沂沭断裂带中段南小尧金矿地球化学特征及矿床成因探讨

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(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，青岛海洋科学与技术国家实验室，山东 青岛 266237；3.国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室和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；4.威海昊阳集团有限责任公司，山东 威海 264200； 5.兖州煤业股份有限公司 兴隆庄煤矿，山东 济宁 272100)

1 区域地质背景及矿床地质特征

1.1 区域地质背景

南小尧金矿地处沂沭断裂带中段汞丹山凸起之上，位于沂水-汤头断裂的东缘[1-2,4](图1(a))。沂沭断裂带内发育四条NNE向主干断裂，自西向东分别为鄌郚-葛沟断裂、沂水-汤头断裂、安丘-莒县断裂以及昌邑-大店断裂，并与广泛发育的NNE-NE向及NW向次级断裂一起，构成了复杂的断裂构造系统[1]。研究区位于受沂水-汤头断裂控制的脆-韧性构造带中，赋矿围岩主要为古元古代花岗岩，小规模的燕山期花岗岩、脉岩较为发育，构造活动较为强烈[2]。

1.2 矿床地质特征

南小尧金矿区内岩浆岩分布较为广泛，具有多期次侵入特征。中生代岩体零星分布，规模较小，其中脉岩较为发育。太古代沂水岩群、泰山岩群呈包体形式出露于变质变形的侵入岩中[1-2](图1(b)、图2)。矿区脆性断裂较发育，有南小尧-前梭庄断裂、大尧-王家庄子断裂、南小尧-院上断裂，其中南小尧-前梭庄断裂为矿区主要控矿构造[2,4]。南小尧金矿床矿石类型主要为碎裂岩矿石、绿片岩矿石和石英-硫化物矿石(图3(a)-3(c))，矿石具有不同程度的糜棱岩化、碎裂岩化，以及较明显的硅化、绿泥石化、碳酸盐化等矿石蚀变现象(图4(a)-4(d))。研究区位于南小尧-前梭庄断裂西段，金矿床产于基底变质变形花岗岩中[2,4](图1(b)、图2)。由矿床北部至南部，分别为Ⅰ号矿化带、Ⅱ号矿化带，两条矿化带均呈EW走向，距离约为55 m[2]。Ⅰ号矿化带为糜棱岩带，其展布方向96°～276°，倾向SSW，从上部至下部，倾角由陡逐渐变缓，倾角约为65°～72°，此矿化带赋存三层较大的矿体[2,4]，金品位变化为1.09×10-6～38.54×10-6μg/g。Ⅱ号矿化带为片麻岩带，走向近EW，倾向S，倾角陡立，约为85°；该矿化带有两层矿体，上层矿体脉幅较窄，下层矿体呈上部较厚而下部较薄的多边形楔子状，在此矿化带底部产出，金品位变化为1.92×10-6～22.5×10-6μg/g[2,4]。

