甘肃大桥金矿硅质岩地球化学特征及其地质意义探讨

孙则朋, 王自翔, 徐 亮, 汪 亘, 覃雨璐, 朱贝尔, 朱深圳, 吴保祥, 王永莉



甘肃大桥金矿硅质岩地球化学特征及其地质意义探讨

孙则朋1,2, 王自翔3, 徐 亮1,2, 汪 亘1,2, 覃雨璐4, 朱贝尔4, 朱深圳1,2, 吴保祥1*, 王永莉1

(1. 甘肃省油气资源研究重点实验室, 中国科学院 油气资源研究重点实验室, 甘肃 兰州 730000; 2. 中国科学院大学, 北京 100049; 3. 中石化江汉油田分公司, 湖北 武汉 430223; 4. 中石化石油工程地球物理有限公司 河南分公司, 河南 郑州 450000)

通过对甘肃大桥金矿硅质岩野外及岩石学特征、主元素、微量元素及稀土元素等地球化学分析, 研究了该矿区硅质岩的成因特征, 并探讨了其地质意义。结果表明, 硅质岩化学成分中SiO2含量为75.59%~ 93.00%, Al/(Al+Fe+Mn)平均值为0.82; 大部分微量元素与克拉克值相比处于亏损状态, 而Au、Ag、As、Sb、Hg等微量元素富集; 稀土元素SREE平均值为88.68 μg/g, 经北美页岩标准化后其Ce值为0.68~1.21,Eu值为0.77~1.32, LREE/HREE值为2.76~23.32, 平均值为14.54, 轻稀土元素富集明显, (La/Ce)N平均值为1.22, (La/Yb)N平均值为2.33。地球化学数据在反映大桥金矿硅质岩成因上具有不一致性, 但是通过与国内金矿床硅质岩的稀土元素地球化学特征对比, 并结合区域地层对比, 可以初步判定大桥金矿硅质岩沉积环境靠近大陆边缘, 使得该套硅质岩既受到了海底热液作用, 同时又受到了陆源沉积作用的影响, 属于热水沉积与正常沉积的过渡类型。然而硅质岩对于该矿床中金在矿源层形成阶段的初步富集所起的作用还需进一步研究。

硅质岩; 地球化学特征; 沉积环境; 成矿地质意义; 大桥金矿; 甘肃省

0 引 言

硅质岩是一类以隐晶或微晶质自生SiO2矿物为主的一类化学沉积岩[1], 同时也是多种矿种的赋存层位和矿源层[2]。由于其结构较为致密、抗风化能力强, 硅质岩的地球化学特征对于沉积盆地古地理、古构造和古成矿环境的研究具有重要意义[3–4]。有关硅质岩的成因及其与金属矿床之间的关系, 一直是沉积学及成矿学研究的热点[5–7], 其中硅质岩作为金矿的矿源层和赋矿层位等方面的研究对认识金矿床的成矿规律具有十分重要的意义[8–14]。

大桥金矿位于甘肃省西和县境内(图1), 地处西秦岭南侧印支褶皱带北缘, 夏河-礼县、迭部-武都以及碌曲-成县这三个逆冲推覆构造带的结合部位[17–18]。大桥金矿的研究程度总体较低, 在成因类型认识上早期认为是沉积改造型金矿[17], 之后认为是中-低温热液型金矿[19]。该矿区出露的主要地层为石炭系和三叠系, 该套富矿硅质岩系属三叠系大河坝组下段, 大桥金矿矿体均赋存在该套硅质岩及其构造改造形成的硅质角砾岩中, 矿体产出基本受控于该套地层, 总体呈现出NNE向展布特征(图1)。

图1 研究区区域构造位置及矿区地质简图(区域构造位置根据文献[15,16]修改)

大桥金矿硅质岩层不仅是矿体产出的重要层位, 也是矿区最好的找矿标志层。然而, 硅质岩在大桥金矿成矿过程中的作用问题认识还很不全面, 相关的资料积累极为有限。早期的工作中发现硅质岩具有极高的金及其他元素背景值, 甚至达到低品位矿石的程度, 在一定程度上成为具有沉积改造特征[17]的重要依据。基于此, 本文拟对大桥金矿具有代表性的完整硅质岩地层剖面展开系统的露头观测, 从岩石学特征, 主元素、微量元素及稀土元素等地球化学特征方面对该硅质岩建造的成因及沉积环境进行研究, 并对硅质岩在金矿的形成过程中所起的作用进行探讨。

