王晨光, 王丰翔, 郭海全, 吕 水, 陈 超, 牛树银, 王 磊, 任建红
黄金是国家战略资源和紧缺矿种之一, 华北克拉通发育有成千上百个脉型金矿(点), 是中国重要的黄金生产基地[1], 探明储量约占全国的50%[2]。 华北克拉通是中国面积最大, 形成演化时代最长, 也是世界上最具代表性的克拉通之一, 其北邻中亚造山带(兴—蒙造山带), 南接秦岭—桐柏—红安—大别—苏鲁造山带(图1b), 是中国最大、 最古老的陆块, 它于约18.5 亿年前最终克拉通化[3]。 克拉通是指自早前寒武纪形成以来一直保持稳定, 拥有巨厚的岩石圈(>200 km), 低的热流值, 缺乏板内岩浆活动和构造作用[4]。 前寒武克拉通发育的脉型金矿(lode gold deposits) 是世界主要的金矿来源, 其主要形成于克拉通的形成和稳定阶段。 许多克拉通在形成时就拥有世界级的巨量的脉型金矿资源, 例如被广泛研究的Superior Province 和澳大利亚的伊尔岗克拉通(Yilgarn craton )[5]。 然而, 华北克拉通是其中极为特殊的特例, 其在新太古代到古元古代达到稳定并持续到晚古生代[2]。 不同学科的研究都表明, 中国华北克拉通金矿的矿床特征明显区别于世界其他稳定克拉通上分布的造山带型金矿和绿岩带型金矿[2]。 华北克拉通在中生代重新活化[3]。 大量的脉型金矿床形成于华北克拉通长期稳定之后, 即约17 亿年之后的燕山期。 这一时期, 在华北克拉通的南部(小秦岭地区)、 西部(太行山地区)、 东部(胶东地区)、 北部 (张宣地区) 和东北部(冀东地区) 形成了约有2 500 t 金[1]。华北克拉通是全球所有前寒武纪克拉通仅有的巨型中生代金成矿省, 中国学者称其为“岩浆作用大发生,成矿作用大爆发”[6]。 朱日祥等[7]提出“克拉通破坏型” 金矿新类型。 牛树银等[8]认为华北克拉通演化至中生代, 由于受燕山期翘变和太平洋板块及印度洋板块向欧亚板块俯冲的影响, 形成了华北亚地幔拄构造(图1a), 同时产生了岩浆作用的“大灾变” 和成矿作用的“大爆发”, 而华北克拉通的破坏, 不仅表现在岩石圈厚度的减薄, 更重要的是表现在岩石圈的组成、 性质和结构发生了巨大改变, 以及广泛发育的构造—岩浆作用—成矿作用, 究其原因, 主要是受中生代太平洋板块俯冲和地幔热柱上隆的结果[8]。
图1 a: 华北地幔亚热柱—幔枝分布概图[14]; b: 研究区所处大地构造位置图[16]; c: 冀东幔枝构造不同构造单元地层柱状图[9]; d: 冀东幔枝构造区域地质简图及大中型金矿分布位置图(图1d 中金矿与表一中ID 编号一致)Fig.1 a: Overview of the distribution diagram of mantle sub-plumes and mantle branches in eastern North China; b: Map of the geotectonic location of the study area; c: Histogram of different tectonic units of the Eastern Hebei mantle branch structure; d: Geological map of the Eastern Hebei mantle branch structure and the distribution location of large and medium-sized gold deposits
冀东地区是中国重要的金矿矿集区, 大型、 中型、 小型和金矿点共计约100 个(图1d), 拥有的金资源量约150 t[9], 开采历史悠久, 成矿地质条件优越, 燕山期岩浆活动频繁, 印支—燕山期断裂活动发育, 但继20 世纪末金厂峪、 峪耳崖等金矿取得重大找矿进展以来, 目前尚未有较大的找矿突破, 急需综合各方面信息, 结合近些年最新的科研进展, 摸清成矿规律, 促进区域找矿的突破。 幔枝构造是重要的成矿控矿构造, 尤其是发育其中的区域性韧脆性和脆韧性剪切带以及区域性深断裂构造应是成矿作用的主导性因素, 王云静等[10]对幔枝构造研究近些年取得进展、 面临的问题和应用前景进行了系统分析, 认为应用幔枝构造理论不仅可指导矿产资源的深部勘查, 又可具体解决油气资源、 地热资源、 生态环境、 地震灾害等方面有关问题, 在资源与环境领域具有重要的应用、 推广前景。 本文结合冀东地区最新的研究资料,基于幔枝构造理论, 结合关于华北克拉通破坏最新的岩石圈减薄、 岩石圈地幔性质的转变、 壳幔相互作用、 软流圈上涌等进展, 综合分析讨论了冀东地区金成矿的规律, 为冀东地区在国家新一轮找矿战略突破行动中取得新进展提供科学的参考。
