小秦嶺金礦田楊砦峪金礦深部礦脈碳-氫-氧同位素特征及其對成礦流體來源的制約

王鵬飛，馮 帆，陳書印，楊生強，薛志強，丁 毅，張?zhí)K坤，黃 昊

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 洛陽 471023；2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預(yù)測重點實驗室，河南 洛陽 471023；3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 461000)

0 引言

小秦嶺金礦田是我國僅次于膠東地區(qū)第二大黃金產(chǎn)地，目前累計查明金資源儲量約611 t。該區(qū)以石英脈型金礦為主，發(fā)育含金石英脈超過1200條[1]。如此大規(guī)模含金石英脈，其成礦流體及成礦物質(zhì)來源一直是學(xué)者們爭論的焦點。近年來，前人在該區(qū)做了大量的科研工作，對小秦嶺金礦田成礦機制的認(rèn)識有重大進(jìn)展，目前主要存在兩種觀點：①金礦床成礦作用與燕山期華北克拉通巖石圈伸展減薄過程有關(guān)，認(rèn)為巖石圈伸展和廣泛的巖漿作用為成礦提供所需的能量、流體和成礦物質(zhì)等[2-6]，朱日祥[7]將華北克拉通早白堊世金礦床定義為“克拉通破壞型金礦”。②金礦床的形成與印支期華北板塊與楊子板塊碰撞造山過程有關(guān)，認(rèn)為屬造山型金礦床[8-10]。隨著近年來小秦嶺地區(qū)發(fā)現(xiàn)了較多207 Ma～268 Ma 輝鉬礦 Re-Os 同位素年齡，這一觀點也得到其他學(xué)者的支持[11-17]。

值得注意的是，典型的造山型金礦成礦流體主要與區(qū)域變質(zhì)過程的脫揮發(fā)分作用相關(guān)[18]，而克拉通破壞型金礦成礦流體主要源于巖漿或地幔脫揮發(fā)分，這與造山型金礦床成礦物質(zhì)來源明顯不同。H-O同位素數(shù)據(jù)對于判別成礦流體的來源和性質(zhì)具有一定指示作用，前人在小秦嶺地區(qū)做過大量的工作，隨著開采深度的增加，有必要對深部礦體氫、氧同位素進(jìn)行研究，本文在系統(tǒng)搜集前人數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以楊砦峪、樊岔金礦 S60 深部礦脈為研究對象，進(jìn)行C-H-O同位素研究，進(jìn)一步查明成礦流體來源，闡述礦床形成機制。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

小秦嶺金礦田位于華北板塊南緣華熊隆起的中西部(圖1)，其地理位置西起華山，東至河南靈寶娘娘山，南北側(cè)分別以小河斷裂和太要斷裂為界[19]。地層主要為主要為上太古界—古元古界太華群片麻巖系(2.6 Ga～2.2 Ga)[20]，其巖石組合類型為黑云斜長片麻巖、片麻狀花崗巖和斜長角閃巖等。區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁，巖體發(fā)育，出露面積較大的巖漿巖有中元古代桂家峪巖體，其年齡為(1557±30)Ma)[1]，小河花崗巖體年齡為(1748±25)Ma[21]，中生代文峪巖體年齡為130.6 Ma～138.4 Ma[14-15，22]，娘娘山巖體年齡為132.9 Ma～141.7 Ma[14-15，22]。基性巖脈在金礦區(qū)內(nèi)也廣泛發(fā)育，被含金石英脈切穿或彼此平行，或侵入太古代變質(zhì)巖系。區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要由軸向近EW向的復(fù)式褶皺和走向近EW的區(qū)域性小河、太要斷裂組成，它們控制了小秦嶺地區(qū)近千條含金石英脈的產(chǎn)出。研究區(qū)代表性金礦床有文峪、東闖、楊砦峪、槍馬、樊岔等，其容礦圍巖為太華群閆家峪組斜長角閃巖和斜長片麻巖。

圖1 小秦嶺金礦田地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[23-24])

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 礦區(qū)地質(zhì)背景

楊砦峪金礦位于小秦嶺老鴉岔背形中段，出露地層為太華群中段的中上部，巖性主要為各類混合巖和黑云斜長片麻巖類(圖2)，此外第四系沖積物和殘坡積物沿礦區(qū)溝谷分布。老鴉岔背斜軸面近EW走向，北傾。南翼地層較規(guī)整，似單斜層狀，傾角較陡(36°～70°)，北翼發(fā)育一系列NE向分枝背斜及NWW向小型褶皺，傾角較緩(20°～30°)，在剖面上構(gòu)成南陡北緩的不對稱背形。區(qū)內(nèi)不同規(guī)模、性質(zhì)斷裂發(fā)育，其中近EW向斷裂總體走向與區(qū)域構(gòu)造線方向一致，與成礦的關(guān)系較密切，為本區(qū)主要斷裂。礦區(qū)石英脈主要沿EW向壓扭性斷裂構(gòu)造帶斷續(xù)分布，呈脈狀、透鏡狀產(chǎn)出于斷裂帶內(nèi)。

