辽西二道沟金矿成矿物质来源：来自S-Pb同位素的证据

聂 飞，刘书生，董国臣，陈永长，王 鹏

(1.中国地质调查局 成都地质调查中心，四川 成都 610081；2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083；3.辽宁二道沟黄金矿业有限责任公司，辽宁 朝阳 122100)

0 引 言

图1 研究区地质简图Fig.1 Simplified geological map of the study areaa. 研究区大地构造位置图；b.赤峰—朝阳地区地质简图(据文献[1-2]修改)；c. 金厂沟梁—二道沟地区地质简图(据文献[3]修改)；d. 二道沟金矿地质简图(据文献[3]修改)

辽西二道沟金矿位于华北克拉通北缘中段(图1a)的赤峰—朝阳金成矿带东端(图1b)，在二道沟金矿周围出露有金厂沟梁金矿、郝杖子金矿和东对面沟金(钼)矿等大—中型金矿床(图1c)。关于二道沟金矿的成矿物质来源，不少学者通过矿床地质特征[4-5]、矿石矿物[6-8]、流体包裹体和地球化学特征[9-11]对其进行过研究。王志等[4]通过对二道沟金矿区岩浆岩、构造和矿床的研究，认为成矿物质来源于西对面沟斑状花岗闪长岩。刘宗秀等[5]通过氢、氧同位素研究，认为金矿热液来源于岩浆，并有雨水加入，硫同位素接近陨石硫值，具单峰塔式效应，岩体与矿体的稀土配分曲线具相似性。徐万臣等[6-7]通过对二道沟金矿主要载金矿物黄铁矿的硫同位素、稀土元素等研究得出成矿物质来源较深且与岩浆热液有关。庞奖励[9-10]通过流体包裹体、同位素地球化学和稀土元素等研究，认为二道沟金矿成矿物质来源于矿区侏罗纪的流纹岩。马光等[11]通过对岩石和矿石的稀土元素、同位素及岩石地球化学等方面的研究得出主要成矿物质来源于矿区出露的太古宙片麻岩、白垩纪片麻状二长花岗岩和斑状花岗闪长岩。

由于对二道沟金矿成矿物质来源存在不同认识，本文在收集大量前人资料的基础上，采集了二道沟金矿不同矿脉、不同中段的主要载金黄铁矿样品，同时有针对性地补充了西对面沟岩体的硫、铅同位素样品，通过与黄铁矿的硫、铅同位素进行对比研究，试图进一步探讨二道沟金矿的成矿物质来源，以期为该区金矿成矿过程和成矿预测提供进一步研究的科学依据。

1 区域地质概况和矿床地质特征

二道沟金矿处于华北克拉通北缘中段,北侧紧邻兴安—内蒙造山带,处于赤峰—开源断裂与承德—北票断裂交汇的楔形部位(图1b)。区域上出露的基底岩系主要为新太古界建平群小塔子沟组变质岩，岩性为片麻岩和斜长角闪岩(图1b)；岩浆岩以花岗岩类为主(图1b)，局部有燕山期安山质-流纹质喷出岩；断裂构造按其展布方向可分为3组：南北向、北西向和北东向(图1b)。