幔枝构造理论是牛树银教授率领科研团队于1996年原始性创新提出的科学理论[11], 认为幔枝构造是地幔热柱演化的第三级构造单元, 是地幔热柱多级演化在岩石圈浅部的综合表现形式, 可引起地壳上隆、岩浆活动、 变形变质、 含矿流体活化迁移、 成矿作用等一系列地质过程。 理想化的幔枝构造组成包括核部岩浆-变质杂岩隆起区(Ⅰ)、 外围盖层-拆离滑脱带(Ⅱ) 和上叠火山-沉积盆地(Ⅲ) 3 个基本地质构造单元组成, 三者构成相互关联的统一整体, 但由于不同地区幔枝构造演化阶段的差别, 实际应用过程中可能发现部分幔枝构造单元发育不全, 幔枝构造出露于地壳浅部, 较易于识别[12,13]。
幔枝构造理论自提出以来受到地质学界广泛关注,并在中国金银多金属地质找矿勘查领域得到广泛的应用和推广[10], 先后在河北(阜平幔枝构造、 张宣幔枝构造、 冀东幔枝构造、 丰承幔枝构造、 赞皇幔枝构造)、 山东(泰莱幔枝构造、 鲁西幔枝构造、 郭家店幔枝构造、 牟乳幔枝构造)、 河南(小秦岭幔枝构造、 熊耳山幔枝构造、 崤山幔枝构造、 鲁山幔枝构造)、 内蒙古(拜仁达坝—维拉斯托幔枝构造、 大兴安岭幔枝构造、 金厂沟梁幔枝构造)、 辽宁(西丰幔枝构造、 建平—阜新幔枝构造、 绥中幔枝构造) 新疆(准噶尔亚热柱、 塔里木亚热柱)、 青海(鄂拉山幔枝构造、 东昆仑幔枝构造)、 山西(五台幔枝构造、 中条幔枝构造)、 湖南(湘南地幔柱—骑田岭幔枝构造、 湘东南热地幔柱)、福建(德化—永泰幔枝构造)、 海南(南海热幔柱) 等省份的找矿勘查中得到应用, 并取得重要进展[14]。
在中生代, 由于太平洋板块俯冲和复合地幔柱作用, 华北克拉通地区构成了以渤海湾盆地为中心, 四周呈环状分布的幔枝构造格局: 赞皇幔枝、 阜平幔枝、 张宣幔枝、 丰承幔枝、 冀东幔枝、 胶辽幔枝和鲁西幔枝的华北亚幔柱构造[14](图1a), 以各个幔枝构造为中心, 中、 新生代成矿成藏作用“大爆发”, 形成了河北省重要的金矿矿集区[8], 而其中又以冀东幔枝构造控制的冀东金矿矿集区为典型代表之一, 发育了著名的金厂峪金矿、 峪耳崖金矿等大型金矿。 本节重点对冀东幔枝构造进行简要介绍。
冀东幔枝构造各地质构造单元发育完整, 较为典型, 主要组成为核部岩浆-变质杂岩隆起区、 外围盖层-拆离滑脱带及边部的火山断陷盆地。 为了便于整体上理解冀东幔枝构造特征, 本文将各个构造单元地层用同一种颜色表示(图1c), 并在图1d 的地层柱状图中给出具体地层划分, 其各构造单元的主要分布位置、 组成和岩性特征描述如下:
核部岩浆-变质杂岩隆起区(图1c、 d 灰色区域)基本与马兰峪复背斜核部重合, 主要发育地层主要为太古宙变质岩系组成的结晶基底(太古宇TTG 岩系)(图1c、 d 中灰色区域), 并分布有一系列中生代侵入体(图1c 中深红色区域)。 太古宇TTG 是区域最古老的结晶基底, 主要为一套麻粒岩相和角闪岩相变质岩系(最古老锆石年龄为约3.8Ga)[15]。 冀东幔枝构造核部地层整体上可分为迁西岩群和遵化岩群2 个岩性单元。 迁西岩群原岩以中酸性深成侵入岩、 基性、 中基性的火山岩及火山碎屑岩为主, 局部角闪岩相变质作用, 自上而下可分为上川组、 三屯营组、 茨榆山组、 老爷庙组、 杨杖子组等, 岩性主要为斜长片麻岩、 斜长片麻岩夹斜长角闪岩、 斜长角闪辉石岩、 黑云角闪斜长片麻岩、 黑云斜长片麻岩、 黑云变粒岩、变质砾岩、 黑云变粒岩、 二云变粒岩夹黑云角闪片岩、 黑云变粒岩黑云石英片岩、 绢云母片岩等; 遵化岩群位于迁西岩群之上, 原岩主要为基性火山岩及火山碎屑岩, 区域变质作用以角闪岩相—高角闪岩相为主, 局部为麻粒岩相, 遵化岩群岩性组合以斜长角闪岩为主, 角闪斜长片麻岩和磁铁石英岩多呈夹层产出, 局部还见有含石榴子石黑云角闪斜长片麻岩[16,17]。
冀东幔枝构造外围盖层-拆离滑脱带(图1c、 d绿色区域) 的分布基本与马兰峪复背斜翼部重合, 发育地层主要为中—新元古界至下古生界海相碳酸盐岩系、 上古生界陆相碎屑岩系。 区域中晚元古界广泛出露, 厚度巨大, 层序发育齐全, 岩性主要为一套由未变质或轻度变质的富镁碳酸盐岩、 碎屑岩和粘土岩组成的海相沉积建造, 呈角度不整合覆盖于太古宙结晶基底之上, 自下而上可划分为中元古界长城系、 蓟县系和晚元古界青山口系。 长城系为一套海相碎屑岩—硅质岩—碳酸盐岩建造, 包括常州沟组、 串岭沟组、团山子组、 大红峪组和高于庄组, 岩性主要为紫红色厚层含砾长石石英砂岩、 灰白色中厚层石英岩、 石英岩状砂岩、 灰黑—灰色页岩、 砂质页岩等; 蓟县系主要为一套碳酸盐岩建造, 分为杨庄组、 雾迷山组、 洪水庄组和铁岭组, 标志性岩性为暗紫色白云岩, 含有较多的砂质, 并且还有鲕状白云岩出露、 含有燧石条带的白云岩和泥晶白云岩、 硅质白云岩; 青白口系主要可划分为长龙山组、 井儿峪组, 岩性主要为燧石砾岩、 砂岩、 灰紫色灰岩夹泥质灰岩、 灰绿色泥质灰岩[16]。 冀东地区出露的古生界地层主要为寒武系,其中寒武系和奥陶系的岩石组成均以碳酸盐岩为主,主要岩性为灰岩、 白云岩及页岩; 石炭系和二叠系岩性均以砂岩、 泥岩和页岩为主, 古生界地层以角度不整合覆盖于中新元古界之上[17]。
