胶东大邓格金多金属矿床成矿机制：来自黄铁矿Rb-Sr定年、原位硫同位素及微量元素的制约*

王美云 李杰 宋明春 张丽鹏 唐宗源 丁正江

胶东目前已探明黄金资源储量5000余吨,是世界最重要的金矿集区之一,已探明的中型以上金矿几乎全部集中分布在胶东半岛西部和中部的胶西北、栖蓬福和牟乳成矿区,有色金属矿床则主要分布在胶东半岛中东部地区(宋明春等,2015,图1a)。胶东东部的荣成有色金属成矿区中已探明铅锌、铜、钼及多金属矿床(点)20余处(图1b),同时,该区也已发现了少量的金矿床和金多金属矿床,显示出了良好的金及有色金属矿成矿远景,是山东省重要的有色金属矿产地(孔庆友等,2006;丁正江等,2013)。

图1 胶东东部伟德山地区区域地质矿产简图(据丁正江等,2013修改)1-第四系;2-白垩纪青山群火山岩系;3-古元古代荆山群变质岩系;4-新元古代花岗岩;5-新元古代花岗闪长岩;6-新元古代花岗闪长质片麻岩;中生代伟德山序列：7-崮庄单元细粒辉石角闪石英二长闪长岩;8-洛西头单元含粗斑中粒角闪黑云石英二长岩;9-大水泊单元疏粗斑中粒含黑云角闪石英二长岩;10-不落耩单元疏巨斑中粗粒含角闪石英二长岩;11-崖西单元疏粗斑中粒含角闪二长花岗岩;12-虎头石单元细粒二长花岗岩;13-石英闪长玢岩;14-闪长玢岩;15-花岗斑岩;16-二长斑岩;17-断裂;18-金矿集中分布区(J-胶西北成矿区;Q-栖霞-蓬莱-福山成矿区;M-牟平-乳山成矿区);19-有色金属集中分布区(QF-栖霞-福山成矿区;R-荣成成矿区);20-金矿;21-银矿;22-铜矿;23-铅锌矿;24-钼矿Fig.1 Simplified geological map of the Weideshan region in the eastern part of the Jiaodong Peninsula (modified after Ding et al.,2013)1-Quaternary;2-Cretaceous Qingshan Group volcanic rock series;3-Paleoproterozoic Jingshan Group metamorphic rock series;4-Neoproterozoic granite;5-Neoproterozoic granodiorite;6-Neoproterozoic granodiorite gneiss;Mesozoic Weideshan granite series：7-Guzhuang lithologic unit,fine-grained pyroxene hornblende quartz monzodiorite;8-Luoxitou lithologic unit,medium grained quartz monzonite containing coarse porphyritic hornblende biotite;9-Dashuipo lithologic unit,medium grained quartz monzonite containing coarse porphyritic hornblende biotite;10-Buluojiang lithologic unit,medium-coarse grained quartz monzonite containing coarse porphyritic hornblende biotite grain;11-Yaxi lithologic unit,medium-grained coarse porphyritic hornblende-bearing monzogranite;12-Hutoushi lithologic unit,fine-grained monzogranite;13-porphyritic quaitzdiorite;14-porphyritic diorite;15-granite porphyry;16-porphyritic monzonite;17-faults;18-gold deposit concentration district (J-Northwest Jiaodong metallogenic region;Q-Qixia-Penglai-Fushang metallogenic region;M-Muping-Rushan metallogenic region);19-nonferrous metal deposit concentration district (QF-Qixia-Fushan metallogenic region;R-Rongcheng metallogenic region);20-gold deposit;21-silver deposit;22-copper deposit;23-lead and zinc deposit;24-molybdenum deposit

胶东金矿一直是国际研究热点,前人对胶东金矿的成矿年代、成矿物质和流体来源、成矿机制、构造背景等进行了大量深入研究,先后提出了绿岩带型金矿(杨敏之和吕古贤,1996)、混合岩化岩浆热液成矿(朱奉三,1980)、岩浆期后热液成矿(李士先等,2007)、幔源煌斑岩与金矿化有成因联系(孙丰月等,1995;罗镇宽等,2001)、造山型金矿(Goldfarbetal.,2001;毛景文等,2003;Zhou and Lü,2000;陈衍景等,2004;蒋少涌等,2009)、胶东型金矿(翟明国等,2004;宋明春,2015;杨立强等,2014;Lietal.,2015;Dengetal.,2015)、克拉通破坏型金矿(朱日祥等,2015)、热隆-伸展成矿(Songetal.,2015,2021,2023)等认识。胶东金矿成矿时代主要集中在120Ma左右(Dengetal.,2020b;Lietal.,2012;Sunetal.,2013;Sun,2015;Zhangetal.,2020;朱日祥和孙卫东,2021),形成于挤压向伸展转换的构造背景(陈衍景等,2004;Sunetal.,2007;Lietal.,2012),成矿流体受壳-幔深部过程制约,与幔源流体及深变质流体有关(Maoetal.,2003;Zhangetal.,2008;Zhuetal.,2009;Lietal.,2013,2021a;Shenetal.,2013),与晚中生代岩浆活动关系密切(Maoetal.,2003;毛景文等,2005;宋明春等,2010;杨立强等,2014)。

