高银虎,尹 刚,龚泽强,郭明春
(1.甘肃省地质矿产勘查开发局 第一地质矿产勘查院,甘肃 天水 741020;2.两当县招金矿业有限公司,甘肃 两当 742400;3.中国冶金地质总局 浙江地质勘查院,浙江 衢州 324000 )
秦岭造山带位于华北板块与扬子板块之间,西接祁连—昆仑造山带,东接大别—苏鲁造山带[1]。西秦岭造山带是秦岭造山带的西延部分,位于中国大陆构造主要地块与造山带聚集交接的转换部位,是我国重要的金矿矿集区[2-3]。由于其独特的构造环境、复杂的地质演化历史以及丰富的金矿资源,西秦岭造山带中的金矿床受到了广泛关注[4-11]。以往研究表明,该区金矿床多属于造山型金矿[12-16],随着地质勘查和研究工作的深入,刘云华等发现西秦岭成矿带中不少金矿床具有岩浆热液矿床的特征[17]。位于西秦岭金成矿带的湘潭子金矿由甘肃省地质矿产勘查开发局第一地质矿产勘查院于1996年发现,经过多年的勘查工作,最终确定为大型金矿。本文以湘潭子金矿为研究对象,从矿床地质特征、矿床地球化学特征、同位素地球化学特征和成矿流体等方面出发,探讨其矿床成因,以期为西秦岭地区金矿的找矿勘查工作提供理论依据。
湘潭子金矿位于西秦岭造山带东段,区域上出露地层有元古宇秦岭岩群、下古生界木其滩组、上古生界舒家坝组和大草滩群(图1)。秦岭岩群位于矿区北部,岩性以混合岩化黑云斜长片麻岩、含石墨白云石大理岩为主。下古生界木其滩组分布于元家坪韧性剪切带以南,总体向南倾斜呈近东西向展布,岩性以绢云绿泥石英片岩、绢云绿泥片岩等为主,湘潭子金矿Ⅱ、Ⅲ矿带赋存在该套地层中。舒家坝组分布于区域南部,岩性以绢云母板岩和砂岩为主。大草滩群分布在区域中部,岩性以粉砂岩、石英砂岩及含砾石英砂岩为主,湘潭子金矿Ⅰ矿带赋存于该套地层中(图2)。
图1 湘潭子金矿大地构造位置图Fig.1 Tectonic map of the Xiangtanzi gold deposit(a)西秦岭地区构造简图(据文献[14]);(b)湘潭子金矿区域地质及金矿分布简图(据文献[3]略改)。1.大草滩组;2.舒家坝组;3.李子园群;4.木其滩组;5.秦岭岩群;6.小山坡沟闪长岩;7.天子山二长花岗岩;8.磨扇沟二长花岗岩;9.太白二长花岗岩;10.实测逆断层;11.实测/推测性质不明断层;12.韧性剪切带;13.花岗(斑)岩脉;14.闪长(玢)岩脉;15.超基性岩脉;16.产状;17.金矿床;18.金铅银矿床
区域主构造线呈近东西向,断裂构造发育,褶皱次之。区域内发育以元家坪韧性剪切带和太阳寺韧脆性剪切带为代表的近东西向的韧性-脆韧性断裂,与北西向及近南北向次级断裂共同组成区域构造格架。上述断裂构造为区域内金成矿物质运移和沉淀提供了通道[3]。
区域上岩浆活动强烈,以印支期岩浆活动为主,区域上发育的岩体主要有天子山岩体、磨扇沟岩体和太白岩体。三个岩体岩性均以二长花岗岩为主,以天子山岩体规模最大,围岩发育不同程度的角岩化、硅化、大理岩化等蚀变。区域上中酸性脉岩较为发育,主要岩性为闪长(玢)岩、石英闪长(玢)岩、花岗斑岩等。脉岩宽数米至十余米,长一般数十米,分布特征表现为北西和北东向为主,近东西向次之,南北向少见,区内中酸性脉岩与金矿化关系较为密切。频繁强烈的岩浆活动为区内成矿物质的活化、矿液运移、富集提供了热动力[3,18]。
湘潭子矿区内出露地层为木其滩组和大草滩群(图2)。地层分布与区域构造线方向一致,呈近东西向展布。其中木其滩组以片岩为主,受区域应力作用,岩石变形程度较高,劈理发育,同构造石英分泌脉普遍发育。其南侧与大草滩群呈断层接触。大草滩群岩性以砂岩为主,变形程度较低,岩层较为稳定。
图2 湘潭子矿区地质简图Fig.2 Geological map of the Xiangtanzi mining area1.大草滩组;2.木其滩组;3.石英;4.斑状二长花岗岩;5.石英闪长玢岩/闪长玢岩;6.石英脉;7.逆断层;8.性质不明断层;9.金矿体;10.地层/片理产状
