索晓晶,刘顺好,李胜荣,朱金,马媛,周慧君
1.中国地质大学 地质过程与矿产资源实验室,北京 100083;2.武警黄金第二支队,呼和浩特 010011;3.山东黄金归来庄矿业有限公司, 山东 临沂 273306
铜石地区是中国迄今为止发现的具有较大规模的构造-隐爆角砾岩型(归来庄式)、筒状隐爆角砾岩型(卓家庄式)、层状碳酸盐岩型(磨房沟式)、蚀变斑岩脉型(银洞沟矿点)和矽卡岩型(十字庄、西皋矿点)等金矿床和金矿点集中区[1]。归来庄金矿成矿过程主要受到归来庄断层F1控制,矿体呈南西向侧伏,以角砾岩型矿石和
灰岩型矿石为主。许多学者对矿田地质背景与成矿条件[2-8]、控矿因素与成矿规律[9-15]、成矿物理化学条件[16-22]、矿床成因和成矿预测[23-27]等进行了详细的研究,并已取得了丰硕成果,但直接制约归来庄金矿找矿的成因信息还不明确,成矿模型还未建立。笔者通过对该矿床成矿地质背景、矿床地质特征的研究,建立了成矿模型,为进一步的勘探开采提供技术支撑。
研究区位于华北板块东南缘,郯庐断裂西侧,鲁西隆起区南部,尼山凸起和平邑凹陷接壤地带。NNW向燕甘断裂及其派生的NW向、EW向及近EW向的次级断裂形成的环状、放射状构造制约了本区地层和岩浆岩的展布。出露的新太古代泰山岩群山草峪组多以残留体的形式存在于晚太古代花岗闪长岩中,由火山沉积岩系组成,岩性以黑云变粒岩、角闪变粒岩及斜长角闪岩为主。寒武纪地层主要分布于研究区西南部及铜石杂岩体的周缘。奥陶纪地层主要分布于研究区西北部、中部及东南部。侏罗纪、白垩纪地层广泛分布于各中生代构造盆地内,大致沿平邑凹陷南缘展布。古近纪地层处于东北部的平邑凹陷中,走向NW,倾向NE,倾角30°±;第四纪分布范围较广,根据沉积物成分、成因类型、地貌特征和形成时代,可以划分出河流相沉积的临沂组、沂河组和残坡积相的山前组。区内岩浆活动频繁,前寒武纪、燕山期岩浆岩活动强烈。早期以侵入岩为主。与残存的泰山群组、沂水岩群组成结晶基底,构成一系列NW-SE方向展布的山系。中生代燕山期岩浆岩分布广泛,由侵入岩、富钾火山岩和煌斑岩组成的杂岩体,多呈岩床、岩株、岩脉产出,与金、铁和铜矿化关系密切。区域矿产资源丰富,金属矿产主要有金、银、铜、铁和锌等,非金属矿产为煤,主要矿物有石英、长石、方解石、绢云母、萤石、白云石和重晶石等。
归来庄金矿为一大型构造-隐爆角砾岩型金矿床,控制长度>2 km,矿体宽度5~15 m,构造上居于郯庐断裂中段西侧,鲁西隆起区南部的尼山凸起和平邑凹陷接壤部位,岩浆沿构造通道侵入铜石杂岩体外围的寒武纪、奥陶纪地层中,形成隐爆角砾岩型矿体,岩浆热液沿裂隙渗入碳酸盐地层中,形成灰岩型矿体。
燕甘断裂作为区内主干构造,派生的次级断裂包括近EW向分布于其西侧与磨坊沟金矿关系密切的营子洼断层(F3)、卓家庄断层(F2)和分布于其东侧与金矿成矿关系密切的归来庄断层(F1)等(图1)。归来庄断层对归来庄金矿体的展布、形态和产状影响较大,沿断层带中有侵入-隐爆角砾岩分布,硅化、萤石化蚀变强烈,金矿主体赋存其中。与矿化有关的地层包括寒武纪地层、奥陶纪碳酸盐岩层,岩浆岩以多期次岩浆活动叠加形成的铜石杂岩体为主,沿NW向呈长轴状椭圆形展布。
1.第四系;2.侏罗系;3.奥陶系;4.寒武系;5.泰山群山草峪组;6.中生代燕山早期隐爆角砾岩;7.燕山早期二长闪长斑岩;8.燕山早期二长闪长玢岩;9.古元古代二长花岗岩;10.古元古代花岗闪长岩;11.断层;12.金矿。图1 铜石地区区域地质图Fig.1 Regional geological map in Tongshi area
