吉林省老嶺成礦帶南岔和荒溝山金礦床成因

劉金龍,孫豐月,王 力,周永恒,吳 瓊

(1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，沈陽 110034;2.吉林大學 地球科學學院，長春 130061;3.中國地質科學院 礦產(chǎn)資源研究所，國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037)

老嶺成礦帶內成礦條件優(yōu)越，目前已發(fā)現(xiàn)可利用的礦產(chǎn)種類較多，有金、銀、鈷、銅、鉛、硫鐵礦、硅藻土、滑石及重晶石等，是一條重要的貴金屬和多金屬成礦帶。從已經(jīng)開展的工作來看，金礦在帶內分布廣、產(chǎn)地多、儲量大，是當前和今后帶內找礦及利用的主要礦產(chǎn)類型。南岔金礦和荒溝山金礦是規(guī)模最大的2個金礦床，規(guī)模均為中型[1]。前人就該礦床已開展過一定程度的研究工作，并在礦產(chǎn)勘查和理論認識方面取得大量成果。不過就礦床成礦流體、成因類型、成礦模式等方面還是存在較大爭議：趙彥明等[2]認為南岔金礦和荒溝山金礦為與巖漿熱液有關的中高溫熱液礦床；華銘等[3]認為南岔金礦為產(chǎn)于元古代片巖建造中的構造蝕變帶型金礦床；馮守忠[4]認為南岔金礦為熱液脈型金礦床，并強調多期礦源層的富集；李洪文等[5]認為南岔金礦為多階段成礦，成礦分為古-中元古宙和中生代2期；王有維[6]認為荒溝山金礦具有巖溶礦床特征；鄭傳久認為荒溝山金礦床屬于淺成低溫熱液成因；楊言辰等[7]則認為該金礦是一種與海底熱液活動有關，并遭受熱液和巖溶作用改造的微細浸染型金礦；魏小林等[8]認為荒溝山金礦為典型的低溫熱液硫化物脈型；周向斌等[9]認為荒溝山金礦為中溫巖漿熱液型。本文通過地質特征、流體包裹體巖、穩(wěn)定同位素學等方面研究，總結了成礦流體來源、成因類型并建立區(qū)域成礦模式。

1 區(qū)域地質背景

南岔和荒溝山金礦位于老嶺成礦帶，大地構造上位于華北板塊東北部。區(qū)內存在太古宙結晶基底，主要巖性為奧長花崗巖、英云閃長巖質和花崗質片麻巖[1]。地層包括元古宇、古生界、中生界、新生界。元古宇有古元古代老嶺群珍珠門組、花山組和上覆青白口系釣魚臺組。區(qū)域上巖漿巖較為發(fā)育，最老為古元古代花崗巖類，位于研究區(qū)西部。中生代花崗巖形成時代分別為晚三疊世、早-中侏羅世和早白堊世。此外，脈巖較為發(fā)育。在地質歷史上本區(qū)經(jīng)歷了多期次的構造作用，褶皺構造、韌性剪切變形及脆性斷裂等形跡均有所見。老嶺地區(qū)內主要的韌脆性-脆性斷裂是小四平-荒溝山-南岔“S”形斷裂帶，該斷裂位于老嶺群珍珠門組大理巖與花山組片巖接觸帶附近，長約70 km，寬3～5 km，總體傾向南東，傾角較陡，深部有變緩的趨勢。該構造帶作為金礦化的重要控制條件，控制著金礦體的形態(tài)、規(guī)模與產(chǎn)狀等[1]。區(qū)內規(guī)模較大的斷裂有遼源-伊通斷裂、鴨綠江斷裂，及其次級斷裂。此外還有近北東走向的2條脆-韌性斷裂帶。

2 礦床地質特征

2.1 南岔金礦

南岔金礦按礦體產(chǎn)出部位及特征分為片巖型和脈巖型礦體。片巖型礦體賦存于珍珠門組上段與花山組下段接觸界面近片巖一側，受褶皺轉折部位及兩翼層間斷裂控制。礦體多為似層狀、鞍狀、脈狀。脈巖型礦體賦存于侵入珍珠門組上段白云質大理巖層的蝕變閃長巖中，位于片巖型礦體下部，呈脈狀產(chǎn)出。

