夏甸金矿床主、微量元素特征及其地质意义

于 昆，刘国生，陈皓龙，周庆卫，闵祥吉

(1. 合肥工业大学 资源与环境工程学院，合肥 230009； 2. 中国冶金地质总局 山东正元地质勘查院，济南 250101)

胶东地区是我国最重要的金矿集中区以及黄金产地，焦家式破碎带蚀变岩型金矿及玲珑式石英脉型金矿闻名海内外，其已经探明的金矿储量约占全国1/4。从太古代到新生代，胶东地区的岩浆活动较为频繁，其中尤以燕山期岩浆活动最为剧烈，既发育有火山岩，也赋存有侵入岩(包括浅成、超浅成侵入岩及深成侵入岩)。在漫长的岩浆演化过程中，胶东地区的构造活动亦十分活跃，其中最主要的为扬子克拉通与华北克拉 通的碰撞造山作用和古太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲及其相关地质作用[1]。由于岩浆演化及构造活动叠加的多期性和复杂性，胶东金矿区一直备受国内外地质学者的关注。然而，该区花岗岩形成时代、金矿成矿时间、成矿物质来源等问题尚存在争议。

随着地球化学测试手段的不断发展及精度的日益提高，许多学者对胶东地区富含金矿的岩石做了大量测试及研究，得到许多有意义的数据。根据同位素年代学结果，玲珑岩体形成时代为150～160 Ma[2-4]；郭家岭岩体年龄主要集中在120～130 Ma[2,5]，表明这些岩体形成于晚侏罗世至早白垩世。对于金矿成矿时间，有些学者[6-7]认为成矿时期为前寒武纪，属于变质热液成因。大多数学者[8-11]认为是在燕山期成矿，成矿发生在130～110 Ma之间。

成矿物质来源目前存在较大的争议，但绝大多数学者都认识到成矿物质来源的复杂性及多元性，主要观点有主张壳源[12]或花岗绿岩地体和孔达岩系来源[11,13]、幔源[14-15]、壳幔混合作用[16-18]，也有部分学者[19-20]认为煌斑岩在金矿化中也提供了部分成矿流体。

而位于该矿集区招平断裂带上的夏甸金矿床，属于蚀变岩型金矿床。臧维生等[21]通过对比不同阶段黄铁矿特征，建立找矿标型，肯定了矿体的深部远景，但未做进一步研究工作。穆太升等[22]和DENG等[23]通过对夏甸金矿石英中流体包裹体和矿石微量元素研究，认为含金流体为幔源—岩浆和变质的复合成因，提出复合含金流体主动就位机制。徐庆鸿等[24]通过对夏甸金矿组分特征研究，揭示夏甸金矿床中流体发生了不同程度的壳幔混合，其成矿作用与胶东群变质岩和深源中—基性脉岩关系密切。但也有学者[25]认为其成矿流体主要来源于大气降水，并通过对比其他地区角闪石中金的含量，认为胶东群变质岩与成矿物质来源具有相关联系。李楠等[26]通过对夏甸金矿床围岩、蚀变岩岩石学及地球化学的研究指出，蚀变岩稀土元素轻重分异相对原岩更加明显，具有较高的Si、Al、Fe等及明显的Eu异常。以上研究表明，研究者虽然在夏甸成矿物质来源方面做了一定的研究工作，但对其具体成因，尤其与构造之间的关系缺乏系统深入的分析，需要做进一步的研究工作。综上所述，本文作者选取夏甸金矿井下围岩及矿石为研究对象，对其进行主量元素、稀土元素和微量元素测试分析，深入剖析岩石的地球化学特征，并结合区内控矿构造特征，对金矿的成因进行了探讨，为进一步研究胶东地区金矿床的形成提供丰富的信息。

1 地质背景及样品特征

1.1 地质背景

夏甸金矿矿区位于华北板块东南缘胶北隆起带，西侧为沂沭深大断裂，北部为栖霞复背斜，南接胶莱盆地(见图1)。

图1 夏甸金矿大地构造位置[27]及矿区地质图1—第四系；2—粉子山群；3—胶东群；4—玲珑型花岗岩；5—基性岩；6—压扭性断层；7—硅化及绢英岩化；8—构造破碎带 Fig.1 Tectonic location of Xiadian Gold Deposit (a) and its geological sketch (b) 1—Quaternary system; 2—Fenzishan group; 3—Jiaodong group; 4—Linglong granite; 5—Basic rock; 6—Compressive shear faults; 7—Silicification and sericitic alteration; 8—Altered fracture zone

