岩石学报  2016, Vol. 32 Issue (11): 3343-3359   PDF    
黔西南泥堡金矿围岩与矿石的对比及其成矿机制研究
韦东田1,2, 夏勇1, 谭亲平3, 谢卓君1,2, 闫俊4, 郭海燕1,2, 刘建中5     
1. 中国科学院地球化学研究所, 矿床地球化学国家重点实验室, 贵阳 55000 ;
2. 中国科学院大学, 北京 100049 ;
3. 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 廊坊 065000 ;
4. 贵州理工学院, 贵阳 550003 ;
5. 贵州省地质矿产勘查开发局105地质大队, 贵阳 550018
摘要: 泥堡金矿的矿体主要赋存在构造蚀变体及逆冲断层破碎带中,受地层和断裂的双重控制。本文在岩相学研究的基础上应用X射线粉晶衍射分析(XRD)结合电子探针分析(EMPA)确定和量化了围岩和矿石的蚀变矿物及载金砷黄铁矿,对比了围岩和矿石的特点,并利用主微量元素分析矿化过程中围岩与矿石之间的元素带入带出通量,探讨了泥堡金矿蚀变矿物与成矿的关系及成矿机制问题。分析结果表明,黄铁矿(主要的载金矿物)与石英呈负相关,与伊利石呈正相关;矿石发生了去碳酸盐化作用,矿石中的黄铁矿大多具有环带结构,部分围岩也发生了去碳酸盐化作用,而围岩中的黄铁矿一般不具有环带结构;Au明显加入到构造蚀变体的矿石中,而CaO、MgO、S、Ba、Be等从其围岩中带出;Au、Sc、As和Fe2O3明显加入到逆冲断层破碎的矿石中,SiO2、CaO、Sr、W、Be等则显示从其围岩中带出。综合分析认为,去碳酸盐化和硫化作用是泥堡金矿的主要成矿机制。在矿化前,去碳酸盐化作用为成矿提供了有利的环境;在成矿过程中,矿化通过硫化作用形成了黄铁矿的载金含砷边缘。
关键词: 卡林型金矿     蚀变矿物     成矿机制     泥堡     贵州    
Comparative study of the wallrock and ore and ore forming mechanisms at the Nibao gold deposit, Guizhou, China
WEI DongTian1,2, XIA Yong1, TAN QinPing3, XIE ZhuoJun1,2, YAN Jun4, GUO HaiYan1,2, LIU JianZhong5     
1. State Key Laboratory of Ore Deposit Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 55000 ;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China ;
3. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, China ;
4. Guizhou Institute of Technology, Guiyang 550003, China ;
5. Geological Party 105, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Guiyang 550018, China
Abstract: The majority of the orebodies at the Nibao gold deposit are controlled by a reverse fault and an unconformity between the Middle Permian and Upper Permian stratigraphic units. In this paper, based on petrographic study, X-ray diffraction (XRD) analysis and microprobe analysis (EMPA) were integrated to identify and quantify the altered minerals and gold bearing arsenian pyrite, make a comparative study of the characteristics between the wallrock and the ore. Major and trace element analyses were used to determine the element fluxes during mineralization. The main objective of this paper is to understand the relationship between altered minerals and the ore forming, and the ore-forming mechanisms at the Nibao gold deposit. The results indicate that pyrite shows a negative correlation with quartz and a positive correlation with illite. Ore samples have undergone decarbonation, and pyrite in the ore samples generally shows core-rim texture. A part of wallrock samples also have undergone decarbonation, but pyrite in the wallrock samples does not show core-rim texture. Au was added to the ore, while CaO, MgO, S, Ba and Be were removed from the wallrock in the uncomformity. In the reverse fault, Au, Sc, As and Fe2O3 were added to the ore while SiO2, CaO, Sr, W and Be show the characteristics of being removed from the wallrock. The integrated results suggest that decarbonation and sulfidation are the main ore forming mechanisms at the Nibao gold deposit. Before mineralization, decarbonation provides favor environment for ore forming. During the ore forming process, minerlization through sulfidation to form gold bearing arsenian rims on pyrite.
Key words: Carlin-type gold deposit     Altered minerals     Ore forming mechanism     Nibao     Guizhou    
1 引言

美国内华达州和中国西南地区的卡林型金矿都以典型钙质沉积岩的去碳酸盐化、粘土化、硫化和硅化为特征(Cline and Hofstra, 2000; Hu et al., 2002; Yigit and Hofstra, 2003; Peters et al., 2007; Su et al., 2008, 2009a, bCline et al., 2013),其构造背景、控矿地质因素、热液蚀变和矿物组合等同样具有相似性(Zhang et al., 2003)。卡林型金矿已经成为美国最重要的金矿类型(Muntean et al., 2011; Lubben et al., 2012),但是在中国的金矿产出中仅占一小部分比例(Su et al., 2012; Tan et al., 2015)。

目前,关于美国内华达卡林型金矿的研究已经涉及很多方面,包括矿物共生、构造变形事件、地球化学研究、蚀变研究、金的沉淀过程、成矿时代等(Arehart et al., 1993; Simon et al., 1999; Peters, 2004; Emsbo et al., 2006; Muntean et al., 2007; Barker et al., 2009; Hickey et al., 2014a, b)。不移动等值线图(Grant, 1986)被成功应用于研究蚀变和矿化过程中元素的带入带出,揭示了Hg、Sb、Se、Tl和Cs明显的随着Au加入到矿化岩石中(Cail and Cline, 2001)。元素通量研究表明了硫化和去碳酸盐化是内华达卡林型金矿的主要成矿机制(Cail and Cline, 2001; Kesler et al., 2003)。对蚀变矿物与成矿关系的量化表明了伊利石与Au呈正相关(Cail and Cline, 2001),黄铁矿与Tl也呈正相关(De Almeida et al., 2010)。

