湖北省隨縣王家臺金多金屬礦地球化學(xué)特征及礦床成因初探

朱 金, 周 豹, 劉文文, 汪國虎, 江為民, 田 成, 陳 超

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

王家臺礦區(qū)地處湖北省隨縣北部,大地構(gòu)造位置位于華北板塊與揚子板塊之間的隨應(yīng)高壓淺變質(zhì)地體北緣,成礦區(qū)處東秦嶺Au-Ag-Mo-Cu-Pb-Zn-Sb金屬成礦帶之隨棗地區(qū)金銀成礦亞帶[1]。區(qū)域主體構(gòu)造線走向呈北西向,位于新城—黃陂斷裂和吳山—太山廟斷裂之間,中生代時期由于受到南北兩大板塊碰撞和地體拼合增生,形成了一系列脆韌性剪切帶和逆沖推覆構(gòu)造等[2],王家臺處于中部黑龍?zhí)丁都诇享g性剪切帶的北西緣,七尖峰雜巖體東緣外接觸帶(圖1)。區(qū)內(nèi)熱液活動較為頻繁,次級褶皺斷裂較為發(fā)育,變質(zhì)變形作用較強烈,地質(zhì)構(gòu)造格局較為復(fù)雜,為后期成礦作用提供了充足的熱源、物源和成礦有利場所等,具備較好的成礦條件[3-4]。

圖1 王家臺礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖[5]Fig.1 Regional geological map of Wangjiatai mining area1.第四系;2.寺溝組;3.陡山沱組;4.耀嶺河組;5.武當(dāng)巖群;6.花崗質(zhì)片麻巖;7.大別巖群;8.超基性巖;9.輝綠巖;10.花崗斑巖脈;11.周樓巖體斑狀二長花崗巖;12.周樓巖體二長花崗巖;13.七尖峰巖體外帶斑狀二長花崗巖;14.七尖峰巖體中帶二長花崗巖;15.七尖峰巖體中帶斑狀二長花崗巖;16.七尖峰巖體內(nèi)帶二長花崗巖;17.鉀長花崗巖;18.斷層;19.角度不整合;20.巖相變化界線;21.礦區(qū)位置。

1 礦區(qū)地質(zhì)特征

1.1 礦區(qū)地質(zhì)背景

礦區(qū)內(nèi)出露地層包括南華紀(jì)武當(dāng)巖群、耀嶺河組、震旦紀(jì)陡山沱組一段和少量的第四紀(jì)沖積物(圖2),變質(zhì)地層為原始的含礦建造;礦區(qū)構(gòu)造主要分為褶皺和斷裂,其中與本區(qū)金多金屬礦化密切相關(guān)的構(gòu)造主要為北東—北東東向次級斷裂。北東—北東東向斷裂形成較晚,長約60～300 m,寬約0.2～1.5 m,傾向136°～167°,傾角32°～51°,斷裂帶中圍巖蝕變較發(fā)育,主要伴有金銀鎢鉛多金屬礦化,為礦區(qū)重要的容礦構(gòu)造;礦區(qū)內(nèi)未見巖漿巖發(fā)育,礦區(qū)南西側(cè)約2.5 km處為七尖峰雜巖體之三合店巖體,巖性為斑狀黑云二長花崗巖,長石、石英斑晶常見,巖體外接觸帶上局部伴有混合巖化特征;區(qū)內(nèi)脈巖發(fā)育,主要有石英脈、煌斑巖脈、變輝長輝綠巖脈等,其中石英脈與本區(qū)成礦作用聯(lián)系緊密。

圖2 王家臺金多金屬礦區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch of Wangjiatai gold polymetallic mining area

1.第四系沖積物;2.陡山沱組一段;3.耀嶺河組;4.武當(dāng)巖群;5.變輝長輝綠巖脈;6.煌斑巖脈;7.石英脈;8.碎裂巖;9.局部混合巖化帶;10.地質(zhì)界線;11.平行不整合界線;12.角度不整合界線;13.性質(zhì)不明斷層;14.片理產(chǎn)狀;15.礦體及編號。