区内出露地层较为简单，主要为太古代的胶东群 及元古代的粉子山群。胶东群的主要岩性为一套黑云变粒岩、斜长角闪岩、角闪黑云变粒岩夹磁铁石英岩等的岩石组合，而粉子山群主要由变粒岩、片岩、浅粒岩、长石石英岩等构成的一套复杂的岩石组合。区内岩浆岩广泛发育，主要为玲珑中粗粒二长花岗岩及黑云母花岗岩；区内脉岩较为发育，主要为闪长玢岩及煌斑岩。

区内断裂构造主要，招平断裂带中段芝下—姜家窑断裂贯穿矿区，断裂总体走向为45°，倾向SE，倾角35°～50°，断裂上盘为胶东群变质岩，下盘为郭家店岩体，岩性为中粗粒二长花岗岩。该断裂走向及倾向均呈舒缓波状，为压扭性构造，带内发育碎裂岩、糜棱岩、断层泥等[28]，为本区主要控矿断裂。

夏甸金矿床为典型的蚀变岩型金矿床，受构造控制十分明显。矿体主要赋存于断裂带下盘的黄铁绢英岩化碎裂岩及蚀变岩带中，蚀变类型主要有钾长石化、碳酸盐化、绢云母化、硅化及黄铁矿化，其中与金矿化密切的为绢云母化、硅化及黄铁矿化。矿体形态复杂，主要呈脉状、透镜状、似层状等，具有分支复合、尖灭再现的特征[29]。

1.2 样品特征

本样品采自夏甸金矿床井下(招平断裂带下盘蚀变带内)，按照距离招平断裂带由近及远的顺序，共采集4件样品(依次为XD1-1、XD1-3、XD2-1、XD2-5，其中XD1-3采自矿体内)，均十分新鲜，未受风化影响。通过野外观测及室内显微镜岩石学鉴定(见图2)，各样品均受到不同程度的蚀变，其中XD1-1为花岗闪长岩，XD1-3为黄铁绢英岩，XD2-1绢云母化碎裂岩，XD2-5为钾长花岗岩。XD1-1(见图2(a))主要矿物为石英(含量约为50%)及斜长石(含量约为30%)，含少量云母及其他矿物，发育一条宽约0.5 mm的方解石脉，岩石发生绢云母化及碳酸盐化；XD1-3(见图2(b)和(c))主要矿物为石英(含量约为35%)及斜长石(含量约为40%)，含少量云母及其它矿物，副矿物为黄铁矿，发生绢云母化、硅化及黄铁矿化； XD2-1(见图2(d))主要矿物为石英(含量约为30%)及微斜长石(含量约为50%)，副矿物为黄铁矿，发生绢云母化及钾长石化。

2 分析方法

本次样品的主量元素、微量元素分析是在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行的。主量元素分析使用的分析仪器为日本理学RIX2100系列X射线荧光光谱仪(XRF)，分析精度≤±4%。微量元素采用ICP- MS(Perkin Elmer公司具动态反应池的Elan 6100 DRC)法完成。

图2 夏甸金矿床样品显微照片(+) (矿物代号，Qtz—石英；Pl—斜长石；Cal—方解石；Ser—绢云母；Mc—微斜长石； Py—黄铁矿)：(a) XD1-1；(b) XD1-3；(c) XD1-3；(d) XD2-1 Fig.2 Microstructures of the Xiadian Gold Deposit(+) (Mineral abbreviation：Qtz—Quartz; Pl—Plagioclase; Cal—Calcite; Ser—Sericite; Mc—Microcline; Py—Pyrite)：(a) XD1-1; (b) XD1-3; (c) XD1-3; (d) XD2-1

样品的处理首先挑选新鲜的样本，利用岩石切片刀切除岩石表面部分并用清水冲洗干净后低温烘干， 接着对挑选的样品进行粗碎、缩分。之后再在研磨机上细磨到74 μm以下，在105 ℃的条件下烘干2～4 h，最后置于无尘干燥器皿中冷却至室温后备用。

