地质通报  2020, Vol. 39 Issue (8): 1137-1152  
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杜泽忠, 程志中, 姚晓峰, 于晓飞, 陈辉, 李少华, 鲍兴隆. 胶东谢家沟金矿热液蚀变作用过程的元素迁移规律[J]. 地质通报, 2020, 39(8): 1137-1152.
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Du Z Z, Cheng Z Z, Yao X F, Yu X F, Chen H, Li S H, Bao X L. Element migration regularity during hydrothermal alteration in the Xiejiagou gold deposit, Eastern Shandong Province[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(8): 1137-1152.
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基金项目

国家重点研发计划项目课题《深部矿产资源三维找矿预测评价示范》(编号:2017YFC0601506)和中国地质调查局项目《整装勘查区找矿预测与技术方法示范》(编号:DD20160050)、《整装勘查区矿产地质调查与找矿预测》(编号:DD20190159)

作者简介

杜泽忠(1986-), 男, 博士, 高级工程师, 从事矿床学和找矿预测研究。E-mail:27793009@qq.com

文章历史

收稿日期: 2019-04-24
修订日期: 2020-03-06
胶东谢家沟金矿热液蚀变作用过程的元素迁移规律
杜泽忠1, 程志中1, 姚晓峰1, 于晓飞1, 陈辉1, 李少华2, 鲍兴隆2    
1. 中国地质调查局发展研究中心/自然资源部矿产勘查技术指导中心, 北京 100037;
2. 招金集团金亭岭矿业公司, 山东 招远 265400
摘要: 谢家沟金矿床位于胶西北焦家断裂带和招平断裂带之间。通过详细的野外地质观测与室内研究,查明了谢家沟金矿床的蚀变类型及空间分带,系统采集不同蚀变类型的岩石样品,进行岩石元素地球化学分析,运用Isocon方法分析探讨了热液蚀变过程中的元素迁移规律及其对成矿流体性质、矿质沉淀的制约。蚀变从中心到两侧分别为含陡立石英脉的黄铁绢英岩化、黄铁绢英岩化、钾长石化;从早到晚依次为钾长石化、黄铁绢英岩化、含陡立石英脉的黄铁绢英岩化。钾长石化蚀变表现为钾长石和黑云母分别交代玲珑黑云母花岗岩中的斜长石和角闪石,K明显的迁入,Si轻微迁入,Ca、Mg为迁出,Fe轻微迁出。黄铁绢英岩化蚀变叠加于钾长石化蚀变之上,主要表现为斜长石、钾长石、黑云母等矿物在含H+、HS-溶液中失稳,被绢云母、石英替代,Fe、Mg、Ca为迁入,K、Na、Si表现为元素迁出。从钾长石化阶段到黄铁绢英岩化阶段,流体从碱性转变为酸性;Au迁移形式也逐渐由氯的络合物转化为硫氢络合物。随着成矿流体的不断演化,成矿流体与围岩不断反应,含矿热液化学性质不断变化促进了金的沉淀。
关键词: 谢家沟    金矿    围岩蚀变    Isocon方法    元素迁移规律    
Element migration regularity during hydrothermal alteration in the Xiejiagou gold deposit, Eastern Shandong Province
DU Zezhong1, CHENG Zhizhong1, YAO Xiaofeng1, YU Xiaofei1, CHEN Hui1, LI Shaohua2, BAO Xinglong2    
1. Development and Research Center, China Geological Survey/Technical Guidance Center for Mineral Resources Exploration, Ministry of Natural Resources, Beijing 100037, China;
2. Jintingling Mining Industry Co., Ltd., Zhaoyuan 265400, Shandong, China
Abstract: The Xiejiagou gold deposit is located between the Jiaojia fault zone and the Zhaoyuan-Pingdu fault zone in northwest Jiaodong.Based on detailed field geological observations and laboratory study, the authors identified the alteration types and spatial zoning of the Xiejiagou gold deposit.In this paper, the authors systematically collected rock samples of different alteration types, and carried out geochemical analysis of rock elements.The Isocon method was used to analyze the element migration law during hydrothermal alternation and its constraint on the properties of ore-forming fluids and mineral precipitation.The alterations of the gold deposit are beresitization of steep quartz veins as well as beresitization and K-feldspathization from the center to both sides; they are K-feldspathization, beresitization, and ferritic lithology with steeply dipping quartz veins from early to late period.The K-feldspathization shows that K-feldspars and biotite replaced the plagioclases and hornblende in the Linglong biotite granite, respectively, the potassium obviously migrated in, silicon slightly migrated in, calcium and magnesium migrated out, and iron migrated slightly out.The beresitization is superimposed on the K-feldspathization, which mainly demonstrates that plagioclase, K-feldspar and biotite were destabilized in the solution containing H+ and HS-, and were replaced by sericite and quartz.Iron, magnesium, and calcium moved in, potassium, sodium, and silicon moved out.From the K-feldspar stage to the beresitization stage, the fluid changed from alkaline to acidic, and the migration form of Au also gradually changed from a chloride complex to a sulfur-hydrogen complex.With the continuous evolution of the ore-forming fluid, the ore-forming fluid and the surrounding rock continuously reacted, and the chemical properties of the ore-bearing hydrothermal fluid continued to change to promote the precipitation of gold.
Key words: Xiejiagou    gold deposit    wall-rock alteration    Isocon method    element migration regularity    

