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        西秦嶺的隆升剝蝕歷史對金礦保存和勘探的意義

        2021-06-15 14:08:28羅金濤張寶月李睿馬亞軍邱亮
        四川地質(zhì)學(xué)報(bào) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:脈型變巖徑跡

        羅金濤,張寶月,李睿,馬亞軍,邱亮

        西秦嶺的隆升剝蝕歷史對金礦保存和勘探的意義

        羅金濤1,張寶月1,李睿1,馬亞軍1,邱亮2

        (1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院,北京 100083;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

        西秦嶺地區(qū)是中國最重要的金礦集中區(qū)之一,礦床類型多樣,品位普遍較高,迄今為止已發(fā)現(xiàn)金礦床(點(diǎn)) 兩百多個(gè),已探明黃金儲(chǔ)量高達(dá)千余噸。故西秦嶺地區(qū)有巨大的資源潛力,找礦經(jīng)濟(jì)效益豐厚。本文以西秦嶺的隆升歷史和剝蝕深度作為研究的突破口,以其對金礦保存和探究意義的角度為切入點(diǎn),采用磷灰石裂變徑跡的低溫年代學(xué)方法定量地限定西秦嶺的隆升剝蝕。為金礦成因、區(qū)域成礦規(guī)律總結(jié)和遠(yuǎn)景成礦預(yù)測提供重要理論依據(jù),進(jìn)而指導(dǎo)金礦的勘探和開采。

        西秦嶺;隆升剝蝕;金礦;磷灰石裂變徑跡

        秦嶺造山帶位于中國中部地區(qū),自新元古代以來,經(jīng)歷了一系列繁復(fù)的地質(zhì)構(gòu)造作用,如超大陸裂解、洋殼俯沖、洋陸演化、揚(yáng)子板塊和華北板塊共同擠壓、陸內(nèi)造山等。秦嶺構(gòu)造帶是復(fù)合型的造山帶,它是由不同時(shí)期,不同類型造山作用所形成的各種構(gòu)造帶復(fù)合而成,具有復(fù)雜時(shí)空組合關(guān)系,成為一個(gè)強(qiáng)烈且復(fù)雜的獨(dú)具特征的大陸造山帶(米寶昕等,2020)。這些構(gòu)造演化過程接力形成了如今的秦嶺復(fù)合型大陸造山帶(馮益民等,2003),在中國大陸的形成和演化中占有重要的地位(張國偉等,2000)。西秦嶺地區(qū)位于昆侖造山帶、秦嶺造山帶、祁連山造山帶三大構(gòu)造帶的接壤部位。其主要包括:秦嶺微板塊、商丹縫合帶(圖1)、勉略縫合帶、華北板塊南緣、揚(yáng)子板塊北緣(張國偉等,2001)。目前前人對西秦嶺的金礦成礦類型研究稍有分歧,但可大致分為:少數(shù)中低溫?zé)嵋盒?、矽卡巖型,總體上以微細(xì)浸染型(卡林型)、類卡林型、蝕變巖型、造山型為主。西秦嶺造山帶中金礦床成礦地質(zhì)背景復(fù)雜、礦化類型多樣是由于西秦嶺處于古亞洲、特提斯、環(huán)太平洋三大構(gòu)造動(dòng)力學(xué)體系三面包圍限制的特殊格局所致,這也直接導(dǎo)致了諸位學(xué)者對于西秦嶺金礦成因類型認(rèn)知的不一致性(劉家軍等,2019)。西秦嶺地區(qū)在逆沖推覆等構(gòu)造作用的基礎(chǔ)上發(fā)生了強(qiáng)烈的花崗巖漿活動(dòng),金礦的形成與巖漿巖有著密切的關(guān)系,圍巖蝕變主要為絹云母化、矽卡巖化、鈉長石化、碳酸鹽化、黑云母化、硅化等。并因此形成了大量花崗巖基和中小型斑巖體。西秦嶺地區(qū)大小斷層林立、成礦類型多樣、地質(zhì)構(gòu)造頻復(fù),這為西秦嶺金礦和其它礦床的形成提供了優(yōu)良的環(huán)境。本文在大量的前人研究基礎(chǔ)上,運(yùn)用近年來比較新穎且被廣泛應(yīng)用于地球測年的磷灰石裂變徑跡法,定量地限定西秦嶺地區(qū)隆升和剝蝕,以期為西秦嶺金礦帶的成礦理論研究和礦山生產(chǎn)建設(shè)提供依據(jù)。

