粤北梅子窝石英脉型钨矿床流体包裹体研究——以58#脉为例

田晗钰,王 潇,韦龙明,孔凡乾,田 野

(1.桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林 541006;2.武汉新芯集成电路制造有限公司，武汉 430205；3.吉林省区域地质矿产调查所,长春 130022;4.中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心，河北 廊坊 065000)

广东始兴分布着一批中、大型钨矿床,形成了钨矿集中区,是华南钨矿带的重要组成部分[1-4]。前人对该矿集区的梅子窝钨矿床成矿地质背景、控矿因素、矿化分带、矿物特征等[5-9]方面开展了详细的研究,而对于成矿流体及其矿床成因研究虽有涉及,但研究程度低,制约了该区成矿理论研究的深化与找矿突破。

流体包裹体地球化学在找矿勘探中可以指示找矿方向[6],同时对构建梅子窝钨矿床成矿模型也具有重要意义。本文通过资料综合分析、野外观察及室内岩相鉴定,利用显微测温和激光拉曼光谱测试技术,对矿区58#矿脉石英流体包裹体进行研究,查明成矿流体的地球化学性质及其来源,探讨矿床的成矿条件,为该矿床成矿机制研究与成矿预测提供依据。

1 矿区地质特征

梅子窝钨矿位于瑶岭复背斜的东部(图1)。矿区构造比较复杂,断裂构造发育,具有多期、多阶段活动特征,断裂带分别为近东西向、北西向、北北东向和北东向,其中近东西向和北西向断裂与成矿密切相关。矿区及周边岩体发育,如嶂下花岗闪长岩[7]、燕山期隐伏花岗岩以及都坑的加里东期英安玢岩,其中燕山期的花岗岩与成矿有关。

梅子窝矿区的矿脉带长2 550 m,宽1 250 m。矿山目前共勘探出52个矿脉,脉体多为复脉,展布形态复杂:纵向上呈正扇形“五层楼”分带[6];横向上呈树形分叉结构分带， 主要产石英-黑钨矿型矿石,矿石矿物主要为黑钨矿、白钨矿、锡石,脉石矿物主要为石英。围岩蚀变有云英岩化、绢云母化、硅化、绿泥石化、电气石化等。

梅子窝矿区的矿脉相互穿插(图2),主要表现为后期矿脉穿插前期矿脉。其中早期矿脉含有锡石及黑钨矿,晚期矿脉常常发育各类硫化物。 故根据矿脉穿插关系与矿物世代[10],划分为5个成矿阶段(表1),其中Ⅱ、Ⅲ阶段为主成矿阶段,其次是Ⅳ阶段,而Ⅰ阶段(锡石-白云母-石英阶段)和Ⅴ阶段(石英-碳酸盐阶段)不构成钨矿体。

图1 石人嶂-梅子窝钨矿区域地质略图[1]Fig.1 Regional geological map of Shirenyzhang-Meiziwo tungsten depositQ—第四系;K—白垩系;C—石炭系;D—泥盆系;O—奥陶系;∈—寒武系;二云母花岗岩;花岗岩;二长花岗岩;γδ—花岗闪长岩;λoπ—石英斑岩; ζμ—英安玢岩

图2 矿脉穿插现象(a)及显微照片(b)Fig.2 Vein interpenetration(a) and micrograph(b)

表1 梅子窝钨矿58#脉采样位置及其所属成矿阶段Table 1 Sampling location and metallogenic stage of Vein 58# in Meiziwo tungsten deposit

2 样品的采集及测试方法

本次研究对象为梅子窝矿区主要矿脉之一的58#脉， 样品采自不同中段和不同成矿阶段(表1)，包括600～720 m四个中段的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三个成矿阶段的新鲜样品(图3)。 将样品磨制成包裹体片之后,运用显微镜对不同时期石英中流体包裹体进行形态、类型和分布上的观察、鉴定、拍照和记录。

