李玉洁等:河北丰宁银多金属矿床黄铁矿热电性特征及其指示意义

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河北丰宁银多金属矿床黄铁矿热电性特征及其指示意义
李玉洁1, 李胜荣2, 袁茂文2
(1.中国矿业联合会,北京 100029;2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083)
作者简介: 李玉洁,工程师,博士,矿物学、岩石学、矿床学专业,主要从事成因矿物学与找矿矿物学研究工作。Email:285315831@qq.com。
通信作者:李胜荣,教授,博士生导师,矿物学、岩石学、矿床学专业,主要从事成因矿物学与找矿矿物学和环境与生命矿物学研究。Email:lisr@cugb.edu.cn。
引用格式: 李玉洁, 李胜荣, 袁茂文. 河北丰宁银多金属矿床黄铁矿热电性特征及其指示意义[J]. 现代地质, 2023, 37(02): 463-474
摘    要
丰宁银多金属矿床位于华北克拉通北缘冀北成矿区内,是该地区重要的银多金属矿床之一。为了更好地探究矿床成因并进行矿区深部、外围找矿预测,对丰宁银多金属矿床牛圈银(金)矿区不同成矿阶段矿石中黄铁矿热电性标型特征进行了研究。结果表明该矿床黄铁矿热电系数变化范围为26~367 μV·℃-1,主要集中在200~330 μV·℃-1范围内,黄铁矿热电导型全部为P型,热电系数平均值为267 μV·℃-1。从1190 m到1110 m范围内约80 m的垂直空间内,热电系数变化梯度为0.74 μV·℃-1·m-1,变化梯度较小。综合来看,目前牛圈银(金)矿区所揭露的仅为浅部矿体,深部矿体还没有披露,并且矿体剥蚀较浅,深部尚有很大找矿远景。另外,利用黄铁矿热电系数与其形成温度的经验公式计算得出本区黄铁矿的形成温度范围为147~281 ℃,主要集中在180~280 ℃,与流体包裹体均一测温结果的变化范围基本一致,表明该矿床为中低温矿床。
关键词
河北丰宁; 银多金属矿床; 黄铁矿; 热电性; 成矿温度
0 引  言
黄铁矿是众多金属矿床矿石矿物中最为普遍的矿物之一,是地质过程研究的良好对象[1]。黄铁矿热电性是金银矿床成因和找矿预测研究中应用十分广泛的标型特征之一,能够很好地反映矿物形成过程中所经历的物理化学条件变化,对矿床学研究具有十分重要的意义[2-3]。自20世纪80年代起,我国学者便对黄铁矿热电性进行了大量的深入研究,有效地指导了金银矿床的深部和外围找矿实践,并取得了明显的经济效益[4-6]。
河北丰宁银多金属矿床位于华北克拉通北缘冀北成矿区内,是该地区重要的银多金属矿床之一[7]。截至目前,该矿床的矿床成因、成矿流体来源与性质、深部及外围找矿潜力等关键科学问题尚存在较大的研究空白。为了更好地解决这些问题,本次研究在前人已有成果的基础上,对牛圈银(金)矿区不同成矿阶段矿石中黄铁矿热电性标型特征进行了研究,以期为探究成矿流体的性质、判断成矿流体的来源与演化,并为开展矿区深部、外围找矿预测提供帮助。
1 区域地质背景
河北丰宁银多金属矿床位于华北克拉通北缘中段。华北克拉通所涵盖区域位于105°—125°E、30°—45°N,面积约150万 km2,该区先后经历了新太古代后期至元古宙的活动陆缘俯冲-碰撞-伸展造山、中生代华北板块构造转折、岩石圈减薄和陆内造山等构造事件[8-9]。对应上述动力学演化背景,华北克拉通及其邻区先后发生了大规模的成矿作用,形成了种类多样、储量丰富的矿产资源(图1(a))。
