王一存,王可勇,张 淼,梁一鸿,李剑锋,付丽娟,王志高
(吉林大学地球科学学院,吉林长春 130026)
辽宁小佟家堡子金矿床成矿流体特征及来源讨论
王一存,王可勇,张 淼,梁一鸿,李剑锋,付丽娟,王志高
(吉林大学地球科学学院,吉林长春 130026)
小佟家堡子金矿床地处辽宁青城子矿田东南部,为一大型蚀变岩型矿床。矿床产于辽河群大石桥组三段白云石大理岩中,矿体呈层状、似层状产出。矿床由热液叠加改造作用形成,历经石英-黄铁矿、石英-碳酸盐两个阶段。流体包裹体研究表明,该矿床成矿流体属中低温、低盐NaCl-H2O型体系热液。碳氢氧同位素地球化学的研究表明,石英-黄铁矿阶段成矿流体氧同位素δ18O组成在15.2‰~18.4‰,碳同位素δ13CV-PDB组成在-7.4‰~-13.2‰,氢同位素δD组成为-89.3‰~-92.2‰,反应该阶段成矿流体主要来自岩浆水并伴有少量的大气降水。石英-碳酸盐阶段成矿流体氧同位素δ18O组成在17‰~17.8‰,碳同位素δ13CV-PDB组成在-12.3‰~-13.5‰,氢同位素组成δD为-87.7‰~-90.4‰,表明该阶段成矿流体主要来自大气降水。
小佟家堡子金矿 热液叠加 流体包裹体 同位素
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小佟家堡子金矿床是19世纪90年代发现的大型蚀变岩型矿床,现有研究对该矿床的成因类型和物质来源提出了多种观点:刘国平等(2002)通过对绢云母单矿物40Ar/39Ar测年认为该金矿是燕山期成矿,但未分析流体对成矿的作用;安东(2004)通过对该矿床成矿阶段描述分析认为该金矿由喷流沉积形成,但未提大气降水对成矿的影响作用;刘红霞等(2006)仅通过矿石黄铁矿毒砂的富集形态判断矿床与热水沉积、变质热液有关,但是未对成矿流体来源进行分析讨论。限于研究程度,前人未对小佟家堡子金矿成矿流体来源进行细致的研究,本文将采用流体包裹体和同位素地球化学的研究方法,研究该矿床的矿化特征,流体来源及演化。
小佟家堡子金矿床地处辽吉裂谷带中部,该裂谷带是在古华北克拉通基底上发展而形成的巨大的陆间裂谷(陈荣度,1984),经历了太古宙-元古宙裂开-凹陷-闭合-隆起上升的复杂地质演化过程。区内出露地层为辽河群变质岩系(艾永福,2002)东西走向,由下到上分别为浪子山组-粘土岩为主;里尔峪组和高家峪组-中酸性火山岩火山碎屑岩为主;大石桥组和盖县组-以粘土岩、碳酸岩为主并夹有大理岩(陈荣度,1984;代军治,2006);主要侵入岩有古元古宙、印支期、燕山期花岗岩系。区内矿产资源丰富,主要有金、银、铅、锌、石灰石、大理石等品位高的矿体,其中最显著的为金、银、铅和锌矿。
2.1 地层
矿区地层大面积出露辽河群盖县组片岩,在店南沟罗圈门沟一带出露少量辽河群大石桥组白云石大理岩,第四系在矿区中部及北部大面积分布(图1)。
盖县组(Ptlg):在区内分布广泛,岩性以黑云母片岩为主,夹有少量矽线石云母片岩及黑云变粒岩等。走向近东西,倾向北。其底部与大石桥组断层接触,接触带处发育黑云变粒岩、透闪变粒岩。
图1 小佟家堡子金矿区地质简图Fig.1 Geological map of the Xiaotongjiapuzi gold deposit 1-砾石矽粘土及残坡积物;2-辽河群盖县组黑云母片岩、矽线黑云母片岩、硅质-透闪变粒岩;3-辽河群盖县组透辉-透闪变粒岩、黑云片岩、黑云变粒岩;4-辽河群大石桥组石榴石云母片岩、黑云母片岩、斜长浅粒岩;5-辽河群大石桥组白云石大理岩;6-辽河群大石桥组矽线石云母变粒岩;7-白垩纪火山岩;8-闪长岩脉;9-煌斑岩脉;10-印支期花岗岩侵入范围,11-燕 山期花岗岩侵入范围;12-断裂;13-倒转向斜侧转向斜;14-金矿;15-其他矿点1-gravel sand clay and slope sediments; 2-biotite schist, sillimanite-biotite schist, siliceous-tremolite leptynite, dolomite marble of Gaixian Formation, Liaohe Group; 3-diopside-tremolite leptynite, biotite schist, biotite leptynit of Gaixian Formation, Liaohe Group ; 4-garnet biotite schist, mica schist plagioclase leucoleptite of Dashiqiao Formation Liaohe Group; 5-dolomite marble of