DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.04.018

河北平泉下金宝金矿床载金矿物特征及其成矿指示意义

张建国^{1, 2, 3}，邵拥军^{1, 2}，汪程^{1, 2}，刘忠法^{1, 2}，熊伊曲^{1, 2}

(1. 中南大学 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083；

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；

3. 有色金属矿产地质调查中心，北京100012)

摘 要：

—下营房—毛家沟金多金属成矿带的下金宝金矿床为研究对象，借助光学显微镜、电子探针点分析及面分析技术，对本区金的赋存状态以及主要载金矿物的形成环境和成因类型进行研究。研究结果表明：本区“可见金”的粒径集中在0.005~0.053 mm范围内，微细粒级金矿物质量分数占80%以上，主要以粒间金、包裹金及裂隙金的形式出现；载金矿物主要为银金矿、自然金、黄铁矿、闪锌矿；本区“不可见金”不仅以机械混入的“不可见”显微-超显微包体金存在，而且以晶格金的形式存在；本区黝铜矿As与As+Sb的物质的量比x(As)/(x(As)+x(Sb))高于0.25，银金矿中Au的质量分数w(Au)为73.512%~80.120%，闪锌矿的w(Zn)/w(Cd)为79.82~145.33，表明矿床形成于浅成—中低温环境中；黄铁矿、闪锌矿的主微量元素特征指示下金宝金矿床为与岩浆侵入活动有关的浅成中低温热液型金矿床。

关键词：

电子探针；赋存状态；成矿环境；矿床成因；下金宝金矿床；

中图分类号：P591⁺.2             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)04-0901-09

Characteristics of gold-bearing minerals in Xiajinbao gold deposit of Hebei and their metallogenic indicatin significance

ZHANG Jianguo^{1, 2, 3}, SHAO Yongjun^{1, 2}, WANG Cheng^{1, 2}, LIU Zhongfa^{1, 2}, XIONG Yiqu^{1, 2}

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Non-Ferrous Metals and Geological Environment Monitoring,Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China;

3. China Non-ferrous Metals Resource Geological Survey, Beijing 100012, China)

Abstract: Xiajinbao gold deposit is located in the Yong’an—Xiayingfang—Maojiagou poly-metallic belt, which has favorable metallogenic geological condition. According to systematic petrography observation and in situ elemental analysis by X-ray electron probe microanalyzer(EPMA), Xiajinbao gold deposit occurrence and the ore-forming environment and genesis of gold-bearing minerals were studied. The results show that the visible gold particle has a size of 0.005-0.053 mm in diameter. Fine grained gold composes more than 80% of the total minerals, which occur as mineral inclusions in the fractures or among the particles of the gold-bearing minerals. Major gold-bearing minerals include gold, electrum, pyrite and sphalerite. The “invisible gold” mainly exists in the form of mechanically-mixed “invisible” microscopic- ultramicroscopic gold inclusions, as well as solid solution(lattice gold).The molar ratio of x(As)/(x(As)+x(Sb)) of tetrahedrite is above 0.25. The mass fraction of gold of electrum ranges from 73.512% to 80.120%. The mass fraction ratio of w(Zn)/w(Cd) of sphalerite ranges from 79.82 to 145.33, indicating that the deposit is formed in an epithermal moderate-low temperature environment. Major and trace element features of pyrite and sphalerite indicate that the Xiajinbao gold deposit is a moderate-low temperature hydrothermal gold deposit related to magmatic activities.