冀东幔枝火山断陷盆地(图1c、 d 蓝色区域) 出露地层主要为侏罗系, 白垩系仅零星出露。 侏罗系主要可分为髫髻山组、 后城组、 九龙山组和土城子组。髫髻山组零星分布于区域的西部, 出露面积极少, 岩性为由砾岩、 砂岩夹酸性火山岩、 紫红色安山岩以及凝灰岩组成。 后城组主要分布在区域的南部, 呈不规则状产出, 岩性主要为紫红色砂砾岩。 九龙山组和土城子组主要由砂岩、 砾岩及火山岩组成。 此外还有少量的早白垩世早期张家口组, 由砾岩、 砂岩、 粉砂岩及酸性火山岩组成; 早白垩世潜石英粗面岩[16,17],呈灰紫、 褐紫色, 斑状结构, 显微粒状结构, 块状构造。
冀东幔枝构造各地质单元断裂发育, 演化复杂,考虑到大中型金矿主要发育于核部地区, 本节主要就核部地区即马兰峪复背斜的区域构造和岩浆演化进行概述。
有研究表明, 冀东幔枝构造核部马兰峪背斜是水平挤压背景下形成的基底结晶岩系与盖层共同卷入褶皱作用的厚皮式构造。 也有学者分析了马兰峪背斜核部岩体以及这一区域中生代高锶花岗岩和中晚侏罗世髫髻山组火山岩地球化学特征认为其形成于陆内造山挤压环境, 岩浆应来源于下地壳古老变质岩, 同时有地幔物质的加入[18]。 野外可见花岗斑岩中有暗色包体出现, 也指示了壳幔混合作用。 上述研究说明马兰峪背斜在其形成过程中, 其构造作用已触及下地壳并引起上地幔顶部物质运动, 上地幔物质的底侵作用使下地壳物质部分熔融, 使得以花岗岩等为主体的中酸性岩浆沿背斜核部不断侵入。 因此, 马兰峪背斜形成过程, 不仅是地壳表层物质运动的结果, 而且涉及下地壳甚至上地幔部分的构造岩浆作用过程, 这就充分说明了燕山造山带是涉及全地壳的一个构造—岩浆活动带。 中生代的构造运动使得这里的大陆地壳卷入造山作用中, 尤其是幔枝构造作用下地幔物质上涌对地壳底部物理化学条件的改变, 加速了克拉通底部的破坏过程, 同时大量的热量也造成了巨量的金属成矿物质的活化, 这对区域金成矿具有决定性的影响, 这个过程充分说明了冀东幔枝构造对区域核部地质单元形成过程的重要作用[19]。
冀东地区由于受到多期的构造和岩浆活动, 使得区域内的断裂十分发育。 这些断裂对区域岩浆活动和成矿作用, 尤其是对矿体的分布, 具有决定性的控制作用, 是区域最主要的控矿因素。 而区内的断裂分布具有较强的规律性, 主要为NW、NE、 NNE、 NW 和近SN 向5 组断裂(图1c 黑色线条), 其各组特征如下: EW 向断裂, 以兴隆—喜峰口断裂为典型代表, 西起密云, 向东经兴隆、喜峰口及青龙等延伸进入辽宁境内, 挤压破碎带比较宽, 发育片理化带、 糜棱岩带及构造透镜体,前期为压性断裂, 后期具有扭动性质。 断面陡倾,喜峰口以西倾向向北, 以东倾向向南。 该断裂明显控制着中—新元古代的沉积及其有关期次的岩浆活动。 EW 向断裂为冀东地区发育最早的一组断裂, 分布于冀东地区中部, 呈带状分布, 规模较大, 多属基底主干断裂, 该断裂在中元古代之前形成, 并一直持续到中生代[20], 为本区内大型近东西向断裂。 NE 向断裂, 广泛发育于马兰峪复背斜的北翼, 规模较大, 南端终止于兴隆—喜峰口断裂。 自西而东主要包括兴隆—鹰手营子、 平坊—桑园、 宽城—洪山口、 汤道河—喜峰口等多条断裂(带), 常表现为挤压破碎带、 糜棱岩带和片理化带, 属左行高角度压扭性断裂, 新生代继承性活动转变为张性断裂。 这些NE 向断裂主要形成于中侏罗世, 对本区早中燕山期中酸性侵入岩体具有明显的控制作用[21]。 NNE 向断裂: 广泛发育于复背斜北翼和核部, 其发育程度和规模相对NE 向断裂较弱, 常断错EW 向、 NE 向和NW 向断裂(带), 片理化现象强烈, 属压扭性断裂。 NW 向断裂: 在区域内普遍分布, 平面延伸平直, 多成群出现, 单体长大多为数公里至数十公里, 主要形成于晚侏罗世, 大多数属新生断裂。 该向断裂早期属于东西向构造体系的右行剪切断裂, 燕山期总体属于右行张性断裂。 在区域性SN 向水平挤压作用下, 与马兰峪复背斜伴生, 代表性断裂为冷口断裂[20], 该断裂最早形成于中元古代, 经历过多期构造活动的改造, 一直持续到中生代晚期均有活动, 并在中生代活动频繁。 在断裂带内发育绿泥石化、 片理化、 糜棱岩化、 断层角砾和构造透镜体等, 沿断裂有晚期岩脉侵入。 长城金矿等主要发育于长城系和蓟县系碳酸盐岩地层的层间破碎带中, 受冷口断裂晚期伸展作用控制。 SN 向断裂: 在区内分布较少, 单体长一般数十公里, 多为正断层, 产状陡峭, 形成于中生代早期至更早, 早期为张性断裂, 后期(晚侏罗世—早白垩世) 继承性活动转化为压扭性断裂。 另外, 冀东地区太古宙结晶基底中还分布着为数众多的韧性剪切构造带, 如马兰峪、 金厂峪和亮甲台等韧性剪切构造带, 对金矿的形成和分布也有重要的作用。
