燕辽成矿带东段冀东-辽西金矿成矿特征及成因

燕辽成矿带东段冀东-辽西金矿成矿特征及成因

华北板块北缘一直是中国重要的黄金生产基地，拥有数百个金矿床（点）。该区作为地质学界研究的热点和难点地区,前人做了大量工作,积累了丰富的资料(陈衍景等,1998;邓晋福等,2005,2009),为从深度和广度上研究冀东-辽西金矿床打下了良好的基础。但以往的研究多集中于冀北,对冀东-辽西金矿带的研究主要侧重于点,集中于各个矿床的成矿时代和成因问题研究(王伏泉,1994;秦大军等,1997),很少从板内造山带层面考虑冀东-辽西金矿成矿带内部各个矿床的形成演化关系及空间分布规律。特别值得一提的是位于其中段的冀东-辽西金矿产区,所处大地构造位置特殊,属于古亚洲洋和滨西太平洋两大构造成矿域的叠加部位,有古陆边缘成矿作用的特点(翟裕生等,2002),历经太古代—古生代多次造山作用,而主成矿期却集中于中生代(华仁民等,1999;毛景文等,2003),完全不同于国外的同造山型金矿床(Grovesetal.,1998;Goldfarbetal.,2001),更多的体现为燕山期板内造山带成矿与克拉通边缘成矿的特征。成矿时差的特异性和矿床时空分布的独特性使该区域虽经多轮次长期研究,仍然面临着成矿理论突破难,找大型矿床难的局面。冀东-辽西金矿主要以金厂峪-峪耳崖、金厂沟梁-二道沟和排山楼金矿等三个金矿集中区为主,涵盖了不同类型大中型—超大型金矿床(图1)。它们均位于或邻近太古代变质地体,但成矿均在中生代—称之为中生代成矿大爆发,而不同于南非、加拿大和澳大利亚的花岗-绿岩带内的金矿床,存在成矿时代和环境的巨大差异,造就了独具特色的成矿背景和动力条件。对它的研究不仅可以解决板内造山与金成矿的机制问题,还可以解决古陆边缘与板内造山联合控制下的金矿形成机制问题,也会对该区的找矿预测及资源评价具有深远意义。1成岩构造及沉积特征燕辽成矿带位于华北板块北缘中段,北起内蒙古赤峰以南地区,南至河北省迁西县,西起河北省张家口市-蔚县一线,东到阜新-锦州一线,带内为中国重要的金、铜、钼等多金属成矿区(图1)。燕辽成矿带在太古宙和早元古代并结束于吕梁运动所形成的双层结晶基底后,经历了中元古代至古生代长期的稳定沉积,形成了巨厚沉积岩系(马寅生等,2002)。区内结晶基底为太古宙变质岩系,有强烈的混合岩化,变质程度为麻粒岩相-角闪绿片岩相,原岩主要为基性-中基性钙碱性火山岩。中晚元古代至早古生代主要为海相碳酸盐岩、碎屑岩、粘土岩、泥岩、砂岩等。晚古生代石炭纪至二叠纪为海陆交互相沉积环境,以陆相碎屑岩沉积为主,并伴有少量煤层沉积。中生代构造岩浆活动强烈,主要以中基性、中酸性火山碎屑岩沉积为主,夹少量河湖相碎屑沉积。燕辽成矿带处于华北板块、西伯利亚板块和太平洋板块复合作用带,也是古亚洲洋和太平洋构造成矿域的复合部分,经历了漫长的地质历史演化,区域构造形式十分复杂多样。区域构造以EW向和NE向为主,中生代叠加了NNE向构造,它们空间上相互交切,构成了本区典型的菱形格状构造样式,制约了该区的盆岭构造的形成和岩浆活动及其展布,同时也为中生代金矿床的形成提供了有利空间和条件。2构造-岩浆活动燕辽成矿带处于华北板块、西伯利亚板块和太平洋板块的复合作用带上,历经38亿年的漫长地质演化史,区内构造岩浆活动异常复杂(翟明国,2010)。