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胶东牟乳成矿带范家庄金矿床成矿流体特征及其地质意义
王勇军1,2,3, 刘颜4, 黄鑫1,2, 徐昌1,2, 沈立军1,2, 张业智1,2, 张兆民1,2     
1. 山东省煤田地质规划勘察研究院, 济南 250100;
2. 中国地球物理学会煤田地球物理重点实验室, 济南 250100;
3. 山东省煤田地质局第一勘探队, 山东 枣庄 277000;
4. 中国地质大学(武汉)资源学院, 武汉 430074
摘要: 牟乳成矿带是胶东半岛金矿集区三大金成矿带之一,但带内金矿床的成矿流体来源仍存在着较大分歧。范家庄金矿床是近年在该成矿带内新发现的金矿床,其成矿流体的研究较为薄弱。鉴于此,本文从流体包裹体和H-O同位素研究入手,结合矿床地质特征,对范家庄金矿床的成矿流体和矿床成因进行探讨。金矿体主要产于侏罗纪弱片麻状黑云母二长花岗岩内,呈脉状、透镜状,受断裂构造控制明显。该矿床热液成矿期可分为3个成矿阶段:石英-粗粒黄铁矿阶段(成矿早阶段)、石英-金-多金属硫化物阶段(主成矿阶段)、石英-碳酸盐阶段(成矿晚阶段)。流体包裹体岩相学特征显示,矿床中的原生包裹体以气液两相包裹体和纯液相水溶液包裹体为主,另有少量含CO2三相包裹体。显微测温结果显示,成矿早阶段和主成矿阶段的均一温度分别为167.2~297.5℃和168.4~253.6℃,盐度(w(NaCl))分别为3.55%~22.65%和2.58%~12.05%,密度分别为0.77~1.06 g/cm3和0.84~1.02 g/cm3,具有中低温、中低盐度、低密度的特征,与中温热液成矿系统流体特征相一致。对成矿压力和深度的估算表明,主成矿阶段的成矿压力为45.8~68.7 MPa(平均为52.8 MPa),成矿深度为5.38~6.71 km(平均为5.93 km),显示出中浅成成矿的特点。成矿流体H-O同位素示踪显示,成矿早阶段流体的δDH2O-SMOW值介于-96.9‰~-89.0‰之间,δ18OH2O-SMOW值介于-4.3‰~4.5‰之间;主成矿阶段的δDH2O-SMOW值介于-90.7‰~-85.3‰之间,δ18OH2O-SMOW值介于-5.4‰~-0.2‰之间。由此认为,范家庄金矿床的成矿流体来源于岩浆水与大气降水的混合,且随着成矿流体的演化,大气降水的混入比例增加。综合矿床地质特征和成矿流体研究,认为范家庄金矿床应属中温热液脉型金矿床。
关键词: 流体包裹体    H-O同位素    中温热液脉型金矿    范家庄金矿床    牟乳成矿带    
Characteristics of Ore-Forming Fluids and Geological Significance of Fanjiazhuang Gold Deposit in Muping-Rushan Metallogenic Belt, Jiaodong Peninsula
Wang Yongjun1,2,3, Liu Yan4, Huang Xin1,2, Xu Chang1,2, Shen Lijun1,2, Zhang Yezhi1,2, Zhang Zhaomin1,2     
1. Shandong Provincial Research Institute of Coal Geology Planning and Exploration, Jinan 250100, China;
2. Key Laboratory of Coalfield Geophysics, Geophysical Society of China, Jinan 250100, China;
3. The First Prospecting Team of Shandong Coal Geology Bureau, Zaozhuang 277000, Shandong, China;
4. School of Earth Resources, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China
Abstract: The Muping-Rushan metallogenic belt is one of the three major gold metallogenic belts in the world-class Jiaodong gold province. However, its sources of ore-forming fluids is still hotly debated. The Fanjiazhuang deposit is a newly discovered gold deposit in this belt, and the study of its ore-forming fluid is relatively weak. Combined with the geological characteristics of the deposit, the fluid inclusions, hydrogen, and oxygen isotopic geochemistry were analyzed to understand the characteristics, origin, and evolution of the ore-forming fluids. The gold orebodies are mainly existed in Jurassic granites, in vein and lens shape, and are controlled obviously by fault structures. The hydrothermal mineralization of Fanjiazhuang deposit can be divided into 3 stages: Quartz-coarse pyrite (early metallogenic stage), quartz-Au polymetallic sulfide (major metallogenic stage), and quartz-carbonate (late metallogenic stage). The petrographic observation indicates that there are mainly two-phase aqueous and mono-phase liquid aqueous inclusions, with a few three-phase CO2-bearing inclusions. The micro-thermometry shows that the homogeneous temperature of the fluid inclusions in the early and major metallogenic stages is 167.2-297.5 ℃ and 168.4-253.6 ℃, salinity is 3.55%-22.65% and 2.58%-12.05%, and density is 0.77-1.06 g/cm3 and 0.84-1.02 g/cm3, respectively. All these features indicate the characteristics of middle-low temperature, middle-low salinity, and low density, a typical mesothermal gold deposit. The ore-forming pressure in the major metallogenic stage is estimated to be 45.8-68.7 MPa (average 52.8 MPa), and the corresponding ore-forming depth is 5.38-6.71 km (average 5.93 km), medium-shallow mineralization. The hydrogen and oxygen isotopic compositions of the ore-forming fluids show the δDH2O-SMOW value from -96.9‰ to -89.0‰ and the δ18OH2O-SMOW value from -4.3‰ to 4.5‰ in the early stage. The δDH2O-SMOW and δ18OH2O-SMOW values in the major metallogenic stage change from -90.7‰ to -85.3‰ and from -5.4‰ to -0.2‰, respectively. All these above suggest that the ore-forming fluid of Fanjiazhuang gold deposit was derived from the mixture of magmatic water and meteoric water, and the proportion of the latter increased with the evolution of the ore-forming fluid. Based on the geological and fluid inclusion features, Fanjiazhuang deposit should be a mesothermal gold deposit.
Key words: fluid inclusions    hydrogen and oxygen isotopes    mesothermal gold deposit    Fanjiazhuang gold deposit    Muping-Rushan metallogenic belt    

