山西耿庄金矿床流体包裹体特征及矿床成因

姚玉增，黄 菲，，彭艳东，刘 宁，王国光，吕安才

1.东北大学地质系，沈阳 110004

2.内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室（南京大学），南京 210008

3.东北大学秦皇岛分校，河北 秦皇岛 066004

4.丹东市土地收购储备交易中心，辽宁 丹东 118000

0 前言

耿庄金矿位于五台山北麓，隶属于山西省繁峙县伯强乡，是一以金为主、伴有银、铅、锌的多金属矿床，探明金金属储量近10t，是晋东北规模较大、地质特征较明显、具有代表性的金矿床之一［1］。围绕矿床成因问题，前人从地质特征［2－5］、隐爆角砾岩体特征［6－7］、金矿物特征［8］等诸方 面进行 了深入 研究，均不同程度地认为矿床应属与隐爆作用有关的中低温热液矿床；林建阳［9］系统研究了矿床的稀土元素及同位素地球化学特征，对采自大麻花沟101脉中的3件矿石样品进行了流体测温及H－O同位素测定，但未提及成矿期次、流体演化等方面内容。迄今为止，尚未见该矿床流体方面的系统研究内容。笔者在上述研究成果基础上，对矿床的流体包裹体进行了研究，结合稳定同位素及金矿物等内容，讨论了矿床成矿流体的演化过程和矿床成因。

1 区域及矿区地质

耿庄金矿大地构造位置处于吕梁-太行断块五台山块隆恒山-五台山穹状隆起之东北部。区域内出露地层主要有上太古界滹沱超群、上元古界长城系、古生界寒武系、奥陶系及新生界第四系（图1）。矿区内除第四纪沉积物外，主要为上太古界五台超群庄旺组，岩性以黑云斜长片麻岩为主，次为角闪斜长片麻岩、角闪片岩、绢云母石英片岩及斜长角闪岩等。

区域内构造发育。五台运动导致区内NE向大型复式褶皱、NE向大型韧性剪切带及NE-NNE向和NW-NNW向的2组断裂的产生，构成晋东北地区基底构造格架；中生代断裂构造运动强烈，多是基底构造的复活与发展，控制了本区中生代岩浆岩带及矿产的空间分布。耿庄隐爆角砾岩体（矿床）即由NNW向F1张扭性断裂和NE向压扭性断裂联合控制，构成一弧形展布的构造破碎带（图2）。

区域岩浆岩较为发育。五台期花岗岩类岩石及基性、超基性侵入岩控制了鞍山式铁矿及Cu、Ni等矿产；吕梁期主要为以岩墙形式侵入的辉绿岩；燕山期岩浆活动强烈而频繁，以酸性、中酸性侵入岩和火山活动为主，矿区内花岗闪长（斑）岩及隐爆角砾岩体控制了耿庄金矿的产出。

图1 五台山-恒山绿岩带岩性地层分布图［10］Fig.1 Petrology-map-of-Wutai－Hengshan-greenstone belt［10］

2 矿床地质

耿庄金矿床矿体严格受隐爆角砾岩体的控制。角砾岩体平面上呈似椭圆状，长轴为NNW向，长约1-000m，短轴长500m；剖面上呈斜漏斗状，深200～500m。围岩为下元古界五台群各种片麻岩、片岩组成的变质岩系，地貌上呈较明显的线状负地形（图2）。

全区共圈出大小工业矿体20余个，其中以9号矿体最为典型，延长254m，最大延深161m，形态呈脉状，矿体走向由南向北从NNW向转为NE向，倾角45°～80°，呈一向西凸起的弧形，平均品位7.9 g／t，平均厚度5.7m，本次样品即取自于该矿脉。

图2 耿庄金矿隐爆角砾岩体平面（a）和剖面（b）示意图［11］Fig 2 Plane（a）and section（b）map of cryptoexplosive breccia bodies in Gengzhuang gold deposit

按照与成矿作用的时间先后关系，围岩蚀变可分为3种：成矿前蚀变，主要为硅化、绢云母化、黄铁矿化、绿泥石化等，基本没有矿化；成矿期蚀变，分布于矿体及其两侧狭窄范围内，主要为硅化、黄铁矿化，常与方铅矿、闪锌矿等硫化物共生，是主成矿期；成矿后蚀变，见于矿脉及岩石裂隙中，主要为硅化、碳酸盐化、重晶石化，分布范围较为局限，标志着成矿作用的结束。