中晚元古代的裂陷活动及其后长期的稳定沉积,加上中生代构造体制大转变和成矿大爆发,使得该区的构造演化与成矿关系异常密切,具有独特构造成矿演化史。2.1中国最大的成岩年龄最新研究表明,华北板块基底有东部、中部和西部陆块三部分组成,而且各个陆块内部均有微陆块相互拼贴形成,有着长期而复杂的形成演化史(赵国春等,2002)。华北板块最早记录冀东曹庄的铬云母石英岩中的碎屑锆石的U-Pb年龄3.35～3.85Ga和鞍山地区的花岗片麻岩-奥长花岗片麻岩的离子探针微区和SHRIMPU-Pb年龄3.35～3.85Ga(刘敦一等,1994;Songetal.,1996;Wanetal.,2005),这一组年龄数据代表了中国最古老陆块形成时间,到华北板块早元古代变质-壳熔作用形成统一的结晶基底,历时20余亿年,期间经历多次碰撞拼合、造山活动和变质变形作用,形成了多个高级变质体,最终完成了华北板块的克拉通化(翟明国,2010)。由于华北板块的多陆块拼贴,造就了华北板块陆缘夹皮沟、燕辽、小秦岭和鲁东等四个各具差异的成矿背景和物质来源的金矿矿集区。2.2稳定盖层沉积期沉积演化华北古陆基底形成后,于古元古代末—中元古代进入陆内裂陷作用期—形成了著名的燕辽裂陷槽,开始了元古宙—古生代的稳定盖层沉积期。燕辽裂陷槽位于华北板块北部,是一个北东向延伸向北部开放与外海相连的海槽(和政军等,2000;乔秀夫,2002)。研究表明,裂陷槽的成生演化全过程与此间发育的一系列同沉积断裂紧密关联。裂陷槽的形成,不仅仅为各个演化阶段形成不同类型矿床提供了成矿的充要条件,并且还为嗣后的地壳演化与矿产形成积蓄了物源和能量。2.3大型构造及构造带华北板块从古生代末—中生代初的印支期进入了一个全新的构造演化期,中国大陆内部发生了大规模的碰撞和拼合。华北板块于海西期与西伯利亚板块碰撞拼合后,在南北向力偶的作用下与扬子板块碰撞拼合,沉积盖层也广泛发育了板内褶皱和断裂,作为冀东金厂峪-峪耳崖矿集区主控矿构造马兰峪复式背斜也是这个时期形成的,本区也由古亚洲洋构造域转换为滨西太平洋构造域(TangKD,1990;AmesLetal.,1993;LiZX,1994;万天丰,2004;张长厚等,2004;陈云峰,2007;李海龙等,2008)。该期也形成了众多近东西向构造及构造带,为该区金矿总体东西成带,北东成串的空间分布格局奠定了构造基础,同时也拉开了燕山期板内造山、构造岩浆大规模活动的序幕。中生代是华北板块构造体制转折的重要历史时期,发生了以挤压为主到以伸展为主的转变,形成了燕辽地区特有的盆岭构造,引发并造就了我国东部中生代与岩浆侵入和喷发有关的成矿大爆发事件(翟明国等,2003;吴利仁等,1982)。究其实质,笔者以为由于在西伯利亚板块和太平洋板块持续作用下,诱发了华北板块板内造山运动。在此期间,由于挤压抬升,导致了地壳深部能量的积聚和组成物质的重组与重建,形成了与热液成矿作用相关的初始含矿热液,并伴随了早期的挤压抬升,浅层次断裂发育的同时引发了深部聚集的含矿流体“侵位”成矿,这就是我国华北板块于中生代成矿大爆发的过程和热液成矿作用与构造体制转变紧密相关的实质。