中国钴-镍成矿规律与高效勘查技术
张照伟1，李文渊1，丰成友2，王辉3，王亚磊1，武军杰4，李德贤5，吕新彪6，朱伯鹏7，惠博8，刘会文9*
1 自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室 中国地质调查局西安地质调查中心
2中国地质科学院勘探技术研究所
3长安大学地球科学与资源学院
4中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所
5镍钴资源综合利用国家重点实验室金川集团股份有限公司
6中国地质大学(武汉)地质调查研究院
7新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第四地质大队
8中国地质科学院矿产综合利用研究所
9青海省核工业局
作者简介：张照伟，博士，研究员，博士生导师，主要从事岩浆铜镍钴硫化物矿床成矿理论研究与矿产资源调查评价工作.
*通讯作者：刘会文，高级工程师，主要从事岩浆作用成矿理论与找矿方向调查工作.
导读：
钴、镍是全球战略性关键矿产，中国超过90%的钴、镍原材料依赖进口。中国具有多种含钴矿床类型，近年又有新类型钴矿发现，找矿前景很大。如何才能快速发现钴镍矿床呢?张照伟博士等认为目前不同类型矿床中钴-镍发育特征、赋存状态、富集机制与成矿潜力尚不明确，缺少针对性的找矿模型与高效的勘查技术方法，极大地制约了钴-镍资源的找矿突破，需要研究钴-镍成矿规律，创新高效勘查技术。
为此，张照伟等拟通过对钴-镍元素超常富集机理与成矿规律及勘查技术的研究，解决大陆聚-散过程中多圈层相互作用与钴-镍超常富集机理的重大科学问题和空-地-井高精度重磁电震物探数据采集、处理与多参数联合正反演解译的关键技术难题，旨在揭示钴-镍矿产资源成矿潜力和找矿新靶区，支撑服务战略性矿产找矿行动。本文较全面展示了钴-镍成矿作用与成矿规律最新研究成果，提出了钴-镍矿床高效勘查技术思路。
内容提纲
0 引言
1 钴-镍成矿类型与地质分布
1.1 钴-镍主要成矿类型
1.2 中国钴-镍资源地质分布规律
2 钴-镍成矿作用与成矿规律
2.1 沉积型钴-铜矿床成矿作用
2.2 岩浆型硫化物和氧化物矿床成矿作用
2.3 红土型镍-钴矿床成矿作用
2.4 岩浆热液型钴-铜矿床成矿作用
2.5 钴-镍成矿规律与关键科学问题
3 钴-镍矿床高效勘查技术
3.1 沉积型钴-铜矿床勘查技术
3.2 岩浆型硫化物和氧化物矿床勘查技术
3.3 红土型镍-钴矿床勘查技术
3.4 岩浆热液型钴-铜矿床勘查技术
3.5 勘查技术创新与勘查模型
4 结语
0 引言
钴、镍作为全球性战略金属矿产被广泛应用于新能源汽车、电子通讯、航空航天及高端装备制造等领域。全球钴资源主要来自现代海底钴矿和大陆钴矿。现代海底铁锰结核蕴含巨大的钴资源(>80%)但受限于当前技术条件而无法开采。在大陆钴矿资源中沉积层控型铜钴矿约占60%、铜镍硫化物矿床中的钴约占23%、红土型镍钴矿占15%、其他热液含钴矿床仅占2%。随着新兴产业的高速发展与低碳经济时代的到来全球对钴、镍金属的需求增长迅猛且前景广阔。拥有丰富钴、镍矿产资源的国家不仅具有定价权也提升了国家资源战略安全等级。中国目前是全球第一大钴、镍金属消费国，然而超过90%的钴、镍资源依赖进口，后备资源严重不足。特别对于钴资源，长期以来主要源自加工铜、镍等金属矿产回收的副产品。岩浆铜镍硫化物矿床中赋存大量的钴、镍资源，因其冶炼简单、成本低而成为钴、镍金属来源的主要矿床类型。该类矿床一般多发育于稳定陆块边缘裂谷系统，或与大火成岩省岩浆活动密切相关，是深部地幔上涌硫化物不混溶作用的成矿表现。对于钴矿专门性的研究、勘查投入较少，导致存在基础研究薄弱、资源家底不清、全球市场控制力不足等诸多因素，加之在本次新冠肺炎疫情中暴露出供应链和运输安全等问题，使得中国钴、镍资源形势更为严峻，国家安全战略受到严重威胁和挑战。
目前，中国可利用的钴、镍矿床类型相对单一，主要为岩浆型镍-铜(-钴)硫化物矿床。近几年，相继发现了沉积-变沉积岩容矿型钴矿、红土型镍-钴矿及岩浆热液型钴矿;此外，在部分矽卡岩型、VMS型、IOCG型等矿床中也伴生有工业意义的钴资源，显示出较好的成矿条件和找矿潜力。尽管上述不同类型钴、镍矿床在中国均有产出，但钴、镍富集机理与成矿模式、成矿规律与找矿潜力、勘查技术与找矿模型尚不清楚，严重制约了钴、镍资源找矿新发现，亟待解决。笔者遵循地球系统科学和成矿系统科学融合发展，探索大陆聚-散过程中多圈层相互作用与钴、镍超常富集机理，通过空-地-井现代勘查技术和多元信息矿产预测深度挖掘，精细构建中国不同类型钴-镍矿床成矿模式，并揭示成矿规律，建立勘查技术找矿模型，摸清钴-镍资源潜力的家底，优选找矿新靶区，有力助推钴-镍成矿潜力的全面、科学评价和高效找矿勘查，提高钴、镍资源的自给能力，为低碳经济时代新兴产业的高质量发展提供重要资源保障。
