湘西字溪金矿床成矿物质来源：来自H-O-S-Pb同位素的约束

2023-01-17黄宽心

中国锰业 2022年6期

黄宽心，汪程

(1. 湖南省城市地质调查监测所，湖南长沙 410014； 2. 中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙 410006)

0 前言

字溪矿床是在雪峰山弧形构造带中新近发现的一个中型金矿床，已经探明的金储量约为2.2 t，金的品位为0.51～146.9 g/t(平均值为3.14 g/t)。但是关于金成矿的物质来源依旧存在争议，这将制约对矿床成因类型的厘定，并严重制约下一步找矿工作的开展。基于此，本文通过不同阶段含金脉体的H-O同位素的研究，以及对载金硫化物S和Pb同位素组成的分析，探讨成矿的物质来源。

1 区域地质特征

矿区地处扬子地台与华南褶皱系过渡地带——雪峰弧顶，也是雪峰弧形构造带与郴州—邵阳北西向构造带及白马山—龙山东西向构造带交会处，是雪峰金矿田的重要矿床[1-2]。其西边的溆浦—靖州断裂及东边的安化—通道断裂长期活动，对雪峰山地区的地史发展演化和金、锑矿的形成和分布起着重要控制作用(见图1)。

1.a为华南地区扬子板块与华夏板块构造关系及扬子板块东南缘中生代岩体分布示意；2.b为华南地区江南造山带矿床、花岗岩、元古代地层、构造分布示意；3.b中方框为研究区的位置

2 矿床地质特征

矿区出露新元古界芙蓉溪群(又称板溪群)的架枧田组和砖墙湾组以及第四系地层(见图2)。架枧田组地层岩石具千枚状构造、板状构造，剪切变形强烈、板劈理、片理极为发育，与区域构造产状相近。架枧田组在矿区出露的地层主要为灰色厚层块状细粒、细中粒长石石英砂岩、长石石英杂砂岩夹粉砂质板岩，局部夹薄层含炭泥质粉砂质板岩，粉砂质板岩中发育砂泥质薄层理、脉状层理及水平纹层理。砖墙湾组在矿区出露地层主要为灰绿色条带状含粉砂质绢云母板岩夹泥质板岩，层理发育。第四系地层主要为黏土、亚黏土和岩石风化碎块。

矿区断裂构造主要为北东向的近于平行的F1、F2、F3及F4断裂(见图2)，其中F1断层为本区主要的控岩控矿构造。F1断层由近于平行的断裂带组成，破碎带宽115～310 m，倾向南东，倾角为47°～75°。断层破碎带发育断层泥和断层角砾岩。断层破碎带内发育多期石英脉，毒砂化、黄铁矿化较

图2 字溪矿区地质

发育，金矿化与毒砂化、黄铁矿化关系密切，金矿化较连续。上、下盘围岩中板劈理、次级牵引褶皱、揉皱等小构造发育[3-5]。F2、F3及F4断层发育于芙蓉溪(板溪群)浅变质样岩层中，尽管该系列断层中发育多期石英脉，但是未见明显的金属硫化物和金矿化。该系列断层均呈北东向分布，倾向南东，倾角为38°～68°。相比于F1断层，其出露宽度较小，为5～25 m。断层带中以断层泥、断层角砾岩及陡倾角粉砂质板岩组成。褶皱构造：字溪金矿区内的褶皱构造主要为单斜构造，地层倾向南东(100°～140°)，倾角40°～65°，在矿区西北部，受断层F3的影响，地层局部倾向西北(290°～330°)，发育小褶曲。

本区岩浆活动主要表现为基性侵入岩，呈岩脉或岩墙产出。基性岩脉呈北东向带状分布，倾向南东，倾角63°～84°。基性岩脉与围岩呈断层接触，赋存在F1断层破碎带内，出露长度约1 650 m，宽53～124 m。基性岩的岩性为辉绿岩，呈浅灰褐色，细-中粒结构，块状构造。矿物成分主要为斜长石和辉石。断层发育的部位，岩石蚀变较强烈，主要为硅化、碳酸盐化、绢云母白云石化、蛇纹石化、高岭土化、绿泥石化。

