山东胶东地区盘子涧金矿成矿流体He-Ar同位素地球化学特征

毛光周，何铁良，许庆林，杨锋杰，曹明平，安鹏瑞，窦义鑫，于晓卫，刘晓通，孟令强，宋立国

(1. 山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2. 山东省地质调查院，山东 济南 250014；3. 山东省地质科学研究院 国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室/山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013； 4. 荣成市人才创新发展中心，山东 荣成 264300；5. 永城煤电控股集团有限公司新桥煤矿，河南 永城 476600)

0 引 言

山东胶东地区是中国最重要、产量最大的金矿集区，累计探明黄金储量超过5 000 t，占全国黄金总储量的25%以上，是世界第三大金矿集区[1-5]。盘子涧金矿位于胶东地区三大金成矿带之一的蓬莱—栖霞金成矿带南部[6]，金矿化类型为石英脉型金矿，Au平均品位高达22.50×10-6。

成矿流体本质是地质流体经过特定的地质活动演化而形成的特殊产物，不仅在成矿作用中起到了运载成矿物质的媒介作用，同时还有传递能量的功能[7]。因此，示踪成矿流体的来源对揭示金属矿床成因具有重要意义[8-11]。前人已对盘子涧金矿周边同类型矿床中的石英、碳酸盐矿物进行了C-H-O稳定同位素示踪和石英流体包裹体研究，对该地区金矿成矿流体的主要认识有：①金矿床系幔源C-H-O流体分异成矿[12]；②成矿流体以幔源为主，大气降水参与程度低[13-14]；③成矿热液具有变质和岩浆热液的双重成矿作用特征[15]；④成矿热液属于大气降水成因[16-17]。由此可见，前人对研究区成矿流体的认识仍存在较大分歧，在一定程度上制约了山东栖霞地区石英脉型金矿矿床成因的研究以及深部找矿、勘查工作部署。

稀有气体He、Ar具有特殊的化学惰性，可在长期地质活动中保持性质基本不变，而且不同源区的成矿流体具有差异性明显的He-Ar同位素组成，因此，He、Ar同位素被广泛应用于成矿古流体的示踪研究[18-20]。黄铁矿作为盘子涧金矿中最为重要的载金矿物，前人已证明其原生流体包裹体具有理想的封闭性，是用于研究流体包裹体He-Ar同位素组成的理想寄主矿物[19-24]。基于此，本文选取山东胶东地区盘子涧金矿成矿期载金黄铁矿为研究对象，在详细的矿相学观察基础上，对成矿期载金黄铁矿中流体包裹体的稀有气体He-Ar同位素组成进行分析测试，并探讨了盘子涧金矿成矿流体的来源及性质，为揭示盘子涧金矿矿床成因及深部找矿工作提供借鉴。

1 矿床地质特征

1.1 区域地质背景

盘子涧金矿位于山东省栖霞市城东8 km处，构造位置位于华北板块东部胶北隆起区蓬莱—栖霞金成矿带南部(图1)。区域内主要出露第四系沉积地层和新太古代变质地层。第四系沉积地层主要分布在沟谷、河床及地势低洼处，多为砂质黏土、腐殖土；新太古代变质地层主要是胶东群苗家岩组，呈不规则小规模长条状、椭圆状出露于栖霞超单元中，其岩性为斜长角闪片麻岩、斜长角闪岩、黑云变粒岩。

栖霞复背斜呈EW向展布，其两翼发育有近EW向压扭性断裂。研究区内断裂构造极为发育，NE向左旋压扭性断裂发育，自东向西为马家窑—上庄头断裂、盘子涧—罗家断裂、寨里—杨础断裂和霞址—乔家断裂，呈20°～45°方向展布，并派生一系列次级断裂构造，构成了一套复杂的断裂系统，将EW向栖霞复背斜分成多段(图1)。这一套断裂系统对该地区金矿的分布起着明显的控制作用，区域内多数金矿位于NE向断裂与其次级断裂交汇处(图1)。

