吉林省老岭成矿带南岔和荒沟山金矿床成因

刘金龙,孙丰月,王 力,周永恒,吴 琼

(1.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，沈阳 110034;2.吉林大学 地球科学学院，长春 130061;3.中国地质科学院 矿产资源研究所，国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037)

老岭成矿带内成矿条件优越，目前已发现可利用的矿产种类较多，有金、银、钴、铜、铅、硫铁矿、硅藻土、滑石及重晶石等，是一条重要的贵金属和多金属成矿带。从已经开展的工作来看，金矿在带内分布广、产地多、储量大，是当前和今后带内找矿及利用的主要矿产类型。南岔金矿和荒沟山金矿是规模最大的2个金矿床，规模均为中型[1]。前人就该矿床已开展过一定程度的研究工作，并在矿产勘查和理论认识方面取得大量成果。不过就矿床成矿流体、成因类型、成矿模式等方面还是存在较大争议：赵彦明等[2]认为南岔金矿和荒沟山金矿为与岩浆热液有关的中高温热液矿床；华铭等[3]认为南岔金矿为产于元古代片岩建造中的构造蚀变带型金矿床；冯守忠[4]认为南岔金矿为热液脉型金矿床，并强调多期矿源层的富集；李洪文等[5]认为南岔金矿为多阶段成矿，成矿分为古-中元古宙和中生代2期；王有维[6]认为荒沟山金矿具有岩溶矿床特征；郑传久认为荒沟山金矿床属于浅成低温热液成因；杨言辰等[7]则认为该金矿是一种与海底热液活动有关，并遭受热液和岩溶作用改造的微细浸染型金矿；魏小林等[8]认为荒沟山金矿为典型的低温热液硫化物脉型；周向斌等[9]认为荒沟山金矿为中温岩浆热液型。本文通过地质特征、流体包裹体岩、稳定同位素学等方面研究，总结了成矿流体来源、成因类型并建立区域成矿模式。

1 区域地质背景

南岔和荒沟山金矿位于老岭成矿带，大地构造上位于华北板块东北部。区内存在太古宙结晶基底，主要岩性为奥长花岗岩、英云闪长岩质和花岗质片麻岩[1]。地层包括元古宇、古生界、中生界、新生界。元古宇有古元古代老岭群珍珠门组、花山组和上覆青白口系钓鱼台组。区域上岩浆岩较为发育，最老为古元古代花岗岩类，位于研究区西部。中生代花岗岩形成时代分别为晚三叠世、早-中侏罗世和早白垩世。此外，脉岩较为发育。在地质历史上本区经历了多期次的构造作用，褶皱构造、韧性剪切变形及脆性断裂等形迹均有所见。老岭地区内主要的韧脆性-脆性断裂是小四平-荒沟山-南岔“S”形断裂带，该断裂位于老岭群珍珠门组大理岩与花山组片岩接触带附近，长约70 km，宽3～5 km，总体倾向南东，倾角较陡，深部有变缓的趋势。该构造带作为金矿化的重要控制条件，控制着金矿体的形态、规模与产状等[1]。区内规模较大的断裂有辽源-伊通断裂、鸭绿江断裂，及其次级断裂。此外还有近北东走向的2条脆-韧性断裂带。

2 矿床地质特征

2.1 南岔金矿

南岔金矿按矿体产出部位及特征分为片岩型和脉岩型矿体。片岩型矿体赋存于珍珠门组上段与花山组下段接触界面近片岩一侧，受褶皱转折部位及两翼层间断裂控制。矿体多为似层状、鞍状、脉状。脉岩型矿体赋存于侵入珍珠门组上段白云质大理岩层的蚀变闪长岩中，位于片岩型矿体下部，呈脉状产出。

