甘肃礼县中川地区金矿流体的来源与成因*

2022-03-30姜启明

地质科学 2022年2期

姜启明

（甘肃工业职业技术学院甘肃天水 741025）

甘肃省东南部地区，属于秦岭向西的延伸部分，其西部与青藏高原衔接，在甘肃境内部分称西秦岭地区（图1）。西秦岭造山带属于华力西褶皱带（图1-Ⅱ），北东与华北古陆板块衔接，南与滇青藏古海洋板块（图1-Ⅲ）相接，南东与杨子古陆板块（图1-Ⅴ）相接。本地区属于3大板块（华北古陆、滇青藏古海洋、扬子古陆）碰撞衔接部位，岩浆活动频繁，是金属矿产成矿的有利部位（姜启明等，2009）。近30年来，该地区发现大量金矿，如陕甘交界的八卦庙、庞家河、铧厂沟、双王等大型金矿，川甘交界的拉日玛、邛莫、大水、马脑壳等大中型金矿，甘肃的李坝、金山、马泉、崖湾、寨上、阳山等十几个中型以上金矿。很多学者（Li and Peters，1998；Kerrich et al.，2000；孙明，2000；冯建忠等，2003；姜启明等，2009；谭洪波，2009；殷先明，2009）对该区金矿的成因展开了大量研究，包括该区金矿的来源、成矿温度和压力、氧—氢—硫同位素组成、成矿年龄等方面。这些研究为本区开展成矿流体来源研究提供了大量基础性资料。不同的研究者对该地区金矿的成因归属展开争论：Li and Peters（1998）将八卦庙金矿、双王金矿、李坝金矿等归为类卡林型金矿，而Kerrich et al.（2000）认为它们属于大型脆—韧性剪切带中的造山带型金矿；孙明（2000）的研究也认为马泉金矿受大型脆—韧性剪切带控制，属于构造带蚀变岩型金矿；姜启明等（2009）将马泉金矿的特征，与卡林型金矿的8个特点进行了详细的对比研究，认为马泉金矿属于类卡林型金矿。随着新的测试技术和研究方法的更新，这些成因类型的争论可能还会持续下去。本次研究，将解决成矿流体来源问题，落实成矿流体成分，为该地区金矿成因理论方面，提供新的资料，将有力的推动本区找矿工作。

1 礼县中川地区金矿成矿流体地球化学研究现状

研究区位于陕甘川“金三角”（郭俊华等，2009）偏北地带，属于“礼（县）—岷（县）金矿成矿带”（图1；杨根生等，2008；王永宁等，2009；刘家军等，2010）。礼—岷金成矿带东部金矿主要围绕中川花岗杂岩体分布。前人通过金成矿的时间（中川花岗杂岩体形成以后成矿）和空间关系（距离岩体1～8 km）开展研究（殷先明，2000；冯建忠等，2003；姜启明等，2009），认为金成矿与中川花岗杂岩关系密切；在成矿流体方面，测试O、H、S稳定同位素（表1），认定成矿流体属于“混合热液”。

图1 甘肃省东南部地区大地构造分区及矿产略图（据姜启明等，2014c）Fig.1 Southeastern Gansu Province tectonic zoning and mineral map（after Jiang et al.，2014c）

本次研究另辟蹊径，在已知金矿体上，采集矿石标本，挑选其中的石英晶体，使用英国Micromass公司生产的MM5400质谱计测试稀有气体及其比值，研究成矿流体来源，证明4He和40Ar具有放射性成因，来源于中川花岗杂岩体，成矿流体中只含有10%左右的上地幔流体。

由表1可见，本次研究结果与前人（殷先明，2000；冯建忠等，2003）研究结果差别很大，尤其是与冯建忠等（2003）的研究结果相反。可能的原因：1）测试介质的差异；除石英外，有些研究者采用全岩O18同位素，即所有含氧矿物都参与O18同位素测试，礼县中川地区金矿的主要脉石矿物是石英、绢云母、方解石、绿泥石等，都是含氧矿物，这样做，势必将成岩期形成的同位素分馏作用也纳入测量范围，不能反映成矿期同位素特征；2）引起同位素分馏的原因很多，除了成矿期同位素交换反应以外，还有动力学分馏、物理分馏、生物化学分馏等（郝立波等，2004），依靠常规的同位素示踪效应反映成矿流体来源本身就具有局限性；3）稀有气体（又称惰性气体）He、Ne、Ar、Kr、Xe等很难与其它元素发生化学反应，所以，稀有气体的同位素分馏，能够保留成矿过程的很多蛛丝马迹，成为成矿流体示踪的首选对象，也是近年来研究成矿流体的热点之一，深受很多学者（王先彬，1989；毛景文等，1997；孙明良等，1997；杜建国等，1998；李延河等，2000；叶先仁等，2001，2007；罗璐等，2014）的青睐。

