内蒙古图古日格金矿床绢云母40Ar-39Ar定年及其地质意义

丁成武, 戴 盼, 聂凤军, 张照录, 彭云彪, 张更信, 亓 辉, 申 颖

1)山东理工大学资源与环境工程学院, 山东淄博 255000; 2)中国地质科学院矿产资源研究所, 北京100037;3)核工业208大队, 内蒙古包头 014010; 4)山东省地质科学研究院, 山东济南 250013

图古日格金矿床位于内蒙古自治区乌拉特中旗巴音杭盖苏木境内, 地理坐标为 107°20′E、42°05′N(Ding et al., 2016a)。该矿床是兴蒙造山带内的一处大型石英脉型金矿床, 已探明金金属量30 t,平均品位为4 g/t(丁成武等, 2021)。兴蒙造山带位于中亚造山带东段, 是世界上目前已知的构造-岩浆活动最复杂、发展历史最长的一条增生造山带(Xiao et al., 2009), 同时也是中蒙边境巨型成矿带的重要组成部分, 造山带内发育有多期大规模成矿作用,资源潜力巨大(聂凤军等, 2011; Mao et al., 2011)。

图古日格金矿床自 1995年被核工业二〇八大队发现以来, 众多学者对其开展了大量的研究工作,基本查明了矿床的地质特征、地球化学特征、成矿流体特征及成岩时代(邵国钰等, 2015; 丁成武,2016; Ding et al., 2016a; 王英德, 2016; 王键等,2016; 李永等, 2019; 丁成武等, 2021)。但是对于该矿床的成矿时代, 目前仍存在较大的争议, Ding et al.(2016a)根据黄铁矿Re-Os法, 认为该矿床的成矿年龄为(268±15) Ma, 形成于二叠纪; 张锋等(2016)利用辉钼矿 Re-Os法, 测得该矿床的成矿年龄为(305.6±4.5) Ma, 属于石炭纪。成矿年龄的不确定, 阻碍了对该矿床的成矿地质背景和矿床成因的研究。

绢云母40Ar-39Ar定年方法是以K-Ar同位素定年方法为基础发展起来的,40Ar-39Ar定年方法只需要测定 Ar同位素比值, 避免了测定样品 K含量时带来的误差, 而且对于存在过剩Ar和Ar丢失现象的样品, 如果扰动作用只发生在矿物颗粒边缘,K-Ar法只能给出一个混合的没有实际意义的表观年龄, 而40Ar-39Ar法则能给出绢云母的形成年龄(邱华宁等, 1997; 张万益等, 2008; 吴玉峰等,2015)。同时, 绢云母 Ar同位素体系的封闭温度((350±50)℃)与许多金矿床主成矿阶段的温度基本一致(邱华宁等, 1997; 陈文等, 2006; 陈绍聪等,2019), 因此, 绢云母40Ar-39Ar定年方法被广泛应用于金矿床成矿年龄的研究中(袁霞等, 2017; 刘协鲁等, 2018; 陈绍聪等, 2019; 卫晓锋等, 2019)。本文对图古日格金矿床蚀变岩型矿石中, 与黄铁矿和石英共生的绢云母进行了40Ar-39Ar同位素测年, 进一步厘定了该矿床的成矿时代, 研究成果有助于探讨图古日格金矿床的成矿背景和矿床成因, 也有助于深化对兴蒙造山带金成矿作用的认识。