二道沟金矿矿区内出露一套喷发-溢流相的火山碎屑岩及酸性熔岩为主的陆相火山岩(图1c,d)，为二道沟金矿的主要围岩，流纹岩全岩K-Ar法年龄167.5 Ma，锆石LA-ICP-MS U-Pb法年龄(145±1)Ma[3]。与该火山岩以断层相接触，在二道沟金矿的西北侧发育新太古界建平群变质岩系(图1c)，主要岩性为片麻岩和斜长角闪岩，为金厂沟梁的赋矿围岩。二道沟金矿矿区内花岗岩类侵入体较为发育，主要有西对面沟岩体、楼上岩体和西台子岩体3个岩体。西对面沟岩体位于二道沟金矿的西侧，呈椭圆状岩株产出，出露面积约6 km2。该岩体总体上可以分为边缘相和中心相两部分，边部岩相为中细粒花岗闪长岩，内部岩相为斑状花岗闪长岩，总体上两者保持了渐变过渡的关系，同时中心相发育有含金石英脉。已有学者通过不同方法得到了该岩体的年龄范围为125～131 Ma[3-4,12]。楼上岩体以小岩株侵入到侏罗系火山岩，出露在矿区的南部，同样也是二道沟金矿矿脉的围岩(图1d)，岩性为石英闪长岩，成岩年龄为(161±1) Ma[12]。西台子岩体呈岩基状分布于矿区西南部(图1c)，为郝杖子金矿的主要赋矿围岩，岩性为似斑状二长花岗岩，岩体的结晶年龄为(218±4) Ma[12]。除上述侵入体外，区域上脉岩非常发育，主要有闪长玢岩、正长斑岩、石英斑岩、煌斑岩和流纹岩等,其中与二道沟金矿含金石英脉紧密伴生的闪长玢岩脉，成岩年龄为(126±1) Ma[12]，局部可见其被含金石英脉切割，由此限定二道沟金矿成矿年龄应晚于或接近(126±1) Ma。矿区构造发育，分别有3条北西向和2条东西向的断裂构造，这2组构造均延伸大，在交汇部位有明显的断距。矿区侏罗纪与白垩纪的岩浆活动受这2组断裂构造控制[4]。王建平等[13]和田晓娟等[14]认为西对面沟岩体的侵位造成以其为中心的断层对二道沟金矿、金厂沟梁金矿和郝杖子金矿的成矿有明显的控制作用。

图2 二道沟金矿2号(A)、5号(B)矿脉垂直剖面图(根据文献[8]修改)Fig.2 The vertical cross-section of No.2 and No.5 veins in the Erdaogou gold deposit(modified after reference[8])

在二道沟矿区，已发现的矿脉有60余条，矿化类型为热液石英脉型。矿脉一般长30～1 000 m，厚0.3～1.0 m(图2),平均品位7.67～19.45 g/t。矿脉的产状严格受以西对面沟岩体为中心的断层控制(图1c,d)，走向分别为北西向、东西向等。主要矿石矿物为黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、黝铜矿和银金矿等，其中黄铁矿为主要载金矿物；常见脉石矿物为石英、绢云母、方解石和绿泥石等。矿石结构主要为粒状结构、乳滴状结构、压碎结构及交代残余结构、反应边结构、交代熔蚀结构与包含结构；矿石构造常见为块状、角砾状、浸染状、团块状构造、细脉状和泥板条带状构造。二道沟金矿成矿期可以分为热液期和表生成矿期。其中热液期分为3个成矿阶段，分别为：(1)石英-黄铁矿阶段，(2)金-石英-多金属硫化物阶段，(3)石英-碳酸盐阶段。围岩蚀变主要是绿泥石化、绢云母化、硅化以及钾长石化和碳酸盐化等。二道沟金矿形成的时间在118～126 Ma之间[12]，与西对面沟成岩时间(125～131 Ma) 相近。

2 样品特征及测试方法

图3 二道沟金矿矿石标本和镜下照片Fig.3 Photographs showing specimens and macrostructure features of ores from the Erdaogou gold deposit

本次研究在收集前人已有的硫、铅同位素成果后，有针对性地对不同走向的矿脉在不同深度采集样品。结合上文的矿脉空间分布及成矿时间的描述，本文补充了西对面沟岩体的硫、铅同位素样品，并与二道沟金矿矿石的硫、铅同位素进行对比研究。