1 钴-镍成矿类型与地质分布
1.1 钴-镍主要成矿类型
钴、镍属于典型的幔源型元素，在地壳中极为分散。钴、镍元素从地幔源区发生大规模运移、分异和重新分配，进而到地壳浅部富集成矿，经历了多期次超常富集过程，这一过程往往与大陆聚-散过程中多圈层相互作用密切相关。钴-镍矿床类型多样，最主要的是沉积型、岩浆型、红土型及岩浆热液型。
沉积-变沉积岩容矿型钴矿包括典型沉积岩容矿层控铜-钴矿床(亦称砂岩型或“SSC”型，如中非铜-钴矿带)和变沉积岩容矿层控铜-钴矿(美国Ida-ho钴矿带、中国辽吉裂谷带);此外，在少部分MVT型矿床、黑色页岩容矿型矿床中也伴有工业意义的钴。该类钴矿是目前全球钴最重要的来源，所含钴资源超过全球陆地钴资源的41%。典型沉积岩容矿层控铜-钴矿床主要呈层状或似层状产于沉积盆地碎屑岩或碳酸盐岩中，发育底部氧化相的红层、上部还原性海相沉积“二元结构”的裂谷盆地是矿床形成的有利地质条件，尽管存在争议，但目前主流观点认为成矿作用至少部分始于成岩阶段晚期)，主期成矿与盆地卤水的演化有关;而变沉积岩容矿钴矿大多赋存在元古代(或古生代)裂谷环境的变形变质碎屑岩中，一般缺少前者必要的红层，矿床的形成可能与大陆聚合-裂解导致的多期次沉积-变质变形-岩浆流体改造过程有关。
岩浆型镍-铜(-钴)硫化物矿床(约占全球镍资源量40%、钴资源量的15%)多数产于地幔柱相关的裂谷环境(俄罗斯Noril'sk、甘肃金川)或造山带碰撞后伸展环境(青海夏日哈木);钴富集成矿既与地幔熔融程度和母岩浆Co含量有关，也与Co在硅酸盐熔体和硫化物熔体之间、单硫化物固溶体和硫化物熔体之间的分配系数密切相关，也可能受到岩浆期后热液过程的改造。除岩浆型硫化物含有Co、Ni之外，岩浆型氧化物也含有一定比例的Co、Ni，如钒钛磁铁矿中。
红土型镍-钴矿床(约占全球镍资源量的60%、钴资源量的36%)主要来自热带-亚热带地区富含Co、Ni基性-超基性岩的风化，其成矿依赖于热带气候环境、稳定的大地构造背景、纯橄榄岩母岩及剪切构造带等多种因素的耦合成矿作用。岩浆热液型估矿床常与基性-超基性岩具有密切的空间关系，多受断裂和裂隙构造控制，形成脉状矿体。该类矿床一般品位较高，规模相对较小，常具有Ag-Ni-Co-As-Bi元素组合特征;此外，在部分矽卡岩型、VMS型、IOCG型等矿床中也伴有工业意义的钴资源。
从全球钴-镍资源工业产量来看，沉积-变沉积岩容矿型钴工业产量占比高达63%，红土型和岩浆型分别占比20%和14%(图1a);在全球镍资源工业产量中，红土型占比高达70%，岩浆型30%(图1b)因此，钴的工业来源重点是沉积-变沉积岩容矿型，镍的工业来源重点是红土型;具体到中国的钴-镍成矿类型，沉积-变沉积岩容矿型是重点要攻克的类型，解决钴超常富集机理和成矿潜力;其次，就是岩浆型钴-镍矿床的高效勘查技术，加大深部找矿，增加资源储量。而中国红土型镍-钴矿床类型由于所处地理位置和成矿条件不够优越，不能成为钴-镍资源的重点成矿类型。
图1 全球钴(a)-镍(b)资源工业产量饼图(USGS，2019)
1.2中国钴-镍资源地质分布规律
在中国已发现的钴矿产地约150余处，主要分布在青海、甘肃、云南、吉林、江西、湖南、新疆和海南等省份(图2)。含钴矿床类型较多，主要包括岩浆型、沉积-变沉积岩容矿型、红土型、VMS型、矽卡岩型、热液脉型及IOCG型等。但独立或以钴为主的工业矿床十分稀缺，钴主要作为伴生组分产于铜、镍等矿床中。中国镍矿资源主要产于华北克拉通西南缘及北缘、龙首山-柴达木克拉通周缘、塔里木克拉通东北缘、扬子克拉通西缘等重点区带(图3)。目前，岩浆铜镍硫化物矿床是中国镍矿最主要的来源。
图2 中国钴地球化学及钴资源分布图
图3 中国镍地球化学及镍资源分布图
沉积型钴铜矿床多发育在辽东-吉南、西南三江、东昆仑、中条山和钦杭东段成矿带，发现了多个大中型沉积-变沉积岩容矿钴矿，分别以大横路、白秧坪、驼路沟、篦子沟、七宝山钴铜矿床为典型代表(图4)，显示出较好的成矿潜力和找矿前景。
图4 中国钴-镍矿床地质分布规律略图
