西秦岭早子沟金矿黑云母成分特征及成岩成矿指示意义

2022-09-27李康宁贾儒雅李鸿睿王玉玺张世珍

岩石矿物学杂志 2022年5期

李康宁，贾儒雅，李鸿睿，王玉玺，吴锋，严康，张世珍

(1. 甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃兰州 730050； 2. 甘肃省金属贵金属矿产资源勘查与综合利用工程技术研究中心，甘肃兰州 730050； 3. 中国地质调查局发展研究中心，北京 100037； 4. 中国冶金地质总局西北地质勘查院，陕西西安 710119)

甘肃省夏河-合作矿集区是西秦岭地区重要的金矿富集区之一，大地构造位置属西秦岭造山带的西北部，处在华北板块和扬子板块的结合部位，地质构造复杂，成矿条件优越，近30年来，累计发现金矿(化)点80多处，其中特大型矿床2处(早子沟金矿、加甘滩金矿)、大型矿床2处(以地南金矿、岗岔金矿)、中型矿床5处，探明金资源量约450 t。甘肃早子沟金矿行政区划属甘南州合作市，1996年根据群众报矿首次发现，之后通过20多年的持续勘查，查明金资源储量超过150 t。关于早子沟金矿的成因认识，主要有构造蚀变岩型(吕新彪等，2009；姜琪等，2010；陈耀宇等，2012；赵积珍等，2013)、微细浸染型(卡林型)(刘春先等，2011；曹晓峰等，2012； Liuetal.，2015)和斑岩型(刘勇等，2012)。近年来，一些学者认为早子沟及其周边金矿床的成矿作用与岩浆热液有关，因而将这一区域的早子沟、老豆、以地南、早仁道等金矿划分为与中酸性侵入岩有关的金矿床(Jinetal.，2017； Suietal.，2017，2018；李康宁等，2020a)。

黑云母是中酸性岩浆岩重要的造岩矿物，其特殊的晶体结构和矿物化学特征能够反映成岩环境、热液作用、成矿元素富集及其物理化学条件等相关信息(Wones and Eugster，1965；陈光远等，1988； Burkhard，1991；周作侠，1991)。黑云母在早子沟金矿各类中酸性脉岩中普遍发育，包含了许多成岩成矿信息，但前人关注较少，未做过专门研究。本文在充分收集早子沟金矿勘查成果和野外调研的基础上，对主要岩浆岩中的黑云母开展系统的化学成分研究，以揭示其形成过程中的物理化学条件及其对成岩成矿的指示意义，为找矿预测和进一步找矿勘查提供方向和理论依据。

1 区域地质背景

夏河-合作地区主要构造线呈NW向，出露晚古生代、中生代地层，整体呈一背斜构造。其中石炭系、二叠系分布在夏河-合作断裂以北，石炭系为背斜核部，岩性为石英砂岩、石英长石砂岩、板岩、生物碎屑灰岩等。二叠系岩性为石英长石砂岩、砾屑灰岩、泥灰岩等。三叠系主要分布在夏河-合作断裂以南，为一套砂板岩互层复理石建造，局部见强烈变形的灰岩。侵入岩在北部分布较多，由德合日二长花岗岩-三索玛花岗闪长岩-德乌鲁花岗闪长岩-美武花岗闪长岩等侵入体组成NW向岩浆弧，侵入岩时代集中于250～210 Ma(李康宁等，2020b)。火山岩较少，在夏河县北部红墙和合作市东北部德乌鲁一带分别出露白垩纪和三叠纪火山岩，白垩纪火山岩主要为溢流相的玄武岩，三叠纪火山岩分布面积较大，岩性主要为安山岩、流纹岩及其相应的火山碎屑岩组合。区内成矿以内生金属矿为主，具有明显的分带性：北部为多金属成矿带，发育Cu、Au、Fe、W、Pb、Zn、Bi等以中高温元素为主的矿化，矿化受岩体边缘接触带及不同方向断层交汇部位控制，矿床类型主要为热液脉型、矽卡岩型和斑岩型，已知矿床主要有录斗艘金矿、以地南铜金矿、德乌鲁铜金矿、美武铁矿等。南部为Au、Hg、As、Sb等中低温元素成矿带，矿化主要受断裂破碎带控制，矿床类型主要为构造蚀变岩型和石英脉型，代表性矿床主要有早子沟金矿、加甘滩金矿、早仁道锑金矿、牙利吉锑矿等(图1b)。

