“望金興嘆”
馬克思有言:貨幣天生不是金銀, 但金銀天生就是貨幣。黃金, 一種帶有黃色光澤的金屬, 由於其分佈稀有、物理性質穩定且容易保存和流通, 幾個世紀以來一直被人們當作貨幣金屬、財富象徵和價值儲存物。除了用作貨幣和儲備外, 黃金常被用來打造名貴的首飾, 在工業上黃金還是電子、現代通訊、航空航天等領域的重要材料。歷史告訴我們哪裡發現了黃金, 人們就會蜂擁而至。人類歷史上, 美國加州、澳大利亞、南美、非洲等地都曾興起過不同程度的淘金熱。這其中最著名的淘金者當屬美國作家傑克·倫敦 (Jack London) , 他曾是阿拉斯加淘金隊伍中的一員, 最終卻一無所獲並患上壞血病, 這段經歷讓他寫出了小說《野性的呼喚》。
美國內華達州的大盆嶺省和中國西南地區的右江盆地是全球著名的黃金產地, 已探明黃金儲量超過7000 t (Muntean等, 2018) , 約佔全球黃金總儲量的10%。然而, 金礦床的勘探和開採過程中, 並未湧現出為財富而趨之若鶩的淘金者, 連當地人似乎也沒有對坐擁“金山”而表現出熱情, 無數的慕名者只能“聽金興奮, 望金興嘆”。這一切都是因為這兩個地區的金礦石平淡無奇 (圖1) , 其外貌黑乎乎的, 完全不同於讓人賞心悅目的明金礦床 (圖1) , 也與人們印象中黃金首飾或狗頭金該有的金燦燦光輝不符 (圖2) , 哪怕你竭盡全力地盯著它, 也發現不了任何黃金的印記。這就是金礦床中的神秘家族—卡林型金礦 (英文名:Carlin-type gold deposit) 。
圖1 卡林型金礦礦石 (左圖) 和明金礦床礦石 (右圖圖片來源於網絡)
圖2 自然金工藝品 (左圖) 與狗頭金 (右圖) (圖片來源於網絡)
“深屋藏金”
卡林型金礦因1962年在美國西部內華達州的卡林鎮被首次發現而得名 (Radke and Dickson, 1974) 。這些金礦體一般賦存在鈣質碳酸鹽巖地層內, 典型的元素組合為金-砷-銻-汞-鉈, 但貧鉛、鋅和銀, 形成溫度大約為180～240℃, 形成深度在地表下4 km以內 (Cline等, 2005) 。最重要的特徵是金是肉眼不可見的, 即便是孫悟空的火眼金睛也難於分辨普通石塊和金礦石 (圖3) , 二者的鑑別只能依靠化學分析, 因此卡林型金礦石中的金是難於提煉出來的, 屬於難熔型金礦 (refractory gold) 。卡林型金礦石中的金含量一般為5～6 g/t, 相當於一卡車裝載了50 t的金礦石, 最多隻能提煉出300 g的黃金。這樣的屬性也難怪淘金者們只能慕名而來、敗興而歸。
圖3 貴州爛泥溝超大型金礦床中的普通石塊 (左圖) 和金礦體 (右圖)
為了揭開金的廬山真面目, 我們需要一步步走進卡林型金礦石的微觀世界!如果將金礦石打磨成幾十微米厚的薄片, 顯微鏡下可見到礦石中具有閃閃發光的黃色小顆粒 (圖4) 。然而, 這些小顆粒並不是自然金, 而是俗稱“愚人金”的黃鐵礦。幸運的是, 這些黃鐵礦就是金的“藏身之所”。雖然身材小巧, 但高分辨率背散射圖顯示黃鐵礦內部結構比較複雜, 形成特有的核邊結構, 然而我們仍未看到金的痕跡。那麼, 頑皮的金到底藏於何處?為了解開金最後一層神秘面紗, 我們請出窺探微觀世界的殺手鐧—高分辨率的二次離子質譜 (Nano SIMS) 和透射電鏡 (TEM) 。Nano SIMS元素掃描下, 我們終於看到這些細小的黃鐵礦外環出現了金的信息:金的分佈極不均勻, 好似黃鐵礦穿了件金外套, 而內核卻一貧如洗 (圖5;Yan等, 2018) 。TEM下, 一顆顆小巧的金顆粒終於被發現, 其個頭只有幾十納米 (1納米相當於一個頭髮絲直徑的六萬分之一) , 與“龐然大物”的狗頭金差之千里。然而更多的金是以TEM也無法觀察到的金離子 (Au+) 形式存在於黃鐵礦的“身體內”。
這裡必須要說明的是, 儘管卡林型金礦缺乏肉眼可見的明金, 品位也較低, 但是卡林型金礦常常可以形成大規模的金礦床, 而且這些礦床常在區域上集中分佈, 構成大型的金成礦區或成礦帶, 如美國內華達州和中國的滇黔桂“金三角”, 這也是卡林型金礦之所以重要的原因。老子說“大音希聲, 大象無形”, 用這句話來形容卡林型金礦是再恰當不過了。