矿石矿物有黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、毒砂、金银系列矿物、辉铜矿、铜蓝、磁黄铁矿等；脉石矿物主要有石英、方解石、绢云母、高岭土、斜长石、钾长石、绿泥石、重晶石、黑云母等。矿石结构主要为碎裂结构、交代结构、溶蚀结构、交代残余结构等，矿石构造主要为致密块状、浸染状、角砾状等。

根据矿石矿物组成及其交代关系，耿庄金矿床成矿作用有3个阶段：1）成矿前阶段，硫化物以黄铁矿为主，波及整个隐爆火山机构及部分五台群地层，在整个晋东北具有统一性；2）成矿阶段，以致密块状及浸染状的多金属硫化物矿石为代表；3）成矿后阶段，硫化物分布局限，主要为少量的白铁矿和黄铁矿。

3 流体包裹体特征

在详细研究耿庄金矿地质特征及现场调研基础上，系统采集了矿石及围岩标本共22件，磨制光片、薄片及包体片共60余片（其中包体片15片），并对包裹体进行了系统研究；选择代表性的包裹体进行了激光拉曼光谱分析。需要指出的是，由于成矿后的石英分布极为局限，本文结合对该矿床重晶石的研究结果［12－13］予以讨论。

文中流体盐度采用张文淮等［14］公式计算；流体密度根据刘斌等［15］公式计算；流体压力则根据邵洁涟等［16］公式计算。

3.1 包裹体岩相学特征

耿庄金矿中包裹体含量较高，类型也比较复杂。根据包裹体的成分及相变特征，可以将包裹体划分为以下几种类型（图3）。

图3 耿庄金矿不同类型包裹体Fig.3 Inclusion types in Gengzhuang gold deposit

1）富气相包裹体（G型）：含量较多，圆形、椭圆形或不规则状，气液比达70%～90%，大小6～20 μm，多在10～15μm，主要出现于成矿前阶段石英中。

2）气液两相包裹体（L－Ⅰ型）：呈椭圆形、豆荚状、近方形或不规则状，气液比多在10%～30%，大小4～20μm，多在6～12μm，在各阶段均有出现。

3）含CO2三相包裹体（C型）：出现于成矿前阶段石英中，圆形或椭圆形，大小6～14μm，CO2相比例变化较大，为30%～70%，多孤立产出。

4）含子盐三相包裹体（S型）：出现于成矿前阶段，数量较少，浑圆状，气液比15%～20%，大小10～16μm，子矿物无色透明，立方体晶形，应该是NaCl晶体。

5）纯液相包裹体（L－Ⅱ）：数量较少，圆形或椭圆形，大小在4～12μm，多出现于主成矿期。

3.2 包裹体显微热力学研究

包裹体显微测温在吉林大学变质动力学及地质流体开放研究实验室进行，所用仪器为英国Linkam THMS－600型冷热台，可测温范围为－196～600℃。在测试前用人造纯H2O和25%的H2O－CO2包裹体（国际标样）对其系统校正，误差为±0.1℃，测试精度低于0℃时为±0.1℃，高于300℃时为±2℃。流体包裹体的测温结果见表1和图4。

成矿前阶段包裹体类型较多，以L－Ⅰ型包裹体为主，同时伴有G型、C型和S型包裹体。L－Ⅰ型包裹体均一温度较高，包裹体均向液相均一，均一温度221～380℃，集中于300～325℃和350～375℃2个区间，估算流体密度0.75～0.99g／cm3，冰点温度－14.4～－8.6℃，估算流体盐度（w（NaCl））为12.42%～18.38%；G型包裹体数量较多，均一过程中向气相均一，均一温度293～403℃，主要分布于350～375℃，估算流体密度0.72～0.81g／cm3，冰点温度－10.6～－6.5℃，估算流体w（NaCl）为9.86%～14.63%；C型包裹体数量较少，CO2相所占比例30%～75%，测温结果显示该类包裹体固相CO2熔化温度一般为－60.0～－57.1℃，CO2相部分均一温度为16.0～18.3℃，CO2水合物消失温度为6.9～7.5℃，反映此类包裹体w（NaCl）为4.3%～5.9%，包裹体完全均一温度309～366℃，集中于350～375℃，估算流体密度为0.81～0.89g／cm3；S型包裹体数量较少，仅在成矿前阶段发现2个，气液比为15%～20%，子矿物所占比例15%左右，子矿物无色，立方体晶形完好，说明子矿物应为NaCl晶体，测温结果表明此类包裹体子矿物先于气泡溶解，溶解温度为145.4～156.2℃，据Potter等（1978）公式可知该类包裹体w（NaCl）为29.5%～29.9%，包裹体完全均一温度为398～402℃。

