甘肃-新疆北山成矿带典型矿床成矿流体研究进展及成矿作用探讨

潘小菲, 刘 伟

1)中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;

2)中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源重点实验室和岩石圈构造演化国家重点实验室, 北京 100029

甘肃-新疆北山成矿带典型矿床成矿流体研究进展及成矿作用探讨

潘小菲1), 刘 伟2)

1)中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;

2)中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源重点实验室和岩石圈构造演化国家重点实验室, 北京 100029

北山地区典型金矿床中常见H2O溶液包裹体、富CO2多相包裹体和富CH4包裹体, 成矿流体的挥发分主要为H2O-CO2-CH4。包裹体测温结果显示各类型金矿经历了多期流体活动, 属于中高-中低温、中-低盐度流体成矿。CO2和CH4的 δ13C值表明前者来自岩浆脱气, 后者来自围岩地层。氢、氧同位素组成指示成矿流体主要来源于岩浆流体和大气降水来源的地下水, 但部分矿床渗入了少量变质水。大部分矿床成矿物质来源具有多元性, 壳源和幔源均存在, 根据成矿物理化学条件壳幔成分有差别。金属硫化物具岩浆硫和地层硫混合特点, 主要受赋矿围岩控制; 铅同位素组成反映主要来源于造山带或成熟弧环境, 上地壳铅也不同程度地提供了成矿物质。综合北山地区典型金矿床的包裹体测温、成矿流体组分以及成矿流体C、H、O同位素和成矿物质的S、Pb同位素特征, 我们认为各类型金矿床具有不同的成因控制因素。马庄山、南金山、金窝子和210矿床都以不同组成流体混合作用控制成矿; 小西弓、新金厂及老金厂金矿成矿早期, 热液流体围绕着岩浆侵入体作对流循环, 成矿晚期, 流体在围岩中作大面积的渗透淋滤。

北山地区; 成矿流体; 成矿物质; 混合作用; 沸腾作用

北山成矿带地质背景复杂, 岩浆活动频繁, 成矿作用强烈, 找矿前景良好, 一直受到地质工作者的高度关注。区内已发现的金矿床不下百余处, 矿床的基础地质特征包括矿床产出状态、矿床的控矿因素(构造-岩浆-地层)及成矿类型等研究相当成熟(江思宏, 2006; 江思宏等, 2001; 聂凤军等, 2002),然而, 本区金矿床的流体成矿作用研究相对滞后,只有少数几个矿床进行了成矿流体研究, 流体参与金矿床成矿机制有待进一步加强。本文对已进行了流体成矿作用研究的北山几个重要金矿床, 包括北带的马庄山、中带的金窝子和 210金矿床以及北山南带的小西弓、新金厂、老金厂金矿床等, 进行成矿流体特征、成矿物质来源对比研究, 结合成矿地球动力学背景, 初步探讨北山地区流体参与成矿作用机制。

1 北山地区地质概况及矿床分布规律

北山成矿带位于哈萨克斯坦-准噶尔和塔里木坂块交汇部位, 隶属塔里木板块东北部, 与北山古生代裂谷-造山带叠合。区内主要地质体和主要构造线呈近东西向(图1和图2)展布(周济元, 1994; 聂凤军, 2002; 李春昱, 1983; 左国超, 1990; 刘雪亚和王荃, 1995; 崔惠文等, 1996)。该地区在经历了早古生代多岛洋演化阶段(Z-O)→俯冲造山演化阶段(O-S)→弧-陆碰撞造山演化阶段(O3-D)之后, 在晚古生代期间又经历了多个块体间的碰撞造山以及早二叠世伸展和晚二叠世挤压的构造过程, 致使北山地区的地球动力学背景非常复杂。在该裂谷带及其两侧基底岩系中分布着不同类型金矿床(点), 根据矿床成因可分为: 石英脉型热液矿床、火山-次火山热液型、变质热液层控型、构造蚀变岩型及矽卡岩型金矿床(田争亮, 2001)。该区金矿床、矿(化)点赋矿地层为上古生代火山-次火山岩、火山碎屑岩(周济元, 1998, 1999); 赋矿及与矿有关的岩体主要有华力西、加里东、印支期花岗岩岩体, 个别可见前震旦系变质火山岩。主要的控矿因素包括韧性、韧-脆性断裂,火山岩-碎屑岩地层, 华力西、加里东期中酸性、中基性岩浆岩。成矿时代为华力西晚期、印支期和燕山期(陈柏林, 1999), 与该期构造同或准同步。该区各类型代表性矿床特征如表1。

