(一)硫同位素特征
表 3-2 列出了 21 个金银多金属矿床 363 件硫同位素统计值。可见本区矿床硫同位素呈现两组差别明显的数值。一组是主要产于幔枝构造核部的金矿床，如小营盘、东坪等，其值域分布多集中在-6‰～-16‰，是张宣地区金矿硫来源争论最多的矿床; 另一组主要产于幔枝构造边部盖层中的金银多金属矿床，如蔡家营、青羊沟、万全寺等，其值域主要集中在-5‰～5‰，认为其硫源主要源自地球深部。
表 3-2 冀西北金银多金属矿床硫同位素统计
注:①河北地质三队，河北赤城县黄土梁金矿详查报告，1998; ②冶金 516 队，河北赤城县后沟金矿勘探报告，1991; ③李红阳，冀西北银多金属矿化集中区控矿因素矿床类型与成矿预测，1994。
对于贫34S一组矿床，笔者经多年研究，并结合铅、氦、氩同位素特征认为，该区不能单纯凭其硫同位素数值来确定来源，必须深入研究这些矿床所处的地质环境、所发生的地质事件及多种同位素资料。该组矿床多位于幔枝构造核部的水泉沟二长杂岩体内及其近旁，更重要的是该区至少经历过三次以上的、其他金银多金属矿集区少见的大面积碱化作用，可能是导致硫同位素轻化的主要原因。碱化作用不但会引起硫化物的再沉淀，而且会促使这些硫化物富集32S。如经多位学者研究发现，贫34S的矿床成矿热流体多具偏碱性特征，如东坪金矿pH=6.14～8.62，小营盘pH=7.88～9.37(胡小蝶等，1990)，韩家沟pH=7.26～7.50，后沟pH=6.82～8.58，中山沟pH=6.80～7.81(银剑钊等，1994)。据大本(OhmotoH，1972)研究认为:在250℃时，热液矿床fO2-pH范围内，每增加一个对数单位的fO2或一个单位的pH值，即可导致含硫矿物的δ34S值减少20%。王正坤等(1992)根据小营盘及东坪两矿床的矿物组合(包括蚀变带矿物)，确定出了两金矿床矿物的稳定场，并据此推断出小营盘金矿及东坪金矿成矿溶液的δ34S∑S约为0±3，即成矿溶液的总硫同位素组成近于陨石的34S组成。与这组矿床铅同位素好稀有气体同位素特征吻合。另外研究区主要金矿床的氢、氧同位素分析证明金矿床的成矿溶液中有大量天水加入，可能也是导致硫同位素的“轻化”原因之一。
各矿床中共生硫化物之间的分馏变化总体趋势是δ34SFeS2＞δ34SCuFeS2＞δ34SZnS＞δ34SPbS。如小营盘矿区δ34SFeS2平均为-9.53，δ34SCuFeS2平均为-10.1%，δ34SPbS为-12.3;东坪矿区的δ34SFeS2为-6.68，δ34SCuFeS2平均为-6.77，δ34SZnS平均为-9.53，δ34SPbS平均为-11.40。这些特征反映了矿物生长顺序基本上是符合晶格能降低的规律的，说明硫同位素的交换已达到平衡。
(二)铅同位素特征
据冀西北幔枝构造区已知成型的21个金、银多金属矿床共147件铅同位素数据统计(表3-3)表明:不论产于何种构造位置，不同矿种原生矿石铅同位素(平均值)十分接近。即206Pb/204Pb=16.31～17.54;207Pb/204Pb=15.13～15.54;208Pb/204Pb=36.22～37.72。反映该地区众多矿床的成矿物质有一个共同的“铅源”。将表3-3中数据平均值投点于铅同位素演化曲线图上(图3-2)，总体上可从反映出冀西北印支-燕山期内生矿床矿质的主体应源自地球深部，并有程度不同的壳源物质加入。
