山西繁峙县义兴寨金矿床地质特征及成因探讨

刘效广

(山西紫金矿业有限公司，山西 繁峙 034300)

0 引言

义兴寨金矿床是山西省唯一的大型金矿床，长期以来为地质、矿产研究者所关注，以往研究主要集中于矿床内脉状金矿体的地质地球化学[1-2]、成矿流体[3-4]、控矿因素[5-6]、矿床成因[3，5，7-12]、成矿地质背景[13-14]、成矿时代[14-15]、成矿动力学[16-17]等方面。近年来，在矿区河湾斑岩体深部探矿过程中发现了规模较大的蚀变斑岩型金矿体，这在山西省境内亦属于新的金成矿类型，无论对深入研究斑岩型金矿的成矿特征与成因，还是矿山深部和外围找矿勘探实践，均具有重要意义，而对于该矿床中斑岩型成矿的相关研究相对较少[18-19]。本文主要基于矿床地质特征、成矿年代、成矿温度及同位素数据，通过对比脉型和斑岩型成矿特征而对矿床成因提出一些认识，以期对该矿床成矿机理研究和进一步勘探实践提供有价值的参考。

1 区域地质背景

山西省繁峙县义兴寨金矿地处恒山山脉的东段南麓，位于华北地台北缘东段(Ⅰ)，华北断块(Ⅱ)、吕梁—太行断块(Ⅲ)、五台山块隆(Ⅳ)、恒山—五台山穹状隆起区(Ⅴ级)(图1)，滹沱河新断陷之北，恒山大西沟门—官儿—白银寺NEE向复背斜东南翼。

图1 义兴寨金矿大地构造位置图[20]

区域内构造以NEE向和NW向深断裂为主，其中NEE向断裂为前寒武基底构造，发育以挤压性质为主的低角度顺层剪切变形带，部分剪切带从吕梁期到新生代长期活动，并已延伸至下地壳；NW向深断裂为燕山期地壳垂向运动形成，后期受区域南、北一对力偶逆时针扭动作用进一步改造，具张扭性断裂特征。上述两组断裂在基底中形成了NW向与NEE向交错的构造格架，并切穿地壳，为中生代火山断陷盆地及超浅成、浅成直至深成岩浆活动的发育和银-金-多金属矿床的形成提供了构造条件。

区域岩浆活动从五台期—燕山期—喜山期均有，岩性从基性—酸性—碱性，产出多为浅层—超浅成岩体，其中燕山期岩浆活动与本区成矿关系密切。

区域上主要有金、铁、铜、钼、银、锰等矿床，是山西省重要的矿产地。除义兴寨—辛庄金矿床外，还有茶坊铁-金矿床、后峪铜-钼-金矿床、支家地金矿床、太那水金矿床、刁泉铜-银-金矿床、小青沟—流砂沟银-锰矿床等。

2 矿区地质特征

2.1 矿区地质特征

2.1.1 地层

矿区地层出露简单，主要为新生界第四系中更新统、上更新统和全新统，覆盖矿区90%面积；其次为残余的蓟县系雾迷山组、下寒武统馒头组(图2)，岩性主要为碎屑和化学沉积岩类，与矿化无明显密切关系。

图2 义兴寨矿区地质简图

中元古界蓟县系下统雾迷山组(Jx1w)：残余出露在矿区西南角、南门山角砾岩筒西侧，岩性为中厚层状的砂砾岩、石英砂岩、含燧石条带及硅质结核石灰岩。

古生界下寒武统馒头组(∈1m)：残余出露在矿区西南角、南门山角砾岩筒西侧，顶部或上部为浅灰黄色及灰紫色不纯碳酸盐岩、鲕粒状灰岩、薄层条带状泥质灰岩，局部夹泥灰岩；中下部为棕红色、紫红色、砖红色薄板状泥质灰岩和页岩，夹条带状、薄层至薄板状泥质灰岩、黄绿色钙质、砂质页岩及少量粉砂岩，页岩或泥质灰岩中偶见食盐假晶。该组地层平行不整合于雾迷山组之上，厚40.4 m。