根据矿石构造及硫化物含量分为块状矿石(片岩型矿体)、稀疏浸染状矿石(片岩型矿体)、星点浸染状矿石(脉岩型矿体)及细脉浸染状(片岩矿石-脉岩型矿石)。主要金属矿物有黄铁矿、毒砂、白铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿、钛铁矿、自然金-金银矿-银金矿等。矿石结构主要有：自形粒状结构、他形粒状结构、交代结构等。根据矿石硫化物的含量和分布特征分为块状构造、浸染状构造、细脉浸染状构造等(图2)。

图1 老岭成矿带北段地质图Fig.1 Geological map of northern Laoling metallogenic belt(据王诗元等[1]修改)1.新生界;2.中生界;3.古生界;4.元古宇;5.太古宙基底;6.早白垩世花岗岩类;7.早-中侏罗世花岗岩类;8.晚三叠世花岗岩类;9.古元古代花岗岩类;10.基性-超基性岩;11.断裂(带);12.脆-韧性剪切带;13.矿床;14.地名

图2 南岔金矿和荒沟山金矿照片Fig.2 Photographs showing the gold ores of Nancha and Huangoushan gold deposits(A)南岔金矿块状矿石照片，发育硅化、黄铁矿;(B)南岔金矿矿石镜下(反射光)，黄铜矿交代黄铁矿;(C)南岔金矿矿石镜下照片(反射光)，黄铜矿中有乳滴状斑铜矿;(D)荒沟山金矿井下硅质岩型矿体照片，发育硅化、黄铁矿化、黄铜矿化等;(E)荒沟山金矿矿石，石英脉和辉锑矿;(F)荒沟山金矿矿石镜下照片(反射光)，辉锑矿交代黄铜矿。Bn.斑铜矿;Ccp.黄铜矿;Py.黄铁矿;Qz.石英;Snt.辉锑矿

围岩蚀变主要有硅化、绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化、矽卡岩化(透辉石化、透闪石化、蛇纹石化)等，近矿体处发育强烈。根据野外及镜下鉴定结果，矿床可分为热液成矿期和表生氧化期2期，其中前者包括4个矿化阶段。Ⅰ.黄铁矿石英阶段：该阶段热液蚀变分布广，主要为石英、绢云母、黄铁矿，石英呈乳白色块状，黄铁矿颗粒粗大，分布于绢云母和石英中，形成早期绢英岩。Ⅱ.金-石英-黄铁矿阶段：黄铁矿以中细粒、半自形立方体为主，浸染状分布，石英呈烟灰色、细脉状(宽2～3 cm)，该阶段是金的主要成矿阶段。Ⅲ.金-石英-多金属硫化物阶段：石英呈微细粒状均匀分布(玉髓)，伴生细粒毒砂、黄铁矿化及黏土化等。由于矿物颗粒细，连体较多，在该阶段也有一定的金矿化。Ⅳ.石英-碳酸盐阶段：主要发育不含矿的石英细脉和方解石脉。

2.2 荒沟山金矿

荒沟山金矿含矿层位主要为珍珠门组第三段巨厚层(块)状白云石大理岩顶部的碎裂化、构造角砾岩化、硅化白云石化大理岩，而邻近的花山组片岩含矿极少，仅在断裂面边部零星矿化。按产出部位及特征分为硅化大理岩型、二云片岩型、脉岩型矿体。

荒沟山金矿床矿石硫化物含量较少(质量分数为0.5%～3%)，为贫硫化物型矿石。根据矿石类型分为硅质岩型和脉岩型。主要的矿石类型为硅质岩型矿石，进一步划分为角砾状硅化矿石、致密块状硅化矿石，呈暗灰色或灰黑色。

矿石中金属矿物包括黄铁矿、毒砂、辉锑矿、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、黝铜矿、磁黄铁矿、辰砂、雄黄、自然金和银金矿等。矿石结构包括自形-半自形粒状结构、他形粒状结构、显微粒状结构、交代结构、假象结构、胶状结构、充填结构等。构造包括浸染(稀疏)状构造、角砾状构造、细脉状构造、蜂巢状构造等(图2)。

