賀蘭山北段牛頭溝金礦床地質(zhì)特征及構(gòu)造控礦機理研究

張瑋　魏開武　李紅宇

摘要：牛頭溝金礦位于華北陸塊鄂爾多斯地塊西緣賀蘭山裂陷北段之基底雜巖帶，賦礦地層為一套下元古界宗別立群第二亞群（Pt₁z²）中一深程度的變質(zhì)巖系。礦體受深大斷裂的次一級主斷裂（F1）控制。該斷裂形成于海西——印支期，經(jīng)歷了早期逆沖擠壓，晚期局部引張的多期活動階段。文中主要從礦床地質(zhì)特征、成礦流體溫度、壓力及硫同位素分析等對構(gòu)造控礦機理進行研究，進一步闡明了該地區(qū)構(gòu)造蝕變巖型金礦的成因類型。

關(guān)鍵詞：蝕變巖型金礦 構(gòu)造控礦機理 牛頭溝 賀蘭山北段

牛頭溝金礦位于賀蘭山北段，地理坐標：東經(jīng)106° 31′30″～106°33′00″；北緯39°16′30″～39°17′30″，面積3.99km²。近年來通過礦區(qū)開展普查工作，在F1主斷裂破碎帶內(nèi)圈定出了三個金礦體，確定了牛頭溝金礦床的工業(yè)類型為破碎帶蝕變巖型，使該區(qū)的找礦工作有了較大突破，在該地區(qū)尋找低品位的厚大金礦體具有很大的前景。由于賀蘭山是我國東西部地理與地質(zhì)構(gòu)造的分界線。因此，在該地區(qū)金礦找礦取得突破性進展具有重要的意義。下面就賀蘭山北段牛頭溝金礦床地質(zhì)特征及構(gòu)造控礦機理研究方面提出一些新的認識，供進一步地質(zhì)勘查工作參考。

1.區(qū)域地質(zhì)背景

礦區(qū)地處天山——興蒙造山系與賀蘭山——龍門山——安寧河南北向斷裂帶（鄂爾多斯西緣拗陷帶）的交匯（復合）部位，大地構(gòu)造位置為華北陸塊鄂爾多斯地塊西緣賀蘭山裂陷北段之基底雜巖帶（胡能高等，1994；李紅宇等，2010）。

區(qū)域內(nèi)出露的為一套古元古界變質(zhì)巖系，前人曾命名為賀蘭山群、千里山群、趙池溝群，以及新太古界宗別立群。這套變質(zhì)巖主要由硅線石榴黑云二長片麻巖、黑云斜長片麻巖，淺粒巖、黑云斜長變粒巖、混合巖及混合花崗巖等組成，以角閃巖相一角閃麻粒巖相為主，屬中一深變質(zhì)程度。其原巖以富鋁的半粘土質(zhì)一粉砂巖、硬砂質(zhì)沉積巖和中酸性侵入巖為主，局部為中酸性火山碎屑巖。

區(qū)域范圍內(nèi)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，見多次構(gòu)造變形、褶皺、韌性變形帶及各種斷裂構(gòu)造，褶皺構(gòu)造軸向為北東向或近南北向，大多數(shù)保留完整，部分受后期斷裂破壞不易辨認，一般由古生代、中生代地層構(gòu)成。區(qū)內(nèi)發(fā)育的主要深大斷裂有（潘桂棠等，2009）：①賀蘭山西麓深大斷裂；②賀蘭山東麓大斷裂；③正誼關(guān)大斷裂。

近年發(fā)現(xiàn)的賀蘭山北段韌性變形帶，分布于賀蘭山北段的古元古界宗別立群（Pt₁z²）深變質(zhì)巖系中，呈近東西走向，與變質(zhì)地層的片理產(chǎn)狀一致。韌性剪切構(gòu)造帶內(nèi)可見糜棱巖、片麻狀糜棱巖、鞘褶皺、拉伸線理等變形特征，與金礦化有密切的關(guān)系。

區(qū)域內(nèi)巖漿巖出露面積約300km²。巖石類型以中—酸性巖為主，基—超基性巖較少。巖漿巖的時代以古元古代混合（花崗）巖（Pt₁r）為主。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所CAMECAIMS-1280二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）上獲得鋯石U-Pb年齡為1950Ma左右（張連昌，2010），即相當于古元古代中一晚期（呂梁運動Ⅰ幕）。同時測定輝綠巖脈的同位素定年結(jié)果為1950±49Ma，與古元古代花崗巖屬同期侵入。

