湘西字溪金礦床成礦物質(zhì)來(lái)源：來(lái)自H-O-S-Pb同位素的約束

黃寬心，汪 程

(1. 湖南省城市地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測(cè)所，湖南 長(zhǎng)沙 410014； 2. 中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410006)

0 前 言

字溪礦床是在雪峰山弧形構(gòu)造帶中新近發(fā)現(xiàn)的一個(gè)中型金礦床，已經(jīng)探明的金儲(chǔ)量約為2.2 t，金的品位為0.51～146.9 g/t(平均值為3.14 g/t)。但是關(guān)于金成礦的物質(zhì)來(lái)源依舊存在爭(zhēng)議，這將制約對(duì)礦床成因類型的厘定，并嚴(yán)重制約下一步找礦工作的開(kāi)展。基于此，本文通過(guò)不同階段含金脈體的H-O同位素的研究，以及對(duì)載金硫化物S和Pb同位素組成的分析，探討成礦的物質(zhì)來(lái)源。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

礦區(qū)地處揚(yáng)子地臺(tái)與華南褶皺系過(guò)渡地帶——雪峰弧頂，也是雪峰弧形構(gòu)造帶與郴州—邵陽(yáng)北西向構(gòu)造帶及白馬山—龍山東西向構(gòu)造帶交會(huì)處，是雪峰金礦田的重要礦床[1-2]。其西邊的溆浦—靖州斷裂及東邊的安化—通道斷裂長(zhǎng)期活動(dòng)，對(duì)雪峰山地區(qū)的地史發(fā)展演化和金、銻礦的形成和分布起著重要控制作用(見(jiàn)圖1)。

1.a為華南地區(qū)揚(yáng)子板塊與華夏板塊構(gòu)造關(guān)系及揚(yáng)子板塊東南緣中生代巖體分布示意；2.b為華南地區(qū)江南造山帶礦床、花崗巖、元古代地層、構(gòu)造分布示意；3.b中方框?yàn)檠芯繀^(qū)的位置

2 礦床地質(zhì)特征

礦區(qū)出露新元古界芙蓉溪群(又稱板溪群)的架枧田組和磚墻灣組以及第四系地層(見(jiàn)圖2)。架枧田組地層巖石具千枚狀構(gòu)造、板狀構(gòu)造，剪切變形強(qiáng)烈、板劈理、片理極為發(fā)育，與區(qū)域構(gòu)造產(chǎn)狀相近。架枧田組在礦區(qū)出露的地層主要為灰色厚層塊狀細(xì)粒、細(xì)中粒長(zhǎng)石石英砂巖、長(zhǎng)石石英雜砂巖夾粉砂質(zhì)板巖，局部夾薄層含炭泥質(zhì)粉砂質(zhì)板巖，粉砂質(zhì)板巖中發(fā)育砂泥質(zhì)薄層理、脈狀層理及水平紋層理。磚墻灣組在礦區(qū)出露地層主要為灰綠色條帶狀含粉砂質(zhì)絹云母板巖夾泥質(zhì)板巖，層理發(fā)育。第四系地層主要為黏土、亞黏土和巖石風(fēng)化碎塊。

礦區(qū)斷裂構(gòu)造主要為北東向的近于平行的F1、F2、F3及F4斷裂(見(jiàn)圖2)，其中F1斷層為本區(qū)主要的控巖控礦構(gòu)造。F1斷層由近于平行的斷裂帶組成，破碎帶寬115～310 m，傾向南東，傾角為47°～75°。斷層破碎帶發(fā)育斷層泥和斷層角礫巖。斷層破碎帶內(nèi)發(fā)育多期石英脈，毒砂化、黃鐵礦化較

圖2 字溪礦區(qū)地質(zhì)