由胶东半岛西部到东部,金矿床呈现出数量和规模趋减、有色金属矿床数量和规模渐增的变化规律(李杰,2012;宋明春等,2015;丁正江等,2015;Songetal.,2017),形成了由“纯金型矿”—“金混合多金属型矿”—“单一有色金属矿”组成的成矿系列链条。大邓格金多金属矿床恰好处于这一链条的关键部位,是联系胶东中西部金矿和东部有色金属矿成矿作用的纽带,是研究胶东金矿与有色金属矿成因联系的不可多得的典型矿床,对认识胶东金及有色金属矿床成矿系列演化及成矿环境变化具有重要指示意义。大邓格金多金属矿床中的金与多金属矿体呈同体共生、异体共生,部分为独立的金、银、铅锌矿体,与胶东典型的蚀变岩型(焦家式)金矿、石英脉型(玲珑式)金矿以及有色金属矿床相比具有明显不同的特征：一是胶东金矿多为“纯金型”金矿(Phillips and Powell,2015),仅共(伴)生的银和硫能达到工业利用价值,而大邓格金矿共(伴)生的银、铅、锌、铜等多金属矿产,且均达到了工业利用的规模;二是胶东有色金属矿床大多为“单一有色金属矿”,一般不与金矿伴生,而大邓格矿床表现出“金矿混合多金属矿”产出的特征;三是成矿的大地构造位置明显不同,大邓格矿床处于苏-鲁造山带最东端的威海超高压变质带内,而胶东金矿床主要分布于华北克拉通东南缘的胶北地体中;四是大邓格矿床远离胶东金矿的主要“赋矿地质体”(如玲珑花岗岩、郭家岭花岗岩以及胶东岩群),而是赋存于新元古代荣成片麻岩套中,以及早白垩世伟德山花岗岩体外围。

前人对该区域的有色金属矿进行了研究,并初步探讨了有色金属矿与金矿及岩浆活动的关系(李杰,2012;李杰等,2018,2020a;丁正江等,2013;宋明春等,2015;Songetal.,2017,2020),也对大邓格金多金属矿床的地质地球化学特征及蚀变过程中元素的迁移行为作了探讨(李杰等,2016;倪璋懿等,2022)。但大邓格矿床的成矿年龄一直没有直接确定,成矿过程和地球动力学背景还不明确。本文在对大邓格金多金属矿床开展详细野外地质调查和室内观察的基础上,厘定了矿物成生顺序及其关系,划分了成矿期次和阶段,开展了黄铁矿Rb-Sr定年、LA-(MC)-ICPMS原位微区S同位素和微量元素分析,结合区域地质背景和成岩成矿特征,探讨了成矿机制和地球动力学背景,以期为该区同类型矿床找矿提供参考依据。

1 区域地质概况与矿床地质特征

1.1 区域地质概况

胶东半岛横跨了华北板块东南缘与大别-苏鲁造山带北东端(图1a),经历了三叠纪晚期扬子板块与华北板块碰撞拼贴,之后叠加太平洋板块俯冲碰撞(Wangetal.,1995;Zhengetal.,2003;郭敬辉等,2005;丁正江等,2015);形成了三叠纪超高压变质岩、侏罗纪-白垩纪大规模的岩浆作用和白垩纪金矿大爆发(陈衍景等,2004;Songetal.,2020)。

大邓格矿区处在苏-鲁造山带北东端的鲁东折返带(超高压带)之威海隆起区北部(图1a)。区域上出露的地层主要为古元古代荆山群、中生代白垩纪莱阳群和青山群、新生代第四系(图1b)。荆山群主要出露野头组定国寺段(岩性为透辉石大理岩、石墨大理岩)和禄格庄组安吉村段(岩性为黑云片岩、二云石英片岩)。荆山群的原岩为一套富镁铁质的碎屑岩、灰岩,夹少量火山熔岩(孙丽伟,2015),呈规模不等的椭圆状残留体分布于荣成片麻岩套中。中生代地层主要分布在俚岛盆地中,其中莱阳群出露法家莹组,岩性为复成分砾岩、砂岩、粉砂岩等,为一套陆源碎屑沉积;青山群主要出露八亩地组、石前庄组,是一套形成于陆内裂谷环境的由酸性-中基性-酸性-偏碱性火山岩及火山碎屑岩组成的陆相火山盆地沉积,由早到晚岩石中碱性物质成分增加(唐华风等,2003;施炜等,2003;李金良等,2007;付文钊等,2014)。

岩浆岩主要发育中生代早白垩世侵入岩和新元古代花岗岩类(荣成片麻岩套),少量侏罗纪玲珑型花岗岩和古元古代海阳所基性-超基性岩组合。早白垩世侵入岩为呈岩基状分布的伟德山花岗岩序列,各单元呈环带状分布,由外到内依次出露崮庄、洛西头、大水泊、不落耩、崖西、虎头石等单元。伟德山花岗岩为壳幔混合型花岗岩(张华锋等,2006;宋明春等,2015),侵位结晶年龄为118～110Ma(丁正江等,2013;李杰等,2018;Songetal.,2020),与该区燕山晚期铜-钼-铅锌-银-金多金属矿化关系密切(李杰,2012;丁正江等,2015;宋明春等,2015;Songetal.,2017)。同时,区域内脉岩发育,主要有煌斑岩脉、石英闪长玢岩脉、闪长玢岩脉、花岗斑岩脉、二长斑岩脉等,大致呈东西向展布(图1b)。

区域构造变形复杂,发育NE向及近SN向前寒武纪韧性变形带,与荆山群片麻理方向一致;中生代以来构造活动强烈,形成一系列断裂构造,以NW向、NE向和NNE向为主。NW向俚岛断裂控制了俚岛盆地的边界,呈舒缓波状展布,断裂带内岩石破碎,发育构造角砾岩、碎裂岩,具有褐铁矿化、绢英岩化、硅化等,该断裂控制了庙院、金角口等铜、铅锌矿床。NE向断裂主要发育在伟德山岩体北西侧外围,控制了大邓格、同家庄、产里、罗家等金、银、铅锌矿床(图1b)。

