北秦岭丰北河—杨斜成矿带位于北秦岭逆冲构造带内,大地构造单元划分归属于曹坪—杨斜金—钨—铜—铀—萤石成矿亚带(IV-66-3),是北秦岭成矿带的重要组成部分(
葛战林等,2022;
李维成等,2022)。区域构造演化呈现出多阶段特征,经历了从早古生代的洋盆俯冲、晚古生代的板块碰撞闭合和晚三叠世的造山作用到晚侏罗—早白垩世向伸展构造的重要转换(
Dong et al,2016)。区内岩浆活动具有多期次、多类型特征,主要包括加里东期[(402.6±17.4)~(422±7)Ma]镁铁质杂岩体(
李曙光等,1993;
刘军锋等,2009;
Chang et al,2021)、印支期(230~210 Ma)花岗复式岩基(
胡健民等,2004;
弓虎军等,2009;
Jiang et al,2010;
刘春花等,2014;
Hu et al,2016)和燕山期脉岩(
葛战林等,2022)。丰富的构造—岩浆活动为成矿作用提供了有利条件,形成了金—银—钨—萤石成矿系统。区内矿床(点)沿丰北河—杨斜断裂南侧带状分布,受断裂与岩浆活动联合控制(
葛战林等,2020)。
目前,关于该成矿带金多金属矿床的成矿时代存在印支期(如公家坪金矿)(
葛战林等,2026)和燕山期成矿(如杨斜金矿)(
葛战林等,2022;
Li et al,2023)2种观点,且空间上呈对应关系。区域上金成矿作用的核心科学问题聚焦于,成矿物质来源、流体演化和成矿时代主要受控于印支期的碰撞造山过程,还是受控于燕山期的陆内伸展机制。西段公家坪矿床被视为印支期碰撞成矿的代表,东段杨斜矿床则具有燕山期伸展成矿的典型特征。因此,厘清这2类地球动力学背景在成矿系统中的相对贡献与内在联系,对构建统一的区域成矿模式至关重要。红石什字金矿床作为成矿带中部的典型代表,目前研究程度较低,其地质特征、矿物组合、地球化学性质、成矿时代及矿床成因等方面缺乏系统研究,制约了对区域成矿规律的整体认识。
成矿物质来源与成矿年代学证据是剖析矿床成因的核心依据,对揭示成因机理、总结分布规律、构建区域成矿模式及指导找矿预测具有重要意义(
Zheng et al,2019;
Groves et al,2020)。基于此,本研究以红石什字金矿床作为对象,通过矿床地质、矿物学、同位素地球化学及锆石U-Pb年代学的系统研究,查明其地质特征与成矿过程,进而总结区域金多金属成矿规律。
1 区域成矿背景
秦岭造山带是构成中国中部造山体系的关键组成部分[
图1(a)]。其区域构造特征主要受洛南—栾川、商丹和勉略断裂带等3条大型断裂系统的支配。基于这些断裂的空间配置,该造山带自北向南展现出规律性的构造分异,依次划分为华北克拉通南缘构造带、北秦岭构造带、南秦岭构造带和扬子克拉通北缘构造带[
图1(b)](
Zhang et al,1995;
Meng et al,2000;
张逸鹏等,2024;
杜建华等,2026)。以商丹主干断裂为界,北秦岭杨斜—丰北河地区北侧隶属于北秦岭逆冲构造带,南侧广泛出露的商丹带地质体经历了绿片岩相到低角闪岩相的变质作用[
图1(c)]。
研究区地层在空间上呈现出由北向南、从元古界至上古生界的依次展布格局:造山带北部零星分布有前寒武纪变质基底,主要由2套岩石单元构成:一套以片麻岩、变粒岩和浅粒岩为主体,经历强烈混合岩化作用的变质沉积组合;另一套为包含变基性火山岩与碎屑岩夹层的变质火山—沉积序列。进入早古生代,区域地层转为稳定的近EW向带状展布。其中,丹凤岩群是商丹蛇绿混杂岩带的主要组成单元,其原岩形成于古火山岛弧环境,后经历绿片岩相至低角闪岩相的变质改造,构成一套典型的变火山—沉积建造(
刘凯等,2019)。罗汉寺组(Pz
1l)属于弧前盆地沉积环境的变质火山—碎屑岩系。区域南部局部可见泥盆—石炭系地层露头,该套地层为滨浅海相沉积成因,岩性组合为碎屑岩—碳酸盐岩。
研究区岩浆活动具有明确的空间格架和时代分期。南部印支期花岗岩带是区域上极具辨识度的构造—岩浆单元,沿EW向呈串珠状分布,主要有东江口、柞水、曹坪和沙河湾等岩体。北秦岭地区晚三叠世岩浆活动强烈,已发现的多处岩体同位素测年结果显示其形成时代集中于230~210 Ma。岩石地球化学分析表明,这些岩体主要为准铝质至过铝质的高钾钙碱性系列花岗岩,属于典型的Ⅰ型(壳幔混合源)成因类型(