0 引言

牟平—乳山成矿带(简称“牟乳成矿带”)位于胶东地区东部,是胶东半岛金矿集区三大金成矿带之一[1-2]。前人对该成矿带进行了大量的生产及科研工作,发现了邓格庄、金青顶和英格庄等一系列大中型金矿床,并对带内的典型金矿床进行了深入的研究[3-7],但对金矿床的成矿流体来源仍存在着较大的分歧,主要有变质流体来源[8]、岩浆水来源[9]、大气降水来源[10-13]、地幔流体来源[11]、地壳流体和地幔流体混合来源[14-15]、岩浆水和大气降水混合来源[16-20]等不同观点。范家庄金矿床位于牟乳成矿带北段,是近年在该成矿带内新发现的金矿床。前人仅对该矿床的地质特征和找矿潜力进行了相关研究,认为该矿床具有良好的找矿潜力[21],但对该矿床成矿流体的物理化学条件、来源及演化等方面的研究存在明显不足,这在一定程度上限制了范家庄金矿床的成因类型研究及矿区的进一步找矿突破。本文在前人研究基础上,通过对范家庄金矿床不同成矿阶段石英脉开展详尽的流体包裹体显微测温以及H-O同位素分析,系统地研究了范家庄金矿床成矿流体的物理化学条件、来源及演化,并对该矿床的成因类型进行了初步探讨,以期为该矿区及邻区进一步的金矿找矿勘查工作提供一定的参考。

1 区域及矿床地质特征

范家庄金矿床处于华北板块与苏鲁造山带接触部位的牟乳成矿带北段[14],距烟台市牟平区城南约10 km(图 1a)。区域地层简单,前寒武纪变质岩(古元古界荆山群、粉子山群)在区域的中部及北部大面积出露,白垩系火山-碎屑岩主要分布于区域的西部,第四系松散沉积物沿沟谷低洼地带分布。区域内的岩浆岩主要分为两期:早期为侏罗纪花岗岩,以昆嵛山岩体和鹊山岩体为主要代表,其侵位年龄分别为161~142 Ma[25-27]和(161±2) Ma(项目组未发表数据);晚期主要为白垩纪花岗岩,以院格庄岩体(117~113 Ma)[28-29]和三佛山岩体(118~113 Ma)[25, 30]为主要代表。此外,区内还广泛发育各类燕山期脉岩[31-34],其与金矿成矿关系密切[14, 35]。区内构造以断裂为主,主要为NNE向的将军石断裂、昆嵛山断裂和NE向的牟平—即墨断裂(图 1a)。

a据文献[14, 22-24]修编。 图 1 胶东牟平—乳山地区地质矿产略图(a)及范家庄金矿床地质矿产图(b) Fig. 1 Geological sketch maps of the Muping-Rushan gold belt (a) and Fanjiazhuang gold deposit (b) in the Jiaodong Peninsula

矿区内出露地层主要有古元古界荆山群和第四系冲洪积物(图 1b)。古元古界荆山群主要以残留体形式产出于矿区的西南角和东南角,岩性以灰色、灰绿色黑云斜长片麻岩为主。矿区内广泛发育侏罗纪弱片麻状黑云母二长花岗岩,出露面积约占全区80%,为矿区主要容矿围岩。矿区内出露的脉岩以煌斑岩脉为主,其主体走向为NNE、NE向,产出位置主要受断裂控制。区内构造十分发育,且以断裂构造为主,其走向多为NNE、NE向,倾角65°~85°,延伸长度为0.5~5.0 km,多为压扭性断层,控制着区内矿化蚀变带及矿体的展布(图 1b)。

矿区内共发现矿化蚀变带12条,均受NNE或NE向断裂控制,延伸长度160~1 000 m,宽0~4 m,走向NNE—NE,倾角75°~80°。带内共圈出7条金矿体,矿体总体走向为NNE、NE向,倾角一般大于65°,呈脉状、透镜状产出,具“尖灭再现”特征(图 1b)。其中,Ⅵ-1号矿体是已发现的规模最大的矿体,呈脉状产出(图 2),倾向125°,倾角69°~85°,矿体最大真厚度1.6 m,平均为1.3 m,最大金品位16.0 g/t,平均品位5.5 g/t。

图 2 范家庄金矿床重要勘探线剖面图 Fig. 2 Major prospecting lines of the Fanjiazhuang gold deposit

