金、银多金属矿床同位素特征

发布网友 发布时间：2022-04-22 05:14

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热心网友 时间：2023-10-21 06:38

由于金、银多金属矿床成矿作用研究的不断深化，积累的测试数据愈来愈多，完全可以采用统计方法来处理和讨论，避免因少量资料而产生认识上的偏颇。当然，现今的测试技术，特别是同位素测试技术，所能测定的成矿物质来源深度只能达到地幔，主要采用的方法是利用近似代表地幔的陨石各种同位素与地壳物质同位素对比，进而推测其来源，再深的部位只能通过研究元素的地球化学性质、现代地球动力学、现代深部物理探测技术加以合理的推断而得。

(一)硫同位素特征分析

据实测和收集到的17个矿区189个硫同位素数据，剔除个别x+3s的样品进行统计分析(表2-3)表明:

表 2-3 冀东部分金、铜、钼矿床硫同位素特征

①剔除 +3s样2个;②剔除 +3s样1个。

1)除胡杖子外，其余矿区硫同位素平均值的变化范围均为-6.4～+6.3，总平均值为+1.93;各矿区平均值变化范围为-1.78～+3.3，且以很小的正值为主，趋向于零点，表明硫质总体来源应具深部幔源硫特征。

2)大多数矿区的共生硫化物硫同位素值具有δ³⁴S_FeS2＞δ³⁴S_FeCuS2＞δ³⁴S_ZnS＞δ³⁴S_PbS的演化趋势，表明硫同位素反应基本达到了平衡。

3)少数矿区出现负值，一般认为与硫化物遭受次生氧化有关，使残留于硫化物中的³⁴S相对减少，而³²S相对增加。当然，更大可能是样品个数太少之故。

(二)铅同位素特征分析

据不同构造部位13个矿区、4个同期花岗岩体共67件铅同位素数据统计(表2-4)发现:

表 2-4 冀东部分金矿和花岗岩铅同位素特征

1)不论产于何种构造位置(轴部剪切带、主拆离带或盖层)，各矿区铅同位素平均值十分接近，极差甚小。其同位素变化范围分别为²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb14.986～16.304，极差为1.318;²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb14.961～15.408，极差0.447;²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb34.834～36.787，极差1.953。

2)与金、银矿成矿有关的花岗质岩石中铅同位素组成与矿石铅吻合，表明两者铅同出一源，即来自于燕山期花岗质岩浆活动。具体数值为²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb15.882～17.465，极差为1.583;²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb15.147～15.510，极差0.363;²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb35.722～37.454，极差1.732。

3)将各矿区铅同位素平均值投点于铅同位素组成图上(图2-4)，可以明显看出，冀东地区金银矿矿质来源主要分布在下地壳与幔源之间，进一步证明该区金矿与地幔热柱的亲缘关系。

图 2-4 冀东金矿铅同位素(平均值)演化图

(三)氢、氧、碳同位素特征分析

据不同构造部位18个矿床的60余件氢、氧、碳同位素样品统计(表2-5)可见，代表性矿床峪耳崖、金厂峪δ¹⁸O_H2O平均值为6.066～7.029，与标准岩浆水δ¹⁸O_H2O+5～10极为相近;12个矿区δD_SMOW平均值为-56～-88.67，亦与标准岩浆水δD_SMOW-40～-80一致;δ¹³C平均值-4.18～-5.25与“初生碳”δ¹³C-5～-8相吻合。将8个矿区氧同位素平均值投点于δD-δ¹⁸O坐标图(图2-5)上，可见各矿床氧同位素均在原生岩浆水附近，而远离大气水和变质水，表明氢、氧、碳同位素均支持本区金矿的成矿溶液主要来自岩浆水，也确有大气水的加入。

表 2-5 冀东部分金、铜、钼矿氢氧碳同位素特征

续表

注:括号内为样品数。

图 2-5 冀东部分金、铜、钼矿 δD-δ18O(平均值)(据 Sheppard，1977)

