山西義興寨金礦床鐵塘硐隱爆角礫巖筒地質特征、形成時代和找礦方向

白曉明

(紫金礦業集團股份有限公司礦產地質勘查院)

引 言

義興寨金礦床位于山西省繁峙縣砂河鎮，是目前山西省最大的金礦床，累計探明金金屬量超過91 t(金平均品位3.03 g/t)。礦區發育石英脈型、蝕變斑巖型和蝕變角礫巖型等3種礦體。其中，蝕變角礫巖型礦體產于4個隱爆角礫巖筒中[1]，分別為鐵塘硐隱爆角礫巖筒、河灣隱爆角礫巖筒、南門山隱爆角礫巖筒和金雞嶺隱爆角礫巖筒，鐵塘硐隱爆角礫巖筒是其中最大的隱爆角礫巖筒。盡管金礦床有不同的類型[2]，但隱爆角礫巖筒中常產出大而富的礦體[3]，如河南嵩縣祁雨溝J4隱爆角礫巖筒[4-6]，因此這些隱爆角礫巖筒的金成礦潛力是礦山企業關注的焦點。前人對鐵塘硐隱爆角礫巖筒的石榴子石和穿切角礫巖的石英斑巖脈進行了U-Pb定年[7]，但對其中的角礫巖、矽卡巖、巖脈和金礦化的特征及其相互關系還缺乏研究，對其成因認識不清，影響了對成礦潛力的評價和找礦方向的確定。因此，本文以鐵塘硐隱爆角礫巖筒為研究對象，在查明其地質特征、成礦階段和形成時代的基礎上，探討其成因，為進一步找礦勘查提供依據。

1 地質背景

義興寨金礦床位于華北克拉通中部造山帶的恒山地體中。礦區主要出露屬于恒山變質基底的太古代TTG巖石夾古元古代輝長巖脈，并零星分布少量的中元古代白云巖和早寒武紀燧石角礫巖(見圖1)。

1—早寒武紀燧石角礫巖 2—中元古代白云巖 3—古元古代輝綠巖脈 4—太古代TTG巖石 5—石英二長巖 6—霏細巖 7—石英斑巖 8—花崗斑巖 9—斷裂及編號 10—隱爆角礫巖筒 11—含金石英脈及編號 12—剖面及編號

礦區內發育許多早白堊世侵入巖，其中以孫莊巖體為最大，巖性主要為石英二長巖及斑狀花崗巖，鋯石U-Pb年齡分別為134～135 Ma和134 Ma[8-9]。此外，發育了數量多但出露面積較小的花崗斑巖、石英斑巖和霏細巖。河灣花崗斑巖的鋯石U-Pb年齡為141 Ma±1 Ma[10]，是蝕變斑巖型礦體的賦礦圍巖。石英斑巖主要分布在南門山隱爆角礫巖筒附近，整體為塊狀構造，局部發育流紋結構，局部穿切花崗斑巖。霏細巖呈脈體產出，穿切石英斑巖。

礦區發育的構造主要為近南北向和北西向2組斷裂。其中，近南北向斷裂是石英脈型礦體的主要控礦斷裂；北西向斷裂為右行斷裂，錯開了近南北向斷裂。

2 隱爆角礫巖筒特征

鐵塘硐隱爆角礫巖筒位于4個隱爆角礫巖筒的東北部(見圖1)，從上到下呈逐漸縮小的筒狀(見圖2-a))。地表出露面積約0.054 km2，出露標高為1 450 m，鉆孔控制深度為269 m，隱爆角礫巖筒的總控制深度為1 719 m。隱爆角礫巖筒內已有鉆孔中樣品金品位多數低于0.3 g/t，雖然在-60～130 m標高處發現了金品位大于0.5 g/t的集中段(見圖2-b)、c))，但目前還沒有圈定出具有工業規模的礦體，勘探評價工作仍在進行中。

