沂沭斷裂帶中段南小堯金礦地球化學特征及礦床成因探討

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(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術功能實驗室，青島海洋科學與技術國家實驗室，山東 青島 266237；3.國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室和山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；4.威海昊陽集團有限責任公司，山東 威海 264200； 5.兗州煤業(yè)股份有限公司 興隆莊煤礦，山東 濟寧 272100)

1 區(qū)域地質(zhì)背景及礦床地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

南小堯金礦地處沂沭斷裂帶中段汞丹山凸起之上，位于沂水-湯頭斷裂的東緣[1-2,4](圖1(a))。沂沭斷裂帶內(nèi)發(fā)育四條NNE向主干斷裂，自西向東分別為鄌郚-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂、安丘-莒縣斷裂以及昌邑-大店斷裂，并與廣泛發(fā)育的NNE-NE向及NW向次級斷裂一起，構成了復雜的斷裂構造系統(tǒng)[1]。研究區(qū)位于受沂水-湯頭斷裂控制的脆-韌性構造帶中，賦礦圍巖主要為古元古代花崗巖，小規(guī)模的燕山期花崗巖、脈巖較為發(fā)育，構造活動較為強烈[2]。

1.2 礦床地質(zhì)特征

南小堯金礦區(qū)內(nèi)巖漿巖分布較為廣泛，具有多期次侵入特征。中生代巖體零星分布，規(guī)模較小，其中脈巖較為發(fā)育。太古代沂水巖群、泰山巖群呈包體形式出露于變質(zhì)變形的侵入巖中[1-2](圖1(b)、圖2)。礦區(qū)脆性斷裂較發(fā)育，有南小堯-前梭莊斷裂、大堯-王家莊子斷裂、南小堯-院上斷裂，其中南小堯-前梭莊斷裂為礦區(qū)主要控礦構造[2,4]。南小堯金礦床礦石類型主要為碎裂巖礦石、綠片巖礦石和石英-硫化物礦石(圖3(a)-3(c))，礦石具有不同程度的糜棱巖化、碎裂巖化，以及較明顯的硅化、綠泥石化、碳酸鹽化等礦石蝕變現(xiàn)象(圖4(a)-4(d))。研究區(qū)位于南小堯-前梭莊斷裂西段，金礦床產(chǎn)于基底變質(zhì)變形花崗巖中[2,4](圖1(b)、圖2)。由礦床北部至南部，分別為Ⅰ號礦化帶、Ⅱ號礦化帶，兩條礦化帶均呈EW走向，距離約為55 m[2]。Ⅰ號礦化帶為糜棱巖帶，其展布方向96°～276°，傾向SSW，從上部至下部，傾角由陡逐漸變緩，傾角約為65°～72°，此礦化帶賦存三層較大的礦體[2,4]，金品位變化為1.09×10-6～38.54×10-6μg/g。Ⅱ號礦化帶為片麻巖帶，走向近EW，傾向S，傾角陡立，約為85°；該礦化帶有兩層礦體，上層礦體脈幅較窄，下層礦體呈上部較厚而下部較薄的多邊形楔子狀，在此礦化帶底部產(chǎn)出，金品位變化為1.92×10-6～22.5×10-6μg/g[2,4]。

