0 引言
胶东地区是我国重要的黄金产地之一[1,2,3,4],其中胶东西北部地区金矿储量在整个胶东地区占据绝对主导地位。近年来,深部找矿成为胶西北地区金矿勘查的重点方向[5],且取得了重大突破[6,7,8],预示着该地区深部尚有巨大的找矿潜力。正是基于这样的认识,围绕主干控矿断裂带空白区成矿前景、主干断裂带中间地块成矿远景、已知矿深部成矿前景等问题,相关生产和研究工作持续进行,取得了众多新认识[8,9],这也从一个侧面反映了针对该地区金矿开展深入研究的必要性,尤其是关于成矿机制等理论问题的探讨,对指导深部找矿意义重大。勘查地球化学方法具有微观、定量、直接和多信息的特点和优势,可以从元素地球化学标志层面为成矿机制研究提供全新视角,同时也将促进勘查地球化学学科的发展,在调查质量、应用理论、评价效果及方法技术上有所强化和提高[10]。笔者以胶西北地区具有代表性的三仓断裂带海域金矿、龙莱断裂带焦家金矿和招平断裂带大尹格庄金矿为试验区,依据共计7条勘探线剖面、27个钻孔的岩石地球化学测量结果,确认胶西北金矿成矿系统中存在着以矿化剂元素S、常量元素Na2O、成矿元素Au等为代表的多属性异常。通过探索多属性异常的成矿指示作用及其形成机理,总结提出了胶西北金矿成矿的地球化学机制,与同行们商榷。
1 胶西北区域地质概况
胶西北是指胶东半岛的西北部地区,位于华北克拉通东南缘,西以郯庐断裂带为界,东接苏鲁超高压变质带北段。区内金矿主要受三(山岛)—仓(上)断裂带、龙(口)—莱(州)断裂带和招(远)—平(度)断裂带(图1)控制[11],构成三条主要金矿成矿带,断裂总体走向呈 NE 向,与三条主干断裂平行展布的一组近 NE 向次级断裂发育,并有少量 NW 向和近EW向断裂。该地区金矿主要发育典型的“玲珑式”含金石英脉型和“焦家式”破碎带蚀变岩型两种金矿类型[12,13],为本项研究试验选区提供了参考。三仓断裂带倾向SE,龙莱断裂带倾向NW,招平断裂带倾向 SE,三者形成“向、背”组合样式[14](图2)。三仓断裂带和龙莱断裂带之间及招平断裂东侧的断裂上盘主要地质体为早前寒武纪变质杂岩,由新太古代TTG岩石、花岗片麻岩、变辉长岩(斜长角闪岩)和少量呈残留包体出现的胶东岩群及中太古代唐家庄岩群组成;龙莱断裂带和招平断裂之间的断裂下盘主要分布侏罗纪玲珑花岗岩,侵入有白垩纪郭家岭花岗闪长岩、伟德山花岗岩、崂山花岗岩和相关的脉岩(煌斑岩、辉绿玢岩、闪长玢岩、花岗质脉岩等)[15],主干断裂切割了玲珑花岗岩体[16]。研究区南侧和北侧有少量白垩纪沉积盖层,沿海边和河流分布有第四纪松散沉积层。
图1
图1
胶西北地区地质及试验区位置简图
Fig.1
Simplified geological map of the northwest Jiaodong gold province showing the distribution of gold deposits
图2
图2
三仓、龙莱和招平断裂带空间分布示意
Fig.2
The spatial distribution map of Sanshandao-Cangshang, Longkou-laihzou and Zhaoyuan-Pingdu fault belts
2 试验研究方法
2.1 总体思路
试验研究以探索S、Na2O、Au等多属性异常的指示作用及其形成机理为切入点,以金矿成矿与矿源岩为主线,通过对赋矿地质体中元素含量及多属性异常特征的总结分析,依次回答了矿源岩是否存在、如果存在其地球化学标志是什么、矿源岩通过什么地质作用成矿、导致成矿物质运移的驱动力是什么、最佳赋矿部位在哪、成矿物质沿什么方向运移等问题,在此基础上总结出成矿地球化学机制。
2.2 样品采集及分析
试验研究以海域(1条勘探线,6个钻孔)、焦家(4条勘探线,15个钻孔)和大尹格庄(2条勘探线,6个钻孔)金矿为对象,开展岩石测量(图1)。采样间距一般5~8 m,局部矿化地段加密至3 m。样品采用分层连续捡块的方式采集。在每个采样间隔内,基本均匀地连续采集同一岩性岩石碎块8~10块合并成一个样品,每个岩石碎块重约20 g,每件样品质量约200 g。采样过程中特别注意岩性变化及分层,避免不同岩性样品的混合。
样品按岩石测量分析测试方案加工、分析。分析测试方法、检出限均符合试验研究要求。采用国家一级标准物质监控分析测试质量,合格率100%。