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图1   华北克拉通大地构造位置及银多金属矿床分布图((a),据Santosh等[10]和李胜荣等[11]修改)和冀北地区银多金属矿分布((b),据杨仕道[12]修改)
区内地层发育较完整,主要包括太古宙和古元古代变质岩系、中—新元古代至早古生代海相碳酸盐岩系、晚古生代陆相碎屑岩系、中生代陆相火山-沉积岩系、新生代陆相火山-粗碎屑沉积岩系。地表出露的侵入岩主要包括太古宙侵入岩,岩性主要为蛇纹岩、斜方辉橄岩、橄榄岩、辉石岩等;元古代侵入岩岩性为斜长岩和苏长岩;早古生代(加里东旋回)侵入岩,岩性为黑云母花岗岩和二云母花岗岩;晚古生代(华力西旋回)侵入岩,主要包括基性至超基性岩和花岗质岩石两类组合;中生代(燕山旋回)侵入岩,岩性主要以花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、二长岩、正长岩等为主。另外,冀北地区还发育多期火山活动,其中以太古宙—古元古代、晚古生代与中生代中晚期岩浆喷发活动最为强烈。
区内断裂构造极其发育,控制区内的基本构造格架和岩浆活动,褶皱构造发育较不明显。主要断裂有康保—围场、丰宁—隆化(烟筒山)、大庙—娘娘庙、尚义—古北口—平泉、密云—喜峰口—青龙深大断裂。受火山断陷盆地和断裂构造的双重控制,矿床空间分布表现为受NE向和NW向断裂联合控制的特征(图1(b))。
2 矿区地质特征
河北丰宁银多金属矿床(图2)北部为牛圈银(金)矿矿区,南部为营房铅锌矿矿区(图2(b))。矿区内出露的地层较为简单,主要是古元古代红旗营子群、中生界及第四系全新统,其中中生界主要为晚侏罗世的张家口组和白旗组。红旗营子群构成本区结晶基底,主要分布在碱厂沟、二道沟及营房东山一带,因受中生代酸性花岗岩体的侵入而呈残块状零星分布。红旗营子群主要由石墨黑云斜长片麻岩、石榴石黑云斜长片麻岩、角闪斜长变粒岩和混合岩化片麻岩构成,局部地段可见大理岩透镜体。张家口组构成盖层,主要呈北东向分布于陆相火山断陷盆地中,主要岩性是凝灰岩、流纹质晶屑凝灰岩、凝灰角砾岩、安山质角砾岩、砂岩及页岩、砾岩等。白旗组构成盖层,主要分布在南天门和上黄旗一带,主要岩性是流纹岩、流纹质凝灰熔岩、凝灰岩、粉砂岩等。第四系全新统分布在山间谷地,主要由坡洪积物和冲洪积物组成(图2(a))。
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图2   丰宁银多金属矿床区域地质简图((a),据李久明等[7]修改)和银多金属矿床地质简图((b),据沈利霞等[13]修改;AB为79号勘探线)
矿区内出露的岩体为白音沟杂岩体和二道沟岩体。脉岩不发育,仅见少量中性岩脉零星出露,主要为石英闪长岩脉。白音沟花岗岩杂岩体主要分布在白音沟一带,呈马蹄形出露于滦河两侧,其长轴方向为NEE向或近EW向,形成一个规模较大的岩基,侵位于太古界结晶基底和古生代变质花岗岩岩体内,后被燕山期花岗岩切穿,西侧及北侧与中生界火山-沉积地层呈不整合接触关系。二道沟岩体呈岩株状分布在矿区北侧的二道沟一带。岩体的主体为细粒花岗岩,呈肉红色,块状构造,细粒花岗结构,矿物主要为钾长石、斜长石、石英和黑云母,副矿物为榍石、磁铁矿和磷灰石等。岩石普遍发生钾长石化、绢云母化和绿泥石化。石英闪长岩脉侵入到红旗营子群变质岩中,或以残留体或捕虏体形式在矿区西侧的粗粒花岗岩中产出。岩石呈灰绿色,中细粒结构,块状构造,矿物多呈半自形粒状,矿物成分主要为长石,其次为角闪石、黑云母并含少量的石英,副矿物有磁铁矿、榍石和磷灰石。岩石具有普遍蚀变现象,以钾长石化、次生石英岩化及碳酸岩化较常见。