2 矿区地质特征

矿区地层简单，仅见早三叠世江里沟组，整体近南北向展布(图2)，出露两个岩性段：第1岩性段为硅质板岩、钙质板岩、粉砂质板岩；第2岩性段为硅质板岩、粉砂质板岩、灰岩。受脉岩和构造影响，地层变形强烈，产状杂乱。花岗质脉岩发育集中，主要有闪长岩脉、闪长玢岩脉、石英闪长玢岩脉、黑云母石英闪长岩脉、花岗闪长岩脉、花岗斑岩脉等。前人对早子沟金矿脉岩年龄进行了大量测定，除刘勇等(2012)获得闪长岩脉年龄较小外，其余脉岩侵位时代的锆石U-Pb年龄集中在249～235 Ma(隋吉祥等，2013；第鹏飞，2018)，为印支早期，且不同岩性的时代极为接近。矿区断裂极为发育，可大致分为NW、SN、NE、NNE、EW5向5组，其中NE、SN、NW向3组断裂为矿区主要控矿断裂，分别控制着NE、SN、NW向矿带的形成与展布(陈国忠等，2013；梁志录等，2016)。

图 2 早子沟金矿地质图(a)及85勘查线剖面图(b)

早子沟金矿矿体受断裂和侵入体双重控制，目前共圈定金矿体523条，主矿体18条，矿体形态主要呈似层状、脉状、囊状。NE向矿带延长大于1 000 m，宽大于300 m，矿脉蚀变矿化强，品位高，品位、厚度在走向和倾向上呈现波状分布特征，代表性矿体有Au1、Au9。SN向矿化带延长大于1 000 m，宽大于500 m，主断面呈舒缓波状，陡倾角处矿体薄而贫，缓倾角处矿体厚且富，代表性矿体有Au29、Au30、Au31等。NW向矿体倾角普遍较缓，为隐伏矿体，倾向变化较大，具有环形分布的特征，形成富含Au、Sb的高品位盲矿体，代表性矿体有M4、M5、M6等。

早子沟金矿原生矿石主要有蚀变板岩型、蚀变脉岩型和石英辉锑矿型、蚀变砂岩型矿石4种。前两种类型主要产于近SN向和NE向的陡倾角矿体中，后两种类型主要产于NW向的缓倾角矿体中。矿石中金属矿物主要为黄铁矿、毒砂金、辉锑矿、金等，脉石矿物主要为石英、斜长石、黑云母、方解石和绢云母等。根据矿物共生组合和标型特征，早子沟金矿划分为5个成矿阶段(李康宁等，2019b；李鹏兵，2020)： ① 成矿期前相对氧化阶段，形成早期硅化、赤铁矿化、黑云母化(钾化)； ② 成矿早期还原矿化阶段，矿物生成顺序为石英→黄铁矿→毒砂→自然金，黑云母普遍发生褪色蚀变，为矿床的主要成金阶段； ③ 成矿晚期弱还原矿化阶段，石英-辉锑矿阶段，矿物生成顺序为石英→黄铁矿→毒砂→自然金→辉锑矿，为矿床的较主要成金阶段； ④ 成矿期后弱氧化矿化阶段，主要为石英-碳酸盐化阶段，矿物组合及生成顺序为石英→方解石→高岭土等； ⑤ 表生期氧化阶段，金属硫化物在地表及浅部氧化成褐铁矿、锑华等。黑云母作为蚀变脉岩型矿石的主要组成矿物，主要出现在成矿期前，既是岩浆岩的组成部分，也是早期面型蚀变(钾化)的矿物学表现，代表了含矿岩浆活动开始。后期随着构造-流体作用，黑云母普遍发生褪色蚀变(绢云母化、绿泥石化、高岭土化等)，同时伴随着金矿的沉淀。