主要蚀变矿物为硅化、绢云母化、黏土化等。成矿期可划分4个阶段。Ⅰ.黄铁矿-石英阶段：石英以乳白色为主，黄铁矿晶型较好，中-粗粒，浸染状、团块状分布，不含金。Ⅱ.金-毒砂-黄铁矿-石英阶段：该阶段在角砾岩型矿石中多见，往往以角砾的形式被第Ⅲ阶段胶结，是金的主要成矿阶段。黄铁矿粒度细，浸染状，局部构成集合体状；毒砂浸染状分布；石英呈暗灰-浅肉红色玉髓状。Ⅲ.金-辉锑矿-石英阶段：辉锑矿以不规则粒状或纤状集合体出现，分布不均匀，局部呈团状，可与自然金连生或包裹自然金；石英干净，乳白色。Ⅳ.石英-碳酸盐阶段：主要为石英、碳酸盐，穿插早期矿化，不含金。

3 流体包裹体特征

3.1 包裹体岩相学特征

3.1.1 南岔金矿

本次研究测试矿物为Ⅱ、Ⅲ成矿阶段石英和Ⅳ成矿阶段方解石。测试包裹体有气液两相包裹体(LH2O+VH2O)和含CO2三相包裹体(LH2O+LCO2+VCO2)。气液两相包裹体较为发育，大小为2～12 μm，主要由气泡及水溶液组成，气液比介于10%～30%。在常温下形态主要有椭圆形、多边形以及不规则状，随机分布，为原生包裹体。含CO2三相包裹体较少，体积较大，大小为5～15 μm，气相CO2约占CO2相整体体积的50%，室温下呈现三相态，由液相CO2、气相CO2和水溶液三相组成(图3)。

3.1.2 荒沟山金矿

本次研究测试矿物为Ⅱ、Ⅲ成矿阶段石英和Ⅳ成矿阶段方解石，主要为气液两相包裹体。Ⅱ、Ⅲ成矿阶段：该类型包裹体较发育，大小为2～16 μm，主要由气泡及水溶液组成，气液比为5%～30%。有长条形、多边形以及椭圆形，为原生包裹体。Ⅳ成矿阶段：该类较少，体积较大，大小为3～8 μm，气液比为10%～35%，形态同Ⅱ、Ⅲ成矿阶段包裹体(图3)。

图3 南岔金矿和荒沟山金矿矿石包裹体照片Fig.3 Images of fluid inclusions of the Nancha and Hanggoushan gold deposits(A)南岔(石英);(B)南岔(石英);(C)南岔(方解石);(D)荒沟山(石英);(E)荒沟山(石英);(F)荒沟山(方解石)

3.2 成矿流体温度、盐度、密度和成矿深度

3.2.1 南岔金矿

如表1所示，Ⅱ、Ⅲ成矿阶段发育含CO2三相包裹体(LH2O+LCO2+VCO2)和气液两相(LH2O+VH2O)包裹体。气液两相包裹体冰点温度范围为-7.7～-0.6℃；均一温度变化区间为203～330℃，主要集中于240～260℃(图4)。据R.W.Potter等[11]获得流体盐度(wNaCl)为1.05%～11.36%，峰值为3%～6%(图5)；据刘斌[12]求得流体密度区间为0.71～0.92 g/cm3，峰值为0.80～0.88 g/cm3(图6)。

含CO2三相包裹体(LH2O+LCO2+VCO2)部分均一温度为22.8～29.9℃，密度为0.58～0.74 g/cm3；完全均一温度范围为231～300℃，峰值为240～280℃(图4)；笼合物消失温度为6.9～9.5℃；利用笼合物消失温度[13]得出对应水溶液相的盐度范围为1.03%～5.94%，峰值为2%～4%(图5)；对应密度为0.83～0.95 g/cm3，峰值为0.92～0.96 g/cm3(图6)。

