山西耿莊金礦床流體包裹體特征及礦床成因

姚玉增，黃 菲，，彭艷東，劉 寧，王國光，呂安才

1.東北大學地質(zhì)系，沈陽 110004

2.內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室（南京大學），南京 210008

3.東北大學秦皇島分校，河北 秦皇島 066004

4.丹東市土地收購儲備交易中心，遼寧 丹東 118000

0 前言

耿莊金礦位于五臺山北麓，隸屬于山西省繁峙縣伯強鄉(xiāng)，是一以金為主、伴有銀、鉛、鋅的多金屬礦床，探明金金屬儲量近10t，是晉東北規(guī)模較大、地質(zhì)特征較明顯、具有代表性的金礦床之一［1］。圍繞礦床成因問題，前人從地質(zhì)特征［2－5］、隱爆角礫巖體特征［6－7］、金礦物特征［8］等諸方 面進行 了深入 研究，均不同程度地認為礦床應屬與隱爆作用有關的中低溫熱液礦床；林建陽［9］系統(tǒng)研究了礦床的稀土元素及同位素地球化學特征，對采自大麻花溝101脈中的3件礦石樣品進行了流體測溫及H－O同位素測定，但未提及成礦期次、流體演化等方面內(nèi)容。迄今為止，尚未見該礦床流體方面的系統(tǒng)研究內(nèi)容。筆者在上述研究成果基礎上，對礦床的流體包裹體進行了研究，結合穩(wěn)定同位素及金礦物等內(nèi)容，討論了礦床成礦流體的演化過程和礦床成因。

1 區(qū)域及礦區(qū)地質(zhì)

耿莊金礦大地構造位置處于呂梁-太行斷塊五臺山塊隆恒山-五臺山穹狀隆起之東北部。區(qū)域內(nèi)出露地層主要有上太古界滹沱超群、上元古界長城系、古生界寒武系、奧陶系及新生界第四系（圖1）。礦區(qū)內(nèi)除第四紀沉積物外，主要為上太古界五臺超群莊旺組，巖性以黑云斜長片麻巖為主，次為角閃斜長片麻巖、角閃片巖、絹云母石英片巖及斜長角閃巖等。

區(qū)域內(nèi)構造發(fā)育。五臺運動導致區(qū)內(nèi)NE向大型復式褶皺、NE向大型韌性剪切帶及NE-NNE向和NW-NNW向的2組斷裂的產(chǎn)生，構成晉東北地區(qū)基底構造格架；中生代斷裂構造運動強烈，多是基底構造的復活與發(fā)展，控制了本區(qū)中生代巖漿巖帶及礦產(chǎn)的空間分布。耿莊隱爆角礫巖體（礦床）即由NNW向F1張扭性斷裂和NE向壓扭性斷裂聯(lián)合控制，構成一弧形展布的構造破碎帶（圖2）。

區(qū)域巖漿巖較為發(fā)育。五臺期花崗巖類巖石及基性、超基性侵入巖控制了鞍山式鐵礦及Cu、Ni等礦產(chǎn)；呂梁期主要為以巖墻形式侵入的輝綠巖；燕山期巖漿活動強烈而頻繁，以酸性、中酸性侵入巖和火山活動為主，礦區(qū)內(nèi)花崗閃長（斑）巖及隱爆角礫巖體控制了耿莊金礦的產(chǎn)出。

圖1 五臺山-恒山綠巖帶巖性地層分布圖［10］Fig.1 Petrology-map-of-Wutai－Hengshan-greenstone belt［10］

2 礦床地質(zhì)

耿莊金礦床礦體嚴格受隱爆角礫巖體的控制。角礫巖體平面上呈似橢圓狀，長軸為NNW向，長約1-000m，短軸長500m；剖面上呈斜漏斗狀，深200～500m。圍巖為下元古界五臺群各種片麻巖、片巖組成的變質(zhì)巖系，地貌上呈較明顯的線狀負地形（圖2）。