表1 礼县中川地区金成矿流体研究现状Table 1 Research status of gold ore-forming fluid in Zhongchuan area，Li County

2 地质背景

（1）主要地层

如图2所示（姜启明等，2014c），研究区主要含矿地层有：中石炭统（C2）粉砂质绢云母板岩、薄层灰岩、含碳板岩等；中泥盆统舒家坝组（D2s）斑点状粉砂质绿泥绢云母板岩、绢云母千枚岩、薄层状灰岩等；中泥盆统西汉水组（D2x）条带状绿帘石大理岩、绿帘变粒岩、条带状含透闪石大理岩等，它与北部的舒家坝组（D2s）为同质异象产物。不含矿地层主要有：奥陶系孟家沟群（Om）黑云母石英片岩、变质粉砂岩、变质长石石英砂岩等，位于中川岩体与柏家庄岩体之间。

图2 甘肃省礼县中川地区金矿地质图（据姜启明等，2014c修改）Fig.2 Gansu Province Lixian Zhongchuan deposit geological map（modified after Jiang et al.，2014c）

（2）中川花岗杂岩体地质特征

研究区主要岩浆岩是中川花岗杂岩体和柏家庄花岗杂岩体，其次还有少量的煌斑岩脉、花岗斑岩脉、基性岩脉等。

中川花岗杂岩体经历4期（海西、印支、燕山、喜山）9次侵入（姜启明等，2014c）和喷出形成（图2）。早期的侵入体已经被晚期侵入体取代，只保留残留体，主要侵入时代是燕山早期，占总面积216 km2的90%以上，岩体内外还产有吴茶坝（魏炳安，2009）、中川（谭洪波，2009）、范家坝（姜启明等，2012）小型铀矿床，金矿床全部位于中川花岗岩体外接触带1～8 km范围内，呈半环形分布。由于中川岩体侵入期次多，岩性、产状复杂，并且与金成矿关系十分密切（冯建忠等，2003；殷先明，2009），中川岩体的侵入时代（姜启明等，2014c），对研究金矿的成因十分重要。

（3）研究区金矿体的基本特征

据殷先明（2000）、姜启明等（2002，2004，2010，2014c）、鲁挑建等（2010）研究，中川地区金矿原生矿的载金矿物为黄铁矿、毒砂及少量脉石矿物，氧化矿的载金矿物主要是褐铁矿。金矿的形成都经历了多阶段热液活动（表2）。

由表2可见，礼县中川地区金矿的热液成矿期都经历了多个成矿阶段；早期热液活动都有含黄铁矿石英脉，中期热液形成都有硫化物细脉，并伴有强烈的交代作用，使炭质或暗色矿物迁出，变成灰白色岩石（鲁挑建等，2010）。这种褪色蚀变现象在礼县中川地区金矿中常见，热液晚期都出现低温矿物碳酸盐脉，标志着矿化结束。矿物的生成顺序中，一般都是先生成石英细脉，再叠加硫化物细脉，或星点状硫化物直接镶嵌在石英脉内，载金矿物黄铁矿和毒砂的载体大多数是石英脉，这就为通过石英脉测试稀有气体及其比值创造了条件。

表2 礼县中川地区金成矿热液活动阶段划分Table 2 Division of hydrothermal activity periods of gold mineralization in Zhongchuan area，Li County

续表2

3 取样和测试方法

3.1 取样和样品加工

在已知的原生金矿体上，选择黄铁矿化、毒砂化、褪色蚀变等矿化蚀变强烈、含有成矿期石英脉或硫化物细脉的标本，样品重量一般在1 kg以上。将样品破碎到小于2.5 mm的粒径，用清水将破碎后的样品淘洗，将云母、绿泥石等片状矿物飘出，再在普通显微镜下挑选其中的石英颗粒（表3），每件样品挑出大于1.1 g石英晶体，保证满足测试需要样品重量2倍以上，送中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心测试稀有气体。