Key words: electron probe microanalyzer(EPMA); occurrence; ore-forming environment; genesis; Xiajinbao gold deposit

下金宝金矿床隶属下营坊金矿区，位于华北地台龙须门中生代次火山岩盆地的东北缘，是永安—下营坊—毛家沟构造岩浆岩活动带的重要组成部分^[1]，该构造-岩浆活动带位于华北板块与西伯利亚板块、太平洋板块的接合部位^[2]。栾文楼等^[1]对矿区含金石英脉中包裹体类型和均一温度进行了测定，认为本区成矿温度属于中低温范畴；袁万明等^[3]对矿区矿石中的锆石和磷灰石的裂变径迹年龄进行了分析，认为成矿开始年龄为153.9 Ma；张建国等^[4]基于本区岩浆锆石的LA-ICP-MS U-Pb年代学研究，指出下金宝花岗斑岩体形成于(158.0±2.5) Ma。整体上看，人们主要集中于对该矿区成岩成矿年代学及流体包裹体特征等方面的研究，关于本区矿物学等方面的综合研究较少。为此，本文作者在矿相学研究的基础上，通过电子探针测试技术，分析下金宝金矿床主要载金矿物特征、金的赋存状态、形成环境及矿床成因类型，旨在为矿床成因的厘定提供矿物学方面的证据。

1  矿区地质概况

矿区处于龙须门中生代断陷盆地东北部边缘。矿区出露地层主要为：太古界迁西群拉马沟组灰绿色斜长角闪片麻岩；元古界长城系常州沟组(Chc)、大洪峪组(Chd)和高于庄组(Chg)石英质砂岩；泥灰质白云岩；白云质灰岩；元古界蓟县系雾迷山组(Jxw)及杨庄组(Jxy)碳酸盐岩。其中，长城系大洪峪组泥灰质白云岩为主要含矿地层。矿区褶皱构造和断裂构造较发育，褶皱构造主要表现为太古界穹窿构造，层间滑脱带发育；断裂构造可分为NE—NNE向、EW向及SN向3组，控制了岩浆侵入活动。由于断裂的多期活动性，晚期断裂活动为多金属矿化提供了动力及空间。区内岩浆活动强烈，岩浆岩发育，矿区范围内出露的最大岩体为下金宝花岗斑岩体。金矿体赋存于矿区F₄断层下盘的蚀变花岗斑岩体及岩体与太古代角闪斜长片麻岩的接触带中，靠近花岗斑岩的蚀变围岩处，往往有金富集。矿体整体呈NE走向，少数矿体中间转折部位呈NNE向，下金宝岩体、NE向及NNE向断裂构造联合控制了矿体的产状、形态和规模(见图1)。矿石类型主要为细脉浸染型和石英脉型矿石，细脉浸染型矿石分布于石英-金矿脉两侧。金属硫化物主要为黄铁矿、方铅矿、黄铜矿、闪锌矿和极少量黝铜矿，矿石结构包括自形—半自形结构、它形结构、交代结构、出溶结构、包含结构等，矿石构造以浸染状和脉状为主。围岩蚀变主要有钾化、绢英岩化及硅化等，矿化主要为黄铁矿化、方铅-闪锌矿化、黄铜矿化等。其中，硅化、绢云母化、黄铁矿化、方铅-闪锌矿化与金矿化的关系最密切。根据矿脉间的切穿关系及矿物共生组合关系，将本区成矿过程划分为3个阶段：石英-黄铁矿阶段；石英-方铅矿-闪锌矿阶段；石英-多金属硫化物(黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、黝铜矿)阶段。

图1  河北平泉县下金宝矿床地质图

Fig. 1  Geological map of Xiajinbao gold deposit in Pingquan County, Hebei Province

2  矿相学特征

本次测试的样品采集于露天采坑以及部分钻孔，选取有代表性的样品磨制成光片，进行矿相学研究。矿相学观察表明，下金宝矿床中金矿物以银金矿为主，极少部分呈自然金产出，金矿物的形态较复杂，以不同形态的粒状为主，见图2。在显微镜下对其粒径进行统计(见表1)，发现本区金矿物的粒径集中在0.005~0.053 mm范围内，微细粒级金矿物质量分数占80%以上。

