新疆多拉纳萨依金矿黄铁矿成分组成与硫同位素特征及其意义

聂 飞， 董国臣，2， 张招崇

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;2.核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地，江西南昌 330013)

新疆多拉纳萨依金矿黄铁矿成分组成与硫同位素特征及其意义

聂 飞1， 董国臣1，2， 张招崇1

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;2.核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地，江西南昌 330013)

新疆多拉纳萨依金矿位于西伯利亚和哈萨克斯坦板块缝合带西侧，是一个受韧性剪切带控制，以黄铁矿为主要金属矿物的金矿床。在详细野外调研和室内鉴定的基础上，将矿床中的黄铁矿分为4期，其中第三期黄铁矿以细小破碎晶体为主，为重要的金矿化期。对不同期次的黄铁矿分别进行了电子探针和硫同位素测试分析，并且针对重要金矿化期的黄铁矿的成分标型和硫同位素系统研究，发现该期金矿化黄铁矿化学式为FeS1.98，属硫亏型;Co/Ni的平均比值为1.488，推断该期黄铁矿为热液成因;δ34S‰值介于－3.8‰～－2.0‰，集中于幔源硫附近，说明与金密切伴生的黄铁矿中的硫主要来自深部。

金矿;黄铁矿;成分组成;硫同位素;新疆

聂飞，董国臣，张招崇.2012.新疆多拉纳萨依金矿黄铁矿成分组成与硫同位素特征及其意义［J］.东华理工大学学报:自然科学版，35(2):111-118.

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黄铁矿是各类原生金矿中普遍存在的矿物，与金矿化关系密切，既可成为金的伴生矿物，也可成为金的载体，且金矿床中黄铁矿标型特征能对矿床形成条件及矿化有明显指示作用，成为重要的找矿标志(李红兵等，2005)。

黄铁矿的结晶习性对所形成环境的变化反映极为敏感(李红兵等，2005)，可以依据黄铁矿晶体特点，还原成矿物理化学条件;作为一种由成矿流体沉淀而形成的矿石矿物，其元素特征，尤其微量元素特征反映了矿石的形成条件，可以对成矿物质和成矿流体来源进行示踪，解释矿床的形成机制，从而成为成矿作用的灵敏指示，也可以为成矿预测和找矿勘探提供有关的科学信息，研究黄铁矿成分标型特征来指导找矿已成为一个新的找矿方向(Ridley et al.，1998;Mtinch et al.，1999;Yang et al.，2006)。

稳定同位素地球化学是探讨矿床成因的有力工具(郑永飞等，2000)。硫是硫化物矿床亲硫金属元素的主要沉淀剂，大量研究表明硫同位素可以有效的示踪成矿规律体系中金属元素的来源(Rye et al.，1974;Ohmoto，1986;张静等，2006)。

本文以该矿床中最为发育的载金矿物——黄铁矿为主要研究对象，在野外观察和室内鉴定工作的基础上，将黄铁矿分为4期，并且运用电子探针分析和质谱仪MAT-251测定并获得了该矿床中不同期次黄铁矿的元素和硫同位素组成数据，讨论了各期次黄铁矿中元素组成、赋存状态、成矿物质来源及不同期次黄铁矿可能成因，为探讨矿床形成不同阶段的成矿流体特征及矿床成因提供了新信息。

1 矿区地质概况

多拉纳萨依金矿处于西伯利亚板块与哈萨克斯坦-准噶尔板块之间的过渡地带(王有标等，2006)，属于斋桑-额尔齐斯一布尔根泥盆纪-石炭纪板块缝合带(图1a)。

区域地层发育齐全，岩性由碎屑岩夹碳酸盐岩、硅质岩、变钙质长石砂岩、变泥质粉砂岩、变钙质粉砂岩、绢云千枚岩和石英微晶片岩等;矿区出露的地层主要为中泥盆统托克萨雷组第三岩性段。区内侵入岩发育，类型主要为黑云英闪岩，其次有少量角闪英闪岩、石英闪长岩等，其中与成矿作用关系密切的岩体属于东格勒黑云英闪岩体，分布于矿区东部，面积约为150 km2，侵入泥盆纪地层，KAr同位素年龄为263 Ma。矿区岩脉极为发育，多沿围岩破碎带、裂隙贯入。其中石英脉、石英闪长岩脉中的黄铁矿为本矿区重要金矿载体，与金矿化富集有密切关系(王有标等，2006)。

