华北克拉通南缘是我国重要金成矿带之一,发育有众多不同规模的金矿床,已探明黄金储量约为1000t,近年来的找矿勘探成果揭示该地区深部仍有较大找矿潜力。区内金矿床主要集中分布于小秦岭和熊耳山两个矿集区。小秦岭矿集区内的金矿床以石英脉型为主,而熊耳山矿集区内的金矿床则以构造蚀变岩型为主,并含少量隐爆角砾岩型和石英脉型。前人已对熊耳山地区金矿床的基础地质特征和成因开展了大量研究,但关于成矿流体和成矿物质来源以及成矿动力学背景等关键科学问题仍存在较大的争议。另一方面,关于熊耳山地区金矿床中金的赋存状态、金在载金矿物中的捕获和富集沉淀机制及其关键控制因素以及成矿流体演化过程等关键科学问题的研究相对薄弱。 为了解决上述的问题,本文选择熊耳山地区上宫超大型金矿床作为研究对象。上宫超大型金矿床为构造蚀变岩型金矿床的典型代表,至2019年其探明黄金储量达130t。本次工作主要基于矿物学、成矿年代学和高精度的原位微区元素-同位素地球化学等方面的研究,以期查明成矿时代、成矿流体和物质来源、成矿流体演化过程、金在载金黄铁矿的赋存状态、捕获和富集机制,进而揭示上宫金矿床的成因。同时,结合华北克拉通南缘已有的构造-岩浆-流体-成矿等方面的资料,分析区域大规模金矿床的成矿作用特征和地球动力学背景。论文取得的主要成果和认识如下: (1)上宫金矿床的金矿化作用严格受断裂控制,赋矿围岩为熊耳群安山岩和太华杂岩,主要形成蚀变岩型和角砾岩型两种矿石。热液蚀变普遍发育,主要为硅化、绢云母化、黄铁矿化、碳酸盐化,其次为绿泥石化和萤石化等,其中金矿化与黄铁绢英岩化蚀变的联系最为密切。成矿阶段可分为成矿早期的石英-铁白云石(黄铁矿)阶段(S1)、主成矿期的金-多金属硫化物阶段(S2)和成矿晚期的石英-碳酸盐阶段(S3)。黄铁矿为最主要的载金矿物,包括早期的粗粒立方体黄铁矿(Py0)和主成矿阶段的细粒五角十二面体黄铁矿(Py1-Py3)。 (2)为了研究黄铁矿中金的捕获机制,本文对主成矿阶段的Py2开展了系统的化学和结构分析。EPMA分析结果表明,Py2明显富集Au(0.05~0.78wt%)和As(0.39~0.60wt%),此外,Au与Fe和As与S均具有明显的负相关关系,且Au与As具有明显的正相关关系。EPMA、LA-ICP-MS和NanoSIMS分析结果表明,Au和As主要以类质同像的形式赋存于Py2黄铁矿中。基于球差透射电镜Z衬度图解,本研究首次清晰观察到金原子直接占据了黄铁矿晶格中铁原子的位置。微束X射线吸收近边结构(μ-XANES)光谱指示,Au和As分别以Au1+和As1-的形式赋存于黄铁矿中。综合以上研究成果,本文认为Au和As同时从成矿热液中被捕获进入黄铁矿中,且分别以Au1+和As1-的形式占据了黄铁矿晶格中铁原子和硫原子的位置。 (3)与载金黄铁矿密切共生的绢云母的Rb-Sr同位素年龄表明,上宫金矿床的成矿时代为149.1±6.7Ma,与区域大规模晚中生代岩体的侵位时间一致。原位硫同位素分析结果表明,上宫金矿成矿期黄铁矿的硫同位素具较大变化范围(δ34S=-16.9~7.2‰),成矿早期黄铁矿的δ34S值为-2.7~7.2‰,均值为3.70‰,而主成矿阶段黄铁矿的δ34S值集中变化于-13.0~-8.0‰之间,均值为-10.9‰。综合分析表明,成矿早期黄铁矿中的硫应为岩浆硫,而主成矿阶段黄铁矿的负δ34S组成特征应为成矿流体演化过程中引起硫同位素在硫化物与重晶石之间发生分馏的产物。成矿期黄铁矿总体富集Au、As、Ag、Cu、Sb、Te、Tl和Pb等元素,与岩浆气液中的元素组合特征类似,暗示成矿流体可能主要源自岩浆热液。结合已有元素-多元同位素地球化学及区域地球物理和成岩成矿作用特征,本研究认为上宫金矿床的初始成矿流体以岩浆热液为主,成矿物质为壳幔混合来源。 (4)上宫金矿床的矿体和矿石构造、热液矿物结构和前人流体包裹体研究结果表明,成矿流体的物理化学条件(压力、温度、成分)发生了变化。通过对主成矿阶段不同载金黄铁矿的结构、元素和同位素数据的综合分析,本文认为主成矿阶段黄铁矿中金的富集是成矿流体物理化学条件的变化和晶体-流体界面动力学效应共同作用的产物。 (5)结合华北克拉通南缘大规模岩浆作用和成矿作用特征,本研究认为上宫和区内其他晚中生代的金矿床同为古太平洋板块向欧亚大陆俯冲与回撤过程中引起的华北克拉通的减薄与破坏的产物。此外,结合区域已有地质与地球物理资料,本文提出上宫金矿床的深部仍具有较大的找矿潜力。