表1  下金宝金矿床中金矿物的粒度分布

Table 1  Grain size distribution of gold minerals in Xiajinbao Gold deposit

本区金矿物的嵌布以粒间金为主，次为包裹金及裂隙金，见表2。裂隙金多嵌布于黄铁矿的微裂隙中(见图2(a)和图2(b))；包体金呈包裹体状、乳滴状发育在黄铁矿、闪锌矿等载金矿物内(见图2(c))，有时金与方铅矿、闪锌矿呈连生关系，形成连生金，或分布于硅化石英脉中，形成独立金(见图2(e))。也可见少量自然金嵌布于石英晶粒之间，少部分被包裹在石英晶内(图2(e)和图2(f))。

表2  下金宝金矿床中金矿物的嵌布关系

Table 2  Embedding relations among gold minerals in Xiajinbao gold deposit

图2  下金宝金矿床中“显微可见金”的赋存状态

Fig. 2  Occurrence of “visible gold” in Xiajinbao gold deposit

3  样品测试

在矿相学研究基础上，选取本区主要的载金矿物进行电子探针的点分析和面分析。电子探针分析在中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室电子探针测试中心完成；电子探针的仪器型号为津岛Shimadzu公司生产的EPMA-1720/1720H型。点分析的条件如下：加速电压为15 kV，把束电流为10 nA，电子束直径为1~5 μm，检测限为0.01%，面分析的条件如下：加速电压为15 kV，把束电流为20 nA，电子束直径为1~5 μm。载金矿物电子探针测试结果见表3。

表3  下金宝矿床载金矿物电子探针测试结果(质量分数)

Table 3  EPMA results of gold-bearing minerals in Xiajinbao Gold deposit(mass fraction)          %

4  金的赋存状态

近年来，对于“不可见金”的赋存形式主要有以下2种观点：一种观点认为金以显微包裹体金的形式存在^[5]，另一种观点认为“不可见金”以“固溶体”(晶格金)形式存在^[6-7]。本文基于EPMA的点分析和面分析数据，对本区“不可见金”的赋存状态进行探讨。

4.1  EPMA点分析

从表3可见：黄铁矿中Au的质量分数w(Au)为0.005%~0.046%，闪锌矿中w(Au)为0.015%~0.107%，黝铜矿中w(Au)为0.050%~0.120%，在EPMA光束的分辨率下(1~5 μm)，金的分布不均匀，存在金的富集点，但还没有形成“可见金”，暗示这部分Au以机械混入的“不可见”显微-超显微包体金存在，但不排除“不可见金”以“固溶体”(晶格金)形式存在的可能。

REICH等^[7]基于14个金矿床中赋金含砷黄铁矿EPMA和SIMS分析结果，提出金在黄铁矿中的溶解度限制线可近似地表示为x(Au)=0.02x(As)+ 4×10^-5(其中，x(Au)和x(As)分别为Au和As的摩尔分数)，位于溶解度限制线以上的含砷黄铁矿中金为纳米级自然金，位于溶解度限制线下部的含砷黄铁矿中金主要以固溶体(Au⁺)形式存在。下金宝金矿床含砷黄铁矿EPMA分析数据点位于金溶解度限制线两侧，大部分数据点落于金溶解度限制线上方区域(见图3)，表明本区黄铁矿中的Au主要以纳米级自然金的形式存在，部分Au以“固溶体”(晶格金)的形式赋存。

本区闪锌矿电子探针测试数据元素相关关系见表4。从表4可见：Au与其他元素的相关性均不高(相关性系数＜0.4)，暗示Au不参与矿物晶胞的组成，可能以机械混入的“不可见”显微-超显微包体金存在；Cd和In等分散元素具有亲硫等多重地球化学性质，其元素地球化学参数(原子半径、离子半径等)与Zn和Pb等元素(特别与Zn)具有相似性^[8]，主要以类质同象的形式赋存于金属硫化物中^[9]。闪锌矿电子探针测试所得元素相关关系见表4。从表4可见：Au与Cd，In和Pb之间具有较小的正相关系数，暗示部分Au离子可能以类质同象的形式赋存于闪锌矿中。

