河北中山沟金矿含金石英脉中锆石U-Pb年代学及Hf同位素研究

2021-03-30陈超张福祥王丰翔牛树银马奎王云静楚洁

地质论评 2021年2期

陈超, 张福祥, 王丰翔, 牛树银, 马奎, 王云静, 楚洁

1)河北地质大学，河北省战略性关键矿产资源重点实验室，石家庄, 050031；2)河北地质大学地球科学学院，石家庄, 050031；3)内蒙古地质调查院岩浆作用与找矿重点实验室，呼和浩特, 010020；4)中国地质科学院矿产资源研究所，北京, 100037

内容提要: 热液石英脉型金矿石中锆石可以来自围岩，也可以由热液活动形成。因此，对其研究有助于揭示成岩成矿信息。中山沟金矿位于河北省张家口—宣化(张宣)地区，主要呈石英脉型产于水泉沟岩体西段，是张宣幔枝构造核部的典型金矿床之一。本文在矿区地质特征基础上，主要开展含金石英脉内锆石形态学特征、LA-ICP-MS U-Pb同位素测年以及Hf同位素研究。研究表明：石英脉内的锆石形态为自形—半自形，环带特征明显，Th/U值较高，平均0.97，具有岩浆锆石特征。锆石稀土元素含量(∑REE)为 351×10-6～976×10-6，平均值为690×10-6，呈现出轻稀土(LREE)亏损、重稀土(HREE)富集特征，在稀土元素球粒陨石标准化曲线总体呈现出斜率基本一致的左倾型；17个锆石U-Pb年龄数据获得391±1 Ma的谐和年龄和391±3 Ma的加权平均年龄，两组年龄在误差范围内基本一致，代表了含金石英脉中岩浆锆石的结晶年龄。11个Hf同位素测试数据获得的εHf(t)值位于-21.4～-16.6，TDM1介于1.7～1.9 Ga，平均1.7 Ga，TDM2主要集中于2.4～2.6 Ga，平均2.5 Ga，在Hf图解中投影点均位于亏损地幔和球粒陨石演化线之下，基本靠近2.5 Ga古老地壳的Hf同位素演化线，反应了其源区物质在地壳中平均存留的年龄。结合区域、矿区地质和实验锆石特征，本文认为中山沟金矿成矿时代不早于391 ± 1 Ma，推测可能形成于海西早期，存在燕山期热液叠加成矿。水泉沟岩体的主成岩时代为加里东末期—海西早期。

冀西北地区位于华北克拉通北缘中段，就幔枝构造角度，该区处于华北地幔亚热柱张宣幔枝构造区(牛树银等，2009, 2010)。该区域成矿地质条件优越，是我国重要的金、银等贵金属产地，典型矿床有东坪金矿、小营盘金矿、黄土梁金矿、后沟金矿、水晶屯金矿和本文所研究的中山沟金矿等。区域上金矿床多分布在尚义—崇礼—赤城深大断裂的南侧水泉沟岩体的内外接触带及附近太古宇桑干群地层之中，找矿潜力巨大。例如东坪金矿从被发现至今，已被探明金储量超过100 t，是区内最具代表性的(超)大型金矿。中山沟金矿主要产于水泉沟岩体内，从前些年的中小型成功迈入中型金矿，且深部找矿前景较好，有向大型金矿“进军”之趋势。

图1 冀西北水泉沟地区区域地质图(据Gao Shen et al.,2017和Bao Zhiwei et al.,2016修编)Fig. 1 Regional geological map of Shuiquangou area, northwestern Hebei (modified after Gao Shen et al., 2017 and Bao Zhiwei et al., 2016)

鉴于区域诸多金矿与水泉沟岩体在空间上的密切关系，前人对岩体的成因和时代进行了诸多研究，但是仍存在一定争议。例如岩体成岩时代主要有海西期和加里东期之议等。而对中山沟金矿的专题研究而言，前人主要在成矿流体特征(李昌存等，1998，1999；甄世民等，2020)、矿物特征(Zhang Peihua et al.,2004)、矿床成因(水兰素，2002)、构造控矿(吴珊珊，2009；牛树银等，2010；郑宏伟，2013)等方面进行了研究，而尚未涉及金矿成矿时代方面的研究。其中，牛树银等(2010)以幔枝构造理论为指导，认为中山沟金矿的成矿作用与张宣幔枝构造有关，该矿深部仍有很大的找矿潜力, 应该注重深部地质找矿。甄世民等(2020)主要通过流体包裹体、H-O、He-Ar同位素研究，认为中山沟金矿的成矿流体为壳幔混合源，具有侵入岩型碲金矿床的特点。那么，中山沟金矿究竟何时形成？与岩体成岩有何时间关系？两者是否具有一致的时空演化？弄清中山沟金矿和水泉沟岩体之间的年代关系，有利于厘定本区成矿、成岩演化，以进一步探讨成矿作用。鉴于此，笔者采集了中山沟金矿含金石英脉样品，对其中的锆石进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb法年龄测定和Hf同位素分析，以期讨论本区成岩、成矿年龄。

