胶西北三山岛金矿黄铁绢英岩中绢云母40Ar/39Ar年龄及其意义

2020-07-10杨振毅于晓卫张文王立功王巧云郭瑞朋

山东国土资源 2020年7期

杨振毅，于晓卫，张文，王立功，王巧云，郭瑞朋

(1.山东省地质调查院，山东济南 250014；2.山东省地质学会，山东济南 250013)

0 引言

三山岛金矿床位于胶东半岛西北部，矿床类型归属于“胶东型”金矿[1-2]，是在早白垩世郭家岭花岗岩内成矿，也是胶东巨型金成矿省最大的金矿床之一。在矿床应用分类方面，胶东的含金石英脉型(玲珑式)和破碎带蚀变岩型(焦家式)金矿在业内基本达成共识[3]。三山岛金矿床以石英脉型和破碎带蚀变岩型为主[4]。近年来不同学者研究过该矿床的地质、围岩蚀变、成矿时代、成矿物质、流体性质和来源等，但对成矿时代的测定，测试数据较少，只见有采用的Rb-Sr法测绢云母的结晶年龄[5]，这就有必要通过绢云母40Ar/39Ar测年法测定三山岛金矿床的成矿年龄，从而与Rb-Sr法测年结果进行对比，来进一步确定三山岛金矿成矿年龄的准确性。

1 地质概况

1.1 区域地质

三山岛金矿床在大地构造位置上处于胶北隆起的西缘，西侧与沂沭断裂带相毗邻。该区主要由前寒武纪变质岩系和中新生代地质体组成。前寒武变质岩系主要为新太古代花岗-绿岩带，以TTG片麻岩为主、部分变辉长岩、少量呈残留包体出现的新太古代胶东岩群及中太古代唐家庄岩群,另外还有少量古元古代荆山群、粉子山群。区内第四系广泛分布，主要由砂质黏土、中粗砂、细砂、粉砂及亚黏土等组成，三山岛北部为浅海覆盖区。区内中生代岩浆岩较为发育，主要为侏罗纪玲珑花岗岩163～155Ma(锆石U-Pb年龄)[6]，白垩纪郭家岭花岗岩132～123Ma(锆石U-Pb年龄)[7]，伟德山花岗岩120～113Ma(锆石U-Pb年龄)，崂山花岗岩115.4～90Ma(锆石U-Pb年龄)[8]和酸性、中—基性脉岩。在构造特征上，中生代花岗岩与老地质体呈断层接触。矿区构造主要为断裂构造，根据形成先后及与成矿的关系，可分为控矿断裂及成矿后断裂，前者为三山岛断裂带，后者为NE向、NNE向和NW向断裂。

三山岛断裂带位于三山岛-仓上-潘家屋子一线，大部分地段被第四系覆盖。断裂带陆地出露长12km，向北延伸至浅海区，带宽20～400m，总体走向40°～50°，倾向SE，倾角30°～40°，局部可达80°。断裂平面上呈“S”，形态不规则[9-10]，自莱州市仓上至三山岛一线呈NE向展布。受三山岛-仓上断裂带控制的金矿床，从南向北依次为仓上(22t)、新立(175t)、三山岛(561t)、三山岛北部海域(470t)等大型—超大型金矿床，累计探明资源量1228t，随着深部找矿工作的持续深入，三山岛-仓上金矿成矿带在胶东三大成矿带的地位越来越重要(图1)。

1—第四系；2—白垩系；3—古元古界；4—白垩纪伟德山花岗岩；5—白垩纪郭家岭花岗岩；6—侏罗纪玲珑花岗岩；7—太古宙TTG(含变辉长岩包体)；8—实测及推测断层；9—大型、特大型金矿床/中小型金矿床；10—金矿体；11—断裂带产状图1 胶西北区域地质图(a)和三山岛断裂带基岩地质图(b)