根據(jù)礦石構造及硫化物含量分為塊狀礦石(片巖型礦體)、稀疏浸染狀礦石(片巖型礦體)、星點浸染狀礦石(脈巖型礦體)及細脈浸染狀(片巖礦石-脈巖型礦石)。主要金屬礦物有黃鐵礦、毒砂、白鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦、鈦鐵礦、自然金-金銀礦-銀金礦等。礦石結構主要有：自形粒狀結構、他形粒狀結構、交代結構等。根據(jù)礦石硫化物的含量和分布特征分為塊狀構造、浸染狀構造、細脈浸染狀構造等(圖2)。

圖1 老嶺成礦帶北段地質圖Fig.1 Geological map of northern Laoling metallogenic belt(據(jù)王詩元等[1]修改)1.新生界;2.中生界;3.古生界;4.元古宇;5.太古宙基底;6.早白堊世花崗巖類;7.早-中侏羅世花崗巖類;8.晚三疊世花崗巖類;9.古元古代花崗巖類;10.基性-超基性巖;11.斷裂(帶);12.脆-韌性剪切帶;13.礦床;14.地名

圖2 南岔金礦和荒溝山金礦照片F(xiàn)ig.2 Photographs showing the gold ores of Nancha and Huangoushan gold deposits(A)南岔金礦塊狀礦石照片，發(fā)育硅化、黃鐵礦;(B)南岔金礦礦石鏡下(反射光)，黃銅礦交代黃鐵礦;(C)南岔金礦礦石鏡下照片(反射光)，黃銅礦中有乳滴狀斑銅礦;(D)荒溝山金礦井下硅質巖型礦體照片，發(fā)育硅化、黃鐵礦化、黃銅礦化等;(E)荒溝山金礦礦石，石英脈和輝銻礦;(F)荒溝山金礦礦石鏡下照片(反射光)，輝銻礦交代黃銅礦。Bn.斑銅礦;Ccp.黃銅礦;Py.黃鐵礦;Qz.石英;Snt.輝銻礦

圍巖蝕變主要有硅化、絹云母化、綠泥石化、碳酸鹽化、矽卡巖化(透輝石化、透閃石化、蛇紋石化)等，近礦體處發(fā)育強烈。根據(jù)野外及鏡下鑒定結果，礦床可分為熱液成礦期和表生氧化期2期，其中前者包括4個礦化階段。Ⅰ.黃鐵礦石英階段：該階段熱液蝕變分布廣，主要為石英、絹云母、黃鐵礦，石英呈乳白色塊狀，黃鐵礦顆粒粗大，分布于絹云母和石英中，形成早期絹英巖。Ⅱ.金-石英-黃鐵礦階段：黃鐵礦以中細粒、半自形立方體為主，浸染狀分布，石英呈煙灰色、細脈狀(寬2～3 cm)，該階段是金的主要成礦階段。Ⅲ.金-石英-多金屬硫化物階段：石英呈微細粒狀均勻分布(玉髓)，伴生細粒毒砂、黃鐵礦化及黏土化等。由于礦物顆粒細，連體較多，在該階段也有一定的金礦化。Ⅳ.石英-碳酸鹽階段：主要發(fā)育不含礦的石英細脈和方解石脈。

2.2 荒溝山金礦

荒溝山金礦含礦層位主要為珍珠門組第三段巨厚層(塊)狀白云石大理巖頂部的碎裂化、構造角礫巖化、硅化白云石化大理巖，而鄰近的花山組片巖含礦極少，僅在斷裂面邊部零星礦化。按產(chǎn)出部位及特征分為硅化大理巖型、二云片巖型、脈巖型礦體。

荒溝山金礦床礦石硫化物含量較少(質量分數(shù)為0.5%～3%)，為貧硫化物型礦石。根據(jù)礦石類型分為硅質巖型和脈巖型。主要的礦石類型為硅質巖型礦石，進一步劃分為角礫狀硅化礦石、致密塊狀硅化礦石，呈暗灰色或灰黑色。

礦石中金屬礦物包括黃鐵礦、毒砂、輝銻礦、閃鋅礦、方鉛礦、黃銅礦、黝銅礦、磁黃鐵礦、辰砂、雄黃、自然金和銀金礦等。礦石結構包括自形-半自形粒狀結構、他形粒狀結構、顯微粒狀結構、交代結構、假象結構、膠狀結構、充填結構等。構造包括浸染(稀疏)狀構造、角礫狀構造、細脈狀構造、蜂巢狀構造等(圖2)。

