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”大音希声, 大象无形”——金矿床中的神秘家族:卡林型金矿

发布日期:2019-04-15  来源:有色网  浏览次数:699
       “望兴叹”

马克思有言:货币天生不是金, 但金银天生就是货币。黄金, 一种带有黄色光泽的金属, 由于其分布稀有、物理性质稳定且容易保存和流通, 几个世纪以来一直被人们当作货币金属、财富象征和价值储存物。除了用作货币和储备外, 黄金常被用来打造名贵的首饰, 在工业上黄金还是电子、现代通讯、航空航天等领域的重要材料。历史告诉我们哪里发现了黄金, 人们就会蜂拥而至。人类历史上, 美国加州、澳大利亚、南美、非洲等地都曾兴起过不同程度的淘金热。这其中最著名的淘金者当属美国作家杰克·伦敦 (Jack London) , 他曾是阿拉斯加淘金队伍中的一员, 最终却一无所获并患上坏血病, 这段经历让他写出了小说《野性的呼唤》。

美国内华达州的大盆岭省和中国西南地区的右江盆地是全球著名的黄金产地, 已探明黄金储量超过7000 t (Muntean等, 2018) , 约占全球黄金总储量的10%。然而, 金矿床的勘探和开采过程中, 并未涌现出为财富而趋之若鹜的淘金者, 连当地人似乎也没有对坐拥“金山”而表现出热情, 无数的慕名者只能“听金兴奋, 望金兴叹”。这一切都是因为这两个地区的金矿石平淡无奇 (图1) , 其外貌黑乎乎的, 完全不同于让人赏心悦目的明金矿床 (图1) , 也与人们印象中黄金首饰或狗头金该有的金灿灿光辉不符 (图2) , 哪怕你竭尽全力地盯着它, 也发现不了任何黄金的印记。这就是金矿床中的神秘家族—卡林型金矿 (英文名:Carlin-type gold deposit) 。

“深屋藏金”

卡林型金矿因1962年在美国西部内华达州的卡林镇被首次发现而得名 (Radke and Dickson, 1974) 。这些金矿体一般赋存在钙质碳酸盐岩地层内, 典型的元素组合为金----, 但贫和银, 形成温度大约为180~240℃, 形成深度在地表下4 km以内 (Cline等, 2005) 。最重要的特征是金是肉眼不可见的, 即便是孙悟空的火眼金睛也难于分辨普通石块和金矿石 (图3) , 二者的鉴别只能依靠化学分析, 因此卡林型金矿石中的金是难于提炼出来的, 属于难熔型金矿 (refractory gold) 。卡林型金矿石中的金含量一般为5~6 g/t, 相当于一卡车装载了50 t的金矿石, 最多只能提炼出300 g的黄金。这样的属性也难怪淘金者们只能慕名而来、败兴而归。

图3 贵州烂泥沟超大型金矿床中的普通石块 (左图) 和金矿体 (右图)

为了揭开金的庐山真面目, 我们需要一步步走进卡林型金矿石的微观世界!如果将金矿石打磨成几十微米厚的薄片, 显微镜下可见到矿石中具有闪闪发光的黄色小颗粒 (图4) 。然而, 这些小颗粒并不是自然金, 而是俗称“愚人金”的黄矿。幸运的是, 这些黄铁矿就是金的“藏身之所”。虽然身材小巧, 但高分辨率背散射图显示黄铁矿内部结构比较复杂, 形成特有的核边结构, 然而我们仍未看到金的痕迹。那么, 顽皮的金到底藏于何处?为了解开金最后一层神秘面纱, 我们请出窥探微观世界的杀手锏—高分辨率的二次离子质谱 (Nano SIMS) 和透射电镜 (TEM) 。Nano SIMS元素扫描下, 我们终于看到这些细小的黄铁矿外环出现了金的信息:金的分布极不均匀, 好似黄铁矿穿了件金外套, 而内核却一贫如洗 (图5;Yan等, 2018) 。TEM下, 一颗颗小巧的金颗粒终于被发现, 其个头只有几十纳米 (1纳米相当于一个头发丝直径的六万分之一) , 与“庞然大物”的狗头金差之千里。然而更多的金是以TEM也无法观察到的金离子 (Au+) 形式存在于黄铁矿的“身体内”。

这里必须要说明的是, 尽管卡林型金矿缺乏肉眼可见的明金, 品位也较低, 但是卡林型金矿常常可以形成大规模的金矿床, 而且这些矿床常在区域上集中分布, 构成大型的金成矿区或成矿带, 如美国内华达州和中国的滇黔桂“金三角”, 这也是卡林型金矿之所以重要的原因。老子说“大音希声, 大象无形”, 用这句话来形容卡林型金矿是再恰当不过了。