岩浆型钴-镍矿床：主要是铜镍(钴)硫化物矿床，多分布在华北克拉通西南缘及北缘、龙首山-柴达木克拉通周缘、塔里木克拉通东北缘及扬子克拉通西缘等重点地区。从成矿时代看，中国岩浆铜镍(钴)硫化物矿床主要集中在新元古代早期(1000〜800Ma)，以金川矿床为代表;早古生代晚期—晚古生代早期(390〜430Ma)以夏日哈木矿床为代表;晚古生代晚期(295〜250Ma)以黄山、黄山东、图拉尔根、喀拉通克等矿床为代表(图4)。除此之外，岩浆型氧化物钒钛磁铁矿矿床中也蕴含着丰富的钴-镍资源，主要分布在攀西裂谷带中以攀枝花、红格、太和、白马等超大型钒钛磁铁矿矿床为典型代表(图4)。
红土型镍-钴矿床：该成矿类型由于受气候条件等因素制约，主要发育在中国云南墨江-绿春、保山成矿带内，以金厂、邦滇寨红土型镍-钴矿床为典型代表(图4)。对岩浆热液型钴铜多金属矿床找矿勘查在新疆北部取得新进展，少量深部钻探验证已获得钴金属量超过1万t，以阿勒泰成矿带蕴都卡拉矿床为典型代表(图4)。
2 钴镍成矿作用与成矿规律
2.1 沉积型钴-铜矿床成矿作用
沉积型钴-铜矿床主要集中发育在中非裂谷带的赞比亚-刚果(金)境内，中非钴铜成矿带蕴含超过1000万t钴资源量，占全球大陆型钴资源的70%以上。赞比亚成矿带是中非钴铜成矿带的重要组成部分，钴资源集中在铜带省的几个主要矿床中，谦比希矿床就是典型代表)。赞比亚成矿带沉积型钴矿床整体上具有明显构造控矿特征，矿体常常发育在复向斜的两翼;受造山运动影响，中非成矿带自新元古代晚期起受到区域上北东—南西向的持续挤压，成矿作用与区域上第二期变形作用联系紧密，矿体常常发育在该变形产生的褶皱枢纽及相应的二级、三级褶皱中，尤其是同造山期及后造山期形成的热液脉体;Co元素高度富集。此外，由于具有高渗透性，便于热液流体的汇聚，最新研究发现，含Co沉积地层曾经释放了Co，是钴成矿的矿源层。矿化也发育在与基底隆起区域相邻的断层交汇部位，这些构造发育部位，钴矿体往往也比较发育。钴矿化与造山作用密切相关，造山期中-高温变质热液使得Co、Cu金属元素再富集，并以含矿热液脉状形式在区域上产出。
沉积-变沉积岩容矿型钴矿是中国极具潜力的重要钴矿床类型，在中国多个区域均有发现，但发育特征不明、成矿潜力不清。沉积岩容矿富钴矿床中Co富集成矿与物质源区、沉积成岩环境、盆地流体演化过程密切相关，同时矿床形成之后可能会受到区域变质、变形作用或岩浆-热液作用的改造，从而掩盖矿床的一些原生特征。最新研究山西中条山钴矿进一步揭示了Co的释放、迁移与富集成矿离不开强氧化性高温高盐流体。Co作为亲铁元素，在地幔中含量相对较高，而在地壳中极为分散。沉积岩-变沉积岩容矿型钴的物质来源和驱动机制是重点要解决的关键问题。
2.2 岩浆型硫化物和氧化物矿床成矿作用
岩浆铜镍(钴)硫化物矿床多数位于克拉通边缘，通常被认为是由于克拉通边缘地壳较薄造成的。在地壳运动过程中，应力较为集中，容易形成超壳岩石圈断裂，有利于幔源岩浆上升、就位及地壳物质混染作用的发生。另外，Pirajnoetal.(2015)认为大型岩浆铜镍(钴)硫化物矿床的形成和地幔柱在岩石圈地幔底部的叠加作用密切相关。赋矿的镁铁-超镁铁岩体多为多岩相的复式岩体，该类岩体由多种岩相构成，但堆晶结构和堆晶层理不发育;在大多数情况下，构成岩体的岩相主要包括辉长岩相(暗色辉长岩、辉长岩、淡色辉长岩、斜长岩、闪长岩)、苏长岩相、辉石岩相和橄榄岩相;各种岩相相对集中产出，构成岩相带，岩相带之间为侵入接触关系，而且具有相对固定的侵位顺序：辉长岩相f苏长岩相f辉石岩相f橄榄岩相;辉长岩相总是侵位在先，橄榄岩相总是最后侵位，矿浆继橄榄岩相侵位之后贯入。海绵陨铁状矿石主要赋存在橄榄岩相中，浸染状矿石主要赋存在苏长岩相和辉石岩相中。若橄榄岩相侵位与矿浆贯入的时差小，则矿浆往往贯入到橄榄岩相内部或其附近;若二者的时差大，块状矿石的赋存部位受构造裂隙控制，而与岩相带无关。
中国岩浆铜镍(钴)硫化物矿床母岩浆性质主要为高镁拉斑玄武岩和苦橄岩，如金川、黄山、图拉尔根等矿床原生岩浆均为高镁拉斑玄武岩;坡一等矿床的原生岩浆为苦橄岩;最近也有一些研究认为夏日哈木铜镍矿的原生岩浆为玻安岩。原生岩浆中MgO的含量往往与岩浆源区的部分熔融程度密切相关;除此之外，源区的温度-压力也是重要因素。通常情况下，较高的部分熔融程度会导致MgO含量较高，从而可以形成Ni品位较高的矿床。Ni在橄榄石中是相容元素，橄榄石的大量分离结晶将明显导致岩浆中Ni含量的降低。因此，岩浆演化过程中硫化物饱和熔离的早晚以及R-factor等因素同样影响硫化物中的Ni含量。与世界范围内铜镍矿床相比，中国典型铜镍矿床的Ni品位明显偏低，如金川巨型矿床Ni平均品位为1.08%，夏日哈木超大型镍矿镍平均品位为0.68%，黄山东矿床平均品位为0.52%，黄山铜镍矿平均品位为0.42%，这可能也与其部分熔融程度较低有关。