1 区域地质

兴蒙造山带属中亚巨型造山带的东段, 位于华北板块和西伯利亚板块之间, 是由两大板块之间的许多古老微地块组成的构造拼合带(李双林和欧阳自远, 1998; 童英等, 2010; Li et al., 2015; 孔令杰等,2017; Zhang et al., 2018), 随着古亚洲洋的不断收缩,这些微陆块之间以及他们与华北板块和西伯利亚板块之间, 先后互相碰撞拼合, 最终形成一个整体(Sengor et al., 1993; Jahn, 2004; Li, 2006; Jian et al.,2010; Zhang et al., 2019; 宋博等, 2021)。兴蒙造山带被西拉木伦断裂、索伦—林西断裂、锡林浩特断裂、二连浩特断裂和查干鄂博—鄂伦春断裂, 由南向北划分为白乃庙弧、温都尔庙俯冲增生带、二道井增生杂岩带、宝力道弧增生杂岩带、贺根山蛇绿岩-弧增生杂岩带和乌里雅苏台活动大陆边缘六部分(图1a, Xiao et al., 2003, 2009; 李亚东等, 2021)。复杂的构造演化历史使得兴蒙造山带内构造活动强烈, 岩浆活动频繁, 诱发了多期大规模成矿作用,使其成为世界上最重要的Cu、Fe、Sn、Ag、Au和稀有金属(Li、Be、Nb、Ta、REE)的成矿区域之一(聂凤军等, 2011; Mao et al., 2011; 周建等, 2020)。图古日格金矿位于西拉木伦断裂和索伦—林西断裂之间的温都尔庙俯冲增生带西侧的宝音图隆起中(图1a),伴随兴蒙造山带的构造演化, 该地区经历了多次构造活动, 成矿地质条件优越, 产出有许多大中型矿床及一大批小型矿床(点), 如: 乌拉特中旗金矿床、伊很查汗金矿床、图古日格金矿床、额尔登泯布拉格铜矿床、查干花钼矿床、查干德尔斯钼矿床、巴音查干铬铁矿床、哈达呼舒铬铁矿床和特颇格日图铁镍矿床等(马娟和彭斌, 2009; 蔡明海等, 2011a, b;杨锐等, 2012; 刘翼飞等, 2012)。

图1 图古日格金矿床区域地质图(据Xiao et al., 2009; Ding et al., 2016a改编)Fig. 1 Simplified regional geological map of the Tugurige gold deposit (after Xiao et al., 2009; Ding et al., 2016a)

区域范围内的地层主要有下元古界宝音图群石英云母片岩、大理岩和石英岩, 中元古界温都尔庙群绿片岩和变质砂岩, 新元古界艾勒格庙组白云岩, 志留系中统徐尼乌苏组灰岩, 白垩系上统巴音戈壁组砖红色砂岩, 古近系砂岩、粉砂岩和第四系风成砂。区域内褶皱和断层构造都较为发育, 褶皱轴走向以北东向为主, 次为北北东和北东东向, 图古日格金矿就位于一个北东向复式向斜的翼部。区域内断层性质多为逆断层, 展布方向多为北东向、近东西向和北西向(丁成武, 2016; 王英德, 2016;Ding et al., 2021)。此外, 区域范围内岩浆活动频繁,侵入岩广泛分布, 从酸性岩至超基性岩均有发育,主要包括志留纪黑云母花岗岩、二叠纪蚀变闪长岩、似斑状花岗岩以及零星出露的元古代片麻状花岗岩。区内脉岩广泛发育, 主要有石英脉、花岗闪长斑岩脉、闪长玢岩脉和石英斑岩脉等(图1b)(邵国钰等,2015; 丁成武, 2016; Ding et al., 2016a; 王英德, 2016;王键等, 2016; 李永等, 2019; 丁成武等, 2021)。

2 矿床地质

图古日格金矿床矿区内出露的地层比较简单,仅出露下元古界宝音图群第三岩段和第四系冲积层(图2)。其中, 下元古界宝音图群第三岩段的岩性组合以浅灰色、灰白色石英岩和大理岩为主, 其次为二云片岩和云母石英片岩夹层。在矿区范围内未见大的断裂构造, 主要发育北西向次级小断裂, 是该矿床主要的控矿构造和容矿空间, 这些断裂多为张性断裂, 按走向可以大致分两组: 第一组走向为117°左右, 倾角较陡, 倾向南西, 局部反倾, 深部延较伸大; 第二组走向为 140°左右, 倾角较缓, 在45°～55°之间, 倾向北东, 深部延伸较浅。这两组断裂在平面上呈“入”字型展布(邵国钰等, 2015; 丁成武, 2016; 王英德, 2016)。

图2 图古日格金矿床地质简图(据丁成武, 2016改编)Fig. 2 Simplified geological map of the Tugurige gold deposit (modified form DING, 2016)

