华北克拉通北缘早白垩世金成矿与地幔物质的贡献*

白阳 张连昌 朱明田 黄柯, 3 高炳宇 李文君 王长乐

1. 太原理工大学矿业工程学院，太原 030024 2. 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京 100029 3. 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

华北克拉通是全球最古老的克拉通之一，其岩石圈在显生宙发生了强烈改造，特别是中生代以来，华北岩石圈地幔由古生代典型的大陆岩石圈地幔到中生代尤其是早白垩世转型为“大陆过渡型”或“大陆交代型”岩石圈地幔(周新华, 2006)，对区域金矿的形成产生了重要影响。华北克拉通是我国重要的金矿产区，区内大部分金矿床沿克拉通周缘展布，其大型和超大型金矿床主要形成于早白垩世。众多研究表明，华北克拉通金矿的成矿流体及成矿物质主要来源于与地幔有关的岩浆活动，但也存在壳源物质的广泛加入；交代的富集岩石圈地幔熔融产生的流体与壳源组分的相互作用是爆发成矿的关键(周新华等, 2001; 翟明国等, 2004; 范宏瑞等, 2016, 2021; Dengetal., 2020a, b; 张永文, 2022)。同时发现，华北大多数金矿成矿时代与克拉通破坏峰期基本一致，被称为“克拉通破坏型”金矿(Zhuetal., 2015)；华北克拉通东部金矿与幔源岩浆活动密切有关，富集岩石圈地幔中富含的挥发分(S、C、Cl、He、Ar)有利于金的富集，多期构造-岩浆-热液活动进一步促进了大规模金矿的形成(张连昌等, 2002, 2007; Wangetal., 2020)。

长期以来，关于华北克拉通金矿成矿物质来源的研究大多集中于华北东部早白垩世金矿床，而对华北北缘早白垩世金矿床的关注较少。华北克拉通北缘包含了近70个金矿床，总储量超过1000t(Zengetal., 2021)。邵济安等(2020)指出显生宙华北克拉通北缘及邻区存在早二叠世(280Ma)、晚三叠世(230Ma)、早侏罗世(180Ma)和早白垩世(120Ma)四次底侵事件，与华北北缘多期金矿床的成矿时代接近(张连昌等, 2018)，表明深部幔源岩浆的底侵作用与区内金矿化存在成因联系。已有研究表明，华北北缘广泛发育晚三叠世及早白垩世岩浆-构造-成矿事件，金矿床的成矿流体及成矿物质具有显著的幔源组分参与(白阳等, 2022)。早白垩世是中国东部壳幔相互作用最活跃的时期，在华北北缘形成了一系列成分复杂的岩浆体系和多个相关的大型金矿集中区。目前有关华北北缘早白垩世金成矿的研究主要集中于少数矿床，如五龙金矿床、金厂沟梁金矿床等(Yuetal., 2018; Fengetal., 2020; Zengetal., 2021)，缺少对华北北缘早白垩世金矿带的整体研究和区域岩石圈破坏过程中地幔物质参与成矿的系统梳理。

本文基于华北克拉通北缘早白垩世金矿床成矿地质特征的研究，系统收集了金矿床氢-氧、碳、氦-氩、硫、铅、锶-钕等同位素地球化学资料，综合探讨了壳幔演化、岩石圈减薄与华北北缘早白垩世大规模金成矿之间的联系，为约束华北北缘早白垩世金矿的时空分布规律及成矿机理提供重要证据。

1 华北克拉通北缘区域地质背景

华北克拉通是中国大陆最古老的地质单元，是我国最重要的金矿产区，区内金矿床主要分布于克拉通周缘，包括东缘胶东矿集区、南缘小秦岭-熊耳山矿集区及北缘多个矿集区(图1)。华北克拉通北缘由太古宙-早元古代变质基底及元古代-新生代沉积盖层组成，其中太古宙-古元古代高级变质岩近东西向展布，主要由片麻岩、混合岩、麻粒岩、斜长角闪岩和斜长角闪片麻岩组成(Zhaoetal., 2001; 刘敦一等, 2007; Zhai, 2011)。古元古代以来，华北北缘开始接受盖层沉积，形成了弱变质的中元古代-早古生代海相碎屑岩及碳酸盐岩沉积；中石炭世-二叠纪，华北北缘主要形成海陆交互相沉积；侏罗纪之后，区内主要发育陆相火山-沉积建造。

图1 华北克拉通中生代岩石圈地幔化学不均一性(a,据周新华和张宏福，2006修改)与区域金矿分布地质简图(b,据李绪俊等，2012修改)Fig.1 Chemical heterogeneity of Mesozoic subcontinental lithospheric mantle in the North China Craton (a, modified after Zhou and Zhang, 2006) and simplified distribution geological map of the gold belts in the NCC (b, modified after Li et al., 2012)