發(fā)育，金礦化與毒砂化、黃鐵礦化關(guān)系密切，金礦化較連續(xù)。上、下盤圍巖中板劈理、次級(jí)牽引褶皺、揉皺等小構(gòu)造發(fā)育[3-5]。F2、F3及F4斷層發(fā)育于芙蓉溪(板溪群)淺變質(zhì)樣巖層中，盡管該系列斷層中發(fā)育多期石英脈，但是未見(jiàn)明顯的金屬硫化物和金礦化。該系列斷層均呈北東向分布，傾向南東，傾角為38°～68°。相比于F1斷層，其出露寬度較小，為5～25 m。斷層帶中以斷層泥、斷層角礫巖及陡傾角粉砂質(zhì)板巖組成。褶皺構(gòu)造：字溪金礦區(qū)內(nèi)的褶皺構(gòu)造主要為單斜構(gòu)造，地層傾向南東(100°～140°)，傾角40°～65°，在礦區(qū)西北部，受斷層F3的影響，地層局部?jī)A向西北(290°～330°)，發(fā)育小褶曲。

本區(qū)巖漿活動(dòng)主要表現(xiàn)為基性侵入巖，呈巖脈或巖墻產(chǎn)出。基性巖脈呈北東向帶狀分布，傾向南東，傾角63°～84°。基性巖脈與圍巖呈斷層接觸，賦存在F1斷層破碎帶內(nèi)，出露長(zhǎng)度約1 650 m，寬53～124 m。基性巖的巖性為輝綠巖，呈淺灰褐色，細(xì)-中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦物成分主要為斜長(zhǎng)石和輝石。斷層發(fā)育的部位，巖石蝕變較強(qiáng)烈，主要為硅化、碳酸鹽化、絹云母白云石化、蛇紋石化、高嶺土化、綠泥石化。

本區(qū)含金-碳酸鹽-石英脈組成的金礦體在空間上分為Ⅰ-1和Ⅰ-2兩條礦體(見(jiàn)圖3)。Ⅰ-1賦存在蝕變輝綠巖脈的中部，呈北東向分布，與巖脈走向基本一致。礦體呈板狀及脈狀產(chǎn)出(115°～140°∠45°～85°),厚度0.85～7.03 m，礦體平均厚度2.28 m。Au品位0.50～146.9 g/t，礦體平均品位2.69 g/t。Ⅰ-2礦體主要賦存于蝕變輝綠巖脈的下部，呈板狀及脈狀產(chǎn)出，在走向上Ⅰ-1礦體一致。相比于Ⅰ-1礦體，Ⅰ-2礦體的傾角更陡(115°～140°∠63°～85°),礦體的厚度(1.50～2.57 m，平均為2.03 m)和金的品位(1.81～3.98 g/t，平均為3.19 g/t)變化較小。金礦體在走向上主要富集于11～19線，19線往南礦化逐呈漸減弱趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)，11線以北礦化不均勻分布。在15線達(dá)到最高146.9 g/t，厚度0.90 m。厚度在走向上也以19線為分界線，以北厚度較厚，以南厚度較薄。礦體在傾向上主要富集于標(biāo)高150～250 m，標(biāo)高較高或較低礦體品位都較低；而標(biāo)高越高礦體相對(duì)越厚，標(biāo)高越低礦體相對(duì)越薄(見(jiàn)圖3)。礦體傾角呈上陡下緩，礦體傾角地表在85°，100 m標(biāo)高左右礦體傾角在45°。

圖3 字溪礦床典型金礦體剖面(a)、礦石厚度和品位在走向(b)和垂向上的分布圖(c)

字溪礦床的礦石類型主要為蝕變巖型和脈型金礦石，脈型金礦石可細(xì)分為石英-硫化物-自然金礦石和石英-碳酸鹽-硫化物-自然金礦石。本區(qū)礦石構(gòu)造主要可分為浸染狀構(gòu)造及細(xì)脈狀構(gòu)造：①浸染狀構(gòu)造為礦區(qū)的較典型礦石構(gòu)造，分布范圍廣，以黃鐵礦為主的金屬硫化物，呈浸染狀散布于蝕變巖體中(見(jiàn)圖4)；②脈狀構(gòu)造為礦石中散布有多種類型的多金屬硫化物-石英細(xì)脈，在局部地段構(gòu)成網(wǎng)脈[6-8]。石英脈體的脈壁較平直，多以剪型脈為主，脈體形態(tài)和寬度嚴(yán)格受裂隙的形態(tài)控制，該類型構(gòu)造與本區(qū)金礦化的關(guān)系極其密切。礦石中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有自形-半自形粒狀結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu)、包含結(jié)構(gòu)、共結(jié)邊結(jié)構(gòu)以及填隙結(jié)構(gòu)。金屬礦物以自然金、黃鐵礦和毒砂為主，局部見(jiàn)方鉛礦、閃鋅礦、黃銅礦、車輪礦。“可見(jiàn)”金主要呈粒間金產(chǎn)出，“不可見(jiàn)”金不僅以獨(dú)立的金礦物存在，部分的Au可能還以“固溶體”的形式賦存于載金硫化物的晶格中。非金屬礦物以石英和碳酸鹽類礦物為主，其次為絹云母和綠泥石。圍巖蝕變主要有硅化、絹云母化、碳酸鹽化、綠泥石化以及黃鐵礦化，其中硅化、絹云母化、碳酸鹽化以及黃鐵礦化和成礦的關(guān)系最為密切。