第四系中更新统(Qp2)分布于沟谷中，为含钙质结核的红土、亚砂土、黏土层及砂砾层；上更新统(Qp3)在矿区的北部、东北部、西部以及南部广为分布，为黄土、亚砂土层夹砂及砂砾层；全新统(Qh)多分布于河谷中，为现代冲洪积砂砾层。

2.1.2 构造

矿区位于恒山大西沟门—宫儿—白银寺NEE向复背斜东南翼，北部发育与主背斜轴向一致的NEE向次级背、向斜外，而矿区构造类型总体以断裂及火山机构为主。

矿区断裂构造明显具有多期次活动的特征，主要为NEE向、NW向、SN向和NE向四组断裂。NEE向断裂分布于矿区中部，属前寒武纪区域性基底断裂构造；NW向断裂也属区域性断裂，分布于矿区东西两侧(F4、F8)，这两组构造构成矿区构造的基本格架。其次级SN向、NW向断裂控制了矿区石英脉型金矿体的产出。

区内火山机构主要有河湾、南门山、铁塘硐和金鸡岭4个呈菱形分布的火山颈，各火山颈岩筒边部发育放射状断裂构造，矿区内斑岩型金矿体产于河湾火山颈内的石英长石斑岩内。

2.1.3 岩浆岩

矿区出露的岩浆岩主要为黑云角闪斜长片麻岩、酸性次火山岩和辛庄闪长杂岩体，岩体的分布主要受NNW向基底断裂和NNE向走滑断裂控制[21]。黑云角闪斜长片麻岩为闪长岩变质而成，岩体呈较大岩基状产出，间夹少量世代较早的斜长角闪岩包体。

燕山期岩浆岩主要为辉绿岩脉、闪长岩杂岩岩体、花岗斑岩脉、酸性次火山岩及与酸性次火山岩相伴的次火山岩脉。其中酸性次火山岩在矿区内分布较为广泛，且与本区金、多金属成矿关系密切，其主要分布在矿区中部，由河湾、铁塘硐、南门山、金鸡岭4个角砾岩筒组成，主要为石英斑岩和霏细岩。

其中石英斑岩的U-Pb定年结果表明其侵位时代为(141±1)Ma[19]，浅肉红至灰白色，见聚斑、自碎斑状、晶屑、角砾等结构；基质不均匀，有霏细、显微嵌晶结构等。斑晶多具碎、裂、溶蚀现象，主要为尖角状—溶蚀圆柱状石英，含量为5%～15%，板条状钾长石，含量为5%～10%，其次有斜长石、云母等。流纹构造发育处，斑晶中长石增多而石英减少，且长石斑晶沿接触带排列呈流线构造。副矿物有锆石、磷灰石、锐钛矿等。

另外，矿区内脉岩也极为发育，主要有辉绿岩脉、闪长玢岩脉、闪斜煌斑岩脉等[11]，其中大多数辉绿岩呈不规则脉状、囊状沿层间破碎面贯入，多呈NE—NEE、NW向展布，为五台—吕梁期岩浆岩；部分辉绿岩切割石英斑岩，形成于早白垩世。

2.2 矿体特征

2.2.1 石英脉型金矿体特征

义兴寨区内目前发现石英脉金矿带两组共16条(图3)。其中SN向矿(化)体间距在180～220 m之间，规模较大，分布连续，倾角多大于80°；NW向矿(化)体间距在320～370 m之间，此组规模较小，倾角70°～85°。各矿体在走向上和倾斜方向上，具膨大收缩变化特征和近等间距分布规律，膨大部位与狭缩部位的间距约120 m。目前具有开采价值的共有m0号、5-I号、6-I号、7-ⅩⅤ 号4个矿体和新发现的m22-1号、m22-2号、m22-3号3个矿体。

