劉乃忠
(福建省閩北地質大隊,福州,350012)
政和馬侖頭金礦床是福建省閩北地質大隊2004年發(fā)現的一個中型金礦床[1],礦區(qū)位于東坑火山盆地的西北邊緣;屬政和上山崗一帶金銀成礦遠景區(qū),系福建省重要的金銀多金屬成礦遠景區(qū)之一。目前在東坑火山盆地周邊已發(fā)現的金礦(床)點有東游、前際、馬侖頭、大藥坑、外厝、寶巖、上山崗、王母山、東際、后侖山、東坑、星溪、地坪等,相對于閩西南坳陷西南部的紫金山礦田,該區(qū)研究程度極低,有關礦床成因等問題至今存在分歧。筆者以馬侖頭金礦床作為研究,在野外地質工作基礎上,運用流體地球化學和同位素地球化學方法,通過流體包裹體,氫、氧、硫和成礦流體Rr-Sr同位素的研究,深入探討馬侖頭金礦床形成機制,并全面總結該區(qū)金礦床成礦規(guī)律,建立成礦模式。
研究區(qū)位于政和縣西南約40 km,區(qū)域上位于北東向政和—大埔深斷裂帶與北西向浦城—寧德斷裂帶交會處,北東東向泰寧—政和金銀成礦帶東段,區(qū)內構造-巖漿活動頻繁,多期次構造活動、巖漿侵入及火山作用為成礦創(chuàng)造了良好的條件。
區(qū)內出露地層單一,除礦區(qū)西北部和東南角出露少量第四系、南園群和寨下組外,區(qū)內大部分出露地層為白堊紀石帽山群黃坑組(圖1)。據黃坑組巖性組合特征,可分為下段和上段。下段總體呈北東向出露于礦區(qū)東北部,F2斷層東側,巖性主要為凝灰質砂巖、凝灰質粉砂巖、凝灰質泥巖,厚度大于50 m。上段是區(qū)內出露地層主體,巖性自下往上為火山角礫巖、安山質(巖屑)晶屑凝灰?guī)r、英安巖、英安質(巖屑)晶屑凝灰(熔)巖、流紋質晶屑(角礫)凝灰(熔)巖,構成不完整的中性—中酸性—酸性凝灰?guī)r—熔巖韻律層。呈厚層、巨厚層狀,厚度大于233 m,呈噴發(fā)不整合覆蓋于該組下段之上*福建省閩北地質大隊,福建省政和縣馬侖頭礦區(qū)金礦勘探暨礦山生產勘探(擴深)資源儲量地質報告,2016。。
圖1 政和馬侖頭礦區(qū)地質簡圖Fig.1 Geologic map of Maluntou mining area in Zhenghe county1—第四系;2—寨下組上段;3—黃坑組上段;4—黃坑組下段;5—南園群;6—斷層及編號;7—地質界線;8—工業(yè)品位以上的金礦體及編號
區(qū)內構造受區(qū)域性構造影響主要為斷層,斷層以北西向為主,次為北東向,近東西向少見。區(qū)內北西向斷層活動強烈,呈大致平行相間排列,成組出現,帶內次級斷層發(fā)育。斷層強度具有自西南往東北漸弱,并由較密-稀疏的特點。近于平行分布F3~F16共14條斷層。斷層一般長300~2 100 m,走向276°~340°,南西側斷層往北東傾,北東側往南西傾為主,傾角56°~85°;結構面呈舒緩波狀-微波狀,性質為逆斷層,是區(qū)內礦化(構造)蝕變帶金礦體的主要控礦、容礦構造。
北東向斷層僅在區(qū)內西北部出露F1,東部出露F2。
區(qū)內巖漿侵入活動不發(fā)育,僅局部見脈狀分布的輝綠玢巖(探硐中)、閃長巖(鉆孔中)。
馬侖頭礦區(qū)共圈定工業(yè)品位以上金礦體18個,金銀礦體1個;各礦體主要特征見表1。同時圈定邊界品位以上、工業(yè)品位以下的金礦體(低品位金礦體)33個。
表1 政和馬侖頭礦床工業(yè)金(銀)礦體特征
