模型三十四 霍姆斯塔克型金矿床找矿模型

一、概 述

霍姆斯塔克 ( Homestake) 型金矿是指产于前寒武纪条带状铁质建造中或与条带状铁质建造有密切成因联系的金矿，有时也称条带状铁质建造型金矿。由于是以美国南达科他州 1876 年发现的霍姆斯塔克金矿为典型代表，所以称其为霍姆斯塔克型金矿。这类矿床分布于世界各地的前寒纪克拉通内，在美国、巴西、中国、印度、加拿大、津巴布韦等国均有发现 ( 表 1) 。代表性的矿床有北美最大的霍姆斯塔克金矿、巴西大型的莫罗韦洛金矿和加拿大大型的卢平金矿，以及朝鲜的茂山金矿等。该类矿床规模大小不一 ( 表 1) ，有大、中、小型金矿床，甚至有特大型和超大型金矿床，矿石品位一般在 ( 6 ～17) ×10－ 6，是世界金矿的重要类型之一，具有较大的经济意义，如在津巴布韦，有大约 13%的金产自该类矿床; 在澳大利亚耶尔冈地块的黄金有 15% 是采自这类矿床。在我国华北地台五台山地区和佳木斯地块中发现的康家沟和东风山等金矿也属此类，但规模较小。

表 1 世界部分霍姆斯塔克型金矿床

* 含A、B、C、D 4 个矿体，仅D 区年产黄金2t 多

二、地 质 特 征

1. 一般地质特征

霍姆斯塔克型金矿是一种产在前寒武纪含铁硅质岩和其他富铁沉积变质岩中的金 － 硫化物矿床。在空间上和成因上与前寒武纪条带状硅质铁建造密切相关，常产于以火山岩和沉积岩为主的绿岩带中。金矿均与前寒武纪变质的富铁沉积物紧密共生，由硫化物交代富铁的层状磁铁矿或硅酸盐而成，附近发育有各种石英脉和支脉。

该类矿床层控特征明显，产于特定层位。多数矿床产于碳酸盐相铁质建造中，如美国的霍姆斯塔克金矿和巴西莫罗韦洛金矿，以及南非的卡拉哈里金矿; 少数矿床产于氧化物相及氧化物 － 碳酸盐相铁质建造中，如津巴布韦的伍巴奇克韦金矿床、巴西 Raposos、埃及的阿布玛拉瓦特金矿，还有少数产于硫化物相及碳酸盐 － 硫化物混合相铁质建造中的金矿床，如澳大利亚的摩根斯山金矿、朝鲜的茂山金矿和我国的东风山金矿等。

矿体受构造控制明显，多集中在褶皱枢纽带内，呈层状、脉状和透镜状产出。

矿石矿物以自然金 － 磁黄铁矿 － 毒砂 － 石英矿物组合为主，金与毒砂紧密共生。矿石具有明显的变质结构，围岩存在强烈的绿泥石化。

成矿时代为太古宙至古元古代，部分地区延伸到新元古代。

2. 典型矿床———美国霍姆斯塔克金矿床的地质特征

霍姆斯塔克金矿位于美国南达科他州黑山北部 ( 利德地区) ，是世界上最大的金矿之一。自 1876年发现开采以来，累计开采矿石12490 ×104t，生产黄金 4200 × 104盎司 ( 约合1191t) ，是美国开采深度最大 ( 2440m) 的矿山。霍姆斯塔克金矿主要生产黄金，同时也生产少量的银，Au/Ag 为 5。该矿山于 2001 年闭坑，现已成为美国科学基金的一个多目标研究的 “地下深部科学与工程实验基地”，同时也是大型金矿床研究实验室。

( 1) 区域地质背景

1) 地层: 矿床所在的利德地区出露的地层主要为一套低—中变质的前寒武纪千枚岩、变质火山岩以及变质辉长岩岩层，由上往下划分为 6 个组，分别为格里兹利组、费拉格罗克组、西北组、埃利森组、霍姆斯塔克组和普尔曼组 ( 图 1) 。这些地层在经历了后期变质作用、构造作用和热液作用之后，其地层厚度，结构和化学成分等均发生了不同程度的改变，且为第三纪侵入岩所切穿。埃利森组、霍姆斯塔克组和普尔曼组是霍姆斯塔克金矿中最重要的 3 个条带状铁质建造层，其中霍姆斯塔克组又是最主要的含矿层位。该地层由铁闪石 － 菱铁矿片岩组成，并以含有重结晶硅质扁豆体为特征。在变质程度较高的地段镁铁闪石增加，金通常产于这种岩石中。

图 1 美国霍姆斯塔克金矿床前寒武纪地层柱状图( 引自 J. F. Wilkerson，2002)