图件引自文献[13]，有所修改图1 山东栖霞地区地质简图Fig.1 Geological Sketch Map of Qixia Area in Shandong

1.2 矿床地质特征

盘子涧金矿位于NE向盘子涧—罗家断裂东侧，矿区内发育多条NW向次级断裂，被后期生成近于平行、规模不等的石英脉充填，长一般为300～1 000 m，宽为0.3～1.8 m，走向为280°～330°，倾向NE，倾角为30°～50°，沿走向及倾向方向呈舒缓波状，矿脉具分枝现象，局部地段矿化强烈(图2)。一系列NW向次生断裂为主要的控矿、容矿构造，不仅控制了含金石英脉的空间展布，同时也使含金石英脉有了就位空间，可向深部延伸。

盘子涧矿区内矿脉受NW向断裂构造控制强烈，矿区主要含有4条矿脉、14个矿体，其中Ⅰ号矿脉中有6个矿体，Ⅱ号矿脉中有1个矿体，Ⅳ号矿脉中有2个矿体，Ⅴ号矿脉中有5个矿体。矿脉长为200～800 m，走向为310°～341°，倾向NE，倾角为30°～49°，金矿体皆赋存于NW向断裂构造中(图2)，表明金矿化受断裂构造控制。

图件引自文献[25]，有所修改图2 盘子涧金矿地质简图Fig.2 Geological Sketch Map of Panzijian Gold Deposit

图3 矿石照片Fig.3 Photos of Ores

盘子涧金矿为石英脉型金矿。矿石矿物主要为黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、自然金和金银矿，次为磁黄铁矿、菱铁矿；脉石矿物主要为石英、绢云母、方解石等，并含有少量白云石。对矿石手标本观察可见，矿石构造以团块状构造[图3(a)]、浸染状构造[图3(b)]、脉状构造[图3(c)]、网脉状构造[图3(d)]为主。显微镜下，黄铁矿常以碎裂结构[图4(a)]、半自形—自形粒状结构[图4(b)]和交代残余结构[图4(g)]出现；黄铜矿、方铅矿、闪锌矿常呈他形晶粒沿早期形成的石英和黄铁矿裂隙分布，形成他形粒状结构；镜下可见黄铜矿在闪锌矿中呈乳滴状分布，形成固溶体分离结构[图4(f)、(g)]。矿石中主要的载金矿物为黄铁矿、黄铜矿，金矿物常以包裹金和裂隙金的赋存形式出现[图4(b)、(e)、(f)]。矿体围岩主要是栖霞超单元回龙夼单元，主要岩性为片麻状中细粒含角闪石云英闪长岩和奥长花岗岩。矿体围岩蚀变不甚发育，其规模和强度取决于断裂构造的规模、性质及岩石的碎裂程度，蚀变类型有黄铁绢英岩化、绢云母化、硅化、碳酸盐化、钾长石化、绿泥石化等。