流体包裹体测试工作在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室进行。 包裹体岩相显微鉴定及测温使用日本Nikon公司的LV100P01偏光显微镜和英国Linkam公司的THMSG 600冷热台,测温范围在-196～600 ℃,加热及冷冻速率为0.1～130 ℃/min,温度与精度稳定性为0.1 ℃。 包裹体成分测试选用英国Renishaw公司的Renishaw in Via型显微共焦激光拉曼光谱仪,室内温度23 ℃,相对湿度65%,光源为514.5 nm Ar 离子,测试范围1 000～4 200 cm-1,曝光时间20 s,扫描次数为3次。

图3 含矿石英脉(a)及黑钨矿与黄铁矿伴生(b)Fig.3 Tungsten-bearing quartz veins(a) and wolframite associated with pyrite(b)

3 流体包裹体研究

3.1 流体包裹体类型

将不同成矿阶段钨矿脉中的石英作为寄主矿物进行研究。通过镜下观察,石英中包裹体发育良好,原生包裹体呈零散分布(图4a),次生包裹体大量聚集呈带状分布(图4b)。 依据相态分类准则及温度升降过程的相态变化情况[11-12],可以将流体包裹体分为两种类型(图5): Ⅰ型包裹体(即NaCl-H2O体系的液体包裹体)及Ⅱ型包裹体(即含水溶液、液态及气相CO2的三相包裹体)。

Ⅰ型包裹体是梅子窝钨矿脉中最常见的包裹体类型,个体大小3.6～67.5 μm,细分为单一水溶液相包裹体(Ⅰa型,图5a)、两相包裹体(Ⅰb型,图5b、c)。Ⅰa型包裹体中纯液相数量很少,个体大小4～13 μm,呈椭圆形、长条形等。Ⅰb型包裹体相对出现较多,是本次测试研究的重点对象,绝大多数为富液L+V两相包裹体,个体大小以5～20 μm居多,气液比为5%～35%,包裹体呈不规则形、近圆形、楔形、长条形等; 此外,还偶尔见到气液比>50%的富气相包裹体(图5d)。

图4 包裹体形态及其产状Fig.4 Morphology and occurrence of inclusionsa—原生包裹体呈孤立状分布;b—次生包裹体沿裂隙分布

图5 石英流体包裹体类型Fig.5 Types of fluid inclusions in quartz veina—纯液相;b、c—富液相;d—富气相

Ⅱ型包裹体一般以孤立状星散分布,仅发现几个,其形态主要为椭圆形、不规则形。由于数量稀少,以及镜下相态的变化不明显,故此类包裹体未能进行均一温度和冷冻盐度测试。

3.2 流体包裹体测温结果

对Ⅰ b型包裹体的观测结果见表2。包裹体的盐度计算采用NaCl-H2O体系盐度-冰点计算公式[13]

(1)

其中:w为盐度(NaCl的质量分数,%);tm为冰点下降温度(℃)。

密度则采用数学模型拟合出的NaCl-H2O溶液计算公式[14]

(2)

式中:D—流体密度(g/cm3);th—均一温度(℃);A、B、C为无量纲参数。

测试结果(表2)显示,58#矿脉第Ⅱ成矿阶段的石英流体包裹体均一温度为171.6～350.7 ℃(平均250.1 ℃),冰点温度在-5.3～-0.5 ℃,盐度(w(NaCleqv))为0.88%～8.28%,成矿流体密度值为0.66～0.94 g/cm3;第Ⅲ成矿阶段的均一温度在169.1～280.4 ℃(平均212.3 ℃),冰点温度为-4.5～-0.4 ℃,盐度0.70%～7.17%,成矿流体密度为0.81～0.93 g/cm3;第Ⅳ成矿阶段的均一温度在176.3～358.7 ℃(平均219.8 ℃),冰点温度为-5.4～-0.8 ℃,盐度在1.4%～8.41%,成矿流体密度值为0.66～0.94 g/cm3。因此,粤北梅子窝58#脉中石英流体包裹体属于燕山中期华南钨锡大规模成矿作用的产物,符合华南地区石英脉型钨矿成矿溶液的参考数值[15]。

表2 58#脉石英流体包裹体测试结果Table 2 Temperature,salinity and density of fluid inclusions in quartz for Vein 58#