对于太平洋板块的远程应力作用,一般认为,先存地壳的不均一性可能导致应力集中和释放(郑亚东等,2000),而该区在早元古代末即形成了著名的燕辽裂陷槽,形成了大范围的巨厚沉积层和一系列北东向同沉积断层,作为一个先存构造活动区,也为该区金矿床的北东向展布奠定了空间格局。3山楼矿集区集中成矿功能区冀东-辽西金成矿区位于燕辽成矿带的东段,具体包括金厂峪-峪耳崖矿集区、金厂沟梁-二道沟矿集区和排山楼矿集区等三个成矿集中区,分别沿马兰峪复式背斜、努鲁儿虎山和医巫闾山展布,环绕辽西凹陷分布,成两山一斜就位(图1)。这些矿集区集中了区内主要的大中型—超大型金矿床,如金厂峪金矿、峪耳崖金矿、金厂沟梁金矿、二道沟金矿和排山楼金矿等。矿床类型主要可分为石英脉型和蚀变岩型两大类(表1)。3.1古考虑变质杂岩带及金矿床金厂峪-峪耳崖矿集区作为研究区内最大的矿床集中区之一,包括了数百个金矿床(点),它们均分布于马兰峪复式背斜的核部,主要金矿床(点)有金厂峪、峪耳崖、牛心山、铧尖、高家店、茅山、赵家沟等。矿集区典型矿床代表为金厂峪金矿(超大型)和峪耳崖金矿(大型)。金厂峪金矿(表1,图2)位于马兰峪复式背斜的核部—遵化穹褶束东部,赋存于太古宙变质杂岩带中的石英复脉型金矿床,严格受控于韧性剪切带,且呈北北东向展布,南北长约6km,东西宽约0.4～1.1km,矿石品位4.5～14.6g/t。矿区内主要出露太古宙迁西群变质杂岩,岩性以斜长角闪岩和角闪斜长片麻岩为主,也可见少量的磁铁石英岩、变粒岩、浅粒岩等。矿区内各类脉岩发育,主要以花岗斑岩、煌斑岩为主,其次是安山玢岩、石英斑岩、透辉石岩、闪长玢岩等。脉岩多呈北东、北北东向分布,倾向北西,倾角40°～80°。矿区西及西北方向,由近及远依次分布有青山口、贾家山两个较大的花岗岩侵入体,一般认为与该矿的形成有很大关系(梅燕雄,1997)。峪耳崖金矿(表1,图3)产于峪耳崖岩体内部及其内外接触带中。峪耳崖岩体为一复式岩体,呈岩株状,由早阶段的白色花岗岩和晚阶段的红色花岗岩组成。岩体侵入于高于庄组灰岩之中。在峪耳崖岩体内部以及灰岩的接触带中,呈北东向的断裂和节理发育,控制了区内主要脉岩分布和金矿体的就位。矿脉体呈北东向分布,最长可达1.3km,宽一般为0.5～1.0m。其内分南、北、中三个矿带,矿石品位普遍较高,个别地方为1000g/t(含明金)。基底岩石为太古界迁西群,与成矿关系密切。3.2金厂沟梁金矿成矿地质条件特征金厂沟梁-二道沟矿集区位于研究区的最北端,处在板缘边界,成矿条件和就位空间比较复杂。整个矿集区呈北东向展布,主要金矿床(点)有金厂沟梁、二道沟、长皋沟、平房、沙金沟、迷力营子、东五家子、大庙、长皋、扎寨营子等。其中尤以金厂沟梁、二道沟、长皋沟最为典型,三个矿床具有不同的表观地质条件,悬殊的矿化强度,且产于近在咫尺的区段内(图4)。金厂沟梁金矿(表1)主要赋存于太古界建平群小塔子沟组变质岩系内,岩性主要为中细粒、中粗粒条纹状斜长角闪岩,角闪斜长片麻岩和黑云角闪斜长片麻岩等。矿脉体以北西西向分布为主,最长可达0.9km,且主要集中于矿区内西部。矿石品位稳定,平均约16g/t,储量大,金成色高。二道沟金矿(表1)就位于侏罗纪火山-次火山杂岩中,主要有一套英安质、流纹质熔岩、凝灰岩和角砾岩组成。矿脉体以北西、东西向规模大,受火山机构形成的环形-放射状断裂控制明显,最大者长可达1.4km,且呈等间距分布。矿石平均品位12g/t,最大者可达700g/t(含明金)。