主要蝕變礦物為硅化、絹云母化、黏土化等。成礦期可劃分4個階段。Ⅰ.黃鐵礦-石英階段：石英以乳白色為主，黃鐵礦晶型較好，中-粗粒，浸染狀、團塊狀分布，不含金。Ⅱ.金-毒砂-黃鐵礦-石英階段：該階段在角礫巖型礦石中多見，往往以角礫的形式被第Ⅲ階段膠結，是金的主要成礦階段。黃鐵礦粒度細，浸染狀，局部構成集合體狀；毒砂浸染狀分布；石英呈暗灰-淺肉紅色玉髓狀。Ⅲ.金-輝銻礦-石英階段：輝銻礦以不規(guī)則粒狀或纖狀集合體出現(xiàn)，分布不均勻，局部呈團狀，可與自然金連生或包裹自然金；石英干凈，乳白色。Ⅳ.石英-碳酸鹽階段：主要為石英、碳酸鹽，穿插早期礦化，不含金。

3 流體包裹體特征

3.1 包裹體巖相學特征

3.1.1 南岔金礦

本次研究測試礦物為Ⅱ、Ⅲ成礦階段石英和Ⅳ成礦階段方解石。測試包裹體有氣液兩相包裹體(LH2O+VH2O)和含CO2三相包裹體(LH2O+LCO2+VCO2)。氣液兩相包裹體較為發(fā)育，大小為2～12 μm，主要由氣泡及水溶液組成，氣液比介于10%～30%。在常溫下形態(tài)主要有橢圓形、多邊形以及不規(guī)則狀，隨機分布，為原生包裹體。含CO2三相包裹體較少，體積較大，大小為5～15 μm，氣相CO2約占CO2相整體體積的50%，室溫下呈現(xiàn)三相態(tài)，由液相CO2、氣相CO2和水溶液三相組成(圖3)。

3.1.2 荒溝山金礦

本次研究測試礦物為Ⅱ、Ⅲ成礦階段石英和Ⅳ成礦階段方解石，主要為氣液兩相包裹體。Ⅱ、Ⅲ成礦階段：該類型包裹體較發(fā)育，大小為2～16 μm，主要由氣泡及水溶液組成，氣液比為5%～30%。有長條形、多邊形以及橢圓形，為原生包裹體。Ⅳ成礦階段：該類較少，體積較大，大小為3～8 μm，氣液比為10%～35%，形態(tài)同Ⅱ、Ⅲ成礦階段包裹體(圖3)。

圖3 南岔金礦和荒溝山金礦礦石包裹體照片F(xiàn)ig.3 Images of fluid inclusions of the Nancha and Hanggoushan gold deposits(A)南岔(石英);(B)南岔(石英);(C)南岔(方解石);(D)荒溝山(石英);(E)荒溝山(石英);(F)荒溝山(方解石)

3.2 成礦流體溫度、鹽度、密度和成礦深度

3.2.1 南岔金礦

如表1所示，Ⅱ、Ⅲ成礦階段發(fā)育含CO2三相包裹體(LH2O+LCO2+VCO2)和氣液兩相(LH2O+VH2O)包裹體。氣液兩相包裹體冰點溫度范圍為-7.7～-0.6℃；均一溫度變化區(qū)間為203～330℃，主要集中于240～260℃(圖4)。據(jù)R.W.Potter等[11]獲得流體鹽度(wNaCl)為1.05%～11.36%，峰值為3%～6%(圖5)；據(jù)劉斌[12]求得流體密度區(qū)間為0.71～0.92 g/cm3，峰值為0.80～0.88 g/cm3(圖6)。

含CO2三相包裹體(LH2O+LCO2+VCO2)部分均一溫度為22.8～29.9℃，密度為0.58～0.74 g/cm3；完全均一溫度范圍為231～300℃，峰值為240～280℃(圖4)；籠合物消失溫度為6.9～9.5℃；利用籠合物消失溫度[13]得出對應水溶液相的鹽度范圍為1.03%～5.94%，峰值為2%～4%(圖5)；對應密度為0.83～0.95 g/cm3，峰值為0.92～0.96 g/cm3(圖6)。