范家庄金矿床矿石内的金属矿物主要为黄铁矿,少量闪锌矿、自然金、银金矿等,非金属矿物以石英、绢云母及碳酸盐矿物为主。矿石构造多为脉状、浸染状(图 3ab),可见由石英充填晶洞形成的晶洞/晶簇构造(图 3cd);结构以自形—半自形粒状结构为主(图 3efg),其次为他形粒状结构、交代残余结构(图 3hi)。矿体伴生的主要蚀变为硅化、绢云母化、黄铁矿化、绿泥石化、绿帘石化及碳酸盐化等。

a.石英-粗粒黄铁矿脉(Ⅰ阶段); b.石英-金-多金属硫化物脉(Ⅱ阶段)穿插早期石英-粗粒黄铁矿脉(Ⅰ阶段),Ⅱ阶段硫化物呈稠密浸染状; c.石英晶洞,石英呈晶簇状; d.石英呈晶洞构造; e.方解石脉(Ⅲ阶段)穿插早期石英-金-多金属硫化物脉; f.细粒黄铁矿与粗粒黄铁矿; g.细粒黄铁矿内的包体金; h.他形粒状闪锌矿穿插细粒黄铁矿; i.细粒黄铁矿内的他形石英与闪锌矿。 图 3 范家庄金矿床矿石手标本及镜下照片 Fig. 3 Photos of hand specimens and microscopic photographs of ores from the Fanjiazhuang gold deposit

根据矿区矿脉穿插关系、矿石的结构构造特征、矿物组合特征,将范家庄金矿床的成矿作用划分为热液成矿期和表生风化淋滤富集期。其中,热液成矿期是区内的主要成矿期,又可进一步划分为3个成矿阶段:

1) 石英-粗粒黄铁矿阶段(Ⅰ阶段,图 3a)。成矿早阶段,标志性矿物组合为石英+黄铁矿。该阶段的石英呈灰白色,他形粒状,粒度较大,常呈致密块状、大脉状产出;石英中的硫化物则类型较为单一,以粗粒自形黄铁矿为主。该阶段的金品位较低。

2) 石英-金-多金属硫化物阶段(Ⅱ阶段,图 3b)。主成矿阶段,该阶段石英呈烟灰色,粒度较细,多为脉状-网脉状产出。石英中可见黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿等金属硫化物呈浸染状产出,黄铁矿多呈细粒半自形粒状结构(图 3g),闪锌矿、黄铜矿则以他形粒状结构为主(图 3hi)。自然金、银金矿可包裹于黄铁矿中呈包体金产出(图 3g),或分布于黄铁矿等硫化物颗粒间呈粒间金形式产出。

3) 石英-碳酸盐阶段(Ⅲ阶段,图 3e)。成矿晚阶段,发育方解石脉,多呈细脉状穿插早期形成的石英-金-多金属硫化物脉。脉中基本不含硫化物,偶见少量黄铁矿,金品位较低。

2 样品采集和测试分析方法

本次研究主要对范家庄金矿床Ⅰ-1、Ⅵ-1号金矿体内矿化石英脉或石英硫化物脉开展流体包裹体显微测温及流体H-O同位素研究,所有样品均采自该矿床的含矿钻孔,包括不同成矿阶段的岩心样品共计11件。采样位置和样品特征见图 12表 1

表 1 范家庄金矿床样品主要特征表 Table 1 Major characteristics of the samples in Fanjiazhuang gold deposit
样品编号 定名 主要矿物组合 采样位置 成矿阶段
FJZ-1 石英-粗粒黄铁矿 石英、黄铁矿等 ZK6082孔313.4 m Ⅰ阶段
FJZ-5-2 石英-粗粒黄铁矿 石英、黄铁矿、钾长石等 ZK2371孔95.9 m
FJZ-6-2 石英-粗粒黄铁矿 石英、黄铁矿、钾长石等 ZK2371孔55.9 m
FJZ-6-3 石英-粗粒黄铁矿 石英、黄铁矿、钾长石等 ZK2371孔76.3 m
FJZ-6-4 石英-粗粒黄铁矿 石英、黄铁矿、钾长石等 ZK2371孔93.0 m
FJZ-7-1 石英-粗粒黄铁矿 石英、黄铁矿等 ZK6051孔69.5 m
FJZ-7-2 石英-粗粒黄铁矿 石英、黄铁矿等 ZK6051孔67.5 m
FJZ-8-2 石英-粗粒黄铁矿 石英、黄铁矿等 ZK2111孔86.8 m
FJZ-3 石英-金-多金属硫化物 石英、黄铁矿、闪锌矿等 ZK6041孔85.9 m Ⅱ阶段
FJZ-4 石英-金-多金属硫化物 石英、黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿等 ZK6051孔68.3 m
FJZ-8-3 石英-金-多金属硫化物 石英、黄铁矿、闪锌矿等 ZK2111孔88.0 m