Dashiqiao Formation, Liaohe Group; 6-sillimanite rock cloud masterbatch of Dashiqiao Formation, Liaohe Group; 7-sillimanite mica schist; 8-diorite; 9-lamprophyre; 10-range of granite invasion of Indo-China epoch; 11-range of granite invasion of Yanshanian epoch; 12- fracture; 13-overturned syncline and lateroduction syncline; 14-gold deposit; 15-other deposit
其中石榴石矽线石云母片岩层:层厚约10~30 m。岩石呈灰色,中-细粒鳞片变晶结构,片状构造。矿物成分主要有石英、微斜长石、黑云母、白云母、石榴石、矽线石等。与三段五层呈断层接触,沿接触破碎带产有较厚金矿体。
2.2 矿区构造特征
区内断裂褶皱较为发育,对热液成矿起了重要的控制作用。
2.2.1 褶皱
区内主要褶皱构造发育中等,主要表现为小佟家堡子北东-南西向倒转向斜,该褶皱轴向北西向,是区域性东西向榛子沟复背斜的次级褶皱;核部产状南西端向南东方向弯曲,略呈钩状,北东端向北摆动倾状,平面上平缓较开阔。
2.2.2 断裂
矿区内断裂构造较为发育,依据断裂与成矿的时间关系分为成矿期断裂与成矿后断裂,依据走向分为近东西、北西、北东向三组断裂。
成矿期断裂:主要为近东西向,向东变为北西—南东走向,为矿区内规模最大的断裂构造,亦是矿区内的主导容矿构造,主要以顺层层间断裂带形式产出,局部与岩层略有交角。
成矿后断裂:矿区内成矿后断裂主要为北东、北西向两组,且表现形式多样,既有正断层又有平移断层,以及两者复合形式;构造形迹较明显,以挤压形式为主,对矿体均有破坏,但因其规模小,故破坏性不大,并在各中段探采工程中可见其切割矿体,因此造成矿体局部缺失且不连续。
2.3 岩浆岩
区内岩浆岩较为发育,矿区北西方向5 km处为印支期新岭花岗岩体,但矿区内未见成型岩体,只见有后期脉岩小规模断续产出,主要有伟晶岩,花岗斑岩、煌斑岩脉等,表明印支晚期-燕山期岩浆活动对区内金(银)矿床的控制作用较为明显,为金(银)矿脉发育提供有利空间,部分矿脉直接产于煌斑岩脉之内(张森,2012)。
3.1 矿体特征
矿区内共有两条金矿体主要为蚀变黑云变粒岩型金矿体,呈层状,似层状,透镜状产出,分别由两条东西向含矿构造控制。
1号金矿体,规模较大,控制断续长500 m,延伸200~600 m,走向西部近EW向倾向北,东部变为NW向,顺层产于辽河群大石桥组三段四层片岩与五层大理岩接触蚀变带处,局部与地层呈小角度斜交,含矿围岩为硅化大理岩(图2)。矿体上盘为三段五层大理岩,下盘为三段四层石榴石云母片岩,局部片岩缺失则为三段四层斜长浅粒岩(图3)。矿体倾向北及北东,倾角15°~30°,局部略陡。矿体铅直厚度1~11m,Au平均品位5.18×10-6。
图2 小佟家堡子金矿床钻孔剖面图Fig.2 Xiaotongjiapuzi gold deposit cross section of drilling hole 1-钻孔及编号;2-矿体;3-硅化大理岩;4-变粒岩;5-片岩1-drilling hole and number; 2-ore-body;3-silicified marble;4 -leptynite;5-schist
2号金矿体,由上述成矿期东西向含矿构造控制,呈似层状产于大石桥组大理岩与盖县岩组黑云片岩构造蚀变带内(图2),含矿岩性主要为硅化蚀变大理岩。矿体极不连续,局部随着大石桥岩组三段五层大理岩变薄,并与1号矿体合二为一,故本文对2号金矿体不再多加叙述,下文所有描述均为1号金矿体。
3.2 矿石特征及围岩蚀变
区内金矿化主要以浸染、细脉浸染蚀变岩型为主,矿石类型分为多金属硫化物型、硅化大理岩型及石墨化-硅化云母片岩型等3类。金矿石矿物成分较简单,金属矿物含量较少,含量占矿物中的平均含量3.05%。
脉石矿物是构成矿石的主体,属贫硫化物的矿石。金属矿物主要为黄铁矿、毒砂,微量元素为白铁矿、黄铜矿、闪锌矿。
黄铁矿:黄铁矿交代毒砂成骸晶结构,粒径略粗在0.1~1 mm,有明显的重结晶作用所形成的镶边结构,间隙有金矿物呈浸染状或与中粒毒砂呈细脉状、团块状产出(图4c)。该类黄铁矿含金性好,平均含金量为0.15~0.99%(王宝林,2012)。
