群陆相沉积、中泥盆统Cabanillas群海相沉积和新元古界片岩、片麻岩。

该地球化学巨省现已探明的铜矿有Cotabambas (Cu-Au)、Morosayhuas (Cu)和San Antonio(Cu)等矿床^[26](表3^[38])。库斯科—马德雷德迪奥斯铜地球化学巨省表层与深层样品中铜含量平均值分别为33.0和51.5 μg/g,均高于秘鲁背景值(24.0 μg/g),其表层与深层样品中铜含量比值的平均值为0.78(图7),这可能与该区域的地理区位有关,具体原因需要进一步的研究工作,本文在此不做过多阐述。

(2)库斯科—阿普里马克—阿雷基帕铜地球化学巨省位于秘鲁安第斯山区中南部的阿普里马克省—阿雷基帕省中部和北部—库斯科省西南部地区。该地区岩性复杂多样,以火山-侵入岩和火山-沉积岩为主,可分为4个区域。北部地层以渐新统-始新统Andahuaylas-Yauri火山-侵入岩基岩带为主,还分布有上白垩统-古新统陆相沉积、下白垩统-上白垩统Moho组海相沉积和上白垩统-下侏罗统Yura群Muniy Huambutio组海陆相沉积;中部以更新统Barroso组火山岩和中新统火山-沉积岩为主;南部以更新统Andahua群火山岩、渐新统火山-沉积岩和上白垩统-下侏罗统Yura群Muniy Huambutio组海陆相沉积岩为主;西南部以上侏罗统岩浆侵入岩Tiabayay Linga 超单元、中新统-渐新统火山岩与火山-沉积岩、上新统Changuillo组陆相沉积与Barroso群火山岩和更新统陆相沉积为主^[23]。

库斯科—阿普里马克—阿雷基帕地球化学巨省内存在6条成矿带,从北到南依次如下:(1)Andahuaylas-Yauri成矿带,是秘鲁南部最主要的斑岩-夕卡岩带之一^[40],分布有Las Bambas (Cu-Mo-Au-Ag)、Los Chancas (Cu-Mo-Au)、Trapiche (Cu-Mo)、Constancia (Cu-Mo-Au-Ag)等铜多金属矿床,矿化年龄为42~30 Ma^[40];(2)中新世浅成低温热液型Au-Ag成矿带,分布有Utupara (Cu-Au)、Ccarhuaraso (Au-Ag-Cu) 和Caylloma (Pb-Ag-Zn-Cu)等铜多金属矿床;(3)晚白垩世斑岩型Cu-Mo成矿带,分布有Pecoy (Cu-Mo)和Aguas Verdes (Cu)等矿床;(4)晚白垩世与侵入岩相关的铜等多金属成矿带,分布有Chapiyos (Cu)、Lourdes (Cu)和Cobrepampa (Cu-Fe-Au)等矿床;(5)早白垩世IOCG Fe-Cu-Au成矿带,分布有Acari (Cu-Au)和Amauta(Cu)等矿床;(6)中—晚侏罗世IOCC型Fe-Cu-Au成矿带,分布有Paraiso (Cu)等矿床^[26](表3^[38])。该铜地球化学巨省表层与深层样品中铜含量比值的平均值为2.02(图7),这可能与该区域大规模铜矿开发利用有关。

(3)阿雷基帕—莫克瓜—塔克纳铜地球化学巨省位于秘鲁安第斯山区南部的阿雷基帕—莫克瓜—塔克纳省。地层分布着全新统陆相沉积、更新统Barroso群火山岩、上新统Millo组陆相沉积、上新统Senca组火山岩、中新统Nazcay Huaylillas组火山岩和火山-沉积岩、上白垩统-古新统的火山-侵入岩、下白垩统侵入岩(如Llo超单元)、上侏罗统海陆相沉积和中侏罗统火山-侵入岩(如Punta Coles超单元)等。