图1 北山地区重要金矿床分布及构造纲要图(据田争亮等, 2001)Fig. 1 Structure outline map of Beishan area, showing the distribution of important gold deposits (after TIAN Zheng-liang et al., 2001)

2 成矿流体特征

表 2综合了最近几年来关于北山地区部分典型金矿床成矿流体测温和地球化学研究结果。

2.1 包裹体类型

从表 2可以看出, 各典型金矿床, 从浅成低温型、岩浆热液型、韧性剪切蚀变岩型和海相火成岩型, 它们的包裹体类型以水溶液为主, 均含有 CO2多相包裹体存在, 少量矿床偶见含NaCl子晶多相包裹体。另外, 除了马庄山和新金厂金矿, 均存在含CH4的包裹体。

2.2 成矿流体的盐度

各矿床流体包裹体盐度分布在 0.7-18.6wt% NaCl eq., 显示包裹体中－低盐度特征。北山金矿床的盐度对比发现, 马庄山浅成低温热液型金矿床(7.5-16.2 wt% NaCl eq.)和韧性剪切蚀变岩型矿床(小西弓和 210金矿)的包裹体盐度高于海相火山岩型(新、老金厂)和石英脉型(金窝子金矿)。前二者成矿体系构造发育, 成矿环境相对开放, 与卤水发生交换程度高, 成矿热液盐度高, 致使包裹体捕获流体盐度也相对偏高。

2.3 流体包裹体气相组分

配套的激光拉曼探针、四极杆质谱分析结果表明, 除了新金厂以外, 北山各类型金矿成矿流体的挥发相组成均以 H2O、CO2、N2和 CH4为主, 占测定气体组分的 99%。表明各金矿成矿流体中主要组分为H2O-NaCl-CO2-CH4。对比之下, 新金厂流体包裹体的CH4含量较少, CH4含量不超出全部气体总量的 0.021%, CO2/CH4比值达到几百倍, 具有相对强的氧化环境。

马庄山金矿的 CO2/CH4-CO2/N2协变关系(李新俊等, 2002)显示, CO2/CH4和CO2/N2呈现逐渐增多的趋势。与去气作用模拟演化线趋势相同, 而和饱和大气水稀释作用的流体演化线(沿水平方向演化)差异较大, 明显不同于马庄山金矿样品的演化趋势, 表明马庄山金矿床成矿热液流体中发生了大气水混合作用。

图2 小西弓金矿流体包裹体气相成分的二元协变图Fig. 2 Binary covariant diagram of gas components of fluid inclusions in the Xiaoxigong gold deposit

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小西弓金矿的流体包裹体气体成分二元协变图显示, 小西弓样品的气体组分除了CH4和N2分别与CO2表现出两两相关外, 其它气体与N2基本无关。CH4/C2H6比值较高, 达到 11.61-35.37, 表明小西弓矿床沉积岩围岩的有机质降解温度也比较高, 其变质作用也较强烈。

图3 新金厂－老金厂流体包裹体气相成分的二元协变图Fig. 3 Binary covariant diagram of gas components of fluid inclusions in the Xinjinchang and Laojinchang gold deposits

如图3, 新金厂矿床样品的N2与CO2、C2H6分别表现出相关性, 这些线性关系同样可以用岩浆流体与大气降水来源的地下水的混合作用解释。因为上述三种气体组分都有两个来源: 一个是岩浆流体,另外一个为地下水。地下水在流经富碳质的沉积岩围岩时会从有机质中吸收这些组分。在平衡条件下,随着温度的降低, CH4/C2H6比值趋于降低。新金厂流体包裹体的气体CH4/C2H6比值介于0.93-3.00, 显示新金厂沉积岩围岩中有机质的热降解温度不高, 新金厂周围沉积物的变质作用微弱。

老金厂样品的气体组分 C2H6和 N2两种气体分别与CH4表现出两两相关性。表明了老金厂的包裹体甲烷和 C2H6可能从围岩沉积物中有机质热降解而来。而且 CH4/C2H6比值较高, 达到 12.00-22.61,指示老金厂沉积岩围岩的有机质降解温度相对高于新金厂, 其变质作用也相对较强。