而中国西南贵州卡林型金矿,也有很多学者进行了研究(Ashley et al., 1991; 胡瑞忠等,1995Zhu and Hu, 2000; Hu et al., 2002; Wang et al., 2003; Zhang et al., 2003; Peters et al., 2007; Su et al., 2008, 2009a, b; Zhang et al., 2010; Chen et al., 2011; Hu and Zhou, 2012; Wang et al., 2013; Tan et al., 2015)。应用不移动等值线对水银洞金矿的研究表明了Au、As、Sb、Hg、Tl和S显著的加入到矿石中,Fe2O3和SiO2在生物碎屑灰岩主矿体中表现为不移动,CaO、Na2O、Sr和Li从围岩中被带出(Tan et al., 2015)。矿物共生研究表明水银洞金矿的黄铁矿有四种类型,包括生物碎屑结构黄铁矿、侵染状黄铁矿、富砷黄铁矿增生边和贫砷黄铁矿核部(Su et al., 2012)。而在整个贵州卡林型金矿矿集区,对蚀变矿物和成矿关系的研究较为薄弱。泥堡金矿目前处于勘查阶段,控制的资源量已达到特大型。矿床的前期工作主要涉及地质勘查,在矿床地质、矿床地球化学特征、含矿岩石地球化学特征、控矿构造、控矿因素、找矿潜力等方面有一些研究报道(陶平等,2002刘平等,2006祁连素等,2014王疆丽等,2014侯林等,2015),而对蚀变矿物与成矿的关系、矿化过程中元素带入带出及成矿机制等问题的研究较少。

本文拟通过X射线粉晶衍射结合岩相学研究、地球化学分析、电子探针分析,来确定和量化蚀变矿物、载金黄铁矿及矿化过程中的元素带入带出通量,探讨泥堡金矿蚀变矿物与成矿的关系及成矿机制问题。

2 矿床地质特征

黔西南卡林型金矿矿集区位于扬子克拉通与右江盆地的交接部位,在大地构造上属于印度板块和太平洋板块的复合部位(Tan et al., 2015),主要产出泥堡金矿、水银洞金矿、烂泥沟金矿、紫木凼金矿、太平洞金矿等。其中泥堡金矿位于泥堡背斜的边缘,距离贵州西南的兴仁县以西约20km (图 1)。矿区出露地层主要有中二叠统茅口组、上二叠统龙潭组、下三叠统永宁镇组、中三叠统关岭组及第四系(图 1图 2图 3)。其中,茅口组是一套中厚层生物碎屑灰岩、白云质灰岩及泥晶灰岩,顶部受到强烈硅化(图 4a)。其与上覆龙潭组底部的火山碎屑岩之间为构造蚀变体,是一套由区域性构造作用形成的、并经热液蚀变的构造蚀变岩石(夏勇,2005刘建中等,2009),其岩性主要为石英岩、硅质岩、硅化灰岩(图 4b),产出一部分层状、似层状矿体。构造蚀变体之上的龙潭组地层可划分为三段。其中第一段与构造蚀变体接触,分布着凝灰岩、凝灰质砂岩、凝灰质角砾岩等,黄铁矿化明显(图 4c);第二段为中厚层状岩屑粉砂岩、砂岩和粘土岩组成的不等厚韵律层(图 4d, e);第三段为砂屑泥晶灰岩、粉砂岩和粘土岩组成的不等厚韵律层(图 4f)(侯林等,2015)。小部分矿体在龙潭组地层中顺层分布。矿区构造主要发育有北东东向的泥堡背斜、北东东向的F1逆冲断层和受其推覆的次一级褶皱-二龙抢宝背斜。其中矿体呈透镜体赋存于F1中(祁连素等,2014) (图 3)。

图 1 贵州西南区域地质简图(据Zhang et al., 2003; Tan et al., 2015) Fig. 1 Regional geological sketch map of southwestern Guizhou Province (modified after Zhang et al., 2003; Tan et al., 2015)

图 2 泥堡金矿矿床地质简图(据祁连素等, 2014) Fig. 2 Geological map of the Nibao gold deposit shows stratigraphic units and structures (modified after Qi et al., 2014)

图 3 泥堡金矿9740、9260勘探线剖面图 两条勘探线的位置见图 2所示.图中小黑点为取样位置,样品编号由钻孔号和钻孔深度组成.有绿色编号的样品进行了岩相学对比研究、电子探针分析和矿化过程中元素带入带出通量分析 Fig. 3 Cross section 9740 and 9260 at the Nibao deposit The positions of two cross sections were shown in Fig. 2. The sample number was composed of the drill number and its depth. Samples in green number were chosen for petrographic study, electron microprobe analyses and element fluxes analyses during ore forming process

