湖北省随县王家台金多金属矿地球化学特征及矿床成因初探

朱 金, 周 豹, 刘文文, 汪国虎, 江为民, 田 成, 陈 超

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

王家台矿区地处湖北省随县北部,大地构造位置位于华北板块与扬子板块之间的随应高压浅变质地体北缘,成矿区处东秦岭Au-Ag-Mo-Cu-Pb-Zn-Sb金属成矿带之随枣地区金银成矿亚带[1]。区域主体构造线走向呈北西向,位于新城—黄陂断裂和吴山—太山庙断裂之间,中生代时期由于受到南北两大板块碰撞和地体拼合增生,形成了一系列脆韧性剪切带和逆冲推覆构造等[2],王家台处于中部黑龙潭—卸甲沟韧性剪切带的北西缘,七尖峰杂岩体东缘外接触带(图1)。区内热液活动较为频繁,次级褶皱断裂较为发育,变质变形作用较强烈,地质构造格局较为复杂,为后期成矿作用提供了充足的热源、物源和成矿有利场所等,具备较好的成矿条件[3-4]。

图1 王家台矿区区域地质简图[5]Fig.1 Regional geological map of Wangjiatai mining area1.第四系;2.寺沟组;3.陡山沱组;4.耀岭河组;5.武当岩群;6.花岗质片麻岩;7.大别岩群;8.超基性岩;9.辉绿岩;10.花岗斑岩脉;11.周楼岩体斑状二长花岗岩;12.周楼岩体二长花岗岩;13.七尖峰岩体外带斑状二长花岗岩;14.七尖峰岩体中带二长花岗岩;15.七尖峰岩体中带斑状二长花岗岩;16.七尖峰岩体内带二长花岗岩;17.钾长花岗岩;18.断层;19.角度不整合;20.岩相变化界线;21.矿区位置。

1 矿区地质特征

1.1 矿区地质背景

矿区内出露地层包括南华纪武当岩群、耀岭河组、震旦纪陡山沱组一段和少量的第四纪冲积物(图2),变质地层为原始的含矿建造;矿区构造主要分为褶皱和断裂,其中与本区金多金属矿化密切相关的构造主要为北东—北东东向次级断裂。北东—北东东向断裂形成较晚,长约60～300 m,宽约0.2～1.5 m,倾向136°～167°,倾角32°～51°,断裂带中围岩蚀变较发育,主要伴有金银钨铅多金属矿化,为矿区重要的容矿构造;矿区内未见岩浆岩发育,矿区南西侧约2.5 km处为七尖峰杂岩体之三合店岩体,岩性为斑状黑云二长花岗岩,长石、石英斑晶常见,岩体外接触带上局部伴有混合岩化特征;区内脉岩发育,主要有石英脉、煌斑岩脉、变辉长辉绿岩脉等,其中石英脉与本区成矿作用联系紧密。

图2 王家台金多金属矿区地质简图Fig.2 Geological sketch of Wangjiatai gold polymetallic mining area

1.第四系冲积物;2.陡山沱组一段;3.耀岭河组;4.武当岩群;5.变辉长辉绿岩脉;6.煌斑岩脉;7.石英脉;8.碎裂岩;9.局部混合岩化带;10.地质界线;11.平行不整合界线;12.角度不整合界线;13.性质不明断层;14.片理产状;15.矿体及编号。

1.2 1∶5万水系沉积物异常特征

1∶5万水系沉积物测量在矿区及周边圈定的地球化学异常以Au、Ag、W 3种元素为主,区内金异常主要分布在南华纪武当岩群和耀岭河组地层中,Au元素异常面积较大,具有一定异常规模,强度较高,有2个浓集中心,最大值50.4×10-9。Ag元素异常分布面积相对较小,强度较高,浓集中心明显,最大值6.99×10-6。W元素异常分布在检查区南东侧,强度较高,浓集中心突出,最大值16.7×10-6。Au、Ag、W异常套合较好(图3),具有较大找矿潜力。