岩浆型氧化物钒钛磁铁矿矿床中的钴-镍资源，主要是伴生元素，重点在于综合利用。攀西裂谷带钒钛磁铁矿资源极为丰富，其中Co、Ni、Cu伴生组分储量规模极大;Co、Ni元素通常较为集中赋存于金属硫化物中，硫化物种类繁多，包括少量砷化物和锑化物在内共计33种，主要硫化物包括磁黄铁矿、黄铁矿、含钴镍磁黄铁矿、含钴镍黄铁矿、硫钴镍铁矿等。不同种类矿物量差别很大，其中磁黄铁矿和黄铁矿的合量占硫化物总量90%以上。Co主要赋存在金属硫化物中，以白马钒钛磁铁矿矿床为例，硫钴粗精矿Co品位为0.35%、S品位为35.91%。工艺矿物学研究结果表明，硫钴粗精矿中Co的分布率分别为：含钴镍黄铁矿中为74.63%，硫钴镍铁矿中为10.84%，磁黄铁矿中1250%，黄铁矿和黄铜矿中分别均为0.08%;另有1.87%的Co分布于铁钛氧化矿物和硅酸盐脉石矿物中。攀西裂谷带钒钛磁铁矿远景储量高达100亿t，其不仅是铁矿的重要补充，且是铬、钒、钛资源的主要载体，是钢铁、钒钛等多种金属的重要原料;而且伴生资源量可观的硫化物、铂族元素、稀土元素和稀散元素等，四大矿区钴金属资源量90万t(钴金属量)、镍70万t(镍金属量)，具有极高的综合利用价值。
2.3 红土型谋-钴矿床成矿作用
在活动大陆边缘或稳定的克拉通环境下，超镁铁质岩石经历长期(约1Ma)且强烈的风化作用，可导致Ni、C。等元素在风化壳中富集，形成红土型镍钴矿。目前世界上已知的红土型镍钴矿多位于南北纬26°以内的亚热带-热带地区。中国仅有约1/4区域位于南北纬26°以内，因此红土型镍钴矿数量不多，目前仅在海南和云南地区有一些发现，代表性矿床如云南元江-墨江镍钴矿(由二辉橄榄岩及纯橄岩风化而成，Co品位为0.03%〜0.04%，钴金属量为〜4000t)、海南文昌蓬莱(由橄榄玄武岩风化形成，Co品位为0.03%，钴金属量约为8000t)及安定居丁钴土矿(由橄榄玄武岩风化形成，C。品位为1.63%，钴金属量为1.4万t)，两个伴生Co的镍矿体可能具有一定的潜力。
2.4 岩浆热液型钴-铜矿床成矿作用
岩浆热液型钴-铜矿床赋矿地层多为基性-中基性火山岩、火山碎屑岩及火山碎屑沉积岩，主要岩性为玄武岩、凝灰岩，局部夹少量含角砾凝灰岩、凝灰质砂岩、玄武质沉凝灰岩等。与区域性大断裂及次级断裂关系密切，这为岩浆热液流体上涌提供了空间和条件。侵入岩主要是闪长岩，与矿化关系最为密切，钴铜矿化主要赋存于闪长岩内外接触带中。闪长岩主要侵位于中基性火山岩中，多呈不规则岩株、岩枝、岩脉状，部分地段与地层断层接触，受断裂控制的影响，表现为较强的碎裂岩化。
矿区岩石热液蚀变十分发育且种类多，主要为硅化、碳酸盐化、黏土化、绿泥石化、绿帘石化、高岭石化、绢云母化和蛇纹石化等，其中硅化与成矿关系最为密切。各蚀变带的矿化特征也有明显差异，蚀变类型和强弱明显受闪长岩侵入体控制，在岩体内部及近岩体处蚀变强烈，远离接触带蚀变逐渐减弱甚至消失。铜-钴矿区矿化受闪长岩-玄武岩接触带和构造破碎带控制，矿化主要分布于内外接触带与构造破碎带中;矿化类型为浸染状、细脉-浸染状、细脉状、团斑状、稠密浸染状及块状等;成矿元素主要为Co、Cu、Au。进一步表明，上述特征都是与闪长岩有关的热液脉状矿床的典型特征，局部与构造热液活动有关。
2.5钴-镍成矿规律与关键科学问题
2.5.1钴-镍成矿认识
鉴于中国含钴-镍矿床主要成矿类型和地质分布的特点，除沉积型之外，其他3个主要钴-镍成矿类型与镁铁-超镁铁质岩密切相关。此类含钴矿床成因受多种因素控制，包括母岩浆的Co含量、Co在硅酸盐熔体和硫化物熔体之间与在单硫化物固溶体(MSS)和硫化物熔体之间的分配系数、后期热液活动对矿石的改造程度以及风化作用等。通常认为，在地幔部分熔融过程中Co和Ni的地球化学行为相似，幔源熔体的Co含量主要受上地幔硅酸盐矿物、硫化物以及氧化物等控制。在等压熔融条件下，地幔高程度部分熔融产生的熔体具有较高的Ni和Co含量;但是，地幔部分熔融受源区成分和热力学状态、熔融类型和机制、温压条件，以及挥发分含量等众多因素的控制;不仅如此，温度、压力、含水量和地幔热力学状态等因素对幔源岩浆Co含量也有一定影响。