图 4 茅口组顶部、构造蚀变体及龙潭组岩石样品 (a)茅口组顶部的硅化灰岩,显示强烈硅化的特点;(b)构造蚀变体中的石英岩;(c)龙潭组第一段的凝灰质砂岩;(d)龙潭组第二段的钙质碳质岩屑粉砂岩(透射偏光显微图片);(e)龙潭组第二段砂岩粉砂岩互层;(f)龙潭组第三段粉砂岩泥晶灰岩互层.缩写:C-碳质; Cal-方解石; Py-黄铁矿; Qtz-石英 Fig. 4 Samples from the top of Maokou Formation, the uncomformity, and Longtan Formation (a) silicified limestone from the top of the Maokou Formation shows characteristic of strongly silicatization; (b) quartzite from the uncomformity between Maokou Formation and Longtan Formation; (c) tuffaceous sandstone from the first unit of Longtan Formation; (d) calcareous carbonaceous clastic siltstone from the second unit of Longtan Formation (photomicrograph under reflected light); (e) sandstone-siltstone interbed from the third unit of Longtan Formation; (f) siltstone-micrite interbed from the third unit of Longtan Formation. Abbreviations: C-carbon; Cal-calcite; Py-pyrite; Qtz-quartz

泥堡金矿的矿石矿物以硫化物为主,主要有各种结构类型的黄铁矿,毒砂次之,及少量的雄黄、雌黄和黄铜矿等(图 5a-d)。金主要赋存在黄铁矿的含砷边缘(图 5c, d)。毒砂沿着含砷黄铁矿的边缘增生,说明了含砷黄铁矿的形成早于毒砂(图 5b)。含砷黄铁矿也以增生边的形式在粗粒低砷黄铁矿边缘形成,核部的粗粒低砷黄铁矿可能在成岩阶段就已经形成(图 5c)。雄黄、雌黄通常在石英脉中产出(图 5d)。脉石矿物主要有石英、(铁)白云石、方解石和伊利石,及少量的萤石、锐钛矿、钾长石等(图 5a, e, f)。自形的方解石颗粒出现在萤石脉中,说明了方解石的形成早于萤石(图 5e)。从围岩到矿石,泥堡金矿普遍发生了去碳酸盐化、硅化和伊利石化。石英和伊利石基质中的铁白云石(或白云石)残余说明了白云石在矿化过程中被部分溶解,是碳酸盐岩围岩中去碳酸盐化的明显证据(De Almeida et al., 2010; Su et al., 2012; Tan et al., 2015)(图 5a)。

图 5 泥堡金矿的矿物组合类型 (a)他形铁白云石残留在由石英和伊利石组成的基质中,表明铁白云石受到了部分溶解(BSE图片);(b)毒砂围绕砷黄铁矿,表明在矿物共生次序中砷黄铁矿形成早于毒砂(BSE图片);(c)砷黄铁矿在粗粒低砷黄铁矿边缘形成环带(BSE图片);(d)毒砂出现在石英脉中;(e)自形的方解石赋存在萤石脉中,表明在矿物共生次序中方解石形成早于萤石(BSE图片);(f)少量钾长石存在于样品中(BSE图片).矿物缩写:Ant-锐钛矿; Aspy-毒砂; As-Py-砷黄铁矿; Cal-方解石; Fe-Dol-铁白云石; Flo-萤石; ill-伊利石; K-fds-钾长石; Orp-雌黄; Py-黄铁矿; Qtz-石英 Fig. 5 Paragenetic sequences of mineral assemblages from the Nibao deposit (a) anhedral ferrodolomite relicts hosted in a matrix of quartz and illite, indicating ferrodolomite has been partially dissolved (BSE image); (b) arsenopyrite encompasses on arsenian pyrite, indicating arsenian pyrite accurs earlier in mineral paragenesis sequence (BSE image); (c) arsenian pyrite forms rim on coarse-grained low As pyrite core (BSE image); (d) orpiment presents in quartz vein; (e) euhedral calcite hosted in fluorite vein, indicating calcite forms earlier than fluorite in mineral paragenesis sequence (BSE image); (f) trace K-feldspar occurs in the sample (BSE image). Abbreviations: Ant-anatase; Aspy-arsenopyrite; As-Py-arsenian pyrite; Cal-calcite; Fe-Dol-ferrodolomite; Flo-fluorite; ill-illite; K-fds-K-feldspar; Orp-orpiment; Py-pyrite; Qtz-quartz
3 样品采集及分析方法 3.1 样品采集

本次研究选择了泥堡矿区的两条典型剖面作为取样对象(图 3)。图中的小黑点即为采样位置,样品编号由钻孔号和孔深组成。取样的原则是根据岩性取样,每一个岩性段内按金品位从高到低进行取样。为了方便研究,本次研究把金品位大于1g/t的样品作为矿石进行研究,而把不具有经济开采价值的、金矿品位小于0.1g/t的样品作为围岩进行研究。本次研究从7个钻孔选取了21件样品,并分析了这些样品的主量元素含量和Au、As、Sb、Hg、Tl及其它微量元素含量。对图 3中有绿色样品编号的样品进行了岩相学对比分析和矿化过程中元素的带入带出分析。

3.2 背散射电子成像和电子探针分析

将岩石样品切割并制成约5cm长的抛光薄片,在光学显微镜下确定待测矿物后,然后在薄片上喷碳,最后送进电子探针显微分析的进样系统中,对待测矿物进行背散射电子成像和电子探针分析。矿物鉴定和背散射电子成像由电子探针上的EDAX能谱分析仪(EDS)确定。所有样品在中国科学院地球化学研究所进行测试,仪器型号为EPMA-1600 (岛津,日本)。点分析的测试条件为电压25kV,电流10~40mA,束斑直径10μm,分析元素和检出限见表 1