矿区内出露的侵入岩主要有二叠纪似斑状花岗岩(276～265 Ma)、花岗岩((278.7±1) Ma)、蚀变闪长岩((288±2.6) Ma)、角闪石岩((280.6±1.3) Ma)以及志留纪黑云母花岗岩(王键等, 2016; 丁成武等,2021)。其中, 似斑状花岗岩出露面积最大, 主要分布在矿区的中部, 是该矿床主要的赋矿围岩; 花岗岩主要分布于似斑状花岗岩的边部和深部; 蚀变闪长岩主要分布在矿区的西南部和北部, 出露面积仅次于似斑状花岗岩。角闪石岩在矿区内的出露面积较小, 主要分布在矿区西部, 不连续的产出于蚀变闪长岩中(图2)。另外, 矿区范围内的岩脉主要为含矿石英脉, 多数发育在北西向断裂中, 受后期构造、岩体破坏的影响程度较小(图2)。

该矿床的矿体主要为石英脉型矿体(图3a), 次为夹石英细脉的蚀变岩型矿体(图3b), 主要赋存于北西向次级断裂中。矿体基本上切穿了矿区内的所有岩层, 但是主要产出在似斑状花岗岩中及附近(图2, 曹海清等, 2008; 王键等, 2016; 丁成武, 2016;赵旭东, 2018)。其中, 2-1-1、2-1-2和2-1-3为隐伏矿体, 2、2-2、2-1、2-3、125、33和7号矿体为石英脉型矿体, 2-1-1、2-1-2、2-1-3、7-21、7-22、2-6和18-1号矿体为夹石英细脉的蚀变岩型矿体。7号矿体主要赋存在角闪石岩中, 2-3号矿体赋存在下元古界宝音图群第三岩组中, 其余矿体均产出在似斑状花岗岩中(Ding et al., 2016a)。图古日格金矿床的矿石可分为石英脉型矿石和蚀变岩型矿石两种, 前者是该矿床最主要的矿石类型, 后者为矿区内新发现的矿石类型, 多位于深部, 主要为蚀变的似斑状花岗岩(丁成武, 2016)。

图3 图古日格金矿床矿石手标本(a, b, c, d)、镜下(e)和BSE照片(f, g, h)Fig. 3 Hand specimen images (a, b, c, d), photomicrograph (e), and BSE images (f, g, h) of ores from the Tugurige gold deposit

矿石中的金属矿物主要为黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、辉钼矿和自然金。脉石矿物主要为石英、铁白云石、绢云母、绿泥石及黏土矿物等(图3)。硫化物常呈浸染状或脉状分布在石英脉中(图3f,g, h)。矿石中的金主要以自然金、碲金矿和金银矿等形式存在, 常与黄铁矿、黄铜矿等矿物共生。围岩蚀变主要有黄铁矿化、硅化、钾长石化、绢云母化和绿帘石化等(丁成武, 2016)。

根据矿物共生组合及相互穿插关系, 该矿床的热液成矿作用可划分为钾长石-石英-黄铁矿阶段、石英-多金属硫化物阶段和石英-碳酸盐阶段。在钾长石-石英-黄铁矿阶段形成的矿物主要为石英和钾长石, 黄铁矿少量发育; 石英-硫化物阶段为硫化物发育和金矿化形成的主要阶段, 伴随的围岩蚀变主要包括硅化、绢英岩化和黄铁矿化; 石英-碳酸盐阶段是热液成矿作用的晚期, 矿化一般不发育, 常呈石英或碳酸盐细脉充填于早期裂隙之中(丁成武,2016)。

3 样品、分析方法和结果

3.1 样品特征

本次工作用于测年研究的样品(TG-02)采自于图古日格金矿床二号矿体, 采样点在二号斜井附近,地理坐标为 107°34′13″E、42°9′54″N。样品是石英脉两侧的蚀变似斑状花岗岩, 属于主成矿阶段矿石,该矿石呈块状构造, 自形-半自形粒状结构, 金属矿物主要为半自形浸染状黄铁矿, 脉石矿物有粗粒钾长石和石英、片状绢云母等, 围岩蚀变以硅化、绢云母化和黄铁矿化为主, 还发育有弱绿帘石化和绿泥石化(图3b, c, d)。样品中的绢云母与石英和黄铁矿共生, 呈浅绿色鳞片状集合体产出于似斑状花岗岩与石英脉的接触位置。

