贺兰山北段牛头沟金矿床地质特征及构造控矿机理研究

张玮　魏开武　李红宇

摘要：牛头沟金矿位于华北陆块鄂尔多斯地块西缘贺兰山裂陷北段之基底杂岩带，赋矿地层为一套下元古界宗别立群第二亚群（Pt₁z²）中一深程度的变质岩系。矿体受深大断裂的次一级主断裂（F1）控制。该断裂形成于海西——印支期，经历了早期逆冲挤压，晚期局部引张的多期活动阶段。文中主要从矿床地质特征、成矿流体温度、压力及硫同位素分析等对构造控矿机理进行研究，进一步阐明了该地区构造蚀变岩型金矿的成因类型。

关键词：蚀变岩型金矿 构造控矿机理 牛头沟 贺兰山北段

牛头沟金矿位于贺兰山北段，地理坐标：东经106° 31′30″～106°33′00″；北纬39°16′30″～39°17′30″，面积3.99km²。近年来通过矿区开展普查工作，在F1主断裂破碎带内圈定出了三个金矿体，确定了牛头沟金矿床的工业类型为破碎带蚀变岩型，使该区的找矿工作有了较大突破，在该地区寻找低品位的厚大金矿体具有很大的前景。由于贺兰山是我国东西部地理与地质构造的分界线。因此，在该地区金矿找矿取得突破性进展具有重要的意义。下面就贺兰山北段牛头沟金矿床地质特征及构造控矿机理研究方面提出一些新的认识，供进一步地质勘查工作参考。

1.区域地质背景

矿区地处天山——兴蒙造山系与贺兰山——龙门山——安宁河南北向断裂带（鄂尔多斯西缘拗陷带）的交汇（复合）部位，大地构造位置为华北陆块鄂尔多斯地块西缘贺兰山裂陷北段之基底杂岩带（胡能高等，1994；李红宇等，2010）。

区域内出露的为一套古元古界变质岩系，前人曾命名为贺兰山群、千里山群、赵池沟群，以及新太古界宗别立群。这套变质岩主要由硅线石榴黑云二长片麻岩、黑云斜长片麻岩，浅粒岩、黑云斜长变粒岩、混合岩及混合花岗岩等组成，以角闪岩相一角闪麻粒岩相为主，属中一深变质程度。其原岩以富铝的半粘土质一粉砂岩、硬砂质沉积岩和中酸性侵入岩为主，局部为中酸性火山碎屑岩。

区域范围内经历了多期构造运动，见多次构造变形、褶皱、韧性变形带及各种断裂构造，褶皱构造轴向为北东向或近南北向，大多数保留完整，部分受后期断裂破坏不易辨认，一般由古生代、中生代地层构成。区内发育的主要深大断裂有（潘桂棠等，2009）：①贺兰山西麓深大断裂；②贺兰山东麓大断裂；③正谊关大断裂。

近年发现的贺兰山北段韧性变形带，分布于贺兰山北段的古元古界宗别立群（Pt₁z²）深变质岩系中，呈近东西走向，与变质地层的片理产状一致。韧性剪切构造带内可见糜棱岩、片麻状糜棱岩、鞘褶皱、拉伸线理等变形特征，与金矿化有密切的关系。

区域内岩浆岩出露面积约300km²。岩石类型以中—酸性岩为主，基—超基性岩较少。岩浆岩的时代以古元古代混合（花岗）岩（Pt₁r）为主。中国科学院地质与地球物理研究所CAMECAIMS-1280二次离子质谱仪（SIMS）上获得锆石U-Pb年龄为1950Ma左右（张连昌，2010），即相当于古元古代中一晚期（吕梁运动Ⅰ幕）。同时测定辉绿岩脉的同位素定年结果为1950±49Ma，与古元古代花岗岩属同期侵入。

2.矿区地质特征

2.1 矿区围岩蚀变特征

矿区范围内出露的地层有古元古界宗别立群第二亚群（Pt₁z²）的黑云母斜长片麻岩和变粒岩；中寒武统—下奥陶统阿不切亥组（∈₂—O₁a）含生物碎屑灰岩；上石炭统—下二叠统太原组（C₂-P₁t）砂岩、页岩和炭质页岩（图1）。其中蚀变岩型矿体上盘围岩主要为古元古界宗别立群第二亚群（Pt₁z²）的变粒岩和混合（花岗）岩；下盘围岩为中寒武统—下奥陶统含生物碎屑灰岩和上石炭统—下二叠统太原组炭质页岩。石英脉型矿体围岩主要为混合岩、混合花岗岩，其次为古元古界宗别立群第二亚群（Pt₁z²）的变粒岩。蚀变岩型矿体含矿岩性主要由硅化黄铁矿化含金蚀变岩和含金蚀变碎裂岩组成。

