小秦嶺大湖金礦成礦流體特征及礦床成因

陳 莉,毛景文,葉會(huì)壽

(1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川成都 610081;2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037)

小秦嶺大湖金礦成礦流體特征及礦床成因

陳 莉1,毛景文2,葉會(huì)壽2

(1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川成都 610081;2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037)

本文運(yùn)用流體包裹體巖相學(xué)、流體包裹體溫度測(cè)試、流體包裹體成分分析等方法,討論了大湖金礦床成礦流體的特征和成礦機(jī)理。

小秦嶺;大湖金礦;流體包裹體;成礦機(jī)理

大洋板塊俯沖造山體制的成礦模式和大陸碰撞造山體制的成礦模式[1]的相繼提出,催生了造山型金礦的概念[2]。已有研究表明,造山型金礦主要為斷裂控制的脈狀礦床,形成于造山帶區(qū)域變質(zhì)峰期之后,成礦流體系統(tǒng)為低鹽度、富 CO2的變質(zhì)熱液[3]。

本文以小秦嶺大湖金礦各成礦階段礦化石英脈為研究對(duì)象,開展了比較系統(tǒng)的流體包裹體研究,探討大湖金礦床成礦流體的特征和成礦作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

小秦嶺位于華北地臺(tái)南緣華熊隆起。該隆起包含華山、崤山和熊耳山 3個(gè)隆斷區(qū)。小秦嶺金礦帶是華山壟斷區(qū)的一部分。區(qū)內(nèi)出露的地層主要為太古宙太華群變質(zhì)巖 (圖 1),巖性主要為斜長角閃巖、斜長片麻巖、黑云斜長片麻巖、太華群片麻巖、大理巖、條帶狀混合巖等。太華群片麻巖鋯石的SHR IMP U-Pb年齡為 1846.0±5.9Ma[4]。

區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁,出露面積最大的巖體主要為元古代二長花崗巖和中生代燕山期輝綠巖、花崗巖。中生代花崗巖巖體主要有華山巖體、文峪巖體和娘娘山巖體。小秦嶺地區(qū)已發(fā)現(xiàn)韌-脆性斷裂500余條,以近東西向?yàn)橹?北西向、北東向和南北向次之。近東西向斷裂帶是本區(qū)的主要控礦構(gòu)造。

圖 1 小秦嶺金金礦田地質(zhì)及金礦床分布簡(jiǎn)圖(據(jù)陳衍景,2006[5]修改)Arh-太古代煥池峪組大理巖和黑云斜長片麻巖;Arl-太古代閭家峪組斜長角閃片麻巖;Arg-太古代觀音堂組石英巖和黑云斜長片麻巖;Arq-太古代槍馬峪組斜長角閃片麻巖.1.太古代混合巖;2.中生代黑云花崗巖;3.第四系;4.斷裂;5.背斜;6.向斜;7.金礦Fig.1 Geology and distribution of gold deposits in the Xiaoqinling gold field(modified from Chen Yanjing,2006)Arh=marble and biotite plagioclase gneiss in the Huanchiyu Formation;Arl=plagioclase amphibole gneiss in the Lujiayu Formation;Arg=quartzite and biotite plagioclase gneiss in the Guanyintang Formation;Arq=plagioclase amphibole gneiss in the Qiangmayu For mation.1=Archean migmatite;2=Mesozoic biotite granite;3=Quaternary sediments;4=fault;5=anticline;6=syncline;7=gold deposit

2 礦床地質(zhì)特征

大湖金礦床位于小秦嶺北部五里村背斜北翼的山前地帶,是一個(gè)典型的石英脈型金礦床,黃金儲(chǔ)量28噸,平均品位 8.7×10-6。區(qū)內(nèi)出露地層為太華群閭家峪組混合巖及第四系。太華群閭家峪組地層走向近東西向,巖性主要為混合片麻巖、黑云斜長片麻巖,其次為條帶狀混合巖、斜長角閃片麻巖、斜長角閃巖?；旌蠋r以重熔交代成因的混合花崗巖為主,約占基巖出露面積的 80%。