區(qū)內主礦體部分出露地表,部分為隱伏礦體,均產于白堊紀石帽山群黃坑組火山巖中。各礦體均受斷層構造或巖石層間裂隙控制,其產狀與斷裂、裂隙產狀基本一致,走向北西,傾向南西為主,部分北東,傾角較陡。礦體呈脈狀、透鏡狀,長40~680 m,厚度0.53~18.07 m,斜深20~418 m。金品位為1.85×10-6~8.11×10-6,銀品位為13.21×10-6~190.68×10-6。
礦石具有自形粒狀結構、他形粒狀結構、碎裂結構、網脈狀結構、交代殘余結構、鑲邊結構、溶蝕邊結構、乳濁狀結構、填隙結構、尖角交代結構及細脈穿插結構等[2]。礦石構造具團塊狀、角礫狀、條帶狀、斑雜狀、脈狀、浸染狀、蜂窩狀構造等。
礦石自然類型按礦石的氧化程度可劃分為氧化礦石、混合礦石和原生礦石,并以原生礦石為主;按礦石構造劃分為條帶狀礦石、團塊狀礦石、角礫狀礦石及斑雜狀礦石等。
礦石有用組分主要為Au、Ag,伴生元素為Cu、Pb、Zn、S、As。
金屬礦物主要有自然金、銀金礦、黃鐵礦、針鐵礦、赤鐵礦;非金屬礦物主要以石英、綠泥石、絹云母為主,次有綠簾石、方解石等。
礦物的生成順序為絹云母、綠泥石→石英、黃鐵礦、自然金、銀金礦→褐鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦。
氧化礦石的礦物共生組合有石英+褐鐵礦+赤鐵礦+自然金、石英+針鐵礦+自然金+銀金礦?;旌系V石的礦物共生組合有石英+針鐵礦+黃鐵礦+自然金。
根據礦石特征、礦物組合及生成順序將成礦期分為三個階段(表2),分別為石英-黃鐵礦階段、硫化物階段、碳酸鹽-硫化物階段。第一階段主要形成石英和粗粒黃鐵礦;第二階段主要形成細粒黃鐵礦,后期形成黃銅礦、閃鋅礦和方鉛礦等礦石礦物,并伴隨有少量自形石英生成,該階段為金的主成礦階段;第三階段主要形成碳酸鹽礦物,以方解石為主,呈脈狀穿插早形成的礦物,伴隨少量硫化物。硫化物階段是主成礦階段,代表性礦物組合為黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦等;碳酸鹽階段代表性礦物為方解石(照片1)。
表2 馬侖頭礦床成礦階段劃分及礦物生成順序
照片1 馬侖頭礦床礦石礦物組合及結構關系Photo.1 Mineral assemblages and textures of ore of Maluntou deposita—黃鐵礦自形粒狀結構;b—黃鐵礦碎裂結構;c—網脈狀結構;d—交代殘余結構;e—閃鋅礦交代黃鐵礦 ;f—共結邊結構;g—乳濁狀出溶結構;h—粗粒方鉛礦(右)交代閃鋅礦,細粒方鉛礦(左)充填閃鋅礦間隙;i—細脈穿插結構;Py—黃鐵礦;Ccp—黃銅礦;Sp—閃鋅礦;Gn—方鉛礦
根據研究區(qū)礦床成礦期與成礦階段的劃分, 流體包裹體、H-O同位素和Rb-Sr同位素主要采集主成礦期礦石的寄主礦物石英,S同位素采集主成礦期礦石中的黃鐵礦,樣品采樣位置及研究內容見表3。
表3 馬侖頭金礦樣品采集位置及研究內容
流體包裹體顯微測試工作在中國地質大學(武漢)固體礦產勘查實驗教學示范中心流體包裹體實驗室完成,所用顯微鏡型號為LeicaMD2500P;測定所選包裹體的冰點及對應的均一溫度在中國地質大學(武漢)GPMR紅外測溫室完成,測試儀器為英國生產的Linkam MDS600型顯微冷熱臺。H-O、S同位素測試在核工業(yè)北京地質研究院同位素室完成,石英O同位素和石英包裹體H同位素采用Finnigan MAT-253質譜儀測試。硫同位素測試儀器釆用MAT-251型質譜儀。Rb-Sr同位素分析在國土資源部中南礦產資源監(jiān)督檢測中心同位素地球化學研究室進行,分析儀器采用可調多接收固體質譜儀MAT-261。
