阜平—五台幔枝构造的时空结构及其对区域岩浆与金属成矿的控制作用

张聚全, 陈 超, 张福祥, 王晨光, 郭海全, 张才龙, 范起超, 邢 欢

幔枝构造成矿理论由牛树银团队首先提出[1,2],其被定义为地幔热柱的第三级构造单元, 是地幔热柱多级演化在岩石圈浅部的综合表现形式[3-5]。 幔枝构造成矿理论构建了内生金属矿床的完整成矿系统, 全面阐释了成矿物质从深部活化迁移到浅部定位成矿的完整过程, 因此具有很强的理论和实践意义, 尤其是在华北地区金矿成矿与找矿研究中得到很好验证[6-10]。 幔枝构造在地表可以划分为核部岩浆-变质杂岩隆起区、 外围盖层拆离滑脱区、 上叠构造断陷—火山盆地区3 个构造单元, 并分别控制了Au-Mo(Cu)、 Au-Ag、 Ag-Pb-Zn 的成矿[3]。 基于地球物理资料和各类地质体的空间分布特征, 牛树银教授及其团队识别出属于地幔柱的第二级构造的华北地幔亚热柱及其三级演化形成的阜平幔枝、 张宣幔枝、 丰承幔枝、 冀东幔枝、 辽西南幔枝、 胶东幔枝、 鲁西南幔枝、 赞皇幔枝和五台幔枝[3,6,10], 并阐释了其成矿与控矿机理。

阜平幔枝和五台幔枝位于华北地幔亚热柱西侧,其很好地解释了太行山阜平—涞源地区和五台—恒山地区的岩石圈构造、 中生代岩浆作用与成矿的关系等问题[10,11]。 地球物理资料表明阜平幔枝和五台幔枝受同一地球物理异常体控制, 两者在空间上毗邻, 具有一致的中生代构造—岩浆-成矿作用, 因此本文以阜平—五台幔枝代替阜平幔枝和五台幔枝。 本文对阜平—五台幔枝的深部地球物理结构, 岩浆作用与成矿进行了分析, 阐释了阜平—五台幔枝的时空结构及其成矿作用, 为区域找矿勘查提供技术支撑。

1 阜平—五台幔枝的空间结构

幔枝构造作为地幔热柱的第三级构造单元, 其空间特征的揭示需要借助于地球物理的研究成果。 近些年, 华北克拉通破坏的研究获得了华北克拉通大量的地球物理资料[12-18], 为了解阜平—五台幔枝构造的空间特征提供直接证据。

地震波速度异常反映了地球内部介质物理性质和化学性质在横向和纵向不均匀性。 地震波常被用来研究地壳和岩石圈的厚度, 软流圈层的起伏变化、 岩石圈内软流圈上涌体、 软流圈内岩石圈残留体等, 进而推断相应的地质作用和过程。 Chen 和Ai[13]利用大量地震数据对华北克拉通上地幔的速度结构进行了研究, 结果表明太行山东部、 华北盆地、 胶东、 渤海下方的岩石圈厚度小于100 km, 而其周围的太行山、 燕山—辽西、 辽东地区的岩石圈厚度为100 ～150 km,西部鄂尔多斯地块岩石圈厚达～230 km。 其中测线(北纬39°, 东经109°—135°) 通过阜平—五台—恒山地区, 显示其深部软流圈物质上涌, 并接近Moho面。 An 等[12]通过S 波三维地震层析技术对华北克拉通破坏的地球物理特征进行了研究, 其横切太行山的剖面显示太行山—五台山下部存在低速异常(图1)。 邱瑞照等[18]通过实际地质体地震波速度和地球物理剖面中的低速体的对比研究认为, 太行地区在上地壳下部(16 ～20 km) 和下地壳壳幔过渡带(32 ～40 km) 的低速体分别相当于花岗岩与花岗闪长岩源区, 并认为太行地区陆壳平均波速降低反映了古老的TTG 地壳岩石组成在中生代被花岗岩质岩石替代。 而在Jia 和Zhang[14]的淄博—应县深地震测深剖面(DSS) 中, 阜平—五台中、 下地壳存波速为5.8 km/s和6.5 km/s 的两个低速体。 邓晋福等[17]认为前者为燕山期过铝花岗岩岩浆房, 后者为地壳的部分熔融区(图2)。

图1 基于S 波波速模型的剖面[12]Fig.1 Profile based on S-wave velocity model

图2 淄博—应县DSS 剖面的地壳波度结构[14]Fig.2 Crustal wave structure of the Zibo—Yingxian DSS profile