长皋沟矿区作为一个铜金矿化区,产于岩体外接触带的石英脉型金矿,矿化最弱,与该区金矿成矿差异较大。该区作为一个板块边缘区,金成矿与其它区截然不同,具有边缘成矿特点,差异性极大的成矿地质条件,其成矿作用耐人深思。3.3排山楼金矿排山楼矿集区位于燕辽成矿带东端,金矿床体主要分布于太古代变质岩系中,韧性剪切带是其主要控矿构造。主要金矿床(点)有排山楼、上水泉、上两家子、靳家店、大阪等。其中排山楼金矿最为典型,以品位低、规模大、储量大为特点。排山楼金矿(表1)主要受韧性剪切带控制,赋存于太古界建平群大营子组变质岩系内,岩性主要为黑云斜长片麻岩和角闪黑云斜长片麻岩,且夹有磁铁石英岩扁豆体。金矿体呈似层状、透镜状赋存于糜棱岩带之中,矿体浅部呈东西向,深部转为北东向,矿体长百米到上千米不一,宽度十几米至数十米不等,矿石品位一般为1～3g/t,局部可达20g/t。矿石类型主要有两种,即长英质糜棱岩型(白矿)和黑云斜长质糜棱岩型(黑矿)。该矿床金矿床体赋存于糜棱岩带内,蚀变组合为黄铁矿化-绢云母化(图5)。4强烈的构造活动冀东-辽西金矿床在空间分布、成矿时代、物质来源、成矿机理等方面存在密切关系,它的成矿演化史,是一部燕山期板内造山活动的响应史,更是燕辽地区强烈构造岩浆活动的缩影(赵越,1990;DeBoorderHetal.,1998;罗照华等,2007)。对它的分析研究,不仅可以解决冀东-辽西金矿时空分布的特异性问题,而且对区域找矿和资源评价意义重大。4.1矿界与花岗-绿岩带三大矿集区典型金矿床中,金厂峪、金厂沟梁和排山楼金矿均位于太古界老变质岩区中,峪耳崖和二道沟金矿分别位于老变质岩区内的花岗岩、火山-次火山岩中,通过地质地球物理研究发现其基底均为太古界老变质岩系(江为为等,2002),说明了太古界老变质岩系对该区金成矿起一定作用。另一个事实,三大矿集区所在区也是该区太古界岩系主要出露区,与国外的太古代花岗-绿岩带金矿基本一致(Danieletal.,1987;Grovesetal.,1987)。但该区由于受到早元古代末—中元古代裂陷活动的影响,老变质岩系基底受到一定程度的破坏,加上后期强烈的构造岩浆作用,与国外的花岗-绿岩地体内同造山型金矿床也存在着显著差别,即成矿时间的到达滞后和成矿迹象少甚至缺乏的特点。该区金矿在燕辽成矿带整体显示东西成带分布的特点,而在研究区内又表现出北东成串的现象,此类现象越往东越明显,充分显示了该区金矿成矿受古亚洲洋构造成矿域和滨西太平洋构造成矿域的联合控制。而需要指出的是金厂沟梁-二道沟矿集区中三个矿床貌似成矿背景、成矿条件、产出环境,甚至控矿构造产状,乃至成矿体系均具有极其鲜明的差异,然而它们却是同成矿构造期的产物,成为中生代成矿大爆发的典型实例而值得注重。4.2矿化主期及成矿时代金厂峪-峪耳崖矿集区,据以往成矿年代学资料,金厂峪金矿蚀变岩绢云母K-Ar法169.8Ma,峪耳崖金矿含金石英脉Rb-Sr法189.0Ma和163.8Ma,牛心山金矿含金石英脉绢云母Rb-Sr法190.0Ma,茅山金矿黄铁绢英岩绢云母K-Ar法135.9Ma,偏道沟含金石英脉石英Rb-Sr法161.0Ma等等(余昌涛等,1989;白洪生,1992;刘连登等,1994;梅燕雄,1997),表明该矿集区主要成矿于燕山运动早期。