2.礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 礦區(qū)圍巖蝕變特征

礦區(qū)范圍內(nèi)出露的地層有古元古界宗別立群第二亞群（Pt₁z²）的黑云母斜長片麻巖和變粒巖；中寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)阿不切亥組（∈₂—O₁a）含生物碎屑灰?guī)r；上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組（C₂-P₁t）砂巖、頁巖和炭質(zhì)頁巖（圖1）。其中蝕變巖型礦體上盤圍巖主要為古元古界宗別立群第二亞群（Pt₁z²）的變粒巖和混合（花崗）巖；下盤圍巖為中寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)含生物碎屑灰?guī)r和上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組炭質(zhì)頁巖。石英脈型礦體圍巖主要為混合巖、混合花崗巖，其次為古元古界宗別立群第二亞群（Pt₁z²）的變粒巖。蝕變巖型礦體含礦巖性主要由硅化黃鐵礦化含金蝕變巖和含金蝕變碎裂巖組成。

2.2 控礦構(gòu)造特征

礦區(qū)構(gòu)造主要是斷裂構(gòu)造，分布有北西向、北東向和近南北三組斷裂。其中，北西向斷裂一般規(guī)模不大，多為逆斷層，部分為平移斷層，區(qū)內(nèi)的大多數(shù)石英脈即沿該組斷裂充填。這些脈體普遍含金及其他（銅）有用元素。北東向斷裂在本區(qū)極為發(fā)育，長度可達數(shù)十公里，大多數(shù)為逆斷層，多分布于褶皺的翼部，形成寬10～30m的擠壓破碎帶。近南北向斷裂為礦區(qū)主要控礦和容礦構(gòu)造，該組斷層規(guī)模較大，代表性有F1斷層。F1斷層為正誼關(guān)大斷裂的次一級斷裂，走向近南北向，斷裂總體傾向西，傾角46°～65°。斷層上盤為古元古界宗別立群地層，下盤為古生代地層；斷層長度大于4.2kin，在礦區(qū)內(nèi)該斷層長度約1.6km，形成了寬達30～90m破碎蝕變巖帶。該斷裂在走向和傾向上均具有波狀彎曲的特征，帶內(nèi)巖石發(fā)育碎裂巖（化）、角礫巖化（中部）和擠壓片理（邊部）。推測該斷裂具有多期活動的特征，早期主要表現(xiàn)為擠壓逆沖斷裂活動特征，后期擠壓應力松弛，轉(zhuǎn)化為局部的伸展，使原巖石發(fā)生破裂，同時發(fā)生含礦熱液的充填交代作用。礦化斷裂帶從中部到邊部發(fā)育明顯的蝕變一礦化分帶：即中部為強硅化黃鐵礦化含金蝕變巖，向兩側(cè)變?yōu)楣杌榱褞r和硅化變粒巖（圖2）。本區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號金礦（化）體均由該斷裂帶控制。

2.3 主要金礦體地質(zhì)特征

牛頭溝金礦成因類型應屬于與構(gòu)造一熱液活動有關(guān)的中低溫熱液型礦床，工業(yè)類型可分為破碎帶蝕變巖型和石英脈型兩種，斷裂破碎帶控礦是該金礦的主要特征。

2.3.1 蝕變巖型金礦體

Ⅰ號金礦體賦存于F1斷裂破碎帶中靠近老地層一側(cè)。賦礦巖石為變粒巖的碎裂巖和蝕變巖。巖石較破碎，褐鐵礦化較明顯。地表礦體出露長度約1，100m，工程控制地段礦體長度800m，傾向延深414m，厚度1～7m，平均厚度2.48m；金一般品位0.54×10^-6～5.16×10^-6，最高品位11.46×10^-6，平均品位1.80×10^-6。整個礦體產(chǎn)狀與F1斷裂一致，地表傾角較緩，一般為45°～50°，向深部逐步變陡，可達60°。

