初论内蒙古长山壕金矿床的成矿时限*

曹毅　聂凤军　肖伟　刘翼飞　张伟波　王丰翔

1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京　1000372.中国地质大学地球科学与资源学院，北京　1000833.石家庄经济学院，石家庄　0500311.

图1　长山壕金矿床位置图Fig.1　The position map of Changshanhao gold deposit

1　概述

长山壕金矿位于华北地台北缘西段，中元古代白云鄂博台缘凹陷带西部，矿区东距白云鄂博矿区约90km，南距包头市120km(图1)。至2012年初，长山壕金矿床实际保有(工业+低品位)资源量为矿石量34225万吨，金金属量213吨，平均品位0.62克/吨。该矿床是产于华北地台北缘西段裂谷带中浅变质碎屑岩为容矿围岩的超大型金矿床，也是中国北方目前最大的低品位露天开采黄金矿山，对其成矿特征与成因进行深入研究，对揭示华北地台北缘元古宙浅变质碎屑岩为容矿围岩的金矿床的成矿规律和指导找矿具有重要意义。

图2　长山壕金矿矿区地质图Fig.2　The geological map of Changshanhao gold deposit

之前有学者对长山壕矿床的地质特征、成矿流体特征以及矿床地球化学特征进行过较为详细的研究(李义明等，2010；赵百胜等，2011)，也有学者分别用不同的方法对长山壕矿区的成矿时代进行了限定(王建平等，2011；肖伟等，2012)，认为该矿床成矿作用与海西期构造岩浆活动有关，并没有进行详细的阐述。本文旨在探讨长山壕地区晚古生代岩浆活动与金成矿作用的关系，通过详细分析从岩浆演化到热液出溶的过程，讨论其对金矿成矿作用的影响。

2　矿区地质与矿床地质特征

矿区内出露的地层为中元古界白云鄂博群尖山组、哈拉霍疙特组和比鲁特组。主要含矿层位为白云鄂博群比鲁特组，由粗砂岩、玄武质砂岩、砂岩、粉砂岩、页岩、燧石和碳酸盐岩组成(图2)。后期受区域变质作用影响，成为变质砂岩、变质粉砂岩、板岩、千枚岩、片岩和结晶灰岩。在矿区构造方面，浩尧尔忽洞向斜横贯全区，断裂构造以高勒图断裂和合教-石崩断裂带为主，高勒图断裂带由两条向南弧形凸出的逆断层组成。合教-石崩断裂带走向呈北西向、北北东向和近东西向，金矿化主要分布在近东西向的挤压破碎带内，在北西向的平移断层中少见。

矿区及其周围出露的侵入岩有加里东晚期、海西期和印支期。区内主要为海西中、晚期侵入岩，岩性为黑云母花岗岩、花岗斑岩和花岗闪长岩。矿区的北部和南部，规模不等、几何形态各异和形成时代不同的花岗岩类侵入岩基(株)十分发育，主要岩石类型有花岗闪长岩、斜长花岗岩和黑云母花岗岩。花岗斑岩呈脉状侵入到矿区中元古界白云鄂博群变质沉积岩地层中，约占侵入岩面积的20%，单个脉体长度为10～70m，平均值为30m，宽度为1～10m，平均值为4m。一般来讲，这些岩脉大都呈近东西走向，向南或北倾斜，倾角为50°～80°。岩脉大都沿矿体的底部产出，常常构成其顶板或底板。闪长岩呈脉状侵入到矿区中元古界白云鄂博群变质沉积岩地层中，约占侵入岩面积的30%，单个脉体长度为10～60m，平均值为35m，宽度为1～15m，平均值为6m。一般来讲，这些岩脉大都呈近东西走向，向南或北倾斜，倾角为40°～60°。岩脉大都沿矿体的底部产出，常常构成其顶板或底板。黑云母花岗岩呈岩基、小岩株出露于矿区北部和南部，距比鲁特岩组内金矿化带数百米至数公里不等，侵入岩体内尚未发现金矿化。