区域内中生代构造活动强烈, 岩浆活动频繁, 大量的中酸性岩浆侵入, 主要为印支期的都山岩体(215 ~223 Ma)[22]和燕山期的肖营子 (164 Ma、186 Ma)[19]、 牛心山(172 Ma)[23]、 峪耳崖 (174 ~175 Ma)[23]、 青山口(199 Ma)[23]、 贾家山(160 Ma)[16]、高家店(170 Ma)[19]、 罗文峪(196 Ma)[24]等岩体。区域内还发育大量的中生代脉岩, 如辉绿岩、 煌斑岩、 闪长(玢) 岩、 正长斑岩、 花岗斑岩等。 以闪长(玢) 岩占较大比例, 侵入到花岗质岩体内或地层中。这些岩浆活动和脉体活动是印支期和燕山期壳幔反应的重要指示, 表明了中生代幔枝构造活动的强烈作用, 对区域金成矿的热源和流体来源是巨大的贡献。区域金成矿空间上和时间上几乎都与这些岩体具有密不可分的联系[16,17]。
冀东地区是河北重要的金矿产地, 发育众多大中型金矿(表1), 约150 t 金的储量使冀东金矿集区成为华北北部重要的金成矿带。 前人对区域金矿开展了大量的研究工作[25-28], 本节初步总结前人研究成果,从幔枝构造理论视角, 对冀东地区金矿的矿床地质特征进行简要总结和讨论, 力求简明扼要, 突出特性,点明共性。
表1 冀东部分大中型金矿(点) 基本信息表Table 1 Basic information table of some large and medium-sized gold mines (points) in eastern Hebei
冀东幔枝构造核部是冀东地区最主要的金矿集中区, 聚集了冀东地区约80%以上的金矿, 包括了冀东地区开采历史最为悠久的金厂峪金矿(采矿历史可以追溯到唐朝)[9]。 其它金矿包括峪耳崖金矿、 铧尖金矿、 长城金矿、 马头牛金矿、 高家店金矿、 唐杖子金矿、 柏杖子金矿等(表1)。
金厂峪金矿是冀东地区最为著名的金矿, 前人有较为丰富和详细的研究成果。 项目组野外考察获悉金厂峪金矿当前最低开采深度为-417 m, 当前主要探矿任务是已有矿体深部2 000 m 以浅的钻探验证及外围找矿, 最新的1 600 m 深钻(ZK5201) 钻探发现约-1 300 m 标高处仍有数米矿化, 表明金厂峪金矿深部巨大的找矿潜力, 极大的提升了矿区深部找矿的信心。 金厂峪金矿与区域金矿最大的不同是矿体伴生大量红色、 鲜红色的钠长石脉、 钠长石英脉, 有研究表明是钠长石中赤铁矿包裹体所致, 野外考察认为可能与矿区北部发育的铁矿有所关联。 金厂峪金矿最典型的特征是受构造强烈控制, 矿体主要产于6 km 长、1 km 宽的NNE 向脆—韧性片理化带之中, 直接控矿构造为燕山期叠加于强变形带之上的NNE 向脆性断裂, 且矿体垂向上具有明显的富集带和贫化带间隔100~300 m 发育特征[29], 并且随着矿体的深部延伸,矿体逐渐有脉型—复脉型演变为蚀变岩型矿体, 且产状具有变缓的趋势。 矿区出露的地层为太古宇迁西群上川组上段下部, 岩层产状总体走向北东, 倾向北西。 岩石混合岩化普遍, 韧性剪切作用形成的糜棱片岩在区内也有较多分布, 矿体主要分布在糜棱片岩以及贯穿在其中的强烈韧性变形的石英脉、 钠长石英脉及钠长石脉中。 矿区北西4 km 处发育贾家山花岗岩体(160 Ma), 西部2 km 处发育局部矿化的青山口黑云母花岗岩体(218±2 Ma)。 有学者认为二者深部可能连为一体, 并可能为金厂峪金矿的形成提供了热液流体和部分成矿物质。 金厂峪金矿成矿时代约为240~223 Ma[30], 说明金厂峪金矿成矿作用于印支期就已经开始, 并与矿区周围岩体关系密切。