表 1 黄铁矿电子探针结果 Table 1 Electron microprobe analyses
3.3 主微量元素分析

在澳实分析检测有限公司分析所有21件样品的主量元素、金、汞含量。其它微量元素在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室进行分析。分析结果见电子版附表。分析方法简述如下。

附表 1 泥堡金矿所有样品主量(wt%)、微量元素(×10-6)含量 Appendix1 Major (wt%) and trace (×10-6) element contents of all samples from the Nibao gold deposit

主量元素分析在X射线荧光光谱(XRF)上进行,仪器型号:Axios-PW4400, PANalytical,工作电压及电流分别是20kV、10mA。称出0.7g粉末样品混合7g硼酸,于设定温度下在铂金坩埚中加热至样品熔化,冷却后得到一个均一的熔融体。最后,对冷却的熔融体进行XRF分析。这种方法最后得到了样品中Fe2O3、K2O、MgO、P2O5、SiO2、Al2O3、TiO2、F和S的含量,以及样品的烧失量(LOI)。

微量元素分析是在电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)上进行,仪器型号:Perkin-Elmer Sciex ELAN 6000。用氢氟酸和硝酸的混合溶液将50mg粉末样品在高压罐于190℃的温度下密闭消解48h。使用Rh做内标元素,分析的国际标准OU-6和GBPG-1与推荐值一致,所有元素的分析精度都优于5%。这种方法得到了样品中微量元素的含量,包括Sb、Tl、Bi、Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Cs、Ba、Hf、Ta、W、Pb、Th、U及14种稀土元素的含量。样品金品位的检测采用火试法在原子吸收光谱(AAS)上进行测定,样品的汞含量采用电感耦合等离子发射光谱法测定。

3.4 X射线粉晶衍射分析

采用X射线粉晶衍射(XRD)的分析方法对粉末样品进行矿物定性及半定量,仪器产于日本理学公司,型号:D/Max-2200,CuKα辐射,石墨单色器滤波。工作电压和电流分别是40kV、30mA。2θ在3~65°范围内收集谱线,以0.04°步长、每步5s的方式进行衍射扫描。样品中矿物相的确定是通过与各种矿物相的标准谱线的对比实现,在软件JADE6.5上进行。样品中矿物的半定量分析按照扣除背景、平滑、寻峰及计算等步骤,同样在软件JADE上进行。样品中每一种矿物的含量由K值法计算,计算公式如下:

式中Ci是矿物i的含量,Ii是矿物i最强峰的衍射强度,n是样品所含矿物种类数量,Ri是矿物i的RIR值,由软件JADE6.5的PDF卡片提供(Meng et al., 2014)。由XRD半定量计算得到样品中矿物含量的结果列于表 2

表 2 X射线粉晶衍射半定量计算结果 Table 2 X-ray diffraction semi-quantitative calculated results
4 结果 4.1 岩相学研究

图 6a图 6b中样品545-135和545-141分别代表构造蚀变体中硅质岩的围岩和矿石,2个样品的位置如图 3所示,其全岩金含量分别是0.005g/t、5.210g/t。2个样品都属于硅质岩,石英含量达60%(表 2),以灰白色和块状构造为特点。围岩样品主要由石英、伊利石和白云石组成,而矿石样品主要由石英和伊利石组成,无白云石(表 2)。在BSE图像下,矿石样品中的硫化物主要为环带黄铁矿(约6%,表 2)(图 6d)。环带黄铁矿以成矿前的低砷黄铁矿为核部,其边缘增生环带状的成矿期含金砷黄铁矿。环带黄铁矿大小在100~500μm左右,环带宽约10~50μm。EMPA分析表明硅质岩矿石样品含金砷黄铁矿环带的金含量为480×10-6~1470×10-6,平均810×10-6,砷含量为3.129%~4.111%,平均3.647%;核部低砷黄铁矿的金和砷含量大大降低,金含量仅有10×10-6~230×10-6,平均130×10-6,砷含量仅有0.55%~0.719%,平均0.663% (表 1)。围岩样品中的硫化物主要为生物碎屑结构黄铁矿(图 6c)。生物碎屑结构黄铁矿可能是由早期成矿流体形成的,以细小的无环带砷黄铁矿结合体取代生物碎屑或化石为特点,但是还保留了原来生物碎屑或化石形态结构(图 6c)。EMPA分析表明,生物碎屑结构黄铁矿的金含量低于检测限,砷含量为0.585%~1.116%(表 1)。

图 6 硅质岩蚀变围岩和矿石岩相学对比 (a)灰白色块状构造的硅质岩蚀变围岩样品;(b)灰白色块状构造的硅质岩矿石样品;(c)蚀变围岩样品中的生物碎屑结构黄铁矿(反射光图片);(d)矿石样品中的环带结构黄铁矿(BSE图片) Fig. 6 Petrographic comparison of altered wallrock and ore from siliceous rock (a) wallrock sample from the USMU shows grey white color and blocky structure; (b) ore sample from the USMU shows grey white color and blocky structure; (c) low As pyrite host in the biodetritus with dissolved characteristic (RPPL image); (d) ore pyrite riming pre-ore pyrite core (BSE image). USMU=unconformity surface of the Middle to Upper Permian