矿区构造以断裂为主,康保—围场深断裂、丰宁—隆化深断裂和上黄旗—乌龙沟深断裂分别从矿区的北侧、西侧和东侧穿过。与上黄旗—乌龙沟深断裂平行产出的次一级构造牛圈—老虎坝断裂是本区的主要断裂。SN—NNE向牛圈—老虎坝断裂纵贯全区,长8 km,走向25°~35°,倾向南东,倾角52°~65°,露头宽为10~34 m,由角砾岩、糜棱岩和断层泥等构成,是本区主要的控矿构造。
牛圈银(金)矿区共圈出26个矿体,其中银矿体10个,金矿体16个,除了2个露天矿体外其余均为埋藏矿体。26个矿体中只有Ⅰ号矿体和Ⅱ号矿体品位达到工业级别,为本区主矿体,其余的多数矿体为平行的小盲矿体。Ⅰ号矿体总体走向北北东,倾向南东,呈“S”形延伸,最大延深可至410 m(图3)。Ⅰ号矿体在矿区的北部地表出露长约240 m,厚度变化范围为1~18 m,平均厚度约8.02 m,Ag=159.06~746.98 g/t,平均品位517.00 g/t, Au=0.410~3.849 g/t,平均品位1.949 g/t。Ⅱ号矿体平行Ⅰ号矿体,走向延长165 m,地表厚度2.0~5.9 m,平均厚3.3 m, Ag=125.340 ~ 810.449 g/t,平均品位607.819 g/t, Au= 1.200~3.869 g/t,平均品位 1.889 g/t。Ⅰ号矿体和Ⅱ号矿体在40~50 m深处连成一个矿体,走向延长约450 m,深部矿体收缩呈喇叭状。
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图3   牛圈银(金)矿区79号勘探线剖面图(据沈利霞等[15]修改)
矿石构造主要有角砾状、团块状、脉状和浸染状等(图4)。矿石结构主要包括自形粒状结构、半自形粒状结构、交代残余结构、交代结构、包含结构和乳滴结构等(图5)。
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图4   牛圈银(金)矿区矿石构造特征
(a)角砾状构造;(b)脉状构造;(c)团块状构造;(d)浸染状、脉状构造;Py. 黄铁矿;Sp. 闪锌矿;Gn. 方铅矿;Ccp. 黄铜矿;Q. 石英
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图5   牛圈银(金)矿区矿石结构特征
(a)自形粒状结构;(b)半自形粒状结构;(c)交代残余结构;(d)交代结构;(e)包含结构;(f)乳滴结构;Py. 黄铁矿;Sp. 闪锌矿; Gn. 方铅矿;Ccp. 黄铜矿
经手标本和光薄片综合鉴定,丰宁银多金属矿床牛圈矿区矿石中矿石矿物有自然银、银金矿、金银矿、辉银矿、黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、白铁矿、赤铁矿、针铁矿及银的一些硫盐矿物,为典型低温热液成因的硫化物组合。脉石矿物有石英、玉髓、蛋白石、微斜长石、白云母、重晶石、钠长石、萤石、冰长石及一些黏土矿物。
根据脉体穿插关系以及矿物共生组合特征,将牛圈银(金)矿的热液成矿期划分为4个阶段:硅质岩阶段(Ⅰ)、黄铁矿-石英阶段(Ⅱ)、多金属硫化物阶段(Ⅲ)、萤石阶段(Ⅳ)。
硅质岩阶段(图6(a)和(b)):热液成因的微晶石英等矿物沿微细裂隙交代花岗岩形成的硅质岩脉切穿花岗岩体。硅质岩中的热液矿物除玉髓外,也可见少量冰长石及黄铁矿,偶尔也出现方铅矿、闪锌矿及黄铜矿等。本阶段的黄铁矿为淡黄色,自形立方体,呈浸染状分布于角砾岩或花岗岩中,多与银矿化无关。
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图6   牛圈银(金)矿区不同阶段的穿插关系
(a)(b)硅质岩脉穿切花岗岩;(c)(d)石英穿切硅质岩;(e)绿色萤石穿切紫色萤石;(f)白色萤石穿切紫色萤石