1.3 矿体产出特征

区内初步发现金多金属矿体5个,金银钨多金属矿体产于北东向—北东东向断裂蚀变带中,矿石类型有蚀变岩型和石英脉型两种。围岩蚀变类型主要为硅化、褐铁矿化、黑钨矿化、绢云母化、黄铁矿化、白钨矿化等,此次为随北地区首次发现蚀变岩型与石英脉型复合型金银钨多金属矿点,以沿断裂充填并发生交代作用后形成的硅化、褐铁矿化、绢云母化蚀变岩和含矿石英脉为主要赋存载体,围岩为南华纪武当岩群,在围岩与破碎蚀变带的外接触带上局部也可见蚀变矿化现象。矿体特征见表1。

2 主微量、稀土元素特征

热液矿床成矿作用过程中引起的围岩蚀变是成矿流体与围岩相互作用的结果,宏观上表现为围岩的颜色、结构、构造、矿物成分的变化,微观上表现为元素的带入、带出。蚀变岩研究的核心问题是原岩的性质及蚀变过程中组分的得失。王家台矿区围岩蚀变与金多金属矿化富集在空间上紧密相伴,这种蚀变作用导致含矿岩石与围岩中组分差异愈加明显。通过研究主微量及稀土元素的迁移规律,可以揭示金多金属矿化富集与成矿流体演化、围岩蚀变之间的关系。本次共采集王家台矿区围岩和含矿岩石共计12件样品展开主微量、稀土元素研究,围岩主要为白云钠长片岩;含矿岩石主要为黄铁矿化、褐铁矿化、黑钨矿化、方铅矿化石英脉和硅化、绢云母化、褐铁矿化蚀变岩。

2.1 主量元素特征

矿区中含矿岩石主量元素迁移量计算选用P2O5作为不活动组分,采用Grant(1986)的计算方法,以探讨不同含矿岩石类型引起的物质成分的改变和迁移情况,其公式如下:

图3 王家台矿区异常剖析图Fig.3 Anomalous anatomy map of Wangjiatai mining area

表1 王家台金多金属矿区矿体特征一览表Table 1 List of orebody characteristics in Wangjiatai gold polymetallic mining area

矿体编号矿段赋矿岩石矿体规模/m长厚产状/(°)品位(Au、Ag/10-6,WO3/%)AuAgW备注Ⅰ钨矿体Ⅱ金银铅矿体Ⅲ金银钨矿体Ⅳ钨矿体银子墩矿段石英脉800.21倾向152 倾角370.2019.40.54石英脉800.97倾向158 倾角355.17155Pb0.71%石英脉800.90倾向167 倾角324.911361.02Pb3.03%石英脉1000.23倾向198 倾角440.2426.11.16Ⅴ金银钨矿体下河口矿段石英脉、蚀变岩3001.09倾向45 倾角412.031904.33Pb1.08%

通过含矿岩石主量元素迁移量柱状图(图4)和数据分析表(表2)可以看出:SiO2在不同的含矿岩石中迁移量都很大,可能与其本身的含量较高或硅化蚀变有关;Al2O3的迁移量也较大,可能因为其本身的含量高或Al在水—岩反应过程中具有较高的活性。Na2O和K2O在成矿阶段主要集中表现为带出,不同含矿岩石中CaO、MgO、TiO2、MnO的迁移量变化不大,表现为微弱的带入带出,表明CaO、MgO、TiO2、MnO在围岩蚀变过程中活动性不高。

硅化、绢云母化、褐铁矿化蚀变岩:其中斜长石被绢云母所交代,K+随着酸性溶液和岩石的物质交换而继续被带出,Na+也从长石中置换出来并被溶液带走,同时还有硅化的存在,造成SiO2含量较大的迁移;Al3+在水—岩反应过程中具有较高的活性;与之相对应矿物组合中石英含量升高,出现绢云母;Fe2O3的带入可能指示蚀变过程的氧化环境。

