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      內蒙狼山成礦帶東升廟多金屬硫化物礦床硫的來源及礦化過程*

      2015-03-15 11:24:28高兆富朱祥坤張衎羅照華包創(chuàng)唐超
      巖石學報 2015年12期
      關鍵詞:狼山東升硫酸鹽

      高兆富 朱祥坤 張衎 羅照華 包創(chuàng) 唐超

      GAO ZhaoFu1,2,ZHU XiangKun1**,ZHANG Kan1,LUO ZhaoHua2,BAO Chuang1,2 and TANG Chao1,2

      1. 中國地質科學院地質研究所,國土資源部同位素地質重點實驗室,大陸構造與動力學國家重點實驗室,北京 100037

      2. 中國地質大學地球科學與資源學院,北京 100083

      1. MLR Key Laboratory of Isotope Geology,State Key Laboratory of Continental Dynamics,Institute of Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China

      2. School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China

      2015-06-01 收稿,2015-09-08 改回.

      狼山造山帶位于華北板塊北緣西段,經歷了新太古代和古元古代結晶基底形成與變形、元古宙時期被動陸緣裂解(翟明國和卞愛國,2000;彭潤民等,2010)、海西期以來的擠壓造山(彭潤民等,2007b)等一系列構造演化過程。該造山帶記錄了西伯利亞板塊與華北板塊離散及匯聚的歷史,保存了古亞洲洋擴張、消亡以及華北古大陸邊緣增生和造山等重要信息,并賦存大量的鋅、鉛、銅、鐵、金等礦產資源,是中亞成礦域的重要組成部分(彭潤民和翟裕生,2004;彭潤民等,2007a)。元古宙時期形成了與被動陸緣裂解過程相關的銅鉛鋅硫化物礦床(圖1),而海西期以來擠壓造山過程中的巖漿熱液活動不但形成了少量斑巖型礦床,而且對早先形成的礦床產生了明顯的疊加改造作用(彭潤民等,2007b)。

      東升廟礦床是狼山成礦帶最大和最典型的鉛鋅多金屬硫化物礦床,其成因研究對于狼山成礦帶成礦機制的解析具有重要意義。目前該礦床硫的來源及成礦過程仍存在爭議。前人研究表明,東升廟礦床的硫既可能來自于古海水(或層間水)硫酸鹽的還原作用(王可南,1984;李兆龍等,1986;夏學惠和趙曉,1990;夏學惠,1992a),也可能有巖漿來源硫的參與(李兆龍等,1986;夏學惠和趙曉,1990)。另外,修世蔭(1987)和夏學惠(1992a)認為細菌還原作用是成礦過程中主要的硫酸鹽還原方式,而繆遠興和冉崇英(1992)認為非生物還原作用在硫酸鹽還原過程中占主導。

      硫化物的硫同位素特征很早就被認為可以用來指示硫源和成礦機制(Ohmoto and Rye,1979),但目前東升廟礦床的硫同位素研究缺乏系統(tǒng)分類。熱液礦床中圍巖與礦石中的硫化物通常具有重要的成因聯(lián)系,二者對比研究對礦床成因機制的限定有重要意義。本文對東升廟多金屬硫化物礦床礦石和圍巖中硫化物的硫同位素地球化學特征進行對比研究,從而探討東升廟礦床硫的來源和礦化過程。

      圖1 華北板塊北緣西段古環(huán)境示意圖(據(jù)涂光熾,2000)1-陸洋邊界;2-重要礦床;3-推測基底斷裂;4-主要地名Fig.1 A sketch map of paleogeography in the northwestern margin of the North China Craton (after Tu,2000)1-border lines between mainland and ocean;2-key deposits;3-speculated basement faults;4-main geographic names

      1 地質概況

      內蒙古狼山地區(qū)新元古代狼山群(彭潤民等,2010)覆蓋于太古宙烏拉山群變質雜巖之上,是一套淺變質的細碎屑巖-碳酸鹽巖地層,被認為是裂谷沉積序列(彭潤民等,2007a),并在后期造山過程中發(fā)生了一定程度的剪切變形(Zhong et al.,2015)。除了少量石炭紀-二疊紀的海相地層外,其它古生代沉積地層在狼山地區(qū)很少出露(圖2)。另外,大部分古老地層都被侏羅紀-第四紀的陸相沉積物所覆蓋(圖2)。晚古生代的黑云母花崗巖、花崗閃長巖以及各類中性侵入巖在本區(qū)大量出露(圖2),另外有少量元古宙、加里東期和燕山期的小型侵入巖體(彭潤民等,2007b)。

      狼山成礦帶鉛鋅硫化物礦床的賦礦地層是新元古代狼山群第二巖組(夏學惠和趙曉,1990;夏學惠,1992a,b;江曉慶,1994),相當于渣爾泰山群的“增隆昌組+ 阿古魯溝組”,含礦巖系原巖屬克拉通邊緣斷陷盆地濱淺海-海灣或瀉湖相的富含碳質、泥質的粉砂巖-碳酸鹽巖建造(彭潤民和翟裕生,2004;彭潤民等,2007a)。含礦巖系下部有一薄層含銅石英巖,中上部為一套白云石大理巖和絹云石墨片巖互層的類復理石建造(繆遠興和冉崇英,1992)。