2.2 控矿构造特征

矿区构造主要是断裂构造，分布有北西向、北东向和近南北三组断裂。其中，北西向断裂一般规模不大，多为逆断层，部分为平移断层，区内的大多数石英脉即沿该组断裂充填。这些脉体普遍含金及其他（铜）有用元素。北东向断裂在本区极为发育，长度可达数十公里，大多数为逆断层，多分布于褶皱的翼部，形成宽10～30m的挤压破碎带。近南北向断裂为矿区主要控矿和容矿构造，该组断层规模较大，代表性有F1断层。F1断层为正谊关大断裂的次一级断裂，走向近南北向，断裂总体倾向西，倾角46°～65°。断层上盘为古元古界宗别立群地层，下盘为古生代地层；断层长度大于4.2kin，在矿区内该断层长度约1.6km，形成了宽达30～90m破碎蚀变岩带。该断裂在走向和倾向上均具有波状弯曲的特征，带内岩石发育碎裂岩（化）、角砾岩化（中部）和挤压片理（边部）。推测该断裂具有多期活动的特征，早期主要表现为挤压逆冲断裂活动特征，后期挤压应力松弛，转化为局部的伸展，使原岩石发生破裂，同时发生含矿热液的充填交代作用。矿化断裂带从中部到边部发育明显的蚀变一矿化分带：即中部为强硅化黄铁矿化含金蚀变岩，向两侧变为硅化碎裂岩和硅化变粒岩（图2）。本区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号金矿（化）体均由该断裂带控制。

2.3 主要金矿体地质特征

牛头沟金矿成因类型应属于与构造一热液活动有关的中低温热液型矿床，工业类型可分为破碎带蚀变岩型和石英脉型两种，断裂破碎带控矿是该金矿的主要特征。

2.3.1 蚀变岩型金矿体

Ⅰ号金矿体赋存于F1断裂破碎带中靠近老地层一侧。赋矿岩石为变粒岩的碎裂岩和蚀变岩。岩石较破碎，褐铁矿化较明显。地表矿体出露长度约1，100m，工程控制地段矿体长度800m，倾向延深414m，厚度1～7m，平均厚度2.48m；金一般品位0.54×10^-6～5.16×10^-6，最高品位11.46×10^-6，平均品位1.80×10^-6。整个矿体产状与F1断裂一致，地表倾角较缓，一般为45°～50°，向深部逐步变陡，可达60°。

矿石主要由硅化黄铁矿化含金蚀变岩和含金变碎裂岩组成。

硅化黄铁矿化含金蚀变岩：呈灰白色，地表矿化带多呈浅褐色。主要矿石矿物有黄铁矿、磁黄铁矿、褐铁矿，偶尔见黄铜矿；脉石矿物有石英、绢云母、长石、绿泥石等。矿石构造主要为浸染状和细脉一浸染状，具弱的片理化现象。也见角砾状矿石，主要由硅化的角砾被石英+黄铁矿热液脉胶结。黄铁矿多呈他形和五角十二面体形态，呈浸染状分布，粒径0.2～0.5mm，少量黄铁矿呈细脉一浸染状沿蚀变岩裂隙分布，黄铁矿可见碎裂现象，未见明金。

含金蚀变碎裂岩：其蚀变和矿化相对较弱，该类矿石呈灰白色。主要矿石矿物有黄铁矿、磁黄铁矿、褐铁矿，脉石矿物有石英、绢云母、长石、绿泥石等。矿石构造主要为碎裂一角砾状，具弱的片理化现象。黄铁矿多呈他形和五角十二面体形态，呈浸染状分布，粒径0.2-0.4mm，少量黄铁矿呈细脉一浸染状沿蚀变岩裂隙分布，推测是蚀变一矿化沿碎裂一角砾化了的变粒岩发生所致。

另外位于Ⅰ号矿体上盘，在构造蚀变岩带内，还圈出Ⅱ和Ⅲ号两个规模较小的矿体，其基本地质特征与Ⅰ号矿体相似。

2.3.2含金石英脉型矿体

矿区含金石英脉，具有呈群成带分布的特征，出露于F1断裂破碎带之上盘（西侧）。石英脉带走向在325°～345°之间，与F1主干断裂呈15°～35°夹角斜交，长度大于30m、厚度大于5cm的脉体就多达175条。石英脉多为乳白色，均具不同程度的黄铜矿化、孔雀石化和褐铁矿化及金矿化。脉体分枝复合、尖灭再现现象十分突出。大多数脉体沿走向方向尖灭。主要含金脉体175号脉，位于矿区西北部的灯影子沟中，地表出露长度350m，总体走向3300，倾向南西，倾角54°～75°，走向上具膨大缩小、分支复合特征。地表控制长度170m，深部沿脉坑道施工60m。金一般品位在0.54×10^-6～3.78×10^-6之间，最高品位21.20×10^-6，平均品位5.97×10^-6；含铜0.38×10^-2～5.68×10^-2；矿体平均厚度0.48m。