分布局限

卡林型金矿床是世界上最大的热液金矿床类型之一。世界范围内, 卡林型金矿主要分布在美国内华达州和中国的滇黔桂、陕甘川两个“金三角”内, 尽管在东南亚、南非、秘鲁、俄罗斯乌拉尔等地区也有类似的金矿报道, 但其规模都较小 (Arehart等, 2013) 。美国的卡林型金矿床产于北美西部的“大盆地”中, 主要集中在内华达州中北部地区, 少量产于犹他州境内, 而超过80%~90%的金资源又仅集中分布于4个区带内, 分别是Carlin Trend、Battle Mtn.-Eureka Trend、Getchell Trend和Jerritt Canyon (图6) , 目前美国卡林型金矿床每年的产量约占世界黄金总产量的6%, 使美国成为世界上第四大黄金生产国 (Muntean等, 2018) 。

地处于中国西南部的右江盆地是世界上仅次于美国内华达州的另一个卡林型金矿产地。因其位于云南、贵州和广西三省 (区) 的交界地带, 被形象地被称为“金三角” (Hu et al., 2002, 2018) 。1977年以前, 整个贵州探明金储量不足1 t, 是我国金储量最贫乏的省份。但自1978年贵州板其卡林型金矿床的发现则彻底改变了贵州黄金资源贫乏的状况, 贵州一跃成为我国新崛起的黄金资源基地之一。目前, 区内已发现储量在100 t以上的超大型金矿床2个, 储量在20 t以上的大型金矿床8个, 中小型矿床或矿点200余处, 共查明金资源储量在700 t以上, 因此有“金三角”之称。

成因探秘

卡林型金矿神秘、低调而有内涵的特点和巨大的经济价值激发了矿床学家的研究兴趣。矿床学的侦探们需要查清这些卡林型金矿床的身世背景, 解决卡林型金矿“什么时候形成、金从哪里来、如何形成、未来到哪里去找矿”四大科学问题。经过几十年的工作, 矿床学家们深入了解了美国内华达州的卡林型金矿的前世今生。

卡林型金矿是什么时候形成的呢?弄清楚成矿时间的问题可以帮助矿床学家们了解是什么样的特殊地质事件和地质环境造就了这些金矿床。为此, 矿床学家们必须要借助一种地质时钟———放射性同位素衰变体系, 如-铅、--等。这些地质时钟通过衰变过程中母体同位素 (铀、铷、钐) 随时间的减少和子体同位素 (铅、锶、钕) 随时间的增加进行计时, 从而测定矿床中矿物和岩石的形成时间。经过几十年的辛苦工作, 现已知道美国内华达州的卡林型金矿大约形成于4000万年前, 比恐龙灭绝时代晚了2000多万年。这些卡林型金矿床形成的时间与相应区域的地球板块运动发生转折的时间点相吻合, 这很好地揭示了这些金矿床形成的地质背景。

金和其他成矿物质从哪里来的呢?金的来源是形成卡林型金矿的重要前提, 而金矿床形成过程往往会保留一些成矿物质来源的证据, 矿床学家们需要像侦探破案一样去寻踪觅迹, 对成矿物质进行追根溯源。元素的稳定同位素常常是最重要的一种证据, 比如氢、氧、碳、氦等同位素可以用来追踪成矿流体的来源, 而硫、铅、汞等同位素可以用来追踪成矿元素的来源。近年来对美国内华达州卡林型金矿研究发现地球深部的岩浆活动很可能为金成矿提供了物质来源, 成矿的过程和机制是什么?在得到成矿时间、地质背景、物质来源等信息后, 矿床学家们建立了内华达州卡林型金矿的成矿模型来描述这些金矿床的成矿过程:板块俯冲诱发地壳产生岩浆活动, 这些岩浆活动能演化出携带有金的热液流体, 富金的热液流体沿着地壳断裂带上升。上升过程中加入了大气降水和盆地中的流体。这些流体进一步萃取所流经地层中的元素, 最终在构造薄弱的位置发生物理化学条件的改变, 使金沉淀而富集成矿 (Muntean et al., 2011) 。