表3 用于稀有气体测试的样品地质特征Table 3 Geological characteristics of samples for rare gas testing

由表3可见，测试样品取自李坝超大型金矿不同的矿床或矿段，金山、马泉等大中型以上矿床的已知原生矿体，挑选石英晶体粒度大部分在0.3～2 mm之间，为无色透明晶体。有些石英脉还含有热液期的黑色或黄色捕掳体，这是热液期石英脉捕获成矿介质的例证。所有标本都做了岩矿鉴定，详细研究了标本的矿物成分，有些标本还做了多元素分析或SHRIMP年龄测试等其他研究项目。

3.2 测试方法

测试所使用的仪器为英国产MM5400磁偏转静态真空质谱计。该质谱计主要由熔样坩埚、气体处理系统、质谱计主机、电控系统组成（叶先仁等，2001），配备有法拉第杯和电子倍增器双接收器，倍增器后端接有离子计数器。将挑选出来的0.511～0.513 g石英晶体放入坩埚，加热到1 600℃，使石英晶体中俘获的所有气体都能够释放出来；在处理气体时将其它气体，尤其是碳的化合物用海绵钛炉充分消除；在测试Ne同位素组成时用烧结型不锈钢滤芯可以基本消除40Ar2＋对20Ne的干扰，必要时要进行校正。仪器的工作状态稳定，且能将3He与HD（氘）的谱峰完全分开。经过加热去气后，质谱计主机动态真空可达4.0×10-8Pa以下，处理系统真空可达5.0×10-7Pa以下。

MM5400质谱计基本参数（叶先仁等，2001）为法拉第杯分辨率≥200，电子倍增器分辨率≥600，主机本底≤2.2×10-18mol36Ar，主机静态漏率≤4.5×10-17mol/min40Ar，He灵敏度（Trap电流it=800μA）≥1.5×10-6A/Pa，Ar灵敏度（Trap电流it=200μA）≥7.5×10-6A/Pa。

MM5400质谱计具有高灵敏度、高分辨率的特点，仪器的高压稳定性、磁场稳定性和材料渗漏率等较好（叶先仁等，2001）。这些性能为准确测量稀有气体同位素组成提供了保障。

4 测试结果

4.1 稀有气体4He与40Ar的来源

礼县中川地区金矿原生矿体稀有气体测试结果见表4。

地球大气自形成以来经历了长期强烈的均一化作用，造成地球大气稀有气体比值非常稳定（王先彬，1989），这是稀有气体测量的背景值。由表4可见，7件样品中的4He/20Ne为0.71～645.16，是大气4He/20Ne=0.318 5的2～2026倍。虽然地壳和地幔的Ne同位素组成不同于空气中的Ne同位素组成（叶先仁等，2007），但空气Ne同位素是稳定的，而He同位素却受到放射性元素238U、232Th的影响很大，238U要经过8次α衰变（生成α离子，即4He的原子核）和7次β衰变（生成电子）才能衰变成稳定的206Pb；232Th要经过6次α衰变和4次β衰变才能生成208Pb（姜启明等，2014b）。这些衰变过程都能生成大量的4He。

礼县中川地区属于U、Th含量的高背景区（表5），U和Th平均含量分别是16.1×10-6和22.3×10-6，而全球花岗岩平均U、Th含量分别是3.5×10-6和18×10-6（姜启明等，2014a），可见，中川花岗杂岩体U和Th含量都很高，并且中川花岗杂岩体内外还含有3个小型铀矿床（图2）。在铀的长期衰变过程中积累了大量的4He，使该地区成为4He的高背景区，因此4He/20Ne值普遍很高。同理，3He主要来源于地幔（叶先仁等，2007），含量非常稀少，而4He主要来源于铀矿，造成表4中样品的3He/4He是空气3He/4He=1.4×10-7的0.003 8～1.359倍，这就为通过稀有气体测量进行热液来源研究造成干扰。

表4 礼县中川金矿稀有气体测试结果Table 4 Rare gas test results of Zhongchuan gold mine，Li County

由表4还可见，38Ar含量特别稀少，以至于无法检出；40Ar/36Ar=381.2～6 177.3，比空气40Ar/36Ar（295.5）高，是空气40Ar/36Ar的1.29～20.9倍。研究表明（王先彬，1989），地壳流体成因的40Ar/36Ar是空气40Ar/36Ar的1～104倍，显然，中川地区金矿成矿流体，属于地壳流体范围。

