成矿物理化学条件

如何确定矿床的成矿物理化学条件
山东五莲七宝山金矿床成矿物理化学条件及矿床成因邱检生，王德滋，任启江（南京大学地球科学系，南京210008）张重泽（中国科学院地球化学研究所广州分部，广州510640）摘要七宝山金铜矿床流体包裹体的研究表明：成矿流体具有较高的K￣＋、Na￣＋、及Cl￣－含量，并富含CO＿2等挥发组分。成矿温度主要变化于200～350℃，成矿体系具有中等偏高的及较高的。同位素的研究表明：成矿流体以岩浆水为主导，成矿热液及成矿物质主要来自岩浆。成矿体系由封闭型向开放型演变，导致物化条件的突变是促使金、铜矿质沉淀的关键所在。关键词包裹体，同位素，矿床成因，金铜矿床，山东七宝山七宝山金铜矿床位于胶南隆起、胶莱坳陷与沂沐断裂带三者的复合部位（图1），处于沂沭断裂带以东中生代火山岩区，是区内与火山隐爆作用有关金铜矿床的典型代表。1矿床地质概况矿区范围内出露的地层主要为下白垩统青山组火山岩，矿区西北侧分布有上白垩王氏组砂泥质陆相沉积岩，南东侧分布有上侏罗统砂

影响这类矿床的控矿因素主要有岩体、围岩蚀变和构造。
（一）花岗岩
矿区或矿床范围内后造山-伸展构造花岗岩的存在是形成矿床或矿化的先决条件。这类岩体的宏观特点，在本专著的前述有关章节中已有较详论述。矿床和花岗岩的密切关系不仅表现在两者在空间上相依相存，更主要体现在成矿物质基本来自与矿床密切伴生的花岗岩。花岗岩周围围岩中Sn等成矿元素的高背景值又为这类花岗岩的形成奠定了基础。然而花岗岩中Sn等成矿元素的相对富集，在很大程度上取决于花岗岩浆的分异演化，即岩浆的结晶分异作用。与成矿有关岩体多以复式岩体出现，为原始岩浆的结晶分异充分发育创造了条件。在晚期次岩体中，稀碱元素挥发组分及成矿元素的含量普遍高于早期次岩体则证实了这一点。以高贡岩体为例，早期次岩石中w（Ba）/w（Rb）比为0.26，w（Rb）/w（Sr）比为13.52，w（F）/w（Cl）比为44.3。而在晚期次岩体中，w（Ba）/w（Rb）为0.11，w（Rb）/w（Sr）为51.26，w（F）/w（Cl）为33.2。从主元素看，与成矿有关晚期次岩体中，不仅富Si、富碱低Ca、Mg，而且w（K2O）/w（Na2O）普遍较高（1.23～2.29），AR=1.9～2.3，属钙碱性岩类，而且普遍偏向碱性（图5-2），A/CNK=0.7～1.2。从前人的大量水岩实验表明，这种原始岩浆有利于成矿物质在流体中较长距离迁移，最后在岩体附近物理化学条件突变条件下沉淀成矿。

图5-2 后造山花岗岩w（Si）-w（K+Na）图


图5-3 措莫隆-格聂岩带燕山晚期花岗岩w（Mg）-w（Fe）-w（Na+K）图


图5-4 措莫隆-格聂岩带燕山晚期花岗岩聚类谱系图

另外，根据对有关岩体氧化物聚类分析（表5-1，图5-4），在+0.1相关系数的水平上分为3个群：① SiO2和K2O；② 基性氧化物；③ MnO独自为群。而在相关系数为0.5的水平上只分为SiO2、K2O群和其余基性组分群。以上特点表明，SiO2、K2O明显地与其他氧化物负相关，而MnO、Na2O、P2O5在岩石化学中占某种较独立的位置。
对应分析结果列于表5-1，主因子F1和F2分别占53.4%和21.5%，利用它们可以概略地找出影响岩体含矿性的主要因素。
表5-1 前2个因子及方差贡献


F1各变量的分布，其下端为SiO2、K2O，中间为MnO、P2O5、Na2O，最上端是Fe2O3、MgO、CaO，反映随着F1值增大，基性组分增加。含矿岩体投影点见图5-5，多数位于F1轴下端，表明受K2O、SiO2组分所制约，而Na2O、MnO也临近含矿岩体范围，说明也有一定影响。
在F2轴中部，含矿岩体所在范围内，除了K2O、SiO2以外，Na2O、MnO、FeO、P2O5、CaO等变量也集中其间，而Fe2O3明显处于非含矿区，这显然同花岗岩的物源有大量海相火山岩有关，源岩的低氧化率，表明处于还原环境。
在因子载荷平面聚类图上，含矿岩体在右下方，主要制约因素是K2O和SiO2，另外还受Na2O、MnO、P2O5变量的制约。
在稀土元素组成中，这类岩体由于经历了较强的结晶分异作用，与成矿有关的岩体δEu明显偏小，在标准化曲线图上，形成非常强烈的Eu谷（图5-5），w（LREE）/w（HREE）1—F2因子载荷平面聚类