1.2 矿区地质特征

大邓格矿区出露的地层主要为呈椭圆状残留体分布的古元古代荆山群,其岩性为透辉石大理岩、石墨大理岩、二云石英片岩和黑云片岩。矿区北部滨海地段及南部低洼处发育新生代第四系临沂组,岩性为砂、砂质粘土、砂砾层等(图2a)。透辉石大理岩呈纯白色,中粗粒自形变晶结构,主要由方解石、透辉石及少量石英等组成。石墨大理岩呈青灰-灰绿色,粒状变晶结构,主要矿物成分为方解石,含不定量的石墨。黑云片岩呈深灰-灰黑色,鳞片变晶结构,片状构造,主要由黑云母、长石、石英等组成。二云石英片岩呈浅黄-浅灰白色,鳞片变晶结构,片状构造,主要由石英、黑云母、白云母组成(李杰等,2016)。

图2 大邓格金多金属矿区地质图(a)和8号勘探线地质剖面图(b,据李杰等,2016修改)1-第四系;2-古元古代荆山群定国寺段透辉石大理岩;3-古元古代荆山群安吉村段黑云片岩;4-白垩纪伟德山序列崮庄单元细粒辉石石英闪长岩;5-新元古代荣成片麻岩套泊于单元条纹状中细粒含角闪黑云花岗闪长岩质片麻岩;6-新元古代荣成片麻岩套威海单元条带状细粒含黑云二长花岗质片麻岩;7-中元古代长城纪海阳所组合老黄山单元变辉长岩、斜长角闪岩;8-中元古代长城纪海阳所组合通海单元蛇纹岩、含橄榄透闪石岩;9-石英脉;10-石英闪长玢岩;11-煌斑岩;12-黄铁绢英岩化碎裂岩;13-矿体;14-勘查区;15-钻孔Fig.2 Geologic map of the Dadengge gold polymetallic deposit (a),and geological profile of the 8th exploration line (b,modified after Li et al.,2016)1-Quaternary;2-Proterozoic Jingshan Group Dingguosi Member：diopside marble;3-Proterozoic Jingshan Group Anjicun Member：biotite schist;4-Cretaceous Weideshan granite series Guzhuang unit：fine-grained pyroxene quartz diorite;5-Proterozoic Rongcheng gneiss suite Poyu Unit：striated medium-granule hornblende-bearing biotite granodioritic gneiss;6-Proterozoic Rongcheng gneiss suite Weihai Unit：stripped granule biotite-bearing monzonitic granitic gneiss;7-Proterozoic Changcheng Period Haiyangsuo Combination Laohuangshan Unit：meta-gabbro,diabase,plagioclase amphibolite;8-Proterozoic Changcheng Period Haiyangsuo Combination Tonghai Unit：serpentinite,tremolite rock including olivine;9-quartz veins;10-quartz diorite porphyry;11-lamprophyre;12-cataclasite with pyritization,sericitization and greisenization;13-ore body;14-exploration area;15-drill hole

矿区内主要发育NNE向断裂构造(F1),其次为NNW向(F2)和NE向断裂(F3),均发育在新元古代荣成片麻岩套中。F1是区内的主要控矿断裂带,几乎贯穿矿区南北,断裂不连续出露,可分为北、中、南三段,大致呈成雁列式分布,总长度约为2350m,宽2～25m,走向介于5°～45°之间,总体走向17°左右,倾向SE,倾角变化较大,在19°～60°之间,平均为35°,平面上呈现出舒缓波状的变化特点。构造带内岩石破碎,局部见构造角砾岩。野外观测的阶步、擦痕以及主断裂南、北段两侧的张性支断裂产状指示该断裂性质为左行压扭性,随着应力的释放,在断裂的分支复合部位出现的张性空间为成矿提供了有利条件。

矿区内岩浆岩主要为新元古代荣成岩套片麻状花岗闪长岩和中生代伟德山花岗岩。荣成片麻岩套显示有中深层次韧性变形现象,岩性包括条纹状中细粒含角闪黑云花岗闪长质片麻岩(泊于单元)和条带细粒含黑云二长花岗质片麻岩(威海单元)。黑云花岗闪长质片麻岩呈浅灰色,中粒花岗结构,片麻状、条带状构造,主要由长石、石英、黑云母及少量角闪石、磷灰石、褐帘石等组成;黑云二长花岗质片麻岩呈灰白-浅灰色,中细粒花岗结构,块状、片麻状构造,主要由长石、石英、黑云母及少量磁铁矿、锆石等组成。伟德山花岗岩之崮庄单元呈岩株状侵入于荣成岩套中,其岩性为细粒角闪黑云辉石石英闪长岩,岩石呈灰-灰绿色,细粒花岗结构,块状构造,主要由长石、角闪石、石英、辉石等组成。有少量中元古代海阳所变辉长岩和斜长角闪岩以包体形式残留于荣成岩套中。另有中生代煌斑岩脉、石英闪长玢岩脉及石英脉出露(图2a;李杰等,2016)。

1.3 矿床地质特征

1.3.1 矿体特征

矿区内共圈定12条(Ⅰ～Ⅻ号)矿化蚀变带,其中,Ⅰ号矿化蚀变带规模最大,蚀变和矿化最强,主要的矿体都分布在该蚀变带中。矿区共发现金及多金属矿体24个,从剖面上看,矿体主要分布在-400m标高以浅,既有独立产出的单一金(11个)、银(2个)、铅锌矿体(1个),也有金与多金属共生的矿体(10个),共生的矿体往往规模较大(图2b)。

对全部矿体统计显示,矿体沿走向长度在40～380m之间,沿倾向长度在40～378m之间,厚度在0.80～4.91m之间,平均厚度2.33m,总体走向10°～40°,倾向SE,倾角在25°～60°之间。主要矿体成脉状产出,其他次要矿体呈脉状、透镜状产出(图2b)。矿床金平均品位3.65g/t,银平均品位198.41g/t;铅平均品位2.04%;锌平均品位2.49%(山东省第六地质矿产勘查院,2016(1)山东省第六地质矿产勘查院.2016.山东省威海市经济技术开发区大邓格矿区金及多金属矿详查报告.1-110)。