根据矿脉的穿插关系、矿石结构和构造、矿物组合的特征，可将盘子涧金矿成矿作用划分为4个矿化阶段,即黄铁矿-石英阶段(Ⅰ阶段)、石英-黄铁矿(绢云母)阶段(Ⅱ阶段)、金-石英-多金属硫化物阶段(Ⅲ阶段)和石英-碳酸盐阶段(Ⅳ阶段)。黄铁矿-石英阶段为成矿的早期阶段，石英呈乳白色，多为半自形结构；黄铁矿数量较多，多为粗粒半自形—自形结构，呈浸染状或团块状分布于石英中，普遍发育碎裂结构[图4(a)]；该阶段几乎无金矿化。石英-黄铁矿(绢云母)阶段石英多为半自形晶体，可见少量绢云母；黄铁矿多以中粒自形结构分布于石英和绢云母中，晶形呈立方体或五角十二面体，其粒径集中在80～400 μm；但该阶段黄铁矿数量较少，零星可见少量黄铜矿，在黄铁矿内部可见包裹金[图4(b)、(c)]。金-石英-多金属硫化物阶段是主要的金矿化阶段，石英呈烟灰色，粒度较细；多金属硫化物主要为黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿[图4(e)～(h)]等，分布在早期形成的石英和黄铁矿裂隙中，黄铜矿有时会以乳滴状、蠕虫状出现在闪锌矿中形成固溶体分离结构[图4(f)、(g)]；该阶段金的赋存形式较多，但多以裂隙金在黄铜矿和方铅矿中出现[图4(d)～(f)]。石英-碳酸盐阶段是成矿的末期阶段，矿物组合单一，以石英、方解石、白云石为标志矿物；该矿物组合含量较少但分布广泛，方解石和石英常呈细脉状分布在成矿早期形成的裂隙中[图4(i)]；该阶段金矿化几乎不发育，标志着金矿化作用的结束。

2 样品采集及分析方法

本次用于黄铁矿流体包裹体He-Ar同位素分析的矿石样品均选自山东胶东地区盘子涧金矿地下坑道中。依据野外及室内详细的岩相学观察，共选取4件载金黄铁矿样品用于流体包裹体He-Ar同位素分析。其中，石英-黄铁矿(绢云母)阶段两件样品(PZJ-07、PZJ-08)和金-石英-多金属硫化物阶段两件样品(PZJ-04、PZJ-15)均为金成矿阶段的黄铁矿；由于黄铁矿-石英阶段和石英-碳酸盐阶段黄铁矿与金矿化关系不大，且分选时极易混染，故未对这两个阶段的黄铁矿进行相应的分析测试。挑选的黄铁矿样品晶形均完整，测试结果可代表成矿流体的He-Ar同位素组成特征。

图4 各矿化阶段显微照片Fig.4 Microscopic Photos at Different Mineralization Stages

黄铁矿样品均在双目镜下挑选，保证所选样品新鲜且晶形完好，纯度超过99%。黄铁矿流体包裹体He-Ar同位素分析测试在核工业北京地质研究院分析测试中心完成，分析测试过程如下：①粉碎并筛选出40～60目黄铁矿样品，用超纯水超声清洗10 min，再用丙酮清洗两次，每次10 min，以去除表面有机物等杂质；②称取100～500 mg黄铁矿样品装入螺旋式压碎装置内，加热至120 ℃～150 ℃烘烤去气36～48 h，同时用无油分子泵组抽真空，除去装置内及矿物表面吸附的大气成分；③待单矿物包裹体压碎装置的真空度达到1.0×10-7Pa后，将黄铁矿样品压碎并释放He、Ar等惰性混合气体，通过铝泵酒精-干冰冷阱、锆铝泵以及活性炭冷阱进行多级纯化，去除其中的水分及N2、O2、CO2、CO、H2等活性气体，He、Ar用活性炭先后于液态氮和冰水混合物的恒温条件下进行吸附分离；④将纯化后的He、Ar先后送入质谱仪进行He-Ar同位素分析测试，分析仪器为美国Thermo Fisher Scientific公司生产的Helix SFT惰性气体质谱仪，He、Ar同位素分析的误差均小于10%，具体分析过程详见文献[26]。

3 结果分析

由表1可知：山东胶东地区盘子涧金矿载金黄铁矿流体包裹体中4He丰度为(2.46～5.06)×10-8cm3STP·g-1，平均为3.44×10-8cm3STP·g-1；40Ar丰度为(1.02～2.65)×10-7cm3STP·g-1，平均为1.61×10-7cm3STP·g-1；3He/4He值为0.81Ra～1.20Ra，平均为1Ra；40Ar/36Ar值为896.30～1 724.10，平均为1 187.55。