铧尖金矿包括铧尖采区、 牛心山采区, 区内含金硫化物石英脉型为分布最广泛、 最重要的矿体类型。矿带一般呈脉状分布, 其形态严格受裂隙构造的控制, 矿体呈层状、 扁豆状和平行细脉状产出。 矿体沿走向和倾向常有膨缩尖灭再现现象, 这种变化沿走向比沿倾向方向变化更为明显。 矿体主要赋存于斜长角闪岩、 角闪斜长片麻岩等变质岩中[31], 少量赋存于牛心山复式侵入体内部或两种岩体的侵入接触带内带, 矿化类型为蚀变岩型。 本区金矿围岩蚀变主要有硅化、 黄铁矿化、 绢云母化, 其次是绿泥石化、 高岭土化、 碳酸盐化、 钾长石化等。 金矿的形成时代为燕山晚期。 金矿的成矿热液可能主要来自于花岗岩的后期热液。 重熔型花岗岩岩浆热液不仅仅是金矿成矿作用提供懒以萃取、 活化、 迁移、 富集成矿的化学动力源, 而且是提供金的主要来源[32], 并在其上移过程中不断汲取围岩中的活化金而逐渐富集成含金热液,在适宜的物理化学环境中沉淀成矿。 根据上述特征,铧尖金矿的成因类型属岩浆热液脉型矿床。 此外, 铧尖金矿两个采区中均发育有鞍山式沉积变质铁矿体,矿石的主要金属矿物为磁铁矿[33], 其对金成矿过程中是否有物质贡献有待进一步深入研究。
长城金矿因矿体赋存在中元古代长城系碳酸盐岩及陆源碎屑岩地层中而得名[16], 其矿石自然类型为破碎带蚀变岩型, 其独特之处是不发育含矿石英脉型金矿石。 金矿石有氧化矿石和原生矿石两种, 氧化矿石为褐铁矿化角砾岩型金矿石、 褐铁矿化辉石闪长玢岩型金矿石、 褐铁矿化泥晶白云岩型金矿石以及褐铁矿化(含燧石条带) 白云岩型金矿石。 手标本几乎不见金属硫化物, 野外很难辨认含矿性。 原生矿石为黄铁矿化泥晶白云岩型金矿石、 黄铁矿化含燧石白云岩型金矿石、 黄铁矿化辉石闪长玢岩型金矿石等, 其围岩蚀变主要有去碳酸盐化、 硅化、 泥化、 白云石化和重晶石化[34,35]。 辉石闪长玢岩和煌斑岩为长城金矿床与金成矿有关的脉岩, 二者均形成于白垩纪早期(124.1 Ma、 138.5 Ma)。 长城金矿的成因类型, 不同学者的观点差异较大, 有认为是热液蚀变岩型矿床,也有认为是卡林型金矿[16], 也有学者认为是中低温热液型矿床, 需要进一步加强研究。 通过本团队的野外考察和室内研究倾向认为很大可能是卡林型金矿。
马头牛金多金属矿(点) 是冀东地区近几年新发现的金矿, 其特征是围岩蚀变非常发育。 长城系高于庄组碳酸盐岩地层与呈脉状侵位的闪长玢岩的接触带及其附近发生了强烈的接触交代蚀变作用[16], 蚀变类型主要为矽卡岩化和与硫化物密切相关的硅化、 碳酸盐化, 绿泥石化, 绢云母化等, 表现出典型的矽卡岩型蚀变特征。 前人研究表明与成矿相关的闪长玢岩结晶于晚侏罗世(146.7±1.1 Ma), 属于典型的矽卡岩型金矿床[16]。
冀东幔枝构造核部金矿数量众多, 类型多样, 矿石类型以石英脉型金矿为主, 少量矽卡岩型金矿, 卡林型金矿, 热液蚀变岩型金矿。 众多金矿均具有明显的构造控制特征, 并且空间上和成因上多与富硅的、高度演化的晚侏罗到白垩的花岗岩密切相关, 部分直接是赋矿围岩, 部分深部可能发育有成矿地质体, 且多数矿体随着深部的延伸都有产状变化、 贫富脉动的特征。 核部金矿除了典型的代表性金矿外, 其它金矿研究薄弱, 需要加大科研投入, 核部金矿深部仍有较好成矿潜力。
冀东幔枝外围盖层-拆离滑脱带地层为元古宙到古生代地层, 岩性以砂岩、 页岩和灰岩为主, 是冀东幔枝构造地区次要产金区域, 发育大量金矿(点),其中以峪耳崖金矿、 唐杖子金钼矿最为典型。
峪耳崖金矿主要产于喜峰口—下板城构造岩浆活动带内, 整体呈北东向分布, 金矿矿脉主要产于峪耳崖花岗岩岩体(红色花岗岩和白色花岗岩) 及接触带外围地层中, 尤其是岩体超覆围岩地段或出现岩枝、岩株的部位或花岗岩体与高于庄组接触带产状变化部位。 现已查明不同规模的金矿脉(体) 200 余条, 累计探明金储量约50 t。 矿体以黄铁矿石英脉、 构造蚀变岩和密集网脉状矿化为主[36]。 花岗岩岩体为最主要赋矿围岩, 且浅色花岗岩相对红色花岗岩矿化更强, 分析认为岩体受力发生脆性断裂构造, 应力集中部位为多组节理裂隙, 形成细脉浸染状矿化。 矿体在产状发生明显变化时, 在岩体变窄部位、 岩枝根部或顶端有利于金矿脉群及金矿体、 矿化体形成(可能原因是岩浆结晶之后在这些部位与围岩接触面积最大,降温最快, 冷却收缩导致的体积变化致使岩体这些部位发育大量裂隙或构造)[37]。 此外, 部分接触带部位见少量矽卡岩矿化。 另外, 矿体多与闪长玢岩脉密切伴生, 是井下可观察到的独特特征, 尤其在北西走向缓倾构造中, 且均发育较强的褪色热液蚀变。 据野外考察和分析认为闪长玢岩可能为成矿前产物, 其所处的构造空间或者不同岩性之间的薄弱带为后期含矿热液充填提供了运移和矿质沉淀空间。 前人的大量研究表明峪耳崖金矿成矿时代基本介于160 ~176 Ma 之间[36-38]。 两期的花岗岩及闪长玢岩脉的形成基本同期, 综合分析认为与峪耳崖岩体、 闪长岩脉同源的深部花岗岩质岩体可能是峪耳崖金矿的成矿地质体。 早期花岗岩体的脆性断裂、 裂隙和岩浆侵入接触带构成了成矿结构面, 成因类型为岩浆热液脉型矿床, 并且构造是最主要的控矿因素。 当前, 峪耳崖金矿总体探采深度不足1 000 m, 深部岩体及边部近年新发现的印支期岩体的岩枝是重要的新的找矿方向, 需要进一步深入的研究工作。