全區(qū)共圈出大小工業(yè)礦體20余個，其中以9號礦體最為典型，延長254m，最大延深161m，形態(tài)呈脈狀，礦體走向由南向北從NNW向轉(zhuǎn)為NE向，傾角45°～80°，呈一向西凸起的弧形，平均品位7.9 g／t，平均厚度5.7m，本次樣品即取自于該礦脈。

圖2 耿莊金礦隱爆角礫巖體平面（a）和剖面（b）示意圖［11］Fig 2 Plane（a）and section（b）map of cryptoexplosive breccia bodies in Gengzhuang gold deposit

按照與成礦作用的時間先后關系，圍巖蝕變可分為3種：成礦前蝕變，主要為硅化、絹云母化、黃鐵礦化、綠泥石化等，基本沒有礦化；成礦期蝕變，分布于礦體及其兩側(cè)狹窄范圍內(nèi)，主要為硅化、黃鐵礦化，常與方鉛礦、閃鋅礦等硫化物共生，是主成礦期；成礦后蝕變，見于礦脈及巖石裂隙中，主要為硅化、碳酸鹽化、重晶石化，分布范圍較為局限，標志著成礦作用的結束。

礦石礦物有黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦、黃銅礦、毒砂、金銀系列礦物、輝銅礦、銅藍、磁黃鐵礦等；脈石礦物主要有石英、方解石、絹云母、高嶺土、斜長石、鉀長石、綠泥石、重晶石、黑云母等。礦石結構主要為碎裂結構、交代結構、溶蝕結構、交代殘余結構等，礦石構造主要為致密塊狀、浸染狀、角礫狀等。

根據(jù)礦石礦物組成及其交代關系，耿莊金礦床成礦作用有3個階段：1）成礦前階段，硫化物以黃鐵礦為主，波及整個隱爆火山機構及部分五臺群地層，在整個晉東北具有統(tǒng)一性；2）成礦階段，以致密塊狀及浸染狀的多金屬硫化物礦石為代表；3）成礦后階段，硫化物分布局限，主要為少量的白鐵礦和黃鐵礦。

3 流體包裹體特征

在詳細研究耿莊金礦地質(zhì)特征及現(xiàn)場調(diào)研基礎上，系統(tǒng)采集了礦石及圍巖標本共22件，磨制光片、薄片及包體片共60余片（其中包體片15片），并對包裹體進行了系統(tǒng)研究；選擇代表性的包裹體進行了激光拉曼光譜分析。需要指出的是，由于成礦后的石英分布極為局限，本文結合對該礦床重晶石的研究結果［12－13］予以討論。

文中流體鹽度采用張文淮等［14］公式計算；流體密度根據(jù)劉斌等［15］公式計算；流體壓力則根據(jù)邵潔漣等［16］公式計算。

3.1 包裹體巖相學特征

耿莊金礦中包裹體含量較高，類型也比較復雜。根據(jù)包裹體的成分及相變特征，可以將包裹體劃分為以下幾種類型（圖3）。

圖3 耿莊金礦不同類型包裹體Fig.3 Inclusion types in Gengzhuang gold deposit

1）富氣相包裹體（G型）：含量較多，圓形、橢圓形或不規(guī)則狀，氣液比達70%～90%，大小6～20 μm，多在10～15μm，主要出現(xiàn)于成礦前階段石英中。

2）氣液兩相包裹體（L－Ⅰ型）：呈橢圓形、豆莢狀、近方形或不規(guī)則狀，氣液比多在10%～30%，大小4～20μm，多在6～12μm，在各階段均有出現(xiàn)。

3）含CO2三相包裹體（C型）：出現(xiàn)于成礦前階段石英中，圓形或橢圓形，大小6～14μm，CO2相比例變化較大，為30%～70%，多孤立產(chǎn)出。

4）含子鹽三相包裹體（S型）：出現(xiàn)于成礦前階段，數(shù)量較少，渾圓狀，氣液比15%～20%，大小10～16μm，子礦物無色透明，立方體晶形，應該是NaCl晶體。

