胶东山后金矿成矿流体及成矿物质来源:来自H-O、Sr-Nd-Pb、He-Ar同位素证据

王巧云,郭晶,郝兴中*,于得芹,马丽新,吴红霞,郭艳,田瑞聪,胡创业

(1.山东省地质调查院,山东 济南 250014;2.齐鲁师范学院,山东 济南 250200;3.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院,山东 济南 250014)

0 引言

山后金矿位于招远-平度断裂带(以下简称招平断裂带)南段,是招平金矿带典型的大型金矿之一。国内地质学者对该矿床的矿体特征、成矿阶段、流体包裹体以及氢氧硫等稳定同位素做了详细的研究[1-5],但是尚未开展对该矿床Sr-Nd-Pb以及稀有气体同位素的研究。由于招平金矿带的成矿物质来源复杂,关于成矿物质主要来自于地幔还是下地壳重熔,或是胶东岩群还存在争议。因此,本文通过系统研究山后金矿石英流体包裹体H-O同位素以及载金黄铁矿Sr-Nd-Pb和稀有气体同位素组成,深入分析探讨山后金矿成矿流体和成矿物质来源。

1 矿床地质特征

该矿床受NE向断裂的控制,赋存于招平断裂带主断面下盘40 m范围内,位于-500 m标高以上[1-2]。矿区内以压扭性断裂为主,断裂带蚀变发育,主要有绢云母化、黄铁矿化、硅化等,局部被石英脉、黄铁矿石英脉、煌斑岩脉等充填(图1)。矿床中共圈定16个矿体,其中主矿体占该矿资源储量总量的65.5%;次要矿体和其他14个矿体均为小型矿体(1)山东正元地质勘查院,山东省莱西市山后矿区金矿详查报告,2011年。。

1—第四系;2—荆山群野头组;3—荆山群禄格庄组;4—胶东岩群;5—玲珑序列崔召单元;6—碎裂状变粒岩;7—煌斑岩;8—石英脉;9—金矿体;10—断层主裂面断层泥;11—绢英岩化花岗质碎裂岩;12—花岗质碎裂岩;13—研究区范围

主矿体呈缓倾斜脉状赋存于构造蚀变岩中,走向32°,倾向SE,倾角40°,控制矿体长257 m,斜深885 m,赋存标高+156 m～-487 m。矿体厚0.63～20.26 m,平均厚4.02 m,厚度变化系数82.15%,属于厚度稳定型矿体。金品位1.01×10-6～123.08×10-6,平均品位3.21×10-6(2)山东正元地质勘查院,山东省莱西市山后矿区金矿详查报告,2011年。。

次要矿体的产状与主矿体一致,控制矿体长181 m,斜深693 m。矿体厚0.45～4.67 m,平均厚度2.01 m,厚度变化系数62%,属于厚度变化稳定的矿体。金品位1.11×10-6～6.95×10-6,平均2.58×10-6①。

2 样品及分析方法

2.1 样品采集

本次研究在主矿体-200 m中段和主断面下盘(0～85 m范围内)的黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩内采集了金矿石14件、花岗岩4件。在岩相学和矿相学研究基础上,选择了5件矿石(均有黄铁矿石英细脉穿插或有石英黄铁矿团块)对其石英中的H-O同位素进行测试,选择3件矿石样品对其黄铁矿进行了Sr-Nd-Pb同位素测试,选择1件花岗岩和2件矿石对黄铁矿进行He-Ar同位素测试。

2.2 样品特征

样品的手标本一般呈灰白—灰黑色,块状构造、碎裂结构,岩性有黄铁绢英岩、黄铁绢英岩化碎裂岩、花岗质碎裂岩和绢英岩化糜棱岩(图2),主要由石英、斜长石、绢云母、方解石和不透明矿物组成。显微镜下主要矿物的粒径一般为0.05～1.0 mm,多呈粒状或鳞片状,彼此呈镶嵌紧密状分布。石英呈不规则粒状,波状消光;绢云母呈鳞片状,有的发生绿泥石化,多呈条纹条带状集合体围绕粒状矿物分布(图2e)。金属矿物主要由黄铁矿、磁铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿组成,黄铁矿呈半自形晶粒结构,浸染状构造,粒径一般为0.05～2.5 mm;磁铁矿呈半自形晶粒结构,粒径一般为0.01～0.1 mm(图2f)。金品位一般在2×10-6～4×10-6,平均值为3.01×10-6。

a—绢英岩化碎裂岩;b—绢英岩化糜棱岩;c—黄铁绢英岩;d—黄铁绢英岩化碎裂岩;e—鳞片粒状变晶结构;f—浸染状黄铁矿,半自形晶粒结构。Ser—绢云母;Qtz—石英;Py—黄铁矿;Mag—磁铁矿