1 成矿地质背景

中山沟金矿大地构造位于张宣(张家口—宣化)幔枝构造核部，尚义—崇礼—赤城深大断裂南侧，为产于水泉沟岩体西段的典型金矿床(图1)。区域地层主要为太古宇桑干群、古元古界红旗营子群、中元古界长城系、中生界侏罗系和新生界第四系。区内构造—岩浆活动非常发育，其中近EW向展布的崇礼—赤城深大断裂是区域最主要的控岩控矿构造，控制着本区的水泉沟等岩体和金矿床的分布。此外，本区还分布着NWW向杨木洼—马丈子—金家庄和NW向韩家沟—谷嘴子—场地等断裂构造。岩浆活动具有多期次、多阶段的特征，例如太古宙花岗片麻岩、角闪透辉岩等侵入岩主要分在本区的北部和西南部、元古宙温泉巨斑状花岗岩等侵入岩主要分布在后沟东侧，古生代岩浆岩以水泉沟岩体为代表，为本区分布最广的岩体，总体近EW向展布，长约55 km，宽5～8 km，面积约340 km2，总体向南倾伏(包志伟等，2003；王美娟，2015)，其岩性主要有辉石闪长岩、角闪二长岩、正长岩等，是本区金矿主要的赋矿围岩。此外，后期中生代红花梁、上水泉、谷嘴子等中酸性岩体分别侵位于水泉沟岩体的南北两侧。张宣地区已发现金矿(点)100多处，主要分布在崇礼—赤城—宣化地区的岩浆—变质杂岩区，而外围中晚元古代、中生代盖层则分布银多金属矿床，总体构成“金三角、银镶边”的矿床分布格局(江思宏等，2000；牛树银等，2009；魏明辉等，2014)。

图2 冀西北中山沟金矿矿区地质简图(a，据甄世民等，2020修编)和9号勘探线地质剖面图(b)Fig. 2 Geological map of Zhongshangou gold deposit, northwestern Hebei (a，modified after Zhen Shimin et al, 2020&) and geological section map of No. 9 exploration line (b)

2 矿区地质特征

中山沟金矿位于水泉沟岩体西段、韩家沟—谷嘴子—场地断裂北侧(图1)。矿区地层较为简单，仅在牧厂沟一带局部出露太古宇桑干群涧沟河组变质岩系，岩体主要为斜长角闪变粒岩、斜长角闪片麻岩、斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩等。而新生界第四系地层主要分布在矿区的河谷地带。本区构造以NNE向断层为主，倾向W，倾角50°～80°，具左行、右行多期次活动特征，主要分布在矿区中部，断裂带常有石英脉充填，是矿区最重要的导矿和容矿构造。NEE向断层出露于地表25线附近，据井下1250中段21线附近揭露发现，其走向NE75°，倾向NW，倾角50°～70°，将Ⅰ号脉南段向西错动32 m左右，为本区破矿构造。此外，矿区外围东北部和西南部分布有NE向麻岔沟断裂和NW向牧厂沟断裂等。本区广泛分布的岩体属于水泉沟岩体的一部分，岩性主要为角闪辉石二长岩、二长岩等，是本区金矿的主要赋矿围岩。此外，区内中酸性脉岩亦较发育，其分布受断层及节理等构造控制。

矿区矿体主要分布在近SN向构造蚀变破碎带中，含金石英脉及金矿体总体沿NNW和NNE向两组构造裂隙追踪，平面上呈折线型或之字型，剖面上呈平行或侧脉排列展布(图2)。地表出露长度200 m以上的构造蚀变带有16条，大致位于三个蚀变破碎带中。其中中部蚀变破碎带SN长2 km以上，主要由Ⅰ号和Ⅱ号矿脉组成，是本区最主要的矿脉。Ⅰ号矿脉长1.2 km，宽2～15 m，走向近SN，W倾，倾角50°～75°，沿走向和倾向呈舒缓波状。矿体呈脉状、透镜状产出，平均厚度0.75 m，平均品位7.11 g/t。Ⅱ号矿脉位于Ⅰ号矿脉东侧，水平相距约30 m，其长约2 km，宽2～15 m，产状与Ⅰ号矿脉类似，矿体平均厚度0.95 m，平均品位5.63 g/t。矿体围岩蚀变主要有钾长石化、硅化、绢云母化、高岭土化、碳酸盐化，其中钾化与成矿最为密切。矿石类型可分为石英脉型、钾化蚀变岩型、硅质角砾岩型三类。

