东天山玉峰金矿热液蚀变作用与元素迁移规律

于立栋 孙海微 张静 何西恒 薛东 单伟 孙雨沁

1. 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 1000832. 新疆维吾尔自治区有色地质勘查局七〇四队，哈密 8390003. 自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省地质科学研究院，济南 2500131.

热液或流体循环会使其循环通过的岩石发生物理化学变化，称之为“热液蚀变”。热液蚀变的类型和特征取决于热液的来源、性质、化学组成、温度和压力等物理化学条件、以及围岩的岩性、结构和成分(Pirajno, 2009)。热液蚀变的面积通常大于矿体分布范围，因此对找矿勘探至关重要，可以将勘探活动集中于较小的目标(Pirajno, 2009; Xuetal., 2016)。目前，国内外众多学者采用地球化学方法厘定热液矿床蚀变过程中矿物组合特征，研究热液蚀变强度和元素迁移规律，以揭示各种蚀变过程与成矿作用的关系(Harris and Golding, 2002; 张志超等, 2015; Gaoetal., 2017; Gaillardetal., 2018; 刘向东等, 2019; Bogossianetal., 2020)。

东天山是我国西北部重要的多金属成矿省，在过去的几十年中发现了众多金铜钼矿床，包括东戈壁超大型钼矿床(Deng and Wang, 2016; Wuetal., 2017; Wangetal., 2018)、白山斑岩型钼矿床(Zhangetal., 2016)、土屋-延东大型斑岩型铜矿床(Hanetal., 2006; Xiaoetal., 2017)和卡拉塔格VMS型铜锌金矿床(Dengetal., 2017; 邓小华, 2018; 李遥, 2018)；而大型金矿床为数不多，仅见于马庄山金矿、康古尔金矿等报道(Pirajnoetal., 1997; Chenetal., 2012)。近年来，以马庄山金矿为中心几十千米范围内发现了多个金矿床或矿点，包括修翁哈拉、南金山、双井子和玉峰金矿(Wangetal., 2019; 王琦崧等, 2019)，其赋矿围岩与矿体产状和马庄山金矿存在部分相似性，他们是否可以构成一个金成矿带，区域金矿化潜力如何？均值得进一步深入研究。

玉峰金矿位于东天山造山带中天山前寒武地块最东端(图1)、马庄山金矿北部约10km，是近两年发现的高品位小型矿床。其矿床学和矿床地球化学研究薄弱，矿化潜力未知，因而热液蚀变与元素迁移规律的研究非常必要，还可为找矿勘探提供理论指导。基于此，本文针对玉峰金矿的赋矿石英斑岩及其蚀变的黄铁绢英岩，在野外观察、手标本及岩矿鉴定的基础上，详细研究玉峰矿床的元素蚀变分带特征；同时，围绕矿化中心，对新鲜、弱蚀变、强蚀变的岩石进行了全岩主量元素、微量和稀土元素及成矿元素含量以及标志性矿物的原位成分测试，进而分析该矿床热液蚀变过程中的各元素活动规律、蚀变机理、金沉淀机理以及蚀变与金矿化的关系，最终探讨区域成矿潜力。

图2 玉峰金矿平面地质图(a)和剖面图(b)(据新疆有色地质勘查局七〇四队，2020(1)新疆有色地质勘查局七〇四队. 2020. 新疆哈密市玉峰金矿预查报告修改)

1 区域地质概况

天山造山带大地构造位置处于世界最大的显生宙增生造山带(中亚造山带)南缘(engöretal., 1993; Jahnetal., 2000; Xiaoetal., 2015)，南部紧靠塔里木克拉通。一般认为东、西天山以88°E为界，其中东天山向东可延伸至北山造山带(薛春纪等，2015)；而阿奇克库都克-沙泉子和库米什-星星峡断裂则将天山自北向南分为北天山、中天山和南天山(图1)。

中天山地块主要由前寒武纪基底及古生代火山岩组成。基底包括中元古代的星星峡群、蓟县系卡瓦布拉克群以及新元古代的天湖群，均变质为绿片岩或角闪岩相(Leietal., 2011)。星星峡群包括花岗片麻岩、大理岩、斜长角闪岩、混合岩、石英岩和片岩(Liuetal., 2004; Lietal., 2007)；卡瓦布拉克群主要由花岗片麻岩和大理岩组成，并伴有少量陆源和凝灰质碎屑沉积岩；天湖群主要由片岩、石英岩、大理岩和少量斜长角闪岩组成。古生界主要是奥陶-志留系玄武岩、安山岩和火山碎屑岩，以及泥盆-石炭系火山岩、碎屑岩、火山碎屑岩和碳酸盐岩沉积，它们与前寒武纪基底呈不整合或断层接触(Liuetal., 2004)。中天山地块北缘出露有二叠系镁铁质-超镁铁质岩(图1；Tangetal., 2012)，另外，该地区还广泛分布不同时代的花岗质侵入岩(王琦崧等, 2019)，它们总体呈北东-北东东向展布，岩体长轴方向与区域构造线方向一致。