胶东地区金矿密集分布,且大型-超大型金矿床集中产出。2011年以来,新发现大中型及以上金矿70多处,新增金资源储量逾2400 t,金矿勘探取得具有世界级影响的重大突破,以本区矿床定名的“玲珑式”(石英脉型)金矿和“焦家式”(蚀变岩型)金矿更是驰名中外。蚀变岩型金矿床主要包括焦家金矿床、三山岛金矿床、新城金矿床、夏甸金矿床等,严格受断裂构造控制,主要赋存于以压性为主的压扭性缓倾角的断裂带中,矿化类型为浸染型和网脉型,矿体倾角缓,一般不超过50°。石英脉型金矿床主要包括玲珑金矿床、九曲金矿床等,该类型矿床受主干断裂伴生、派生的低级别、低序次、高倾角的断裂控制,这些断裂是复合形成的压扭性或张扭性断裂[1]。谢家沟金矿床是近年在招平断裂和焦家断裂之间发现的一处大型金矿床,其产出位置与石英脉型金矿床(玲珑、九曲、乳山、邓格庄等金矿床)的产出位置相似,其矿石类型主要为蚀变岩型矿石,矿石结构、构造与典型的蚀变岩型金矿相似,但与典型的蚀变岩型金矿又有所区别,其蚀变带主体不受构造控制,不产出于区域性深大断裂带及其次级构造上,也不是传统意义上的缓倾角黄铁绢英岩化碎裂岩带,而是较陡立(往往为倾角大于70°)的蚀变带,从中心到外分别为含陡立石英脉的黄铁绢英岩化、黄铁绢英岩化、钾长石化、含钾长石脉的玲珑黑云母花岗岩、玲珑黑云母花岗岩,蚀变中心往往有后期近于直立的、密集的、较细的含金石英-硫化物细脉穿插。前人对谢家沟矿床的基础地质特征、金的赋存状态、流体特征等进行了详细研究[2-5]

热液蚀变作用的实质是流体与围岩发生水岩反应,流体-岩石反应过程的研究对揭示热液蚀变过程中元素迁移规律,分析热液蚀变机理,探讨热液演化、成矿元素活化迁移、沉淀机制等具有重要的意义[6-11]。Gresens[12]于1967年提出Gresens方程,成为研究开放系统中元素质量迁移的经典方法;Grant[13-14]于1986年、2005年对该方程进行了简化,采用等浓度图解确定蚀变系统中的不活动元素,进而以不活动元素为参考计算蚀变前后岩石中元素的质量迁移,简称Isocon方法。前人已利用Isocon方法对胶东地区金青顶[15]、焦家[16]、新城[17]、寺庄[11, 18]、金翅岭[19]等金矿床分析了不同蚀变阶段的元素迁移规律,探讨了各蚀变阶段形成机制及其对金沉淀的影响。但未对胶东谢家沟金矿不同热液蚀变类型元素迁移规律,以及成矿流体性质、矿质沉淀机理的制约进行研究,在一定程度上制约了矿床成因的研究。因此,本文在前人研究和详细的野外地质观察基础上,查清了谢家沟金矿床蚀变类型及矿物组合特征,确定了主要蚀变带的形成序次和空间分布特征,系统采集了-430中段不同蚀变带的岩石样品,开展了岩石元素地球化学分析,运用Isocon分析方法讨论了热液蚀变过程中元素迁移规律,并探讨谢家沟金矿床成矿流体性质、热液蚀变机理及其与成矿的关系。

