沂沭断裂带中段牛家小河金矿主微量元素特征与地质意义

刘晓通，王向军，安鹏瑞，孟令强，唐重阳，杨锋杰，陈雷，毛光周

(1.山东科技大学，山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛 266590；2.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；3.兖州煤业有限公司兴隆庄煤矿，山东 济宁 272100)

沂沭断裂带是山东境内主要的构造体系，对整个山东地区的成矿演化起主要控制作用[1- 2]。随着找矿工作的不断深入，在断裂带内陆续发现龙泉站、牛家小河、南小尧等金矿[3- 4],使得沂沭断裂带成为新的找矿有利区。而前人对沂沭断裂带的研究多集中在构造特征、岩浆活动等方面，对断裂带中段金矿的成矿物质、成矿流体等研究较少，对研究区成矿作用认识仍需要加深，因此，该文以牛家小河为研究对象，基于已有的调查资料与文献资料，通过主微量元素特征分析，简要探讨牛家小河金矿成因。

1 区域及矿床地质特征

研究区位于沂沭断裂带中部，沂水以南，靠近沂水- 汤头主干断裂。北部有龙泉站、南小尧2个金矿(图1)。大地构造属华北板块(Ⅰ)、鲁西隆起区(Ⅱ)、沂沭断裂带(Ⅲ)内[5- 7]。

矿区出露地层主要有新太古代沂水岩群、中生代白垩纪大盛群以及分布于山前凹地及平坦地区的第四系沉积物(图2)。

新太古代沂水岩群、泰山岩群残存于汞丹山凸起区的片麻岩、花岗岩中，呈零星包体分布。其中沂水岩群是一套中基性火山岩—火山碎屑岩建造，变质程度达麻粒岩相—角闪岩相[10]；岩石发生不同程度的糜棱岩化、碎裂岩化，呈土黄色、褐色；岩石蚀变类型包括钾化、褐铁矿化等，此外还有绿泥石化、硅化等蚀变现象(图3a)。石英脉充填于沂水岩群内，呈灰色、烟灰色，石英脉宽度约数厘米至十几厘米不等，有些石英脉与重晶石脉呈锯齿状接触，总宽度10cm左右，其中石英脉较窄，约0.1～2cm(图3c，图3d)。石英脉、重晶石脉赋存于沂水岩群内部，与围岩界限清晰，研究区内未见沂水岩群和泰山岩群的直接接触。

图1 山东省金矿分布略图(据[6.8]，有修改)

1—第四系；2—白垩纪马朗沟组砂砾岩；3—前寒武变质岩系；4—二长花岗岩；5—石英脉；6—磁铁石英岩；7—重晶石脉；8—金矿脉；9—断层及推测断层；10—地质界线；11—采样位置图2 牛家小河金矿区地质图(据文献[9],有修改)

a—沂沭断裂带内碎裂岩；b—中太古代沂水岩群与中生代大盛群分界线；c—石英与重晶石脉；d—石英脉图3 牛家小河金矿区野外地质特征

大盛群紫红色马朗沟组砂岩覆于沂水岩群之上(图3b)，未见含矿脉体切入大盛群的砂岩中。研究区可见沂水岩群与大盛群呈角度不整合接触，第四系沉积物在山前凹地以及平坦地区广泛分布，多呈灰黄色、土黄色，岩性主要有含砾砂层、含砾粘土质砂层以及粉砂质粘土层和砂质粘土层等[4]。

牛家小河金矿位于沂沭断裂带内汞丹山凸起(Ⅴ)西缘，沂水- 汤头和安丘- 莒县2个主干断裂之间(图1)；矿脉走向NE，长约1.5km，宽2～5m，倾角为15°～20°，矿脉具分支复合现象，支脉沿次级断裂呈NW向展布(图2)[9]。前人研究认为，牛家小河内含矿岩石中硅化、硫化物明显的区段，金矿化强烈，且黄铁矿为主要的载金矿物[4，9]。目前已探明牛家小河金矿区2个金矿体，分别为I、II号矿体。

I号矿体：该矿体走向15°～20°，地表出露长度约1.5km，宽2～15m，倾向NW，倾角较大，为85°～87°；矿体延伸大于100m，厚度为0.33～9.82m，平均厚度为2.15m，厚度变化系数达122%，属于厚度极不稳定型。矿体呈薄板状，走向上呈舒缓波状变化。矿石最高品位可达7.82×10- 6，矿石平均品位2.71×10- 6，品位变化不大，变化系数约57%，矿化比较均匀[9]。