3.2 分析方法

样品的绢云母挑选工作由河北省廊坊市尚艺岩矿检测有限公司完成, 绢云母 Ar-Ar测年在中国地质科学院地质研究所Ar-Ar同位素地质实验室进行。首先从矿石样品中挑选出绢云母单矿物(纯度＞99%), 然后利用超声波对绢云母进行清洗。之后将清洗后的绢云母(13.24 mg)封进石英瓶中, 在中国原子能科学研究院的“游泳池堆”核反应堆中接受中子照射。照射过程中, 选用黑云母标样(ZBH-25)作为监控的标准样。

照射完成后, 对样品进行阶段升温加热, 同时利用多接收稀有气体质谱仪(Helix MC)进行质谱分析。分析所得的数据经过校正后, 利用 ISOPLOT程序计算坪年龄及等时线年龄(Ludwig, 2001)。详细实验操作和数据处理流程见有关文献(张彦等, 2006; 陈文等, 2006)。

3.3 测试结果

分析结果见表1。本次测试从 600℃升温到1400℃, 共进行了13个阶段的加热分析, 分析结果组成了一个基本没有扰动的年龄谱图(图4a)。在年龄谱图上, 除了分析初期 4个阶段的视年龄值偏小外, 其余830～1400℃的9个温度阶段的视年龄之间的差异极小, 计算其坪年龄为(258.9±1.6) Ma(MSWD=0.69), 对应的39Ar析出量为 93.8%。在40Ar/36Ar-39Ar/36Ar图中, 9个加热阶段的结果拟合出一条很好的等时线, 获得的等时线年龄为(259.2±2.9) Ma (MSWD=5.4),40Ar/36Ar 初始值为292±17(图4b)。坪年龄和等时线年龄在误差范围内完全一致。

表1 图古日格金矿床绢云母40Ar/39Ar同位素测试结果Table 1 40Ar/39Ar isotopic analyses of sericites from the Tugurige gold deposit

图4 图古日格金矿床绢云母40Ar/39Ar坪年龄图(a)和等时线年龄(b)Fig. 4 40Ar/39Ar spectrum (a) and isochron (b) age diagrams of sericites from the Tugurige gold deposit

4 讨论

4.1 成矿时代

绢云母形成后若遭受后期地质作用叠加改造,通常会形成扩散丢失型年龄图谱(Hanson et al.,1975); 未受扰动时则表现为平坦型年龄图谱(邱华宁等, 1997; 陈文等, 2011)。本次测定的绢云母, 在阶段加热的中高温区, 视年龄较稳定, 不同温度区间的年龄差异较小, 构成了平坦的年龄谱, 这表明所测的绢云母在259 Ma左右形成之后, 内部的Ar同位素组成保持稳定, 没有再经受高于其封闭温度的热扰动。等时线计算获得的40Ar/36Ar的初始值(292±17)与现代大气氩的40Ar/36Ar值(295.5)基本一致, 表明坪区氩同位素不含过剩氩或氩丢失。同时,等时线年龄和坪年龄的测试结果具有很好的一致性,这些都表明本次测试的数据是可靠的, 因此获得的坪年龄((258.9±1.6) Ma, MSWD = 0.69)可以代表绢云母的结晶年龄。

绢云母的Ar同位素体系封闭温度为(350±50)℃(邱华宁等, 1997; 陈文等, 2006), 本次测试的绢云母样品来自图古日格金矿床主成矿阶段的矿石, 前人测得该阶段石英中 CO2-H2O包裹体的均一温度范围主要为 230～330℃(丁成武, 2016; 李永等,2019), 即在误差范围内, 主成矿阶段的成矿温度与绢云母的Ar同位素封闭温度基本一致。此外, 野外和镜下观察显示, 图古日格金矿床中的绢云母化主要出现在石英脉两侧与围岩的接触部位, 而且常与硅化、黄铁矿化相互叠加, 是主要的矿化标志之一,本次测试所用绢云母与石英和黄铁矿密切共生(图3b, c, d), 指示其是热液成矿阶段的产物。因此, 本次工作所获得的绢云母形成年龄可以指示图古日格金矿床的成矿年龄。