唐杖子隐爆角砾岩型金钼矿是区域内独特的金矿化类型, 金矿体产于隐爆角砾岩和断裂带中, 矿化类型有隐爆角砾岩型、 石英脉型和构造蚀变岩型。钼矿体主要产于隐爆角砾岩中, 辉钼矿呈浸染状、薄膜状、 网脉状和胶结物产出, 与矿化有关的围岩蚀变主要有钾长石化、 硅化、 绢云母化、 碳酸盐化,分布于角砾岩筒中。 其中钾长石化主要呈面状分布在花岗岩与隐爆角砾岩的接触带附近, 多与硅化伴生。 热液成矿期可进一步划分为钼矿成矿亚期和金矿成矿亚期, 与成矿密切相关的花岗斑岩形成于172 Ma。 研究表明唐杖子金钼矿床和矿区花岗斑岩均形成于中侏罗世[39], 成矿物质来源为壳幔混源,同区域上峪耳崖、 牛心山等金矿床的成矿时代一致,是华北陆块北缘早燕山期大规模岩浆活动成矿作用的产物。 唐杖子金钼矿床为与花岗斑岩有关的隐爆角砾岩型矿床。
冀东幔枝构造火山-沉积盆地发育金矿非常有限,以下营坊金矿、 东梁金矿、 下金宝沟金矿为典型代表。 下金宝沟金矿床为斑岩型金矿, 东梁金矿为浅成中低温热液型金矿, 下营坊金矿大东山矿段为矽卡岩型金矿, 源鑫金矿矿床(大东山矿区东部) 类型为含金石英脉型金矿[40-42]。 上述不同类型金矿, 空间上均围绕大东山杂岩体发育, 大东山杂岩体被认为是燕山早期不同阶段侵入的中酸性岩浆岩, 出露于下营坊金矿大东山矿段和东梁金矿之间, 以南梁庄—西岔沟为中心, 呈不规则的橄榄圆形。 前人通过研究分析,推测岩体深部受发散状构造断裂带控制, 形成大规模的斑岩型铜金矿(下金宝沟金矿)[40-42], 浅部在构造断裂带的不同位置及不同岩性接触带形成不同规模的热液金矿床和矽卡岩型金矿床。 综合分析东梁金矿附近区域成矿地质特征和矿床类型, 认为该区域符合斑岩—矽卡岩—浅成低温热液型多金属矿床成矿模式。浅成低温热液型金矿、 矽卡岩型金矿、 斑岩型矿床密切共生, 它们在空间上距离较近, 或者直接产出于同一矿区上部为浅成低温热液型金矿, 深部为斑岩型铜金矿床, 表现为“上金下铜” 的斑岩—矽卡岩—浅成低温热液型多金属矿床成矿模式[40-42]。 矿区赋矿地层主要为元古宇长城系石英岩、 石英砂岩、 白云岩、 石灰岩等海相碎屑岩和碳酸盐岩, 与侏罗系安山岩不整合接触, 是冀东幔枝构造区少见的斑岩—矽卡岩—热液成矿系统。 但是由于各个不同类型的矿床分属不同的私人企业, 导致当前不同类型金矿系统化研究薄弱, 急需提质增效的系统化的科研投入, 促进各个矿区的增储扩产, 也加深对成矿系统的理解和认识。
S 同位素广泛用于示踪成矿物质的来源。 冀东幔枝构造核部金矿硫化物组合比较简单, 主要由黄铁矿、 磁黄铁矿、 黄铜矿和闪锌矿组成, 未发现氧化态的硫酸盐或金属氧化物的存在, 反映硫化物是在相对还原的热液条件下形成的, 因此硫化物的δ34Sv-CDT‰组成基本上可以代表成矿流体的S 同位素组成。 本文系统统计了本区13 个大型、 中型、 小型金矿床共计415 个样品的S 同位素数据并进行投图[30,43-50](图2), 发现整体上, S 同位素介于-7‰~11.5‰之间,但不同的金矿, 比如东梁金矿(0.9‰~4.3‰), 下金宝金矿 (-0.2‰ ~3.7‰), 华尖金矿 (1.5‰ ~5.4‰), 金厂峪金矿(-4.4‰~5.2‰), 唐杖子金矿(2.1‰~5.5‰) 和峪耳崖金矿 (-0.3‰~5.3‰),其S 同位素处于相对较窄的范围, 反映成矿过程中成矿流体的温度、 氧逸度等物理化学条件相对稳定[16],并被认为是典型的与燕山期岩浆有关的岩浆S 同位素组成特征, 表明成矿物质中的硫主要来自于岩浆。
图2 冀东幔枝构造地区代表性金矿S 同位素分布直方图[30,43-50]Fig.2 Histogram of the distribution of S-isotopes in representative gold deposits in the Eastern Hebei mantle branch structure
