遼寧清原開封溝金礦床成礦流體特征及成礦壓力估算

遼寧清原開封溝金礦床成礦流體特征及成礦壓力估算

0封溝金礦礦床特點遼寧省清原地區(qū)是中國著名的太谷花崗-呂巖地層帶，也是中國重要的采金區(qū)。世界上大多數(shù)熱脈金礦床都存在于太古代變質(zhì)地形中，但與世界其他地區(qū)不同，太古代領導人缺乏脈金礦床。其脈金主要形成中生代，大部分分布在中國北方克拉通上的各種金礦床。中國的金礦床具有“老新未出”的特點。所謂“老”是指金礦床主要分布在古代冷武紀地層的前寒武紀末期?！靶隆笔侵副然赘淼牡V床形成時間，而不是開采前礦為主的開溝金礦床。這類金礦床的代表是。通過對該地區(qū)金礦床的形態(tài)特征和成因的研究，對提高該地區(qū)熱液脈金礦床的了解非常有用。1地質(zhì)背景1.1成礦地質(zhì)背景開封溝金礦位于華北克拉通北緣,遼東臺背斜鐵嶺-靖宇古隆起西部,該古隆起即為清原花崗綠巖地體.由于區(qū)域內(nèi)變質(zhì)作用、混合巖化作用強度大,延續(xù)時間長,太古宙綠巖帶被花崗巖類巖體切割成多個綠巖體.渾河斷裂呈北東東向穿過研究區(qū),將花崗綠巖地體分成了渾南和渾北兩大部分(圖1),斷裂兩側(cè)廣泛分布有角閃巖相與麻粒巖相太古宙變質(zhì)雜巖,統(tǒng)稱為清原群.開封溝金礦位于渾河深大斷裂的南側(cè).礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為太古宇清原群紅透山組地層,巖性主要為黑云斜長片麻巖、角閃斜長片麻巖及混合花崗巖.區(qū)域構(gòu)造主要表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造,渾河斷裂為本區(qū)內(nèi)的一級斷裂,其為郯廬斷裂在遼寧省的東部分支.斷裂總體走向北東,傾向北西,局部傾向南東,傾角40~60°.斷裂帶寬1~5km,帶內(nèi)見有50m寬的擠壓破碎帶,見有紫色、灰白色斷層泥,斷層泥兩側(cè)巖石強烈破碎,并發(fā)育角礫及擠壓片理.礦區(qū)以單斜構(gòu)造為主,巖層總走向北東,傾向北西,局部呈復式褶曲.礦區(qū)內(nèi)巖漿活動強烈,主要為燕山期侵入體,脈巖類型主要有花崗斑巖、中細粒花崗閃長巖和安山玢巖,其中花崗斑巖體與成礦作用關系最為密切,是本文研究對象之一.巖石具斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要為石英和堿性長石,基質(zhì)為隱晶質(zhì),塊狀構(gòu)造.1.2礦床成礦階段礦區(qū)主礦體走向北東,傾向北西,傾角50°左右.礦體受北東向擠壓性構(gòu)造控制,脈寬0.3~0.6m,產(chǎn)狀與含礦斷裂產(chǎn)狀基本一致.礦體圍巖蝕變類型主要有硅化、絹云母化、黃鐵絹英巖化、綠泥石化和碳酸鹽化.礦石礦物以黃鐵礦為主,次為黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦及微量的銀金礦.脈石礦物主要為石英,其次為絹云母、白云母、綠泥石及碳酸鹽礦物.礦石結(jié)構(gòu)以半自形粒狀結(jié)構(gòu)為主,其次為碎裂結(jié)構(gòu).礦石構(gòu)造主要為細粒浸染狀構(gòu)造,其次為角礫狀構(gòu)造.