辽东地区上京家堡子银矿床地质特征及成矿作用

辽东地区上京家堡子银矿床地质特征及成矿作用

高家宝银矿床是辽宁省地质秘书处103号的一个独立银矿。根据对青城子矿床组成和元素分布规律的充分研究，于20世纪90年代在青城子牙矿床东侧辽河群大石桥群大理岩层中发现了一条独立的银矿。1991~1995年先后完成了普查及勘探工作,证实其为大型矿床。矿床具规模大,品位高等特征。由于矿床发现较晚,相对研究程度不高,矿床类型及成因仍存在着多种不同的认识,其中辽宁地勘局103队提出该矿床系大气降水与含矿热卤水混合流体成矿的成因观点;姜瑛(1998)通过对地球化学、稳定同位素和稀土地球化学研究,提出高家堡子银矿床属火山喷流-韧性剪切-岩浆热液叠加矿床,并探讨了矿床成因,但未对热液叠加期成矿流体来源进行系统研究,仅概述性将其归结为岩浆成因热液;陈江(2001)通过对区域浊积岩建造,银、金等元素在浊积岩系中的丰度值及其分布特点研究,将其归为浊积岩型矿床;代军治等(2006)则通过对该矿床流体包裹体研究,认为成矿流体经历了早期阶段不混溶作用到晚期阶段地下水的混合过程,提出该矿床早期以岩浆热液成矿为主,晚期有大气降水参与的认识,但仅从流体包裹体角度研究,缺少充分的定量证据,不足以推断其成矿流体来源。此外,薛春纪等(2003)采用Rb-Sr和40Ar/39Ar法对高家堡子银矿床测得了一组十分集中的印支中期成矿年龄。银矿石中石英流体包裹体的Rb-Sr等时线年龄为234±14Ma;40Ar/39Ar法测得晚期硅质岩石英年龄tp=238.80±0.60Ma,等时线年龄ti=240.35±0.88Ma。在总结前人观点的基础上,作者对硅化碎裂大理岩及含银硅质型矿石石英中的碳、氢、氧稳定同位素进行研究,并结合流体包裹体岩相学及显微测温学特征,分析成矿流体性质及来源,探讨矿床成因。1成矿断裂带地质特征高家堡子银矿床位于青城子矿田东部(图1),赋存于古元古代辽河群大石桥组大理岩中;地处辽东裂谷中段,大石桥—草河口断坳与营口—宽甸断隆的衔接地带,青城子推复体滑脱面东侧,榛子沟倾没背斜的翘起端,南临大项子花岗岩,东有尖山子断裂。区域主要出露地层有下元古界辽河群于家堡子组、浪子山组、大石桥组和盖县组,上元古界震旦系钓鱼台组,中生界侏罗系小东沟组以及新生界第四系,而高家堡子矿区及其附近主要发育辽河群大石桥组三段及盖县组下部岩层。大石桥组三段分为四、五两个岩性层,三段四层下部为斜长浅粒岩、中部为白云石大理岩、上部为石榴石矽线石云母片岩,总体厚度达30m~80m;三段五层以白云石大理岩为主,上部局部夹方柱石大理岩、中下部夹薄层矽线石云母片岩,层厚20m~100m,是银矿化的主要赋矿层位。盖县组下段地层主要岩性为黑云母片岩、矽线石云母片岩、黑云变粒岩等,层厚150m~500m。区域构造十分发育,主要分布以东西向为主体的线性褶皱构造,断裂构造次之。区内主要褶皱构造为高家堡子背斜,它为区域性东西向榛子沟复背斜的次级褶皱,核部主要为盖县组地层,两翼为大石桥组地层,轴向北西,轴面产状:230°∠75°,枢纽产状320°∠14°。背斜南西翼地层产状较缓,总体走向70°~80°,倾向北西,倾角10°~15°;北东翼地层产状较陡,总体走向280°~330°,倾向北东,倾角20°~35°,局部达40°~50°。该背斜对区内银矿体的产出起着重要控制作用,是区内重要的控矿构造之一。