图4 南岔金矿流体包裹体均一温度直方图Fig.4 Histogram of homogenization temperature of fluid inclusions in Nancha gold deposit

表1 南岔金矿流体包裹体测试结果Table 1 Analytic data of fluid inclusions in Nancha gold deposit

测试单位：吉林大学地球科学学院地质流体实验室

图5 南岔金矿成矿流体盐度直方图Fig.5 Histogram of salinity of fluid inclusions in Nancha gold deposit

Ⅳ成矿阶段：只见气液两相包裹体(LH2O+VH2O)，均一温度范围为115～219℃，峰值为160～180℃(图4)，冰点温度范围为-4.8～-0.7℃；对应的盐度范围为1.22%～7.58%，峰值为2%～3%(图5)；相应获得密度范围为0.88～0.97 g/cm3，峰值为0.92～0.96 g/cm3(图6)。

图6 南岔金矿成矿流体密度直方图Fig.6 Histogram for uniform density of fluid inclusions in Nancha gold deposit

图7 南岔金矿等容线相交法求压力图解Fig.7 Diagram showing pressure estimation by isochors intersection method(作图方法据E.Roedder[15])

利用等容线相交法求得南岔金矿流体压力为85～120 MPa(图7)，显示南岔矿床形成于中压环境。

孙丰月等[14]提出不同压力段计算成矿深度的公式

y=x/10 (x<40)

y=11+e(x-221.95)/79.075(220≤x<370)

y=0.0331385x+4.19898 (x≥370)

公式中y表示成矿深度(km)；x表示压力(MPa)。

利用孙丰月等[14]分段拟合的压力与深度之间的关系，得到成矿深度为7.55～9.11 km，属于中成深度。

3.2.2 荒沟山金矿

如表2所示，Ⅱ、Ⅲ成矿阶段气液两相(LH2O+VH2O)包裹体在冷冻-升温过程中测得冰点温度范围为-7.1～-2.1℃；均一温度变化区间为148～276℃，主要集中于170～220℃(图8)；据R.W.Potter[11]获得流体盐度为3.77%～10.49%，峰值为5.5%～8.5%(图9)；据刘斌[12]求得流体密度区间为0.81～0.99 g/cm3，峰值为0.89～0.95 g/cm3(图10)。

Ⅳ成矿阶段发育两相包裹体(LH2O+VH2O)：冰点温度范围为-3.1～-1.8℃；均一至液相，测得的均一温度为137～186℃，主要集中于150～170℃(图8)；据R.W.Potter[11]获得流体盐度为3.05%～5.09%，峰值为4.0%～5.0%(图9)；据刘斌[12]求得流体密度区间为0.92～0.95 g/cm3，峰值为0.93～0.95 g/cm3(图10)。

表2 荒沟山金矿流体包裹体测试结果Table 2 Analytic data of fluid inclusions in Huanggoushan gold deposit

测试单位：吉林大学地球科学学院地质流体实验室

图8 荒沟山金矿流体包裹体均一温度直方图Fig.8 Histogram for homogenization temperature of fluid inclusions in Huanggoushan gold deposit

图9 荒沟山金矿成矿流体盐度直方图Fig.9 Histogram showing salinity of fluid inclusions in Huanggoushan gold deposit

图10 荒沟山金矿成矿流体均一密度直方图Fig.10 Histogram showing uniform density of fluid inclusions in Huanggoushan gold deposit

利用等容线相交法求得的荒沟山金矿流体压力为30～80 MPa(图11)，矿床形成于中低压环境。利用孙丰月等[14]分段拟合的压力与深度之间的关系，得到成矿深度为3.0～7.3 km，属于中浅成深度。

图11 荒沟山金矿矿石流体NaCl-H2O体系P-T-D图解Fig.11 P-T-D diagram of NaCl-H2O system for ore fluid in Huanggoushan gold deposit(作图方法据E.Roedder[15])