矿化石英脉:强烈带入SiO2,中等带入Fe2O3、K2O、MgO、MnO等,Na2O、Al2O3明显迁出,其余组分变化不大。

2.2 微量元素特征

通过分析王家台矿区围岩、含矿岩石的微量元素含量分析结果(表3)可以发现:随着围岩蚀变程度不断加强,矿化程度也逐渐加强。与成矿相关的元素(Au、Ag、W、Cu、Pb、Zn等)均呈现逐渐升高的趋势,从新鲜围岩到褐铁矿化、硅化、绢云母化蚀变岩到矿化石英脉Cu、Pb、Zn、As、Sb、Bi等具有明显的逐渐升高的趋势,说明成矿热液很可能对围岩中的Au、Ag、W、Cu、Pb等成矿物质进行萃取和物质交换,为本区成矿作用提供了部分成矿物质来源。

图4 王家台矿区含矿岩石主量元素迁移量(10-2)柱状图Fig.4 Column chart of migration of major elements in ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area1.STC1-y1;2.STC3-y1;3.STC4-y1;4.STC4-y2;5.STC12-y3;6.SCK13-y1;7.STC14-y2。

通过微量元素含量变化折线图(图5)可以看出:与变质地层相比,含矿岩石中Cu、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Hg等与成矿相关的元素呈现升高的趋势,表明这些元素与金、银等成矿元素一同被活化迁移,而Cr、Ni、Co等元素变化不大,其中Cu、Pb、Zn等以少量金属硫化物存在,而Au、Ag等成矿元素赋存于这些硫化物中。推测金以Au(HS)2-络合物的形式在中温条件下迁移,当溶液变得酸性及氧逸度降低时,Au(HS)2-变得不稳定,造成Au、Ag与金属硫化物一起沉淀,为主成矿阶段之一。而本区早期原始高温度高盐度的岩浆热液,在温度差、压力差和浓度差等驱动下在裂隙通道内发生迁移,一方面原始流体与围岩发生水—岩反应,同时萃取围岩中部分钨元素;另一方面,随着温压下降使得热液产生减压沸腾,流体溶液中的酸性挥发组分进入气相,此时含矿热液中的pH值升高,钨的络合物的稳定性降低,从而导致钨矿物的结晶,形成黑钨矿等金属矿物。

表2 王家台矿区围岩及含矿岩石主量元素含量及迁移量(10-2)Table 2 Main element content and migration amount of surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

注:*为P2O5标准化数据。

图5 王家台矿区围岩、含矿岩石部分微量元素含量(10-6)折线图Fig.5 Fractal map of trace element content of surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

此外,Sr和Ba在整个蚀变与成矿作用过程中均保持降低的趋势。Sr的降低可能是变质地层中斜长石被绢云母和石英交代的结果,当斜长石被蚀变为不含Ca的绢云母和石英时,Sr与Ca一起进入溶液(Sr2+→Ca2+,Ca2+带出)。Ba由于其化学活动性强,在整个蚀变作用过程中含量降低。

由围岩、蚀变岩和矿化石英脉的微量元素标准化蛛网图(图6)可以看出:从原岩→蚀变岩→矿化石英脉,显示微量元素逐渐降低的规律,含矿岩石中Cu、Pb、Zn、As、Sb、Bi等与成矿相关的元素含量明显高于围岩;亏损Rb、K、Th、U等大离子亲石元素,另外Nb、Ba、Ta、Sr、P、Zr、Ti等强不相容元素含量低于围岩,在标准化曲线上位于围岩曲线之下。总体来说,蚀变岩变化趋势与围岩基本一致,矿石的标准化曲线变化趋势与前两者大体一致,但是富集成矿相关元素,表明三者之间有一定的成因联系,围岩可能为本区成矿提供了部分成矿物质。

图6 王家台矿区围岩、含矿岩石微量元素蛛网图Fig.6 Trace element spider-web map of surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

表3 王家台矿区围岩、含矿岩石微量元素分析结果(10-6)Table 3 Analysis of trace elements in surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

2.3 稀土元素特征

稀土元素地球化学性质相似,在地质—地球化学作用过程中整体活动,它们的分馏情况能灵敏地反映地质—地球化学作用的性质,常被作为良好的示踪剂。详细研究围岩及蚀变岩中的稀土元素的含量、分布模式及其演化机理有助于阐明围岩蚀变的形成和成矿元素迁移过程,是探讨金多金属矿床围岩及各种蚀变岩的成因及其演化、成矿流体来源的重要地球化学参数。