1 区域地质背景

工作区位于胶东地区的西北部,胶西北所在的胶东地区位于华北克拉通东南缘,大致为郯庐断裂以东、渤海以南、黄海以西及苏鲁超高压变质带北段西侧部分。区内出露的地层主要为新太古界胶东群、古元古界粉子山群和荆山群中高级变质岩及白垩系火山岩。中生代侵入岩大面积发育,主要包括玲珑、滦家河、郭家岭、鹊山、三佛山、垛崮山、五爪山、瓦善、六度寺、艾山、伟德山等花岗质岩体[20-21],可大致划分为玲珑黑云母二长花岗岩、滦家河中粗粒钾长-二长花岗岩、郭家岭似斑状花岗闪长岩、艾山花二长花岗岩四大类。玲珑黑云母二长花岗岩多呈大岩基产出,含胶东群包体,局部有片麻状构造[22],呈NNE向带状分布于焦家断裂与招平断裂之间,其岩浆来自新太古代下地壳部分熔融[23],其锆石U-Pb年龄为165~155 Ma[22, 24-26]。滦家河中粗粒钾长-二长花岗岩呈NNE向带状分布于玲珑花岗岩体中部及东侧以栾家河为中心的地区,其锆石U-Pb年龄为160~147 Ma[24, 27]。郭家岭花岗岩体主要岩性为花岗闪长岩,呈近EW向岩株状侵入到玲珑花岗岩体和胶东群变质岩中[23, 28-29],从西到东分别为三山岛、上庄、北截、丛家和郭家岭岩体,其锆石U-Pb年龄为130~126 Ma[22, 30-31]。岩石学和地球化学数据指示,郭家岭型岩体由下地壳前寒武纪变质基底岩石部分熔融形成,侵位过程中可能受到上地壳物质混染[32-33]。应用角闪石-斜长石温度计和角闪石全铝压力计获得的温压条件分别为:郭家岭岩体为694~733℃,1.3~2.4 kbar;丛家岩体为702~719℃,2.4~3.9 kbar;北截岩体为723~727℃,3.8~4.2 kbar。岩体的侵位深度变化较大,其中郭家岭岩体平均为6 km,丛家岩体平均为10 km,北截岩体平均为13 km,显示从东到西侵位越来越深,结晶温度越来越高的趋势。不同侵位深度的岩体同时出露到地表,暗示早白垩世以来胶东地区的剥蚀抬升速率可能不均匀,西部相对东部抬升更快、剥蚀更多[21]。艾山二长花岗岩呈近NE向侵入到郭家岭花岗岩岩体中[29, 34],其锆石U-Pb年龄为118~114 Ma[35]

控制胶西北金矿断裂系统最具决定意义的是NNE—NE向控矿断裂系统,直接控制了该区特大型、大型金矿床及大部分中小型金矿床。胶西北地区自西向东呈NNE—NE向展布的断裂主要有三山岛断裂带、焦家断裂带、招平断裂带(图 1)。

图 1 胶东区域地质简图[36] Fig.1 Regional geological map of Jiaodong 1—古近纪沉积物;2—白垩纪沉积物;3—新元古代蓬莱群大理岩、板岩和石英岩;4—古元古代粉子山和荆群片岩、片麻岩、大理岩和少量麻粒岩、角闪岩;5—新太古代胶东群角闪岩和麻粒岩;6—超高压变质岩;7—早白垩世晚期花岗岩;8—早白垩世中期花岗岩;9—晚侏罗世花岗岩;10—晚三叠世花岗岩;11—岩石圈断裂;12—区域断裂;13—地质界线;14—蚀变岩型金矿;15—石英脉型金矿;16—蚀变砾岩型金矿
2 矿床地质特征

谢家沟金矿床位于胶西北焦家断裂带和招平断裂带之间。矿区内出露岩石主要有玲珑花岗岩系列的(片麻状)黑云母花岗岩,以及呈NW向、NWW向展布的燕山期中基性脉岩,其岩性主要有闪长玢岩、辉石闪长岩、正长斑岩、闪长岩等。区内构造较发育,主要有NNE向、NNW向、EW向,其中NNW向构造稍晚于NNE向断裂,EW向断裂切割其他方向构造。矿体总体上呈NNE走向(15°~30°),倾向SE,倾角较陡(70°~80°),具有尖灭再现的特征(图 2)。矿石类型主要有黄铁矿(黄铜矿)绢英岩型、石英硫化物脉型两大类,其中可见石英硫化物脉型矿体叠加于绢英岩型矿体之上,前者一般品位较高,但空间上连续较差,后者矿化较均匀,但品位较低。据前人研究,金主要有包体金、晶隙金和裂隙金的形式,包体金和裂隙金的寄主矿物为黄铁矿和少量黄铜矿,晶隙金主要分布于以黄铁矿为主的硫化物内及其与石英的颗粒之间,金矿物主要为自然金和银金矿[3, 37]

图 2 谢家沟金矿地质简图[4-5] Fig.2 Geological map of the Xiejiagou gold deposit 1—玲珑黑云母花岗岩;2—中基性脉岩;3—硫铁矿带;4—断层及编号;5—蚀变带及编号;6—金矿体