1—古元古代花崗閃長巖；2—古元古代二長花崗巖；3—破碎蝕變帶；4—金礦體及其編號；5—地質(zhì)界限；6—豎井位置

礦物代號：Py—黃鐵礦；Qtz—石英；Chl—綠泥石；Kfs—鉀長石

(a)礦石綠泥石化；(b)礦石硅化，黃鐵礦呈團塊狀分布；(c)礦石具碳酸鹽化、綠泥石化蝕變，方解石呈團塊狀分布；

南小堯金礦床主要有綠片巖、糜棱巖和石英-硫化物脈三種礦石類型(圖3(a)-3(c))。①綠片巖礦石：為浸染狀、脈狀構造，礦石礦物主要為黃鐵礦，自形程度較低(半自形-他形)，以立方體晶形為主，具有交代殘余結構、溶蝕結構等，礦物顆粒粒徑較大，主要為210～620 μm，在早期階段形成的黃鐵礦具有較明顯的碎裂結構；局部可見呈星點狀分布的黃銅礦、閃鋅礦；脈石礦物主要為綠泥石，含有少量的斜長石、角閃石、絹云母及方解石等；礦石具較明顯的綠泥石化，局部可見絹云母化、碳酸鹽化。②糜棱巖礦石：礦石構造主要為細脈浸染狀、塊狀構造等；礦石自形程度較低，具有交代結構、溶蝕結構等；礦石礦物主要為黃鐵礦，自形程度較高(半自形-自形)，以立方體晶形為主，可見五角十二面體晶形，粒徑主要為120～410 μm，主要呈浸染狀、星點狀、細脈狀構造形式分布，局部具有交代溶蝕的現(xiàn)象；脈石礦物主要為石英、綠泥石及碳酸巖等，斜長石含量較低，碳酸鹽脈體較發(fā)育，有明顯的菱形解理，呈細脈狀、網(wǎng)格狀構造形式分布于礦石中；礦石具較明顯的硅化、碳酸鹽化。③石英-硫化物脈礦石：礦石構造主要為脈狀構造；礦石礦物主要為黃鐵礦、方鉛礦，黃鐵礦礦物粒徑主要為40～270 μm，具有較明顯的溶蝕結構，方鉛礦呈他形分布于石英脈中，黑三角孔特征較明顯；脈石礦物主要為石英、方解石，石英結構主要為微細粒-細粒、他形，可見碳酸鹽脈體以脈狀或網(wǎng)脈狀充填于礦石中；礦石硅化、碳酸鹽化的現(xiàn)象較明顯。

南小堯金礦成礦作用劃分為四個成礦階段(圖5、表1)。①石英-黃鐵礦-綠泥石階段(Ⅰ)(圖5(a)、5(b))：為早期礦化階段，該階段形成的礦物主要有黃鐵礦、石英、綠泥石等，礦物具有一定的定向排列特征，其中黃鐵礦自形程度較低，呈半自形-他形結構，主要呈浸染狀及細脈狀分布；②黃鐵礦-絹云母-綠泥石階段(Ⅱ)(圖5(c)、5(d))：該階段形成的礦物有黃鐵礦、石英、絹云母、綠泥石等，黃鐵礦自形程度較高，以半自形-自形為主，多數(shù)具較明顯的溶蝕結構，主要呈浸染狀和星點狀分布，該階段糜棱巖質(zhì)碎裂巖黃鐵礦化、絹云母化蝕變較普遍；③石英-多金屬硫化物階段(Ⅲ)(圖5(e)、5(f)、5(g))：該階段形成的礦物組合較復雜，主要礦物為石英、黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦等，黃鐵礦自形程度較低，主要呈浸染狀和細脈狀分布，具較明顯的溶蝕交代結構；④碳酸鹽階段(Ⅳ)(圖5(h)、5(i))：為晚期礦化階段，方解石主要以脈狀或網(wǎng)脈狀充填于礦石中，具較明顯的菱形解理。

表1 南小堯金礦床成礦階段及礦物生成次序表

Tab.1 Mineralization stage and ore-forming sequence of Nanxiaoyao gold deposit

2 樣品與測試方法

樣品采于沂沭斷裂帶中段南小堯金礦的礦坑，巖性分別為黃鐵礦化綠泥石化糜棱巖、黃鐵絹英巖化綠片巖以及石英-硫化物脈巖，樣品均較為新鮮。

硫化物原位微量元素分析在中國科學院地球化學研究所完成。儀器為GeolasProd激光剝蝕系統(tǒng)的LA-ICP-MS，脈沖頻率10 Hz，剝蝕孔徑為33 μm，等離子體質(zhì)譜儀型號為Agilent7700X。使用He作為剝蝕物質(zhì)載氣，采用GSE-1G、BCR-2G、BIR-1G、Mass-1作為標樣，單點測試總時長70 s，其中空白背景采集時間20 s，樣品剝蝕采集信號時長30 s，停止剝蝕后繼續(xù)吹氣20 s，進行系統(tǒng)清洗。測試時，每8個點測試一組標樣。詳細操作流程見文獻[12]，分析測試結果見表2。

硫化物原位硫同位素分析在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成。測試儀器為Geolas2005激光剝蝕系統(tǒng)和Nepture Plus等離子體質(zhì)譜儀，測試時激光束斑直徑33 μm，脈沖頻率為10 Hz，能量50%T，電壓10.1～12.5 V，同時采用氦氣為載氣，氬氣為補償氣體，采用標樣WS-1、WS-2進行校正，單個測點的總時長60 s，其中背景信號時間20 s，激光剝蝕時間為20 s，沖洗時間為20 s，具體操作方法見文獻[13]，分析測試結果見表3。

(a)、(b)石英-黃鐵礦-綠泥石階段(Ⅰ)；(c)、(d)黃鐵礦-絹云母-綠泥石階段(Ⅱ)；(e)、(f)、(g)石英-多金屬硫化物階段(Ⅲ)；(h)、(i)-碳酸鹽階段(Ⅳ)；(b)、(h)為單偏光下照片；(c)、(e)、(i)為正交光下照片；(a)、(d)、(f)、(g)為反射光下照片

