1 研究背景
钴是高温合金、电池材料、防腐材料和磁性材料等的重要原料，被广泛应用于航空航天、电子电器、机械制造、汽车、化工农业和陶瓷等领域，尤其是移动电子设备、新能源汽车的动力电池和电网储能等新兴产业。鉴于其重要的经济和战略意义，欧美、日本和澳大利亚等发达经济体已将钴资源列入21世纪重要的关键战略资源行列中［1-2］。从全球来看，钴资源分布不均，主要集中在刚果（金）、赞比亚、古巴、澳大利亚、俄罗斯、加拿大和美国等少数国家［1］。我国钴资源相对匮乏，截至2018年底，我国已查明的钴金属资源储量为69.65万t［3］，不足全球陆地钴储量（约720万t）的10%［1］。世界上钴资源多以伴生金属形式产于铜、铜—镍、铜—锌、铜—金和铜—铁等矿床中，独立的工业矿床较少［4］。我国独立或以钴为主的工业矿床数量较少，典型矿床包括海南石碌铁铜钴多金属矿床（累计查明钴矿石量426万t，平均品位为0.31%）［5］、青海驼路沟大型喷流沉积型铜（金）矿（钴金属资源量2万t，平均品位为0.06%，最高品位为0.46%）［6-7］、吉林大横路大型钴（铜）矿（钴金属资源量5万t，品位为0.035%~0.080%，最高品位达0.60%）［8］、青海德尔尼铜—钴—锌矿（钴金属资源量2.84万t，品位为0.05%~0.11％）［9］和湖南横洞中型钴铜矿（钴金属资源量1.24万t，平均品位为0.04%）［10］等。
湘东北地区是我国重要的金、铜、钴、铅、锌、钼、钨、铌、钽和铍等多金属成矿带（图1）。近年来通过开展矿产勘查工作，在该区相继发现了热液脉型原生钴矿和风化淋滤成因的次生钴土矿。其中，根据矿体的产状和围岩类型，热液脉型钴矿床可划分为构造蚀变岩型和石英脉型两类。石英脉型钴矿床由于规模小，目前工业意义不大。相比而言，构造蚀变岩型钴矿床具有较大工业价值，矿体赋存于长沙—平江断裂带下盘的构造蚀变带内，钴金属资源量约为1.6万t，代表性矿床为浏阳井冲铜钴多金属矿床和平江横洞钴铜矿床［10-12］。本文系统总结了长沙—平江断裂带钴矿床的成矿地质特征和富集规律，揭示了钴的赋存形式，提出了在湘东北地区开展原生钴矿的找矿勘查方向和高效选冶利用建议。
图1
图1
湘东北地区区域地质与矿产分布简图[13]
Ⅰ-汨罗断陷盆地；Ⅲ-幕阜山—望湘断隆；Ⅲ-长沙—平江断陷盆地；Ⅳ-浏阳—衡东断隆；Ⅴ-醴陵—攸县断陷盆地；1.第四系—白垩系；2.三叠系—泥盆系；3.志留系—震旦系；4.新元古界板溪群；5.新元古界冷家溪群；6.古元古界—太古宇；7.燕山期花岗岩；8.印支期花岗岩；9.加里东期花岗岩；10.元古宙花岗岩；11.断裂；12.韧性剪切带；13.金矿床（点）；14.铅锌铜多金属矿床（点）；15.钴矿床（点）/钴多金属矿床（点）；16.稀有金属矿床
Fig.1
Sketch map of regional geology and mineral resources distribution in northeastern Hunan Province[13]
2 长沙—平江钴矿带研究进展
湘东北地区位于江南造山带中段（图1）。长沙—平江断裂带作为湘东北地区一条重要的深大断裂，断裂带内岩石发生强烈的片理化和碎裂化，构造透镜体、糜棱岩及构造角砾岩极为发育，被认为至少经历了左行剪切→拉张→右行挤压3个演化过程［14］。该断裂带不仅从区域上控制了长沙—平江断陷盆地和浏阳—衡东断隆的发育，导致北西低缓而南东陡峻的自然地貌景观，还控制了区内一些重要的铜、钴、金等多金属矿床（点）的分布。由南西向北东，依次分布有井冲铜钴多金属矿床（铜金属量为9.81万t，品位为0.62%；钴金属量为0.37万t，品位为0.03%）、横洞钴铜矿床（钴金属量为1.24万t，品位为0.04%；铜金属量为3.25万t，品位为0.10%）和大岩金钴矿化点（钴品位为0.01%~0.02%，金品位为0.14×10-9~3.28×10-9）等（图1）。
2.1 成矿地质特征
