胶东大邓格金—多金属矿床热液蚀变过程中的元素迁移

2022-08-01倪璋懿李杰刘吉强

山东国土资源 2022年7期

倪璋懿，李杰*，刘吉强

(1.河北省战略性关键矿产资源重点实验室(河北地质大学),河北石家庄 050031；2.河北地质大学地球科学学院,河北石家庄 050031；3.自然资源部第二海洋研究所,自然资源部海底科学重点实验室,浙江杭州 310012)

0 引言

胶东作为中国黄金资源最重要的矿集区，现已探明金资源量突破5000t[1]。前人对胶东金矿的区域地质构造、矿床地质特征、成矿年代学、成矿流体来源及演变、成矿动力学机制等多方面进行了大量研究，取得了丰富的成果[2-9]。胶东金矿广泛发育围岩蚀变，主要的蚀变类型包括钾长石化、硅化、绢英岩化、黄铁绢英岩化、碳酸盐化等。在蚀变过程中，蚀变矿物组合变化的实质是流体和围岩进行化学成分的置换[10]。因此，岩/矿石中的元素含量变化可以反映蚀变作用过程中元素的迁移规律[11]。近年来，许多学者运用岩石地球化学方法对蚀变岩进行分析，探讨围岩蚀变过程中矿物组合的变化、元素的迁移规律，揭示成矿流体与围岩之间的关系[12-20]。前人通过对胶东寺庄、金翅岭、金青顶等金矿床的研究，分析了热液蚀变强度和元素迁移变化规律[12,14-16,18]。胶东地区除产出大量金矿外，还有少量Cu、Pb、Zn等独立和共(伴)生矿产，其中大邓格金—多金属矿床是胶东为数不多的金与有色金属矿共生的矿床，该矿床也发育与典型金矿床相似的围岩蚀变现象，因此，对该矿床的蚀变围岩进行元素含量及变化研究，有利于揭示Au、Cu、Pb、Zn成矿过程中元素的地球化学行为，丰富对胶东大规模金成矿过程的认识。

本文在野外宏观地质观察和室内岩相学、矿相学研究的基础上，对大邓格金—多金属矿床的围岩蚀变类型、空间分布规律进行了总结；对不同蚀变程度的围岩进行了主量、微量元素地球化学分析；利用标准化Isocon图解法[21-22]进行了质量平衡计算，揭示了成矿过程中元素的变化规律，探讨了成矿的物理化学条件，为成矿物质来源及演化和矿床成因研究提供了证据。

1 区域及矿区地质概况

大邓格金—多金属矿床位于胶东半岛东部，其大地构造位置处于大别—苏鲁造山带东端之威海隆起区，区域上位于环伟德山钼-铜-铅锌有色金属矿床成矿系列之北部[23]。区域出露地层主要包括古元古代荆山群、中生代莱阳群和青山群、新生代第四系等。荆山群岩性主要为透辉石大理岩、二云石英片岩、黑云片岩，莱阳群和青山群为一套陆相火山-沉积岩系。区内岩浆岩广泛分布，主要为中生代伟德山型花岗岩，岩性包括黑云花岗闪长岩、黑云二长花岗岩、辉石石英闪长岩等；发育少量石英闪长玢岩、煌斑岩等脉岩；局部可见中元古代海阳所组合、新元古代荣成岩套等古老的变质侵入岩残留体，岩性包括透闪石岩、斜长角闪岩、花岗质片麻岩等(图1)。区域上NNE向断裂是大邓格金—多金属矿床主控矿断裂，与成矿关系密切。

大邓格矿区内主要出露新元古代荣成岩套，岩性为花岗岩质片麻岩，少量中元古代海阳所组合和古元古代荆山群，有零星的白垩纪小岩体和脉岩。断裂构造以NNE向为主，其次为EW向。呈雁行分布于矿区中部的3条NNE向断裂碎裂岩带控制了区内主要矿脉的分布(图2a)。矿体呈似层状、脉状、透镜状产出，其产状与断裂碎裂带一致(图2b)。