本区含金-碳酸盐-石英脉组成的金矿体在空间上分为Ⅰ-1和Ⅰ-2两条矿体(见图3)。Ⅰ-1赋存在蚀变辉绿岩脉的中部，呈北东向分布，与岩脉走向基本一致。矿体呈板状及脉状产出(115°～140°∠45°～85°),厚度0.85～7.03 m，矿体平均厚度2.28 m。Au品位0.50～146.9 g/t，矿体平均品位2.69 g/t。Ⅰ-2矿体主要赋存于蚀变辉绿岩脉的下部，呈板状及脉状产出，在走向上Ⅰ-1矿体一致。相比于Ⅰ-1矿体，Ⅰ-2矿体的倾角更陡(115°～140°∠63°～85°),矿体的厚度(1.50～2.57 m，平均为2.03 m)和金的品位(1.81～3.98 g/t，平均为3.19 g/t)变化较小。金矿体在走向上主要富集于11～19线，19线往南矿化逐呈渐减弱趋势(见图3)，11线以北矿化不均匀分布。在15线达到最高146.9 g/t，厚度0.90 m。厚度在走向上也以19线为分界线，以北厚度较厚，以南厚度较薄。矿体在倾向上主要富集于标高150～250 m，标高较高或较低矿体品位都较低；而标高越高矿体相对越厚，标高越低矿体相对越薄(见图3)。矿体倾角呈上陡下缓，矿体倾角地表在85°，100 m标高左右矿体倾角在45°。

图3 字溪矿床典型金矿体剖面(a)、矿石厚度和品位在走向(b)和垂向上的分布图(c)

字溪矿床的矿石类型主要为蚀变岩型和脉型金矿石，脉型金矿石可细分为石英-硫化物-自然金矿石和石英-碳酸盐-硫化物-自然金矿石。本区矿石构造主要可分为浸染状构造及细脉状构造：①浸染状构造为矿区的较典型矿石构造，分布范围广，以黄铁矿为主的金属硫化物，呈浸染状散布于蚀变岩体中(见图4)；②脉状构造为矿石中散布有多种类型的多金属硫化物-石英细脉，在局部地段构成网脉[6-8]。石英脉体的脉壁较平直，多以剪型脉为主，脉体形态和宽度严格受裂隙的形态控制，该类型构造与本区金矿化的关系极其密切。矿石中常见的结构有自形-半自形粒状结构、交代结构、包含结构、共结边结构以及填隙结构。金属矿物以自然金、黄铁矿和毒砂为主，局部见方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、车轮矿。“可见”金主要呈粒间金产出，“不可见”金不仅以独立的金矿物存在，部分的Au可能还以“固溶体”的形式赋存于载金硫化物的晶格中。非金属矿物以石英和碳酸盐类矿物为主，其次为绢云母和绿泥石。围岩蚀变主要有硅化、绢云母化、碳酸盐化、绿泥石化以及黄铁矿化，其中硅化、绢云母化、碳酸盐化以及黄铁矿化和成矿的关系最为密切。

1.a为毒砂-黄铁矿-碳酸盐-石英脉的手标本照片；2.b为黄铁矿-绿泥石-碳酸盐-石英脉的手标本照片；3.c为含有浸染黄铁矿的变辉长辉绿岩的手标本照片；4.d为含浸染状毒砂和闪锌矿的变辉长辉绿岩照片(正交偏光)；5.e为黄铁矿周围存在绢云母的压力影，黄铁矿中也含有绢云母，说明变形事件和黄铁矿的形成几乎是同时期的；6.f为黄铁矿周围存在石英的压力影；7.g为毒砂-黄铁矿-石英脉(反射光)中的黄铁矿交代自形的毒砂；8.h为自形-半自形的黄铁矿(反射光)；9.i为晚期碎裂黄铁矿沿早期黄铁矿的裂缝中填充(反射光)；10.j为毒砂-黄铁矿-碳酸盐-石英脉中毒砂、自然金、方铅矿和黄铜矿共生(反射光)；11.k为方铅矿交代半自形毒砂；12.l为闪锌矿交代黄铁矿；13.Chl为绿泥石；14.Qtz为石英；15.Ser为绢云母；16.Cal为方解石；17.Pl为斜长石；18.Bi为黑云母；19.Py为黄铁矿；20.Asp为毒砂；21.Sp为闪锌矿；22.Gn为方铅矿；23.Ccp为黄铜矿；24.Au为自然金