II号矿体：该矿体呈透镜状，形态不规则，长约240m，其延伸大于100m；矿体的厚度为0.66～20.84m，平均厚度约5.62m，厚度变化系数可达125%，属厚度极不稳定型；矿石最高品位达5.78×10- 6，平均品位约2.27×10- 6，品位变化系数60%，矿化比较均匀[9]。

牛家小河金矿的含矿岩体产于沂水岩群之中，上覆地层为大盛群马郎沟组，矿体具有明显的分带性[4，9]，区内由西向东分布2种类型的矿石，分别为绿泥石化黄铁矿化糜棱岩和硅化黄铁矿化碎裂岩，矿石具体特征如下：

(1)黄铁矿化绿泥石化糜棱岩：原岩为中基性火山岩- 火山碎屑岩建造[10]，矿石的构造主要有细脉状构造、浸染状构造(图4a)，矿石矿物为黄铁矿，自形或半自形晶体，具有粒状结构、局部具有碎裂结构、溶蚀结构等(图5a)，晶形为立方体为主，偶见五角十二面体，颗粒较大，粒径为80～500μm(图5a)；脉石矿物为绿泥石、石英、绢云母等，具有一定的方向性，可见压力影响构造(图5b)；绿泥石交代黑云母、角闪石呈不规则状、脉状、片状(图5b)；局部可见后期方解石脉充填(图4a、图5b)。

a—牛家小河黄铁矿化、绿泥石化糜棱岩矿石(NJXH- 1)；b—硅化、黄铁矿化碎裂岩矿石(NJXH- 2)；Py—黄铁矿；Qtz—石英；Cal—碳酸岩图4 牛家小河金矿矿石

(2)黄铁矿化碎裂岩：矿石矿物为黄铁矿，呈星点状、细脉状分布于石英中(图4b)，颗粒较小，立方体晶形，粒径为40～200μm，自形程度差别较大，自形—他形粒状结构，溶蚀结构发育(图4b、图5c)；脉石矿物以石英为主，含有一定量颗粒较大的斜长石和微斜长石(图5b)。

a—矿石NJXH- 1光片10×5(- )；b—矿石NJXH- 1薄片10×5(- )；c—矿石NJXH- 2光片10×10(- );d—矿石NJXH- 2薄片10×10(+)；Py—黄铁矿；Chl—绿泥石；Qtz—石英；Pl—斜长石；Mc—微斜长石图5 牛家小河金矿矿石显微照片

2 地球化学特征

2.1 样品采集及分析测试

牛家小河金矿位于沂沭断裂带中段，目前研究程度相对薄弱。在研究区采集样品14件，其中大盛群马朗沟组砂岩样品5件，沂水岩群表壳岩样品7件，矿石样品2件，样品主、微量元素测试分析均在西北大学大陆动力学重点实验室完成，样品主量元素含量在日本理学RIX2100XRF仪上测定，元素分析误差<5%，微量元素测试仪器为ELAN6100DRC电感耦合等离子体质谱仪(ICP- MS)，测试精度优于5%。

2.2 主量元素特征

矿石以及围岩的主量元素数据分析结果如表1所示。样品可分为4组：矿石NJXH- 1、矿石NJXH- 2、大盛群砂岩、沂水岩群表壳岩，分别用NJXH- 1、NJXH- 2、DSA、YSA表示。其平均值如表2所示。

表1 样品主量元素含量表(%)

注：由西北大学大陆动力学国家重点实验室测试。

表2 牛家小河样品主量元素平均值(%)

从表2可以看出，矿石、沂水岩群表壳岩、大盛群砂岩均具有较高的SiO2值，矿石和沂水群岩石样品高SiO2值可能是由于成矿成岩过程中伴随不同程度的硅化，而大盛群的高SiO2值可能是由富含Si的矿物耐风化能力强，而易溶矿物被淋滤所致[11]。样品NJXH- 1和NJXH- 2在主量元素组成上差异较大，主要表现在SiO2，TFe2O3，MgO，CaO，K2O含量差异上。矿石(NJXH- 1)和矿石(NJXH- 2)的里特曼指数分别为5.13、4.59，均为偏碱性岩。在碱性条件(pH8～13)，金以AuH3SiO4形式存在，硅化和碱交代(钾化、钠化)常伴生金矿化出现[12]。而且在饱和SiO2的碱质氯化物热液中，随着温度、压力的自然降低，金的溶解度降低而沉淀[12]。研究区矿石多赋存于碱性岩体之中，为勘探工作提供了强有力的依据。