        圖1 西秦嶺地區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況圖(改編自Wu et al. 2018)

        A:中國地區(qū)區(qū)域簡圖

        1 西秦嶺區(qū)域隆升特征

        通過對數(shù)據(jù)庫中巖石樣本磷灰石裂變徑跡以及流體包裹體里所包含的數(shù)據(jù):溫度、時(shí)代、鹽度、同位素等信息進(jìn)行搜集整理并進(jìn)行分析,在前人研究的基礎(chǔ)上提其精粹后加以補(bǔ)充糾正形成自己的研究認(rèn)知。進(jìn)而較為清晰地闡明西秦嶺的隆升歷史與剝蝕深度。

        目前勘測山體隆升起止時(shí)期效果比較明顯的方法是磷灰石裂變徑跡(AFT)測年法。其是建立在鈾238(又稱貧鈾)自發(fā)裂變輻射損傷效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種同位素測年方法,此方法在全球范圍內(nèi)得到了寬泛的學(xué)習(xí)使用(張世平等,2018)。自二十一世紀(jì)來西秦嶺新生代的隆升研究也廣泛應(yīng)用此法。運(yùn)用磷灰石裂變徑跡測年法可以大致梳理出秦嶺造山帶各時(shí)期發(fā)生的隆升演化(楊忠虎等,2019)。

        表1 西秦嶺地區(qū)部分金礦床剝蝕冷卻數(shù)據(jù)

        現(xiàn)如今的西秦嶺是歷經(jīng)長期復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)演化的結(jié)果,可概述為三大構(gòu)造隆升時(shí)期(張國偉等,1996):

        第Ⅰ階段:該地質(zhì)時(shí)代分布在古太古代(Ar1)至中、新元古代(Pt2-3),克拉通基底形成[4],此時(shí)期發(fā)生了尚不明確的早期前板塊和初始板塊構(gòu)造演化,其同位素距今年齡約在3800~1800(±570)Ma。

        第Ⅱ階段:該地質(zhì)時(shí)代分布在新元古代(Pt3)至晚三疊世(T3),此時(shí)期發(fā)生了秦嶺主要造山期兩期板塊的構(gòu)造演化,其同位素距今年齡約在1000~208Ma。

        第Ⅲ階段:該地質(zhì)時(shí)代分布在晚侏羅世(J3)至白堊紀(jì)(K),此時(shí)期發(fā)生了陸內(nèi)構(gòu)造與急劇隆升成山演化,其同位素距今年齡135(140)Ma。

        2 分析方法

        對于剝蝕深度和剝蝕速率的測定,根據(jù)裂變徑跡封閉溫度原理可知:裂變徑跡(潛徑跡)并不一直是穩(wěn)定存在的,溫度是影響裂變徑跡穩(wěn)定性的首要因素,體現(xiàn)為裂變徑跡隨著溫度的升高徑跡密度減少、長度變短直到全部消失。當(dāng)裂變徑跡完全消失后的溫度稱為封閉溫度(Tc),一般在120℃左右。

        滯后時(shí)間(△t)是碎屑物從封閉的地底層開始剝蝕直至出露地表所經(jīng)歷的時(shí)間,也是最年輕組分年齡與地層年齡的差值。

        現(xiàn)假設(shè)西秦嶺的地表平均溫度(TS)為15℃,古地溫梯度G=30℃/km,便可根據(jù)以下公式計(jì)算得出西秦嶺地區(qū)的剝蝕速率(E)。