区内构造复杂，以断裂为主。按其规模可以分出区域性大断裂和次级断层，前者以玛尔卡库里大断裂为代表，呈北西向延伸，控制着区内地层分布和岩体的产出，矿区位于大断裂的西南侧的中泥盆统托克萨雷组第三岩性段的韧性剪切带中，它是马尔卡库里区域性大断裂次级剪切带，具北窄南宽的趋势，走向变化明显，呈反“S”形延伸(图1b)。剪切带是在层间断裂基础上发展起来的，经过多期次变形变质作用形成，金矿化带与之相吻合，是本区金矿床矿体的主要导矿、储矿、控矿构造。

多拉纳萨依金矿主要包括三个矿体，总体都呈不规则分枝脉状，矿体品位变化系数较大，长度约为4 km。总体的产状比较稳定，一般西倾，倾角在60～80°(吴复等，2003)。

矿床主要矿石矿物为:黄铁矿、自然金、黄铜矿、磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、辉铋矿、碲铅矿、碲铋矿、辉钼矿、褐铁矿、铜兰、辉铜矿、白铅矿等;脉石矿物主要为石英、斜长石、绢云母、绿泥石、磷灰石、金红石、粘土矿物、石膏等。

矿区围岩蚀变种类较多，并存在交代重叠现象。主要蚀变类型有钠长石化、硅化、绢云母化、黄铁矿化、矽卡岩化、绿泥石化、碳酸盐化以及蒙脱石化。地表常见高岭土化、水云母化等。

本区成矿作用过程可分为岩浆-热液期和表生氧化期。岩浆-热液期又可分为三个阶段:I.石英-钠长石-黄铁矿阶段;II.石英-含金多金属硫化物阶段;III.石英-碳酸盐阶段。其中II阶段为主要成矿阶段。

2 黄铁矿分布及特征

图1 新疆多拉纳萨依矿区地质图Fig.1 Regional geological map of Duolanasayi gold deposit in Xinjiang

黄铁矿是多拉纳萨依金矿床中分布最广的金属矿物，与金矿化关系密切，是金的最重要的载体，在矿区的各类矿石、矿化岩石以及蚀变围岩中均有分布，但分布极不均匀。

多拉纳萨依金矿中的黄铁矿颜色呈淡黄色，金属光泽，硬度6.6 ～7.8、比重 4.92 ～4.97。矿区单形晶体黄铁矿最为发育的为立方体{100}，也可见五角十二面体{210}，八面体{111}少见;还有它们相互聚形集合体{100}+{210}±{111};此外矿区的半自形、他形等形态的黄铁矿也较发育。

本文通过野外观察矿脉穿插关系、矿石结构构造和矿物组合，结合室内矿相学研究，将该矿床中的黄铁矿分为4类。

第1类:黄铁矿分布在蚀变和矿化很弱的浅变质岩中，如结晶灰岩—大理岩，变质砂岩—粉砂岩中，多为立方体自形晶{100}(图2a)，晶体完整且颗粒大，金矿化微弱，基本不含金。

第2类:黄铁矿分布在侵入浅变质岩的石英闪长岩脉中，自形晶体可见五角十二面体{211}，多数为半自形和他形等形态(图2b)，粒度较大。

第3类:黄铁矿分布在穿插早期闪长岩脉的石英脉中，黄铁矿基本为他形(图2c)，粒度变化大，微-细粒和中-粗粒均有。黄铁矿常与黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、自然金、碲金矿和碲镍矿等共生，偶见裂隙金等。