2.3 微量元素特征

为了研究该区的矿化元素特征，对其中与金矿化密切相关的6种金属元素(Cr，Co，Ni，Cu，Zn，Pb)进行定量分析，相关分析测试结果见表3。

表3 部分成矿元素含量及特征值(ωB/10- 6)

注：由西北大学大陆动力学国家重点实验室测试(中国上陆壳*值据[13])。

由表3，图5可知，2个矿石样品的成矿元素组成特征极不相似，NJXH- 1中高温成矿元素富集程度较高，元素Cr，Co，Ni，Zn的富集系数均大于2，低温成矿元素Cu，Pb的富集系数低于0.8，为相对贫化元素，而NJXH- 2中Cr，Co，Ni，Zn，Cu富集程度均低于0.3，贫化程度较高，Pb富集系数为1.17，由元素富集程度可以看出，2种矿石的成矿温度不同，可能存在两期矿化作用。大盛群5个砂岩样品的成矿元素特征大体相同，其中Cr，Ni，Zn的富集系数均大于1.2，为相对富集元素；Co，Cu，Pb的富集系数均小于0.8，为相对贫化元素。各元素含量及分布与2个矿石样品差别较大，推测在成矿后期，大气水下渗过程中从大盛群中淋滤的成矿元素有限，不足以改变成矿早期矿石中成矿元素的组成特征；沂水岩群7个样品的成矿元素的含量分布较为复杂，可能是由于岩石的变质程度不同所致，且沂水岩群样品各成矿元素的变异系数及标准差均高于大盛群和矿石，可能是牛家小河金矿的矿源层。

为了考察更多的微量元素在不同岩石系列中的分布趋势，该文选用原始地幔[14]对样品数据进行标准化处理作蛛网图[15]。微量元素数据及蛛网图见表4、图6。

表4 牛家小河金矿床部分微量元素含量(ωB/10- 6)及特征值

注：由西北大学大陆动力学国家重点实验室测试(中国上陆壳*值据[13])。

表4、图6显示，矿石NJXH- 1与NJXH- 2的微量元素曲线存在一定差异，整体上富集Ta，Tm，Th，Hf等高场强元素，强烈亏损Nb，Sr，Zr等元素，而大盛群砂岩与沂水岩群表壳岩样品的微量元素也表现出相似的富集特征，其中，沂水岩群表壳岩样品的微量元素特征基本一致，其与矿石NJXH- 2的元素分布较为一致，可能与矿石NJXH- 2的形成关系密切。

2.4 稀土元素特征

选用球粒陨石(Boynton，1984)对样品数据进行标准化处理，围岩、矿石稀土元素分析结果见表5。

大盛群马朗沟组砂岩ΣLREE为149.28×10- 6～244.30×10- 6，平均值为212.75×10- 6；ΣHREE为27.56×10- 6～33.55×10- 6，平均值为31.18×10- 6；ΣLREE/ΣHREE约为4.45～7.92，平均值为6.88，(La/Yb)N为12.72～30.95，平均值为24.89，表明大盛群轻重稀土元素分馏明显。(La/Sm)N为4.26～6.72，均值为5.31；(Gd/Yb)N为1.84～3.46，均值为2.77，表明大盛群的轻稀土分馏明显较重稀土分馏更为明显，分馏曲线为较平缓右倾型(图7b)。大盛群砂岩的δCe为0.92，δEu为0.91，铈、铕异常不明显，表明大盛群砂岩可能形成于相对氧化的环境。