2 矿床地质特征

2.1 矿体及矿化特征

研究区内断裂构造发育以NNE向为主，次发育EW向断裂。矿床位于南北长约1.3km、地表至-408m标高范围内，包括金、银、铜、铅、锌单体和共(伴)生矿体20个，为一处小型金-银-铅锌-铜多金属矿床。其中主矿体共6个，产状与断裂产状一致，呈似层状、脉状产出；控制走向长度50～370m，斜深160～453m；走向为10°～35°；倾角为18°～60°；厚度为0.44～5.88m。主矿体金品位为(1.94～5.65)×10-6，矿床金平均品位为3.48×10-6；银平均品位为198.41×10-6；铅平均品位为2.04%；锌平均品位为2.49%。主要矿体集中分布于同一矿化较好的地段，不同矿种集中分布构成了多矿种同体伴生矿[25]。

矿石类型分为黄铁绢英岩化碎裂岩型(Ⅰ型)和石英脉型(Ⅱ型)2种(图3a、图3b)。Ⅰ型矿石呈浅灰—浅灰绿色，半自形—自形粒状结构，细脉浸染状构造、脉状构造，以黄铁矿化为主，发育少量黄铜矿化、闪锌矿化和方铅矿化，黄铁矿平均含量约1%～2%；Ⅱ型矿石呈灰白色、褐灰色，块状结构，蜂窝状、角砾状构造，矿石矿物主要由石英、黄铁矿及少量方铅矿、闪锌矿、绢云母等构成，黄铁矿以多种形式(细脉状、浸染状、团块状等)不均匀分布，多金属硫化物含量较高。

2.2 围岩蚀变特征

矿体主要发育绢英岩化、硅化、黄铁矿化等蚀变，从蚀变中心向两侧呈现出逐级分带现象。矿化蚀变带中心部位主要发育硅化和黄铁矿化，热液中的硅质沉淀和长石绢云母化过程析出硅质共同形成硅化；蚀变带外围广泛发育羽毛状绢云母化，主要由长石经热液交代形成。此外，蚀变带中心部位大量发育多金属硫化物，表明围岩蚀变过程伴随着强烈的多金属硫化物矿化。围岩的多金属硫化物和金含量相对较低，蚀变带内的黄铁矿等金属硫化物以及金含量显著升高，金与多金属硫化物含量表现出明显的正相关。

3 样品测试及数据处理方法

3.1 样品分析方法

本次研究共采集了钻孔中的岩矿石样品11件，其中蚀变围岩(花岗质片麻岩)7件，矿体(绢英岩化花岗质碎裂岩)4件，部分取样位置如图2b所示。将采集的矿石磨制成光薄片，用Nikone CLIPSE50iPOL透反射偏光显微镜详细的观察其岩石岩相学特征。根据围岩与矿体之间的距离以及围岩的蚀变程度将围岩分为近矿围岩(2件)和远矿围岩(5件)两类。样品的主量、微量元素测试在中国科学院海洋地质与环境重点实验室完成，主量元素测试先把样品在LiBr助熔剂(加拿大Claisse)中混合，倒入铂金坩埚，置于熔样炉中1100℃中熔融，冷却后再用X射线荧光光谱仪测定，仪器检出限为0.01%。微量元素测试首先利用硝酸、氢氟酸、混合酸(HCl∶HNO3=4∶1)把样品进行溶解，再采用DRC-E等离子体质谱仪(ICP-MS)测定，仪器检出限为0.01μg/g。分析结果见表1、表2、表3。

表1 大邓格金—多金属矿床矿体及蚀变围岩主量元素含量单位：wt%

表2 大邓格金—多金属矿床矿体及蚀变围岩微量元素含量单位：μg/g

表3 大邓格金—多金属矿床矿体及蚀变围岩稀土元素含量单位：μg/g

1—新生代第四系;2—中生代白垩纪青山群;3—新元古代花岗岩;4—新元古代花岗闪长岩;5—新元古代花岗闪长质片麻岩;6—古元古代变质岩;7—白垩纪崮庄单元闪长岩;8—白垩纪洛西头单元石英二长岩;9—白垩纪大水泊单元石英二长岩;10—白垩纪不落耩单元石英二长岩;11—白垩纪崖西单元二长花岗岩;12—白垩纪虎头石单元二长花岗岩;13—Cu/Mo/Pb/Zn/Au/Ag矿床(矿点)图1 胶东伟德山地区区域地质简图[24]

