内蒙古白乃庙金矿流体包裹体与C-H-O-S稳定同位素特征及其对矿床成因的启示

袁硕浦，王建平，许 展，王继春，吕 钊，杨 壮

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.内蒙古自治区地质调查院，内蒙古呼和浩特 010020)

0 引言

白乃庙金矿位于内蒙古乌兰察布盟四子王旗境内，与白乃庙铜钼矿床相邻，是内蒙古重要的古生代金矿床之一。随着矿区的勘探和开发，前人对该矿床的成矿背景、矿床特征以及成矿时代等开展过相关研究(曲光福，1990；葛良胜，1992；梁一鸿等1999；邓林燕和雷旺胜，2014；冯晓曦等，2014)。在金矿研究的早期阶段(葛良胜，1992；李进文等，2003；邓林燕和雷旺胜，2014)，众多学者认为金矿形成于燕山期碰撞造山运动后期的陆内演化阶段，挤压作用减弱致使深部物质上涌而形成白乃庙金矿。在此认知下，前人对金矿的矿床成因、成矿物质的迁移和演化等方面开展了相应研究，但未取得统一认识。赵令湖(1991)通过矿床中自然金的晶体形态分析，认为其属于中-高温、中-深成内生热液型金矿床；叶丹(1997)结合矿床构造和H-O同位素研究，提出矿床属中温地下热液石英脉型金矿床的认识；李进文等(2003)根据硫、铅同位素等方面研究成果将其归为燕山期形成的岩浆热液型金矿床。然而近年来的研究表明，白乃庙金矿并非形成于陆内伸展环境，而是形成于早古生代洋陆板块俯冲碰撞的岛弧环境(冯晓曦等，2014；马阁等，2019)，长期存在争议的矿床成因也需新的研究成果以进一步确定。本次在前人研究的基础上，重点通过白乃庙金矿流体包裹体和C-H-O-S稳定同位素的研究，分析成矿流体和成矿物质的来源与演化，探讨该金矿的矿床成因机制，为区域金矿勘查提供科学依据。

1 区域地质背景

白乃庙金矿位于华北克拉通北缘中段白乃庙岛弧区域(图1)，夹持于北部西拉木伦断裂和南部赤峰-白云鄂博断裂之间。该区域发现众多金矿点和矿化点，其中具有代表性的有白乃庙金矿、察汗敖包金矿、白银哈尔金矿等(李进文，2003)。白乃庙金矿规模最大，累计探明储量超过20吨，达到大型金矿规模。

图1 内蒙古白乃庙金矿地质图(据梁一鸿等，1999;Xiao et al.，2003；Zhou et al.，2017修改)

矿区出露的地层主要有古生界下寒武统白乃庙群、上志留统西别河组，中生界石炭系、二叠系，还有少量新生界出露。其中下寒武统白乃庙群主要为变质程度较低的绿片岩，是白乃庙金矿床的主要赋矿围岩。白乃庙群主要分布于矿区的中部、南部和西部区域，呈东西向展布，其原岩为海底火山喷发的基性-中酸性火山岩以及少量的沉积岩，属于浅海火山-沉积建造(曲光福，1990)。

白乃庙金矿区的构造以断裂构造为主，褶皱构造不太发育。断裂构造以近东西向为主，并可见北东向、北北东向、北西向等断裂构造(曾庆栋，1991)。近东西向断裂构造是矿区原始的构造形态，其产状与岩层产状相近，构造发育稳定。北东向、北北东向、北西向断裂构造是在近东西向断裂构造后产生的次生构造，白乃庙金矿主要受北东向白乃庙断裂及其派生构造控制。断裂破碎带常被断层角砾所填充，并可见硅化、糜棱岩化等现象(曲光福，1990)。

区域内岩浆活动较为强烈，明显受区域构造控制，主要可见加里东期和海西期岩浆活动，并以加里东期为主(葛良胜，1992)。区内岩浆岩类型主要为花岗闪长斑岩、石英闪长岩以及白云母花岗岩。