        E=(TC-TS)/G·△t

        3 分析結(jié)果

        西秦嶺整個(gè)地區(qū)面積廣大,很難用每個(gè)金礦點(diǎn)的剝蝕隆升數(shù)據(jù)去定量的分析其剝蝕深度和冷卻關(guān)系。經(jīng)過對比剔除,篩選了陽山、柴家莊、新康貓這三個(gè)具有代表性且年代數(shù)據(jù)較全的金礦點(diǎn)進(jìn)行制圖分析(圖2、圖3、圖4)。

        圖2 陽山金礦冷卻—?jiǎng)兾g速率圖

        圖3 新康貓金礦冷卻—?jiǎng)兾g速率圖

        圖4 柴家莊金礦冷卻—?jiǎng)兾g速率圖

        表1包含了特大型金礦—陽山、大型金礦—新康貓和中型金礦—柴家莊三個(gè)金礦床的剝蝕冷卻原始數(shù)據(jù),這三個(gè)礦床在地理位置上相距較遠(yuǎn),品位不一,具有代表性。表中部分加粗?jǐn)?shù)據(jù)雖為非常規(guī)數(shù)據(jù),但仍可以保留,用以完善制圖曲線。

        考慮到隆升和剝蝕是廣范圍性的,故因此可以將此三個(gè)金礦床點(diǎn)的冷卻速率和剝蝕速率求取平均值,其在一定程度上可以默認(rèn)為是整個(gè)西秦嶺地區(qū)的冷卻速率和剝蝕速率,計(jì)算得出兩者的數(shù)據(jù)分為別為12.23℃/Ma、0.4076km/Ma。

        根據(jù)平均剝蝕速率可得到西秦嶺地區(qū)的剝蝕深度。圖5是西秦嶺地區(qū)32個(gè)特大、大中型金礦床礦石年代和流體包裹體溫度的分布圖,從圖中可輕松獲悉該地區(qū)成礦時(shí)代主要分布在170~220Ma,故大致計(jì)算得出研究區(qū)至今總剝蝕深度約為79.48km。

        分析西秦嶺的流體包裹體數(shù)據(jù)(圖5),發(fā)現(xiàn)成礦年代與同期存在的溫度間基本呈正相關(guān)關(guān)系,這佐證了西秦嶺的隆升歷史可以依據(jù)磷灰石裂變徑跡測年法把溫度轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的深度,從而進(jìn)一步得知同一高程不同礦物的裂變徑跡年齡,則可得出西秦嶺在該時(shí)間段內(nèi)的隆升速率。

        圖5 礦石年代與包裹體溫度關(guān)系

        但此測年方法受溫度和后期復(fù)雜隆升演化的限制,自身有一定的局限性。再加上學(xué)者采樣地區(qū)位置和樣品的差異,致使最后西秦嶺地區(qū)所測隆升時(shí)期及隆升速率存在比較大的誤差和不確一性,但大體上是具有統(tǒng)一性和指向性的。

        4 西秦嶺礦床(點(diǎn))勘探詳情

        西秦嶺地區(qū)是中國最重要的金礦集中區(qū)之一,目前發(fā)現(xiàn)的包括特大型、大型、中型、小型金礦床(點(diǎn))將近兩百多個(gè),此次科學(xué)探討根據(jù)西秦嶺地區(qū)隆升與剝蝕的影響與指導(dǎo)選取了其中具有代表性的61個(gè)金礦床(點(diǎn))進(jìn)行研究。

        4.1 金礦床類型

        西秦嶺區(qū)域礦床類型除少數(shù)中低溫?zé)嵋盒汀⑽◣r型外,總體上以微細(xì)浸染型(卡林型)、類卡林型、蝕變巖型、石英脈型為主。其各自的基本特征可大致概括為:

        卡林型—類卡林型金礦床:主要產(chǎn)于沉積巖中的碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖、粉砂巖等微細(xì)浸染型金礦床。與同時(shí)期的巖漿活動(dòng)有著比較密切的關(guān)系,具有低品位、大規(guī)模分布的特點(diǎn)(劉家軍等,2019)。

        構(gòu)造蝕變巖型金礦床:其礦體主要由破碎圍巖和石英細(xì)脈、網(wǎng)脈、微脈構(gòu)成,產(chǎn)出受次級(jí)脆—韌性剪切帶的控制(王冠南和劉國輝,2019)。具有蝕變性強(qiáng)、發(fā)育碳酸鹽化、硅化等特點(diǎn)(楊貴才,2019)。

        石英脈型金礦床:含金黃鐵礦是西秦嶺地區(qū)的主體礦石。其具有較高的品位,但部分礦石含有比較多的金屬硫化合物(辛存林等,2019)。

        矽卡巖型金礦床:矽卡巖的礦物種類繁多,礦體的形態(tài)和產(chǎn)狀也比較復(fù)雜,其在空間上也常呈帶狀分布,這種分帶現(xiàn)象在侵入帶附近尤為明顯(Zhou et al., 2019)。

        中低溫?zé)嵋盒徒鸬V床:該金礦床一般在300℃左右的低溫、30MPa左右的低溫條件下形成,大氣降水是其流體的主要來源,金礦成礦與火山活動(dòng)有著直接的關(guān)系,成礦作用大致穩(wěn)定在火山活動(dòng)晚期(張正偉,2019)。

        4.2 礦床(點(diǎn))點(diǎn)的分布

        秦嶺造山帶及鄰區(qū)構(gòu)造變形特征(Dong et al., 2016)為:西秦嶺上古生界三疊系蓋層沉積可細(xì)分為北部上古生界蓋層沉積和由岷縣及鳳縣斷層作用的南三疊紀(jì)蓋層沉積。上古生界北部帶主要由中泥盆統(tǒng)舒家壩群組成,其濁積巖成分與上古生界三疊系蓋層沉積東部三流嶺群十分相似。泥盆紀(jì)濁積巖上覆蓋著不整合的石炭紀(jì)碎屑巖,泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)層序均被下二疊統(tǒng)層序所覆蓋,西部為角度不整合。南三疊統(tǒng)主要由中上三疊統(tǒng)碎屑巖沉積組成。值得注意的是,上古生界三疊系蓋層沉積以三疊紀(jì)花崗巖類為特征,主要侵入上古生界三疊系蓋層沉積的上古生界地層。

        圖6 秦嶺造山帶及鄰區(qū)構(gòu)造變形特征與礦床(點(diǎn))分布地質(zhì)圖(底圖引自Dong et al., 2016)

        在金礦(床)點(diǎn)分布方面,按照已探明儲(chǔ)量的大小將其分為特大型金礦(≥100t)、大型金礦(20~100t)、中型金礦(5~20t)、小型金礦(1~5t)。從金礦的精確投圖來看(圖6),西秦嶺地區(qū)除少部分金礦床構(gòu)造成因?yàn)轳薨櫷?,其余絕大部分為斷裂成因。斷裂為金礦的形成聚集提供了絕佳的條件。

        4.3 礦床(點(diǎn))的品位

        根據(jù)西秦嶺地區(qū)金礦的賦存狀態(tài),可將西秦嶺的金礦床劃分為巖金礦和砂金礦兩種類型。其中巖金礦按礦石氧化程度可分為原生礦及氧化礦,西秦嶺地區(qū)金礦主要為這兩種類型。除此之外,在秦嶺地帶不多產(chǎn)的砂金礦包括南方和北方金礦,工業(yè)品位在0.15 g/m3浮動(dòng),邊界品位則在0.05 g/m3左右。