流体包裹体的显微测试研究工作在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室进行。将样品磨成两面抛光的薄片(0.1~0.3 mm),先进行流体包裹体岩相学观察,在高倍镜(50、100倍)透射光下观察包裹体的类型与组合。流体包裹体的显微测温所用仪器为英国Linkam公司生产的THMS600型冷热台(测温范围为-196~600 ℃,分析精度为:± 0.2 ℃,< 30 ℃;±1 ℃,≥30 ℃且 < 300 ℃;±2 ℃,≥300 ℃且 < 600 ℃)。流体包裹体显微测温过程中,开始时加热/冷冻速率为10.0~20.0 ℃/min,相变点附近速率降低至0.3~1.0 ℃/min。然后利用测温结果计算流体的盐度和密度,盐度采用Bodnar[36]提出的H2O-NaCl体系盐度-冰点公式计算,密度采用刘斌等[37]密度计算公式计算。再利用流体的均一温度和盐度来估算范家庄金矿床的成矿压力与成矿深度,其中:压力估算采用邵洁涟等[38]计算成矿压力的经验公式p1=p0T1/T0(p0=219+2620NT0=374+920Np1为成矿压力(105Pa),p0为初始压力(105Pa),T1为均一温度(℃),T0为初始温度(℃),N为流体盐度(%));成矿深度采用孙丰月等[39]据断裂带流体垂直分带模式[40]拟合的热液脉型金矿成矿深度计算公式1)H=p/10(p < 40 MPa),2)H=0.0868/(1/p+0.00388)+2(40≤p < 220 MPa),3)H=11+e(p-221.95)/79.075(220<p≤370 MPa),4)H=0.0331385p+4.19898(370 MPa < p)(式中,H为成矿深度(km),p为成矿压力(MPa))。

石英中H-O同位素分析在核工业北京地质研究院稳定同位素实验室完成,所用仪器为Finnigan MAT253型质谱仪,采用的国际标准为SMOW,δDH2O-SMOWδ18O石英-SMOW的分析精度分别为±2‰、±0.2‰。用于测试的样品首先经破碎后筛选出40~60目的矿物颗粒,再在双目镜下挑选出5~10 mg纯度大于99%的单矿物样品,H同位素分析样品直接送实验室,O同位素分析样品利用玛瑙研钵磨制成200目粉末后再送实验室。石英流体包裹体的H同位素分析方法为热爆裂法[41],石英的O同位素分析采用常规BrF5[42]。本文根据石英中流体包裹体均一温度平均值和矿物-水的O同位素方程来计算流体δ18OH2O-SMOW值,石英与水之间的O同位素分馏公式为δ18O石英-SMOW-δ18OH2O-SMOW =1000ln α=3.38×106/T2-3.4[43](其中,α为石英与水之间的O同位素分馏系数,T(绝对温度)为本次测温所获得各样品中流体包裹体均一温度的平均值)。

3 分析结果 3.1 流体包裹体岩相学特征

本文主要选取钻孔中的矿石样品来研究范家庄金矿床的成矿流体特征,岩相学研究表明,样品中的流体包裹体以原生或假次生包裹体为主,常成群、零星或孤立状出现于石英颗粒中(图 4abcd),少量沿石英颗粒的晶内裂隙分布(图 4e)。包裹体总体较为发育,类型以纯液相水溶液包裹体和气液两相包裹体为主,但粒径普遍较小。依据室温下包裹体的物理相态和化学组成,将样品中的原生包裹体分为3类(图 4):

a.石英中呈群状分布的流体包裹体; b、c、d.石英中的气液两相包裹体和纯液相水溶液包裹体; e.石英中呈线状分布的假次生包裹体; f.石英中少量含CO2的三相包裹体。 图 4 范家庄金矿床石英中流体包裹体显微照片 Fig. 4 Photos of fluid inclusions in Fanjiazhuang gold deposit

1) 纯液相水溶液包裹体(L型)。在矿床的3个成矿阶段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段)均有分布,其形态为椭圆形或圆形,在室温下只有单一的水溶液相(图 4be),不出现气相,大小为2~4 μm。此类包裹体呈群状或线状分布(图 4e)。

2) 气液两相包裹体(L+V型)。主要见于成矿的Ⅰ、Ⅱ阶段,形态为椭圆形、长条形、负晶形及不规则形等,大小介于4~18 μm之间,由盐水溶液和气泡组成,气液比变化较大,介于5%~50%之间(图 4bd)。此类包裹体多呈群状、孤立状或线状分布(图 4bde)。

3) 含CO2三相包裹体。见于成矿的Ⅰ、Ⅱ阶段,形态为长条形、近三角形等,大小多为4~8 μm,少数可达20 μm以上。该类包裹体室温下呈三相(气相CO2+液相CO2+液相),其CO2相的体积分数多为15%~30%(图 4f),多呈孤立状分布。该类包裹体含量较少。

3.2 流体包裹体显微测温结果

由于样品中含CO2的三相包裹体含量较少,且普遍偏小,固相CO2的熔化温度、笼合物融化温度均不易测准,故本文没有对其进行显微测温工作,仅针对L+V型包裹体进行显微测温研究。本文最终完成了11件流体包裹体样品共153个包裹体的显微测温(其中Ⅰ阶段样品8件,包含包裹体113个;Ⅱ阶段样品3件,包含包裹体40个;Ⅲ阶段的原生流体包裹体均极小(< 3 μm),且以纯液相包裹体为主,本次实验没有测得可靠的均一温度),获得了范家庄金矿床Ⅰ阶段和Ⅱ阶段矿石中成矿流体包裹体的均一温度、盐度、密度等参数(表 2图 5)。