2 矿床地质

白乃庙金矿产出两种类型的矿体，分别是石英脉型矿体和蚀变岩型矿体。其中石英脉型矿体中金的储量占多数，品位也较高。矿区主要产出41条含金石英脉，分别为26号脉、21号脉、20号脉、17号脉、10号脉等。石英脉型矿体赋存于断裂破碎带中，形态较为复杂，常以复脉或网脉状产出(图2)，产状与断裂带的产状基本一致，脉体厚度变化较大，金的分布也不均匀，在石英脉的交插、汇合、转向等部位易形成富矿体(和钟铧等，2001)，可见明金(图3a)。蚀变岩型矿体主要产在石英脉型矿体两侧的蚀变围岩中，硅化、黄铁矿化较为发育的围岩矿化较好，产状与石英脉基本一致，矿石品位从内到外逐渐降低。

图2 白乃庙金矿26号脉剖面图(陈振胜等，1989)

白乃庙金矿床的石英脉矿体在剖面上呈现上宽下窄的楔形，且石英脉体中多处可见的晶簇构造(图3b～c)，表明金矿形成于拉张动力学构造背景。在26号脉采矿底部可见热穹窿构造(图3d)，下部岩体为白云母花岗岩，岩枝顶端产出大量石英脉穿插于上部的绿片岩中，围岩蚀变作用强烈(图3e)。白乃庙金矿大型石英脉的上部尖灭部位同样有密集石英细脉穿切绿片岩的现象(图3f)，显示发育于岩体的流体向上运移，引起强烈的硅化等蚀变作用，为金矿化提供成矿物质。

图3 白乃庙金矿床特征

白乃庙金矿主要的矿石矿物有黄铁矿、褐铁矿、黄铜矿、斑铜矿、自然金、银金矿、自然银等(图4)；脉石矿物主要为石英、方解石、绢云母、绿泥石、绿帘石等，并可见玉髓、蛋白石等低温共生矿物。矿石结构以自形-半自形粒状结构为主，也发育环带结构、他形结构、交代残余结构等(图4d～i)；矿石构造以脉状、网脉状为主，常见胶状、同心环状、角砾状等构造(图5a～d)。

图4 白乃庙金矿矿物组合及结构特征

主要的金属矿物特征如下：(1)黄铁矿：主要以浸染状及细脉状产出，呈浅黄色-黄白色，多为自形-半自形、中粒-中细粒结构，并可见大量交代结构现象，在石英脉和蚀变岩中皆有出露。(2)褐铁矿：由黄铁矿氧化而形成，多分布于近地表的氧化带中。(3)黄铜矿、斑铜矿：矿物含量极少，与黄铁矿一同生成。(4)银金矿、自然金、自然银：是目标矿物金的组成矿物，常以包裹体、他形粒状以及蠕虫状的形态分布于黄铁矿及其氧化产物褐铁矿中，少量金赋存于石英脉中。

白乃庙金矿围岩蚀变发育，且分带现象明显，矿体由内到外可见硅化带、泥化带、青磐岩化带(图2)。硅化带主要由一些硅质角砾岩组成，常常发育在构造破碎带附近，由成矿流体与围岩发生强烈的交代反应形成，与矿区发育的绢云母化和黄铁矿化统称为绢英岩化(图5e)。泥化带在矿区中主要表现为高岭土化(图5f)，另可见少量的云母化现象，其强度与构造破碎程度有关，高级高岭土化呈一种松散的泥状(图5h)。青磐岩化带由矿区安山岩受中、低温热液作用产生，以绿帘石化、绿泥石化以及碳酸盐化为组合特征(图5g)。矿区围岩蚀变的发育程度与矿脉产出规模和围岩破碎程度有关，在岩体顶端、大型石英脉的尖灭部位以及因动力作用产生的大量碎裂岩处蚀变作用极为强烈。围岩蚀变类型中与金矿化联系较为紧密的为硅化和黄铁矿化(曲光福，1990)，因此黄铁矿化、褐铁矿化、硅化对找矿具有指示意义。