根據(jù)礦石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物共生組合以及相互穿插的關系(圖2),可將該區(qū)金礦成礦劃分為4個階段.I)黃鐵礦-石英階段:以硅化為主,晚期出現(xiàn)黃鐵礦化,由于石英脈的侵入,成礦作用開始.II)石英-黃鐵礦階段:以硅化、絹云母化和黃鐵礦化為主.該階段形成粒狀石英和顆粒較大的黃鐵礦,但含金量低.III)石英-多金屬硫化物階段:主要有硅化和綠泥石化.早期形成的礦物遭到后期構(gòu)造的破壞,發(fā)生碎裂(如黃鐵礦破裂現(xiàn)象發(fā)育).同時形成細粒黃鐵礦、閃鋅礦、黃銅礦、銀金礦、自然金等.該階段為金礦物的主要形成階段.Ⅳ)石英-碳酸鹽階段:礦化基本結(jié)束,形成方解石等碳酸鹽礦物,常呈脈狀.2液體包體巖石的相研究和微溫度2.1流體包裹體溫度測定在對礦床進行詳細野外調(diào)研的基礎上,采集了開封溝井下坑道中不同成礦階段的含礦和不含礦石英脈樣品.將以上樣品磨制成厚度大約為0.2mm雙面剖光的薄片,然后選擇具有代表性的原生包裹體進行顯微熱力學研究和激光拉曼光譜分析.根據(jù)包裹體室溫下的相態(tài)以及組成成分,將其分為3種類型.Ⅰ型包裹體,室溫下由水溶液以及氣泡兩相構(gòu)成,包裹體氣液比介于10%~30%,大小介于4~10μm(圖3),測定其冰點溫度Tm和完全均一溫度Th.該類包裹體主要在Ⅲ階段及Ⅳ階段發(fā)育,Ⅱ階段部分發(fā)育.Ⅱ型為含CO2三相包裹體,由液相水溶液、液相CO2和氣相CO2組成.CO2占包裹體總體積的20%~80%,包裹體大小介于3~10μm(圖3),測定其固相CO2融化溫度Tm(CO2)、CO2籠合物熔化溫度Tm(cla)、CO2相部分均一溫度Th(CO2)以及包裹體完全均一溫度Th.該類包裹體多存在于Ⅰ、Ⅱ階段石英中,孤立產(chǎn)出或與氣液兩相包裹體共存.Ⅲ型為純CO2包裹體,全由CO2組成.氣相CO2占CO2相整體體積的10%~20%,包裹體大小介于3~10μm之間(圖4).測定固相CO2熔化溫度Tm(CO2)及CO2相部分均一溫度Th(CO2).該類包裹體多產(chǎn)于Ⅰ、Ⅱ階段.2.2流體包裹體及鹽度顯微測溫結(jié)果(表1)表明,不同類型包裹體的溫度范圍差異明顯,含CO2三相包裹體均一溫度最高可達380℃左右,氣液兩相包裹體均一溫度介于110~286℃,反映了不同類型的包裹體是在不同成礦階段捕獲的特征(圖4).利用經(jīng)驗公式計算出開封溝金礦鹽度范圍為0.35%~19.55%(NaCl質(zhì)量分數(shù))(圖5),表明開封溝金礦的成礦流體鹽度較低.根據(jù)均一溫度和鹽度,應用經(jīng)驗公式求出流體的密度介于0.59~1.04g/cm3,平均0.77g/cm3.(圖6).綜上所述,開封溝金礦的流體包裹體顯示了該礦床中溫、低密度、低鹽度的特點.2.3流體壓力和成礦深度通過流體包裹體研究發(fā)現(xiàn),成礦早、中階段富CO2包裹體和氣液兩相包裹體共生,因此認為這2種不同包裹體應為相同物理條件下被捕獲,并出現(xiàn)H2O和CO2不混溶.選取12組氣液比較小的Ⅰ型包裹體與Ⅲ型包裹體,利用Brown等的H2O-CO2-NaCl體系P-T相圖等容線相交法得到其捕獲時的流體壓力,約為64~91MPa(圖7).對于氣液兩相包裹體,根據(jù)包裹體的均一溫度以及流體鹽度,利用邵潔漣計算流體壓力的經(jīng)驗公式,計算得出中、晚階段Ⅰ型包裹體的流體壓力介于26~77MPa.