4 讨 论

4.1 He-Ar同位素组成

山东胶东地区盘子涧金矿载金黄铁矿样品均选自主矿化阶段(石英-黄铁矿(绢云母)阶段和金-石英-多金属硫化物阶段)，其流体包裹体可以在很大程度上反映盘子涧金矿主成矿期流体的原始特征。研究表明流体包裹体中He-Ar同位素组成可能会受到一些后期作用的影响，包括：①后期扩散作用的影响；②放射性成因新生He、Ar的影响；③宇宙3He的污染；④大气中He的干扰。前人研究表明，黄铁矿是一种具有理想封闭性的寄主矿物，其原生流体包裹体中He-Ar同位素扩散系数极低，因扩散丢失的He、Ar微乎其微，对流体包裹体中He-Ar同位素组成的影响可以忽略不计[24,28]。本文挑选的载金黄铁矿样品均保存完好，寄主矿物晶格中因放射性元素衰变而产生的子体很难进入包裹体中，再考虑到放射性元素U、Th、K等在热液流体包裹体中含量极低(Th在热液流体中几乎不溶)，黄铁矿又非含钾矿物，因此，流体包裹体中新生的放射性成因He、Ar可以忽略不计[29]。另外，本文挑选的黄铁矿样品均采自井下，而宇宙射线产生的3He只会对近地表及地表以下1.5 m的范围内产生影响，因此，也可以排除遭受宇宙成因3He污染的可能性[24]。大气中He含量极低，一般不足以对成矿流体中He同位素组成产生明显影响[30-31]，常可以通过计算参数F4He值来判断大气He的影响程度[27]，本文成矿期黄铁矿样品F4He值为1 243.59～1 990.13(表1)，远远大于1.00，表明大气He对原始包裹体内He同位素组成影响极低，可忽略不计。因此，盘子涧金矿成矿期流体中的He主要来源于地幔流体和地壳流体。综上所述，本文挑选的黄铁矿流体包裹体中He-Ar同位素组成可以代表主成矿期流体被捕获时的He-Ar同位素初始组成。

表1 黄铁矿流体包裹体He-Ar同位素组成Tab.1 He-Ar Isotopic Compositions of Fluid Inclusions in Pyrite

注：Ra为大气3He/4He值，Ra=1.39×10-6；40Ar*为扣除空气中40Ar后的过剩Ar；x(40Ar*)为40Ar*摩尔分数；F4He值计算方法详见文献[27]。

4.2 成矿流体来源

热液流体中的稀有气体存在3个源区：①大气饱和水，包括大气降水和海水，其3He/4He值为1Ra，40Ar/36Ar值为295.5；②地壳流体，即与陆壳岩石发生过相互作用的大气饱和水，地壳岩石中U、Th衰变产生的放射性成因4He会扩散进入大气水中形成地下水和热液流体，因此，地壳流体中4He物质的量多于大气饱和水中4He物质的量，其3He/4He值一般为0.01Ra～0.05Ra，而40Ar/36Ar值不低于295.5；③地幔流体，地幔流体具有3He丰度高的特征，一般情况下3He/4He值为6Ra～9Ra，40Ar/36Ar值一般情况下为40 000，且40Ar/36Ar值变化较大[32-34]。

盘子涧金矿成矿流体3He/4He值为0.81Ra～1.20Ra，平均为1Ra，高于地壳流体3He/4He值，又低于地幔流体3He/4He值，表明盘子涧金矿成矿流体中不仅存在地壳氦，同时也有地幔氦的参与，暗示着成矿流体很有可能为壳幔流体混合的产物。盘子涧金矿He同位素组成在3He-4He图解上投点均落在地壳氦与地幔氦之间的过渡带上，位置更偏向于地幔流体(图5)，表明盘子涧金矿成矿流体中的He同位素来源以地幔氦为主。

底图引自文献[36]图5 黄铁矿流体包裹体3He-4He图解Fig.5 Diagram of 3He-4He of Fluid Inclusions in Pyrite