归来庄矿区已探明7个矿体,以赋存于近EW向的构造-隐爆角砾岩带内及其两侧的碳酸盐岩中的Ⅰ号矿体规模最大,其余均为小矿体。其中Ⅰ、Ⅱ号矿体为构造-隐爆角砾岩型,Ⅰ号矿体延伸方向与归来庄断层(F1)走向一致,总体侧伏为南西向,方位在210°~230°,矿体沿走向变化较大,近似透镜状,中间厚两侧薄。从剖面看,矿体沿倾向变化较为稳定,中间厚向两侧逐渐变薄至尖灭,在34号勘探线呈纺锤状,平均金品位3.35×10-6g/t,矿体品位沿走向变化稳定,沿倾向随深度增加逐渐贫化,渐变为矿化体;Ⅱ号矿体为工程控制矿体,规模较小,分布在Ⅰ号矿体构造蚀变带上盘的次级断裂破碎带中; Ⅲ~Ⅶ号矿体主要以似层状碳酸盐岩型矿化为主,为单工程控制的零星分布矿体,规模较小(表1)。
表1 矿体特征一览表Table 1 Characteristics of orebody
2.3.1 矿石类型
矿石主要以萤石化硅化角砾岩型、白云质条带状灰岩型为主,含少量碎裂状褐铁矿化硅化灰岩型、白云岩型矿石。
(1)硅化萤石化构造-隐爆角砾岩含金矿石呈紫褐色、褐灰色,角砾成分以岩浆岩为主,其次为沉积岩角砾,少量变质岩角砾。角砾形态各异,大小悬殊,大者可达数米,小者仅几毫米,一般为几厘米至几十厘米。通常较粗大的角砾磨圆度较高,多呈浑圆状、次圆状;而细小角砾则多为次圆状-棱角状。部分角砾曾几度破碎胶结,从宏观到微观均可见到少量角砾内部包含着角砾,即“砾中有砾”。
(2)白云质条带状灰岩型矿石呈青灰色、浅灰色,白云岩与其相间呈现条带,条带宽度在0.2~0.8 cm。
(3)碎裂状褐铁矿化灰岩、白云岩含金矿石呈灰色、灰褐色、紫褐色和黄褐色,多赋存于铜石杂岩体的边部分支二长闪长玢岩和二长斑岩附近碳酸盐岩地层中。
2.3.2 矿石结构构造
归来庄金矿中常见矿石结构有:晶粒结构,黄铁矿多见五角十二面体自形晶(图2a)、立方体或他形粒状产出,偶见方铅矿呈立方体自形晶;填隙结构,方铅矿呈半自形晶充填在自形的黄铁矿晶粒间(图2b);固溶体分离结构,闪锌矿中有滴状、叶片状的黄铜矿析出(图2c);交代环边结构,赤铁矿沿着边部交代磁铁矿(图2d);碎裂结构,黄铁矿由于隐爆作用而震碎(图2e);交代结构,半自形黄铜矿交代金红石(图2f);包含结构,可以反映矿物的生成顺序,即客晶矿物形成早于主晶矿物;如脉石矿物中包裹有自形程度较高的黄铁矿(图2g);交代残余结构,黄铜矿孤岛状残留在黄铁矿颗粒中(图2h)。
Au.自然金;Cal.方解石;Ccp.黄铜矿;Fl.萤石; Gn.方铅矿;Hes.碲银矿;Mag.磁铁矿;Py.黄铁矿;Sp.闪锌矿。 图2 归来庄金矿矿石结构Fig.2 Ore structure of Guilaizhuang gold deposit
矿石构造主要有角砾状构造、浸染状构造、纹层状构造、脉状构造和晶洞构造等。角砾状构造:角砾呈次圆状、棱角状、次棱角状等分布在隐爆角砾岩矿石中,角砾大小不一;浸染状构造:紫色萤石呈浸染状分布于矿石中;纹层状构造:褐铁矿化矿石中出现细小纹层;脉状构造:方解石呈细脉状沿角砾岩矿石裂隙填充分布,形成脉状构造;晶洞构造:方解石,萤石垂直裂隙生长形成晶洞状构造。
2.3.3 矿石矿物组成
矿石的组成矿物种类丰富:金属矿物以黄铁矿、磁铁矿和黄铜矿常见,赤铁矿、闪锌矿、方铅矿和黝铜矿次之。含金矿物主要有碲金银矿、银金矿和自然金;含银矿物以金银矿、碲银矿、辉碲银矿、辉银矿和硒银矿为主。非金属矿物则以斜长石、方解石、白云石、石英、正长石、绢云母、高岭石以及萤石为主,可见白云母、重晶石、绿帘石、磷灰石、天青石和锆石。