该地球化学巨省主要分布有5条与铜相关的成矿带:(1)始新世—渐新世斑岩-夕卡岩型Cu-Mo和与侵入岩相关的Cu-Au-Fe成矿带,分布有San Gabriel (Au-Cu)等矿床;(2)古新世—始新世斑岩型Cu-Mo成矿带,控矿断裂系统为西北至东南向的Incapuquio断层,该成矿带是秘鲁最重要的斑岩型铜矿带之一,发育有大型和超大型的Cerro Verde (Cu-Mo) 、Cerro Negro (Cu-Mo) 、Pampa Negra (Cu) 、Los Calatos (Cu-Mo) 、Cuajone (Cu-Mo-Au) 、Quellaveco (Cu-Mo)和Toquepala(Cu-Mo-Au)等矿床,矿化年龄为62~52 Ma^[26];(3)晚白垩世斑岩型Cu-Mo成矿带,矿化与白垩纪花岗岩侵入有关,矿化年龄为80~68 Ma^[26],分布有Ataspaca (Cu-Pb-Zn)等矿床;(4)中侏罗世斑岩型Cu-Mo成矿带,构造上由西北至东南向Ica-Islay-Llo断层系统控制,发育有Tía María (Cu-Mo)等矿床,矿化年龄为166~155 Ma;(5)早白垩世IOCC型Fe-Cu-Au成矿带,分布有Corvinon (Cu)等矿床(表3^[38])。阿雷基帕—莫克瓜—塔克纳铜地球化学巨省表层与深层样品中铜含量比值的平均值为1.41(图7),说明表层铜含量较高可能与该区域近期大规模铜矿开发利用有关。

3.4.5 亚马孙铜地球化学巨省(III-T1、III-D1、III-D2和III-D3)

III-T1、III-D1、III-D2和III-D3面积分别为18 859、18 139、68 549和4 120 km²,前3个异常区达到地球化学巨省规模,后者为地球化学省规模(图5、图6),其中III-T1重叠于III-D2区域内。III-T1有两个异常点,异常强度和异常衬度分别为2.40和1.17;III-D1有4个异常点,异常强度和异常衬度分别为2.07和1.10;III-D2有10个异常点,异常强度和异常衬度分别为2.34和1.25;III-D3有一个异常点,异常强度和异常衬度分别为2.95和1.57(表2)。该地球化学巨省位于亚马孙平原洛雷托省的纳波河和普图马约河间的北部地区、马拉尼翁河流域中部地区和亚马孙河流域中部地区。地层以更新统-全新统陆相沉积为主。该地球化学巨省表层与深层样品中铜含量比值的平均值为0.76(图7)。

3.5 秘鲁铜元素地球化学块体与矿床资源的响应

地球化学块体与矿集区的关系密不可分,有矿集区出现的地方一定存在对应的地球化学块体,同时地球化学块体也为大型、超大型矿床的形成提供了巨量的成矿物质^[14,41]。该理论为全球尺度地球化学填图利用极低密度采集汇水域沉积物或泛滥平原沉积物,绘制全球尺度地球化学图并开展矿产资源评价奠定了基础。

秘鲁共圈定5处铜地球化学省(巨省和域),分别为卡哈马卡铜地球化学省、特鲁希略—安卡什铜地球化学巨省、利马—伊卡铜地球化学域、库斯科—阿普里马克—阿雷基帕—莫克瓜地球化学域和亚马孙铜地球化学巨省(图5、图6)。这些地球化学块体的发现可被利用寻找铜矿集区或大型、超大型铜矿床,圈定找矿远景区,并可以降低找矿风险,提高找矿效率,缩短找矿周期^[41]。

与此同时,良好的构造演化环境,为大型、超大型铜矿床的形成提供了有利条件。南美安第斯成矿带是世界上最为重要的斑岩型铜金成矿带之一。秘鲁位于安第斯成矿带的北部,发育众多斑岩型铜矿。沿安第斯山脉自西向东,铜矿类型和成矿时代表现出规律性变化:(1)IOCG型和热液型铜矿主要分布在海拔2 000 m以下的沿海带,成矿时代为侏罗纪—白垩纪,成矿作用主要与侏罗纪—白垩纪岩浆活动有关;(2)斑岩型铜矿则主要分布在海拔3 000 m以上的高山或高原区,成矿时代主要为70~30 Ma,成矿作用多与晚白垩世—古近纪—新近纪岩浆活动有关^[42]。铜矿带的成矿时代,整体表现为从西向东逐渐年轻,这可能是南美大陆一直受到长期太平洋纳斯卡板块向东俯冲作用的结果^[43-44]。俯冲作用致使南美大陆西缘不断遭受强烈构造变形,形成褶皱山系,并逐渐向西增生,最终形成增生型大陆边缘。伴随俯冲作用,产生强烈而广泛的中酸性岩浆-火山活动,同时,也为铜、金等多金属矿化创造了良好的成矿构造环境。