图3 小佟家堡子金矿区240米中段平面图Fig.3 Xiaotongjiapuzi gold deposit 240 m midpiece planar graph 1-矿体;2-断层;3-钻孔;4-勘探线1-ore-body;2-fault;3-drill hole;4-exploration line
图4 脉状矿石标本及显微照片Fig.4 Vein ore samples and micrograph a、d-闪锌矿交代毒砂成交代残余;b-黄铁矿呈半自形结构;c-黄铁矿交代毒砂成骸晶结构;e、f-石英-碳酸盐脉切穿石英-黄铁矿 脉;Py-黄铁矿;Apy-毒砂;Sp-闪锌矿;Ccp-黄铜矿a and d-metasomatic relict arsenopyrite by sphalerite; b-subhedral pyrite structure; c-metasomatic relict arsenopyrite by pyrite structure; e and f-quartz-carbonate orebody cross quartz-pyrite orebody; Py-Pyrite; Apy-Arsenopyrite; Sp-Sphalerite; Ccp-Chalcopyrite
毒砂:高反射,高硬度,被闪锌矿交代成交代残余,呈集合体或细脉状分布,也见于石英小脉中,颗粒间或毒砂与石英颗粒间可见金矿物,毒砂一般含金量为0~0.33%,由此可见毒砂也是金矿石中重要的载金矿物之一。
成矿期蚀变主要表现为硅化、绢云母化、白云石化、硫化物化等。
3.3 成矿期次
根据已有研究成果及本次实地调查,认为矿床在沉积-变质基础上热液改造而成。石英碳酸盐脉呈脉状,细脉状穿切石英黄铁矿脉且与围岩界限清晰(图4e、f)。依据矿物结构组合及矿脉的穿切关系可将该矿床分为两个阶段:石英-黄铁矿阶段,石英-碳酸盐阶段。
石英-黄铁矿阶段:主要金属矿物为黄铁矿、磁黄铁矿、毒砂,其次为黄铜矿、闪锌矿,非金属矿物以石英为主。矿石结构:黄铁矿交代毒砂呈交代残余(图4c),矿石主要发育脉状构造、细脉浸染状构造,Au品位为4.66×10-6~20.12×10-6。
石英-碳酸盐阶段:主要金属矿物为黄铜矿-黄铁矿,但均少于前一阶段,其次有白铁矿-孔雀石,非金属矿物含量较多主要有方解石、石英。矿石结构:交代、包含结构,其中黄铁矿发育自形半自形结构(图4b),矿石主要发育稀疏浸染状构造、细脉浸染状构造,Au品位为3.25×10-6~17.34×10-6。本次研究将用流体包裹体测温岩相学及同位素地球化学来研究该矿床成矿流体来源。
为了更好的分析小佟家堡子金矿成矿流体的来源,笔者对所研究矿区两个成矿矿段的15件矿石样品进行了流体包裹体岩相学和显微测温研究。
4.1 流体包裹岩相学分析
矿脉中含有大量原生流体包裹体,石英可以很好的保存成矿时的流体包裹体且为透明矿物又便于测量,本次测温中选择石英脉并磨成测温片进行测温。本区中主要发育富气相和气液两相包裹体,不同类型的石英脉中发育的包裹体类型也有差别。在室温下Ⅰ类(石英-黄铁矿叠加成矿阶段)石英中显示原生流体包裹体,由气泡及水溶液相两相构成,气液比一般为10~25%。包裹体大小为2~18 μm,多数在6~12 μm之间,其形态一般为较规则的椭圆形、长条状。在石英颗粒中,该类包裹体多随机分布(图5a、b、c);Ⅱ类(晚期石英-碳酸盐阶段)石英中包裹体主要发育气液两相包裹体偶见富气相包裹体。室温下,包裹体也主要由气泡及水溶液相两相构成,气液比一般为5~20%。包裹体大小一般为4~12 μm,多数在5~10 μm之间,其形态多为长条形、椭圆形极不规则状(图5d、e、f)。在石英颗粒中,包裹体多随机分布,显示原生流体包裹体特征。
4.2 流体包裹测温学分析
流体包裹体测温研究工作在吉林大学地球科学学院流体实验室完成,使用的是Linkam THM-600型冷热台,测温区间为-180~600℃,误差在0.1~1℃之间。其分析研究如下:
石英-黄铁矿阶段石英中显示原生流体包裹体特征冷冻-升温过程中,测得包裹体冰点温度为-0.6~-8.8℃,计算相应盐度为1.05~12.62wt%NaClep(据Halletal.,1988),盐度峰值为6.0~9.0wt%NaClep;包裹体均一温度为123.9~280.1℃,温度峰值为140~200℃(图6),根据包裹体盐度及均一温度,估算包裹体密度为0.73~0.89g/cm3。
石英-碳酸盐阶段石英中包裹体冷冻-升温过程中,测得包裹体冰点温度为-2.9~-8.9℃,相应盐度为4.80~12.73wt%NaClep,峰值为5.5~8.5wt%NaClep;均一温度为118.6~296.7℃,温度峰值为160.0~180.0℃(图6),估算密度为0.82~0.93g/cm3。