铜镍硫化物矿床中Co的富集与硫化物熔体的熔离作用有关。硫化物熔体的Co含量一方面与R-factor有关，另一方面也受其在硫化物与硅酸盐熔体之间的分配系数控制。研究表明，岩浆中可能同时存在Co2+和Co3+，Co在MSS与硫化物熔体间的分配系数略大于1)，表明其在硫化物熔体分异过程中只是略倾向于富集在MSS中;但是，在大多数铜镍硫化物矿石中，从MSS结晶的镍黄铁矿、磁黄铁矿或黄铁矿Co含量一般很高，而从中间态硫化物固溶体(ISS)结晶的黄铜矿Co含量则很低，说明分配系数可能不是控制不同硫化物Co含量的唯一因素。
热液中Co的地球化学行为受流体性质、温度和盐度等多种因素影响。已有的实验结果表明，热液中Co主要以氯络合物形式迁移，铜镍硫化物矿床晚期或后期热液活动可造成Co的活化和进一步富集。例如，铜镍硫化物矿石原生橄榄石和辉石中的Co一般很难选冶，但橄榄石经蛇纹石化后可释放Co，如果其进入后期热液硫化物晶格，则可提升矿石的Co品位。
风化过程中，超镁铁质岩中的Si、Mg、Cr、Ca和Na等元素被地下水淋滤，而分散在橄榄石、辉石和硫化物中的Co则通过蚀变作用被释放并通过吸附或离子交换赋存在铁氧化物(褐铁矿、针铁矿和赤铁矿)锰氧化物、绿泥石、利蛇纹石、镍蛇纹石、高岭石和蒙脱石等风化成因矿物中，这是形成红土型镍-钴矿的关键。按照富Ni矿物的不同，红土型镍钴矿可进一步区分为富水镁硅酸盐型、黏土型、和氧化物型3种。其中，黏土型及氧化物型的Co品位可达0.3%，而富水镁硅酸盐型的Co品位相对较低。值得注意的是，红土型镍钴矿的Co品位还与超镁铁质岩的类型、地下水及水位、断裂和剪切构造作用及地形有关。
2.5.2 关键科学问题
对以上4种成矿类型的认识，初步揭示了钴-镍成矿机理和超常富集规律，但制约找矿新突破的关键科学问题仍未得到解决，是限制中国钴-镍资源扩量增储的关键。
大陆聚-散与钴-镍成矿的时空耦合关系。Co、Ni属典型的幔源元素，在地壳中极为分散;Co、Ni元素从地幔源区发生大规模运移、分异和重新分配，进而到地壳浅部富集成矿，经历了多期次的超常富集过程，这一过程往往与大陆聚-散过程中多圈层相互作用密切相关。中国钴-镍矿床产于不同构造单元中，成矿类型多样且成矿时代涵盖元古代—新生代。因此，查明不同类型钴-镍矿床的成矿地质构造背景与关键控制因素，探讨大陆聚-散过程中壳幔相互作用与钴-镍成矿的时空耦合关系，对深入认识钴-镍矿床时空分布与发育规律、构建成矿模型奠定创新基础和解决关键科学问题的知识积蓄。
沉积-变沉积岩容矿钴的物质来源及超常富集机理。富钴矿床的形成大多与基性-超基性岩有着直接或间接的成因联系。对于典型的沉积岩容矿型铜-钴矿床(“SSC”型)，国际主流观点认为铜来源于盆地流体对红层或下伏基底岩石的淋滤，而对钴的来源一直缺少针对性研究;此外，由于富钴沉积岩容矿矿床多数形成于元古代，矿床形成时或形成之后普遍经历了区域变质、变形作用和岩浆-热液作用的叠加与改造，钴矿的形成很可能经历了多期次、多阶段的富集作用过程。因此，不同产出背景下的沉积-变沉积岩容矿钴的物质来源、以及主导Co元素超常富集成矿的机理是该钴-镍成矿类型的关键科学问题，亟待解决。
岩浆源区及其岩浆演化对岩浆型钴-镍富集成矿的制约。岩浆型钴(-镍)矿床提供了全球约15%的钴和40%的镍金属量，该类型矿床大多产于地幔柱相关的裂谷环境(金川)或造山带碰撞后伸展环境(夏日哈木)。岩浆型矿床被认为形成于液相硫化物相和基性或超基性岩浆的不混溶作用;岩浆型矿床中Co的富集与地幔的部分熔融程度或母岩浆的Co含量有关，还受到Co在硅酸盐熔体和硫化物熔体之间、单硫化物固溶体(MSS)和硫化物熔体之间的分配系数和岩浆后期热液活动改造等的影响。目前，对幔源岩浆演化过程中温度、压力、含水量、氧逸度和地幔热力学状态等多种因素对Co地球化学行为的影响认识仍十分有限，Co在岩浆型矿床中的富集成矿的关键控制因素亦亟待查明。
3 钴镍矿床高效勘查技术
随着找矿勘查工作的持续推进，找到矿的难度越来越大。当今时代的找矿工作重点是攻深找盲，要么是已知矿床的深边部，要么就是覆盖区的盲矿体;高效的勘查技术则显得尤为重要，天-空-地一体化的深部探测可能会把找矿变成现实，不同的矿床类型，勘查技术方法组合的有效性也不尽相同。
3.1 沉积型钴-铜矿床勘查技术
中国沉积-变沉积岩容矿型钴矿在辽吉带、西南三江带、东昆仑南带、钦杭带及中条山带等都有发现(图4);通过快速查明富Co沉积盆地的时空结构与演化历史，解析关键赋矿层位的沉积环境、物质来源及构造变形-变质-岩浆作用的叠加改造过程，进一步阐明中国代表性沉积-变沉积岩容矿型钴矿的发育特征和形成的有利地质条件，揭示形成的构造背景与关键控矿因素;系统精细剖析沉积成岩阶段、成岩晚期(之后)盆地流体活动及构造变形、变质作用或岩浆-热液作用叠加过程中可能发生的Co富集与改造作用，查明成矿物理化学条件及其演化过程，确定成矿物质来源，揭示Co的超常富集机制，建立成矿模式。