      狼山-渣爾泰山裂陷槽呈近東西向展布于華北地臺北緣西段,總長約400km,寬30 ~50km,一般分為南、北兩帶,其中的三級斷陷盆地被認為是各個典型硫化物礦床產出的具體場所(圖1;彭潤民等,2000)。成礦帶內迄今已找到了產在新元古界狼山群中的東升廟、炭窯口等大型和超大型多金屬硫化物礦床以及與海西期以來造山過程中次火山活動和巖漿侵入作用有關的歐布拉格斑巖型銅金礦床等(彭潤民等,2007b)。

      東升廟礦床是產在狼山南帶的一個超大型的鉛鋅多金屬礦床,礦區(qū)層狀、角礫狀以及塊狀富硫化物礦石大量產出,硫鐵礦儲量在2 億噸以上,主要的工業(yè)用途是生產硫酸。黃鐵礦和磁黃鐵礦是硫礦石最主要的硫化物類型(圖3a-c)。硫化物礦石以變晶結構為主,另可見到交代結構、變余膠狀結構、變余斑狀結構等;礦石構造以塊狀礦石為主,另外常見條帶狀、紋層狀、角礫狀、浸染狀、網(wǎng)脈狀礦石,賦存于白云石大理巖及云母片巖等圍巖中。部分富硫化物礦石可見紋層狀黃鐵礦與摻雜圍巖碎屑的磁黃鐵礦互層(圖3c)。鉛鋅礦石以角礫狀構造和塊狀構造為主,成礦晚于熱液成因的黃鐵礦礦石(張志斌等,2010;高兆富等,2014;Zhong et al.,2015)。

      以絹云石墨片巖為主的黑色巖系是東升廟礦床最重要的賦礦圍巖,其中大量產出不規(guī)則狀的黃鐵礦(圖3d-f)。另外,東升廟礦床可見重晶石產出(圖3g),從顯微鏡照片可以看到黃鐵礦顆粒有典型的糙面現(xiàn)象,與重晶石緊密共生,重晶石板狀晶體,三組完全解理,夾角等于或近于90°(圖3h,i)。

      圖2 狼山地區(qū)地質圖(據(jù)彭潤民等,2007b)Fig.2 Geological map of the Langshan area (after Peng et al.,2007b)

      2 分析測試方法與結果

      本次研究分別選取硫化物礦石中的黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦及磁黃鐵礦單礦物樣品和絹云石墨片巖中的黃鐵礦單礦物樣品進行硫同位素分析測試,測試工作在中國地質科學院礦產資源研究所國土資源部同位素地質重點實驗室完成。實驗以Cu2O 做氧化劑制備SO2,并用冷凍法收集,然后用MAT253 氣體同位素質譜儀分析硫同位素組成。測量結果以V-CDT 為標準,實驗結果如表1 所示。

      東升廟礦床的硫化物均明顯富集硫的重同位素,其中絹云石墨片巖中黃鐵礦的δ34S 值在+19.4‰~+23.4‰之間,平均值為+ 21.0‰(n = 6);而礦石硫化物的δ34S 值在+28.3‰~+31.3‰之間,平均值為+29.8‰(n=9)。

      3 討論

      3.1 絹云石墨片巖中黃鐵礦硫的來源

      硫化物礦床中還原態(tài)硫的形成機制主要有三種:海水或者海水蒸發(fā)巖的熱化學還原作用(TSR)、細菌還原作用(BSR)以及含硫有機質的分解作用,其中后兩種一般會產生較大的硫同位素分餾效應(Emery and Robinson,1993)。硫酸鹽細菌還原反應主要發(fā)生在小于100℃的溫度條件下,所生成硫化物的硫同位素組成變化范圍極大,且常見硫的重同位素虧損(Ohmoto and Rye,1979)。而硫酸鹽熱化學還原反應一般發(fā)生于超過150℃的溫度條件下,形成的硫化物常富集硫的重同位素(Emery and Robinson,1993)。