黄铁矿-石英阶段(图6(c)和(d)):黄铁矿与石英组成细脉穿插早期的硅质岩脉,细脉宽0.4~2 cm,数量很少。石英呈烟灰色,黄铁矿粒度较粗。
多金属硫化物阶段:以胶结物形式胶结角砾或呈脉状充填裂隙大量分布,为主要成矿阶段。该阶段矿物颗粒较大,银含量高。矿物组合除石英和黄铁矿外,以较大量出现方铅矿、闪锌矿及银矿物为特征。本阶段的黄铁矿多呈五角十二面体{hk0}或八面体{111}自形晶,与银矿化关系密切,肉眼可见粒状自然银晶体。
萤石阶段:多以角砾岩的胶结物出现,也常呈脉状、网脉状分布于粗粒花岗岩中。主要脉石矿物为各种颜色的萤石,金属矿物为黄铁矿(图6(e)和(f))。
3 样品与测试方法
黄铁矿样品采自丰宁银多金属矿床牛圈银(金)矿区的1190 m、1150 m和1110 m三个中段的71号、73号、76号及77号勘探线的硅质岩阶段、石英-黄铁矿阶段和多金属硫化物阶段。
黄铁矿的热电性和热电阻测试样品是在矿石标本逐级破碎、筛分后,从粒度为0.425~0.250 mm的矿石碎样中挑选出黄铁矿颗粒进行测定的。共挑选黄铁矿样品12 件,每件200粒,共计2400粒。
黄铁矿热电性测试及热电阻测试工作在中国地质大学(北京)矿物标型实验室完成。热电性测试仪器为 BHTE-6 型热电仪,实验条件:选定活化温度Δt 为(60±3) ℃。热电阻测试仪器为 BHMR-08 型半导体矿粒调温电阻测试分析仪,测试温度 T=(60±3) ℃。
4 结果与讨论
4.1 黄铁矿产出特征
丰宁银多金属矿床牛圈银(金)矿区不同阶段的黄铁矿具有不同的特征。硅质岩阶段黄铁矿多为自形-半自形粒状,以立方体为主,晶形完好,浅铜黄色,粒径0.5~2.0 mm,呈浸染状分布,或星点状零星分布,或团块状分布。石英-黄铁矿阶段黄铁矿多为自形-半自形粒状,多呈八面体或五角十二面体,亮黄色,粒径0.05~1 mm,以细脉状分布为主,其次为网脉状、浸染状,含量30%~45%。矿物共生组合为黄铁矿、石英。共生矿物以石英为主,石英含量较高,含矿性较差。多金属硫化物阶段黄铁矿多为半自形-它形,浅铜黄色,粒径0.03~0.25 mm,或包含闪锌矿,或被方铅矿交代,以胶结物形式出现在隐爆角砾岩中。矿物共生组合为石英、黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿等,银矿物主要有辉银矿、银金矿、自然银等,含矿性最好。
4.2 黄铁矿热电性特征
热电性是对半导体矿物的能带结构及其中所含的杂质元素分布的微观性状的反映,是通过测量冷端与热端电位差来实现的。矿物热电系数(α)是单位温度差的热电动势,计算公式如下[14]:
                     α=E/Δt×1000
                                                      (1)
式中:α为热电系数,单位μV·℃;E为热电动势,单位mV;Δt为温度差,单位℃。
黄铁矿热电性导电类型分为电子导型(N型)和空穴型(P型),其热电性参数受杂质含量、形成温度、半导体参数、辐射和测量时冷热电极温差所影响[15⇓-17]。在高温(>300 ℃)、低氧逸度和硫逸度的情况下,Co、Ni等第一过渡元素金属离子活度大,黄铁矿n(S)/n(Fe)小于2,故热电系数为负数,热电导型为N型;在高硫逸度、低温(<300 ℃)和低压的情况下,S、As等离子活度大,黄铁矿n(S)/n(Fe)大于2,故热电系数为正数,热电导型为P型[18]。垂直方向上,As和Sb等挥发组分常在矿体的上部聚集,而Co和Ni常在矿体的下部相对富集,因此矿体浅部的黄铁矿大多以P型为主,矿体中部由P型→N型过渡,矿体的深部的黄铁矿则以N型为主[19]。