主量元素分析采用碱熔玻璃片法在X荧光光谱仪上测定。其中，烧失量(LOI)和FeO采用标准湿法化学分析法。样本用无水硼酸锂熔融，配以氧化剂-硝酸铵、助溶剂-氟化锂、脱模剂-溴化锂。样品按质量比1：8的标准配比。在温度1150～1250 ℃的熔样机上熔融，制成玻璃片后准备测试。测试仪器采用日本理学公司的RIX2100型光谱仪，X射线管为对轻重元素有很好激发效应的Rh靶端窗管，设定X射线管额定功率为3.0 kW，管电压50 kV，管电流50 mA。测定时经BCR-2和GBW07105标样监控，并用USGS标准确定工作曲线。主量元素的测试精度达到0.01%，实验分析误差小于5%。

测定微量元素之前首先对样品进行分解。利用HNO3+HF+HCl敞开容器分析法与HNO3+HF密闭容器消解法共同分解样品，从而保证样品充分被溶解。该方法污染小，不带入任何的金属离子，同时HF和HNO3更易于纯化的特点。样品配置好后，在ICP-MS上测定。该实验仪器为美国Elan 6100 DRC型电感耦合等离子质谱仪。样品经过BHVO1、AVG1、GSR1和BIR1国际标样监控，Ga、Rb、Zn、Co、Ni、Y、Zr、Ta、Hf和REE等元素测定精度优于5%，极少数低浓度元素的测量精度为5%至10%。

3 分析结果

3.1 主量元素

夏甸金矿床侵入岩全岩主量元素分析结果见表1，SiO2含量变化于52.86～73.63之间。XD1-1和XD2-1的里特曼指数(δ)分别为1.76和1.94，均小于3.3，属于钙碱性系列；XD1-3(金矿石样品)和XD2-5的里特曼指数(δ)分别为3.51和3.71，均大于3.3，而小于9，属于碱性系列。通过计算，所取样品Al2O3/(Na2O+ K2O+CaO)的比值均大于1，说明夏甸金矿床采集的岩石样品均为过铝质岩石。

表1 夏甸金矿床样品主量元素、微量及稀土元素分析结果 Table1 Major and trace elements contents of samples of Xiadian Gold Deposit

将夏甸全部岩石样品的主要氧化物含量(无CO2、H2O及烧失量)重新换算成100%，投在侵入岩TAS分类图解(见图3)。由图3可以看出，XD1-1、XD2-5均投在花岗岩区域内， XD1-3(金矿石样品)落在石英二长岩与二长岩界线附近， XD2-1则在闪长岩区域内。

图3 夏甸金矿床样品TAS图解 Fig.3 TAS diagrams of samples of Xiadian Gold Deposit

3.2 微量元素

夏甸金矿床岩石样品全岩微量元素和稀土元素分 析结果见表1。在微量元素蛛网图(见图4)中可以看出，除XD2-5之外，其他样品具有相似的曲线配分型式，具有富集大离子亲石元素(LILE，如K)，相对亏损高场强元素(HFSE，如Th、P、Nb、Ta、Ti)，Pb正异常，具有弧微量元素的特征，表明其源区含有弧来源陆壳物质或弧来源陆壳物质的再造[30-31]。XD2-5则相对富集K、Pb等大离子亲石元素，亏损Th、Ce、Nd、Sm、Ti等高场强元素。

在稀土元素配分图解(见图5)中可以看出，除XD2-5表现为左倾重稀土富集、轻稀土相对亏损外，其他均表现为右倾轻稀土富集、重稀土相对亏损的特征。除XD2-5外，其他3个岩石样品的稀土元素配分曲线具有相似性，说明三者之间可能具有同源性，而XD2-5则可能与上述三者具有不同的物源区或者具有不同的演化方向。