图3 义兴寨矿区金矿体剖面示意图

矿体主要由(黄铁矿-)多金属矿化石英脉和构造角砾岩组成，主要赋存于SN向压扭性断裂带内。5-I号矿体由多金属矿化石英脉及断层角砾岩组成，赋存在近SN向压扭性构造内，赋矿围岩为片麻岩。6-I号矿体赋存在近SN向压扭性断裂中，由黄铁矿-多金属硫化物石英脉与构造角砾岩组成。m0号矿体由黄铁矿-多金属硫化物石英脉与构造角砾岩组成，厚度为0.10～4.30 m，矿体沿矿体倾斜方向厚度具变小趋势。这些矿体沿走向及倾向均具有膨大缩小、尖灭再现、分支复合特征。m22-1号矿体呈脉状，走向近SN，矿体由黄铁矿-多金属硫化物石英脉与构造角砾岩组成，厚度为0.22～2.93 m。m222号矿体呈脉状，走向近SN，矿体由黄铁矿-多金属硫化物石英脉与构造角砾岩组成，厚度为0.39～1.66 m。m22-3号矿体呈脉状，矿体由黄铁矿-多金属硫化物石英脉与构造角砾岩组成，厚度为0.09～5.24 m。7-ⅩⅤ号矿体呈脉状、板状，矿体由黄铁矿-多金属硫化物石英脉及构造角砾岩组成，厚度为0.90～1.20 m。

2.2.2 斑岩型金矿体特征

斑岩型金矿带产于河湾斑岩体内部，形态受斑岩体形态和F4断层构造控制。平面上位于EW方向勘探线的3～8线间，总体具有“东富西贫”、“中富边贫”的特征(图4)。与石英脉型金矿体相比，斑岩型金矿体具有规模大、品位低、矿化较为均匀等特征。矿化主要呈“鸡窝状”，强度由中心向四周呈逐渐减弱趋势。区内共圈定BK1、BK2两个主矿体，BK3、BK4、BK5三个次要矿体，成矿围岩均为黄铁绢云岩化长石石英斑岩。

图4 河湾斑岩827中段金矿化蚀变分布示意图

BK1号矿体规模最大，位于河湾斑岩体内、F4断层的东侧；矿体矿头埋深250～370 m，呈近等轴囊状体，垂向上矿体中间厚大，向上向下快速变小至尖灭。BK2号矿体位于河湾斑岩体的中心部位，BK1和F4断层的西侧；矿体矿头埋深364～418 m，呈不规则椭球体状，垂向上矿体中间厚大，向下逐渐变小至尖灭。BK3号矿体位于BK1号矿体东侧上方，F4断层东侧下盘，矿头埋深160～188 m；矿体呈不规则板状，走向327°～350°，倾向237°～260°，倾角约60°；控制矿体长约102 m，延深约151 m。BK4号矿体位于BK2西侧下部，矿头埋深639～735 m；矿体呈不规则似板状或不规则囊状，总体走向约340°，近直立；矿体走向长125～193 m，厚度为61～90 m，向上向下逐渐变窄变小直至尖灭。BK5号矿体位于BK1号矿体的下方，矿头埋深702～804 m；矿体总体呈不规则板状或楔状，西侧薄，东侧厚；总体走向近70°，近直立，矿体东西向长约170 m，延深约102 m。

蚀变斑岩裂隙十分发育，并被大量细脉状硫化物-石英脉充填，细脉两侧发生强烈的黄铁绢英岩化。硫化物石英脉从单脉到网脉状均有发育，产状变化较大。黄铁绢英岩化靠近含金石英细脉尤为发育，远离脉体蚀变逐渐减弱。

斑岩型金矿化从地表向下呈现由低品位较均匀—富集—分枝减弱的变化规律：w(Au)≥0.2×10-6的金矿化主要分布在1200 m(地表)～1140 m之间和1000～850 m之间，而1140～1000 m金矿化较为分散，不成规模；在850～670 m之间富集，平面形态呈次圆形；670 m向下矿体出现分枝，主要呈“鸡窝状”，分布不均匀，矿化强度及规模具明显减弱趋势(图5)。

图5 河湾斑岩型金矿化体自550～850 m联合中段图

2.3 矿石组构

石英脉型金矿体矿石主要金属矿物有银金矿、自然金、角银矿、含银方铅矿、黄铁矿、黄铜矿、纤铁矿、闪锌矿、方铅矿等，具有中—低温热液矿物组合特征。矿石结构主要有他形粒状结构、半自形—自形粒状结构、压碎结构、填隙残余结构、文象结构、乳滴状结构等；矿石构造主要有梳状构造、晶簇状构造、浸染状构造、交错网状构造、网脉状构造、条带状构造、角砾状构造等。