表 2 范家庄金矿床流体包裹体显微测温结果 Table 2 Microthermometric result of fluid inclusions in Fanjiazhuang gold deposit
成矿
阶段
样品号
矿物
类型 包裹
体数
长轴长
度/μm
气液
比/%
冰点
温度/℃
均一
温度/℃
溶液
w(NaCl)/%
溶液密度/
(g/cm3)
成矿
压力/MPa
Ⅰ阶段 FJZ-1 石英 L-V 14 4~8 15~40 -5.6~-3.1 186.3~281.6 5.11~8.68 0.81~0.94 50.9~77.3
FJZ-5-2 石英 L-V 12 4~8 15~25 -7.1~-4.6 202.4~263.7 7.31~10.61 0.85~0.93 55.4~72.3
FJZ-6-2 石英 L-V 17 4~18 15~30 -20.4~-2.2 174.5~284.8 3.71~22.65 0.79~1.06 49.0~78.8
FJZ-6-3 石英 L-V 15 4~12 15~40 -17.2~-3.5 199.7~297.5 5.71~20.37 0.77~1.02 54.1~80.4
FJZ-6-4 石英 L-V 12 4~8 15~30 -13.7~-2.9 167.2~274.8 4.80~17.52 0.83~1.03 46.8~75.5
FJZ-7-1 石英 L-V 25 4~10 15~40 -8.7~-2.9 180.3~263.6 4.80~12.51 0.82~0.96 49.6~70.8
FJZ-7-2 石英 L-V 9 4~10 20~30 -3.2~-2.1 209.4~275.3 3.55~5.26 0.79~0.88 54.8~73.2
FJZ-8-2 石英 L-V 9 4~10 15~50 -7.9~-4.2 201.4~251.3 6.74~11.58 0.86~0.92 55.1~68.6
Ⅱ阶段 FJZ-3 石英 L-V 13 4~10 15~30 -8.2~-2.8 168.4~253.6 4.65~11.93 0.84~0.97 45.8~68.7
FJZ-4 石英 L-V 18 4~10 20~25 -18.3~-4.2 179.4~208.7 6.74~21.19 0.92~1.02 49.2~58.5
FJZ-8-3 石英 L-V 9 4~18 15~30 -8.3~-1.5 170.2~224.4 2.58~12.05 0.88~0.95 46.4~62.2
a、c、e为石英-粗粒黄铁矿阶段成矿流体均一温度、盐度、密度直方图;b、d、f为石英-金-多金属硫化物阶段成矿流体均一温度、盐度、密度直方图。 图 5 范家庄金矿床成矿流体部分参数直方图 Fig. 5 Histograms of some parameters for ore-forming fluids in Fanjiazhuang gold deposit

1) 均一温度:石英-粗粒黄铁矿阶段(Ⅰ阶段)包裹体的均一温度范围为167.2~297.5 ℃,平均为227.3 ℃,呈单峰式分布(图 5a),峰值集中于200~240 ℃;石英-金-多金属硫化物阶段(Ⅱ阶段)包裹体的均一温度范围为168.4~253.6 ℃,平均为193.6 ℃,呈单峰式分布(图 5b),峰值集中于170~200 ℃。

2) 盐度:石英-粗粒黄铁矿阶段(Ⅰ阶段)包裹体的盐度范围为3.55%~22.65%,平均为9.07%,呈双峰式分布(图 5c),峰值分别集中于6%~9%和21%~23%;石英-金-多金属硫化物阶段(Ⅱ阶段)包裹体的盐度范围主要为2.58%~12.05%,平均为7.87%,呈单峰式分布(图 5d),峰值集中于6%~7%。

3) 密度:石英-粗粒黄铁矿阶段(Ⅰ阶段)包裹体的密度范围为0.77~1.06 g/cm3,平均为0.90 g/cm3,呈单峰式分布(图 5e),峰值集中于0.86~0.94 g/cm3;石英-金-多金属硫化物阶段(Ⅱ阶段)包裹体的密度范围为0.84~1.02 g/cm3,平均为0.93 g/cm3,呈单峰式分布(图 5f),峰值集中于0.92~0.96 g/cm3

4) 成矿压力与深度:石英-粗粒黄铁矿阶段(Ⅰ阶段)的成矿压力为46.8~80.4 MPa,平均为62.1 MPa;石英-金-多金属硫化物阶段(Ⅱ阶段)的成矿压力为45.8~68.7 MPa,平均为52.8 MPa。故范家庄金矿床的成矿压力均位于40~220 Ma之间,因此采用公式H=0.0868/(1/p+0.00388)+2(40≤p < 220 MPa)[39]来进行范家庄金矿床的成矿深度估算。计算得出:Ⅰ阶段的成矿深度为5.44~ 7.32 km,平均为6.32 km;Ⅱ阶段成矿深度为5.38~6.71 km,平均为5.93 km。