在成矿时代方面, 前人对图古日格金矿床进行了辉钼矿Re-Os同位素测年分析, 获得其等时线年龄为(305.6±4.5) Ma, 并认为该矿床是晚石炭世构造-岩浆活动的产物(张锋等, 2016)。但是, 野外地质观察显示, 图古日格金矿床的矿体几乎切穿了矿区内所有的二叠纪侵入岩, 因此矿床的成矿年龄应当小于赋矿似斑状花岗岩的成岩年龄(264.5 Ma, 丁成武等, 2021)。此外, 辉钼矿Re-Os 同位素体系封闭温度(＞500℃, Suzuki et al., 1996; Mao et al., 2006,2008)明显高于图古日格金矿床的成矿温度(丁成武,2016; 李永等, 2019), 因此前人获得的辉钼矿Re-Os年龄可能不能用来代表图古日格金矿床的成矿时代。图古日格金矿的黄铁矿Re-Os等时线年龄为(268±15) Ma (Ding et al., 2016a), 与本文获得的绢云母 Ar-Ar年龄在误差范围内完全一致, 且符合地质事实, 所以黄铁矿 Re-Os年龄与绢云母 Ar-Ar年龄可以用来限定图古日格金矿床的成矿时代。综合前人的研究, 本文将图古日格金矿床的成矿年龄限定在268～259 Ma, 为二叠纪。

4.2 矿床成因

图古日格金矿的矿体与矿区内的似斑状花岗岩具有紧密的时空关系, 矿体均产出在似斑状花岗岩中或附近(图2), 矿床的成矿年龄(268～259 Ma)与似斑状花岗岩的成岩年龄(264.5 Ma, 丁成武等,2021)相吻合, 暗示它们之间可能存在密切的成因联系。同位素研究结果表明, 图古日格金矿床矿石中的Pb和S元素主要为岩浆成因, 并且与矿区内二叠纪侵入岩的 Pb和 S同位素特征相近(丁成武,2016); 此外, 流体包裹体研究结果表明, 金的气相偏在性和蒸汽冷却收缩模式, 是该矿床富Au、中低盐度和富 CO2成矿流体的形成机制(丁成武, 2016),该矿床成矿流体的δDV-SMOW值为-108.8‰～-87.4‰,δ18OV-SMOW值为 1.1‰～6.9‰, 指示其成矿流体主要为岩浆水(丁成武, 2016; 李永等, 2019);该金矿床的蚀变类型以及金矿物组合等与其他岩浆热液型金矿床相类似(Robert et al., 2007; Dill, 2010);该金矿床的矿体在浅部主要是厚(1.21～3.66 m)石英脉型, 在深部则主要是蚀变岩型, 蚀变岩型矿石主要为蚀变似斑状花岗岩(丁成武, 2016); 侵入岩组合特征和岩石地球化学特征表明, 图古日格金矿床及矿区内的二叠纪侵入岩形成的构造背景是碰撞后伸展环境(丁成武等, 2021)。因此, 结合前人与本次研究结果, 认为图古日格金矿床是与花岗质岩浆活动有关的金矿床。

4.3 区域地质意义

近年来, 在中亚造山带内发现了多个二叠纪大型金矿床, 其中具有代表性的有图古日格、毕立赫、朱拉扎嘎、浩尧尔忽洞(又名长山壕)、穆龙套(Muruntau)、米坦(Zarmitan)和库姆托尔(kumtor)金矿床等(图5; Mao et al., 2004; Morelli et al., 2007;Abzalov, 2007; 李俊建等, 2010; 卿敏等, 2011;Wang et al., 2014; Ding et al., 2016a, b)。乌兹别克斯坦穆龙套超大型金矿床(5400 t, 3.4 g/t)主要产出在黑色片岩中, 并受断裂带控制(Morelli et al., 2007)。Kotov and Poritskaya(1992)提出该矿床是世界上最大的岩浆热液型金矿床。该矿床的成矿年龄((287.5±1.7) Ma)与后碰撞花岗岩类岩浆活动的时间相吻合(Morelli et al., 2007), 而且Re-Os和Sm-Nd同位素的研究也指示了地幔组分的参与(Graupner et al., 2006; Morelli et al., 2007)。库姆托尔金矿床(550 t, 2～6 g/t)产出在变质沉积岩中, 矿区内的花岗岩侵入体的成岩年龄为 274～287 Ma(Kempe et al.,2001), Mao et al.(2004)指出该矿床的矿化与二叠纪后碰撞花岗岩类侵入活动密切相关, 该矿床的成矿年龄约为280 Ma。米坦(280 t, 9.8～14.6 g/t)金矿床的矿化与花岗岩类密切相关, 主要分布在花岗岩内的石英窄脉中, 部分分布在被花岗岩侵入的沉积岩中(Abzalov, 2007), 该矿床的成矿年龄约为 269 Ma(Mao et al., 2004)。