矿区内没有大的岩体,但是中酸性岩脉十分发育,且在空间上与金矿化关系密切(图3)。矿区构造以脆性断层为主;断层走向以近东西向为主,次为北西向。区内构造对金矿体的产出有明显的控制作用。
图3 湘潭子金矿床25号勘探线剖面简图Fig.3 Geological profile of No.25 exploration line of the Xiangtanzi gold deposit
湘潭子金矿床包括3个矿带(图2),其中Ⅰ、Ⅱ号矿带主要受北西—北西西向断裂构造控制,规模较大,但品位较低。Ⅲ号矿带主要受北东向断裂构造控制,规模较小,但平均品位大于Ⅰ、Ⅱ号矿体。
Ⅰ号矿带分布于矿区中南部的大草滩群与木其滩组的边界断裂带中,断裂带走向为北西西—南东东向,倾向南西,倾角45°~65°,宽度10~50 m,性质主要表现为脆性活动的逆冲断层,具多期活动特征。共圈定金矿体5个,走向上一般呈脉状或舒缓波状。其中Ⅰ-1号矿体是规模最大的矿体,该矿体产状(205°~225°)∠(54°~69°),控制长度约420 m,最大控制垂深290 m,见矿厚度1.14~18.20 m,平均厚度6.87 m,单工程矿体金品位1.25×10-6~3.17×10-6,平均品位1.99×10-6。东南段矿体宽度大,矿化较强;西北矿段规模相对较小,矿化较弱。
Ⅱ号矿带北西段分布于木其滩组地层内,东南段与矿区内最大规模的区域性分界断裂相复合,整体受北西西向断裂破碎带控制。矿带走向为北西西—南东东向,倾向南西或北东,倾角50°~65°,矿带宽度20~50 m,长约800 m。共圈定金矿体9个,其中以Ⅱ-3号矿体规模最大。该矿体产状(358°~37°)∠(59°~77°),已控制总长度240 m,最大控制垂深为80 m,见矿厚度1.14~18.05 m,平均厚度3.54 m,单工程矿体金品位1.81×10-6~5.32×10-6,平均品位3.83×10-6,东南段宽度大,矿化较强;西北段规模相对较小,矿化较弱。
Ⅲ号矿带分布于矿区中北部的木其滩组地层中,矿带走向为近东西向,整体南倾,倾角60°~85°,宽度50~100 m,长约3 000 m。该矿带共包含金矿体13个。
湘潭子金矿的主要金属矿物是黄铁矿、毒砂、黄铜矿,少数方铅矿、闪锌矿、磁黄铁矿含有不同品位的金,局部可见自然金;非金属矿物有石英、方解石、绢云母、石榴石、绿泥石、钠长石和叶蜡石等。
黄铁矿包括成矿早期、主成矿期和成矿晚期三个期次。其中成矿早期的黄铁矿多呈灰黄色中粗粒自形-半自形立方体,以团块状或浸染状散布在乳白色石英脉中(图 4(a));主成矿期的黄铁矿主要呈浅黄色中细粒半自形-它形粒状,与石英、绢云母和其他金属硫化物共生,以条带状、团块状分布在石英脉的边部或蚀变岩微裂隙中(图 4(c));成矿晚期的黄铁矿呈中细粒自形、半自形或它形粒状分布于碳酸盐脉中,与方解石、铁白云石等矿物共生(图 4(i))。
图4 湘潭子金矿床矿石矿物组合典型照片Fig.4 Photos of representative ore mineral assemblages of the Xiangtanzi gold deposit(a)脉状石英黄铁矿矿石;(b)石英黄铁矿矿石样品在镜下可见毒砂与黄铁矿共生;(c)脉状石英多金属矿石;(d)石英多金属矿石黄铜矿+黄铁矿+方铅矿+闪锌矿+毒砂的矿石矿物组合特征;(e)碳酸盐闪锌矿脉;(f)碳酸盐闪锌矿阶段矿物组合以闪锌矿+方铅矿+方解石(白云石)为特征;(g)富铅锌矿石手标本;(h)富铅锌矿石中局部可见磁黄铁矿;(i)成矿晚期碳酸盐阶段方解石+黄铁矿的矿物组合。Py.黄铁矿;Apy.毒砂;Ccp.黄铜矿;Gn.方铅矿;Sp.闪锌矿;Po.磁黄铁矿;Q.石英;Cal.方解石