本次研究测试的矿石样品分别来自二道沟矿区北西向的5号矿脉、东西向的2号矿脉及西对面沟岩体(图1c,d)。5号矿脉产于流纹质火山岩中，长约580 m，走向为北西向，倾角65°，金的平均品位11.32 g/t，最高168 g/t，根据金品位的分布统计规律可知5号矿脉向下延伸，金的品位有升高的趋势[15]。5号矿脉的样品分别采自11中段(海拔150 m)、13中段(海拔50 m)和17中段(海拔-150 m)，样品均为块状构造，自形-半自形-他形粒状结构，主要矿物为黄铁矿，占总量的90%以上，局部可见黄铜矿、闪锌矿和方铅矿共生(图3)。2号矿脉同样产于流纹质火山岩中，走向为东西向，倾角65°，品位较高且稳定，厚度变化不大。2号矿脉所采的样品位于第7中段，海拔250 m，样品为块状构造，自形-半自形-他形粒状结构，主要矿物为黄铁矿，含量为80%以上，局部可见黄铜矿、闪锌矿和方铅矿共生。西对面沟的样品采样位置见图1c，西对面沟中心相所采2件样品为斑状花岗闪长岩，似斑状结构，斑晶种类较多，含量占岩石矿物总量的10%～20%，粒度介于2～10 mm之间。斜长石斑晶多呈板状及板柱状，聚片双晶及生长环带极为发育。钾长石斑晶多为半自形—自形，格子双晶发育。石英斑晶呈浑圆状，具溶蚀现象。基质矿物与斑晶基本相同，区别仅在于其石英含量稍高，呈现霏细结构。边缘相的2件样品为花岗闪长岩，主要组成矿物为斜长石和普通角闪石，次要矿物为黑云母、条纹长石及石英。斜长石多为厚板状，自形程度较高，含量50%左右，粒径介于0.05～0.2 mm之间，卡钠复合双晶发育，聚片双晶纹细密而平直，内部具弱波状消光，环带结构中等发育。角闪石含量为10%～15%，粒径多介于0.05～1 mm之间，多数已蚀变，其析出的镁铁质已聚集成磁铁矿集合体。黑云母为褐色，含量<10%，粒度介于0.05～0.15 mm之间，部分为原生黑云母，部分系角闪石蚀变产物，但已绿泥石化。石英含量15%左右，粒径0.1 mm左右，主要呈他形充填于钾长石和斜长石之间，波状消光不明显，裂纹微弱。

以上所描述的样品，矿石硫化物分选采用常规分离技术，岩石无污染，粉碎到200目。硫、铅同位素的测试均在核工业北京地质研究院分析测试中心完成。本文所涉及的样品硫同位素测试仪器、测试方法、测试精度、测试标样和测试流程与周雄等[16]所描述的一致，测试结果见表1；矿石铅同位素测试仪器、测试方法、测试精度、测试标样和测试流程与张斌等[17]所描述的相同，西对面沟岩体的全岩铅同位素的测试仪器、测试方法、测试精度、测试标样和测试流程与曲凯等[18]所描述的相同，测试结果见表2。

3 分析结果

3.1 硫同位素

本次研究中，有针对性地分析了7件黄铁矿和4件全岩的硫同位素组成(表1)，结合前人的硫同位素数据，可知二道沟金矿黄铁矿的δ34S值变化范围在-1.7‰～+2.3‰之间，平均值为-0.43‰，极差为4‰；西对面沟岩体的硫δ34S值变化范围在-0.6‰～+0.9‰之间，平均值为-0.1‰，极差为1.5‰。综合所有硫同位素数据，并绘制成硫同位素的δ34S频率直方图(图4)，显示硫同位素呈塔式分布特征，峰值在-1.0‰～+1.0‰之间；二道沟金矿与西对面沟岩体的硫同位素组成特征极为一致，均在0附近。