礦區(qū)巖漿活動(dòng)頻繁,巖漿巖發(fā)育。主要有太古宙混合花崗偉晶巖,燕山期輝綠巖,中生代花崗斑巖等基性-酸性各類侵入巖。

礦區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育,按產(chǎn)出特征可劃分為近東西向、北西向、北東向和近南北向四組,其中以近東西向最為發(fā)育。其中 F1、F5、F6、F35、F7和 F8是本區(qū)的主要控礦斷裂,其余皆為成礦前斷裂。區(qū)內(nèi)斷裂具有多期活動(dòng)性,斷裂結(jié)構(gòu)面呈壓→壓扭→張扭的復(fù)雜力學(xué)特征。F5斷裂是礦區(qū)的最主要控礦構(gòu)造,控制礦床絕大部分工業(yè)儲(chǔ)量[6]。

石英脈和含金石英脈屬于同一成礦作用不同階段的產(chǎn)物。含金石英脈多呈脈狀,透鏡狀和不規(guī)則狀分布于含礦構(gòu)造帶中,脈體產(chǎn)狀多與構(gòu)造帶相一致,亦有斜切構(gòu)造帶者。石英含量達(dá) 99%,微量礦物為絹云母。金屬礦物以黃鐵礦為主,次為黃銅礦,方鉛礦,輝鉬礦等。圍巖蝕變以硅化、黃鐵絹英巖化、黃鐵礦化、絹云母化為主。區(qū)內(nèi)多處可見含金石英脈切穿輝綠巖,說明含金石英脈形成晚于輝綠巖,應(yīng)屬于燕山晚期的產(chǎn)物。

成礦作用具有多階段特征。根據(jù)礦物共生組合及相互關(guān)系,劃分為熱液期和表生期。熱液期進(jìn)一步分為四個(gè)成礦階段:M1階段早期以黃鐵礦-石英脈為特征,石英脈礦化極弱,石英為乳白色、致密塊狀,黃鐵礦呈自形立方體,呈浸染狀產(chǎn)于石英脈中,石英氣液包體多,含金性很差;M2階段形成石英-黃鐵礦組合,以煙灰色石英為特征,黃鐵礦呈半自形-自形立方體或五角十二面體,呈致密塊狀、條帶狀、細(xì)脈狀、網(wǎng)脈狀產(chǎn)于石英脈中,是主要的成礦階段;M3階段為多金屬硫化物階段,以出現(xiàn)較多黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦等為其特征;M4為晚期碳酸鹽階段,石英、碳酸鹽以膠結(jié)物形式充填于已形成的構(gòu)造角礫之間,伴生礦物有方解石、白云石、鐵白云石、玉髓狀石英等,無金屬硫化物形成,含金性微弱。

3 流體包裹體研究

礦物中的流體包裹體是礦物晶體在其生長過程中捕獲的部分液體、氣體和熔融體的代表,其作為成礦流體的樣品,是礦物最重要的標(biāo)型特征之一。流體包裹體地球化學(xué)在探明礦床成因方面有著特別的意義,對(duì)認(rèn)識(shí)成礦物質(zhì)的來源、運(yùn)移和沉淀具有重要作用。

F5含礦斷裂是大湖金礦最主要的控礦構(gòu)造,控制的 19、22、21號(hào)礦體為礦區(qū)主礦體,其中以 19號(hào)礦體規(guī)模最大,金儲(chǔ)量占礦區(qū)總儲(chǔ)量的 68%。

本次測(cè)試樣品采自 F5號(hào)脈 19號(hào)礦體西部。

3.1 測(cè)試方法

溫度測(cè)試在中國地質(zhì)地大學(xué) (北京)流體包裹體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,使用儀器為英國產(chǎn)的LinKan TH 600冷熱臺(tái),均一溫度及冰點(diǎn)溫度誤差為 ±0.1℃。包裹體成分分析在中科院地球物理研究所進(jìn)行,氣相成分分析采用 RG202四極質(zhì)譜儀,儀器重復(fù)測(cè)定精密度 ＜5%;液相成分分析采用 H IC-6A型離子色譜儀,重復(fù)測(cè)定精密度 ＜5%。