与世界上典型的S型花岗岩Sn-W脉矿床(Kelly and Rye, 1979; Shepherd and Miller, 1988; Shepherd et al., 1985)、I型斑岩Cu-Mo矿床(McMillan, 1976; Bowman et al., 1987; Shaver, 1991; Wilson et al., 1980)、酸性硫化物 Au-Ag矿床、浅成低温 Au-Ag矿床、脉型烟囱状 Pb-Zn矿床、热泉华矿床、黑色页岩型 Au矿床和太古代中温 Au矿床(Graney and Kesler, 1995)进行气相组分对比(图 4a-d)。在CO2-CO2/N2-CO2/CH4三角图(图 4a)上, 北山南带三个金矿的样点远离世界上其它典型金矿床的样点。新金厂、老金厂和小西弓金矿之间的CH4含量差异大, 出现新金厂＜老金厂＜小西弓变化。而C同位素研究表明了CO2来自岩浆, CH4来自混染了围岩中碳质组分, 由此证明了北山南带金矿床的围岩参与了大规模成矿过程。

CH4-CO2/10-N2三角图(图 4d)也体现了这一特点。Ar×100-CO2/10-N2三角图(图4c)上北山南带三个金矿的样点也远离世界上其它典型金矿床的样点, 表明北山南带的Ar含量低于其它矿床, 而且新金厂成矿流体的 N2含量稍低于老金厂和小西弓的N2含量。

3 成矿温度

流体包裹体最终均一温度(Th)可以指示矿物、矿床形成温度(Roeddor, 1984; Shepherd et al, 1985; 张文淮, 1997)。因此, 以测定的各矿床矿脉捕获包裹体均一温度(Th)指示北山地区金矿成矿温度。北山北带的马庄山浅成低温热液型金矿成矿温度最低, 峰值最高仅为200℃, 属于地温热液型矿床; 小西弓韧性剪切蚀变岩型金矿温度最高, 峰值温度达到 400℃(表2, 图5), 属于中高温热液矿床。金窝子、210、新金厂和老金厂矿床属于中温热液矿床。而南金山金矿峰值有三组, 从高到低分别为 320℃、220℃和160℃, 表明南金山金矿经历了三阶段热液成矿过程。属于中低温热液矿床类型。

图4 北山金矿与世界典型金、金银、锡钨、铜钼和铅锌矿床气相组分三元图Fig. 4 Ternary covariant diagrams of gas components in gold deposits of Beishan area and in typical Au, Au-Ag, Sn-W, Cu-Mo and Pb-Zn deposits of the world

图5 北山典型金矿床成矿温度示意图, 箭头所指为峰值Fig. 5 Sketch map showing ore-forming temperatures of typical gold deposits in Beishan area, with the arrowhead indicating the peak value of final homogeneous temperature of fluid inclusions

4 成矿流体的碳、氢、氧同位素组成

C、H、O同位素研究在示踪成矿流体源区和性质上具有优势(Kontak and Kerrich, 1997; Ray and Ramesh 1999)。热液矿床的氢氧同位素组成研究通常表明大气水占有优势, 水和岩石的氧同位素组成由于水-岩相互作用发生了不同程度的改造(Taylor, 1997; LIU Wei, 1999, 2000, 2002)。在侵入体次固相冷凝过程和热液矿床的成矿早期, 通常显示岩浆流体的贡献(Liu, 2002; Audetat et al., 1998)。

北山几个典型金矿床成矿流体的氢、氧同位素组成(李新俊, 2002; 聂凤军, 2002)共同投影于图6。北山几个典型金矿床的成矿流体均有岩浆水、大气降水两个来源, 部分出现了变质热液水源(李新俊, 2002; 刘伟, 2006; 潘小菲, 2006)。北山北带的马庄山矿床, 其样点最靠近大气降水线, 说明成矿流体混入较多大气降水(李新俊, 2002)。同处中带的石英脉型金矿(金窝子矿床)和蚀变岩型金矿(210矿床),两者的H-O同位素组成也有着明显的差异性, 210号的成矿热液脉直接落入岩浆水和变质水区间及其附近, 金窝子 3号脉的δ18O、δD值则相对降低, 表明比 210矿床成矿热液中混入了较多的大气降水。南带的小西弓矿床, δ18O-δD样点分布在岩浆水区域之下, 显示了岩浆水与大气降水的混合来源特征; 新金厂的样点大部分落入岩浆水区域, 表明新金厂成矿流体主要来源于深部的岩浆房, 而老金厂样点落入岩浆水区间之下, 表明比新金厂金矿混入了更多的大气降水(图6)。