1.2 1∶5萬水系沉積物異常特征

1∶5萬水系沉積物測量在礦區(qū)及周邊圈定的地球化學(xué)異常以Au、Ag、W 3種元素為主,區(qū)內(nèi)金異常主要分布在南華紀(jì)武當(dāng)巖群和耀嶺河組地層中,Au元素異常面積較大,具有一定異常規(guī)模,強度較高,有2個濃集中心,最大值50.4×10-9。Ag元素異常分布面積相對較小,強度較高,濃集中心明顯,最大值6.99×10-6。W元素異常分布在檢查區(qū)南東側(cè),強度較高,濃集中心突出,最大值16.7×10-6。Au、Ag、W異常套合較好(圖3),具有較大找礦潛力。

1.3 礦體產(chǎn)出特征

區(qū)內(nèi)初步發(fā)現(xiàn)金多金屬礦體5個,金銀鎢多金屬礦體產(chǎn)于北東向—北東東向斷裂蝕變帶中,礦石類型有蝕變巖型和石英脈型兩種。圍巖蝕變類型主要為硅化、褐鐵礦化、黑鎢礦化、絹云母化、黃鐵礦化、白鎢礦化等,此次為隨北地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)蝕變巖型與石英脈型復(fù)合型金銀鎢多金屬礦點,以沿斷裂充填并發(fā)生交代作用后形成的硅化、褐鐵礦化、絹云母化蝕變巖和含礦石英脈為主要賦存載體,圍巖為南華紀(jì)武當(dāng)巖群,在圍巖與破碎蝕變帶的外接觸帶上局部也可見蝕變礦化現(xiàn)象。礦體特征見表1。

2 主微量、稀土元素特征

熱液礦床成礦作用過程中引起的圍巖蝕變是成礦流體與圍巖相互作用的結(jié)果,宏觀上表現(xiàn)為圍巖的顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分的變化,微觀上表現(xiàn)為元素的帶入、帶出。蝕變巖研究的核心問題是原巖的性質(zhì)及蝕變過程中組分的得失。王家臺礦區(qū)圍巖蝕變與金多金屬礦化富集在空間上緊密相伴,這種蝕變作用導(dǎo)致含礦巖石與圍巖中組分差異愈加明顯。通過研究主微量及稀土元素的遷移規(guī)律,可以揭示金多金屬礦化富集與成礦流體演化、圍巖蝕變之間的關(guān)系。本次共采集王家臺礦區(qū)圍巖和含礦巖石共計12件樣品展開主微量、稀土元素研究,圍巖主要為白云鈉長片巖;含礦巖石主要為黃鐵礦化、褐鐵礦化、黑鎢礦化、方鉛礦化石英脈和硅化、絹云母化、褐鐵礦化蝕變巖。

2.1 主量元素特征

礦區(qū)中含礦巖石主量元素遷移量計算選用P2O5作為不活動組分,采用Grant(1986)的計算方法,以探討不同含礦巖石類型引起的物質(zhì)成分的改變和遷移情況,其公式如下:

圖3 王家臺礦區(qū)異常剖析圖Fig.3 Anomalous anatomy map of Wangjiatai mining area

表1 王家臺金多金屬礦區(qū)礦體特征一覽表Table 1 List of orebody characteristics in Wangjiatai gold polymetallic mining area

礦體編號礦段賦礦巖石礦體規(guī)模/m長厚產(chǎn)狀/(°)品位(Au、Ag/10-6,WO3/%)AuAgW備注Ⅰ鎢礦體Ⅱ金銀鉛礦體Ⅲ金銀鎢礦體Ⅳ鎢礦體銀子墩礦段石英脈800.21傾向152 傾角370.2019.40.54石英脈800.97傾向158 傾角355.17155Pb0.71%石英脈800.90傾向167 傾角324.911361.02Pb3.03%石英脈1000.23傾向198 傾角440.2426.11.16Ⅴ金銀鎢礦體下河口礦段石英脈、蝕變巖3001.09傾向45 傾角412.031904.33Pb1.08%