华北克拉通北缘的构造演化主要受华北克拉通、中亚造山带和古太平洋俯冲的影响，经历了变质基底形成期、稳定克拉通化发展期和克拉通活化破坏期(翟明国, 2019)。晚古生代前华北北缘相对稳定，晚古生代受到中亚造山带的影响，华北北缘形成了EW向展布的构造-岩浆带，中-晚泥盆世(400～360Ma)以碱性岩为主(张拴宏等, 2007; 李长民等, 2014; Zhangetal., 2014)；晚石炭世-中二叠世(330～265Ma)侵入岩主要包括闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩和花岗岩(张拴宏等, 2007; Zhangetal., 2009; 廖祥东, 2019)。华北北缘三叠纪岩浆-构造-成矿事件主要受到中亚造山带演化的控制，早三叠世岩浆岩侵入时代集中于～250Ma；中-晚三叠世(235～200Ma)岩浆岩以花岗岩和碱性花岗岩为主(Zhangetal., 2014; 刘锦等, 2016)。

侏罗纪-白垩纪，华北克拉通受到古太平洋板块俯冲作用的影响，发生强烈伸展、减薄和破坏，发育以NE向和NNE向为主的伸展构造。华北克拉通北缘同样受到侏罗纪-白垩纪构造事件的影响，在其中段和东段岩石圈地幔遭受了构造-岩浆活动的强烈改造，形成了多重组分混合的岩石圈地幔，被周新华和张宏福(2006)称之为混合地块(图1a)，即岩石圈地幔整体具有不同程度的富集特征，局部地区仍存在着亏损地幔的特征。华北北缘侏罗纪侵入岩的岩石类型主要包括花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩和石英闪长岩等，成岩时代集中在193～151Ma，在阳原、宣化、赤城、承德、平泉、北票等地还分布有侏罗纪玄武岩(Zhangetal., 2014; 邵济安等, 2020)。早白垩世(～120Ma)是华北克拉通大规模成矿的重要阶段，金矿床的形成与早白垩世岩浆岩具有密切关系，北缘的侵入岩主要包括正长岩、花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩和双峰式基性岩墙等(吴福元等, 2005; Zhangetal., 2014)，内蒙古四子王旗、张北大麻坪和辽西阜新等地可见镁铁质堆晶岩(邵济安等, 2017)，这些岩浆岩组合反映了华北克拉通北缘在早白垩世经历了强烈的岩石圈减薄和壳-幔相互作用，为区域金矿的形成提供了有利条件。

根据构造位置和地质特征，华北克拉通北缘金矿带自西向东可依次划分为西段乌拉山-大青山，中段张家口、赤峰-朝阳、冀东，东段辽东和吉南等金矿集中区(以下简称矿集区)。华北北缘金矿床以石英脉型和蚀变岩型为主，主要赋存于新太古代-中元古代变质岩系和中生代花岗岩类中。乌拉山-大青山矿集区以早二叠世-晚三叠世金-钼矿化为主，中段矿集区以三叠纪、侏罗纪和白垩纪金矿化为主，东段矿集区主要为侏罗纪和白垩纪金多金属矿化(图2)。

2 早白垩世金矿带分布特征与典型金矿床

华北北缘早白垩世金矿床主要分布于中段和东段矿集区，包括金厂沟梁金矿、排山楼金矿、五龙金矿、海沟金矿、板庙子金矿等。大多数金矿床容矿岩石为前寒武纪角闪岩相-高角闪岩相-麻粒岩相变质岩以及晚中生代侵入体，金矿化以石英脉型矿化和蚀变岩型为主(图2、表1)。

图2 华北克拉通北缘金矿床分布简图(据Zeng et al., 2021修改)早白垩世金矿床主要集中于中段和东段Fig.2 Distribution map of gold deposits in the northern margin of the NCC (modified after Zeng et al., 2021)The Early Cretaceous gold deposits are mainly concentrated in the middle and east sections

2.1 赤峰-朝阳矿集区

赤峰-朝阳矿集区位于华北北缘金矿带中段(图1、图2)，为华北克拉通与兴蒙造山带的过渡带。矿集区以赤峰-开源深大断裂为界，北部为兴蒙造山带，主要出露奥陶纪、志留纪、石炭纪、二叠纪地层；南部为华北克拉通，出露新太古代角闪岩-高角闪岩相变质岩。矿集区内发育晚古生代-中生代各类中酸性侵入体及岩脉。赤峰-朝阳矿集区内金矿床主要形成于晚三叠世和早白垩世，与中生代岩浆岩具有密切的时空关系，早白垩世金矿床包括金厂沟梁、北票二道沟和安家营子金矿等(图3、表1)。其中金厂沟梁-二道沟金矿脉围绕着西对面沟岩体呈放射状、马蹄状展布，部分矿脉与中-基性岩脉产状一致，这些岩脉多数为成矿前-成矿期侵入，包括闪长玢岩、石英斑岩和正长斑岩等(苗来成等, 2003)，成矿后岩脉主要由闪长玢岩、石英斑岩、安山玢岩等(孙珍军, 2013)。

图3 赤峰-朝阳金矿矿集区地质简图(据Liu et al., 2019b修改)Fig.3 Geological sketch map of Chifeng-Chaoyang district (modified after Liu et al., 2019b)

图4 五龙-猫岭金矿矿集区地质简图(据Yu et al., 2020修改)Fig.4 Geological sketch map of Wulong-Maoling district (modified after Yu et al., 2020)