(四)稀有气体特征

1.氦同位素

利用稀有气体氦氩同位素特征来判别成矿物质，是近年来逐渐采用的新手段。作为惰性气体的氦气、氩气及其他稀有气体基本上不参与地球内部的化学反应，因此被用来研究地球的内部结构及地球动力学过程，探讨地球科学中的基本问题，如地球大气的成分与*的形成和深化的关系，地幔对流的结构特征和地球内部原始物质的来源。研究表明，矿物内的He和Ar主要有3种赋存状态:①圈闭在流体包裹体中;②矿物晶格中由U、Th和K衰变而产生的后生放射成因⁴He和⁴⁰Ar;③矿物表面吸附的He和Ar。已有的研究表明，黄铁矿的流体包裹体中含He的流体包裹体被圈闭后不可能有明显的丢失。

Stuart等(1994)研究证明用压碎样品来提取稀有气体，矿物晶格内放射成因的⁴He和⁴⁰Ar并未释放出来，且黄铁矿具有很低的氦扩散系数，黄铁矿被认为是保存氦的理想矿物。Trull等(1991)研究证实流体包裹体对氩有很好的保存能力，氩在漫长的地质历史时期也可以定量地保存下来。Qiu(1996)和Turner等(1992)等研究了流体包裹体内原地放射成因的⁴⁰Ar的产率，结果表明，虽然对钾或含钾矿物中的流体包裹体不能完全排除原地放射成因的⁴⁰Ar的叠加，但对于非含钾矿物(本书中样品均属此类)，其流体包裹体内原地放射成因的⁴⁰Ar的量则可以忽略不计。

He、Ar同位素最早在地质流体中的运用是在海底热液系统、现代地热系统以及天然气油气井等现代地质流体中。而其在成矿流体方面的运用，许多矿床地质学家做了大量的工作(胡瑞忠等，1997，1998，1999;毛景文等，2000，2001;薛春纪等，2003;Mao等，2002;张连昌等，2002;王登红等，2003;王宝德等，2003，2008)。结果显示，在中国许多重要的有色金属矿集区和成矿带，如胶东金矿区、扬子地台西缘带金(铜)成矿带、哀牢山金(铜)成矿带以及冀西北金矿集区，He、Ar同位素研究表明，流体成矿作用过程中有大量幔源组分的加入。

前人研究表明，流体包裹体中的惰性气体同位素组成可以用来区别如下3种不同来源的成矿流体。①大气饱和水(ASW)，主要包括大气降水和海水，其标准，³He/⁴He和⁴⁰Ar/³⁶Ar同位素组成分别为1Ra(Ra:空气³He/⁴He=1.40×10^-6)和295.5。②深源地幔流体，其标准，³He/⁴He和⁴⁰Ar/³⁶Ar值分别应为6～9Ra和＞40000。③地壳流体，包括建造水或盆地热卤水，其特征性，³He/⁴He和⁴⁰Ar/³⁶Ar组成分别为0.01～0.05Ra和＞295.5(Bumard等，1999)。

Honda等(1993)通过对冰岛、夏威夷等洋岛的研究指出，岛弧中高³He/⁴He的存在与层状地幔模式相吻合，即地幔直接从下部高³He/⁴He库经上部低³He/⁴He层上升;或者，它们起源于上部层的基底，此时，He必须从下地幔迁移至岩浆源区。

我们所选取冀东地区代表性的10个矿区15件硫化物和肖营子花岗岩及金厂峪围岩样品进行氦同位素测试(表2-6)。从表2-6中可见矿石中黄铁矿的³He/⁴He含量范围为2.50×10^-6～9.39×10^-6，平均5.43×10^-6。比普通火成岩(0.003×10^-6～0.26×10^-6)高数百倍至上千倍，但较典型的幔源物质(1.1×10^-5～1.4×10^-5，大洋玄武岩)要低将近一个数量级。与典型地幔柱型相比，本区³He/⁴He含量相对偏低的原因可能是，目前较为公认的地幔柱区或热点区的样品多取自来源于幔源的基性岩浆岩或受深大断裂控制的热泉，这些地质体与金矿床相比，其形成过程相对较简单，受外界“干扰”较少，岩石(或水样)中捕获原始氦氩气体更多些(或保存更好些)，故所测数据往往较高(n×10^-6)。研究发现，除了像白云鄂博、金川、柿竹园等超大型矿床外，在大多数矿床中，直接以幔源热流体形式上侵并成矿的比例一般是较小的，而大量矿质应是搭载于地幔热柱多级演化的某种载体上升，并在不断演化中逐渐成矿。期间不可避免地会加入壳源物质(包括放射性氦、氩气体)，从而造成³He/⁴He比值的降低。伴随着成矿物质的氦、氩气体在漫长的迁移过程中，不可避免地有部分壳源流体加入，使得所测样品的氦氩同位素值往往界于地壳和地幔之间。因此，与正常岩石相比，较高的³He/⁴He和R/Ra值在一定程度上反映出地幔热流体参与了成矿过程。

