膠西北三山島金礦黃鐵絹英巖中絹云母40Ar/39Ar年齡及其意義

楊振毅，于曉衛，張文，王立功，王巧云，郭瑞朋

(1.山東省地質調查院，山東 濟南 250014；2.山東省地質學會，山東 濟南 250013)

0 引言

三山島金礦床位于膠東半島西北部，礦床類型歸屬于“膠東型”金礦[1-2]，是在早白堊世郭家嶺花崗巖內成礦，也是膠東巨型金成礦省最大的金礦床之一。在礦床應用分類方面，膠東的含金石英脈型(玲瓏式)和破碎帶蝕變巖型(焦家式)金礦在業內基本達成共識[3]。三山島金礦床以石英脈型和破碎帶蝕變巖型為主[4]。近年來不同學者研究過該礦床的地質、圍巖蝕變、成礦時代、成礦物質、流體性質和來源等，但對成礦時代的測定，測試數據較少，只見有采用的Rb-Sr法測絹云母的結晶年齡[5]，這就有必要通過絹云母40Ar/39Ar測年法測定三山島金礦床的成礦年齡，從而與Rb-Sr法測年結果進行對比，來進一步確定三山島金礦成礦年齡的準確性。

1 地質概況

1.1 區域地質

三山島金礦床在大地構造位置上處于膠北隆起的西緣，西側與沂沭斷裂帶相毗鄰。該區主要由前寒武紀變質巖系和中新生代地質體組成。前寒武變質巖系主要為新太古代花崗-綠巖帶，以TTG片麻巖為主、部分變輝長巖、少量呈殘留包體出現的新太古代膠東巖群及中太古代唐家莊巖群,另外還有少量古元古代荊山群、粉子山群。區內第四系廣泛分布，主要由砂質黏土、中粗砂、細砂、粉砂及亞黏土等組成，三山島北部為淺海覆蓋區。區內中生代巖漿巖較為發育，主要為侏羅紀玲瓏花崗巖163～155Ma(鋯石U-Pb年齡)[6]，白堊紀郭家嶺花崗巖132～123Ma(鋯石U-Pb年齡)[7]，偉德山花崗巖120～113Ma(鋯石U-Pb年齡)，嶗山花崗巖115.4～90Ma(鋯石U-Pb年齡)[8]和酸性、中—基性脈巖。在構造特征上，中生代花崗巖與老地質體呈斷層接觸。礦區構造主要為斷裂構造，根據形成先后及與成礦的關系，可分為控礦斷裂及成礦后斷裂，前者為三山島斷裂帶，后者為NE向、NNE向和NW向斷裂。

三山島斷裂帶位于三山島-倉上-潘家屋子一線，大部分地段被第四系覆蓋。斷裂帶陸地出露長12km，向北延伸至淺海區，帶寬20～400m，總體走向40°～50°，傾向SE，傾角30°～40°，局部可達80°。斷裂平面上呈“S”，形態不規則[9-10]，自萊州市倉上至三山島一線呈NE向展布。受三山島-倉上斷裂帶控制的金礦床，從南向北依次為倉上(22t)、新立(175t)、三山島(561t)、三山島北部海域(470t)等大型—超大型金礦床，累計探明資源量1228t，隨著深部找礦工作的持續深入，三山島-倉上金礦成礦帶在膠東三大成礦帶的地位越來越重要(圖1)。

1—第四系；2—白堊系；3—古元古界；4—白堊紀偉德山花崗巖；5—白堊紀郭家嶺花崗巖；6—侏羅紀玲瓏花崗巖；7—太古宙TTG(含變輝長巖包體)；8—實測及推測斷層；9—大型、特大型金礦床/中小型金礦床；10—金礦體；11—斷裂帶產狀圖1 膠西北區域地質圖(a)和三山島斷裂帶基巖地質圖(b)