鉆孔和工程揭露顯示，鐵塘硐隱爆角礫巖筒大致以1 070 m中段為界，可分為下部無矽卡巖段和上部矽卡巖段。下部無矽卡巖段的角礫為TTG巖石，為黃鐵礦、綠泥石膠結物(見圖3-a)和硅質膠結物(見圖3-b)。鉆孔巖性顯示，霏細巖呈多條脈體穿切下部無矽卡巖段(見圖2-b)，表明其侵位晚于下部無矽卡巖段角礫巖的形成。霏細巖在鉆孔中的視厚度為2～50 m，局部發育順層綠泥石化、黃鐵礦化蝕變(見圖3-c)。在510 m中段邊部的角礫成分為片麻巖，膠結物為硅質。在1 070 m中段霏細巖的邊部發育塊狀石榴子石、綠簾石、綠泥石矽卡巖，局部矽卡巖呈脈狀沿著霏細巖的裂隙交代形成內矽卡巖(見圖3-d)。在近地表，矽卡巖以膠結物的形式膠結了灰巖角礫(見圖3-e)和TTG巖石(見圖3-f)。塊狀矽卡巖中發育約1 cm浸染狀、菊花狀鏡鐵礦集合體和幾厘米的團塊狀鏡鐵礦，有少量自然金產出[1]。角礫粒度大多小于10 cm，在矽卡巖的空隙中發育長柱狀方柱石和石榴子石等(見圖3-g)。在矽卡巖的局部還發育中等浸染狀、團塊狀磁鐵礦和星點狀黃鐵礦。另外，見方解石-鏡鐵礦(-石榴子石)脈體穿切綠簾石、綠泥石矽卡巖(見圖3-h)，脈體長度一般不超過1 m，寬度為2～10 cm，脈體中心發育乳白色的方解石，脈體邊部發育黑色的方解石。塊狀矽卡巖形成之后在局部遭受破碎，形成粒徑為1～3 cm的角礫，并被花崗質巖漿膠結，形成花崗質巖漿膠結角礫(見圖3-i)。在該隱爆角礫巖筒的邊部發育由硅質膠結物膠結的角礫巖。角礫巖被晚期的石英斑巖脈穿切[4]，在局部被南北向的硫化物-石英脈穿切。根據以上鐵塘硐隱爆角礫巖筒的地質特征和空間產出特征，其形成過程可劃分為：下部無矽卡巖角礫巖化階段(Ⅰ)、霏細巖和上部塊狀矽卡巖階段(Ⅱ)、方解石-鏡鐵礦(-石榴子石)脈階段(Ⅲ)、含矽卡巖角礫的巖漿膠結角礫巖階段(Ⅳ)、石英斑巖脈階段(Ⅴ)、石英-硫化物脈階段(Ⅵ)。

圖2 鐵塘硐隱爆角礫巖筒特征

3 樣品、分析方法及結果

3.1 樣品和分析方法

本次工作采集的樣品包括1 070 m中段的霏細巖和其邊部的塊狀矽卡巖，以及510 m中段隱爆角礫巖筒邊部的硅質膠結物。矽卡巖中的石榴子石先磨制成厚度約0.1 mm的加厚薄片，再進行掃描電子顯微鏡觀察和能譜分析，確定石榴子石是否均一，并圈定測試點位，然后采用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜法(LA-ICP-MS)進行U-Pb定年分析。將霏細巖和硅質膠結物粉碎，在雙目鏡下手動挑出鋯石，并制靶。之后拍攝透射、反射照片和陰極發光(CL)照片，用于判斷鋯石中的包裹體、裂紋和鋯石類型，在此基礎上圈定測試點位，然后進行U-Pb定年分析。掃描電子顯微鏡和能譜分析在中國地質科學院地質研究所完成，所使用的掃描電子顯微鏡型號為FEI NOVA NanoSEM 450，配備能譜儀型號為OXFORD X-Max(50 mm2)。U-Pb定年分析在北京燕都中實測試技術有限公司完成，用于定年的儀器為Analytikjena PlasmaQuant MS四級桿ICP-MS及其搭載的193 nm NWR193 Ar-F準分子激光剝蝕系統。

石榴子石U-Pb定年的詳細分析過程見文獻[11]。w(U)/w(Pb)值的儀器漂移和質量分餾通過標樣-樣品的方法進行校正。石榴子石微量元素含量利用SRM610玻璃作為標樣和通過29Si(或者40Ca)作為內部標樣校正。原始數據處理利用ICP-MS DatalCal和Askits軟件[11-14]完成。普通Pb校正利用207Pb離線校正方法。最后，利用Isoplot 4.15計算U-Pb 年齡、繪制Tera-Wasserburg圖和加權平均值年齡圖。Yellow Mali、Willsboro和Zsls-01207Pb校正后的206Pb/238U加權平均值年齡分別為201.6 Ma±1.2 Ma、1 039 Ma±22 Ma和157.7 Ma±1.9 Ma，與參考值202.0 Ma±1.2 Ma、1 022 Ma±16 Ma[15]和155 Ma±2 Ma在誤差范圍內一致。