围岩蚀变主要有钾长石化、硅化、黄铁绢英岩化、绿泥石化、碳酸盐化等。据野外观察,钾长石化可能是成矿前的蚀变产物,硅化、绢英岩化等成矿期蚀变是叠加在钾长石化之上的蚀变作用,绿泥石化是成矿后的蚀变作用,它可以产于矿体中部、边部,甚至围岩中,但在钾长石化带中不存在。蚀变具有明显的分带现象(图 3),总体上表现为矿体的中部为强黄铁矿化、硅化和绢英岩化,远离矿体的中心,硅化和绢英岩化减弱,渐变过渡到钾长石化,最后过渡到玲珑黑云母花岗岩,在钾长石化与黑云母花岗岩接触带附近,钾长石化呈水平脉状穿插于黑云母花岗岩中。在黄铁绢英岩化中,常叠加陡立、近于平行密集产出的石英-硫化物脉群,使得金变富。其中硅化、强黄铁绢英岩化(即矿体)带宽主要为1~10 m,最大不超过15 m,矿体外围的钾长石化带厚度变化较大,一般几米至几十米,最大处超过100 m。基于野外地质观察、矿物共生组合、结构构造等特征,将该金矿床的成矿蚀变划分为3个主要蚀变带。

图 3 谢家沟金矿床矿化蚀变分带 Fig.3 Characteristics of alteration and mineralization zoning in the Xiejiagou gold deposit 1—陡立含石英脉叠加黄铁绢英岩化;2—黄铁绢英岩化;3—钾长石化;4—钾长石化呈近水平脉状穿插于玲珑黑云母花岗岩

(1) 钾长石化带:钾长石化是本区较早出现的围岩蚀变,蚀变多分布于蚀变带的外侧,一般远离矿体,当绢英岩化不发育时,可邻近矿体出露,或呈面型分布,或呈脉状沿裂隙产出,一般宽几米至数十米不等。蚀变由钾长石和乳白色石英组成,呈肉红色,花岗结构清楚,交代残留结构普遍发育,含少量晶形较好的黄铁矿(图版Ⅰ-a~d)。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a、b、c.由钾长石和乳白色石英组成的钾长石化;d.含少量晶形较好黄铁矿的钾长石化;e、f、g、h.由黄铁矿、绢云母和石英组成的黄铁绢英岩化;i、j、k、l.由烟灰色石英和黄铁矿组成陡立石英细脉;b、f为透射光单偏光下照片;c、g为透射光正交偏光下照片;d、h、k、l为反射光单偏光下照片。Kf—钾长石;Qz—石英;Ser—绢云母;Mt—磁铁矿;Py—黄铁矿;Au—金

(2) 黄铁绢英岩化带:黄铁绢英岩化是区内最广泛的一类蚀变,主要呈灰绿色,分布于蚀变带内部,一般宽几米至数十米不等。花岗质岩石经绢英岩化后,原岩岩石结构模糊,长石边界不清,出现大量绢云母和游离石英,形成类似的蠕虫状结构(图版Ⅰ-e~g)。远离矿体中心部位黄铁矿逐渐变少,过渡为绢英岩化带。

(3) 含陡立含硫化物石英细脉的黄铁绢英岩化带:在黄铁绢英岩化带中心部位常叠加陡立、近于平行密集产出的石英-硫化物脉群,自然金呈浸染状散布于烟灰色石英裂隙或晶隙中,石英脉越发育,含金越富。石英-硫化物细脉宽为1~5 cm,主要由烟灰色石英和黄铁矿组成,局部含有磁铁矿、方铅矿、闪锌矿等硫化物(图版Ⅰ-i~k)。

3 元素地球化学 3.1 样品采集与测试分析

本次研究在详细调查谢家沟金矿床地质特征和蚀变矿化分带的基础上,系统采集了-430中段不同蚀变带样品20件。其中,未蚀变的玲珑黑云母花岗岩样品3件,钾长石化样品6件,黄铁绢英岩化样品6件,含陡立石英脉黄铁绢英岩化样品5件。将用于测试的岩矿石样品均粉碎至200目,由核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行全岩主量、微量元素分析。主量元素测试使用仪器为飞利浦PW2404,X射线荧光光谱仪,测试方法和依据为GB/T 14506.28—93硅酸盐岩石化学分析方法X射线荧光光谱法测定主量元素;微量元素测试仪器为Finnigan MAT制造的HR-ICP-MS(ElementⅠ),测试方法和依据为DZ/T0223—2001(电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)方法通则)。测试精度分别优于1%和5%。测试分析数据结果见表 1

表 1 谢家沟金矿各类蚀变岩主量、微量和稀土元素组成及特征值 Table 1 Analytical results of whole-rock major, trace elements and REE of alterative rocks in the Xiejiagou gold deposit
3.2 元素质量迁移 3.2.1 Isocon分析

本文主要采用Isocon方法对不同热液蚀变阶段元素的迁移规律进行研究。Isocon法[14](简称IA)是应用质量平衡等式对比热液蚀变前后元素组分含量浓度的变化情况,其关键在于未蚀变或轻微蚀变岩及不活动元素的选择。近年来,在国外Isocon分析法已广泛地运用于热液蚀变的研究,并取得了一定成果[12-15, 38-39]

在Gresens方程的基础上,考虑原岩和蚀变岩组分含量之间的关系,并提出更简单的等浓度表示法,并在国内外得到广泛应用[39]

