地质力学学报  2021, Vol. 27 Issue (4): 585-595
引用本文
胡宝群, 高海东, 王运, 张宝林, 吕古贤. 胶东中生代巨量金矿堆积的深大断裂-临界水耦合成矿机制新探[J]. 地质力学学报, 2021, 27(4): 585-595.
HU Baoqun, GAO Haidong, WANG Yun, ZHANG Baolin, LYU Guxian. A preliminary study on the Mesozoic massive gold metallogenic mechanism of the deep-large fault coupling with critical water in the Jiaodong area, China[J]. Journal of Geomechanics, 2021, 27(4): 585-595.
胶东中生代巨量金矿堆积的深大断裂-临界水耦合成矿机制新探
胡宝群1, 高海东2, 王运1, 张宝林3, 吕古贤4    
1. 东华理工大学地球科学学院, 江西 南昌 330013;
2. 南昌工学院人居环境学院, 江西 南昌 330013;
3. 中国科学院矿产资源研究重点实验室 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
4. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
摘要:通过对胶东金矿地质背景和成矿特征研究的总结与分析,依据热液矿床水相变控矿理论,探索胶东地区高密度聚集巨量金矿的原因。研究发现,两期次降压驱动成矿物质运动和临界水的(温度和压力都达到水临界值时的水,下同)特殊性质是两个重要因素。在此基础上,文章提出胶东巨量金聚集成矿的深大断裂-临界成矿机制,即"一饼加一刀"的成矿机制:老变质岩提供丰富的成矿物源是基础;早期大型点状降压形成酸性侵入杂岩体和各类岩脉等,其伴生的长时间、巨量临界水促使成矿物质活化迁移;晚期大型线状断裂降压造成较短时间内成矿物质的沉淀,若断裂是张开的不连续空间则矿石以充填结构为主,若破碎带是连续空间时矿石则以蚀变交代结构为主。丰富的金源,两期次不同性质的降压,临界水的独特性质,是胶东巨量金矿聚集的主要因素。
关键词降压    构造控岩控矿    成矿机制    金矿床    胶东    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.04.049     文章编号:1006-6616(2021)04-0585-11
A preliminary study on the Mesozoic massive gold metallogenic mechanism of the deep-large fault coupling with critical water in the Jiaodong area, China
HU Baoqun1, GAO Haidong2, WANG Yun1, ZHANG Baolin3, LYU Guxian4    
1. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China;
2. School of Architectural Engineering, Nanchang Institute of Science and Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China;
3. Key Laboratory of Mineral Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: This study aims to study the reason why a huge accumulation of gold deposits occurred in the Jiaodong area. We summarized and analyzed the geological background and metallogenic characteristics of the Jiaodong gold deposits. In parallel, we highlighted the importance of depressurization-driven movement of ore-forming materials at two stages and the special properties of critical water (water at the critical value of both temperature and pressure, the same below) based on the theory of water phase change controlling metallogenesis in hydrothermal deposits. The above analysis results allow us to propose the Mesozoic massive gold metallogenic mechanism of deep-large fault coupling with critical water in the Jiaodong area, that is, the metallogenic mechanism of "one cake plus one knife". The old metamorphic rocks provide abundant ore-forming materials. In the early stage, a large-scale point-like depressurization results in acid intrusive complexes and various dykes, which were accompanied by a large amount of critical water over a long time to promote the activation and migration of ore-forming materials; In the late stage, the depressurization of the large linear fault caused the precipitation of ore-forming materials in a short time. The faults with open discontinuous space are dominated by ore-filling structures, while the fracture zones with continuous space are dominated by mineralized alteration with metasomatic structures. Abundant gold in metamorphic rocks, two stages of depressurization with different properties and unique properties of critical water are the main factors for the accumulation of massive gold deposits in the Jiaodong area.
Key words: depressurization    structural control on rock and ore    metallogenic mechanism    gold deposit    the Jiaodong area    