对王家台矿区稀土元素的研究表明:稀土元素在围岩和蚀变岩中的丰度、配分、演化趋势具有一定的变化。本次研究的12件样品,包括原岩(白云钠长片岩)和含矿岩石(矿化石英脉和硅化绢云母化褐铁矿化蚀变岩)。上述样品稀土元素分析的相关数据见表4。

表4 王家台矿区围岩、含矿岩石稀土元素分析结果(10-6)Table 4 REE analysis of surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

注:球粒陨石标准化采用Sun and McDonough,1989。

原岩(白云钠长片岩)稀土元素特征:稀土总量55.73～97.82 μg/g,轻稀土总量47.74～86.03 μg/g,重稀土总量7.99～16.96 μg/g,∑LREE/∑HREE为3.31～7.30,(La/Yb)N为2.95～7.80,平均值为5.82,轻、重稀土元素分异不明显;δEu主要为0.78～0.93,平均值为0.89,Eu表现出轻微负异常;δCe为0.83～1.13,平均值为1.01,基本无铈异常或较微弱的正铈异常。

含矿岩石稀土元素特征:稀土总量15.88～81.80 μg/g,平均值55.15 μg/g,轻稀土总量12.84～68.73 μg/g,平均值46.87 μg/g,重稀土总量3.04～15.27 μg/g,平均值8.28 μg/g,∑LREE/∑HREE为3.98～9.09,平均值为6.39,(La/Yb)N为3.15～9.31,平均值为5.93,轻重稀土具有一定分异性;δEu为0.85～1.11,平均值为0.98,基本无铕异常;δCe为0.89～1.42,平均值为1.21,显示微弱正铈异常。

总体来看,蚀变岩与原岩稀土分配模式较一致(图7),基本呈现轻稀土富集,配分曲线轻微右倾型。除了样品STC4-y2稀土总量较高外,其余蚀变岩及含矿石英脉的稀土总量基本低于原岩,显示成矿热液带出REE组分,表明成矿热液与围岩之间水—岩反应强烈,围岩蚀变较强。

铕在还原条件下呈Eu2+状态与其他3价稀土元素分离,本区从原岩到蚀变岩δEu变化范围0.78～1.11,蚀变岩显示正的铕异常,反应氧化坏境;从蚀变岩到矿化石英脉δEu变化范围1.11～0.85,含矿石英脉显示负的铕异常,反应还原环境。铈在氧化条件下呈Ce4+状态与其它3价稀土元素分离,在整个成矿作用过程中铈表现为微弱的正异常,反应弱还原环境。通过以上分析可以看出,成矿作用总体经历了氧化→还原的过程,主成矿期为还原环境,这与矿石中富集沉淀黑钨矿、黄铁矿、黄铜矿、方铅矿等金属矿物的事实较一致。

整个围岩蚀变及成矿作用过程,从围岩—蚀变岩—含矿石英脉的稀土元素特征表明离矿体越近,稀土元素活动性越强,水—岩反应强烈。因此,通过分析蚀变岩中稀土元素的变化可以为找矿提供一定的信息。