沂水岩群表壳岩ΣREE为92.74×10- 6～146.5×10- 6，均值为126.25×10- 6；ΣLREE为81.41×10- 6～130.17×10- 6，均值为110.04；ΣHREE为8.09×10- 6～23.17×10- 6，均值为16.22×10- 6；ΣLREE/ΣHREE约为4.69～13.52，平均值为7.55；(La/Yb)N为15.26～55.22，均值为25.60，说明其轻重稀土元素分馏较为明显。(La/Sm)N为4.46～8.47，均值为5.56，(Gd/Yb)N为2.33～3.70，均值为2.70，表明轻稀土元素分馏明显，分馏曲线较陡，重稀土元素分馏不明显，分馏曲线较缓(图7a)。δCe为0.94～0.98，均值为0.95，铈异常不明显；δEu为0.65～0.97，均值为0.84，显示弱的铕异常特征，造成弱的负铕异常的原因可能是Ca2+替换Eu2+的结果[18]。

a—大盛群及矿石中各成矿元素富集特征；b—沂水岩群及矿石中各成矿元素富集特征图6 牛家小河金矿相对上地壳成矿元素富集特征(上地壳元素丰度来源于文献[14])

元素DS-1DS-2DS-3DS-4DS-5YS-1YS-2YS-3YS-4YS-5YS-6YS-7NJXH-1NJXH-2中国上陆壳La58.5954.7756.3636.7560.0330.8620.9727.4628.3232.5726.8928.5718.3424.0352.00Ce100.24107.41107.4366.37114.4453.5038.8253.3854.8162.4950.6652.4639.5444.10100.00Pr10.2712.9512.788.2113.765.124.095.645.806.715.705.694.764.2912.00Nd35.9045.0544.1031.1246.9816.9914.6621.2621.7123.8821.4520.8619.6113.9160.00Sm5.486.896.695.427.152.292.293.873.913.793.613.214.331.789.40Eu1.601.881.801.411.940.570.571.201.200.740.810.861.100.362.00Gd4.335.325.344.445.601.731.863.623.542.942.922.554.631.3610.00Tb0.540.630.640.610.660.180.230.480.470.360.360.310.770.151.30Dy2.913.293.383.483.280.871.232.642.561.841.881.584.850.817.10Ho0.540.590.620.670.570.150.230.490.470.330.340.281.010.151.30Er1.561.611.711.961.560.410.671.371.300.920.930.802.870.463.60Tm0.220.220.230.300.210.060.100.190.190.130.140.120.410.070.58Yb1.421.381.461.951.310.380.641.211.160.850.930.772.560.453.80Lu0.210.200.220.300.190.060.100.190.180.130.140.120.390.070.57Y15.8217.4919.6319.8417.474.266.2813.8413.308.828.647.7527.434.4637.00ΣREE239.63259.68262.39182.84275.15117.4292.74136.86138.91146.50125.41125.92132.6096.47300.65ΣH27.5630.7333.2333.5530.868.0911.3324.0423.1716.3416.2814.2744.928.0065.25ΣL212.07228.96229.16149.28244.30109.3381.41112.82115.74130.17109.13111.6587.6888.47235.40ΣL/ΣH7.707.456.904.457.9213.527.184.695.007.976.707.831.9511.063.61(La/Yb)N∗27.8526.8326.1012.7230.9555.2221.9915.2616.4125.7819.5724.964.8335.729.23(La/Sm)N∗6.725.005.304.265.288.475.774.464.565.414.685.602.668.473.48(Gd/Yb)N∗2.473.122.961.843.463.702.332.412.452.792.542.661.462.432.12Y/Ho29.4329.9331.6529.5830.4528.8527.1828.0828.1026.5525.1627.1127.1929.3828.46δCe∗0.910.940.930.880.920.940.950.980.980.970.940.941.000.970.93δEu∗0.970.920.890.860.900.840.820.970.970.650.740.890.750.690.63

注：由西北大学大陆动力学国家重点实验室测试(中国上陆壳值据[13])，*单位为1。

a—沂水岩群及矿石中微量元素特征；b—大盛群及矿石中微量元素特征图7 牛家小河金矿微量元素比值蛛网图(原始地幔数据转引自[14])