长山壕金矿床中矿体的几何形态和产出规模严格受地层、构造破碎带和片理化带控制，各主要矿体大都产在白云鄂博群比鲁特组碳质粉砂岩、碳质板岩、黑色千枚岩、千枚状板岩和红柱石-十字石-石榴子石片岩中，呈板状、似板状和透镜体状产出。矿带整体呈EW-NEE走向，由一条北东向的压扭性断裂构造为界，呈北东向展布，长度为4500m，宽度为20～200m，可分为东、西两个矿带(内蒙古自治区地质矿产局，1991；黄占起等，2002；胡鸿飞，2006；胡鸿飞等，2008，聂凤军等，2010)。钻(坑)探结果表明，东矿带各主要矿体呈北东向或北东东向分布，在平面上呈平行或雁行状排列，间隔距离为10～20m。西矿带各主要矿体呈近东西向或北西向分布，在平面上呈雁行状排列，间隔距离为10～20m。一般来讲，单个矿体的长度变化范围为100～1413m，平均值为303m，矿体倾角一般为75°～85°之间，局部近似于直立。矿体沿走向和倾向比较稳定，单具有膨胀收缩的特点。尽管各矿体无论在长度、厚度和倾斜延深上，还是在几何形态上均存在有一定差别，但是其产出形态与地层产状大体一致。矿体中金的分布比较均匀，金品位一般在0.5×10-6～1.5×10-6，品位变化比较稳定，品位变化系数一般在12.41%～35.44%之间。

表1样品采集与描述表
Table 1Collection and description of the samples

图3　长山壕金矿区矿石类型(a)-石英细脉矿石;(b)-板岩类混合矿石Fig.3　Ore types in Changshanhao gold deposit (a)-quartz vein type ore; (b)-slate-type ore

矿石自然类型由石英细脉矿石和板岩类混合矿石组成(图3)。石英细脉矿石富含金属硫化物矿物，常见的有黄铁矿、磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、辰砂等，其中脉石矿物以石英为主，其次有少量的绢云母和方解石；板岩类混合矿石中发育细脉状、膜状金属硫化物，其矿物主要为黄铁矿、磁黄铁矿和少量的黄铜矿，脉石主要有绢云母、石英、绿泥石、钠长石以及部分碳酸盐类矿物组成。

矿区以低变质作用为主，蚀变比较弱，矿床中各矿体的热液蚀变强度不如典型热液型金矿床那样明显，但是热液蚀变的存在是一毋容置疑的地质实事，且围绕金矿化呈带状分布，围岩蚀变强度在渐变性接触带比较发育，在突变的接触部位则较弱，主要的热液蚀变类型有硅化、黄铁矿化、黑云母化、碳酸盐化和绢云母化等(聂凤军等，2010)。与金矿化有关的蚀变多为中低温蚀变，其空间上均发育在破碎带和片理化带内，其中黄铁矿、硅化、褐铁矿化绢云母化与金矿化关系密切。矿床的成因类型为浅变质岩为容矿围岩的中-低温热液型金矿床。

3　同位素分析方法及分析结果

本次用于40Ar/39Ar同位素年龄测定的黑云母、白云母样品采自长山壕金矿床东北采坑含金黄铁矿化石英脉，详细的采样地点及经纬度见表1。

3.1　40Ar/39Ar法测年

云母矿物的40Ar/39Ar法同位素年代学测定在中国地质科学院地质研究所同位素实验室进行，用全时标全自动高精度高灵敏度激光40Ar/39Ar定年系统完成。矿石样品经清洗烘干后破碎至60～80目，通过磁选和重液分选选出单矿物。清洗后的矿物样品被封进石英瓶中送核反应堆接受中子照射。照射工作是在中国原子能科学研究院的“游泳池堆”中进行的，使用H4孔道，中子流密度约为2.60×1013n·cm-2S-1。照射总时间为1440min，积分中子通量为2.25×1018n·cm-2；同期接受中子照射的还有用做监控样的标准样：ZBH-25黑云母标样，其标准年龄为132.7±1.2Ma，K含量为7.6%。

样品的阶段升温加热使用石墨炉，每阶段加热30min，净化30min。质谱分析是在多接收稀有气体质谱仪Helix MC上进行的，每个峰值均采集20组数据。所有的数据在回归到时间零点值后再进行质量歧视校正、大气氩校正、空白校正和干扰元素同位素校正。中子照射过程中所产生的干扰同位素校正系数通过分析照射过的K2SO4和CaF2来获得，其值为：(36Ar/37Aro)Ca=0.0002389，(40Ar/39Ar)K=0.004782， (39Ar/37Aro)Ca=0.000806。37Ar经过放射性衰变校正；40K衰变常数λ=5.543×10-10y-1；用ISOPLOT程序计算坪年龄及正、反等时线(Ludwig,2001,v2.49)。坪年龄误差以2σ给出。详细实验流程见有关文章(陈文等，2006，2011；张彦等，2006；聂凤军等，2005)。

表2常山壕金矿区含矿石英脉样品的40Ar/39Ar阶段升温加热分析数据
Table 2Results of40Ar/39Ar stepwise heating dating from the samples in the Changshanhao gold deposit