斑岩型金矿石中的金矿物主要是自然金，其次为银金矿。金属矿物以黄铁矿为主，少量褐铁矿、闪锌矿及微量黄铜矿、黝铜矿、方铅矿、碲银矿、辉碲铋矿、磁黄铁矿、铜蓝、白铅矿、针硫铋铅矿等。矿石结构主要为自形—半自形粒状结构、他形粒状结构、交代残余结构。矿石构造主要为浸染状构造、斑点状构造和脉状构造。浸染状构造主要表现在黄铁矿、黄铜矿等金属硫化物呈粒度不均匀的集合体较分散地分布于脉石矿物中。斑点状构造主要表现在黄铁矿、石英等呈粒度粗大的斑点状分布。脉状构造出现较少，主要表现在闪锌矿、黄铁矿等金属矿物集合体呈脉状沿矿石裂隙分布。

2.4 金矿化蚀变特征

2.4.1 石英脉金矿化蚀变特征

石英脉型金矿体围岩蚀变主要有硅化、黄铁矿化、绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化、黏土化等，主要发育在矿脉两侧30～50 cm范围内或构造破碎带内，总体较弱，有分带性：硅化→硅化绢云岩化→绢云岩化→绢云岩化、绿泥石化→绿泥石化、钾化带→原岩。蚀变强度、宽度和完整性与矿体规模呈正相关关系。

2.4.2 斑岩型金矿化蚀变特征

斑岩型金矿体的主要蚀变类型为黄铁绢英岩化、赤铁矿化、电气石化，次为黏土化包括高岭石、埃洛石、伊利石、(多硅)白云母、蒙脱石等。平面上，自岩体中心向外大致分带是赤铁矿化、高岭土化→强黄铁绢英岩化→黄铁绢英岩化→弱黄铁绢英岩化→赤铁矿化、电气石化。

蚀变分带垂向上，至下而上依次出现赤铁矿化→钾化、硅化→黄铁绢英岩化。赤铁矿化、高岭石化带，位于斑岩型金矿带蚀变的中心部位；主要蚀变矿物为高岭石、赤铁矿、蒙脱石、伊利石、绢云母等，次为黄铁矿、方解石等。黄铁绢英岩化带，呈面状分布于整个斑岩型金矿带，高程1200～300 m蚀变普遍发育，由岩体中心向边缘蚀变程度逐渐减弱；主要蚀变矿物为绢云母、石英、黄铁矿等，次为高岭石、蒙脱石、方解石等。赤铁矿化、电气石化带远离斑岩矿化体，位于岩体边部，主要蚀变矿物为电气石、赤铁矿，少量黄铁矿、石英、绢云母。

斑岩型金矿化发育于(黄铁)绢英岩化蚀变带中，矿化程度与(黄铁)绢英岩化蚀变强度呈一定正相关性，而蚀变强的地方矿化程度不一定高。其中绢云母化、硅化与矿化关系最为密切，次为黄铁矿化。

3 矿床成因

3.1 成矿有利条件

3.1.1 岩浆岩

晚太古代黑云斜长片麻岩呈较大岩基状在矿区广泛分布，为石英脉型金矿体的主要赋矿围岩，上百件样品测定结果显示其平均w(Au)=21.89×10-9(表1)，是地壳中Au克拉克值的5.5倍；其中富浅色长英质矿物岩体(石英斜长浅砾岩、钾长石片麻岩、斜长石片麻岩)平均w(Au)=7.77×10-9，而富暗色矿物岩体(黑云角闪斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、绿泥石片麻岩)平均w(Au)=37.94×10-9，表明Au含量的高低与原岩的成分及变质分异作用直接相关，Au的富集与暗色铁镁质矿物含量显示一致性，与浅色矿物关系不大。偏中性的片麻岩可能在深部，因部分熔融而成为矿源层提供部分成矿物质；另外该片麻岩硬度大，性脆易开裂，在成矿前构造格局、燕山期构造应力场和岩浆活动热力场的共同影响下，容易形成各种脆性断裂，是含矿流体运移、聚集和沉淀的有利部位[5]。