2 矿床地质

玉峰金矿位于中天山地块最东端，矿区出露的地层主要为下元古界刘家泉岩组(Pt1l)的大理岩、中元古界长城系约飞井组(Chy)的弱片理化安山岩，以及第四纪沉积物(白云山和彭湘萍, 1999) (图2)。矿区内的浅成侵入岩-侵入岩包括石英斑岩、花岗斑岩和闪长岩。石英斑岩在地表呈褐黄色和肉红色，深部为灰白色，斑状结构，块状构造，主要由石英、正长石、钠长石(An<5)和少量的白云母组成。花岗斑岩呈脉状侵入于大理岩中，肉红色，似斑状花岗结构，块状构造，主要由微斜长石和少量石英组成，长石发生不同程度的高岭土化和绢云母化。

玉峰金矿目前探明6个矿体，3个出露于地表，3个为隐伏矿体(图2)，其容矿岩石均为石英斑岩。矿体特征如下：Ⅰ号金矿体走向北北西，倾向北东东，倾角57°，地表长100m，平均厚度1.96m，Au平均品位4.2×10-6，最高24.8×10-6，伴生银品位2.1×10-6～12.2×10-6；Ⅱ号金矿体位于Ⅰ号金矿体北部，矿体呈脉状，走向北西，倾向北东，长155m，宽6m，厚3.61m，Au平均品位18.1×10-6，最高品位99.6×10-6；Ⅲ号金矿体与Ⅱ号金矿体平行产出，矿体呈脉状，走向北西，倾向北东，长100m，宽3m，厚1.81m，Au平均品位4.9×10-6，最高品位10.6×10-6。3个隐伏矿体与Ⅰ号矿体呈脉状平行产出，其中，Ⅰ-2号金矿体平均厚度0.97m，Au品位1.4×10-6，伴生银品位2.1×10-6；Ⅰ-3号金矿体厚度1.00m，Au品位2.5×10-6，伴生银品位4.7×10-6；Ⅰ-4号金矿体厚度2.00m，Au最高品位6.5×10-6，平均品位5.0×10-6，伴生银平均品位14.0×10-6，最高21.6×10-6。矿石类型主要为蚀变岩型和石英脉型，金属矿物包括黄铁矿、黄铜矿、辉铜矿、磁黄铁矿、方黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、银金矿和自然金，其中黄铁矿最富、黄铜矿次之；脉石矿物包括石英、绢云母和方解石。

矿区内热液蚀变作用发育，与成矿关系最密切的为黄铁绢英岩化和硅化，且在地表水平方向以及钻孔垂向上均显示一定的分带性(图2、图3a)。以Ⅰ号矿体为例，从上盘围岩→矿体→下盘围岩(图3a)，依次为：(1)石英斑岩，含钠长石较多(图3b, c)；(2)黄铁绢英岩，强烈硅化、绢云母化，长石多蚀变为绢云母和石英(图3b, d)，该蚀变带在地表宽约5m，钻孔中延深约6m；(3)金银矿体，主要为强蚀变岩型矿化叠加含金石英脉型矿化，地表宽约5m，钻孔中延深约3m(图2b)；(4)黄铁绢英岩，硅化、绢云母化较上盘更为强烈，已无法识别长石轮廓(图3g)，该蚀变带在地表宽约1m，钻孔中延深约2m；(5)石英斑岩，含正长石较多(图3e, f)，可见正长石环边包裹着钠长石核(图3f)。

3 样品采集与分析方法

首先，选择采坑和钻孔中Ⅰ号矿体、Ⅰ-2号矿体及Ⅰ-4号矿体及其上下盘附近的新鲜的石英斑岩和黄铁绢英岩样品，切探针片，在对矿物蚀变程度观察的基础上，选择新鲜的石英斑岩和不含石英-硫化物细脉的黄铁绢英岩样品进行粉碎，制备全岩粉末样品进行全岩地球化学成分分析。具体来说，本文用于全岩地球化学成分分析的石英斑岩和黄铁绢英岩样品取自矿区钻孔和采坑(图2b、图3a)，其中，Ⅰ号矿体上盘的石英斑岩2件，上、下盘黄铁绢英岩各2件；Ⅰ号矿体下盘石英斑岩2件。

