张宣幔枝构造与金多金属矿化<br/>——进展、规律、问题及找矿方向

张宣幔枝构造与金多金属矿化
——进展、规律、问题及找矿方向

2023-08-04王丰翔牛树银张世斌张福祥王晨光宋泽峰

河北地质大学学报 2023年4期

王磊, 王丰翔, , 牛树银, 黄宽, 张世斌, 张福祥, 陈超, 王晨光, 宋泽峰

基于传统板块构造理论而创建的金属矿床成矿模型在解释古大陆内部金属矿床形成机制上遇到了极大的挑战, 严重制约了矿产资源勘查工作的进行。在成矿理论研究过程中, 许多不切合实际的“张冠李戴”现象, 迫使人们不得不重新审定和思考古大陆内部的成矿动力学问题, 例如陆陆碰撞及成矿[1,2], 地幔热柱及幔枝构造等[3-8]。随着多学科的交叉研究及测试技术的革新, 使单一矿床成因机制上升到成矿系统[9,10]或成矿系列[11,12], 成因机制与壳幔活动及不同圈层相互作用等联系起来, 更深刻地展现大规模成矿及矿化结构, 认识到矿床和矿集区是特定地质过程中物质循环和元素富集的结果[2,13-15]。其中, 地幔热柱及幔枝构造在古大陆内部寻找金多金属成矿系统取得了较大的成果, 尤其在华北克拉通北缘及邻区[7,16-18]。

华北克拉通北缘是中国最重要的成矿带之一, 成矿时代主要聚集在显生宙[19]。其中, 张宣金多金属矿集区位于华北克拉通北缘中段, 与幔壳混合的碱性—钙碱性花岗质密切联系, 是华北克拉通北缘典型的幔枝构造—张宣幔枝的构造—岩浆热事件有关, 控制着一系列金多金属矿床(矿点) (图1a)。其中, 东坪、黄土梁、小营盘金矿、中山沟、水晶屯、后沟、大白杨和张全沟是大中型矿床; 赵家沟、金家庄、下两间房等是小型矿床(点) (图1b), 外围还有蔡家营、相广、万全寺、青羊沟等大中型银铅锌矿床[19-23]。本次系统总结了张宣幔枝构造区的组成结构、地质演化及动力机制, 以及与金多金属矿化的成因联系, 探讨其成矿规律及找矿方向, 为区域找矿提供理论支撑。

图1 (a) 华北克拉通北缘和(b) 张宣地区地质简图Fig.1 (a) Geological maps of the northern margin of the North China Craton and (b) Geological map of Zhangjiakou—Xuanhua area

1 张宣幔枝的组成结构

张宣幔枝构造位于张家口—宣化一带, 是兴蒙造山带与华北克拉通拼合部分靠克拉通一侧(图1a)。张宣幔枝构造主体为前寒武纪变质基底, 中南部为太古宙深变质的麻粒岩—片麻岩区, 以尚义—崇礼—赤城大断裂为界, 以北被归为古元古界红旗营子群, 以南为太古宙“桑干杂岩”, 其主体系一套正变质岩系(图1b)。变质基底中心被泥盆世水泉沟碱性杂岩侵入, 之后又被晚中生代的红花梁花岗岩侵入 (图1b)。变质基底的东南侧为中元古界长城系。张宣幔枝构造的外围被早白垩世张家口组火山岩盆地所包围, 构成近似的环形构造(图1b)。

张宣隆起周边存在一系列向隆起外倾斜的脆性或韧性的剪切滑动面理(图2a), 包括一些低角度的滑覆—推覆断层, 例如在张宣隆起东侧的赤城县大岭堡(图2b) 可以见到一系列鳞片状的长城系串岭沟组滑覆在长城系团山子组白云岩之上, 长城系常州沟组岩片又滑覆在串岭沟组之上, 最后太古宙地层滑覆到长城系不同组的地层或岩片之上, 指示滑动方向的构造现象十分发育。

图2 (a) 区域深大韧脆性构造及次级断裂与金成矿关系和(b) 赤城大岭堡滑覆构造Fig.2 (a) The relationship between regional deep ductile brittle structure and secondary faults and gold mineralization and (b) Chicheng Dalingpu sliding structure