1—古元古代花岗闪长岩；2—古元古代二长花岗岩；3—破碎蚀变带；4—金矿体及其编号；5—地质界限；6—竖井位置

矿物代号：Py—黄铁矿；Qtz—石英；Chl—绿泥石；Kfs—钾长石

(a)矿石绿泥石化；(b)矿石硅化，黄铁矿呈团块状分布；(c)矿石具碳酸盐化、绿泥石化蚀变，方解石呈团块状分布；

南小尧金矿床主要有绿片岩、糜棱岩和石英-硫化物脉三种矿石类型(图3(a)-3(c))。①绿片岩矿石：为浸染状、脉状构造，矿石矿物主要为黄铁矿，自形程度较低(半自形-他形)，以立方体晶形为主，具有交代残余结构、溶蚀结构等，矿物颗粒粒径较大，主要为210～620 μm，在早期阶段形成的黄铁矿具有较明显的碎裂结构；局部可见呈星点状分布的黄铜矿、闪锌矿；脉石矿物主要为绿泥石，含有少量的斜长石、角闪石、绢云母及方解石等；矿石具较明显的绿泥石化，局部可见绢云母化、碳酸盐化。②糜棱岩矿石：矿石构造主要为细脉浸染状、块状构造等；矿石自形程度较低，具有交代结构、溶蚀结构等；矿石矿物主要为黄铁矿，自形程度较高(半自形-自形)，以立方体晶形为主，可见五角十二面体晶形，粒径主要为120～410 μm，主要呈浸染状、星点状、细脉状构造形式分布，局部具有交代溶蚀的现象；脉石矿物主要为石英、绿泥石及碳酸岩等，斜长石含量较低，碳酸盐脉体较发育，有明显的菱形解理，呈细脉状、网格状构造形式分布于矿石中；矿石具较明显的硅化、碳酸盐化。③石英-硫化物脉矿石：矿石构造主要为脉状构造；矿石矿物主要为黄铁矿、方铅矿，黄铁矿矿物粒径主要为40～270 μm，具有较明显的溶蚀结构，方铅矿呈他形分布于石英脉中，黑三角孔特征较明显；脉石矿物主要为石英、方解石，石英结构主要为微细粒-细粒、他形，可见碳酸盐脉体以脉状或网脉状充填于矿石中；矿石硅化、碳酸盐化的现象较明显。

南小尧金矿成矿作用划分为四个成矿阶段(图5、表1)。①石英-黄铁矿-绿泥石阶段(Ⅰ)(图5(a)、5(b))：为早期矿化阶段，该阶段形成的矿物主要有黄铁矿、石英、绿泥石等，矿物具有一定的定向排列特征，其中黄铁矿自形程度较低，呈半自形-他形结构，主要呈浸染状及细脉状分布；②黄铁矿-绢云母-绿泥石阶段(Ⅱ)(图5(c)、5(d))：该阶段形成的矿物有黄铁矿、石英、绢云母、绿泥石等，黄铁矿自形程度较高，以半自形-自形为主，多数具较明显的溶蚀结构，主要呈浸染状和星点状分布，该阶段糜棱岩质碎裂岩黄铁矿化、绢云母化蚀变较普遍；③石英-多金属硫化物阶段(Ⅲ)(图5(e)、5(f)、5(g))：该阶段形成的矿物组合较复杂，主要矿物为石英、黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等，黄铁矿自形程度较低，主要呈浸染状和细脉状分布，具较明显的溶蚀交代结构；④碳酸盐阶段(Ⅳ)(图5(h)、5(i))：为晚期矿化阶段，方解石主要以脉状或网脉状充填于矿石中，具较明显的菱形解理。

表1 南小尧金矿床成矿阶段及矿物生成次序表

Tab.1 Mineralization stage and ore-forming sequence of Nanxiaoyao gold deposit

2 样品与测试方法

样品采于沂沭断裂带中段南小尧金矿的矿坑，岩性分别为黄铁矿化绿泥石化糜棱岩、黄铁绢英岩化绿片岩以及石英-硫化物脉岩，样品均较为新鲜。

硫化物原位微量元素分析在中国科学院地球化学研究所完成。仪器为GeolasProd激光剥蚀系统的LA-ICP-MS，脉冲频率10 Hz，剥蚀孔径为33 μm，等离子体质谱仪型号为Agilent7700X。使用He作为剥蚀物质载气，采用GSE-1G、BCR-2G、BIR-1G、Mass-1作为标样，单点测试总时长70 s，其中空白背景采集时间20 s，样品剥蚀采集信号时长30 s，停止剥蚀后继续吹气20 s，进行系统清洗。测试时，每8个点测试一组标样。详细操作流程见文献[12]，分析测试结果见表2。

硫化物原位硫同位素分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。测试仪器为Geolas2005激光剥蚀系统和Nepture Plus等离子体质谱仪，测试时激光束斑直径33 μm，脉冲频率为10 Hz，能量50%T，电压10.1～12.5 V，同时采用氦气为载气，氩气为补偿气体，采用标样WS-1、WS-2进行校正，单个测点的总时长60 s，其中背景信号时间20 s，激光剥蚀时间为20 s，冲洗时间为20 s，具体操作方法见文献[13]，分析测试结果见表3。