$ C_{\rm{i}}^{\rm{A}} = ({M^{\rm{O}}}/{M^{\rm{A}}})(C_{\rm{i}}^{\rm{O}} + \Delta {C_{\rm{i}}}) $ (1)

其中,CiACiO为蚀变岩和原岩中元素i的质量分数;ΔCi为元素i的质量变化;MAMO为蚀变岩和原岩的质量。当ΔCi>0时,代表该元素在蚀变过程中发生了带入;ΔCi<0时,则被带出。元素在热液蚀变过程中得失量最直接的衡量是计算某一元素的质量变化与其蚀变前质量的比值(ΔCi/CiO)。将(1)式两边同除以CiO,经整理后得到:

$ \Delta {C_{\rm{i}}}/C_{\rm{i}}^{\rm{O}} = ({M^{\rm{A}}}/{M^{\rm{O}}})(C_{\rm{i}}^{\rm{A}}/C_{\rm{i}}^{\rm{O}}) - 1 $ (2)

方程(2)中,求解的关键在于确定惰性组分,即在矿化蚀变过程中基本没有发生质量迁移的元素,用来作为质量得失的参照标准。根据质量守恒定律,对于惰性组分而言,ΔCi=0,等式(1)变为:

$ C_{\rm{i}}^{\rm{A}} = ({M^{\rm{O}}}/{M^{\rm{A}}})C_{\rm{i}}^{\rm{O}} $ (3)

系统质量变化μ,可以通过惰性元素求得,即

$ \mu = (C_{\rm{i}}^{\rm{O}}/C_{\rm{i}}^{\rm{A}}) - 1 $ (4)

联合(1)、(2)、(3)式就可以计算出蚀变岩石中元素相对于原岩的质量迁移量ΔCi、元素质量变化百分率ΔCi/CiO和系统质量变化μ。其中,当-1≤μ<0时,表示系统有质量的净带出;μ=0时,无得失;μ>0时,有质量的净带入。

3.2.2 惰性元素判别

热液蚀变过程中存在的惰性元素是元素质量平衡理论的基础,也是进行元素质量迁移计算的前提。大量研究表明,Al、Ti、Zr、Nb、Th、Y和REE等在热液蚀变过程中大多是“不活动元素”[12-13, 40-45]。本文运用Grant计算方法中的CiA-CiO图解判别矿化蚀变过程中的惰性元素,即将原岩与蚀变岩的元素含量投点拟合出一条直线,其中最佳的惰性元素是在通过原点的直线上,而且该元素在不同蚀变过程中均保持惰性状态。本文只讨论常见的5种惰性元素,即Al2O3、TiO2、Hf、Th和Zr,比较其惰性程度,并从中选择最惰性的元素。在等浓度线CiA-CiO图解中,各元素含量的表示方式及数量级不同,为了方便对比,将Al2O3、TiO2、Hf、Th和Zr的含量分别乘以一个系数再进行投图。从CiA-CiO图解可知,在玲珑黑云母花岗岩发生钾长石化蚀变过程中(图 4-a),Al2O3、Th、Zr相关性较好,TiO2、Hf有所偏离相关性趋势线;在钾长石化→黄铁绢英岩蚀变过程中(图 4-b),各元素的相关性总体不是很好;黄铁绢英岩→含陡立石英脉黄铁绢英岩蚀变过程中(图 4-c),Al2O3、TiO2、Hf和Th相关性很好,Zr有所偏离相关性趋势线。结合元素质量得失率计算结果,本文选定相对稳定的Al2O3为惰性组分,作为计算元素迁移的参照标准。

图 4 谢家沟金矿床蚀变岩惰性元素CiA-CiO图解 Fig.4 CiA-CiO diagrams for altered rocks from the Xiejiagou gold deposit a:CiO—玲珑黑云母花岗岩样品平均值,CiA—钾长石化样品平均值;b:CiO—钾长石化样品平均值,CiA—黄铁绢英岩化样品平均值;c:CiO—黄铁绢英岩化样品平均值,CiA—含陡立石英脉黄铁绢英岩化样品平均值
3.2.3 热液蚀变过程中元素的迁移规律

对谢家沟金矿床蚀变作用过程中主量、微量元素迁移进行定量计算,得到各蚀变过程迁移量如表 2图 5。元素含量及变化情况如下。

表 2 谢家沟金矿床蚀变岩Isocon分析数据 Table 2 Isocon analyses of alteration rocks in the Xiejiagou gold deposit

玲珑黑云母花岗岩发生钾化蚀变过程中,K2O、Rb、Ba、Cs、Cu、Mo、Cr明显带入,SiO2、Co、Ni、U轻微带入,MgO、CaO、Sr、P2O5、TiO2、MnO、∑REE、Y、Zn明显带出,Fe2O3、FeO、Na2O、Hf、Zr、Ta、Nb基本保持不变。