4.2  EPMA面分析

Au元素的面扫描分析结果见图4。从图4可见：黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、黝铜矿及石英中未见明显的高亮点，依稀可见轮廓，显示良好的均质结构，表明Au在矿物中呈均匀分布状态；各矿物间的亮度在EPMA面扫描照片中具有明显差异，方铅矿亮度最高，表明其金的质量分数最高；黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、黝铜矿次之，石英最低。由于EPMA面分析的精度要比点分析的精度低，同时，EPMA微束斑直径为1~5 μm，陈懋弘等^[10]认为当金的粒度小于电子探针微束的分辨率且在矿物的尺度上均匀分布时，则面元素图可出现均匀结构的假象，但这并不一定说明金以晶格金的形式均匀存在。只有当金的粒度达到或大于电子探针微束的分辨率时，才可以直接看到Au的高亮点^[11]。因此，下金宝金矿床中“不可见金”主要还是以显微-超显微颗粒金为主，且粒度大部分小于EPMA微束的分辨粒度(1 μm)，可能还存在部分的Au以离子形式存在于本区金属硫化物的晶格中。

图3  下金宝金矿床黄铁矿As-Au图解(底图据REICH等^[7])

Fig. 3  As-Au diagram of pyrite of the Xiajinbao gold deposit(After REICH, et al^[7])

表4  闪锌矿电子探针测试数据元素相关关系

Table 4  Correlation coefficient of different elements of sphalerite

图4  金属硫化物背散射及电子探针面扫描照片

Fig. 4  BSE photos and EPMA mapping analysis of metallic sulfides

5  成因意义

5.1  成矿环境

闪锌矿中的某些微量元素质量分数w与其形成温度及成因类型有关^[12-13]，w(Zn)/w(Cd)常用来反映成矿温度，w(Zn)/w(Cd)＞500指示为高温，w(Zn)/w(Cd)≈250指示为中温，w(Zn)/w(Cd)＜100指示为低温^[14]。本区闪锌矿的w(Zn)/w(Cd)为79.82~145.33，表明该矿床形成于中低温环境下，与文献[15]的研究结果一致。黝铜矿中元素的物质的量比x对于成矿具有指示意 义^[16]，本区黝铜矿的x(As)/(x(As)+ x(Sb))高于0.25，而w(Ag)低于检测限，表明成矿温度低于325 ℃^[17]。含金矿物中Au和Ag的质量分数w(Au)和w(Ag)对于成矿同样具有指示作用^[18]，银金矿中w(Au)为73.512%~80.120%，平均为75.928%，仅1个样品中w(Au)高于80.0%。本区金的质量分数总体不高，表明成矿温度为中—低温，同时也指示成矿深度较小。

综上所述，本区闪锌矿、黝铜矿及银金矿的主微量元素特征指示该矿床形成于浅成—中低温环境。

5.2  矿床成因

黄铁矿中微量元素的组合、质量分数及其比值可作为研究矿石成因和矿床类型的灵敏的地球化学指示剂^[19]。下金宝矿床中黄铁矿的S和Fe的质量分数与靳是琴等^[20]提出的中低温热液成因的黄铁矿中铁、硫的质量分数((w(S)为52.509%，w(Fe)为45.079%)接近，指示下金宝矿床具有中低温热液矿床的特征。黄铁矿中w(As)与次火山岩型及斑岩型矿床相近(0.013%~0.2637%)^[21]，暗示本矿床成因可能为次火山岩型或斑岩型金矿床。