区内断裂构造发育,依走向分为近EW、NW、NE及近NS向四组,它们形成于不同时期,按与成矿作用关系分为成矿前、成矿期及成矿后断裂。成矿前断裂:形成于成矿作用之前,规模较大,为矿区一级断裂。代表性的为尖山子断裂南起杨家岭,经矿区向北西方向延伸至白云金矿区,全长约15~20km,宽10~20m,最宽可达180m。该断裂总体走向NW330°,局部近NS,倾向NE,倾角60°~80°。断裂带内岩石发育强烈的片理化、石墨化、泥化,靠近尖山子地段发育大理岩角砾。断裂带早期韧性变形特征明显,晚期脆性破裂叠加发育,因此带内岩石片理化及小褶皱发育。微量元素分布特征表明金、银、砷元素与之关系较为密切,铅、锌、铜元素与之关系不大。化探次生晕资料表明在其边部几百m范围内,存在金的低缓异常带,说明该断裂带与银、金成矿有一定的内在联系。成矿期断裂:以近EW向为主,为区内主要控矿断裂构造,主要有如下四条:Ⅰ号含矿断裂带:位于盖县组片岩与大石桥三段五层大理岩的接触部位,延长1400m延深200~600m;其总体产状与地层近于一致,走向NE70°~80°,倾向N,倾角25°,其内产有Ⅰ号矿体。Ⅱ号含矿断裂带:发育于大石桥组三段五层大理岩与三段四层片岩之间的过渡部位,长1400m,宽2~25m,倾向延深300m,其总体产状与地层近于一致,走向70°~80°,倾向N,倾角25°。带内岩石破碎强烈,并发育石墨化、毒砂化、硅化、黄铁矿化,控制了Ⅱ号矿体产出。Ⅲ号含矿断裂带:沿大石桥组三段四层白云石大理岩与石榴石云母片岩过渡带产出,产状与地层基本一致,长1000余m,宽2~10m,延深300m,带内岩石破碎强烈,片理化、石墨化发育,控制了区内Ⅲ号矿体的产出。Ⅳ号含矿断裂带:发育于盖县组底部黑云母变粒岩中,长200m,宽2~4m,延深150m;其产状与地层基本一致,总体走向80°,倾向北,倾角20°左右,控制了Ⅳ号矿体的产出。成矿后断裂:区内NE及NW向两组断裂多切错矿体,因而主要形成于成矿以后,属成矿后断裂,对矿体起不同程度的破坏作用。矿区南部出露吕梁期大项子斜长花岗岩体,北西方向4.5km处发育印支期新岭斑状黑云母花岗岩,而在矿区内无大的岩浆侵入体出露,仅见少量脉岩,主要类型有花岗斑岩和煌斑岩脉二种,多沿着NE向和EW向的断裂构造贯入,在采场内可见煌斑岩脉穿切矿体现象。2矿床类型2.1层间断裂带内的个体矿区范围内已发现4条矿化带,共圈定出8个不同规模银矿体(图2)。矿体分布受层间破碎带构造控制,主要赋存于大石桥组三段四层、五层岩性过渡带及层间断裂带部位,其次赋存于盖县组底部黑云变粒岩中。由于矿体的形成明显受层间断裂构造、围岩性质、韧性剪切、岩浆热液叠加作用的影响,故矿体的形态、产状均比较复杂,呈似层状、透镜状或扁豆状产出。矿体控制长度150m~1300m,延深80m~300m,厚0.51m~11.63m,其总体走向70°~80°,倾向北西,倾角20°~30°,银矿石最高品位可达8700×10-6,平均品位312.43×10-6。2.2微量金属矿物及构造矿区银矿石分为硅化碎裂大理岩型和硅质岩型两类。前者矿石矿物成分复杂,主要金属矿物有黄铁矿、闪锌矿、方铅矿,次为黄铜矿、毒砂。微量金属矿物为深红银矿、硫铜银矿、硫锑铜银矿、六方锑银矿等。