1 样品与分析

大桥金矿矿区分布的硅质岩大体分布有三层, 属于三叠系大河坝组下段。根据野外观测, 三层硅质岩分别来自三套沉积旋回, 每个沉积旋回自下而上总体由硅质岩、板岩、薄层灰岩互层组成。其中最下部旋回硅质岩与热液和矿化的关系最为密切, 而上部则没有明显的成矿期热液改造。本次为了尽可能排除后期因素干扰, 选择上部旋回硅质岩进行观测和系统样品采集, 采样位置参见图1。

样品主元素分析由甘肃省地质矿产勘查开发局第一地质矿产勘查院地质实验测试中心完成, 微量元素及稀土元素由中国科学院油气资源重点实验室采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)进行测试, 矿种元素分析由甘肃省有色金属地质勘查局兰州矿产勘查院中心实验室完成。其中, 主元素采用X射线荧光光谱仪(XRF)进行分析; 微量元素及稀土元素分析利用英国Nu instruments公司生产的Nu attom型ICP-MS完成, 所测结果的相对误差和相对偏差优于5%; 矿种元素分析采用质谱仪、两米光栅发射光谱仪和原子荧光仪进行检测, 检测依据YD1.3.13- 1991等。

2 岩石学特征

岩石学研究是判别硅质岩沉积环境的传统和重要方法[4]。本文所研究硅质岩层系总体厚度约为80 m, 主要呈层状和似层状产出。岩石类型以灰黑色块状硅质岩为主, 发育水平层理和纹层状构造, 另在层序下部夹灰白色硅质角砾岩。镜下观察结果显示, 块状硅质岩, 主要由硅质、石英、碳质物等组成, 此外还含有少量的黄铁矿, 硅质物主要为隐晶质, 石英为粉砂状及重结晶粒状, 硅质成分含量在80%左右(图2a)。显微镜下观察未发现任何硅质生物。硅质角砾岩主要由硅质角砾斑块和胶结充填物所组成, 硅质含量在60%左右, 其中硅质角砾主要为粒径在几毫米到数厘米的棱角、次棱角状的硅质块状体, 胶结物主要为碳质和泥质物(图2b); 对硅质岩的产状、结构、构造等特征进行观察表明, 大桥矿区硅质岩主要由沉积作用形成。

3 地球化学特征及沉积环境

3.1 主元素地球化学特征

大桥金矿区硅质岩主元素分析结果及其特征值见表1。可以看出, 矿区硅质岩化学成分主要以SiO2为主, 含量分布在75.59%~93.00%之间, 其次为Al2O3、Fe2O3和TiO2, 含量分别为3.65%~15.00%、0.09%~2.89%和0.19%~0.74%, 然而MnO的含量却很低, 其平均值为0.0032%。

图2 大桥金矿硅质岩正交偏光镜下照片

(a) 块状硅质岩镜下照片; (b) 硅质角砾岩镜下照片(a) Massive chert; (b) siliceous breccia

表1 大桥金矿硅质岩主元素含量(%)

由于硅质岩中Fe、Mn的富集主要与热液活动有关, Al的富集主要与陆源物质的介入有关, 海洋沉积中Al/(Al+Fe+Mn)值应以0.4为界, 小于0.4则为热液成因, 而碎屑来源的沉积物则大于0.4[20‒23]。大桥金矿区硅质岩中FeO、Fe2O3以及MnO的含量相对较低, Al2O3的含量相对较高, Al/(Al+Fe+Mn)值的变化范围为0.49~0.97, 平均值为0.82(表1), 高于正常海洋中沉积物的比值, 反映出有陆源碎屑来源。依据Al-Fe-Mn三角图解[24], 认为热水沉积的硅质岩, 其数据落入图解中的富Fe端, 非热水沉积的硅质岩数据落于图解中的富Al端。对该研究区硅质岩中Al、Fe、Mn元素的分布数据进行Al-Fe-Mn三角图解分析, 发现3个样品落在非热水成因硅质岩区, 其他数据均落入富Al端(图3)。此外, 典型的热水沉积硅质岩中Fe/Ti>20、(Fe+Mn)/Ti>20、Al/(Al+ Fe+Mn)<0.35[21]。从表1中可以看出, 该研究区内Fe/Ti值分布在0.50~15.21范围内, 平均值为4.07; (Fe+Mn)/Ti值为0.50~15.26, 平均值为4.08, 而Al/(Al+Fe+Mn)平均值为0.82, 这些参数均不符合典型的热水沉积硅质岩的标准。

