我国热液金矿中黄铁矿的载金性研究
刘一浩1，薛春纪1，赵云1，赵晓波1，褚海霞1，刘城先2，余亮3，王璐3，吴得海3
1 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，地质过程与矿产资源国家重点实验室
2 长春工程学院勘查与测绘工程学院
3 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第一地质大队
作者简介：刘一浩，博士研究生，矿物学、岩石学、矿床学专业，主要从事矿床学研究。
通信作者：薛春纪，教授，博士生导师，矿床学专业，主要从事矿床学、矿产预测方面的教学和研究工作。
黄铁矿在自然界十分常见，金属矿床中广泛发育，且与金矿关系密切，是热液型金矿中重要载金矿物。研究重要热液型金矿中黄铁矿的粒径大小、晶体形态、As含量与其载金性的普适性关联规律和内在机制，提高黄铁矿载金性的认识，对指导金矿勘查具有重要意义。
本文在国家重点研发计划项目(2017YFC0601202)资助下，以我国数十个热液金矿中载金黄铁矿矿相学、晶体化学、成因矿物学研究为基础，开展了全面综合的、相对定量的分析研究。研究成果提高了我国热液金矿中黄铁矿载金性的普遍认识，将在金矿勘查中发挥作用。
黄铁矿在自然界十分常见，是热液金矿中重要的矿石矿物，其载金性研究颇受关注。前人针对热液金矿中金与黄铁矿的关系、不同金矿床中黄铁矿的标型特征、黄铁矿载金的原因、黄铁矿成因矿物学等方面开展了矿物学研究。人们对单个金矿中黄铁矿标型特征与其载金性之间的关系已经积累了一定的经验，并成功将其应用于不同金矿找矿预测中。但针对热液金矿中黄铁矿的粒径大小、晶体形态、As含量与其载金性的普适性关联规律和内在机制研究鲜见；人们还不清楚造山型、卡林型、岩浆热液型、浅成低温热液型等不同类型金矿中，黄铁矿晶体化学与其载金性之间的关联和普遍规律；热液金矿中黄铁矿作为重要载金矿物，其中不可见金与可见金之间是何种生成关系尚不清楚。
本文以我国数十个热液金矿中载金黄铁矿矿相学、晶体化学、成因矿物学研究为基础，开展全面综合的、相对定量的分析研究，试图获得我国热液金矿中黄铁矿载金性的普遍认识。
我国黄金资源丰富，金矿床遍布全国各地(图1)。卡林型金矿主要分布在我国川甘陕接壤区和滇黔桂接壤区，如甘肃寨上金矿、贵州水银洞金矿。造山型金矿主要分布在云南哀牢山造山带、新疆天山造山带等地区，如云南老王寨金矿、新疆萨瓦亚尔顿金矿。浅成低温热液型金矿主要分布在东南沿海及东北一带，如江苏仑山金矿、黑龙江争光金矿。岩浆热液型金矿主要分布在胶东和小秦岭两个矿集区，如山东玲珑金矿、陕西桐峪金矿。各典型热液金矿床的平均品位、储量和基本地质特征见表1。
图1 中国主要成矿域和部分重要热液金矿
1.卡林及类卡林型金矿；2.造山型金矿；3.浅成低温热液型金矿；4.岩浆热液型金矿；5.矿床编号；6.超大型金矿；7.大型金矿；8.中型金矿；9.小型金矿；10.成矿域编号；11.胶东矿集区；12.川甘陕矿集区；13.滇黔桂矿集区；14.成矿域界线；15.断裂；Ⅰ.天山—兴蒙成矿域；Ⅱ.塔里木—华北成矿域；Ⅲ.秦-祁-昆成矿域；Ⅳ.扬子成矿域；Ⅴ.华南成矿域；Ⅵ.喜马拉雅三江成矿域。
表1 我国部分重要热液金矿基本特征