图 5 谢家沟金矿蚀变岩Isocon图解 Fig.5 Isocon diagrams for altered rocks from the Xiejiagou gold deposit (参照Grant[13-14]的方法,以Al2O3作为不活动组分分析元素的迁入或迁出)
Cref—玲珑黑云母花岗岩样品平均值; Ci1—钾长石化样品平均值; Ci2—黄铁绢英岩化样品平均值; Ci3—含陡立石英脉黄铁绢英岩化样品平均值

在钾化→黄铁绢英岩蚀变过程中,Fe2O3、FeO、P2O5、MgO、CaO、TiO2、MnO、∑REE、Zn、Mo、Co、Cs、Y明显带入,Cu、Rb轻微带入,K2O、Na2O、Ba明显带出,SiO2、Th轻微带出,Pb、Sr、Cr、Hf、Ni、Zr、Nb、Ta、U基本保持不变。

黄铁绢英岩→含陡立石英脉黄铁绢英岩蚀变过程中,Pb、Co带入,SiO2、Na2O、P2O5轻微带入,CaO、MnO、Rb、Ba、Sr、Y明显带出,Fe2O3、FeO、MgO、U、Th、Cu、Zn、Mo轻微带出,K2O、TiO2、Hf、Zr、Ta、Cr、Nb、Ni、Cr基本保持不变。

3.3 稀土元素组成特征

玲珑黑云母花岗岩的稀土元素总量(∑REE)变化范围较小,为88.57×10-6~121.07×10-6,轻、重稀土元素比值(LREE/HREE)在2.62~5.18之间,球粒陨石标准化分布曲线右倾,属于轻稀土元素富集型(图 6-a)。(La/Yb)N值变化于5.67~14.33之间,Eu为弱正异常,δEu值变化于1.04~1.47之间,Ce为负异常,δCe值变化于0.87~0.88之间。

钾长石化花岗岩的稀土元素总量变化范围很大,为3.78×10-6~102.37×10-6,轻、重稀土元素比值在0.56~4.11之间,球粒陨石标准化分布曲线平缓右倾,属于轻稀土元素富集型(图 6-b)。(La/Yb)N值变化于1.04~9.60之间,Eu异常变化较大,除个别样品外,总体显示明显的正异常,δEu值变化于0.89~6.33之间,Ce为负异常,δCe值变化于0.81~0.91之间。与新鲜玲珑黑云母花岗岩相比,其稀土元素分布曲线大体一致,区别在于稀土元素的含量明显降低,Eu显示明显正异常。

图 6 玲珑黑云母花岗岩原岩及其蚀变产物稀土元素球粒陨石标准化分布曲线 Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns of altered granitic porphyry compared with unaltered Linglong biotite granite a—玲珑黑云母二长花岗岩;b—钾长石化;c—黄铁绢英岩化;d—含陡立石英脉的黄铁绢英岩化

黄铁绢英岩的稀土元素总量变化范围较大,为49.46×10-6~120.89×10-6,轻、重稀土元素比值在3.86~5.67之间,球粒陨石标准化分布曲线平缓右倾,属于轻稀土元素富集型(图 6-c)。(La/Yb)N值变化于8.58~17.55之间,Eu总体具弱正异常,δEu值变化于0.83~1.14之间,Ce为负异常,δCe值变化于0.86~0.88之间。相比钾长石化稀土元素总量有所增加,但仍低于原岩,正Eu异常明显减弱。

含陡立石英脉(黄铁)绢英岩的稀土元素总量变化范围较大,为28.10×10-6~98.43×10-6,LREE/HREE值在2.68~7.51之间,球粒陨石标准化分布曲线平缓右倾,属于轻稀土元素富集型(图 6-d)。(La/Yb)N值变化于6.78~15.52之间,Eu异常不明显,δEu值变化于0.83~1.50之间,Ce为负异常,δCe值变化于0.85~0.93之间。与新鲜玲珑黑云母花岗岩相比,其稀土元素分布曲线大体一致,区别在于稀土元素总量有所降低;与黄铁绢英岩样品相比,其稀土元素各类特征基本相似。

4 讨论 4.1 蚀变反应机制对元素迁移的制约 4.1.1 钾长石化作用

钾化蚀变在谢家沟金矿床广泛发育,常以面状蚀变为主,分布于黄铁绢英岩带的外侧,为成矿前蚀变。在矿物学方面,主要表现为斜长石被钾长石交代和角闪石被黑云母交代,其反应过程如下[17, 46-47]