Ⅰ-1号矿体是该矿床最大的、最具代表性的矿体,其矿石量占矿床总量的46.44%,为金、银、铅、锌、铜共生矿体,金为主要矿种。矿体赋存于Ⅰ号蚀变带北段的黄铁矿石英脉及黄铁绢英岩化碎裂岩中,赋矿标高在+43～-215m之间。矿体沿走向长380m,沿倾向长378m,真厚度0.44～5.88m,平均厚度为2.38m,走向10°左右,倾向SE,倾角30°～51°。矿体呈似层状、大脉状,具分枝复合、膨胀夹缩特点(图2b)。金平均品位2.01g/t,银平均品位156.18g/t;铅平均品位2.23%;锌平均品位1.97%,铜品位0.78%。

1.3.2 矿化特征

大邓格金多金属矿床的矿石类型主要有两类：黄铁矿石英脉型(图3a)和细脉-浸染状黄铁绢英岩化碎裂岩型(图3b),后者是金矿石的主要类型。矿床伴生硫平均品位3.41%,因此,矿石的工业类型为低硫型多金属矿石。矿石中主要矿石矿物为黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、银金矿,少量褐铁矿、黄铜矿等。脉石矿物主要有：石英、斜长石、绢云母、方解石等,少量磁铁矿、绿帘石等。

图3 大邓格金多金属矿床矿石及显微照片(a)石英脉型矿石(金-银-铜-铅-锌共生),金属硫化物主要发育在石英脉两侧及内部裂隙中;(b)硅化绢英岩化碎裂岩型矿石(金矿体),黄铁矿主要呈浸染状或星点状;(c)硅化碎裂岩型矿石(铅锌-金共生);(d)银金矿沿磁黄铁矿与石英+绢云母的边缘嵌布;(e)闪锌矿与黄铜矿、方铅矿共生,可见黄铜矿呈乳滴状出溶于闪锌矿中;(f)闪锌矿和黄铜矿包裹于方铅矿之中;(g)黄铁矿、黄铜矿与方铅矿共生;(h)黄铁矿、闪锌矿与方铅矿共生;(i)黄铁矿、闪锌矿与方铅矿共生(背散射电子成像).Py-黄铁矿;Ccp-黄铜矿;Gn-方铅矿;Sp-闪锌矿;Pyr-磁黄铁矿;Elt-银金矿;Qtz-石英;Ser-绢云母Fig.3 Graphs and micrographs of ores from the Dadengge gold polymetallic deposit(a) quartz vein type ore (paragenesis of Au-Ag-Cu-Pb-Zn),metal sulfide is mainly developed in both sides and internal fractures of quartz vein;(b) silicified sericite cataclastic rock type ore (gold ore body),pyrite is mainly disseminated or star-shaped;(c) silicified cataclastic rock type ore (paragenesis of Pb-Zn-Au);(d) electrums are distributed along the edge of pyrrhotite quartz and sericite;(g) paragenesis of pyrite,chalcopyrite and galena;(h) paragenesis of pyrite,sphalerite and galena;(i) paragenesis of pyrite,sphalerite and galena (BSE).Py-pyrite;Ccp-chalcopyrite;Gn-galena;Sp-sphalerite;Pyr-pyrrhotite;Elt-electrum;Qtz-quartz;Ser-sericite

自然金矿物以银金矿为主,次为金银矿,金的成色在297～774之间,平均为532。金矿物以微细粒金为主,细粒金次之,中粒金少量;形态以角粒状为主,麦粒状、枝叉状、长角粒状、浑圆粒状次之,尖角粒状、针状、片状少量;赋存状态以晶隙金、裂隙金为主,包体金少量(图3d)。

黄铁矿是矿石中含量较多的金属硫化矿物,也是最主要的载金矿物,与银金矿关系极为密切,二者常呈他形嵌连,黄铁矿含量与金品位呈正相关。黄铁矿晶形主要呈半自形-他形晶粒状,粒度在0.5～0.1mm之间,颜色多呈暗黄色,以浸染状或团块状分布于石英等脉石矿物中(图3b),或以不规则细脉状与磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿聚集沿裂隙充填或沿石英晶隙嵌布(图3c,g,h)。本次研究对黄铁矿进行背散射电子扫描成像(BSE)和电子探针(EPMA)分析发现,不同晶形和不同期次黄铁矿的成分较为均一、结构简单(未见环带生长结构)(图3i),反映出其形成环境的稳定性。这与焦家深部金矿床的黄铁矿特征十分相似(李杰等,2020b)。

方铅矿是矿石中含量最高的金属硫化矿物,铅灰色,常见与黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿呈他形嵌连沿石英晶隙嵌布,另见方铅矿包裹于闪锌矿之中,还见有少量方铅矿沿石墨片理呈他形充填。方铅矿粒度0.02～1mm,粗大的方铅矿中有时含有黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿及脉石矿物的细小包裹体(图3f,h)。

黄铜矿呈铜黄色,他形晶粒状,少数为不规则状,沿早期黄铁矿、石英裂隙充填分布,在黄铜矿中可偶见包体金,有时黄铜矿单独或与方铅矿、闪锌矿集合体浸染状分布于脉石中(图3f,g),少量呈乳滴状出溶于闪锌矿中(图3e)。

