陜西鳳縣二里河噴流沉積型鉛鋅礦床的地質(zhì)地球化學(xué)證據(jù)

張 海,何明友,李方林,王玉婷,唐 耀,侯春秋

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院,四川成都610059;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北武漢430074)

0 引言

過去將以沉積巖為容礦巖石的塊狀硫化物礦床稱為“頁(yè)巖型”礦床。但這類礦床的容礦巖石除頁(yè)巖外,還有許多其他類型的沉積巖,因此在1986年第七屆礦床成因討論會(huì)上將這類沉積巖容礦的礦床稱為噴流沉積型(SEDEX)礦床。近年研究表明,國(guó)內(nèi)外許多大型和超大型礦床也屬噴流沉積型礦床,如澳大利亞的芒特艾薩、布羅肯希爾;加拿大沙利文;中國(guó)廣西大廠、云南金頂?shù)却笮透坏V床。國(guó)內(nèi)先后有田毓龍等開展了噴流沉積型礦床研究工作[1-6]。一般認(rèn)為,海底噴流沉積成礦泛指深部上升的不同成因含礦熱流體噴出海底過程中,與常溫海水相互反應(yīng),致使礦質(zhì)沉淀富集成礦。其沉積成礦作用發(fā)生的沉積環(huán)境以裂谷作用產(chǎn)生的低能、缺氧、高鹽度和溫度等為特征,主要形成于拉張性構(gòu)造環(huán)境,具體構(gòu)造背景是受裂谷控制的克拉通內(nèi)部及其邊緣的沉降盆地,或拉張的裂谷、地塹。田民民等先后認(rèn)為二里河鉛鋅礦床為噴流沉積型礦床[7-8];國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)該礦也進(jìn)行了研究,但研究程度相對(duì)較低,在成礦環(huán)境、成礦系列、礦質(zhì)來源和成礦作用演化和找礦預(yù)測(cè)等方面仍然留下不少疑難問題。筆者運(yùn)用地質(zhì)地球化學(xué)方法,尋找二里河鉛鋅礦床為噴流沉積型礦床的地質(zhì)地球化學(xué)證據(jù),力圖為該區(qū)指出具有一定價(jià)值的找礦方向。

1 礦床地質(zhì)特征

陜西鳳縣二里河屬于鳳太礦集區(qū),該區(qū)地處秦嶺造山帶泥盆系金-多金屬成礦帶中部,其大地構(gòu)造位置位于華北板塊與揚(yáng)子板塊的挾持部位。由于華力西期到印支期(特別是印支期)兩大板塊的強(qiáng)烈碰撞以及東部佛坪隆起和西部羅漢寺隆起的影響,秦嶺微板塊發(fā)生強(qiáng)烈的南北向?qū)_推覆造山作用,中生代又發(fā)生強(qiáng)烈的陸內(nèi)逆沖推覆和東西向的隆升作用,致使褶皺和斷裂十分發(fā)育,并形成在北東向基底隆起基礎(chǔ)上發(fā)育起來的北東向隆起帶和凹陷帶(盆地),奠定了區(qū)內(nèi)現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

礦區(qū)內(nèi)出露地層為中上泥盆統(tǒng),巖性為一套淺變質(zhì)的海相碳酸鹽巖-泥質(zhì)碎屑巖。其中礦體主要賦存于上泥盆統(tǒng)星紅鋪組(D3x)和中泥盆統(tǒng)古道嶺組上段(D2g2)間(圖1):D3x是礦區(qū)出露的主要地層,巖性為一套淺變質(zhì)泥砂質(zhì)細(xì)碎屑巖夾薄層灰?guī)r; D2g2與上覆上泥盆統(tǒng)星紅鋪組地層為整合接觸關(guān)系,巖性以結(jié)晶灰?guī)r為主,頂部常見生物碎屑灰?guī)r,局部有炭質(zhì)灰?guī)r、硅化灰?guī)r及微石英巖,其頂部為礦床的含礦層位。侵入巖為閃長(zhǎng)玢巖,在工作區(qū)局部以巖脈形式侵入礦體,侵入時(shí)期為二里河鉛鋅礦床成礦以后,對(duì)該礦床成礦沒有影響。