3.2 流體包裹體類型

在上述的 4個(gè)成礦階段中,M4晚期碳酸鹽階段屬于成礦期后作用,因此不作為研究對(duì)象。樣品中的原生包裹體有 3種物理狀態(tài)類型:Ⅰ型富液相兩相包裹體或鹽水溶液包裹體、Ⅱ型含 CO2三相包裹體和Ⅲ型純氣體包裹體。

Ⅰ型富液相兩相包裹體,鹽水溶液包裹體 (W型),室溫下為兩相,均一至液相,直徑 3～12μm,多數(shù)在 4～8μm之間,氣液比 5%～30%,包裹體呈橢圓形、似圓形、不規(guī)則狀,數(shù)量較多 (圖 2)。

圖 2 石英脈中的鹽水溶液包裹體Fig.2 Saltwater inclusions in quartz veins

Ⅱ型含 CO2三相包裹體 (C型)室溫下為三相,含CO2氣相常有晃動(dòng)現(xiàn)象,直徑 6～14μm,氣液比 10%～80%,包裹體呈橢圓形、不規(guī)則形、長條形等,主要分布在成礦早階段礦化石英脈中 (圖 3、圖 4)。

圖 3 石英脈中的含 CO2三相包裹體Fig.3 CO2-bearing three-phase inclusions in quartz veins

圖 4 石英脈中的含 CO2三相包裹體Fig.4 CO2-bearing three-phase inclusions in quartz veins

Ⅲ型含 CO2純氣體包裹體 (P型)室溫下呈一相 ,以 CO2為主 ,還有少量的 CH4、H2S等,直徑 6～8μm,呈規(guī)則形態(tài)隨機(jī)分布 (圖 5)。

不同成礦階段的流體包裹體組合類型不同。成礦早期階段,以富液相兩相包裹體為主、含 CO2三相包裹體和 CO2純氣體包裹體都比較發(fā)育,包裹體數(shù)量多,個(gè)體較大,直徑多在 4～14μm之間,多為原生包裹體;M2石英-黃鐵礦中階段主要發(fā)育富液相兩相包裹體,并存在少量含 CO2三相包裹體;M3多金屬硫化物晚階段以不含 CO2、氣液比較小的鹽水溶液包裹體為主,數(shù)量較少,直徑多在 3～8μm之間。

圖 5 石英脈中的純氣體包裹體Fig.5 Gas inclusions in quartz veins

3.3 包裹體測(cè)溫及壓力估算

M1早階段石英中,大多數(shù) C型包裹體由于包裹體內(nèi)壓較高,在完全均一前發(fā)生爆裂,爆裂溫度為300～348℃,僅測(cè)得的兩個(gè)完全均一溫度為 300℃和 331℃。此類型包裹體中 CO2均一致液相的部分均一溫度范圍為 12.3～26.8℃,籠形物消失溫度為2.7～3.2℃,據(jù) Collins(1979)的 CO2-NaCl-H2O體系 CO2籠合物熔化溫度和鹽度關(guān)系表,得出含CO2三相包裹體鹽度為 11.61%～12.29%NaCl。W型包裹體在早、中、晚階段都有發(fā)育,均一溫度為125-360℃(圖 6),從早期至中晚期溫度有遞減的趨勢(shì),冰點(diǎn)溫度變化于 -7.0～-13.2℃。根據(jù)冰點(diǎn)和鹽度的關(guān)系,根據(jù) Potter(1978)[7]等人的公式計(jì)算鹽度主要在 10%～17%NaCl之間。在中期和晚期階段,存在鹽度值的兩個(gè)端元值,鹽度分別為小于5%NaCl和 16% ～20%NaCl。

圖 6 流體包裹體均一溫度 (含爆裂溫度)直方圖Fig.6 Bar chart of the homogenization temperatures(including decrepitation temperatures)of fluid inclusions

