甘肅禮縣中川地區(qū)金礦流體的來源與成因*

姜啟明

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅天水 741025）

甘肅省東南部地區(qū)，屬于秦嶺向西的延伸部分，其西部與青藏高原銜接，在甘肅境內(nèi)部分稱西秦嶺地區(qū)（圖1）。西秦嶺造山帶屬于華力西褶皺帶（圖1-Ⅱ），北東與華北古陸板塊銜接，南與滇青藏古海洋板塊（圖1-Ⅲ）相接，南東與楊子古陸板塊（圖1-Ⅴ）相接。本地區(qū)屬于3大板塊（華北古陸、滇青藏古海洋、揚(yáng)子古陸）碰撞銜接部位，巖漿活動(dòng)頻繁，是金屬礦產(chǎn)成礦的有利部位（姜啟明等，2009）。近30年來，該地區(qū)發(fā)現(xiàn)大量金礦，如陜甘交界的八卦廟、龐家河、鏵廠溝、雙王等大型金礦，川甘交界的拉日瑪、邛莫、大水、馬腦殼等大中型金礦，甘肅的李壩、金山、馬泉、崖灣、寨上、陽山等十幾個(gè)中型以上金礦。很多學(xué)者（Li and Peters，1998；Kerrich et al.，2000；孫明，2000；馮建忠等，2003；姜啟明等，2009；譚洪波，2009；殷先明，2009）對(duì)該區(qū)金礦的成因展開了大量研究，包括該區(qū)金礦的來源、成礦溫度和壓力、氧—?dú)洹蛲凰亟M成、成礦年齡等方面。這些研究為本區(qū)開展成礦流體來源研究提供了大量基礎(chǔ)性資料。不同的研究者對(duì)該地區(qū)金礦的成因歸屬展開爭(zhēng)論：Li and Peters（1998）將八卦廟金礦、雙王金礦、李壩金礦等歸為類卡林型金礦，而Kerrich et al.（2000）認(rèn)為它們屬于大型脆—韌性剪切帶中的造山帶型金礦；孫明（2000）的研究也認(rèn)為馬泉金礦受大型脆—韌性剪切帶控制，屬于構(gòu)造帶蝕變巖型金礦；姜啟明等（2009）將馬泉金礦的特征，與卡林型金礦的8個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比研究，認(rèn)為馬泉金礦屬于類卡林型金礦。隨著新的測(cè)試技術(shù)和研究方法的更新，這些成因類型的爭(zhēng)論可能還會(huì)持續(xù)下去。本次研究，將解決成礦流體來源問題，落實(shí)成礦流體成分，為該地區(qū)金礦成因理論方面，提供新的資料，將有力的推動(dòng)本區(qū)找礦工作。

1 禮縣中川地區(qū)金礦成礦流體地球化學(xué)研究現(xiàn)狀

研究區(qū)位于陜甘川“金三角”（郭俊華等，2009）偏北地帶，屬于“禮（縣）—岷（縣）金礦成礦帶”（圖1；楊根生等，2008；王永寧等，2009；劉家軍等，2010）。禮—岷金成礦帶東部金礦主要圍繞中川花崗雜巖體分布。前人通過金成礦的時(shí)間（中川花崗雜巖體形成以后成礦）和空間關(guān)系（距離巖體1～8 km）開展研究（殷先明，2000；馮建忠等，2003；姜啟明等，2009），認(rèn)為金成礦與中川花崗雜巖關(guān)系密切；在成礦流體方面，測(cè)試O、H、S穩(wěn)定同位素（表1），認(rèn)定成礦流體屬于“混合熱液”。

圖1 甘肅省東南部地區(qū)大地構(gòu)造分區(qū)及礦產(chǎn)略圖（據(jù)姜啟明等，2014c）Fig.1 Southeastern Gansu Province tectonic zoning and mineral map（after Jiang et al.，2014c）

本次研究另辟蹊徑，在已知金礦體上，采集礦石標(biāo)本，挑選其中的石英晶體，使用英國Micromass公司生產(chǎn)的MM5400質(zhì)譜計(jì)測(cè)試稀有氣體及其比值，研究成礦流體來源，證明4He和40Ar具有放射性成因，來源于中川花崗雜巖體，成礦流體中只含有10%左右的上地幔流體。