加热阶段T(℃)40Ar39Ar()m36Ar39Ar()m37Ar39Ar()m38Ar39Ar()m40Ar(%)F39Ar(×10-14mol)39Ar(Cum )(%)Age(Ma)±1σ(Ma)CSH⁃17W=26 94mg，J=0 002602170054 67950 12070 00000 046434 7519 00090 060 3687 15 5280063 66070 01970 00000 017590 8657 84470 573 94252 92 4390058 96400 00750 00050 014196 2356 74166 9347 85248 42 3494057 69450 00320 00000 013398 3656 74752 3162 51248 52 3598058 54580 00520 00000 013397 3757 00780 7867 44249 52 46104058 84340 00590 00000 012997 0257 08730 8272 62249 82 47110058 25790 00620 01960 013996 8456 42081 2180 27247 12 38115057 85830 00460 01820 013797 6356 48881 9292 43247 42 39120057 69920 00230 01870 013198 7957 00381 0398 94249 52 410125058 09220 00710 03690 016496 3755 98250 1399 77245 34 711140067 23440 00920 00000 003995 9464 50380 04100 0028012CSH⁃18W=30 37mg，J=0 00267517001550 43515 13740 28361 02252 0932 35530 040 26150902800237 19180 63160 05230 138221 3150 54420 754 69228 82 5388058 62070 00800 00330 016795 9656 25543 4725 09252 92 4492058 23110 00300 01200 015998 4657 33591 6034 52257 42 4597058 32620 00210 00260 015498 9257 69441 7744 92258 92 46102058 54020 00190 01270 015699 0357 97322 4459 25260 12 47107057 36400 00120 00000 015099 3757 00292 7575 42256 02 48112057 01660 00170 01970 015599 1456 52582 7891 75254 02 49116057 16270 00130 00230 014899 3256 77281 3599 68255 12 410122058 08600 02430 46670 033687 6750 94520 0499 942304411140094 68570 24323 98660 163924 3823 15930 01100 0010862CSH⁃23W=26 61mg，J=0 002747170055 88750 10320 00000 036745 4225 38180 070 40121 65 2280068 81540 04690 00740 021779 8654 95330 442 76253 62 5390058 60660 01360 00000 015293 1554 59185 7033 59252 12 4494055 40830 00420 00270 013497 7354 15124 3056 85250 22 3598055 71430 00460 00290 013697 5454 34321 5865 41251 02 46104056 15460 00710 00100 014296 2754 05871 1471 56249 82 37110055 77700 00590 01060 013896 8854 03661 3478 83249 72 38115055 15830 00360 00410 013398 0754 09642 2490 96249 92 39120055 12340 00280 00000 013298 4854 28481 2197 50250 82 410128055 18310 00330 00280 013398 2254 19900 3299 24250 42 511140057 24530 00850 04450 013795 6154 73390 14100 00252 73 2

注：表中下标m代表样品中测定的同位素比值；F=40Ar*/39Ar

3.2　分析结果与地质解释

CSH-17样品：从800℃到1400℃，对含金黄铁矿化石英脉中的白云母样品进行了11阶段的加热分析(表2)，所获得数据构成了一条未受明显热扰动的40Ar/39Ar年龄谱线(图4)。在年龄谱线的左边和右边分别出现了1个异常数据：87.1±1.1Ma、280±12Ma，但其占总量的比例很小，其余大部分(99.41%的39Ar释放量)非常平坦，有效坪年龄为246.0±1.6Ma(2σ)。根据参与积分年龄计算的9个点所获得的39Ar/40Ar-36Ar/40Ar反等时线年龄为247.5±2.7Ma(2σ,MSWD=9.9)(图4),说明数据分布比较均匀，40Ar/36Ar初始比值为332±52(2σ)，接近尼尔值(295.5)，说明样品中可能没有过剩氩存在。坪年龄与反等时线在误差范围内完全一致以及40Ar/36Ar初始比值和现代大气氩比值在误差范围内基本一致的事实表明，246.0±1.6Ma的40Ar/39Ar坪年龄是有地质意义的，可以近似代表白云母的形成年龄。

图4　长山壕金矿区含矿石英脉样品CSH-17中白云母的40Ar/39Ar阶段升温年龄谱线图和36Ar/40Ar-39Ar/40Ar同位素等时线图Fig.4　40Ar/39Ar stage heating age spectra and 39Ar/40Ar vs.36Ar/40Ar isochron diagram of typical muscovite from sample CSH-17 in the Changshanhao gold deposit