依据野外各含矿脉体的穿插关系以及室内各脉体的矿物组合研究，将成矿划分为一期(热液期)和三阶段：毒砂-黄铁矿-自然金-石英阶段(第一阶段)；毒砂-黄铁矿-自然金-碳酸盐-石英阶段(第二阶段)；碳酸盐-石英阶段(第三阶段)。毒砂-黄铁矿-自然金-石英阶段(第一阶段)，该阶段脉体的脉壁较为平直，脉两侧可见“褪色化”蚀变(主要为绢云母化)。该阶段为热液成矿期的早阶段，其中金属矿物主要以黄铁矿和毒砂为主，在黄铁矿的颗粒间可见有金的独立矿物，非金属矿物主要为石英。多金属-自然金-绿泥石-碳酸盐-石英阶段(第二阶段)，该阶段脉体的两侧也可见“褪色化”蚀变(主要为绢云母化)。该阶段为热液成矿期的中阶段，其中金属矿物主要以黄铁矿和毒砂为主，亦可见金的独立矿物、黄铜矿、方铅矿以及少量的车轮矿。非金属矿物为石英、方解石和绿泥石[9-11]。碳酸盐-石英阶段(第三阶段)，该阶段脉体中少见金属矿物，局部可见星点状的黄铁矿，非金属矿物为石英和碳酸盐类矿物。本阶段为热液成矿期的晚阶段，是本区金成矿的尾声。

3 样品采集及测试

用于氢氧同位素测试的样品采集与金成矿的3个阶段石英脉体。氢、氧同位素分析，采用真空热爆裂法和锌还原法提取氢，在真空条件下于500～680 ℃，使用BrF5法从石英中收集纯净的O2，并制成CO2。氢、氧同位素组成测试由核工业北京地质研究院分析测试研究中心MAT253质谱仪测定，测试结果见表1。

表1 字溪金矿床中各阶段石英的氢氧同位素组成

选取字溪矿床载金硫化物矿石样6件。取硫化物(闪锌矿、黄铜矿、磁黄铁矿、黄铁矿等矿物)粉末样品，称取适量放入锡舟中，采用Costech ECS 4010元素分析仪配套Finnigan MAT253稳定同位素比质谱仪测定样品中的34S/32S比值，数据经V-CDT国际标准物质(美国代阿布洛大峡谷铁陨石中的陨硫铁)标准化(由系统软件完成)，得到δ34S数据，单位以10-3表示，方法精密度优于0.2×10-3，测试单位：核工业北京地质研究院分析测试研究中心。测试结果见表2。

表2 字溪金矿床S同位素组成特征值

4 讨论

字溪金矿床中石英及与石英氧同位素平衡的成矿流体的氧同位素组成分别为14.1×10-3～16.9×10-3和3.5×10-3～9.1×10-3(见表1)，这与典型的脉状金矿床(即造山型金矿床)的氧同位素组成相似(δ18OQtz=10×10-3～18×10-3;δ18OH2O=4×10-3～15×10-3)。此外，石英脉体中氢同位素的组成为-55.5×10-3～-68.1×10-3(见表1)，也与典型的脉状金矿床的氢同位素组成相似。

在δD-δ18图解中(见图5)，第一阶段样品点落入变质水和太古代脉状金矿床热液流体的范围内，表明本期早阶段成矿流体可能起源于变质地层。相比之下，第二阶段样品点落入变质水和岩浆水的重叠的区域内，表明该阶段成矿流体可能起源于变质流体或者岩浆流体。尽管岩浆起源的流体不能通过氢氧同位素组成准确区分，但是本区低盐度，富CO2的流体与绿片岩相向角闪岩相转换过程中，绿泥石分解产生的富CO2的气水溶液组成相似。

