膠東山后金礦成礦流體及成礦物質來源:來自H-O、Sr-Nd-Pb、He-Ar同位素證據

王巧云,郭晶,郝興中*,于得芹,馬麗新,吳紅霞,郭艷,田瑞聰,胡創業

(1.山東省地質調查院,山東 濟南 250014;2.齊魯師范學院,山東 濟南 250200;3.中國冶金地質總局山東正元地質勘查院,山東 濟南 250014)

0 引言

山后金礦位于招遠-平度斷裂帶(以下簡稱招平斷裂帶)南段,是招平金礦帶典型的大型金礦之一。國內地質學者對該礦床的礦體特征、成礦階段、流體包裹體以及氫氧硫等穩定同位素做了詳細的研究[1-5],但是尚未開展對該礦床Sr-Nd-Pb以及稀有氣體同位素的研究。由于招平金礦帶的成礦物質來源復雜,關于成礦物質主要來自于地幔還是下地殼重熔,或是膠東巖群還存在爭議。因此,本文通過系統研究山后金礦石英流體包裹體H-O同位素以及載金黃鐵礦Sr-Nd-Pb和稀有氣體同位素組成,深入分析探討山后金礦成礦流體和成礦物質來源。

1 礦床地質特征

該礦床受NE向斷裂的控制,賦存于招平斷裂帶主斷面下盤40 m范圍內,位于-500 m標高以上[1-2]。礦區內以壓扭性斷裂為主,斷裂帶蝕變發育,主要有絹云母化、黃鐵礦化、硅化等,局部被石英脈、黃鐵礦石英脈、煌斑巖脈等充填(圖1)。礦床中共圈定16個礦體,其中主礦體占該礦資源儲量總量的65.5%;次要礦體和其他14個礦體均為小型礦體(1)山東正元地質勘查院,山東省萊西市山后礦區金礦詳查報告,2011年。。

1—第四系;2—荊山群野頭組;3—荊山群祿格莊組;4—膠東巖群;5—玲瓏序列崔召單元;6—碎裂狀變粒巖;7—煌斑巖;8—石英脈;9—金礦體;10—斷層主裂面斷層泥;11—絹英巖化花崗質碎裂巖;12—花崗質碎裂巖;13—研究區范圍

主礦體呈緩傾斜脈狀賦存于構造蝕變巖中,走向32°,傾向SE,傾角40°,控制礦體長257 m,斜深885 m,賦存標高+156 m～-487 m。礦體厚0.63～20.26 m,平均厚4.02 m,厚度變化系數82.15%,屬于厚度穩定型礦體。金品位1.01×10-6～123.08×10-6,平均品位3.21×10-6(2)山東正元地質勘查院,山東省萊西市山后礦區金礦詳查報告,2011年。。

次要礦體的產狀與主礦體一致,控制礦體長181 m,斜深693 m。礦體厚0.45～4.67 m,平均厚度2.01 m,厚度變化系數62%,屬于厚度變化穩定的礦體。金品位1.11×10-6～6.95×10-6,平均2.58×10-6①。

2 樣品及分析方法

2.1 樣品采集

本次研究在主礦體-200 m中段和主斷面下盤(0～85 m范圍內)的黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖內采集了金礦石14件、花崗巖4件。在巖相學和礦相學研究基礎上,選擇了5件礦石(均有黃鐵礦石英細脈穿插或有石英黃鐵礦團塊)對其石英中的H-O同位素進行測試,選擇3件礦石樣品對其黃鐵礦進行了Sr-Nd-Pb同位素測試,選擇1件花崗巖和2件礦石對黃鐵礦進行He-Ar同位素測試。

2.2 樣品特征

樣品的手標本一般呈灰白—灰黑色,塊狀構造、碎裂結構,巖性有黃鐵絹英巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖、花崗質碎裂巖和絹英巖化糜棱巖(圖2),主要由石英、斜長石、絹云母、方解石和不透明礦物組成。顯微鏡下主要礦物的粒徑一般為0.05～1.0 mm,多呈粒狀或鱗片狀,彼此呈鑲嵌緊密狀分布。石英呈不規則粒狀,波狀消光;絹云母呈鱗片狀,有的發生綠泥石化,多呈條紋條帶狀集合體圍繞粒狀礦物分布(圖2e)。金屬礦物主要由黃鐵礦、磁鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦組成,黃鐵礦呈半自形晶粒結構,浸染狀構造,粒徑一般為0.05～2.5 mm;磁鐵礦呈半自形晶粒結構,粒徑一般為0.01～0.1 mm(圖2f)。金品位一般在2×10-6～4×10-6,平均值為3.01×10-6。

a—絹英巖化碎裂巖;b—絹英巖化糜棱巖;c—黃鐵絹英巖;d—黃鐵絹英巖化碎裂巖;e—鱗片粒狀變晶結構;f—浸染狀黃鐵礦,半自形晶粒結構。Ser—絹云母;Qtz—石英;Py—黃鐵礦;Mag—磁鐵礦