圖4 南岔金礦流體包裹體均一溫度直方圖Fig.4 Histogram of homogenization temperature of fluid inclusions in Nancha gold deposit

表1 南岔金礦流體包裹體測試結果Table 1 Analytic data of fluid inclusions in Nancha gold deposit

測試單位：吉林大學地球科學學院地質流體實驗室

圖5 南岔金礦成礦流體鹽度直方圖Fig.5 Histogram of salinity of fluid inclusions in Nancha gold deposit

Ⅳ成礦階段：只見氣液兩相包裹體(LH2O+VH2O)，均一溫度范圍為115～219℃，峰值為160～180℃(圖4)，冰點溫度范圍為-4.8～-0.7℃；對應的鹽度范圍為1.22%～7.58%，峰值為2%～3%(圖5)；相應獲得密度范圍為0.88～0.97 g/cm3，峰值為0.92～0.96 g/cm3(圖6)。

圖6 南岔金礦成礦流體密度直方圖Fig.6 Histogram for uniform density of fluid inclusions in Nancha gold deposit

圖7 南岔金礦等容線相交法求壓力圖解Fig.7 Diagram showing pressure estimation by isochors intersection method(作圖方法據(jù)E.Roedder[15])

利用等容線相交法求得南岔金礦流體壓力為85～120 MPa(圖7)，顯示南岔礦床形成于中壓環(huán)境。

孫豐月等[14]提出不同壓力段計算成礦深度的公式

y=x/10 (x<40)

y=11+e(x-221.95)/79.075(220≤x<370)

y=0.0331385x+4.19898 (x≥370)

公式中y表示成礦深度(km)；x表示壓力(MPa)。

利用孫豐月等[14]分段擬合的壓力與深度之間的關系，得到成礦深度為7.55～9.11 km，屬于中成深度。

3.2.2 荒溝山金礦

如表2所示，Ⅱ、Ⅲ成礦階段氣液兩相(LH2O+VH2O)包裹體在冷凍-升溫過程中測得冰點溫度范圍為-7.1～-2.1℃；均一溫度變化區(qū)間為148～276℃，主要集中于170～220℃(圖8)；據(jù)R.W.Potter[11]獲得流體鹽度為3.77%～10.49%，峰值為5.5%～8.5%(圖9)；據(jù)劉斌[12]求得流體密度區(qū)間為0.81～0.99 g/cm3，峰值為0.89～0.95 g/cm3(圖10)。

Ⅳ成礦階段發(fā)育兩相包裹體(LH2O+VH2O)：冰點溫度范圍為-3.1～-1.8℃；均一至液相，測得的均一溫度為137～186℃，主要集中于150～170℃(圖8)；據(jù)R.W.Potter[11]獲得流體鹽度為3.05%～5.09%，峰值為4.0%～5.0%(圖9)；據(jù)劉斌[12]求得流體密度區(qū)間為0.92～0.95 g/cm3，峰值為0.93～0.95 g/cm3(圖10)。

表2 荒溝山金礦流體包裹體測試結果Table 2 Analytic data of fluid inclusions in Huanggoushan gold deposit

測試單位：吉林大學地球科學學院地質流體實驗室

圖8 荒溝山金礦流體包裹體均一溫度直方圖Fig.8 Histogram for homogenization temperature of fluid inclusions in Huanggoushan gold deposit

圖9 荒溝山金礦成礦流體鹽度直方圖Fig.9 Histogram showing salinity of fluid inclusions in Huanggoushan gold deposit

圖10 荒溝山金礦成礦流體均一密度直方圖Fig.10 Histogram showing uniform density of fluid inclusions in Huanggoushan gold deposit

利用等容線相交法求得的荒溝山金礦流體壓力為30～80 MPa(圖11)，礦床形成于中低壓環(huán)境。利用孫豐月等[14]分段擬合的壓力與深度之間的關系，得到成礦深度為3.0～7.3 km，屬于中淺成深度。

圖11 荒溝山金礦礦石流體NaCl-H2O體系P-T-D圖解Fig.11 P-T-D diagram of NaCl-H2O system for ore fluid in Huanggoushan gold deposit(作圖方法據(jù)E.Roedder[15])