圖4 右江盆地卡林型金礦礦體的顯微鏡照片 (左圖) 和高分辨背散射圖 (右圖)
圖5 右江盆地卡林型金礦礦體中黃鐵礦的高分辨率金分佈特徵 (左圖) 和納米金顆粒 (右圖)
分佈侷限
卡林型金礦床是世界上最大的熱液金礦床類型之一。世界範圍內, 卡林型金礦主要分佈在美國內華達州和中國的滇黔桂、陝甘川兩個“金三角”內, 儘管在東南亞、南非、秘魯、俄羅斯烏拉爾等地區也有類似的金礦報道, 但其規模都較小 (Arehart等, 2013) 。美國的卡林型金礦床產於北美西部的“大盆地”中, 主要集中在內華達州中北部地區, 少量產於猶他州境內, 而超過80%～90%的金資源又僅集中分佈於4個區帶內, 分別是Carlin Trend、Battle Mtn.-Eureka Trend、Getchell Trend和Jerritt Canyon (圖6) , 目前美國卡林型金礦床每年的產量約佔世界黃金總產量的6%, 使美國成為世界上第四大黃金生產國 (Muntean等, 2018) 。
地處於中國西南部的右江盆地是世界上僅次於美國內華達州的另一個卡林型金礦產地。因其位於雲南、貴州和廣西三省 (區) 的交界地帶, 被形象地被稱為“金三角” (Hu et al., 2002, 2018) 。1977年以前, 整個貴州探明金儲量不足1 t, 是我國金儲量最貧乏的省份。但自1978年貴州板其卡林型金礦床的發現則徹底改變了貴州黃金資源貧乏的狀況, 貴州一躍成為我國新崛起的黃金資源基地之一。目前, 區內已發現儲量在100 t以上的超大型金礦床2個, 儲量在20 t以上的大型金礦床8個, 中小型礦床或礦點200餘處, 共查明金資源儲量在700 t以上, 因此有“金三角”之稱。
圖6 全球卡林型金礦床分佈圖
成因探秘
卡林型金礦神秘、低調而有內涵的特點和巨大的經濟價值激發了礦床學家的研究興趣。礦床學的偵探們需要查清這些卡林型金礦床的身世背景, 解決卡林型金礦“什麼時候形成、金從哪裡來、如何形成、未來到哪裡去找礦”四大科學問題。經過幾十年的工作, 礦床學家們深入瞭解了美國內華達州的卡林型金礦的前世今生。
卡林型金礦是什麼時候形成的呢?弄清楚成礦時間的問題可以幫助礦床學家們瞭解是什麼樣的特殊地質事件和地質環境造就了這些金礦床。為此, 礦床學家們必須要藉助一種地質時鐘———放射性同位素衰變體系, 如鈾-鉛、銣-鍶、釤-釹等。這些地質時鐘通過衰變過程中母體同位素 (鈾、銣、釤) 隨時間的減少和子體同位素 (鉛、鍶、釹) 隨時間的增加進行計時, 從而測定礦床中礦物和岩石的形成時間。經過幾十年的辛苦工作, 現已知道美國內華達州的卡林型金礦大約形成於4000萬年前, 比恐龍滅絕時代晚了2000多萬年。這些卡林型金礦床形成的時間與相應區域的地球板塊運動發生轉折的時間點相吻合, 這很好地揭示了這些金礦床形成的地質背景。
金和其他成礦物質從哪裡來的呢?金的來源是形成卡林型金礦的重要前提, 而金礦床形成過程往往會保留一些成礦物質來源的證據, 礦床學家們需要像偵探破案一樣去尋蹤覓跡, 對成礦物質進行追根溯源。元素的穩定同位素常常是最重要的一種證據, 比如氫、氧、碳、氦等同位素可以用來追蹤成礦流體的來源, 而硫、鉛、汞等同位素可以用來追蹤成礦元素的來源。近年來對美國內華達州卡林型金礦研究發現地球深部的岩漿活動很可能為金成礦提供了物質來源, 成礦的過程和機制是什麼?在得到成礦時間、地質背景、物質來源等信息後, 礦床學家們建立了內華達州卡林型金礦的成礦模型來描述這些金礦床的成礦過程:板塊俯衝誘發地殼產生岩漿活動, 這些岩漿活動能演化出攜帶有金的熱液流體, 富金的熱液流體沿著地殼斷裂帶上升。上升過程中加入了大氣降水和盆地中的流體。這些流體進一步萃取所流經地層中的元素, 最終在構造薄弱的位置發生物理化學條件的改變, 使金沉澱而富集成礦 (Muntean et al., 2011) 。
中國特色