脉石矿物主要为方解石、石英、白云石,矿石常具交代残余结构(图3d、e)、压裂结构(图3a)、乳浊状结构(图3f)和骸晶结构(图3c)。矿石构造以块状构造、浸染状(图3b)构造为主;后者矿石矿物成分简单,主要为自然银,脉石矿物主要为石英、方解石,常见矿石构造主要有晶簇晶洞构造、角砾状构造。2.3矿物组合及矿化方式已有研究表明高家堡子银矿床主要经历了沉积变质及热液叠加两期成矿作用(代军治,2005;刘先利,2000;王可勇,2008;姜瑛,1998)。本次野外研究发现,区内银矿体主要呈似层状沿层间破碎带产出,矿化类型分为硅化碎裂大理岩型及硅质岩型,在同一矿体内两种矿化类型同时存在。空间上,矿体中心部位多为硅质岩型矿化(图4a),其内晶洞发育,晶洞内见有晶簇状石英及大量银矿物(图4b、c);向外则转变为硅化碎裂大理岩型矿化(图4d),两者之间呈渐变过渡关系,且硅化碎裂大理岩矿体被硅质岩型矿体中的硅化石英脉所穿切(图4e)。矿物组合上,硅化碎裂大理岩型矿化发育黄铁矿及少量的闪锌矿、方铅矿(图4f),局部见块状方铅矿闪锌矿化,而硅质岩型矿化主要发育银矿物,少见其它类型硫化物。由此分析,区内银矿化主要通过含矿热液交代碎裂大理岩而成,早期形成硅化碎裂大理岩,伴有多种金属硫化物沉淀,少量银矿物分散赋存于硫化物矿物中;随着热液交代作用的进一步发展,碎裂大理岩完全转化为硅质岩,伴有大量银矿物的沉淀。因此,区内热液成矿作用由早到晚分为多金属硫化物-石英及银矿物-石英两个阶段。3thmsg-400型冷两性台在对矿床地质进行系统野外研究的基础上,主要采集矿区多金属硫化物-石英阶段硅化碎裂大理岩及银矿物-石英阶段硅质岩两种典型代表性矿石,并对两类矿石石英中发育的流体包裹体进行了系统的岩相学及显微测温研究。流体包裹体测试研究工作均在吉林大学地球科学学院地质流体实验室完成,其中流体包裹体岩相学观察使用仪器为德国CarlZeissAxiolab型显微镜;流体包裹体测温工作使用仪器为英国LinkamTHMSG-600型冷热两用台,分析精度<31℃时误差为±0.1℃,>200℃时误差为±2℃多金属硫化物-石英阶段该阶段硅化碎裂大理岩型矿石石英中主要发育气液两相原生流体包裹体,包裹体大小在5μm~15μm之间,气液比为10%~15%(图5a、b、c、d),多数在10%左右。冷冻-升温过程中,测得该类包裹体冰点温度为-2.9~-5.7℃,依相应公式(Hall等,1988)计算求得相应流体盐度为4.78%~9.47%Nacl(图6c);此类包裹体以均一至液相方式为主,均一温度变化范围为180℃~260℃(图6d),投图(据Bodnar,1993)得到流体密度为0.87~0.92g/cm3(图7a)。银矿物-石英阶段该阶段硅质岩型矿石石英中主要发育气液两相原生流体包裹体,包裹体长轴长一般在8μm~15μm之间,气液比为10%~15%(图5e、f、g、h),多数在10%左右。冷冻-升温过程中,测得该类包裹体冰点温度为-1.6~-3℃,依相应公式(Hall等,1988)计算求得相应流体盐度为2.76%~4.94%Nacl(图6a);此类包裹体以均一至液相方式为主,均一温度变化范围为164.7~178.2℃(图6b),投图(据Bodnar,1993)得到流体密度为0.90~0.92g/cm3(图7b)。