胶东地区以很小面积聚集着大量的金矿,吸引着无数地质专家进行研究。巨量的金从何而来、为什么会呈串珠状分布于几条断裂带中、具体又是如何沉淀富集?通过对胶东金矿的地质背景特征和金矿化主要特征(邓军等,2001王义文等,2002陈衍景等,2004范宏瑞等,2005李洪奎和杨锋杰,2006杨立强等, 2006, 2014王世进,2009胡宝群等,2013宋明春等,2013李洪奎等, 2013, 2017吕古贤,2019张宝林等,2019王建等,2020)的归纳,依据热液矿床水相变控矿理论(胡宝群等, 2003, 2008, 2009, 2011, 2017),分析区域内成岩成矿过程的演化规律及其对金成矿可能的影响,探讨胶东金矿巨量金富集的机制,并提出了降压驱动物源和热源、临界水(温度和压力同时达到水的临界值374.15 ℃和22.1 MPa时的水,下同)的特殊性质活化迁移了矿质、降压突变促成了金沉淀富集的成矿机制,即胶东巨量金成矿的深大断裂-临界成矿机制。

1 胶东金矿地质背景的主要特征

胶东金矿集区聚集了巨量的金矿床,无疑是区域内特有的地质背景及演化所决定。已有大量的基础地质研究成果,如主要地质特征、演化轮廓等(邓军等,2001万天丰等,2000翟裕生和吕古贤,2002王义文等,2002陈衍景等,2004李洪奎和杨锋杰,2006杨立强等, 2006, 2014王世进等,2009李洪奎等,2013宋明春等,2013吕古贤,2019),总结归纳如下。

(1) 老地层为基底。胶东群为主的基底,出现了枢纽为先东西后南北叠加的皱褶;大致以五莲-青岛-牟平断裂为界,东、西两部分有较明显的差异,分为苏鲁地体和胶北地体,前者含榴辉岩而后者无榴辉岩,两者的大地构造背景及经历的地质演化都有较大的区别。

(2) 两个大的复式侵入杂岩体(玲珑岩体和昆俞山岩体)的成岩年龄跨度在165~150 Ma之间。胶东金矿大多产于这两个岩体周边。这两个杂岩体总体演化过程是:在晚侏罗世形成花岗岩岩体,后经早白垩世的早期和晚期热液改造,从而形成多期的杂岩体。据现有研究(杨立强等,2014),认为花岗杂岩体是胶东群等老变质岩在165~150 Ma重熔形成,并经之后~120 Ma为主的多期次热液改造,从而形成多期次的花岗质为主的杂岩体。

(3) 胶东隆起被白垩系组成的几个盆地包围。西南为胶莱盆地,主要为白垩纪沉积物夹火山岩,盆地中有玄武岩层(闫峻等,2003)的出现,玄武岩测年为73.5±0.3 Ma。胶东隆起往北依次为:胶北-刘公岛隆起区、辽东-海洋岛隆起区和北黄海盆地。

(4) 受深大断裂所控制。金矿床主要分布于几条北东向断裂中,矿体多定位于这些断裂的次级断裂之中。其次,在乳山金矿旁有南北向断裂,再次是北东东向断裂。胶东地区断裂总体可分为三套体系:胶北地体和鲁东地体边界断裂体系,郯庐断裂体系(规模最大),盆地断裂体系。

胶东地区位于华北克拉通东南缘与苏鲁造山带边部,被郯庐断裂和华北克拉通与苏鲁造山带边界断裂等几条深大断裂围限。胶东金矿主要位于胶北-刘公岛隆起的胶北地区,南北两侧分别有胶莱盆地和北黄海盆地,渤海湾盆地以郯庐断裂与该区相隔(陈衍景等,2004杨立强等,2014)。

2 胶东金矿的时空分布规律

胶东金矿床成矿作用、构造特征、年代学等研究资料非常丰富,并形成了不少独具特色的成矿理论(邓军等,2001王义文等,2002陈衍景等,2004杨立强等, 2006, 2014李洪奎和杨锋杰,2006王世进,2009李洪奎等, 2013, 2017宋明春等,2013吕古贤等,2016吕古贤,2019孙卫东,2019),这对区内金及多金属矿床成矿和找矿研究有重要的启示。