2.3 分析方法

石英O同位素及其流体包裹体H同位素测试、黄铁矿Sr-Nd-Pb同位素及He-Ar同位素分析均在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。

H-O同位素测试所用仪器为MAT-253型质谱仪,δD和δ18O均为SMOW标准。O同位素测试和H同位素分析方法具体详见《硅酸盐及氧化物矿物中氧同位素组成的五氟化溴法测定》和《水中氢同位素锌还原法测定》。

黄铁矿Sr-Nd-Pb同位素测试所用仪器为ISOPROBE-T热表面电离质谱仪和Phoenix热表面电离质谱仪,检测方法依据GB/T 17672—1999《岩石中铅、锶、钕同位素测定方法》和DZ/T 0184.12—1997《岩石、矿物中微量铅的同位素组成的测定》。

黄铁矿包裹体中He-Ar同位素分析的实验流程和测试方法详见《40Ar-39Ar同位素地质年龄及氩同位素比值测定》,测试仪器为Helix SFT型惰性气体质谱仪。该仪器40Ar的空白本底值小于5×10-14cm3STP,法拉第杯分辨率大于400,离子倍增器分辨率大于700;He和Ar分别在特定值的阱电流时,灵敏度分别优于2×10-4A/Torr和7×10-4A/Torr。测量结果以大气He、Ar同位素组成为测量标准,其3He/4He(Ra)=(1.399±0.013)×10-6;40Ar/36Ar=295.6,38Ar/36Ar=0.187。

3 分析结果

3.1 H-O同位素

对5件矿石样品中挑选出的石英以及石英中的流体包裹体分别进行了O和H同位素测试(表1)。石英的δ18Ov-SMOW介于10.2‰～11.2‰之间,石英流体包裹体的δDv-SMOW在-90.7‰～-77.0‰。采用Clayton等(1972)平衡分流方程[6],计算得到成矿流体的δ18OH2O在0.25‰～1.25‰之间。

表1 山后金矿石英H-O同位素组成

3.2 Sr-Nd-Pb同位素

本次测试的3件山后金矿的矿石单矿物的Sr-Nd同位素测试结果列于表2。黄铁矿具有相对较高的87Sr/86Sr和较低的εNd(120 Ma)。87Sr/86Sr介于0.7163～0.7183,平均0.7173,εNd(120Ma)变化范围-23.06～-17.88,平均-20.61。

表2 山后金矿黄铁矿Sr-Nd同位素组成

本次研究中3件矿石单矿物样品的Pb同位素测试数据见表3。黄铁矿的初始206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb分别为17.097～17.584、15.457～15.524和37.910～38.166。

表3 山后金矿黄铁矿Pb同位素组成

3.3 He-Ar同位素

对山后的3件样品进行了黄铁矿流体包裹体的氦氩同位素测试,结果见表4。黄铁矿流体包裹体3He/4He为0.31×10-6～0.79×10-6,是空气中的3He/4He(Ra)的0.45～1.15倍,平均0.91 Ra,约为地壳氦(0.01 Ra～0.05 Ra)的18～90倍,高于地壳氦,但远低于典型地幔氦(6 Ra～9 Ra)[7-8];40Ar/36Ar的范围为679.32～804.23,平均值724.83,大约为大气降水的40Ar/36Ar值(298)的2.43倍,具有较高的40Ar/36Ar。

表4 山后金矿黄铁矿流体包裹体氦、氩同位素组成

4 讨论

4.1 成矿流体来源

4.1.1 H-O同位素示踪

本次研究样品为代表成矿期的黄铁绢英岩和黄铁绢英岩化碎裂岩,因此H-O同位素组成可以示踪成矿流体来源。从图3中可以看出,本次测试样品的H-O同位素组成明显不同于岩浆水和变质水,而是落在富集地幔流体与大气降水线之间的范围,样品较低的δDv-SMOW与富集地幔流体一致,而δ18OH2O比富集地幔流体稍低,表明成矿流体中加入了少量的大气降水。

前人对胶东地区金矿H-O同位素的研究认为[2-5],由成矿早期到晚期,成矿流体的δDv-SMOW和δ18OH2O逐渐降低,表明深部的成矿流体沿断裂上升过程中,有大气降水加入。目前,许多地质学者对胶东地区金矿的成矿作用和机制的研究形成了比较清晰的观点[9-11],认为胶东金矿床的成矿流体在成矿的晚期阶段,由于大气降水的加入导致H-O同位素组成有逐渐向大气降水线靠近的趋势。山后金矿的成矿年龄约为115～117 Ma[11-12],与矿区内玲珑花岗岩的成岩年龄(约160 Ma)相隔较远,而与富集地幔岩石圈起源的基性岩脉的成岩年龄接近[13],因此推测山后金矿的成矿流体很有可能来自于富集地幔。