我国重要热液金矿中黄铁矿的粒径区别明显，不同粒径黄铁矿的载金性具有明显差别。各重要热液金矿中二者相关性统计分析结果见表2。
表2 我国重要热液金矿中黄铁矿粒径与其载金性相关性
注：因各文献中黄铁矿的测试方法不同，故Au含量精确程度也不相同。
黄铁矿自形程度不同，其载金性变化明显。以我国数十个重要热液金矿中不同晶形、不同自形程度黄铁矿的电子探针分析数据为基础，统计黄铁矿自形程度与其载金性相关系数(表3)。
表3 我国重要热液金矿中黄铁矿晶形与其载金性相关性
注：本文在SPSSStatistics19软件中设定自形程度为名义型数据，并将不同自形程度黄铁矿赋值计算与其载金性的相关系数；1.自形；2.半自形；3.它形。
大部分金矿床中Au与As、Hg、Sb、Te等元素具有较为密切的关系，As常以类质同象的方式代替S进入黄铁矿晶格。以我国40个热液金矿成矿主阶段含As黄铁矿中Au和As电子探针分析数据为基础，得出相关系数、回归方程及其拟合优度R2(表4，图2)。
表4 摇我国重要热液金矿中黄铁矿的Au与As含量相关性
图2 我国重要热液金矿中黄铁矿Au与As含量相关性图解
我国数十个热液金矿中，黄铁矿载金性与其粒径、晶形显示出明显的负相关关系(表2，表3)。13个金矿中黄铁矿粒度与其载金性呈负相关，其中7个卡林型金矿、3个造山型金矿、2个岩浆热液型金矿、1个浅成低温热液型金矿，显示出卡林型金矿中黄铁矿粒径与载金性有更为明显的负相关性。14个金矿中黄铁矿自形程度与其载金性呈负相关，其中8个卡林型金矿、3个造山型金矿、2个浅成低温热液型金矿、1个岩浆热液型金矿，显示出卡林型金矿中黄铁矿自形程度与载金性有更为明显的负相关关系。
晶体粒径受生长速率、生长时间以及成核率等因素的制约，且生长速率、成核率与热液的过饱和度成正比。在成矿自然过程中，温度与热液的过饱和度成反比，即成核率、生长速率与温度成反比。热液金矿床中，成矿流体一般由中高温向低温演化，中高温环境下黄铁矿成核率较低，流体中的硫和铁集中附着在较少的黄铁矿晶核上生长，单个黄铁矿粒径较大；当温度随流体演化逐渐下降时，成核率相对升高，流体中的硫和铁分散在更多的晶核上生长，粒径相对较小。快速生长的细粒黄铁矿，其结晶中心多，各晶体之间的凹陷和凹角为自然金的成核和生长提供了有利位置。此外，根据熟化理论，细粒黄铁矿还易于经历溶解变小→沉淀变大→再溶解变小的过程，造成金元素在新生黄铁矿中二次富集。
自形黄铁矿一般呈规则的五角十二面体、立方体、八面体以及立方体和五角十二面体等聚形。立方体形黄铁矿一般形成于硫逸度较低的环境，表面光滑或具岛状生长条纹；五角十二面体形黄铁矿一般形成于中高硫逸度的环境，表面具有一定梯度的平直生长条纹，能为自然金的沉淀提供有利的凹角，所以五角十二面体黄铁矿载金性一般优于立方体或八面体黄铁矿。
此次相关性分析结果中，也出现金矿中黄铁矿自形程度和粒度与其载金性出现正相关的个别情况，推测其中黄铁矿的自形程度以及粒径不是控制其载金性的主要因素，其载金性可能与该阶段成矿流体中Au饱和度以及pH、Eh值和温压等物理化学条件的变化也有较大关系。