3.3 H-O同位素分析结果

10件矿化石英样品(7件为石英-粗粒黄铁矿阶段(Ⅰ阶段)矿石,3件为石英-金-多金属硫化物阶段(Ⅱ阶段)矿石)的H-O同位素分析结果见表 3。测试获得Ⅰ阶段石英的δDH2O-SMOW值变化于-96.9‰~-89.0‰,平均为-93.9‰;δ18O石英-SMOW值介于6.3‰~13.6‰,据此计算获得与之平衡流体的δ18OH2O-SMOW值为-4.3‰~4.5‰,平均为-0.3‰。Ⅱ阶段石英的δDH2O-SMOW值变化于-90.7‰~-85.3‰,平均为-88.4‰;δ18O石英-SMOW值介于7.0‰~11.9‰,据此计算获得与之平衡流体的δ18OH2O-SMOW值为-5.4‰~-0.2‰,平均为-2.0‰。

表 3 范家庄金矿床及牟乳成矿带其他典型金矿床H-O同位素组成 Table 3 Statistic results of hydrogen and oxgen isotopic from Fanjiazhuang and other gold deposits in Muping-Rushan gold belt
矿区 成矿阶段 样品号 测试样品 δDH2O-SMOW/‰ δ18O石英-SMOW/‰ δ18OH2O-SMOW/‰ 均一温度/℃ 数据来源
范家庄 Ⅰ阶段 FJZ-1 石英 -93.3 10.2 0.4 231.9 本文
FJZ-5-2 石英 -94.0 6.7 -3.7 222.2
FJZ-6-2 石英 -92.5 6.3 -4.3 217.7
FJZ-6-3 石英 -96.9 9.5 -0.2 235.0
FJZ-6-4 石英 -95.8 8.7 -1.7 221.9
FJZ-7-1 石英 -89.0 13.2 2.7 220.5
FJZ-7-2 石英 -96.0 13.6 4.5 247.6
Ⅱ阶段 FJZ-3 石英 -85.3 7.0 -5.4 189.6
FJZ-4 石英 -89.2 11.9 -0.2 193.9
FJZ-8-3 石英 -90.7 11.3 -0.5 198.6
蓬家夼 石英 -89.5 4.0 文献[16]
石英 -89.9 0.6
石英 -92.0 0.9
石英 -97.9 0.6
石英 -96.6 1.0
BPC-1 石英 -97.9 6.2 -0.7 300.0 文献[11]
BPC-2 石英 -89.9 6.9 -0.2 250.0
BPC-3 石英 -96.6 8.7 -2.0 250.0
BPC-4 石英 -92.0 7.8 -3.7 200.0
英格庄 TW-01 石英 -82.0 8.6 -3.0 201.0 文献[18]
TW-02 石英 -82.0 10.8 0.8 228.0
YGZS-75-1 石英 -72.6 10.6 -8.0 200.0 文献[17]
YZG-40-N10 石英 -92.6 11.3 -1.0 240.0
YZG-115-N21 石英 -80.3 11.4 -0.9 240.0
金青顶/
乳山
石英 -119.0 6.8 -4.1 文献[12]
石英 -99.0 7.8 -3.1
Ⅰ阶段 石英 -78.0 12.1 4.4 280.0 文献[13]
石英 -75.0 11.2 3.6 280.0
石英 -96.0 12.8 5.2 280.0
石英 -85.0 13.6 6.0 280.0
石英 -71.0 11.2 3.5 280.0
Ⅱ阶段 石英 -116.0 10.7 1.7 250.0
石英 -100.0 11.0 2.1 250.0
石英 -110.0 9.9 0.9 250.0
石英 -105.0 9.8 0.8 250.0
石英 -92.0 11.0 2.0 250.0
石英 -100.0 9.0 0.1 250.0
Ⅲ阶段 石英 -120.0 7.1 -7.1 165.0
石英 -128.0 6.5 -7.7 165.0
石英 -115.0 8.4 -5.9 165.0
石英 -105.0 7.5 -6.8 165.0
石英 -110.0 8.0 -6.2 165.0
金青顶/
乳山
石英 -72.0 10.1 2.9 300.0 文献[19]
石英 -63.1 10.7 2.2 265.0
石英 -63.1 8.9 0.5 265.0
285-N2 石英 -83.1 12.6 6.9 320.0 文献[44]
785-SB1 石英 -84.7 13.8 8.1 320.0
635-S1 石英 -80.6 11.7 4.1 290.0
785-N9 石英 -69.2 11.9 4.3 290.0
685-N17 石英 -68.7 12.2 -0.1 240.0
735-N1 石英 -73.1 12.0 1.9 260.0
邓格庄 石英 -71.3 2.7 文献[45]
石英 -82.6 3.7
石英 -83.2 7.0 文献[46]
石英 -74.5 6.0
石英 -83.2 14.6 7.0 280.0 文献[19]
石英 -83.0 5.3 文献[10]
郭城—辽上 SQ3 石英 -73.0 6.0 0.6 345.0 文献[23]
DQ1 石英 -83.0 9.9 3.7 320.0
DQ2 石英 -82.0 9.7 3.5 320.0
DQ4 石英 -86.0 10.7 3.8 300.0
LQ1 石英 -69.0 8.3 1.9 315.0
LQ2 石英 -74.0 14.8 7.7 295.0

表 3可知,范家庄金矿床的H-O同位素组成与蓬家夼金矿、英格庄金矿、金青顶(乳山)金矿成矿Ⅱ阶段具有较高的相似性,而与邓格庄金矿、郭城—辽上金矿之间的差异较大。

4 讨论 4.1 成矿物理化学条件

本文对范家庄金矿床的流体包裹体研究表明,各阶段的流体包裹体类型较为单一,以纯液相水溶液包裹体和气液两相包裹体为主。从流体包裹体所有显微测温数据来看,范家庄金矿床石英中流体包裹体的均一温度范围为167.2~297.5 ℃,盐度大多为6%~10%,密度集中于0.86~0.96 g/cm3,表明成矿流体属于中低温、中低盐度、低密度流体。