闪锌矿呈黑褐色,一般呈他形,部分呈不规则棱角状,单独或与黄铁矿、方铅矿、黄铜矿集合体浸染状分布于石英脉石矿物中,粒度0.01～0.5mm(图3e,f,h)。

1.3.3 成矿阶段

根据脉体之间的穿切关系、矿石组构、矿化蚀变与矿石品位等特征,可将大邓格金多金属矿床的热液成矿期分为四个阶段(图4)：第Ⅰ阶段为黄铁矿化-绢英岩化阶段,主要表现为绢英岩化,黄铁矿化相对较弱,呈薄膜状、浸染状,无金矿化;第Ⅱ阶段为金-石英-黄铁矿化阶段,主要表现为硅化、黄铁矿化,石英呈团块状或不规则脉状,黄铁矿呈细脉浸染状或星点状,黄铁矿较前一阶段的颜色变暗,金属光泽较强,具裂纹,颗粒变大,以半自形晶粒状为主;第Ⅲ阶段为金-石英-多金属硫化物阶段,表现为黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿等多金属硫化物沿石英脉两侧及内部发育,整体呈细脉、网脉状,切割早阶段黄铁矿石英脉,该阶段黄铁矿以五角十二面体和细粒状为主,少量立方体或碎块状,灰黄色,光泽暗,在黄铁矿、石英等裂隙中可见银金矿颗粒,该阶段为金的主成矿阶段;第Ⅳ阶段为石英-碳酸盐化阶段,该阶段无明显金属硫化物矿化,碳酸盐细脉切割之前的石英脉或呈细脉状单独发育于绢英岩化碎裂岩中。

图4 大邓格金多金属矿床成矿阶段及矿物生成顺序Fig.4 Paragenetic sequence of the Dadengge gold polymetallic deposits

2 样品与测试方法

2.1 样品

本次研究在详细的野外地质调查及镜下观察基础上,选取了大邓格矿区Ⅰ号矿体,采集钻孔岩心中不同类型矿石样品12件。初步处理后的样品送至廊坊市宏信地质勘查技术服务有限公司加工处理,磨制各类薄片,挑选黄铁矿、石英等单矿物,对其开展显微镜下观察和X射线物相分析,保证其纯度大于99%。测试所用的黄铁矿主要呈浸染状、星点状分布,自形-半自形晶粒状结构,粒径多在1～5mm之间(图3f,g,j)。

2.2 测试方法

2.2.1 黄铁矿Rb-Sr法定年

用去离子水清洗挑纯的单矿物,在低温下烘干,然后将单矿物在玛瑙研钵内研磨至200目备用。为确保黄铁矿单矿物同位素定年的可行性,我们首先在核工业地质分析测试研究中心对Rb、Sr微量元素含量进行测定,挑选适合定年的样品在中国科学院土壤研究所技术服务中心进行了Rb、Sr元素含量及同位素比值测定。具体测试过程如下：200目粉末样品用混合酸多次硝化溶解成清液,静置12h,将该溶液一分为二,分别用于测定同位素比值(不加稀释剂)和同位素含量(加稀释剂),取清液上离子交换柱分离,采用高压密闭熔样和离子交换技术分离提纯,采用英国制造的VG354多接收同位素质谱仪测定。详细实验流程见Wangetal.(2007)和王银喜等(2007)。

用于黄铁矿Rb-Sr实验测定的美国NBS987同位素标样为87Sr/86Sr=0.710241±0.000007(2σ,n=8),Sr的全流程空白为3×10-9g,86Sr/88Sr=0.1194为标准化值;等时线年龄计算用ISOPLOT程序(Ludwig,2003)。

2.2.2 硫化物原位微区S同位素分析

硫化物原位微区S同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成,采用LA-MC-ICPMS进行分析。分析使用Resolutionm-50 193nm气态准分子激光剥蚀系统与Nu1700大型高分辨率质谱联用技术。实验过程中,使用的激光能量密度为10J/cm2,频率为10Hz,剥蚀斑束为44μm,剥蚀方式为单点剥蚀,载气为高纯氦气(280mL/min),补充气体为Ar,一般为0.96L/min。数据采集模式为TRA模式,积分时间为0.2s,背景采集时间为30s,样品积分时间为50s,吹扫时间为70s(Chenetal.,2017;Baoetal.,2017;Yuanetal.,2018)。

2.2.3 黄铁矿原位微区微量元素分析

黄铁矿LA-ICPMS微量元素分析在河北地质大学河北省战略性关键矿产资源重点实验室完成。采用美国Thermo ScientificTM iCAPTM RQ系列电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和193nm高能ARF2准分子激光系统(ASCTM RESOlution-LR型激光剥蚀系统),通过激光烧蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)测定黄铁矿的微量元素含量。使用激光束直径约为29μm、频率为6Hz、能量密度约为3.0J/cm2,每个测试点的分析时间为35s(Wangetal.,2022)。氦气被用作烧蚀气体以提高烧蚀气溶胶的传输效率。NIST 612用作标准物质,NIST 610用于数据质量控制,29Si用作内标。根据ICPMSDataCal软件进行元素含量计算(Liuetal.,2008,2010),其中V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Mo、Cd、In、Sn、Sb、Au采用MASS-1作为标准;其他元素采用NIST 610作为标准。对于大多数微量元素(>0.10mg/g),准确度优于±10%,分析精度(1RSD)为±10%。

3 分析结果

3.1 黄铁矿Rb-Sr等时线年龄

对5件主成矿阶段(第Ⅲ成矿阶段)的黄铁矿样品开展了Rb-Sr同位素组成分析,测试结果列于表1。黄铁矿样品的Rb和Sr含量变化范围较大,分别为0.2017×10-6～1.961×10-6和1.057×10-6～5.486×10-6。相应的87Rb/86Sr值和87Sr/86Sr值也具有较大的变化范围,分别为0.1083～5.492和0.711028～0.719431,这有利于等时线年龄的获得。计算得到5件样品的等时线年龄为109.8±1.7Ma(MSWD=1.4;图5),相应的87Sr/86Sr初始比值为0.710847±0.000065。本次实验构筑黄铁矿Rb-Sr等时线横坐标的87Rb/86Sr和纵坐标的87Sr/86Sr变化范围较大,黄铁矿等时线MSWD值接近于1,具有很好的线性关系。这一年龄代表了其形成时代,即大邓格金多金属矿床形成于早中生代晚期。