3 矿床成因浅析

关于王家台矿区矿床成因研究和邻区典型金矿床如黑龙潭金矿的矿床成因研究前人开展过一些工作,如胡起生等认为黑龙潭金矿矿化类型以蚀变岩型及石英脉型为主,其中破碎带蚀变岩型又可分为早、晚两期。早期破碎带蚀变岩型矿化形成于印支期,在挤压体制下在韧—脆性剪切带内成矿的,成矿物质主要来源于变质地层;而石英脉型矿化形成于燕山期,主要是在伸展构造体制下在脆性剪切带内成矿的,成矿物质主要来源于岩浆岩;晚期破碎带蚀变岩型矿化则是上述两种矿化叠加,在韧—脆性变形基础上叠加有脆性变形的环境下形成的,成矿物质主要来源于岩浆岩,认为黑龙潭金矿床的形成是三种不同时期、不同矿化类型叠加的结果[6];李书涛等通过对黑龙潭—封江金矿田成矿特征研究,认为该金矿田受区内地层、花岗岩浆热源及韧—脆性剪切带构成的三位一体的联合控制,为成矿作用提供成矿物质、热流体及其运移通道和沉积空间,是矿田的主要控矿因素[7];彭三国、胡俊良等通过对黑龙潭蚀变岩石英脉混合型矿石中与黄铁矿、方铅矿等共生的石英单矿物包裹体Rb-Sr等时线年龄为132.6±2.7 Ma,指示成矿时代为燕山中晚期,结合包裹体Sr同位素初始比值表明成矿物质来源于壳幔混合源区,根据相关同位素、稀土微量元素、成矿流体等研究认为该矿床的形成可能与燕山期持续伸展阶段大规模构造—岩浆活动有关,燕山期中酸性岩浆活动为金矿成矿提供了主要矿源与热源[8];周豹等对随县北部王家台金多金属矿区主成矿期石英开展H—O同位素分析,通过投图得出本区成矿流体来源主要是岩浆水,可能在成矿过程的晚期伴有少量大气降水加入[9]。

图7 王家台矿区变质地层和含矿岩石稀土元素分配图Fig.7 REE distribution map of metamorphic strata and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

考虑到王家台矿区中金、银、钨矿共生,而三者形成于不同的温压环境,推测本区可能至少存在早晚两期流体活动,早期的中高温流体活动使岩浆流体中钨矿物发生分解,温度升高时钨矿物在岩浆流体中溶解度升高。首先是燕山期酸性岩浆岩侵入过程中,岩浆体系分异出原始高温度高盐度的岩浆热液,钨等成矿元素在岩体中聚集,并不断从岩浆流体中分离出来,向岩浆期后成矿流体富集,成矿流体在温度差、压力差的驱动下在裂隙构造内发生运移,成矿热液运移至裂隙,随着压力骤然下降使得热液产生减压沸腾,此时大量CO2、CH4等气体挥发分从热液中溢出,进一步加快了流体溶液中的酸性挥发组分进入气相,此时含矿热液中的pH值升高,此时钨的络合物的稳定性降低,从而导致钨矿物的结晶;后期在区域性北西向韧性剪切作用下,经过区域变质作用后新元古代地层中的部分金银等成矿物质被活化转移,得到初步迁移富集,使得地层上部和弱变质带中金银丰度提高,构成了初始的含矿建造,成为金银矿的矿源层之一[10],当温度降至中低温时,由于成矿热液的长期作用,同时伴随着下渗、补给的地表水和裂隙水的贯入,不断萃取变质地层中的金、银等,发生物质成分的交换,并沿裂隙构造不断运移,在温压条件及pH、Eh值改变的条件下,成矿热液中的金银不断富集沉淀直至成矿[11-12]。

综上所述,王家台金银钨多金属矿成因类型为与燕山期构造—岩浆热液作用有关的蚀变岩型、石英脉型金多金属矿,成矿过程主要是经相态分离作用后随温度、压力降低及物理化学条件的改变而经过复杂的演化过程。

4 结论

(1) 热液蚀变过程中主量元素SiO2、Al2O3、K2O、Na2O等都具有较高的活性;从围岩至蚀变岩至矿化石英脉,微量元素逐渐降低,其中含矿岩石中Cu、Pb、Zn、As、Sb、Bi等与成矿相关的元素含量明显高于围岩,亏损Rb、K、Th、U等大离子亲石元素,另外Nb、Ba、Ta、Sr、P、Zr、Ti等强不相容元素含量低于围岩;含矿岩石与围岩稀土分配模式较一致,基本呈现轻稀土富集,配分曲线轻微右倾型,成矿热液与围岩之间水—岩反应强烈,围岩蚀变较强,成矿作用总体经历了氧化—还原的过程,主成矿期为还原环境。

(2) 通过比较前人对本区和邻区黑龙潭金矿的矿床成因方面的认识,初步认为王家台金多金属矿成因类型为与燕山期构造—岩浆热液作用有关的蚀变岩型、石英脉型金多金属矿。