我國右江盆地的卡林型金礦與美國內華達州的卡林型金礦有相似的地質特徵 (Hu et al., 2002, 2018) 。雖然以往進行了較長期的研究並取得重要進展, 但對這些卡林型金礦的形成時代、成礦機制、金的來源以及中、美卡林型金礦的成礦差異等科學問題卻一直沒有解決。在國家重點基礎研究發展計劃的支持下, 以中國科學院地球化學研究所為主導、多家高校和科研單位聯合攻關, 對我國右江盆地的卡林型金礦進行了深入研究, 目前已取得諸多創新認識。一是金礦形成時的物理化學條件的特殊性。成礦過程中, 石英礦物會捕獲成礦流體, 以流體包裹體形式保存下來, 這些包裹體記錄了金礦床形成時候的流體溫度、壓力和成分等信息。礦床學家們通過研究這些包裹體發現, 我國右江盆地的卡林型金礦具有更高的形成溫度 (可達300℃) 、更深的形成深度、運移金的流體富集CO2 (Su等, 2018) 。這些特徵都有別於內華達州的卡林型金礦。
二是成礦時代的特殊性。礦床學家們在右江盆地卡林型金礦內發現了一些新的礦物, 通過同位素衰變體系定年, 發現右江盆地發生過兩次成礦作用, 分別形成於至今2億年和1.4億年。這與內華達卡林型金礦形成於板塊俯衝背景不同, 右江盆地的卡林型金礦遠離俯衝帶, 形成於板塊碰撞完成之後的伸展背景。
三是金來源的差異。礦床學家們採用目前國際上最前沿的同位素分析手段來尋找金的來源, 發現右江盆地卡林型金礦中的金主要來自於基底地層。深部的岩漿流體混合了大氣成因地下水, 共同浸取基底地層中的金和其他成礦物質, 然後遷移到合適的位置沉澱富集。
四是成礦過程的精細刻畫。礦床學家們對封存在金礦石英脈中的古成礦流體成分分析發現, 成礦流體富二氧化碳, 呈酸性, 具有高含量的金、砷、銻元素, 但缺乏鐵元素, 金主要以硫氫根絡合物Au (HS) 2-的形式在流體中搬運 (Su et al., 2008, 2009, 2012) 。根據這些特點, 礦床學家們提出了金沉澱的最重要機制, 即富硫化氫 (H2S) 的成礦流體與含有Fe的地層發生反應形成了含金的黃鐵礦。這一機制又可細分成三步, 俗稱卡林型金礦成礦“三部曲” (圖7) : (1) 酸性的成礦流體溶解含鐵的碳酸鹽圍巖使其釋放出鐵離子; (2) 釋放出的鐵離子與流體中的硫化氫反應形成黃鐵礦, 同時伴隨著金的沉澱, 由於這些流體中的金是極其不飽和的, 因而成礦流體中的金只能“委曲求全”進入黃鐵礦身體內隱藏起來, 造就了卡林型金礦肉眼不可見金的神秘; (3) 溶解在流體中的碳酸鹽成分隨流體運移到礦體外圍的斷裂中發生沉澱, 形成貧鐵的碳酸鹽脈 (圖7) 。
圖7 卡林型金礦成礦過程“三部曲”
尋脈探金
礦床學家們非常關注的一個問題是, 如何才能找到更多的金礦為國家經濟建設作貢獻。礦床學家們歷經辛苦建立的成礦模型為卡林型金礦進一步的找礦工作提供了很大的幫助。舉個例子, 上文提到的成礦過程的最後階段會在礦體的外圍形成貧鐵的碳酸鹽脈, 這些碳酸鹽脈是可以在地表找到的 (圖8a) 。礦床學家們發現, 這些碳酸岩脈通常具有明顯的“帽子型”稀土元素分配特徵 (圖8b) , 而與成礦無關的碳酸鹽脈通常具有右傾型稀土分配特徵 (圖8c) 。因此, “帽子型”稀土元素特徵的碳酸鹽脈成為了重要的找礦標誌, 只要在地表找到這類碳酸鹽脈就可以判斷地下有金礦體的存在。採用這種成礦模型和找礦標誌在右江盆地的水銀洞金礦找礦中取得了重要突破, 近年來在該礦床東部區域獲得地質勘查驗證的新增資源量超過62 t, 依據不斷增加的金資源量, 建立的黃金礦山現年產黃金數噸, 產值數億元, 產生了很好的經濟和社會效益。
圖8 (a) 地表與成礦有關碳酸鹽脈; (b) 與成礦有關碳酸鹽脈的“帽子型”稀土元素特徵; (c) 與成礦無關碳酸鹽脈的右傾型稀土元素特徵
經過多年的勘探和研究, 人們對卡林型金礦的認識不斷加深, 也解決了一些重要的科學問題, 為卡林型金礦的找礦做出了重要貢獻。然而, 在全球廣闊的空間範圍內, 以及地球近46億年的歷史長河中, 為什麼只在美國內華達州和中國西南地區的右江盆地內形成有規模如此大的卡林型金礦礦集區, 這一獨具特色的科學問題需要礦床學家們通過更多的研究工作和努力來解決。
高偉,顏軍,黃勇,李錦偉.“大音希聲,大象無形”——金礦床中的神秘家族:卡林型金礦[J].礦物岩石地球化學通報,2019,38(01):198-200.
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