夏甸金矿的XD1-3(黄铁绢英岩)的∑REE值相对最大，为131.64×10-6，LREE/HREE值为9.57，(La/Sm)N值为5.62，(Gd/Yb)N值为2.16，说明其轻稀土元素的分馏程度较强而重稀土分馏较弱；其次为XD2-1(绢云母化碎裂岩)，∑REE值为58.67×10-6，LREE/HREE值为6.65，(La/Sm)N值为5.85，(Gd/Yb)N值1.72，表明其轻稀土富集程度较大，重稀土富集程度相对变弱。XD1-3(黄铁绢英岩)的δEu值为0.42，与李楠等[26]所测结果(δEu值为0.41)相近，具有明显的铕负异常，表明在成矿过程中斜长石发生了明显的结晶分异作用，同时这可能也暗示了明显的铕负异常与金矿化之间具有一定联系。δCe值为0.96，具有弱的铈负异常，且所测样品的δCe变化不大，δCe在0.85 ～0.96之间，均显示铈负异常，表明金矿成矿的物理化学条件为氧化环境。

图4 夏甸金矿床样品微量元素蛛网图(原始地幔标准化数值据SUN等[32]) Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams of samples of Xiadian Gold Deposit (Normal primitive mantle data after SUN et al[32])

图5 招远地区部分金矿床稀土元素配分型式图(C1球粒陨石标准化数值[33]) 数据来源：DYG1-1、DYG1-2(刘庚寅等[34])；JJ1-1(庞绪成等[35])；LL1-1、LL1-2(王超凡等[36]) Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of some Gold Deposits in Zhaoyuan (C1 normal chondrite data after BOYNTON[33],1984) Data sources：DYG1-1,DYG1-2(LIU Geng-yin,et al[34]); JJ1-1(PANG Xu-cheng,et al[35]); LL1-1,LL1-2(WANG Chao-fan,et al[36])

XD2-5稀土元素分配型式相对平缓，具有明显的Eu正异常，LREE/HREE值为1.52，(La/Sm)N值为2.96，(Gd/Yb)N值为0.65，轻稀土与重稀土分馏程度均比较弱。

此外，通过对比大尹格庄金矿床黄铁绢英岩(DYG1-1)、黄铁绢英岩化碎裂岩(DYG1-2)、焦家金矿床黄铁绢英岩(JJ1-1)、玲珑金矿床黄铁绢英岩(LL1-1、LL1-2)，可以看出玲珑金矿床黄铁绢英岩(LL1-2)与夏甸金矿床的金矿石(XD1-3)的稀土元素具有相似的分配型式，暗示其可能与玲珑岩体的演化相关。

4 讨论

4.1 岩石物质来源

图6 夏甸金矿床岩石样品源岩判别图解[37](底图据ALLÈGRE 等)：A—玄武岩；B—花岗岩；C—金伯利岩； D—碳酸盐岩；E—沉积岩(钙质泥质)；F—球粒陨石；1—大洋拉斑玄武岩；2—大陆拉斑玄武岩；3—碱性玄武岩 Fig.6 La/Yb-∑REE discrimination diagram of samples of Xiadian Gold Deposit[37] (Base map after ALLÈGRE,et al)： A—Basalt; B—Granite; C—Kimberlite; D—Carbonatite; E—Sedimentary rock (calcic or pelitic); F—Chondrite; 1—Oceanic tholeiite; 2—Continental tholeiite; 3—Alkali basalt

将夏甸岩石样品投于(La/Yb)-∑REE图解(见图6[37])中，由图6可以看到，XD1-1和XD2-1均落在沉积岩(钙质泥质)区域中，XD1-3处在花岗岩区域附近并落于沉积岩(钙质泥质)区域内。翟明国等[38]对胶辽 地块研究后认为，以辽河群为代表，其原岩可能代表了陆内裂谷盆地的沉积建造，局部可能已形成小的洋盆，并有深水沉积的岩石出现，其后经历了裂陷盆地的闭合及花岗岩(或岩墙)的侵入，可以推测上述3个岩石样品的原岩可能与沉积岩(钙质泥质)有关，并与后期花岗岩的侵入具有一定联系；XD2-5则位于球粒陨石区域中，说明其可能有地幔物质的加入，这可能与1850～1650 Ma的大陆裂解事件群有关[39](包括华北陆块整体抬升、基性岩墙群侵入、斜长岩-奥长环斑花岗岩非造山岩浆活动等一系列地质事件)。本文作者对夏甸金矿床岩石样品进行的LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学测试分析，得到招平断裂下盘岩体的加权平均年龄为(1840±20) Ma(数据另文发表)，为古元古代时期，在此期间胶东地区经历了复杂的古元古代构造岩浆热事件[38,40]。可以推测，夏甸金矿床的岩石样品原岩既有地壳物质来源，又有地幔物质来源；夏甸金矿在构造运动、岩浆演化过程中可能受到地球深部壳幔演化动力学机制的控制。