圖2 楊砦峪礦區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[16])

區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁，巖漿巖發(fā)育，主要以基性巖脈、酸性巖為主，其類型有黑云母花崗巖、花崗細(xì)晶巖、花崗偉晶巖、輝綠巖脈。

2.2 礦脈特征

楊砦峪金礦床類型均以石英脈型為主，局部可見構(gòu)造蝕變巖。S60礦脈為區(qū)內(nèi)主礦脈，全長6 km，嚴(yán)格受NWW走向的 F5壓扭性斷裂控制，總傾向170°～210°，傾角40°～58°。石英脈呈透鏡狀、脈狀、斷續(xù)分布，在走向和傾向上都有膨縮、分支復(fù)合、尖滅再現(xiàn)的現(xiàn)象。厚度變化較大，最厚可達(dá)20 m，石英脈的規(guī)模與金礦體成正比。

2.3 礦體特征

礦體與石英脈總體走向趨勢相似，總體上呈NWW—SEE向呈折線狀分布，大致呈反“S”型。主礦體沿走向最長達(dá)610 m，傾向最大延伸320 m。礦體厚度最大6.06 m，最小0.25 m，總體走向約110°，傾向175°～215°，傾角40°～52°。

礦體的厚度與產(chǎn)狀有一定關(guān)系，當(dāng)?shù)V體走向為110°～140°的地段，礦體厚度相對變薄，當(dāng)?shù)V體走向為85°～95°的地段，礦體厚度相對增大。

沿礦體傾向，當(dāng)傾角由緩變陡的地段，礦體厚度相對較薄，石英脈出現(xiàn)尖滅現(xiàn)象；反之，在石英脈傾角較緩地段，礦體厚度則相對較厚。

2.4 礦石特征

礦石礦物以黃鐵礦為主，次為黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦、白鎢礦及微量的輝銀礦、自然金等。脈石礦物以石英為主，次為方解石、白云石、絹云母等(圖3)。礦石中除主要元素Au之外，尚伴生有鉛、鋅、銅、鎢、硫等。

圖3 楊砦峪礦床礦脈與礦石特征

根據(jù)礦物組合特征及其共生關(guān)系，大致可將成礦過程劃分為以下4個成礦階段：

1)黃鐵礦-石英階段：早期熱液沿斷裂充填形成石英脈，脈體較寬但金礦化較弱，石英呈乳白色，致密塊狀，零星分布有粗粒自形、立方體狀的黃鐵礦。

2)石英-黃鐵礦階段：該階段以黃鐵礦等硫化物大量增加為特征，硫化物顆粒較細(xì)而導(dǎo)致石英呈煙灰色，主要沿早期石英脈及構(gòu)造巖裂隙充填，形成復(fù)合石英脈體。該階段黃鐵礦是主要的含金礦物，是成礦期中最重要的階段。

3)石英-多金屬硫化物階段：該成礦階段金屬礦物較為豐富，可見黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、自然金、金銀礦以及微量的碲金礦、碲金銀礦、斑銅礦、碲鉛礦、輝碲鉍礦等，多金屬硫化物和石英沿這些裂隙充填，熔蝕交代，形成網(wǎng)格狀、云朵狀和細(xì)脈狀及條帶狀構(gòu)造。

4)石英-碳酸鹽階段：該階段是成礦熱液活動的最后階段。主要形成脈狀或細(xì)脈狀石英及碳酸鹽礦物(方解石、白云石、鐵白云石)及微量黃鐵礦等，金礦化微弱。

2.5 圍巖及其蝕變特征

礦體圍巖主要為混合巖、斜長角閃巖、黑云斜長片麻巖。受區(qū)域變質(zhì)作用及后期熱液的影響，圍巖蝕變較強，常見硅化、絹云母化、黃鐵礦化、碳酸鹽化、綠泥石化，而黑云母化、鉀長石化、綠泥石化、綠簾石化等僅局部出現(xiàn)。這些蝕變常重復(fù)疊加，形成黃鐵絹英巖化，其中硅化、絹云母化、黃鐵礦化與成礦關(guān)系密切最，是重要的找礦標(biāo)志。