图 7a图 7b中样品9740-122和9740-117分别代表逆冲断层F1破碎带中硅化灰岩的围岩和矿石,2个样品的位置如图 4所示,其全岩金含量分别为0.024g/t、9.380g/t。2个样品都以灰黑色和块状构造为特征,并且都被数条方解石细脉切割。方解石细脉脉宽1~5mm,脉中无黄铁矿等硫化物出现。矿石手标本样品颜色偏白,围岩样品更致密,可能是因为矿石样品受到粘土化、硅化比围岩样品更加强烈。围岩样品的主要矿物为石英和方解石,硫化物只有极细粒的黄铁矿( < 10μm),在背散射电子成像下零星分布(图 7c)。EMPA分析表明,围岩样品中极细粒黄铁矿为贫金砷黄铁矿,金含量低于检出限,砷含量为5.433%~5.504% (表 1)。在矿石样品中,主要矿物有石英、方解石、白云石和伊利石,硫化物主要有黄铁矿,及少量毒砂。矿石样品中的黄铁矿具有核边结构,即具有一个内核和边部,内核大小约30μm,边部宽约50μm,内核和边部之间有明显的空隙(图 7d)。据EMPA成像可将核边结构黄铁矿划分为两种类型,一种核边结构黄铁矿的核部和边部都是砷黄铁矿(图 8a),另一种核边结构黄铁矿的核部是低砷黄铁矿,而边部是砷黄铁矿(图 8b)。两种类型核边结构黄铁矿的边部含金,金含量430×10-6~1410×10-6,核部贫金,金含量0~10×10-6(表 1)。

图 7 硅化灰岩蚀变围岩和矿石岩相学对比 (a)灰黑色块状构造的硅化灰岩围岩样品被方解石脉切割;(b)灰黑色块状构造的硅化灰岩矿石样品被方解石脉切割;(c) BSE图片显示只有极少量砷黄铁矿出现在硅化灰岩蚀变围岩样品中;(d) BSE图片显示大量的环带结构黄铁矿出现在硅化灰岩矿石样品中 Fig. 7 Petrographic comparison of altered wallrock and ore from silicified limestone (a) wallrock sample collected from the reverse fault F1 with grey black color and blocky structure, was cut by calcite veins; (b) ore sample collected from the reverse fault F1 with grey black color and blocky structure, was cut by calcite veins; (c) BSE image shows trace arsenian pyrite in low-grade sample; (d) BSE image shows abundant core-rim textured pyrite in ore sample

图 8 两种不同类型的核-边结构黄铁矿 (a、c)核-边结构黄铁矿的核部和边部都富砷,核部贫金,边部含金;(b、d)核-边结构黄铁矿核部砷含量低且贫金,边部富砷且含金 Fig. 8 BSE images showing two types of core-rim textured pyrite (a, c) arsenic is rich in both the core and the rim of core-rim textural pyrite; (b, d) arsenic is poor in the core but rich in the rim of the core-rim textural pyrite
4.2 XRD结果

X射线衍射谱线显示,石英在所有围岩和矿石中都有出现。其它矿物如伊利石、黄铁矿、毒砂、方解石、白云石等并不普遍出现。高岭石的峰在大多数样品中缺失。伊利石在各种岩性的围岩和矿石都有出现,有的样品中的伊利石高达53%。XRD半定量计算表明,矿石样品的伊利石平均含量明显高于围岩样品的伊利石平均含量,围岩和矿石的石英、黄铁矿、毒砂含量相近,矿石样品中碳酸盐矿物(方解石和白云石或铁白云石)的平均含量比围岩的低。

石英在所有围岩和矿石中都有出现,说明了硅化在泥堡金矿所有的蚀变中范围最广泛。伊利石在大多样品中出现,并且缺失其它粘土矿物的峰,说明泥堡金矿的粘土化主要是伊利石化。围岩与矿石中不同的伊利石含量说明部分伊利石可能与成矿热液有成因关系。

4.3 矿化过程中元素带入带出结果

矿化过程中矿床的矿石和围岩之间元素的带入带出通量,可以利用最高品位样品和最低品位样品的主微量元素对数等值线图来确定(Gresens, 1967; Grant, 1986)。元素的活动性或不活动性可以用所有样品的两个元素作X-Y散点图的方法来确定(Finlow-Bates and Stumpfl, 1981)。由于蚀变过程造成岩石体积丢失,如去碳酸盐化、脱水作用等,会引起不活动元素的含量增加,不活动元素在X-Y散点图中远离坐标原点。如果蚀变过程中有组分加入到岩石中,如硅化、伊利石化等,会造成不活动元素稀释,含量降低,不活动元素在X-Y散点图中靠近坐标原点。各种蚀变过程对不活动元素综合作用的结果是不活动元素在X-Y散点图中可以拟合出一条直线。本次研究所有样品的TiO2-Al2O3的高R2(0.88)值说明Ti和Al是不活动元素(图 9)。具有类似特征的还有Zr和Th,R2=0.93,说明这两个元素也是不活动元素。对数等值线图中的不移动等值线就是由不活动元素组成的回归线。不移动等值线的斜率决定了矿化过程中围岩和矿石的质量改变量。没有投在不移动等值线上的元素显示活动行为,是活动元素。位于不活动等值线之上的元素,在矿化过程中被带入矿石中,反之带出(Gresens, 1967; Grant, 1986)。