礦石主要由硅化黃鐵礦化含金蝕變巖和含金變碎裂巖組成。

硅化黃鐵礦化含金蝕變巖：呈灰白色，地表礦化帶多呈淺褐色。主要礦石礦物有黃鐵礦、磁黃鐵礦、褐鐵礦，偶爾見黃銅礦；脈石礦物有石英、絹云母、長石、綠泥石等。礦石構(gòu)造主要為浸染狀和細脈一浸染狀，具弱的片理化現(xiàn)象。也見角礫狀礦石，主要由硅化的角礫被石英+黃鐵礦熱液脈膠結(jié)。黃鐵礦多呈他形和五角十二面體形態(tài)，呈浸染狀分布，粒徑0.2～0.5mm，少量黃鐵礦呈細脈一浸染狀沿蝕變巖裂隙分布，黃鐵礦可見碎裂現(xiàn)象，未見明金。

含金蝕變碎裂巖：其蝕變和礦化相對較弱，該類礦石呈灰白色。主要礦石礦物有黃鐵礦、磁黃鐵礦、褐鐵礦，脈石礦物有石英、絹云母、長石、綠泥石等。礦石構(gòu)造主要為碎裂一角礫狀，具弱的片理化現(xiàn)象。黃鐵礦多呈他形和五角十二面體形態(tài)，呈浸染狀分布，粒徑0.2-0.4mm，少量黃鐵礦呈細脈一浸染狀沿蝕變巖裂隙分布，推測是蝕變一礦化沿碎裂一角礫化了的變粒巖發(fā)生所致。

另外位于Ⅰ號礦體上盤，在構(gòu)造蝕變巖帶內(nèi)，還圈出Ⅱ和Ⅲ號兩個規(guī)模較小的礦體，其基本地質(zhì)特征與Ⅰ號礦體相似。

2.3.2含金石英脈型礦體

礦區(qū)含金石英脈，具有呈群成帶分布的特征，出露于F1斷裂破碎帶之上盤（西側(cè)）。石英脈帶走向在325°～345°之間，與F1主干斷裂呈15°～35°夾角斜交，長度大于30m、厚度大于5cm的脈體就多達175條。石英脈多為乳白色，均具不同程度的黃銅礦化、孔雀石化和褐鐵礦化及金礦化。脈體分枝復合、尖滅再現(xiàn)現(xiàn)象十分突出。大多數(shù)脈體沿走向方向尖滅。主要含金脈體175號脈，位于礦區(qū)西北部的燈影子溝中，地表出露長度350m，總體走向3300，傾向南西，傾角54°～75°，走向上具膨大縮小、分支復合特征。地表控制長度170m，深部沿脈坑道施工60m。金一般品位在0.54×10^-6～3.78×10^-6之間，最高品位21.20×10^-6，平均品位5.97×10^-6；含銅0.38×10^-2～5.68×10^-2；礦體平均厚度0.48m。

顯微鏡下觀察表明，脈石礦物主要是石英，其一般顆粒直徑0.2～0.4mm礦石礦物主要是黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦和孔雀石、褐鐵礦等。硫化物多沿石英脈裂隙呈細脈浸染狀分布，硫化物粒徑0.5～1.0mm。罕見自然金，粒徑0.002～0.006mm。

2.3.3 礦石的物質(zhì)成分

①礦石的礦物成分：石英、長石含量64%～68%，斜長石含量20%，方解石含量20%～30%，絹云母含量2～20%，綠泥石含量7～10%；重礦物有黃鐵礦、黃銅礦、榍石和白鈦礦，含量1～6%。

②礦石的化學成分：Au0.41～2.47×10^-6之間，一般為低品位礦石。根據(jù)礦石化學全分析分析結(jié)果顯示，礦石的平均化學成分為：SiO₂82.38%、CaO 0.52%、MgO 0.63%、Fe₂O3₃.59%、Al₂O₃7.49%.K₂0 2.19%.Na₂O 0397%.Cu Q3～0.75%。

2.3.4 金的賦存狀態(tài)

牛頭溝金礦屬于低品位金礦石，通過西北有色地質(zhì)研究院選冶中心所做的牛頭溝金礦區(qū)金的物相分析，對礦區(qū)金的賦存狀態(tài)有了初步了解。牛頭溝金礦床金的物相分析結(jié)果見表1?？梢钥闯?，牛頭溝金礦區(qū)礦石中金的賦存狀態(tài)主要以裂隙金和粒間金為主。