表1二道沟金矿及岩体硫同位素组成

Table1ThesulfurisotopecompositionsoftheErdaogougolddepositandrockbodies

样品编号岩石名称测试对象δ34SV-CDT/‰资料来源EDG14硫化物-石英脉黄铁矿-1.7EDG16石英-硫化物脉黄铁矿2.3EDG6石英脉黄铁矿-0.2EDG2黄铁矿-石英脉黄铁矿-0.7文献[19]17-III-03石英-硫化物脉黄铁矿 1.117-III-04石英-硫化物脉黄铁矿-0.613-III-02石英-硫化物脉黄铁矿0.311-III-03石英-硫化物脉黄铁矿-0.811-III-04石英-硫化物脉黄铁矿-1.17-III-02石英-硫化物脉黄铁矿-1.77-III-03石英-硫化物脉黄铁矿-1.611107花岗闪长岩全岩 -0.411108花岗闪长岩全岩 -0.61129斑状花岗闪长岩全岩 -0.31132斑状花岗闪长岩全岩 0.9本文

图4 二道沟金矿δ34S频率直方图(前人数据据文献[19]) Fig.4 Frequency histogram of δ34S in the Erdaogou golddeposit

3.2 铅同位素

本次铅同位素测试分析结果及结合前人的资料显示(表2)：二道沟金矿矿石铅的206Pb/204Pb值分布在17.047～17.280之间，平均17.142；207Pb/204Pb=15.319～15.408，平均值为15.372；208Pb/204Pb= 36.991～37.394，平均值为37.235。由此可以看出，铅同位素比值范围窄，反映铅同位素组成比较稳定；μ(238U/204Pb)值变化区间为9.08～9.25，均值为9.18，ω(232Th/204Pb)值区间为35.07～37.28，均值为36.50，κ(Th/U)值为3.73～3.90，平均3.85。由以上数据可以看到二道沟金矿的铅同位素比值变化小，表明来自稳定统一的铅源。

表2 二道沟金矿及岩体铅同位素组成

注：分析测试在核工业北京地质研究院分析测试中心完成；全岩铅根据岩石U、Th、Pb微量元素含量校正到125 Ma；加*者表示根据文献[20]提供的公式计算获得。

西对面沟岩体全岩铅在成岩后还有放射性成因铅的积累，需用成矿时代进行校正，表2中全岩Pb根据岩石U、Th、Pb微量元素含量校正到成矿年龄125 Ma。西对面沟岩体经过校正后的206Pb/204Pb值分布在17.053～17.162之间，平均17.114；207Pb/204Pb=15.378～15.423，平均值为15.395；208Pb/204Pb= 37.070～37.199，平均值是37.111。μ值变化区间为9.20～9.29，均值为9.24，ω值区间为35.91～36.94，均值为36.32，κ值为3.77～3.85，平均3.81。校正后的西对面沟岩体铅同位素组成及特征值与二道沟金矿黄铁矿的铅同位素基本一致。

4 成矿物质来源讨论

4.1 硫同位素制约

图5 二道沟、金厂沟梁、郝杖子金矿、西对面沟岩体和前寒武纪基底的硫同位素数据对比图Fig.5 Comparison of sulfur isotope data of sulfides for the Erdaogou, Jinchanggouliang, Haozhangzi gold depo-sits, Xiduimiangou rock body and Precambrian metamorphic basement(金厂沟梁数据据文献[10-11, 19]，郝杖子金矿数据据文献[10]，前寒武纪基底数据据文献[10])