表1 义兴寨变闪长岩体微量元素含量

区内燕山晚期约140 Ma中酸性次火山岩分布较为广泛，主要出现于矿区中部的河湾、铁塘硐、南门山、金鸡岭4个角砾岩筒中，空间上与本区金多金属成矿关系密切。一方面，含金石英脉带具有围绕岩体分布的显著特征；另一方面，河湾斑岩体是矿区斑岩型金矿体的主要赋矿围岩。

3.1.2 构造

区内近SN向及NW向断裂为成矿流体的运移和储存提供了有利空间，是石英脉型矿体主要赋矿构造。NW向区域性张扭性大断裂为本区的导岩导矿构造，对燕山晚期岩浆的侵入活动有控制作用，同时成为成矿后的破岩、破矿构造。

矿区内河湾、南门山、铁塘硐、金鸡岭4个火山颈构造控制了燕山期岩浆岩的展布，与成矿有关的中酸性岩体的侵位、喷发形成了区内矿化流体的重要导矿通道，其又是赋矿构造，河湾斑岩型金矿体、南门山地表氧化矿化体及铁塘硐角砾筒中窝状、面状金矿体均赋存在对应的火山颈构造中。

3.2 成矿年代

本次研究对斑岩型金矿体金主成矿阶段的绢云母和510中段5-I号金矿脉中的第一成矿阶段的绢云母分别做了40Ar/39Ar年代学分析，获得斑岩型金矿体中绢云母坪年龄为(139.16±1.37)Ma，石英脉型金矿体中的绢云母坪年龄为(138.94±1.38)Ma(图6)。这两个年龄分别代表了斑岩型金矿体和石英脉型金矿体的成矿年龄，两组年龄非常接近，从年龄值上看，斑岩型金矿体年龄略早于石英脉型金矿体，这与宏观特征中斑岩型金矿体被脉状金矿体穿插的现象吻合(图3和图7)。此外，两组年龄与矿区分布的石英斑岩年龄(141±1 Ma)[18]在误差范围内一致，指示了岩浆侵位与斑岩型和脉型金矿体的形成在时间和空间上具有成因联系。

图6 河湾斑岩型金矿体(a)及510中段5-Ⅰ号金矿脉(b)绢云母40Ar/39Ar年龄谱

图7 827中段7-Ⅱ金矿脉穿插斑岩型金矿体

3.3 成矿温度

3.3.1 石英脉型金矿体

据矿脉穿插关系和金属矿物共生组合关系，将石英脉型金成矿划分为黄铁绢英岩化阶段(Ⅰ)、黄铁矿-石英阶段(Ⅱ)、石英-黄铁矿阶段(Ⅲ)、石英-多金属硫化物阶段(Ⅳ)和多金属-碳酸盐阶段(Ⅴ)五个成矿阶段。对主成矿阶段标志性矿物温度测试结果显示，黄铁矿-石英阶段(Ⅱ)金含量较高，其形成温度较高，一般大于350℃；Au主要矿化阶段石英-黄铁矿阶段(Ⅲ)成矿温度变化介于270℃～350℃；Ag-Pb-Zn-Cu主要矿化阶段石英-多金属硫化物阶段(Ⅳ)成矿温度介于200℃～250℃；多金属-碳酸盐阶段(Ⅴ)成矿温度<200℃(图8)。

图8 不同产状代表性金银矿物Au与Ag的相关性(a)及成矿温度图解(b)

对比分析各成矿阶段温度，石英脉型金矿体金主成矿温度集中在270℃～350℃之间。伴生元素主成矿温度主要集中在200℃～250℃。

3.3.2 斑岩型金矿体

斑岩型金矿体赋金矿物主要是银金矿和金银矿，根据矿物温度计测试结果，成矿温度可分为3组(图9)，斑岩型金矿体的成矿温度在270℃～330℃之间。

图9 义兴寨矿床石英脉流体包裹体H-O同位素(a)与硫同位素直方图(b)