1.a為毒砂-黃鐵礦-碳酸鹽-石英脈的手標(biāo)本照片；2.b為黃鐵礦-綠泥石-碳酸鹽-石英脈的手標(biāo)本照片；3.c為含有浸染黃鐵礦的變輝長(zhǎng)輝綠巖的手標(biāo)本照片；4.d為含浸染狀毒砂和閃鋅礦的變輝長(zhǎng)輝綠巖照片(正交偏光)；5.e為黃鐵礦周圍存在絹云母的壓力影，黃鐵礦中也含有絹云母，說(shuō)明變形事件和黃鐵礦的形成幾乎是同時(shí)期的；6.f為黃鐵礦周圍存在石英的壓力影；7.g為毒砂-黃鐵礦-石英脈(反射光)中的黃鐵礦交代自形的毒砂；8.h為自形-半自形的黃鐵礦(反射光)；9.i為晚期碎裂黃鐵礦沿早期黃鐵礦的裂縫中填充(反射光)；10.j為毒砂-黃鐵礦-碳酸鹽-石英脈中毒砂、自然金、方鉛礦和黃銅礦共生(反射光)；11.k為方鉛礦交代半自形毒砂；12.l為閃鋅礦交代黃鐵礦；13.Chl為綠泥石；14.Qtz為石英；15.Ser為絹云母；16.Cal為方解石；17.Pl為斜長(zhǎng)石；18.Bi為黑云母；19.Py為黃鐵礦；20.Asp為毒砂；21.Sp為閃鋅礦；22.Gn為方鉛礦；23.Ccp為黃銅礦；24.Au為自然金

依據(jù)野外各含礦脈體的穿插關(guān)系以及室內(nèi)各脈體的礦物組合研究，將成礦劃分為一期(熱液期)和三階段：毒砂-黃鐵礦-自然金-石英階段(第一階段)；毒砂-黃鐵礦-自然金-碳酸鹽-石英階段(第二階段)；碳酸鹽-石英階段(第三階段)。毒砂-黃鐵礦-自然金-石英階段(第一階段)，該階段脈體的脈壁較為平直，脈兩側(cè)可見(jiàn)“褪色化”蝕變(主要為絹云母化)。該階段為熱液成礦期的早階段，其中金屬礦物主要以黃鐵礦和毒砂為主，在黃鐵礦的顆粒間可見(jiàn)有金的獨(dú)立礦物，非金屬礦物主要為石英。多金屬-自然金-綠泥石-碳酸鹽-石英階段(第二階段)，該階段脈體的兩側(cè)也可見(jiàn)“褪色化”蝕變(主要為絹云母化)。該階段為熱液成礦期的中階段，其中金屬礦物主要以黃鐵礦和毒砂為主，亦可見(jiàn)金的獨(dú)立礦物、黃銅礦、方鉛礦以及少量的車輪礦。非金屬礦物為石英、方解石和綠泥石[9-11]。碳酸鹽-石英階段(第三階段)，該階段脈體中少見(jiàn)金屬礦物，局部可見(jiàn)星點(diǎn)狀的黃鐵礦，非金屬礦物為石英和碳酸鹽類礦物。本階段為熱液成礦期的晚階段，是本區(qū)金成礦的尾聲。