对于金厂沟梁-二道沟矿集区,周乃武等研究表明该区金矿化主期为140.0～135.0Ma(林宝钦等,1992;王建平等,1992;周乃武,2000),其中的年代学主要数据系由加拿大有关实验室测定的单颗粒锆石圈层法,结合该区基础地质资料,并以构造热事件为主线,确认了成矿于构造转折期—燕山运动中期(侏罗纪与白垩纪过渡期)。作为排山楼金矿集中区典型矿床的代表排山楼金矿,以其产出部位、矿床类型和时代的特殊性,备受瞩目。通过对成矿前变形闪长玢岩脉、成矿后的闪长玢岩脉的SHRIMPU-Pb法定年以及Ar-Ar法蚀变岩型矿石研究,排山楼金矿化主期约在125Ma(骆辉等,1997;罗镇宽等,2001;王荣湖等,2008),处在燕山运动的中晚期。综上,金厂峪-峪耳崖矿集区成矿年龄主要集中于190.0～161.0Ma,金厂沟梁-二道沟矿集区矿化主期为140.0～135.0Ma,而排山楼矿集区矿化主期为125Ma,这与燕山期的多期次构造岩浆成矿活动集中时期存在某种对应(毛景文等,2003;罗毅等,2004;邓晋福等,2009),说明了各矿集区在成矿上的时空差异,但也说明了冀东-辽西主要金矿的成矿时代均在燕山期,特别集中于140Ma前后,该时间段正好处在中国东部构造转折期,表明了区域金矿成矿作用与燕山期板内构造岩浆活动及其构造体制转变关系密切。这也从某方面反映出,板块之间的相互作用和板内造山活动不是一蹴而就的,存在一定的持续性和多阶段性,这正是我们以后需要关注和进一步探讨的问题。4.3成矿物质来源三大矿集区典型金矿床硫同位素、铅同位素及氢氧同位素特征见表2、3和4,图6、7和8(林尔为等,1985;李福元,1988❶;任玉樽,1989❷;孙丽娜,1990❸;张秋生等,1991;林宝钦等,1993;王安建等,1996;庞奖励,1998;张长春等,2002;Zhangetal.,2005;王自力等,2008;宋扬等,2011)。从表2和图6δ34S同位素图解可见,三大矿集区典型金矿床δ34S同位素值分布范围极窄,极差很小,反映了来源的一致性和深源的特征,与造山脉型金矿具有可比性。峪耳崖δ34S同位素值分布最窄,也反映了成矿受构造岩浆作用强,均一化程度高,而二道沟、金厂沟梁δ34S同位素值及其均值的高度一致性,从某方面说明矿液来源的相似性。三大矿集区典型金矿床的铅同位素模式图(图7)可以看出矿质来源的一致性和深源性。而金厂峪、峪耳崖、金厂沟梁、二道沟和排山楼的铅同位素也显示了一种演化趋势—从幔源到壳源演化,揭示了某种内在联系。对于氢氧同位素图解(图8),除金厂峪表现出明显受一定岩浆水来源影响外,其余均表现出大气-热液水特征,表明成矿是一个复杂的热液系统。结合三个矿集区典型矿床的硫、铅、氢和氧同位素数据图解(图6、7、8),可以得出矿床成矿物质的深部来源特征,这就揭示了是古陆形成初期的基性超基性岩浆的喷发所携带大量幔源成矿物质有关,形成统一的太古界变质结晶基底之中。在大大滞后的成矿地质作用过程中,铅也伴随发生了明显的演化和混染,如峪耳崖和二道沟表明了组成物质的重组和演变(图7)。4.4东辽至辽金成矿机制与预测的初步探讨通过以上的分析、对比研究,可以理顺出冀东-辽西金矿经历以下5个演化时期(图9)。