矿物原位微区成分利用JEOL JXA-8230电子探针完成。在分析之前，先在薄片上喷碳以形成导电层，测试条件为：加速电压20kV、电流20nA和直径1～10μm(根据粒径)。矩阵校正使用制造商提供的ZAF校正程序。

4 测试结果

4.1 全岩地球化学

从上盘围岩→蚀变岩→矿体→蚀变岩→下盘围岩，各样品的主、微量元素含量列于表1。从中可以看出：

上盘石英斑岩和黄铁绢英岩平均Au含量分别为6.30×10-9和88.1×10-9，Ag含量分别为1.05×10-6和4.47×10-6，Cu含量分别为37.7×10-6和5.02×10-6，As含量分别为7.59×10-6和18.4×10-6，Rb含量分别为69.5×10-6和181×10-6，Sr含量分别为111×10-6和5.02×10-6；下盘石英斑岩和黄铁绢英岩平均Au含量分别为4.45×10-9和170×10-9，Ag含量分别为0.86×10-6和3.14×10-6，Cu含量分别为24.3×10-6和5.39×10-6，As含量分别为3.17×10-6和22.9×10-6，Rb含量分别为173×10-6和197×10-6，Sr含量分别为69.5×10-6和5.39×10-6。总体上，蚀变岩中的Au、Ag、As等成矿元素明显高于围岩、Cu低于围岩，而大离子亲石元素在上下盘围岩及蚀变岩中的丰度变化无明显规律。

表1 玉峰金矿石英斑岩及蚀变岩主量(wt%)、微量和稀土元素(×10-6，Au为×10-9)

续表1

图4 玉峰金矿原岩及蚀变岩的 isocon 图(a)上盘石英斑岩CO与蚀变岩CA;(b)下盘石英斑岩CO与蚀变岩CAFig.4 Isocon diagrams of quartz porphyry versus altered rock(a) quartz porphyry (CO) versus altered rock (CA) in the hanging wall; (b) quartz porphyry (CO) versus altered rock (CA) in the footwall

4.2 电子探针结果

石英斑岩和黄铁绢英岩中的长石和绢云母的电子探针成分测试结果(表2)显示，上下盘各岩石中矿物成分无明显差异，具体如下：

正长石的SiO2、Al2O3和K2O含量分别为62.42%～64.05%、18.40%～19.32%和14.96%～15.57%、少量Na2O，几乎都不含FeO、CaO、P2O5、TiO2、MnO和MgO，计算获得Or=94～98。

而钠长石的SiO2、Al2O3和Na2O含量分别为65.39%～67.45%、19.83%～21.21%和10.86%～12.12%，少量的K2O和CaO，几乎都不含FeO、P2O5、TiO2、MnO和MgO，计算获得Ab=93～99。

绢云母的主要成分为SiO2(44.83%～47.82%)、Al2O3(29.76%～35.69%)、K2O(9.93%～10.54%)，其次为FeO(2.01%～4.22%) 和MgO (0.33%～1.52%)， 几乎都不含CaO、P2O5、TiO2、MnO和Na2O。

表2 石英斑岩和黄铁绢英岩中主要矿物的电子探针分析结果(wt%)

图5 石英斑岩与蚀变岩的图解上盘(a)及下盘(a)的主、微量和稀土元素；上盘(c)及下盘(d)的成矿元素 diagram of quartz porphyry rock vs altered rockMajor, trace and rare earth elements in the hanging wall (a) and in the footwall (b); main ore-forming elements in the hanging wall (c) and in the footwall (d)

表3 玉峰金矿石英斑岩及蚀变岩的ΔCi与值

5 讨论

5.1 岩石蚀变过程中的元素迁移

5.1.1 计算方法

该方程可以通过绘制分析数据以图形方式来表达，在这种情况下，不活动元素定义了一条过原点的isocon直线，即：CA=(MO/MA)CO。其斜率反映了蚀变岩相对于MO的整体质量变化(Grant, 2005)：在isocon线上方的元素是在蚀变过程迁入的，下方的元素则是迁出的。据此，计算并绘制了玉峰金矿原岩及蚀变岩的isocon 图解(图4)，为了使图中各元素均匀分布，对不同元素的含量扩大了一定倍率。

图6 绢云母化蚀变的正长石(a)和钠长石(b)的isocon图Fig.6 Isocon diagrams of orthoclase (a) and albite (b) versus sericite

