钒钛磁铁矿床关键金属钴的地球化学特征

时间：2024-10-27

李石磊，张敏，林建，张国礼，范仕贵

（1.四川省川威集团有限公司矿业总公司，四川成都 610100；2.会理县财通铁钛有限责任公司，四川凉州 615100）

峨眉山大火成岩省内带的四川攀枝花-西昌地区发育一系列基性-超基性层状含矿岩体，蕴藏着巨大经济价值的含Fe-Ti氧化物矿床与Cu-Ni 硫化物矿床[1](宋谢炎等，2018),是我国重要的Fe、Ti 和Ni 等金属生产基地。攀西的含矿岩体和成矿域沿南北向断裂带展布，从北向南为太和、白马、新街、红格、攀枝花等。攀西是除发育钒钛磁铁矿床外，含矿的基性-超基性岩体中还赋存一定规模的岩浆型Cu-Ni 硫化物矿床，如杨柳坪Cu-Ni-PGE 矿床[2](Songet al.,2006)、冷水箐Cu-Ni-PGE 矿床[3](苟体忠等，2010)、力马河Cu-Ni 矿床[4](陶琰等，2007)、白马寨Cu-Ni 矿床[5](石贵勇等，2006)、朱布PGE 矿床[6](Tangetal.,2013)，金宝山矿床[7](卢宜冠与和文言，2018)，关于该类型Cu-Ni 硫化物矿床的形成时代、构造环境和成矿环境等均做了大量工作，总体上认为它们具有相似的形成时代和成矿机制[8](尤敏鑫等，2017)，为该地区铜镍硫化物成矿作用积累大量资料。

攀西地区除了上述独立的Cu-Ni 硫化物矿床之外，在钒钛磁铁矿中还赋存着大量与其共生的钴镍硫化物，对该类型硫化物矿的研究较为缺乏。作者在会理县白草矿区的工作时，发现钒钛磁铁矿中发育有大量的钴镍硫化物，呈乳滴状、蠕虫状等分布在钒钛磁铁矿中，关于硫化物矿成因机制和成矿背景还没有系统的研究。因此，本文选择会理县白草矿区的钒钛磁铁矿中共生的硫化物作为研究对象，对其进行系统的岩相学、地球化学研究，讨论钴镍硫化物形成机理和地球化学特征，为该地区Cu-Ni 硫化物矿床成矿机制研究提供一定的理论支持。

1 区域地质背景

攀西地区位于扬子陆块与松潘-甘孜活动带的西南结合部，峨眉山大火成岩省(ELIP)之内，与三江造山带毗邻，是岩浆、构造、成矿等地质作用非常活跃的区域。峨眉山玄武岩-层状岩体-正长岩的“三位一体”岩石组合是重要的成矿标志[1](宋谢炎，2018)。含矿岩体形成年代学研究表明，其形成于二叠纪末期[9-13](Zhou et al.,2008；Zhou et al.,2002；2005；Zhong and Zhu,2006；Zhong et al.,2011；She et al.,2014)，含矿层状岩体与峨眉山大火成岩是同成因形成的。

攀西地区地质构造极其复杂，东部及中部位于扬子陆块西南缘，包括盐源-丽江前陆逆冲-推覆带、康滇断隆带、上扬子地块三部分。中部的康滇断隆带由南北向断裂带与其间的基底、盖层组成。上扬子地块构造比较简单，属盖层构造，与康滇断隆带盖层构造一致。盐源-丽江前陆逆冲-推覆带位于扬子陆块与松潘-甘孜活动带的结合部。攀西地区含矿镁铁－超镁铁质岩体沿着南北向断裂带分布，受不同的南北向断裂带的控制作用很明显。

攀西地区的基底分别由结晶基底及成层褶皱基底组成，前者以康定杂岩为代表；后者由变质碎屑岩、碳酸盐岩等组成。震旦系为中酸性火山熔岩及火山碎屑岩，角度不整合覆于元古代褶皱基底之上；上震旦统以大套白云岩为主。古生界为碳酸盐岩、碎屑岩、变质碎屑岩夹凝灰岩、条带状的灰岩、硅质岩及生物灰岩等。下、中三叠统地层陆相碎屑岩向海相碳酸盐岩过渡。侏罗系—古近系以陆相砂岩、泥岩为主。第四系冲、洪积阶地堆积物多沿河流和构造断陷盆地分布。

2 矿区地质特征

白草矿区含矿层是红格含钒钛磁铁矿层状基性—超基性岩体一部分，位于红格岩体的东北部，沿南北走向呈带状展布。区内出露岩石以基性-超基性岩侵入体、基性火山岩、碱性正长岩及各种岩脉为主。岩浆岩占全区总面积的90%以上，前震旦系变质岩、第四系残破积、冲洪积层占面积不足10%。矿区内发育南北、北西、东西向三组断裂构造。南北向断裂是区内主断裂、控矿构造，北西和东西向断裂对矿体和围岩造成破坏。