表 2-6 冀东地区部分金矿床氦气体特征

注:*为黄铁矿中的³He/⁴He与空气³He/⁴He(Ra:空气³He/⁴He=1.40×10^-6)的比值。

从表2-6中也可看出，产于不同构造部位矿床的同位素含量差别不大，反映出自同一来源。矿区外围片麻岩、花岗岩³He/⁴He值仅为0.001×10^-6～0.55×10^-6，反映来源上有明显差别。

将黄铁矿中的³He/⁴He与空气的³He/⁴He相比，其值域为1.93～6.76Ra，平均3.90Ra，略低于典型地幔物质值(6～9Ra)，但远高于地壳物质(0.01～0.05Ra)。

假如成矿流体考虑为简单的二元混合模式，那么可以利用³He/⁴He的比值推算流体中地幔流体(Rm)和地壳流体(Rc)的比例。其中，幔源⁴He的比例由下式计算:

地幔氦=［(R-Rc)/(Rm-Rc)］×100%

式中:Rm=1.1×10^-5;Rc=2×10^-8;R分别代表地幔流体、地壳流体以及样品的氦同位素组成。

由此得出，冀东幔枝构造金、银多金属矿床成矿流体中地幔流体参与成矿作用的比例为22.59%～85.34%，平均为52.51%。说明了深部来源的流体占相当的比例。

将10个矿床黄铁矿等硫化物同位素数据投点与氦同位素浓度图上(图2-6)，与围岩及花岗岩相比，其落点均位于地幔氦附近。反映氦气应以地幔来源为主，并在上升过程中有脱气现象或放射性⁴He(壳源物质)加入。

2.氩同位素

所研究矿床的氩同位素分析结果见表2-7。其中⁴⁰Ar/³⁶Ar=365～1304，平均为741.58，明显高于地壳流体的⁴⁰Ar/³⁶Ar值(地壳⁴⁰Ar/³⁶Ar=295.5);⁴⁰Ar/³⁸Ar=1606～6189;³⁶Ar/³⁸Ar=5.2～5.5;⁴⁰Ar=0.48×10^-7～18.53×10^-7cm³STP/g，剔除1个特高样品(18.53)，10个矿床平均为2.07×10^-7cm³STP/g，与Hart(1979)所得地幔⁴⁰Ar的上限3.2×10^-6cm³STP/g十分接近;⁴He/⁴⁰Ar=0.10～61.40，剔除1个特高样品(61.40)，10个矿床平均值为11.74，略高于Schwartzman(1973)估计现今地幔的⁴He/⁴⁰Ar比值1.36～2.23。因此，冀东金矿黄铁矿中较低的⁴He及⁴He/⁴⁰Ar值，应表明有来自地球深部气体组分的加入。

图 2-6 冀东金矿氦同位素浓度图(据 Tolsikhin，1978)

表 2-7 冀东地区部分矿床氩气体特征

注:资料来源同表 2-6。

将冀东各矿的数据投点于³He/⁴He-⁴⁰Ar/³⁶Ar图解(图2-7)，该区成矿流体氦-氩同位素组成主要位于地幔流体区域，表明成矿流体主要来源于地球深部。

图2-7冀东地区部分金矿³He/⁴He(R/Ra)-⁴⁰Ar/³⁶Ar比值图

(五)金矿床包裹体特征分析

据收集到的5个矿区20件包裹体成分分析数据统计(表2-8)表明:各矿区包裹体中H₂O占90%以上，CO₂/H₂O=0.003～0.732;溶液中Cl^-F^-(F^-/Cl^-=0.074～0.230)、Na⁺＞K⁺(K⁺/Na⁺=0.009～0.683)、Ca²⁺＞Mg²⁺(Mg²⁺/Ca²⁺=0.038～1.002)，Cl^-、Na⁺、Ca²⁺相对较高有利于成矿。说明成矿溶液中应以岩浆水为主(林文通，1991;范启灏等，1983)，仅有少量天水加入。pH值=6.40～6.60，表明含矿溶液具弱酸性特征。