图3 冀西北中山沟金矿石英脉型金矿石特征Fig. 3 Ore characteristics of gold-bearing quartz veins in the Zhongshangou gold deposit, northwestern Hebei

3 样品采集和分析方法

本次分析的样品采自中山沟金矿Ⅱ号矿脉5中段13勘探线石英脉中，样品编号ZSG-19。矿石总体呈粒状、碎裂结构，块状、脉状构造，硫化物主要以条带状、网脉状与石英共生，矿石矿物主要为黄铁矿、方铅矿等，脉石矿物主要为石英(图3)。

图4 冀西北中山沟金矿含金石英脉中锆石(ZSG-19)阴极发光图像及定年结果Fig. 4 CL images and dating results of the zircons (ZSG-19) from gold-bearing quartz veins in the Zhongshangou gold deposit, northwestern Hebei

矿石样品送至河北省欣航测绘院岩矿试验测试中心进行锆石的挑选及制靶，锆石的阴极发光(CL)图像在北京锆年领航科技有限公司完成。然后，根据锆石形态特征和内部结构，选择晶形较好、振荡环带结构清晰的部位进行U-Pb测年。本次锆石U-Pb测年在中国地质科学院矿产资源研究所MC-ICP-MS实验室进行，其中锆石测试仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS和New wave UP213激光剥蚀系统。利用PLE进行样品调试和GJ-1为外标，测试的激光束斑直径和频率分别为32 μm和5 Hz。实验数据普通铅校正采用Anderson(2002)方法，U-Pb年龄采用Isoplot3.23程序计算。具体实验测试和数据处理步骤，请参考侯可军等(2009)。

图5 冀西北中山沟金矿Ⅱ号矿脉5中段石英脉型金矿石(样品编号：ZSG-19)中锆石稀土元素球粒陨石标准化配分图(标准化的球粒陨石数值据Sun et al.,1989)Fig. 5 Chondrite-normalized REE patterns of zircons from quartz vein type gold ore (sample No. ZSG-19) from No. 5 Level section of No.2 ore vein in the Zhongshangou gold deposit, northwestern Hebei (chondrite data after Sun et al.,1989)

选择U-Pb实验年龄合理的锆石样品在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室进行Hf同位素测试，实验仪器为Neptune多接收器等离子体质谱仪和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统，采用He为载气，GJ-1为标样，剥蚀直径为32 μm，具体测试和分析过程，请参考侯可军(2007)文章。

4 锆石特征及分析结果

4.1 锆石特征

中山沟金矿石英脉矿石样品中锆石呈无色，透明—半透明，晶体为柱状(半)自形晶，柱面发育，粒度大多较小，长轴大多为60～120 μm，长宽比多数小于1.5。锆石阴极发光亮度较强，具有明显的振荡环带，内部环带宽缓(图4)。30个测试数据U含量变化于108×10-6～813×10-6，主要集中在163×10-6～451×10-6之间，均值为330×10-6；Th含量变化于73×10-6～803×10-6，主要集中于141×10-6～591×10-6之间，均值为335×10-6；Th/U值在0.55～1.47之间，平均值0.97，锆石Th/U值较高。铅含量总体相对较低，值域34×10-6～716×10-6，主要位于71×10-6～331×10-6之间，均值为228×10-6。

通过30颗锆石稀土元素数据分析(表1)，稀土元素含量总体不高，∑REE=351×10-6～976×10-6，平均值为690×10-6；LREE=24×10-6～131×10-6，平均值为63×10-6；HREE =327×10-6～907×10-6，平均值为627×10-6；LREE/HREE =0.06～0.16，平均值为0.10；δEu球=0.41～1.05，平均值为0.62。从稀土元素配分图(图5)中可知，稀土元素具有明显的Ce正异常，而Eu异常较弱，轻稀土亏损、重稀土富集的特征，稀土元素球粒陨石标准化曲线总体呈现出斜率基本一致的左倾型。本锆石Eu没有呈现明显的负异常，可能与该期岩浆演化时没有发生斜长石的分离结晶作用等因素有关。