通过以上地球物理资料的综合分析, 我们认为An 等[12]的S 波波速模型的剖面中华北平原下部的柱状S 波低速异常为华北地幔亚热柱, 太行山—五台山下部的低速异常为阜平—五台幔枝, 其与胶东幔枝皆为华北地幔亚柱的侧向派生构造。 阜平幔枝引起的幔源基性岩底侵至壳幔边界, 导致下地壳的部分熔融, 在下地壳幔源岩浆与壳源岩浆通过岩浆混合、 结晶分异等过程, 逐步均一化, 形成各类中酸性岩浆,这些岩浆沿着区域断裂构造上升, 形成受北东向乌龙沟—上黄旗深断裂控制的王安镇—麻棚岩浆带和受北西向断裂控制的义兴寨—铁瓦殿岩浆带, 两者交汇于麻棚—赤瓦屋一带(图3)。

图3 阜平—五台幔枝与金成矿(底图修改自文献[19], 成矿成岩年龄来自文献[20-31] )Fig.3 Fuping—Wutai mantle branch and gold mineralization

2 阜平—五台幔枝的形成时间及其演化

2.1 晋东北地区的岩浆作用特征

岩浆与成矿作用直接反映了幔枝构造作用的时限和岩浆系统演化过程。 五台山—恒山地区中生代的岩浆活动按照侵位特征和岩性组合可以分为两个岩浆活动系列。 其一为浅成—超浅成中酸性侵入体系列, 主要分布在研究区内的火山断陷盆地、 破火山口和火山穹隆中, 主要由次火山岩和各种浅成岩石组成, 武铁山等[32]称之为的老—太—刁(中酸性) 系列, 或壳幔过渡同熔型浅成、 超浅成系列[33]。 按照岩性可以分由岔口、 灵丘2 个超单元, 其与中晚侏罗世火山岩形成的同步, 多为复式小岩体, 与隐爆角砾岩筒或火山口紧密伴生。 岔口超单元主要岩性为似斑状黑云母花岗岩、 石英斑岩; 灵丘超单元主要岩性为闪长岩、花岗闪长斑岩、 花岗斑岩和石英斑岩。 与区域内中生代广泛的Au、 Ag、 Cu、 Mo、 Fe、 Mn 等矿化密切相关。 其二为酸性深成岩体, 相当于武铁山等[32]的铁—六—蚕(酸性) 系列, 赵瑞幅等[33]称之为壳源型中深成系列, 主体为花岗闪长岩—二长花岗岩和中细粒—粗粒—斑状黑云母花岗岩组合。

Zhang 等[19-21]对五台地区及其周边的中生代侵入岩进行较为系统的锆石U-Pb 年代学测试, 结果显示岔口岩体、 义兴寨金矿区的河湾岩体形成于144 ～145 Ma (其中岔口岩体为未发表数据), 为本地区中生代最老的岩浆记录, 并显示一定的Cu、 Mo 矿化;以义兴寨金矿区孙庄岩体、 耿庄—伯强矿区的中酸性侵入岩和刁泉矿区的中酸性侵入岩为代表的岩浆作用形成在140～130 Ma 之间, 广泛发育Au、 Ag、 Cu 矿化; 以铁瓦殿岩体和黑狗背岩体为代表的深成花岗岩侵位时间为100～110 Ma (未发表数据)。

2.2 阜平—涞源地区的岩浆作用特征

阜平—涞源地区中生代岩浆岩受北东向深大断裂控制, 呈串珠状分布, 自西南向东北依次发育观音堂岩体、 麻棚岩体、 赤瓦屋岩体、 台峪岩体、 大石峪岩体和王安镇岩体。 王安镇岩体规模最大, 最具代表性, 其主体岩性为花岗闪长岩、 二长花岗岩和少量石英闪长岩组成, 具有与埃达克岩类似的独特的岩石地球化学特征。 早期为角闪石岩、 辉长岩和闪长岩, 晚期则为钾长花岗岩、 石英二长岩和石英正长岩。 蔡剑辉等[34]认为王安镇岩体与地幔物质上涌有关。

麻棚岩体为另一典型岩体, 其与石湖金矿具有明显的时空联系。 内岩体可分为中心相、 过渡相和边缘相, 对应岩性分别为: 斑状花岗闪长岩、 花岗闪长岩及石英闪长岩, 各相之间呈渐变过渡关系。 刘阳等[35]对麻棚岩体过渡带中花岗闪长岩进行了锆石UPb 测年, 获得年龄值为125±3.4 Ma。 Li 等[26]对麻棚岩体测年结果表明该岩体形成在129～131 Ma。