毒砂主要出现在石英黄铁矿阶段,粒度较粗,自形-半自形结构,多呈团块状与黄铁矿共生,局部可见短柱状或菱形毒砂颗粒零散分布。多金属阶段毒砂粒度较细,多呈它形粒状结构分布在条带状的石英硫化物脉体边部与地层的接触带上,有时也可见自形程度较好的早期毒砂包裹在黄铜矿中(图 4(b))。
黄铜矿呈亮黄色,它形不规则粒状,分布不均匀,以团块状、浸染状、细脉状产于石英脉裂隙中,偶见黄铜矿包裹早期形成的粗粒自形、半自形黄铁矿(图4(d))。
方铅矿呈铅灰色,分布不均匀,自形-半自形粒状结构,主要赋存于石英方解石脉中(图 4(f)),与金的富集关系密切。
闪锌矿呈亮银灰色,略带褐色调,中细粒结构,受溶蚀作用影响其边部多呈较圆滑的它形粒状(图 4(e)),与方铅矿、方解石或白云石伴生,呈脉状、团块状散布于方解石脉中。
磁黄铁矿呈乳黄色,微带粉褐色,它形粒状(图 4(h)),常见于富铅锌矿体中(图 4(g)),具有弱磁性。
分别在湘潭子金矿区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿带采集了典型的矿石样品进行了显微观察和电子探针分析。在中国地质大学(北京)实验中心使用奥林巴斯光学显微镜对探针片进行了观察鉴定,使用双目镜完成单矿物挑选,使用A-1600电子探针对黄铁矿进行了微区成分测试。
在湘潭子金矿区的矿石、地层和岩体中各采集了相应的稀土元素分析样品,在核工业北京地质研究院采用等离子体质谱仪进行检测。
显微观察(图5)和电子探针分析结果(表1,表2)表明,Au主要赋存在含砷黄铁矿和毒砂中。
图5 湘潭子金矿床各成矿阶段黄铁矿典型照片Fig.5 Photomicrographs of pyrite in each ore stage of the Xiangtanzi gold deposit(a)成矿早期自形-半自形粗粒黄铁矿;(b)成矿早期与毒砂共生的自形粗粒黄铁矿;(c)成矿期细粒它形的黄铁矿和它形细粒毒砂共生;(d)成矿晚期自形粗粒黄铁矿。Py.黄铁矿;Apy.毒砂;Q.石英;Cal.方解石
表2 湘潭子金矿床毒砂电子探针结果(%)Table 2 EPMA results of arsenopyrite from the Xiangtanzi gold deposit (%)
黄铁矿的主量元素为Fe和S,微量元素主要有Co、Ni、Au、Ag、As、Sb、Bi、Se、Te、Cu、Pb、Zn、Mo、Sn、Ti、Cr、Hg、Tl等元素。从黄铁矿的微量元素分析结果(表1)可以看出,黄铁矿中Fe的含量为43.18%~47.42%,S的含量为51.97%~55.29%,S/Fe范围为1.10~1.26,Au的含量为0.006%~0.110%。矿体中黄铁矿的Co/Ni范围是0.45~11.70,大于1的样品有14个,小于1的样品有5个。
表1 湘潭子金矿床黄铁矿电子探针分析结果(%)Table 1 EPMA results of pyrites from the Xiangtanzi gold deposit (%)
毒砂的主量元素为As、Fe和S,微量元素主要有Co、Ni、Au、Ag、Sb、Bi、Se、Te、Cu、Pb、Zn、Mo、Sn、Ti、Cr、Hg、Tl等元素。表2可以看出,毒砂中As的含量为42.09%~44.92%,Fe的含量为34.62%~35.33%,S的含量为20.27%~23.59%,并未测到Ni,推测其含量较低。As/S范围为1.78~2.23,Fe/(S+As)范围为0.53~0.54。毒砂的理论成分为S=19.69%,As=46.01%,Fe=34.30%,As/S=2.34。Au含量为0.005%~0.090%,反映了毒砂也是一种重要载金矿物。