圖1 二里河鉛鋅礦床剖面Fig.1 Section Sketch Map of Erlihe Pb-Zn Deposit

礦區(qū)主要構(gòu)造為八方山—二里河背斜,縱貫全區(qū),其展布范圍即是礦床范圍。斷裂構(gòu)造可分為縱斷層和橫斷層?？v斷層走向大致與地層走向一致,不發(fā)育;橫斷層較發(fā)育,垂直背斜軸和地層,大體平行排列,并以300～400 m等間距分布,斷距不大,全屬逆斷層,是成礦之后的斷裂,多被閃長(zhǎng)玢巖脈充填,而未充填巖脈的橫斷層斷距較大,破壞了礦體的完整性和連續(xù)性。

二里河鉛鋅礦床具有典型的、完整的背斜控礦特征(圖1)。地表礦化帶圍繞背斜核部灰?guī)r呈不規(guī)則環(huán)狀,往東至二里河鉛鋅礦床,隨背斜的傾伏而潛伏于地下。目前探明的礦體主要分布在鞍部,礦體呈月牙狀。礦體全部賦存于礦化帶內(nèi),容礦巖石主要為微石英巖,其次為硅化灰?guī)r、硅化千枚巖等。礦體總體上與圍巖整合接觸,局部因張裂隙對(duì)礦質(zhì)的導(dǎo)入使礦體進(jìn)入近礦圍巖,從而使礦體在微觀上呈現(xiàn)出穿層構(gòu)造。

二里河鉛鋅礦床的主要控礦因素為:①背斜控礦:背斜是本區(qū)最主要也是最明顯的控礦因素,目前探明的礦體僅賦存于背斜鞍部,局部向兩翼稍有延伸;②微石英巖控礦:礦體全部賦存于微石英巖中,部分微石英巖已全部礦化成礦體;③層間接觸帶控礦:所有礦體均賦存于古道嶺組灰?guī)r與星紅鋪組千枚巖層間接觸帶中[7]。

綜合二里河鉛鋅礦床大地構(gòu)造特征、礦床地質(zhì)特征及控礦因素,筆者認(rèn)為多期(華力西期+印支期)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和幅度較大的裂陷發(fā)育史,為大量礦質(zhì)的噴流和聚集提供了十分有利的導(dǎo)礦和容礦構(gòu)造條件。因此,二里河鉛鋅礦床具有海底熱水噴流沉積礦床的一般地質(zhì)特征。

2 流體包裹體特征

樣品采自順層走向、與礦體相關(guān)的石英,分別采自海拔1 400、1 416、1 490 m中段。其與礦體的接觸關(guān)系如圖2,樣品由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)能源地質(zhì)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心完成,測(cè)試所用的儀器為L(zhǎng)inkam 600G型顯微冷熱臺(tái),測(cè)溫范圍為0℃～500℃,誤差約0.1℃。

37個(gè)石英流體包裹體特征(表1)顯示,微晶石英中包裹體直徑為5～8μm,數(shù)量較少,包裹體形態(tài)為氣液兩相包裹體,氣液體積比小于10%。二里河鉛鋅礦床流體包裹體均一溫度為215℃～333℃(圖2)。由順層分布的石英脈與礦體接觸特征可以推斷其為后期改造階段形成,包裹體溫度為改造溫度,因此可以推斷二里河鉛鋅礦床可能為中溫礦床。

圖2 二里河鉛鋅礦床微石英巖與閃鋅礦接觸關(guān)系Fig.2 Picture of Micro-quartzite and Sphalerite in Erlihe Pb-Zn Deposit

表1 陜西鳳縣二里河鉛鋅礦床流體包裹體測(cè)溫結(jié)果Tab.1 Temperature Analysis of Fluid Inclusion in Orebody of Erlihe Pb-Zn Deposit

此外,參考并對(duì)比賈潤(rùn)幸等對(duì)秦嶺鳳太成礦區(qū)金多金屬礦床成礦流體地球化學(xué)研究[9],筆者認(rèn)為二里河鉛鋅礦床具有與南秦嶺熱水沉積型鉛鋅礦床相同的特征,礦床形成與熱水沉積作用可能有直接聯(lián)系。