本次统计的40个金矿中，38个金矿中的黄铁矿As和Au含量呈正相关。其中16个金矿中黄铁矿Au、As元素含量呈强正相关，14个呈中等正相关，8个呈弱正相关。同一世代黄铁矿中Au、As含量正相关性明显，不同世代黄铁矿中Au、As含量相关性显示出差别，一般主成矿阶段结晶的黄铁矿Au、As元素相关系数最高，例如广西那矿卡林型金矿中3个世代的黄铁矿Au、As元素相关系数分别为0.509、0.373、-0.207，相关系数较高的第一世代黄铁矿产于主成矿阶段；又如黑龙江争光浅成低温热液型金矿中，3个世代的黄铁矿Au、As元素相关系数分别0.712、0.881、0.614，第二世代黄铁矿产于主成矿阶段。
黄铁矿属于对硫化物，Fe原子占据立方体晶胞的角顶与面心，S原子组成以共价键结合的哑铃状对硫[S2]2-。As往往以类质同象的形式替代S进入黄铁矿形成As—S共价键，而砷离子半径大于硫离子半径，所以As置换S时会导致黄铁矿晶格发生畸变并出现晶格缺陷，这种畸变和缺陷有利于Au以类质同象方式替换Fe进入黄铁矿。此外，对卡林型金矿中含As黄铁矿的研究表明，As可以增加黄铁矿从金不饱和流体中吸附金的能力，使得As和Au呈明显的正相关关系。
统计结果中也存在2个矿床的黄铁矿中As与Au含量呈现弱负相关关系。黄铁矿结晶时，热液环境还不能满足Au络合物沉淀的条件(如pH、硫逸度等)。在中高温阶段Au与As一般为共消长的关系；但在低温阶段，Au与As出现分离也就出现负相关性。例如甘肃加甘滩金矿中，本文针对该矿床同一世代富As黄铁矿中Au与As含量进行相关性分析，显示两者为弱负相关关系，若将该矿床中不同世代富As黄铁矿与贫As黄铁矿中Au与As元素进行比较，可以得出两种元素呈正相关关系。
本次统计的40个金矿中包括14个卡林型金矿、10个造山型金矿、12个浅成低温热液型金矿、4个岩浆热液型金矿，各类型矿床显示出不同的Au、As元素相关性。统计结果显示16个金矿中的黄铁矿Au、As元素含量呈强正相关，其中8个为卡林型金矿，占50%；4个为浅成低温热液型金矿，占25%；2个为造山型金矿，2个为岩浆热液型金矿，各占12.5%(图3)，显示出卡林型金矿相较于其他类型的金矿具有更加明显的Au、As含量正相关性，其主要原因分析如下。
图3 不同类型热液金矿中黄铁矿Au与As相关程度直方图
砷的物质基础：我国卡林型金矿大多分布在滇黔桂接壤区和川甘陕接壤地区，这些地区地层具有较高的As背景值，地层中的As被成矿流体活化、萃取，为形成含As黄铁矿提供成矿物质支持。而造山型和浅成低温热液型金矿分布相对比较分散，缺少具有As高背景值地层的物质支持，难以形成含砷或高砷的黄铁矿。
金的赋存形式：在造山型和浅成低温热液型金矿中，金大多以细粒金或微粒金(可见金)的形式存在；而在卡林型金矿中，金大多以纳米金或超显微状态(不可见金)的形式赋存于黄铁矿的含As蚀变环带中。相对其他类型的金矿，卡林型金矿黄铁矿中的金分布更为均匀，并且黄铁矿含As蚀变环带也为Au、As提供了同时间同地点的沉淀场所，显示二者较好的相关性。
金的沉淀机制：造山型和浅成低温热液型金矿中，自然金的沉淀与成矿流体沸腾及不混溶作用引起的Au过饱和有明显联系；而卡林型金矿中，金多是以Au3+类质同象的形式代替Fe2+混入黄铁矿，同时As3-代替部分S2-，以保持体系电荷守恒，所以卡林型金矿中黄铁矿Au、As含量显示出较好的正相关性。