5）純液相包裹體（L－Ⅱ）：數(shù)量較少，圓形或橢圓形，大小在4～12μm，多出現(xiàn)于主成礦期。

3.2 包裹體顯微熱力學研究

包裹體顯微測溫在吉林大學變質(zhì)動力學及地質(zhì)流體開放研究實驗室進行，所用儀器為英國Linkam THMS－600型冷熱臺，可測溫范圍為－196～600℃。在測試前用人造純H2O和25%的H2O－CO2包裹體（國際標樣）對其系統(tǒng)校正，誤差為±0.1℃，測試精度低于0℃時為±0.1℃，高于300℃時為±2℃。流體包裹體的測溫結果見表1和圖4。

成礦前階段包裹體類型較多，以L－Ⅰ型包裹體為主，同時伴有G型、C型和S型包裹體。L－Ⅰ型包裹體均一溫度較高，包裹體均向液相均一，均一溫度221～380℃，集中于300～325℃和350～375℃2個區(qū)間，估算流體密度0.75～0.99g／cm3，冰點溫度－14.4～－8.6℃，估算流體鹽度（w（NaCl））為12.42%～18.38%；G型包裹體數(shù)量較多，均一過程中向氣相均一，均一溫度293～403℃，主要分布于350～375℃，估算流體密度0.72～0.81g／cm3，冰點溫度－10.6～－6.5℃，估算流體w（NaCl）為9.86%～14.63%；C型包裹體數(shù)量較少，CO2相所占比例30%～75%，測溫結果顯示該類包裹體固相CO2熔化溫度一般為－60.0～－57.1℃，CO2相部分均一溫度為16.0～18.3℃，CO2水合物消失溫度為6.9～7.5℃，反映此類包裹體w（NaCl）為4.3%～5.9%，包裹體完全均一溫度309～366℃，集中于350～375℃，估算流體密度為0.81～0.89g／cm3；S型包裹體數(shù)量較少，僅在成礦前階段發(fā)現(xiàn)2個，氣液比為15%～20%，子礦物所占比例15%左右，子礦物無色，立方體晶形完好，說明子礦物應為NaCl晶體，測溫結果表明此類包裹體子礦物先于氣泡溶解，溶解溫度為145.4～156.2℃，據(jù)Potter等（1978）公式可知該類包裹體w（NaCl）為29.5%～29.9%，包裹體完全均一溫度為398～402℃。

表1 耿莊金礦礦石石英中包裹體顯微測溫結果Table1 Results of micro－temperature of fluid inclusions in quartz of Gengzhuang gold deposit

圖4 耿莊金礦床包裹體均一溫度直方圖Fig.4 Histograms of homogenization temperature of inclusions in Gengzhuang gold deposit

在成礦作用早期階段包裹體類型較為單一，主要為L－Ⅰ型包裹體，同時伴有少量L－Ⅱ型包裹體。L－Ⅰ型包裹體大小6～18μm，氣液比10%～30%，冰點溫度－16.8～－10.4℃，估算流體w（NaCl）為14.4%～20.1%；包裹體多向液相均一，均一溫度191.8～351℃，集中分布于225～250℃及300～325℃2個區(qū)間，估算流體密度0.82～1.02g／cm3；純液相包裹體數(shù)量較少，多為純CO2包裹體，其固體CO2熔化溫度及均一溫度變化范圍與含CO2三相包裹體基本類似。

主成礦期階段包裹體類型較為單一，主要為L－Ⅰ型包裹體，含極少量的L－Ⅱ型包裹體。包裹體大小4～20μm，氣液比5%～20%，冰點溫度－9.6～－4.3℃，估算流體w（NaCl）為6.9%～13.5%；包裹體多數(shù)向液相均一，均一溫度較低，集中于170～180℃之間，估算流體密度0.95～0.99g／cm3。

成礦后包裹體類型簡單［12］，主要為L－Ⅰ型包裹體，含少量富氣相包裹體和純液相包裹體。流體均一溫度變化范圍較大，為134.7～269.5℃，集中分布于150～170℃、180～190℃和250～270℃3個區(qū)間；w（NaCl）較低，1.0%～3.8%，估算流體密度0.79～0.95g／cm3。