3 元素地球化學(xué)特征

3.1 樣品與測(cè)試

巖石和礦石樣品采自二里河鉛鋅礦床已經(jīng)開挖的坑道中,并按不同標(biāo)高段采集。點(diǎn)距在2～20 m之間,礦體及近礦地段采樣點(diǎn)密集,隨著采樣點(diǎn)與近礦距離增大,采樣點(diǎn)逐漸稀疏,點(diǎn)距變大。閃鋅礦與黃鐵礦激光剝蝕測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。其中,閃鋅礦、黃鐵礦樣品為單礦物樣品,樣號(hào)為B18、B24-2、B8、B10的樣品為棕褐色閃鋅礦,黃鐵礦采自千枚巖(B21-1-1)及礦體(B35-1-1、B35-1-2)中。測(cè)試采用Agilent 7500A電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析測(cè)定,樣品選擇晶形較好的單礦物直接進(jìn)行激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)測(cè)定元素含量,直接測(cè)定陽(yáng)離子含量,并假設(shè)較純單礦物僅有S2-一種陰離子團(tuán)及各種陽(yáng)離子組成,從而計(jì)算出硫的含量。測(cè)試過程通過BIR-1、GSE-1G、BCR-2、BHVO-2國(guó)際標(biāo)樣進(jìn)行監(jiān)控,標(biāo)樣測(cè)試結(jié)果表明,多數(shù)元素含量的測(cè)量精度優(yōu)于5%,部分過渡元素和重稀土元素的相對(duì)誤差為5%～10%。測(cè)試結(jié)果見表2、3。

圍巖(千枚巖、灰?guī)r)的稀土元素?cái)?shù)據(jù)在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,測(cè)試樣品20件,其中9件為灰?guī)r,11件千枚巖;測(cè)試采用Agilent 7500A電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析測(cè)定。根據(jù)AGV-2、BCR-2、BHVO-2和G-2標(biāo)準(zhǔn)樣品元素的測(cè)試值與推薦值的相對(duì)誤差均為5%～10%,證明數(shù)據(jù)是可靠的,分析結(jié)果見表4。

閃鋅礦中FeS質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系:當(dāng)FeS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.07%～1.52%時(shí),其溫度為200℃;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.63%～7.74%時(shí)為200℃～300℃;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.24%～15.90%時(shí)為400℃～500℃。二里河鉛鋅礦閃鋅礦中FeS質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于1.52%,多數(shù)為3%～6%,只有1個(gè)樣品大于7.74%(表2)。因此,可以推斷其形成溫度應(yīng)為300℃左右,這一結(jié)果與前述石英流體包裹體均一溫度結(jié)果相一致。

表2 閃鋅礦成分T ab.2 Sphalerite Composition

此外,Garder等對(duì)加拿大塞爾溫盆Jason鉛鋅礦床研究表明,噴流口外帶的礦化溫度為135℃～335℃,平均為(246.1±29)℃(樣本為39個(gè)),二里河鉛鋅礦床成礦溫度與Jason鉛鋅礦床噴流口外帶的礦化溫度相似,這可能是在有蓋層的情況下,后期熱液活動(dòng)的結(jié)果,屬遠(yuǎn)離噴流口礦化[10]。

表3 閃鋅礦LA-ICP-MS測(cè)試結(jié)果分析Tab.3 LA-ICP-MS Analysis of Sphalerite

表4 黃鐵礦LA-ICP-MS測(cè)試結(jié)果分析Tab.4 LA-ICP-MS Analysis of Pyrite

3.2 標(biāo)型礦物微量元素地球化學(xué)特征

從表3可以看出,閃鋅礦表現(xiàn)出明顯富集Cd,貧Sb、As。參照方維萱對(duì)陜西鳳縣鉛硐山大型鉛鋅礦床礦物地球化學(xué)研究中對(duì)不同成因閃鋅礦的成因認(rèn)識(shí)[11],二里河閃鋅礦明顯富集Cd及貧揮發(fā)性元素特征表明,閃鋅礦形成有可能經(jīng)歷了后期改造作用。