顯微觀察顯示,馬侖頭礦床中流體包裹體數量較少,類型較為單一,為富液兩相包裹體。包裹體形態(tài)多為孤立橢圓狀、長條狀、石英負晶形或不規(guī)則狀,大小一般為4 μm×3 μm至8 μm×6 μm,氣相多為透明,少數帶黑灰色色調,液相、無色透明,氣相充填度為10%~20%,多數在石英中隨機分布(照片2)。
照片2 馬侖頭礦床石英中流體包裹體顯微照片Photo.2 Microphotograph of the fluid inclusions in quartz of Maluntou deposit
該次實驗共獲得流體包裹體完全均一溫度120件包裹體均為富液兩相包裹體,均一溫度范圍是135.9~360.1℃。由圖2可發(fā)現,流體包裹體均一溫度存在兩個峰值,一個分布在149~168℃,另外一個分布在187~244℃。出現這種情況的原因存在三種:①由于人為因素,在測試均一溫度時,同一群包裹體中測試數量過多,導致具有相似均一溫度(149~168℃)的包裹體比重增大,引起均一溫度的多峰值現象;②雖然最初選取樣品時都是含硫化物石英脈,但在鏡下找尋包裹體時,發(fā)現石英脈中部分區(qū)域疊加有后期碳酸鹽(方解石),且方解石內也含有較多包裹體,因此,推測分布在149~168℃內的部分包裹體所在的主礦物可能為方解石,所測得均一溫度為主成礦期后流體溫度;③均一溫度的雙峰值現象可能暗示研究區(qū)成礦流體具有多階段成礦的特征。
圖2 研究區(qū)石英流體包裹體均一溫度直方圖Fig.2 Histogram of homogenization temperature of the fluid inclusions in Quartz
區(qū)內金礦床成礦流體均一溫度值存在兩個峰值,表明經歷了早階段少量高溫成礦→中階段大量中溫成礦→晚階段低溫成礦的演化,金礦的成礦溫度主要是中溫-低溫階段。參照區(qū)域上紫金山礦床的相關成果進行對比,該結論與梁青玲[3]、陳靜[4]所測得的紫金山含礦石英脈內流體包裹體均一溫度分布區(qū)間較為一致,該次所測得的324~358℃相當于紫金山流體的早階段(320~380℃);187~244℃相當于紫金山流體的中階段(189~300℃);而149~168℃相當于紫金山流體的晚階段(132~226℃)。從而說明研究區(qū)內成礦流體可能與紫金山成礦流體具有相似的演化過程,但規(guī)模相對要小得多。以出現第二、三階段所見流體包裹體類型為主,第二、三階段包裹體主要為富液兩相包裹體,普遍向液相均一,基本不含揮發(fā)分。對于各階段成礦流體演化與成礦的關系,在此次測試結果的基礎上,結合前述各礦床地質特征,馬侖頭礦床則是成礦流體三個階段疊加的產物,其包裹體均一溫度在上述三個峰值區(qū)間內均有分布。尤其是第二階段,該階段為主成礦階段,形成了大量硫化物。第三階段則是大量成礦物質沉淀之后的低溫熱液活動,形成碳酸鹽礦物,因此馬侖頭礦床金屬礦物種類相對較多且金礦體品位一般較高。沸騰和混合是流體演化和成礦的兩種重要機制,對于研究區(qū)成礦流體由高溫至低溫的多階段成礦模式,可能為單一流體的演化過程,也有可能為成礦流體在自然演化過程中與其他流體混合形成。研究初步認為是混合成因,因為政和—大埔斷裂帶為相對開放系統(tǒng),在成礦流體上升的過程中很難保持自身的單一性,前人研究資料也指出紫金山礦床中金礦的沉淀與上升的流體和大氣流體混合有關[5,6]。