表1 耿庄金矿矿石石英中包裹体显微测温结果Table1 Results of micro－temperature of fluid inclusions in quartz of Gengzhuang gold deposit

图4 耿庄金矿床包裹体均一温度直方图Fig.4 Histograms of homogenization temperature of inclusions in Gengzhuang gold deposit

在成矿作用早期阶段包裹体类型较为单一，主要为L－Ⅰ型包裹体，同时伴有少量L－Ⅱ型包裹体。L－Ⅰ型包裹体大小6～18μm，气液比10%～30%，冰点温度－16.8～－10.4℃，估算流体w（NaCl）为14.4%～20.1%；包裹体多向液相均一，均一温度191.8～351℃，集中分布于225～250℃及300～325℃2个区间，估算流体密度0.82～1.02g／cm3；纯液相包裹体数量较少，多为纯CO2包裹体，其固体CO2熔化温度及均一温度变化范围与含CO2三相包裹体基本类似。

主成矿期阶段包裹体类型较为单一，主要为L－Ⅰ型包裹体，含极少量的L－Ⅱ型包裹体。包裹体大小4～20μm，气液比5%～20%，冰点温度－9.6～－4.3℃，估算流体w（NaCl）为6.9%～13.5%；包裹体多数向液相均一，均一温度较低，集中于170～180℃之间，估算流体密度0.95～0.99g／cm3。

成矿后包裹体类型简单［12］，主要为L－Ⅰ型包裹体，含少量富气相包裹体和纯液相包裹体。流体均一温度变化范围较大，为134.7～269.5℃，集中分布于150～170℃、180～190℃和250～270℃3个区间；w（NaCl）较低，1.0%～3.8%，估算流体密度0.79～0.95g／cm3。

目前对于成矿深度的计算，尚没有成熟的理论和方法，而根据包裹体显微测温资料求得的成矿压力值误差较大，由此求得的成矿深度也为近似值。笔者对成矿压力的计算采用邵洁涟的经验公式［15］，结果表明成矿压力为（0.45～1.1）×108Pa，主要分布于（4.5～5.0）×107Pa和（8.0～9.0）×107Pa 2个区间。根据地壳深度增加1km，静岩压力递增2.5×107Pa计算，耿庄金矿的成矿深度应该为1.8～4.4km。

3.3 流体成分研究

包裹体成分分析在内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室（南京大学）完成，使用仪器为英国产Renishaw RM 2 000型激光拉曼光谱仪，实验条件：温度23℃，Ar离子激光器（514nm），风冷，狭缝宽50μm，光栅1 800，扫描时间30s，扫描次数为1次。共测试包裹体10个，其中成矿前阶段和主成矿期各4个、成矿早期2个，具体结果见图5。需要指出的是，成矿早期包裹体由于背景值过高，参考价值相对较低。

图5 耿庄金矿包裹体激光拉曼光谱Fig.5 The laser Roman microspectra of inclusions in Gengzhuang gold deposit

成矿前水溶液包裹体成分较复杂，除了主要成分水之外，还存在较多的H2S、CO2、N2等（还原性）气相组分，其中气相包裹体中的气体组分主要为CO2，含少量N2；成矿早期流体以 H2O为主，伴有少量CO2；主成矿期流体除了H2O外，还存在CO2和N2等气相组分；成矿后流体成分以H2O为主，含少量CO2［11－12］。以上研究结果表明，耿庄金矿成矿流体应属 H2O－NaCl－CO2体系。

4 矿床成因讨论

4.1 流体特征及演化

上述研究表明，耿庄金矿的形成与区域上的次火山隐爆作用息息相关，整个成矿过程中成矿流体发生了规律性的变化，主要表现如下：

1）成矿前阶段包裹体类型多样，包括G型、C型、S型及L－Ⅰ等。其中：G型、C型和L－Ⅰ型包裹体均一温度基本类似，主要集中于350～375℃，与S型包裹体均一温度（平均396℃）基本相近；G型包裹体中的气相组分主要为CO2，说明不同类型包裹体应是流体沸腾及CO2不混溶作用的结果［17－25］；流体内富含H2S等还原性气体，说明流体应是还原性（深源）的。

2）在成矿作用早期，包裹体类型主要为L－Ⅰ型，含极少量的L－Ⅱ型包裹体，说明该时期虽有较强的隐蔽爆破作用，但温压条件已较成矿前阶段小了很多；均一温度集中于225～250℃和275～300℃2个区间，表明隐蔽爆破作用是多次完成的。