2.3 元素含量统计及异常圈定
以勘探线剖面为单位,按地质体岩性划分统计单元,统计各地质体中元素的含量,圈定异常。为了客观反映各类地质体中元素总体含量及其变化状况,元素含量利用样品分析数据采用算术平均的方式统计,利用地质体中元素含量平均值圈定地球化学异常。这里需要说明一点,地质体中元素含量统计结果及钻孔岩石测量地球化学异常图件很多,限于文章篇幅,地质体元素含量统计结果文中没有展示,地球化学异常也仅展示了个别代表性图件。
3 胶西北金矿成矿地球化学机制
根据胶西北地区大尹格庄金矿、焦家金矿和海域金矿成矿系统中存在的多属性异常,在多维异常体系应用基础理论框架内,通过系统分析各属性异常的成因机理,以元素宏观赋存状态、微观活动特性为依据,尝试将胶西北金成矿的地球化学机制概括为矿源、富硫、重组、水火、耦合和向心等六个方面。
3.1 矿源
图3
图3
焦家试验区构造蚀变带上盘(a)、下盘(b)岩石结构构造图示
Fig.3
The texture and structure of altered rock on the hanging wall(a) and footwall(b) of Jiaojia gold deposit
图4
图4
焦家试验区构造蚀变带上盘/下盘花岗岩REE配分模式图示
Fig.4
The REE distribution pattern of altered rock on the hanging wall and footwall of Jiaojia gold deposit
由此认为,构造蚀变带上盘、下盘花岗岩的原岩不同,属非同源产物。
2)构造蚀变带与其下盘花岗岩物质组成上具有继承性。胶西北金矿基本均产出在构造蚀变带中,构造蚀变带通常是由黄铁绢英岩化碎裂岩、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩或黄铁绢英岩化花岗岩构成,表明构造蚀变带是在花岗岩基础上形成的。但是构造蚀变带是在上盘花岗岩基础上形成的,还是在下盘花岗岩基础上形成的,对确认金成矿矿源岩至关重要。研究发现,构造蚀变带岩石中稀土元素配分模式与其下盘花岗岩总体一致(图5),由此认为,构造蚀变带中岩石与其下盘花岗岩在物质组成上具有继承性。构造蚀变带岩石中稀土元素总量较其下盘花岗岩低,表明构造蚀变带岩石中稀土元素在热液作用下发生了带出作用,进一步证实构造蚀变带与其下盘花岗岩在物质组成上具有继承性。
图5
图5
焦家试验区构造蚀变带/下盘花岗岩REE配分模式图示
Fig.5
The REE distribution pattern of altered rock and the granite on the footwall of Jiaojia gold deposit
3)构造蚀变带下盘花岗岩具备成为金矿矿源岩的物质条件。研究发现,在海域金矿、焦家金矿和大尹格庄金矿构造蚀变带下盘的花岗岩中,Au平均含量通常是上盘花岗岩的几倍到十几倍。以焦家试验区128勘探线为例(图6),构造蚀变带下盘花岗岩中Au平均含量为14×10-9,是上盘花岗岩中Au平均含量(1.6×10-9)的近9倍。其他试验区情况均与此类似,证实在构造蚀变带下盘花岗岩中,成矿元素Au存在初始富集,具备成为金矿矿源岩的物质条件。
图6
图6
焦家试验区128勘探线钻孔岩石测量Au异常图示
Fig.6
The Au anomaly map of borehole rock measurement in line 128 of Jiaojia gold deposit
除了成矿元素Au以外,矿源岩还为构造蚀变带中普遍存在的黄铁矿化提供了物质条件。在热液蚀变过程中,花岗岩中黑云母等暗色矿物分解,释放出形成黄铁矿化必不可少的物质成分Fe2+:
3.2 富硫
既然胶西北地区金成矿受矿源岩控制,那么如何识别矿源岩对金矿勘查而言就至关重要。通过系统对比矿源岩和非赋矿花岗岩中元素含量发现,在矿源岩中,矿化剂元素硫(S)含量通常高于非赋矿花岗岩2~3倍,是除成矿元素Au以外矿源岩最典型的地球化学标志。例如在焦家试验区128勘探线上(图7),构造蚀变带下盘花岗岩,即矿源岩中S平均含量为1 670×10-6,是上盘花岗岩中S平均含量(570×10-3)的3倍,明显富硫。