3.礦床地球化學特征

3.1 硫同位素組成特征

礦區(qū)硫同位素樣品采集位置為地表含金石英脈群和Ⅰ號蝕變巖型金礦體上，測試對象為含金黃鐵礦和黃銅礦。測試工作在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所測試中心完成，分析儀器為美國菲尼根公司生產(chǎn)的Delta S型氣體同位素質(zhì)譜計聯(lián)機系統(tǒng)。儀器靈敏度為1500mol/ion。

分析結(jié)果（表2）表明，礦區(qū)破碎帶蝕變巖和石英脈型金礦體的硫化物硫同位素組成近一致，含礦硫化物δ³⁴S為4.86-6.8‰，該值接近于地幔和隕石的硫同位素組成，不具地層生物硫（³⁴S為負值）和海相硫酸鹽硫（34S為較大的正值一般>15‰）的特點，反映牛頭溝金礦硫化物硫主要來自深部巖漿源區(qū)或變質(zhì)流體（宋新華，李紅宇等，2010）。

3.2 礦物流體包裹體特征石英礦物流體包裹體均一溫度測試在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所流體包裹體實驗室進行。直接觀察在加溫或冷凍過程中包裹體相態(tài)的連續(xù)變化。顯微冷/熱臺的溫度控制范圍為-196～600℃，冷凍/加熱速率從0.01℃/分鐘-130～C/分鐘；高溫熱臺的最高加熱溫度可至1500℃。分析結(jié)果（表3）表明，牛頭溝礦區(qū)的硅化蝕變巖和石英脈金礦均表現(xiàn)為中低溫（160℃-300℃）、中低鹽度（6-11wt%）和中淺深度的熱液型金礦的礦物流體特征。

4.斷裂控礦的機理研究

4.1 F1控礦斷裂

近南北向斷裂為礦區(qū)主要控礦和容礦構(gòu)造，該組斷層規(guī)模較大，代表性有F1斷層。F1斷層為正誼關(guān)大斷裂的次一級斷裂，走向近南北向，斷裂總體傾向西，傾角46°-65°。斷層上盤為古元古界宗別立群地層、下盤為古生代地層。

為了對礦區(qū)斷裂控礦機理進行研究，我們垂直F1斷層走向、橫切巖層布置地質(zhì)剖面進行實測從圖3斷層兩側(cè)巖石的碎裂變化程度及蝕變特征進行較詳細的觀察統(tǒng)計研究，說明該斷裂在走向和傾向上均具有波狀彎曲的特征，局部由于受后期構(gòu)造影響發(fā)生錯動。帶內(nèi)巖石發(fā)育碎裂巖（化）、角礫巖化（中部）和擠壓片理（邊部）。推測該斷裂具有多期活動的特征，早期主要表現(xiàn)為擠壓逆沖斷裂活動特征，后期擠壓應力松弛，轉(zhuǎn)化為局部的伸展，原巖石發(fā)生破裂，同時發(fā)生含礦熱液的充填交代。礦化斷裂帶從中部到邊部發(fā)育明顯的蝕變一礦化分帶：即中部為強硅化黃鐵礦化含金蝕變巖，向兩側(cè)變?yōu)楣杌榱褞r和硅化變粒巖。

礦區(qū)內(nèi)的石英脈見有明顯兩期，成群出現(xiàn)，呈帶狀集中分布，晚期石英脈含礦。石英脈均出現(xiàn)在F1西側(cè)斷層的上盤，充填于剪切張裂隙中，是F1主干斷裂不同期次活動派生的產(chǎn)物。

4.2 斷裂控礦模式

關(guān)于斷裂構(gòu)造控礦模式主要集中于研究斷裂對礦體分布的控制；在不同應力場下斷裂的不同地段對成礦的控制；斷裂的伴生構(gòu)造對成礦的控制；疊加斷裂對成礦的控制。

從礦區(qū)含金石英脈的產(chǎn)狀、規(guī)模以及空間分布特征來看可初步推斷含金石英脈為與控制主斷裂F1一致的應力場下形成的次級張裂隙，在張性環(huán)境下，含礦熱液易以充填形式成礦，但由于在不同的構(gòu)造部位，成礦流體演化機制有所不同，即造成石英脈含礦性有所不同。