3）在主成矿期，包裹体主要为L－Ⅰ型，伴有极少量的L－Ⅱ型包裹体；均一温度集中于170～180℃，属典型的中低温热液矿床范围；流体成分除H2O外，尚有CO2和N2等大气组分，说明在主成矿期有大气成因水的参与［25］；流体混合也许是成矿物质沉淀的主要机制。

4）成矿后重晶石研究结果表明，包裹体主要为L－Ⅰ型，含少量G型和L－Ⅱ型包裹体；均一温度为134.7～269.5℃，流体成分以 H2O为主，w（NaCl）为1.0%～3.8%，说明经过成矿前流体沸腾及成矿期成矿物质的沉淀富集，流体性质发生了明显改变。

4.2 H－O同位素特征

林建阳等［7，9］在耿庄金矿大麻花沟101矿脉采集3个主成矿期矿石样品并测定了其中的H－O同位素组成，结果见图6。由测试结果可以看出，流体氢同位素δD 为－112.1‰～－98.6‰，δ18O 为－19.9‰～－15.6‰（按照成矿温度130～260℃计算）。将上述3个点投影到氢氧同位素相关图解中，发现它们均落在大气降水线左侧，距离原始岩浆水和变质水很远，说明该阶段的成矿流体应以大气降水为主。

值得注意的是，前面的研究表明该阶段流体w（NaCl）仍然很高（6.9%～13.5%，平均10.23%），而大气降水不可能有如此高的盐度。因此，主成矿期流体应是火山热液与大气降水的混合热液；不同性质流体的混合可能是成矿物质沉淀的主要机制。

图6 耿庄金矿成矿流体氢氧同位素组成［7，9］Fig.6 TheδD－δ18 O composition map of fluid inclusion in Gengzhuang gold deposit

4.3 S同位素特征

耿庄金矿硫同位素特征［7，9］见图7。结果表明：黄铁矿的δ34S变化范围为0.5‰～7.2‰，平均为3.13‰，离散度为1.455 4；方铅矿的δ34S变化范围为－0.2‰～2.8‰，平均为1.33‰，离散度为1.156 31；闪 锌 矿 的 δ34S 变 化 范 围 为 1.6‰ ～3.9‰，平均为2.99‰，离散度为1.156 31。综合数据可看出：δ34S值分布范围狭窄，硫同位素组成直方图塔式效应明显，反映硫的分馏较好；δ34S平均值为2.9‰，总离散度为1.403 31，具深源（幔源）特征。

4.4 金矿物特征

寇大明等［10］利用电子探针技术研究了耿庄金矿矿石中自然金的成色，并利用图解技术研究了自然金成色与形成温度间的关系。结果表明，耿庄金矿床中金矿物多为银金矿，自然金成色（质量分数）多为508‰～745‰，平均为673‰，显示出浅成、中低温热液矿床的特点。

图7 硫同位素组成直方图［7，9］Fig.7 Histogram of sulfur isotope composition

综上所述：在成矿前阶段，深部富还原性气体的深部流体向上迁移，在流体压力超过上覆岩层压力时流体发生强烈沸腾，导致区域上隐爆角砾岩体的产生；在成矿作用早期阶段，先期形成的角砾岩体圈闭，流体压力升高而产生多次隐爆作用，并伴有微弱的矿化作用；在主成矿期，流体演化进入到后期，次火山热液温度、压力大大降低，同时大气降水沿先期隐爆裂隙贯入并与次火山热液混合，导致金银等成矿元素与多金属硫化物同时沉淀，从而形成了耿庄金矿。

5 结论

1）在成矿前阶段，富气相（G型）和富液相（L－Ⅰ型）、含CO2三相（C型）及含NaCl子盐三相包裹体（S型）以相似均一温度相伴出现，表明该阶段深部来源的流体发生了明显的沸腾或不混溶作用，气相组分的爆破作用是隐爆角砾岩体形成的主要因素。

2）隐爆角砾岩体是流体运移及矿质沉淀的良好场所，大气降水与次火山热液的混合是导致成矿物质沉淀富集的主要因素。

3）耿庄金矿成矿温度集中于170～180℃，矿床应属与中生代次火山热液有关的中低温热液型金矿床。

流体包裹体的测温得到了吉林大学变质动力学及地质流体开放研究实验室王可勇和王力老师的大力协助；激光拉曼光谱分析得到了南京大学内生成矿国家重点实验室的帮助；野外工作得到了中国黄金集团山西黄金公司及繁峙县黄金公司的大力协助。在此一并致谢！

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