胶东焦家金矿床中黄铁矿拉曼光谱特征及其成因指示意义

2020-08-08张刚阳

光谱学与光谱分析 2020年8期

姚畅，宋昊,2*，李圻，李娜，张刚阳

1. 成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059 2. 四川省地学核技术重点实验室，四川成都 610059

引言

胶东地区是世界第三大岩金成矿区、中国最大的金矿集中区，累计探明黄金资源储量超过4 500 t，年黄金产量约占全国的四分之一, 其中黄铁矿是胶东地区金矿床中重要载金矿物，它和金矿床的形成有着密切的关系[1]。因此人们对黄铁矿开展矿物学研究可以提供大量金矿成因和找矿信息[2]。正是因为黄铁矿和金矿之间存在紧密的联系，这使得黄铁矿相较于其他矿物更有研究价值，前人通常利用二次离子质谱(SIMS)、电子探针(EMPA)等手段对胶东地区黄铁矿含金量和微量元素的测定[3-4]，揭示了胶东地区黄铁矿的结构组分、构造环境及成矿作用。然而这些研究主要集中于元素地球化学分析，这些方法往往存在着研究成本较高，测试时间长等缺点。然而拉曼光谱特征分析作为一种快捷，高效的研究工具为胶东地区黄铁矿提供了新思路。前人研究表明[5-6]，拉曼光谱是对物质分子进行结构分析和定性鉴定的微区分析技术，该技术能够快速有效地从微观尺度揭示黄铁矿的结构，并反演其生成的环境条件。因此将拉曼光谱和地质岩相学观察方法相结合来研究胶东焦家金矿床不同深度及其蚀变带的黄铁矿拉曼光谱学特征，揭示其在不同深度下的矿物结晶环境，试图将激光拉曼作为对该区域不同深度蚀变带矿物形成条件和矿床成因等研究的一种快捷、实用的定性地质工具。

1 实验部分

1.1 样品及矿床介绍

焦家金矿为蚀变岩型金矿，围岩主要由玲珑花岗岩构成，主要的矿石矿物为黄铁矿，并且显示出较为明显的蚀变分带以及显著的构造控矿等特征[7]。

矿化带受断裂构造带控制，最大走向长1 160 m，平均854 m；最大倾斜长2 470 m，平均1 591 m，本次所测样品主要深度在1 000～2 000 m。矿化带呈似层状、大脉状等特点，产状与主断裂面基本一致，走向30°，倾向北西，倾角在15°～30°间变化。

矿区内围岩蚀变作用发育，主要有钾长石化、黄铁绢英岩化等，蚀变的强度和规模取决于断裂、裂隙的性质和矿液动力的强度。其特点是：蚀变作用延续时间长，各蚀变作用相互叠加，蚀变分带明显，各带之间为渐变关系，并且上下蚀变带以中部矿化带为中心，上下近似呈对称关系[7]。

本次研究样品来自焦家金矿区88ZK05钻孔，从中选取不同深度(蚀变带)的黄铁矿样品进行研究，黄铁矿样品新鲜，无风化。

1.2 仪器和方法

样品Raman光谱的测定在成都理工大学拉曼实验室由法国HORIBA JOBIN YVON公司生产的LabRAM HR Evolution激光共聚焦显微拉曼光谱仪检测，所采用的光谱分辨率为0.65 cm-1；光谱仪焦长800 mm，激光波长的532 nm，50倍Leica物镜，扫描范围在200～1 000 cm-1进行扫描。

2 结果与讨论

2.1 实验现象

为研究该地区不同深度黄铁矿Ag位移变化，样品经激光拉曼仪器测试获得谱线之后，应用fityk软件进行扣除基线等处理后[8]，选取黄铁矿Ag位移中位数(n=3)的样品谱线作出图1，通过洛伦兹分峰拟合之后获得各样品黄铁矿各散射峰的位移(Δν1～3/cm-1)、强度(Ι)和半高宽(F/cm-1)见表1。同时结合采样深度和岩相学方法，本文对于胶东金矿不同蚀变带中黄铁矿光谱特征及其地质意义研究如下。

图1 胶东焦家金矿不同深度黄铁矿拉曼光谱图Fig.1 Raman spectra of pyrite from different depth in Jiaojia Gold Mine

表1 黄铁矿拉曼光谱数据Table 1 Raman spectrum data of pyrite

2.2 拉曼位移

表1是图1所对应的黄铁矿样品拉曼光谱特征数据总表。从图1和表1可以看出虽然不同深度上样品拉曼位移稍有所差别，通过和前人研究进行对比[9]，不同带上的样品均指示出黄铁矿的3个主要特征峰(Δν1=343 cm-1, Δν2=379 cm-1, Δν3=430 cm-1)，而A1949样品由岩相学研究表明，该样品与金矿化关系不明，故图2—图5将其舍去。

图2 黄铁矿Ag位移中位数箱线图(深度)Fig.2 Depth dependences of frequencies of the Raman mode Ag of the FeS2 pyrite