3 样品采集与测试

早子沟金矿床中黑云母在各类脉岩均有出现，主要分布在黑云母石英闪长玢岩、黑云母石英闪长岩、花岗闪长斑岩中，黑云母呈斑晶产出，呈片状或长条状，单偏光下黄棕色到黄褐色，具有明显的多色性，节理发育，解理完全，粒径为 0.2～1.0 mm。岩浆黑云母与热液黑云母手标本难以区分，在镜下，岩浆黑云母常呈黄棕色，半自形，热液黑云母呈黑色，半自形-它形，弥散状或沿岩浆黑云母边缘、解理分布。蚀变较强，被后期的绿泥石、绢云母等交代，晶形具有裂片、散口、扭曲等特征，常呈交代残余、破布状；部分黑云母可见硫化物、氧化物析离体(图3)。

图 3 早子沟金矿黑云母照片

本次用于研究的黑云母分别采自蚀变较弱的黑云母石英闪长玢岩(DZ32)、黑云母闪长玢岩(DZ33)、黑云母石英闪长岩(DZ34)。测试工作由南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成，仪器型号为JEOL JXA8300 型电子探针仪，检测限100×10-6～300×10-6。标样采用钠长石(Na、Al、Si)、橄榄石(Mg)、镁橄榄石(Fe)、磷灰石(P、Ca)、硅灰石(Mn)、金云母(K)和金红石(Ti)。黑云母的Fe2+、Fe3+值由林文蔚等(1994)给出的待定阳离子数法计算得到，黑云母阳离子数以22个氧原子为基础计算，电子探针数据分析处理、参数计算主要采用Geokit软件(路远发，2004)完成。早子沟脉岩黑云母电子探针分析数据及相关参数见表1。

表 1 早子沟金矿黑云母电子探针成分表 wB/%

续表 1 Continued Table 1

4 矿物化学特征

通过分析电子探针数据(表1)可以看出，DZ34-03(后面数据统计及计算均不包含此数据)可能受风化、蚀变等影响较为严重，表现出明显的高硅铝钙、低铁镁钾的特征，其他黑云母数据较为均一：黑云母中FeOt含量为19.71%～29.84%，平均21.88%； MgO含量为9.54%～13.51%，平均10.38%。Fe2+/(Mg+Fe2+)值为0.49～0.57，平均0.54，变化幅度较小，说明受后期流体改造作用的影响较少(Stone，2000；张有军等，2015)。此外，脉岩中黑云母CaO含量极低，大多未检出，基本不受后期流体热液蚀变(碳酸盐化、绿泥石化)影响(Santosh and Manjari，2010)，表明早子沟脉岩中的黑云母绝大多数产生于原生岩浆结晶作用。在10 TiO2-FeO*-MgO(FeO*=FeOt+MnO)三角分类图解(Nachitetal.，2005)中，绝大多数黑云母都落在岩浆黑云母的范围内(图4a)，只有3个点落在新生黑云母中，说明有少量热液黑云母形成。在黑云母的Mg-(AlⅥ+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)分类图解(Foster，1960)中，黑云母成分投点均落在镁质黑云母和铁质黑云母的分界线附近(图4b)，黑云母闪长玢岩脉中的黑云母趋向镁质黑云母，黑云母石英闪长岩脉中的黑云母则趋向铁质黑云母。

黑云母化学成分图解(图5)显示，Fet与Mn呈现正相关性，Fet、Mn值与Mg值呈现负相关性。黑云母结晶过程中Mg、Fet相对于Al有着不一样的地球化学行为，在不同岩浆体系中形成不同种类的黑云母，其置换方式有3 Mg2+↔ 2 Al3+、2 Al3+↔ 3 Fe2+、Mg2+↔Fe2+(Abdel-Raham，1994；郭耀宇等，2015)。在岩浆演化的过程中，Mn2+的浓度较低，一般以类质同像的方式替代Fe2+、Mg2+进入造岩矿物中(刘英俊等，1984)。黑云母元素协变图解表明在其结晶过程中Mg2+、Fe2+之间可能发生置换反应，而Mg则被Mn以类质同像替代。