图5 白乃庙金矿矿石组构、围岩蚀变与成矿阶段

根据矿石组分、矿物共生组合以及矿物细脉之间的穿插、包含关系，可将白乃庙金矿成矿阶段依次可大体划分为以下几个阶段：石英-金-黄铁矿、石英-金-硫化物、胶状石英、石英碳酸盐阶段(图5i～l)。Ⅰ阶段(石英-金-黄铁矿)：该阶段多破碎成角砾，角砾大小不一，最大可达4 cm，角砾主体为棕褐色石英，被后生的石英-硫化物胶结，内部可见较多的细粒黄铁矿，金矿化程度较弱。Ⅱ阶段(石英-金-硫化物)：该阶段同样多破碎成角砾，常常被后生的胶状石英胶结，角砾粒度最大可达15 cm，角砾主体为烟灰色石英和硫化物，黄铁矿含量明显多于Ⅰ阶段，且颗粒粒径较大，镜下可见毒砂、雄黄等硫化物矿物，金的矿化强度强于Ⅰ阶段。Ⅲ阶段(胶状石英)：该阶段主体为胶状石英，多呈脉状，部分呈角砾状，未见硫化物。Ⅳ阶段石英碳酸盐阶段：主要矿物是石英、黄铁矿、方解石、绢云母、绿泥石等。

3 样品采集与分析方法

本次实验样品主要采自矿区中26号脉等几条主要的含金石英脉。流体包裹体测温实验在中国地质大学(北京)流体包裹体测温实验室进行，仪器采用Linkam THMSG-600型冷热台，其测温范围为-196～600 ℃。稳定同位素在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。在H-O同位素分析方法中，氢同位素采用爆裂法取水，锌还原法取氢；氧同位素采用五氟化溴法测定。C-O同位素主要是对热液方解石进行测定，分析采用100%磷酸法；硫同位素样品用硫化物与Cu2O和V2O5混合氧化剂在高温真空条件下反应制取SO2。氢氧同位素采用的国际标准为SMOW，碳同位素采用的国际标准为PDB，硫同位素采用的国际标准为CDT。

4 结果分析与讨论

4.1 流体包裹体显微测温

流体包裹体研究能够提供成矿时流体的温度、压力以及盐度等信息。由于无矿化阶段(Ⅲ阶段)中胶状石英主要呈碎屑状态而无法进行流体包裹体观察，本次工作重点对Ⅰ和Ⅱ成矿阶段的流体包裹体进行了测温实验，采取的样品来源于成矿期的Ⅰ阶段棕褐色石英和Ⅱ阶段烟灰色石英。

白乃庙金矿的流体包裹体以富液相包裹体类型为主，富气相包裹体极少，主要以孤立状和小群状存在，部分成群分布，形态多为椭圆状和不规则状，尺寸较小。实验主要选取具有规则外形的流体包裹体进行测试，对于成群分布的流体包裹体选取1～2个进行测试，选取的尺寸不低于3 μm。

实验数据显示(表1)，Ⅰ阶段流体包裹体的均一温度变化于132.8～246.9 ℃，平均值约为196.11 ℃，冰点温度范围为-3.6～-0.9 ℃，平均约为-2.45 ℃；Ⅱ阶段流体包裹体的均一温度变化于126.5～283.4 ℃，平均值约为193.92 ℃，冰点温度范围为-4.8～-0.5 ℃，平均约为-2.48 ℃(图6)。经过计算可得，Ⅰ阶段流体包裹体盐度为1.57%～5.86% NaCl equiv，平均为4.09% NaCl equiv；Ⅱ阶段流体包裹体盐度为0.88%～7.59% NaCl equiv，平均为4.12% NaCl equiv(图6)。白乃庙金矿成矿流体具有中低温低盐度的特征，从Ⅰ阶段到Ⅱ阶段温度、盐度变化相对较小。

