归来庄金矿是鲁西地区最大的金矿床,与其同为一个矿化系统的还有大小近十个矿点,包括磨坊沟和梨方沟微细粒浸染型金矿点、十字庄斑岩型矿化点、银洞沟斑岩矿化点、卓家庄隐爆角砾岩型金矿点以及西皋矽卡岩型Fe-Au矿化点,这些矿床(点)在空间上均分布在铜石碱性杂岩体内或周边。研究表明,矿化与碱性杂岩体存在成因上的联系,因此这些矿床(点)属于典型的与碱性岩有关金矿床。本文以归来庄金矿为重点对这一类型金矿成矿过程进行了研究。
归来庄金矿是一典型的隐爆角砾岩型金矿床,矿石类型以角砾岩型矿石为主,微细粒浸染型灰岩矿石为辅。通过详细的显微镜下观察发现,角砾岩矿石中的角砾成分主要为正长斑岩、闪长玢岩、灰岩以及少量砂屑岩,胶结物主要为萤石-方解石。金矿物质主要赋存在胶结物中,以碲化物形式为主,正长斑岩角砾中发现存在自然金颗粒,充分说明正长斑岩与金矿化存在密切的成因联系。灰岩矿石中发育多种硫化物,包括黄铁矿、As黄铁矿、毒砂以及砷黝铜矿。
在显微观察基础上,利用电子探针分析方法对这两种矿石中的含Au矿物进行了化学成分分析,结合物理化学逸度计算方法,绘制了硫化物-碲化物-硒化物-氧化物逸度相图用以分析成矿过程。计算结果表明S-Se-Te-O逸度分别为:-12.8-35.4。认为灰岩型矿化是Au-HS络合物与Fe化合后将Au卸载导致的,而角砾岩型矿石中所谓的碲金矿实际上是Au-Ag碲化物分解后形成的另一种Au-Ag碲化物,这一过程还卸载了自然金,因此可以在角砾岩矿石中看到自然Au颗粒。
结合萤石自交代正长斑岩锆石LA-ICPMS U-Pb定年结果以及胶结角砾岩矿石的萤石-方解石Sm-Nd同位素等时线年龄,确定归来庄金矿化年龄应该在180Ma左右。在获得Sm-Nd年龄的同时,对萤石和方解石中的包裹体进行了显微学观察和测温,发现萤石中流体发生了沸腾作用,并且沸腾温度应该在245℃左右,这一沸腾作用很可能是导致Au从流体中卸载成矿的诱因,因此认为Au矿化温度应该在245℃左右,这一结果与前人研究结果一致。
金矿化年龄结果进一步肯定了归来庄金矿田金的成矿作用是与铜石碱性杂岩体有关的,为了进一步分析铜石碱性杂岩体在成岩过程中的成矿潜力,采集了新鲜的正长斑岩和闪长玢岩样品,并挑选了其中的磷灰石进行主微量元素、原位O同位素和原位Sr-Nd同位素测试。测试结果显示,这些磷灰石均为氟磷灰石,具备岩浆来源特征。其中正长斑岩磷灰石Mn含量较低,表明在磷灰石结晶时,正长斑岩岩浆具备较高的氧化性,这使得S以氧化态形式存在,阻碍了Au-Cu等因为较强的亲硫性而分散到硫化物中,有利于成矿物质在岩浆热液流体中富集。正长斑岩磷灰石O同位素低于正常幔源岩浆O同位素值,认为这是幔源岩浆在壳幔混合过程中受到低氧同位素值的热液流体的交代造成的,这个过程中还造成了磷灰石Nd同位素的不均一性。由于这部分磷灰石REE元素含量相近,并且配分曲线一致,推测造成Nd同位素不均一的原因是元素扩散,据此通过热力学和动力学计算认为,地幔岩浆受到地壳混合的温度应该在700℃左右,并且持续时间应该不长于0.798Myr。此外,在对闪长玢岩进行显微观察时发现部分磷灰石具备核边结构,并表现出明显的溶蚀特征,核部与边部在主微量元素含量和Sr同位素组成上明显不同,但是O同位素却是均一的,在幔源岩浆O同位素值范围内。结合热力学计算,认为这部分磷灰石是继承磷灰石,并且受闪长质岩浆溶蚀的温度应该略高于520℃。根据磷灰石Mn含量,发现闪长质岩浆氧逸度较低,这不利于成矿物质在热液流体中的富集,因此其成矿潜力较低。
为了探讨归来庄金矿与其他矿点的成矿流体的关系,对归来庄灰岩型矿石中的硫化物、十字庄斑岩石英脉中的硫化物以及西皋矽卡岩矿化中的硫化物进行了S同位素测试,测试结果发现,归来庄和十字庄矿区的硫化物具备相似的S同位素组成,均在-8.4~-2.3‰之间,集中在-5‰左右,而西皋矿点S同位素在1.3~3.2‰,平均2.3‰。前两者比较接近火山喷气成因硫化物,后者接近闪长玢岩的S同位素,结合之前电子探针分析发现的硫化物中较高的Se含量,认为归来庄和十字庄中的硫化物均来自正长斑岩超浅成喷气作用,而西皋矽卡岩矿点硫化物是闪长质岩浆期后热液交代围岩后形成的。
在上述研究基础上,结合前人对本矿田其他矿区的包裹体及稳定同位素研究结果,对归来庄金矿田的金矿化模式进行了总结,认为矿田内的热液流体最初是从正长斑岩岩浆中分异出来的,由于流体中富含CO2,加之岩浆中的F可以极大程度上降低岩浆固结温度,有利于挥发份的富集,所以导致在岩浆晚期挥发份急剧饱和,引起流体沸腾,同时使得岩浆在浅部发生隐爆。热液中的Au-HS络合离子沿着断层向上运移,在断层两侧的灰岩地层中与Fe发生反应,使得Au从流体中卸载,形成了微细粒浸染型金矿化。相对S来说,Te的化学活动性较低,当S充分逸出后,Au-HTe络合物开始出溶并且沿着断层向上运移,由于此前硫化物在断层两侧灰岩中形成了化学障,阻碍了碲化物流体的进入,所以含Au碲化物只能在断层中运移。随着温度、压力的降低,流体发生了沸腾,破坏了Au-HTe络合物的稳定性,于是Au从络合物中析出,形成了角砾岩型金矿化。随着热液流体的出溶,在矿田的局部地区发育了斑岩蚀变,形成了斑岩型矿化,而由于闪长质岩浆挥发份较少,所以在局部灰岩接触带上发育了强度较低的矽卡岩化。这一系列过程便形成了鲁西规模较大的与碱性岩有关的金矿化系统。