壳源物质的加入可能主要有两个方面:一是金属成矿物质所搭载的有关岩浆岩随幔枝构造活动而上涌的距离，在热流体上侵如此长的距离中不可避免地会有壳源物质加入;二是岩浆侵位的时间，如果侵位时间长，混入的壳源物质可能多一些，反之，则可能少一些。此外，如此大规模的印支-燕山期岩浆侵入所需的空间必然十分巨大，不可能只是将已有的壳源物质简单地向上或侧向推开，而更大的可能是除上顶、外推外还大量吞蚀原有的壳源物质，从而造成铅同位素在铅同位素演化曲线图上大多数矿床落于下地壳-地幔曲线之间，少数位于造山带曲线附近这一普遍规律。对比硫及其他同位素值，一般都不会出现典型幔源特征的数据，大多为过渡型偏幔源特征。
表 3-3 冀西北金银多金属矿铅同位素特征
注:①河北地质三队，河北赤城县黄土梁金矿详查报告，1998; ②冶金 516 队，河北赤城县后沟金矿勘探报告，1991; ③王金锁，冀北西部银矿成矿地质条件及找矿方向，1992。
图 3-2 冀西北金银多金属矿床铅同位素(平均值)组成(据 Zartman 等，1981)
表 3-4 冀西北部分矿床氦气体特征
注:* 为黄铁矿中的3He/4He 与空气3He/4He(Ra:空气3He/4He = 1.39 × 10-6)的比值。
(三)氦、氩同位素特征
1.氦同位素特征
在冀西北幔枝构造区选取代表性的11个矿区36件样品进行氦、氩同位素测试，分析结果如表3-4所列。研究用的黄铁矿和石英为新鲜样品，从而排除了样品中存在宇宙成因3He的可能。样品中形成的流体包裹体基本上可以代表黄铁矿形成时流体的初始同位素值。
表3-4中可见，矿石中黄铁矿的3He/4He含量范围为0.93×10-6～6.9×10-6，平均3.48×10-6，比围岩的钾质花岗岩为0.007～0.008高上千倍。较高的3He/4He和R/Ra值在一定程度上反映出地幔热流体参与了成矿过程。该区各矿床Ra值都比较高，值域为0.66～6.81，平均为2.50。表明成矿物质应来自于地球深部，地幔流体参与了成矿作用。将该区11个矿床36件样品投点与成矿流体3He/4He-40Ar/36Ar图解(图3-3)，可见多数落点均位于地幔氦附近。反映氦气应以地幔来源为主，并在上升过程中有脱气现象或放射性4He(壳源物质)加入。
计算求得张宣地区金、银多金属矿成矿流体中地幔流体参与成矿作用的比例为3.5%～86.10%，平均为31.48%。而成矿流体中较低的3He比例也同样说明了地壳来源的流体占相当的比例。
图 3-3 张宣地区金、银多金属矿成矿流体3He/4He-40Ar/36Ar图解
表 3-5 冀西北地区部分矿床氩气体特征
2.氩同位素分析结果及其地球化学特征
研究矿床的氩同位素分析结果见表3-5。其中40Ar/36Ar=426～2073，平均579.52，为大气40Ar/36Ar(295.5)的近2倍;40Ar/38Ar=1601～11197;36Ar/38Ar=5.2～5.5;40Ar=0.10×10-7～33.83×10-7cm3STP/g，平均10.63×10-7cm3STP/g，高于Hart(1979)所得地幔40Ar的上限3.2×10-6cm3STP/g;4He/40Ar=0.3～91.26，平均值为0.78，与Schw-artzman(1973)估计现今地幔的4He/40Ar比值为1.36～2.23相近。因此，河北金矿黄铁矿中4He/40Ar比值低，应表明有来自地球深部气体组分的加入。在3He/4He(R/Ra)-40Ar/36Ar比值图上(图3-4)可见，采自金矿样品中具有较高的3He/4He和40Ar/36Ar比值，而围岩则明显偏低。
图3-4 张宣地区金、银多金属矿成矿流体3He/4He-40Ar/4He图解
冀西北矿床成矿流体的He-Ar同位素体系反映出成矿作用与地幔流体活动的内在联系，这一结论可以较好地与成矿地球化学及其其他同位素资料相印证。清楚地表明冀西北矿床的成矿流体和部分成矿物质主要来自地幔，而且与地壳物质交换的程度不十分强烈。