表 2-8 冀东部分金矿包体成分特征

从已有的测温资料(表 2-9)中可见，各矿区不论是均一法，还是爆裂法测得的温度值均较为集中，其中均一法温度变化范围为 120～410 ℃，平均温度为230～318 ℃，可确定该类矿床成矿温度为中温热液。此外，陡倾斜金矿脉(如金厂峪、峪耳崖等)，测温数据在空间上有从深部向地表逐渐降低趋势，这也反映了成矿流体在上移过程中，随温度下降、物化条件改变而导致矿质沉淀。成矿溶液盐度变化应属中等水平。

表 2-9 冀东部分金矿测温数据特征

(六)金、银多金属的迁移及富集成矿讨论

上述资料表明本区金应来自地球深部，但我们通过研究认为，金很可能发端于核幔边界的 D″层。当该处的热扰动、温压条件及天文等内外因素叠加时，就会导致地核中的热流体随能量的积累快速冲破核幔边界面的阻力，形成沿不同深度贯通裂隙向上喷射的地幔热柱(王宝德，2002)。

据霍明远(1991)研究认为，在地核这种超高温、高压的环境中，金应以气体状态存在。在强烈的外核对流及核幔差异运动中，大量金蒸气聚集在核幔界面附近。一旦幔柱向上迁移，金则以弥散气体状态随之上行，并随地幔热柱多级演化，逐渐集中于幔枝构造中。本区幔枝构造的核心部位的燕山期花岗质岩浆活动起重要作用，因为只有这种大规模的地质作用才能带来如此大量的金质。从多数资料证明本区燕山期花岗质岩浆具幔源或壳幔源特征及本身金含量明显高、成岩与成矿时间的一致性等可以得到证实。

就冀东而言，进入燕山运动时期，华北地区进入了强烈的地幔热柱多级演化阶段。河淮地幔*柱上升至岩石圈底部受阻而呈伞状向外拆离滑脱，由于河淮地幔热柱的热减薄作用，华北断陷逐渐形成，与此同时，冀东茅山-金厂峪-双山子韧性剪切带的深切，使原本具有熔融性质的地幔软片减压释荷形成深熔岩浆，并熔融部分围岩构成线状岩浆房，尤其在有横向断裂交汇的部位构成通道，成为岩浆活动的良好场所，表现为强烈的构造-岩浆带。岩浆活动导致地块整体上隆，变质岩系呈揭顶式隆起，外围盖层则大幅度正向拆离滑脱，形成典型的幔枝构造。随跑马场-金厂峪-半壁山一线呈串珠状展布的一系列中生代花岗质岩体的大规模侵位，沟通了深部矿源，并在花岗质岩浆活动带及其围岩的拆离带和盖层中形成众多的金、银矿床。

随着幔枝构造的不断演化，特别是在燕山期花岗质岩浆演化的中、晚期，金逐渐从气态向液态(或气-液态)转化、集中，并在适宜的空间及物化条件下聚集成矿，而与地层(或围岩)无明显的专属性关系。冀东地区古老变质岩、岩浆岩、沉积盖层中分别见矿的找矿实践已反复证明了这一点。

当然，在地幔热柱多级演化过程中，特别是在通过地幔进入地壳后，不可避免会融入大量壳源物质。这就使得所测各种同位素资料往往在典型幔源范围附近而不正好在幔源范围内，但离壳源一般甚远。

综上所述，本区金应主要来自地核，地幔热柱多级演化是金向上迁移的主要动力，而中生代大规模花岗质岩浆活动是金向上迁移的主要载体。在地球深部超高温、高压环境下，金及其硫化物只能以气相状态存在并随地幔热柱多级演化不断向上，在岩浆冷凝演化过程中向成矿热流体中集中，并在适当的空间和物化条件下卸载成矿。而有利的导矿、控矿空间就是幔枝构造轴部剪切带、基底与中新元古代之间的主拆离带及盖层中的次级拆离带。