魯西地區矽卡巖型銅金礦He-Ar同位素測定及其地質意義
——以沂南地區銅井式銅金礦為例

祝德成，田瑞聰，田京祥，于學峰，楊振毅，楊仕鵬

(1.山東省地質調查院，山東 濟南 250013；2.山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013)

0 引言

矽卡巖型礦床是一種重要的礦床類型，具有較高的經濟價值，世界上約1/4的富鐵礦和鉛鋅礦資源以及約一半的鎢礦資源都產在矽卡巖型礦床中，此外矽卡巖型礦床還產出銅、錫、鉍、鉬、金、銀、鈾、稀土以及透輝石、透閃石、石榴石、硅灰石、金云母、蛭石等多種金屬和非金屬礦產[1]。矽卡巖型銅金礦床作為重要的金礦類型之一，近年來，已成為國內外地學領域研究的熱點。按照矽卡巖類型的不同又可將金矽卡巖礦床分為還原型金矽卡巖、氧化型金矽卡巖、鎂矽卡巖型和區域變質地體中的金矽卡巖四大類[2-8]。

中國的矽卡巖型金礦(包括獨立金礦和伴生金礦)數量較多，據不完全統計，儲量超1000t，約占目前全國金保有儲量的7%，它們大多成群成帶分布[9]。魯西地區是我國矽卡巖型金礦的一個重要產地[10]，主要產在沂南的銅井、金場，臨朐鐵寨及沂源的金星頭等地，其中尤以銅井、金場2個銅金礦床規模最大，可達中型*山東省第八地質隊，山東省沂南銅井地區銅金礦成礦地質條件及找礦方向，1981年。。前人對沂南地區銅金礦研究較多，主要集中在同位素年代學、成礦流體、巖石地球化學、成礦規律等方面，取得了一些重要進展[11-20]。但成礦流體性質、成礦物質來源等問題尚不明確。在詳細野外調研的基礎上，通過開展黃鐵礦流體包裹體He-Ar同位素分析，并結合前人S，H，O，C穩定同位素研究結果，以期查明成礦物質和流體來源、成礦作用特征標志，為了解該區金礦成礦機制提供一定的理論支撐。

1 地質背景

研究區位于山東省中南部地區，沂南縣北部。大地構造位置屬魯西隆起馬牧池穹斷東緣，NNE向鄌郚-葛溝斷裂與NW向的馬家窩-銅井斷裂交會處(圖1)。

1—青山群八畝地組；2—寒武-奧陶系；3—燕山晚期二長花崗斑巖；4—燕山晚期花崗斑巖及石英斑巖；5—燕山晚期二長斑巖；6—燕山晚期正長閃長玢巖；7—燕山晚期閃長巖-閃長玢巖；8—燕山晚期輝長巖-閃長巖；9—中基性與中酸性侵入巖大致分界線；10—斷裂圖1 沂南銅井地區區域地質略圖[21]

2 樣品采集與分析方法

區內地層發育新太古界、新元古界、古生界、中生界及新生界。侵入巖以燕山晚期中、酸性小巖株為主。主要有沂南序列銅漢莊單元石英閃長玢巖、大朝陽單元中細斑二長閃長玢巖和蒼山序列鐵銅溝單元斑狀中細粒二長花崗巖、于山單元中細斑二長花崗斑巖。其中，明生巖體[22]、銅井巖體、朝陽巖體、金場巖體等出露規模較大。區內斷裂構造發育，按走向可分為NW向、NNE向、近EW向以及近SN向斷裂，其中以NNE向斷裂最為發育。斷裂帶內可見大量的糜棱巖、構造透鏡體。區內成礦巖體、礦(化)體的產狀和成礦部位受構造控制明顯，不同方向的構造交會部位控制著巖漿的侵入及巖體形態，矽卡巖型礦體主要分布在巖體的邊緣及巖枝與圍巖的接觸帶上，熱液脈型礦體產生在不同構造體系的次級裂隙中。

樣品取自沂南銅井銅金礦主成礦階段礦石礦物黃鐵礦(圖2a)。樣品經破碎、篩選后，在雙目鏡下挑選20～60目的新鮮黃鐵礦顆粒(圖2b,c)，純度99%以上。He-Ar同位素測試由中國科學院地質與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心稀有氣體分析實驗室完成。實驗儀器為英國Micromass公司生產的MM5400質譜計，分析標樣是蘭州市皋蘭山頂的空氣(AIRLZ2007)。分析結果均進行了標準校準和熱本底校正。測試的實驗條件為：發射電流It4=800μA，It40=200μA，高壓為9.000kV。檢測儀器的熱本底(1600℃)為(cm3STP)：4He=2.46×10-10，20Ne=4.08×10-10，40Ar=1.39×10-8，84Kr=3.07×10-12，132Xe=1.26×10-13。詳細的測定過程參見葉先仁等[23]。

(a)含金銅黃鐵礦化矽卡巖型礦石;(b)黃鐵礦(淺黃色)呈團塊狀、浸染狀分布50×;(c)黃鐵礦(淺黃色)顆粒中包含較小的磁鐵礦(灰色)顆粒為包含結構100×圖2 黃鐵礦樣品及雙目鏡下黃鐵礦顆粒照片