2.1 金矿空间分布特征

(1) 断裂控矿

胶东金矿床分布就如同被断裂串起的珠子,如三山岛、焦家、招平、栖霞、牟乳等北东向含矿断裂带(图 1),断裂控制矿床的特征非常明显。玲珑矿田产于玲珑断裂和含角砾的破碎断裂带(破头青断裂)夹持区(图 2),金矿体在平面上和剖面上都严格受断裂控制。控矿断裂多是前期发生强烈塑性变形,后为脆性破裂所叠加,之后为热液充填或交代(吕古贤等,2016)。

SCF—三山岛-仓上断裂;JJF—焦家断裂;ZPF—招平断裂;QXF—栖霞断裂;TCF—桃村断裂;HQF—海阳-青岛断裂;RCF—荣成断裂
a—大地构造位置;b—金矿床分布地质图
SCF-the Sanshandao-Cangshang fault; JJF-the Jiaojia fault; ZPF-the Zhaoping fault; QXF-the Qixia fault; TCF-the Taocun fault; HQF-the Haiyang-Qingdao fault; RCF-the Rongcheng fault 图 1 胶东金矿集区地质简图(据王建等,2020) Fig. 1 Geological map of the Jiaodong area showing the distribution of main gold deposits (Wang et al, 2020). (a) Geotectonic location. (b) Distribution map of main gold deposits.

a—玲珑矿田主要矿体平面分布图;b—89号勘探线剖面图 图 2 玲珑金矿田主要矿体分布图(据高海东等,2020) Fig. 2 Distribution map of main ore-bodies in the Linglong Au ore-field (Gao et al., 2020). (a) Plane distribution of main ore-bodies in the Linglong Au ore-field. (b) Profile of the No.89 survey line

(2) 蚀变发育

被充填或被交代的含矿断裂带、断裂破碎带,都发育有不同程度的蚀变现象。胶东金矿从矿体到围岩通常的蚀变分带规律为:含金黄铁矿石英脉、黄铁绢英岩化带、强-弱黄铁绢云岩化带、钾化花岗岩带等(图 3);蚀变岩型矿体的蚀变带宽,可达数百米甚至到千米级别(胡宝群等,2013刘祥朋等,2017Xu et al,2017吕古贤,2019张宝林等,2019高海东等,2020)。蚀变现象的发育,表明曾发生过大规模以水为主的热液交代反应。玲珑大开头矿区175号金矿体照片(图 3)显示出断裂控矿和蚀变发育的特征,含金硫化物细脉两侧发育有强烈的黄铁绢英岩化(图 3a),钾化花岗岩中发育有三条绢英岩化含金黄铁矿细脉(图 3b),外围花岗岩的钾化现象明显,矿脉(体)与钾化花岗岩围岩界线明显。

a—绢英岩化矿体;b—三条含金黄铁矿细脉 图 3 玲珑矿田中典型矿体及蚀变(虚线为矿体和蚀变围岩的分界线) Fig. 3 Typical ore-body and alteration in the Linglong Au ore-field (The dotted line is the boundary between the ore-body and the altered surrounding rock). (a) Sericitized ore-body. (b) Three gold-bearing pyrite veinlets.

(3) 赋矿围岩

矿体的直接围岩多数为中生代花岗岩,少数为前寒武纪变质岩。近矿围岩中多发生程度不同的黄铁绢云岩化。矿区范围内出现大量的大致平行产出的脉岩,岩性从基性到酸性都有,表明在基体岩体形成后又形成了大量的大致平行于断裂的地下空间。

2.2 金矿床时间分布特征

综合各时期金成矿年代学研究成果(王义文等,2002陈衍景等,2004杨立强等,2006王世进,2009李洪奎等,2013吕古贤,2019)可知,胶东金成矿年龄存在130~110 Ma的明显峰期(即主要成矿期),且明显晚于区域主要变质岩胶东群20亿年以上。

有学者把胶东金成矿年代划分为两个阶段,如115±10 Ma和85±5 Ma(王义文等,2002),又如130~110 Ma和90~80 Ma(杨立强等,2006),两者各自的平均年龄大致相同,尽管年龄跨度略有不同。

还有学者根据胶东构造岩浆热事件与金成矿的关系,将金成矿年代划分为三个成矿阶段:160~141 Ma、130~110 Ma和105~81 Ma(李洪奎等,2013),同样也在130~110 Ma存在明显的峰期,而且认为这些成矿期与区内玲珑(昆嵛山)、郭家岭、伟德山岩体的构造岩浆热事件耦合、相关并大致相对应。