1)硫化物中包裹的银金矿及斑岩基质中浸染状存在的银金矿金成矿的主要温度集中在300℃～330℃，金成色较高。

2)硫化物裂隙中的银金矿金银比值分布较为分散，银含量相对较高，其形成的温度主要集中在270℃～300℃之间。

3)斑岩内硫化物/蚀变基质裂隙中的少量金银矿，主要含银，见少量的金，温度低于270℃。

3.4 成矿流体与成矿物质来源

3.4.1 石英脉型金矿体

矿区内脉型金矿体中石英等矿物中流体包裹体的H-O同位素分析表明成矿流体主要来源于岩浆热液(图9a)，较晚的多金属硫化物成矿阶段有大气降水加入。前人对该矿床不同硫化物的S同位素分析表明δ34S主要呈塔式分布于零附近[12](图9b)，也指示成矿物质来源于岩浆热液流体。

3.4.2 斑岩型金矿体

对510中段和830中段石英斑岩中电气石采用激光剥蚀多接受电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICP-MS)分析显示，电气石的硼同位素范围为-11.52‰～1.50‰，大致呈塔式分布。研究发现，火山岩的硼同位素范围分布在-17.5‰～-1.5‰之间，岛弧火山岩的硼同位素变化范围稍大(-14.6‰～+0.6‰)[23-25]，源自壳源沉积物的S型花岗岩中的电气石与平均地壳的硼同位素值非常接近(-10‰±3‰)[26]。可见，义兴寨斑岩型金矿床中电气石的硼同位素与岩浆成因电气石的硼同位素组成相一致，与大气降水硼同位素组成有部分重合(图10)。

图10 义兴寨金矿电气石硼同位素组成(a)与典型岩石、矿物和流体储库硼同位素组成(b)[27]

结合基础地质特征，强绢云母化蚀变与高品位金矿化的部位，在空间位置上均分布在被斑岩捕获的热液角砾岩集合体的底部，表明斑岩型金矿化的主要成矿物质与流体，均主要来自与河湾斑岩同源的深部岩浆房出溶的岩浆热液，后期有大气降水混入。

综上分析，在义兴寨金矿床内，斑岩型金矿(化)体和石英脉型金矿(化)体成矿时间相近，成矿流体均主要来自岩浆流体，并在成矿晚阶段混入有一定的大气降水；同位素数据显示，两类矿化的成矿物质也主要来自于岩浆，可能主要受控于同期同源的岩浆活动，含金石英脉带具有穿插并围绕斑岩型矿化主要赋矿斑岩体分布的显著特征，符合“多位一体”式矿床成矿特征[28]。

4 结论

1)野外调查研究发现，矿体在空间分布上受近SN向及NW向断层控制；赋存于角砾岩筒中燕山晚期约140 Ma中酸性次火山岩与金多金属成矿关系密切，不仅控制含金石英脉带分布，同时是斑岩型金矿体的主要赋矿围岩。

2)年代学分析显示，斑岩型金矿体成矿年龄为(139.16±1.37)Ma，石英脉型金矿体成矿年龄为(138.94±1.38)Ma。两者成矿年龄相近，均形成于燕山晚期，斑岩型金矿体年龄略早于石英脉型金矿体，也与石英斑岩成岩年龄在误差范围内完全一致，指示岩浆侵位和两类金矿体的形成在时间和空间上具有成因联系。

3)斑岩中石英流体包裹体的H-O同位素分析和电气石硼同位素LA-MC-ICP-MS分析显示，斑岩型金矿体和石英脉状金矿体的成矿流体主要来自岩浆流体，并在成矿的晚阶段混入一定的大气降水；成矿物质也主要来自于岩浆，均主要受控于同期同源的岩浆活动。

4)该矿床成因类型为燕山晚期受火山角砾岩筒及SN向、NW向断裂构造控制，与中低温岩浆热液有关的斑岩型金-热液充填石英脉型金多金属矿床，属“多位一体”式矿床。