稀土元素的分析结果(表3和图6)显示,湘潭子金矿矿石稀土元素具有以下特点:配分曲线整体呈右倾,稀土元素总量较高,变化范围是210.47×10-6~345.18×10-6,平均为310.23×10-6;轻稀土元素含量平均值为271.78×10-6,重稀土元素含量平均值为14.99×10-6,LREE/HREE平均值为17.73×10-6;LaN/YbN=12.24~55.48,轻稀土元素较为富集,重稀土元素亏损,轻重稀土分异程度较大;呈现出负Eu异常(δEu=0.58~0.82),基本无Ce异常(δCe =0.92~0.98)。
表3 湘潭子金矿床矿体、围岩稀土元素分析结果(10-6)Table 3 REE parameters of the orebody,wallrock and intrusion at the Xiangtanzi gold deposit (10-6)
图6 湘潭子金矿床矿体、围岩和岩体稀土元素配分模式图(标准化数据引自文献[20])Fig.6 REE distribution patterns of the orebody,wallrock and intrusion at the Xiangtanzi gold deposit (normalized data after reference[20])
矿区内地层以及角岩样品稀土元素总量较低(91.53×10-6~92.25×10-6),轻重稀土元素分异不明显,轻重稀土元素比为7.06~8.05,铕异常不明显(0.88~0.93)。
矿区内岩体的稀土元素分析结果显示,稀土元素总量较高,为386.51×10-6~412.56×10-6,轻重稀土元素分异明显,配分曲线整体右倾,呈现出弱的负铕异常(0.79~0.80)。
综上所述,湘潭子金矿矿体与矿区内岩体的稀土元素配分模式基本一致,而与地层的微量元素特征存在明显差异,反映成矿物质可能主要来源于侵入岩。
本次工作在湘潭子金矿Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿带中选取主成矿阶段矿石中的黄铁矿进行了硫同位素测试,在Ⅲ矿带中选取主成矿阶段矿石中的石英进行了氢氧同位素分析。
硫同位素测试样品在河北省区域调查研究所岩矿测试中心将待测样品在双目镜下逐粒挑出黄铁矿单矿物,进行粉碎并研磨至 200 目以下,称取适量黄铁矿样品待测。测试单位为核工业北京地质研究院测试中心,利用 Flash-EA与 MAT-253 质谱仪联机测试,测试精度优于0.2‰。
氢氧同位素分析首先把待测样品粉碎,再在双目镜下挑出纯度大于99%的石英(10 g)。测试单位为核工业北京地质研究院测试中心,采用MAT-253质谱仪联机测试。H同位素分析采用热爆法,首先从石英样品中提取包裹体H2O,使之与金属锌在400 ℃条件下反应30 min生成H2,然后用质谱仪进行H同位素测定。O同位素分析采用BrF5法,将石英在300 ℃条件下与BrF5反应20 min生成O2,再使O2与碳棒反应生成CO2,然后用质谱仪测定其中的O同位素。
湘潭子金矿硫同位素分析结果见表4。从表4中可以看出,矿床中硫化物δ34S为-5.7‰~2.0‰,均值为0.38‰。
表4 湘潭子金矿床硫同位素分析结果(‰)Table 4 Results of sulfur isotope analysis of the Xiangtanzi gold deposit (‰)
对湘潭子金矿矿体主成矿阶段矿石中的石英及流体包裹体进行了氢氧同位素分析,分析结果见表5。湘潭子金矿区矿石的δ18OH2O值为3.44‰~9.65‰,平均值为6.29‰,δD=-120.10‰~-79.00‰,平均值为-100.47‰。
表5 湘潭子金矿矿石氢氧同位素分析结果(‰)Table 5 Results of hydrogen and oxygen isotope analysis of the Xiangtanzi gold deposit(‰)