4 稳定同位素特征

4.1 硫同位素特征

本文测试南岔金矿、荒沟山金矿S同位素见表3，结合前人资料[5,16-17]认为，南岔金矿的矿石δ34S为-9.8‰～1.1‰，变化较大，主要来源于古元古代地层，可能有少量深源硫加入(图12)。荒沟山金矿的矿石δ34S(1.8‰～14.3‰)与矿区岩浆岩接近(2.57‰～8.10‰)，体现深源特点，少量样品向正向偏移，推测有少量地层硫加入(图12)。

表3 南岔金矿和荒沟山金矿硫同位素Table 3 The analytic results of sulfur isotopes in Nancha and Huanggoushan gold deposits

测试单位：核工业北京地质研究院分析测试中心

图12 南岔和荒沟山金矿δ34S分布直方图Fig.12 Histogram showing δ34S value distribution of Nancha and Huanggoushan gold deposit中生代岩浆岩、古元古代地层据文献[5,16-17]

4.2 铅同位素特征

南岔金矿在铅同位素判别图解上(图13)，位于造山带与上地壳之间，并与白垩纪岩浆岩接近，显示混合铅特征，认为岩石铅可能源于地层和岩浆岩。荒沟山金矿铅同位素分散(图13)，与古元古代地层及岩浆岩接近，重新计算μ值为9.60～11.18[20](岩浆或原海底的幔源沉积物质μ>9.58[21])，认为铅同样源于地层和岩浆岩。

4.3 氢氧同位素特征

本文收集前人成矿阶段石英氢氧同位素资料[10,17-18]，发现南岔金矿与荒沟山金矿氢氧同位素组成一致，并与胶东蓬家夼金矿[22-23]接近。在图14中，主要落在幔源初生水内或附近。孙丰月等[22]认为该现象是发生过同位素交换的幔源C-H-O流体的特征，幔源C-H-O流体在参与壳源花岗岩的形成过程中，与δ18O较高的围岩发生同位素交换，使流体δ18OH2O值升高。晚阶段数据向大气水线漂移，体现大气降水的加入。因此，本文认为矿床成矿热液为幔源C-H-O流体，晚期有大气水加入。

4.4 碳氧同位素特征

南岔金矿、荒沟山金矿中碳酸盐化发育，并且石英包裹体中发育CO2，因此方解石中的碳同位素组成有利于分析含矿热液的来源。南岔金矿、荒沟山金矿碳氧同位素组成一致(表4)，大部分与胶东蓬家夼金矿接近[22,24]。在图15中，主要落在岩浆岩或附近区域，结合前文矿石氢氧同位素组成，认为金矿成矿热液的CO2具有幔源特征，可能来自幔源C-H-O流体活动。2个数据点向岩浆岩δ18OSMOW变小方向漂移，显示晚期有大气降水加入。

图13 南岔和荒沟山金矿206Pb/204Pb-208Pb/204Pb和206Pb/204Pb-207Pb/204Pb图解Fig.13 206Pb/204Pb vs 208Pb/204Pb and 206Pb/204Pb vs 207Pb/204Pb diagrams of Nancha and Huanggoushan gold deposits(南岔金矿据文献 [18]；荒沟山金矿据文献 [17]；白垩纪花岗岩据文献 [19]；古元古代地层据文献 [17])

表4 南岔金矿和荒沟山金矿碳氧同位素特征Table 4 Carbon and oxygen isotope compositions of Nancha and Huanggoushan gold deposits

测试单位：核工业北京地质研究院分析测试中心

图14 南岔金矿和荒沟山金矿δ18O-δD图解Fig.14 δ18O-δD plots of ore fluids for Nancha and Huanggoushan gold deposits(南岔金矿据文献[10,18]；荒沟山金矿据文献[17]；胶东蓬家夼金矿据文献[22,23])