两个阶段的包裹体冰点温度差异较大并且共存,而且均一温度差异小、均一温度较低,wt%<30,在室温时未在显微镜下观察到盐类子矿物(卢焕章,2004),压力均小于1000Pa,有逐渐升高的趋势,表明矿床属沉积矿床后期发生改造,证明矿床成矿流体属中低温、低盐NaCl-H2O型热液体系。
5.1 氢氧同位素地球化学
为对该矿床成矿流体的来源做进一步讨论,本次工作还挑选出6件样品进行稳定同位素分析,其中JF-8a、b、c、d,为石英-黄铁矿阶段样品,JF-10a、b为晚期石英-碳酸盐阶段样品。实验在核工业地质矿产研究所实验室中心完成,分析结果见表1。
δ18OH2O-δDV-SMOW图解上,石英-黄铁矿阶段部分样品落在紧靠张理刚1985年提出的金、铜系列岩浆热液水范围,呈线状分布的特点,表明同生水与围岩的碳氧化合物、硫化氢或含水的表明部分样品发生了氧同位素漂移效应,逐渐接近雨水线的趋势。晚期石英-碳酸盐阶段的石英中δ18OH2O则明显靠近大气降水的范围(图7)。
5.2 碳氧同位素地球化学
小佟家堡子金矿床石英-黄铁矿阶段的δ13C在δ18OV-SMOW-δ13CV-PDB图解上,落入海相碳酸盐的下方,花岗岩右侧(图8);石英-碳酸盐阶段的δ13C,样品落入靠近沉积有机物脱羟基作用趋势线左侧,与δ18O呈负相关。两个阶段均在淡水碳酸盐(+5~-15)和海相非海相有机物(-5~-30)中,表明有机物晚期的流体在大气降水的作用下混入地层的物质影响成矿。
表1 小佟家堡子金矿区不同阶段石英样品C、H、O同位素分析结果
注: δ18OQ-SMOW/ ‰-δ18OH2O-SMOW/ ‰=3.38×106/T2-2.9(T为均一温度的绝对温度值)。
图5 a、b、c-石英-黄铁矿阶段气液两相包裹体; d、f-石英-碳酸盐阶段气液两相包裹体; e-石英-碳酸盐阶段富气相包裹体Fig.5 a,b and c-gas-liquid inclusion in quartz-pyrite stage; d and f-gas-liquid inclusion in quartz-carbonate stage; e-gas-enriched inclusion in quartz-carbonate stage
在δD对δ18OH2O坐标图(图7)中,δ18O值有很大变化,反映出由岩浆水向靠近大气降水线的“δ18O”漂移。矿区南临吕梁期大顶子岩体,据年代学分析,得出214±2Ma的分析结果(吴福元等,2005),证实其为晚三叠-早侏罗世岩浆活动的产物。因此,印支-燕山期的岩浆活动为金矿形成提供了重要的热液来源。“δ18O”漂移表明成矿流体晚期低δ18O的大气降水增加,也就是说漂移现象是大气降水成矿热液最主要的特点之一。
图6 小佟家堡子金矿床石流体包裹体特征图Fig.6 Characteristic of fluid-inclusion of Xiaotongjiapuzi Deposit A-盐度直方图;B-均一温度直方图;C-温度与密度散点图A-salinity histogram; B-homogenization temperature histogram; C-homogenization temperature vs density diagram
图7 小佟家堡子金矿床石英氢氧同位素组成特征图解 (据张理刚1985)Fig.7 H-O isotopic charactistics of quartz of xiaotongjiapuzi gold deposit (after Zhang, 1985)
图8 小佟家堡子金矿床石英碳氧同位素组成特征图解(据张理刚1985)Fig.8 C、O isotpic characteristics of quartz of Xiaotongjiapuzi gold depcsit(after Zhang, 1985)
两个阶段氢的同位素组成颇有特点及意义。由于各类岩石中尤其是碳酸盐等沉积岩中,它们是几乎不含氢的,或所含的氢与大气降水相比,含量可以忽略不计。因此,当大气降水与这类岩石发生平衡交换时,主要是发生氧的同位素的交换,而导致“δ18O漂移”,但两阶段氢的同位素δD相对比较稳定,这说明成矿热液的δD值,基本上保持着局部地区原始大气降水的δD值。
在小佟家堡子金矿碳氧数据中,石英-黄铁矿阶段较低的碳氧值暗示是有机碳的来源,并伴有淡水碳酸盐的参与;石英-碳酸盐阶段碳值有所降低,意味着地层有机碳在成矿流体中作用增强,也就是说地层和大气降水在成矿流体的演化过程中发挥重要作用,反映成矿流体来源具有多元性的特点。
综上所述,碳氢氧同位素测试研究表明小佟家堡子金矿流体来源以早期印支-燕山期岩浆水为主,晚期以大气降水为主,且地层有机质为成矿流体提供了重要的物质来源。