通過含礦巖石主量元素遷移量柱狀圖(圖4)和數(shù)據(jù)分析表(表2)可以看出:SiO2在不同的含礦巖石中遷移量都很大,可能與其本身的含量較高或硅化蝕變有關(guān);Al2O3的遷移量也較大,可能因為其本身的含量高或Al在水—巖反應(yīng)過程中具有較高的活性。Na2O和K2O在成礦階段主要集中表現(xiàn)為帶出,不同含礦巖石中CaO、MgO、TiO2、MnO的遷移量變化不大,表現(xiàn)為微弱的帶入帶出,表明CaO、MgO、TiO2、MnO在圍巖蝕變過程中活動性不高。

硅化、絹云母化、褐鐵礦化蝕變巖:其中斜長石被絹云母所交代,K+隨著酸性溶液和巖石的物質(zhì)交換而繼續(xù)被帶出,Na+也從長石中置換出來并被溶液帶走,同時還有硅化的存在,造成SiO2含量較大的遷移;Al3+在水—巖反應(yīng)過程中具有較高的活性;與之相對應(yīng)礦物組合中石英含量升高,出現(xiàn)絹云母;Fe2O3的帶入可能指示蝕變過程的氧化環(huán)境。

礦化石英脈:強烈?guī)隨iO2,中等帶入Fe2O3、K2O、MgO、MnO等,Na2O、Al2O3明顯遷出,其余組分變化不大。

2.2 微量元素特征

通過分析王家臺礦區(qū)圍巖、含礦巖石的微量元素含量分析結(jié)果(表3)可以發(fā)現(xiàn):隨著圍巖蝕變程度不斷加強,礦化程度也逐漸加強。與成礦相關(guān)的元素(Au、Ag、W、Cu、Pb、Zn等)均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,從新鮮圍巖到褐鐵礦化、硅化、絹云母化蝕變巖到礦化石英脈Cu、Pb、Zn、As、Sb、Bi等具有明顯的逐漸升高的趨勢,說明成礦熱液很可能對圍巖中的Au、Ag、W、Cu、Pb等成礦物質(zhì)進(jìn)行萃取和物質(zhì)交換,為本區(qū)成礦作用提供了部分成礦物質(zhì)來源。

圖4 王家臺礦區(qū)含礦巖石主量元素遷移量(10-2)柱狀圖Fig.4 Column chart of migration of major elements in ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area1.STC1-y1;2.STC3-y1;3.STC4-y1;4.STC4-y2;5.STC12-y3;6.SCK13-y1;7.STC14-y2。

通過微量元素含量變化折線圖(圖5)可以看出:與變質(zhì)地層相比,含礦巖石中Cu、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Hg等與成礦相關(guān)的元素呈現(xiàn)升高的趨勢,表明這些元素與金、銀等成礦元素一同被活化遷移,而Cr、Ni、Co等元素變化不大,其中Cu、Pb、Zn等以少量金屬硫化物存在,而Au、Ag等成礦元素賦存于這些硫化物中。推測金以Au(HS)2-絡(luò)合物的形式在中溫條件下遷移,當(dāng)溶液變得酸性及氧逸度降低時,Au(HS)2-變得不穩(wěn)定,造成Au、Ag與金屬硫化物一起沉淀,為主成礦階段之一。而本區(qū)早期原始高溫度高鹽度的巖漿熱液,在溫度差、壓力差和濃度差等驅(qū)動下在裂隙通道內(nèi)發(fā)生遷移,一方面原始流體與圍巖發(fā)生水—巖反應(yīng),同時萃取圍巖中部分鎢元素;另一方面,隨著溫壓下降使得熱液產(chǎn)生減壓沸騰,流體溶液中的酸性揮發(fā)組分進(jìn)入氣相,此時含礦熱液中的pH值升高,鎢的絡(luò)合物的穩(wěn)定性降低,從而導(dǎo)致鎢礦物的結(jié)晶,形成黑鎢礦等金屬礦物。

表2 王家臺礦區(qū)圍巖及含礦巖石主量元素含量及遷移量(10-2)Table 2 Main element content and migration amount of surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