BAJWAH等^[22]通过研究不同成因的黄铁矿中Co和Ni的质量分数认为，沉积型黄铁矿Co和Ni的质量分数普遍较低，w(Co)/w(Ni)<1.00，平均为0.63；热液成因的黄铁矿中Co和Ni质量分数及w(Co)/w(Ni)变化较大，1.17＜w(Co)/w(Ni)<5.00；火山喷气块状硫化物矿床以高w(Co)(平均质量分数为480×10^-6)、低w(Ni)(＜100×10^-6)、高w(Co)/w(Ni)(5~50，平均为8.7)为特征；岩浆热液成因的黄铁矿w(Co)/w(Ni)为1~5，个别可能更高。本区黄铁矿样品的w(Co)/w(Ni)为2.19~17.00。表明黄铁矿的成因类型为与岩浆活动有关的热液型，在黄铁矿的Co-Ni成因图解中^[23](见图5(a))，样品点落在火山成因和热液成因的区域；在w(As)-δFe/δS图解中^[24](见图5(b))，本区黄铁矿的样品点落入岩浆热液型的区域内，指示黄铁矿的成因类型为岩浆热液型。黄铁矿的As-Co-Ni三角相图(图5(c))能清楚地反映出不同成因类型的黄铁矿中As，Co和Ni的质量分数及其变化范围^[25]。本区黄铁矿的As-Co-Ni三角相图指示黄铁矿的成因类型为岩浆或火山热液型。

图5  下金宝金矿床中金属硫化物成因判别图解

Fig. 5  Discrimination diagrams of genesis of metallic sulfides in Xiajinbao gold deposit

对下金宝金矿床中闪锌矿的w(Cd)与w(Zn)/w(Cd)进行拟合，发现两者呈明显的负相关(见图5(d))，其负相关方程为w(Cd)=1.357-0.007×w(Zn)/w(Cd)，相关系数R为0.892，此特征与典型的岩浆热液矿床中闪锌矿的特征类似^[26]。

综上所述，下金宝金矿床中黄铁矿与闪锌矿的微量元素特征及其比值和相关图解指示本区黄铁矿与闪锌矿的形成及中低温岩浆热液活动有关，表明本矿床为与岩浆侵入活动相关的浅成中低温热液型金矿床。

6  结论

1) 自然金、银金矿、黄铁矿、闪锌矿是本区的主要载金矿物，显微可见的金矿物以粒间金、裂隙金及包裹金的形式嵌布于载金矿物中。可见金的粒径变化范围较大，但主要集中在0.005~0.053 mm范围内，微细粒级金矿物质量分数在80%以上。

2) 本区“不可见金”的赋存形式有2种：一种是以“不可见”显微-超显微包体金存在，另一种以晶格金的形式存在。

3) 矿床形成于浅成中低温环境，黄铁矿、闪锌矿的主微量元素特征进一步指示本矿床为与岩浆活动密切相关的浅成中低温热液型金矿床。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-05-10；修回日期：2017-07-12

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41472302)；中南大学创新驱动计划项目(2015CX008)(Project(41472302) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015CX008) supported by the Innovation-driven Plan of Central South University)

通信作者：邵拥军，教授，博士生导师，从事矿床学及成矿预测学研究；E-mail：shaoyongjun@126.com

摘要：以位于河北永安—下营房—毛家沟金多金属成矿带的下金宝金矿床为研究对象，借助光学显微镜、电子探针点分析及面分析技术，对本区金的赋存状态以及主要载金矿物的形成环境和成因类型进行研究。研究结果表明：本区“可见金”的粒径集中在0.005~0.053 mm范围内，微细粒级金矿物质量分数占80%以上，主要以粒间金、包裹金及裂隙金的形式出现；载金矿物主要为银金矿、自然金、黄铁矿、闪锌矿；本区“不可见金”不仅以机械混入的“不可见”显微-超显微包体金存在，而且以晶格金的形式存在；本区黝铜矿As与As+Sb的物质的量比x(As)/(x(As)+x(Sb))高于0.25，银金矿中Au的质量分数w(Au)为73.512%~80.120%，闪锌矿的w(Zn)/w(Cd)为79.82~145.33，表明矿床形成于浅成—中低温环境中；黄铁矿、闪锌矿的主微量元素特征指示下金宝金矿床为与岩浆侵入活动有关的浅成中低温热液型金矿床。