由石英中流体包裹体的均一温度和盐度估算出范家庄金矿床早阶段(Ⅰ阶段)的成矿压力为46.8~80.4 MPa(平均为62.1 MPa),主成矿阶段(Ⅱ阶段)的成矿压力为45.8~68.7 MPa(平均为52.8 MPa),整体有下降的趋势。成矿深度估算一直是地质学界存在较大争议的问题。孙丰月等[39]将Sibson等[40]的断裂带流体垂直分带模式引入到热液脉型金矿成矿深度的计算中,并分段拟合了深度与压力的估算公式。范家庄金矿为典型的石英脉型金矿,适合采用该估算公式来计算成矿深度。公式估算得到成矿早阶段的成矿深度为5.44~7.32 km(平均为6.32 km),主成矿阶段的成矿深度为5.38~6.71 km(平均为5.93 km),反映出中浅成成矿作用的特点,这与范家庄金矿矿石中可见晶洞/晶簇构造(图 3cd)的地质事实相符。通过矿床的成矿深度与赋矿围岩的剥蚀深度进行对比分析,能更好地反映成矿深度估算的合理性。前人对牟乳成矿带内的金矿床进行年代学研究,认为各金矿床的成矿时代为120~117 Ma[44, 47-48],而矿区暂没开展过年代学研究,与金矿伴生的煌斑岩脉的年龄约为118 Ma(项目组未发表数据),故推测范家庄金矿的成矿年龄约为120 Ma。范家庄金矿矿体的围岩主要为侏罗纪的二长花岗岩,其剥蚀深度不能代表成矿后的剥蚀深度,只有与成矿时间相近的岩体的剥蚀深度才能代表成矿后矿区的剥蚀深度。前人对牟乳成矿带内的三佛山岩体(118~113 Ma)[25, 30]开展磷灰石、锆石裂变径迹和绿帘石压力计法研究,得出其剥蚀深度为3.5~6.0 km[49-50],这与本文估算的成矿深度大体相当,表明范家庄金矿床的矿体可能刚刚剥蚀出地表,具有较好的保存条件。另外,从成矿早阶段到晚阶段,成矿压力与成矿深度均有变小的趋势,这可能与早白垩世(140~110 Ma)西太平洋板块俯冲引起的胶东半岛地壳隆起有关,推测范家庄金矿床形成于隆起的晚期[50]

4.2 成矿流体来源及演化

H-O同位素研究显示,范家庄金矿床成矿流体的H、O同位素组成变化范围较大,其δDH2O-SMOW值变化于-96.9‰~-85.3‰之间,δ18OH2O-SMOW值介于-5.4‰~4.5‰,说明可能存在流体混合。在范家庄金矿床成矿流体δDH2O-SMOW-δ18OH2O-SMOW相关关系图解(图 6a)中,样品点均位于原生岩浆水的左下方,并明显向大气降水线漂移,表明成矿流体中有古大气降水的混入。对白垩纪岩体岩浆水和古大气降水之间的混合进行简单线性模拟(图 6a)可知,范家庄金矿床的样品点基本位于混合线上及附近,表明范家庄金矿床的成矿流体来源于岩浆水和大气降水的混合,且大气降水的混入比例为20%~60%。通过与牟乳成矿带及邻区典型金矿床进行对比(表 3图 6a),可以发现,范家庄金矿床与成矿流体来源于岩浆水与大气降水混合的蓬家夼金矿、英格庄金矿[11, 16-18]的H、O同位素组成具有相似性,而与成矿流体以岩浆水为主的邓格庄金矿[10, 19, 44-45]、郭城—辽上金矿[23]之间的差异较大。这进一步表明范家庄金矿床的成矿流体来源于岩浆水和大气降水的混合。

图 6 范家庄金矿床成矿流体δDH2O-SMOW-δ18OH2O-SMOW相关关系(a)及均一温度与盐度关系图解(b) Fig. 6 Plots of δDH2O-SMOW vs. δ18OH2O-SMOW (a) and homogenization temperature-salinity (b) for ore-forming fluids of Fanjiazhuang gold deposit

在均一温度、盐度直方图(图 5a—d)上,范家庄金矿床不同成矿阶段的流体包裹体呈现出不同的特点:Ⅰ阶段流体包裹体的均一温度和盐度较高,均一温度峰值为200~240 ℃,盐度峰值为6%~9%和21%~23%;Ⅱ阶段流体包裹体的均一温度峰值为170~200 ℃,盐度峰值为6%~7%。总体来看,从Ⅰ阶段到Ⅱ阶段,随着成矿流体的演化,流体的温度和盐度均存在着下降的趋势(图 6b)。这些特征与H-O同位素研究结果一致,在Ⅰ阶段,范家庄金矿床的数据点大多偏离原生岩浆水或白垩纪岩体岩浆水,但仍有少量点靠近于邓格庄金矿和郭城—辽上金矿,显示出成矿早阶段的成矿流体来源于岩浆水与大气降水的混合,混合比例为20%~55%(图 6a);而到Ⅱ阶段,数据点整体更偏向于大气降水,混合比例可达60%,表明主成矿阶段的成矿流体仍来源于岩浆水与大气降水的混合,且大气降水的混入比例有所增加。