在休瓦促蚀变花岗岩型钨钼矿床中，矿化与其绢云母化、硅化、碳酸盐化关系十分密切，常构成一定的蚀变分带，同样也是蚀变越强，不同蚀变叠加越明显，矿化也越发育。
实际上产生热液蚀变的流体也基本来自花岗岩岩浆，它们是含矿岩浆上升定位于封闭性较好的围岩中时，富含挥发组分的残余岩浆及气-液流体，以其较高的压力梯度和流动性，上升至岩体顶部，被圈闭在顶盖围岩之下。在这些流体中富含了大量成矿物质，它们以络合物形式存在其中。当有构造活动顶部围岩破裂产生裂隙时，大量热液流体则将大量涌出，进入到围岩及岩体本身的裂隙中，在其热液蚀变过程中，成矿物质也随之产生沉淀构成矿化。因此，没有含矿流体产生的广泛热液蚀变，也没有这类成矿系统的产生。
（三）断裂构造
构造裂隙是产生成矿作用的必要空间，在该成矿系统的3类矿床中，成矿作用基本均发生在花岗岩体的内外接触带，而这些部位也正是构造裂隙最发育地段。这些裂隙有些是岩体侵入前就已存在的，它们构成了岩浆活动的通道；有些是岩浆侵入及冷凝过程中产生的，正是由于这些裂隙的存在为后期含矿热液的活动提供了良好的空间。

由于矿物形成时所捕获的成矿介质被包裹在晶体内，并较完整地保存下来，因此探讨成矿物理化学条件（包括温度、压力、介质成分、浓度、密度、酸碱度、氧化还原电位等等）主要借助于矿物包裹体的研究，对有关参数进行计算和分析。已有资料表明，两类矿床的成矿物理化学条件存在一定差异，现分述如下：

（一）细碎屑岩-碳酸盐岩中微细浸染型金矿

1.温度、压力及深度

根据以石英为主，包括方解石、铁白云石、黄铁矿、辉锑矿等矿物的均一法及爆裂法测温资料，各矿床的温度变化范围为80～330℃（表4-5），而金的主要矿化阶段多在140～240℃之间，其平均温度多为170～210℃左右，仅高龙、金牙等少数矿床较高，前者主矿化阶段平均温度为269℃，后者为259℃。总体上看，本类金矿成矿温度以低温为主。

成矿温度在各成矿区之间无明显差别，但在同一矿床中，不同矿化阶段的变化比较明显，其总的趋势是，由早期到晚期，温度由高（相对）到低渐次下降。如板其矿区，第Ⅰ矿化阶段均一温度为310℃，第Ⅱ矿化阶段为210～290℃，第Ⅲ矿化阶段为180～190℃，第Ⅳ矿化阶段为110～175℃。又如东北寨金矿，早期矿化阶段为150～236℃，平均180℃，晚期矿化阶段为110～180℃，平均150℃。但也有少数矿床相反，即早期相对较低，晚期相对较高，如联合村矿床，早期为173℃，晚期为238℃。

根据二氧化碳包裹体测压法、矿物热力学平衡计算法、经验公式推算法等所获得的成矿压力均在400×10⁵Pa以下（表4-5），而且较多地出现在100×10⁵～300×10⁵Pa之间。其中以戈塘矿区最低，为20×10⁵～25×10⁵Pa，东北寨、丫他相对较高，分别为300×10⁵～400×10⁵Pa和230×10⁵～390×10⁵Pa。与之相应，成矿深度普遍较小，绝大多数都小于1500m，应属浅成矿床。

2.成矿溶液的成分

从各矿床的矿物包裹体分析资料来看，成矿溶液具有以下特征：

（1）在气相成分中，除H₂O外，还有多量的CO₂，其含量通常都大于CH₄、CO、H₂、N₂。作为矿化剂的CO₂，当其大量出现而溶解于水中时，一方面改变介质的酸碱度，同时可增加介质的活度，从而促进矿质的活化。因此CO₂的存在对成矿无疑是重要条件。

（2）在液相成分中，多数情况下碱金属离子浓度大于碱土金属离子，而且Na^＋＞K^＋，形成富钠的络合物溶液。有的由于溶液环流于碳酸盐岩中而显示出富Ca^2＋、Mg^2＋特点，如东北寨，按浓度Ca^2＋＞Mg^2＋＞K^＋>Na^＋，其Ca^2＋+Mg^2＋与K^＋+Na^＋比值达24.49～54.50，而且