2.2 辽东矿集区

辽东矿集区位于华北北缘东段，包括青城子金多金属矿集区和五龙-猫岭金矿集区(图1、图2)。其中，青城子金多金属矿集区的金银矿化主要形成于晚三叠世(Liuetal., 2019a; Fengetal., 2022)；五龙-猫岭矿集区大型金矿化主要形成于早白垩世。五龙-猫岭矿集区位于辽东矿集区的南部，区域地层包括太古代-元古代变质基底和中生代的沉积盖层，侏罗纪和白垩纪的中酸性岩体及岩脉广泛侵入变质基底中，岩性主要包括花岗闪长岩、花岗岩、花岗斑岩、闪长岩等(Yuetal., 2018)，NE、NNE和NW向断裂是区内主要断裂，控制着岩浆岩和金矿床的展布。五龙-猫岭矿集区内大型金矿床包括五龙金矿床、四道沟金矿床和猫岭金矿床(图4、表1)。五龙金矿(Yuetal., 2020)和四道沟金矿床(Fengetal., 2019)为早白垩世金矿，金矿床整体围绕早白垩世三股流岩体展布。五龙金矿为石英脉型金矿床，含金石英脉主要赋存于晚侏罗世片麻状二云母花岗岩(165～157Ma)和早白垩世花岗闪长岩(129Ma)中，受NNE和NW向断裂控制。此外，矿区内广泛发育早白垩世中-基性岩脉，岩性主要为闪长(玢)岩和辉绿岩。闪长(玢)岩脉与矿脉具有密切的空间关系，二者近平行展布，且时代接近，岩脉局部可构成矿体(刘颜, 2020)。

2.3 吉南矿集区

吉南矿集区位于华北北缘东段，包括夹皮沟矿集区和老岭矿集区(图1、图2)。夹皮沟矿集区位于吉林省桦甸市东约60km，矿集区内包含17个金矿床和161个金矿化点，总储量超过100t，大规模金矿化主要形成于晚三叠世和早白垩世，海沟金矿是区内典型的早白垩世金矿床(Zengetal., 2017)，矿区内广泛发育早白垩世岩浆岩及各类岩脉。闪长玢岩脉、正长闪长斑岩脉和辉绿岩脉为成矿期岩脉，矿脉及与成矿有关的岩脉围绕早白垩世大海沟岩体呈放射状展布。老岭矿集区位于吉南矿集区南部，区内地层主要由太古宙变质结晶基地和元古宙-显生宙的沉积岩或火山岩盖层组成(赵永发等, 2004)。金矿床主要产于古元古代老岭群大理岩、片岩等变沉积岩中。矿集区内发育NE向、NW向和EW向三组断裂，金矿化主要沿着NE向断裂展布(图5)。中生代花岗岩类侵入岩及中基性-中酸性岩脉与金矿具有密切的时空关系(冯守忠, 1997; 陈煜嵩等, 2020)。老岭矿集区金矿化形成于早白垩世，典型金矿床有南岔金矿、荒沟山金矿和板庙子金矿(表1、图5)。其中，南岔金矿和荒沟山金矿区内广泛分布中基性岩脉，如辉绿岩、闪长岩、闪长玢岩和煌斑岩等，闪长岩和闪长玢岩是赋矿围岩之一，特别在南岔金矿，闪长岩型矿体是重要的矿石类型之一(赵彦明, 1993)。

图5 吉南老岭金矿矿集区地质简图(据李宝毅等, 2010修改)Fig.5 Geological sketch map of Jinan Laoling district (modified after Li et al., 2010)

图6 华北克拉通北缘早白垩世金矿床成矿流体氢-氧同位素组成(a, 据Zhu et al., 2015修改)和碳同位素组成(b)数据来源：刘裕庆，1991；王时麒等，1994；谢锡才等，1997；庞奖励，1998；魏俊浩等，2000；魏存弟，2001；张长春等，2002；Zhang et al., 2005；侯万荣，2011；黄志新，2012；孙守恪，2015；高嵩，2016；周向斌等，2016；Chai et al., 2016；成曦晖，2017；Zeng et al., 2017；王路智，2018；Yu et al., 2018；陈煜嵩等，2020；Feng et al., 2020；贾欢欢，2020；王睿等，2020Fig.6 H-O isotopic compositions (a, modified after Zhu et al., 2015) and C isotopic compositions (b) of ore-forming fluids of the Early Cretaceous gold deposits in the northern margin of the NCCData source: Liu, 1991; Wang et al., 1994; Xie et al., 1997; Pang, 1998; Wei et al., 2000; Wei, 2001; Zhang et al., 2002; Zhang et al., 2005; Hou, 2011; Huang, 2012; Sun, 2015; Gao, 2016; Zhou et al., 2016; Chai et al., 2016; Cheng, 2017; Zeng et al., 2017; Wang et al., 2018; Yu et al., 2018; Chen et al., 2020; Feng et al., 2020; Jia, 2020; Wang et al., 2020

3 早白垩世金矿床成矿流体同位素特征

华北克拉通北缘早白垩世金矿中碳酸盐矿物、黄铁矿及石英流体包裹体发育。石英包裹体的氢-氧同位素、黄铁矿包裹体的氦-氩同位素及碳酸盐矿物的碳同位素组成可为成矿流体的来源提供可靠的依据(Huetal., 1998; Zhangetal., 2008; Zengetal., 2014)。