該次共測試5件含硫化物石英樣品,各測試樣品的采樣位置及測試結果見表4,其中δDH2O值范圍是-77.1‰~ -56.6‰,均值為-65.82‰,δ18OV-SMOW值變化范圍較大,介于6.3‰~9.4‰,均值為8.44‰。根據石英-水體系的氧同位素分餾方程1000lnα石英-水=3.38×106/T2-3.40,結合鄰近礦床所測流體包裹體的均一溫度,計算出深部金礦體成礦流體的δ18OH2O值為-4.5‰~-0.8‰,均值為-1.88‰。
表4 馬侖頭金礦床成礦流體氫氧同位素組成
馬侖頭金礦床成礦流體相較于正常巖漿水的氫氧同位素組成偏低,而高于中國東部中生代大氣降水的δ18OH2O值(-6.0‰)[7],介于二者之間。與政和—大埔斷裂帶上紫金山及治嶺頭金多金屬礦床成礦流體氫氧同位素組成相比,研究區(qū)氧同位素偏低,氫同位素中除個別樣品較低外,其他樣品與區(qū)域礦床中流體氫同位素保持較為一致的分布范圍。成礦流體的氫氧同位素判別圖顯示區(qū)域上成礦流體氫氧同位素具有明顯的由巖漿水向大氣降水方向漂移的趨勢(圖3a),暗示成礦流體為巖漿水(火山熱液)與大氣降水的混合熱液,且來源以巖漿水(火山熱液)為主,隨著成礦的持續(xù)作用,大氣降水不斷加入參與循環(huán)[8, 9],直至熱液中成礦物質耗盡[10]。馬侖頭礦床有相對更偏向大氣降水方向的趨勢,暗示了研究區(qū)內不同地段成礦流體中混入的大氣降水比例存在差異,該結果與上述流體包裹體測溫結果相對應。馬侖頭礦床成礦流體在演化過程中,隨著成礦作用的進行,有越來越多的大氣降水加入,導致成礦溫度有所降低。
圖3 馬侖頭金礦床成礦流體δD—δOH2O關系圖解(圖3a,底圖據文獻[12])和馬侖頭礦床與政和大埔斷裂帶淺成低溫熱液型、火山巖型典型礦床硫同位素組成對比圖[13-16](圖3b)Fig.3 The δD-δH2O relation of the ore-forming fluids of Maluntou deposit and Contrast of the S isotopes of Maluntou deposit and other typical epithermal and volcanic deposits in the Zhenghe-Dapu fault zone
硫同位素組成的研究可以推斷成礦物質來源,研究與成礦存在密切關聯的硫化物或礦石硫化物的硫同位素組成的變化可以了解礦床中硫的來源[11],進而可探討礦床成因。馬侖頭礦床中,測試樣品的礦石類型主要為浸染狀和脈狀,測試礦物為黃鐵礦,測試所得δ34S介于0.4‰~1.5‰(表5),平均值為0.93‰,具有深源巖漿硫的特征,高于悅洋淺成低溫熱液型金銀多金屬礦床,而與政和—大埔斷裂成礦帶南端的紫金山、北端治嶺頭等典型次火山熱液型、火山巖型金多金屬礦床的硫同位素組成較為一致(圖3b)。
表5 馬侖頭金屬硫化物δ34S同位素組成
研究區(qū)內金礦床主要成礦階段為石英-硫化物階段或多金屬硫化物階段,該階段形成的硫化物組成較為單一,主要由黃鐵礦組成,伴生有少量閃鋅礦、方鉛礦和黃銅礦,均未見磁鐵礦及硫酸鹽礦物,因此各礦床硫化物的δ34S值可以代表成礦流體的硫同位素組成[17],馬侖頭總硫組成(1.5‰)與幔源硫δ34S值(0‰±3‰)較為符合,表明礦床主成礦期的S可能來自深源巖漿。此外,該硫同位素分析結果與政和—大埔斷裂帶上紫金山銅金多金屬礦床和治嶺頭金鉛鋅多金屬礦床δ34S值對比結果,其與上述典型火山-次火山熱液型礦床的硫同位素組成范圍基本保持一致,這表明火山熱液活動主要為其提供了硫源。因此,馬侖頭金礦床的成礦物質主要來源于區(qū)內早白堊世的火山活動。