也远高于Cl^-、F^-等阴离子。此外由于成矿溶液的环流、补给，导致了不同矿化阶段离子浓度的变化，如高龙矿床，成矿早期Na^＋+K^＋＞Ca^2＋+Mg^2＋，中期由于活动于碳酸盐岩区的溶液加入而使Ca^2＋、Mg^2＋大量增加，使Na^＋+K^＋＜Ca^2＋+Mg^2＋。

（3）在成矿溶液中，阴离子总量常大于阳离子总量，表明金元素在溶液中呈某种络阴离子的形式迁移，在成矿作用中呈自然元素形式沉淀，因而未消耗相应的阴离子。

（4）包裹体中还原性气体CO、CH₄、N₂含量普遍较高，按照CO+CH₄+N₂之和比CO₂所计算的还原系数，大多变化在0.4～0.9之间，高者达1.91（高龙）和1.34（金牙），仅丘洛较低，为0.005～0.07。表明多数处在还原或强还原条件下。

表4-5　细碎屑岩-碳酸盐岩中微细浸染型金矿床成矿物理化学条件特征值

（5）包裹体中常含Pb^2＋、Zn^2＋、Cu^2＋等离子，其浓度与矿化有较密切关系。在各矿区中，主矿化阶段的浓度最高，如黔西南诸矿床，高者Cu^2＋为0.0015%,Pb^2＋0.0015%,Zn^2＋0.0995%。

3.成矿溶液的浓度及密度

根据冷冻法测定及部分计算的包裹体含盐度w（NaCl），大部分都在10%以下，仅东北寨及丘洛少数超过10%，最低为戈塘（一个样），为0.09%。属低盐度溶液。含盐度在不同矿化阶段有一定变化，总的趋势是从早到晚，由高到低。

根据离子浓度计算的总矿化度，按总矿化度对水溶液性质的划分标准，即小于1g/L为淡水，1～3g/L为微咸水，3～10g/L为咸水，10～50g/L为盐水，大于50g/L为卤水，则可划分为：咸水型，如戈塘、横江；盐水型，如丫他、三岔河、九源、黑多寺、石峡、张立岩等；盐水-卤水型，如拉尔玛、坪定、高龙等；卤水型，如板其、联合村、丘洛等。

成矿溶液的密度变化在0.8～1g/cm³之间，与普通地下水（300～330℃时密度为0.65～0.70g/cm³）相比，明显偏高。一般情况下，成矿早期相对较大，随成矿作用的进行而逐渐降低。以高龙矿床为例，主成矿早期为1.03g/cm³，主成矿中晚期为0.98g/cm³，成矿末期为0.93g/cm³。

4.酸碱度（pH）及氧化还原电位（E_h）

有关参数是根据热力学计算而获得，如表4-6所示。其中pH值除丘洛（pH=7.63～7.89）和石峡（pH=6.73～8.58）较高而显弱碱性外，其余大部均相对较低，而且显示出由成矿早期到成矿晚期逐渐提高，即由弱酸性向中性或弱碱性演化，以坪定矿床最为明显，成矿早期pH值为4.57，晚期则提高到8.59。这种弱酸条件对金的迁移有利，特别是作为金的氯化物络合物，只有在酸性条件下才是稳定的，因而使金得以运移。

氧化还原电位普遍较低，E_h值一般在-0.68～-0.11V之间，均属还原条件，这与还原参数较高相符合。在不少矿床中，不同矿化阶段的E_h值变化很小，可能是由于在成矿过程中含矿溶液不断受围岩有机质的影响（调节），使其不因变价元素和硫化物的沉淀而改变其E_h值。

（二）产于变碎屑岩中的脉型金矿床

1.温度、压力及深度

石英及部分金属硫化物矿物的均一温度和爆裂温度在140～350℃之间（表4-6），而金的主要成矿阶段多在180～300℃之间，属中温或中低温范畴。但不同地区和不同层位中的矿床有所变化，总的来看，产于华北陆块胶辽隆起古元古界中的金矿床，其温度相对较高，主矿化阶段多在220～350℃之间，如四道沟、猫岭等。其次是产于江南地块中新元古界的金矿床，主矿化阶段多在180～300℃之间，如沃溪、黄金洞、漠滨等。产于南华活动带粤西桂东地区古生界（寒武系）中的矿床则相对较低，其主矿化阶段多在140～280℃之间。显示出由北向南，由老到新，温度由高到低的变化趋势。