3.1 氢-氧同位素

统计表明，华北克拉通北缘早白垩世金矿床具有宽泛的氢-氧同位素组成，热液成矿阶段中石英的δ18D值在-139‰～-37‰之间，δ18O值为-8.2‰～10.3‰(图6a)，主要数据点位于岩浆水与大气降水的混合区域，反映金矿床成矿流体为混合来源。不同成矿阶段的氢-氧同位素组成略有差异，主成矿阶段的δD-δ18O数据点集中于岩浆水及其下方区域，或者位于原生地幔水附近区域(图6a)，表明金矿床初始成矿流体具有幔源或深源岩浆水的属性；到中晚期阶段成矿流体的δ18O值出现“负漂”，数据点向大气降水线偏移，反映了成矿流体后期混入了大气降水；成矿晚期，通常为石英-碳酸盐±硫化物阶段，流体的δD和δ18O值低于成矿早期和中期(图6a)，表明成矿流体演化过程中加入了更多的大气降水。

早白垩世，华北北缘中段和东段岩浆活动强烈，中生代岩体与金矿床具有密切的时空关系，同一控矿断裂内通常可见矿脉与岩脉的组合(Zengetal., 2017)，如赤峰-朝阳矿集区金厂沟梁、二道沟金矿围绕早白垩世西对面沟岩体展布(杨帆, 2019)；五龙-猫岭矿集区五龙、四道沟金矿附近发育早白垩世三股流岩体、五龙背岩体及中基性岩脉(顾玉超, 2019; Yuetal., 2020)；海沟金矿区内发育早白垩世闪长玢岩脉等(李绪俊等, 2012)，表明矿床成矿与岩浆活动是同步的，这些岩体和岩脉具有提供成矿流体的可能性。对比发现，华北北缘早白垩世金矿氢-氧同位素组成与胶东金矿类似(Zhuetal., 2015)，成矿流体主要以深源岩浆水为主，中后期混入了不同程度的大气降水。

3.2 碳同位素

碳元素广泛分布于地球的各圈层中，矿石中碳酸盐矿物及石英流体包裹体中CO2的碳同位素可以约束成矿流体来源。前人研究表明，华北北缘早白垩世金矿床主成矿阶段以气液两相包裹体为主，成矿流体属于H2O-NaCl-CO2±CH4体系(Yuetal., 2018)，CO2来源可能与金矿密切相关。

赤峰-朝阳矿集区的金厂沟梁(δ13C=-4.0‰～-2.2‰，平均值-3.4‰；王路智，2018)、二道沟(δ13C=-3.8‰～-0.3‰，平均值-2.5‰；贾欢欢，2020)、安家营子(δ13C=-10.9‰～-1.5‰，平均值-6.4‰；谢锡才等，1997)、五龙-猫岭矿集区的五龙(δ13C=-12.2‰～-1.7‰，平均值-7.4‰；成曦晖，2017；Fengetal., 2020)及荒山沟(δ13C=-7.6‰～-1.9‰，平均值-6.0‰；周向斌等，2016)的碳同位素组成相对稳定，主要集中在-5‰左右，接近岩浆或地幔来源(δ13C=-8‰～-2‰)流体的碳同位素组成(Taylor and Bucher-Nurminen, 1986; Deinesetal., 1991)，表明成矿流体中的CO2可能来源于地幔有关的岩浆活动(图6b)。

夹皮沟矿集区海沟金矿的矿石碳同位素组成大致分为两组(图6b)：(1)δ13C=-8.0‰～-6.0‰，平均值-7.1‰(刘裕庆, 1991)，位于岩浆或地幔来源碳的范围内，表明海沟金矿床的部分碳则可能来源于深部与地幔有关的岩浆活动；(2)δ13C=-22.2‰～-11.1‰, 平均值-16‰(刘裕庆, 1991; 高嵩, 2016)，介于岩浆或地幔来源碳(-8‰～-2‰)和沉积岩、变质岩或火山岩还原碳范围(-25‰；Hoefs, 1997)之间。海沟金矿的赋矿围岩主要为海沟二长岩-二长花岗岩岩体、基性脉岩及少量残留相太古宙变质岩包体，区内广泛出露新太古代夹皮沟群变质岩，海沟金矿较低碳同位素组成可能是早白垩世岩浆岩、赋矿围岩和夹皮沟群变质岩混合作用的结果。

综上，华北北缘早白垩世金矿成矿流体中的CO2极有可能来源于与幔源岩浆活动，这与氢-氧同位素研究结果一致。但部分金矿成矿流体上升的过程中可能与不同性质的围岩发生水岩反应，增加了部分矿床“负值碳”的含量。

3.3 氦-氩同位素

黄铁矿是自然界中保存氦最理想的矿物，其流体包裹体内的氩可在漫长的地质历史时期定量保存，含金黄铁矿流体包裹体中He-Ar同位素组成可以代表成矿流体的特征。成矿流体中稀有气体同位素主要来源于饱和大气降水、地幔及地壳。饱和大气降水的3He/4He值为1.39×10-6(1Ra)、40Ar/36Ar为295.5，地幔来源分为洋下岩石圈地幔和陆下岩石圈地幔，其3He/4He值分别为7～9Ra和6～7Ra、40Ar*/4He特征值为0.33～0.56(Porcellietal., 1992; Pattersonetal., 1994; Dunai and Baur, 1995; Reid and Graham, 1996; Gautheron and Moreira, 2002)。地壳放射成因稀有气体的3He/4He值为0.01～0.05Ra、40Ar*/4He≈0.2(Stuartetal., 1995; Drescheretal., 1998)。由于大气中氦的含量极低，不足以明显影响成矿流体中氦同位素组成，成矿流体中氦主要为地幔和地壳来源(Huetal., 1998)。