2个矿石的ΣLREE/ΣHREE、(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N差别较大。NJXH- 1的ΣHREE为44.92，明显高于NJXH- 2的8.00；NJXH- 1轻重稀土分馏曲线较为平坦，ΣLREE/ΣHREE=1.95，轻稀土元素相对富集，而NJXH- 2具有明显右倾的轻稀土富集型分馏曲线，ΣLREE/ΣHREE=11.06。2个矿石铈异常不明显，显示弱的负铕异常，δEu分别为0.69、0.75，成矿流体均具有弱还原性[2]。整体而言，2个矿石样品的稀土含量特征与分配模式有较大差异(图8)，据此推断牛家小河金矿有2期不同的成矿作用，NJXH- 2与沂水岩群的稀土元素分布特征相似，说明矿石NJXH- 2的物质来源可能与沂水岩群有关。矿石NJXH- 1和NJXH- 2的Y/Ho分别为27、30，与上地壳值(28.46)差别不大，与变质热液的Y/Ho值(25- 37)相近[18- 20]，推测成矿流体可能来自变质热液[17]。

a—大盛群与矿石的稀土元素球粒陨石标准化模式图；b—沂水群与矿石的球粒陨石标准化模式图图8 牛家小河金矿稀土元素球粒陨石标准化模式图(球粒陨石数据引自[15])

3 讨论

根据研究区内地质特征、矿石特征以及部分样品的地球化学特征的测试分析，并结合前人的研究成果，简要探讨牛家小河金矿成矿作用。

3.1 成矿物质来源

牛家小河金矿基底岩系以沂水岩群为主[21- 22]，而沂水岩群金丰度值为(0.94～6.78)×10- 9，集中值为5×10- 9，高于研究区内泰山岩群金丰度值(0.42～5.14)×10- 9和胶东岩群的丰度值(1.69～1.99)×10- 9，且沂水岩群成矿元素变异系数大，与NJXH- 2的微量元素及稀土元素特征相似，可能为金矿化提供了成矿物质；沂水岩群的微量元素与稀土元素特征和矿石NJXH- 1相差较大，表明沂水岩群与矿石NJXH- 1的形成关系不大。而区内燕山期花岗岩金丰度值较其他岩石偏高，为5.29×10- 9，且金含量的标准偏差以及变异系数均较高，是区内金矿的成矿母岩[9,23]，推测牛家小河矿石的成矿物质也可能来自燕山期的岩浆活动。综上所述，牛家小河金矿的成矿物质可能来源于沂水岩群和燕山期花岗岩，但需进一步的工作验证。利用载金矿物的S，Pb同位素示踪成矿物质来源可能会取得更为科学的结果。

3.2 成矿流体特征

前人研究表明，沂沭断裂带内早期成矿流体以岩浆水为主，后期成矿流体向上运移过程中，大气降水混入，使成矿流体的物理化学条件快速变化，导致流体中金等成矿物质大量沉淀而形成金矿床，此时成矿流体以大气降水为主[21- 22]。而矿石的Y/Ho特征显示，成矿流体也有可能来自变质热液。目前，对牛家小河的成矿流体研究依然薄弱，建议采用流体包裹体的方法对其成矿流体性质及来源进行判别。

3.3 成矿时代

资料显示，上部碎裂岩的形成时代大致与沂水- 汤头断裂时代相近，即晚侏罗—早白垩世[9]。区内钻孔中闪长岩中的黄铁矿化蚀变现象和金矿化关系密切，因此认为金矿的形成要稍晚于岩体的形成，而闪长岩体的同位素年龄为164～189Ma[9]，所以金矿的形成要晚于这个年龄。而在野外露头中石英脉、重晶石脉赋存于沂水岩群内部，与围岩界限清晰，未见脉体切穿其上覆岩层大盛群，因此其形成年龄的下限是要早于大盛群马朗沟组地层的沉积年龄。综上所述，牛家小河金矿的主成矿年龄应早于晚白垩世早期,但其准确的成矿时代仍需要进一步的研究。

4 结论

通过对研究区矿石、围岩的岩石学特征及其主、微量元素和稀土元素特征的研究，得出以下认识：

(1)矿石NJXH- 1相对富集Co，Ni等高温成矿元素，矿石NJXH- 2相对富集Pb等低温成矿元素，贫化高温元素，表明牛家小河金矿可能经历了2期成矿作用，且成矿温度存在差异。

(2)沂水岩群和燕山期花岗岩可能是牛家小河金矿的成矿母岩，其中矿石NJXH- 2与沂水岩群的稀土元素分布特征相似，表明矿石NJXH- 2的形成与沂水岩群具有较高的相关性。成矿流体可能来源于深部，具有弱还原性，矿石的Y/Ho特征显示部分成矿流体可能来自变质热液。

(3)赋存于沂水岩群内部的石英脉、重晶石脉未切穿上覆大盛群马朗沟组岩层，其成矿年龄应早于马朗沟组沉积年龄，即晚白垩世早期。

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