根據(jù)已獲得該類包裹體的均一溫度和鹽度,利用 Haas(1976)[8]、Bodnar(1983)[9]等計(jì)算流體密度的公式,計(jì)算得出流體密度在 0.60～1.09 g/cm3之間。

壓力對(duì)成礦起著重要作用,因成礦溶液中化合物及金屬的溶解與壓力有密切關(guān)系,成礦過程中因構(gòu)造活動(dòng)頻繁,裂隙多次張開,導(dǎo)致壓力下降,成礦系統(tǒng)熱力學(xué)平衡遭到破壞,成礦溶液沸騰,揮發(fā)分(如 H2O、CO2、SO2等 )逸散 ,從而使成礦溶液中金屬絡(luò)合物分解,析出金屬礦物。

利用 NaCl-H2O-CO2體系的等容線圖[10]計(jì)算的壓力在 100～150MPa之間。

3.4 包裹體成分

包裹體氣相成分分析采用四極質(zhì)譜儀,液相成分分析采用離子色譜儀,測(cè)試結(jié)果包裹體所反映的成礦溶液以水為主,占總量的 85%以上,并含有一定量其它離子和氣相組分的熱液。陽離子以Na+為主,其次是 K+和 Ca2+;陰離子主要是 Cl-,其次是 F-和SO42-。氣相組分主要是 CO2,含有一定數(shù)量的 CH4、C2H6、、H2S、Ar和 N2。成礦溶液屬于 Na+(K+,Ca+)-Cl-(SO42-,F-)-H2O體系。成礦流體中,CO2從成礦早期到晚期逐漸減少,而 H2O的含量逐漸增加,反映了成礦過程中大量大氣水的加入。

4 成礦機(jī)理

4.1 沉淀機(jī)理

引起熱液中成礦元素沉淀的因素主要有兩個(gè)方面:一是熱液本身溫度、壓力、pH值、Eh值、fs2、fo2等物理化學(xué)條件的變化,使原先穩(wěn)定的絡(luò)合物分解、礦質(zhì)沉淀;二是由于熱液中某些成分濃度的改變?cè)斐山j(luò)合物分解。熱液成分變化主要是由熱液與圍巖之間的化學(xué)反應(yīng)引起的,因?yàn)椴煌再|(zhì)液體的混合,或因?yàn)闊嵋哼吔鐥l件的變化造成某些氣態(tài)組分的逸失?？傊?成礦熱液是一個(gè)多組分的復(fù)雜溶液系統(tǒng),對(duì)外界因素和內(nèi)在因素的變化都極其敏感,一旦化學(xué)平衡被破壞,就會(huì)造成礦質(zhì)的沉淀[11]。

研究表明,金在成礦流體中可呈絡(luò)合物、膠體,或被有機(jī)質(zhì)吸附等多種形式遷移[12][13]。但最普遍的是呈各種絡(luò)合物形式存在于成礦流體中。成礦流體中金可呈 Au-S絡(luò)合物、Au-Cl絡(luò)合物、碳酸絡(luò)合物、碲絡(luò)合物等多種形式存在,普遍為廣大研究者接受的還是 Au-S絡(luò)合物和 Au-Cl絡(luò)合物兩類。中低溫 (＜ 300℃)時(shí),金以硫化物絡(luò)合物遷移,更高溫度下氯化物絡(luò)合物可能變得更重要。

由金絡(luò)合物的穩(wěn)定性可知,影響金絡(luò)合物在熱液中穩(wěn)定存在的因素,主要是流體溫度、壓力、pH、fO2和礦化劑濃度等物化條件。成礦作用過程中可引起流體物化條件變化的因素多種多樣,歸納起來主要有四種,即冷卻、沸騰、水-巖反應(yīng)和流體混合。一般說來,絕大多數(shù)礦床的形成是多種沉淀機(jī)制共同作用的結(jié)果。