3.3 流体包裹体成分分析

利用拉曼探针分析技术,对所选包裹体的气、液相部分进行激光扫射后得到了相应的谱峰图(图6),并对谱峰进行分析， 结果见表3。Ⅰb型富液相包裹体中出现气相成分,液相以H2O为主,而CO2、N2、CH4气体含量稀少。由于实验室该测试仪器投入使用不久,流体包裹体的成分测试精度不高,需进一步调试完善,故此次测试只作定性分析,未能给出具体的成分含量数据。

4 讨 论

4.1 流体性质

流体包裹体测试结果(表2)表明,梅子窝矿区成矿流体属中高温(169.1～358.7 ℃)、低盐度(0.70%～8.41%)及中低密度(0.66～0.94 g/cm3)的含矿热液。 将第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ成矿阶段石英中的流体包裹体均一温度峰值(图7)进行比较,从成矿早阶段到晚阶段,成矿流体均一温度逐渐降低的趋势,这恰好与矿物生成顺序相一致,成矿温度峰值为310 ℃。

图6 流体包裹体拉曼光谱图Fig.6 Raman spectrogram of fluid inclusiona—测点为气相部分;b—测点为液相部分

表3 石英流体包裹体激光拉曼测试数据Table 3 Laser Raman data of fluid inclusions in quartz

4.2 流体来源

矿石中氧同位素测定值是判定成矿流体来源的重要和有效依据之一。 林小明等[9]对梅子窝矿区的44#矿脉及其近矿围岩进行了氧同位素研究,矿脉中石英的δ18Osmow为11.3‰～13.4‰,黑钨矿的δ18Osmow为11.0‰～11.4‰,近矿围岩的δ18Osmow为6.5‰～12.0‰(表4)。 前二者的变化范围比围岩小,显示成矿流体主要来自岩浆,围岩的氧同位素组成则相对复杂。

根据氧同位素的组成特征,成矿流体来源于地壳浅部,与地幔关系不大(一般地壳花岗岩中氧同位素的范围在6‰～10‰,地幔中氧同位素的范围在4.7‰～6.7‰,沉积岩内含量会更高一些),并混合了部分大气降水。 黑钨矿中的δ18Osmow比石英脉中的稍低,可能是由于黑钨矿结晶过程受到大气降水(地下水)影响或有外来的氧元素(地层中氧)进入成矿流体中。

表4 梅子窝44#矿脉及围岩氧同位素组成[9]Table 4 Oxygen isotope values of Vein 44# and wall rock

4.3 成矿流体的演化机制

研究表明[16-17],随着温度的增加,钨复合物的溶解度增大,成矿流体中盐类增多,而流体的pH值会减小(当溶液pH为4～7时,钨溶解度明显降低,而不同来源流体的混合作用是可以达到此条件的),因此当成矿流体温度降低、溶解度减小和pH值增大时钨矿物会发生沉淀。虽然压力不会直接对钨矿化的形成产生作用,但压力会影响气体成分溶解度,从而控制流体的相分离和沸腾作用等,即通过对流体的间接作用控制成矿。此外,在主成矿阶段的包裹体中检测到一定量的CO2气体,蔡建明等[18]认为CO2气体的存在有利于钨的运移;熊欣等[19]根据黑钨矿床中包裹体只含少量或不含CO2气体,认为CO2气体对钨的运移作用不大。本次的流体包裹体气相成分分析结果显示,梅子窝钨矿床成矿流体中只含少量CO2气体,与后一种观点吻合。 尽管目前对CO2在钨的运移过程中是否起运移作用尚未形成统一认识,但成矿流体中CO2的挥发,能引起残余流体溶解度的降低。

图7 3个成矿阶段的流体包裹体均一温度直方图Fig.7 Histogram of homogeneous temperature of fluid inclusions for three mineralization stagesⅡ—黑钨矿-石英阶段;Ⅲ—黑钨矿-硫化物-石英阶段;Ⅳ—硫化物-石英阶段