(a)、(b)石英-黄铁矿-绿泥石阶段(Ⅰ)；(c)、(d)黄铁矿-绢云母-绿泥石阶段(Ⅱ)；(e)、(f)、(g)石英-多金属硫化物阶段(Ⅲ)；(h)、(i)-碳酸盐阶段(Ⅳ)；(b)、(h)为单偏光下照片；(c)、(e)、(i)为正交光下照片；(a)、(d)、(f)、(g)为反射光下照片

3 元素地球化学特征

3.1 硫化物微量元素特征

研究区金矿床黄铁矿微量元素含量如表2所示，黄铁矿中Co含量0.53×10-6～4 161.88×10-6μg/g，均值299.17×10-6μg/g；Ni含量2.51×10-6～813.67×10-6μg/g，均值141.02×10-6μg/g；Co/Ni比值0.04～51.08，均值3.24；亲铁元素As、Te含量分别为0.25×10-6～114.18×10-6、0.17×10-6～4.76×10-6μg/g；亲硫元素Se、Bi等含量分别为0.42×10-6～21.16×10-6、0.01×10-6～0.49×10-6μg/g；成矿元素中Cu、Pb、Zn含量分别为0.17×10-6～472.22×10-6、0.14×10-6～1 486.94×10-6、0.40×10-6～32.46×10-6μg/g；贵金属元素Ag、Au含量分别为0.008×10-6～40.292×10-6、0.002×10-6～0.154×10-6μg/g。成矿流体中金元素的迁移、富集、沉淀与Ag、As、Te元素关系密切，南小尧金矿床黄铁矿中Au与Ag、As、Te相关关系显示，Au元素与As有较强的正相关性(图6)，表明As在南小尧金矿床形成过程中对金的搬运与富集具有重要作用[14-15]，Au与Ag也显示正相关性，反映Au、Ag共同成矿具有相似的迁移富集机制，黄铁矿中Au元素与Ag、As具有正相关性，表明金矿床中Au元素的迁移、富集与Ag、As关系较密切。

3）拆除后架体的稳定性不被破坏，如附墙杆被拆除前，应加设临时支撑防止变形，拆除各标准节时，应防止失稳。

图6 南小尧金矿床黄铁矿Au-Ag、Au-As、Au-Te含量及相关性

图7 ns与nFe实际原子个数比图解Fig.7 ns and nFe actual atomic number ratio diagram

理论上，黄铁矿主量元素S/Fe的原子比应为2，S、Fe含量应分别为53.45%、46.55%。而南小尧金矿床黄铁矿测点的S/Fe原子比绝大多数大于2(表2)，由nS与nFe实际原子个数比图解(图7)，可知nS/nFe为2.01～2.27。以上分析显示黄铁矿中铁亏损较明显，硫元素较铁元素富，表明南小尧金矿床中黄铁矿可能发生于类质同象替代[4,16]。相关研究表明，黄铁矿的形成深度与其主成分含量及Fe/(S+As)值相关性较高[4,16]：内生热液矿床形成深度深，黄铁矿具有富硫贫铁的特征；形成深度浅，则黄铁矿表现为富铁贫硫的特征[17-18]。黄铁矿Fe/(S+As)值主要为0.81～0.89，nS/nFe为1.81～2.27。以上分析表明，矿床中黄铁矿具有富硫及铁亏损较明显的特征，说明南小尧金矿床可能形成于中深部环境。

黄铁矿Au/Ag比值可以反映成矿温度的高低，Au元素主要在较高温度和较深部的矿床中富集(Au/Ag比值高)，Ag元素则多在中深部或地表的中低温矿床中富集(Au/Ag比值低)[13]。分析结果显示，南小尧金矿床黄铁矿Au/Ag值较低，为0.001 2～0.241 6，据此推测金矿床可能形成于中深部的中低温环境。黄铁矿中As含量对矿床形成温度有一定的指示作用[18]，黄铁矿As含量为0.25×10-6～114.18×10-6，也表明金矿床可能形成于中低温环境。