显微镜下观察表明，脉石矿物主要是石英，其一般颗粒直径0.2～0.4mm矿石矿物主要是黄铁矿、黄铜矿、方铅矿和孔雀石、褐铁矿等。硫化物多沿石英脉裂隙呈细脉浸染状分布，硫化物粒径0.5～1.0mm。罕见自然金，粒径0.002～0.006mm。

2.3.3 矿石的物质成分

①矿石的矿物成分：石英、长石含量64%～68%，斜长石含量20%，方解石含量20%～30%，绢云母含量2～20%，绿泥石含量7～10%；重矿物有黄铁矿、黄铜矿、榍石和白钛矿，含量1～6%。

②矿石的化学成分：Au0.41～2.47×10^-6之间，一般为低品位矿石。根据矿石化学全分析分析结果显示，矿石的平均化学成分为：SiO₂82.38%、CaO 0.52%、MgO 0.63%、Fe₂O3₃.59%、Al₂O₃7.49%.K₂0 2.19%.Na₂O 0397%.Cu Q3～0.75%。

2.3.4 金的赋存状态

牛头沟金矿属于低品位金矿石，通过西北有色地质研究院选冶中心所做的牛头沟金矿区金的物相分析，对矿区金的赋存状态有了初步了解。牛头沟金矿床金的物相分析结果见表1。可以看出，牛头沟金矿区矿石中金的赋存状态主要以裂隙金和粒间金为主。

3.矿床地球化学特征

3.1 硫同位素组成特征

矿区硫同位素样品采集位置为地表含金石英脉群和Ⅰ号蚀变岩型金矿体上，测试对象为含金黄铁矿和黄铜矿。测试工作在中国科学院地质与地球物理研究所测试中心完成，分析仪器为美国菲尼根公司生产的Delta S型气体同位素质谱计联机系统。仪器灵敏度为1500mol/ion。

分析结果（表2）表明，矿区破碎带蚀变岩和石英脉型金矿体的硫化物硫同位素组成近一致，含矿硫化物δ³⁴S为4.86-6.8‰，该值接近于地幔和陨石的硫同位素组成，不具地层生物硫（³⁴S为负值）和海相硫酸盐硫（34S为较大的正值一般>15‰）的特点，反映牛头沟金矿硫化物硫主要来自深部岩浆源区或变质流体（宋新华，李红宇等，2010）。

3.2 矿物流体包裹体特征石英矿物流体包裹体均一温度测试在中国科学院地质与地球物理研究所流体包裹体实验室进行。直接观察在加温或冷冻过程中包裹体相态的连续变化。显微冷/热台的温度控制范围为-196～600℃，冷冻/加热速率从0.01℃/分钟-130～C/分钟；高温热台的最高加热温度可至1500℃。分析结果（表3）表明，牛头沟矿区的硅化蚀变岩和石英脉金矿均表现为中低温（160℃-300℃）、中低盐度（6-11wt%）和中浅深度的热液型金矿的矿物流体特征。

4.断裂控矿的机理研究

4.1 F1控矿断裂

近南北向断裂为矿区主要控矿和容矿构造，该组断层规模较大，代表性有F1断层。F1断层为正谊关大断裂的次一级断裂，走向近南北向，断裂总体倾向西，倾角46°-65°。断层上盘为古元古界宗别立群地层、下盘为古生代地层。

为了对矿区断裂控矿机理进行研究，我们垂直F1断层走向、横切岩层布置地质剖面进行实测从图3断层两侧岩石的碎裂变化程度及蚀变特征进行较详细的观察统计研究，说明该断裂在走向和倾向上均具有波状弯曲的特征，局部由于受后期构造影响发生错动。带内岩石发育碎裂岩（化）、角砾岩化（中部）和挤压片理（边部）。推测该断裂具有多期活动的特征，早期主要表现为挤压逆冲断裂活动特征，后期挤压应力松弛，转化为局部的伸展，原岩石发生破裂，同时发生含矿热液的充填交代。矿化断裂带从中部到边部发育明显的蚀变一矿化分带：即中部为强硅化黄铁矿化含金蚀变岩，向两侧变为硅化碎裂岩和硅化变粒岩。