北山几个典型金矿的碳同位素组成汇总于图7。金窝子和 210、小西弓、新金厂、老金厂金矿成矿流体中的碳质组分有两种成因: CO2主要来自深源岩浆; CH4则主要是从炭质板岩中淋滤获取。

5 成矿物质来源特征

硫、铅同位素组成表明成矿物质来源具有多元性, 壳源和幔源均存在。

图6 北山典型金矿床成矿流体的δD-δ18O关系图Fig. 6 δD-δ18O diagram of ore-forming fluids from typical gold deposits in Beishan area

图7 北山典型金矿成矿流体的δ13C直方图Fig. 7 Histogram of13C values of ore-forming fluids from typical gold deposits in Beishan area

图8 北山典型金矿床的δ34S分布直方图Fig. 8 Histogram of34S values of typical gold deposits in Beishan area

新金厂和老金厂金矿的δ34S值落入幔源岩浆的近0‰值与富集32S的生物S的较大负值之间, 而小西弓、金窝子、210及马庄山金矿的δ34S值落在正值区间(图8), 而且几个金矿的δ34S值从大到小的排列顺序为: 小西弓≥210≥马庄山≥金窝子≥老金厂≥新金厂。因为小西弓金矿的赋矿围岩主要为钾长花岗岩, 金窝子3号脉为花岗闪长岩, 210矿脉为中酸性凝灰岩, 马庄山金矿则为次火山石英斑岩, 它们基本提供岩浆成因硫, 而新金厂和老金厂赋矿围岩为富有机质的老地层, 主要提供有机 S和变质 S,极可能显示几个矿床的矿化剂S元素主要受到赋矿围岩中萃取的S缓冲控制。

大部分矿床的铅同位素显示地壳和地幔、造山带等多种来源特征(图9)。新金厂、老金厂和210金矿部分显示了成熟弧来源特征。相比之下, 小西弓金矿铅同位素大部分落入上地壳, 表明其成矿物质主要来源于上地壳。且210金矿床铅同位素更靠近

6 流体成矿机制探讨

一般认为混合作用、水岩作用、沸腾作用是热液矿床主要的成矿机制(Liu et al., 2001), 而沸腾作用是斑岩铜－钼矿床、锡－钨矿床、浅成热液矿床及多金属脉状矿床等矿质沉淀的主要原因之一。然而, 综合北山地区典型金矿床的包裹体测温、成矿流体组分以及成矿流体C、H、O同位素和成矿物质的 S、Pb同位素特征, 我们认为各类型金矿床的成因具有不同的成因控制因素。

马庄山金矿成矿流体具有低温、中低盐度、富H2O、CO2和富Na+、K+、Cl-离子特征。石英包裹体水的δD和δ18O值表明为大气水和岩浆水混合来源。黄铁矿的 δ34S(4.5‰～6.5‰)(陈世忠等, 2000; 李新俊等, 2002)指示深部岩浆硫来源。铅同位素组成变化较大, 反映成矿物质来源的多元性, 从地壳到地幔均有。流体包裹体的显微温度计和H2O-气体间的协变关系, 排除了成矿过程中去气作用存在的可能性。岩浆流体与大气水来源的循环地下水的混合作用, 可能是马庄山金矿形成的主要机制。

南金山金矿床经历了三阶段成矿, 成矿过程中存在有高盐度流体与低盐度流体, 且具有岩浆水与大气降水混合流体氧同位素特征。成矿过程中发生了岩浆水与大气降水的混合作用, 导致了南金山金矿床成矿(江思宏等, 2006)。

图9 北山典型金矿床的铅同位素组成图(马庄山、210和金窝子3号矿体的Pb同位素数据摘自李新俊等, 2002)Fig. 9 Lead isotope composition of typical gold deposits in Beishan area (data of Mazhuangshan and No.210 and No.3 ore bodies of the Jinwozi gold deposit from Li Xinjun, 2002)

根据金窝子金矿和 210金矿床流体包裹体测温、包裹体 C、H、O同位素组成和气体组成(潘小菲和刘伟, 2006; 刘伟等, 2006), 从成矿初期到主成矿期, 岩浆流体与大气降水来源的地下水发生混合参与了成矿, 210矿床混入了变质水, 而金窝子金矿床混入更多的大气降水。两矿床的硫同位素组成反映了硫直接来自于岩浆; 铅同位素组成的良好线性关系, 反映了金属物质来源于地幔到全壳的各种贮库, 210矿床比金窝子矿床含有更多的岩浆金属物质(潘小菲和刘伟, 2006; 刘伟等, 2006)。