注:*為P2O5標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

圖5 王家臺礦區(qū)圍巖、含礦巖石部分微量元素含量(10-6)折線圖Fig.5 Fractal map of trace element content of surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

此外,Sr和Ba在整個蝕變與成礦作用過程中均保持降低的趨勢。Sr的降低可能是變質(zhì)地層中斜長石被絹云母和石英交代的結(jié)果,當(dāng)斜長石被蝕變?yōu)椴缓珻a的絹云母和石英時,Sr與Ca一起進(jìn)入溶液(Sr2+→Ca2+,Ca2+帶出)。Ba由于其化學(xué)活動性強,在整個蝕變作用過程中含量降低。

由圍巖、蝕變巖和礦化石英脈的微量元素標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖6)可以看出:從原巖→蝕變巖→礦化石英脈,顯示微量元素逐漸降低的規(guī)律,含礦巖石中Cu、Pb、Zn、As、Sb、Bi等與成礦相關(guān)的元素含量明顯高于圍巖;虧損Rb、K、Th、U等大離子親石元素,另外Nb、Ba、Ta、Sr、P、Zr、Ti等強不相容元素含量低于圍巖,在標(biāo)準(zhǔn)化曲線上位于圍巖曲線之下?？傮w來說,蝕變巖變化趨勢與圍巖基本一致,礦石的標(biāo)準(zhǔn)化曲線變化趨勢與前兩者大體一致,但是富集成礦相關(guān)元素,表明三者之間有一定的成因聯(lián)系,圍巖可能為本區(qū)成礦提供了部分成礦物質(zhì)。

圖6 王家臺礦區(qū)圍巖、含礦巖石微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.6 Trace element spider-web map of surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

表3 王家臺礦區(qū)圍巖、含礦巖石微量元素分析結(jié)果(10-6)Table 3 Analysis of trace elements in surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

2.3 稀土元素特征

稀土元素地球化學(xué)性質(zhì)相似,在地質(zhì)—地球化學(xué)作用過程中整體活動,它們的分餾情況能靈敏地反映地質(zhì)—地球化學(xué)作用的性質(zhì),常被作為良好的示蹤劑。詳細(xì)研究圍巖及蝕變巖中的稀土元素的含量、分布模式及其演化機理有助于闡明圍巖蝕變的形成和成礦元素遷移過程,是探討金多金屬礦床圍巖及各種蝕變巖的成因及其演化、成礦流體來源的重要地球化學(xué)參數(shù)。

對王家臺礦區(qū)稀土元素的研究表明:稀土元素在圍巖和蝕變巖中的豐度、配分、演化趨勢具有一定的變化。本次研究的12件樣品,包括原巖(白云鈉長片巖)和含礦巖石(礦化石英脈和硅化絹云母化褐鐵礦化蝕變巖)。上述樣品稀土元素分析的相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 王家臺礦區(qū)圍巖、含礦巖石稀土元素分析結(jié)果(10-6)Table 4 REE analysis of surrounding rocks and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

注:球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化采用Sun and McDonough,1989。

原巖(白云鈉長片巖)稀土元素特征:稀土總量55.73～97.82 μg/g,輕稀土總量47.74～86.03 μg/g,重稀土總量7.99～16.96 μg/g,∑LREE/∑HREE為3.31～7.30,(La/Yb)N為2.95～7.80,平均值為5.82,輕、重稀土元素分異不明顯;δEu主要為0.78～0.93,平均值為0.89,Eu表現(xiàn)出輕微負(fù)異常;δCe為0.83～1.13,平均值為1.01,基本無鈰異常或較微弱的正鈰異常。

含礦巖石稀土元素特征:稀土總量15.88～81.80 μg/g,平均值55.15 μg/g,輕稀土總量12.84～68.73 μg/g,平均值46.87 μg/g,重稀土總量3.04～15.27 μg/g,平均值8.28 μg/g,∑LREE/∑HREE為3.98～9.09,平均值為6.39,(La/Yb)N為3.15～9.31,平均值為5.93,輕重稀土具有一定分異性;δEu為0.85～1.11,平均值為0.98,基本無銪異常;δCe為0.89～1.42,平均值為1.21,顯示微弱正鈰異常。