1—新生代第四系;2—新元古代二长花岗质片麻岩;3—新元古代花岗闪长质片麻岩;4—中元古代变辉长辉绿岩、斜长角闪岩;5—古元古代透辉石大理岩;6—古元古代黑云片岩;7—中生代石英二长闪长岩;8—煌斑岩;9—石英闪长玢岩;10—黄铁绢英岩化碎裂岩;11—矿体;12—取样位置(星形—矿体；圆形—近矿围岩；三角形—远矿围岩)图2 大邓格金—多金属矿床地质简图(a)与8号勘探线地质剖面图(b)[25]

a—黄铁绢英岩化碎裂岩型矿石；b—石英脉型矿石；c—黄铁矿呈自形(立方体)产出；d—半自形黄铁矿，局部发育碎裂结构；e、f—黄铁矿呈他形产出，与闪锌矿共生于石英中；g—黄铜矿出溶于闪锌矿中呈乳滴状产出；h—黄铜矿与方铅矿共生于石英中；i、j—他形黄铁矿与方铅矿、闪锌矿共生于石英中；k—绢英岩化，石英呈港湾状产出；l—黄铁绢英岩化，黄铁矿呈现出不规则形态；Py—黄铁矿；Ccp—黄铜矿；Gn—方铅矿；Sp—闪锌矿；Q—石英；Ser—绢云母化图3 大邓格金—多金属矿床蚀变矿化特征

3.2 数据处理方法

元素迁移质量平衡方法(Isocon图解法)的实质是通过质量平衡计算来得出岩体经热液蚀变作用后，其中不同组分(元素)的迁移变化规律[26-27]。该方法默认假定条件是封闭体系，并无外界连通，只是内部物质进行迁移交换。热液蚀变过程中，Al2O3和TiO2经常作为惰性组分被用于判断蚀变过程中各元素迁移程度[28]。

大邓格金—多金属矿床广泛发育绢英岩化，主量元素的测试结果显示TiO2的含量变化较大，Al2O3在矿石和围岩中的含量相较稳定(表1)。因此，本文选用相对不活泼元素Al，通过元素迁移质量平衡方程，对大邓格金—多金属矿床热液蚀变过程中的各元素进行定量计算，并将所得的数据倍数放大后投在Iscon图解上，见式(1)：

(1)

4 测试结果

4.1 主量元素组成

主量元素分析结果显示(表1)，近矿围岩相对于远矿围岩，Mg、Na、Ti、P、Ca平均含量升高，Si、K平均含量降低，Fe、Mn平均含量基本不变；矿体相对于近矿围岩，Fe、Na、Mn、Ti、Mg平均含量升高，K平均含量降低，Si、Al、P、Ca平均含量基本不变。

4.2 微量元素组成

微量元素分析结果显示(表2)，近矿围岩相对于远矿围岩微量元素普遍升高(图4、图5)：成矿元素Zn、Ni、Pb平均含量明显升高；成矿元素Cu平均含量降低；Cr、Co平均含量降低；Be、Sr、Th、U、Zr、Li、V、Nb、Ga、Ta、Sc、Hf平均含量升高；Rb平均含量基本不变。矿体相对于近矿围岩(图4、图5)：成矿元素Cu、Zn平均含量升高；成矿元素Ni、Pb平均含量降低；Be、Li、Rb、Cs、Th、U、Cr、Nb、Ta平均含量降低；Sr、V、Sc、Zr、Co平均含量升高；Ga、Hf平均含量基本不变。

图4 大邓格金—多金属矿床蚀变围岩与矿体主微量元素Al2O3标准化图解

图5 大邓格金—多金属矿床蚀变岩Isocon图解

4.3 稀土元素组成

所有样品的稀土元素标准化配分模式均呈现出轻稀土元素相对富集的右倾型(表3、图6)。其中，远矿围岩的∑REE值介于(135.9～172.5)×10-9之间，均值为154.2×10-9；LREE/HREE值介于10.2～17.7，均值为12.6；δEu值介于0.54～0.79，均值为0.64；δCe值为0.93。近矿围岩的∑REE值介于(69.2～208.7)×10-9，均值为172.1×10-9；LREE/HREE值介于4.8～17，均值为11；δEu值介于0.5～0.92，均值为0.76；δCe值介于0.9～0.94，均值为0.92。矿体的∑REE值介于(195.3～274)×10-9，均值为235.7×10-9；LREE/HREE值介于10.2～13.8，均值为11.6；δEu值介于0.44～0.88，均值为0.69；δCe值介于0.89～0.95，均值为0.9。近矿围岩相对于远矿围岩∑REE含量整体略有增加，特别是LREE含量明显增加；矿体相对于近矿围岩∑REE含量整体明显增加。