2.3 金矿物质成分特征

胶东金矿的类型包括了破碎带蚀变岩型(或称破碎带交代型)、石英脉型(或称裂隙充填型)、富硫化物石英脉型、层间滑脱拆离带型、构造角砾岩型和辽上型等(李洪奎和杨锋杰,2006李洪奎等,2017),但主要还是石英脉型和蚀变岩型。前者围岩蚀变弱且宽度窄,金矿品位高;后者大致相反,蚀变强烈且宽度大,金品位相对较低。

矿石矿物主要有黄铁矿等硫化物和自然(银)金,脉石矿物主要有石英、方解石、黏土矿物等,金矿石的结构类型主要有充填、交代结构等(胡宝群等,2013刘祥朋等,2017Xu et al., 2017Niu et al., 2019Yu et al., 2020高海东等,2020)。

据胶东金矿成矿流体的物理化学条件研究(范宏瑞等,2005),区内各类金矿具有一致的成矿流体介质条件,为低盐度H2O-CO2-NaCl±CH4,温度为170~335 ℃,压力为70~250 MPa。

3 从深大断裂-临界成矿机制的角度分析胶东中生代金矿成矿过程 3.1 热液矿床水相变控矿理论要点简介

随着热液矿床的地质和构造物理化学研究不断深入,热液水相变控矿理论也在逐渐完善(胡宝群等, 2003, 2008, 2009, 2011, 2017):水是成矿热液的主要组分,热液成矿过程中水会发生相变;当水发生相变时可引起水中矿质溶解度等物理化学参数突变,特别是在临界点处二级相变时还会出现“临界奇异性”,部分参数趋于无穷大;这种临界水与非临界水的性质差别巨大,必将影响成矿物质的活化、迁移和沉淀;而水是否相变取决于断裂等降压条件是否存在。一个理想的热液成矿作用过程,大体分为早、晚两期次的构造降压作用,早期降压主要起到活化成矿物质的作用,晚期降压主要起到促使成矿物质沉淀的作用。

要大规模成矿,必须存在大量的具有特殊溶解性质的临界水,而按岩石圈正常的地温梯度必须有深大断裂降压才能满足形成临界水的温压条件(胡宝群等,2011)。因此,在应用热液矿床水相变控矿理论分析热液矿床大规模成矿过程时,主要是考虑深大断裂降压和临界水这两个主要因素。在上述文中胶东金矿的时空分布等特征归纳的基础上,依据深大断裂-临界成矿机制探索胶东中生代巨量金矿堆积的成矿过程。

3.2 胶东中生代金成矿过程的总体分析

(1) 基本思路

矿床的形成是区域内大地构造单元中多种地质作用综合的结果(邓军等,2001翟裕生和吕古贤,2002陈衍景等,2004宋明春等,2013杨立强等,2014李洪奎等,2017吕古贤,2019)。成矿过程分析,总体是根据现有地质现象分析结果,再结合地质学基本原理,研究矿床物质组成、构造运动及其力学性质等演化过程,推测成矿物质的来源和数量、发生过的物理和化学作用及后期所遭受的破坏等。

在胶东地区,不论是石英脉还是蚀变岩型金矿,都是受断裂控制的热液矿床,以水为主要成分的热液来源及其演化仍是研究区内金及多金属成矿的关键。在分析胶东金矿成矿动力、物源及沉淀富集过程时,断裂构造控矿和以水为主体的热液蚀变是两个重要的研究方面,且两者密切相关并都受降压作用控制。

(2) 断裂降压的必要性

构造控岩控矿,或构造成岩成矿(吕古贤等,2019),是基本的地质现象,也是构造物理化学研究的基础。在成矿整个过程中,断裂为主的构造提供成矿空间的效应是显而易见的。从物理化学的压力变化角度来看,降压是构造控岩控矿不可或缺的因素(胡宝群等, 2003, 2008, 2009, 2011, 2017万天丰等,2019)。