3 元素地球化學特征

3.1 硫化物微量元素特征

研究區(qū)金礦床黃鐵礦微量元素含量如表2所示，黃鐵礦中Co含量0.53×10-6～4 161.88×10-6μg/g，均值299.17×10-6μg/g；Ni含量2.51×10-6～813.67×10-6μg/g，均值141.02×10-6μg/g；Co/Ni比值0.04～51.08，均值3.24；親鐵元素As、Te含量分別為0.25×10-6～114.18×10-6、0.17×10-6～4.76×10-6μg/g；親硫元素Se、Bi等含量分別為0.42×10-6～21.16×10-6、0.01×10-6～0.49×10-6μg/g；成礦元素中Cu、Pb、Zn含量分別為0.17×10-6～472.22×10-6、0.14×10-6～1 486.94×10-6、0.40×10-6～32.46×10-6μg/g；貴金屬元素Ag、Au含量分別為0.008×10-6～40.292×10-6、0.002×10-6～0.154×10-6μg/g。成礦流體中金元素的遷移、富集、沉淀與Ag、As、Te元素關系密切，南小堯金礦床黃鐵礦中Au與Ag、As、Te相關關系顯示，Au元素與As有較強的正相關性(圖6)，表明As在南小堯金礦床形成過程中對金的搬運與富集具有重要作用[14-15]，Au與Ag也顯示正相關性，反映Au、Ag共同成礦具有相似的遷移富集機制，黃鐵礦中Au元素與Ag、As具有正相關性，表明金礦床中Au元素的遷移、富集與Ag、As關系較密切。

3）拆除后架體的穩(wěn)定性不被破壞，如附墻桿被拆除前，應加設臨時支撐防止變形，拆除各標準節(jié)時，應防止失穩(wěn)。

圖6 南小堯金礦床黃鐵礦Au-Ag、Au-As、Au-Te含量及相關性

圖7 ns與nFe實際原子個數(shù)比圖解Fig.7 ns and nFe actual atomic number ratio diagram

理論上，黃鐵礦主量元素S/Fe的原子比應為2，S、Fe含量應分別為53.45%、46.55%。而南小堯金礦床黃鐵礦測點的S/Fe原子比絕大多數(shù)大于2(表2)，由nS與nFe實際原子個數(shù)比圖解(圖7)，可知nS/nFe為2.01～2.27。以上分析顯示黃鐵礦中鐵虧損較明顯，硫元素較鐵元素富，表明南小堯金礦床中黃鐵礦可能發(fā)生于類質(zhì)同象替代[4,16]。相關研究表明，黃鐵礦的形成深度與其主成分含量及Fe/(S+As)值相關性較高[4,16]：內(nèi)生熱液礦床形成深度深，黃鐵礦具有富硫貧鐵的特征；形成深度淺，則黃鐵礦表現(xiàn)為富鐵貧硫的特征[17-18]。黃鐵礦Fe/(S+As)值主要為0.81～0.89，nS/nFe為1.81～2.27。以上分析表明，礦床中黃鐵礦具有富硫及鐵虧損較明顯的特征，說明南小堯金礦床可能形成于中深部環(huán)境。

黃鐵礦Au/Ag比值可以反映成礦溫度的高低，Au元素主要在較高溫度和較深部的礦床中富集(Au/Ag比值高)，Ag元素則多在中深部或地表的中低溫礦床中富集(Au/Ag比值低)[13]。分析結果顯示，南小堯金礦床黃鐵礦Au/Ag值較低，為0.001 2～0.241 6，據(jù)此推測金礦床可能形成于中深部的中低溫環(huán)境。黃鐵礦中As含量對礦床形成溫度有一定的指示作用[18]，黃鐵礦As含量為0.25×10-6～114.18×10-6，也表明金礦床可能形成于中低溫環(huán)境。

黃鐵礦中Te、Se/Te對黃鐵礦中雜質(zhì)含量及結晶速度具有指示作用[19-20]。南小堯金礦床黃鐵礦中Se/Te值較低，主要為0.39～3.28，Te含量為0.17×10-6～4.76×10-6μg/g，表明南小堯金礦床黃鐵礦雜質(zhì)含量較高，結晶速度較快。研究顯示成礦液體中的fo2較低時，不利于黃鐵礦中Sb元素的富集(As/Sb比值較高)[19-20]，成礦流體系統(tǒng)具有較強的還原性，南小堯金礦床黃鐵礦中Sb含量較低，為0.12×10-6～0.98×10-6μg/g，As/Sb值較高，為1.05～9.17，反映成礦流體系統(tǒng)中fo2較低，成礦流體具有一定的還原性。