4.2 沸騰作用

沸騰流體包裹體組合是不混溶的流體包裹體的一種特殊類型。它的成因有多種,一種可能是地下較高溫度和壓力的流體 (如熱液),由于斷裂等構(gòu)造作用,內(nèi)部壓力驟然降低,使熱液流體產(chǎn)生減壓沸騰,形成大量氣體逸出,礦物捕獲這種沸騰氣體和液相便形成這種包裹體組合。另外也可能由于高溫流體從深部向上運(yùn)移過程中,在一定部位與地下潛水相遇,這種地下潛水由于高溫高壓的的影響,發(fā)生沸騰而釋放出氣體,礦物在此部位捕獲的包裹體,保存了兩種相態(tài)的流體,形成沸騰流體包裹體組合[14]。

大湖金礦床流體在成礦早期發(fā)生過沸騰作用。理由有以下幾點(diǎn):①成礦早期石英脈中富液相兩相包裹體、含 CO2三相包裹體和純氣體包裹體共存;不同填充度的氣液包裹體共存,并具有相似的均一溫度范圍;由于沸騰作用的發(fā)生,氣體逸出,所以在主成礦期以鹽水溶液包裹體為主;②鹽度在成礦早期以 10%～17%NaCl為主,隨著成礦作用的演化,鹽度出現(xiàn)分化,部分鹽度值逐漸增加,可達(dá) 20%NaCl。這可能是由于沸騰作用使流體中的氣體組分逸出,導(dǎo)致剩余流體的濃縮,從而使鹽度增高。

4.3 流體混合作用

大湖金礦床均一溫度-鹽度關(guān)系表明,M1階段流體的鹽度都在 10%～15%NaCl范圍內(nèi),而 M2、M3階段出現(xiàn)低鹽度 (＜ 5%NaCl)的包裹體。說明主成礦階段M2、M3有大量大氣水加入,使流體的鹽度降低,金的沉淀可能與這兩種流體的混合作用有關(guān)。

有關(guān)金成礦的模擬實(shí)驗(yàn)研究證實(shí),通過水巖反應(yīng)(如蝕變、交代等)能使金的存在形式發(fā)生變化,使巖石中金的浸出率增加。金在自然界的存在形式主要有兩種,即在熱液作用過程中易被活化進(jìn)入溶液的活性金和在熱液作用過程中難以進(jìn)入溶液中的隋性金。水巖反應(yīng)使得巖石中活性金的比例增大,這樣金就更容易轉(zhuǎn)移進(jìn)入成礦流體中[15]。本區(qū)普遍發(fā)育的圍巖蝕變指示了成礦流體與圍巖之間發(fā)生了普遍的物質(zhì)交換,形成新的礦物組合,消耗了成礦流體中的部分組分,造成自由水的逸失,剩余體系中水量減少。這一作用的直接結(jié)果是剩余流體中金屬濃度增高,使金屬絡(luò)合物達(dá)到飽和,而致成礦物質(zhì)沉淀[16]。

綜上所述,本文認(rèn)為大湖金礦在成礦早期沉淀機(jī)理以沸騰作用為主,主成礦期流體混合作用、水巖反應(yīng)和降溫是礦質(zhì)沉淀的主要因素。

5 結(jié)論

(1)大湖金礦礦體受韌-脆性剪切帶控制,F5韌性剪切帶是礦區(qū)的最主要控礦構(gòu)造,剪切帶控制著含金石英脈和金礦體的產(chǎn)出。

(2)流體包裹體特究表明,大湖金礦床成礦流體以中低溫 (125～360℃)、中低鹽度 (10%～17%NaCl)、富含 CO2為特征,成礦流體屬于 Na+(K+,Ca+)-Cl-(SO42-,F-)-H2O體系。

(3)流體包裹體成分分析表明,隨著成礦階段的演化,流體中水的含量逐漸增加,反映成礦流體與地殼水-大氣水的混合作用;包裹體巖相學(xué)研究表明,在成礦早期發(fā)生過沸騰作用;本區(qū)發(fā)育的圍巖蝕變指示了水-巖相互作用;沸騰作用、流體混合作用和水-巖反應(yīng)是本區(qū)礦質(zhì)的沉淀原因。

[1] 陳衍景,富士谷,盧冰.金礦成因和系列的劃分[J].地質(zhì)科學(xué)進(jìn)展,1992,7(3):73-79.