3.2 微量元素地球化学特征

硅质岩中微量元素的含量及其特征值, 对于判别其沉积环境及成因也具有重要作用[25‒27]。大桥矿区硅质岩样品中微量元素含量及其与克拉克值的对比结果如表2所示。微量元素整体上呈现出含量较低的特点, 与克拉克值相比处于“亏损”水平, 其中Co、Ni、Cu、Zn等元素亏损程度较大, 仅为克拉克值的1/10左右, 而Ti、V、Th、Hf、Ta等不相容元素亏损程度较小, 约为克拉克值的1/2。微量元素地球化学特征与主元素中的Fe、Mn等表现出的亏损特征, 表明大桥金矿硅质岩在沉积过程中有大量陆源物质的混入。

此外, U与Th含量的比值也可以用来判别硅质岩的成因类型, 在热水活动的影响下, U的含量会高于Th的含量, 在热水沉积区U/Th>1[29‒30]。大桥矿区硅质岩样品U/Th均小于1, 平均值为0.48, 显示出正常沉积的特征。

图3 甘肃大桥金矿硅质岩Al-Fe-Mn判别图解(底图据文献[24])

A为非热水成因硅质岩区; B为热水沉积硅质岩区

A‒Non-hydrothermal chert; B‒hydrothermal chert

表2 硅质岩微量元素含量(μg/g)

注: 克拉克值数据据黎彤[28]

3.3 稀土元素地球化学特征

硅质岩中稀土元素的分馏特征在判别不同时代、不同构造背景下硅质岩的沉积环境方面已有广泛应用[24, 31‒33]。本次对大桥金矿硅质岩稀土元素含量分析及地球化学参数见表3。

典型的海相热水沉积物中稀土元素呈现出SREE低, 重稀土元素富集, 且Ce具有明显的负异常, Eu则表现出正异常等特征[35‒36]。硅质岩的北美页岩标准化Ce和(La/Ce)N值可以有效判别硅质岩的沉积环境特征, 洋中脊附近硅质岩的Ce的平均值为0.30, (La/Ce)N值在3.5左右; 大洋盆地环境中硅质岩Ce平均值为0.60, 且(La/Ce)N在1.0~2.5之间; 大陆边缘硅质岩的Ce一般表现为弱负异常, 变化范围为0.79~1.54, 其(La/Ce)N值在0.5~1.5之间[9, 32, 37]。本研究区中SREE平均值为88.68 μg/g, LREE/HREE值分布在2.76~23.32之间, 平均值为14.54, 轻稀土元素富集明显。硅质岩样品经北美页岩标准化[34]后, 其Ce值为0.68~1.21, 平均值为0.92,Eu值为0.77~1.32, 平均值为0.99; 硅质岩中的(La/Ce)N值为0.89~1.92, 平均值为1.22。

(La/Yb)N值作为表征不同大地构造背景下硅质岩中轻重稀土元素分异程度的指标, 在受陆源影响的环境中, (La/Yb)N值比较高(1.1~1.4), 从深海平原到洋中脊, 轻稀土元素逐渐亏损, 洋中脊硅质岩的(La/Yb)N值平均为0.3左右[23]。大桥金矿硅质岩样品中(La/Yb)N值为0.31~5.05, 变化范围较大, 平均值为2.33。