黄铁矿中Te、Se/Te对黄铁矿中杂质含量及结晶速度具有指示作用[19-20]。南小尧金矿床黄铁矿中Se/Te值较低，主要为0.39～3.28，Te含量为0.17×10-6～4.76×10-6μg/g，表明南小尧金矿床黄铁矿杂质含量较高，结晶速度较快。研究显示成矿液体中的fo2较低时，不利于黄铁矿中Sb元素的富集(As/Sb比值较高)[19-20]，成矿流体系统具有较强的还原性，南小尧金矿床黄铁矿中Sb含量较低，为0.12×10-6～0.98×10-6μg/g，As/Sb值较高，为1.05～9.17，反映成矿流体系统中fo2较低，成矿流体具有一定的还原性。

亲铁元素Co、Ni等常可以类质同象形式替代黄铁矿中的Fe、As常替代S进入到黄铁矿的晶格中，研究显示，黄铁矿Co/Ni比值对成矿条件具有一定的指示意义[8,16,18]。南小尧金矿床黄铁矿的Co和Ni含量及Co/Ni、S/Fe比值见表2，黄铁矿Co/Ni值为0.13～3.64，大多数分布在岩浆与沉积改造成因黄铁矿范围内，在黄铁矿Co-Ni图解上(图8)，数据点多位于岩浆区和沉积改造区，表明金矿床的形成与岩浆活动关系密切，在后期可能经历了结晶后热液改造。在As-Co-Ni图解中(图9)，数据点主要落在火山与次火山热液型区域，表现出贫As的热液特征，表明南小尧金矿的形成与火山活动具有一定的成因联系。因此，认为研究区金矿床在形成过程中，来自于深部的成矿热液以及火山、次火山热液活动携带着Au上涌到断裂中，并可能对太古代泰山群进行了热液改造，萃取了“矿源层”(泰山岩群)的Au元素。

Ⅰ—沉积区；Ⅱ—沉积改造区；Ⅲ—岩浆区；Ⅳ—热液区图8 南小尧金矿床黄铁矿Ni-Co图解[21]

A—地下卤水淋滤型；B—岩浆热液型；C—变质热液型；D—火山与次火山热液型

3.2 硫化物硫同位素特征

硫同位素作为成矿物质来源及成矿环境的指示剂，在矿床成因研究中应用广泛[23]。以南小尧金矿床硫化物中硫同位素示踪成矿物质来源，为研究矿床成因提供依据。南小尧金矿硫化物硫同位素测试结果见表3，绿片岩矿石中黄铁矿δ34S值为-0.9‰～2.1‰；石英-硫化物脉岩矿石中黄铁矿δ34S值为1.3‰～2.9‰；而糜棱岩矿石中硫化物δ34S值较低，方铅矿δ34S呈负值为-3.2‰～-1.3‰，可能是受到地表水的作用使含矿体系中δ34S值降低。南小尧金矿床不同矿石中硫化物δ34S值存在差异，指示不同矿石中成矿流体的物理化学条件可能存在差异。

南小尧金矿床黄铁矿δ34S值为-0.9‰～2.9‰，平均1.54‰，极差为3.8‰；方铅矿δ34S值-3.2‰～-1.3‰，平均-2.0‰，极差为1.9‰。硫化物的硫同位素组成分布图(图10)显示，硫同位素属幔源硫特征；方铅矿、黄铁矿硫化物硫同位素分布直方图(图11)显示，硫同位素分布范围较集中、变异小，具有较好的塔式分布效应，硫化物δ34S值主要集中在-2.0‰～3.0‰，研究认为幔源或者源于深部与岩浆作用有关的硫化物δ34S约为0‰[9,18,24-25]，其变化范围较小，因此认为南小尧金矿床成矿物质可能来源于深部。

表3 南小尧金矿床硫化物硫同位素值

测试单位：中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室。

图10 硫化物硫同位素组成分布图(有修改)[24]