地幔流体中He、Ar稀有气体还存在着3个差异性明显的源区[35]：①地幔柱(P)型源区，3He/4He值约为43Ra，40Ar/36Ar值为350；②洋中脊玄武岩(MORB)型源区，3He/4He值约为8Ra，40Ar/36Ar值不低于12 000；③消减带(AC)型源区，经历板块俯冲带来了壳源物质，使得该源区3He/4He、40Ar/36Ar值都低于洋中脊玄武岩型源区。因此，在讨论盘子涧金矿成矿流体中地壳氦和地幔氦占比时，需先明确该区幔源流体的性质。中国东北部幔源包体中稀有气体同位素组成的研究表明，华北板块存在着3He/4He值较低的交代富集地幔[37]；马锦龙等对山东沂沭地区幔源矿物中的流体和稀有气体研究指出，3He/4He值为0.82Ra～2.74Ra，比典型大陆地幔包体明显偏低，而与受太平洋板块俯冲影响的美国西部和安第斯山区幔源包体极为相近，认为该幔源应是受板块俯冲影响的交代富集地幔[38]。如图6所示，盘子涧金矿与胶东地区夏甸金矿(3He/4He值为0.41Ra～1.36Ra，40Ar/36Ar值为724.7～1 358.4)[39]、辽上金矿(3He/4He值为0.41Ra～1.57Ra，40Ar/36Ar值为471～929)[40]、东柳家金矿(3He/4He值为0.52Ra～1.97Ra，40Ar/36Ar值为815～1 072)[40]等确定成矿流体主要来源于富集地幔的热液矿床有着相似的3He/4He值。因此，推测盘子涧金矿成矿流体中的He同位素主要来源于受板块俯冲影响的交代富集地幔，而地壳流体提供的He同位素较少。

R为样品的3He/4He值；底图引自文献[38]～[41]图6 黄铁矿流体包裹体R/Ra-40Ar/36Ar图解Fig.6 Diagram of R/Ra-40Ar/36Ar of Fluid Inclusion in Pyrite

盘子涧金矿成矿期黄铁矿流体包裹体中的40Ar/36Ar值为896.3～1 724.1，是大气的3.03～5.83倍，又远低于洋中脊玄武岩型源区(40Ar/36Ar值不低于12 000)，表明Ar同位素来源于非单一源区。盘子涧金矿的40Ar/36Ar值与胶东地区夏甸金矿(40Ar/36Ar值为724.7～1 358.4)[39]、东柳家金矿(815～1 072)[40]、邓各庄金矿(465.7～4 674.7)[5]、金青顶金矿(462.7～1 507.5)[40]范围相近，上述矿床均属于以富集地幔为主导的热液矿床，且与中国东北部幔源岩的40Ar/36Ar值范围(336～2 325)有一定重合[37]。将He-Ar同位素数据投点到R/Ra-40Ar/36Ar图解(图6)中可以看出，样品点距离洋中脊玄武岩型源区和地壳流体较远，而分布于富集地幔的左侧，与中国东北部来源于富集地幔的幔源岩样品点位置相近，暗示了成矿流体中Ar同位素很可能主要来自富集地幔流体，而大气饱和水或地下水对成矿流体中的He-Ar同位素组成也有着显著的影响。至于影响机制和途径，可能是大气饱和水下渗形成地壳流体对上涌的地幔流体产生影响，也可能是早期俯冲板块带入大气饱和水和壳源水造成了一定程度的混染。

底图引自文献[42]～[44]图7 黄铁矿流体包裹体R/Ra-40Ar*/4He图解Fig.7 Diagram of R/Ra-40Ar*/4He of Fluid Inclusion in Pyrite