3 測定結果

He-Ar同位素測試結果見表1。

表1 銅井銅金礦黃鐵礦流體包裹體He-Ar同位素組成

由表1可知，銅井銅金礦黃鐵礦中流體包裹體的3He/4He值變化極小，為0.1129 ～0.1209 R/Ra，高于地殼3He/4He值[(0.01～0.05)R/Ra]，但低于典型地幔3He/4He值[(6～9)R/Ra]，這表明成礦流體中存在地幔He，同時有地殼He加入；4He/40Ar=1.16～3.433，平均2.2965，略高于地幔值(1.36～2.23)，但低于典型地殼值(6.4)。40Ar/36Ar=364.1～458.0，平均411.1，高于大氣值(295.5)，低于地幔值(>40000)。

4 討論

4.1 前人關于H，O，S，C同位素測定結果

前人在該地區開展過銅金礦石的H，O，S，C同位素測定；該次收集到前人的分析數據參與討論(表2、表3、表4)[24]。

表2 H，O同位素分析結果

表3 C同位素分析結果

表4 S同位素分析結果

從上述數據分析可見，銅井銅金礦石方解石δ18O值(10.55～13.75)×10-3之間，δD值(-72～-62.5)×10-3，平衡溫度99～140℃，金場銅金礦石方解石δ18O值13.20×10-3，δD值-72.6×10-3，平衡溫度102℃。黃鐵礦的δ34S值變化于(-1.73～3.5)×10-3，彌散度較小，位于0值附近，接近隕石硫范圍，表明硫主要為深源巖漿體系。碳同位素(δ13CPDB)在(-5.08～-4.54)×10-3，與“初生碳”δ13C(-5～-8)×10-3基本一致，也顯示了深源的特征。

4.2 成礦物質及成礦流體來源探討

熱液流體中惰性氣體主要有3種來源，且不同來源氣的He，Ar同位素組成及其特征比值具有顯著差別[25]：①大氣飽和水(ASW)，包括大氣降水和海水，其典型的同位素組成為：R/Ra=1，40Ar/36Ar=295.5；②地幔流體，具有3He含量高的特征，R/Ra的特征值為6～9，40Ar/36Ar值變化較大，Ar以放射性成因Ar為主，40Ar/36Ar值一般大于40000；③地殼流體，其中主要含有放射成因的He和Ar，R/Ra的特征值為0.01～0.05，而40Ar/36Ar>295.5。由表1可知，銅井銅金礦黃鐵礦中流體包裹體的3He/4He值0.1129～0.1209 R/Ra，介于地幔流體和地殼流體之間，成礦流體中有來自幔源流體組分的加入，成礦流體是殼幔流體的混合；40Ar/36Ar=364.1～458.0，高于大氣飽和水(295.5)，明顯低于地幔流體，說明流體中存在來源于地殼的放射成因Ar[25]，暗示成礦流體是殼?；煸戳黧w，并有大氣降水加入。

表2、表3中H，O，C同位素數據顯示：研究區成礦流體的H，O同位素組成相差不大；基本接近巖漿水范圍，反映成礦熱液主要為巖漿熱液。C同位素值與沉積碳酸鹽和沉積有機碳迥然不同，在巖漿碳酸巖范圍，也顯示了成礦流體的巖漿熱液成因。

S同位素一般主要有3個儲存庫：一是幔源S(δ34S=(0±3)×10-3)[26]；二是海水S，現代海水中δ34S=20×10-3；三是沉積物中還原S，主要以具有較大的負值為特征[27]。由表4中S同位素數據可知，銅井銅金礦礦石中的黃鐵礦δ34S較均一，介于-1.73×10-3～3.5×10-3之間，與幔源δ34S值接近，顯示其S源可能部分來自地幔。

4.3 成礦時代及成礦機制探討

研究表明，礦床成礦物質和流體具有幔源特征，金成礦主要與燕山晚期淺成—超淺成中酸性侵入巖有關。對該地區與成礦有關的巖體或者蝕變礦物進行過大量的同位素測年工作。雖然測試方法、測試對象、測試結果不盡相同，但給出了成巖成礦的大量信息(表5)。金場銅金礦早期矽卡巖黑云母和晚期矽卡巖黑云母的Rb-Sr等時線年齡為133±6Ma和128±2Ma[17]，它們與金場巖體的形成時間十分一致。銅井閃長玢巖中巖漿鋯石U-Pb年齡為128～129Ma[18]，礦石中的鋯石U-Pb年齡為128.6±3.6Ma[19]，綜上認為，沂南金場金銅礦成礦時間為128～121Ma[24]，與膠東地區金礦主成礦時間大致一致，其有無關聯尚需進一步研究。

表5 魯西地區與金礦有關的中生代巖體及成礦年齡

注： ①山東省第八地質隊，山東省沂南銅井地區銅金礦成礦地質條件及找礦方向，1981年。

燕山晚期巖漿在侵位過程中，巖漿期后熱液與古生代碳酸鹽巖地層發生接觸交代作用，在接觸帶及附近形成矽卡巖，巖漿期后熱液富含金銅等成礦物質,在交代形成矽卡巖和矽卡巖型鐵礦的過程中，同時形成銅金礦床,一般為共生礦床。礦床產于中生代中酸性巖漿巖與寒武紀灰巖接觸面及附近的矽卡巖中。礦床的成因類型屬矽卡巖型銅金礦。

5 結論

(1)He-Ar同位素研究表明，成礦流體中有來自幔源流體組分的加入，并且成礦過程中混入較多的大氣降水。

(2)結合前人H，O，S，C同位素研究；沂南地區矽卡巖型金礦成礦流體來源于巖漿熱液，并有大氣降水的加入，成礦物質和成礦流體來源于殼源和幔源的混合。

(3)沂南金礦是產于中生代中酸性巖漿巖與寒武紀灰巖接觸面及附近的矽卡巖型銅金礦，形成于128～121Ma。