總體來看,蝕變巖與原巖稀土分配模式較一致(圖7),基本呈現(xiàn)輕稀土富集,配分曲線輕微右傾型。除了樣品STC4-y2稀土總量較高外,其余蝕變巖及含礦石英脈的稀土總量基本低于原巖,顯示成礦熱液帶出REE組分,表明成礦熱液與圍巖之間水—巖反應(yīng)強烈,圍巖蝕變較強。

銪在還原條件下呈Eu2+狀態(tài)與其他3價稀土元素分離,本區(qū)從原巖到蝕變巖δEu變化范圍0.78～1.11,蝕變巖顯示正的銪異常,反應(yīng)氧化壞境;從蝕變巖到礦化石英脈δEu變化范圍1.11～0.85,含礦石英脈顯示負(fù)的銪異常,反應(yīng)還原環(huán)境。鈰在氧化條件下呈Ce4+狀態(tài)與其它3價稀土元素分離,在整個成礦作用過程中鈰表現(xiàn)為微弱的正異常,反應(yīng)弱還原環(huán)境。通過以上分析可以看出,成礦作用總體經(jīng)歷了氧化→還原的過程,主成礦期為還原環(huán)境,這與礦石中富集沉淀黑鎢礦、黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦等金屬礦物的事實較一致。

整個圍巖蝕變及成礦作用過程,從圍巖—蝕變巖—含礦石英脈的稀土元素特征表明離礦體越近,稀土元素活動性越強,水—巖反應(yīng)強烈。因此,通過分析蝕變巖中稀土元素的變化可以為找礦提供一定的信息。

3 礦床成因淺析

關(guān)于王家臺礦區(qū)礦床成因研究和鄰區(qū)典型金礦床如黑龍?zhí)督鸬V的礦床成因研究前人開展過一些工作,如胡起生等認(rèn)為黑龍?zhí)督鸬V礦化類型以蝕變巖型及石英脈型為主,其中破碎帶蝕變巖型又可分為早、晚兩期。早期破碎帶蝕變巖型礦化形成于印支期,在擠壓體制下在韌—脆性剪切帶內(nèi)成礦的,成礦物質(zhì)主要來源于變質(zhì)地層;而石英脈型礦化形成于燕山期,主要是在伸展構(gòu)造體制下在脆性剪切帶內(nèi)成礦的,成礦物質(zhì)主要來源于巖漿巖;晚期破碎帶蝕變巖型礦化則是上述兩種礦化疊加,在韌—脆性變形基礎(chǔ)上疊加有脆性變形的環(huán)境下形成的,成礦物質(zhì)主要來源于巖漿巖,認(rèn)為黑龍?zhí)督鸬V床的形成是三種不同時期、不同礦化類型疊加的結(jié)果[6];李書濤等通過對黑龍?zhí)丁饨鸬V田成礦特征研究,認(rèn)為該金礦田受區(qū)內(nèi)地層、花崗巖漿熱源及韌—脆性剪切帶構(gòu)成的三位一體的聯(lián)合控制,為成礦作用提供成礦物質(zhì)、熱流體及其運移通道和沉積空間,是礦田的主要控礦因素[7];彭三國、胡俊良等通過對黑龍?zhí)段g變巖石英脈混合型礦石中與黃鐵礦、方鉛礦等共生的石英單礦物包裹體Rb-Sr等時線年齡為132.6±2.7 Ma,指示成礦時代為燕山中晚期,結(jié)合包裹體Sr同位素初始比值表明成礦物質(zhì)來源于殼幔混合源區(qū),根據(jù)相關(guān)同位素、稀土微量元素、成礦流體等研究認(rèn)為該礦床的形成可能與燕山期持續(xù)伸展階段大規(guī)模構(gòu)造—巖漿活動有關(guān),燕山期中酸性巖漿活動為金礦成礦提供了主要礦源與熱源[8];周豹等對隨縣北部王家臺金多金屬礦區(qū)主成礦期石英開展H—O同位素分析,通過投圖得出本區(qū)成礦流體來源主要是巖漿水,可能在成礦過程的晚期伴有少量大氣降水加入[9]。