目前對于成礦深度的計算，尚沒有成熟的理論和方法，而根據(jù)包裹體顯微測溫資料求得的成礦壓力值誤差較大，由此求得的成礦深度也為近似值。筆者對成礦壓力的計算采用邵潔漣的經(jīng)驗公式［15］，結果表明成礦壓力為（0.45～1.1）×108Pa，主要分布于（4.5～5.0）×107Pa和（8.0～9.0）×107Pa 2個區(qū)間。根據(jù)地殼深度增加1km，靜巖壓力遞增2.5×107Pa計算，耿莊金礦的成礦深度應該為1.8～4.4km。

3.3 流體成分研究

包裹體成分分析在內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室（南京大學）完成，使用儀器為英國產(chǎn)Renishaw RM 2 000型激光拉曼光譜儀，實驗條件：溫度23℃，Ar離子激光器（514nm），風冷，狹縫寬50μm，光柵1 800，掃描時間30s，掃描次數(shù)為1次。共測試包裹體10個，其中成礦前階段和主成礦期各4個、成礦早期2個，具體結果見圖5。需要指出的是，成礦早期包裹體由于背景值過高，參考價值相對較低。

圖5 耿莊金礦包裹體激光拉曼光譜Fig.5 The laser Roman microspectra of inclusions in Gengzhuang gold deposit

成礦前水溶液包裹體成分較復雜，除了主要成分水之外，還存在較多的H2S、CO2、N2等（還原性）氣相組分，其中氣相包裹體中的氣體組分主要為CO2，含少量N2；成礦早期流體以 H2O為主，伴有少量CO2；主成礦期流體除了H2O外，還存在CO2和N2等氣相組分；成礦后流體成分以H2O為主，含少量CO2［11－12］。以上研究結果表明，耿莊金礦成礦流體應屬 H2O－NaCl－CO2體系。

4 礦床成因討論

4.1 流體特征及演化

上述研究表明，耿莊金礦的形成與區(qū)域上的次火山隱爆作用息息相關，整個成礦過程中成礦流體發(fā)生了規(guī)律性的變化，主要表現(xiàn)如下：

1）成礦前階段包裹體類型多樣，包括G型、C型、S型及L－Ⅰ等。其中：G型、C型和L－Ⅰ型包裹體均一溫度基本類似，主要集中于350～375℃，與S型包裹體均一溫度（平均396℃）基本相近；G型包裹體中的氣相組分主要為CO2，說明不同類型包裹體應是流體沸騰及CO2不混溶作用的結果［17－25］；流體內(nèi)富含H2S等還原性氣體，說明流體應是還原性（深源）的。

2）在成礦作用早期，包裹體類型主要為L－Ⅰ型，含極少量的L－Ⅱ型包裹體，說明該時期雖有較強的隱蔽爆破作用，但溫壓條件已較成礦前階段小了很多；均一溫度集中于225～250℃和275～300℃2個區(qū)間，表明隱蔽爆破作用是多次完成的。

3）在主成礦期，包裹體主要為L－Ⅰ型，伴有極少量的L－Ⅱ型包裹體；均一溫度集中于170～180℃，屬典型的中低溫熱液礦床范圍；流體成分除H2O外，尚有CO2和N2等大氣組分，說明在主成礦期有大氣成因水的參與［25］；流體混合也許是成礦物質(zhì)沉淀的主要機制。

4）成礦后重晶石研究結果表明，包裹體主要為L－Ⅰ型，含少量G型和L－Ⅱ型包裹體；均一溫度為134.7～269.5℃，流體成分以 H2O為主，w（NaCl）為1.0%～3.8%，說明經(jīng)過成礦前流體沸騰及成礦期成礦物質(zhì)的沉淀富集，流體性質(zhì)發(fā)生了明顯改變。