统计表明，华北北缘早白垩世金矿床中黄铁矿包裹体的3He/4He在0.1～6Ra之间，主要集中<2Ra的范围内，远高于地壳的3He/4He特征值，低于地幔氦的特征值。在4He-3He图中，数据点均位于地幔氦和地壳氦之间(图7a)，说明成矿流体为壳-幔混合流体，计算得到黄铁矿流体包裹体中地幔氦的贡献率在1.5%～99.2%之间，主要集中于<30%的范围内，与胶东金矿成矿流体氦同位素组成相似(Zhuetal., 2015及其中参考文献)。已有研究表明，岩浆热液有关的成矿系统中成矿流体具有不同程度地幔氦的贡献(Kendricketal., 2001)。因此，地幔氦的存在通常表明成矿流体具有岩浆水的贡献，与氢-氧-碳同位素特征一致。

华北北缘早白垩世金矿床黄铁矿流体包裹体的40Ar*/4He值集中于0.1～4.5，多数处于地幔(0.33～0.56)和地壳(0.2)的特征值(Stuartetal., 1995)之间，40Ar*/4He-3He/4He图中，数据点全部位于壳-幔混合区域(图7b)，黄铁矿的氦-氩同位素表明成矿流体为壳-幔混合流体。但四道沟金矿两个数据点具有极高的40Ar*/4He值(82.2和58.9，图中未列出)(Fengetal., 2019)，极高40Ar*/4He值可能代表了成矿过程中强烈的水岩反应，成矿流体继承了古元古代盖县组围岩中含钾矿物(如，钾长石、黑云母等)通过钾衰变积累的放射性40Ar(Fengetal., 2019)。

图7 华北克拉通北缘早白垩世金矿床中黄铁矿包裹体氦-氩同位素组成图解(据Zhu et al., 2015修改)数据来源：孙景贵等, 2006; Zeng et al., 2017; 刘军等, 2018; Feng et al., 2019; Bai et al., 2020Fig.7 Diagrams of He-Ar isotopic composition of pyrite of the Early Cretaceous gold deposits in the northern margin of the NCC (modified after Zhu et al., 2015)Data Source: Sun et al., 2006; Zeng et al., 2017; Liu et al., 2018; Feng et al., 2019; Bai et al., 2020

整体来看，华北克拉通北缘早白垩世金矿床的氢-氧、碳、氦-氩同位素特征基本一致，氢-氧同位素反映了成矿流体主要来源于岩浆水，主成矿阶段流体具有深源岩浆属性，在后期演化过程中混入了大气降水。碳同位素进一步证实了成矿流体的来源与地幔有关的岩浆活动有关，同时流体上升过程中与围岩发生强烈的水岩反应，继承了部分围岩的同位素特征。黄铁矿的氦-氩同位素直接证明了幔源流体参与了早白垩世金矿成矿作用，幔源流体可能是早白垩世(140～120Ma)华北克拉通岩石圈减薄背景下，陆下岩石圈地幔脱挥发分(Weietal., 2021)或由幔源岩浆在地壳浅部经过脱水作用形成(周新华等, 2001)。

4 早白垩世金矿成矿物源同位素特征

华北克拉通北缘早白垩世金矿中广泛发育热液硫化物，硫同位素组成可用于追踪成矿物质中硫的来源(Ohmoto and Goldhaber, 1997)，铅同位素可以提供铅储层性质的信息，约束成矿的构造背景(Zartman and Haines, 1988)，硫化物的硫-铅-钕同位素组成通常共同约束金矿床中成矿物质来源。

4.1 硫同位素

自然界的硫主要有3个储库，分别为幔源硫(δ34S=0±3‰; Ohmoto and Goldhaber, 1997)、海水硫(δ34S=20‰)和开放沉积条件下的细菌还原硫(δ34S具有较大负值)。统计表明，赤峰-朝阳矿集区早白垩世金矿床主成矿阶段黄铁矿的δ34S落入幔源硫范围内(图8)，高于前寒武变质基底的硫同位素组成(-8‰～-2‰)，如安家营子金矿床金矿δ34S值在2.6‰～0.5‰，表明金矿床中的硫主要来源于深部(侯万荣, 2011; 孙珍军, 2013; Fuetal., 2016; Liuetal., 2019b; 贾欢欢, 2020; Yangetal., 2021)。排山楼金矿床主成矿阶段脉状矿化的硫同位素组成(δ34S平均=7.5‰)略高于早期浸染状矿化(δ34S平均=5.3‰)，接近成矿同期岩体中热液脉的δ34S平均=8.1‰(图8)(孙守恪, 2015)，表明了深源岩浆活动及水-岩反应参与了成矿作用，早期深部岩浆热液活动导致了浸染状矿化，后期岩浆热液与地层或围岩反应，形成了脉状矿化，并造成岩体中热液脉具“重硫同位素”特征(孙守恪, 2015)。