图 4 早子沟金矿黑云母10 TiO2-FeO*-MgO判别图解(a，底图据Nachit et al.，2005)和Mg-(AlⅥ+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)分类图(b，底图据Foster，1960)

图 5 早子沟金矿黑云母主要阳离子协变图解

5 讨论

5.1 岩浆结晶的物理化学条件

5.1.1 温度与压力

实验研究表明，黑云母中Ti 含量与温度密切相关，Henry 等(2005)等通过研究建立了一个黑云母温度计的经验公式：t= {[ln(Ti)-a-c(XMg)3]/b}0.333，式中：XMg=Mg/(Mg+Fet)，a=-2.359 4，b=4.648 2×10-9，c=-1.728 3，XMg=0.275～1.000，Ti=0.04～0.60。其中，Ti是以22个氧原子为基础计算出的黑云母中Ti的阳离子数，t为温度(℃)。计算获得早子沟金矿脉岩中岩浆黑云母的结晶温度介于776.61～799.69℃之间，平均为788.92℃。

Uchida等(2007)通过研究发现花岗质岩石的固结压力与黑云母全铝含量有很好的正相关性，并建立了黑云母压力计：p=303 AlT-653。其中，p为压力(MPa)，AlT为以22个氧原子为基础计算出的黑云母中AlⅥ、AlⅣ的总数。据此估算早子沟金矿脉岩中岩浆黑云母结晶的压力为131～283 MPa。侵位深度采用p=ρgh进行换算，其中ρ=2.7 g/cm3，g=9.8 m/s2，得出侵位深度h=4.76～10.29 km，平均为5.75 km。

5.1.2 氧逸度

氧逸度是影响岩浆作用和成矿过程的另一种重要参数，可以利用花岗岩中与磁铁矿、钾长石共生的黑云母的Fe2+、Mg2+和Fe3+来大致计算氧逸度(Wones and Eugster，1965； Wones，1989)。早子沟金矿脉岩中主要副矿物为磁铁矿，满足应用条件。在黑云母Fe2+-Mg2+-Fe3+图解中(图6a)，早子沟金矿脉岩中的岩浆黑云母落在NNO 缓冲线附近，靠近FQM缓冲线，显示相对较高的氧逸度。在207 MPa条件下，基于黑云母稳定度[Fe/(Fe+Mg)]的lgfO2-t图解中(图6b)，早子沟脉岩中黑云母lgfO2大致为-14～-12，深成岩(黑云石英闪长岩)氧逸度低于浅成岩。基于Wones(1989)提出的氧逸度计算公式，计算出的岩浆黑云母lgfO2为-14.85～-13.11，平均-14.10，与上述投图结果基本一致。

5.2 岩石成因

利用岩浆岩中黑云母的化学成分变化特征，可以反演推断岩石的来源和形成环境(周作侠，1988； Zhangetal.，2016；吴欢欢等，2019)。造山带钙碱性岩石(I型)中的黑云母相对富镁，过铝质型花岗岩(S型)中的黑云母相对富铝，而非造山型花岗岩(A型)中的黑云母则明显富铁(Abdel-Rahman，1994； Huangetal., 2014)。在黑云母的Mg-(AlⅥ+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)分类图解上投点结果表明，黑云母闪长玢岩黑云母趋向镁质，黑云母石英闪长岩黑云母趋向铁质，具有I、S过渡特征。黑云母的氧化系数和镁质率Mg#也可作为划分I型与S型花岗岩的依据，前者中黑云母具有较高的Mg#(0.384～0.626)及氧化系数(0.121～0.252)，而后者的则较低(徐克勤等，1986)。早子沟金矿脉岩中黑云母的氧化系数为0.10～0.15，平均值为0.14，Mg#为0.43～0.51，平均值为0.46，更具有I型花岗岩特点。