5 讨论

5.1 蚀变带中元素迁移规律

通过对比远矿围岩、近矿围岩和矿体的主量、微量以及成矿元素含量(表1、表2、表3)，并与Al2O3标准化图解(图4)和Isocon图解(图5)相结合，可以发现：

近矿围岩相对于远矿围岩，发生明显迁入的元素为Mg、Na、Ti、P、Ca、Zn、Ni、Pb、Be、Sr、Th、U、Zr、Li、V、Nb、Ga、Ta、Sc、Hf、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu；发生明显迁出的元素为Si、Cr、Co、K、Cu；含量基本不变的元素为Fe、Mn、Rb。与近矿围岩相比，矿体中发生明显迁入的元素为Fe、Na、Mn、Ti、Mg、Cu、Zn、Sr、V、Sc、Zr、Co、La、Ce、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu；发生明显迁出的元素为K、Ni、Pb、Be、Li、Rb、Cs、Th、U、Cr、Nb、Ta；含量基本不变的元素为Si、Al、P、Ca、Ga、Hf。

总体上，由围岩蚀变为矿体的过程中，成矿元素Cu、Zn、Mn等大量迁入矿体并富集成矿，尤其Mn在成矿过程中大量迁入，其含量较蚀变前增加9.17～11.45倍(表1)；Cu、Zn含量分别增加1.30、1.40倍(表2)。同时，蚀变岩在蚀变过程中表现为Mg大量迁入、Fe轻微迁入，主要原因是热液的贡献；通过绢英岩化和黄铁绢英岩化过程中使Mg和Fe元素得到了富集。远矿围岩与近矿围岩相比Si、K含量降低，表现为钾长石矿物的分解并伴随热液迁出；Ca、Na、P、Sr等与长石交代相关的元素含量都明显升高，蚀变过程中表现为迁入。稀土元素含量总体呈现上升的趋势，蚀变过程中表现为迁入。此外，近矿围岩与矿体相比U、Th、Pb等元素的含量降低可能是由于它们在围岩蚀变过程中伴随一些副矿物的分解被热液带出所致。

5.2 元素迁移机制和成矿环境

远矿围岩→近矿围岩的蚀变过程中，广泛发育绢云母化。在矿物学上主要表现出钾长石化花岗岩中的长石(钠长石、钙长石等)绢云母化和角闪石被黑云母交代，其反应过程如下[29]：

Na(AlSi3O8)(钠长石)+Ca(Al2Si2O8)(钙长石)+2HCl+KCl→KAl3Si3O10(OH)2(绢云母)+2SiO2(石英)+NaCl+CaCl2

3KAlSi3O8(钾长石)+2H+→KAl3Si3O10(OH)2(绢云母)+6SiO2+2K+

早期的钠长石、正长石等在蚀变过程中被分解形成绢云母，热液带出Na、P等元素。其中，近矿围岩中稀土元素随热液迁入与远矿围岩中磷灰石、榍石、磷钇矿等副矿物的分解有关[30]；锆石分解可能导致了远矿围岩中Zr和Hf的亏损。亲石元素Na、P、Sr迁移进入近矿围岩，主要是与长石的交代有关。