夏甸金矿床样品具有明显的Nb、Ta、Ti负异常(见图4)，表明地壳物质在成岩过程中具有重要作用，可能参与了岩浆过程。黄铁绢英岩(XD1-3)具有明显的Eu负异常(见图4)，表明岩浆上升过程中发生了强烈的长石分离结晶作用或者在部分熔融过程中斜长石呈残留相保存，即岩浆在地壳深部有一段时间的停留或来源于地壳。通过表1可以看出，夏甸金矿床岩石样品均具有较高Mg#值(51.33%～65.09%)，明显高于玄武岩部分熔融形成的熔体，表明源区中存在幔源物质的参与，可能经历过基性岩浆与酸性岩浆的混合。

此外，夏甸金矿床岩石样品的Nb/Ta值在14.82～26.93之间，明显高于苏鲁造山带内典型的壳源花岗岩[41](11.2～13.6)及大陆地壳[42](12～13)。这表明地壳原岩的部分熔融无法解释夏甸金矿床岩浆岩的形成，从另一方面说明其源区应存在幔源物质的参与。

毛景文等[43-44]通过对胶东地区几个典型金矿进行碳氢氧同位素研究，论证了地幔流体参与了胶东金矿成矿作用，为同一深部流体库中的流体上涌，并与围岩发生强烈水岩反应和地壳流体混合。也有部分学者[22-24]从深大断裂、矿脉与岩脉之间的关系、流体包裹体地质、地球化学及年代学、烃类组分特征等方面进行研究，均认为夏甸金矿成矿过程中有幔源流体的加入并发挥重要作用。ZHOU等[45]和刘建明等[46]通过对胶东地区岩矿石的Sr-Nd同位素研究表明，金矿体内矿物Sr-Nd同位素组成与同时代的胶东幔源岩浆岩和镁铁质岩墙的Sr-Nd同位素组成相近，且与胶东地壳基地老变质岩以及同时代的花岗岩的Sr-Nd同位素组成具有一定联系[47]。

综上所述，夏甸金矿床岩石物质来源具有多元性及复杂性的特点，既来自于壳源物质，又有幔源物质参与，具有壳幔混合的特征。

4.2 构造环境分析

本文作者将夏甸金矿床岩石样品投入lg δ-lg τ图解(见图7)中，由图7可以看出，XD1-1、XD1-3、XD2-1均投在造山带区域，XD2-5处于造山带与派生区区域之间，说明夏甸金矿床所取的岩石样品可能形成于造山带环境。

在Rb-(Y+Nb)图解(见图8)中，夏甸金矿床岩石样品均落在VAG(火山弧花岗岩)区域，而大陆边缘的火成岩弧总体区域背景属于造山带，反映了一个挤压构造环境，或者从三维空间角度来说，它是岩石圈或地壳的汇聚带，但是在汇聚带的局部地段可以处于挤压环境亦可以处于伸展环境，或者随时间推移，汇聚带的构造演化中挤压与伸展环境多次交替[48]，因此，Rb-(Y+Nb)图解与lg δ-lg τ图解所反映的构造环境具有一致性。

图7 夏甸金矿床岩石样品lg δ-lg τ图解 Fig.7 lg δ-lg τ discrimination diagram of samples in Xiadian Gold Deposit

图8 夏甸金矿床岩石样品Rb-(Y+Nb)判别图解(VAG—火山弧花岗岩；syn-COLG—同碰撞花岗岩；WPG—板内花岗岩；ORG—洋脊花岗岩) Fig.8 Rb-(Y+Nb)discrimination diagrams of samples of Xiadian Gold Deposit (VAG—Volcanic arc granite; syn-COLG—Syn-collision granite; WPG—Within plate granite; ORG—Ocean ridge granite)