图7
图7
焦家试验区128勘探线钻孔岩石测量S异常图示
Fig.7
The S anomaly map of borehole rock measurement in line 128 of Jiaojia gold deposit
Au矿源岩富硫的地球化学特性,既是Au矿源岩的典型地球化学标志,同时也是Au矿源岩存在的地球化学证据。因为根据矿源岩的富硫特性,能够很好解释与Au矿伴生的黄铁矿的形成机理,进而揭示了矿源岩经重组而形成矿床的地球化学过程。在热液作用下,矿源岩中的S将发生活化,并与矿物分解释放出的Fe2+结合,形成黄铁矿:
Fe2++2S→FeS2(黄铁矿)
3.3 重组
即使Au在矿源岩中发生了富集,但是矿源岩中Au的富集不足以形成金矿床。矿源岩中的成矿元素,还需要经历重组过程才能成矿,这一认识已经从黄铁矿的形成机理中得到解释。同时,在赋矿花岗岩中普遍存在的Na2O等的负异常(图8),也为这种重组过程提供了地球化学证据。Na2O等的负异常,是由于热液作用过程中,这些元素发生带出作用导致贫化而形成的。带出作用的存在,充分证实地质体发生了物质组分的重组过程。由此综合分析认为,控制胶西北地区金矿形成的矿源岩至少有两种:间接矿源岩和直接矿源岩。间接矿源岩是花岗岩的原岩,在其形成过程中,成矿元素Au发生了富集,是决定Au矿床形成与否的物质基础和首要因素。直接矿源岩是花岗岩的原岩经重熔后形成的花岗岩,直接控制Au矿床的产出部位,是指示深部是否存在矿体的重要标志。
图8
图8
焦家试验区128勘探线钻孔岩石测量Na2O负异常图示
Fig.8
The Na2O negative anomaly map of borehole rock measurement in line 128 of Jiaojia gold deposit
3.4 水火
导致地质体中物质组成重组成矿的地质过程之一是热液作用。系统分析和梳理胶西北金矿床中元素活动特性及规律发现,对成矿热液而言,其中的热和液在热液形成之前应该是独立存在的,即热是热,液是液,两者并不是一个统一的热液整体。当地质体受到热(比喻为火)的作用时,地质体和其中的液(比喻为水)的温度同时升高,被加热的水形成热水,热水在地质体中流动形成热液,是矿质活化、迁移乃至富集的介质。在水(流体)和火(热)的协同配合之下,赋矿地质体中的物质组成发生重组,导致有的元素贫化,有的元素富集,直至形成矿床。结合成矿地质条件分析认为,胶西北地区金矿的成矿热液源自构造运动的可能性更大。
3.5 耦合
矿床形成需要多种要素高度耦合。综合包括胶西北金矿在内的几十个矿床的研究结果认为,形成热液矿床必备要素有四个:热、液、矿化剂元素和金属成矿元素,因此成矿的前提就是这四个要素“四位一体”,高度耦合,缺一不可。在上述四个成矿要素中,液、矿化剂元素和金属成矿元素可能同源,即存在于同一体质体(矿源)中,只有热是“外源”的,如果有热作用在矿源之上就导致矿床的形成。在胶西北地区,金矿产出地段总体是矿源与构造耦合,达成“四位一体”,故而成矿。而在两者不耦合地段,即只有矿源或只有构造的地段基本无矿。
3.6 向心
在水、火协同作用下,赋矿地质体(矿源)中元素发生重组。在元素重组过程中,元素迁移方向指示矿体赋存方向,可以为深部找矿提供直接信息。在多维异常体系中,元素的负异常是因为热液带出作用形成的,因此认为,元素负异常增强的方向指示热液流动方向,也就是元素迁移的方向。综合梳理元素负异常空间分布特征发现,负异常强度向着热源中心方向增强,据此推断成矿过程中元素是向着热源中心方向迁移的,这里形象地描述为向心。胶西北金矿成矿热液是从构造蚀变带外围向蚀变带方向流动的。Na2O等的负异常随蚀变增强而增强,指示了热液的流动方向。
4 结束语
示范应用结果显示,上述关于胶西北金矿成矿地球化学机制的认识,为指导该地区深部金矿勘查提供了新思维。实际上,系统梳理近十年来的相关研究成果发现,本文阐述的成矿地球化学机制是普遍存在的,不仅适用于胶西北的金矿床,也适用于其他地区的金矿床以及多金属矿床,本研究将为成矿潜力分析、深部成矿及找矿预测等提供全新模式和方法。
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