3 樣品采集及測(cè)試

用于氫氧同位素測(cè)試的樣品采集與金成礦的3個(gè)階段石英脈體。氫、氧同位素分析，采用真空熱爆裂法和鋅還原法提取氫，在真空條件下于500～680 ℃，使用BrF5法從石英中收集純凈的O2，并制成CO2。氫、氧同位素組成測(cè)試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心MAT253質(zhì)譜儀測(cè)定，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 字溪金礦床中各階段石英的氫氧同位素組成

選取字溪礦床載金硫化物礦石樣6件。取硫化物(閃鋅礦、黃銅礦、磁黃鐵礦、黃鐵礦等礦物)粉末樣品，稱取適量放入錫舟中，采用Costech ECS 4010元素分析儀配套Finnigan MAT253穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀測(cè)定樣品中的34S/32S比值，數(shù)據(jù)經(jīng)V-CDT國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(美國(guó)代阿布洛大峽谷鐵隕石中的隕硫鐵)標(biāo)準(zhǔn)化(由系統(tǒng)軟件完成)，得到δ34S數(shù)據(jù)，單位以10-3表示，方法精密度優(yōu)于0.2×10-3，測(cè)試單位：核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測(cè)試研究中心。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 字溪金礦床S同位素組成特征值

4 討 論

字溪金礦床中石英及與石英氧同位素平衡的成礦流體的氧同位素組成分別為14.1×10-3～16.9×10-3和3.5×10-3～9.1×10-3(見(jiàn)表1)，這與典型的脈狀金礦床(即造山型金礦床)的氧同位素組成相似(δ18OQtz=10×10-3～18×10-3;δ18OH2O=4×10-3～15×10-3)。此外，石英脈體中氫同位素的組成為-55.5×10-3～-68.1×10-3(見(jiàn)表1)，也與典型的脈狀金礦床的氫同位素組成相似。

在δD-δ18圖解中(見(jiàn)圖5)，第一階段樣品點(diǎn)落入變質(zhì)水和太古代脈狀金礦床熱液流體的范圍內(nèi)，表明本期早階段成礦流體可能起源于變質(zhì)地層。相比之下，第二階段樣品點(diǎn)落入變質(zhì)水和巖漿水的重疊的區(qū)域內(nèi)，表明該階段成礦流體可能起源于變質(zhì)流體或者巖漿流體。盡管巖漿起源的流體不能通過(guò)氫氧同位素組成準(zhǔn)確區(qū)分，但是本區(qū)低鹽度，富CO2的流體與綠片巖相向角閃巖相轉(zhuǎn)換過(guò)程中，綠泥石分解產(chǎn)生的富CO2的氣水溶液組成相似。

圖5 字溪礦床δD-δ18

Ohmoto(1972)研究指出[12]，熱液礦物的硫同位素組成是總硫同位素組成、fO2、溫度、pH、離子強(qiáng)度的函數(shù)，即δ34S礦物=f(δ34S∑S、fO2、T、pH、I)，熱液礦物δ34S不僅取決于源區(qū)物質(zhì)δ34S值，也取決于含硫物質(zhì)在熱液中的遷移和礦物沉淀時(shí)的物理化學(xué)條件。Ohmoto和Rye(1979)認(rèn)為如果熱液體系中不存在硫酸鹽類礦物[13]，同時(shí)礦物組合比較簡(jiǎn)單時(shí)，硫化物的δ34S值可大致代表熱液的硫同位素組成，即δ34S∑S≈δ34S硫化物。通過(guò)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查以及詳細(xì)的鏡下觀察，字溪礦床中主要金屬硫化物為毒砂和黃鐵礦，以及少量的黃銅礦、方鉛礦和閃鋅礦。本區(qū)礦物組合比較簡(jiǎn)單，缺乏硫酸鹽礦物表明載金硫化物的硫同位素組成與熱液的硫同位素組成相似。

此次研究測(cè)得的本礦床S同位素組成為-5.8×10-3～-3.6×10-3(平均值為-4.7×10-3)，與火成巖的硫同位素組成(+1×10-3～+3×10-3)，地幔的硫同位素組成(0×10-3±3×10-3)以及地殼的硫同位素組成(平均值=+7×10-3)不同。不僅如此，字溪礦床中載金硫化物的硫同位素組成與冷家溪群的地層的硫同位素組成也存在較大的差異。相比之下，本次試驗(yàn)樣品與板溪群冷家溪群地層硫同位素組成部分重疊，這可能與成礦流體和圍巖發(fā)生水巖反應(yīng)并萃取地層中的硫有關(guān)。字溪礦床載金硫化物硫同位分布見(jiàn)圖6。