(1)浆喷发期au、fe矿床地球形成初期至华北板块形成统一结晶基底,大量幔源物质熔融,地球处在基性-超基性岩浆喷发期,大量幔源成矿物质被带出来,如全球大部分的Au、Fe矿床在太古代形成。这个时期也形成了不少微陆块,他们相互碰撞拼贴,形成花岗-绿岩带,并发生了大规模的变质变形作用,并于吕梁运动后形成统一结晶基底,即太古代的老基底,富含金、铁等元素。(2)应力释放区和陆壳区的划分进入古元古代末—中元古代,华北板块进入陆内裂陷期,形成了著名的北东向展布的燕辽裂陷槽,开始了巨厚沉积期。燕辽裂陷槽一方面造成古陆壳的去整体化,造成了以后古老地层出露区的规模小而分散;另一方面裂陷槽的北东向展布,暗示北东向构造薄弱带的存在,易为应力集中和应力释放区,为以后冀东-辽西金矿北东向空间展布打下了构造基础。巨厚的沉积(加厚的地壳)并导致地幔的上隆(均衡补偿原理),从而导致了巨厚沉积物内部的温压条件异常,进而引发了深层次变质变形和物质的重新分配与组合,成为了该区域地壳中成矿物质富集的重要时期。(3)峪耳崖金矿成矿条件在古亚洲洋板块向南强大的推挤作用尚未完全停息之时(强化了区域性北东向构造形迹),该区域便拉开了燕山运动的序幕,伺候在太平洋板块强大动力源的直接作用下,该区整体进入板内造山期,表现出构造岩浆活动强烈,古老基底重熔形成初始矿源,并在地壳隆升过程中,在适当的温压条件下和就位空间中释放形成矿床。而作为最早的褶皱隆起区—马兰峪复式背斜,为金成矿的就位提供了条件,金厂峪-峪耳崖矿集区率先成矿。由于就位的构造深度、空间、位置的不同及先期构造岩浆的影响,形成了处于老变质岩区后韧性剪切带构造层的金厂峪金矿(金矿脉体处在韧性剪切后期形成的片理化带内,形成石英复脉型金矿)和花岗岩体内外接触带的峪耳崖金矿,特别令人感兴趣的是介于两个金矿之间的牛心山(含南部的老铧尖金矿)北部与峪耳崖雷同,南部与金厂峪貌似,且一“墙”之隔等。由此可见尽管两者在构造背景、矿床类型上似乎存在显著的差异性,但它们的成矿过程、成矿动力学和成矿物源等方面却显示出完全可比性。(4)转换期矿床进入燕山运动中晚期,太平洋板块持续作用,而该期中国东部发生了岩石圈减薄及构造体制大转换,由挤压为主转为拉伸为主。在转换期,构造岩浆活动加剧,不同深度和构造背景条件下形成了各具特色的矿床,如形成于老变质岩区与火山-次火山岩区接触带内外的金厂沟梁和二道沟金矿,形成于老变质岩区大理岩覆盖层下的同韧性剪切带金矿—排山楼金矿(金矿床体处在糜棱岩化最强区,即处在应力集中区的蚀变岩型金矿)。而上述金矿来源的一致性,说明了构造背景的特殊性决定了矿床类型的特殊性。(5)成矿后的变化众所周知,研究矿床成矿后的演化的主要目的在于地质找矿。为此,本文拟从以下三方面加以论述:①与所有的地质矿产一样,形成之后都会因为连续的构造运动影响或继续被抬升剥蚀至出露地表;②或因沉降被隐伏于更深的部位;③特别是因成矿后构造的深刻影响导致矿床重就位,甚至再次发生成矿物质的局限性重组等等。结合矿床或矿集区地质环境可知,大多数已形成的金矿床由于地处隆起带而显示出处在强烈的抬升和剥蚀之中,特别是那些邻近中新生代断陷盆地边缘的金矿抬升的幅度较大,也有部分沉降于断陷盆地之下。例如金厂沟梁矿集区中的金厂沟梁金矿,其目前所出露的部分应该属于二道沟继承性火山岩盆地的边缘部分,那么位于二道沟金矿之下的变质岩系中的金矿显然是被火山