由表1可見，本次研究結(jié)果與前人（殷先明，2000；馮建忠等，2003）研究結(jié)果差別很大，尤其是與馮建忠等（2003）的研究結(jié)果相反?？赡艿脑颍?）測(cè)試介質(zhì)的差異；除石英外，有些研究者采用全巖O18同位素，即所有含氧礦物都參與O18同位素測(cè)試，禮縣中川地區(qū)金礦的主要脈石礦物是石英、絹云母、方解石、綠泥石等，都是含氧礦物，這樣做，勢(shì)必將成巖期形成的同位素分餾作用也納入測(cè)量范圍，不能反映成礦期同位素特征；2）引起同位素分餾的原因很多，除了成礦期同位素交換反應(yīng)以外，還有動(dòng)力學(xué)分餾、物理分餾、生物化學(xué)分餾等（郝立波等，2004），依靠常規(guī)的同位素示蹤效應(yīng)反映成礦流體來源本身就具有局限性；3）稀有氣體（又稱惰性氣體）He、Ne、Ar、Kr、Xe等很難與其它元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以，稀有氣體的同位素分餾，能夠保留成礦過程的很多蛛絲馬跡，成為成礦流體示蹤的首選對(duì)象，也是近年來研究成礦流體的熱點(diǎn)之一，深受很多學(xué)者（王先彬，1989；毛景文等，1997；孫明良等，1997；杜建國等，1998；李延河等，2000；葉先仁等，2001，2007；羅璐等，2014）的青睞。

表1 禮縣中川地區(qū)金成礦流體研究現(xiàn)狀Table 1 Research status of gold ore-forming fluid in Zhongchuan area，Li County

2 地質(zhì)背景

（1）主要地層

如圖2所示（姜啟明等，2014c），研究區(qū)主要含礦地層有：中石炭統(tǒng)（C2）粉砂質(zhì)絹云母板巖、薄層灰?guī)r、含碳板巖等；中泥盆統(tǒng)舒家壩組（D2s）斑點(diǎn)狀粉砂質(zhì)綠泥絹云母板巖、絹云母千枚巖、薄層狀灰?guī)r等；中泥盆統(tǒng)西漢水組（D2x）條帶狀綠簾石大理巖、綠簾變粒巖、條帶狀含透閃石大理巖等，它與北部的舒家壩組（D2s）為同質(zhì)異象產(chǎn)物。不含礦地層主要有：奧陶系孟家溝群（Om）黑云母石英片巖、變質(zhì)粉砂巖、變質(zhì)長石石英砂巖等，位于中川巖體與柏家莊巖體之間。

圖2 甘肅省禮縣中川地區(qū)金礦地質(zhì)圖（據(jù)姜啟明等，2014c修改）Fig.2 Gansu Province Lixian Zhongchuan deposit geological map（modified after Jiang et al.，2014c）

（2）中川花崗雜巖體地質(zhì)特征

研究區(qū)主要巖漿巖是中川花崗雜巖體和柏家莊花崗雜巖體，其次還有少量的煌斑巖脈、花崗斑巖脈、基性巖脈等。

中川花崗雜巖體經(jīng)歷4期（海西、印支、燕山、喜山）9次侵入（姜啟明等，2014c）和噴出形成（圖2）。早期的侵入體已經(jīng)被晚期侵入體取代，只保留殘留體，主要侵入時(shí)代是燕山早期，占總面積216 km2的90%以上，巖體內(nèi)外還產(chǎn)有吳茶壩（魏炳安，2009）、中川（譚洪波，2009）、范家壩（姜啟明等，2012）小型鈾礦床，金礦床全部位于中川花崗巖體外接觸帶1～8 km范圍內(nèi)，呈半環(huán)形分布。由于中川巖體侵入期次多，巖性、產(chǎn)狀復(fù)雜，并且與金成礦關(guān)系十分密切（馮建忠等，2003；殷先明，2009），中川巖體的侵入時(shí)代（姜啟明等，2014c），對(duì)研究金礦的成因十分重要。

（3）研究區(qū)金礦體的基本特征

據(jù)殷先明（2000）、姜啟明等（2002，2004，2010，2014c）、魯挑建等（2010）研究，中川地區(qū)金礦原生礦的載金礦物為黃鐵礦、毒砂及少量脈石礦物，氧化礦的載金礦物主要是褐鐵礦。金礦的形成都經(jīng)歷了多階段熱液活動(dòng)（表2）。