圖6 字溪礦床載金硫化物硫同位分布

字溪礦床的黃鐵礦單階段模式年齡為616～1 019 Ma，與變輝長(zhǎng)輝綠巖脈(783 Ma)的年齡不一致，表明成礦流體系統(tǒng)中存在由于U和Th的衰變或者和不同流體混入的放射性成因鉛。在圖7(b)中，樣品點(diǎn)投影于造山帶演化線的附近并且呈現(xiàn)出線性分布。假設(shè)該線性分布為第二階段等時(shí)線年齡，我們計(jì)算得到的第二階段等時(shí)線年齡為6 528 Ma，并不具有實(shí)際的地質(zhì)意義。因此，樣品點(diǎn)呈現(xiàn)出的線性關(guān)系應(yīng)該表示混合線。因此，我們推測(cè)字溪成礦流體系統(tǒng)是一個(gè)含外部鉛混合物的開(kāi)放系統(tǒng)，這與成礦流體與較深、較高變質(zhì)源混合的假設(shè)是一致的。在圖7中，樣品點(diǎn)落入馬底驛組的范圍內(nèi)，和五強(qiáng)溪組、冷家溪群地層的Pb同位素分布存在較大的差異，表明成礦體系中部分的Pb可能是與成礦流體和馬底驛地層之間的水巖反應(yīng)并萃取地層中的Pb。此外，流體中額外的具有放射性成因的Pb可能是來(lái)源于更深的變質(zhì)級(jí)別更高的源區(qū)。

圖7 字溪礦床載金硫化物鉛同位分布

5 成礦物質(zhì)來(lái)源的探討

在造山和變質(zhì)過(guò)程中，碳質(zhì)綠片巖相巖石的脫水反應(yīng)(特別是變鎂鐵質(zhì)巖)是含金流體的重要來(lái)源。這一假設(shè)與大多數(shù)金礦床賦存于綠片巖相-角閃巖相附近或低角閃巖相變質(zhì)地層的地質(zhì)事實(shí)一致。白云母的脫水反應(yīng)發(fā)生在高壓和低溫下，因此只發(fā)生在地溫梯度極高的造山帶中(>50 ℃/km)。板溪群馬底驛組地層中可見(jiàn)綠泥石+白云母+鈉長(zhǎng)石+石英等礦物組合，在變輝長(zhǎng)輝綠巖中也可以發(fā)現(xiàn)綠簾石+綠泥石+鈉長(zhǎng)石+石英礦物組合，這表明變質(zhì)地層和變輝長(zhǎng)輝綠巖均經(jīng)歷了低綠色片巖相變質(zhì)。此外，用于指示綠簾-角閃巖相的變質(zhì)礦物組成(石榴子石+黑云母+白云母+石英)未在馬底驛組地層以及變輝長(zhǎng)輝綠巖脈中發(fā)現(xiàn)，這表明二者未經(jīng)歷過(guò)高綠片巖相變質(zhì)。此外，許多研究學(xué)者也認(rèn)為在雪峰山構(gòu)造帶中的中、元古代晚期至新元古代早期的地層經(jīng)歷過(guò)綠片巖相變質(zhì)。因此，變輝長(zhǎng)輝綠巖和板溪群以及冷家溪群變質(zhì)地層不可能是一個(gè)有效的流體來(lái)源的提供體。與綠泥石變質(zhì)脫水并產(chǎn)生含硫成礦流體需要一個(gè)更深、更高的變質(zhì)源。

6 結(jié) 論

H-O-S-Pb同位素組成指示成礦物質(zhì)來(lái)源于變質(zhì)地層，但是確切來(lái)源尚存爭(zhēng)議。字溪金成礦的成礦物質(zhì)源區(qū)應(yīng)該為較賦礦圍巖更深的、變質(zhì)相級(jí)別更高的變質(zhì)地層。