2.3 分析方法

石英O同位素及其流體包裹體H同位素測試、黃鐵礦Sr-Nd-Pb同位素及He-Ar同位素分析均在核工業北京地質研究院分析測試研究中心完成。

H-O同位素測試所用儀器為MAT-253型質譜儀,δD和δ18O均為SMOW標準。O同位素測試和H同位素分析方法具體詳見《硅酸鹽及氧化物礦物中氧同位素組成的五氟化溴法測定》和《水中氫同位素鋅還原法測定》。

黃鐵礦Sr-Nd-Pb同位素測試所用儀器為ISOPROBE-T熱表面電離質譜儀和Phoenix熱表面電離質譜儀,檢測方法依據GB/T 17672—1999《巖石中鉛、鍶、釹同位素測定方法》和DZ/T 0184.12—1997《巖石、礦物中微量鉛的同位素組成的測定》。

黃鐵礦包裹體中He-Ar同位素分析的實驗流程和測試方法詳見《40Ar-39Ar同位素地質年齡及氬同位素比值測定》,測試儀器為Helix SFT型惰性氣體質譜儀。該儀器40Ar的空白本底值小于5×10-14cm3STP,法拉第杯分辨率大于400,離子倍增器分辨率大于700;He和Ar分別在特定值的阱電流時,靈敏度分別優于2×10-4A/Torr和7×10-4A/Torr。測量結果以大氣He、Ar同位素組成為測量標準,其3He/4He(Ra)=(1.399±0.013)×10-6;40Ar/36Ar=295.6,38Ar/36Ar=0.187。

3 分析結果

3.1 H-O同位素

對5件礦石樣品中挑選出的石英以及石英中的流體包裹體分別進行了O和H同位素測試(表1)。石英的δ18Ov-SMOW介于10.2‰～11.2‰之間,石英流體包裹體的δDv-SMOW在-90.7‰～-77.0‰。采用Clayton等(1972)平衡分流方程[6],計算得到成礦流體的δ18OH2O在0.25‰～1.25‰之間。

表1 山后金礦石英H-O同位素組成

3.2 Sr-Nd-Pb同位素

本次測試的3件山后金礦的礦石單礦物的Sr-Nd同位素測試結果列于表2。黃鐵礦具有相對較高的87Sr/86Sr和較低的εNd(120 Ma)。87Sr/86Sr介于0.7163～0.7183,平均0.7173,εNd(120Ma)變化范圍-23.06～-17.88,平均-20.61。

表2 山后金礦黃鐵礦Sr-Nd同位素組成

本次研究中3件礦石單礦物樣品的Pb同位素測試數據見表3。黃鐵礦的初始206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb分別為17.097～17.584、15.457～15.524和37.910～38.166。

表3 山后金礦黃鐵礦Pb同位素組成

3.3 He-Ar同位素

對山后的3件樣品進行了黃鐵礦流體包裹體的氦氬同位素測試,結果見表4。黃鐵礦流體包裹體3He/4He為0.31×10-6～0.79×10-6,是空氣中的3He/4He(Ra)的0.45～1.15倍,平均0.91 Ra,約為地殼氦(0.01 Ra～0.05 Ra)的18～90倍,高于地殼氦,但遠低于典型地幔氦(6 Ra～9 Ra)[7-8];40Ar/36Ar的范圍為679.32～804.23,平均值724.83,大約為大氣降水的40Ar/36Ar值(298)的2.43倍,具有較高的40Ar/36Ar。

表4 山后金礦黃鐵礦流體包裹體氦、氬同位素組成

4 討論

4.1 成礦流體來源

4.1.1 H-O同位素示蹤

本次研究樣品為代表成礦期的黃鐵絹英巖和黃鐵絹英巖化碎裂巖,因此H-O同位素組成可以示蹤成礦流體來源。從圖3中可以看出,本次測試樣品的H-O同位素組成明顯不同于巖漿水和變質水,而是落在富集地幔流體與大氣降水線之間的范圍,樣品較低的δDv-SMOW與富集地幔流體一致,而δ18OH2O比富集地幔流體稍低,表明成礦流體中加入了少量的大氣降水。

前人對膠東地區金礦H-O同位素的研究認為[2-5],由成礦早期到晚期,成礦流體的δDv-SMOW和δ18OH2O逐漸降低,表明深部的成礦流體沿斷裂上升過程中,有大氣降水加入。目前,許多地質學者對膠東地區金礦的成礦作用和機制的研究形成了比較清晰的觀點[9-11],認為膠東金礦床的成礦流體在成礦的晚期階段,由于大氣降水的加入導致H-O同位素組成有逐漸向大氣降水線靠近的趨勢。山后金礦的成礦年齡約為115～117 Ma[11-12],與礦區內玲瓏花崗巖的成巖年齡(約160 Ma)相隔較遠,而與富集地幔巖石圈起源的基性巖脈的成巖年齡接近[13],因此推測山后金礦的成礦流體很有可能來自于富集地幔。