1.2 礦床地質

三山島金礦床賦存在三山島斷裂帶下盤，上盤基本不見礦，礦體大多緊鄰三山島-倉上斷裂主裂面發育，分布在黃鐵絹英巖化碎裂巖帶內，地表斷續出露。礦體厚度大小不等，厚度1.51～34.48m，平均厚度6.08～14.0m，平均品位(2.57～7.35)×10-6，礦體走向12°～62°，傾向SE，傾角30°～88°，多在40°～50°之間變化，礦體受壓扭性斷裂控制，沿走向或傾向呈板狀或脈狀舒緩波狀起伏延展，膨脹夾縮，分支復合明顯，局部呈似層狀和透鏡狀；局部可圈定無礦天窗，自新立至三山島存在無礦間隔，無礦間隔長400～500m。從剖面上看，淺部礦體至深部礦體呈階梯式分布，淺部礦體主要賦存標高為-700m以淺，稱之為第一階梯；深部礦體主要賦存標高為-1000m～-2000m，稱之為第二階梯；-700m～-1000m標高為無礦間隔，其產狀變陡。

三山島金礦①-1號礦體，礦體呈不對稱“Z”字型展布，不規則脈狀產出，常見分支、復合、膨脹、狹縮及尖滅再現現象。總體走向35°左右，傾向SE，傾角34°～44°。礦體厚度最小0.95m，最大12.08m，一般4.31～6.86m，平均6.65m，厚度變化系數68.9%，穩定程度為穩定型(以上是按單工程多層礦累加厚度計算)。礦體無論沿走向或是沿傾向均不連續，都有尖滅再現的特點。礦體單樣金品位最高為15.40×10-6(ZK48-2)，單工程金品位(1.74～5.65)×10-6，平均3.25×10-6，品位變化系數70.6%，分布均勻程度為均勻型(圖2)。

1—第四系；2—變輝長巖；3—二長花崗巖；4—黃鐵絹英巖化花崗巖；5—黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖；6—黃鐵絹英巖化碎裂巖；7—穿脈；8—鉆孔；9—基點及編號；10—礦體及編號圖2 三山島金礦①-1號礦體聯合剖面圖

2 樣品制備及測試

用于40Ar/39Ar同位素測年的樣品(390mTW1)采自三山島金礦井下-390m中段①-1號礦體內，強烈蝕變的黃鐵絹英巖化礦石。黃鐵絹英巖礦石標本樣品(圖3a)，巖石新鮮面呈灰色、灰白色，塊狀構造，粒狀結構，巖石發生強烈的硅化、絹英巖化。顯微鏡下觀察,顯微粒狀片狀變晶結構，變余斑狀結構，組成巖石的礦物成分主要為絹云母、石英和金屬礦物，巖石由于中低溫氣液交代作用，長石和暗色礦物已全部蝕變為絹云母和石英等礦物，形成變余斑狀結構。主要礦物有絹云母(30%～35%)、石英(10%～15%)和黃鐵礦(50%～60%)(圖3b)。絹云母，顯微鱗片狀變晶，部分集合體依稀可見斜長石假象，可能主要為斜長石的蝕變產物，無色，干涉色較鮮艷，構成巖石主體;巖石中的金屬礦物僅見有黃鐵礦，他形—半自形粒狀，最大粒徑可達1.50mm，不等粒，多呈聚集狀分布于其他礦物間隙中。集合體呈角礫狀構造，黃白色，糙面明顯，均質性，含量50%。

Qtz—石英；Srt—絹云母；Jsk—金屬礦物圖3 三山島金礦礦石標本照片(a)和偏光顯微鏡照片(b)

單礦物絹云母分選工作在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成，分離流程為：確定碎樣粒度→漂浮→電磁分離→酸溶分離→電磁分離→重液分離，通過該流程選取的絹云母純度較高，適宜作40Ar/39Ar升溫測年實驗。

選純的絹云母(純度>99%)用超聲波清洗。清洗后的樣品被封進石英瓶中送核反應堆中接受中子照射。照射工作是在中國原子能科學研究院的“游泳池堆”中進行的，使用B4孔道，中子流密度約為2.65×1013ncm-2S-1。照射總時間為1440min，積分中子通量為2.29×1018ncm-2；同期接受中子照射的還有用做監控樣的標準樣ZBH-25黑云母標樣，其標準年齡為(132.7±1.2)Ma，K含量為7.6%。