基于典型矿床的成矿模式，利用中-高分辨率、多-高光谱遥感影像，建立赋矿层位及其特征岩性的解译标志及提取方法;基于VNIR-SWIR光谱分析技术研究赋矿层位的三维空间分布特征，确定勘查评价的光谱指示标志;利用多比例尺无人机航磁、大功率三分量高温超导瞬变电磁测量、综合测井等地球物理数据，结合原生晕、次生晕地球化学分析，构建赋矿层位物化探异常组合特征;以关键赋矿层位的综合找矿标志信息提取为重点，形成高效勘查技术体系;利用现代数据科学技术，有效识别、量化并融合重点成矿区带物探、化探和遥感异常，对重点研究区带钴成矿潜力进行定量评估;优选找矿远景区，基于高效勘查技术方法开展大比例尺综合找矿预测，确定有利找矿靶区;结合小口径多分支定向钻探验证，完善勘查技术体系，综合建立勘查示范基地。
3.2 岩浆型硫化物和氧化物矿床勘查技术
岩浆型铜镍钴硫化物矿床主要发育在中国西北地区，以龙首山的金川超大型矿床、东昆仑北带的夏日哈木超大型矿床，以及东天山-北山成矿带的黄山、图拉尔根等大型矿床为典型代表(图4);矿床成因多为深部熔离-岩浆贯入型模式。可进一步查明成矿地质构造背景、赋矿岩体特征(分布规律、岩石组合、矿物组成、岩石地球化学特征、同位素组成、地球物理及地球化学特征参数)、矿体特征、矿石特征、矿化蚀变特征等方面的异同，揭示岩浆源区性质;结合Co元素赋存状态和富集成矿机制，构建以金川、夏日哈木等钴-镍矿床为代表的三维矿体模型，总结成矿规律、控矿因素和找矿标志。
“空-地-井”三维钴-镍高效勘查技术和勘查示范。典型矿床深部强干扰条件下矿体定位预测及勘查示范，系统搜集梳理以往各时期物化探资料，首先初步评价各种勘查技术方法的有效性;充分利用矿区已有重、磁资料，结合金川集团股份有限公司在金川矿床深部找矿正在实施的钻探工程，进一步开展钻孔综合测井、高温超导井中三分量磁测、地-井TEM和钻孔原生晕测量，探测钻孔孔旁及孔底周围一定范围内可能存在的盲矿体;总结有支护充填体、强矿场、高地应力等干扰因素影响的矿床深部勘查技术组合。
复杂地形隐伏岩体定位预测及勘查示范：充分利用已有区域地物化遥资料，在龙首山-北山带和东昆仑北带初步圈定找矿有利区;在此基础上，进一步利用无人机航磁技术开展大比例尺磁法测量、多源电磁测深、高温超导地面瞬变电磁测量、激电中梯和岩石/土壤热磁组分地球化学测量，逐步缩小找矿靶区。
攀枝花地区钒钛磁铁矿不同类型、不同层位和不同品级的矿石普遍分布有硫化物。硫化物的矿物量在不同矿区不同层位矿石的差别很大。攀枝花矿区硫化物富集，全区硫化物含量为8.72%〜0.05%，其中，白马矿区为2.59%〜0.4%，太和矿区为4.03%〜0.34%，红格矿区为7.15%〜0.13%。原矿硫化物中含Co量一般大于0.3%;原矿硫化物中含Ni量一般大于0.1%;四大矿区相比较，红格矿区Ni含量最高，太和矿区Ni含量最低。硫化物中Cu的含量一般大于0.1%，与Ni含量高低同步。进一步加大对Co、Ni元素赋存状态和分离富集工艺研究力度，提高钴-镍资源综合利用效率。可通过矿物加工及选矿手段，将金属硫化物进一步富集，获得硫精矿，在硫精矿的基础上开展相关研究工作。采用X射线衍射分析、电子探针、扫描电镜、透射电镜及AMICS矿物全自动定量分析等手段，查明Co、Ni的载体矿物类型、含量、粒度分布特征，以及载体矿物中Co、Ni元素的含量及其他组分含量;综合所有矿物参数数据研究Co、Ni赋存状态，为Co、Ni资源综合评价提供支撑。
3.3 红土型镍-钴矿床勘查技术
红土型镍-钴矿床的有效勘查，清楚该类型的成矿地质特征可增强勘查技术的针对性及有效性，分析钴-镍时空分布规律，综合地物化遥资料，建立红土型镍-钴矿床的成矿模式。综合地质信息法进行矿产预测，在成矿规律研究的基础上，充分考虑地层、构造、岩体、物化遥等与成矿的关系，通过预测要素叠加分析来圈定最小预测区，并运用地质体积法等不同的储量估算方法计算潜在资源量。
红土型镍-钴矿中Co赋存状态的认识，可结合工艺矿物学研究，开展钴-镍高效分离机理分析，综合评估钴资源的利用潜力;进一步明确钴-镍综合利用载体对象，厘清钴-镍等亲硫元素聚散机制和富集规律，确定钴-镍的理论分离指标;研发绿色高效的分离提取技术，结合技术经济评价，综合评估典型矿床钴资源的利用潜力。
3.4 岩浆热液型钴-铜矿床勘查技术