在稀土元素分布模式图中, 热水沉积硅质岩具有向左倾斜的特征, 且倾斜程度越大表明热水沉积物所占比例越大[27]。大桥矿区硅质岩样品经北美页岩标准化和球粒陨石标准化[38]后的稀土元素分布模式如图4所示。北美页岩标准化后, 在分布模式上体现出弱Ce负异常, 轻重稀土元素分异不明显。经球粒陨石标准化后的硅质岩中, 分布模式图上显示出弱Ce负异常和Eu负异常特征, 轻重稀土元素分布呈现出明显的右倾斜特征。

此外, 可以利用反映氧化-还原条件的Ce/La值与能够反映分馏情况的La/Yb值图解, 可以用来辅助讨论沉积物的沉积环境特征[9, 39]。通过图5可以看出, 本研究区硅质岩样品中除3个样品外, 大部分落入深海沉积物区, 有1个样品落入海底玄武岩及相应的岩石区, 表明该区硅质岩可能形成于海水较深的环境中。

表3 硅质岩稀土元素含量(μg/g)和地球化学参数

注: 表中参数为北美页岩标准化参数, 北美页岩数据据文献[34]

4 讨 论

通过以上对研究区内硅质岩室内岩石学特征的观察, 以及对主元素、稀土元素的地球化学特征分析, 结合Al/(Al+Fe+Mn)、SREE、Ce、Eu、(La/Ce)N和(La/Yb)N等地球化学参数以及Al-Fe-Mn三角图解和稀土元素标准化曲线特征, 可以看出, 大桥地区硅质岩的形成过程中有大量陆源物质的加入。

然而, 本次研究同时分析了大桥矿区主要的矿种元素的含量(表4)。结果显示硅质岩中大部分矿种元素富集, 特别是Au、Ag、As、Sb、Hg和W含量远远高于地壳丰度值数十倍。周永章等[35]通过研究指出, 在热水沉积硅质岩中元素具有超常“富集”或“亏损”特征, 这些特征反映出了热水沉积与正常沉积在物质来源上的差异性。Murray.[32]在研究了现代海底热水沉积后认为, Sb、As和Hg等微量元素在热水沉积物中的含量高于正常沉积物, 并且这一特征与国内其他典型地区的热水成因硅质岩很相似[40‒41]。因此, 该研究区硅质岩中较高的As、Hg等微量元素含量表明该套硅质岩可能受到过热水沉积作用的影响。

此外, 通过对本研究区硅质岩与国内金矿床硅质岩的稀土元素地球化学特征对比(表5), 发现大桥金矿硅质岩稀土元素参数特征与云南墨江四十八两山段硅质岩[9]相似, 而四十八两山段硅质岩已证实为热水沉积和正常沉积作用相互混合的产物[9]。同时, La/Yb-Ce/La图解表明大桥金矿硅质岩样品可能形成于海水较深的环境。因此, 本研究区硅质岩也可能为热水沉积和正常沉积作用相互混合的产物。

由于硅质岩中稀土元素主要是从海水中吸收, 其次是从陆源或海底火山等颗粒中继承稀土元素, 因此硅质岩中稀土元素总量取决于其沉积时不同来源的相对贡献程度[42]。因此, 研究区硅质岩中较高的稀土元素总量可能大部分来自于陆源物质的贡献, 这与主元素和微量元素所表现出的地球化学特征相符。另外, 有研究表明, 在远离洋中脊的环境中, 热水沉积物中Ce负异常特征将会变得模糊[27, 43], 这就解释了为什么研究区硅质岩样品中Ce值更加偏向于大陆边缘沉积特征。

图4 大桥金矿硅质岩稀土元素标准化分布模式

北美页岩数据参考文献[34]和球粒陨石数据参考文献[38]

The data of North American shales from [34] and the data of chondrites from [38]

图5 不同岩类La/Yb-Ce/La图解(底图据文献[39])

A区为深海沉积物; B区为铁锰结核及铁镁岩; C区为海底玄武岩及其相应的岩石

A‒Deep-sea sediment; B‒ferromanganese nodule and rock; C‒sea-floor basalt and related rocks

同时, 区域地层对比结果也表明大桥矿区硅质岩可能具有热水沉积的属性。大桥地区硅质岩所属地层可以与三叠系留凤关组进行对比。赖旭龙等[44]研究凤县留凤关组三叠世留凤关群浊积岩时发现, 该套浊积岩同时具有大陆岛弧型和大洋岛弧型的构造背景。因此, 不能排除大桥金矿硅质岩为热水沉积成因的可能性。