降压不仅提供成矿的动力来源,还能揭示出构造控矿的物理化学机理。降压过程是降压、聚水、增温、相变、体系破坏等物理和化学性质急变的统一过程(胡宝群等, 2003, 2008, 2009, 2011, 2017梁光河,2017万天丰等,2019)。无论是在金的导、运、储或者活化、迁移、沉淀过程中,构造降压都起到了重要作用。在区域大地构造演化过程中,特别是力学性质发生明显改变之后(翟裕生和吕古贤,2002),会造成不同区段出现不同性质的降压,从而引发上述一系列的突变,进而控制着成岩和成矿过程。

成矿的化学模式,可以用一些化学反应式来表达,且多是动态平衡。这些化学反应会朝着成矿沉淀富集的方向不断进行,甚至能达到元素背景值的成千上万倍,包括被认为极易氧化迁移的铀的成矿过程也是如此。究竟是什么因素打破了化学平衡,使得反应能够朝着生成富集的方向发展?降压就是其中一个重要因素,会打破化学平衡,改变成矿化学反应方向和进程,可以造成成矿物质沉淀。与温度变化相比,压力的变化速率更快(胡宝群等,2017)。

这里包含着一个基本认识:增压(挤压区段)不会使原本固相岩石熔融(胡宝群等, 2003, 2008, 2009, 2011, 2017万天丰等, 2000, 2019),只会发生固相变质变为相对应的高压相,甚至形成榴辉岩等高压超高压变质岩;而降压才有可能引发固相岩石的局部聚水、升温、相变熔融等,这也进一步说明了降压是大规模成矿的必要条件。

(3) 成矿物源

金来源于古老变质岩及其之后的重熔岩浆岩,这是比较统一的观点(邓军等,2001范宏瑞等,2005宋明春等,2013杨立强等,2014李洪奎等,2017吕古贤,2019)。胶东群为古老变质岩,是金的初始来源。

胶东金矿中发生大规模的蚀变作用,出现大量的硅化、绢云母化、碳酸盐化等,这需要有大量的热液活动,这也是巨量金活化、迁移、沉淀的需要。这些流体可能来源于古老变质岩重熔形成花岗岩时的脱水以及周边盆地沉积物在断裂、岩浆改造后的脱水(范宏瑞等,2005杨立强等,2014吕古贤等,2016吕古贤,2019),两者叠加应是形成富大矿床的必要条件。

(4) 矿质沉淀富集的方式和启示

矿体产状和矿质赋存状态,是构造控矿的结果和矿质沉淀单向反应的结果,也是反演矿床形成过程的基础。

石英脉型金矿,金属元素等矿质快速沉淀并充填形成矿体,对应着不连续分隔的降压空间。蚀变岩型金矿,交代反应和交代结构明显,并辅以充填而呈蚀变岩型矿体,对应的是连续非分隔降压空间。大面积蚀变形成的大而贫的矿化,也对应着非分隔连续降压空间。

根据金的赋存状态研究,矿体中金的分布极不均匀,大多数(少量的明金除外)呈极细小的微粒和细线分布于黄铁矿等硫化物裂隙或晶隙中(胡宝群等,2013),这可能是由于降压膨胀、矿质沉淀过程中金被硫化物等矿物表面和微裂隙选择性吸附,从而呈现出非均匀分布的微米甚至是纳米级颗粒。而更多的成矿过程的细节信息可能需要对矿质的沉淀富集方式、微米和纳米级矿质颗粒的形成、晶质化过程、晶体的生长和自净作用等进行深入研究才能获得。如矿床中金等多种金属纳米颗粒的系列发现(Cao et al., 2009Yi et al., 2020),可借鉴工业上超临界流体降压膨胀纳米材料制备原理(许群和倪伟,2007)来解释;金属纳米颗粒的发现则成为深大断裂-临界成矿机理的又一佐证,由此推测,超临界流体降压膨胀形成金微颗粒是有可能的,这个可能性也又一次反映了金成矿过程中断裂降压和临界水的重要性。