岩浆热液型钴-铜矿床矿区，除中基性火山岩及侵入岩、围岩蚀变的地质特征外，地球物理、地球化学也表现了比较明显的异常特征。物性参数表明，矿区岩(矿)石物性参数有明显差异，含矿岩石具中低极化、中-高阻特点，围岩具低极化、相对高阻的特点，而蛇纹石化橄榄岩则为高极化、低阻特征。一般具有Au-Cu-As-Mo-Sb-Pb-Co-Zn-Sn的地球化学综合异常，其中Au、Cu、Co、As异常套合较好，面积大，与矿体产出部位基本对应。
该类型矿床的勘查技术方法首先考虑土壤地球化学，针对土壤地球化学主要成矿元素(Au、Cu、Co.As)异常浓集中心，寻找地表矿化蚀变带，初步确定矿化类型、强度及范围;其次，基于地表孔雀石、褐铁矿、黄铁矿、辉铜矿和绿帘石化、绿泥石化、硅化、高岭土化矿化蚀变特点，开展地质专项填图，初步确定矿化蚀变带形态、规模、产状及其与地层、岩体和构造的相互关系，查明赋矿岩石类型;辅以探槽的系统揭露，详细确定地表矿体及矿化体的数量、形状、规模、产状和品位变化等特征;再次，对地表矿化蚀变带开展地面物探电法剖面测量，圈定物探激电异常(η≥1.8%，ρ≥1000Ω·m)，并结合化探、地表地质填图、工程施工等成果对物探异常进行优选;重点关注宽缓的激电异常，可能是深部隐伏富矿体的表现;最后，针对激电异常及地表矿化情况开展激电测深，查明异常与矿化的关系，大致确定异常形态、强度、埋深，为钻探施工提供依据并精准定位。钻探验证结果表明，针对该类型的物探异常特征取得较好的找矿效果，表明激电测深异常对矿化体在300m以上的空间分布位置、产状有较明显的反映，特别是对隐伏矿顶板的埋深判断准确。
3.5 勘查技术创新与勘查模型
3.5.1钴-镍矿床勘查技术创新
钴-镍资源扩量增储要重点关注2个方面：一是勘查找矿发现新矿床，二是已有含钴矿床的综合利用，研究赋存状态和规律。钴-镍矿床的高效勘查与矿产预测多元信息深度挖掘技术，焦点是勘查找矿发现钴-镍新矿床，形成新的矿产资源基地。从“新技术”、“低成本”和“快验证”3个方面开展技术创新研发工作。其中，“新技术”主要体现在空-地-井重磁电探测技术、高光谱高分辨率遥感技术、超痕量元素(PGE)分析技术、小口径大斜度多分支定向钻探技术及现代数据科学计算机技术等在不同钴(-镍)矿床找矿勘查工作中的联合应用;“低成本”主要体现在充分借助已经完成的各种中小比例尺地物化遥数据、成矿规律和模型研究资料，利用多元信息深度挖掘技术，建立找矿预测模型，进行钴(-镍)资源定量评估，快速圈定找矿远景区;“快验证”体现在充分利用不同钴(-镍)成矿模型和成矿规律的研究成果，有针对性地获取大比例尺地物化遥数据，研发有效的数据提取技术，结合便携式数据采集设备(ASD光谱仪、便携式X射线荧光分析仪、便携式磁化率仪等)及智能化模块化地球化学快速取样钻探技术等，进行快速野外采样和验证。
含Co、Ni矿物结构和组成及赋存状态研究测试分析技术，可利用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜、扫描电镜(SEM)、电子探针、激光剥蚀等离子质谱仪等常规的矿物学研究手段，准确表征Co、Ni的嵌布特征及与其他矿物的共生关系;并结合TESCAN全自动矿物分析系统(TIMA)、微区X射线荧光光谱仪(p-XRF)、工艺矿物参数自动定量分析(MLA)、透射电镜(TEM)、纳米离子探针(Nano-SIMS)、高分辨率透射电镜(HRTEM)等高精尖微区分析技术，精细查明钴-镍矿石中各矿物粒度、显微结构、微区组分、元素分布和晶体结构等特征，从微观上表征Co、Ni元素在矿物晶体结构中的位置和赋存状态。
3.5.2 综合找矿勘查模型
基于Co、Ni金属元素超常富集机理和成矿过程及控矿因素和找矿标志的认识，综合创建找矿勘查模型，可有效引领找矿新突破。在地质勘查方面，对东昆仑夏日哈木超大型岩浆铜镍钴硫化物矿床做了大量的探索和实践，并取得一定的认识和进展，在地球物理勘查技术有效性试验方面获得突破。综合地质特征(构造、时代、岩体、围岩、矿物特征、风化蚀变)、地球物理、地球化学和钻探工程等创建的找矿勘查模型(图5)，使找矿勘查更具实践性和高效性。应用于东昆仑石头坑德镁铁-超镁铁质岩体获得找矿新进展。
图5 东昆仑地区岩浆铜镍钴硫化物矿床综合信息勘查模型图