4.1.2 He-Ar同位素示蹤

研究表明,作為重要的載金礦物黃鐵礦中流體包裹體對He、Ar具有理想的封閉性,是用于研究流體包裹體He、Ar同位素組成的理想寄主礦物[14-19]。地殼流體中的稀有氣體有3個明顯不同的源區,即飽和空氣雨水中的稀有氣體、地幔中的稀有氣體和地殼中放射成因的稀有氣體。在不同的源區He、Ar同位素組成具有明顯的差異性,因此He、Ar同位素被廣泛應用于示蹤成礦流體。

從圖4可以看出,氦同位素組成落在地幔氦和地殼氦之間,說明成礦流體具有殼幔混合的特征,表明山后金礦成礦流體是地殼流體與地幔流體的混合流體。

圖4 黃鐵礦流體包裹體3He-4He圖解

研究表明[5,19],根據He-Ar同位素體系的40Ar/36Ar和3He/4He的特征值可以判斷地幔流體至少有3個主要源區:地幔柱型源區、洋中脊玄武巖型源區和富集地幔源區。富集地幔源區由于受到俯沖作用帶來的洋殼物質的交代富集,造成其40Ar/36Ar和3He/4He比值均低于洋中脊玄武巖型源區[20]。因此,華北克拉通東部新生代玄武巖中地幔捕虜體的3He/4He接近或低于1 Ra,顯示富集地幔源區的特征[21]。本文樣品的3He/4He平均0.91 Ra,接近或低于1 Ra,如圖5所示,由此推測山后金礦成礦流體來自富集地幔。

圖5 黃鐵礦流體包裹體40Ar/36Ar-3He/4He(R/Ra)圖解

4.2 成礦物質來源

根據Sr-Nd同位素分析結果(表2),山后金礦具有相對較高的87Sr/86Sr和較低的εNd(120 Ma)。87Sr/86Sr介于0.7163～0.7183,平均0.7173,εNd(120Ma)變化范圍-23.06～-17.88,平均-20.61。87Sr/86Sr低于大陸地殼鍶同位素的平均值0.719[22],而明顯高于地幔鍶的初始值0.705,與圍巖玲瓏花崗巖和郭家嶺花崗巖以及前寒武紀變質巖的鍶同位素組成相似,與偉德山期花崗巖及同時代的中基性脈巖(煌斑巖、輝長巖、閃長玢巖)87Sr/86Sr的高峰值相同,表明成礦物質來源的復雜性,很可能膠東巖群、玲瓏花崗巖、郭家嶺花崗巖以及同時代的偉德山期花崗巖和中基性脈巖均參與了成礦作用。Nd同位素組成的變化范圍較大,但總體上與玲瓏花崗巖、郭家嶺花崗巖及伴生的同時代脈巖相一致。根據表3的分析結果,山后金礦與夏甸金礦的礦石和全巖(蝕變巖)Pb同位素組成相似[5],夏甸金礦與山后金礦同處于招平斷裂帶的中南段,其地質構造環境和成礦機理與招平金礦帶的成礦機理相一致[10-11]。依據前人對膠東地區煌斑巖、玄武巖、斜長角閃巖、玲瓏花崗巖和郭家嶺花崗巖的Pb同位素研究結果[13,21,23-24],本文認為山后金礦Pb同位素組成不同于膠東地區中生代軟流圈起源的玄武巖和基底變質巖,而與玲瓏花崗巖、郭家嶺花崗巖及煌斑巖較為接近。

雖然Sr-Nd-Pb同位素特征顯示山后金礦的成礦物質來源復雜,但是根據前人對膠東地區大陸動力學的研究,晚侏羅世時期,太平洋板塊開始俯沖,膠東地區進入燕山造山幕初始階段,160～150 Ma形成了以基底巖系交代重熔的玲瓏花崗巖,130～125 Ma形成了郭家嶺造山中期弱片麻狀花崗閃長巖-花崗巖組合,開啟了膠東金礦主成礦期[25]。山后金礦的成礦時間115～117 Ma,略晚于膠東大規模金成礦時間(120 Ma),本文推測與成礦作用最為密切的是玲瓏花崗巖、郭家嶺花崗巖以及前寒武紀變質基底。

5 結論

(1)膠東地區山后金礦屬于大型金礦床,發育在招平斷裂帶的南段,形成于早白堊世(115～117 Ma),成礦時代與膠東地區大規模金礦成礦期基本一致。

(2)H-O同位素組成顯示,落在富集地幔流體與大氣降水線之間;3He/4He平均值為0.91 Ra,介于地幔氦和地殼氦之間,H-O同位素和He-Ar同位素組成均表明,山后金礦的成礦流體是殼幔混合流體,推測成礦流體來自于富集地幔,并在成礦過程中交代膠東巖群,在成礦晚期有大氣降水的加入。

(3)研究區內Sr-Nd和Pb同位素組成顯示,其具有相對較高的87Sr/86Sr和較低的εNd(120 Ma)。研究表明山后金礦的成礦物質來源具有多源性,但是主要來源是玲瓏花崗巖、郭家嶺花崗巖和前寒武紀變質基底。