金属矿床中的Pb 同位素相对来较为稳定, 一般只受混合作用和放射性衰变的影响, 因此对金矿中发育的载金硫化物中Pb 同位素的研究可以有效约束金矿中铅的物质来源。 本文系统统计了本区7 个大型、中型、 小型金矿床共计124 个样品的Pb 同位素数据并进行投图[30,43-51](图3), 发现整体上, 在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb 图解上(图3), 样品大致落在下地壳和地幔演化曲线之间。 在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb 图解上(图3), 样品同样落在了下地壳和地幔演化曲线之间, 表明冀东幔枝构造地区发育的多数金矿中硫化物中的铅源相同, 主要来源于下地壳和地幔, 表明冀东金矿的形成与下地壳及地幔物质参与密切相关,即证明冀东金矿的形成与幔枝构造背景下的壳幔相互作用密切相关。
图3 冀东幔枝构造地区代表性金矿床铅同位素组成图解[30,43-52]Fig.3 Illustration of the lead isotopic composition of representative gold deposits in the Eastern Hebei mantle branch structure
图4 冀东金矿成矿主阶段石英单矿物H-O 同位素示踪图[55]Fig.4 Tracer diagram of the hydrogen-oxygen isotopeof quartz single mineral in the main stage of mineralization in Eastern Hebei gold mines
H-O 同位素是识别成矿流体特征和演化的重要工具。 前人对于冀东地区金矿成矿阶段石英单矿物的H-O 同位素已有大量研究成果, 本文系统搜集前人研究成果, 通过统计本区9 个金矿床, 共计141 组主成矿阶段石英单矿物样品的H-O 同位素数据[30,43-54],发现δ18OH2O‰均值为4.01, 主要位于-9.25 ~13.99之间, δDV-SMOW‰均值为-75.1, 介于于-97 ~-50.5之间。 将搜集到的氢、 氧同位素数据投点于δD-δ18O坐标图上[55], 可见下金宝金矿和半壁山金矿成矿过程中有明显的大气降水的参与。 金厂峪金矿和牛心山金矿成矿过程中有明显的变质流体的参与, 而金厂峪金和牛心山金矿均产于于幔枝构造核部老变质岩区也为变质流体的来源创造了条件。 此外, 可以明显看出, 冀东地区不同金矿床主成矿阶段流体H-O 同位素相对集中分布于原生岩浆水范围左侧, 约一半以上集中分布于于地幔初始岩浆水范围内, 而地幔初始岩浆水是地幔热物质(可能软流圈物质上涌) 与下地壳相互反应形成的岩浆中所含水分。 因此, 冀东地区金矿成矿流体主要来自岩浆流体, 并且多数岩浆流体中含有地幔流体组分特征, 部分矿床中有大气降水混入的特征。
通过对冀东幔枝地区岩浆岩成岩时代进行统计,发现冀东地区岩浆活动以中生代为主, 燕山期达到顶峰, 成岩时间主要集中于224 ~153 Ma 期间[9,25-28],主要岩性为中—酸性侵入体, 其次为基性—超基性侵入体和各种岩脉, 大多沿东西向和北北东向断裂带分布, 尤其是构造交汇部位。 印支—燕山期岩浆岩均显示有多期次侵入多阶段演化的特征。 区域上都山(221 ~223 Ma) —大石柱子复式岩体 (250 Ma、266 Ma) 可能为区内最早岩浆的活动中心[18]。 围绕都山—大石柱子复式岩体, 后期发育了诸多规模相对小的中酸性岩体, 典型的有青山口岩体 (199.1 ~186.8 Ma)、 肖营子岩体(188.1 ~185.5 Ma)、 牛心山岩体 (196 ~155.5 Ma)、 峪耳崖岩体 (175 ~155 Ma) 以及贾家山岩体(160 Ma)[9,16,25-28]等。 冀东地区金成矿主要集中在2 个阶段, 分别是158 ~176.8 Ma 和222.8~251 Ma, 分别包括下金宝金矿下营房金矿、 峪耳崖金矿、 唐杖子金矿、 铧尖金矿等和河坎子金矿、 金厂峪金矿、 柏杖子金矿等[26]。 时间和空间上, 冀东地区金成矿与区域岩浆活动关系密切。 金矿体基本发育于岩体内部及岩体周围接触带并受构造控制, 成矿热液往往在岩浆结晶分异后期不断演化聚集成矿物质, 沿早期形成的构造充填成矿。 随着勘探工作的不断深入, 深部隐伏岩体、 岩枝会是将来重要的找矿方向和突破口。
冀东金矿集区地质条件优越, 岩浆活动频繁, 印支—燕山期断裂活动发育, 是河北省重要的找矿潜在突破地, 且幔枝构造各单元发育完整, 是研究幔枝构造对成矿控制作用的理想地区。