前人对湘潭子金矿区矿石中的黄铁矿样品进行了Pb同位素测试分析,结果见表6。
表6 湘潭子金矿矿石铅同位素分析结果Table 6 Lead isotope compositions of samples from the Xiangtanzi gold deposit
将矿区矿石铅同位素投点于铅构造模式图[21](图7)上,矿石铅同位素测试样品投点均分布于造山带铅演化线(B)附近。矿石μ值为9.40~9.50,平均9.43,介于秦岭造山过程中与成矿有关的矿物、岩石铅同位素μ值变化范围9.34~9.70之间[22],显示铅源及铅同位素演化的相对一致性;ω值介于36.92~38.02之间,平均37.21;Th/U值介于3.80~3.87之间,略小于地壳的Th/U值4。
图7 湘潭子金矿床硫化物矿石 Pb 同位素构造模式图Fig.7 Lead isotope diagrams of sulfide ore from the Xiangtanzi gold depositA.地幔;B.造山带;C.上地壳;D.下地壳
根据Pb同位素的Δβ-Δγ关系可以有效地消除时间因素的影响来示踪成矿物质来源。湘潭子金矿区Δβ计算值为15.59~21.52,Δγ计算值为34.31~42.17,将计算所得的数值投影于Δβ-Δγ成因分类图解[23]中,可见湘潭子金矿区矿石铅同位素组成基本上都分布在上地壳与地幔混合的俯冲带铅(岩浆作用)区域(3a区)内,但都靠近该区与造山带铅区域(8区)和上地壳铅区域(2区)的分界线附近(图 8)。
图8 湘潭子金矿区Pb同位素Δβ-Δγ成因分类图解(底图据文献[22])Fig.8 Lead isotope Δβ-Δγ classification plot for samples from the Xiangtanzi gold deposit (base map from reference [22])1.地幔源铅;2.上地壳铅;3.上地壳与地幔混合的俯冲带铅;3a示岩浆作用铅,3b示沉积作用铅;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.造山带铅;9.古老页岩上地壳铅;10.退变质铅
由上文所述,湘潭子金矿区的矿床地质特征、矿床地球化学特征等方面均显示其成矿作用与侵入岩有关。湘潭子矿区内没有大规模的岩体,但是中酸性岩脉较为发育,且矿体产出的空间位置与闪长玢岩脉密切相关,在矿区西部发育有天子山岩体。天子山岩体以二长花岗岩为主,前人测得锆石U-Pb年龄为(241.0±1.7)~(260.0±2.1)Ma[2,24]。前人在与湘潭子金矿邻近的李子园碎石子金矿区测得闪长玢岩锆石年龄为(212.20±1.19)Ma,在矿化蚀变闪长玢岩中绢云母的K-Ar 年龄为(206.82±1.63)Ma,代表了矿床的成矿年龄[25]。湘潭子金矿与李子园碎石子金矿属同一成矿带,湘潭子金矿的成矿作用与区内发育的闪长玢岩脉关系密切,故碎石子金矿矿化蚀变闪长玢岩中绢云母的年龄可代表湘潭子金矿的主成矿时代。综上可知,湘潭子金矿的主成矿时代为印支晚期。
湘潭子金矿区矿石和岩体的稀土元素特征相似,而与矿区内的变质岩明显不同(图6),表明成矿物质可能来自印支期侵入岩。
利用黄铁矿中Co、Ni元素的含量及相关比值确定黄铁矿成因已被证明是一种有效的方法[26]。在黄铁矿Co-Ni关系图(图9)中,多数样品落入岩浆与热液区,表明湘潭子金矿成矿作用与岩浆作用有关。
图9 湘潭子金矿不同矿体黄铁矿Co-Ni图解(底图据文献[26],Ⅰ、Ⅱ区为沉积区和沉积改造区,Ⅲ、Ⅳ区为岩浆和热液区)Fig.9 Pyrite Co-Ni diagram for different orebodies of the Xiangtanzi gold deposit (base map from reference [26])