围岩蚀变主要有硅化、泥化、萤石化、绢云母化和碳酸盐化,局部有黄铁矿化,其中硅化、萤石化与金矿化关系密切(图3)。
a.萤石化;b.高岭土化;c、d.褐铁矿化;e、f.碳酸盐化。图3 围岩蚀变类型Fig.3 Types of surrounding rock alteration
矿石中金元素主要赋存于两类金矿物中,一是天然固熔体合金系列矿物自然金和银金矿;二是与碲等元素按一定比例融合组成的碲化物-碲金矿、碲金银矿。金矿物主要以粒间金的形式出现,多分布于石英及萤石颗粒间,包体金次之,裂隙金较少。
对归来庄金矿岩矿石结构构造、包含关系、矿体相互间的穿插关系、矿物共生组合等特征的观察,结合前人研究资料,将该矿床的形成分为两个期次:热液期和表生氧化期,其中热液期又可划分为4个阶段:石英-黄铁矿阶段、多金属硫化物阶段、金-碲化物阶段、卤化物-碳酸盐阶段,其中金-碲化物阶段为归来庄金矿的主要成矿阶段。
(1)石英-黄铁矿阶段:以自形石英和自形及震碎的黄铁矿为主,其次为萤石、绿泥石。石英是该阶段的主要成分,依其结构特征可分为三个世代,第一世代的石英呈粗粒六方柱状,内部洁净;第二世代的石英呈小晶芽状生长于方柱状石英晶体之上;第三世代的石英则呈细粒他形充填于上述两世代的石英之间。结晶时间晚于第一世代而近于第二、三世代的石英,晶形较好,色调不均,淡紫色为主。黄铁矿的晶形较好,呈碎裂状分布(图4a)。
(2)多金属硫化物阶段:以再生石英、萤石等为主,其次为绿泥石、多金属硫化物、自然金及银金矿等矿物。岩石中出现少量细脉状石英或微粒石英交代体(图4b、图4c)。碳酸盐类矿物形成独立的晶体,黄铁矿晶形较差,颗粒粗大,与金矿化关系密切。
(3)金-碲化物阶段:以他形粒状石英、自然金、金银矿、银金矿、碲金银矿、碲银矿、辉碲银矿、辉银矿、硒银矿、碲铅矿和碲汞矿等为主(图4d),是归来庄金矿床成矿的主要阶段。
Py.黄铁矿;Ccp.黄铜矿;Gn.方铅矿;Au.自然金;Hes.碲银矿。图4 归来庄金矿各成矿阶段Fig.4 Metallogenic stages of Guilaizhuang gold deposit
(4)卤化物-碳酸盐阶段:以方解石为主,其次为淡蓝色萤石。该阶段发生在成矿后期。
归来庄金矿的Ag/Au比值显示其遭受了一定程度的剥蚀,除Ⅰ号矿体外勘探程度比较低,钻孔深度多集中在600 m±,后期为了探明矿体深部的延续情况,陆续施工了多个1 000 m以上的钻孔,但矿化效果并不明显。许多学者对该矿床进行了研究,邱检生等认为归来庄金矿是中国第一个碲金型浅成低温热液型金矿床;林景仟等[28]认为该矿床的成因与碱性次火山岩作用关系密切;于学峰认为该矿床是隐爆角砾岩型、矽卡岩型、斑岩型和蚀变岩等各种不同类型叠加在一起形成的,古老的泰山群山草峪组为矿床的形成提供物质来源,多期次多阶段的岩浆活动为成矿提供了充足的热源,奥陶纪、寒武纪的碳酸盐岩构成本区的成矿围岩。
本次研究认为归来庄金矿是典型的中低温热液-隐爆角砾岩型金矿床,构造-隐爆角砾岩型矿体与似层状碳酸盐岩型矿体在时间、空间和物质来源上关系密切,属于同一成矿物质在同一成矿能量来源的作用下,在不同空间不同演化阶段的产物,与铜石杂岩体中某一岩相有关(图5)。
1.灰岩;2.二长花岗岩;3.二长闪长玢岩;4.二长斑岩;5.隐爆角砾岩。图5 铜石杂岩体期次关系示意图Fig.5 Sketch map of relationship between intrusive complexes in Tongshi area