第4类:黄铁矿分布在碳酸盐岩中，此碳酸盐岩覆盖浅变质岩，黄铁矿大部分为自形立方体{100}(图2d)。

图2 矿区黄铁矿分类与分布特征Fig.2 The distribution of different types of pyrite of Duolanasayi gold deposit

3 黄铁矿成分特征

本文在核工业北京地质研究院电子探针室，对不同期次、10个黄铁矿进行电子探针分析(EPMA)。使用仪器型号:JXA-8100;工作条件:加速电压15 kV，探针速流20 NA，束斑≤1 μm;标样采用美国SPI公司;对分析数据的处理采用ZAF修正法。测试结果(表1)显示，第1类黄铁矿Fe质量分数:45.62% ～45.84%，平均 45.73%;S 质量分数:52.35% ～52.41%，平均 52.38%;相应的化学分子式分别为 FeS1.99和 FeS2.00，并含有微量元素 As和Co。第2类黄铁矿 Fe质量分数:46.72% ～46.75%，平均46.735%;S 质量分数:52.11% ～52.78%，平均52.445%;相应的化学分子式分别为FeS1.94和 FeS1.97，并含有微量元素:As，Co，Ag，Cu，Zn，Mn。第3类黄铁矿 Fe质量分数:45.55% ～46.93%，平均 46.098%;S 质量分数:52.35% ～53.28%，平均52.822%;相应的化学分子式分别为FeS1.98，FeS1.98，FeS2.02和 FeS2.01，并含有微量元素:As，Ni，Au，Ag，Mo。第 4 类黄铁矿 Fe 质量分数:45.26% ～46.11%，平均 45.69%;S质量分数:52.85% ～53.49%，平均 53.035%;相应的化学分子式为 FeS2.06和 FeS1.97，并含有微量元素 Co，Ag。

4 黄铁矿硫同位素特征

针对不同期次黄铁矿的硫同位素测试工作在中国地质科学院矿产资源研究所成矿作用与资源评价重点实验室完成，方法及流程参见李新俊等(2002)，测试结果见表2。

表1 黄铁矿的电子探针分析数据及晶体化学式计算结果Table 1 Electron microprobe analyses of Pyrite and its corresponding to the chemical formula %

表2 多拉纳萨依矿区黄铁矿硫同位素数据Table 2 The data of sulfur isotope for pyrite of Duolanasayi gold deposit

通过表2可以看出，近矿变质岩中黄铁矿(图2a)硫同位素组成为 －23.74‰ ～ －8.82‰，平均值为 －16.31‰，极差为 14.92‰;闪长岩脉中黄铁矿(图2b)硫同位素组成为 －3.36‰ ～ －3.9‰，平均值为 －3.54‰，极差为 0.54‰;石英脉中黄铁矿(图2c)硫同位素组成为 －3.8‰ ～ －2‰，平均值为 －2.5‰，极差为 －1.8‰;围岩灰岩中黄铁矿(图2d)硫同位素值为+4.7‰，为正值。

根据表2做δ34S频率直方图(图3)。从图3中可以看出第2类和第3类黄铁矿硫同位素组成相对集中，具有塔式效应，第1类黄铁矿硫同位素为负值且较分散，第4类黄铁矿硫同位素组成则为正值。

图3 多拉纳萨依金矿的黄铁矿δ34S频率直方图Fig.3 Frequency histogram of δ34S for pyrite of Duolanasayi gold deposit

5 讨论

5.1 黄铁矿的期次划分

黄铁矿的结晶习性对所形成环境的变化反映极为敏感，不同地质环境和热液条件，黄铁矿结晶行为不同，导致黄铁矿在粒度、自形程度、晶体形态等方面存在着差异。因此可根据金矿床中黄铁矿的晶体形态特征及其所处的寄贮岩石来判断黄铁矿期次，还原当时的黄铁矿形成的物理化学条件。