经调研, 张宣幔枝构造主要由核部岩浆-变质杂岩、外围拆离滑脱带和上叠构造盆地三部分组成。轴部岩浆活动以水泉沟—大南山岩浆岩带最为明显, 岩体呈透镜状沿尚义—崇礼—赤城韧性剪切带展布, 属于岩浆侵入、蚀变交代、混合岩化多种地质作用形成的杂岩体, 其出露面积达400 km2(图1b)。海西期则以水泉沟碱性花岗杂岩体(373～410 Ma) 为代表,与区域金矿床在空间上有密切联系(图1b); 中生代岩体以岩株、岩墙为主, 主要有三叠纪黑云母花岗岩(233～237 Ma)、斑状花岗岩(234～238 Ma)、白垩纪正长花岗岩(142～144 Ma) 和二长花岗岩, 与金矿在时间和空间密切相关(图1b)。

2 张宣幔枝构造对矿床的控制

张宣幔枝构造成矿区是华北地幔亚热柱成矿域的重要组成部分, 集中产出了黄土梁金矿、东坪金矿、小营盘金矿等多处大中型金多金属矿床和数十处小型矿床(点)。其中金矿床类型主要分布在轴部剪切带内。该成矿区在成矿时间、空间分布、矿床组合、岩浆演化及蚀变矿化等方面表现出明显的规律性。

2.1 矿床基本类型

张宣幔枝构造轴部变质—岩浆杂岩区控制的金矿区, 产出金矿床(点) 35 处。其中, 大型金矿3 处(东坪、黄土梁、小营盘), 中型金矿5 处(中山沟、水晶屯、大白杨、张全庄、后沟), 小型金矿(点)27 处, 被誉为河北省的“金三角”, 资源潜力大。

张宣幔枝构造对成矿类型有着明显的控制。按照赋矿围岩主要划分为4 类: (1) 水泉沟碱性杂岩体内部热液脉型—蚀变岩型金矿, 如东坪、中山沟等;(2) 水泉沟碱性杂岩体内呈细脉—浸染状状金矿, 如黄土梁; (3) 赋存在水泉沟碱性岩体内部蚀变岩型金矿; (4) 赋存在碱性岩太古宇变质岩系层状金矿, 如小营盘(表1)。

表1 张宣地区主要金矿床统计表Table 1 Statistical table of main gold deposits in Zhangjiakou—Xuanhua area

2.2 对成矿时代的控制

张宣幔枝构造成矿区几乎包括了整个冀西北张家口地区金多金属矿床展布区。在成矿时间分布上, 矿床严格受张宣幔枝构造形成及其发展演化的控制。中山沟金—碲矿床钾长石Ar-Ar 年龄为 247～240 Ma[34]。4 个白云母和/或钾长石Ar/Ar 年龄组(300 ～288 Ma;248～240 Ma; 188～171 Ma; 153～158 Ma) 在东坪、黄土梁、后沟也有记录(表2 和图3), 这些年龄被认为是金矿化事件的年龄。此外, 还报道了一个个103 Ma 石英流体包裹体Rb-Sr 等时线年龄(103 Ma), 也被认为是金成矿年龄(表2 和图3)。然而, 上述年龄可能代表区域热事件的年龄。根据高精度的锆石和石榴子石U-Pb 年龄和硫化物的Re-Os 年龄, 该区域可能至少有两次金成矿时间: 早泥盆世(400 ～350 Ma) 和晚侏罗—早白垩世(150 ～130 Ma) (表2 和图3), 这已成为张宣幔枝构造成矿区内成矿作用的一个突出特点。这与区域构造—岩浆热事件的发展演化是相吻合的(表2 和图3)。

表2 张宣地区主要金矿床成矿(或热液蚀变) 年龄统计表Table 2 Metallogenic (or hydrothermal alteration) age statistics of main gold deposits in Zhangjiakou—Xuanhua area

图3 张宣Au-Te 成矿带典型金矿床的热液和成矿年龄Fig.3 Hydrothermal and metallogenic ages of typical gold deposits in Zhangjiakou—Xuanhua Au-Te metallogenic belt

图4 岩浆热事件年龄频数分布直方图Fig.4 Age frequency distribution histogram of magmatic thermal events

2.3 断裂体系对矿床的控制

随着幔枝构造的演化, 隆起区的形成使不同深度条件形成的构造体系(韧性、脆韧性、脆性构造体系) 彼此复合、重叠, 造就了含矿热液迁移、活动的有利条件。特别是不同韧—脆性构造体系的复合, 形成了在隆起区内广泛的矿化聚矿空间。其中韧—脆性破裂体系是地表浅处导矿、储矿的主要构造。