鋯石U-Pb定年的詳細分析過程見文獻[14]。w(U)/w(Pb)值的儀器漂移和質量分餾通過標樣-樣品的方法進行校正。鋯石微量元素含量利用SRM610玻璃作為標樣和通過29Si作為內部標樣校正[16]。原始數據處理利用Askits軟件完成。普通Pb校正采用Anderson法[17]。最后，利用Isoplot 4.15計算U-Pb年齡、繪制諧和圖和加權平均值年齡圖。樣品1070#3-4JL1測試過程中鋯石91500、Ple?ovice、Temora的207Pb/226Pb或206Pb/238U加權平均值年齡分別為1 067 Ma±22 Ma、339.0 Ma±1.7 Ma、414.9 Ma±3.1 Ma；樣品TTD510#2-H17測試過程中鋯石91500、Ple?ovice、Temora的207Pb/226Pb或206Pb/238U加權平均值年齡分別為1 068 Ma±28 Ma、338.7 Ma±1.8 Ma、413.9 Ma±3.3 Ma，與參考值1 065.4 Ma±0.3 Ma[18]、337.13 Ma±0.13 Ma[19]、416.75 Ma±0.24 Ma[20]在誤差范圍內一致。

3.2 結 果

塊狀矽卡巖中的石榴子石U-Pb定年測試結果見表1。塊狀矽卡巖樣品(1070#3-4JL4)中的石榴子石發育核邊結構，掃描電子顯微鏡觀察顯示，石榴子石成分均一，能譜測試表明其均為鈣鐵榴石(見圖4-a)，僅在核邊接觸部位Al含量有一定程度的增加。石榴子石的238U、232Th質量分數分別為2.89×10-6～27.10×10-6、≤0.562×10-6。石榴子石核部和邊部的U、Pb數據在誤差范圍內無法區分，39個數據獲得207Pb/206Pb和238U/206Pb的下交點年齡為139.1 Ma±0.7 Ma(見圖5-a)，207Pb校正后的206Pb/238U加權平均年齡為139.1 Ma±0.7 Ma(見圖5-b)。因此,本次獲得的下交點年齡可以代表石榴子石的形成時代。

表1 鐵塘硐隱爆角礫巖筒塊狀矽卡巖中的石榴子石U-Pb定年測試結果

霏細巖(1070#3-4JL1)和硅質膠結物(TTD510#2-H17)中的鋯石U-Pb定年測試結果見表2。霏細巖樣品中的鋯石粒度為70～100 μm，長寬比為1∶1～1.5∶1，鋯石主要呈棱柱狀，無色。鋯石具有明顯暗色核部和灰色邊部，但核部具有連續生長環帶，與傳統捕獲鋯石的核邊結構有明顯差異，是連續生長的產物(見圖4-b)。對核部、邊部的嘗試性測試發現其年齡是一致的。鋯石238U、232Th質量分數分別為278.33×10-6～700.54×10-6,162.69×10-6～811.33×10-6。27個數據獲得了206Pb/238U和207Pb/235U的諧和年齡為138.2 Ma±0.3 Ma(見圖5-c)，206Pb/238U加權平均年齡為138.1 Ma±0.6 Ma(見圖5-d)。因此，本次獲得的諧和年齡可以代表該樣品的鋯石結晶年齡。

表2 鐵塘硐隱爆角礫巖筒霏細巖(1070#3-4JL1)和硅質膠結物(TTD510#2-H17)中的鋯石U-Pb定年測試結果

硅質膠結物樣品中的鋯石粒度為70～100 μm，長寬比為1∶1～1.5∶1，呈渾圓狀，無色。鋯石具有核邊結構，核部的震蕩環帶較弱，具有變質鋯石的特征，邊部發育典型亮色變質邊(見圖4-c)。鋯石238U、232Th 質量分數分別為21.68×10-6～138.38×10-6，10.75×10-6～80.43×10-6。29個數據獲得206Pb/238U 和207Pb/235U的上交點年齡為2 506.6 Ma±6.5 Ma(見圖5-e)，206Pb/238U的加權平均年齡為2 508.0 Ma±6.4 Ma(見圖5-f)。因此，本次獲得的上交點年齡可以代表變質鋯石核部的結晶年齡。

a—具有核邊結構的鈣鐵榴石(背散射電子(BSE)圖像)，石榴子石內部均勻，只是核邊接觸部位含有較多的Al b—霏細巖中的鋯石(陰極發光(CL)圖像) c—硅質膠結物中的鋯石(陰極發光(CL)圖像)