表1 白乃庙金矿流体包裹体测温数据Table 1 Temperature measurement data of fluid inclusions in the Bainaimiao gold deposit

图6 白乃庙金矿流体包裹体均一温度-盐度直方图

4.2 H-O同位素分析

不同来源的流体具有不同特征的氢氧同位素组成，因此成矿流体的氢氧同位素组成可以判断成矿流体的来源(张锦让等，2011)。本次工作选取不同成矿阶段的石英进行氢、氧同位素研究，测定结果见表2。矿床中石英的δ18O值变化在0.9‰～5.9‰之间，δD值为-129‰～-114‰。根据热液矿物(石英)-水体系的氧同位素分馏方程1000lnα石英-水=3.38×106×T-2-3.40(Clayton et al.，1972)，计算该区成矿流体的δ18OH2O(‰)值在-12.9‰～-7.9‰之间。在δ18O-δD关系图上(图7)，白乃庙金矿床的投影点位于原生岩浆水的左下方并向雨水线方向严重偏移，全部落于低硫型浅成低温热液区域。表明成矿热液早期可能来源于深源岩浆系统，随着成矿作用的进行，大气降水逐渐混入。H-O同位素研究表明：白乃庙金矿的成矿热液主要来源于深部岩浆水和大气降水，且以大气降水为主体。

表2 白乃庙金矿床石英脉流体包裹体H-O同位素组成Table 2 H-O isotopic composition of fluid inclusions in quartz veins of the Bainaimiao gold deposit

图7 白乃庙金矿床成矿流体H-O同位素投影图(底图据赵丹蕾等，2020)

4.3 C-O同位素分析

不同碳储库之间δ13C差别较大，使得碳同位素能够成为示踪流体来源的重要手段之一(李晶等，2008)。白乃庙金矿床热液方解石的碳、氧同位素组成特征显示，δ13CPDB为-5.8‰～-3.2‰，平均-4.435‰(表3)。成矿热液中碳的来源主要为：海相碳酸盐、深部源和岩浆源以及各种岩石的的有机碳，这三种来源的C-O同位素有各自的范围和特征，其中深部源和岩浆源中的碳同位素范围为-5‰～-2‰和为-9‰～-3‰(Ohmoto，1972;Taylor，1986；Zheng et al.，1993)。本次研究选取的样品主要来源于晚期的石英碳酸盐阶段，所测得的碳同位素数据处于深部源和岩浆源的碳同位素范围中，说明成矿热液与深部岩浆有较为紧密的联系。

表3 白乃庙金矿床热液方解石C-O同位素组成

通过对所测得数据进行δ13CPDB和δ18OSMOW投图(图8)，可看出投影点有一处投在了花岗岩区，三处向大气水影响线“漂移”，还有两处则向低温蚀变方向“漂移”。表明白乃庙金矿的成矿热液为岩浆热液与大气降水的混合，且大气降水所占比例较大。

图8 白乃庙金矿床中方解石δ13C-δ18O图解(底图据刘家军等，2004)

由δ13CPDB和δ18OSMOW图可见，δ13CPDB变化范围很小，而δ18OSMOW变化范围较大，为-1.06‰～19.91‰，整体投影点按水平方向分布。造成这种现象主要可能为两种原因：CO2的脱气反应和流体与岩石的水岩反应(Zheng et al.,1993;Zheng,1999)。通常CO2脱气反应的表现特征氧同位素变化小，而碳同位素变化范围大。本次测得的数据显示δ13CPDB变化范围很小，指示水岩反应可能更为重要。在热液流体中，温度的降低和压力的升高均会引起方解石的溶解度升高，但在封闭体系中的单纯降温不能使方解石从热液流体中沉淀(郑永飞等，2001；刘家军等，2010)。所以白乃庙金矿中热液方解石的产生受到水岩反应和温度降低联合影响，这也对δ13CPDB和δ18OSMOW图中那两处向低温蚀变方向偏移的投影点进行了解释。