图8 华北克拉通北缘早白垩世金矿床矿石中黄铁矿硫同位素组成数据来源：张耀奎，1983；刘裕庆，1991；赵彦明等，1993；陈锦荣等，1995；李基宏，2005；李宝毅等，2010；侯万荣，2011；Pei et al., 2011b；孙珍军, 2013；孙守恪, 2015；Chai et al., 2016；Fu et al., 2016；高嵩，2016；成曦晖，2017；秋晨，2017；Yu et al., 2018；Liu et al., 2019b；孙国涛，2019；Feng et al., 2019；贾欢欢，2020；陈原林等，2021；Yang et al., 2021Fig.8 Sulfur isotopic compositions of pyrite of the Early Cretaceous gold deposits in the northern margin of the NCCData Source: Zhang, 1983; Liu, 1991; Zhao et al., 1993; Chen et al., 1995; Li, 2005; Li et al., 2010; Hou, 2011; Pei et al., 2011b; Sun, 2013; Sun, 2015; Chai et al., 2016; Fu et al., 2016; Gao, 2016; Cheng, 2017; Qiu, 2017; Yu et al., 2018; Liu et al., 2019b; Sun, 2019; Feng et al., 2019; Jia, 2020; Chen et al., 2021; Yang et al., 2021

五龙-猫岭矿集区五龙金矿各阶段黄铁矿具有相对均一的同位素组成(δ34S平均=2.1‰)(陈锦荣等, 1995; 成曦晖, 2017; Yuetal., 2018)，表明五龙金矿硫源具有幔源特征。而四道沟金矿床各阶段黄铁矿硫同位素组成不同(其中δ34Spy1平均=12.4‰、δ34Spy2平均=10.7‰、δ34Spy3平均=1.8‰)，其中Py1和Py2的δ34S值略低于辽河群盖县组的硫同位素组成(13.4‰～20.3‰，Fengetal., 2019；孙国涛，2019)，高于地幔硫组成，而Py3的δ34S值与地幔硫基本一致，表明四道沟金矿的硫来源于富重硫同位素围岩和深源岩浆热液。

吉南夹皮沟矿集区海沟金矿黄铁矿δ34S值平均具有“贫硫同位素”特征(δ34S平均=-8.9‰)(高嵩，2016；秋晨，2017)，部分高于色洛河群变质岩的硫同位素组成(δ34S平均=-10.7‰)(陈原林等，2021)，局部与区内早白垩世中基性岩脉的硫同位素范围重叠(δ34S平均=-4.1‰)(Peietal., 2011b)(图8)。此外，海沟金矿出现赤铁矿和磁铁矿与黄铁矿-金共生的现象(刘裕庆，1991)。汪在聪等(2010)认为在氧逸度较高的流体条件下，系统总硫(δ34S)为0的流体也可以沉淀δ34S≈-10‰的矿物。

吉南老岭矿集区南岔金矿和荒山沟金矿具有相似的成矿地质背景(表1)(李宝毅等，2010)，但硫同位素组成差异较大。老岭金矿黄铁矿δ34S值为-6‰～2‰平均值为-1.98‰(Chaietal., 2016)，属于深源地幔硫的范围。荒山沟金矿硫化物δ34S值在1.8‰～14.3‰之间，接近荒沟山闪长岩的δ34S值(2.6‰～8.1‰)(赵彦明等, 1993)，反映矿石硫与岩脉硫具有相似的来源。此外，矿区地层的δ34S值为-11.4‰～18.1‰，集中于2‰～-10‰和8‰～18‰两区间(张耀奎, 1983; 李基宏, 2005)，分别与南岔和荒山沟金矿的硫同位素组成有一定的对应性(图8)，表明矿石硫中具有地层硫的贡献。

4.2 铅-锶-钕同位素

热液金矿床中金的赋存状态与硫化物密切相关，硫化物的铅同位素是示踪成矿物质来源的有效方法。统计表明，华北克拉通北缘早白垩世金矿床铅同位素组成变化较大(206Pb/204Pb=16.4～18.9、207Pb/204Pb=15.3～15.8、208Pb/204Pb=36.3～39.0)，在铅同位素图解上整体表现出壳-幔混合铅的特征(图9)。其中，赤峰-朝阳金矿集区铅同位素组成均高于区域变质地层的铅同位素值，早白垩世对面沟岩体及安家营子岩体的铅同位素样品点均落入矿石铅范围内(刘纲, 1992; 林宝钦等, 1993; 王义文, 1993; 王时麟等, 1994; 王安建等, 1996; 李福元等, 1998(1)李福元, 李香亭, 张树春, 尤桂芹. 1998. 辽宁省北票市二道沟金矿典型矿床研究报告. 沈阳: 辽宁省地质矿产局第三地质大队; Zhangetal., 2005; 侯万荣, 2011; 孙守恪, 2015; Liuetal., 2019b; 贾欢欢, 2020; Yangetal., 2021)，表明金矿床与区内早白垩世岩体具有相似的铅来源，以地幔铅为主，壳-幔混合铅的特征可能是幔源岩浆在上升过程中混染了部分下地壳铅。