1.2 矿床地质

三山岛金矿床赋存在三山岛断裂带下盘，上盘基本不见矿，矿体大多紧邻三山岛-仓上断裂主裂面发育，分布在黄铁绢英岩化碎裂岩带内，地表断续出露。矿体厚度大小不等，厚度1.51～34.48m，平均厚度6.08～14.0m，平均品位(2.57～7.35)×10-6，矿体走向12°～62°，倾向SE，倾角30°～88°，多在40°～50°之间变化，矿体受压扭性断裂控制，沿走向或倾向呈板状或脉状舒缓波状起伏延展，膨胀夹缩，分支复合明显，局部呈似层状和透镜状；局部可圈定无矿天窗，自新立至三山岛存在无矿间隔，无矿间隔长400～500m。从剖面上看，浅部矿体至深部矿体呈阶梯式分布，浅部矿体主要赋存标高为-700m以浅，称之为第一阶梯；深部矿体主要赋存标高为-1000m～-2000m，称之为第二阶梯；-700m～-1000m标高为无矿间隔，其产状变陡。

三山岛金矿①-1号矿体，矿体呈不对称“Z”字型展布，不规则脉状产出，常见分支、复合、膨胀、狭缩及尖灭再现现象。总体走向35°左右，倾向SE，倾角34°～44°。矿体厚度最小0.95m，最大12.08m，一般4.31～6.86m，平均6.65m，厚度变化系数68.9%，稳定程度为稳定型(以上是按单工程多层矿累加厚度计算)。矿体无论沿走向或是沿倾向均不连续，都有尖灭再现的特点。矿体单样金品位最高为15.40×10-6(ZK48-2)，单工程金品位(1.74～5.65)×10-6，平均3.25×10-6，品位变化系数70.6%，分布均匀程度为均匀型(图2)。

1—第四系；2—变辉长岩；3—二长花岗岩；4—黄铁绢英岩化花岗岩；5—黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩；6—黄铁绢英岩化碎裂岩；7—穿脉；8—钻孔；9—基点及编号；10—矿体及编号图2 三山岛金矿①-1号矿体联合剖面图

2 样品制备及测试

用于40Ar/39Ar同位素测年的样品(390mTW1)采自三山岛金矿井下-390m中段①-1号矿体内，强烈蚀变的黄铁绢英岩化矿石。黄铁绢英岩矿石标本样品(图3a)，岩石新鲜面呈灰色、灰白色，块状构造，粒状结构，岩石发生强烈的硅化、绢英岩化。显微镜下观察,显微粒状片状变晶结构，变余斑状结构，组成岩石的矿物成分主要为绢云母、石英和金属矿物，岩石由于中低温气液交代作用，长石和暗色矿物已全部蚀变为绢云母和石英等矿物，形成变余斑状结构。主要矿物有绢云母(30%～35%)、石英(10%～15%)和黄铁矿(50%～60%)(图3b)。绢云母，显微鳞片状变晶，部分集合体依稀可见斜长石假象，可能主要为斜长石的蚀变产物，无色，干涉色较鲜艳，构成岩石主体;岩石中的金属矿物仅见有黄铁矿，他形—半自形粒状，最大粒径可达1.50mm，不等粒，多呈聚集状分布于其他矿物间隙中。集合体呈角砾状构造，黄白色，糙面明显，均质性，含量50%。

Qtz—石英；Srt—绢云母；Jsk—金属矿物图3 三山岛金矿矿石标本照片(a)和偏光显微镜照片(b)

单矿物绢云母分选工作在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成，分离流程为：确定碎样粒度→漂浮→电磁分离→酸溶分离→电磁分离→重液分离，通过该流程选取的绢云母纯度较高，适宜作40Ar/39Ar升温测年实验。

选纯的绢云母(纯度>99%)用超声波清洗。清洗后的样品被封进石英瓶中送核反应堆中接受中子照射。照射工作是在中国原子能科学研究院的“游泳池堆”中进行的，使用B4孔道，中子流密度约为2.65×1013ncm-2S-1。照射总时间为1440min，积分中子通量为2.29×1018ncm-2；同期接受中子照射的还有用做监控样的标准样ZBH-25黑云母标样，其标准年龄为(132.7±1.2)Ma，K含量为7.6%。