锆石的形态、Th/U值、稀土元素等特征表明，该锆石样品具有岩浆锆石的特征。

4.2 U-Pb定年结果

本次实验对ZSG-19样品中30颗锆石进行了测试分析，具体结果见表2。除了12个实验数据谐和度不太好(<90%)和1个实验数据偏差较大(ZSG-19-15)的样品(不参与以下统计分析和制图)，其余数值207Pb/206Pb年龄为569±62～220±56 Ma之间，主要集中于376±58～509±58 Ma之间；207Pb/235U年龄和206Pb/238U年龄区间较为集中，分别为415±11～368±8 Ma和394±5～393±4 Ma。17个实验年龄数据获得391±1 Ma的谐和年龄和391±3 Ma的加权平均年龄(图6)，两组年龄非常一致，代表了含金石英脉中岩浆锆石的结晶年龄。

图6 冀西北中山沟金矿含金石英脉中锆石U-Pb谐和年龄(a)和加权平均年龄图(b)Fig. 6 Concordia diagram (a) and weighted average age diagram (b) of zircon U-Pb data from gold-bearing quartz veins in the Zhongshangou gold deposit, northwestern Hebei

4.3 Hf同位素分析结果

为了示踪含金石英脉中锆石的成因信息，本文在U-Pb测年基础上，对11颗锆石进行了Hf同位素的测试，其结果见表 3。锆石的n(176Hf)/n(177Hf)值分布于0.281935～0.282092，n(176Lu)/n(177Hf)值0.0011036～0.0022961，数值非常低，表明锆石形成后由176Lu衰变生成的176Hf极少，因而可以用测定的n(176Hf)/n(177Hf)值代表锆石形成时Hf同位素组成(吴福元等，2007)。按照表2中各测试点中n(206Pb)/n(238U)的年龄计算，εHf(t)值位于-16.6～-21.4，变化幅度达4.8个单位，TDM1介于1.7～1.9 Ga，平均1.7 Ga，TDM2介于2.4～2.7 Ga之间，主要集中于2.4～2.6 Ga，平均2.5 Ga(图7)。样品中fLu/Hf值介于-1.0～-0.9，明显低于硅铝质地壳(fLu/Hf=-0.7)和镁铁质地壳(fLu/Hf=-0.3)的fLu/Hf值(Watson and Harrison，2005；吴福元等，2007)，因此Hf同位素二阶段模式年龄能够更好的反应其源区物质在地壳中平均存留的年龄。

表3 冀西北中山沟金矿含金石英脉中锆石Hf同位素分析数据Table 3 Hf isotope analysis data of zircons from gold-bearing quartz veins in the Zhongshangou gold deposit, northwestern Hebei

5 讨论

5.1 石英脉中锆石对水泉沟岩体成岩时代的指示

水泉沟岩体是冀西北张宣地区诸多金银多金属矿床的主要赋矿围岩，例如其成岩成因备受广大学者关注(王正坤等，1992；Zhang Zhaochong et al.，1996；江思宏等，2000；魏明辉等，2014；李长民等，2014；Cisse et al.，2016)。就成岩时代而言，因不同的测年方法、测试对象和岩体的多期活动等因素影响，前人所获得的成岩年龄很不一致：早至元古宙、晚至中生代均有测年数据(表4)。中山沟金矿在空间上产于水泉沟岩体西段内部，角闪辉石二长岩是其主要的赋矿围岩。本次所分析的含金石英脉中锆石样品具有岩浆锆石特征，获得391±1 Ma的U-Pb谐和年龄和391±3 Ma的238U—206Pb加权平均年龄，与王大钊等(2020)对东坪金矿含金石英脉中岩浆锆石的U-Pb年龄(394±2 Ma)非常接近，均为早泥盆纪。其与矿区牧厂沟附近角闪辉石二长岩中锆石特征、n(206Pb)/n(238U) 加权平均年龄(391±2 Ma，项目组数据尚未发表)也非常一致，表明本文锆石主要来自水泉沟岩体。锆石U-Pb年龄与罗镇宽等(2001)对岩体进行的SHRIMP锆石U-Pb年龄390±6 Ma(东坪金矿区二长岩)、386±7 Ma(后沟金矿区正长岩)较为一致，略早于李长民等(2014)对岩体西段进行的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄373±3 Ma(下双台角闪二长岩)和373±2 Ma(营盘地角闪正长岩)，而稍晚于陆松年等(1997)对中山沟角闪二长岩进行单颗粒锆石U-Pb年龄411±1 Ma等，从而也一定程度上佐证了本次实验数据的可靠性。尽管水泉沟岩体有多期活动、或受后期地质热时间扰动，但本次实验尚未发现多期年龄数据，而获得了较为单一的锆石U-Pb年龄数据，表明水泉沟岩体的主活动时期应为加里东末期—海西早期。