牛圈银(金)矿区黄铁矿热电系数和热电导型实验数据如表1所示。该矿床黄铁矿热电系数变化范围为26~367 μV·℃-1,主要集中在200~330 μV·℃-1范围内,数值变化比较稳定,说明其处在较为稳定的形成环境。本区黄铁矿热电导型全部为P型,热电系数平均值为267 μV·℃-1,显示形成于浅成环境。
表1   牛圈银(金)矿黄铁矿热电性参数特征
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4.2.1 黄铁矿热电性演化特征
牛圈银(金)矿区各阶段的黄铁矿热电导型均是P型且热电系数分布较为集中于200~330 μV·℃-1。虽然从硅质岩阶段→黄铁矿-石英阶段→多金属硫化物阶段,黄铁矿的热电系数未呈现明显的变化,但是热电系数集中区的分布范围则有增大趋势:硅质岩阶段黄铁矿的热电性系数主要集中在180~270 μV·℃-1之间,石英-黄铁矿阶段集中于240~330 μV·℃-1,而多金属硫化物阶段则主要集中在180~330 μV·℃-1之间(图7)。黄铁矿热电系数集中区的分布范围是成矿流体中杂质种类和含量的反映,分布范围大的,流体中含量较高的杂质种类多。一般情况下,主成矿阶段的流体中所含杂质较多,富矿和大矿成矿流体中杂质也较多,其中黄铁矿的热电系数变化范围大[4]。本文所得结果显示,硅质岩阶段和黄铁矿-石英阶段黄铁矿热电系数集中区的变化范围区间明显小于多金属硫化物阶段黄铁矿的热电系数集中区的变化范围区间。由于矿石的银品位在硅质岩阶段和黄铁矿-石英阶段要低于多金属硫化物阶段,因此,黄铁矿热电系数集中区的变化范围可作为矿床规模、矿化强度和成矿阶段的判别标志。
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图7   牛圈银(金)矿区各阶段黄铁矿热电系数分布柱状图
4.2.2 黄铁矿热电性空间变化特征
牛圈银(金)矿区黄铁矿热电系数随深度的变化而呈现规律性变化:1190 m中段黄铁矿热电性系数主要集中在270~330 μV·℃-1之间,1150 m中段主要集中在210~300 μV·℃-1之间,而1110 m中段主要集中在180~270 μV·℃-1(图8)。随着深度的变化,黄铁矿的热电系数的正值有逐渐降低趋势。取76、77勘探线的黄铁矿做详细的分析,可以看出牛圈银(金)矿区热电性在不同标高上的变化规律(图9):从1190 m中段至1110 m中段,黄铁矿热电导型为单一的P型,但集中区有向低值迁移的趋势,而该趋势仍有向深部继续延伸的可能。按各中段黄铁矿热电系数平均值计算,从1190 m到1110 m中段约80 m的垂直空间内,其变化梯度为0.74 μV·℃-1·m-1。P型热电导型的黄铁矿出现率较高,这是浅成矿床或矿床浅部常具有的特征;黄铁矿热电系数变化梯度小,指示矿床规模大[5]。本文所获得的结果表明牛圈银(金)矿区的矿体剥蚀较浅,1190 m中段所揭露的为浅部矿体,而深部尚有很大前景。这个认识已被在550~950 m施工的钻探结果所证实。
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图8   牛圈银(金)矿区不同中段黄铁矿热电系数分布柱状图
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图9   牛圈银(金)矿区不同标高黄铁矿热电系数分布
4.2.3 黄铁矿热电性对成矿温度的判定