弓虎军等,2009;
Hu et al,2017)。针对岩体中闪长岩样品开展的锆石U-Pb同位素测年结果为(422±7)Ma(
刘军锋等,2009),表明该闪长岩形成于晚志留世,结合区域地质背景分析,其成因与岛弧构造环境密切相关。
区内主要控矿构造为一近EW向展布的断裂系统,即丰北河—杨斜断裂(与区域商丹断裂为同一构造体系),延伸长度约为70 km。该断裂破碎带宽度变化较大,介于数十米至百余米之间,断面整体向北倾斜,倾角为50°~78°,具有多期次构造—岩浆—成矿活动特征。在该断裂带南侧已发现一系列石英脉型矿床(点),包括公家坪、杨斜、杨屋场和红石什字等,共计10余处,主要矿化类型为金、钨(
葛战林等,2022),这些矿点呈串珠状分布于主干断裂及次级断裂系统中,构成了一条重要的成矿带[
图1(c)]。
2 矿床地质特征
红石什字金矿床位于北秦岭丰北河—杨斜金钨萤石成矿带中部,矿区地层简单,主要出露新元古界杨斜片麻岩套的混合花岗岩和石英岩(
图2)。构造以向北缓倾的近EW向断裂为主。
矿区范围内共确定2条近EW向展布的金矿化带。矿体呈层状至似层状产出,空间展布与区域地层产状基本一致,总体倾向为342°~358°,倾角为32°~45°。矿化赋存高程为1 081~1 372 m,走向延伸长度为184~335 m,矿体厚度为0.7~1.2 m,控制最大斜深为490 m,金品位为1.93×10
-6~15.24×10
-6。矿床的矿石类型以石英脉型为主。矿石矿物共生组合复杂,金属矿物有黄铁矿、黄铜矿、磁铁矿、磁黄铁矿和方铅矿;非金属矿物主要有石英、绢云母、绿泥石和方解石。矿石构造包括浸染状、细脉—网脉状、斑杂状和放射状等。在微观尺度上,矿石主要呈现自形—半自形晶粒、交代残余、包含及受应力作用形成的碎裂结构。围岩蚀变主要包括钾长石化、硅化、黄铁矿化、绢云母化和绿泥石化。蚀变作用表现出一定的分带性,但各蚀变带空间展布范围相对局限,具体分布特征如
图3所示。
主矿体以石英脉型为主,向北缓倾产出于新元古界杨斜片麻岩套中,与围岩界限清晰。脉体产状相对稳定,脉宽为20~50 cm不等,局部具分支复合特征,见晚期逆断层、右行剪切断层破坏矿体。矿体两侧的围岩蚀变带虽然宽度有限,但蚀变强。蚀变分带呈现出以含金石英脉为中心的环带状分布特征,自内向外依次发育钾长石化、硅化、黄铁矿化、绢云母化以及绿泥石化与碳酸盐化组合带。在上述各类蚀变作用中,钾长石化、硅化和黄铁矿化与金矿化的成因关联最为紧密。此外,野外观察发现,含金石英脉常充填于蚀变闪长玢岩脉的裂隙之中,这一穿插关系表明,金成矿作用应晚于闪长玢岩的侵位时代。
根据矿物脉体的相互穿切关系及矿物共生组合特征(
图4),将红石什字金矿床的热液成矿过程划分为4个阶段(
图5)。Ⅰ阶段(钾长石—石英阶段):该阶段形成了主要由浅肉红色钾长石与乳白色石英组成的早期脉体,这些脉体多数分布于矿脉两侧或局部被后期含金石英脉穿切[
图4(a)]。Ⅱ阶段(灰白色石英—黄铁矿阶段):此阶段属于金的次要矿化期,以灰白色石英为主,其中偶见细粒黄铁矿(粒径为0.1~1.0 mm),该阶段产物常被晚期的石英—方解石脉切割[
图4(b)]。Ⅲ阶段(灰白—烟灰色石英—多金属硫化物阶段):此阶段为金的主要成矿期,石英呈灰白—烟灰色,粒度较粗,金属硫化物包括黄铁矿、黄铜矿、方铅矿及少量碲铋矿物,多呈细脉状或团斑状分布[图
4(c)~
4(e)],金主要赋存于黄铁矿中。Ⅳ阶段(石英—方解石阶段):作为最晚期的热液活动产物,该阶段以白色细脉状石英—方解石组合为特征,常沿裂隙充填或切穿早期形成的各类石英脉体[图
4(f)~
4(i)]。
3 样品采集及分析测试
在矿区平硐工程中采集测试样品共计4件,包括3件不同矿化阶段的矿石样品[采样位置见图
2(a)、
2(b)]和1件含金石英脉样品[采样位置见