由表2可見，禮縣中川地區(qū)金礦的熱液成礦期都經(jīng)歷了多個(gè)成礦階段；早期熱液活動(dòng)都有含黃鐵礦石英脈，中期熱液形成都有硫化物細(xì)脈，并伴有強(qiáng)烈的交代作用，使炭質(zhì)或暗色礦物遷出，變成灰白色巖石（魯挑建等，2010）。這種褪色蝕變現(xiàn)象在禮縣中川地區(qū)金礦中常見，熱液晚期都出現(xiàn)低溫礦物碳酸鹽脈，標(biāo)志著礦化結(jié)束。礦物的生成順序中，一般都是先生成石英細(xì)脈，再疊加硫化物細(xì)脈，或星點(diǎn)狀硫化物直接鑲嵌在石英脈內(nèi)，載金礦物黃鐵礦和毒砂的載體大多數(shù)是石英脈，這就為通過石英脈測(cè)試稀有氣體及其比值創(chuàng)造了條件。

表2 禮縣中川地區(qū)金成礦熱液活動(dòng)階段劃分Table 2 Division of hydrothermal activity periods of gold mineralization in Zhongchuan area，Li County

續(xù)表2

3 取樣和測(cè)試方法

3.1 取樣和樣品加工

在已知的原生金礦體上，選擇黃鐵礦化、毒砂化、褪色蝕變等礦化蝕變強(qiáng)烈、含有成礦期石英脈或硫化物細(xì)脈的標(biāo)本，樣品重量一般在1 kg以上。將樣品破碎到小于2.5 mm的粒徑，用清水將破碎后的樣品淘洗，將云母、綠泥石等片狀礦物飄出，再在普通顯微鏡下挑選其中的石英顆粒（表3），每件樣品挑出大于1.1 g石英晶體，保證滿足測(cè)試需要樣品重量2倍以上，送中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心測(cè)試稀有氣體。

表3 用于稀有氣體測(cè)試的樣品地質(zhì)特征Table 3 Geological characteristics of samples for rare gas testing

由表3可見，測(cè)試樣品取自李壩超大型金礦不同的礦床或礦段，金山、馬泉等大中型以上礦床的已知原生礦體，挑選石英晶體粒度大部分在0.3～2 mm之間，為無色透明晶體。有些石英脈還含有熱液期的黑色或黃色捕擄體，這是熱液期石英脈捕獲成礦介質(zhì)的例證。所有標(biāo)本都做了巖礦鑒定，詳細(xì)研究了標(biāo)本的礦物成分，有些標(biāo)本還做了多元素分析或SHRIMP年齡測(cè)試等其他研究項(xiàng)目。

3.2 測(cè)試方法

測(cè)試所使用的儀器為英國產(chǎn)MM5400磁偏轉(zhuǎn)靜態(tài)真空質(zhì)譜計(jì)。該質(zhì)譜計(jì)主要由熔樣坩堝、氣體處理系統(tǒng)、質(zhì)譜計(jì)主機(jī)、電控系統(tǒng)組成（葉先仁等，2001），配備有法拉第杯和電子倍增器雙接收器，倍增器后端接有離子計(jì)數(shù)器。將挑選出來的0.511～0.513 g石英晶體放入坩堝，加熱到1 600℃，使石英晶體中俘獲的所有氣體都能夠釋放出來；在處理氣體時(shí)將其它氣體，尤其是碳的化合物用海綿鈦爐充分消除；在測(cè)試Ne同位素組成時(shí)用燒結(jié)型不銹鋼濾芯可以基本消除40Ar2＋對(duì)20Ne的干擾，必要時(shí)要進(jìn)行校正。儀器的工作狀態(tài)穩(wěn)定，且能將3He與HD（氘）的譜峰完全分開。經(jīng)過加熱去氣后，質(zhì)譜計(jì)主機(jī)動(dòng)態(tài)真空可達(dá)4.0×10-8Pa以下，處理系統(tǒng)真空可達(dá)5.0×10-7Pa以下。