        4.4 已探明儲(chǔ)量

        經(jīng)過多位前人對西秦嶺區(qū)域各礦床的勘探,在目前和預(yù)期的當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件下,各金礦床(點(diǎn))可用現(xiàn)有技術(shù)開采的詳細(xì)儲(chǔ)量如表2所示。

        表2 西秦嶺地區(qū)礦點(diǎn)已探明儲(chǔ)量表

        30巴西中型微細(xì)粒浸染型5.0315300 31小溝里中型石英脈型315000 32三洋壩中型石英脈型2.2512300 33邛莫中型微細(xì)粒浸染型4.8312000 34石雞壩中型石英脈型0.510969 35馬塢中型微細(xì)浸染型2.059314 36淋湘 中型脈狀、透鏡狀型2.55260 37謝坑中型脈型、浸染型8.55000 38雙朋西中型矽卡巖型105000 39西安河中型蝕變巖型1.635000 40老豆中型構(gòu)造破碎蝕變巖型5.865000 41拉不在中型脈型、構(gòu)造蝕變型1.355000 42口頭壩中型石英脈型2.55000 43安家岔中型石英脈型3.25000 44三華咀中型石英脈型1.855000 45小金廠中型接觸交代型2.65000 46柴螞中型石英脈型3.55000 47辛曲中型構(gòu)造蝕變巖型5.2885000 48曹家溝中型構(gòu)造破碎蝕變巖型6.685000 49德烏魯小型接觸交代型6.144833 50絲毛嶺小型石英脈型1.854000 51花崖溝小型構(gòu)造破碎蝕變巖型0.84000 52左家莊小型石英硫化物脈型84000 53西溝小型構(gòu)造破碎蝕變巖型3.34000 54忠曲小型構(gòu)造破碎蝕變巖型9.64000 55尚家溝小型碎裂蝕變巖型2.644000 56刀扎小型卡林型8.464000 57伊家坪 卡林型4.56  58拉依溝 構(gòu)造蝕變巖型3.56  59西尕克日 構(gòu)造蝕變巖型6.5  60吉地金 構(gòu)造蝕變巖型5  61西克加 構(gòu)造蝕變巖型2 

        5 討論

        西秦嶺地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,各類金屬礦產(chǎn)(尤其是金礦)豐富,分布廣泛,是中國著名的金礦集中區(qū),迄今已發(fā)現(xiàn)金礦床(點(diǎn))兩百多個(gè),黃金儲(chǔ)量高達(dá)千余噸。故西秦嶺地區(qū)有很大的資源潛力,找礦前景廣闊。傳統(tǒng)的找礦及采礦方法不能對金礦的潛在量和剩余量進(jìn)行定量有效的數(shù)據(jù)分析。

        為解決此類問題,本次研究以西秦嶺的隆升歷史和剝蝕深度為研究對象,從其對金礦保存和探究意義的角度進(jìn)行研究。采用新技術(shù)與新方法,將獲得的年代學(xué)數(shù)據(jù)與前人數(shù)據(jù)對比篩選。探究其在年代更迭中的賦存狀態(tài)和含量幾何,從而排除不確定性,精確劃分金礦成礦期次。為金礦成因、區(qū)域成礦規(guī)律總結(jié)和遠(yuǎn)景成礦預(yù)測提供重要理論依據(jù)。

        通過對西秦嶺地區(qū)現(xiàn)有的磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)的整合分析,可以較為精確的計(jì)算出該地區(qū)的剝蝕和冷卻速率,實(shí)現(xiàn)了定量地限定礦床的隆升剝蝕,但該方法較為新穎,目前的數(shù)據(jù)不能輻射到整個(gè)地區(qū)更早時(shí)期(新生代以前)的隆升剝蝕情況。對西秦嶺地區(qū)具有代表性的各類金礦床的品位、探明儲(chǔ)量、礦床類型、地理位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行翔實(shí)的匯總整理,進(jìn)而投圖分析,為之后該地區(qū)的金礦勘探工作提供了支持。但相對于西秦嶺地區(qū)兩百多個(gè)大中小型金礦床點(diǎn)而言,此次選取的金礦床點(diǎn)未免有些少,這在一定程度上影響了研究的精確度和覆蓋面。