4.4 S同位素分析

硫同位素是矿床成因和成矿条件的指示剂，对硫同位素组成的研究有助于判断成矿物质的来源和成矿过程(陈永清等，2009)。据目前的研究表明，白乃庙金矿中的含硫矿物以简单硫化物形式存在，所以矿床中硫化物的δ34S平均值与流体中的δ34S的近乎相等。根据前人已有研究，硫化物矿床中的硫同位素的来源主要有三种：幔源硫、壳源硫、混合硫(Ohmoto，1972；Ohmoto，1986)。本次研究通过对与金矿化有紧密联系的Ⅱ阶段成矿期黄铁矿进行采样测试，所得结果见表4。硫同位素变化范围为-1.82‰～-4.24‰，平均值约为-2.75‰，变化范围较小，说明白乃庙金矿硫的来源稳定且单一。从硫同位素分布直方图可以看出，白乃庙金矿的硫同位素呈现明显的塔式分布(图9)，这正与幔源硫的特征相吻合，反应其硫总体以源自地球深部的岩浆硫为主，部分可能由地层提供。

表4 白乃庙金矿床硫化物δ34S同位素组成

图9 白乃庙金矿床硫同位素分布直方图

5 矿床成因分析

5.1 成矿时代与成矿背景

白乃庙矿区主要出露三种花岗岩，其中白云母花岗岩更为靠近矿体，与金矿化有紧密联系。白乃庙金矿26号脉开采剖面的底部可见热穹窿构造，岩体顶端产出大量的石英脉穿插于绿片岩中，蚀变作用强烈，发育有硅化、高岭土化等。在热穹窿构造上方即为26号脉的主矿脉，两者之间蚀变作用强烈，且发育蚀变岩型金矿体，表明下部的白云母花岗岩为26号脉矿体提供了成矿物质。本次工作对26号脉深部的白云母花岗岩岩体取样并进行锆石U-Pb测年，获得数据为429.1±2.7 Ma，431.6±4.2 Ma(吕钊等，2021)，即早古生代志留纪。冯晓曦等(2014)对含金石英脉中热液蚀变锆石增生边进行锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb测年，获得为437.0±6.0 Ma～445.6±5.0 Ma数据，由此认为成矿时代为早志留纪，是早古生代古亚洲板块向华北板块强烈俯冲消减的一个重要成矿事件。白乃庙金矿成岩成矿作用应发生于早古生代志留纪。

白乃庙金矿位于中亚造山带的南部边缘东端。早古生代时期，古亚洲洋板块持续向南运动，与华北板块发生俯冲消减作用，形成一套沟-弧-盆体系，白乃庙地区当时大致处于岛弧环境(葛良胜，1992；陈英富等，2020)。在火山活动的作用下，岩浆上涌为白乃庙金矿床的形成提供了大量成矿物质。与此同时，大气降水沿构造运动形成的裂隙下渗，与深部岩浆流体混合形成含矿流体，含矿流体与围岩发生强烈的交换反应，最终在合适条件下沉淀成矿，形成白乃庙金矿。在晚古生代时期，古亚洲洋逐渐闭合，华北板块与西伯利亚板块沿“索伦-西拉木伦-长春-延吉”一带拼合，开展碰撞造山运动。晚二叠到早三叠纪时期，古亚洲洋彻底闭合，开展全面造山运动，最终在华北板块东北端形成兴蒙造山带，构成中亚造山带的一部分(Guo et al.，2018；程杨等，2020)。