40Ar/39Ar升溫測年分析是在中國地質科學院地質研究所40Ar/39Ar年代學實驗室的MM1200B質譜計上進行的。樣品的階段升溫加熱使用石墨爐，每一個階段加熱10min，凈化20min。質譜分析是在多接收稀有氣體質譜儀Helix MC上進行的，每個峰值均采集20組數據。所有的數據在回歸到時間零點值后再進行質量歧視校正、大氣氬校正、空白校正和干擾元素同位素校正。中子照射過程中所產生的干擾同位素校正系數通過分析照射過的K2SO4和CaF2來獲得，其值為：(36Ar/37Aro)Ca=0.0002398，(40Ar/39Ar)K=0.004782，(39Ar/37Aro)Ca=0.000806。37Ar經過放射性衰變校正；40K衰變常數λ=5.543×10-10a-1；用ArArCALC程序計算坪年齡及正、反等時線年齡，坪年齡誤差以2s給出[11-12]。

3 分析結果

樣品測試結果顯示，所有誤差可信區間為2σ。絹云母經過14個階段的分步加熱,加熱區間為700～1400℃,其中850～1150℃的溫度范圍，即3～12加熱階段內,樣品的年齡譜形成平坦的年齡坪,其中39Ar累積量占總釋放量的94.83%,所獲得的坪年齡為(118.35±1.21)Ma(圖4a)。在反等時線圖上,獲得的年齡為(118.56±1.37)Ma(圖4b),反等時線年齡在誤差范圍內和坪年齡一致,表明坪年齡可信[12-13]，初始Ar同位素組成為285.4±31.1,在誤差范圍內與大氣Ar比值(295.5±0.5)基本一致,說明樣品冷卻生成時沒有捕獲過剩Ar(表1)。

表1 膠東三山島金礦黃鐵絹英巖中絹云母Ar同位素測定結果及表面年齡

圖4 三山島金礦黃鐵絹英巖中絹云母樣品40Ar/39Ar年齡譜(a)及反等時線圖(b)

4 討論

從表1可以看出，從第3階段開始,視年齡基本穩定,呈現出一個連續的、39Ar累積量占總釋出量94%以上的年齡坪。與黑云母不同,絹云母的晶體結構在真空爐加熱過程中穩定,因此其年齡譜反映了Ar同位素在礦物內部的分布[13-14]。因此,所測樣品平坦的年齡譜表明Ar同位素分布穩定、均勻,沒有受到后期地質作用的擾動,樣品采自井下開采面上新鮮礦石,所測年齡值代表了絹云母結晶冷卻至Ar同位素體系冷卻封閉的時間。由于熱液蝕變礦物結晶快，因此通過實驗獲得的40Ar/39Ar年齡能夠代表絹云母的結晶年齡。

該文將金礦熱液成礦期劃分為黃鐵礦-石英-絹云母、金-石英-黃鐵礦、金-石英-多金屬硫化物、石英-方解石4個成礦階段。

(1)黃鐵礦-石英-絹云母階段：該階段屬于金成礦的開始階段，以絹英巖或石英-黃鐵礦脈為標志。

(2)金-石英-黃鐵礦階段：是主要成礦階段，以絹英巖化蝕變帶內的石英-黃鐵礦細脈、網脈，或者充填于次級斷裂內的含金石英-黃鐵礦脈為特征。

(3)金-石英-多金屬硫化物階段：為重要成礦階段，其礦化特點是以細脈浸染狀為主，并有細脈狀充填，穿切Ⅱ階段的石英-黃鐵礦脈，或以細脈—網脈的形式賦存于浸染狀礦石內。

(4)石英-方解石階段：該階段形成石英-方解石脈，多疊加于早階段礦化產物之上，穿切浸染狀礦石內的石英-黃鐵礦細脈或石英-多金屬硫化物脈。該階段沒有發現金礦物。

結合井下地質現象和標本特征，認為采集的樣品屬成礦的第二階段，即金-石英-黃鐵礦階段，是區域內主成礦期的產物，用該樣品中的金屬礦物或蝕變礦物定年可以獲得準確的主成礦期年齡信息。絹云母Ar同位素體系封閉溫度約350℃[15]，使用同一樣品中的石英包裹體測溫，測得主成礦期溫度340～360℃(數據另行刊發)，而絹云母是在主成礦期形成的，所以絹云母的形成年齡可以代表三山島金礦主成礦期的成礦年齡。該次研究的樣品經過40Ar/39Ar分步加熱實驗均形成平坦的年齡坪，等時線年齡在誤差范圍內與坪年齡一致。因此，可以用坪年齡來代表絹云母的形成年齡[16]。從而得出三山島金礦床的成礦年齡為(118.35±1.21)Ma。