而蚀变过程中，元素迁入/迁出的程度则由下式计算获得：

5.1.2 元素迁移规律

综合对比上盘围岩-蚀变岩-矿体-蚀变岩-下盘围岩中的主量、微量和成矿元素含量(表1)，并结合元素迁移质量平衡计算的结果(表3、图4、图5)，可以发现：

5.2 矿物蚀变过程中的元素迁移

热液蚀变的本质主要是矿物的交代反应。玉峰矿区地表和岩芯中均可见明显的热液蚀变分带，宏观上以石英硫化物脉为中心，黄铁绢英岩化带在其两侧大致对称分布(图3a, b, e)；微观上蚀变岩中以黄铁矿+绢云母+石英+残余的正长石或钠长石组合为主，可见蚀变前的长石轮廓(图3d)。Sverjenskyetal. (1991)研究表明，长石在强酸性环境下主要蚀变为高岭石、叶腊石和红柱石等矿物，而在弱酸性环境下主要蚀变为绢云母和石英。因此，矿物组合特征暗示了玉峰金矿的热液蚀变环境为弱酸性。在弱酸性条件下，正长石的绢云母化反应式为：

3KAlSi3O8(Or)+2H+→ KAl2[AlSi3O8](OH)2(Ser)+2K++6SiO2(Qtz)

方程(1)

钠长石的绢云母化反应式为：

3NaAlSi3O8(Ab)+K++2H+→ KAl2[AlSi3O10](OH)2(Ser)+3Na++6SiO2(Qtz)

方程(2)

正长石蚀变为绢云母，元素迁移规律如图6a。在此过程中，Al2O3、NiO不参与化学反应，故含量基本保持稳定；MnO、TiO2和P2O5明显迁出，钠长石相对绢云母亏损Mn和Ti，蚀变过程中大量进入绢云母中，热液带走分解出的P2O5。K2O大量迁出反映了正长石分解出来的K+被流体带走；MgO和FeO大量迁入是流体携带Mg和Fe进入绢云母晶格的结果；SiO2显着迁出是蚀变过程中析出大量硅质所导致(方程1)。具体到矿体下盘，黄铁绢英岩的K2O和Na2O平均含量分别为4.00%和0.14%(表1)，与原岩(4.78%和3.40%)相比，分别减少0.78%和3.26%。将其换算为元素含量代入方程(1)和方程(2)，计算获得原岩中发生蚀变的正长石K为3.02%，根据质量平衡，大约有76%的正长石发生绢云母化蚀变。同理，经计算发现上盘有71%的正长石发生蚀变。

钠长石蚀变为绢云母，元素迁移规律如图6b。在此过程中，Al2O3、NiO同样是不参与反应的稳定元素；MnO迁入显著，TiO2大量迁入，P2O5明显迁出，钠长石相对绢云母极为亏损Mn和Ti，机制同正长石。钠长石富含Na和微量的Ca和K，但其蚀变为绢云母的过程中，Na+大量析出(方程2)被流体带走，导致Na2O的大量迁出；此外，Mg和Fe大量迁入，机制同正长石。黄铁绢英岩的Na2O含量相对于石英斑岩减少比例高达96%(表3)，说明钠长石几乎全部蚀变为绢云母(方程2)，这也与显微鉴定的结果一致。此外，显微镜下可见部分绢云母化的钠长石核和新鲜的正长石边(图3f)，根据电子探针数据和质量守恒定律，可以推断在弱酸性条件下正长石比钠长石更加稳定。

在热液作用中，某些微量元素的地球化学行为受相似元素的控制，如元素Sr可以通过类质同象替代Ca、而Rb通过类质同象替换云母/正长石中的K导致Rb和Cs明显迁入。玉峰金矿的上盘岩石含较多的钠长石、且Rb和Cs的增加量更大(表3、图4、图5)，推测钠长石绢云母化过程有大量的Rb和Cs加入到绢云母晶格中；绢云母化时，下盘CaO减少比例达93%，Sr减少92%；上盘CaO减少比例约75%，Sr减少达96%；这说明含少量CaO的钠长石基本上全部分解，导致Ca和Sr几乎被移除殆尽，探针分析到长石骸晶内有少量的方解石颗粒，说明残留的Ca以方解石的形式存在。