现阶段多数大型、超大型斑岩型铜金矿床都与正在俯冲的洋中脊密切相关^[45-46],包括秘鲁境内绝大多数斑岩型铜矿床。处于南美安第斯成矿带的秘鲁地区,经历了洋中脊多阶段俯冲作用,从早期的高角度到后期的低角度。在洋中脊俯冲南美大陆过程中,年轻的、热的洋壳易于发生脱水部分熔融作用形成高氧逸度、高硫逸度的埃达克岩岩浆^[47]。因铜为中等不相容元素,铜在洋壳中的丰度为74.4 μg/g^[48],远高于地幔(30 μg/g)^[49]和陆壳的丰度(27 μg/g)^[50],故洋壳熔融所产生的岩浆将具有更高的铜含量,这将有利于斑岩型铜矿的形成。但并不是所有的斑岩型铜矿都与洋脊俯冲有直接关系, 其他能够发生俯冲洋壳部分熔融的过程, 如平板俯冲、新生洋壳俯冲、板片撕裂部位和俯冲板片的边缘,也可产生埃达克岩和相关的斑岩型铜矿及其相关矿床^[47]。总之,太平洋纳斯卡板块洋壳的部分熔融作用,可以使产生的岩浆中铜含量大规模富集,局部地区在特定环境下富集成矿,在铜元素的空间分布上则呈现出多个地球化学块体,这一构造运动可能也是秘鲁地区铜地球化学异常形成的原因之一。

4 结论

首次对秘鲁开展全国范围全球尺度地球化学调查工作,获得高质量的铜地球化学数据,研究结果如下。

(1)秘鲁全境、沿海带、安第斯山区和亚马孙平原不同地理单元的表层(深层)汇水域沉积物中铜元素平均值含量依次为31.4(31.6)、45.6(32.2)、47.5(48.2)和21.3 μg/g(24.9 μg/g)。秘鲁铜地球化学整体呈现出西部沿海带和中部安第斯山区含量较高,东部亚马孙平原区含量较低的特征。

(2)以75%累积频率作为异常下限值,圈定5处铜地球化学异常,其中两处达到地球化学巨省规模,两处达到地球化学域规模。这些地球化学块体的发现可用于未来寻找铜矿集区或大型、超大型铜矿床,圈定找矿远景区。

(3)良好的构造演化环境,为大型、超大型铜矿床的形成提供了有利条件。太平洋纳斯卡板块洋壳俯冲,产生的岩浆中铜含量大规模富集,导致铜元素在秘鲁地区空间分布上呈现出多个地球化学块体,这可能也是铜地球化学异常形成的原因之一。

本次基础性、战略性的全球尺度地球化学调查工作,可迅速掌握铜在秘鲁的空间分布特征,为后续国家尺度地球化学调查奠定基础,为秘鲁铜矿远景区预测和环境监测指明方向。

对参与秘鲁全球尺度地球化学样品采集工作的全体人员,中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所中心实验室在分析测试中提供的帮助,以及责任编辑和审稿人提出的建设性评审意见,在此一并表示诚挚的谢意。

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基金资助

中国地质调查局地质调查项目(DD20190451)

中国地质调查局地质调查项目(DD20221807)

地球观测组织(GEO)项目(WP23_25)

国家自然科学基金项目(U2244219)

国家自然科学基金项目(41903025)

物化探所中央财政科研项目结余资金资助项目(JY202106)

河北省重大科技成果转化项目(19057411Z)

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(AS2024J03)

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(AS2022P03)

深地国家科技重大专项(2024ZD1002402)