图5 大邓格金多金属矿床黄铁矿Rb-Sr等时线图Fig.5 Pyrite Rb-Sr isochron for the Dadengge gold polymetallic deposit

表1 大邓格金多金属矿床黄铁矿Rb-Sr同位素组成Table 1 Rb-Sr isotopic compositions of pyrites from the Dadengge gold polymetallic deposit

3.2 硫化物LA-MC-ICPMS原位S同位素组成

对矿石样品的黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿进行了LA-MC-ICPMS原位微区S同位素分析,分析结果见表2。硫同位素的组成表示为δ34SV-CDT=[(34S/32S)样品/(34S/32S)标样-1]×1000,标准为迪亚布洛峡谷铁陨石中陨硫铁(V-CDT)。测试结果表明黄铁矿和闪锌矿的硫同位素一致,具有很小的变化范围,它们的δ34SV-CDT的范围分别为5.97‰～6.65‰(均值6.38‰)和5.95‰～6.48‰(均值6.29‰)。黄铜矿具有相对大的硫同位素变化范围,δ34SV-CDT的范围为-1.20‰～6.40‰,均值3.67‰。

表2 大邓格金多金属矿床硫化物LA-MC-ICPMS硫同位素组成Table 2 LA-MC-ICPMS sulfur isotopic compositions of sulfides from the Dadengge gold polymetallic deposit

3.3 黄铁矿LA-ICP-MS微量元素特征

矿石中载金矿物黄铁矿的LA-ICP-MS微量元素含量测试结果列于表3中。共测试了Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、As、Se、Rb、Sr、Zr、Mo、Ag、In、Sn、Sb、Ba、Au、Tl、Pb、Bi等21个微量元素。其中,Co和Ni的含量较高,变化范围分别为13.7×10-6～1641×10-6和366×10-6～13064×10-6,相应的Co/Ni比值介于0.03～1.36之间。所测试样品中具有较高含量的Cu(0.07×10-6～1119×10-6)、Pb(1.28×10-6～18005×10-6)、Zn(4.39×10-6～515×10-6)、Ge(1.22×10-6～5.05×10-6)、Sb(0.26×10-6～36848×10-6),一定量的As(0.64×10-6～60.3×10-6)、Ag(0.31×10-6～270×10-6),和低含量的Au(0.01×10-6～0.05×10-6)、Bi(0.01×10-6～0.13×10-6)等元素。

表3 大邓格金多金属矿床黄铁矿微量元素组成(×10-6)Table 3 Trace element compositions of pyrites in the Dadengge gold polymetallic deposit (×10-6)

4 讨论

4.1 成矿时代及早白垩世晚期成矿事件

热液脉型金属矿床成矿时代的确定主要有两种方式：测定矿石矿物的形成年龄或与矿化蚀变有关的蚀变矿物的形成年龄。本研究通过矿石矿物黄铁矿Rb-Sr同位素定年限定大邓格金多金属矿床的成矿时代。黄铁矿Rb-Sr等时线定年表明大邓格金多金属矿床的矿化年龄为109.8±1.7Ma(MSWD=1.4),这一年龄与矿区南侧伟德山岩体崮庄单元的锆石U-Pb年龄111.7±0.6Ma一致(李杰等,2018),表明成矿作用与岩浆活动同时发生。在胶东苏-鲁造山带中产出多处有色金属矿化,前人对其中的辉钼矿进行了Re-Os同位素测年,例如崮庄岩体中辉钼矿的年龄为112.7±1.8Ma(李杰等,2020a)、冷家钼矿床的年龄为113.6±1.6Ma(Songetal.,2017)、牙山岩体中辉钼矿化年龄约为115Ma(李杰等,2013;Chengetal.,2017;Xieetal.,2022)。可见,胶东东部在约115～110Ma的早白垩世晚期发生了有色金属矿化事件。

大量年代学研究表明,早白垩世胶东地区发生了以金为主的大规模成矿作用,金成矿时间集中在约120Ma左右(Dengetal.,2020b;Lietal.,2012;Sunetal.,2013;Sun,2015;Zhangetal.,2020;朱日祥和孙卫东,2021)。研究发现,胶东东部金矿的年龄略晚于西部,如在苏-鲁造山带中的牟乳金成矿带,Lietal.(2006)获得乳山金矿的形成年龄为107.7～109.3Ma,Dengetal.(2020a)获得乳山金矿的形成年代为114.2±1.5Ma。这些年龄值与胶东的有色金属矿及本文测试的大邓格金多金属矿床的矿化年龄一致,这表明胶东地区存在与早白垩世晚期有色金属成矿同时的金矿化作用。综合前人及本文的研究认为,胶东地区在早白垩世早中期 (约125～115Ma) 大规模金成矿之后,于白垩世晚期(约115～110Ma)发生了金及有色金属矿成矿事件,二者为连续发生的、有密切成因联系的同一成矿系列(宋明春等,2022)。