五龙-猫岭矿集区铅同位素组成较分散，具有幔源和造山带铅混合的特征，表明矿石铅可能主要来源于与俯冲造山作用有关的壳-幔混合区(成曦晖, 2017; Yuetal., 2018; Fengetal., 2019)。五龙金矿的矿石铅同位素组成范围与早白垩世岩浆岩铅同位素组成大部分重合(图9)；四道沟金矿铅同位素组成较分散，有的可能与区域变质地层有关(王焰等, 2021)，该金矿以蚀变岩型矿化为主，矿石与围岩有充分的物质交换(图9a)。海沟金矿是吉南夹皮沟矿集区大型早白垩世金矿，其矿石铅落入下地壳-地幔附近(图9)，说明矿石铅可能来自于上地幔或者下地壳，且矿石铅与色洛河群大理岩、中基性脉岩具有相似的铅同位素组成(李绪俊等, 2012; 高嵩, 2016)，表明矿石铅具有多源性。推测地幔物质上涌导致地壳物质活化，形成具壳幔混合性质的成矿流体。

老岭矿集区南岔金矿的矿石铅同位素数据点均落于造山带附近的壳-幔混合区域，大多数矿石铅与早白垩世岩体铅同位素组成相似(Peietal., 2011a, b)，具幔源特征(图9)，部分矿石铅数据点落入古元古代地层内(图9a)(倪培和徐克勤, 1999; Chaietal., 2016)，表明有部分壳源铅的加入。

同时，矿集区内与金矿有关的早白垩世岩浆岩的Sr-Nd同位素组成(图10)(Yangetal., 2003)也显示出富集岩石圈地幔来源的特征，如赤峰-朝阳矿集区对面沟岩体87Sr/86Sri介于0.7059～0.7066之间，εNd(t)值为-7.2～-6.2(付乐兵, 2012)，落入EMI附近区域(图10)。五龙-猫岭矿集区三股流岩体的87Sr/86Sri和εNd(t)值分别为0.71482～0.71489、-15.63～-15.39(魏俊浩等，2003；顾玉超，2019及其中参考文献)，与区内闪长(玢)岩脉的Sr-Nd同位素组成相似(刘颜，2020)，落入EMⅠ与下地壳混合区域(图10)，表明其岩浆源区为下地壳来源和岩石圈地幔来源的混合。五龙金矿低钛辉绿岩脉落入EMⅠ附近区域，表明其源区为富集岩石圈地幔特征(图10)(刘颜，2020)。总之，华北北缘早白垩世金矿石的硫、铅同位素，岩体和基性岩脉Sr-Nd同位素组成均反映成矿物质具有来源于富集岩石圈地幔的特征。

图9 华北克拉通北缘早白垩世金矿床硫化物铅同位素组成图解(据Zartman and Haines, 1988修改)数据来源：刘纲，1992；林宝钦等，1993；王义文，1993；王时麟等，1994；王安建等，1996；李福元等，1998；倪培和徐克勤，1999；Zhang et al., 2005；侯万荣，2011；Pei et al., 2011a, b；李绪俊等，2012；孙守恪，2015；Chai et al., 2016；高嵩，2016；成曦晖，2017；Yu et al., 2018；Liu et al., 2019b；Feng et al., 2019；贾欢欢，2020；Yang et al., 2021；王焰等，2021Fig.9 Diagrams of the lead isotopic compositions of sulfide of the Early Cretaceous gold deposits in the northern margin of the NCC (modified after Zartman and Haines, 1988)Data Source: Liu, 1992; Lin et al., 1993; Wang, 1993; Wang et al., 1994; Wang et al., 1996; Li et al., 1998; Ni and Xu, 1999; Zhang et al., 2005; Hou, 2011; Pei et al., 2011a, b; Li et al., 2012; Sun, 2015; Chai et al., 2016; Gao, 2016; Cheng, 2017; Yu et al., 2018; Liu et al., 2019b; Feng et al., 2019; Jia, 2020; Yang et al., 2021; Wang et al., 2021

图10 华北克拉通北缘与金矿有关的早白垩世岩浆岩Sr-Nd同位素图解(据Yang et al., 2003; 刘颜, 2020修改)数据来演：魏俊浩等，2003；Yang et al., 2003；付乐兵，2012；顾玉超，2019；刘颜，2020Fig.10 Sr-Nd isotopic diagram of Early Cretaceous magmatic rocks from the northern margin of the NCC (modified after Yang et al., 2003; Liu, 2020)Data Source: Wei et al., 2003; Yang et al., 2003; Fu, 2012; Gu, 2019; Liu, 2020

5 讨论

5.1 地幔对早白垩世大规模金成矿的重要物质贡献

华北北缘早白垩世金矿床主要分布在赤峰-朝阳、辽东五龙-猫岭、吉南老岭矿集区及附近区域，矿床主要赋存于新太古代-中元古代变质岩及中生代岩浆岩中(图2)。金矿地质特征、成矿流体氢-氧、碳、氦-氩同位素组成、矿石硫、铅同位素特征，及相关岩体岩脉的锶、钕同位素组成均支持幔源岩浆对华北北缘早白垩世金矿有重要贡献，该过程受控于同期区域岩石圈减薄、破坏引起的地幔物质上涌及伴随的壳-幔相互作用。