另外值得注意的是,Ⅰ阶段包裹体的盐度呈双峰式分布,存在着低盐度到高盐度的变化,但它们的均一温度大致相同(图 6b),这可能与流体沸腾作用有关[52]。这一结论与不同气液比的流体包裹体共存这一流体包裹体岩相学特征相吻合(图 4bd),且流体沸腾可能是造成金沉淀的重要机制。

岩浆水和变质水范围据文献[51],古大气降水数据引自文献[10],白垩纪岩体岩浆水数据引自文献[12, 15],白垩纪花岗岩数据引自文献[23]。

流体包裹体显微测温及H-O同位素研究综合表明,范家庄金矿床的成矿流体来源于岩浆水与大气降水的混合,随着成矿流体的演化,大气降水的混入比例增加,且在演化过程中,成矿流体可能发生了沸腾作用,导致金及硫化物等的大量卸载与沉淀。这与牟乳成矿带内金青顶(乳山)金矿的成矿流体具有较高相似性,其从成矿早期到成矿晚期,大气降水的混合比例不断增加,到成矿晚期甚至主要来源于大气降水(图 6a)。

4.3 矿床成因类型初探

前已述及,范家庄金矿床的流体包裹体以气液两相包裹体和纯液相水溶液包裹体为主,其成矿流体具有中低温(167.2~297.5 ℃)、中低盐度(大多为6%~10%)、低密度(集中于0.86~0.96 g/cm3)的特点,其成矿深度为5.38~7.32 km。这些特征与典型的浅成低温热液金矿床的特征(成矿温度 < 150或200 ℃,成矿深度 < 1 km)存在较大差异[53],亦不同于岩控高温热液型矿床高温、富CO2的流体特征[54-55],而应属于中温热液成矿系统。

目前,部分学者认为胶东的金矿床均属于造山型金矿床,是与华北陆块和扬子陆块碰撞之后的伸展作用有关的造山型金矿[56],或者为侏罗纪—白垩纪时期古太平洋板块俯冲(增生)过程中形成的造山型金矿[57]。但从成矿构造背景、矿化类型及成矿流体等方面对造山型金矿与范家庄金矿进行对比,发现存在着以下几点难以解释的问题:1)在早白垩世,华北克拉通处于强烈的伸展构造背景[58],这与造山型金矿床的长期挤压构造环境[59]不同;2)造山型金矿热液碳酸盐的沉淀可从成矿早期一直持续到成矿晚期阶段,石英-碳酸盐脉型金矿化是其重要特征之一[58],但范家庄金矿仅在成矿晚期(Ⅲ阶段)才出现少量热液碳酸盐沉淀,与造山型金矿明显不同;3)范家庄金矿床的流体包裹体以气液两相和纯液相水溶液包裹体为主,这与造山型金矿富含CO2水溶液包裹体[59]的特征不符;4)造山型金矿的成矿流体与区域变质过程的脱挥发分作用相关,为一变质流体[58],这与范家庄金矿床的成矿流体来源明显不同(图 6a)。

考虑到范家庄金矿床的矿体呈脉状、透镜状产出,矿石结构多为脉状、浸染状,其成矿流体具有中低温、岩浆水与大气降水混合来源的特征,笔者认为范家庄金矿应属于中温热液脉型金矿床。这一结论与范家庄金矿床为中浅成成矿的特征相符。另外,范家庄金矿床矿体伴生的主要蚀变为硅化、绢云母化、黄铁矿化、绿泥石化、绿帘石化及碳酸盐化等,也属于中(低)温蚀变组合。综合野外地质特征及成矿流体特征,认为范家庄金矿床属于中温热液脉型金矿床。

5 结论

1) 范家庄金矿床的流体包裹体以气液两相包裹体和纯液相水溶液包裹体为主,其均一温度为167.2~ 297.5 ℃,盐度大多为6%~10%,密度集中于0.86~ 0.96 g/cm3,具有中低温、中低盐度、低密度的特征,与中温热液成矿系统流体特征相一致。

2) H-O同位素研究表明,范家庄金矿床的成矿流体来源于岩浆水与大气降水的混合,随着成矿流体的演化,大气降水的混入比例增加。

3) 矿床地质特征、流体包裹体及稳定同位素特征综合表明范家庄金矿床为中温热液脉型金矿床。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180339
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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文章信息

王勇军, 刘颜, 黄鑫, 徐昌, 沈立军, 张业智, 张兆民
Wang Yongjun, Liu Yan, Huang Xin, Xu Chang, Shen Lijun, Zhang Yezhi, Zhang Zhaomin
胶东牟乳成矿带范家庄金矿床成矿流体特征及其地质意义
Characteristics of Ore-Forming Fluids and Geological Significance of Fanjiazhuang Gold Deposit in Muping-Rushan Metallogenic Belt, Jiaodong Peninsula
吉林大学学报(地球科学版), 2020, 50(4): 1012-1028
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2020, 50(4): 1012-1028.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180339

文章历史

收稿日期: 2018-12-21

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