钴矿一直是铜镍矿的副产品，目前没有专门针对钴镍矿的勘查方法，还不成体系。针对岩浆型钴镍硫化物矿床研究较多，现有的勘查方法一般是用地面重磁来圈定岩体，再围绕岩体开展常规地球物理方法开展探测。这种常规工作方法效率低，探测深度浅，分辨力低，已不能满足目前深部找矿需求。未来可创新建立针对矿体定位的空-地-井的勘查技术体系。在该体系中，以航空半航空电磁方法快速圈定岩体，调查盆地结构或含矿岩系，再利用大深度高分辨电磁法精细探测岩体及深边部矿体，或含矿地层，在实施钻探后，开展井中物探和综合测井，进一步确定矿体位置和空间形态。该体系创新的独到之处在于：在空中，通过无人机航磁和半航空瞬变电磁快速扫面;在地面160kw超大功率可控源电磁法和10kw高温超导瞬变电磁，大功率，大深度，高分辨;井中瞬变电磁和井中三分量磁测，在深部探边摸底，准确定位;多分支钻探，一孔多支，多方向控制矿体。
采用针对不同钴-镍矿床类型空-地-井、点-线-面协同高效的勘查技术方法组合。沉积-变沉积岩容矿型，通过无人机航磁扫面快速识别沉积盆地结构与赋矿岩系+大深度地面电磁法剖面精细探测含矿层位(160kw超大功率可控源电磁、10kw高温超导瞬变电磁)，应用小口径大斜度多分支定向钻探精确控制矿体展布(一基多孔);岩浆硫化物型，在深切割地形复杂地区通过半航空瞬变电磁扫面快速识别隐伏小岩体，针对金川等矿场强干扰条件采用地-井TEM瞬变电磁探测深边部盲矿体;岩浆热液型，应用航空、半航空电/磁法快速识别中基性火山岩及控矿构造，多参数物探剖面圈定钴多金属矿体;红土型，无人机航磁扫面+10kw高温超导瞬变电磁精测剖面快速圈定含矿地质体。
4 结语
钴-镍作为中国战略性稀缺金属，极度匮乏的资源现状存在巨大安全隐患，进一步开展钴-镍找矿勘查并加强成矿元素赋存状态系统研究，对于提升资源储量和回收率都显得尤为重要。中国本身缺乏对沉积-变沉积岩容矿钴矿的超常富集机制和规律性的研究，汇聚板块边缘的岩浆铜镍钴硫化物矿床中钴金属量尚未查明，仍然缺乏针对性的详细地质调查，以获得钴金属量的准确数据。
Co和Ni在镁铁-超镁铁质岩和相关矿床不同矿物相中的赋存状态存在显著差异。无论是否能发现新的含矿岩体，加强成矿元素赋存状态的系统研究都十分必要。
聚焦Co、Ni元素超常富集机理与成矿规律、高效勘查技术研究应成为未来亟待重点关注的方向。秉持“查明资源分布-揭示成矿规律-建立成矿模式-挖掘高效技术-评估成矿潜力-找矿勘查示范”全链条的研发理念，重点查明钴-镍物质来源、赋存状态，认识超常富集机理;揭示钴-镍主要类型矿床成矿特征、时空分布规律，形成成矿模式;建立4种钴-镍成矿类型的找矿模型和高效勘查技术体系，同时建立中国钴-镍资源多元信息数据库，定量评估资源潜力;在此基础上，圈定找矿新靶区、实施钻探验证，提交钴-镍找矿勘查示范基地。
同时，在成矿理论和勘查技术上实现科技创新，驱动钴-镍矿产勘查开发和供应保障能力。聚焦大陆聚-散对沉积-变沉积岩容矿钴活化、迁移与超常富集过程的制约研究，深化镁铁-超镁铁质岩浆源区性质对岩浆型钴-镍富集成矿的控制作用认识，基于现代高精微区原位分析技术所开展的钴-镍赋存状态及富集机理探索，都是钴-镍成矿理论上关键的创新点。
关于沉积岩或变沉积岩容矿富钴矿床的高效勘查技术体系一直以来缺乏针对性的研究，大型岩浆型钴-镍硫化物矿床在强干扰因素影响下深部勘查技术体系亟需完善，这都需要勘查技术方法组合创新，解决制约找矿突破中的关键技术难题。创建高效钴-镍资源潜力评估及靶区预测多元信息深度挖掘技术方法，加强空-地-井高精度重磁电物探数据采集、处理与多参数联合正反演解译，探索应用小口径大斜度多分支定向钻探技术。这些勘查技术上的创新点及方法组合创新势必驱动高效勘查技术的发展，极大促进找矿勘查效果并取得实质性找矿新突破，支撑保障中国钴-镍急缺战略性矿产的安全供应能力。
致谢：本文是在申请国家重点研发计划“十四五”重点专项“战略性矿产资源开发利用”2021年指南项目之“钴-镍成矿规律与高效勘查技术”的过程中形成的;期间，得到了各研发合作单位的大力支持，得到中国地质调查局西安地质调查中心计文化研究员的框架构建及研究思路的启发;自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室的技术人员共同参与编写及插图绘制;论文评审专家及《西北地质》编辑部吕鹏瑞高级工程师给予了很好的建议和具体修改意见;在此一致深表感谢。
原文来源：西北地质，第55卷第2期. 2022年5月(总224期)
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编辑：中冶有色技术网
来源：张照伟，李文渊，丰成友，王辉，王亚磊，武军杰，李德贤，吕新彪，朱伯鹏，惠博，刘会文
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2024年07月12日 ~ 14日 