親鐵元素Co、Ni等常可以類質(zhì)同象形式替代黃鐵礦中的Fe、As常替代S進入到黃鐵礦的晶格中，研究顯示，黃鐵礦Co/Ni比值對成礦條件具有一定的指示意義[8,16,18]。南小堯金礦床黃鐵礦的Co和Ni含量及Co/Ni、S/Fe比值見表2，黃鐵礦Co/Ni值為0.13～3.64，大多數(shù)分布在巖漿與沉積改造成因黃鐵礦范圍內(nèi)，在黃鐵礦Co-Ni圖解上(圖8)，數(shù)據(jù)點多位于巖漿區(qū)和沉積改造區(qū)，表明金礦床的形成與巖漿活動關系密切，在后期可能經(jīng)歷了結晶后熱液改造。在As-Co-Ni圖解中(圖9)，數(shù)據(jù)點主要落在火山與次火山熱液型區(qū)域，表現(xiàn)出貧As的熱液特征，表明南小堯金礦的形成與火山活動具有一定的成因聯(lián)系。因此，認為研究區(qū)金礦床在形成過程中，來自于深部的成礦熱液以及火山、次火山熱液活動攜帶著Au上涌到斷裂中，并可能對太古代泰山群進行了熱液改造，萃取了“礦源層”(泰山巖群)的Au元素。

Ⅰ—沉積區(qū)；Ⅱ—沉積改造區(qū)；Ⅲ—巖漿區(qū)；Ⅳ—熱液區(qū)圖8 南小堯金礦床黃鐵礦Ni-Co圖解[21]

A—地下鹵水淋濾型；B—巖漿熱液型；C—變質(zhì)熱液型；D—火山與次火山熱液型

3.2 硫化物硫同位素特征

硫同位素作為成礦物質(zhì)來源及成礦環(huán)境的指示劑，在礦床成因研究中應用廣泛[23]。以南小堯金礦床硫化物中硫同位素示蹤成礦物質(zhì)來源，為研究礦床成因提供依據(jù)。南小堯金礦硫化物硫同位素測試結果見表3，綠片巖礦石中黃鐵礦δ34S值為-0.9‰～2.1‰；石英-硫化物脈巖礦石中黃鐵礦δ34S值為1.3‰～2.9‰；而糜棱巖礦石中硫化物δ34S值較低，方鉛礦δ34S呈負值為-3.2‰～-1.3‰，可能是受到地表水的作用使含礦體系中δ34S值降低。南小堯金礦床不同礦石中硫化物δ34S值存在差異，指示不同礦石中成礦流體的物理化學條件可能存在差異。

南小堯金礦床黃鐵礦δ34S值為-0.9‰～2.9‰，平均1.54‰，極差為3.8‰；方鉛礦δ34S值-3.2‰～-1.3‰，平均-2.0‰，極差為1.9‰。硫化物的硫同位素組成分布圖(圖10)顯示，硫同位素屬幔源硫特征；方鉛礦、黃鐵礦硫化物硫同位素分布直方圖(圖11)顯示，硫同位素分布范圍較集中、變異小，具有較好的塔式分布效應，硫化物δ34S值主要集中在-2.0‰～3.0‰，研究認為幔源或者源于深部與巖漿作用有關的硫化物δ34S約為0‰[9,18,24-25]，其變化范圍較小，因此認為南小堯金礦床成礦物質(zhì)可能來源于深部。

表3 南小堯金礦床硫化物硫同位素值

測試單位：中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室。

圖10 硫化物硫同位素組成分布圖(有修改)[24]