5.3 对找矿勘探的指示

在部分热液成因金矿床中，Au通常与Co、Bi、Sb、Te、As等元素形成金属化合物或包含于黄铁矿中，导致金和这些元素的含量之间常具有一定的关联性(Saunders and Brueseke, 2012; Cockeretal., 2013)，因此这些元素可用于推断关键的成矿过程和勘探新的矿化区。具体到玉峰金矿而言，前文关于元素变化规律的讨论及图5显示，Au在矿化蚀变岩中的含量与Cu、As、In、Sn和Bi元素正相关，与Te、Se、Sb没有相关性。矿物组合也与之相印证，如：银金矿多与黄铜矿伴生产于黄铁矿裂隙中，可以解释Au-Cu的相关性；而As可类质同象替换黄铁矿中的S时造成的晶格缺陷为Au提供了赋存空间，造成Au-As的正相关性；Au和Bi的地球化学性质相似，且Bi的迁移能力较强，是有效的指示元素，故Bi异常可作为在Au找矿的化探标志(刘家军等, 2018)，玉峰ZK002深部含Bi金属矿物的发现暗示了一定的Au矿化潜力。因此，通过综合分析，认为Cu、As和Bi的综合化探异常是在玉峰金矿外围找矿的标志。

从蚀变特征看，黄铁绢英岩中Au含量相对于石英斑岩富集几十倍(图5c, d)，因此，在地表或岩芯中快速圈定矿体应首先寻找黄铁绢英岩，继而在黄铁绢英岩化带中识别富硫化物的石英脉。矿化蚀变带富含盐水热液流体，而地质体含水量愈高会导致其导电性愈好、电阻率愈低，故绢英岩化带具有低电阻率的特征；而且，勘探实践已证明，在各类地质体中，黄铁矿化的岩石激发极化效应最强，故高激化率被视作金矿勘探的重要标志之一(杨鑫和冉军林, 2016; 田昊和任云生, 2019)。这也为在研究区开展地球物理勘查提供了参考依据，即：研究区内火成岩和变质岩广布的较高电阻率背景下(沈远超等, 2008)，关注低电阻率、高激化率区域，有助于识别黄铁绢英岩化带，可以作为找寻玉峰深部及外围隐伏矿体的指标。

在玉峰矿区，已有3个钻孔揭露深部存在3个隐伏矿体，且深部绢英岩化蚀变带也稳定分布，在矿区地表，具有不同程度蚀变的石英斑岩向西北和东南方向均有延深，这些均指示在矿区深部及矿区外围火山岩盖层之下隐伏次火山岩(石英斑岩)仍具有较好的成矿潜力。

从区域上看，玉峰金矿南部的同一构造单元中的马庄山(大型)、修翁哈拉(小型)金矿均赋存在石英斑岩中、矿化类型相似。玉峰金矿的发现不仅扩大了该金矿带的范围，而且进一步验证了区域上这套以石英斑岩为主的石炭纪次火山岩的成矿潜力。这也得到了区域化探资料的支持，研究区所属的坡子泉幅的区域Au背景值为2.08×10-9，而区内石炭纪火山岩-次火山岩(石英斑岩，600×10-9，28个样品；流纹斑岩，331×10-9，79个样)中的Au含量可高达区域背景值的50倍(陈世忠等, 2000)，说明石炭纪的火山活动提供了丰富的金的来源，也使得区内石英斑岩成为有利的赋矿岩石。综上，研究区内的石炭纪石英斑岩带，尤其是在构造叠加部位，热液活动使其更有利于矿化富集，是找矿勘探的有利部位。

6 结论

(1)玉峰金矿区黄铁绢英岩化与金矿化关系最为密切，蚀变过程中，成矿元素Au呈指数级增长，Ag、Cu、As等成矿元素大量迁入；显著迁出元素包括CaO、Na2O、P2O5、Sr、Pb、Th、U、Sb；而SiO2、Al2O3、TiO2和稀土元素表现稳定。

(2)热液蚀变过程中，石英斑岩中71%～76%的正长石发生绢云母化，导致K2O大量迁出；而钠长石几乎全部蚀变为绢云母，造成Na2O大量迁出；表明在弱酸性条件下，正长石比钠长石更加稳定。

(3)绢英岩化蚀变带、Au-Cu-As-Bi综合化探异常、低电阻率和高激化率可作为玉峰金矿深部及外围找矿的地质、化探和物探标志；研究区内的石炭纪石英斑岩带，尤其是在构造叠加部位，是找矿勘探的有利部位。

致谢野外工作得到了北京矿产地质研究院邓小华教授级高工、中国科学院新疆生态与地理研究所吴艳爽和陈西博士的帮助；实验工作得到李增胜博士、舒磊、迟乃杰和马晓东高级工程师、宋英昕工程师和边晓龙博士的协助；二位审稿人提出了宝贵的修改建议；在此一并表示感谢。