元素共生组合：卡林型金矿大多具有Au-As-Sb-Hg的中低温矿物共生组合，而浅成低温热液型金矿中仅有低硫型金矿会出现Au-As-Sb-Hg的低温组合，本次统计的浅成低温热液型金矿中的高硫型的矿床，例如：黑龙江高松山金矿、江苏仑山金矿、浙江石龙头金矿显示出Au、As具有弱正相关甚至负相关关系。
矿物共生组合：中低温热液金矿中的载金矿物除了黄铁矿，还有与黄铁矿共生的毒砂、辉锑矿等矿物，当有辉锑矿产出时，Au与Sb显示出一定的正相关性，致使As与Au相关性不显著或不稳定，例如甘肃加甘滩金矿中网脉状辉锑矿的产出，使得As与Au呈弱负相关。
自然金以0.1μm为界限，可分为可见金和不可见金，结合前人对可见金形成过程的论述，将Au元素富集总结为出溶、迁移、再沉淀3个过程(图4)。
图4 热液体系黄铁矿中不可见金转化为可见金过程示意图
出溶：成矿早阶段，Au类质同象替代Fe进入黄铁矿晶格，形成不可见金；成矿主阶段，由于外界物理化学条件发生骤变(例如：压力骤减、温度骤升引起H2S等气体的散逸，不同化学性质的流体混合等)，流体中的含金络合物分解，且中高温流体将黄铁矿中的不可见金出溶至流体中，处于游离状态。
再沉淀：成矿流体从深部向地表上升，经历降压的过程，当静水压力降低至流体饱和压力时，流体出现沸腾现象，并伴随气体的散逸，从而提高流体中金属元素的浓度，进而导致成矿物质过饱和发生沉淀；同时H2S、CO2等酸性气体散逸，也会造成流体pH升高、氧逸度降低，促使流体中的含金络合物再沉淀。
迁移：Au在内生成矿作用中常以Au-Cl和Au-S络合物的形式迁移，在中低温、中酸性、高硫逸度的流体环境中，常以AuHS、Au(HS)2-为代表的Au-S络合物迁移；在中高温、高盐度、低硫逸度的环境中，则以AuCl2-为代表的Au-Cl络合物迁移。
再沉淀：成矿流体从深部向地表上升，经历降压的过程，当静水压力降低至流体饱和压力时，流体出现沸腾现象，并伴随气体的散逸，从而提高流体中金属元素的浓度，进而导致成矿物质过饱和发生沉淀；同时H2S、CO2等酸性气体散逸，也会造成流体pH升高、氧逸度降低，促使流体中的含金络合物再沉淀。
(1)我国65%以上的热液金矿中，黄铁矿载金性与其粒径和自形程度呈负相关性，平均相关系数分别为-0.344和-0.399，通常以细粒、它形黄铁矿最佳，在卡林/类卡林型金矿中该现象尤为明显。
(2)我国95%以上热液金矿中，黄铁矿的Au与As含量呈正相关，相关系数平均为0.524，卡林型/类卡林型金矿尤其明显。
(3)热液金矿成矿往往经历较长期的过程，推测黄铁矿中不可见金可能经历了“出溶→迁移→再沉淀”等过程转变为可见金，这种可见金多见于含As黄铁矿的生长环带中。
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文章版权声明：本文来源 ：刘一浩，薛春纪，赵云，等.我国热液金矿中黄铁矿的载金性研究[J].现代地质,2020,34(1)：1-12. 《覆盖区找矿》，版权归原作者所有，本文不代表阳光创译立场，并对文中观点保持中立，仅供各位阅读者交流参考之目的。本号所转载内容没有任何商业宣传目的，仅供交流，如有侵权，请联系主编删除（主编微信：suntrans2008），另外图片版权归原作者所有，如有侵权请联系我们，我们将会立刻删除！给您带来的不便，尽请谅解！
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