通过对含金硫化物的硫同位素组成的研究能够推断金矿床中的硫以及金等成矿元素来源[21]。但在应用硫同位素组成示踪成矿物质来源时，首先要确定成矿热液的总硫同位素组成(δ34SΣS)。根据前人的研究[22]，成矿热液的总硫同位素的组成是氧逸度(fO2)、pH、离子浓度和温度的函数。因此确定含矿热液的总硫的组成不仅是由源区物质的δ34S决定的，应该综合考虑含硫物质的成矿热液在迁移和矿物沉淀时的物理化学条件。应用庞奖励[10]文中的公式得到的成矿体系环境条件为pH=4.1～6.7，fO2=3.99×10-40～1.202×10-29，可知成矿体系的环境为还原性及弱酸性；结合二道沟矿区的矿石矿物组合：主要为黄铁矿为主，占到矿石矿物总量的90%以上；且不含反映强氧化环境的硫酸盐矿物(如石膏和重晶石等)。由以上的成矿体系环境条件及矿物组合，根据文献[22]的理论计算，定性的估计出δ34SΣS≈δ34S硫化物，又根据黄铁矿为矿区的最主要硫化物，可以得到黄铁矿的δ34S应与整个含矿溶液的总硫同位素组成相近。

硫同位素测试结果表明：二道沟金矿中的黄铁矿δ34S值变化范围窄，峰值出现在-2‰～+1‰之间(表1，图4)，得到二道沟金矿成矿热液的总硫非常接近深部地幔硫的值(δ34S≈0‰)，反映了其成矿热液的硫主要来自深部岩浆硫；同时δ34S值极差小，在图4中呈较窄的塔式分布，暗示硫的来源单一。

为了更好地说明硫的来源，本次研究测试了西对面沟岩体的全岩硫同位素，同时收集了与二道沟金矿在空间位置上相邻的金厂沟梁、郝杖子金矿和华北克拉通内前寒武纪基底的硫同位素组成，绘制了图5。从表1和图5可以看出二道沟金矿黄铁矿的硫同位素组成与西对面沟岩体全岩硫同位素组成极为一致，同时和金厂沟梁、郝杖子金矿组成特征相近(δ34S峰值均在-1‰～0‰之间)，高于华北克拉通内前寒武纪基底δ34S值，表明二道沟金矿及金厂沟梁、郝杖子金矿硫的来源与西对面沟岩体(或这次岩浆作用)有密切的关系，很可能来自一个深源岩浆；同时排除了硫主要来源于变质基底的可能性。

4.2 铅同位素制约

铅同位素作为示踪成矿物质来源的有力工具，一直得到广泛使用。金属硫化物在其结晶以后，不再受放射成因铅的影响，因此矿石铅的组成主要受源区初始铅、μ值、ω值、κ值和形成时间等因素的制约，而基本不受硫化物形成以后所处环境的影响。因此矿石铅同位素组成是示踪成矿物质来源最直接、最有效的一种方法。铅同位素源区的特征值的变化能反映铅的来源。一般认为具有低μ值(低于9.58)的矿石铅来自下地壳或上地幔源区[23]，本文的μ值范围在9.08～9.25之间，低于9.58，说明二道沟金矿的矿石铅可能来自下地壳或者上地幔；陨石的κ(Th/U)值为3.8±0.1，二道沟金矿黄铁矿的κ值与陨石的值基本一致，同样指示铅主要来自地幔。

在207Pb/204Pb -206Pb/204Pb图(图6)上可以看出：所有样品投点落在下地壳与地幔演化线之间，并靠近地幔铅演化曲线的一侧，反映了铅的来源主要为地幔，且有部分下地壳铅的混入。

本文同时运用Δβ-Δγ成因分类图解[20]，该图解是根据不同成因类型岩石铅的资料和已知成因的矿石铅的资料编绘而成的，该图解在示踪矿石铅的源区，消除了时间的影响，理论上比全球性的演化模式具有更好的示踪意义。在图7中二道沟金矿的样品均落在了幔源铅的范围内，并且相对集中，这一特征与Zartman的铅构造模式中样品的分布特征基本一致，结合铅同位素源区的特征值，可以确定二道沟金矿床铅的主要来源为幔源，且有部分下地壳铅的混入。