[2] BOHLKE J F P.Orogenic(metamorphic-hosted)gold-quartz veins(R).U.S.Geological SurveyOpen-File Report,1982,795:70-76.

[3] GOLDFARB R J D,GROVESL,GARDOLL S.Orogenic gold and geologic time:a global synthesis[J].Ore Geology Reviews,2001,18(12):1-75.

[4] 毛景文,李曉峰,李厚民,等.中國造山帶內(nèi)生金屬礦床類型、特點(diǎn)和成礦過程探討[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2003,79(3):342-372.

[5] 陳衍景.造山型礦床、成礦模式及找礦潛力[J].中國地質(zhì),2006,33(6):1181-1196.

[6] 何春芬.小秦嶺金礦田北礦帶 F5斷裂控礦作用[J].黃金,2003,24(3):3-7.

[7] POTTER R W,CLYNNE M A,BROWN D L.Freezing point depression of aqueous sodium chloride solutions[J].Economic Geology,1978,73(2):284-285.

[8] HASS J L.Physical properties of the coexisting phases and the ther mochemical properties of the H2O component in boiling NaCl solutions[J].U S Geological SurvyBulletin,1976,1421A:1-73.

[9] BODNAR R J.A method of caculating fluid inclusion volumes based on vapor bubble diameters and PVTX propertiesof inclusion fluids[J].Economic Geology,1983,78:535-542.

[10] SHMONOV V M,SHMULOVICH K I.Molal volumes and equation of state of CO2at temperatures from 100℃ to 1000℃ and pressures From 2000 bars to 10,000 bars[J].Doklady Akad Nauk SSSR,1974,217:206-209.

[11] 中國科學(xué)院礦床地球化學(xué)開放研究實(shí)驗(yàn)室.礦床地球化學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1997.

[12] 華仁民.成礦過程中流體混合而導(dǎo)致金屬沉淀的研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展,1994,9(4):15-21.

[13] 樊文苓,王聲遠(yuǎn),田戈夫.金在堿性富硅熱液中溶解和遷移的實(shí)驗(yàn)研究[J].礦物學(xué)報(bào),1995,15(2):176-183.

[14] 劉斌,沈昆.流體包裹體熱力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1999.

[15] 王駒.碳硅泥巖型金 (鈾)床成礦富集地球化學(xué) [M].北京:原子能出版社,1994.

[16] 林文蔚.水巖反應(yīng)中成礦流體的濃縮作用及其應(yīng)用[J].礦物巖石地球化學(xué)通報(bào),1999,18(1):10-13.

[17] 倪智勇,李諾,管申進(jìn).河南小秦嶺金礦田大湖金-鉬礦床流體包裹體特征及礦床成因[J].巖石學(xué)報(bào),2008,24(9):2059-2068.

Ore-form ing fluids and ore genesis of the Dahu gold deposit in the X iaoqinl ing gold field

CHEN Li1,MAO Jing-wen2,YE Hui-shou2
(1.Chengdu Institute of Geology and M ineral Resources,Chengdu610081,Sichuan,China;2.Institute of M ineral Resources,Chinese Academ y of Geological Sciences,B eijing100037,China)

The Xiaoqinling gold field on the southern margin of the North China platfor m is one of important gold metallogenic areas in China,where the gold deposits of varying sizes have been explored,includingmore than one thousand gold-bearing quartz veins and more than forty gold deposits.Exemplified by the Dahu gold deposit in the northern gold belt of the Xiaoqinling gold field,the present paper gives a systematic study of fluid inclusions so as to examine the ore-forming fluids and metallogenic mechanism of the Dahu gold deposit on the basis of petrography,homogenization temperatures and compositions of fluid inclusions.

Xiaoqinling;Dahu gold deposit;fluid inclusion;metallogenic mechanism

1009-3850(2010)02-0103-05

2010-06-02

P617.9

A