表2為前人已做的膠西北地區金礦床成礦年齡，通過40Ar/39Ar法測得的金礦成礦年齡在(119.0～121.5)Ma范圍內，而三山島金礦，通過Rb-Sr法測得成礦年齡為(117.6±3.0)Ma，略小于絹云母測得的成礦年齡。該次實驗獲得金礦成礦年齡為(118.35±1.21)Ma。這一年齡對三山島金礦成礦年齡的確定具有重要的指導意義。

表2 膠西北地區金礦床成礦年齡

三山島金礦的直接圍巖為郭家嶺殼幔混合Ⅰ型花崗巖，有研究者認為郭家嶺花崗巖巖體在深部為連通的大巖基。其LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為(127±2)Ma[21-27]，該年齡與三山島金礦石黃鐵絹英巖中絹云母獲得的年齡相差9Ma，考慮巖漿在深部侵位的緩慢冷卻效應不超過10Ma[28]，三山島金礦黃鐵絹英巖中絹云母的結晶(熱液蝕變事件)應該與郭家嶺花崗巖的侵位事件關系密切。

在三山島金礦深部的西嶺礦區施工的見礦鉆孔中，礦體發育在郭家嶺斑狀花崗巖中(圖5)，郭家嶺斑狀花崗巖發生強烈的硅化、絹英巖化、黃鐵礦化，且在巖石裂隙中發育細脈狀黃鐵礦。初步認為郭家嶺花崗巖在侵位結晶后，受同期構造作用發生破碎，期后熱液隨即充填交代前期結晶破碎的巖石，并在裂隙中充填含金的黃鐵礦細脈。

圖5 三山島金礦西嶺礦區郭家嶺斑狀花崗質蝕變巖巖心照片

綜上所述，鑒于三山島金礦的成礦與郭家嶺花崗巖侵位事件關系密切，通過總結前人的研究成果，認為其成礦模式為在中生代揚子、華北板塊碰撞，太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖擠壓、深切到上地幔的沂沭斷裂帶大規模的左行平移以及其后的復雜活動，同時伴有廣泛構造-巖漿熱液事件背景下，在晚侏羅世形成了層狀殼源重熔型玲瓏花崗巖，致使原生礦源層(前寒武紀變質基底巖石)中的金質活化、擴散、遷移，其析出的高溫堿性熱液溶解金等成礦物質形成初始含礦熱液。玲瓏序列花崗巖被稱為金礦成礦的衍生礦源巖系[29]。隨著巖石圈減薄、地幔物質上涌。地溫梯度不斷增高，并進一步產生大量熱能[30]，導致下地殼重熔或殼幔同熔產生大規模巖漿侵入活動及成礦流體的形成，從而使得巖石圈地幔不斷消耗而減薄。在區域構造作用的影響下，殼幔同熔產生的巖漿侵位結晶形成郭家嶺花崗巖。隨著巖體的隆升，溫度的下降，富含金質的多源成礦流體，進入構造裂隙系統，并和圍巖發生強烈的蝕變交代，使含礦熱液的礦質濃度進一步提高，成礦流體在上升過程中因大氣降水的加入，進而加速了金質的沉淀，形成一系列的金礦床(圖6)[31-39]。

圖6 膠東金礦成礦模式圖

5 結論

(1)三山島金礦黃鐵絹英巖中絹云母40Ar/39Ar坪年齡為(118.35±1.21)Ma，反等時線年齡為(118.56±1.37)Ma,該年齡可以認為是三山島金礦的成礦年齡。

(2)三山島金礦成礦事件與其圍巖郭家嶺花崗巖侵入事件關系密切。

(3)殼幔同熔產生的巖漿侵位結晶形成郭家嶺花崗巖。隨著巖體的隆升，溫度的下降，富含金質的多源成礦流體，進入構造裂隙系統，并和圍巖發生強烈的蝕變交代，使含礦熱液的礦質濃度進一步提高，成礦流體在上升過程中因大氣降水的加入，進而加速了金質的沉淀，形成一系列的金礦床。

致謝：野外工作得到了三山島金礦床相關工作人員的幫助和支持;樣品測試獲得了中國地質科學院礦產資源研究所柯昌輝高級工程師的幫助，李洪奎研究員對該文提出了寶貴的修改意見，在此一并表示感謝！