圖11 南小堯金礦床硫化物硫同位素分布直方圖

4 礦床成因探討

4.1 成礦物質(zhì)來源

沂沭斷裂帶是區(qū)域性切幔斷裂，可作為巖石圈不同深度巖漿和流體向上遷移的通道，中生代巖漿作用和成礦作用復雜[1,26-27]。研究[1,4]認為，沂沭斷裂帶中段太古代泰山巖群和燕山期巖漿巖都具有較高的金含量，可能為沂沭斷裂帶中段金礦的礦源層。沂沭斷裂帶中段變質(zhì)基底巖系也具有較高的Au豐度，成礦物質(zhì)來源可能與古元古代的變質(zhì)基底巖系有關，而變質(zhì)基底的原巖可能為基性-中性火山沉積建造[1,4]。李洪奎等[1]研究沂沭斷裂帶中段金礦硫化物的硫同位素均顯示幔源硫特征(圖10)，鉛同位素特征顯示鉛主要由地殼深部供給。研究認為來源于地?；蛏畈颗c巖漿作用有關的硫化物δ34S約為0‰[9,18,24-25]，其變化范圍較小，研究區(qū)金礦床硫化物的硫同位素特征顯示幔源硫的特征，δ34S值為-3.2‰～2.9‰，結合前人研究成果[1,4]，推測金礦床成礦物質(zhì)可能來源于深部，成礦物質(zhì)可能與火山-巖漿作用導致的地幔物質(zhì)上涌有關，由燕山期巖漿熱液流體攜帶著Au等成礦物質(zhì)向上運移。因此認為南小堯金礦床成礦物質(zhì)可能來源于地幔，燕山期巖漿活動對金礦床的形成具有重要的作用。

4.2 成礦流體特征

硫同位素示蹤可以反映成礦流體的來源[18,25,28-29]，硫化物δ34S值顯示不同礦石中成礦流體的物理化學條件可能存在差異；金礦床礦石中未見硫酸鹽礦物，硫化物中的δ34S特征可以表示成礦流體中總硫δ34S∑的特征。金礦床黃鐵礦微量元素分析結果顯示，黃鐵礦中ns/nFe主要為2.01～2.27，F(xiàn)e/(S+As)值主要為0.81～0.89，分析顯示黃鐵礦具有富硫、鐵虧損明顯的特征，表明金礦床可能形成于中深部環(huán)境。南小堯金礦床黃鐵礦Au/Ag值較低，為0.001 2～0.241 6，As含量為0.25×10-6～114.18×10-6μg/g，表明金礦床可能形成于中深部的中低溫環(huán)境。黃鐵礦Te含量為0.17×10-6～4.76×10-6μg/g，Se/Te值較低，主要為0.39～3.28，指示黃鐵礦結晶速度較快，雜質(zhì)含量較高。黃鐵礦Sb含量較低，主要為0.12×10-6～0.98×10-6μg/g，As/Sb值較高，主要為1.05～9.17，反映流體系統(tǒng)氧逸度較低，成礦流體具有一定的還原性。黃鐵礦Co含量、Au/Ag比值等微量元素特征顯示研究區(qū)金礦床成礦熱液為中低溫流體。黃鐵礦Co-Ni圖解顯示金礦床的形成與巖漿活動關系密切，在后期可能經(jīng)歷了結晶后熱液改造。黃鐵礦As-Co-Ni圖解顯示金礦成礦熱液類型主要為火山與次火山熱液型，表明金礦床的形成與火山活動具有一定的成因聯(lián)系，可能與燕山期的火山和次火山活動有關[1,4,27]。

4.3 礦床成因探討

在礦床地質(zhì)研究基礎上，結合地球化學分析結果，認為沂沭斷裂帶中段南小堯金礦床成因機制可能如下：受庫拉板塊和太平洋板塊運動的影響[1]，沂沭斷裂帶由韌性構造體制轉(zhuǎn)化為脆性斷裂，擴大了容礦空間[1,4-5]，燕山期巖漿-火山活動劇烈，來自于深部的成礦熱液以及火山、次火山熱液活動攜帶著Au上涌到斷裂中，并對太古代泰山巖群進行熱液改造，萃取了“礦源層”(泰山巖群)的Au元素，所蘊含的熱量也為金礦化作用提供了足夠的熱源，同時，少量大氣降水沿斷裂帶下滲與來源于深部的流體混合，加速了Au的沉淀，使Au在中深部的適宜成礦條件下富集成礦。

5 結論

1) 南小堯金礦床可劃分為四個成礦階段，分別為：石英-黃鐵礦-綠泥石階段、黃鐵礦-絹云母-綠泥石階段、石英-多金屬硫化物階段和碳酸鹽階段。

2) 黃鐵礦硫同位素顯示硫的深源特征，表明金礦床的成礦物質(zhì)來源于深部；硫化物微量元素特征顯示金礦床形成于中深部的中低溫成礦環(huán)境，成礦作用與燕山期的火山-次火山活動關系密切。

3) 南小堯金礦床成礦模式可概括為：中生代融熔的巖漿以及火山與次火山熱液沿沂沭斷裂帶上涌，為金礦的形成帶來了大量的成礦物質(zhì)和成礦流體，在中深部的成礦環(huán)境中隨成礦條件的改變而使Au在適宜的構造位置富集并沉淀成礦。