4.2 成矿物质来源

限定成矿物质来源是解决矿床成因的关键一环。矿石矿物的同位素和元素组成能够对它们的来源提供直接的证据。本研究获得的大邓格金多金属矿床的硫同位素组成数据表明,δ34S值介于-1.20‰～6.65‰之间,平均值为5.31‰,整体呈富集34S的特征,且呈现出δ34S黄铁矿>δ34S闪锌矿>δ34S黄铜矿的特点。已有研究表明,热液系统中在热力学平衡状态下,体系的硫同位素组成达到平衡时,硫化物的34S富集顺序为：辉钼矿>黄铁矿>闪锌矿(磁黄铁矿)>黄铜矿>铜蓝>方铅矿>辰砂>辉铜矿(辉锑矿)>辉银矿(郑永飞和陈江峰,2000),大邓格金多金属矿床主要硫化物的δ34S值变化符合这一顺序,表明硫同位素组成在成矿体系中基本达到平衡,硫化物的硫同位素组成代表了成矿流体中的硫同位素组成。不同矿物比较而言,黄铁矿的δ34S值最高,闪锌矿的δ34S值与黄铁矿接近,而且二者的变化范围较小(分别为5.97‰～6.65‰和5.95‰～6.48‰);黄铜矿的δ34S平均值显著低于黄铁矿和闪锌矿,而且具有较大的变化范围,其高值部分(4.60‰～6.40‰)与黄铁矿和闪锌矿接近,低值部分接近于0值。这种不同矿物δ34S值分布特点的差异,指示硫化物的硫源不具有单一性。大邓格金多金属矿床的H-O同位素和流体包裹体研究同样指示成矿物质来源具有多源性,成矿流体与壳幔相互作用密切相关,同时受到了浅部壳源物质的混染作用(李杰等,2016)。

前人对胶东金矿的硫同位素组成作了大量研究(李士先等,2007;宋明春等,2013;Dengetal.,2020b;Fengetal.,2020;李杰等,2020b,2021,2022;张义东,2018;姜梦瑶,2019;安梦莹,2021),大邓格金多金属矿床的δ34S值低于典型的胶东金矿床(δ34S值主要集中在6.0‰～10.0‰,李杰等,2022),与胶东的石英脉型金矿较为接近(δ34S平均值为5.5‰～7.8‰),明显低于蚀变岩型金矿(δ34S平均值为6.5‰～11.1‰)。对前人测试的胶东主要地质单元的硫同位素组成统计表明,新太古代TTG岩系的δ34S值最低且变化范围小,为1.0‰～3.0‰;新太古代胶东岩群的δ34S 值变化范围大,为0～15.4‰,平均5.0‰;荆山群和粉子山群δ34S值最高,为8.2‰～13.6‰;晚中生代花岗岩类的δ34S值为3.8‰～16.0‰,中基性脉岩的δ34S值为5.3‰～10.8‰(李杰等,2022)。大邓格金多金属矿床的δ34S值位于胶东主要地质单元和金矿床的δ34S值范围内,但总体偏低。指示成矿物质既有δ34S值较高的壳源物质,也有低δ34S值的幔源物质参与。因此认为,矿床硫同位素组成是由来自地幔的原始岩浆流体在上侵过程中混染了地壳硫的混合硫。

黄铁矿是矿床的最重要载金矿物,而且与黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等共生。黄铁矿中的微量元素组成能够反映其成生环境、形成过程和成矿温度等,特别是其中的Co和Ni能够以类质同象的形式取代Fe,因而Co/Ni值能够指示成矿条件的变化(Brill,1989)。一般而言,Co/Ni值越小,代表黄铁矿的形成温度越低(盛继福等,1999;胡瑛等,2009)。而且不同成因黄铁矿的Co/Ni值有明显的差别：如沉积成因的通常小于1,热液成因的平均值约为1.7,且一般小于5;与火山成因有关的通常大于5,主要在5～50之间(Braliaetal.,1979)。大邓格金多金属矿床中黄铁矿的Co/Ni值介于0.03～1.36之间,平均为0.27,指示成矿温度较低。大邓格金多金属矿床黄铁矿的Co、Ni含量比胶西北典型金矿床中黄铁矿的Co、Ni含量高,与岩浆热液型金矿中的平均含量(Co含量587×10-6、Ni含量295×10-6)相近,但Co/Ni值偏低,明显低于岩浆热液型金矿(Co/Ni=8.16)和变质热液型金矿(Co/Ni=0.60,Yanetal.,2014;郭林楠等,2019)。在Co-Ni关系图(图6)中,大邓格金多金属矿床的黄铁矿投点在岩浆成因区的正下方,以及沉积成因和热液成因区的右下方,主要位于Co/Ni=1的线以下,指示黄铁矿受浅部流体作用的影响。

图6 大邓格金多金属矿床黄铁矿Co-Ni分布图(底图据Bajwah et al.,1987;Brill,1989)大邓格金多金属矿床黄铁矿数据为本文测得,其他数据据宋明春等,2013;陈炳翰等,2014;郭林楠等,2019;朱照先等,2020;李杰等,2020bFig.6 Co-Ni distribution diagram of pyrites from the Dadengge gold polymetallic deposit (modified after Bajwah et al.,1987;Brill,1989)The data of the Dadengge gold polymetallic deposit is obtained in this paper,while other data are based on Song et al.,2013;Chen et al.,2014;Guo et al.,2019;Zhu et al.,2020;Li et al.,2020b

大邓格金多金属矿床黄铁矿的微量元素整体含量不高,而且极不均匀,变化范围较大(表3)。其中Au、Ag含量均较低,大部分测点的Au含量均低于检测限。一部分测点的Cu、Pb、Zn、Sb含量相对较高,具有岩浆热液型金矿的特点,但大部分测点含量都较低,而且各元素之间没有明显的相关关系,指示成矿物质来源的不均一性和成矿过程的复杂性。

4.3 成矿动力学背景和机制

胶东早白垩世晚期(115～110Ma)金及有色金属矿成矿事件发生之时,恰是大规模岩浆活动之期,主要的岩浆活动包括125～111Ma的伟德山序列花岗岩、125～109Ma的崂山序列花岗岩、125.6～112.2Ma的中基性脉岩和123.6～98.0Ma的青山群火山岩等,岩浆活动指示了与俯冲的太平洋板块回撤有关的大陆弧构造背景(王斌等,2021;Lietal.,2023)。这一时期也是胶东地区强烈伸展构造发育期,主要表现为以胶莱盆地为典型代表的伸展断陷盆地和双峰式火山活动(张岳桥等,2008)、以崂山花岗岩为代表的A型花岗岩、以玲珑变质核杂岩为主的变质核杂岩系统(杨金中等,2000;Charlesetal.,2011)、以郯庐断裂为骨干的走滑-伸展断裂(朱光等,2001)和以招平断裂等金矿控矿断裂为代表的拆离断层(宋明春等,2013,2018)等。胶东早白垩世广泛的岩浆热隆和伸展构造构成的热隆-伸展构造体系控制了胶东大规模成矿作用(Songetal.,2023),也是岩石圈减薄和华北克拉通破坏的有力例证。