40Ar/39Ar升温测年分析是在中国地质科学院地质研究所40Ar/39Ar年代学实验室的MM1200B质谱计上进行的。样品的阶段升温加热使用石墨炉，每一个阶段加热10min，净化20min。质谱分析是在多接收稀有气体质谱仪Helix MC上进行的，每个峰值均采集20组数据。所有的数据在回归到时间零点值后再进行质量歧视校正、大气氩校正、空白校正和干扰元素同位素校正。中子照射过程中所产生的干扰同位素校正系数通过分析照射过的K2SO4和CaF2来获得，其值为：(36Ar/37Aro)Ca=0.0002398，(40Ar/39Ar)K=0.004782，(39Ar/37Aro)Ca=0.000806。37Ar经过放射性衰变校正；40K衰变常数λ=5.543×10-10a-1；用ArArCALC程序计算坪年龄及正、反等时线年龄，坪年龄误差以2s给出[11-12]。

3 分析结果

样品测试结果显示，所有误差可信区间为2σ。绢云母经过14个阶段的分步加热,加热区间为700～1400℃,其中850～1150℃的温度范围，即3～12加热阶段内,样品的年龄谱形成平坦的年龄坪,其中39Ar累积量占总释放量的94.83%,所获得的坪年龄为(118.35±1.21)Ma(图4a)。在反等时线图上,获得的年龄为(118.56±1.37)Ma(图4b),反等时线年龄在误差范围内和坪年龄一致,表明坪年龄可信[12-13]，初始Ar同位素组成为285.4±31.1,在误差范围内与大气Ar比值(295.5±0.5)基本一致,说明样品冷却生成时没有捕获过剩Ar(表1)。

表1 胶东三山岛金矿黄铁绢英岩中绢云母Ar同位素测定结果及表面年龄

图4 三山岛金矿黄铁绢英岩中绢云母样品40Ar/39Ar年龄谱(a)及反等时线图(b)

4 讨论

从表1可以看出，从第3阶段开始,视年龄基本稳定,呈现出一个连续的、39Ar累积量占总释出量94%以上的年龄坪。与黑云母不同,绢云母的晶体结构在真空炉加热过程中稳定,因此其年龄谱反映了Ar同位素在矿物内部的分布[13-14]。因此,所测样品平坦的年龄谱表明Ar同位素分布稳定、均匀,没有受到后期地质作用的扰动,样品采自井下开采面上新鲜矿石,所测年龄值代表了绢云母结晶冷却至Ar同位素体系冷却封闭的时间。由于热液蚀变矿物结晶快，因此通过实验获得的40Ar/39Ar年龄能够代表绢云母的结晶年龄。

该文将金矿热液成矿期划分为黄铁矿-石英-绢云母、金-石英-黄铁矿、金-石英-多金属硫化物、石英-方解石4个成矿阶段。

(1)黄铁矿-石英-绢云母阶段：该阶段属于金成矿的开始阶段，以绢英岩或石英-黄铁矿脉为标志。

(2)金-石英-黄铁矿阶段：是主要成矿阶段，以绢英岩化蚀变带内的石英-黄铁矿细脉、网脉，或者充填于次级断裂内的含金石英-黄铁矿脉为特征。

(3)金-石英-多金属硫化物阶段：为重要成矿阶段，其矿化特点是以细脉浸染状为主，并有细脉状充填，穿切Ⅱ阶段的石英-黄铁矿脉，或以细脉—网脉的形式赋存于浸染状矿石内。