2.3 成矿时代及其对阜平—五台幔枝构造活动历史的约束

区域内各个矿床的成矿时代可以划分为三期:140 Ma 左右的斑岩型Mo-Cu 矿成矿, 典型代表为木吉村Mo-Cu 矿[28-30]、 伯强Mo-Cu 矿和义兴寨河湾Mo矿化[19,20]; 125～135 Ma 的Au-Ag 多金属成矿, 典型代表为义兴寨金矿、 石湖金矿、 刁泉银铜金矿[19-21];100～110 Ma 的银矿化, 主要代表为秋卜洞银矿[25]。

综合区域内的岩浆与成矿信息, 我们认为阜平—五台幔枝形成于145 Ma 左右, 主要活跃期为145 ～100 Ma, 其中125～135 Ma 为活跃高峰期, 形成了区域内主要的金、 银为主的多金属成矿。

2.4 阜平—五台幔枝构造的岩浆系统的演化特征

无论是刁泉岩体、 孙庄岩体, 还是王安镇、 赤瓦屋、 麻棚岩体都表现为早期边缘相为中偏基性的辉石闪长岩、 闪长岩, 中部为花岗闪长岩、 二长岩、 斑状花岗岩, 呈现出从中基性到酸性的演化系列[19-21,26]。在各个岩体中都可以看到广泛的暗色微粒包体或早期结晶的铁镁质捕虏体。 以上特征表明在本区岩浆形成过程存在来源于壳源的花岗质岩浆和壳幔混源或幔源的闪长质或玄武质岩浆。 区域内大量岩石地球化学研究也证明, 区域内岩浆是壳幔相互作用的结果, 经历了复杂的岩浆混合和结晶分异过程[19-21]。

3 阜平—五台幔枝构造对区域成矿的控制作用

3.1 成矿作用概说

阜平—五台幔枝构造位于华北克拉通中心, 中生代太行山构造—岩浆成矿带中段, 是华北地区重要的金、 银、 钼、 铜成矿区。 区域内目前发现金矿化点上百处, 重要金矿有山西义兴寨金矿、 辛庄金矿、 耿庄金矿、 太那水金矿等, 河北省石湖金矿、 九岭金矿、柴厂金矿等。 大型Ag 矿床有山西刁泉银铜金矿、 支家地银矿、 硐沟银锰矿等。 此外, 河北木吉村铜钼矿、 山西伯强铜钼矿为区域内典型的斑岩型铜钼矿,其特殊的产出构造背景也吸引了越来越多的科研关注[19-31]。

最近10 年, 在山西义兴寨金矿河湾角砾岩筒中发现大型斑岩型金矿, 突破了区域内缺乏大型斑岩型金矿的成矿历史, 为太行山区金矿勘探指明了新的方向。 朱日祥院士提出华北东部中生代金矿的成矿背景为克拉通破坏, 将华北克拉通东部金矿称之为“克拉通破坏型金矿”, 系统论述了克拉通破坏过程中金的活化迁移成矿的动力学模型, 并解释了克拉通破坏与金的时空分布的关系, 并提出太行山地区是金成矿的有利靶区[36-38]。 Zhang 等[19-21]较为系统地论述和建立了在克拉通破坏背景下壳幔相互作用的机制和岩浆-热液系统的空间结构模型。 这些论述皆表明太行山、五台山地区存在一个岩石圈减薄, 软流圈上涌, 壳幔物质相互作用, 幔源物质借助贯通地幔到地壳的岩浆通道就位成矿的成矿系统。 这些模型与幔枝构造成矿理论具有一致的内核。 下边我们以义兴寨—辛庄金矿田为例, 论述岩浆热液系统中成矿物质的就位机制和成矿过程。

3.2 典型矿床模型——以义兴寨—辛庄金矿为例

义兴寨—辛庄金矿为太行山中北段、 五台山、 恒山地区最重要的金矿区之一。 矿区广泛出露的新太古代TTG 是金矿体的主要围岩。 在矿区西南部和塌陷角砾岩筒内残留有少量中元古界和寒武系。 北西向的义兴寨断裂和龙山断裂为矿区内主要的区域断裂, 次级的北西向和近南北向的断裂系统为矿区内主要的脉岩和含金石英脉的赋存空间[39-45]。

孙庄岩体位于矿区中心, 是区域内主要的中生代侵入体, 与金矿化具有密切的时空联系, 其主要岩性为石英二长岩、 二长岩。 在其西部发育一斑状花岗岩侵入体, 中心为密集石英网脉切割, 局部呈角砾状(图4)。

图4 义兴寨—辛庄金矿矿区地质略图[39]Fig.4 Geological map of the Yixingzhai—Xinzhuang gold mine area