图 6 黑云母氧逸度Fe2+-Mg2+-Fe3+图解(a)和lg fO2-t图解(b)(据Wones and Eugster，1965)

黑云母中元素含量尤其是Mg含量与花岗岩的形成有很大关系：典型的幔源花岗岩黑云母中MgO>15%，壳源花岗岩黑云母中MgO<6%(丁孝石，1988)。早子沟金矿脉岩中黑云母MgO为9.54%～13.52%，平均10.38%，应属于壳幔混合物质来源。在黑云母的FeOt/(FeOt+ MgO)-MgO 图解上(周作侠，1988)(图7)，早子沟脉岩中的黑云母成分落于壳幔混源区，并形成较明显的混合趋势线，反映了该岩体壳幔混源的成因特征。

利用黑云母FeO、MgO、 Al2O3含量进一步约束其形成的构造环境(Abdel-Raham，1994)，在Al2O3-FeO图解(图8a)中，样品比较分散，但均未落入非造山的碱性岩区域； MgO-FeO图解(图8b)、F2-F1图解(图8c)、MgO-FeO-Al2O3图解(图8d)均得出较为一致的结果：早子沟金矿脉岩中黑云母数据绝大多数落入造山带钙碱性区，与研究区脉岩均属钙碱性(刘勇等，2012；陈国忠等，2012；龚全胜等，2019)的特征一致。

图 7 黑云母源区FeOt/(FeOt+MgO)-MgO判别图(据周作侠，1988)

图 8 黑云母构造环境判别图解(据Abdel-Rahman，1994)

5.3 成矿指示

西秦岭地区在三叠纪发生了大规模的俯冲造山运动，为Au、Cu等内生金属成矿提供了有利条件(李康宁等，2020b)，早子沟脉岩物质来源具有壳幔混源特征。区域上金矿与脉岩具有空间上相伴、时间上相继、物质来源相似等特点，为同一岩浆-构造旋回演化的产物(殷勇，2011)。矿体与脉岩同构造或相邻平行构造产出，部分脉岩就是矿体，进一步说明了脉岩与金矿之间可能为协同演化关系(李康宁等，2019a)。早子沟金矿脉岩化学成分显示中偏酸性，但暗色矿物基本全为黑云母，表明岩浆是在较高的水分压下结晶，间接反映了深部岩浆源是更加富水的，这也是矿床形成的有利因素。同位素和流体包裹体研究也表明，早子沟金矿金矿化与地幔或深部岩浆作用密切相关(隋吉祥等，2013；王涛等，2018；李康宁等，2019b)，更加说明了早子沟金矿与脉岩关系密切，均为深部壳幔相互作用演化的系列产物。

早子沟脉岩中黑云母的结晶温度约776.61～799.69℃(平均788.92℃)，结晶压力为131～283 MPa(平均157 MPa)，对应的成岩深度为4.76～10.29 km(平均5.7 km)，氧逸度为-14.48～-13.11(平均-14.10)，说明脉岩形成于相对高温、高氧逸度、低压的环境，是对金成矿有利的侵入体(刘诗文，2015)。黑云母作为层状矿物，Au、Cu、S、Fe等成矿物质富集其中，其矿物化学特征对成矿有良好的指示意义(刘彬等，2010；黎敏刚，2020)。富镁黑云母岩浆岩与Au、Cu、Mo成矿作用密切相关，Au既具化学惰性，又具化学活性，在高压下迁移，低压下沉淀，高温下迁移，低温下沉淀；岩浆源较深，上升定位较浅，温度较高的浅部环境有利于金矿化(陈光远等，1993；刘诗文，2015)。同时Au又是亲Fe元素，在岩浆热液矿床形成过程中，还原条件下Au以Au0分散在暗色矿物中，不进入残余岩浆溶液，对金矿化不利；氧化条件下，Au以离子状态进入残余岩浆溶液，随硫化物氧化，富集于熔体相中，最终进入流体相，有利于其成矿(Halteretal.，2005；蒋少涌等，2009)。