(4)石英-方解石阶段：该阶段形成石英-方解石脉，多叠加于早阶段矿化产物之上，穿切浸染状矿石内的石英-黄铁矿细脉或石英-多金属硫化物脉。该阶段没有发现金矿物。

结合井下地质现象和标本特征，认为采集的样品属成矿的第二阶段，即金-石英-黄铁矿阶段，是区域内主成矿期的产物，用该样品中的金属矿物或蚀变矿物定年可以获得准确的主成矿期年龄信息。绢云母Ar同位素体系封闭温度约350℃[15]，使用同一样品中的石英包裹体测温，测得主成矿期温度340～360℃(数据另行刊发)，而绢云母是在主成矿期形成的，所以绢云母的形成年龄可以代表三山岛金矿主成矿期的成矿年龄。该次研究的样品经过40Ar/39Ar分步加热实验均形成平坦的年龄坪，等时线年龄在误差范围内与坪年龄一致。因此，可以用坪年龄来代表绢云母的形成年龄[16]。从而得出三山岛金矿床的成矿年龄为(118.35±1.21)Ma。

表2为前人已做的胶西北地区金矿床成矿年龄，通过40Ar/39Ar法测得的金矿成矿年龄在(119.0～121.5)Ma范围内，而三山岛金矿，通过Rb-Sr法测得成矿年龄为(117.6±3.0)Ma，略小于绢云母测得的成矿年龄。该次实验获得金矿成矿年龄为(118.35±1.21)Ma。这一年龄对三山岛金矿成矿年龄的确定具有重要的指导意义。

表2 胶西北地区金矿床成矿年龄

三山岛金矿的直接围岩为郭家岭壳幔混合Ⅰ型花岗岩，有研究者认为郭家岭花岗岩岩体在深部为连通的大岩基。其LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(127±2)Ma[21-27]，该年龄与三山岛金矿石黄铁绢英岩中绢云母获得的年龄相差9Ma，考虑岩浆在深部侵位的缓慢冷却效应不超过10Ma[28]，三山岛金矿黄铁绢英岩中绢云母的结晶(热液蚀变事件)应该与郭家岭花岗岩的侵位事件关系密切。

在三山岛金矿深部的西岭矿区施工的见矿钻孔中，矿体发育在郭家岭斑状花岗岩中(图5)，郭家岭斑状花岗岩发生强烈的硅化、绢英岩化、黄铁矿化，且在岩石裂隙中发育细脉状黄铁矿。初步认为郭家岭花岗岩在侵位结晶后，受同期构造作用发生破碎，期后热液随即充填交代前期结晶破碎的岩石，并在裂隙中充填含金的黄铁矿细脉。

图5 三山岛金矿西岭矿区郭家岭斑状花岗质蚀变岩岩心照片

综上所述，鉴于三山岛金矿的成矿与郭家岭花岗岩侵位事件关系密切，通过总结前人的研究成果，认为其成矿模式为在中生代扬子、华北板块碰撞，太平洋板块向欧亚板块的俯冲挤压、深切到上地幔的沂沭断裂带大规模的左行平移以及其后的复杂活动，同时伴有广泛构造-岩浆热液事件背景下，在晚侏罗世形成了层状壳源重熔型玲珑花岗岩，致使原生矿源层(前寒武纪变质基底岩石)中的金质活化、扩散、迁移，其析出的高温碱性热液溶解金等成矿物质形成初始含矿热液。玲珑序列花岗岩被称为金矿成矿的衍生矿源岩系[29]。随着岩石圈减薄、地幔物质上涌。地温梯度不断增高，并进一步产生大量热能[30]，导致下地壳重熔或壳幔同熔产生大规模岩浆侵入活动及成矿流体的形成，从而使得岩石圈地幔不断消耗而减薄。在区域构造作用的影响下，壳幔同熔产生的岩浆侵位结晶形成郭家岭花岗岩。随着岩体的隆升，温度的下降，富含金质的多源成矿流体，进入构造裂隙系统，并和围岩发生强烈的蚀变交代，使含矿热液的矿质浓度进一步提高，成矿流体在上升过程中因大气降水的加入，进而加速了金质的沉淀，形成一系列的金矿床(图6)[31-39]。