崇礼—赤城含金剪切带具有典型的菱形网格状结构特点, 可划分为一系列近东西向或弧形次级含金剪切带。如中山沟—水泉沟—东坪—后沟次级含金剪切带、中山沟—谷嘴子—小营盘—响水沟次级含金剪切带、水晶屯—张全庄次级含金剪切带、杨木洼—下两间房—马杖子—金家庄—后沟—赤城次级含金剪切带、西双台—黄土咀—黄土梁次级含金剪切带等(图2 和表1)。

2.4 区域矿种分带

在矿床、矿体的具体空间分布上, 金银铅锌矿床又表现出明显的环带性展布。其中在金矿集中区, 如东坪金矿、黄土梁金矿、后沟金矿、小营盘金矿、金家庄金矿、赵家沟金矿、水晶体金矿、关底金矿、响水沟金矿等的含金石英脉及与成矿有关的中基性岩脉多呈近东西向分布。其富矿体也主要产于近东西向断裂构造之中, 尤其是近东西向断裂与近南北向、北东向、北西向断裂构造的交叉复合部部位之中。

在外围银铅锌矿集中区, 如万全寺银金矿、相广锰银矿、彭家沟银矿、涿鹿上井沟银矿、怀来辛坊银矿、崇礼三道沟银矿、张北二八地银矿等大、中、小型银铅锌矿床均产在幔枝构造过渡带中中新元古代拆离带之中, 部分产于幔枝构造外围侏罗纪上叠盆地之中。蔡家营大型铅锌银矿床, 一部分矿体产在侏罗纪地层之中, 部分与燕山期浅成—超浅成偏碱性次火山岩有关; 青羊沟、涿鹿水关口、口前、史家沟、穆家沟、怀来常庄子、赤城孙家庄、火石沟等银铅锌矿床(点) 的形成主要与燕山期岩浆活动有关。特别是幔枝构造外围环状、半环状、弧形断裂构造及其沿断裂分布的浅成—超浅成次火山岩、火山机构、断陷火山盆地边缘等, 控制着冀西北地区绝大多数内生银铅锌矿床的空间展布。

从区域上看, 张宣幔枝构造区的矿床组合, 总体被尚义—大河南北西向深大断裂、沽源—东卯北西向深大断裂, 和张北—沽源北东向深大断裂、大河南—丰宁北东向深大断裂所围限。中部被尚义—赤城近东西向深断裂带所分割。而中生代更具代表性的构造变形是整个张宣幔枝构造的强烈隆升, 并且构成构造、岩浆、含矿热流体交代蚀变与矿化三大系列复杂演化的最终产物。

3 成矿模式

幔枝构造之所以成为控矿的主要空间, 是因为成矿元素随地幔亚热柱向上运移到岩石圈底部受阻而插向造山带的根部, 当被造山带轴部持续活动的深切韧性剪切带切割时, 成矿元素便沿韧性剪切带或随岩浆上侵向地壳浅部迁移, 在幔枝构造的有利构造扩容带聚集成矿。

张宣幔枝构造区是河北省重要的成矿集中区, 并被形象地称作“金三角, 银镶边” 对区域上前期地质找矿起到了一定的指导作用, 取得了较好的找矿效果。 “金三角, 银镶边” 的总结是基于张宣地区矿床的平面展布, 也就是说金矿主要分布于崇礼—赤城—宣化三县的变质-岩浆分布区, 外围中新元古代盖层及中生代盖层中则主要为银多金属矿床分布区。

一是幔枝构造的空间形态一般呈蘑菇状, 其形成动力学机制是因为中生代大规模的岩浆活动, 特别是中酸性岩浆活动, 使区域岩石—地层密度倒置, 导致岩浆-变质杂岩一起发生大规模隆升, 外围盖层则大幅度拆离滑脱, 以至于岩浆-变质杂岩呈揭顶式裸露,上部盖层拆离到远离中心的外围地区, 从而构成典型的幔枝构造(图5)。

图5 张宣幔枝构造区成矿模式图Fig.5 Zhangjiakou—Xuanhua mantle branch structure area metallogenic model diagram

图6 张宣地区找矿远景区Fig.6 Zhangjiakou—Xuanhua area prospecting area

在剖面上, 幔枝构造具有蘑菇状顶冠, 也即从地表往下, 岩浆-变质杂岩的核部会逐渐变大, 从核部向外盖层逐渐加厚, 或者说, 在外围一定范围内的盖层是逐渐加厚的。那么, 从温度、压力等物理—化学条件讲, 在幔枝构造外一定范围盖层之下不深的距离内就是岩浆-变质核部杂岩, 而仍然是含金矿层位。换句话说, 就是在幔枝构造外围的剖面上具有从上往下, 有Pb、 Zn →Ag →Au 的成矿分带(图5), 因为从成矿作用本身来讲, 从下往上是Au→Ag→Pb、 Zn沉淀结晶。