图5　长山壕金矿区含矿石英脉样品CSH-18中黑云母的40Ar/39Ar阶段升温年龄谱线图和39Ar/36Ar-40Ar/36Ar同位素等时线图Fig.5　39Ar-40Ar stepwise heating age spectra and 39Ar/36Ar vs.40Ar/36Ar isochron diagram of typical biotite from sample CSH-18 in the Changshanhao gold deposit

CSH-18样品：从700℃到1400℃，对含金黄铁矿化石英脉中的黑云母样品进行了11阶段的加热分析(表2)，所获得数据构成了一条未受明显热扰动的40Ar/39Ar年龄谱线(图5)。在年龄谱线的左边出现了2个异常数据：150±73Ma、228.8±2.5Ma，年龄谱线的右边出现了1个异常数据：108±62Ma，但其占总量的比例很小，其余大部分(95.2%的39Ar释放量)非常平坦，有效坪年龄为256.3±1.8Ma(2σ)。根据参与积分年龄计算的8个点所获得的39Ar/36Ar-40Ar/36Ar等时线年龄为254.5±3.3Ma(2σ，MSWD=3.5)(图5)，说明数据分布比较均匀，40Ar/36Ar初始比值为285.9±1.8(2σ)，接近尼尔值(295.5)，说明样品中可能没有氩丢失。坪年龄与等时线在误差范围内完全一致以及40Ar/36Ar初始比值和现代大气氩比值在误差范围内基本一致的事实表明，256.3±1.8Ma的40Ar/39Ar坪年龄是有地质意义的，可以近似为黑云母的形成年龄。

图6　长山壕金矿区含矿石英脉样品CSH-23中白云母的40Ar/39Ar阶段升温年龄谱线图和36Ar/40Ar-39Ar/40Ar同位素等时线图Fig.6　39Ar-40Ar stepwise heating age spectra and 39Ar/40Ar vs.36Ar/40Ar isochron diagram of typical muscovite from sample CSH-23 in the Changshanhao gold deposit

CSH-23样品：从700℃到1400℃，对含金黄铁矿化石英脉中的白云母样品进行了11阶段的加热分析(表1)，所获得数据构成了一条未受明显热扰动的40Ar/39Ar年龄谱线(图6)。在年龄谱线的左边出现了1个异常数据：121.6±5.2Ma，但其占总量的比例很小，其余大部分(99.6%的39Ar释放量)非常平坦，有效坪年龄为250.9±1.5Ma(2σ)。

根据参与积分年龄计算的10个点所获得的39Ar/40Ar-36Ar/40Ar反等时线年龄为249.6±2.5Ma(2σ，MSWD=9.1)(图6),说明数据分布比较均匀，40Ar/36Ar初始比值为331±18(2σ)，接近尼尔值(295.5)，说明样品中可能没有过剩氩存在。坪年龄与反等时线在误差范围内完全一致以及40Ar/36Ar初始比值和现代大气氩比值在误差范围内基本一致的事实表明，250.9±1.5Ma的Ar-Ar坪年龄是有地质意义的，可以近似为白云母的形成年龄。

根据上述测年结果，我们可以知道长山壕金矿区含金黄铁矿化石英脉中2件白云母样品的Ar-Ar年龄分别为246.0±1.6Ma、250.9±1.5Ma，1件黑云母样品的Ar-Ar年龄为256.3±1.8Ma。严格地讲，它们只能代表白云母和黑云母形成以后冷却降温至其Ar同位素封闭温度时的年龄，只有在快速冷却的情况下，才能近似认为是云母的形成年龄。综合矿石中黑云母和白云母的Ar-Ar年龄，可以推断长山壕金矿床中与金成矿作用相关的最晚一次热液活动的年龄为256～246Ma。

4　讨论

晚古生代是中国大陆岩浆活动最广泛的一个时期，岩浆岩的出露面积达278900km2，主要分布在天山-兴安碰撞带及其附近，接近全国岩浆岩总出露面积的三分之一(程裕淇等，1994)。其中290～245Ma这段时期是华北克拉通北缘构造岩浆活动最为强烈的时期，形成的岩浆岩分布范围广阔，形成了一条自乌拉特中旗、白云鄂博、达茂旗到固阳以至集宁、赤峰等地的二叠纪岩浆岩带，主要岩石类型包括堆晶辉长岩和辉绿岩岩墙、独立的辉长岩岩株、黑云母花岗岩和晶洞花岗岩小侵入体等，多种类型的岩浆在近40Myr内相继侵入，反映了当时构造运动比较活跃，岩浆活动比较频繁(张晓晖和翟明国，2010)。乌拉特中旗地区位于华北板块北缘中段偏西的位置，距离其北边的索伦缝合带仅有100km，索伦缝合带被认为是华北板块与西伯利亚板块最后碰撞缝合的位置(engöretal.,1993;engör and Natalin,1996; Nieetal.,2002; Xiaoetal.,2003; Li,2006; Windleyetal.,2007)，该地区发育大量总体上呈东西向展布的中酸性侵入岩体，其在华北板块北缘构造岩浆演化中具有代表性和重要意义。