(1) 本次研究,依据矿物组合、流体包裹体岩相学表明小佟家堡子金矿属于热液矿床。
(2) 流体包裹体测温学,碳氢氧同位素研究表明小佟家堡子金矿床成矿流体由以岩浆热液为主向大气降水为主演化,成矿流体均属中低温、低盐NaCl-H2O型热液体系,地层在成矿作用过程中也提供一些成矿物质来源。
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Characteristics of Hydrothermal Superimposition Mineralization and Fluid Origins of theXiaotongjiapuzi Gold Deposit in Liaoning Province
WANG Yi-cun,WANG Ke-yong,ZHANG Miao,LIANG Yi-hong,LI Jian-feng,FU Li-juan,WANG Zhi-gao
(CollegeofEarthScience,JilinUniversity,Changchun,Jilin130026)
The Xiaotongjiapuzi gold deposit is located in the southeast of the Qingchengzi mine field of Liaoning Province, which is a large deposit of alerted rocks. This deposit formed in dolomite marble in the Dashiqiao Formation of Liaohe Group with layered or quasi-layered orebodies. It might be resulted from hydrothermal superimposition, experiencing quartz-pyrite stage and quartz-carbonate stage. The study of fluid inclusions indicate that the ore-forming fluids formed in hydrothermal superposition stage belongs to a low-temperature and low-salt NaCl-H2O hydrothermal regime. Carbon hydrogen and oxygen isotope geochemistry research shows that oxygen isotopic δ18O in ore-forming fluids ranges from 15.2‰ to 18.4‰, Carbon isotope δ13CV-PDBvaries from -7.4 to 13.2‰, and Hydrogen isotope δD is -89.3‰ to -92.2‰, implying ore-forming fluids in Quartz-pyrite stage stemed from magmatic water with little atmospheric precipitation. Oxygen isotopic δ18O in ore-forming fluids ranges from 17‰ to 17.8‰, Carbon isotope δ13CV-PDB-12.3‰ ~-13.5‰, and Hydrogen isotope δD as -87.7‰ to -90.4‰, reflecting the ore-forming fluids in the quartz-carbonate stage mainly originated from atmospheric precipitation.
Xiaotongjiapuzi gold deposit, hydrothermal superposition, fluid inclusion, isotope
2014-08-29;
2014-11-7;[责任编辑]陈伟军。
中国地质调查局地质调查项目(1212011120156)资助。
王一存(1988年-),女,硕士研究生,主要研究方向:流体包裹体地球化学。 E-mail:13930045680@163.com。
王可勇(1965年-),男,博士生导师,主要从事热液矿床成矿作用机理及勘查找矿研究。E-mail:wangky@jlu.edu.cn。
P618.51
A
0495-5331(2015)01-0079-09