在低的过饱和度、低硫逸度以及比其最佳形成温度高或低很多的温度条件下，有利于{100}的发育，晶形简单、晶面少、颗粒粗大，不利于矿化;在适中的温度，缓慢冷却和有充分物质来源的高过饱和度、高硫逸度条件下，有利于{210}和{111}的出现，晶形趋于复杂，晶面增多，粒度变化大，整体为中细粒，较有利于矿化(Murowchick et al.，1987)。因此，不同环境下形成的黄铁矿，其形态各不相同。实际上，可能其颗粒度和破碎程度比晶形与含金量的关系更密切。细粒黄铁矿集合体和破碎状、裂纹状黄铁矿大多具有较高的金含量。因为细粒黄铁矿集合体和破碎状、裂纹状黄铁矿具有较大的比表面积，使它们更有利于从溶液中有效地吸附金，所以，金矿床中细粒状、烟灰状、破碎状等形态比晶形具有更明显的指示意义(李红兵等，2005)，所以破碎程度高的他形黄铁矿出现在主成矿阶段。

第1类和第4类黄铁矿均以立方体{100}为主，说明黄铁矿的形成条件为在较高温度或较低温度，温度变化梯度大(快速冷却)，过饱和度低(硫逸度小)，常出现在围岩或者矿化早期阶段与成矿晚期阶段(陈光远等，1987);通过野外调研发现，贮存第1类黄铁矿的浅变质岩，被后期成矿岩体侵入，所以推断浅变质岩中的黄铁矿形成在成矿前期形成。综合以上因素，这一类黄铁矿应为第1期。第4类黄铁矿在镜下产出在碳酸盐岩中方解石脉两侧，自形程度好，得知这一类黄铁矿形成在方解石脉后，结合上文分析，第4类黄铁矿是成矿后期的产物，为第4期黄铁矿。第2类黄铁矿晶形复杂，存在他形和自形晶体，自形晶体以五角十二面体{210}为主，这说明这期黄铁矿在适中的温度，缓慢冷却和有充分物质来源的高过饱和度、高硫逸度条件下形成，且较立方体对矿化有利，常出现在强矿化地段、矿体内带、矿化中期和中晚期阶段，这一期黄铁矿中含有成矿元素 Ag，Cu，Zn，Mn等(表1);这类黄铁矿在闪长岩脉中广泛发育，闪长岩脉侵入浅变质岩中。由以上推断，这一类黄铁矿是矿化阶段的产物，应为第2期黄铁矿。第3类黄铁矿晶体形态以细小破碎他形为主。晶体细小且破碎均有利于矿化，该期黄铁矿金矿化较好;在穿插闪长岩脉的石英脉中发育这类黄铁矿，由以上分析得知，这类黄铁矿在矿化程度最高的阶段产出，为第3期黄铁矿。

5.2 黄铁矿成分变化及其含义

矿床中某些矿物的元素含量及比值的变化主要受控于形成条件及作用。也就是说，同一种矿物中含量及其比值因成矿作用不同而变化，即存在矿物的化学标型(周家云等，2008)。黄铁矿为多拉纳萨依金矿分布最广也是主要载金矿物，本文利用黄铁矿中元素含量及其比值来探讨矿床成因、确定成矿物质来源。

(1)主成分标型。标准黄铁矿S/Fe比值近似为2，而含金黄铁矿中S，Fe含量与标准略有差异。一般将S/Fe比值小于2的称为硫亏型，形成温度较高;沉积成因的黄铁矿主成分硫和铁的含量与理论值相近或硫略多。黄铁矿亏硫在结构上出现空位，增加了构造缺陷程度，更有利于金的富集(卿敏等，2001)。所以亏硫可以作为黄铁矿富金的标志之一(李红兵等，2005)。