3.3 胶东金矿巨量堆积的降压成矿阶段

(1) 成矿阶段划分

基于上述思考,结合胶东金矿的地质背景和成矿特征,并充分考虑成岩成矿过程,以降压为主线来分析胶东可出现大量的金矿聚集的原因和过程。

胶东地区老变质岩中的成矿物质丰富,又有复杂的构造活动、热液活动和花岗岩成岩过程,从而促使金在局部富集成矿。综合前述研究认为,金成矿的具体过程主要包括三个阶段、两期次不同性质的降压过程。降压会加大了区域垂向、横向的地压梯度驱动物质运移,还可能引发相变等改变成矿化学反应的方向和进程,甚至形成矿质沉淀成矿。

① 基底阶段:构造运动,胶东地块不均匀抬升,形成隆起(吕古贤等,2016)。

② 早期降压形成两个大型控矿花岗杂岩体阶段:在玲珑和昆嵛山形成了两个大型点状降压中心(图 1),并在后来的多次活动基础上形成了巨大的花岗质杂岩体,主期次为165~150 Ma。每次降压熔融之后,深部会伴有高温压的水向浅部运移,这些以水为主体的热液,在垂向和横向地压梯度的驱动下,经历了水的临界温压状态而形成具有特别性质的临界态水,溶滤出成矿物质,使金等成矿物质活化进入临界态水中;在地压梯度的持续驱动下,岩浆期后热液由高温压的地下深部源源不断地向低温低压的浅部运移(胡宝群等, 2003, 2008, 2009, 2011, 2017万天丰等, 2000, 2019)。

③ 晚期降压形成(或活化叠加)北东向断裂的控矿阶段:这个阶段降压主要表现北东向断裂,多为脆性,其中部分断裂活化叠加改造先成的北东向韧性断裂。这一降压期叠加于之前的期次,这对于形成富矿、大矿是必要的。盆地沉积物在控盆断裂、玄武岩浆等改造后脱水,是晚期成矿热液的又一来源。

成矿过程包括上述两期次的降压过程:早期大型点状构造降压成岩,连通性深达中下地壳甚至地幔,从而汇聚热、水及活化矿质的作用,缓慢且时长;早期降压后期,深部的热液在地压梯度的驱动下,由下而上迁移,若不快速破裂,温度下降时便会经过水的临界温度和水的临界压力,从而显现出临界水的独特物理化学性质,活化迁移金等成矿物质(胡宝群等, 2003, 2008, 2009, 2011, 2017万天丰等, 2000, 2019)。晚期线性降压成矿,可能会叠加于早期的构造之上,如早韧性、晚脆性断裂叠加。早期的韧性断裂的封闭性仍然很好,相比之下,脆性断裂因其封闭性差,降压效果明显,超临界流体因降压迅速膨胀而导致矿质沉淀富集成矿。

胶东地区发育三套断裂体系,其形成时间总体上从老到新依次为:胶北和鲁东地体边界断裂体系、郯庐断裂体系和盆地断裂体系,每个断裂体系都有多期次活动。后期断裂体系叠加改造先成的断裂体系,这些叠加改造对胶东金矿形成有着重要影响,特别是后两者的叠加改造的成矿意义更大。这三套断裂体系或许可以和胶东金矿胶北隆起金成矿系统、胶莱盆地北缘金成矿系统和苏鲁超高压变质带金成矿系统三个成矿系统相对应(杨立强等,2014)。

(2) 盆地断裂体系和三层式结构的重要性

胶东金矿区在岩性构成上总体显示为三层式结构:以胶东群为主的变质岩的基础;后期发育玲珑岩体和昆嵛山两个燕山期为主、并发育岩浆期后热液蚀变叠加从而构成的复式岩体;之后再受胶莱盆地、黄海北盆地等白垩纪盆地和控盆断裂活动及其伴生火山岩改造的影响(杨立强等, 2006, 2014吕古贤等,2016)。盆地多是区域拉张环境的表现,其沉积物的脱水及后期深大断裂、岩浆活动改造等加温脱水,可成为活化金等成矿物质的热液,特别有利于形成滑脱带型金矿。

(3) 胶东金矿巨量堆积的总体过程

胶东群等老变质岩提供金的矿质来源是基础。两期次性质不同的降压过程控岩控矿:在165~150 Ma,大型的点状降压形成了以玲珑和昆嵛杂岩体为中心的聚水、热的成矿有利区域;在130~110 Ma大型线状韧脆性断裂降压叠加而成金矿。