长沙—平江断裂带钴矿床（点）具有相似的地质特征和成矿条件，具体表现为：（1）大断裂控矿。矿体分布于NE向长沙—平江深大断裂带主干断层F2下盘的蚀变构造破碎带中［图2（a）］，长沙—平江深大断裂为区内岩浆岩和含矿热液运移的通道［13］。（2）发育在层间破碎带中。矿体呈似层状、透镜状或脉状产于新元古界冷家溪群和泥盆系层间蚀变构造破碎带中，其中冷家溪群（ca.860~820 Ma）是一套浅变质的类复理石沉积建造，由板岩、砂质板岩和千枚状板岩夹变质粉砂岩或细砂岩组成［15］；泥盆系由砂质页岩、砾岩、板岩，夹灰岩、泥灰岩和砂岩透镜体组成。（3）与晚侏罗—早白垩世花岗岩密切相关。矿体位于连云山岩体（ca.155~140 Ma）［16］外接触带，岩体与地层接触带发生强烈的混合岩化和糜棱岩化，矿体产于混合岩带西侧的蚀变构造破碎带中，混合花岗岩中局部可见浸染状黄铁矿和黄铜矿。（4）蚀变矿化类型简单。围岩蚀变以硅化、绿泥石化和菱铁矿化为特征，矿化类型有黄铁矿化、毒砂矿化、黄铜矿化和赤铁矿化等。（5）成矿元素具有空间分带特征。钴铜矿体的上部或浅部往往伴生有铅锌矿，呈现出“上铅锌下钴铜”的矿体空间分布特征［图2（b）］，这与华南地区大部分矿床或矿田具有多类型矿体共伴生的现象一致。（6）矿石类型多样，包括蚀变构造角砾岩型［图3（a）］、石英硫化物脉型［图3（b）］和蚀变碎裂岩型3种。矿石结构以自形、半自形、他形粒状、交代和斑状压碎结构为主，构造以块状、角砾状、浸染状和梳状构造为主，其次为条带状、脉状和网脉状构造。石英、绿泥石和菱铁矿为主要的脉石矿物；黄铁矿、黄铜矿和毒砂为主要的矿石矿物，其次为闪锌矿和方铅矿，此外还可见少量的辉砷钴矿、辉铜矿、斑铜矿、磁黄铁矿、白铁矿、赤铁矿、辉铋矿、辉铅铋矿和硫铋铜矿等。
图2
图2
横洞钴铜矿床地质图（a）及井冲铜钴多金属矿床32勘探线剖面图（b）[10,12]
1.第四系；2.上白垩统戴家坪组；3.上泥盆统佘田桥组；4.新元古界冷家溪群；5.连云山花岗岩；6.绿泥石岩；7.挤压破碎岩带；8.蚀变构造角砾岩带；9.混合岩带；10.铜矿体；11.钴矿体；12.铅锌矿体；13.断层；14.钻孔；15.钴矿化异常
Fig.2
Geological map of the Hengdong Co-Cu deposit（a） and geological section of exploration line 32 of the Jingchong Cu-Co polymetallic deposit（b）[10,12]
图3
图3
长沙—平江钴矿带井冲矿区矿石类型及含钴矿物的特征
（a）蚀变构造角砾岩型矿石；（b）石英硫化物脉切穿早期的角砾型矿石；（c）第二世代黄铁矿包裹了第一世代黄铁矿；（d）第三阶段中细粒、富钴的黄铁矿与毒砂共生；（e）~（f）富钴的黄铁矿增生在细粒的黄铁矿边部，BSE图像；（g）、（j）富钴的黄铁矿沿孔隙交代细粒的黄铁矿，BSE图像，图中数字为电子探针分析的黄铁矿中Co、As元素的百分含量；（h）、（k）Multispec软件处理后的（g）、（j）的彩色BSE图像，色柱由下到上反映的是原BSE图像由暗到明的变化；（i）TIMA识别出的细粒辉砷钴矿（黄色点）;Py-黄铁矿；Apy-毒砂；Ccp-黄铜矿；Cbt-辉砷钴矿
Fig.3
Ore types and the mineralogical characteristics of cobalt-bearing minerals in the Jingchong mining area，the Changsha-Pingjiang cobalt belt
2.2 钴的赋存状态
根据野外地质工作以及详细的显微岩（矿）相学观察研究，可将长沙—平江断裂带钴成矿作用过程划分为热液成矿期和表生氧化期2个期次。根据矿脉空间穿切关系和矿物共生组合，将热液成矿期进一步划分为石英+绿泥石+黄铁矿阶段（Ⅰ）、石英+黄铜矿+黄铁矿+绿泥石+菱铁矿阶段（Ⅱ）［图3（c）］、石英+黄铁矿+毒砂+黄铜矿+绿泥石+菱铁矿阶段（Ⅲ）［图3（d）］以及石英+闪锌矿+方铅矿+黄铁矿+黄铜矿+菱铁矿+绿泥石阶段（Ⅳ）。其中，第Ⅲ阶段是钴的主要成矿阶段。电子探针背散射和波谱定量分析、TIMA和LA-ICP-MS等微区微束分析技术揭示长沙—平江断裂带主要的含钴矿物为黄铁矿、毒砂和辉砷钴矿。这些含钴矿物往往发育复杂的内部结构特征，如不规则增生或交代现象（图3），且颗粒粒度细小。其中，毒砂颗粒的粒度范围为90~340 μm，钴含量为0.03%~0.36%；辉砷钴矿粒度仅为4~32 μm［图3（i）］，钴含量为32%~33%。