由于大桥金矿硅质岩比较复杂, 各种地球化学参数之间具有一定的偏差, 但是通过As、Hg等微量元素和稀土元素地球化学参数, 以及与国内金矿硅质岩的对比和区域地层对比, 可以初步判定大桥金矿硅质岩可能为热水沉积和正常沉积作用的混合产物, 并且陆源正常沉积作用贡献更大。然而, 这只是初步的认识, 需要进一步讨论研究。

表4 硅质岩矿种元素含量(μg/g)

注: 克拉克值据黎彤[28]

表5 不同矿区硅质岩稀土元素地球化学特征对比

5 结 论

大桥金矿含矿硅质岩, 主要呈层状和似层状产出, 并且具有层理构造, 主要由硅质和隐晶质石英组成, 具有沉积作用所特有的结构、构造和矿物成分特征, 表明其主要由沉积作用形成。结合硅质岩的岩石学特征、地球化学特征, 以及与国内其他金矿硅质岩的对比, 可以初步判定大桥金矿矿区内的硅质岩属热水沉积与正常沉积的过渡类型, 并且主要受陆源正常沉积作用控制, 然而硅质岩对于金在矿源层形成阶段的初步富集所起的作用还需进一步研究。

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Geochemical characteristics and geological significance of chertsfrom the Daqiao gold deposit, Gansu Province

SUN Ze-peng1,2, WANG Zi-xiang3, XU Liang1,2, WANG Gen1,2, TAN Yu-lu4, ZHU Bei-er4, ZHU Shen-zhen1,2, WU Bao-xiang1*and WANG Yong-li1

1.Gansu Provincial Key Laboratory of Petroleum Resources, Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Jianghan Oilfield Branch Company, SINOPEC, Wuhan 430223, China;4. Henan Branch, SINOPEC Geophysical Corporation, Zhengzhou 450000, China

On the basis of field and petrological studies as well as the geochemical characteristics mainly including the major, trace and rare-earth elements (REE) in the collected samples, this paper studied the origin and geological significance of cherts in the Daqiao gold deposit, Gansu province. Through analysis, the cherts are mainly composed of SiO2, of which the contents range from 75.59% to 93.00%, with an average value of 0.82 for Al/(Al+Fe+Mn). In addition, the trace elements in comparison to the Clarke value show a deficit station, while the elements such as Au, Ag, As, Sb and Hg are commonly concentrated in cherts in this study area. The average value of ∑REE is 88.68 μg/g, and the NASC-normalizedCe andEu values are 0.68—1.21 and 0.77—1.32, respectively. Apart from these indices, the values of LREE/HREE range from 2.76 to 23.32, which have a wide span; the average value of this index is 14.54, which shows a concentration of LREE. And the average values of (La/Ce)Nand (La/Yb)Nare 1.22 and 2.33, respectively. In regard to the origin of the Daqiao gold deposit, the geochemical indices present some inconformity. Based on the comparison of REE geochemical characteristics of cherts in different mining areas as well as on the regional stratigraphic correlation, we can preliminarily consider that the depositional setting of the cherts is close to the continental margin, which made the cherts in the area be affected not only by hydrothermal sedimentation, but also by terrestrial materials. So, the cherts in the Daqiao gold deposit belong to the transition type between hydrothermal sedimentation and normal sedimentation, but the role of the cherts in the study area in the formation of source beds which made gold preliminarily be enriched still needs further research.

chert; geochemical characteristic; depositional setting; geological significance; Daqiao gold deposit; Gansu province

P597; P581

A

0379-1726(2016)05-0499-11

2015-09-23;

2015-11-18;

2016-01-11

中国地质调查局勘查区专项填图与技术应用示范项目(12120114050001); 中国科学院战略性先导科技专项(XDB10030404)

孙则朋(1990–), 男, 博士研究生, 地球化学专业。E-mail: szp0810@163.com

WU Bao-xiang, E-mail: bxwu@foxmail.com; Tel: +86-931-4960885