长山壕矿区外围呈以岩株或岩基状分布有花岗斑岩、二长花岗闪长岩和黑云母花岗岩。花岗斑岩约占侵入岩面积的20%，闪长岩，二长花岗斑岩约占侵入岩面积的30%，黑云母花岗岩呈岩基、小岩株出露于矿区北部和南部。根据岩体的规模和年代学的结果可以得出(表3)：本区从290Ma左右开始出现早期岩浆活动，这时的岩浆活动的强度还较弱，在研究区内只分布少量面积的花岗斑岩；在287～267Ma，岩浆活动逐渐达到顶峰，区内可见大范围的闪长岩、二长花岗斑和黑云二长花岗岩出露，占侵入岩面积的主要部分；之后的岩浆活动逐渐减弱持续到246Ma，可见只有零星的黑云母花岗岩岩株出露在研究区内。在岩浆活动的晚期，热液活动逐渐占据了主导地位，随着温度的冷却，在256Ma左右，封闭温度高的黑云母首先结晶，随后在250～246Ma，封闭温度稍低的白云母结晶。

表3长山壕地区成岩成矿年代学统计表
Table 3Chronology statistics of diagenesis and mineralization in Changshanhao region

岩性测年方法年龄值(Ma)数据来源花岗斑岩锆石U⁃Pb290 9±2 8Ma肖伟等，2012二长花岗斑岩锆石U⁃Pb287 5±1 9Ma肖伟等，2012黑云二长花岗岩锆石U⁃Pb277 0±3 0Ma罗红玲等，2009黑云母花岗岩锆石U⁃Pb267 9±1 2Ma肖伟等，2012矿石手标本黑云母Ar⁃Ar270 1±2 5Ma王建平等，2011黄铁矿化石英脉黑云母Ar⁃Ar256 3±1 8Ma本文黄铁矿化石英脉白云母Ar⁃Ar250 9±1 5Ma本文黄铁矿化石英脉白云母Ar⁃Ar246 0±1 6Ma本文

上述分析表明，成矿之前的花岗质岩浆作用与金成矿作用之间的关系主要可以体现为两个方面：第一，为成矿提供重要的物质来源，第二，为成矿物质提供重要的热源。晚古生代该区域受各类岩浆构造作用的影响，花岗质岩浆在矿区范围内沿着构造作用形成的软弱面或断裂通道侵入，矿化组分以及含矿流体则沿岩浆向上运移。在岩浆活动晚期的结晶过程中，岩浆的成矿物质随着岩浆热液的析出，形成含矿热液，随着温度的降低，压力的减小，黑云母白云母相继结晶，而含矿热液中的成矿元素也在这个期间沉淀聚集，发生成矿作用，在构造破碎带和背斜枢纽带内形成脉状，似层状或条带状金矿体。野外地质调查显示，矿区地表常见到顺层发育的花岗斑岩脉和二长花岗斑岩脉，岩脉本身不含矿，但其两侧岩层中的金品位普遍较高，热液作用明显，岩脉常常构成金矿体的顶板或底板，其本身就是矿(化)体的组成部分。

5　结论

(1)内蒙古长山壕地区晚古生代岩浆活动十分发育，区内主要发育的岩体岩性为花岗斑岩、二长花岗闪长岩和黑云母花岗岩，这三类岩石在区内的分布范围和形成时代各有不同，反应了岩浆活动从弱到强再到减弱的过程。花岗斑岩形成于290Ma左右，二长花岗岩闪长岩形成于287Ma左右，黑云母花岗岩形成于270Ma左右。

(2)对长山壕金矿区内含矿石英脉中的黑云母和白云母进行了40Ar/39Ar同位素年代测定，结果表明矿石中黑云母的形成年龄为256.3±1.8Ma，矿石中白云母的形成年龄为250.9±1.5Ma～246.0±1.6Ma。

(3)长山壕地区在晚古生代发生的大规模岩浆活动，不仅为成矿提供重要的热源，而且提供了重要的物质来源。岩浆演化后期热液出溶沉淀过程是主要的成矿过程，随着温度降低，压力减小，含矿热液中的黑云母和白云母相继结晶，而含矿热液中的成矿元素也在此期间沉淀聚集。

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