白垩纪,古太平洋板块俯冲后撤,导致华北克拉通岩石圈强烈减薄(翟明国等,2004;Jiangetal.,2005;吴福元等,2008;Xuetal.,2009;朱日祥等,2015),所产生的空间被热的、富集的软流圈物质所代替,形成新生岩石圈地幔。拆沉的古老岩石圈地幔发生部分熔融形成同位素相对富集的镁铁质岩浆。同时,上涌的软流圈发生减压部分熔融(Maetal.,2014)形成相对亏损的镁铁质岩浆岩。地壳物质受到上涌软流圈和幔源岩浆加热,下地壳物质发生部分熔融形成长英质岩浆。大规模壳-幔相互作用为成矿元素活化、迁移提供了热动力条件,它们既是成矿热液(岩浆热液)的重要来源,也是部分成矿物质的源区。深部地球动力学变化在地壳浅部引起强烈的构造响应,产生广泛的伸展构造,其中的断裂构造、地质体界面等构造薄弱区域是有利的流体运移通道和储存空间,在伸展作用形成的低压区,相对高压的成矿流体携带着成矿元素进入,随着物理化学条件的改变,成矿元素发生卸载、沉淀成矿。胶东早白垩世早中期(125～115Ma)的金矿床主要分布于胶东的西部,而早白垩世晚期(约115～110Ma)的有色金属矿矿床主要分布于胶东的东部,这种空间格局可能与古太平洋板块俯冲后向东回撤有关(Kuskyetal.,2014;Wuetal.,2019;Dengetal.,2020a)。古太平洋板块俯冲后撤过程中,首先在胶东半岛西部形成以金为主的“纯金型”矿床,其后在胶东东部形成“金矿混合多金属矿”和“单一有色金属矿”。对华北东部中生代金等金属矿床和岩浆活动的时空分布规律研究发现,160～140Ma之后的岩浆-成矿作用由西向东逐渐迁移(杨进辉等,2021),被认为与早白垩世古太平洋板块俯冲角度由低变高,俯冲板块和俯冲带发生后撤有关。胶东地区早白垩世金及有色金属矿床由西向东呈现出的时空变化规律,与华北东部岩浆-成矿作用的演化规律一致,共同受控于古太平洋板块的俯冲后撤过程。

华北克拉通周缘及内部金矿床的时空分布和华北克拉通破坏具有一致性,金矿的成矿流体具有幔源特征,前人据此提出了金成矿与克拉通破坏具有成因联系(Lietal.,2012;Sun,2015;朱日祥等,2015)。对华北克拉通金矿和大地构造背景的进一步研究表明,俯冲板片在地幔过渡带滞留脱水,释放出的富硫流体萃取围岩中的金等亲硫元素,形成富金流体,这种流体在向上运移的过程中交代岩石圈地幔,形成韭闪石等含水矿物,随着克拉通岩石圈的破坏,大规模地幔物质上涌,含金流体迅速释放,并沿地壳浅部薄弱带迁移、聚集和沉淀,形成爆发式金矿床(朱日祥和孙卫东,2021)。以大邓格金多金属矿为代表的胶东半岛东部(苏-鲁造山带)的金及多金属矿化事件(约110Ma)整体略晚于胶东半岛西部(胶西北)的金矿化事件(120Ma),这反映了成矿作用与古太平洋板块后撤有密切的关系(Dengetal.,2020a;Lietal.,2021b)。结合金成矿物质来源具有深源性、多金属矿显示有大量的浅部物质加入的特征,我们认为在华北克拉通与扬子克拉通碰撞之后,太平洋板块俯冲后撤导致了深部交代岩石圈地幔的破坏,形成了大规模的伸展构造,幔源富金流体与浅部壳源流体混合,最终形成了金及多金属矿化。胶东早白垩世金及有色金属成矿作用均发生在与古太平洋板块俯冲、华北克拉通破坏有关的热隆-伸展构造环境,俯冲板块后撤造成了矿床在时空分布和成矿时代上的差异。

5 结论

(1)大邓格金多金属矿床的黄铁矿Rb-Sr同位素等时线年龄为109.8±1.7Ma,与胶东东部有色金属矿的成矿时代一致。是继胶东大规模金矿成矿期(～120Ma)之后的发生的一期金及有色金属矿成矿事件(约115～110Ma)。

(2)大邓格金多金属矿床黄铁矿δ34S值介于-1.20‰～6.65‰之间,平均值为5.31‰,且呈现出δ34S黄铁矿>δ34S闪锌矿>δ34S黄铜矿的特点,说明成矿过程中硫同位素体系已基本达到均一,为幔源硫与壳源硫的混合硫。

(3)大邓格金多金属矿床的黄铁矿富集Cu、Pb、Zn、Co、Ni等亲硫元素和铁族元素,Co/Ni值介于0.03～1.36之间,平均为0.27,指示成矿过程可能主要与岩浆演化有关,同时继承了一定量的区域变质基底中的成矿物质。

(4)矿床形成于与古太平洋板块俯冲、华北克拉通破坏有关的热隆-伸展构造环境,俯冲板块向东后撤造成了西早东晚的区域成矿时间差异。

致谢感谢山东省地矿局第六地质大队在基础资料、野外调查及取样方面给予的帮助和支持。感谢河北省高等学校科学技术研究重点项目(ZD2021018)资助。感谢两位审稿人的宝贵意见。