图5 字溪矿床δD-δ18

Ohmoto(1972)研究指出[12]，热液矿物的硫同位素组成是总硫同位素组成、fO2、温度、pH、离子强度的函数，即δ34S矿物=f(δ34S∑S、fO2、T、pH、I)，热液矿物δ34S不仅取决于源区物质δ34S值，也取决于含硫物质在热液中的迁移和矿物沉淀时的物理化学条件。Ohmoto和Rye(1979)认为如果热液体系中不存在硫酸盐类矿物[13]，同时矿物组合比较简单时，硫化物的δ34S值可大致代表热液的硫同位素组成，即δ34S∑S≈δ34S硫化物。通过区域地质调查以及详细的镜下观察，字溪矿床中主要金属硫化物为毒砂和黄铁矿，以及少量的黄铜矿、方铅矿和闪锌矿。本区矿物组合比较简单，缺乏硫酸盐矿物表明载金硫化物的硫同位素组成与热液的硫同位素组成相似。

此次研究测得的本矿床S同位素组成为-5.8×10-3～-3.6×10-3(平均值为-4.7×10-3)，与火成岩的硫同位素组成(+1×10-3～+3×10-3)，地幔的硫同位素组成(0×10-3±3×10-3)以及地壳的硫同位素组成(平均值=+7×10-3)不同。不仅如此，字溪矿床中载金硫化物的硫同位素组成与冷家溪群的地层的硫同位素组成也存在较大的差异。相比之下，本次试验样品与板溪群冷家溪群地层硫同位素组成部分重叠，这可能与成矿流体和围岩发生水岩反应并萃取地层中的硫有关。字溪矿床载金硫化物硫同位分布见图6。

图6 字溪矿床载金硫化物硫同位分布

字溪矿床的黄铁矿单阶段模式年龄为616～1 019 Ma，与变辉长辉绿岩脉(783 Ma)的年龄不一致，表明成矿流体系统中存在由于U和Th的衰变或者和不同流体混入的放射性成因铅。在图7(b)中，样品点投影于造山带演化线的附近并且呈现出线性分布。假设该线性分布为第二阶段等时线年龄，我们计算得到的第二阶段等时线年龄为6 528 Ma，并不具有实际的地质意义。因此，样品点呈现出的线性关系应该表示混合线。因此，我们推测字溪成矿流体系统是一个含外部铅混合物的开放系统，这与成矿流体与较深、较高变质源混合的假设是一致的。在图7中，样品点落入马底驿组的范围内，和五强溪组、冷家溪群地层的Pb同位素分布存在较大的差异，表明成矿体系中部分的Pb可能是与成矿流体和马底驿地层之间的水岩反应并萃取地层中的Pb。此外，流体中额外的具有放射性成因的Pb可能是来源于更深的变质级别更高的源区。

图7 字溪矿床载金硫化物铅同位分布

5 成矿物质来源的探讨

在造山和变质过程中，碳质绿片岩相岩石的脱水反应(特别是变镁铁质岩)是含金流体的重要来源。这一假设与大多数金矿床赋存于绿片岩相-角闪岩相附近或低角闪岩相变质地层的地质事实一致。白云母的脱水反应发生在高压和低温下，因此只发生在地温梯度极高的造山带中(>50 ℃/km)。板溪群马底驿组地层中可见绿泥石+白云母+钠长石+石英等矿物组合，在变辉长辉绿岩中也可以发现绿帘石+绿泥石+钠长石+石英矿物组合，这表明变质地层和变辉长辉绿岩均经历了低绿色片岩相变质。此外，用于指示绿帘-角闪岩相的变质矿物组成(石榴子石+黑云母+白云母+石英)未在马底驿组地层以及变辉长辉绿岩脉中发现，这表明二者未经历过高绿片岩相变质。此外，许多研究学者也认为在雪峰山构造带中的中、元古代晚期至新元古代早期的地层经历过绿片岩相变质。因此，变辉长辉绿岩和板溪群以及冷家溪群变质地层不可能是一个有效的流体来源的提供体。与绿泥石变质脱水并产生含硫成矿流体需要一个更深、更高的变质源。