图5 中亚造山带二叠纪大型金矿分布图(Ding et al., 2016a)Fig. 5 Regional map showing the distribution of Permian gold deposits in the southern margin of the Central Asian Orogenic Belt (Ding et al., 2016a)

浩尧尔忽洞金矿床是华北地台北缘的一个大型金矿床, 产出在黑色片岩中, 矿区内花岗岩类的成岩年龄为 268～290 Ma(肖伟, 2012), 黑云二长花岗岩的成岩年龄为(277±3) Ma(罗红玲等, 2009), 该矿床矿石的黑云母 Ar-Ar年龄为(270.1±2.5) Ma(王建平等, 2011), Wang et al.(2014)认为浩尧尔忽洞金矿床的形成与二叠纪构造岩浆活动以及随后的热液活动事件密切相关。毕立赫金矿床是一个斑岩型金矿床, 矿化多赋存在花岗闪长斑岩及其与上覆火山碎屑岩的接触带中, 该矿床花岗闪长斑岩的成岩年龄为((283.8±4.2)～(279.9±6.8)) Ma(路彦明等, 2012;卿敏等, 2012), 矿石的辉钼矿 Re-Os同位素年龄为(272.7±1.6) Ma(卿敏等, 2011)。朱拉扎嘎金矿床产出在变质沉积岩中, Ding et al.(2016b)认为该矿床是一个与后碰撞岩浆活动有关的二叠纪金矿床。该矿床硫和铅的来源都主要与岩浆活动有关(江思宏等, 2001), 流体包裹体的测温和氢氧同位素数据指示其含矿流体主要为岩浆起源, 且具有天水和岩浆水混合的特征(Jiang et al., 2005)。该矿床的成矿年龄为 275～280 Ma, 矿床中花岗斑岩的成岩年龄为(280±6) Ma(杨岳清等, 2001; 李俊建等,2004)。

这些产出在中亚造山带上的二叠纪金矿床, 尽管产出位置和赋存形式存在明显的差异, 但是他们都和二叠纪花岗岩类岩浆侵入活动以及伴随的热液活动存在明显的成因联系, 即使是产出变质岩或沉积岩中, 也可以被认作是岩浆热液活动远端的产物(Goldfarb et al., 2001; Mao et al., 2004; Abzalov,2007)。所以兴蒙造山带乃至整个中亚造山带, 可能在二叠纪时期发育有一次与伸展背景下花岗质岩浆活动相关的金成矿事件, 找矿潜力巨大。

5 结论

(1)图古日格金矿床主成矿阶段蚀变绢云母的40Ar-39Ar坪年龄为(258.9±1.6) Ma(MSWD=0.69),等时线年龄为(259.2±2.9) Ma(MSWD=5.4), 结合前人的研究, 将图古日格金矿床的成矿年龄限定在268～259 Ma。

(2)图古日格金矿床与矿区内的似斑状花岗岩具有紧密的成因关系, 是与花岗质岩浆活动有关的金矿床。

(3)兴蒙造山带乃至整个中亚造山带, 可能在二叠纪时期发育有一次与伸展背景下花岗质岩浆活动相关的金成矿事件, 找矿潜力巨大。

致谢:野外工作得到了核工业二零八大队图古日格金矿邵国钰、赵宇川等地质同行的大力支持和帮助;绢云母40Ar/39Ar测试工作得到了中国地质科学院地质研究所Ar-Ar同位素地质实验室相关工作人员的帮助; 论文修改过程中编辑和匿名审稿专家提出了宝贵意见, 在此一并表示感谢!

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 42002099), Natural Science Foundation of Shandong Province (Nos.ZR2018QD002, and ZR2020QD031), Key Technology Research and Development Program of Shandong Province (No. 2019GSF109101), and Geological Exploration Project of the Shandong Province (No.SDGP370000202002001782).