一般样品所承受的地质压力来源主要分为垂向的上覆静岩压力、静水压力和水平的构造附加压力，但通过对样品薄片岩相学观察，并未从该地区样品中发现水平矿化带和岩石受到的水力压裂等明显的强静水压力现象，此外前人研究认为造山型金矿成矿流体压力近似于静岩压力[10]，因此可暂时忽略静水压力影响。通过岩相学观察样品，认为该区域样品压力来源主要为上覆静岩压力，由于本文所研究样品周围的岩石岩性一致、密度近于相同，因此深度是影响静岩压力变化的最重要因素[11]，所以当深度不断地加深，样品所受压力也随之增大，从而导致拉曼位移的逐渐增加[12-13]。从图2箱线图可以看出，样品Ag拉曼位移和深度两者呈现出正相关关系，但是其整体相关性及拟合度较弱，钾化带和绢云岩化带过渡位置样品拉曼位移值偏离拟合线较大。由于受到该地区构造附加压力的叠加影响，蚀变带过渡区域中某些构造作用力使得该位置上矿物的形成压力发生改变，在一定程度上增大或抵消了上覆静岩压力所带来的影响，使得样品所受的总压力值出现波动，导致某些样品Ag位移值偏离主拟合线(图2)。

若按不同蚀变带分布来进行观察(图3)，仍可以看出位移和蚀变带随深度加深仍呈现出正相关的关系，综上表明整个深度中静岩压力为主要的影响压力，指示着随着深度的不断地增加，矿物形成时承受的静岩压力持续增加，从而促使黄铁矿Ag位移在图3中逐渐地增大。

但图3在整体位移和深度呈现出正相关的趋势下，矿化带位置区域拉曼Ag位移出现了明显的下降，结合岩相学观察表明这很可能指示着构造运动产生的局部拉张可降低流体压力，一定程度上抵消了部分上覆静岩压力，导致总压力值有所降低，拉曼Ag位移有所下降。但随后Ag位移值又回归到上升趋势，这表明流体压力减弱，上覆静岩压力再次成为主要影响压力。同时可以发现矿体两侧绢云岩化带位移均高于两端钾化带，这暗示着上下绢云岩化带样品形成压力可能较钾化带要大。

图3整体图像上呈现出左低右高倾斜对称的“海鸥图”，位移值在图中总体呈上升趋势原因是受上覆静岩压力影响所致，上文已述。并且位移值大致以矿化带为中心，左右两边蚀变带对称，这和岩相学中矿化带和两侧蚀变带所形成的空间对称关系(图2)相吻合。同时若剔除静岩压力影响，上下所对应蚀变带位移值大致对称相等，暗示着上下相同种类蚀变带的形成压力大体相似，这也与地质事实相吻合。

图3 黄铁矿Ag位移中位数箱线图(蚀变带)Fig.3 Alteration zones of dependences of frequencies of the Raman mode Ag of the FeS2 pyrite

2.3 FWHM

据前人研究表明[14]，黄铁矿在379 cm-1附近的特征拉曼位移可以有效地揭示黄铁矿的结晶度和有序度，并且如果其半高宽越小，说明黄铁矿的有序和结晶度越高。

通过图4观察不同深度蚀变带的黄铁矿379 cm-1附近峰的半高宽(FWHM)，可以从箱线图上看出，位于矿化带内样品的黄铁矿的半高宽(取自箱线图中位数分布)主要集中在3.3 cm-1附近，中心矿化区域半高宽值波动较小。两侧绢云岩化带半高宽主要在3.2～5.5 cm-1，而钾化带黄铁矿样品则位于4.1～8.4 cm-1之间，从图中可以看出其波动较明显。并且结合图5看出从远离矿体的钾化带到绢云岩化带再到矿化带内，半高宽值有着大致降低趋势，表明黄铁矿结晶度以及有序度总体增高。矿体之下随着深度继续变深，远离矿化带进入蚀变带，黄铁矿的半高宽值(FWHM)又开始增大，指示了结晶度和有序度降低。

图4 黄铁矿Ag峰拉曼半高宽位移箱线图Fig.4 Depth dependences of widths (FWHM) of the Raman mode Ag of the FeS2 pyrite

对于同一种矿物而言，有序度反映着矿物的不同结构和结晶状态，伴随着有序度的不同，矿物的形成温度以及形成环境会随之发生变化。从浅部钾化带到矿化带内的黄铁矿，半高宽逐渐降低，晶体内部排列逐渐向有序转变，暗示着矿物形成温度逐渐降低，而逐渐远离矿化带到深部钾化带的黄铁矿，半高宽升高，有序不断地无序化，暗示着结晶程度较差，矿物形成温度较高[15]。这和我们所测的流体包裹体温度数据结果相一致, 同时也和前人的研究成果吻合[16]。

若按不同蚀变带分布来进行观察(图5)，我们发现不同蚀变带样品的谱峰半高宽也以矿化带为中心在两边大致呈现出左右对称的关系，这和岩相学中矿化带和两侧蚀变带所形成的对称关系相吻合。同时可以发现深部钾化带和绢云岩化带半高宽值都分别要略高于浅部钾化带和绢云化带，暗示深部蚀变带温度高于浅部蚀变带。这是由于各个蚀变带受地热梯度影响下不同深部温度增加程度影响不同所致，当蚀变带深度越深，所在位置地热梯度导致的温度升高越明显。因此位于深部的绢云岩化带和钾化带形成温度会略高于浅部蚀变带。