从晶体形态和表2中可以看出，金矿化主要在第3期黄铁矿中，但是可以看到金矿化主要出现在硫亏的黄铁矿中。第2期黄铁矿也为硫亏型，也是主要矿化期，成矿元素进入黄铁矿。第1期与第4期黄铁矿基本不含成矿元素，硫含量略多。由此可以得知第1期与第4期黄铁矿以沉积成因为主，第2期与第3期黄铁矿形成温度较高，可能与矿区岩浆侵入有关。

(2)微量元素标型特征。黄铁矿中微量元素包括两部分:一是呈类质同象替代形式进入黄铁矿晶格的元素。如替代Fe的Co，Ni元素和替代S的As，Se，Te等元素:二是呈机械混入物形式存在于黄铁矿中的元素，如 Au，Ag，Cu，Pb，Zn，Sb，Bi，W，Sn等元素。黄铁矿中的微量元素主要为在形成过程中所捕获的，其含量的多少直接与形成时矿液的介质成分和形成的物理化学条件相关。若成矿溶液的介质成分复杂，黄铁矿中的微量元素成分便复杂;反之，则简单。不同期次或不同矿化类型形成的黄铁矿，由于其形成的物理化学条件不同，使微量元素的成分存在明显的差异(胡楚雁，2001)。因此通过对微量元素的标型特征进行对比分类不仅对黄铁矿期次划分是很有必要的，而且可以很好地对成矿物质和成矿流体来源进行示踪，作为成因的指示剂。

黄铁矿中的杂质元素Co，Ni等呈类质同象取代Fe，而Co在周期表中的位置离Fe更近，Co较Ni更容易进入黄铁矿晶格。黄铁矿的Co，Ni含量及Co/Ni比值等参数是区分岩浆、热液和沉积三种成因金属矿床的有效地球化学指标(Fleischer，1955;Hawley et al.，1961;Bralia et al.，1979;Bajwah et al.，1987;Brill，1989;Xu，1998;Clark et al.，2004;Monteiro et al.，2008)。并且一般来说，Co/Ni比值越大，矿物的形成温度越高(盛继福等，1999)。

表3 不同期次黄铁矿Co，Ni含量Table 3 Co and Ni contents for different stages of pyrites %

通过表3可以看出，该矿床中第1，2，4期黄铁矿中Ni含量在10－4级含量为0，第3期黄铁矿 Ni平均含量为0.058%，仿照Xu(1998)对第3期黄铁矿中的Co/Ni进行了比较，在图3中，他形破碎状黄铁矿投点则主要落在了热液成因区域且接近岩浆成因与火山成因成因，进一步说明了矿床成矿作用确实与矿区岩浆岩侵入有关。Co/Ni比值从1.286到1.667，可以推断第3 期黄铁矿形成时，温度较高。

第2，3 期黄铁矿中成矿元素 Ag，Cu，Zn，Mn 含量比第1，4期黄铁矿多，推断这可能是因为矿区较大规模岩浆热液成矿作用，导致富含成矿元素进入黄铁矿中;第3期黄铁矿还含有高温成矿元素Mo，从另外一个方面证明了成矿温度较高。

5.3 黄铁矿S同位素源区意义

硫是硫化物矿床亲硫金属元素的主要沉淀剂，所以硫同位素组成是判断成矿流体来源的有效手段之一。又由于理论上Au元素亲铁性与亲硫性以及赋存状态，所以硫同位素在金矿中对成矿物质来源有很好的示踪作用。

图4 第3期黄铁矿的Co/Ni分布图(据 Baiwah et al.，1987;Brill，1987)Fig.4 Co/Ni distribution diagram for pyrite in 3rd stage

在多拉纳萨依矿区，矿石矿物主要为黄铁矿、黄铜矿、方铅矿等，缺少硫酸盐等矿物，黄铁矿是矿区的主要金属硫化物，又是最重要载金矿物。所以本文利用硫同位素来讨论成矿物质来源。