图 9 TiO2-Al2O3关系图 TiO2-Al2O3高的R2(0.88)值说明Ti和Al是不活动元素 Fig. 9 Plot of TiO2 vs. Al2O3 The high correlation of TiO2 vs. Al2O3 (R2=0.88) indicates that Ti and Al are immobile elements

图 10的对数等值线图显示了矿化过程中矿石和围岩之间元素的带入带出情况,图中样品的位置见图 3。这些样品分别来自构造蚀变体中的硅质岩(545-135和545-141)和逆冲断层F1破碎带的硅化灰岩(9740-122和9740-117)。

图 10 对数等值线图显示了矿化过程中元素带入带出通量和质量改变量(据Hofstra, 1994) 质量改变量可以由如下公式计算:Δmass (%)=[(1/m)-1]·100,式中m是不移动等值线的斜率 Fig. 10 Logarithmic isocon plots showing elemental fluxes and mass transfer (after Hofstra, 1994) The mass change was calculated by the equation: Δmass (%)=[(1/m)-1]·100, whereas m is the slope of the immobility isocon

主微量对数等值线图显示在构造蚀变体的硅质岩中(图 10a),Au明显加入到矿石中,SiO2和Fe2O3保持不变,典型卡林型金矿成矿元素包括As、Hg、Sb、Tl等在图中也保持不变,主量元素CaO、MgO和S明显从围岩带出,以及微量元素Ba、Be等也从围岩带出。在逆冲断层F1破碎带中的硅化灰岩中(图 10b),Au、Sc、As和Fe2O3明显加入到矿石中,S和MgO保持不变,除了As其它典型的卡林型成矿元素Hg、Sb、Tl等在图中也保持不变,SiO2和CaO显示被带出的特点,微量元素Sr、W和Be也被带出。

矿化过程质量改变量与不活动元素回归线的斜率有关,如果不活动元素回归线斜率大于质量一致线斜率(斜率=1),则说明矿化过程会造成质量丢失,如果不活动元素回归线斜率小于质量一致线斜率,则说明矿化过程会造成质量增加。质量改变量可以由如下公式计算:Δmass=((1/m)-1)·100,式中m表示不活动元素回归线的斜率(Hofstra, 1994)。质量改变量计算表明构造蚀变体硅质岩矿石样品质量增加17%,逆冲断层破碎带F1硅化灰岩矿石样品质量丢失89%(图 10a, b), 说明破碎带中的蚀变改造作用更强烈。

5 讨论 5.1 围岩和矿石对比

来自构造蚀变体硅质岩的特点表明其受到了硅化、伊利石化及硫化作用(黄铁矿化作用),矿石中未发现白云石说明了其经受了更加强烈的去碳酸盐化。大量的具有含金砷环带结构黄铁矿在硅质岩矿石中富集(图 6d),而具有生物碎屑结构黄铁矿则富集在其围岩中(图 6c),说明这两种黄铁矿由不同热液形成或在不同热液阶段形成,环带结构的内核可能是成岩期的黄铁矿,含金环带可能是主成矿期通过硫化作用形成的,而生物碎屑结构黄铁矿可能与早期成矿热液有关。

逆冲断层F1破碎带中硅化灰岩围岩遭受更为强烈的硅化作用,其中只有少量细粒黄铁矿沉淀。因此,强烈的硅化作用可能会抑制岩石中含金黄铁矿的沉淀(图 7c)。硅化灰岩矿石中不同类型的核边黄铁矿说明成矿流体可能是多期活动的,核部贫金低砷黄铁矿可能是成岩期黄铁矿,核部贫金砷黄铁矿可能是由早期成矿流体交代成岩黄铁矿形成的,而边部含金砷黄铁矿可能是有主成矿期流体形成的。

5.2 矿化过程中元素带入带出

矿化过程中元素的带入带出通量研究结果表明硅质岩中SiO2保持不变(图 10a),可能是由于其围岩和矿石样品中含有不同含量的伊利石及高岭石的原因。而通过XRD分析得出矿石样品的石英含量高于围岩样品的石英含量,说明硅质岩矿石样品的硅化作用更为强烈。Fe2O3保持不变说明硅质岩的围岩和矿石中黄铁矿的含量保持不变,硅质岩围岩中的黄铁矿可能与早期成矿热液有关,而硅质岩矿石中的黄铁矿可能与主成矿期热液有关,与岩相学研究及电子探针分析结果一致。典型卡林型成矿元素As、Hg、Sb、Tl等在硅质岩围岩和矿石中保持不变,可能与构造蚀变体遭受的强烈构造作用有关, 蚀变范围比矿化范围广。主量元素CaO、MgO从围岩中带出反映了去碳酸盐化的过程,去碳酸盐化同时引起微量元素Ba、Be等一起带出。S从围岩中带出说明矿石中的S可能来自地层。在逆冲断层F1破碎带的硅化灰岩中,Fe2O3带入矿石说明硅化灰岩矿石发生黄铁矿化作用。Au、As带入矿石中,电子探针分析表明矿石中含金砷黄铁矿含有大量Au和As,所以认为它们是加入到矿石中的含金砷黄铁矿中。Sc明显的带入到硅化灰岩矿石中,可能是因为在碳酸盐和碳酸氢盐中Sc可能取代Mg和Fe离子而使得Sc发生明显的富集(Eby, 1973; Bogoch et al., 1984),同时大量的Sc在酸性条件下可以被运移(Wood and Samson, 2006)。SiO2在硅化灰岩中显示带出的特点,可能是由于硅化灰岩围岩中发生了更加强烈的硅化作用有关,与硅化灰岩围岩中出现大量石英一致(图 7c)。