由表4可以看出,產(chǎn)于千枚巖中的黃鐵礦(B21-1-1)元素特征表現(xiàn)為:在圍巖中,由正常同生沉積作用形成的黃鐵礦中Co、Ni、As、Sb、Se含量高,富Cu、Pb、Zn,而-w(S)<50%,w(Co)/w(Ni)為0.49,而w(S)/w(Se)低,僅為549.79。根據(jù)這些特征,推測(cè)該區(qū)圍巖很可能經(jīng)受了成礦過程中的熱變質(zhì)作用。

產(chǎn)于礦床中的黃鐵礦(B35-1-1、B35-1-2)元素特征表現(xiàn)為:Ag、Cd含量較高,與前述閃鋅礦的特點(diǎn)類似。w(S)/w(Se)為23 442.48～250 284.36, w(Co)/w(Ni)為3.47～104.10,這表明礦床可能經(jīng)受了熱液作用。

此外,黃鐵礦w(Fe)/(w(S)+w(As))非化學(xué)計(jì)量具有標(biāo)型意義,趙珊茸則認(rèn)為:若-w(Fe)/ (w(S)+w(As))值明顯大于0.5,指示其屬淺部形成,而當(dāng)-w(Fe)/(w(S)+w(As))小于或略大于0.5時(shí),則反映其是深部產(chǎn)物[12]。表4表明,該礦床黃鐵礦中w(Fe)/(w(S)+w(As))為0.87～1.52,這表明黃鐵礦為淺部產(chǎn)物,同時(shí)也說明二里河鉛鋅礦床為淺層礦床。

3.3 圍巖稀土元素地球化學(xué)特征

(1)中泥盆統(tǒng)古道嶺組以塊狀灰?guī)r為主。其中, w(ΣREE)為(11.96～156.41)×10-6,平均90.73× 10-6;δEu為-0.41～0.93,平均為-0.68;δCe為0.84～0.98(樣品130-8的δCe為0.84,為礦床近礦圍巖),平均為0.928。以上顯示出較強(qiáng)的負(fù)-Eu異常與弱的負(fù)Ce異常,w(La)N/w(Yb)N為9.30～30.56,平均為13.73,w(La)N/w(Sm)N為3.69～5.25,表明灰?guī)r富集輕稀土,示蹤其原巖為陸殼碎屑。而上泥盆統(tǒng)星紅鋪組,以千枚巖為主,w(ΣREE)為(386.30～833.68)×10-6,平均-604.95×10-6。δEu為0.59～0.74,此外,δCe為0.95～1.05,平均為1.003,以上顯示出較強(qiáng)的負(fù)-Eu異常與弱的負(fù)Ce異常。w(La)N/w(Yb)N為10.27～17.47,平均14.57,w(La)N/w(Sm)N為3.53～4.19,表明千枚巖富集輕稀土,示蹤其原巖為陸殼碎屑(富黏土礦物)(表5、6)。

表5 陜西鳳縣二里河鉛鋅礦床圍巖稀土元素含量Tab.5 REE Content of Orebody Wall Rock of Erlihe Pb-Zn Deposit

表6 陜西鳳縣二里河鉛鋅礦床圍巖稀土元素特征參數(shù)Tab.6 REE Analysis of Orebody Wall Rock of Erlihe Pb-Zn Deposit

(2)二里河鉛鋅礦床圍巖稀土元素配分模式曲線顯示,D2g灰?guī)r和D3x千枚巖表現(xiàn)出稀土元素的地球化學(xué)特征大體相似,富集輕稀土,向右傾斜明顯,w(ΣREE)較高,虧損Eu、Ce,但可見Ce的正異常,w(ΣLREE)/w(ΣHREE)較大,這些特征顯示二里河鉛鋅礦床圍巖為正常海水沉積環(huán)境(圖3)。

(3)根據(jù)-Wright等定義,當(dāng)log(δCe)<-0.1表示氧化環(huán)境,當(dāng)log(δCe)>-0.1表示還原環(huán)境[13]。二里河鉛鋅礦床圍巖樣品的-log(δCe)為-0.04～0.04,表明當(dāng)時(shí)二里河鉛鋅礦圍巖的沉積成巖環(huán)境為較強(qiáng)的海水還原環(huán)境。