$ \begin{array}{l} {\rm{Na[AlS}}{{\rm{i}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{\rm{8}}}{{\rm{]}}_{{\rm{(钠长石)}}}}{\rm{ + KCl}} \to {{\rm{[KAlSi3O8]}}_{{\rm{(钾长石)}}}}\;{\rm{ + }}\\ {\rm{NaCl}} \end{array} $
$ \begin{array}{l} {\rm{3Ca[A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{\rm{Si}}{{\rm{O}}_{\rm{8}}}{{\rm{]}}_{{\rm{(钙长石)}}}}\;{\rm{ + 2KCl}} \to {\rm{2K[AlS}}{{\rm{i}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{\rm{8}}}{{\rm{]}}_{{\rm{(钾长石)}}}} + \\ {\rm{2A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + 2CaO + CaC}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}} \end{array} $
$ \begin{array}{l} {\rm{2C}}{{\rm{a}}_2}{\rm{Na(Mg, F}}{{\rm{e}}^{2 + }}{)_4}({\rm{F}}{{\rm{e}}^{3 + }}){[{({\rm{Al}}, {\rm{Si}})_4}{{\rm{O}}_{{\rm{11}}}}]_2}{({\rm{OH)}}_2}\\ (角闪石) + 5{({\rm{Mg, Fe}})^{2 + }} + 4{{\rm{K}}^ + } + 4{\rm{O}}{{\rm{H}}^ - } \to \\ 4{\rm{K[Mg, F}}{{\rm{e}}^{2 + }}{]_3}({\rm{AlS}}{{\rm{i}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{{\rm{10}}}}){({\rm{OH)}}_2}(黑云母) + \\ {\rm{F}}{{\rm{e}}_3}{{\rm{O}}_4} + 4{\rm{C}}{{\rm{a}}^{2 + }} + 2{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {\rm{M}}{{\rm{g}}^{2 + }} \end{array} $

由于Sr、CaO和Na2O主要富集在斜长石中,K2O、Ba、Rb和Cs主要赋存于钾长石与黑云母中,Fe2O3、MgO主要富集在角闪石中[48-49],钾化蚀变带中K2O、Rb、Ba、Cs明显迁入,SiO2轻微迁入,MgO、CaO、Sr强烈迁出,且钾长石化带中可见磁铁矿,反映了上述钾长石化和黑云母化蚀变过程。此外,钾化蚀变带中P2O5、TiO2、Y明显迁出,指示钾化蚀变过程中很可能伴随磷灰石、榍石、磷钇矿等副矿物的分解[50]。考虑到蚀变岩中REE的含量主要受控于上述副矿物,上述副矿物分解亦是钾化蚀变岩中∑REE明显迁出的主要原因。

4.1.2 黄铁绢英岩化作用

黄铁绢英岩化是区内最广泛的一类蚀变,主要分布于蚀变带内部,一般宽几米至数十米不等。镜下观察发现,岩石结构已变成花岗鳞片变晶结构,局部隐约可见先存的花岗结构。斜长石和钾长石被绢云母完全替代,且原岩中的暗色矿物基本消失,形成由石英、绢云母和黄铁矿构成的典型矿物组合,说明谢家沟(黄铁)绢英岩化热液蚀变是对早期钾化花岗岩的改造,钾化花岗岩中斜长石、钾长石、黑云母等矿物在含H+、HS-溶液中失稳[51],发生黄铁绢英岩化交代作用形成黄铁矿、绢云母、石英等新生矿物,其发生流体-岩石反应如下[17, 52]

$ \begin{array}{l} {\rm{Na}}({\rm{AlS}}{{\rm{i}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{\rm{8}}}) \cdot {\rm{Ca}}{({\rm{A}}{{\rm{l}}_2}{\rm{S}}{{\rm{i}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{8}}})_{(斜长石)}} + {\rm{HCl}} \to {\rm{KCl}}\\ \to {\rm{KA}}{{\rm{l}}_2}({\rm{AlS}}{{\rm{i}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{{\rm{10}}}}){({\rm{OH)}}_2}_{(绢云母)} + 2{\rm{Si}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} + {\rm{NaCl}} + \\ {\rm{CaC}}{{\rm{l}}_2} \end{array} $
$ \begin{array}{l} 3{\rm{K}}{({\rm{AlS}}{{\rm{i}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{\rm{8}}})_{(钾长石 )}} + 2{\rm{HCl}} \to {\rm{KA}}{{\rm{l}}_2}({\rm{AlS}}{{\rm{i}}_{\rm{3}}}{{\rm{O}}_{{\rm{10}}}})\\ {({\rm{OH)}}_2}_{(绢云母)} + 6{\rm{Si}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} + {{\rm{K}}_2}{\rm{O}} \end{array} $

在元素地球化学方面,Fe、Mg、Ca表现为迁入,K、Na、Si表现为元素迁出。K2O、Na2O、Ba明显带出,主要受控于钾长石被绢云母交代;与矿化有关的Fe、Cu、Zn表现为迁入,指示该蚀变过程与矿化关系密切。野外与室内观测表明,黄铁绢英岩化蚀变带内金属矿物主要为硫化物,包括黄铁矿、黄铜矿等。