5.3 去碳酸盐化作用和硫化作用

岩相学研究表明他形的铁白云石存在于围岩和矿石样品中,经溶蚀作用而具有多孔隙的特点(图 5a)。在矿体中,大量的含砷黄铁矿沉淀在由石英和伊利石组成的基质中(图 5a-c图 7d),而围岩中的黄铁矿主要赋存在由铁白云石组成的基质中(图 6c)。这些现象反映了矿化过程中的去碳酸盐化作用。XRD半定量计算结果表明矿石的碳酸盐矿物平均含量比围岩的低,同样反映了矿化过程中的去碳酸盐化作用。此外,围岩和矿石样品中MgO和CaO的二元图解(图 11)同样反应了去碳酸盐化的过程,图中Ⅰ表示矿石样品和部分围岩发生了去碳酸盐化,Ⅱ表示没有发生去碳酸盐化的围岩。围岩也有发生去碳酸盐化,说明去碳酸盐化的范围比矿化范围广泛。岩石发生去碳酸盐化,可能为载金黄铁矿的沉淀提供了有利环境。同时,载金黄铁矿中的铁可能来自碳酸盐矿物中铁白云石溶解释放出来的铁。所以,去碳酸盐化是泥堡金矿的主要成矿机制之一。

图 11 CaO-MgO关系图 箭头方向表示去碳酸盐化过程.图中Ⅰ表示矿石样品和部分围岩发生了去碳酸盐化,Ⅱ表示没有发生去碳酸盐化的围岩样品 Fig. 11 Correlation diagrams shows relation between CaO and MgO Arrow shows the process of decarbonation. In the figure, Ⅰrepresents ore samples and part of wallrock samples underwent decarbonation, and Ⅱ represents wallrock samples which did not undergo decarbonation

矿化过程中硫化作用或黄铁矿化作用的问题可以由围岩和矿石的铁硫散点图来确定(Stenger et al., 1998)。利用铁硫散点图说明了硫化作用是水银洞金矿的主要成矿机制之一(Tan et al., 2015)。图 12中黄铁矿线是硫铁在黄铁矿中的相对含量:S=1.15× Fe (wt%)。采用不活动元素铝对图中的铁和硫进行标准化(Hofstra and Cline, 2000)。图中大多数样品落在黄铁矿线下面,而且基本是沿着黄铁矿线的方向漂移,说明矿化过程中硫和铁同时加入到矿石中。铁硫关系图表明,矿化过程中硫和铁同时加入到矿石中,说明泥堡金矿除了硫化作用(加入硫)也有黄铁矿化作用(加入硫和铁)的发生,黄铁矿化作用可能是硫化作用的表现形式之一。结合EMPA分析,金主要赋存在黄铁矿的含砷边缘,所以认为硫化作用在矿化过程中形成了黄铁矿的含砷边缘,同时金在黄铁矿的含砷边缘沉淀。所以,硫化作用也是泥堡金矿的主要成矿机制之一。

图 12 铁-硫关系图(据Stenger et al., 1998) 图中利用不活动元素Al对所有样品的铁和硫进行标准化.箭头方向表示可能的矿化作用,即黄铁矿化作用(加入铁和硫)和硫化作用(加入硫) Fig. 12 Correlation diagrams shows relation between Fe and S (after Stenger et al., 1998) Fe and S were normalized to immobile Al in all samples. Arrows show the direction of possible mineralization, which associated with pyritization (addition of S and Fe) and sulfidation (addition of only S)
5.4 硅化作用和伊利石化作用

野外研究结合岩相学、XRD分析表明了内华达州卡林型金矿的硅化范围比去碳酸盐化范围还要广泛(Cail and Cline, 2001)。本次研究的所有样品中都含有石英,也表明了泥堡矿床中硅化作用范围最广。此外,石英含量与黄铁矿含量呈负相关(R2=0.41)(图 13),与岩石硅化强烈处无黄铁矿出现的现象一致,如强烈硅化的硅质岩、石英脉中就很少见到黄铁矿,反映了强烈的硅化作用可能会抑制黄铁矿的沉淀。

图 13 石英-黄铁矿关系图(R2=0.41) Fig. 13 The calculated amount of quartz (%) vs. the calculated amount of pyrite (%) for all samples

在内华达Gethell卡林型矿床中,发现伊利石含量随着金品位升高而升高(R2=0.80)(Cail and Cline, 2001)。在本次研究中,未发现金品位和伊利石的含量有直接联系。但是XRD半定量计算结果表明在所有样品中,伊利石含量与黄铁矿呈一定的正相关(R2=0.37)(图 14),说明矿化过程中可能伴随着伊利石化。此外,矿石中的平均伊利石含量也明显高于围岩的平均伊利石含量(表 2)。围岩和矿石样品中的K2O和Al2O3二元图解(图 15)也表明了伊利石化的发生,并且伊利石的范围比矿化范围广。