因地质体的物质来源、成因机制、形成环境及形成时间的不同使其具有不同的铅同位素,且外部条件的变化对铅同位素组成的影响很小,故铅同位素常作为判断物质来源的可靠示踪剂[27-29]。由Pb同位素Δβ-Δγ成因分类图解(图8)可知,湘潭子金矿区矿石铅同位素组成基本上都分布于上地壳与地幔混合的俯冲带铅(岩浆作用)区域(3a区)内。这表明湘潭子金矿区铅的演化与岩浆作用和造山运动关系密切,推测其铅的来源可能以下地壳(或地幔)铅为主。
硫是大多数矿床中最重要的成矿元素之一,对硫来源的研究可以为矿床的成因提供重要依据。δ34S∑接近零值的矿床其硫为火成来源,包括岩浆释放的硫和从火成岩硫化物中淋滤出来的硫[30]。湘潭子金矿矿石δ34S值频数分布比较集中,具有以近零为中心的塔式分布特征(图10),表明矿石中硫的来源与岩浆作用有关。
图10 湘潭子金矿δ34S值频数图Fig.10 δ34S frequency diagram of the Xiangtanzi gold deposit
不同来源的流体其氢氧同位素组成特征不同,因此常以氢氧同位素的组成特征来确定流体的来源[31]。
对湘潭子金矿区矿石氢氧同位素组成进行投图分析,发现多数数据落在原生岩浆水范围内及其附近,部分数据偏向雨水线(图11),表明本区成矿流体主要来自岩浆水,晚期可能有大气降水的加入。
图11 湘潭子金矿床氢氧同位素组成图解Fig.11 Hydrogen-oxygen isotope diagram of samples from the Xiangtanzi gold deposit
从时间演化特征上来看,湘潭子金矿床的形成时间与区内印支晚期岩浆岩相近;从空间上来看,湘潭子金矿区矿体与印支晚期中酸性岩脉关系密切。以上特征表明湘潭子金矿成矿作用与印支晚期岩浆活动具有时空上的一致性。此外,元素地球化学和同位素地球化学研究发现,成矿物质和成矿流体主要源于印支期岩浆岩。以上特征均表明,湘潭子金矿床成矿系统为一套与侵入岩相关的金成矿系统。
综合以上分析,建立湘潭子金矿的成矿模型(图12):印支期,秦岭造山带经历陆-陆碰撞造山,在南北向强烈挤压构造体制作用下,地层褶皱变形,逆冲叠覆,地壳加厚,加厚的下地壳发生拆沉和部分熔融形成大规模岩浆作用;同时区域应力场已从原来的挤压逐渐转变为张性环境,早期韧性构造也逐渐转变为脆性,由于应力环境的转变,深源富含成矿物质和流体的岩浆上侵并就位于浅部,岩体上覆地层中断裂构造发育且与岩体顶部水压裂隙系统贯通,形成网脉状矿体和受浅部断裂系统控制的脉状矿体。
图12 湘潭子金矿床成矿地质模型Fig.12 Metallogenic geological model of the Xiangtanzi gold deposit
(1)湘潭子金矿发育于西秦岭造山带,矿体主要受北西西向断裂控制,矿体的空间分布与区内发育的中酸性岩脉有密切关系。
(2)湘潭子金矿矿石与岩体的稀土元素配分特征基本一致,而与围岩有明显区别。矿床中硫化物δ34S为1.0‰~6.2‰,均值为2.36‰;δ18OH2O为3.44‰~9.65‰,均值为6.29‰;δD为-120.10‰~-79.00‰,均值为-100.47‰。铅同位素Δβ计算值为15.59~21.52,Δγ计算值为34.31~42.17。上述特征表明湘潭子金矿的成矿物质来源与侵入岩密切相关,其成矿系统为一套与侵入岩相关的金成矿系统。
(3)秦岭造山带经历陆-陆碰撞造山后期,区域应力场从原来的挤压逐渐转变为张性环境,深源富含成矿物质和流体的岩浆上侵并就位于浅部,岩体上覆地层中断裂构造发育且与岩体顶部水压裂隙系统贯通,进而形成网脉状矿体和受浅部断裂系统控制的脉状矿体,即湘潭子金矿床。