對于斷裂控礦的脈狀熱液礦床而言,成礦深度的確定有助于解釋礦床成因,故成礦深度的確認一直廣泛受到礦床學者的關注.孫豐月將Sibson的斷裂帶流體壓力和深度之間的垂直分帶規(guī)律引入到脈狀熱液金礦床成礦深度的計算中,據(jù)此得出開封溝金礦床成礦早階段深度為6.5~7.9km,成礦晚階段深度為2.6~7.1km,即該礦床屬于中等深度的礦床,并且反映了在成礦過程中地殼在不斷地抬升.2.4成礦流體18o-d為研究成礦流體來源,對礦石中的石英進行了氫氧同位素分析,5件樣品的石英流體包裹體δD為-69.3‰~-75.6‰,δ18O為8.4‰~14.6‰.在開封溝金礦床成礦流體δ18O-δD分布圖(圖8)中,有4個樣品落在地幔初生水區(qū),一個落在大氣降水線的右側(cè),由地幔初生水向大氣水漂移.因此,認為礦床成礦流體主要以地幔初生水為主,并有部分大氣降水混入.3花崗巖角巖u-pb年齡3.1侵入體巖性特征本次研究選擇與成礦密切相關的侵入體開展詳細的鏡下觀察.研究表明,侵入體巖性為花崗斑巖,具有塊狀構(gòu)造,斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要為石英和堿性長石,也可見少量的黑云母,斑晶粒徑為0.2~2mm,斑晶含量約20%.基質(zhì)為隱晶質(zhì),呈顯微花崗結(jié)構(gòu),并伴有絹云母化.3.2鋯石u-pb年齡開封溝花崗斑巖中分離出的鋯石多為短柱狀,晶形完好,顆粒大小不均,多數(shù)在80~150μm之間,陰極發(fā)光均具有清晰的生長環(huán)帶和韻律結(jié)構(gòu)(圖9).鋯石Th和U的含量變化范圍較大,分別為362×10-6~3021×10-6和408×10-6~3118×10-6.Th/U比介于0.59~1.07,多數(shù)大于0.4,顯示巖漿鋯石特征.選擇環(huán)帶結(jié)構(gòu)清晰的7個代表性顆粒進行鋯石U-Pb年齡測定,結(jié)果列于表2.7個分析點的206Pb/238U年齡值在197~201Ma之間,對這7個年齡數(shù)據(jù)點進行206Pb/238U加權(quán)平均年齡計算,其加權(quán)平均值為200.1±1.5Ma(MSWD=0.52)(圖10),與諧和年齡200.2±0.84Ma基本一致,應代表了巖體結(jié)晶年齡.4討論4.1成礦流體系統(tǒng)開封溝金礦床成礦流體δ18O-δD分布圖(圖8)顯示開封溝金礦的成礦流體來源于地幔,而激光拉曼光譜實驗結(jié)果也清晰地表明金礦石成礦流體為CO2-H2O體系,故認為成礦熱液為幔源C-H-O流體經(jīng)分異之后的巖漿熱液.孫豐月等的研究認為地幔流體是可以參與地殼中的成礦作用的,即幔源C-H-O流體在發(fā)生分異作用后可形成更富含硅堿質(zhì)的C-H-O流體.這種流體交代重熔地殼,引發(fā)地殼中的長英質(zhì)巖漿活動,一部分上升定位形成花崗質(zhì)侵入體,即前文所研究的本區(qū)花崗斑巖侵入體;另一部分經(jīng)過巖漿分異成為巖漿熱液或與大氣水相混合形成混合熱液,而且幔源C-H-O流體在改造地殼物質(zhì)形成中酸性巖漿巖過程中,可使地殼中原有的金屬元素發(fā)生活化轉(zhuǎn)移且在合適的層位及構(gòu)造區(qū)成礦.