不同温度条件下形成的黄铁矿其导电类型和热电系数均不同,如高温条件下黄铁矿多为N 型导电型,中温条件下多为N-P 或P-N 混合型,低温条件下则多为P 型导电型。前人根据大量研究总结出了热电系数(α)和形成温度(T)之间的关系[20]:
           T =(704.51-|α︱)/1.818 (N型)
                                                                           (2)
           T=3(122.22+α)/5.0 (P型)
                                                                           (3)
将本区黄铁矿的热电系数带入上述方程计算形成温度,可得矿区各阶段铁矿形成温度(图10)。硅质岩阶段形成温度为153~260 ℃,黄铁矿-石英阶段形成温度为161~279 ℃,多金属硫化物阶段形成温度为147~281 ℃,整体形成温度主要集中为147~281 ℃(表2)。与流体包裹体均一测温结果的变化范围基本一致,代表了矿床主成矿期的温度变化范围。所以可以利用黄铁矿的热电系数来计算获得矿床的成矿温度。流体包裹体测温和黄铁矿热电系数计算获得的成矿温度均表明牛圈银(金)矿属于中低温型矿床。
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图10   牛圈银(金)矿区各阶段黄铁矿形成温度
表2   牛圈银(金)矿区各阶段黄铁矿形成温度
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4.2.4 黄铁矿热电系数填图
利用牛圈银(金)矿区黄铁矿单晶热电系数测试结果,填制了黄铁矿热电系数(α)垂直纵投影图(图11)。71—77号勘探线在标高1110~1190 m范围内黄铁矿热电系数由南向北呈波状起伏,由上至下呈降低趋势,该趋势与银品位高低值区变化趋势一致。深部钻孔中黄铁矿的热电导型仍以P型为主,但是部分样品出现N型,且由上到下显示逐渐增多的趋势。根据矿体浅部黄铁矿以P型为主或为单一的P型、向深部则N型黄铁矿增多的理论依据,以及浅部黄铁矿热电系数与银品位变化的一致性,推测深部矿体成矿前景良好。
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图11   牛圈银(金)矿区黄铁矿热电系数垂直纵投影图
5 结 论
河北丰宁银多金属矿床牛圈银(金)矿区黄铁矿的热电导型为单一的P型,热电系数平均值为267 μV·℃-1,显示其形成于浅成环境。
根据利用黄铁矿热电系数与其形成温度的经验公式,计算得出该区黄铁矿的形成温度的范围为147~281 ℃,主要集中于180~280 ℃,与流体包裹体均一测温结果的变化范围基本一致,代表了矿床主成矿期的温度变化范围,表明该矿床为中低温矿床。
牛圈银(金)矿标高从1190 m到1110 m中段约80 m的垂直空间范围内,热电系数变化梯度较小(0.74 μV·℃-1·m-1),具备该类矿床浅部常具有的特征,表明矿床剥蚀较浅,目前所揭露的仅为浅部矿体,深部矿体还没有披露。
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刘金宝等:内蒙古艾力格庙地区卫境岩体的地球化学特征及其构造意义
王庆等:扬子地块中太古宙地壳增生:来自黄陵背斜南部地区花岗闪长质片麻岩的证据
张红雨等:LA-ICP-MS独居石的U(Th)-Pb年龄精确测定方法及地质意义探究
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