        總結(jié)先輩地質(zhì)工作者的研究成果是本次研究的基礎(chǔ)。其優(yōu)點(diǎn)是可以納各位學(xué)者研究之所長來完善自己的研究計(jì)劃,比如研究數(shù)據(jù)、所犯錯(cuò)誤、創(chuàng)新點(diǎn)等。但缺點(diǎn)也同樣存在,本次研究沒有實(shí)地挑選一個(gè)或多個(gè)具有代表性的礦床進(jìn)行驗(yàn)證性分析,致使研究成果停留在理論層面,也無法通過驗(yàn)證分析修正所得出的結(jié)論。

        待再次修繕此次西秦嶺地區(qū)金礦的研究后,規(guī)劃出一個(gè)可行的方案,實(shí)地去西秦嶺地區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證性分析,并著重再增加不同金礦地區(qū)的測試樣本數(shù)量,豐富數(shù)據(jù),修正研究結(jié)果。

        6 研究結(jié)論

        通過對西秦嶺地區(qū)的研究,我們得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

        1)根據(jù)流體包裹體數(shù)據(jù),溫度和成礦時(shí)代基本是吻合的,呈正相關(guān)關(guān)系。

        2)西秦嶺地區(qū)的平均冷卻速率和平均剝蝕速率分別為12.23℃/Ma、0.4076km/Ma,從礦石形成開始剝蝕至今的總剝蝕深度約為80 km。

        3)用磷灰石裂變徑跡熱年代學(xué)方法定量測定西秦嶺地區(qū)的隆升和剝蝕,對該地區(qū)的金礦成因、區(qū)域成礦規(guī)律總結(jié)和遠(yuǎn)景成礦預(yù)測具有重要意義。

        致謝:感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目對本次科學(xué)研究的支持和耐心的培訓(xùn)引導(dǎo);感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)教務(wù)處,在項(xiàng)目期間解答了諸多問題;感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院研究生董小宇對文章部分內(nèi)容進(jìn)行的校對編纂工作!

        馮益民,曹宣鐸,張二朋,胡云緒,潘曉萍,楊軍錄,賈群子,李文明. 2003. 西秦嶺造山帶的演化、構(gòu)造格局和性質(zhì)[J].西北地質(zhì),(01):1-10.

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        Significance of Uplift and Denudation History in the West Qinling Mountains for Preservation and Exploration of Au Deposits

        LUO Jin-tao1ZHANG Bao-yue1LI Rui1MA Ya-jun1QIU Liang2

        (1-School of Energy, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083; 2-School of Geosciences and resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083)

        The west Qinling area is one of the most important gold concentration areas in China. There are various types of Au deposits with high grade. So far, more than 200 Au deposits (spots) have been found, and the proven gold reserves are up to more than 1000 tons. Therefore, the west Qinling area has great Au resource potential and abundant economic benefits. This paper has a discussion on uplift history and denudation depth of the west Qinling Mountains which is of great significance to preservation and exploration of Au deposits. A new technique and method, low temperature chronology method of apatite fission track, is used for quantitatively dating the uplift and denudation of the west Qinling Mountains. It provides an important theoretical basis for the study of ore genesis, regional metallogeny and metallogenic prediction as well as exploration and mining of the Au deposits.

        west Qinling; uplift; denudation; Au deposit; apatite fission track

        2020-04-16

        羅金濤(1999-),男,寧夏固原人,主要從事資源勘查

        P 612

        A

        1006-0995(2021)01-0040-07

        10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.007

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