二是幔枝构造理论认为, 并且多次论述成矿物质来自深源, 甚至来自核-幔界面, 通过地幔热柱多级演化, 从地幔热柱→亚热柱→幔枝构造→主要构造扩容带→矿田→矿床→矿体(脉)。

三是金银多金属矿床的成矿作用以含矿流体灌入为主, 围岩萃取为辅。而且矿液的析出沉淀受着温度、压力等成矿物理—化学条件的控制, 具有从下往上温度—压力从高往低运移的特点。如果从成矿作用来说, 就是从高温到低温的演化顺序。

因此, 今后的找矿方向远不是局限于金三角范围, 在外围铅锌矿分布区之下一定范围, 铅锌矿之下会有银矿, 银矿之下会有金矿, 这种成矿模式不仅从理论上已经证实, 而且在中山沟金矿、万全寺银金矿、彭家沟银矿, 甚至蔡家营铅锌矿等都得到了验证。特别是国家已经明确提出开展深部(内生金属矿床指500～1 500 m) 找矿, 深部找矿则潜力更加远大。

4 找矿方向

根据已知金矿床成矿地质条件与矿床空间分布规律, 在张宣幔枝构造成矿区金矿成矿亚区中部、印支末—燕山期构造—岩浆活动中心, 基性、超基性岩、煌斑岩分布区, 特别是崇礼—赤城北西西向韧性剪切带、水泉沟碱交代杂岩区及碱交代作用区, 是重要的区域金矿找矿远景区带。其中碱交代正长岩类、二长岩类, 各种蚀变脉岩类及钾质、硅质蚀变带集中分布区、低序次北西向、北东向韧性—韧脆性断裂构造密集带及碱交代杂岩接触带, 则是金矿田与大型、特大型矿床的主要预测找矿方向。而结合更进—步的找矿标志与物化探异常等综合分析, 金矿找矿方向可分述如下。

4.1 葵花村—黄土梁—温泉金矿找矿远景区

该区位于水泉沟碱性杂岩体东北部边缘, 呈北西西向展布, 面积约60 km2。该区具有大型或特大型金矿床的一系列成矿条件与标志特征, 是在张宣幔枝构造成矿区金矿成矿亚区金矿突破的最佳找矿靶区, 找矿远景极为可观。

近几年水泉沟含金碱性杂岩体剪切变形与幔源热流体碱交代成岩成矿作用研究表明, 黄土梁金矿外围地区, 特别是西部黄土梁—葵花村一带、东南部黄土梁—温泉—大岭堡一带, 成矿条件十分有利,各种找矿标志十分明显与突出。比如, 在小赵家沟—黄土粱—温泉一带, 既分布大面积与成矿密切相关的碱交代二长岩类、正长岩类、花岗质、钾长质脉岩类、钾质蚀变岩、蚀变带及石英脉等, 又有大面积强度较高的金的甲类水系沉积物与重砂异常,而且, 剪切带的韧性变形变质带与北西西向、北东向韧脆性—脆性断裂破碎带也十分发育, 指示该区段为寻找深部隐伏大型、特大型钾质蚀变岩型金矿的最佳找矿靶区。

4.2 金家庄—后沟金矿找矿远景区

该区位于水泉沟碱性杂岩体东南部边缘金家庄—后沟—赤城韧性剪切带内, 呈北西西至北东东向展布, 面积约150 km2。主要岩石类型为碱交代二长岩类、正长岩类、各类脉岩、钾质蚀变岩、蚀变带与石英脉也十分发育, 蚀变基性—超基性岩分布在金家庄—小张家口一带。该区不仅分布有后沟、金家庄、北沟等中—小型金矿及十几处金矿点, 而且存在一系列大规模强烈的钾长石化带及大面积金的重砂与水系沉积物异常。因此, 该区成矿条件十分有利, 特别是寻找深部隐伏的东坪式大型、特大型钾质蚀变岩型金矿, 找矿远景十分可观。