研究區(qū)馬侖頭礦床采集5件石英樣品中流體包裹體的Rb-Sr同位素測試及計算結果見表6。5件樣品中的ω(Rb)和ω(Sr)含量均比較接近,分別為0.869×10-6~1.409×10-6和2.068×10-6~5.881×10-6;而87Rb/86Sr比值為0.620 6~1.212,87Sr/86Sr比值為0.710 25~0.711 13,分布較分散,符合Rb-Sr同位素的等時線要求。因此,采用ISOPLOT程序對5件石英樣品的87Rb/86Sr和87Sr/86Sr(2σ)比值做等時線圖(圖4),5個樣品無異常顯示,構成了一條很好的石英流體包裹體等時線,獲得該階段成礦年齡為(101±1)Ma,ISr值為0.709 38±0.000 01。不難看出,該成礦階段的成礦流體保持一個相對封閉的體系,流體中同位素達到了均一化,流體包裹體的Rb-Sr等時線年齡直接記錄了該礦床的成礦作用時代。
表6 馬侖頭金礦床石英流體包裹體Rb-Sr同位素組成
注:λ87Rb=1.42×10-11a-1
圖4 馬侖頭礦床石英流體包裹體Rb/Sr等時線圖Fig.4 Rb/Sr isochronous graph of fluid inclusions in quartz in the Maluntou deposit
馬侖頭礦床中石英流體包裹體的Rb-Sr等時線年齡為(101±1)Ma,礦區(qū)內中酸性熔巖鋯石LA-ICP-MS年齡為101~96 Ma,暗示成礦物質主要來源于巖漿作用,因此,馬侖頭礦床成礦作用與火山巖成巖作用有密切成因聯系。成礦年齡及火山熔巖年齡屬早白堊世,且對應于燕山期太平洋板塊俯沖,中國東部地區(qū)巖石圈大規(guī)模減薄構造活動,因此該次研究認為馬侖頭金礦床的形成可能與深部巖漿以底辟形式侵位而發(fā)生的火山活動有關。
政和—建甌地處在構造樞紐位置,隨著政和—大埔斷裂帶的多階段左行走滑運動,區(qū)內構造作用頻繁強烈,地層巖石中構造裂隙發(fā)育,構成一構造裂隙發(fā)育區(qū)。早白堊世武夷山地區(qū)構造背景轉變?yōu)榇笠?guī)模的伸展活動,導致松溪—寧德北西向火山噴發(fā)帶進入活躍期,酸性-中酸性火山噴發(fā)、噴溢頻繁,形成了研究區(qū)內廣泛分布的火山巖和侵入巖,并伴隨著一系列與火山活動具有成因聯系的多金屬礦床產出。
研究區(qū)內目前已發(fā)現金礦床在空間上與早白堊世火山巖及次火山巖關系密切,礦化主要發(fā)育在火山巖地層內、火山巖地層與中-晚元古代變質巖老地層之間或地層與巖體之間的接觸不整合面及巖體(次火山巖)內部,貯礦圍巖主要為早白堊世黃坑組熔巖-火山碎屑巖類。
礦體多呈透鏡狀、脈狀,產狀與上述火山巖、巖體內構造或接觸帶產狀一致,礦石類型為蝕變巖型及石英細脈型,礦石構造多數為團塊狀、條帶狀、脈狀及浸染狀。礦石中主要金屬礦物組合較為簡單,主要為黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦及閃鋅礦,含微量毒砂。礦區(qū)圍巖蝕變強烈,主要有硅化、絹云母化、綠泥石化、綠簾石化、葉蠟石化、高嶺土化、碳酸鹽化及螢石化等。
以上礦化特征與典型火山-次火山熱液型金礦床類似。研究區(qū)內火山熔巖結晶年齡為(100±1)Ma~(96±1)Ma;馬侖頭礦區(qū)內含礦石英脈中流體包裹體Rb-Sr等時線年齡為(100±1)Ma。同位素定年結果表明,區(qū)內金礦與火山活動關系密切,二者均形成于早白堊世,與華南地區(qū)中生代大規(guī)模金多金屬礦床成礦時代一致。
馬侖頭金礦床具有多階段疊加成礦的特征,成礦流體為火山熱液與大氣降水的混合熱液,且隨著成礦作用的持續(xù),大氣降水的含量有所增多,成礦物質主要來自幔源及上地殼,其成因與中生代火山噴發(fā)-巖漿侵入活動密切相關。