表4 与冀西北水泉沟岩体相关的主要测年数据Table 4 The main related age data of the Shuiquangou intrusive in northwestern Hebei

图7 冀西北中山沟金矿含金石英脉中锆石Hf同位素图解特征[(a)图底图据李长民等，2014修改]Fig.7 Hf isotope analysis chart of zircons from gold-bearing quartz veins in the Zhongshangou gold deposit,northwestern Hebei [base map (a) modified after Li Changmin et al, 2014&)

5.2 石英脉中锆石对水泉沟岩体成因的指示意义

将11个实验数据投点Hf同位素图解(图7)可知，测试数据投影点均远离亏损地幔和球粒陨石演化线，而基本靠近2.5 Ga古老地壳的Hf同位素演化线，说明锆石样品寄宿(水泉沟)岩体主要来自太古宙的古老壳源。同时本次锆石Hf亏损年龄(2.5 Ga)与前人测得本区桑干群花岗闪长质片麻岩的年龄较为一致。例如李创举等(2012)通过对崇礼西双台、二道营口地区花岗闪长质片麻岩进行锆石SHRIMP U-Pb测年，分别获得2.50 Ga和2.54 Ga的U-Pb加权平均年龄。刘敦一等(1997)通过对宣化谷嘴子村、张全庄地区花岗闪长质片麻岩分别进行锆石单颗粒锆石U-Pb和SHRIMP U-Pb测年，并分别获得2.50 Ga和2.51 Ga。锆石Hf亏损年龄(2.5 Ga)远大于锆石的U-Pb年龄(391 Ma)，且εHf(t)<0，本次实验数据表明水泉沟岩体主要是新太古代晚期壳源变质岩石重熔作用的产物。

5.3 石英脉中锆石对中山沟金矿成矿时代的指示意义

对于热液矿床而言，含金石英脉中的锆石可以来自围岩，也可能来自因含矿热液活动而新生的热液锆石，因而对热液锆石的U-Pb定年可以很好地限定成矿时代。但本次实验尚未发现热液锆石，来自围岩岩浆锆石的U-Pb年龄对中山沟金矿的成矿时代未能作更精细的制约。但是通过本文获得的U-Pb年龄，表明中山沟金矿的成矿时代至少不早于391±1 Ma。水泉沟地区、甚至冀西北地区金银多金属矿床具有相似的成矿地质背景(牛树银等，2010；王宝德等，2010；魏明辉等，2014；查钟健，2020)，例如查钟健(2020)对中山沟金矿与东坪金矿进行赋矿地层、矿物组合、矿石结构、构造蚀变类型、矿床地球化学等方面对比研究，表明两个矿床具有极大的相似性，因而邻区的成矿时代也可以在一定程度上指示中山沟的成矿时代信息。王宝德等(2010)通过统计冀西北幔枝构造区金银多金属矿床成矿时代，认为本区成矿时代以燕山期(115～183 Ma)为主。李长民等(2010b)通过测试东坪金矿钾质蚀变岩样品中的热液锆石，获得140±1 Ma的U-Pb年龄，认为东坪金矿床形成于早白垩世，而与水泉沟岩体无直接关系。李长民等(2012)通过分析后沟金矿田脆韧性剪切带中热液锆石，获得154±1 Ma的U-Pb年龄，认为后沟金矿形成于晚侏罗世—早白垩世。Bao Zhiwei 等(2014)、Li Huan 等(2018)通过测试东坪金矿乳白色石英脉中的热液锆石，认为东坪金矿形成于水泉沟岩体的岩浆期后热液，受到侏罗纪—白垩纪的热液叠加改造。王大钊等(2020)通过对东坪金矿辉钼矿Re-Os及石英脉热液锆石U-Pb测年，获得约400 Ma与约380 Ma的Re-Os年龄和382±5 Ma的U-Pb年龄，经综合分析也认为东坪金矿存在泥盆纪成矿，后期存在晚侏罗世-早白垩世岩浆流体的交代、活化、富集过程。因此，从上述研究结果分析，推测中山沟金矿的成矿时代可能为海西早期，存在燕山期热液叠加成矿。