2) 构造: 利德地区发育有一系列紧密而又复杂的褶皱构造。这些褶皱构造均经历了多次叠加改造，总的来看可分两类: 一类是前寒武纪形成的纵向大型的等斜褶皱。矿区从西到东共有 6 个背斜和向斜，依次是普尔曼背斜、利德向斜、因迪彭登斯背斜、迪斯梅特向斜、皮厄斯背斜和额里多尼亚向斜; 另一类是与第三纪岩浆侵入和隆起作用有关的小型横褶皱。这种小型横褶皱是沿密集剪切面滑动产生的。矿化一般局限在叠加的横褶皱切过较早期的纵向等斜褶皱轴部地段，且不超出霍姆斯塔克组地层界线 ( 图 2) 。

图 2 美国霍姆斯塔克金矿床主矿体的垂直横剖面图( 引自 J. A. Noble，1950)

3) 岩浆岩: 利德地区见两类侵入岩，一为前寒武纪变辉长岩，另一类为第三纪斑岩。变辉长岩有时穿过前寒武纪变质沉积岩和变质火山岩。第三纪斑岩包括许多花岗岩、二长岩、响岩和正长岩成分的岩颈、岩墙和岩床。这些岩体在利德地区广泛分布，其贯入构造作用十分明显。区域岩浆岩的侵入为含金富铁层中的元素活动提供了动力，并促进了成矿空间的形成。

4) 变质作用: 霍姆斯塔克矿区的地层经历了强烈区域变质作用，按变质递增程度由西南到东北为黑云母带、石榴子石带和十字石带，矿床仅产于黑云母带和石榴子石带中。变质时代为 1600 ～1800Ma。

( 2) 矿床地质特征

1) 矿体形态与产出部位: 霍姆斯塔克金矿主要产在前寒武纪碳酸盐相铁质建造中，矿体产在绿泥石化的镁铁闪石片岩和镁菱铁矿片岩岩层内。由于该区经历了多次构造变形，含矿建造发生强烈的褶皱和变形，形成了许多横褶皱或叠加褶皱。矿体往往产在褶皱的轴部和翼部，产在褶皱转折端的虚脱构造中的矿体呈鞍状或柱状，规模较大，产在褶皱翼部的剪切变形带内的矿体多呈层状、似层状或透镜状。主要矿体长 200m，宽 20 ～100m，金品位为 ( 8 ～12) ×10－ 6。霍姆斯塔克金矿共由 9 个产于含矿等斜褶皱中的矿体组成，它们分别为喀里多尼亚 ( Caledonia) 、主矿体 ( Main) 、7 号、9 号、11号、13 号、17 号、19 号和21 号矿体 ( 图3) 。其中产在皮厄斯背斜中的主矿体规模最大 ( 矿石7500 ×104t，Au 品位 8. 37 × 10－ 6) ，构造最为复杂，由地表到下部中段 ( 6800 中段) ，其大小和形态有很大变化。

图 3 美国霍姆斯塔克金矿床中的矿体与褶皱构造关系图( 引自吴美德，1988)

2) 矿石矿物组合: 该矿床的矿石矿物以硫化物为主，存在 4 种矿物组合，分别是: ①石英 － 毒砂 － 绿泥石组合; ②石英 － 磁黄铁矿 － 铁白云石组合; ③磁黄铁矿组合; ④黄铁矿 － 方解石组合，含少量石英、绿泥石、蛋白石、白云石、菱锰矿、镜铁矿、磁铁矿、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、雄黄、自然砷和自然金。金常与毒砂伴生。在高品位的矿石中，金普遍浸染于毒砂的晶体中，少量分散在靠近毒砂的绿泥石和磁黄铁矿中，所以毒砂一般作为矿石标志。但有例外，在 9 号和 11 号矿脉中的一些矿点见有毒砂，却不含金。脉石矿物以碳酸盐和硅酸盐矿物为主，有绿泥石、菱铁矿、铁闪石、石英、黑云母、石榴子石和少量铁白云石、白云母、钠长石和石墨等。

3) 蚀变作用: 在霍姆斯塔克金矿中，绿泥石化是矿体和围岩中一种常见的蚀变，有些地方还可见石榴子石化、黑云母化以及镁铁闪石化等蚀变。但总的来看，各种蚀变作用的强度较弱，不过仍可辨别。

4) 成矿时代

R. Frei 等 ( 2009) 通过对霍姆斯塔克金矿区的独居石和毒砂中的铅同位素分析，得出该区域变质作用和金矿化的年龄分别为 ( 1746 ±10) Ma 和 ( 1719+ 38－ 45) Ma。这一结果在很大程度上说明成矿作用紧随区域变质作用。