3 同位素組成

3.1 樣品和測試

為研究小秦嶺金礦田成礦流體中C-H-O同位素組成，本文選取了小秦嶺金礦田楊砦峪礦區(qū)、樊岔礦區(qū)深部含礦石英脈中的11件石英樣品和2件方解石樣品進(jìn)行C、H、O同位素測試。將石英樣品粉碎至60目和80目，在雙目顯微鏡下進(jìn)行挑選，使純度達(dá)99%。并用60°C～80°C的硝酸溶液浸泡石英顆粒12 h，以消除硫化物、碳酸鹽等連晶，然后用去離子水清洗，再用超聲波離心儀處理，重復(fù)漂洗、離心處理過程6次之后，用WFX-110型原子吸收光譜檢測漂洗液，以確保沒有離子殘留于礦物顆粒表面，最后將樣品在120°C烘箱烘干。測試工作在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成。

用熱爆法收集石英顆粒內(nèi)流體包裹體中的CO2，將收集到的CO2在-70℃的液氮-乙醇冷卻池中濃縮、提純，得到可用于質(zhì)譜分析的純凈CO2，在MAT-253氣體同位素質(zhì)譜儀上測定δD值，分析相對誤差為±0.2‰。H同位素樣品制備同樣采用爆裂法，對石英樣品清洗后去除吸附水和次生包裹體，再通過加熱爆裂法(400℃)提取原生流體包裹體中的H2O，并與金屬鋅反應(yīng)生成H2，然后在MAT-253氣體同位素質(zhì)譜儀上測定δD值，分析相對誤差為±3‰。O同位素分析采用 BrF5法提取礦物氧并在Delta v advantage型質(zhì)譜儀上測定δ18O值，分析相對誤差為±0.2‰。

3.2 H-O同位素

本文對小秦嶺金礦田11件石英樣品進(jìn)行流體包裹體的H-O同位素測試(表1)，其δ18Oquartz值為9.8‰～11.5‰，平均值為10.71‰，分布范圍很窄。根據(jù)石英-水氧同位素分餾方程，計算的成礦流體δ18OH2O值為3.91‰～5.61‰，平均值為4.82‰，較標(biāo)準(zhǔn)巖漿水值略低。δDH2O值為-56.1‰～-86.5‰，平均值為-68.02‰，與變質(zhì)水和巖漿水接近。

3.3 C-O同位素

本文對小秦嶺金礦田楊砦峪礦區(qū)、樊岔礦區(qū)的11件石英樣品及2件方解石樣品進(jìn)行C、O同位素測試，并收集了以往研究者關(guān)于小秦嶺金礦田典型金礦床的C-O同位素分析數(shù)據(jù)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，δ13Cco2(PDB)值為-8.90‰～-1.80‰，平均值為-4.20‰，δ18Oquartz(SMOW)值為-2.03‰～13.61‰，平均值為8.38‰；石英的包裹體群體成分分析結(jié)果顯示，石英包裹中CO2/(CH4+CO)摩爾分?jǐn)?shù)比值在18～333之間，平均值為83，說明成礦流體中的碳主要以CO2的形式存在，故利用C-O同位素分餾平衡方程：

1000lnαCO2-方解石= -2.9880×106/T2+7.663×

103/T-2.4612；

1000lnα石英-方解石= 0.47×106/T2-0.1×103/T[25]。

結(jié)合石英礦物中流體包裹體的均一溫度，可以計算成礦溶液平衡時的方解石的 δ13C方解石和 δ18O方解石(SMOW)的值，測試結(jié)果和計算結(jié)果見表1。

表1 含金石英脈石英、方解石C-H-O同位素組成

4 討論

4.1 成礦流體來源

C-H-O同位素數(shù)據(jù)對于判別成礦流體的來源和性質(zhì)具有一定指示作用，本文在系統(tǒng)總結(jié)前人資料基礎(chǔ)上，將上述 δ18OH2O和 δDH2O值投入 δDH2O- δ18OH2O圖解上(圖4)。發(fā)現(xiàn)小秦嶺金礦田的投影點落點呈現(xiàn)出原生巖漿水與變質(zhì)水混合的跡象，并有少量大氣降水參與的趨勢，由于巖漿與地幔作用密切相關(guān)，在目前條件下尚不能有效區(qū)分巖漿流體與地幔流體，原生巖漿水常被認(rèn)為是地幔流體[26]。小秦嶺地區(qū)大多數(shù)礦床強烈富集鉍、碲，且缺少還原性氣體，如CH4和N2，暗示小秦嶺金礦成礦流體主要來源于深部幔源流體，而變質(zhì)流體不是主要的成礦流體來源。個別金礦床的 δDH2O- δ18OH2O投圖范圍落點相對較大，成礦流體表現(xiàn)出以變質(zhì)水、原生巖漿水和造山型金礦流體和大氣降水相混合的多源特征，而金、鉬共生礦床的 δDH2O- δ18OH2O投圖范圍落點較為集中，主要表現(xiàn)為深部幔源巖漿流體與變質(zhì)流體相混合的特征。

圖4 小秦嶺金礦田 δ18OH2O - δDH2O 圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[25，27])