小西弓、新金厂和老金厂3个金矿床成矿流体的H, O同位素组成表明, 小西弓金矿和老金厂金矿成矿流体不是直接来源于岩浆流体或变质流体, 流体混合不是 3个金矿成矿流体演化的主要控制因素(刘伟和潘小菲, 2006)。部分金矿床如小西弓和新金厂的冰融温度、均一温度不连续变化, 形成区别明显的流体包裹体群, 表明在成矿过程中发生了热液沸腾现象。

7 结论

(1) 北山地区典型金矿床中常见 H2O溶液包裹体、富CO2多相包裹体和富CH4包裹体, 成矿流体的挥发分主要为 H2O-CO2-CH4。包裹体测温结果显示各类型金矿经历了多次流体活动, 属于中高温-中低温、中-低盐度流体成矿。

(2) 氢、氧同位素组成落入岩浆水区域或者向大气降水线不同程度地漂移, 预示成矿流体主要来源于岩浆流体和大气降水来源的地下水, 但部分矿床仍渗入了少量变质水。马庄山、南金山、金窝子和 210矿床都以不同组成流体混合作用控制成矿;小西弓、新金厂及老金厂金矿成矿早期, 热液流体围绕着岩浆侵入体作对流循环, 成矿晚期, 流体在围岩中作大面积的渗透淋滤。

(3) 大部分矿床成矿物质来源具有多元性, 壳源和幔源均存在, 根据成矿物理化学条件壳幔成分有差别。金属硫化物具岩浆硫和地层硫混合特点,主要受赋矿围岩控制; 铅同位素组成反映主要来源于造山带或成熟弧区域, 上地壳铅也不同程度地提供了成矿物质。

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Characteristics, Derivation and Evolution of Ore-Forming Fluids in Typical Gold Deposits of the Beishan Metallogenic Belt in Gansu-Xinjiang Border Area

PAN Xiao-fei1), LIU Wei2)
1) Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037;
2) Key Laboratory of Mineral Resources and State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029

Quartz and other sulfide minerals in typical gold deposits of Beishan area contain abundant aqueous, CO2-rich and CH4-rich inclusions, suggesting that the main volatiles in the ore-forming fluids are of the H2O-CO2-CH4system. Microthermometic measurements of fluid inclusions demonstrate that all types of gold deposits have experienced multi-period and multi-stage hydrothermal activities, thus belonging to mineralization of middle-low salinity and meso-hypothermal as well as meso-epithermal fluids. δ13C values of CO2and CH4reveal that CO.2and CH4of the ore-forming fluids were respectively degassed from the magma and leached from the carbonaceous country rocks. Hydrogen and oxygen isotopic compositions indicate that the ore-forming fluids were initially magmatic fluids and subsequently mixed with large amounts of meteoric water derived from groundwater. S isotope compositions of ore sulfides reflect that besides the contribution of the country rocks, most sulfur were provided mainly by the country rocks via fluid infiltration and leaching. Lead isotope compositions of ore sulfidessuggest multiple sources for the metals that range from the crust to the mantle, with certain amounts derived from the orogen or island arc.

Data from microthermometric measurements of fluid inclusions, fluid components, carbon, hydrogen and oxygen isotopes of ore-forming fluids, and sulfur and lead isotopes of ore-forming materials in typical gold deposits together show that different types of gold deposits have varies geneses. In Mazhuangshan, Nanjinshan, Jinwozi and No. 210 gold deposits, mixing of different ore-forming fluids caused metal precipitation. In Xiaoxigong, Xinjinchang and Laojinchang gold deposits, however, hydrothermal fluids experienced convectional circulation around the magmatic intrusion at the early ore-forming stage and permeated into the country rocks at the late stage.

Beishan area; ore-forming fluid; ore-forming material; mixing; boiling

P611.13; P574; P597.2

A

1006-3021(2010)04-507-12

本文由国家自然科学基金项目(编号: 40472056)和基本科研业务费(所长基金, 编号: J0811)联合资助。

2009-11-18; 改回日期: 2010-03-11。

潘小菲, 女, 博士。主要从事流体矿床学研究。通讯地址: 100037, 北京市西城区百万庄大街26号。E-mail: pan_smile0551@sina.com。