冀东地区金矿主要发育于冀东幔枝的核部[17]。前人对冀东地区金矿的划分类型主要有接触交代型、岩浆热液型、 陆相火山岩型、 隐爆角砾岩型、 砂矿型、 浅成中—低温热液型(表1)。 本文通过野外考察, 结合冀东地区最新研究成果, 认为冀东地区金矿床类型以石英脉型为主。 石英脉型金矿的赋矿围岩有老变质岩(金厂峪金矿) 和花岗质岩体(峪耳崖金矿)。 此外, 还发育有卡林型金矿、 斑岩型金矿、 矽卡岩型金矿和蚀变岩型金矿等。 特别是下金宝金矿、 下营房金矿和东梁金矿等数个金矿组成的斑岩—矽卡岩—浅成低温热液型金矿的成矿系统,是区内独有的岩浆热液成矿系统, 值得进一步深入研究。 前人对冀东地区金矿开展了大量的研究工作,不同学者的研究均表明成矿流体来自岩浆, 甚至是深部的地幔流体组分, 成矿物质来自下地壳及部分地幔组分(富集岩石圈地幔)。 宏观上区域成矿的关键和特殊之处是深部强烈的壳幔相互所用所带来的强烈的岩浆和物质活动[11-14,17], 随着周围不同的板块俯冲、 碰撞作用下区域相继经历了多次的变形事件[9]。 区域经历了从挤压到伸展多次的构造转换,并由此形成了区域不同规模和特点的断裂构造, 而早期形成的岩浆和富矿热流体在这些不同期次的构造部位就位, 随着物理化学条件的改变, 逐渐沉淀形成区域上大规模的金矿床, 因此构造是区域上重要控矿因素。 冀东地区金矿成矿规律的核心是岩体和构造, 前者控制了流体和物质的来源, 后者控制了富矿流体的就位, 即矿体的发育发育位置, 但冀东老变质岩区经历了区域多次的挤压和伸展构造转换, 构造条件十分复杂。 在不同矿区厘清构造期次及其对矿体的控制作用对深部找矿和勘探十分关键,而围绕岩体工作的关键是摸清深部可能的隐伏成矿岩体的范围和形态, 尤其深部隐伏的岩枝、 岩株状分布及其与围岩的接触部位。
幔枝构造是地幔热柱多级演化在地壳浅部的表现形式, 是地质学家研究壳幔相互作用难得一见的天然实验室。 幔枝构造的成矿作用主要依赖于深部地幔热柱和地幔亚柱向上供给的成矿物质。 在华北东部地幔亚柱外围形成的一系列幔枝构造(图1 a), 它不仅是区域伸展构造期主要构造形态, 也是区域性重要的成矿控矿构造。 幔枝构造通过壳幔相互作用的方式实现了成矿物质和热物质的交换和运移[14]。
冀东幔枝地区金矿特征及成矿规律与华北克拉通周缘小秦岭矿集区、 胶东金矿省等地具有一定的相似性。 金矿多赋存于太古宙老变质岩区但成矿作用多集中发生于燕山期和印支期, 强烈的岩浆活动为金成矿提供了主要的流体和热源, 而与幔枝构造作用相关的深部壳幔相互作用及古老下地壳和老变质岩在不同程度上为金成矿提供了物质来源。 冀东地区地处华北地台北缘中段, 处于华北克拉通与西伯利亚板块、 太平洋板块的结合部位[1]。 自晚古生代至中生代以来相继受到了古亚洲洋闭合(俯冲、 碰撞)、 古太平洋板片俯冲事件的影响, 属于两大构造域叠加部位。 古太平洋板块的高角度俯冲和回转, 造成俯冲板块和俯冲带发生后撤, 导致华北克拉通北缘的构造体系发生了转换, 构造背景由挤压向伸展转换[61], 同时造山后伸展诱发软流圈上涌。 上涌的热的软流圈物质会向外围拆离滑脱, 加之地幔物质的高温度、 高压力、 低粘度特征, 使地幔物质不仅沿岩石圈底部向外围大规模拆离, 同时还会沿壳幔过渡带、 中地壳低速带、 不同层次原有拆离滑脱带等薄弱部位向外拆离[14], 而这种地幔物质沿薄弱带的拆离, 容易使薄弱带扩大, 甚至与岩石圈脱落, 成为下落残块。 向外拆沉的地幔物质, 一旦被外围陡倾韧性剪切带所切割, 或者由于地幔物质向外拆离过程中导致的液压致裂作用, 使新生断裂与上部活动断裂连通, 便可导致地幔物质减压释荷, 使原本具有一定熔融性质的低速软化物质转变成为深熔岩浆源[14]。 根据韧性剪切带至地表的通畅性的不同, 岩浆则表现为直接喷出地表或者形成不同岩性的侵入体, 这个过程强化了冀东地区浅部幔枝构造特征的成岩成矿特作用。
(1) 冀东幔枝构造区核部岩浆-变质杂岩隆起区、外围盖层-拆离滑脱带和火山-沉积盆地金矿均有代表性金矿产出, 但金矿主要集中发育于核部印支—燕山期中酸性岩体内部及外围接触带, 赋矿地层主要为太古宇迁西岩群和遵化岩群老变质岩及元古宙到古生代地层。 矿体发育和就位明显受到断裂构造控制, 矿石类型主要为石英脉型和蚀变岩型。 矿床类型以石英脉为主, 还发育有斑岩型、 隐爆角砾岩型、 矽卡岩型、卡林型金矿。
(2) 不同规模、 不同幔枝构造单元的金矿石S、Pb、 H-O 同位素资料表明, 区域金矿成矿物质主要来源于下地壳和地幔, 成矿流体以岩浆流体为主, 尤其是有地幔组分混入的岩浆流体, 部分金矿成矿过程中有大气降水的混入。 冀东地区金成矿主要集中在158~176.8 Ma 和222.8~251 Ma 两个阶段, 时间和空间上, 金成矿与区域印支—燕山期强烈岩浆活动频关系密切。
(3) 古太平洋板块俯冲角度的增大和板片回转,造成软流圈物质上涌, 强化了冀东地区幔枝构造的不断发育和演化, 随即带来了强烈的壳幔相互作用。 早期富集的岩石圈地幔不断熔融, 深部岩浆沿早期断裂侵位到地壳浅部并不断结晶分异演化, 富矿流体在冀东幔枝构造的不同部位就位沉淀成矿。