對小秦嶺地區(qū)典型金礦床碳酸鹽礦物和石英流體包裹體中CO2(計算得來的方解石)C-O同位素組成進(jìn)行進(jìn)行C-O同位素投圖(圖5)，認(rèn)為小秦嶺金礦田不同礦區(qū)的 δ13CPDB來源總體應(yīng)屬地幔射氣和巖漿來源(-5‰～-2‰和-9‰～-3‰)，并受到了低溫蝕變的影響。

圖5 小秦嶺地區(qū)典型金礦床 13CPDB - 18OSMOW 圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[28])

將小秦嶺金礦田測試所得和收集來的C同位素數(shù)據(jù)與地球常見碳儲庫 δ13CPDB值對比發(fā)現(xiàn)(圖6)，小秦嶺金礦田碳酸鹽礦物及流體包裹體中CO2的 δ13CPDB值分布于-8.90‰～-1.80‰之間，分布范圍較窄，與熊耳—崤山地區(qū)金礦床 δ13CPDB值分布寬泛有明顯差別。小秦嶺金礦田碳酸鹽礦物及流體包裹體中CO2的 δ13CPDB值基本上接近原始碳(-5.0‰～-8.0‰)，同許多熱液礦床中形成的碳酸鹽礦物類似。Faure曾指出，熱液礦床中CO2和碳酸鹽礦物的低 δ13CPDB值表明成礦熱液中的碳來自深部幔源，而熊耳山—崤山地區(qū)金礦床的C同位素組成分布范圍較寬的原因可能是其碳源更加復(fù)雜。

圖6 小秦嶺及熊耳山—崤山地區(qū)典型金礦床碳同位素組成(底圖據(jù)文獻(xiàn)[32])

前人對小秦嶺金礦田流體包裹體研究工作表明，成礦流體與高鹽度、富含子晶的變質(zhì)流體截然不同，而與燕山期花崗巖巖漿期后低鹽富CO2、H2O的流體十分相似；文峪巖體石英包裹體和金礦石石英包裹體均出現(xiàn)中—低溫?zé)岜?變質(zhì)巖、混合巖的未見中低溫包裹體)，從巖體內(nèi)到巖體外圍含金石英脈包裹體的均一溫度有連續(xù)變低趨勢。這些特征和規(guī)律反映本區(qū)金礦在成因上與燕山期花崗巖漿活動有關(guān)，而與變質(zhì)作用、混合巖化沒有直接關(guān)系[13，29-31]。

4.2 成礦機制分析

前人通過各種手段對小秦嶺金礦床進(jìn)行大量測年研究，南中礦帶礦床成礦時代主要集中在120.9 Ma～132.6 Ma[33-34]。從構(gòu)造地質(zhì)背景來看，華北克拉通在早白堊世大部分時期(135 Ma～100 Ma)為伸展構(gòu)造體制，大面積發(fā)育裂谷盆地和變質(zhì)核雜巖，沒有強烈擠壓構(gòu)造作用的地質(zhì)記錄[35-38]。而造山型金礦床是在長期擠壓構(gòu)造環(huán)境下形成的，成礦流體主要以變質(zhì)水為主，賦礦部位除了斷裂外，還有褶皺，尤其是褶曲的樞紐部位礦體厚度變大。因此，結(jié)合礦床地質(zhì)特征以及成礦流體來源分析結(jié)果，小秦嶺金礦田金礦既不同于前寒武紀(jì)克拉通脈狀造山型金礦，也不同于其他地區(qū)造山型金礦，其成礦機制是由于巖石圈強烈伸展減薄使富水巖石圈地幔發(fā)生部分熔融和脫氣作用，形成的幔源流體及成礦物質(zhì)沿巖石圈的深大斷裂，向上運移并進(jìn)入成礦系統(tǒng)，隨著溫度、壓力的降低進(jìn)而沉淀成礦。

5 結(jié)論

1)石英C-H-O同位素測試結(jié)果表明，小秦嶺金礦田范圍內(nèi)金礦的成礦流體以幔源流體為主，在流體運移、演化過程中混入了部分變質(zhì)流體和大氣降水。

2)小秦嶺金礦成礦物質(zhì)主要來源于深部地幔，但在成礦流體沿構(gòu)造帶及巖石孔隙運移過程中，明顯混入了太華雜巖物質(zhì)成分。

3)小秦嶺金礦田金礦床的成礦機制主要是華北克拉通破壞、減薄導(dǎo)致成礦元素被帶出成礦，而非造山作用成礦。礦床成因類型屬于克拉通破壞型金礦。

致謝：本研究得到河南省地礦局和靈寶市自然資源局的資助，C-H-O同位素測試得到核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心的熱情幫助，審稿人對本文提出了寶貴的修改意見，特此致謝。