在地球演化分异过程中,分散在地壳、上地幔中的化学元素在一定的地质环境中相对富集形成矿床,因此可以利用某些特征反演矿床的形成过程,笔者通过测试流体包裹体计算了成矿温压条件和深度;运用稳定同位素、放射性同位素了解了成矿物质来源和成矿年龄。
研究区前人做过很多关于成矿年代的测试,如谭东娟等[29]通过对石英二长闪长玢岩和二长斑岩中的角闪石矿物的40Ar/39Ar年龄测得为189.8~188.4 Ma;刘玉强等[30]、于学峰等[13]根据地层接触关系和同位素年龄测定结果,认为本区的金矿形成时间于中侏罗世的三台组沉积之前,在二长斑岩质岩浆活动之后,推断成矿年龄应在188~178 Ma;胡华斌等[31]根据矿床的空间分布特征、矿物共生组合和稳定同位素特征,认为归来庄金矿的成矿年龄大约在170~160 Ma;许文刚等[32]根据正长岩中锆石U-Pb定年测得铜石杂岩体的年龄在179~180 Ma,测得萤石、方解石矿物对中Sm-Nd等时线年龄为181 Ma。
笔者从归来庄金矿I号主矿体的-142中段34~38号勘探线采集的白云质灰岩型矿石中挑选7件黄铁矿样品[33],样品分析测试在中国科学院南京土壤研究所技术服务中心,实验仪器是由英国制造的VG354同位素质谱仪,试验测定依据美国NBS987锶同位素的标准:以86Sr/88Sr=0.119 4为标准值,测得的87Sr/86Sr=0.710 224±8(n=10)。Rb、Sr流程空白(3×10-9)g,Rb/Sr比值测定的精度在1%,检测方法是JY/T004-1996表面热电离同位素质谱方法通则。利用白云质灰岩矿石中的黄铁矿Rb-Sr同位素比值对归来庄金矿的成矿年龄进行标定,得出归来庄金矿床黄铁矿Rb-Sr定年等时线年龄为(180.8±2.3)Ma,(87Sr/86Sr)i=0.712 429±0.000 076,MSWD=1.3(图6)。
图6 归来庄金矿床黄铁矿Rb--Sr等时线图Fig.6 Rb--Sr isochron diagram of pyrite in Guilaizhuang gold deposit
前人对归来庄金矿的成矿物质已经做了大量研究,刘广哲等[33]得到矿石样品中的硫同位素值为2.440×10-3,得出深源硫的结论;林景仟等[34]对不同阶段的岩矿石样品中的黄铁矿进行了测试,其中黑云母阶段的隐爆角砾岩中黄铁矿δ34S为0.46×10-3~2.389×10-3,绢云母化及硅化二长闪长斑岩中黄铁矿δ34S为-0.244×10-3~2.956×10-3,矿化白云岩中黄铁矿δ34S为-0.71×10-3,与地幔的硫同位素比较接近。笔者团队从归来庄金矿中-142中段不同勘探线和-150中段34~38号勘探线选取了9件黄铁矿样品,实验测试地点是核工业北京地质研究院,硫同位素测试仪器采用的是MAT-251气体质谱计进行测定,仪器型号是Delta v plus,仪器编号是10056,检测方法和依据为DZ/T0184.14-1997硫化物中硫同位素组成的测定方法,实验数据结果均采用国际标准V-CDT报出(表2)。归来庄金矿灰岩型矿石中的黄铁矿δ34S为(16.5~20.4)×10-3,明显偏重,显然非地幔来源的硫,因为地幔硫的δ34S值主要集中在0值附近波动[35-36]。
表2 归来庄金矿黄铁矿中硫同位素组成分析结果Table 2 Results of sulfur isotope in pyrite of Guilaizhuang gold deposit