胶东金矿成矿的主要控制因素,包括胶东群基底、两个侵入杂岩体、盆地及控盆断裂。具体表现为断裂控矿及水-岩反应导致的蚀变。简言之,丰富的金源,两期次不同性质的降压,临界水的独特性质,是胶东巨量金矿聚集的主要因素。

3.4 热液多金属矿床巨量富集成矿的深大断裂-临界成矿一般性机制

热液大规模成矿有许多相似特征(华仁民和毛景文,1999),成矿机制也有一些共性。

降压常伴随着流体聚集、温度上升,从而造成相变,固体相变就可能形成火山岩或侵入岩(降压控岩)(万天丰等, 2000, 2019),水的聚集就可能形成蚀变或相变而使矿质沉淀成矿等(降压控矿)。岩石圈中降压的成矿意义主要有:影响矿产形成及分布,岩浆演化过程,大规模成矿机制,以及区域大地构造演化和成矿系列等。

根据建造和改造相结合的原则(吕古贤,2019),把降压作用作为改造的重要方面,初步分析大规模热液成矿过程。

(1) 建造方面

中国东部热液矿床含矿地质体的基本框架为:变质基底、岩浆岩、沉积盆地盖层,岩性构成为非严格意义上的三层式结构。变质基底中的元素组合,主要决定着元素成矿系列(陈毓川等,2020)。侵入岩和火山岩多为不同性质的降压所引起(胡宝群等,2017万天丰等, 2000, 2019),经过多期相互叠加改造而成杂(或复式)岩体。沉积盖层多以断陷盆地形式出现,盆地及控盆断裂提供热液和动力。

(2) 成矿改造方面

主要表现为构造降压控岩控矿。降压大体可分为两个期次(早期和晚期)。

早期改造:多为岩浆岩形成期及后期的构造降压,升温、聚水、局部增加地压梯度,驱动流体,对已形成的岩浆岩进行物理的和化学的改造。主要与深大断裂有关。

晚期改造:多为盆地沉积、脱水或控盆断裂活动,所形成的热液对早期改造过的岩浆岩进行再次改造,使成矿物质再次富集,通常情况下,第二次与盆地改造相关的流体通量更大。

在两期次改造的构造叠加部位,热液活动强烈,常是富矿的存在场所。

总之,中国东部热液成矿的影响因素主要有三个方面,一是中浅变质岩的基底,二是发育于变质岩基底之上的火山岩和侵入岩等岩浆岩,三是盆地形成及控盆断裂活动对前两者的改造(主要是提供水和深大断裂导热)。大体可分为两期次降压控岩控矿:第一期是与岩浆期后热液相关,第二期是与盆地及控盆断裂改造相关,从而与前述之两阶段的成矿期温度相对应。

(3) 深大断裂-临界水耦合成矿机制的初步模式

热液水相变控矿理论是适用于多个矿种的热液控矿理论,特别强调两期次降压及临界水是形成大矿和富集的必要条件(胡宝群等, 2003, 2008, 2009, 2011, 2017万天丰等,2019),即两期次降压的必要性。早期降压形成压力差、聚水、升温,临界水的形成并起到活化迁移作用;晚期降压,矿质沉淀富集。大型点状降压,可以表现为火山盆地或侵入岩的杂岩体,加上后期大型线状断裂降压及巨量临界水活动的叠加,即“一盆加一刀”(或称“饼加刀”、“一体加一刀”)的模式(图 4)。这个模式中的“饼”为面状降压,常受两组深大断裂交汇所控制,所形成的侵入或火山杂岩体、或是局部隆起和穹隆(宋明春,2013吕古贤等,2016),如图 4中绿色粗虚线边界包围的花岗质岩岩基,这里的“饼”也是经过多期改造过的;“刀”为线性降压,即为后期切过早期所形成“饼”的线性断裂,这里的“刀”可能是多条断裂所组成,如图 4中切过花岗质岩岩基的断裂,常为控盆断裂体系的一部分,也可能叠加于早期的韧性断裂之上。典型的实例有相山铀矿田、下庄铀矿田、银山多金属矿田(胡宝群等, 2009, 2011)。热液多金属矿床巨量富集成矿(华仁民和毛景文,1999)的内在深层机理,仍可以从地压梯度变化的角度来理解,降压引发了以水为主体的热液重新分布,引发压力、温度、相态、体系性质等明显变化,从而在不同温压条件下(或区段)控制着成岩成矿过程(胡宝群等, 2003, 2008, 2009, 2011, 2017梁光河,2017万天丰等,2019)。