MM5400質(zhì)譜計(jì)基本參數(shù)（葉先仁等，2001）為法拉第杯分辨率≥200，電子倍增器分辨率≥600，主機(jī)本底≤2.2×10-18mol36Ar，主機(jī)靜態(tài)漏率≤4.5×10-17mol/min40Ar，He靈敏度（Trap電流it=800μA）≥1.5×10-6A/Pa，Ar靈敏度（Trap電流it=200μA）≥7.5×10-6A/Pa。

MM5400質(zhì)譜計(jì)具有高靈敏度、高分辨率的特點(diǎn)，儀器的高壓穩(wěn)定性、磁場(chǎng)穩(wěn)定性和材料滲漏率等較好（葉先仁等，2001）。這些性能為準(zhǔn)確測(cè)量稀有氣體同位素組成提供了保障。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 稀有氣體4He與40Ar的來源

禮縣中川地區(qū)金礦原生礦體稀有氣體測(cè)試結(jié)果見表4。

地球大氣自形成以來經(jīng)歷了長期強(qiáng)烈的均一化作用，造成地球大氣稀有氣體比值非常穩(wěn)定（王先彬，1989），這是稀有氣體測(cè)量的背景值。由表4可見，7件樣品中的4He/20Ne為0.71～645.16，是大氣4He/20Ne=0.318 5的2～2026倍。雖然地殼和地幔的Ne同位素組成不同于空氣中的Ne同位素組成（葉先仁等，2007），但空氣Ne同位素是穩(wěn)定的，而He同位素卻受到放射性元素238U、232Th的影響很大，238U要經(jīng)過8次α衰變（生成α離子，即4He的原子核）和7次β衰變（生成電子）才能衰變成穩(wěn)定的206Pb；232Th要經(jīng)過6次α衰變和4次β衰變才能生成208Pb（姜啟明等，2014b）。這些衰變過程都能生成大量的4He。

禮縣中川地區(qū)屬于U、Th含量的高背景區(qū)（表5），U和Th平均含量分別是16.1×10-6和22.3×10-6，而 全 球 花 崗 巖 平 均U、Th含 量 分 別 是3.5×10-6和18×10-6（姜 啟 明 等，2014a），可見，中川花崗雜巖體U和Th含量都很高，并且中川花崗雜巖體內(nèi)外還含有3個(gè)小型鈾礦床（圖2）。在鈾的長期衰變過程中積累了大量的4He，使該地區(qū)成為4He的高背景區(qū)，因此4He/20Ne值普遍很高。同理，3He主要來源于地幔（葉先仁等，2007），含量非常稀少，而4He主要來源于鈾礦，造成表4中樣品的3He/4He是空氣3He/4He=1.4×10-7的0.003 8～1.359倍，這就為通過稀有氣體測(cè)量進(jìn)行熱液來源研究造成干擾。

表4 禮縣中川金礦稀有氣體測(cè)試結(jié)果Table 4 Rare gas test results of Zhongchuan gold mine，Li County

由表4還可見，38Ar含量特別稀少，以至于無法檢出；40Ar/36Ar=381.2～6 177.3，比空氣40Ar/36Ar（295.5）高，是空氣40Ar/36Ar的1.29～20.9倍。研究表明（王先彬，1989），地殼流體成因的40Ar/36Ar是空氣40Ar/36Ar的1～104倍，顯然，中川地區(qū)金礦成礦流體，屬于地殼流體范圍。

造成40Ar同位素比值偏高的原因，依然與中川花崗雜巖體有關(guān)。據(jù)甘肅有色地質(zhì)勘查局天水總隊(duì)（2002）研究（表5），中川花崗雜巖體鉀長石含量較高，K2O平均含量為4.51%，換算成鉀元素含量為3.74%。鉀屬于常量元素，在酸性巖漿巖中的克拉克值為3.34%（姜啟明等，2014a），中川花崗雜巖體的K含量顯然高于全球酸性巖的K含量。K同位素中，40K具有很強(qiáng)的放射性，雖然40K只占K總量的0.012%，但40K可以作“K層電子俘獲”衰變，這種形式衰變的概率為11%（姜啟明，2014b），衰變后生成40Ar，金礦在成礦過程中，石英晶體將40Ar捕獲，造成Ar同位素比值的變化。