4.1.2 He-Ar同位素示踪

研究表明,作为重要的载金矿物黄铁矿中流体包裹体对He、Ar具有理想的封闭性,是用于研究流体包裹体He、Ar同位素组成的理想寄主矿物[14-19]。地壳流体中的稀有气体有3个明显不同的源区,即饱和空气雨水中的稀有气体、地幔中的稀有气体和地壳中放射成因的稀有气体。在不同的源区He、Ar同位素组成具有明显的差异性,因此He、Ar同位素被广泛应用于示踪成矿流体。

从图4可以看出,氦同位素组成落在地幔氦和地壳氦之间,说明成矿流体具有壳幔混合的特征,表明山后金矿成矿流体是地壳流体与地幔流体的混合流体。

图4 黄铁矿流体包裹体3He-4He图解

研究表明[5,19],根据He-Ar同位素体系的40Ar/36Ar和3He/4He的特征值可以判断地幔流体至少有3个主要源区:地幔柱型源区、洋中脊玄武岩型源区和富集地幔源区。富集地幔源区由于受到俯冲作用带来的洋壳物质的交代富集,造成其40Ar/36Ar和3He/4He比值均低于洋中脊玄武岩型源区[20]。因此,华北克拉通东部新生代玄武岩中地幔捕虏体的3He/4He接近或低于1 Ra,显示富集地幔源区的特征[21]。本文样品的3He/4He平均0.91 Ra,接近或低于1 Ra,如图5所示,由此推测山后金矿成矿流体来自富集地幔。

图5 黄铁矿流体包裹体40Ar/36Ar-3He/4He(R/Ra)图解

4.2 成矿物质来源

根据Sr-Nd同位素分析结果(表2),山后金矿具有相对较高的87Sr/86Sr和较低的εNd(120 Ma)。87Sr/86Sr介于0.7163～0.7183,平均0.7173,εNd(120Ma)变化范围-23.06～-17.88,平均-20.61。87Sr/86Sr低于大陆地壳锶同位素的平均值0.719[22],而明显高于地幔锶的初始值0.705,与围岩玲珑花岗岩和郭家岭花岗岩以及前寒武纪变质岩的锶同位素组成相似,与伟德山期花岗岩及同时代的中基性脉岩(煌斑岩、辉长岩、闪长玢岩)87Sr/86Sr的高峰值相同,表明成矿物质来源的复杂性,很可能胶东岩群、玲珑花岗岩、郭家岭花岗岩以及同时代的伟德山期花岗岩和中基性脉岩均参与了成矿作用。Nd同位素组成的变化范围较大,但总体上与玲珑花岗岩、郭家岭花岗岩及伴生的同时代脉岩相一致。根据表3的分析结果,山后金矿与夏甸金矿的矿石和全岩(蚀变岩)Pb同位素组成相似[5],夏甸金矿与山后金矿同处于招平断裂带的中南段,其地质构造环境和成矿机理与招平金矿带的成矿机理相一致[10-11]。依据前人对胶东地区煌斑岩、玄武岩、斜长角闪岩、玲珑花岗岩和郭家岭花岗岩的Pb同位素研究结果[13,21,23-24],本文认为山后金矿Pb同位素组成不同于胶东地区中生代软流圈起源的玄武岩和基底变质岩,而与玲珑花岗岩、郭家岭花岗岩及煌斑岩较为接近。

虽然Sr-Nd-Pb同位素特征显示山后金矿的成矿物质来源复杂,但是根据前人对胶东地区大陆动力学的研究,晚侏罗世时期,太平洋板块开始俯冲,胶东地区进入燕山造山幕初始阶段,160～150 Ma形成了以基底岩系交代重熔的玲珑花岗岩,130～125 Ma形成了郭家岭造山中期弱片麻状花岗闪长岩-花岗岩组合,开启了胶东金矿主成矿期[25]。山后金矿的成矿时间115～117 Ma,略晚于胶东大规模金成矿时间(120 Ma),本文推测与成矿作用最为密切的是玲珑花岗岩、郭家岭花岗岩以及前寒武纪变质基底。

5 结论

(1)胶东地区山后金矿属于大型金矿床,发育在招平断裂带的南段,形成于早白垩世(115～117 Ma),成矿时代与胶东地区大规模金矿成矿期基本一致。

(2)H-O同位素组成显示,落在富集地幔流体与大气降水线之间;3He/4He平均值为0.91 Ra,介于地幔氦和地壳氦之间,H-O同位素和He-Ar同位素组成均表明,山后金矿的成矿流体是壳幔混合流体,推测成矿流体来自于富集地幔,并在成矿过程中交代胶东岩群,在成矿晚期有大气降水的加入。

(3)研究区内Sr-Nd和Pb同位素组成显示,其具有相对较高的87Sr/86Sr和较低的εNd(120 Ma)。研究表明山后金矿的成矿物质来源具有多源性,但是主要来源是玲珑花岗岩、郭家岭花岗岩和前寒武纪变质基底。