归来庄金矿床黄铁矿中硫的来源并非是单一的,可能是下部岩浆岩中的硫与海水硫酸盐中的硫按照不同的程度发生混合后所呈现的结果,并且根据实验数据推测海水硫酸盐的硫来源占了较大的比重。下伏岩浆岩上侵过程中与海水混合,形成矿床的同时产出大量与金属硫化物共生的磁铁矿等,由于Fe2+的存在和周边适宜的温度、pH值等条件,可能会加速海水中硫酸盐还原作用,所产生大量的硫与岩浆来源的硫混合,造成本区硫化物的硫值明显偏重。
实验选取了来自于矿体和围岩的方解石(脉)中11件样品,测试对象主要是主成矿期与硫化物伴生的方解石和成矿晚期碳酸盐阶段的方解石。实验在中国地质科学院矿产资源研究所的同位素实验室完成。测试仪器是Finningan MAT251质谱仪,在室内温度为25℃条件下,用磷酸和方解石进行化学反应后生成CO2,依据GBW04416和GBW04417工作标准,实验数据的分析误差是±0.2%。方解石和石灰岩样品的δ18OPDB通过释放的CO2获得,再予以换算。测试结果用国际标准V-PDB和V-SMOW报出,方解石的δ16DV-SMOW为-48×10-3~-61×10-3,平均为54×10-3,δ18OV-SMOW为11.5×10-3~17.7×10-3,平均为15.9×10-3(表3)。本次实验数据显示方解石δ13CPDB集中在-4.1×10-3~0.9×10-3,而围岩石灰岩的δ13CPDB集中在-2.9×10-3~1.1×10-3;两者投影点均落在原生碳酸岩和沉积岩之间的区域[37-40],数据吻合表明两者的来源具有一定的相似性,说明在成矿晚期时成矿流体可能受到围岩的混染。
表3 归来庄金矿碳、氧同位素组成分析结果Table 3 Results of carbon and oxygen isotopes of Guilaizhuang gold deposit
邱检生等测试与矿化有关的玉髓形成温度为200℃;林景仟等根据石英和萤石中包裹体测温,认为成矿的温度主要集中在140℃~250℃;陈常富等根据黄铁矿、方解石的爆裂法测温和萤石、玉髓的均一法测温,认为成矿的温度主要集中于220℃~280℃;沈昆对铜石杂岩体中穿插在二长斑岩中的萤石、石英脉和含矿角砾岩中的萤石包裹体进行对比,发现两者均发育低温萤石,包裹体多为水盐包裹体,均一温度集中在130℃~150℃,冰点温度在-14℃~-0.4℃,含矿角砾岩中还发育有中温萤石,主要呈深紫色斑晶、细粒集合体产出,包裹体常分布在萤石内核和生长环带,均一温度分布在210℃~232℃,冰点温度在-4.9℃~-2.9℃,认为金沉淀主要发生在中低温阶段(180℃~250℃);胡华斌等对萤石、方解石、石英进行测温,得出归来庄均一温度为110℃~310℃,冰点温度-2.5℃~-10.3℃;于学峰对萤石和石英测温后,认为归来庄矿区内至少存在3个阶段的流体包裹体:第一阶段为250℃~350℃,第二阶段为170℃~220℃,第三阶段为100℃~150℃,金成矿主要集中在120℃~250℃,基本对应了石英-黄铁矿阶段、多金属硫化物阶段、金-碲化物阶段的温度。
本次实验在中国地质大学(北京)矿物标型实验室进行,显微测温结果显示:石英中流体包裹体均一温度主要集中于230℃~260℃,平均值为244℃,冰点范围为-8.7℃~-3.2℃;萤石中流体包裹体均一温度为80℃~375℃,低温萤石集中在120℃~170℃、中温萤石集中在210℃~260℃,冰点为-0.1℃~-11℃;方解石中流体包裹体均一温度主要集中于140℃~170℃,均值为158℃,冰点为-7.9℃~-2.5℃(图7)。