图4(d)]。样品采集避开风化蚀变强烈区域及后期构造破坏部位。在实验室处理阶段,首先对矿石样品进行镜下岩相观察与鉴定,精准圈定出Ⅲ阶段的黄铁矿矿物颗粒,用于后续原位S-Pb同位素测试。同时,从含金石英脉样品中挑选锆石颗粒用于开展LA-ICP-MS U-Pb年代学分析。
黄铁矿的S-Pb同位素测试工作在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。S同位素测定采用253 Plus型同位素质谱仪,测试过程以国际标准V-CDT为基准,分析结果精度优于±0.2‰;Pb同位素分析选用ThermoFisher Neptune Plus型多接收等离子质谱仪,重点测试208Pb/204Pb、207Pb/204Pb和206Pb/204Pb这3个比值参数,其测试精度控制在±0.005%以内。为保障测试数据的可靠性与准确性,本次试验采用“标准—样品—标准”交叉校正法流程,并选取实验室长期标定的黄铁矿标样(Py-4)和方铅矿标样(CBI-3)进行质量监控。具体流程如下:每完成8个样品测试插入一对标样进行同步测定,实时校正仪器误差,确保数据的稳定性和准确性。
锆石U-Pb同位素年龄测定试验在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成,测试方法为激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)技术。实验系统由Newwave UP 213激光剥蚀装置和Finnigan Neptune型多接收电感耦合等离子体质谱仪联机构成。激光剥蚀参数设置如下:束斑直径为30 μm,能量密度为4~5 J/cm²,重复频率为5 Hz,载气为高纯氦气,以降低气溶胶扩散效应。信号采集采用离子计数器与法拉第杯组合模式,其中
206Pb、
207Pb、
204Pb(含
204Hg)和
202Hg由离子计数器接收,
208Pb、
232Th和
238U则由法拉第杯同时测量,从而实现对不同质量区间同位素的高效同步采集,并获得稳定的信号平台。针对结晶均匀的锆石颗粒,
207Pb/
206Pb、
206Pb/
238U和
207Pb/
235U比值的分析精度(2
σ)约为2%;对国际锆石标准物质(如GJ-1)的年龄测定精度和准确度优于1%(2
σ),满足高分辨率年代学研究需求。分析采用单点剥蚀模式,仪器调试阶段使用GJ-1标样进行条件优化。正式分析过程中,分别以GJ-1和Plesovice(PLV)作为U-Pb同位素分馏校正标样,以M12锆石作为U、Th含量标定外标。为保障数据和可靠性,每分析10个样品点后重复测定2次GJ-1并穿插测定一个PLV样品点,以监控仪器稳定性和数据重现性。原始数据经Iolite软件进行背景扣除与同位素比值计算。最终年龄数据以
206Pb/
238U加权平均年龄及谐和图形式呈现,单点年龄误差标注为1
σ,谐和图的绘制与年龄计算均采用Isoplot R 4.2程序完成(
Vermeesch,2018),测试结果见
表1。
4 测试结果与讨论
4.1 硫化物S-Pb同位素测试
对主成矿期矿石样品中5件黄铁矿样品进行
δ³⁴S测定,结果为-0.08‰~-2.88‰(
表2,
图6)。该同位素组成范围与深源地幔硫及岩浆硫体系特征吻合,表明成矿物质中的硫可能主要来源于深部岩浆系统或地幔源区。
所测试的5件黄铁矿样品中,
206Pb/
204Pb比值为17.829~18.034(平均值为17.896),
207Pb/
204Pb比值为15.628~15.751(平均值为15.631),
208Pb/
204Pb比值为38.173~38.338(平均值为38.244)(
表1)。在Pb同位素判别图解[
图7(a)]中,所有样品主要落在上地壳附近或上地壳与造山带之间,反映红石什字金矿床成矿主要与造山期成矿物质的活化改造有关;在Pb同位素Δ
γ-Δ
β成因判别图解[
图7(b)]上主要落入上地壳及上地壳与上地幔混合的俯冲带铅附近。综上所述,红石什字金矿床S-Pb同位素显示成矿流体具有造山带壳源特征,并有少量幔源混入。
4.2 锆石U-Pb定年