对比之下，黄铁矿可划分为两类，即中—粗粒状黄铁矿和细粒黄铁矿：前者主要与黄铜矿共生，Co和As的含量较低，分别为0.16%~1.06%和0.05%~0.28%［10，12］；后者则与细粒毒砂、黄铜矿和细粒辉砷钴矿共生，细粒黄铁矿成分极不均一，可见富钴的黄铁矿增生［图3（e）、图3（f）］或沿孔隙、裂隙交代先形成的细粒黄铁矿［图3（g）、图3（h）、图3（j）和图3（k）］，具有变化但高的Co（0.19%~13.48%）和As（0.99%~7.42%）含量。2种类型黄铁矿的Co/Ni值明显大于1，暗示了其为热液成因。此外，Co与Fe、As与S元素之间均呈现出较好的负相关性，暗示Co替代了黄铁矿中的Fe，As替代了黄铁矿中的S。结合LA-ICP-MS点分析的时间分辨信号谱图中平直的Co元素信号可知，黄铁矿中Co主要以类质同象形式产出。因此，结合矿石中不同矿物的含量丰度以及脉石矿物绿泥石中出现少量的Co（含量高达0.17%）［12］，可知长沙—平江钴矿带中的Co主要以晶格替代Fe的形式赋存于黄铁矿和毒砂中，其次为形成钴的独立矿物辉砷钴矿，反映了一个FeS2-FeAsS-CoAsS的成矿体系。此外，还有少量钴存在于绿泥石中。
2.3 成因类型
长沙—平江钴矿带矿石硫化物的δ34SV-CDT值范围为-15.9‰~0.2‰，该结果明显划分为2个端元： -15.9‰~-10.1‰和-4.9‰~0.2‰，前者与冷家溪群地层的硫同位素组成接近，后者与连云山岩体的硫同位素组成一致。矿石的铅同位素组成与连云山花岗岩和连云山岩群的铅同位素组成较为接近，特别是连云山岩群［10，12］。He-Ar同位素分析结果表明，3He/4He值范围为0.24×10-7~4.16×10-7（0.017~0.300 Ra），接近或略高于地壳值，但明显低于地幔值［12］。流体包裹体分析结果表明，横洞矿床的成矿温度范围为150~320 ℃［10］，与绿泥石温度计结果一致［10，12］。横洞矿区和大岩钴金矿点的蚀变碎裂岩型矿石中白云母的Ar-Ar坪年龄为130~125 Ma［10］。考虑区域同时期构造事件如一系列拉伸盆地（如沅麻盆地和衡阳盆地等）、变质核杂岩（如幕阜山—大云山、庐山和衡山穹隆等）等伸展构造运动［17-18］，可知华南板块在ca.130~120 Ma处于拉伸的构造背景，这可能与古太平洋板块的俯冲回撤或洋脊俯冲过程中板片窗的开启有关［19-20］。伴随着伸展构造活动，区域性NE向的长沙—平江断裂带发生活化，深源热液流体将成矿金属钴从新元古代或更老的基底中活化萃取，并沿NE向长沙—平江断裂带迁移搬运，伴随着成矿温度的降低以及大气降水的加入，流体不混溶作用导致成矿流体发生沉淀，并在有利的构造部位（如层间裂隙和构造破碎带）沉淀、富集成矿。
因此，综合S、Pb、He-Ar同位素分析结果，认为长沙—平江钴矿带成矿物质和流体可能来源于地壳重熔成因的S型连云山花岗质岩与古老结晶基底的混合，成因类型为与岩浆热液作用有关的热液脉型。
3 下一步找矿勘查和综合利用建议
长沙—平江断裂带钴矿床整体上具有明显的构造和岩浆控矿性，因此，下一步的找矿勘查在综合考虑地球化学异常（水系沉积物测量或土壤测量Co、Cu、Au异常测量）之外，应侧重构造、围岩蚀变和矿化等方面的找矿标志，特别是：
（1）长沙—平江断裂带下盘的构造蚀变岩带是钴多金属矿体的主要赋存部位，主干断裂旁侧次级“多”字形和“入”字形构造发育地段以及不同方向断裂发育交会部位可能为钴多金属矿体的有利找矿地段。
（2）断裂带内强烈的硅化、绿泥石化和菱铁矿化可作为野外重要蚀变标志，而黄铁矿化、毒砂化、褐铁矿化和赤铁矿化等可作为野外勘查的重要矿化指标，特别是细粒黄铁矿+毒砂矿物组合是寻找钴矿体的直接矿物标志。
此外，考虑到长沙—平江钴矿带矿石中钴除了主要以类质同象形式存在于黄铁矿和毒砂中，还有部分以细粒状辉砷钴矿嵌布于黄铁矿、毒砂、黄铜矿或脉石矿物中，易损失于浮选尾矿中，因此，建议铜钴选矿工艺在考虑磨矿细度的基础上，采取浮选—强磁选联合工艺。
http://www.goldsci.ac.cn/article/2020/1005-2518/1005-2518-2020-28-6-779.shtml
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