研究区黄铁矿流体包裹体中40Ar*/4He值为2.73～4.34，投点到R/Ra-40Ar*/4He图解(图7)中可以看出，40Ar*/4He值远大于地壳流体的40Ar*/4He值(0.156)和地幔流体的40Ar*/4He值(0.33～0.56)[36]，样品也均落在地壳端元和地幔端元的右侧。而在胶东地区，焦家金矿样品40Ar*/4He值为0.09～0.51，4He丰度为(39.1～121.0)×10-8cm3STP·g-1[42]，新城金矿样品40Ar*/4He值为3.26～3.44，4He丰度为(47.1～108.2)×10-8cm3STP·g-1[43]，辽上金矿样品40Ar*/4He值为0.40～2.91，4He丰度为18.5～60.7×10-8cm3STP·g-1[40]。由此可见，盘子涧金矿样品40Ar*/4He值与上述矿床相比整体较高，这可能与成矿热液从地壳中捕获放射性成因的40Ar有关，且与上述矿床相比，盘子涧金矿4He丰度明显低一个数量级，也使得其40Ar*/4He值较高。已有研究表明，地下水从地壳岩石中获取放射性成因的40Ar、4He与矿物中Ar和He封闭温度有关，4He封闭温度一般低于200 ℃，而40Ar封闭温度一般高于250 ℃[40]，即深部高温热液往往可以捕获地壳中放射性成因的40Ar，使得成矿热液中的40Ar得以富集，而浅部的现代大气饱和水下渗过程中会优先获取岩石中的4He，使得成矿流体中4He丰度升高。因此，可以推断盘子涧金矿成矿流体多来自深部幔源流体，深部幔源流体上涌过程中捕获地壳中放射性成因的40Ar，使得40Ar富集，而浅部的现代大气饱和水下渗直接参与成矿作用较少，流体中4He未得到有效富集。

4.3 成矿流体演化

黄铁矿He-Ar同位素研究结果表明，盘子涧金矿成矿期流体主要来源于交代富集地幔流体，同时存在地壳流体参与成矿作用，显示出流体具有壳幔混合特征。前人研究表明，胶东金矿富集受到了中生代构造运动的强烈控制，在晚侏罗世太平洋板块向库拉板块俯冲作用下，郯庐断裂带发生大规模的左行平移，形成了一系列NE—NEE向控矿断裂构造[45]，导致古太平洋俯冲洋壳交代的富集地幔熔解，形成壳幔混合岩浆带，岩石圈地幔拆沉，软流圈上涌，并携带大量的成矿组分和挥发分，地壳大规模伸展隆起[46-47]。而受早白垩世碰撞造山运动影响，在胶北隆起区内形成了一系列NNE向脆性断裂及周边次级脆性断裂，为岩浆流体的上升提供了有利的空间和通道；热液流体上升过程中不可避免地加入地壳流体，当运移至浅部低压带后，与少量大气降水接触导致成矿流体的温度、压力、碱质等均发生变化，形成易溶配合物进入流体相[13]；随着温度、压力等物理化学条件的变化，含矿热液在次级陡倾断裂部位发生沉淀聚集，形成矿化类型为石英脉型的盘子涧金矿。

5 结 语

(1)山东胶东地区盘子涧金矿成矿期黄铁矿的成矿流体He同位素组成显示，3He/4He值为0.81Ra～1.20Ra，高于地壳流体的3He/4He值(0.01Ra～0.05Ra)，又远低于地幔流体的3He/4He值(6Ra～9Ra)，略小于交代富集地幔的3He/4He值，成矿流体表现出以富集地幔流体为主导的壳幔混合特征。

(2) 盘子涧金矿成矿期黄铁矿的成矿流体Ar同位素组成显示，40Ar/36Ar值为896.3～1 724.1，是大气饱和水40Ar/36Ar值的2～3倍，与中国东北部幔源岩样品40Ar/36Ar值相近，推测成矿流体主要来源于富集地幔，成矿流体中存在着一定量的地壳放射性成因40Ar，表明地壳流体参与了成矿作用。

核工业北京地质研究院李军杰老师在He-Ar同位素实验方面提供了诸多指导，在此表示衷心感谢！