温度对成矿有重要影响，在成矿作用过程中，金的矿化通常出现在由高温或中高温向中温或中低温转变阶段，并且往往是在一定的温度区间。如沃溪金钨锑矿床，卢作祥等划分为五个矿化阶段，由早到晚第Ⅰ阶段温度较高，为342～374℃，平均351℃（已经过压力校正，以下同），此阶段未见矿化现象。第Ⅱ阶段为313～343℃，平均327℃，温度虽有下降，但仍较高，这是钨的主要矿化阶段。第Ⅲ阶段已降至274～310℃，平均291℃，金开始大量出现，并延至第Ⅳ阶段，其温度为212～277℃，平均246℃，在此阶段同时出现锑矿化。第V阶段温度继续下降至140～210℃（平均189℃），金、锑矿化也随之减弱到消失。可见该区金的有利成矿温度为212～310℃，钨的有利矿化温度稍高，为313～343℃，锑的有利矿化温度则为212～277℃。

表4-6　变碎屑岩中若干矿床成矿物理化学条件特征值

根据矿物包裹体测压法所求得的成矿压力值，多数矿床在300×10⁵～900×10⁵Pa区间，仅少数大于1000×10⁵Pa。估计成矿深度多数在1～3km之间，属中浅成矿床。

另外，不少矿床的温度、压力及深度常出现两个或多个数值组，反映了成矿的多期、多阶段性。有些矿床的数值组之间差距较大，是由于成矿作用的不连续演化所致。

2.成矿溶液的化学成分及浓度

各矿床石英包裹体成分分析资料表明，气相成分中以H₂O为主，其次为CO₂、CO、CH₄、N₂、H₂等。不同地区其成分和含量变化较大，在江南地块的湘赣地区，多数矿床为H₂O＞CO₂＞H₂＞CH₄,CO₂与H₂O比值小于1,CO₂与CH₄比值远远大于1。在南华活动带的粤西桂东地区的矿床中，还原性气体明显增多，表现为H₂O＞CO＞CO₂＞CH₄,CO₂与CO+CH₄比值均小于1。产于华北陆块辽东地区的矿床，其CO和CO₂的含量相差不大，通常为H₂O＞CO₂≥CO＞CH₄≥N₂,CO₂比H₂O小于1,CO₂比CH₄大于1。上述不同地区的矿床，无论是富含CO₂，抑或富含CO，其共同的特点是金的主矿化阶段CO₂含量相对提高，CO₂与CO+CH₄和CO₂与H₂O的比值表现出由主矿化阶段到次要矿化阶段到非矿化阶段由大到小的变化趋势。

在液相成分中，阳离子主要为K^＋、Na^＋、Ca^2＋、Mg^2＋等，它们之间的含量相差不大，常互为消长。仅少数矿床明显富Ca^2＋，如新洲矿床，Ca^2＋+Mg^2＋比K^＋+Na^＋在8～37之间。阴离子主要为

、F^-、Cl^-、

等，其浓度各不相同，大致可分为以下几类：一是

，如沃溪、黄金洞等；二是

（Cl^-）＞F^-，如新洲、漠滨等；三是

，如猫岭等。

含盐度w（NaCl）的变化范围一般为1%～12%，多数在3%～8%之间，仅少数大于12%。密度一般在0.7～1g/cm³之间。在多数情况下，同一矿床的主矿化阶段盐度和密度均相对较高。

3.酸碱度（pH）及氧化还原电位（E_h）

pH值多在5～8之间，总体处于弱酸性-弱碱性环境。不同矿化阶段常有较明显变化，由成矿早期到成矿晚期，由酸（弱）性或碱（弱）性变为碱（弱）性或酸（弱）性，而金的主要矿化往往出现在这种转变的中偏酸或中偏碱区间。如沃溪矿床第Ⅰ矿化阶段pH值为8.12；第Ⅱ矿化阶段（以钨为主、金为次阶段）为7.3；第Ⅲ矿化阶段（金的重要矿化阶段）为5.61～6.8；第Ⅳ矿化阶段（金的重要矿化阶段）为6.6；第V矿化阶段为8.12（卢作祥等，1990）。可见金主要出现在由弱碱转变为弱酸阶段。又如黄金洞金矿床，早期阶段pH值为6.45～6.50，主期阶段（即金的主成矿期）为6.35～7.15，表现为由弱酸转变为弱碱阶段成矿。

E_h值变化较大，一般在＋0.4～-0.8V之间。氧化还原电位对成矿有较明显的影响，在成矿过程中，金往往出现在E_h值改变的条件下，例如在强还原环境中，当E_h值提高，还原条件减弱，金即大量沉淀。以沃溪矿床为例，从第Ⅰ到第V矿化阶段，E_h值依次为-0.809、-0.672、-0.492、-0.477、-0.552（卢作祥等，1990），其中第Ⅲ、Ⅳ阶段为金的主要成矿阶段，即金主要形成于E_h值由-0.809提高到-0.492及-0.477区间。