4.2 成矿流体的性质

谢家沟矿床钾长石化蚀变带以钾长石和黑云母为典型的蚀变矿物组合,表明成矿流体为高温碱性富K+流体[53],在该条件下,磷灰石、榍石、磷钇矿等副矿物大量分解所释放出的REE很可能以Cl-的络合物进行迁移,而蚀变岩中REE的配分形式主要受控于新生成的钾长石[54]。已有研究表明,在高温、碱性富K+的条件下,REE在钾长石和流体相之间分配系数按照KpEu2+>KpEu3+>KpGd3+>KpYb3+的次序递减[55],本次研究钾化蚀变岩显示的正Eu异常(δEu=1.33~8.48)很可能指示该阶段成矿流体氧逸度较低,Eu在成矿流体中很可能呈Eu2+[56]。随着蚀变的进行,K+消耗、pH值降低,并在晚阶段形成少量自形黄铁矿。

黄铁绢英岩化带为石英、绢云母典型蚀变矿物组合,结合该阶段均一温度为226~331℃[5],指示成矿流体为中温弱酸性。该蚀变岩中黄铁矿大量发育,表明成矿流体中富含HS-或S2-,这也与流体包裹体成分以CO2和H2O为主,含一定量的CH4、CO、H2S、N2吻合[2]。在该蚀变带中,∑REE迁移量并不大,很可能与REE3+难以与HS-或S2-形成络合物进行迁移有关[57]。含陡立石英脉的黄铁绢英岩化带与黄铁绢英岩化带稀土元素特征基本一致,可能是由于含陡立石英脉的黄铁绢英岩化带总体以黄铁绢英岩化为主,有少量窄的晚期陡立石英脉穿插,对稀土元素特征影响不大。

4.3 矿质沉淀机理

谢家沟金矿床中,矿体主要呈脉状或透镜状赋存于黄铁绢英岩化蚀变带内,而钾化蚀变带中Au含量很低[2, 5],说明黄铁绢英岩化在成矿过程中起到了举足轻重的作用。实验研究表明,溶液偏碱性,有利于钾长石化、黑云母化的发生,同时有利于Au迁移;溶液偏酸性,则有利于绢云母化和Au的沉淀[47]

(1) 在钾化蚀变过程中,高温碱性富K+的流体与围岩发生强烈的钾交代作用,形成钾化蚀变带。Au在流体/熔体中分配系数大于10,比Cu高,与Cl浓度密切相关。在高温环境下形成Cl-基配合物,在250℃以下形成HS-基配合物。根据试验,岩浆条件下金在H2O-S-Cl蒸气的熔体体系中,Au以AuCl、AuHS和(K/Na)AuS配合物存在。由于Cl-主要分配进入含盐热液,HS-分配进入蒸汽,因此Au可以在弱碱性环境下以Au+二硫化物形式在富硫蒸气相中迁移[58-59]

(2) 随着黄铁绢英岩化作用的进行,流体的温度逐渐降低,性质逐渐由碱性向弱酸性转化,Au迁移形式也逐渐由氯的络合物转化为硫氢络合物。在中低温弱酸性流体中,Au最可能以Au(HS)2-形式被搬运[60]。谢家沟金矿此阶段成矿流体为中低温(226~331℃)、中低盐度(6.29%~8.55%)的H2O-CO2-NaCl±CH4体系[5],其成矿期发育H2O-CO2型流体包裹体的事实,以及代表相对弱酸性条件的绢云母的存在,均暗示谢家沟金矿中的Au在此阶段可能以Au(HS)2-络合物的形式迁移。随着成矿流体的不断演化,成矿流体与围岩不断反应,流体中K+和H+逐渐减少,促进温度下降和CO2增加,造成Au溶解度降低[61],导致Au从热液中析出,说明Au的沉淀与黄铁绢英岩化密切相关。

5 结论

谢家沟金矿钾长石化蚀变表现为钾长石、黑云母分别交代玲珑黑云母花岗岩中斜长石、角闪石,K明显迁入,Si轻微迁入,Ca、Mg为迁出,Fe轻微迁出。黄铁绢英岩化蚀变是对早期钾化花岗岩的改造,钾化花岗岩中斜长石、钾长石和黑云母等矿物在含H+、HS-溶液中失稳,被绢云母替代,Fe、Mg、Ca为迁入,K、Na、Si表现为元素迁出。从钾长石化阶段到黄铁绢英岩化阶段,流体从碱性转变为酸性;Au迁移形式也逐渐由氯的络合物转化为硫氢络合物。随着成矿流体的不断演化,成矿流体与围岩不断反应,流体中K+和H+逐渐减少,温度的下降和CO2逐渐增加等现象促进了金的沉淀。

致谢: 野外工作期间得到招金集团金亭岭矿业公司的大力帮助,成文期间得到中国地质调查局发展研究中心矿产勘查处同事和成都理工大学程文斌老师的帮助,审稿专家提出了宝贵的修改建议;在此致以诚挚的感谢。

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