(四)成矿热流体的来源
1.氢、氧、碳同位素特征
在研究区内，据已公布和实测的16个矿床80余个样品统计平均值(表3-6)可见，δ18OSMOW4.9～18.77，δ18OH2O-1.45～7.31，δDSMOW-109.5～-80.5，极大部分接近正常岩浆水区间。将14个矿床氢氧同位素平均值投点于δD-δOH2O图解上(图3-5)大部分点落在岩浆水区间的附近(左下方)，而远离雨水线，很少落入变质水区间，表明冀西北矿床成矿热液来源应以岩浆水为主，兼有部分其他来源的水加入。
7个矿床碳同位素(δ13CBO)平均值为-6～-2.49，与Deines等(1973)总结的世界各地岩浆成因碳酸盐δ13CBO平均值(-5.1±1.4)相近，且分布范围窄。表明冀西北地区各矿床成矿热液中的碳属于岩浆型碳，并且具有深源成因特征。这一特征亦与其他同位素测试结果相吻合。
2.硅同位素
硅是地壳中分布最广的元素之一，硅同位素无疑是解决各类岩石、矿床成因，探讨硅质来源的重要手段。现代海底黑烟囱马里亚那海槽23件现代海底喷气沉积硅质物———海底热液黑烟囱的δ30Si=-0.4～3.1，平均为-1.6(吴世迎，1992)。
表 3-6 冀北地区内生矿床氧、氢、碳同位素测定结果
注:括号内数字为样品数。①王金锁，冀北西部银矿成矿地质条件及找矿方向，1992。
图 3-5 冀西北部分金、银多金属矿床 δD-δ18O 组成图
运用硅同位素探讨成矿物质来源目前还处于起步阶段。已取得的硅同位素资料(表3-7)表明，7 个矿床含矿石英脉中 22 件石英样品及地层和岩浆岩 5 件中石英及全岩样品的30Si 同位素组成分别为，含矿石英脉为-0.2‰～0.3‰，平均为-0.05‰; 岩浆岩值域为-0.3‰～0.4‰，平均0.05‰。二者变化不大，且与水泉沟杂岩体较为接近，暗示其硅质来源具有一定的相似性，表明中酸性岩浆活动确有可能提供一定数量的硅。而太古宙片麻岩(30Si=0.6)差别较大。
表 3-7 冀北地区部分金、多金属矿床硅同位素特征
根据前述硫、铅、氢、氧、氦、氩、硅同位素特征及成矿年龄测定，表明冀西北地区众多金、银多金属矿床成矿物质来源应源自地球深部，很可能是发端于核幔边界的D″层。当该处受到热扰动、温压条件及天文等内外因素共同作用时，就会导致原本应在地核聚集的金银多金属等重金属元素伴随着地幔热柱作用上升。其时，金银等重金属元素处于超高温、高压状态下，应以气体状态弥散在地幔热柱之中。
进入燕山运动时期，华北地区进入了强烈的地幔热柱多级演化阶段。河淮地幔亚热柱上升至岩石圈底部受阻而呈伞状向外拆离滑脱，由于河淮地幔热柱的热减薄作用，华北断陷逐渐形成，与此同时，崇礼-赤诚断裂带的深切，使原本具有熔融性质的地幔软片减压释荷形成深熔岩浆，并熔融部分围岩构成线状岩浆房，尤其在有横向断裂交汇的部位构成通道，成为岩浆活动的良好场所，表现为强烈的构造岩浆带。岩浆活动导致地块整体上隆，变质岩系呈揭顶式隆起，外围盖层则大幅度正向拆离滑脱，形成典型的幔枝构造。水泉沟杂岩体的不断活动并带来多次的碱质，沟通了深部矿源，并在燕山期花岗质岩浆活动带及其围岩的拆离带和盖层中形成众多的金、银矿床。本区幔枝构造的核心的印支-燕山期花岗质岩浆作用及大规模的碱质蚀变，形成水泉沟碱质杂岩体。因为只有这种大规模的地质作用才能带来如此大量的金银铅锌。从多数资料证明本区燕山期花岗质岩浆具幔源或壳幔源特征及本身含金量明显高、成岩与成矿时间的一致性等可以得到证实。
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