4流体包裹体碳同位素分析通过显微镜薄片及流体包裹体研究挑选出10件石英样品,其中GJ-7a、b,GJ-8a、b,GJ-9a、b,GJ-10a、b为多金属硫化物-石英阶段样品,GJ-6a、b为银矿物-石英阶段样品,将样品粉碎至40~60目,经筛分、清洗晒干、磁选后,在双目镜下挑选,得到纯度为99%的单矿物样品。质谱分析样品的制备过程如下:石英中氧同位素分析。将挑选的样品研磨至200目左右,放入恒温电热干燥箱在105℃下烘干,去除吸附水,在分析天平上称取5mg~10mg左右的样品,在真空条件下于500℃~680℃与纯BrF5进行恒温反应释放出O2,用冷冻法分离生成的SiF4、BrF3等杂质组分,收集纯净的O2气体,于700℃在铂催化剂的作用下与石墨恒温反应生成CO2气体,冷冻收集生成的CO2气体,进行同位素质谱测试。石英矿物流体包裹体碳同位素测试。将石英样品烘干,置于真空系统,逐步加热,抽走次生包裹体爆裂产生的气体,然后加热至600℃使包裹体爆裂,用组合冷阱分离出CH4、CO2气体,进行同位素质谱测试。石英矿物流体包裹体氢同位素测试。通过真空热爆法打开包裹体,分离获得水;将水试样在真空条件下通过加热到400℃的装有Zn粒和SiO2的反应炉,水立即分解产生H2气体,用活性炭在液氮冷冻下收集H2,进行同位素质谱测试。质谱测试均在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成,采用MAT253型质谱测试,分析精度好于0.005%。碳同位素δ13C以PDB标准报出,δD和δ18O以SMOW标准报出。分析结果见表1。多金属硫化物-石英阶段石英中δ13CV-PDB变化范围为-7.7‰~-17.7‰,δDV-SMOW主要集中在-90.2‰~-92.6‰,δ18OV-SMOW约为15‰~17.1‰,依据水岩反应公式计算相应的δ18OH2O-SMOW为2.1‰~4.9‰,在体系δ13CV-PDB-δ18OV-SMOW中投点落于海相碳酸盐岩溶解作用和沉积有机物脱羟基作用所形成的范围内;体系δDSMOW~δ18OH2O中投点落于金铜系列岩浆水附近。银矿物-石英阶段石英中δDV-SMOW约为-117‰,δ18OV-SMOW为3.3‰~3.4‰,依据水岩反应公式计算相应的为-10.2‰~-11.3‰,在体系中投点落于雨水线右侧附近。5成矿流体特征很多地质学者曾对此矿床成因机制进行过研究,但对成矿流体来源、性质及演化过程研究较少,且以往没有充足的定量证据来证明其流体来源。笔者则通过碳、氢、氧稳定同位素地球化学及流体包裹体特征为其提供出充分的解释。成矿流体作为成矿元素迁移的介质,其来源是研究矿床成因的关键。多金属硫化物-石英阶段矿石石英中主要发育有气液两相原生流体包裹体,成矿体系为中温(190℃±)、低盐度(6.5%±)体系;银矿物-石英阶段矿石石英中主要发育有气液两相原生流体包裹体,成矿体系为低温度(165℃±)、低盐度(3.5%±)体系,反应了成矿流体从中温、低盐度向低温、低盐度的持续演化过程。矿石石英中的碳、氧同位素组成是示踪成矿流体来源的有效手段(郑永飞等,2000)。