造成40Ar同位素比值偏高的原因，依然与中川花岗杂岩体有关。据甘肃有色地质勘查局天水总队（2002）研究（表5），中川花岗杂岩体钾长石含量较高，K2O平均含量为4.51%，换算成钾元素含量为3.74%。钾属于常量元素，在酸性岩浆岩中的克拉克值为3.34%（姜启明等，2014a），中川花岗杂岩体的K含量显然高于全球酸性岩的K含量。K同位素中，40K具有很强的放射性，虽然40K只占K总量的0.012%，但40K可以作“K层电子俘获”衰变，这种形式衰变的概率为11%（姜启明，2014b），衰变后生成40Ar，金矿在成矿过程中，石英晶体将40Ar捕获，造成Ar同位素比值的变化。

表5 礼县中川花岗杂岩体K 2O和U、Th含量Table 5 K2O，U and Th content/%in Zhongchuan granite complex，Li County

以上事实表明，成矿流体中的4He和40Ar都来源于中川花岗杂岩体，具有放射性成因，也就是说，金成矿与中川花岗杂岩体有非常密切的关系。Ar同位素比值表明，金成矿流体大部分应该来自地壳流体。

4.2 成矿流体成分

将样品3He/4He（R）与空气3He/4He（Ra）的比值，和4He/20Ne测试数据放入3He/4He-4He/20Ne体系图中（图3），可以清晰的看到，尽管4He的高背景值对测试数据造成了干扰，7件样品还是能清晰反映出成矿流体的来源。

7件样品分为两个大组，4件样品（ZB-58、ZB-54、ZB-56、ZB-42）位于“100%地壳流体”线上，也就是说成矿流体全部是大气降水；另外3件样品位于“5%上地幔”和“30%上地幔流体”两条线之间，因此估计其成矿热液中，含有10%左右的变质水或岩浆水。ZB-58与ZB-57都是在李坝金矿王河矿段PD1840工程中所取的样品（表3），2件样品空间距离仅仅1 m，但稀有气体同位素比值却差别很大，这反映出石英晶体挑选中的偶然性，即ZB-58挑选出来的石英晶体，可能属于非成矿期石英多一些，而ZB-57挑选出来的石英，成矿期石英晶体多一些，保留成矿信息多一些；金山金矿挑选出的2件石英样品，其空间距离也不大（表3），2件样品稀有气体同位素比值也相差很大，同样说明石英晶体中稀有气体成分保留成矿热液来源的信息量差异很大。笔者多年在马泉金矿从事勘查工作，取稀有气体测试样品时，有意设置在马泉金矿39号勘探线附近，此处有3个工程控制1号主矿体，金矿体的平均品位为3.69×10-6，平均厚度达到12.25 m，1号主矿体在此处不仅矿体巨大，品位高，而且矿化蚀变也非常强烈，图3中反映在成矿流体来源信息也很多。

图3 礼县中川地区金矿成矿流体3He/4He-4He/20Ne关系图Fig.3 The 3He/4He-4He/20Ne relationship of gold ore-forming fluids in Zhongchuan area，Li County

距离礼县中川地区230 km的文县阳山金矿，位于西秦岭褶皱带的南部边缘附近（图1），在碧口古陆与滇青藏古海洋板块的缝合线上，具有与中川地区相似的成矿环境。据李璇等（2021）对阳山金矿的研究，载金矿物黄铁矿3He/4He平均值0.123 Ra（范围0.06～0.28 Ra，Ra为大气3He/4He值），稍高于地壳特征值（0.01～0.05 Ra）；40Ar/4He=0.16～0.34，与地幔特征值（0.33～0.56）有一定交集；40Ar/36Ar平均值448.3，高于大气饱和水，计算表明，其由2.64%～51.06%的壳源40Ar和41.06%～97.36%的大气40Ar构成，说明阳山金矿成矿流体大部分是大气降水，有少量深部来源。由此可见，礼县中川地区金矿流体同位素组成，与邻区文县碧口地区流体同位素组成具有相似的特点，进一步说明，甘肃省东南部地区金矿成矿流体都是大量大气降水与少量岩浆水组成的混合水。