表5 禮縣中川花崗雜巖體K 2O和U、Th含量Table 5 K2O，U and Th content/%in Zhongchuan granite complex，Li County

以上事實(shí)表明，成礦流體中的4He和40Ar都來源于中川花崗雜巖體，具有放射性成因，也就是說，金成礦與中川花崗雜巖體有非常密切的關(guān)系。Ar同位素比值表明，金成礦流體大部分應(yīng)該來自地殼流體。

4.2 成礦流體成分

將 樣 品3He/4He（R）與 空 氣3He/4He（Ra）的 比 值，和4He/20Ne測(cè) 試 數(shù) 據(jù) 放入3He/4He-4He/20Ne體系圖中（圖3），可以清晰的看到，盡管4He的高背景值對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)造成了干擾，7件樣品還是能清晰反映出成礦流體的來源。

7件樣品分為兩個(gè)大組，4件樣品（ZB-58、ZB-54、ZB-56、ZB-42）位于“100%地殼流體”線上，也就是說成礦流體全部是大氣降水；另外3件樣品位于“5%上地?！焙汀?0%上地幔流體”兩條線之間，因此估計(jì)其成礦熱液中，含有10%左右的變質(zhì)水或巖漿水。ZB-58與ZB-57都是在李壩金礦王河礦段PD1840工程中所取的樣品（表3），2件樣品空間距離僅僅1 m，但稀有氣體同位素比值卻差別很大，這反映出石英晶體挑選中的偶然性，即ZB-58挑選出來的石英晶體，可能屬于非成礦期石英多一些，而ZB-57挑選出來的石英，成礦期石英晶體多一些，保留成礦信息多一些；金山金礦挑選出的2件石英樣品，其空間距離也不大（表3），2件樣品稀有氣體同位素比值也相差很大，同樣說明石英晶體中稀有氣體成分保留成礦熱液來源的信息量差異很大。筆者多年在馬泉金礦從事勘查工作，取稀有氣體測(cè)試樣品時(shí)，有意設(shè)置在馬泉金礦39號(hào)勘探線附近，此處有3個(gè)工程控制1號(hào)主礦體，金礦體的平均品位為3.69×10-6，平均厚度達(dá)到12.25 m，1號(hào)主礦體在此處不僅礦體巨大，品位高，而且礦化蝕變也非常強(qiáng)烈，圖3中反映在成礦流體來源信息也很多。

圖3 禮縣中川地區(qū)金礦成礦流體3He/4He-4He/20Ne關(guān)系圖Fig.3 The 3He/4He-4He/20Ne relationship of gold ore-forming fluids in Zhongchuan area，Li County

距離禮縣中川地區(qū)230 km的文縣陽山金礦，位于西秦嶺褶皺帶的南部邊緣附近（圖1），在碧口古陸與滇青藏古海洋板塊的縫合線上，具有與中川地區(qū)相似的成礦環(huán)境。據(jù)李璇等（2021）對(duì)陽山金礦的研究，載金礦物黃鐵礦3He/4He平均值0.123 Ra（范圍0.06～0.28 Ra，Ra為大氣3He/4He值），稍高于地殼特征值（0.01～0.05 Ra）；40Ar/4He=0.16～0.34，與地幔特征值（0.33～0.56）有一定交集；40Ar/36Ar平均值448.3，高于大氣飽和水，計(jì)算表明，其由2.64%～51.06%的殼源40Ar和41.06%～97.36%的大氣40Ar構(gòu)成，說明陽山金礦成礦流體大部分是大氣降水，有少量深部來源。由此可見，禮縣中川地區(qū)金礦流體同位素組成，與鄰區(qū)文縣碧口地區(qū)流體同位素組成具有相似的特點(diǎn)，進(jìn)一步說明，甘肅省東南部地區(qū)金礦成礦流體都是大量大氣降水與少量巖漿水組成的混合水。

5 結(jié) 論

（1）禮縣中川地區(qū)金礦的形成，與中川花崗雜巖體關(guān)系非常密切，成礦流體中的稀有氣體4He和40Ar大部分來自中川花崗雜巖體，具有放射性成因。

（2）Ar同位素比值顯示，成礦流體主要是地殼來源。

（3）禮縣中川地區(qū)金礦成礦流體，含有10%左右的上地幔流體，屬于混合熱液型。