4.2 H－O同位素特征

林建陽等［7，9］在耿莊金礦大麻花溝101礦脈采集3個主成礦期礦石樣品并測定了其中的H－O同位素組成，結果見圖6。由測試結果可以看出，流體氫同位素δD 為－112.1‰～－98.6‰，δ18O 為－19.9‰～－15.6‰（按照成礦溫度130～260℃計算）。將上述3個點投影到氫氧同位素相關圖解中，發(fā)現(xiàn)它們均落在大氣降水線左側(cè)，距離原始巖漿水和變質(zhì)水很遠，說明該階段的成礦流體應以大氣降水為主。

值得注意的是，前面的研究表明該階段流體w（NaCl）仍然很高（6.9%～13.5%，平均10.23%），而大氣降水不可能有如此高的鹽度。因此，主成礦期流體應是火山熱液與大氣降水的混合熱液；不同性質(zhì)流體的混合可能是成礦物質(zhì)沉淀的主要機制。

圖6 耿莊金礦成礦流體氫氧同位素組成［7，9］Fig.6 TheδD－δ18 O composition map of fluid inclusion in Gengzhuang gold deposit

4.3 S同位素特征

耿莊金礦硫同位素特征［7，9］見圖7。結果表明：黃鐵礦的δ34S變化范圍為0.5‰～7.2‰，平均為3.13‰，離散度為1.455 4；方鉛礦的δ34S變化范圍為－0.2‰～2.8‰，平均為1.33‰，離散度為1.156 31；閃 鋅 礦 的 δ34S 變 化 范 圍 為 1.6‰ ～3.9‰，平均為2.99‰，離散度為1.156 31。綜合數(shù)據(jù)可看出：δ34S值分布范圍狹窄，硫同位素組成直方圖塔式效應明顯，反映硫的分餾較好；δ34S平均值為2.9‰，總離散度為1.403 31，具深源（幔源）特征。

4.4 金礦物特征

寇大明等［10］利用電子探針技術研究了耿莊金礦礦石中自然金的成色，并利用圖解技術研究了自然金成色與形成溫度間的關系。結果表明，耿莊金礦床中金礦物多為銀金礦，自然金成色（質(zhì)量分數(shù)）多為508‰～745‰，平均為673‰，顯示出淺成、中低溫熱液礦床的特點。

圖7 硫同位素組成直方圖［7，9］Fig.7 Histogram of sulfur isotope composition

綜上所述：在成礦前階段，深部富還原性氣體的深部流體向上遷移，在流體壓力超過上覆巖層壓力時流體發(fā)生強烈沸騰，導致區(qū)域上隱爆角礫巖體的產(chǎn)生；在成礦作用早期階段，先期形成的角礫巖體圈閉，流體壓力升高而產(chǎn)生多次隱爆作用，并伴有微弱的礦化作用；在主成礦期，流體演化進入到后期，次火山熱液溫度、壓力大大降低，同時大氣降水沿先期隱爆裂隙貫入并與次火山熱液混合，導致金銀等成礦元素與多金屬硫化物同時沉淀，從而形成了耿莊金礦。

5 結論

1）在成礦前階段，富氣相（G型）和富液相（L－Ⅰ型）、含CO2三相（C型）及含NaCl子鹽三相包裹體（S型）以相似均一溫度相伴出現(xiàn)，表明該階段深部來源的流體發(fā)生了明顯的沸騰或不混溶作用，氣相組分的爆破作用是隱爆角礫巖體形成的主要因素。

2）隱爆角礫巖體是流體運移及礦質(zhì)沉淀的良好場所，大氣降水與次火山熱液的混合是導致成礦物質(zhì)沉淀富集的主要因素。

3）耿莊金礦成礦溫度集中于170～180℃，礦床應屬與中生代次火山熱液有關的中低溫熱液型金礦床。

流體包裹體的測溫得到了吉林大學變質(zhì)動力學及地質(zhì)流體開放研究實驗室王可勇和王力老師的大力協(xié)助；激光拉曼光譜分析得到了南京大學內(nèi)生成礦國家重點實驗室的幫助；野外工作得到了中國黃金集團山西黃金公司及繁峙縣黃金公司的大力協(xié)助。在此一并致謝！

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