孙庄岩体北部为义兴寨金矿, 东南部为辛庄金矿。 其中义兴寨金矿规模近百吨, 是华北克拉通中部最大的金矿床。 河湾、 南门山、 铁塘硐和金鸡岭4 个隐爆角砾岩筒位于孙庄岩体北部, 呈菱形分布在义兴寨金矿矿区核心区域。 其中河湾角砾岩体和南门山角砾岩体规模最大, 主要为后期含角砾的花岗斑岩和石英斑岩充填, 并被更晚的石英斑岩脉穿切。 河湾岩体的外接触带发育广泛的Mo 矿化, 并在其深部发现大型斑岩型金矿[40,41]; 南门山岩体中部存在矽卡岩,其中广泛发育磁铁矿化和金矿化; 铁塘硐主要为矽卡岩化的角砾岩组成, 局部可见石英斑岩侵入体, 上部为磁铁矿—镜铁矿矿体, 金矿体沿着内部的环状断裂构造分布; 金鸡岭角砾岩体地表出露面积最小, 主要为矽卡岩化的角砾岩, 深部有隐伏的石英斑岩体存在, 并伴随一定的Au 和Mo 矿化。

综合义兴寨—辛庄金矿田各类岩浆岩的年代学、地球化学、 矿物化学和矿床的年代学、 地球化学、 流体包裹体等研究成果, Zhang 等[19]提出义兴寨—辛庄金矿岩浆-热液成矿模型。 该模型认为在142 Ma 左右发生酸性岩浆活动, 岩浆主要沿着基底断裂交汇的薄弱带侵入, 并发生隐爆作用, 形成隐爆角砾岩; 隐爆作用导致上部的碳酸盐地层调入角砾岩筒, 进而发生矽卡岩化作用; 部分岩浆沿着角砾岩筒上升, 将早期矽卡岩破坏, 并在河湾斑岩体外接触带形成斑岩型Mo 矿化。 其后孙庄石英二长岩岩体就位, 并带来大量幔源含矿流体, 随着岩浆不断结晶, 成矿流体过饱和释出, Au、 Cu、 Pb、 Zn、 Ag 等元素进入流体相;同时岩体的侵位导致区域内压扭性NNE、 NNW 向断裂的扩容, 成矿流体进入其中沉淀、 成矿(图5)。

图5 义兴寨金矿成矿模式[19]Fig.5 Metallogenic model of Yixingzhai gold deposit

图6 阜平—五台幔枝构造成矿系统[46]Fig.6 Mineralization system of Fuping—Wutai mantle branch structure

3.3 区域成矿模型

综合该区域地球物理资料和区域岩浆作用特征,我们认为阜平—五台幔枝形成于145 Ma 左右。 岩石圈不均匀减薄导致太行山—五台山—恒山地区局部软流圈上涌, 从而引起上地幔的部分熔融; 幔源岩浆底侵到下地壳底部导致下地壳的部分熔融; 地壳熔融产生的酸性岩浆与幔源基性岩浆混合, 产生具有壳幔混源特征的岩浆; 下地壳及地幔中的硫化物在岩浆-流体作用下熔融, 进入岩浆系统, 岩浆的高氧逸度特征使得硫元素在岩浆中的溶解度大大增加, 同时Cu、Au、 Mo 等金属元素更多地进入熔体; 具有壳幔混合成因的中酸性岩浆在侵位到地壳浅部, 在结晶过程中流体释出并与天水混合在次级断裂系统中充填形成石英脉型金矿, 或发生隐爆作用, 在隐爆角砾岩筒中形成隐爆角砾岩型矿床, 这一过程中地幔流体通过岩浆系统从深部进入成矿构造, 提供了相当比重的成矿物质; 壳源为主的花岗质岩浆在次火山岩系统中形成斑岩型的Mo±Cu 矿床; 在外围盖层拆离滑脱区和上叠构造断陷—火山盆地区, 中酸性浅成—次火山岩与碳酸盐盖层接触交代形成矽卡岩型的Ag±Cu±Au±Fe 矿。

4 结论

(1) 阜平—五台幔枝构造为华北地幔亚柱的三级演化构造, 其位于太行山—五台山上地幔, 在地壳中以下地壳部分熔融区、 中地壳岩浆房和上地壳中酸性侵入体构建出从深部到浅部的岩浆-流体通道;

(2) 阜平—五台幔枝形成于侏罗纪—白垩纪之交, 其成矿和岩浆作用限定其活跃时限为100 ～145 Ma, 其中125 ～135 Ma 是主要的金多金属成矿期;

(3) 阜平—五台幔枝构造形成和演化过程中控制了本地区中生代成矿作用, 在变质杂岩隆起区形成Au-Mo-Cu 为主的矿床, 外围盖层拆离滑脱区形成以Au-Ag 为主的矿化; 上叠构造断陷—火山盆地区形成了以Ag-Pb-Zn 为主的矿床。