第1期黄铁矿以富集轻硫32S为主，为沉积作用形成的硫化物，具有生物硫的特点(韩吟文，2003)。第2期黄铁矿δ34S值为－3.54‰，接近陨石硫，并与东格勒岩体的黑云英闪岩中黄铁矿δ34S(‰)值极相近(－3.2)①谷高中.2005.新疆哈巴河县多拉纳萨依金矿勘查地质报告.新疆地矿局第四地质大队.，显示二者亲缘和继承关系，均属深源岩浆硫(邵世才等，1998;朱文凤等，2002;于凤金，2005;张静等，2006)。第3期黄铁矿 δ34S均值为 －2.5‰，集中于幔源硫附近为－2.0‰，说明该硫的来源以深部为主(邵世才等，1998;朱文凤等，2002;于凤金，2005;张静等，2006)，数据变化分布范围窄，具塔式效应，说明第3期黄铁矿硫来源具有共同的硫的来源。第4期黄铁矿δ34S值为4.7‰，与第1期以立方体为主的黄铁矿硫同位素特征不同，富集34S，混入了海相硫。

6 结论

(1)多拉纳萨依金矿中的四类黄铁矿可以划分为4期，其中第3期黄铁矿他形细粒，具金矿化，分子式为 FeS1.98，属硫亏型。

(2)第1期黄铁矿和第4期黄铁矿微量元素含量较少，成分简单;成矿元素大量进入第2期黄铁矿;第3期黄铁矿金矿化最强，且根据该期黄铁矿微量元素具有的Co/Ni比值和富含高温元素Mo，得该矿床为热液型金矿床，与矿区岩浆岩有关，且成矿温度较高。

(3)硫同位素组成特征表现出各期黄铁矿的物质来源各异。第1期黄铁矿硫具有生物硫特点，源自地表;第2期硫与邻近岩体硫同位素组成相近;第3期黄铁矿硫来源于深部;而第4期则富集重硫，具有海相硫的特点。

致谢:在野外实习工作中得到了新疆地矿局第四地质大队领导及技术人员的大力帮助与支持，在此表示衷心的感谢。

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Composition and Sulfur Isotope Characteristics of Pyrite and their Implications from Duolanasayi Gold Deposit，Xinjiang

NIE Fei1， DONG Guo-chen1，2， ZHANG Zhao-chong1
(1.China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.State Key Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment，East China Institute of Technology，Nanchang，JX 330013，China)

Duo lanasayi gold deposit in Xin jiang is located in the west of suture between Siberian and Kazakhstan plate，controlled by ductile shear zone.Pyrite is the main metal minerals of this gold deposit.Based on detail field investigation and indoor appraisal，this paper divided pyrites of the deposit into four periods，and the third one is mainly fine grains and broken crystals，which is an important period of gold mineralization.Different periods of pyrites were carried out electron microprobe and sulfur isotopic analysis，and study systematically typomorphic composition and sulfur composition of pyrite of important period of gold mineralization.This paper gets the chemical formula for the period of pyrite:FeS1.98，and it is poor in sulfur.The average ratio of Co/Ni is 1.488，inferred that the genesis of this period of pyrites is hydrothermal.δ34S(‰)values range from-3.8 ‰ ～-2.0‰，concentrated in the vicnity of the mantle-derived sulfur.It is indicated that sulfur of pyrite which is closely accompanyed with gold is mainly from the deep crust.

gold deposit;pyrite;typomorphic composition;sulfur composition;Xinjiang

P618.51

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1674-3504(2012)02-0111-08

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.02.002

2011-11-14 责任编辑:张国庆

国家重点基础研究发展规划项目(2009CB421002);111计划项目(B07011);中国地质调查局综合研究项目(1212010610104)

聂 飞(1986—)，男，硕士研究生，主要从事地质工程研究，E-mail:664215784@qq.com