图6 二道沟、郝杖子、金厂沟梁金矿和西对面沟岩体207Pb/204Pb-206Pb/204Pb构造模式图Fig.6 Tectonic model of the 207Pb/204Pb - 206Pb/204Pb from the Erdaogou, Haozhangzi, Jingchanggouliang gold deposits and Xiduimiangou rock body(金厂沟梁金矿数据据文献[3,10-11]，郝杖子金矿数据据文献[10])

图7 二道沟、郝杖子和金厂沟梁金矿矿石铅的Δβ-Δγ成因分类图(金厂沟梁金矿数据据文献[3,10-11]，郝杖子金矿数据据文献[10])Fig.7 Δβ-Δγ genetic classification diagram of Pb isotope of the Erdaogou, Haozhangzi, Jingchanggouliang gold deposits1.幔源铅；2.上地壳源铅；3.上地壳与地幔混合的俯冲带铅(3a. 岩浆作用；3b.沉积作用)；4.化学沉积型铅；5.海底热水作用铅；6.中深变质作用铅；7.深变质下地壳铅；8.造山带；9.上地壳；10.退变质带

为了进一步探讨二道沟金矿的成矿物质来源，本次研究补充了西对面沟全岩的铅同位素。经过校正的全岩的铅同位素与二道沟金矿矿石硫化物的Pb同位素组成，即206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb和计算得到的μ、ω、κ值都十分相似，尤其是μ值更为接近；在图7中所处区间相同。这些特征可以表明二道沟金矿铅同位素与西对面沟全岩的铅同位素可能有相同或相似的来源与演化，即铅应该是来源于相同的源区，然后在同一铅同位素体系中演化形成。通过前人[3，10-11]的金厂沟梁和郝长子金矿的铅同位素组成特征发现与二道沟金矿铅同位素组成特征一致，可知其物质来源相同，同时对比变质基底全岩的铅同位素组成[24]，前两者差异较大，暗示成矿物质不可能主要来源于变质基底。铅同位素组成特征不仅能够提供铅来源的信息，同时能够用来判别与铅关系密切的硫化物矿石中成矿元素的来源。因此可以判断二道沟金矿的成矿物质的源区为地幔。

二道沟金矿成矿作用发生在126～118 Ma之间[12]，与陈衍景等[25]提出的中国东部燕山期成矿“大爆发”事件相吻合，并且晚于围岩流纹岩的成岩年龄157 Ma[26]；西对面沟岩体的年龄范围为131～125 Ma[3-4,12]，与中国东部大规模的岩石圈减薄作用造成的壳幔物质大比例混合和陆壳重熔活化的地质作用有关，是岩石圈与软流圈相互作用等深部过程的浅部相应[12]，并且与二道沟金矿化时间相近；结合二道沟金矿的容矿断裂构造围绕西对面沟岩体呈放射状分布(图1)和本文得到的矿石硫、铅同位素组成特征与西对面沟岩体硫、铅同位素组成特征基本一致，因此可以推断二道沟金矿成矿作用与西对面沟岩体成岩作用有关。

5 结 论

根据二道沟金矿硫、铅同位素组成特征，结合矿区地质特征与成矿年龄的研究，得出了以下结论：

(1)二道沟金矿成矿热液总硫接近地幔硫的值(δ34S≈0‰)，反映了成矿热液的硫主要来自深部岩浆硫。

(2)铅同位素组成特征分析表明，二道沟金矿铅的主要来源为幔源，且有部分下地壳铅的混入。

(3)综合考虑硫、铅同位素组成特征，可知二道沟金矿成矿物质主要来源于深源岩浆，又因矿石硫、铅同位素组成特征与西对面沟岩体硫、铅同位素组成特征基本一致，说明成矿物质的来源与西对面沟岩体(或这次岩浆作用)有密切联系。

致谢：野外工作期间得到了辽宁二道沟黄金矿业有限责任公司的热情帮助。S-Pb同位素测试过程中得到了核工业北京地质研究院分析测试中心老师的热情帮助；审稿人提出了详细的修改意见。在此一并致以衷心的感谢。