含金石英脉中锆石阴极发光图像显示,锆石晶体形态以自形—半自形为主,主要表现为短柱状与长柱状2种晶型(
图8)。其中,短柱状锆石内部结构均匀,发育清晰的振荡生长环带(
图8),指示其岩浆成因特征(
Koschek,1993;
李长民,2009);长柱状锆石颗粒相比短柱状锆石环带宽度较宽、连续性较差,并存在一定的暗色增生边或补丁状结构(
图8)。此外,其U和Th含量明显低于短柱状锆石,Th/U比值普遍小于0.8(长柱状平均值为0.68,短柱状平均值为1.49)(
表3),且具有总稀土及轻稀土含量高、稀土配分模式平坦的特征[
图9(a)],总体具有水—岩反应强烈、相对低温环境下快速生长的特征,与石英脉形成密切相关(
吴元保等,2004;
Zhao et al,2016)。
LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明,红石什字金矿床含金石英脉中15个锆石有效测试点中,根据锆石的形态不同具有明显的2组年龄特征[
图9(b)]。其中,短柱状锆石9个测试点
206Pb/
238U获得(419±1)Ma(
MSWD=0.63)的谐和年龄以及(418±1)Ma(
MSWD=0.36)的加权平均年龄[
图9(c)],二者均在误差范围之内,与矿区闪长玢岩脉形成时代基本一致(未发表数据);长柱状锆石6个测试点
206Pb/
238U年龄主要集中在225 Ma[
图9(d)],在谐和图中获得(225±1)Ma(
MSWD=0.05)的交点年龄以及(225.4±1)Ma(
MSWD=0.017)的加权平均年龄,二者均在误差范围之内。因此,本文认为含金石英脉中年龄为419 Ma的岩浆锆石可能为与闪长玢岩相关或同期岩浆活动形成的锆石,225 Ma的锆石年代则代表金成矿时代。
4.3 成矿规律
华北板块与扬子板块在晚三叠世发生的陆陆碰撞及后续的构造转换是控制北秦岭金成矿的关键地质事件(
张国伟等,2019)。本次研究的红石什字金矿床(约225 Ma)在空间上填补了丰北河—杨斜成矿带中部空白,与邻区上宫金矿(236.5~227.7 Ma)(
唐克非,2014)和银洞沟金矿(231±2)Ma(
朱峰等,2017)等共同构成了一个贯穿北秦岭的晚三叠世造山型金矿成矿系统(
表4)。这一系统在成因上均与板块俯冲—碰撞过程中的壳—幔相互作用及碰撞后地壳伸展背景下的流体活动密切相关(
Groves et al,2020)。
综合矿床地质特征与区域构造背景,本文认为红石什字金矿床属于形成于晚三叠世的后碰撞造山型金矿。其成因模型如下:在印支期主碰撞造山向后碰撞伸展转换的构造背景下,深部过程引发的流体循环萃取了下地壳及地幔来源的成矿物质;这些富含Au的壳幔混合流体沿区域性断裂向上运移,最终在物理化学条件改变的浅部构造扩容带中沉淀成矿。同时,红石什字金矿成矿时代的厘定,也为印支晚期成矿事件在北秦岭成矿带自东向西的连续性存在提供了证据。
5 结论
(1)红石什字金矿床的成矿作用主要集中于灰白色石英—黄铁矿阶段和灰白—烟灰色石英—多金属硫化物阶段。
(2)综合S同位素、Pb同位素和锆石U-Pb年代学分析结果,认为红石什字金矿床的成矿物质以下地壳和地幔为主,并混入少量上地壳物质。矿床形成于晚三叠世(约220 Ma)华北板块与扬子板块碰撞后伸展构造背景。
(3)北秦岭晚三叠世金成矿系统具有统一的深部过程和一致的构造控矿规律。红石什字、上宫和银洞沟等矿床在成因上均与碰撞后壳—幔相互作用及深部流体活动密切相关,其空间分布严格受商丹断裂带及其次级构造系统控制,共同构成了一条贯穿北秦岭的印支期造山型金矿成矿带。
自然资源综合调查指挥中心科技创新基金项目“北秦岭公家坪碲化物型金矿床Au-Ag-Te-W-(Bi)矿物共生关系及碲的富集机理研究”(KC20240006)
陕西省自然科学青年项目“西秦岭金山金矿床脉岩成因与金成矿关系:年代学、地球化学及Sr-Nd-S同位素的约束”(2025JC-YBQN-402)
中国地质调查局项目“昆仑阿尔金群让—约马克其及北山公婆泉地区1∶5万矿产地质调查”(DD202602110001)