矿区内的石英脉见有明显两期，成群出现，呈带状集中分布，晚期石英脉含矿。石英脉均出现在F1西侧断层的上盘，充填于剪切张裂隙中，是F1主干断裂不同期次活动派生的产物。

4.2 断裂控矿模式

关于断裂构造控矿模式主要集中于研究断裂对矿体分布的控制；在不同应力场下断裂的不同地段对成矿的控制；断裂的伴生构造对成矿的控制；叠加断裂对成矿的控制。

从矿区含金石英脉的产状、规模以及空间分布特征来看可初步推断含金石英脉为与控制主断裂F1一致的应力场下形成的次级张裂隙，在张性环境下，含矿热液易以充填形式成矿，但由于在不同的构造部位，成矿流体演化机制有所不同，即造成石英脉含矿性有所不同。

F1断裂是区域大断裂正谊关断裂的次级断裂；牛头沟金矿区矿体主要受F1控制，该断裂主要形成于晚古生代的海西——印支期，经历早期逆冲挤压，晚期局部引张破裂的多期活动阶段。F1断裂有一个明显的特征是产状有明显的波状弯曲，因为断裂往往是在两组以上裂隙的基础上发生的拉伸，形成追踪裂隙，可以造成断裂面是弯曲的，在同一应力下，不同部位受力情况不同，因而在F1的某些地段形成张开，为成矿提供了有利空间，这些地段多出现在F1产状变缓处，并且在早期的拉张环境下形成的碎裂岩化学性质活泼，可形成交代式成矿。

矿化作用主要形成于主断裂（F1）张性破裂阶段和地段，矿化早期主要表现为强烈硅化，矿化晚期硅化岩破裂被主成矿流体充填一交代形成蚀变岩型金矿。

马宗晋等认为贺兰山地区在新生代之前经历了几次区域性的伸展活动，表现出显著的“多旋回”构造特点。其分析结果表明，该地区在早古生代，可能是北祁连岛弧靠大陆一侧的弧后盆地的一部分，在晚期演变为弧后前陆盆地。在晚泥盆世晚期一中生代早期，贺兰山北段地区由于受南侧的挤压发生伸展，属于碰撞谷（张进，马宗晋等，2004）。以上观点认识与矿区的断裂控矿机理分析是一致的。

成矿作用与热事件紧密相连，多发生在大地构造事件的末期，根据辉绿岩脉和黑云斜长片麻岩锆石U-Pb演化线的下交点年龄可初步判断在古生代末本区曾发生过强烈的变质变形作用或热事件，结合本矿区二叠纪地层也遭受了构造作用的影响，初步认为在华里西期（350-260Ma）本矿区曾发生过强烈的构造热事件，该事件与金成矿关系密切。

牛头沟金矿区构造演化具有多阶段性，各主要地质体以及构造格局的形成经历了三个主要阶段（图4）。

第一阶段主要是基底F1断裂的形成，本阶段之前该区所在的构造单元接受大量沉积，形成寒武纪、石炭纪海陆交替一浅海相沉积盖层，由于古生代末期的构造活动，在大区应力场作用下形成挤压性的逆断层。

第二阶段主要该区发生大规模的挤压和区域抬升。F1以西古老结晶基底出露，在强烈挤压作用下地层发生倒转，主断裂F1产状也相应发生变化。

第三阶段在左旋作用下与F1伴生的张裂隙产生，后期热液活动时发生矿物质进一步充填。

根据蚀变岩型金矿的成矿模式，三个主要阶段的构造活动对成矿都有重要的作用（韦延光，邓军等，2005）。综上所述，贺兰山北段牛头沟金矿的控矿机理及成矿模式应该是：古元古代早期（20.82Ma前）华北陆块的微陆块之间裂陷构造形成结晶基底（碎屑—火山沉积）→古元古代中—晚期（吕梁运动Ⅰ幕），区域发生大面积的中酸性岩并伴随有基性岩脉的侵入（1950±49Ma）及矿质的带人→古生代中寒武统—下奥陶统、上石炭统—下二叠统沉积盖层的形成→华里西晚期（350-260Ma）发生大规模的东西向挤压作用，在刚性（基底岩层）与揉性（沉积盖层）地层之间形成F1推覆挤压与局部扩张的断裂，并伴生剪切作用北西向张裂隙产生→同期构造作用产生热液活动，使断裂下盘岩石中的矿质活化带出，在有利的构造空间成矿。因此，依据其矿石矿物流体包裹体特征，牛头沟金矿床成因类型应该为低温热液型，工业类型为破碎带蚀变岩型。