4 穩(wěn)定同位素特征

4.1 硫同位素特征

本文測試南岔金礦、荒溝山金礦S同位素見表3，結合前人資料[5,16-17]認為，南岔金礦的礦石δ34S為-9.8‰～1.1‰，變化較大，主要來源于古元古代地層，可能有少量深源硫加入(圖12)?；臏仙浇鸬V的礦石δ34S(1.8‰～14.3‰)與礦區(qū)巖漿巖接近(2.57‰～8.10‰)，體現(xiàn)深源特點，少量樣品向正向偏移，推測有少量地層硫加入(圖12)。

表3 南岔金礦和荒溝山金礦硫同位素Table 3 The analytic results of sulfur isotopes in Nancha and Huanggoushan gold deposits

測試單位：核工業(yè)北京地質研究院分析測試中心

圖12 南岔和荒溝山金礦δ34S分布直方圖Fig.12 Histogram showing δ34S value distribution of Nancha and Huanggoushan gold deposit中生代巖漿巖、古元古代地層據(jù)文獻[5,16-17]

4.2 鉛同位素特征

南岔金礦在鉛同位素判別圖解上(圖13)，位于造山帶與上地殼之間，并與白堊紀巖漿巖接近，顯示混合鉛特征，認為巖石鉛可能源于地層和巖漿巖。荒溝山金礦鉛同位素分散(圖13)，與古元古代地層及巖漿巖接近，重新計算μ值為9.60～11.18[20](巖漿或原海底的幔源沉積物質μ>9.58[21])，認為鉛同樣源于地層和巖漿巖。

4.3 氫氧同位素特征

本文收集前人成礦階段石英氫氧同位素資料[10,17-18]，發(fā)現(xiàn)南岔金礦與荒溝山金礦氫氧同位素組成一致，并與膠東蓬家夼金礦[22-23]接近。在圖14中，主要落在幔源初生水內或附近。孫豐月等[22]認為該現(xiàn)象是發(fā)生過同位素交換的幔源C-H-O流體的特征，幔源C-H-O流體在參與殼源花崗巖的形成過程中，與δ18O較高的圍巖發(fā)生同位素交換，使流體δ18OH2O值升高。晚階段數(shù)據(jù)向大氣水線漂移，體現(xiàn)大氣降水的加入。因此，本文認為礦床成礦熱液為幔源C-H-O流體，晚期有大氣水加入。

4.4 碳氧同位素特征

南岔金礦、荒溝山金礦中碳酸鹽化發(fā)育，并且石英包裹體中發(fā)育CO2，因此方解石中的碳同位素組成有利于分析含礦熱液的來源。南岔金礦、荒溝山金礦碳氧同位素組成一致(表4)，大部分與膠東蓬家夼金礦接近[22,24]。在圖15中，主要落在巖漿巖或附近區(qū)域，結合前文礦石氫氧同位素組成，認為金礦成礦熱液的CO2具有幔源特征，可能來自幔源C-H-O流體活動。2個數(shù)據(jù)點向巖漿巖δ18OSMOW變小方向漂移，顯示晚期有大氣降水加入。

圖13 南岔和荒溝山金礦206Pb/204Pb-208Pb/204Pb和206Pb/204Pb-207Pb/204Pb圖解Fig.13 206Pb/204Pb vs 208Pb/204Pb and 206Pb/204Pb vs 207Pb/204Pb diagrams of Nancha and Huanggoushan gold deposits(南岔金礦據(jù)文獻 [18]；荒溝山金礦據(jù)文獻 [17]；白堊紀花崗巖據(jù)文獻 [19]；古元古代地層據(jù)文獻 [17])

表4 南岔金礦和荒溝山金礦碳氧同位素特征Table 4 Carbon and oxygen isotope compositions of Nancha and Huanggoushan gold deposits

測試單位：核工業(yè)北京地質研究院分析測試中心

圖14 南岔金礦和荒溝山金礦δ18O-δD圖解Fig.14 δ18O-δD plots of ore fluids for Nancha and Huanggoushan gold deposits(南岔金礦據(jù)文獻[10,18]；荒溝山金礦據(jù)文獻[17]；膠東蓬家夼金礦據(jù)文獻[22,23])