流體包裹體測溫結(jié)果顯示I型包裹體的均一溫度多數(shù)低于II型,但二者連續(xù)變化,鹽度及密度大于II型包裹體.這種現(xiàn)象在加拿大Sigma、StarLake等同類金礦中也普遍存在,Robert等都認為,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是壓力波動導致連續(xù)多次不混溶作用.由于CO2和H2O分子的物理性質(zhì)差別很大,CO2在H2O中的溶解度很低,兩者為有限混溶體系,因此在自然界中CO2和H2O常以不混溶的分離狀態(tài)出現(xiàn),兩者的混溶程度隨體系所處的溫度、組分濃度和壓力不同而變化.前人指出,造山型金礦的成礦流體在從早到晚的演化過程中,流體包裹體的捕獲溫度和壓力降低,從超靜巖壓力系統(tǒng)變化到靜水壓力系統(tǒng),而流體成分由富CO2演變?yōu)樗芤?結(jié)合該礦區(qū)礦石礦物組合、組構(gòu)特點和礦化石英的產(chǎn)出關系及流體包裹體顯微測溫和激光拉曼光譜成分分析結(jié)果,認為成礦流體演化大致經(jīng)歷了以下過程:在成礦的早中階段,流體成分為NaCl-H2O-CO2體系,接近巖漿熱液性質(zhì),當其從微裂隙中遷移至含礦構(gòu)造時,隨著空間大小的突變,流體的壓力迅速降低,使原來組分相對均一的混合流體發(fā)生不混溶(沸騰),局部分離出富CO2流體和富H2O的流體.CO2的大量逸出導致殘留液相的鹽度增高,氣體迅速逸出,破壞了原來的平衡,使得熱液中以絡合物形式遷移的Au元素析出,并沉淀富集.成礦過程中隨著溫度、壓力的降低,流體不混溶程度加大,直至分離出更多的CO2.晚階段隨著大氣降水的不斷加入,流體逐漸被冷卻,整體上鹽度逐漸下降.4.2成礦地球動力學背景花崗斑巖鋯石U-Pb年齡顯示巖體于燕山早期侵位.在構(gòu)造力學環(huán)境方面,燕山早中期表現(xiàn)為擠壓作用,晚期表現(xiàn)為拉張作用,在這方面大多數(shù)學者取得了一致認識.在全球構(gòu)造影響下,華北克拉通周邊中生代構(gòu)造演化經(jīng)歷了大致相同的從匯聚到陸內(nèi)伸展的過程,并劃分為碰撞造山和陸內(nèi)伸展兩個階段.因此,與華北克拉通內(nèi)膠東成礦帶處于擠壓-伸展轉(zhuǎn)變期的成礦地球動力學背景略有不同的是,位于華北克拉通北緣的開封溝金礦的成礦地球動力學背景是中生代碰撞造山作用的擠壓期.開封溝金礦成礦流體總體上屬NaCl-H2O-CO2體系,其圍巖蝕變主要為硅化、絹云母化、黃鐵絹英巖化、綠泥石化和碳酸鹽化.該區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,為成礦物質(zhì)運送到地殼淺部提供了通道.結(jié)合礦區(qū)大的地球動力學背景以及該區(qū)流體中溫、低鹽度、低密度等特征,而礦體又嚴格受到渾河斷裂北東向次級斷裂的控制,認為在燕山早期巖漿侵位進入到太古宙綠巖體中,熱液萃取并活化花崗巖-綠巖地體中的金,而后在合適的部位結(jié)晶形成今天的開封溝金礦床.總體而言,基本符合造山型礦床特征.5成礦流體特征(1)開封溝金礦為斷裂構(gòu)造控制的脈狀金礦床,其含金石英脈中的流體包裹體有氣液兩相、含CO2三相和純CO2三類包裹體,包裹體氣相成分以CO2為特征.成礦流體鹽度為0.35%~19.55%,平均為6.59%,總體屬于低鹽度流體.礦床均一溫