研究區(qū)內成礦作用主要以熱液期為主,主成礦期分為三個階段。從少量早階段到中階段(主成礦階段)再至晚階段,成礦流體經歷了高溫→中低溫→低溫的降溫過程,包裹體相態(tài)僅發(fā)育有富液兩相包裹體,與成礦階段相吻合。氫氧同位素證據表明,區(qū)內成礦流體為火山熱液與大氣降水的混合熱液,且隨著成礦作用的持續(xù),大氣降水的含量逐漸增多。礦石硫化物的硫同位素分析結果表明,研究區(qū)成礦物質中硫源來自地幔和上地殼。成礦流體的鹽度及壓力隨成礦的進行呈逐漸降低,顯示火山-次火山熱液型金礦床成礦流體具有中低溫、低鹽度、低壓的特征。從對已發(fā)現的火山-次火山熱液型礦床流體演化來看:初始流體來源于含水的巖漿,其具有富含金屬成礦元素、高溫、低鹽度、中等密度的特征。該類流體在構造應力及熱動力驅動下進行上升流滲,在這一過程中,高鹽度的液相部分從氣相流體中分離出來,溫度范圍300~700℃;繼續(xù)上升的低-中等鹽度的氣相流體和高鹽度的液相流體隨著溫度的降低,氣相流體發(fā)生收縮形成中-低鹽度的液相流體,并與早期分離出的具有相同成分的液相流體混溶,溫度從500℃降至350℃以下,此時部分鐵硫化物發(fā)生沉淀;待該成礦流體通過深大斷裂等區(qū)域性構造或其次級支斷裂,到達近地表火山巖區(qū)域,有大量大氣降水的混入參與,溫度從350℃降至250℃以下,導致含礦熱液系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生改變,將原有的化學平衡被打破,金屬絡合物穩(wěn)定性降低,從而使流體卸載,沉淀成礦,形成了火山-次火山熱液型金礦(圖5)。而對于成礦物質來源,硫來自巖漿流體或火山巖,金屬成礦元素來自地殼深部火山巖漿。
通過上述成礦構造背景、礦化特征、貯礦圍巖、礦物組成、圍巖蝕變、成礦流體性質的綜合分析,筆者認為馬侖頭金礦床與火山-次火山熱液型金礦床較為相似,馬侖頭成礦作用則相當于成礦流體在近地表火山巖區(qū)與大氣降水混合的過程。因此,應將馬侖頭金礦床成因類型歸屬為火山-次火山熱液型金礦床。
圖5 馬侖頭火山熱液型金礦成礦模式圖Fig.5 Metallogenic model graph of Maluntou volcanic hydrothermal type gold deposit1—火山熔巖、火山碎屑巖;2—火山角礫巖;3—燕山晚期侵入巖;4—花崗斑巖;5—鉀長花崗巖;6—石英二長斑巖;7—斷裂;8—金礦體;9—鉛鋅礦體;10—礦石蝕變區(qū);11—巖漿流體(火山熱液);12—氣相流體;13—液相流體
(1)馬侖頭礦床石英流體包裹體類型為富液兩相包裹體。顯微測溫顯示,均一溫度范圍是135.9~360.1℃;流體演化成礦經歷了149~168℃和187~244℃兩個主要階段,分別對應中階段大量中溫成礦階段→晚階段低溫成礦階段。其中與成礦密切相關的溫度峰值是187~244℃。
(2)氫氧同位素研究顯示,馬侖頭礦床成礦流體在演化過程中,隨著成礦作用的進行,有越來越多的大氣降水加入,導致成礦溫度有所降低。礦石硫同位素研究顯示,硫可能來自深源巖漿,成礦物質與區(qū)內早白堊世的火山活動有關。
(3)Rb-Sr同位素表明,馬侖頭礦床成礦年齡為(101±1)Ma,礦區(qū)內中酸性熔巖鋯石LA-ICP-MS測試年齡為101~96 Ma,表明馬侖頭金礦成礦作用與區(qū)內火山活動有著密切相關。
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