就某一成矿阶段而言,自下而上,均一温度多由高到低,但第Ⅱ成矿阶段的最高温度在680 m中段(表2),而在640 m中段的均一温度却略有降低; 在720 m中段和680 m中段,均一温度由早阶段到晚阶段(Ⅱ→Ⅳ)都在降低,但在680 m中段,从早阶段到晚阶段(Ⅲ→Ⅳ),均一温度却略有升高,这两种特殊异常现象的存在,预示着两期有成矿流体的叠加作用,这与构造叠加晕的研究成果[4,20-21]相吻合。

58#脉均一温度、盐度及密度的直方图(图8)显示,梅子窝钨矿与赣南石英脉型钨矿床[22]具有相似现象,即流体包裹体均一温度、盐度及密度出现分段聚集而又相互叠加的现象,证明区域成矿是属于多期次热液相互作用的效果,这与矿区内矿脉体为复脉并且展布形态复杂相互对应。

4.4 对比研究

将粤北梅子窝钨矿与同属瑶岭复背斜核部的石人嶂钨矿、瑶岭钨矿以及江西、湖南的部分钨矿山的流体包裹体特征进行对比分析可知(表5),华南湘-赣-粤钨矿成矿区石英脉中流体包裹体均一温度范围较广,主要集中在200～350 ℃,最高达461 ℃(赣南西华山钨矿); 冰点温度大都高于-10 ℃; 盐度主要集中在0～10%; 密度主要集中于0.5～1.0 g/cm3。 各钨矿床流体包裹体气、液相成分种类大致相同,液相以H2O为主; 气相除了H2O外,还有CO2、CH4、N2、CO、H2。 粤北梅子窝钨矿床成矿流体特征与华南湘-赣-粤钨矿成矿区的其他钨矿床成矿流体特征在总体上较为相似:成矿流体均为中高温、低盐度及中低密度的热液,液相和气相的主要成分为H2O,同时具有少量的N2、CH4、CO2气体;成矿流体主要来源于岩浆水和大气降水。由于部分钨矿床的构造环境或矿床成矿演化过程存在差异,故其钨矿床成矿流体的特征有所不同。

图8 梅子窝58#脉的均一温度、盐度和密度直方图Fig.8 Histogram of temperature,salinity and density of Vein 58# in Meiziwo deposit

表5 湘赣粤成矿区某些石英脉型钨矿床流体性质对比Table 5 Fluid properties of some quartz vein-type tungsten deposits in the Hunan-Jiangxi-Guangdong metallogenic areas

5 结 论

(1)梅子窝钨矿区58#矿脉的流体包裹体主要为Ⅰa型富液相包裹体(NaCl-H2O体系),纯液相包裹体、富气相包裹体及Ⅱ型包裹体(含液态CO2三相包裹体)很少。

(2)梅子窝矿区成矿流体属于中高温(169.1～358.7 ℃)、低盐度(0.70%～8.41%)及中低密度(0.66～0.94 g/cm3)的热液。

(3)大量富钨等多金属元素的岩浆期后热液沿有利构造通道运移,并与一定量的大气降水或地层变质水混合,随着成矿热液的运移,梅子窝钨矿的区域动力学背景为挤压-拉张转换期,随着成矿环境由封闭体系转向开放体系，成矿流体物理化学性质发生改变,使流体系统失去平衡,引起钨络合物分解,钨重新与流体中的Mn2+和 Fe2+结合形成新的复合物,最终导致钨在有利岩性-构造部位沉淀晶出,富集成矿。

(4)流体包裹体均一温度在垂向的异常变化及流体均一温度、盐度及密度均出现分段聚集而又相互叠加的现象,预示着矿区存在有两期成矿流体的叠加作用。

(5)各个成矿阶段的流体包裹体均一温度值分布范围广,显示成矿过程缓慢而复杂,成矿潜力巨大。 不同岩石接触界面(侵入岩体内外接触带)及成矿温度变化梯度带是钨矿找矿的重要地带。

(6)梅子窝钨矿是在燕山晚期陆内拉张作用下形成的典型石英脉型黑钨矿床， 稳定连续的矿脉， 也代表张性氧化环境下的产物， 与同一阶段矿脉由深部到浅部， 成矿温度由高到低变化相吻合。

感谢同门袁琼、吴限和刘驹先的帮助!