图11 南小尧金矿床硫化物硫同位素分布直方图

4 矿床成因探讨

4.1 成矿物质来源

沂沭断裂带是区域性切幔断裂，可作为岩石圈不同深度岩浆和流体向上迁移的通道，中生代岩浆作用和成矿作用复杂[1,26-27]。研究[1,4]认为，沂沭断裂带中段太古代泰山岩群和燕山期岩浆岩都具有较高的金含量，可能为沂沭断裂带中段金矿的矿源层。沂沭断裂带中段变质基底岩系也具有较高的Au丰度，成矿物质来源可能与古元古代的变质基底岩系有关，而变质基底的原岩可能为基性-中性火山沉积建造[1,4]。李洪奎等[1]研究沂沭断裂带中段金矿硫化物的硫同位素均显示幔源硫特征(图10)，铅同位素特征显示铅主要由地壳深部供给。研究认为来源于地幔或深部与岩浆作用有关的硫化物δ34S约为0‰[9,18,24-25]，其变化范围较小，研究区金矿床硫化物的硫同位素特征显示幔源硫的特征，δ34S值为-3.2‰～2.9‰，结合前人研究成果[1,4]，推测金矿床成矿物质可能来源于深部，成矿物质可能与火山-岩浆作用导致的地幔物质上涌有关，由燕山期岩浆热液流体携带着Au等成矿物质向上运移。因此认为南小尧金矿床成矿物质可能来源于地幔，燕山期岩浆活动对金矿床的形成具有重要的作用。

4.2 成矿流体特征

硫同位素示踪可以反映成矿流体的来源[18,25,28-29]，硫化物δ34S值显示不同矿石中成矿流体的物理化学条件可能存在差异；金矿床矿石中未见硫酸盐矿物，硫化物中的δ34S特征可以表示成矿流体中总硫δ34S∑的特征。金矿床黄铁矿微量元素分析结果显示，黄铁矿中ns/nFe主要为2.01～2.27，Fe/(S+As)值主要为0.81～0.89，分析显示黄铁矿具有富硫、铁亏损明显的特征，表明金矿床可能形成于中深部环境。南小尧金矿床黄铁矿Au/Ag值较低，为0.001 2～0.241 6，As含量为0.25×10-6～114.18×10-6μg/g，表明金矿床可能形成于中深部的中低温环境。黄铁矿Te含量为0.17×10-6～4.76×10-6μg/g，Se/Te值较低，主要为0.39～3.28，指示黄铁矿结晶速度较快，杂质含量较高。黄铁矿Sb含量较低，主要为0.12×10-6～0.98×10-6μg/g，As/Sb值较高，主要为1.05～9.17，反映流体系统氧逸度较低，成矿流体具有一定的还原性。黄铁矿Co含量、Au/Ag比值等微量元素特征显示研究区金矿床成矿热液为中低温流体。黄铁矿Co-Ni图解显示金矿床的形成与岩浆活动关系密切，在后期可能经历了结晶后热液改造。黄铁矿As-Co-Ni图解显示金矿成矿热液类型主要为火山与次火山热液型，表明金矿床的形成与火山活动具有一定的成因联系，可能与燕山期的火山和次火山活动有关[1,4,27]。

4.3 矿床成因探讨

在矿床地质研究基础上，结合地球化学分析结果，认为沂沭断裂带中段南小尧金矿床成因机制可能如下：受库拉板块和太平洋板块运动的影响[1]，沂沭断裂带由韧性构造体制转化为脆性断裂，扩大了容矿空间[1,4-5]，燕山期岩浆-火山活动剧烈，来自于深部的成矿热液以及火山、次火山热液活动携带着Au上涌到断裂中，并对太古代泰山岩群进行热液改造，萃取了“矿源层”(泰山岩群)的Au元素，所蕴含的热量也为金矿化作用提供了足够的热源，同时，少量大气降水沿断裂带下渗与来源于深部的流体混合，加速了Au的沉淀，使Au在中深部的适宜成矿条件下富集成矿。

5 结论

1) 南小尧金矿床可划分为四个成矿阶段，分别为：石英-黄铁矿-绿泥石阶段、黄铁矿-绢云母-绿泥石阶段、石英-多金属硫化物阶段和碳酸盐阶段。

2) 黄铁矿硫同位素显示硫的深源特征，表明金矿床的成矿物质来源于深部；硫化物微量元素特征显示金矿床形成于中深部的中低温成矿环境，成矿作用与燕山期的火山-次火山活动关系密切。

3) 南小尧金矿床成矿模式可概括为：中生代融熔的岩浆以及火山与次火山热液沿沂沭断裂带上涌，为金矿的形成带来了大量的成矿物质和成矿流体，在中深部的成矿环境中随成矿条件的改变而使Au在适宜的构造位置富集并沉淀成矿。