1—白垩系沉积岩;2—老变质岩;3—花岗质岩;4—基性脉岩;5—酸性脉岩;6—断裂;7—花岗质岩大致边界成矿过程说明:早期降压形成大型点状岩基,岩脉形成时伴随着有大量的岩浆期后热液,这些热液活化和预富集成矿物质。晚期线状断裂降压,常伴有大量的盆地来源的水,叠加改造已有的蚀变破碎带,促使成矿物质富集或沉淀。矿体多定位于岩基边界与断裂交汇部位,或多组断裂交汇部位。 1-Cretaceous sedimentary rocks; 2-old metamorphic rocks; 3-granitic rocks; 4-basic dykes; 5-acid dikes; 6-fractures; 7-approximate boundary of granitic rocks
The ore-forming process suggests that the large-scale point-like batholith was formed in the early stage of depressurization, and a large amount of post-magmatic hydrothermal solution was accompanied by the formation of various dikes, which activates and pre-enrichs mineralization materials. In the late stage, the linear fault was depressurized, often accompanied by a large amount of water from the basin, superimposed and reformed the existing altered fracture zone, and promoted the enrichment and precipitation of ore-forming materials. The ore-bodies are mostly located at the depressurization position where the boundary of the batholith intersects with the faults, or at the depressurization position where many groups of faults intersect.
图 4 深大断裂-临界水耦合成矿机制模式示意图 Fig. 4 Sketch diagram of the metallogenic mechanism model of the deep-large fault coupling with critical water
4 结论

在胶东金矿主要地质特征归纳的基础上,根据热液矿床水相变控矿理论,初步探讨胶东中生代巨量金矿堆积的深大断裂-临界成矿机制,得到以下一些认识。

(1) 胶东金矿床基本特征是以胶东群等变质岩为基底,后期发育玲珑和昆嵛山两个燕山期为主、并发育岩浆期后热液蚀变叠加改造的复式杂岩体,之后再受胶莱盆地、黄海北盆地等白垩纪盆地及控盆断裂活动的影响,岩性构成为典型的三层式结构;金矿床主要围绕这两个杂岩体产出,断裂控矿,蚀变发育。

(2) 胶东巨量金聚集成矿的深大断裂-临界成矿机制,通俗地讲为“一饼加一刀”。老变质岩是金成矿物源的基本来源。早期大型点状降压形成酸性侵入杂岩体(主体岩体年龄为165~150 Ma)和中基性岩等,其伴生长时间、巨量的临界水促使成矿物质活化迁移。晚期大型线状北东向断裂降压造成较短时间内成矿物质沉淀成矿,主成矿期为130~110 Ma。当晚期断裂为张开的不连续空间时,矿石以充填结构为主;若为破碎带连续空间时,矿石则以蚀变交代结构为主。两期次降压的表现,分别对应着岩浆(杂)岩体(不规则饼状)和断裂带(线性刀痕)。丰富的金源,两期次面状和线状不同性质的降压,临界水的独特性质,是胶东巨量金矿聚集的三个主要影响因素。

(3) 降压是巨量金聚集成矿的关键之一。岩石圈中的降压是体系破坏、压力下降、聚水、升温、相变等物理化学条件急变的统一过程,会增大纵向和横向的地压梯度,为成岩成矿物质运动提供驱动力,是岩浆、强烈变形、热液矿床等形成的必要条件。只有降压才可能满足条件形成临界水,从而活化大量的成矿物质。

致谢: 工作过程中得到了中国地质科学院地质力学研究所陈正乐、郭涛和申玉科等学者的大力帮助,审稿人提出了很多有益的意见和建议,对文字也进行了详细的修改。在此一并表示感谢!

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