“大音希声，大象无形”

———金矿床中的神秘家族: 卡林型金矿

高伟，颜军，黄勇，李锦伟

中国科学院地球化学研究所

矿床地球化学国家重点实验室

“望金兴叹”

马克思有言: 货币天生不是金银，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7,000 t(Muntean et al.，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) 。

图1 卡林型金矿矿石(上图) 和明金矿床矿石

(下图图片来源于网络)

图2 自然金工艺品(上图) 与狗头金(下图)

( 图片来源于网络)

“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-砷-锑-汞-铊，但贫铅、锌和银，形成温度大约为180～ 240 ℃，形成深度在地表下4 km以内(Cline et al.，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(上图) 和金矿体(下图)

　　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”的黄铁矿。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?

图4 右江盆地卡林型金矿矿体的显微镜照片( 上图) 和高分辨背散射图( 下图)

　　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(NanoSIMS) 和透射电镜(TEM)。NanoSIMS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 et al.，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”。

图5 右江盆地卡林型金矿矿体中黄铁矿的高分辨率金分布特征(上图) 和纳米金颗粒(下图)

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 et al.，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 et al.，2018) 。

图6 全球卡林型金矿床分布图

　　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，如铀－铅、铷－锶、钐－钕等。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4,000万年前，比恐龙灭绝时代晚了2,000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