中国特色

我国右江盆地的卡林型金矿与美国内华达州的卡林型金矿有相似的地质特征 (Hu et al., 2002, 2018) 。虽然以往进行了较长期的研究并取得重要进展, 但对这些卡林型金矿的形成时代、成矿机制、金的来源以及中、美卡林型金矿的成矿差异等科学问题却一直没有解决。在国家重点基础研究发展计划的支持下, 以中国科学院地球化学研究所为主导、多家高校和科研单位联合攻关, 对我国右江盆地的卡林型金矿进行了深入研究, 目前已取得诸多创新认识。一是金矿形成时的物理化学条件的特殊性。成矿过程中, 石英矿物会捕获成矿流体, 以流体包裹体形式保存下来, 这些包裹体记录了金矿床形成时候的流体温度、压力和成分等信息。矿床学家们通过研究这些包裹体发现, 我国右江盆地的卡林型金矿具有更高的形成温度 (可达300℃) 、更深的形成深度、运移金的流体富集CO2 (Su等, 2018) 。这些特征都有别于内华达州的卡林型金矿。

二是成矿时代的特殊性。矿床学家们在右江盆地卡林型金矿内发现了一些新的矿物, 通过同位素衰变体系定年, 发现右江盆地发生过两次成矿作用, 分别形成于至今2亿年和1.4亿年。这与内华达卡林型金矿形成于板块俯冲背景不同, 右江盆地的卡林型金矿远离俯冲带, 形成于板块碰撞完成之后的伸展背景。

三是金来源的差异。矿床学家们采用目前国际上最前沿的同位素分析手段来寻找金的来源, 发现右江盆地卡林型金矿中的金主要来自于基底地层。深部的岩浆流体混合了大气成因地下水, 共同浸取基底地层中的金和其他成矿物质, 然后迁移到合适的位置沉淀富集。

四是成矿过程的精细刻画。矿床学家们对封存在金矿石英脉中的古成矿流体成分分析发现, 成矿流体富二氧化碳, 呈酸性, 具有高含量的金、砷、锑元素, 但缺乏铁元素, 金主要以硫氢根络合物Au (HS) 2-的形式在流体中搬运 (Su et al., 2008, 2009, 2012) 。根据这些特点, 矿床学家们提出了金沉淀的最重要机制, 即富硫化氢 (H2S) 的成矿流体与含有Fe的地层发生反应形成了含金的黄铁矿。这一机制又可细分成三步, 俗称卡林型金矿成矿“三部曲” (图7) : (1) 酸性的成矿流体溶解含铁的碳酸盐围岩使其释放出铁离子; (2) 释放出的铁离子与流体中的硫化氢反应形成黄铁矿, 同时伴随着金的沉淀, 由于这些流体中的金是极其不饱和的, 因而成矿流体中的金只能“委曲求全”进入黄铁矿身体内隐藏起来, 造就了卡林型金矿肉眼不可见金的神秘; (3) 溶解在流体中的碳酸盐成分随流体运移到矿体外围的断裂中发生沉淀, 形成贫铁的碳酸盐脉 (图7) 。

寻脉探金

矿床学家们非常关注的一个问题是, 如何才能找到更多的金矿为国家经济建设作贡献。矿床学家们历经辛苦建立的成矿模型为卡林型金矿进一步的找矿工作提供了很大的帮助。举个例子, 上文提到的成矿过程的最后阶段会在矿体的外围形成贫铁的碳酸盐脉, 这些碳酸盐脉是可以在地表找到的 (图8a) 。矿床学家们发现, 这些碳酸岩脉通常具有明显的“帽子型”稀土元素分配特征 (图8b) , 而与成矿无关的碳酸盐脉通常具有右倾型稀土分配特征 (图8c) 。因此, “帽子型”稀土元素特征的碳酸盐脉成为了重要的找矿标志, 只要在地表找到这类碳酸盐脉就可以判断地下有金矿体的存在。采用这种成矿模型和找矿标志在右江盆地的水银洞金矿找矿中取得了重要突破, 近年来在该矿床东部区域获得地质勘查验证的新增资源量超过62 t, 依据不断增加的金资源量, 建立的黄金矿山现年产黄金数吨, 产值数亿元, 产生了很好的经济和社会效益。

图8 (a) 地表与成矿有关碳酸盐脉; (b) 与成矿有关碳酸盐脉的“帽子型”稀土元素特征; (c) 与成矿无关碳酸盐脉的右倾型稀土元素特征

经过多年的勘探和研究, 人们对卡林型金矿的认识不断加深, 也解决了一些重要的科学问题, 为卡林型金矿的找矿做出了重要贡献。然而, 在全球广阔的空间范围内, 以及地球近46亿年的历史长河中, 为什么只在美国内华达州和中国西南地区的右江盆地内形成有规模如此大的卡林型金矿矿集区, 这一独具特色的科学问题需要矿床学家们通过更多的研究工作和努力来解决。

 
 
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