矿区内含矿岩体为辉长岩、辉石岩二个岩相带，顶底板均为玄武岩。上部的辉长岩相带由流状辉长岩和底部条带状辉长岩组成。下部的辉石岩相带为矿区主要含矿层位，主要由含长辉石岩、辉石岩夹橄辉岩和橄榄岩薄层组成，其底部已被玄武岩所破坏。

白草钒钛磁铁矿体矿体与辉石岩、辉长岩呈韵律重复交替产出，矿体厚度与辉石岩、辉长岩厚度不一，产状与含矿岩层相同，向西倾、倾角为26°～52°，呈似层状、层状、透镜状产出。矿石矿物主要为钛磁铁矿、钛铁矿、硫化物矿等，脉石矿物主要为普通辉石、斜长石、角闪石、橄榄石、磷灰石等。矿石结构以海绵陨铁结构、填隙状结构为主，构造以浸染状和块状构造为主。

3 样品采集与分析

在白草矿区选择典型钒钛磁铁矿体采集样品，分别为稀疏浸染状和块状钒钛磁铁矿样品，一般硫化物矿物含量约为2%～3%，最高可达5%。根据镜下鉴定结果，选择46 件样品送实验室分析。元素分析在澳实分析检测有限公司进行的，地球化学分析采用仪器为ICP-MS Perkin Elmer Elan 9000 及ICP-AES Agilent VISTA，分析精度优于10%。

4 结果

4.1 硫化物赋存形式

钒钛磁铁矿中与之密切共生的硫化物矿物，一般呈星散浸染状、细脉浸染状构造产出，呈乳滴状、不规则状、星点状、细脉状分散在其它矿物中或之间。硫化物主要有磁黄铁矿、黄铁矿、黄铜矿、钴镍黄铁矿、紫硫镍矿等组成；矿石中还可见少量的砷化物等(图1)。根据电子探针分析结果显示，钴的赋存矿物为辉钴矿、钴镍黄铁矿、紫硫镍矿、磁黄铁矿等。

4.2 矿床地球化学特征

含硫化物的钒钛磁铁矿中关键金属Co、Ni、Cu 等含量较高，Co 含量为159±51μg/g，最高为240μg/g，最低为38.8μg/g；Ni 含量为634±588μg/g，最高为2680μg/g，最低为4.2μg/g；Cu的含量为471±544μg/g，最高为2990μg/g，最低为10μg/g。Co元素含量大于180μg/g 样品有19 件，一般Co 大于100μg/g，具有综合利用的价值。Co 等含量分布见图2。系统矿物学研究和电子探针分析表明，Co 主要赋存在硫化物中，主要的赋存矿物有磁黄铁矿、钴镍黄铁矿、紫硫镍矿等。

Co(钴)与其它金属元素的相关图解上(图3)，显示出钴与铁、钛、硫有很好的正相关关系，钴与铜、镍有较好的正相关关系，钴与镁、钪呈现倒三角(或扇形)的负相关关系，钴与砷没有相关系。

图1 白草矿区钒钛磁铁矿钴镍硫化物镜下照片

图2 白草矿区Co、Ni、Cu 等元素含量直方图

5 数据分析

5.1 因子分析

因子分析是指从多变量中提取公共因子，将多个变量用少数因子替代，达到将复杂问题简单化的目的。将其应用于地质领域，就可以将地质现象的内在共生关系提炼出来，将相同成因、同形成机制的归纳成为一群，获得并确定元素组合信息[14](杨永春等，2017)。将46 个样品的数据进行因子分析，截取各因子特征根较大、累计贡献率达92.5%的前11 个引子作为主要因子，对其做方差极大正交旋转，得到旋转后因子模型，特征根值、主要载荷元素及其载荷值、因子结构式见表1。

F1 因子包含Zr、Hf、Th、Nb、U、Ta、Na 等7 种正载荷，占因子总贡献率11.3%，为有色金属和放射性元素组合，显示了稍晚出现的碱性岩浆作用(如角闪正长岩等)对钒钛磁铁矿的改造作用信息保留下来了，该岩浆作用阶段是Nb、Ta主要的成矿期，是区域内重要的找矿方向。F2 因子包含有Ca、Mg、Sc 三种正载荷和Ga、Fe、V、Zn、Co、Ti、Mn 等7 种负载荷，显示Fe 等7 种元素与钙、镁、钪的地球化学行为相反，在硅酸盐矿物(辉石、斜长石)结晶过程中，铁、钛等元素主要参与氧化矿物的形成。F3 因子包含有Cu、Ag、Te、Ni、S 等5 种负载荷，为铜镍硫化物成矿组合的特征，因子得分特征根是负值，反映出铜镍硫化物与钒钛磁铁成矿作用相反。F4 因子包含有Bi、Pb、Be、Rb、Sn 等5 种正载荷，F5 因子包含有In、Sr、Ba、P、K、Al 等5 种正载荷，记录了正长岩浆作用。