成矿热液中碳主要有3方面来源:(1)地幔射气或岩浆来源,地幔射气和岩浆来源的碳同位素组成δ13CV-PDB变化范围分别为-5‰~-2‰和-9‰~-3‰(Taylor,1986);(2)沉积岩中碳酸盐岩的脱气或含盐卤水与泥质岩相互作用,这种来源的碳同位素组成具有重碳同位素的特征,δ13CV-PDB变化范围为-2‰~+3‰,海相碳酸盐δ13CV-PDB大多数稳定在0‰左右(Veizeretal,1980);(3)各种岩石中的有机碳,有机碳一般富集12C,因而碳同位素组成很低,δ13CV-PDB变化范围为-30‰~-15‰,平均为-30‰(Ohmoto,1972)。高家堡子银矿床热液叠加期多金属硫化物-石英阶段成矿流体的δ13CV-PDB为-7.7‰~-17.7‰,具多源特征;碳、氧同位素组成较为稳定,δ13CV-PDB-δ18OV-SMOW图(图8a)中碳、氧同位素投于海相碳酸盐岩溶解作用和沉积有机物脱羟基作用所形成的范围内,指示成矿流体中碳主要来自围岩和岩浆水,在一定温度下岩浆热液发生对流,与碳酸盐岩围岩和有机质发生作用,使流体中的碳具有岩浆、有机质和碳酸盐岩碳的多元性质。水是成矿流体的基本组分,形成矿床的成矿流体可能来自大气降水、海水、初生水、岩浆水、封存水(包括深成热卤水和油田水)(陈骏等,2004;韩吟文等,2003),成矿流体的氢、氧同位素组成是区分不同来源水的重要示踪剂。矿床多金属硫化物-石英阶段流体δDv-SMOW主要集中在-90.2‰~-92.6‰,根据水岩反应关系计算获得约为2.1‰~4.9‰,投影至图中(图8b),分析结果显示投影点大部分落在金铜系列岩浆水附近,说明其成矿流体以岩浆水为主,有少量大气降水混合。此外,从时代上分析,早期矿石成矿年龄为234±14Ma;晚期硅质岩石英年龄tp=238.80±0.60Ma,等时线年龄ti=240.35±0.88Ma,这与区内印支期的构造-岩浆事件时代相对应(代军治,2006),表明成矿作用与印支期岩浆活动密切相关,亦说明成矿流体主要来源于印支期岩浆热液。矿床银矿物-石英阶段流体δDV-SMOW约为-117‰,根据水岩反应关系计算相应为-10.2‰~-11.3‰。在图解中(图8b),投影至雨水线右侧,流体中氧同位素具有明显向雨水线发生漂移后的特征,即大气降水与岩石进行水-岩反应的特征,从多金属硫化物-石英阶段到银矿物-石英阶段,其流体中氧同位素变化范围较大,说明伴随成矿作用的持续,在成矿晚期混有大量的大气降水。综上所述,高家堡子银矿床热液叠加期多金属硫化物-石英阶段成矿流体来源主要以印支期岩浆水为主,伴有少量的大气降水;晚期银矿物-石英阶段大气降水逐渐占主导地位,为成矿流体的主要来源。6岩浆热液运移特征及含矿热液矿床成因分析在印支期岩浆活动中,成矿物质随着岩浆热液的析出,多以络合物的形式进入热液,形成含矿热液。由于含矿热液存在于地下较深、温度梯度小且较封闭的裂隙系统中,故引起岩浆热液沿裂隙自下而上运移,在运移过程中不断与围岩矿源层发生水-岩反应,淋滤、萃取矿源层中的银金等成矿组分,使热液中金属组分含量升高,形成成矿物质具有来自岩浆熔体与围岩双重特点的含矿热液。这在前文图解上,利用碳同位素示踪手段,充分的解释了这一过程的存在。此外,根据上文图解中早期阶段氢、氧同位素投影于岩浆水与大气降水混合位置及流体包裹体均一温度(180℃~260℃)、盐度(4.78%~9.47%)特征,说明伴随岩浆热液的运移,大气降水沿围岩的裂隙、孔隙不断渗透,在大石桥组及盖县组的层间破碎带中同岩浆热液混合,促使原有岩浆热液温度、PH值等物化条件急剧改变,造成含矿热液中络合物稳定性的破坏。由于矿物沉淀的先后顺序符合晶格