F1斷裂是區(qū)域大斷裂正誼關(guān)斷裂的次級斷裂；牛頭溝金礦區(qū)礦體主要受F1控制，該斷裂主要形成于晚古生代的海西——印支期，經(jīng)歷早期逆沖擠壓，晚期局部引張破裂的多期活動階段。F1斷裂有一個明顯的特征是產(chǎn)狀有明顯的波狀彎曲，因為斷裂往往是在兩組以上裂隙的基礎(chǔ)上發(fā)生的拉伸，形成追蹤裂隙，可以造成斷裂面是彎曲的，在同一應力下，不同部位受力情況不同，因而在F1的某些地段形成張開，為成礦提供了有利空間，這些地段多出現(xiàn)在F1產(chǎn)狀變緩處，并且在早期的拉張環(huán)境下形成的碎裂巖化學性質(zhì)活潑，可形成交代式成礦。

礦化作用主要形成于主斷裂（F1）張性破裂階段和地段，礦化早期主要表現(xiàn)為強烈硅化，礦化晚期硅化巖破裂被主成礦流體充填一交代形成蝕變巖型金礦。

馬宗晉等認為賀蘭山地區(qū)在新生代之前經(jīng)歷了幾次區(qū)域性的伸展活動，表現(xiàn)出顯著的“多旋回”構(gòu)造特點。其分析結(jié)果表明，該地區(qū)在早古生代，可能是北祁連島弧靠大陸一側(cè)的弧后盆地的一部分，在晚期演變?yōu)榛『笄瓣懪璧?。在晚泥盆世晚期一中生代早期，賀蘭山北段地區(qū)由于受南側(cè)的擠壓發(fā)生伸展，屬于碰撞谷（張進，馬宗晉等，2004）。以上觀點認識與礦區(qū)的斷裂控礦機理分析是一致的。

成礦作用與熱事件緊密相連，多發(fā)生在大地構(gòu)造事件的末期，根據(jù)輝綠巖脈和黑云斜長片麻巖鋯石U-Pb演化線的下交點年齡可初步判斷在古生代末本區(qū)曾發(fā)生過強烈的變質(zhì)變形作用或熱事件，結(jié)合本礦區(qū)二疊紀地層也遭受了構(gòu)造作用的影響，初步認為在華里西期（350-260Ma）本礦區(qū)曾發(fā)生過強烈的構(gòu)造熱事件，該事件與金成礦關(guān)系密切。

牛頭溝金礦區(qū)構(gòu)造演化具有多階段性，各主要地質(zhì)體以及構(gòu)造格局的形成經(jīng)歷了三個主要階段（圖4）。

第一階段主要是基底F1斷裂的形成，本階段之前該區(qū)所在的構(gòu)造單元接受大量沉積，形成寒武紀、石炭紀海陸交替一淺海相沉積蓋層，由于古生代末期的構(gòu)造活動，在大區(qū)應力場作用下形成擠壓性的逆斷層。

第二階段主要該區(qū)發(fā)生大規(guī)模的擠壓和區(qū)域抬升。F1以西古老結(jié)晶基底出露，在強烈擠壓作用下地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，主斷裂F1產(chǎn)狀也相應發(fā)生變化。

第三階段在左旋作用下與F1伴生的張裂隙產(chǎn)生，后期熱液活動時發(fā)生礦物質(zhì)進一步充填。

根據(jù)蝕變巖型金礦的成礦模式，三個主要階段的構(gòu)造活動對成礦都有重要的作用（韋延光，鄧軍等，2005）。綜上所述，賀蘭山北段牛頭溝金礦的控礦機理及成礦模式應該是：古元古代早期（20.82Ma前）華北陸塊的微陸塊之間裂陷構(gòu)造形成結(jié)晶基底（碎屑—火山沉積）→古元古代中—晚期（呂梁運動Ⅰ幕），區(qū)域發(fā)生大面積的中酸性巖并伴隨有基性巖脈的侵入（1950±49Ma）及礦質(zhì)的帶人→古生代中寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)、上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)沉積蓋層的形成→華里西晚期（350-260Ma）發(fā)生大規(guī)模的東西向擠壓作用，在剛性（基底巖層）與揉性（沉積蓋層）地層之間形成F1推覆擠壓與局部擴張的斷裂，并伴生剪切作用北西向張裂隙產(chǎn)生→同期構(gòu)造作用產(chǎn)生熱液活動，使斷裂下盤巖石中的礦質(zhì)活化帶出，在有利的構(gòu)造空間成礦。因此，依據(jù)其礦石礦物流體包裹體特征，牛頭溝金礦床成因類型應該為低溫熱液型，工業(yè)類型為破碎帶蝕變巖型。