4.3 中山沟—水泉沟—东坪金矿找矿远景区

该区位于水泉沟碱性杂岩体西南部边缘中山沟—水泉沟—东坪韧性剪切带内, 呈北西西向展布, 面积约160 km2。区内幔源热流体碱交代成岩作用十分强烈, 主要岩石类型为二长岩类、正长岩类、各类脉岩、钾质蚀变岩、蚀变带与石英脉十分发育。该区现已发现东坪大型、特大型金矿, 中山沟等中小型金矿及十几处金矿点, 存在一系列大规模强烈的钾长石化带及大面积金的甲类重砂与乙类水系沉积物异常, 是十分有利的钾质蚀变岩型金矿成矿远景区之一。

4.4 水晶屯—小营盘—张全庄金矿找矿远景区

该区位于水泉沟碱性杂岩体以南15 km 范围内的中山沟—小营盘、水晶屯—张全庄北西向韧性剪带内, 面积约160 km2。区内出露地层主要为桑干群变质岩系。区内北西向韧性变形变质带与韧脆性—脆性断裂构造带十分发育, 是重要的控岩、控矿、导矿通道和容矿空间。区内中基性脉岩与煌斑岩广泛发育,其中部分与矿脉同构造空间或相互穿切。该区幔源热流体面型、裂隙型碱交代作用十分强烈, 钾质蚀变岩、蚀变带与石英脉及花岗质交代脉岩广泛分布, 并构成矿体或矿体顶底板及低品位矿石。区内有小营盘、张全庄、韩家沟、水晶屯等大中型金矿4 处; 小型金矿及矿点20 余处, 同时存在大面积甲类与乙类金的重砂与水系沉积物异常, 是含金石英脉型金矿重要成矿远景区之一。

4.5 下双台—下两间房金矿找矿远景区

位于水泉沟碱性杂岩体西北部边缘, 面积约50 km2。区内北西西向韧性剪切带与面型碱交代蚀变岩带横贯角闪二长岩与桑干群变质岩系接触带。已知小型金矿1 处, 矿点及矿化点6 处, 并分布有金的甲类水系沉积物与重砂异常, 具有一定的找矿远景。

总之, 冀西北地区金矿找矿远景区十分可观, 潜在资源量应在400 t 左右, 特别是葵花村—黄土梁—温泉、水晶屯—小营盘—张全庄、中山沟—水泉沟—东坪等地区, 分别是与韧性剪切带发展演化密切相关的大型、特大型钾质蚀变岩型金矿与含金石英脉型金矿最佳靶区, 有望获得突破。

5 存在的科学问题

5.1 前寒武纪基底对金矿形成的作用是什么?

华北板块北缘的金矿化带发育在华北克拉通边缘, 并与前寒武纪基底在空间上有密切的关系, 那么前寒武纪基底在金矿床的形成过程中是否具有成因联系? 张宣地区存在大量的前寒武纪花岗岩片岩, 其是否对区域金成矿能提供必要的热源和物质来源? 从前人的Hf 同位素的研究, 显然这些基底的部分熔融可能为金提供了一定的物质。然而, 这些物质的比例是多少? 现在尚不能用实验的方法去测定。部分学者认为, 岩浆及相关流体在运移过程中对太古宙变质岩进行过不同程度的淋滤作用, 并且获取一定量的成矿物质, 这个过程是部分熔融, 还是热液萃取? 这些问题尚不能完美解释。

5.2 金矿化与岩浆热事件的成因关系

毫无疑问, 金的成矿作用与显生宙区域碱性—偏碱性岩浆作用有关, 成矿物质分别来自地壳拉张环境中地幔和下地壳物质的深熔作用。在氧化的碱性物理化学条件下, 来自深源岩浆的流体携带成矿物质向浅部运移, 随着温度、压力、氧化还原条件的改变, 以钠长石脉的沉淀为标志, 成矿环境向还原的酸性环境转化, 钠长石脉→石英钠长石脉→钠长石英脉→石英脉→石英碳酸盐脉→碳酸盐脉依次形成。

然而, 在泥盆纪早期华北克拉通北缘处于弧—陆碰撞后的伸展构造背景, 这种伸展背景引发区域韧—脆性大断裂的活动, 深部富钾含矿流体沿深大断裂上升, 在运移过程中不断萃取围岩中的金等成矿元素,在大断裂的次级断裂等构造有利部位充填、交代而形成这种金钼组合型的矿床, 后期有经受燕山期多次热液活动的叠加和改造, 表现出本区成矿年龄多样性的特点(图3、图4)。那么, 泥盆世成矿是主成矿期,还是燕山期是主成矿期? 这是一个关键的科学问题,需要进一步研究。