图7 归来庄金矿流体包裹体均一温度直方图Fig.7 Homogeneous temperature histogram of fluid inclusions in Guilaizhuang gold deposit
成矿流体盐度集中在0%~10.0%(图8),为低盐度成矿流体;成矿流体密度集中在0.7~0.9 g/cm3,为低密度成矿流体;成矿压力集中于11.1~22.3 MPa,成矿深度为0.37~0.74 km,推断出归来庄金矿床为浅成热液矿床。
图8 归来庄金矿流体包裹体盐度直方图Fig.8 Histogram of salinity of fluid inclusions in Guilaizhuang gold deposit
鲁西地区最古老的角闪岩相结晶基底变质岩系形成于太古宙晚期阜平运动,海相火山-沉积建造地层发生褶皱、中深变质及强烈混合岩化作用,形成古元古界泰山岩群和古元古代造山花岗岩。此过程中金元素从上地幔或下地壳运移至地壳表层,经区域变质作用,使原岩脱水,形成变质热液,促使金元素活化、迁移、重新分配,汇集于泰山岩群黑云变粒岩、黑云角闪变粒岩及其他活动岩层中,构成本区金的主要矿源层。多期次、多阶段的岩浆活动和以NE向、NW向断裂为主的构造框架普遍发育,结晶基底主要是古元古代的二长花岗岩和新太古代的花岗闪长岩。矿区内岩浆岩主要以铜石杂岩体为主,中心部位的角砾岩大多是隐爆形成的,杂岩体周边的归来庄金矿则是侵入、隐爆、构造多重叠加生成。NNW向燕甘断裂及其控制的NW向次级断裂形成了本区的导矿、容矿构造。
当强烈的岩浆活动及成矿热液沿燕甘断裂及其次生构造向上运移时,在深部归来庄断层(F1),由于前缘岩浆冷凝固结,形成封闭环境,下部岩浆气液继续上侵聚集,封闭体系内温度、压力急剧增高,在强大的能量驱动下发生隐爆,产物灌入归来庄断层(F1),形成隐爆-侵入角砾岩,在成矿作用晚期,富含矿质及挥发分的次火山岩浆期后热液,在地下水的参与下沿低压扩容带继续运移,并从围岩中进一步汲取矿质,沿断层较薄弱地带,侵入张夏组、朱砂洞组碳酸盐岩地层中,该层碳酸盐具有厚度大、微裂隙发育和化学性质活泼等特点,有利于含矿热液的渗入与交代,其顶部的泥页岩、泥云岩等泥质成分较高、细腻致密,韧性大,起到了矿液的屏蔽作用,形成了中偏碱性岩浆期后中低温热液似层状碳酸盐岩型金矿。当含矿热液运移到角砾岩带及其顶底板裂隙发育的围岩中时,随着物理化学条件的变化,金、银、碲及其他金属、非金属元素逐渐沉淀,并发生了相应的围岩蚀变作用(图9)。
1.岩体;2.斑(玢)岩;3.石灰岩;4.金矿体;5.归来庄断层。图9 归来庄金矿床成矿模式示意图Fig.9 Metallogenic model of Guilaizhuang gold deposit
(1)白云质灰岩矿石中黄铁矿的Rb-Sr同位素比值显示归来庄金矿的成矿年龄在(180.8±2.3)Ma,表明矿体形成于中生代侏罗纪时期。
(2)归来庄金矿成矿流体的演化具有多期次、多阶段的特征,成矿温度属于中低温,均一温度由早期高温阶段到晚期低温阶段变化,流体的盐度和密度呈现出相应的规律变化。
(3)黄铁矿中硫来源并非单一,可能是下部岩浆岩中的硫与海水硫酸盐中的硫按不同比例发生混合后呈现的结果;碳氧同位素的结果显示成矿流体以雨水溶液和原生岩浆水为主,在运移过程中受到变质水的混合。
致谢感谢山东黄金归来庄矿业有限公司王书春总经理、步关宾和赵鹏主任工程师、卢栋经理、杨忠臣工程师,中国地质大学(北京)徐楠博士、高允硕士及山东省第二地质矿产勘查院张国权、张英梅高级工程师等在野外及研究工作中给予的热情支持和帮助。