近矿围岩→矿体的蚀变过程中，由于原岩中长石(斜长石、钾长石等)等矿物在含H+、HS-溶液中相对不稳定，黄铁矿为主的金属硫化物发生沉淀，进而发育黄铁绢英岩化作用[31]。总体上，绢英岩化和黄铁绢英岩化过程中元素的迁移行为相似。伴随着热液蚀变作用不断加强，近矿围岩中Cu、Zn、Co等成矿元素在黄铁绢英岩化过程中逐步富集，并以硫化物或集合体的形式存在；这与矿体中赋存Cu、Zn等矿石的地质事实相吻合；斜长石和钾长石蚀变成绢云母，形成石英、绢云母和黄铁矿矿物组合(黄铁绢英岩)，Cu、Zn元素的迁入表现出蚀变过程与矿化的密切联系，这与野外观察到的宏观地质现象是一致的，即蚀变岩中可见形成的大量黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等矿物。在热液蚀变作用中，某些性质类似的元素也会表现出相似的地球化学行为，如Sr可以通过类质同象替代Ca；K的迁出可能是钾长石的分解导致；U、Th、Pb等元素在矿物蚀变过程中被分解出来后淋滤带走，导致含量降低。

δEu可指示流体的温度、氧逸度和pH等物理化学条件的变化，在高温、相对还原的条件下，Eu容易形成Eu2+而引起Eu异常[32-33]。大邓格矿床矿石的δEu小于0.95，显示出弱的Eu负异常(表3、图6)。且Eu负异常由围岩至矿体没有明显变化，指示形成绢英岩化和黄铁绢英岩化的蚀变过程中流体氧逸度较低且处于相对还原环境。这一现象暗示了成矿过程处于还原环境。

图6 大邓格金—多金属矿床矿体-围岩球粒陨石标准化稀土配分模式图[34]

5.3 成矿机制探讨

前人研究认为胶东金矿大规模集中爆发成矿与该区中生代岩石圈构造变形、壳幔强烈相互作用有关，提出了热隆-伸展成矿模型[35]、克拉通破坏成矿[36]、胶东型金矿[4,37-38]等成矿理论。中晚侏罗世-早白垩世中国东部古太平洋和伊泽奈崎(Izanagi)板片俯冲、回撤过程中，地幔隆升，软流圈上涌，诱发壳幔相互作用，其结果在胶东地区产生了大规模壳幔混合岩浆作用。岩浆上侵产生的伸展拆离构造为金矿成矿提供了有利空间，为之后的富集、储存、运移金流体创造了有利的条件。成矿流体在压力驱动下以对流、渗流的方式运移，与围岩发生强烈的水-岩相互作用，金等成矿元素被活化萃取进入到成矿流体系统中，受构造等因素影响，体系的物理化学条件发生改变，使得金伴随多金属沉淀富集成矿[39-40]。

前人研究发现大邓格金—多金属矿床主矿化阶段存在不同类型的流体包裹体共生，指示可能发生了流体不混溶作用，主成矿阶段主要为低温(86～120℃)、低盐度(6.00%～10.50%NaCleq)的CO2-H2O-N2-NaCl体系[25]。大量研究表明，金的溶解度与氧化还原环境有关，金在氧化环境下溶解，而在还原环境下沉淀，并以络合物[AuCl2]-、[Au(HS)2]-)的形式迁移[41-44]。在中低温、弱酸—中性流体中，金可能主要以[Au(HS)2]-的形式搬运，而在高温、高盐度、贫H2S、富Cl-的环境中，金可能主要以[AuCl2]-的迁移[44-46]。绢英岩化蚀变和黄铁绢英岩化蚀变说明成矿流体的环境为弱酸性[47]，故金可能主要以[Au(HS)2]-的形式迁移。蚀变过程中，随着流体的氧逸度降低，体系的物理化学状态由氧化转变为还原，金与相关的多金属硫化物(黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿等)沉淀富集。这与野外矿床中Au与Ag、Cu、Pb、Zn等成矿物质伴生紧密的地质现象吻合。

综上，成矿后期流体中大量Si的迁入导致体系pH降低，伴随着温度降低，使原有体系变得相对不稳定，进而导致流体中的H2S逸出；与之发生改变的是体系中S逸度升高，最终引发了黄铁矿沉淀。在中低温酸性流体中，Au以[Au(HS)2]-络合物的形式迁移[48]：2HS-+2Fe2+=Fe2S(黄铁矿)+2H+。在随后的过程中，伴随着流体与围岩反应，H+不断被消耗，形成一个中性—弱碱性的环境，造成Au的溶解度降低，进而导致Au以自然金矿物颗粒的形式伴随黄铁矿等金属硫化物从热液中析出。