地质特征方面，多数金矿体与矿区内早白垩世中-基性岩脉有密切的时空关系，如吉南矿集区南岔及荒沟山金矿区，部分闪长岩脉已构成工业矿体。金矿床矿物流体包裹体氢-氧、氦-氩同位素、石英和碳酸盐矿物碳同位素组成表明，成矿流体以岩浆水为主导，后期混入了变质水或大气降水。其中，岩浆水主要为幔源岩浆热液来源：(1)氢-氧同位素组成具有深源岩浆水的特征(图6a)；(2)碳同位素支持了成矿流体的幔源属性(图6b)；(3)氦-氩同位素显示了明显的壳-幔混合来源特征(图7)。同时，硫化物的硫-铅同位素组成也反映了以幔源为主的壳-幔混合特征(图8、图9)。如五龙金矿不同矿体含金黄铁矿具有相似的幔源硫同位素组成的特征。但四道沟、南岔等金矿的含金黄铁矿硫同位素具有宽泛的变化，显示出矿石硫同位素在水-岩反应中受到围岩硫的强烈改造(图8)。

值得注意的是，华北北缘早白垩世金矿，如五龙、四道沟、海沟等金矿床存在丰富的碲-铋化物(冯浩轩, 2021; 王焰等, 2021; Weietal., 2021)，前人研究表明，碲化物主要出现在与地幔或深部岩浆作用有关的矿床中，如浅成低温及相关的斑岩型Cu-Au矿床中(Cooke and McPhail, 2001; 翟德高, 2014)、碱性-偏碱性侵入岩型金矿床(Spryetal., 1997; Maoetal., 2003)、矽卡岩型铜金矿(Cepedaletal., 2006)、火山块状硫化物型矿床(Törmänen and Koski, 2004)，太古宙和元古宙地层中也发现了富碲-铋化物的金矿床，这些矿床大多受到深源岩浆活动的影响(Shackletonetal., 2003; Ciobanuetal., 2010)，间接支持了华北北缘早白垩世金矿床，特别是富含碲-铋化物的金矿床在成因上与深源岩浆活动有关。此外，胶东矿集区和小秦岭矿集区也发现了富碲-铋化物的金矿床，碲、铋在金矿床中的富集指示了深部幔源信息(Jianetal., 2014; 王雷等, 2016; 刘俊辰, 2020; 冯岳川等, 2022; 杨立强等, 2022)，胶东焦家金矿带深部矿石中PGE矿物的发现同样暗示了地幔物质的贡献(Wuetal., 2022)。

综上所述，华北北缘早白垩世金矿床地质和同位素地球化学特征均有力证明了地幔对金矿形成的重要贡献。

5.2 克拉通破坏与壳幔演化控制了北缘金矿的形成与展布

华北克拉通大规模金成矿发生在早白垩世，成矿时代与克拉通破坏的峰期吻合(Zhuetal., 2015)，强烈的岩石圈减薄、破坏导致的地幔物质上涌及壳-幔相互作用是华北早白垩世金矿化最重要的控制因素(Zhouetal., 2003; 张连昌等, 2018)。此时，华北北缘岩石圈地幔以富集的“大陆交代型”或混合地块为特征(周新华和张宏福, 2006)，华北北缘早白垩世金矿集中区多分布于该混合地块区(图1)，反映了克拉通破坏过程中的壳-幔相互作用控制了区域金矿的展布。

华北北缘早白垩世岩浆岩和伸展构造广泛分布，构造-岩浆带主要呈近NNE向展布。金矿体多围绕着早白垩世岩浆岩或基性岩脉展布，其中容矿的岩浆岩初始87Sr/86Sr值一般在0.7050左右，εNd(t)主要集中-15～0，显示出富集岩石圈地幔源区的特征(Yangetal., 2003; 邵济安等, 2020)，反映强烈交代的富集岩石圈地幔控制了浅部金矿的展布。此外，相比于晚三叠世构造-岩浆-成矿事件，早白垩世与底侵作用有关的岩浆岩εNd(t)值波动式增加，表现出更强烈的幔源岩浆活动强度(邵济安等, 2020)，岩浆岩幔源源区组分特征由EMⅡ向EMⅠ转变(周新华等, 1998)，且早白垩世金矿床成矿物质有更多地幔组分的贡献(Zhangetal., 2020)。

6 结语

(1)华北克拉通北缘早白垩世金矿床主要集中于中段和东段矿集区，与区域混合岩石圈地幔(地体)、伸展性大断裂及中-基性岩脉具有密切的时空关系。

(2)早白垩世金矿床成矿流体及成矿物质具有壳-幔混合来源的特征。金矿脉中石英流体包裹体的氢-氧同位素、碳酸盐矿物的碳同位素及含金黄铁矿的氦-氩同位素组成表明，成矿流体以幔源岩浆水为主。硫-铅-锶-钕同位素组成显示成矿物质具有显著的上地幔物质贡献。

(3)华北北缘早白垩世大规模金矿成矿事件与华北克拉通破坏过程中强烈的壳-幔相互作用密切相关。

本文通讯作者及其学生，长期以来得到周新华老师的指导和帮助，周老师有关“壳幔演化与区域大规模成矿”的学术思想对通讯作者的研究生涯产生了深远的影响，使其受益匪浅，在此对周老师表示衷心感谢。

致谢本文是在前人的工作基础上展开的总结讨论，由于篇幅所限，无法逐一引用和列举前人成果及文献，谨向所有从事相关研究的专家学者致以感谢，不足之处敬请各位同行批评指正。感谢审稿专家对本文提出的宝贵修改意见！