3.4 閃鋅礦稀土元素地球化學(xué)特征

據(jù)李厚民等對(duì)二里河鉛鋅礦床的礦物稀土元素特征研究指出,二里河鉛鋅礦床閃鋅礦稀土元素配分曲線為輕稀土元素稍富集的右傾型,Eu異常變化大、規(guī)律性不強(qiáng),要么-Eu異常不明顯,要么具有負(fù)Eu異常,只有極個(gè)別閃鋅礦具有明顯-Eu正異常[8]。韓發(fā)等指出噴流沉積型礦床中各類化學(xué)沉積物中,遠(yuǎn)源金屬沉積物顯著虧損Eu、Ce[2]。綜上所述,二里河鉛鋅礦床稀土元素特征與噴流沉積型礦床遠(yuǎn)源礦化礦床稀土元素特征相類似,都表現(xiàn)出虧損Eu、Ce等稀土元素的特征。

圖3 二里河鉛鋅礦床圍巖稀土元素配分模式曲線Fig.3 REE Partition Coefficient in Wall Rock of Erlihe Pb-Zn Deposit

4 礦床同位素地球化學(xué)特征

李強(qiáng)等研究八方山—二里河鉛鋅礦床同位素地球化學(xué)特征認(rèn)為,二里河鉛鋅礦硅質(zhì)巖的δ30Si變化為(-0.5～0.6)×10-3,并得出硅質(zhì)巖在成因上屬熱水來源SiO2經(jīng)化學(xué)沉積作用形成[14]。δ34S平均值為8.4×10-3,且礦石與含礦圍巖中同一種硫化物的δ34S有明顯差異,反映了礦石中硫來源更廣,一部分為硫酸鹽海水的還原硫,另一部分則是地殼深部的硫。碳酸鹽白云石δ13C為(0.04～0.79)× 10-3,平均為0.28×10-3;δ18O為(17.17～18.95)× 10-3,平均為18.06×10-3。以上特征表明二里河鉛鋅礦床具有熱水沉積特征。

5 結(jié)語

(1)多期(華力西期+印支期)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和幅度較大的裂陷發(fā)育史,為大量礦質(zhì)的噴流和聚集提供了十分有利的導(dǎo)礦和容礦構(gòu)造條件,因此,二里河鉛鋅礦床具有海底噴流沉積礦床的一般地質(zhì)特征。

(2)流體包裹體特征與S、O、C同位素特征及閃鋅礦、黃鐵礦微量元素特征表明二里河鉛鋅礦床具有海底熱水沉積特征。黃鐵礦的w(Fe)/(w(S)+ w(As))指示該礦為淺層礦床。

(3)石英流體包裹體均一溫度及閃鋅礦成分指示的溫度特征表明,該礦為中溫礦床。

(4)閃鋅礦及圍巖稀土元素表現(xiàn)顯著虧損-Eu與Ce等稀土元素特征和流體包裹體特征,一致說明二里河鉛鋅礦床具有遠(yuǎn)源礦化熱水沉積特征,而圍巖表現(xiàn)出相對(duì)還原的缺氧海水沉積環(huán)境特征,也進(jìn)一步證明了二里河鉛鋅礦床的成礦物質(zhì)很可能是離噴流口較遠(yuǎn)且經(jīng)歷了后期地質(zhì)作用改造的結(jié)果。

(5)綜上所述,推論二里河鉛鋅礦床為相對(duì)遠(yuǎn)離噴流口的噴流沉積型淺層中溫層狀礦床。鑒于噴流沉積型層狀礦體分布于遠(yuǎn)離噴口的外側(cè),屬于遠(yuǎn)端沉積的產(chǎn)物,而非層狀礦體則分布于代表噴口系統(tǒng)網(wǎng)脈狀蝕變帶的上方附近,因此,在尋找二里河鉛鋅礦床噴流口的同時(shí),可以試著尋找非層狀礦體。

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