此外，胶东地区处于华北克拉通东南部，为大陆边缘活动带，其构造位置亦具有特殊性，翟明国等[38]通过对华北克拉通古元古代表壳岩系、高压麻粒岩和孔兹岩系研究后认为，在1850 Ma左右，华北克拉通 经历了一次挤压构造事件，导致裂陷盆地的闭合和焊接，形成了胶辽活动带，类似于现代的陆-陆碰撞型造山带。另有研究认为，在古元古代时期，华北克拉通经历了从挤压体制向伸展体制转化的过程，但具体转化时间仍不清楚，具有代表性的时间有1.9 Ga[49]、1.85 Ga[38]、1.92～1.85 Ga[50-51]，本次所测年龄((1840± 20 )Ma)与上述研究得出的年龄基本一致，说明该时期处于挤压造山时期或由挤压向伸展转化的初期，由此可以推断，夏甸金矿床所在的郭家店岩体应该形成于挤压造山环境。

4.3 地质意义

构造与成矿的关系是密不可分的。夏甸金矿床受北北东向断裂控制十分明显，其中招平剪切带是重要的导矿和容矿主干构造[24]，说明其含矿热液是在招平断裂形成之后，沿断裂及裂隙上涌与围岩交代蚀变形成矿体。而招平断裂作为郯庐断裂带所产生的次级断裂，其在形成时间上应与郯庐断裂带同期或者稍晚，在构造演化上具有一致性。因此，夏甸金矿床中岩、矿石稀土元素的含量及其变化深受构造运动和物理化学环境的影响，为进一步探讨矿床成因及演化提供了一定的参考价值。

而目前对于胶东金矿成矿动力学背景主要存在以下观点：胡受奚等[52]、孙景贵等[53]指出胶东金矿矿集区处于古太平洋板块向欧亚大陆俯冲的弧后拉张的背景下；刘建明等[46,54]、翟明国等[55-56]认为形成于华北东部中生代动力学体制转折期；陈衍景等[57]认为与扬子和华北克拉通碰撞造山过程中由挤压向伸展环境转变有关；WANG等[58]、罗镇宽等[59]提出其成矿出现于华南与华北克拉通后碰撞弧构造环境；毛景文等[60-63]则提出三大成矿事件所对应的相关动力学背景(华南与华北克拉通后碰撞伸展、构造体制大转折晚期的伸展、近东西向岩石圈大规模快速减薄)。以上研究均强调了伸展或岩石圈减薄的环境对胶东地区大规模成矿作用的重要性。朱日祥等[64]研究发现，在早白垩世华北克拉通东部进入破坏峰期，而此时期郯庐断裂带也转变为伸展活动，在深部则发生岩石圈转型、减薄(主要表现形式为岩浆活动)。中生代火成岩的广泛分布，指示了华北克拉通岩石圈减薄伴随着岩石圈地幔性质的改变，而华北克拉通古老岩石圈地幔则经历过再循环地壳物质的强烈改造[65]。地球物理资料显示，郯庐断裂带切穿整个地壳并深达岩石圈地幔[66]，为岩石圈内的强烈减薄带，在华北克拉通破坏中起到重要作 用[67-68]，对后期流体进入岩石圈地幔和岩石圈地幔发生部分熔融提供了有利条件。可以推断，作为与郯庐断裂带的演化一致的次级断裂(招平断裂)，受到华北克拉通破坏的影响，发生伸展活动，从而为含矿热液的运移及就位提供通道，进而与围岩发生交代蚀变形成矿体。因此，夏甸金矿床应该是在华北克拉通处于伸展环境下形成的。

5 结论

1) 夏甸金矿床岩石具有富集大离子亲石元素及轻稀土元素，相对亏损高场强元素及重稀土元素的特征；黄铁绢英岩(金矿石)Eu负异常明显，这可能与金矿化具有一定联系。

2) 夏甸金矿床所在的郭家店岩体是在古元古代挤压造山环境下或由挤压环境向伸展环境转化时形成的，具有壳幔混合的特征。

3) 夏甸金矿床是早白垩世华北克拉通处于伸展背景下形成的产物，该时期作为郯庐断裂带的次级断裂——招平断裂发生了伸展活动，不仅为含矿热液的上升提供了通道，而且为金矿床的形成提供了有利条件。

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