5.2 成矿地质特征

大地构造、地质环境、矿体特征、矿石特征、蚀变特征等矿床地质特征是成矿作用的具体体现，对阐明矿床成因有重要意义(鄢云飞等，2007)。①构造背景方面：浅成低温热液型金矿形成于拉张构造动力学背景，白乃庙金矿的矿脉呈上大下小的楔形，并可见晶洞、石英晶簇等现象，表明成矿构造环境为拉张背景。②成矿环境方面：浅成低温热液型金矿主要形成于火山机构以及火山-次火山地热系统，矿体主要赋存于火山岩及同时代形成的火山沉积岩中。白乃庙金矿形成于加里东期板块拼接的岛弧环境，并赋存于古生代中基性-中酸性的火山沉积建造，即白乃庙群地层。③矿石组构方面：浅成低温热液型金矿矿体以脉状、网脉状、浸染状为主；白乃庙金矿矿石组构特征与之相同，并可见角砾状、胶状、同心圆状等浅成低温热液型金矿床矿石组构特征。④白乃庙金矿矿物共生组合与浅成低温热液矿床类似，脉石矿物主要有石英、玉髓、蛋白石、绢云母、方解石、绿泥石、绿帘石等，表现为低硫型浅成低温热液型金矿特点。⑤围岩蚀变方面：浅成低温热液型金矿常见的蚀变包括硅化、黄铁矿化、绢云母化、绿泥石化、高岭土化等，蚀变作用强烈且分带性明显。白乃庙金矿矿区内热液蚀变作用较为强烈且分带现象显著(图2)，从石英脉体向外依次可见硅化带、泥化带、青磐岩化带，具体又可见高岭土化、绿泥石化、绢云母化、绿帘石化等中低温热液成矿的特征。综上所述，白乃庙金矿与浅成低温热液型金矿相似程度较高，支持白乃庙金矿为浅成低温热液型金矿这一认识(毛光武等，2015；宋国良等，2018；王义天等，2020)。

5.3 成矿物质与成矿流体

在成矿流体特征和成矿物质来源方面，白乃庙金矿显示出与浅成低温热液型金矿一致的特征(毛光武等，2015)。

浅成低温热液型金矿成矿温度为100～300 ℃，成矿流体盐度较低，一般小于8%。白乃庙金矿流体包裹体的测温显示，成矿温度集中于160～240 ℃，具有中低温的特征；并且计算结果表明成矿流体盐度范围为0.88%～7.59%，集中于3%～5%，具有低盐度的特征。

浅成低温热液型金矿主要为岩浆热液和大气降水的混合热液，且以大气降水为主。本次研究C-H-O同位素数据显示，白乃庙金矿的热液来源主要为深部岩浆和大气降水，且大气降水所占比例较大，并在成矿过程中热液与围岩发生交换反应。根据H-O同位素投影图(图6)，白乃庙金矿更偏向于低硫型浅成低温热液型金矿。

浅成低温热液型金矿成矿物质来源具有多源性。白乃庙金矿床S同位素研究表明，矿床硫同位素数据处于幔源硫的硫同位素变化范围中，且硫同位素的直方图呈塔式分布，表明硫的来源单一且稳定，说明其成矿物质来源主要为岩浆作用。在C-O同位素研究中，大气降水在成矿过程中与周围岩石发生交换反应(水岩反应)，将金属元素从围岩中萃取出来并参与成矿。

6 结论

(1)成矿流体包裹体研究表明，白乃庙金矿成矿流体表现为中低温低盐度的特征，与典型的浅成低温热液型金矿成矿流体特征相吻合。

(2)白乃庙金矿的C-H-O-S稳定同位素特征显示，矿床的成矿物质主要源自岩浆体系，成矿流体来源于深部岩浆热液，在成矿过程中有大气降水的参与，并与围岩发生强烈的交换反应。

(3)在成矿环境、构造背景、矿化蚀变、矿石组构、成矿流体与成矿物质来源等方面，白乃庙金矿与典型的浅成低温热液型矿床类似，其成因类型应为浅成低温热液型。

致谢：野外地质工作得到内蒙古地质调查院和白乃庙铜矿有限责任公司的支持，样品测试工作得到河北省廊坊市更新地质服务有限公司和内蒙古地质调查院实验室的协助，匿名审稿专家给予了宝贵的修改意见，在此一并表示衷心的感谢！