图 14 伊利石-黄铁矿关系图(R2=0.37) Fig. 14 The calculated amount of illite vs. the calculated amount of pyrite for all samples

图 15 Al2O3-K2O关系图 Al2O3-K2O关系图显示矿石和围岩都发生伊利石化.高K低Al伊利石线:9%K,30%Al;低K高Al伊利石线:6%K,35%Al (李晓敏和寇晓威,2000) Fig. 15 Correlation diagrams shows relation between Al2O3 and K2O Relationship between Al2O3 and K2O shows that ore samples and wallrock samples underwent illitization. High K low Al line: 9%K and 30% Al; Low K high Al line: 6%K and 35% Al (Li and Kou, 2000)

在背散射电子能谱分析下,伊利石的确定首先由矿物中含有Si和Al而区别于其它矿物,其次矿物中含K而区别于高岭石等其它粘土矿物。伊利石呈鳞片状,单晶直径小于100nm,在空间上常常围绕着黄铁矿发育。自形-半自形的黄铁矿常常被伊利石围绕,说明伊利石形成于黄铁矿之后,矿化过程中可能伴随着伊利石化。本次研究的样品中发现的钾长石(图 5f)以及XRD分析也发现大多数样品中含有少量钾长石(表 2),说明部分伊利石可能是由钾长石受到成矿热液蚀变释放K离子形成的。钾长石经过蚀变形成伊利石有多种方式(Cail and Cline, 2001)。

在酸性流体的条件下,钾长石可以蚀变形成白云母、石英,释放出钾离子(Meyer and Hemley, 1967):

(1)

白云母通过如下反应转变为伊利石(Tardy and Garrels, 1974):

(2)

钾长石和蒙脱石在成岩条件下反应也能形成伊利石(Moore and Reynolds, 1997):

(3)

在酸性流体的条件下,伊利石也可以直接由钾长石形成(Faure, 1998):

(4)

反应(4)最可能是泥堡金矿中伊利石的形成方式,因为这个反应不需要白云母、蒙脱石参与反应。实际上,白云母和蒙脱石在所用的研究样品中都没有出现。反应(4)的发生过程消耗了H离子,使得流体趋于中性。岩石中铁白云石的溶解可能为该反应提供了Mg离子。

5.5 成矿机制

综合地质研究、地球化学、流体包裹体和同位素研究,许多学者认为硫化作用、去碳酸盐化作用、流体冷却和混溶是美国内华达州卡林型金矿的重要成矿机制(Hofstra et al., 1991; Stenger et al., 1998; Simon et al., 1999; Cail and Cline, 2001; Hofstra, 2003; Kesler et al., 2003; Yigit and Hofstra, 2003)。去碳酸盐化和硫化是卡林型金矿中最常见的蚀变类型(Cail and Cline, 2001; De Almeida et al., 2010)。本次研究综合围岩和矿石的岩相学对比、EMPA分析、XRD分析和相关的地球化学分析,认为去碳酸盐化和硫化作用是泥堡金矿的主要成矿机制。

流体包裹体研究表明泥堡金矿初始成矿流体具有中低温度(220~260℃)、低盐度(0~2% NaCleqv)、低密度(0.54~1.03g/cm3)并含有CO2及CH4、N2等有机成分的特点(王疆丽等,2014)。具有这些特点的含金酸性初始流体首先与含Fe的不纯碳酸盐岩反应,即不纯的碳酸盐岩发生去碳酸盐化作用,溶解其中的碳酸盐矿物,为蚀变热液黄铁矿、石英及伊利石等沉淀提供物质基础和就位空间。此外,不纯碳酸盐中含有钾长石,钾长石在酸性流体的条件下发生伊利石化作用,生成伊利石。泥堡金矿成矿过程还发生硅化作用,硅化作用发生的范围非常广泛,与成矿的关系尚不明确,但是在硅化作用强烈的地方可能会抑制含金砷黄铁矿的沉淀。泥堡金矿金的沉淀则是通过硫化作用在成岩期黄铁矿或早期热液黄铁矿的边缘形成含金砷黄铁矿边部或环带。

6 结论

综合对泥堡金矿围岩和矿石的岩相学研究、EMPA、XRD和主微量元素分析,本文得到如下结论:

(1) 去碳酸盐化、硫化、硅化和伊利石化是泥堡金矿重要的蚀变类型,且蚀变范围比矿化范围广。石英与黄铁矿呈负相关,硅化强烈可能抑制矿化作用;伊利石与黄铁矿呈正相关,矿化过程中可能伴随着伊利石化。

(2) Au明显加入到构造蚀变体的矿石中,而CaO、MgO、S、Ba、Be等从其围岩中带出;Au、Sc、As和Fe2O3明显加入到逆冲断层破碎的矿石中,SiO2、CaO、Sr、W、Be等则显示从其围岩中带出。

(3) 泥堡金矿的主要成矿机制是去碳酸盐化和硫化作用。在成矿前去碳酸盐化作用为成矿提供了有利的环境,在成矿过程中通过硫化作用形成了黄铁矿的载金含砷边缘。

致谢 野外工作期间得到了贵州地质矿产开发局105地质队祁连素工程师、张应国工程师和贵州大学徐良易同学的大力支持和帮助;内华达州大学拉斯维加斯分校Jean Cline教授对本文提出了许多建设性意见;匿名审稿人为本文提供了非常宝贵的修改意见;在此一并表示感谢。
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