黃金是國家戰(zhàn)略資源之一，研究金礦床成礦機理對提升找礦潛力具有舉足輕重的作用。華北克拉通在早白堊世（140-120 Ma）短時間內發(fā)生了大規(guī)模的金成礦作用，使華北的金探明儲量占全國50%以上，其中僅膠東金礦集區(qū)就已探明4000-5000噸黃金。華北中生代巨量金礦的成因一直是國際研究的焦點，但是也是難點。絕大多數國內外礦床學家認為，華北克拉通金礦不能由造山型金礦床成礦模型解釋，因為華北克拉通的高級變質作用發(fā)生在前寒武紀，遠遠早于金成礦作用發(fā)生的中生代；而且早期的高級變質作用已使地殼極度虧損金和遷移金的流體，不利于后期的成礦(1)。另外，華北克拉通金礦床成礦時代與華北克拉通破壞峰期（~120 Ma）一致(2-4)。在綜合華北克拉通破壞和金成礦的大量研究成果后，中國科學家將此歸結為克拉通破壞型金礦床，認為華北克拉通巖石圈地幔經歷了多期次俯沖交代，該交代富集地幔部分熔融產生的富含揮發(fā)分的幔源巖漿提供了金元素和遷移金所需的揮發(fā)分(4)。最近幾年國際同行也逐漸認識到，世界上其他地區(qū)也可能存在類似的情況，即克拉通巖石圈交代地幔對大規(guī)模的金成礦（?。┢鹬P鍵的作用(5, 6)。其中，華北克拉通可能是研究交代巖石圈地幔與巨量金礦床關系的最佳實例。然而，強烈的交代地幔是否富含金，以及交代地幔對金成礦貢獻的具體機制仍然不清楚。針對該重要問題，中國地質大學（武漢）汪在聰教授團隊及其合作者，建立了低本底高精度準確分析地質樣品中金和鉑族元素含量的方法，應用于華北克拉通不同演化階段的地幔橄欖包體（N=28）以及中新生代玄武巖（N=47），系統(tǒng)理解華北巖石圈地幔金含量隨時間的演變以及地幔部分熔融形成玄武巖過程中金的釋放效率。博士生程懷經過大量的摸索，通過王水熔樣，陽離子樹脂分餾提純，結合高靈敏度電感耦合等離子質譜 (HR-ICP-MS, Element XR)，實現了對極低金含量地質樣品的高精度測試，金全流程本底小于5 pg。對于同一樣品，內標法和標準加入法兩種獨立分析方法獲得的金含量在分析誤差內相同；不同巖性不同金含量的國際地質標樣的重復測試結果非常穩(wěn)定，而且與推薦值或報道值一致（圖1）。 圖1. 不同國際地質標樣的Au含量測試結果。（a）標準加入法與內標法測得不同地質標樣Au含量的結果對比。（b）TDB-1的Au含量測試結果與推薦值、報道值對比。
結果顯示（圖2），代表華北克拉通中生代成礦前巖石圈地幔的鶴壁和蒙陰地幔橄欖巖經歷了強烈的地幔交代，硫含量有顯著增加，金和其他不相容性金屬也有所增加（表現為Au/Pd(N)比值相對于原始地幔的升高），但是金加入的量有限（全巖< 0.5ppb ）；代表中生代成礦后的、新生地幔的山旺地幔橄欖巖金含量與全球其他地區(qū)的地幔橄欖巖結果一致。這些結果表明，華北克拉通巖石圈地幔從太古代到新生代并不富含金，而與世界其他地區(qū)的地幔沒有顯著的區(qū)別（圖3a）。
圖2. 華北克拉通蒙陰、鶴壁、山旺地區(qū)地幔橄欖巖中PGE、Au、Cu和S含量地幔歸一化圖
盡管華北克拉通鮮有與成礦同期的交代地幔樣品，但是與成礦近同期的早白堊世玄武巖多處噴發(fā)（130-120 Ma，費縣、方城、義縣、四合屯)。這些玄武巖來自強烈交代的巖石圈地幔，富含水和其他揮發(fā)分，而且代表交代地幔起源的原始巖漿（Mg#為71-75），能夠有效反映與巨量金成礦同期的、大范圍的交代地幔金含量。130-120 Ma的玄武巖與成礦后來源于軟流圈地幔的玄武巖（< 110 Ma, 堿鍋、山旺、鶴壁）的Au/Pd(N)比值基本一致（圖3b），指示華北中生代交代巖石圈地幔中金含量也沒有顯著富集，與軟流圈接近（< 1-2 ppb）。但是整體上，源自交代巖石圈地幔的、富含揮發(fā)分的130-120 Ma玄武巖的Au含量（均值2.2ppb）比來源于軟流圈地幔的玄武巖（均值0.7 ppb）高3-4倍（圖3a），表明金在130-120 Ma玄武巖中發(fā)生了相對的富集。 圖3. 華北克拉通與成礦近同期和成礦后的玄武巖的Au含量（a）和Au/Pd(N)比值（b） 地幔交代作用導致巖石圈地幔中揮發(fā)分的含量和氧逸度升高，促使金在部分熔融過程中優(yōu)先向巖漿遷移，從而導致Au在130-120 Ma玄武質巖漿中相對富集。新生的巖石圈地幔含有低揮發(fā)分含量，所以<110 Ma的玄武巖含有低的金和鉑族元素含量（圖4）。該結果意味著富含揮發(fā)分的交代巖石圈地幔雖然并不異常富集金，但是可以釋放更多的金進入原始巖漿。結合金礦床中成礦流體具有明顯的地幔揮發(fā)分的貢獻，作者認為在華北克拉通交代巖石圈地幔減薄和熔融過程中，地幔交代過程中富集的揮發(fā)分促進了金的釋放。富金的含揮發(fā)分原始巖漿沿著郯廬斷裂帶等構造薄弱帶上升，并分異演化出繼承地幔揮發(fā)分的富金流體，從而在極度虧損金的高級變質地殼中形成了巨量的金礦床。圖4. 華北克拉通巖石圈地幔的時間演化及其與中生代巨量金成礦的關系。橫坐標為玄武巖和地幔包體圍巖噴出的年齡。
因此, 巖石圈地幔中金的強烈富集并不是形成超大型金礦床的前提條件。地幔源區(qū)不需要異常富集金也能成巨型金礦，其中交代的揮發(fā)分起著關鍵作用。這些交代組分可以促進金從地幔中的釋放，也對后期形成含金熱液流體至關重要，但是需要進一步的工作來理解巖漿熱液流體演化中金的具體遷移富集和成礦作用。相關工作也有益于認識克拉通長期演化對地幔金屬元素含量的影響（圖4）。
上述成果得益于中國科學家對華北克拉通演化和金礦床長期深入的研究，受“國家重點研發(fā)計劃‘深地資源勘查開采’重點專項(2016YFC0600103)”資助，發(fā)表在Geostandards and Geoanalytical Research 和Geology。 Cheng, Huai., Wang, Zaicong*., Chen, Kang., Zong,Keqing., Zou, Zongqi., He, Tao., Hu, Zhaochu., Fischer-G?dde, Mario. and Liu,Yanhong. (2019) High-precision Determination of Gold Mass Fractions inGeological Reference Materials by Internal Standardisation. Geostandards andGeoanalytical Research 43, 663-680.
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