圖5 鐵塘硐隱爆角礫巖筒中的石榴子石(a～b)和鋯石(c～f)U-Pb定年結果

4 討 論

4.1 形成過程

霏細巖的形成晚于鐵塘硐下部無矽卡巖段。在1 070 m中段可見霏細巖邊部發育塊狀矽卡巖，沿著霏細巖的裂隙發育內矽卡巖，表明上部塊狀矽卡巖與霏細巖具有成因聯系。本次測得霏細巖邊部塊狀矽卡巖中的石榴子石形成于139.1 Ma±0.7 Ma，霏細巖形成于138.1 Ma±0.6 Ma，二者在誤差范圍內一致，進一步指示了二者在時間上具有成因聯系。張立中等[7]獲得的鐵塘硐隱爆角礫巖體的塊狀石榴子石U-Pb年齡是140 Ma±2 Ma，相對本次測得的年齡略晚，可能是U-Pb定年有4 %的外部誤差導致的[21]。綜合地質特征和年齡數據，認為在下部無矽卡巖段形成以后，霏細巖侵入到無矽卡巖段之上，與上部的中元古代碳酸鹽巖發生接觸交代反應，形成了塊狀矽卡巖及內矽卡巖。

此外，下部無矽卡巖段角礫巖邊部的硅質膠結物中的鋯石U-Pb年齡為2 506.6 Ma±6.4 Ma，與區內TTG巖石一致[22]，指示了隱爆過程中圍巖形成的巖粉膠結了角礫，并經歷了硅化熱液蝕變作用。

義興寨金礦床位于華北中部造山帶。在135～160 Ma，中國東部受控于古太平洋板塊向西俯沖的影響，發生了大規模巖漿活動和成礦作用[23-24]。義興寨金礦區的花崗斑巖、石英斑巖、霏細巖及矽卡巖集中形成于140 Ma左右[7,10]，其形成可能與古太平洋板塊俯沖前端軟流圈上涌、富集巖石圈地幔部分熔融及之后的殼幔相互作用有關[25-26]，是與古太平洋板塊俯沖有關的大規模巖漿活動和成礦作用的一部分。

4.2 找礦方向

鐵塘硐隱爆角礫巖筒內鉆孔T510ZK803的巖心編錄和金品位測試結果表明，在角礫巖與霏細巖同時發育部位，金品位明顯提高，構成了金品位大于0.5 g/t 的集中段。相比之下，在下部無矽卡巖段角礫巖邊部發育的硅質膠結角礫巖中金礦化弱，而在矽卡巖中有一定程度的金礦化。因此，在鐵塘硐隱爆角礫巖筒中，有霏細巖產出的角礫巖地段是重點勘探目標。

除了鐵塘硐隱爆角礫巖筒，義興寨金礦床還發育河灣、南門山和金雞嶺等3個隱爆角礫巖筒。前人對河灣隱爆角礫巖筒進行過大量勘查工作，但對南門山隱爆角礫巖筒和金雞嶺隱爆角礫巖筒的勘查程度依然較低。在南門山隱爆角礫巖筒和金雞嶺隱爆角礫巖筒的地表露頭和采坑中可見類似的塊狀矽卡巖和霏細巖，其可能具有與鐵塘硐隱爆角礫巖筒相似的產出特征和成因機制。因此，本次研究對南門山隱爆角礫巖筒和金雞嶺隱爆角礫巖筒的進一步評價和勘探具有一定的借鑒和指導意義。

5 結 論

1)義興寨金礦床鐵塘硐隱爆角礫巖筒的形成過程包括：下部無矽卡巖角礫巖化階段(Ⅰ)、霏細巖和上部塊狀矽卡巖階段(Ⅱ)、方解石-鏡鐵礦(-石榴子石)脈階段(Ⅲ)、含矽卡巖角礫的巖漿膠結角礫巖階段(Ⅳ)、石英斑巖脈階段(Ⅴ)、石英-硫化物脈階段(Ⅵ)。

2)義興寨金礦床鐵塘硐隱爆角礫巖筒上部矽卡巖段與霏細巖具有成因聯系，二者形成于138～139 Ma。在角礫巖筒中，發育霏細巖的角礫巖地段是重點勘探目標。

致謝：本次研究得到了山西紫金礦業有限公司的大力支持，在論文撰寫過程中，中國地質科學院礦產資源研究所王義天研究員提出了寶貴的修改意見，在此一并感謝。