图15 南岔金矿和荒沟山金矿δ18O-δ13C图解Fig.15 δ18O-δ13C plots of ore fluids for Nancha and Huanggoushan gold deposits(胶东蓬家夼金矿据文献[22,24])

5 矿床成因类型及成矿模式

关键[25]认为南岔金矿和荒沟山金矿受控于老岭变质核杂岩，Wu Q.等[26]对南岔金矿成矿前闪长岩脉锆石U-Pb年龄测定结果为～171 Ma，结合金矿石K-Ar法年龄测定结果(112～103 Ma[4])，荒沟山金矿矿体定位前闪长岩脉(全岩K-Ar法)年龄为～176 Ma，金矿强蚀变岩年龄为～104 Ma[17]，矿石(K-Ar法)年龄为～108 Ma[6]。结合上述资料及区域当时动力学背景[27]，认为二者的成矿时间应为燕山晚期古太平洋俯冲背景。

王力[28]认为华北板块前寒武纪时期地幔起源深度较小、温度低，导致地幔小比例熔融，产生饱和硫的玄武岩熔体，从而发生硫化物熔离作用，并把大量金滞留在上地幔，形成金的上地幔源区。本次研究表明，南岔金矿和荒沟山金矿硫和铅主要来自深源和地层，而碳氢氧同位素显示成矿流体来自地幔及大气降水，体现了幔源成矿物质和流体的贡献。

南岔金矿发育含CO2三相包裹体和气液两相包裹体，为NaCl-H2O-CO2体系，成矿流体为中温(240～280℃)、低盐度(2%～6%)、低密度(0.80～0.96 g/cm3)、中压(85～120 MPa)和中成深度特点(7.55～9.11 km)。荒沟山金矿发育气液两相包裹体，为NaCl-H2O体系，成矿流体为中低温(170～220℃)、低盐度(5.5%～8.5%)、低密度(0.89～0.95 g/cm3)、中低压(30～80 MPa)和中浅成深度特点(3.0～7.3 km)。认为南岔金矿为中温热液脉型金矿，荒沟山为中低温热液脉型金矿。

结合前人的研究建立了成矿模型(图16)[22,27]。早白垩世，古太平洋俯冲，洋壳脱水进入上地幔形成C-H-O流体，携带大量主元素及痕量元素的高密度幔源C-H-O流体进入下地壳发生分异作用，一部分分异为相对富含硅碱质的C-H-O流体，沿郯庐和鸭绿江等大型主断裂和次级断裂上升，在上地壳与地表水混合，在地壳不同层次发生热液矿化作用，形成中温热液脉型矿床(如南岔金矿和荒沟山金矿)，或者使地壳发生交代重熔作用形成花岗岩浆活动，后期随着温度不断降低和大气水不断混入而发生成矿作用；一部分形成钙碱性煌斑岩质“类岩浆”，上升到地壳浅部定位形成钙碱性煌斑岩，或与其他地壳物质反应形成中基性脉岩等。

图16 区域液脉型金矿床成矿模式图Fig.16 Metallogenic pattern of regional hydrothermal gold deposits(据Yang Q.Y.等 [27]修改)

6 结 论

a.南岔金矿发育含CO2三相包裹体(LH2O+LCO2+VCO2)和气液两相包裹体(LH2O+VH2O)，为NaCl-H2O-CO2体系，成矿流体为中温(240～280℃)；荒沟山金矿发育气液两相包裹体，为NaCl-H2O体系，成矿流体为中低温(170～220℃)。

b.南岔金矿的矿石δ34S为-9.8‰～1.1‰，荒沟山金矿的矿石δ34S为1.8‰～14.3‰，体现深源硫和地层硫特征；铅同位素显示其来自地层和岩浆；碳氢氧同位素显示矿床流体主要为幔源流体。

c.南岔金矿和荒沟山金矿形成于燕山晚期，为中(低)温热液脉型金矿，形成于古太平洋板块向华北板块俯冲的构造背景下。