① 1ft = 0. 3048m

三、矿床成因和找矿标志

1. 矿床成因

关于霍姆斯塔克金矿的成因一直存在争论。在早期阶段，人们认为这种矿床与含铁硅质岩建造没有必然的联系，把它看成是热液成因的。然而，20 世纪 70 年代初通过对矿床的稳定同位素和流体包裹体的研究，确认矿体中的金和其他一些组分是霍姆斯塔克组本身就有的，是在前寒纪区域变质作用期间被搬运、富集的，据此，确定了前寒武纪硅质铁建造与金矿床的成因关系。

图 4 美国霍姆斯塔克金矿床的成矿模式示意图( 引自 F. J. Sawkins 等，1974)

基于此种认识，F. J. Sawkins 等 ( 1974) 在对美国霍姆斯塔克金矿进行详细的地质和同位素研究之后，提出了霍姆斯塔克金矿的成因模式: Au、As、S、Fe 和 SiO2可能是海底局部地方热泉带到沉积环境中，并在原始沉积层堆积时与 Fe、Mg、C 一起沉积下来; 在接受火山碎屑物质沉积后，早期形成的 Au、As、S、C 和 SiO2在霍姆斯塔克组发生变质作用和褶皱作用的过程中，发生活化，迁移到扩容带内形成金矿体 ( 图 4) 。

不过随着世界其他地方霍姆斯塔克型金矿的陆续发现和研究的不断深入，关于此类矿床的成因模式得到了进一步丰富和发展，常见以下 3 种模式( 图 5) :

1) 同生海水淋滤模式 ( 图 5A) : 该模式是在对津巴布韦伍巴奇克韦条带状铁质建造金矿研究后提出的。认为与水成凝灰岩密切相关的伍巴奇克韦条带状铁质建造中的金矿，是在水下火山喷气形成的，是从温度为 300 ～400℃热水中沉淀的。

2) 同生变质流体模式 ( 图 5B) : 该模式认为金矿床与含铁石英岩建造是同时由沉积作用形成的，强调的是金矿化是由深部上升的含硫流体选择性交代铁质建造形成的。

3) 后生变质流体模式 ( 图 5C) : 该模式认为氧化物相和 ( 或) 碳酸盐相条带状铁质建造层的金矿，是在变质作用过程中被晚期含硫流体选择性交代后形成的。流体是通过条带状铁质建造中的裂隙和断裂进来的，并对富铁条带进行了选择性交代。

2. 找矿标志

( 1) 地质找矿标志

1) 前寒武纪石英岩和变质火山岩区的厚层含铁质建造，特别是碳酸盐相和硫化物相的含铁质建造，有利于形成具有工业规模的霍姆斯塔克型金矿。

2) 条带状铁质建造在经历了强烈褶皱变形作用后形成的扩容带往往是矿体的产出部位。

3) 围岩变质程度达绿片岩相和角闪岩相。

4) 高级绿泥石化的镁铁闪石和镁菱铁矿片岩与金矿化密切相关。

( 2) 地球物理找矿标志

1) 磁异常: 含矿铁质建造中存在一定数量的磁铁矿，可形成磁异常。因此可用磁法 ( 航磁和地面磁测) 来确定矿体形态及产状等。加拿大的卢平金矿就是 1959 年由一家镍矿公司在康特活图地区进行航空磁测后发现的。另外，由于赋存金的碳酸盐相或硫化物相的磁性比氧化物相含铁质建造低，所以在勘查时要特别注意那些磁异常变弱的地方。这些地区根据航磁资料很容易确定。

图 5 以条带状铁质建造容矿的金矿床成因模式示意图( 引自 G. N. Phillips，1984)

2) 高导异常: 与条带状铁质建造共生的硫化物，可构成一个大而深的硫化物导体，可用脉冲电磁法、激发极化法进行测量，发现异常。

( 3) 地球化学找矿标志

1) As 是最佳的探途元素，Au 与 As 之间具有很好的相关关系。在矿体周围常有砷和磁黄铁矿晕。

2) 水系沉积物、土壤和岩石中存在 Au、Ag、Cu 等指示元素异常。

3) 在矿区，Si、Fe、S、As、B、Mg、Ca、Au 和 Ag 一般表现为强富集; Cu、Zn、Cd、Pb 和 Mn表现为中等富集。

4) 含金铁石英岩建造具有正 Eu 异常。

5) 重砂异常和矿化蚀变。用直接追踪矿化方法，或收集冰碛物中的漂砾、山麓滚石及其他来自矿化区的碎块岩来进行勘查最有效。有砂金存在的地区，是有潜力成为勘查靶区的标志。

( 唐金荣)