圖7 王家臺礦區(qū)變質(zhì)地層和含礦巖石稀土元素分配圖Fig.7 REE distribution map of metamorphic strata and ore-bearing rocks in Wangjiatai mining area

考慮到王家臺礦區(qū)中金、銀、鎢礦共生,而三者形成于不同的溫壓環(huán)境,推測本區(qū)可能至少存在早晚兩期流體活動,早期的中高溫流體活動使巖漿流體中鎢礦物發(fā)生分解,溫度升高時鎢礦物在巖漿流體中溶解度升高。首先是燕山期酸性巖漿巖侵入過程中,巖漿體系分異出原始高溫度高鹽度的巖漿熱液,鎢等成礦元素在巖體中聚集,并不斷從巖漿流體中分離出來,向巖漿期后成礦流體富集,成礦流體在溫度差、壓力差的驅(qū)動下在裂隙構(gòu)造內(nèi)發(fā)生運移,成礦熱液運移至裂隙,隨著壓力驟然下降使得熱液產(chǎn)生減壓沸騰,此時大量CO2、CH4等氣體揮發(fā)分從熱液中溢出,進(jìn)一步加快了流體溶液中的酸性揮發(fā)組分進(jìn)入氣相,此時含礦熱液中的pH值升高,此時鎢的絡(luò)合物的穩(wěn)定性降低,從而導(dǎo)致鎢礦物的結(jié)晶;后期在區(qū)域性北西向韌性剪切作用下,經(jīng)過區(qū)域變質(zhì)作用后新元古代地層中的部分金銀等成礦物質(zhì)被活化轉(zhuǎn)移,得到初步遷移富集,使得地層上部和弱變質(zhì)帶中金銀豐度提高,構(gòu)成了初始的含礦建造,成為金銀礦的礦源層之一[10],當(dāng)溫度降至中低溫時,由于成礦熱液的長期作用,同時伴隨著下滲、補給的地表水和裂隙水的貫入,不斷萃取變質(zhì)地層中的金、銀等,發(fā)生物質(zhì)成分的交換,并沿裂隙構(gòu)造不斷運移,在溫壓條件及pH、Eh值改變的條件下,成礦熱液中的金銀不斷富集沉淀直至成礦[11-12]。

綜上所述,王家臺金銀鎢多金屬礦成因類型為與燕山期構(gòu)造—巖漿熱液作用有關(guān)的蝕變巖型、石英脈型金多金屬礦,成礦過程主要是經(jīng)相態(tài)分離作用后隨溫度、壓力降低及物理化學(xué)條件的改變而經(jīng)過復(fù)雜的演化過程。

4 結(jié)論

(1) 熱液蝕變過程中主量元素SiO2、Al2O3、K2O、Na2O等都具有較高的活性;從圍巖至蝕變巖至礦化石英脈,微量元素逐漸降低,其中含礦巖石中Cu、Pb、Zn、As、Sb、Bi等與成礦相關(guān)的元素含量明顯高于圍巖,虧損Rb、K、Th、U等大離子親石元素,另外Nb、Ba、Ta、Sr、P、Zr、Ti等強不相容元素含量低于圍巖;含礦巖石與圍巖稀土分配模式較一致,基本呈現(xiàn)輕稀土富集,配分曲線輕微右傾型,成礦熱液與圍巖之間水—巖反應(yīng)強烈,圍巖蝕變較強,成礦作用總體經(jīng)歷了氧化—還原的過程,主成礦期為還原環(huán)境。

(2) 通過比較前人對本區(qū)和鄰區(qū)黑龍?zhí)督鸬V的礦床成因方面的認(rèn)識,初步認(rèn)為王家臺金多金屬礦成因類型為與燕山期構(gòu)造—巖漿熱液作用有關(guān)的蝕變巖型、石英脈型金多金屬礦。