圖15 南岔金礦和荒溝山金礦δ18O-δ13C圖解Fig.15 δ18O-δ13C plots of ore fluids for Nancha and Huanggoushan gold deposits(膠東蓬家夼金礦據(jù)文獻[22,24])

5 礦床成因類型及成礦模式

關鍵[25]認為南岔金礦和荒溝山金礦受控于老嶺變質核雜巖，Wu Q.等[26]對南岔金礦成礦前閃長巖脈鋯石U-Pb年齡測定結果為～171 Ma，結合金礦石K-Ar法年齡測定結果(112～103 Ma[4])，荒溝山金礦礦體定位前閃長巖脈(全巖K-Ar法)年齡為～176 Ma，金礦強蝕變巖年齡為～104 Ma[17]，礦石(K-Ar法)年齡為～108 Ma[6]。結合上述資料及區(qū)域當時動力學背景[27]，認為二者的成礦時間應為燕山晚期古太平洋俯沖背景。

王力[28]認為華北板塊前寒武紀時期地幔起源深度較小、溫度低，導致地幔小比例熔融，產(chǎn)生飽和硫的玄武巖熔體，從而發(fā)生硫化物熔離作用，并把大量金滯留在上地幔，形成金的上地幔源區(qū)。本次研究表明，南岔金礦和荒溝山金礦硫和鉛主要來自深源和地層，而碳氫氧同位素顯示成礦流體來自地幔及大氣降水，體現(xiàn)了幔源成礦物質和流體的貢獻。

南岔金礦發(fā)育含CO2三相包裹體和氣液兩相包裹體，為NaCl-H2O-CO2體系，成礦流體為中溫(240～280℃)、低鹽度(2%～6%)、低密度(0.80～0.96 g/cm3)、中壓(85～120 MPa)和中成深度特點(7.55～9.11 km)?；臏仙浇鸬V發(fā)育氣液兩相包裹體，為NaCl-H2O體系，成礦流體為中低溫(170～220℃)、低鹽度(5.5%～8.5%)、低密度(0.89～0.95 g/cm3)、中低壓(30～80 MPa)和中淺成深度特點(3.0～7.3 km)。認為南岔金礦為中溫熱液脈型金礦，荒溝山為中低溫熱液脈型金礦。

結合前人的研究建立了成礦模型(圖16)[22,27]。早白堊世，古太平洋俯沖，洋殼脫水進入上地幔形成C-H-O流體，攜帶大量主元素及痕量元素的高密度幔源C-H-O流體進入下地殼發(fā)生分異作用，一部分分異為相對富含硅堿質的C-H-O流體，沿郯廬和鴨綠江等大型主斷裂和次級斷裂上升，在上地殼與地表水混合，在地殼不同層次發(fā)生熱液礦化作用，形成中溫熱液脈型礦床(如南岔金礦和荒溝山金礦)，或者使地殼發(fā)生交代重熔作用形成花崗巖漿活動，后期隨著溫度不斷降低和大氣水不斷混入而發(fā)生成礦作用；一部分形成鈣堿性煌斑巖質“類巖漿”，上升到地殼淺部定位形成鈣堿性煌斑巖，或與其他地殼物質反應形成中基性脈巖等。

圖16 區(qū)域液脈型金礦床成礦模式圖Fig.16 Metallogenic pattern of regional hydrothermal gold deposits(據(jù)Yang Q.Y.等 [27]修改)

6 結 論

a.南岔金礦發(fā)育含CO2三相包裹體(LH2O+LCO2+VCO2)和氣液兩相包裹體(LH2O+VH2O)，為NaCl-H2O-CO2體系，成礦流體為中溫(240～280℃)；荒溝山金礦發(fā)育氣液兩相包裹體，為NaCl-H2O體系，成礦流體為中低溫(170～220℃)。

b.南岔金礦的礦石δ34S為-9.8‰～1.1‰，荒溝山金礦的礦石δ34S為1.8‰～14.3‰，體現(xiàn)深源硫和地層硫特征；鉛同位素顯示其來自地層和巖漿；碳氫氧同位素顯示礦床流體主要為幔源流體。

c.南岔金礦和荒溝山金礦形成于燕山晚期，為中(低)溫熱液脈型金礦，形成于古太平洋板塊向華北板塊俯沖的構造背景下。