F6 因子包含有Fe、V、Zn、Co、Ti、Mn、(Ga)等7 种正载荷，铁、钛等元素为氧化物成矿阶段的反映，钴元素与铁、钛等属于铁族元素，地球化学性质比较相似，钴与铁、钛相比亲硫性较强，在内生作用下钴既可以进入硅酸盐矿物、钛铁矿、也可以进入硫化物中，特别是在有硫存在条件下形成独立矿物，如辉钴矿、紫硫镍矿和钴镍黄铁矿等，以类质同象形式进入磁黄铁矿等矿物中。F7 因子包含有As、Sb、Cd 等3 种负载荷和F11 因子包含有Ge、Se 等2 种负载荷，记录了后期热液事件。F8 因子包含有Li、Cs、Tl、Sn 等4 种负载荷和F9 因子包含W、Mo 等2 种负载荷，记录后期花岗岩浆事件。F10 因子包含Cr、Mg、Re 等3 种正载荷，反映超镁铁质-镁铁质岩浆作用。

5.2 聚类分析

因子分析提取了各元素对区内地球化学变差的贡献，利用R型聚类分析进一步分析各元素间的亲疏关系以发现其它的地质信息。根据聚类分析图显示可以分为Ⅰ、Ⅱ两大群簇(图4)。

第一群簇(Ⅰ)反映了钒钛磁铁矿形成阶段的元素组合，岩浆分异作用中氧化物成矿过程。与因子结构式中的F2 负载荷和F6 正载荷反映的成矿作用是一致的。

第二群簇(Ⅱ)反映了研究区内岩浆作用过程，又进一步分了两个亚群簇(Ⅱ1、Ⅱ2)，Ⅱ1亚群簇代表研究区内的超基性岩-基性岩作用过程，反映了铜镍硫化物成矿作用过程，与因子结构式中的F3 负载荷和F11 负载荷反映的铜镍硫化物成矿元素组合是一致的。Ⅱ2 亚群簇记录了正长岩和花岗岩浆作用过程。Ⅱ2亚群簇又分为Ⅱ2-1 亚亚群簇和Ⅱ2-2 亚亚群簇，Ⅱ2-1 亚亚群簇为As、Sb、Cd、Be、U、Ta、Hf、Zr、Nb、Cs、Rb、Sn、Pb、Tl、W、Mo 为一群组，Al、Ba、Sr、P、In、Ca、Sc 为一群组，各大群组又分为若干小群。

图3 白草矿区Co 与Cu、Ni、S、As 等元素协变图

表1 白草矿区钒钛磁铁矿中硫化物主要因子特征根及结构式

图4 白草矿区元素聚类分析图

6 讨论

从钒钛磁铁矿中各元素地球化学特征来看，Co 元素反映出与Fe 等过渡族元素相似的地球化学特征，在因子分析和聚类分析中Co 与Fe、V、Ti 等聚类一组，Fe、Ti 等元素为氧化物成矿阶段的反映，Co 元素与Fe、Ti 等属于铁族元素，地球化学性质比较相似，Co 与Fe、Ti 相比亲硫性较强，在内生作用下Co 既可以进入硅酸盐矿物、钛铁矿、也可以进入硫化物中，特别是在有硫存在条件下形成独立矿物，如辉钴矿、紫硫镍矿和钴镍黄铁矿等，更多时候以类质同象形式进入磁黄铁矿等矿物中。Co 与Fe、S、Cu、Ni、Ti 具有正相关性，说明在钒钛磁铁矿形成的同时，熔离型硫化物也形成，部分钴以类质同象形式进入钒钛磁铁矿中，大部分钴进入硫化物熔体中，以类质同象形式进入磁黄铁矿等硫化物中或形成独立矿物，形成了与钒钛磁铁矿共生的熔离型硫化物矿化体。

通过主成分因子分析显示，钴有两个成矿阶段，一是在钒钛磁铁矿成矿阶段以类质同象形式进入钛铁矿中，另一是在熔离的硫化物熔体中形成独立矿物或以类质同象形式进入磁黄铁矿、黄铜矿等硫化物矿物中，硫化物阶段是钴主要的成矿阶段。后期的岩浆作用和热液作用对钒钛磁铁矿具有一定的改造作用，其地球化学信息得以记录下来，为期后成矿作用的寻找提供有价值的地球化学信息。