      地質歷史時期海水的硫同位素值在+ 10.0‰ ~+35.0‰之間變化(Farquhar et al.,2010)。李兆龍(1986)通過對東升廟礦床的鉛同位素研究,認為礦化發(fā)生在780Ma;另外彭潤民等(2010)在狼山地區(qū)賦礦地層中識別出820Ma 的火山巖。研究表明,840 ~700Ma 期間海水硫酸鹽的δ34S 值基本穩(wěn)定在+17.5‰ ~+19.0‰之間(Gorjan et al.,2000)。另外,古地理研究認為狼山群的第二巖組相當于渣爾泰山群的“增隆昌組+阿古魯溝組”,它們形成時代相近,變質程度相同(彭潤民和翟裕生,2004)。通過對渣爾泰山群阿古魯溝組地層中石膏硫同位素的研究,Ding and Jiang(2000)推斷當時海水的δ34S 值在+21.4‰~+22.5‰之間。本次研究獲得的絹云石墨片巖中不規(guī)則狀黃鐵礦的δ34S 值在+19.4‰~+23.4‰之間,平均值為+21.0‰(n =6),與當時海水硫酸鹽的δ34S 值(Gorjan et al.,2000;Ding and Jiang,2000;Canfield,2004)十分相近。根據(jù)質量平衡原理可知,孔隙水(海水)中的硫酸鹽在被完全還原的情況下不發(fā)生硫同位素分餾,形成的黃鐵礦與海水硫酸鹽具有相似的硫同位素組成。因此推測,絹云石墨片巖中的不規(guī)則黃鐵礦是

      圖3 東升廟礦床硫化物手標本及顯微照片(a-c)富硫化物礦石;(d-f)絹云石墨片巖中的不規(guī)則狀黃鐵礦;(g)重晶石-黃鐵礦礦石;(h、i)重晶石與黃鐵礦反射光和單偏光鏡下照片F(xiàn)ig.3 Photographs showing the occurrences of sulfides in the Dongshengmiao deposit(a-c)S-rich ores;(d-f)irregularly shaped pyrites in mica schists;(g)barite-pyrite ores;(h,i)microscopic features of barite and pyrite with reflected light and plane polarized light respectively

      孔隙水(海水)硫酸鹽在被完全還原的情況下形成的。

      3.2 富硫化物礦石硫的來源及礦化過程

      金屬硫化物礦床中硫化物的硫同位素組成特征可用來指示硫的來源和礦床成礦機制(Ohmoto and Rye,1979)。不同于世界上一些典型鉛鋅礦床(如北美地區(qū)的Reddog 鉛鋅礦、澳大利亞的Century 鉛鋅礦等)具有相對較寬的硫同位素組成變化范圍(Farquhar et al.,2010),東升廟礦床的硫同位素組成變化范圍較窄且明顯富集硫的重同位素。本次獲得的硫化物δ34S 值和前人已發(fā)表的東升廟礦床硫化物的δ34S值具有相似的分布范圍(夏學惠和趙曉,1990;Ding and Jiang,2000),但通過對礦石和圍巖中的硫化物進行區(qū)分,發(fā)現(xiàn)兩者的硫同位素組成存在明顯差異:相比圍巖中的黃鐵礦(+ 19.4‰ ~ + 23.4‰),礦石中的硫化物(+ 28.3‰ ~+31.3‰)更加富集硫的重同位素(表1、圖4)。

      一般認為SEDEX 型礦床硫化物的硫的最終來源是海水硫酸鹽,但由于元古宙時期海水中的硫酸根離子含量較低(Farquhar et al.,2010;Leach et al.,2010),正常海水硫酸鹽經還原作用形成狼山成礦帶巨量硫化物的可能性不高。有學者認為東升廟礦床成礦環(huán)境屬于缺少正常海水硫酸鹽補給的局限或半局限盆地,成礦所需要的硫主要來自盆地海水硫酸鹽的細菌還原或非生物還原作用,快速沉淀使得硫同位素分餾效應降低(夏學惠和趙曉,1990)。然而這種解釋存在兩個問題:首先,若海水硫酸鹽的還原過程有大量硫酸鹽還原細菌參與,必然導致硫化物的硫同位素組成分布范圍大且相對富集硫的輕同位素,這與狼山地區(qū)硫化物明顯富集硫的重同位素特征不符;其次,東升廟礦床礦石硫化物的δ34S值明顯高于絹云石墨片巖中的黃鐵礦,指示兩者可能具有不同的硫的來源和礦化過程。

      表1 東升廟礦床硫化物的硫同位素組成(‰)Table 1 S isotope compositions of sulfides in the Dongshengmiao deposit (‰)

      圖4 東升廟礦床硫化物的硫同位素分布特征Fig.4 Distribution of S isotope compositions of sulfides in the Dongshengmiao deposit

      除直接的海水來源外,沉積巖系中早期沉淀的硫酸鹽(膏鹽層)也可能是硫化物礦床的重要硫源(Large et al.,2005;Leach et al.,2005,2010;Pirajno et al.,2015)。溶解膏鹽層中的硫酸鹽形成的高鹽度流體對成礦物質的萃取及運移都十分有利,世界上許多富集重硫的鉛鋅礦床的硫被認為來源于對膏鹽層的溶解(Large et al.,2005;Leach et al.,2010;Pirajno et al.,2015)。研究表明,現(xiàn)代富含鉛鋅的鹵水(Carpenter et al.,1974;Hanor,1996;Kharaka and Hanor,2007)呈弱酸、氧化態(tài),被認為是可以與大多數(shù)鉛鋅礦的成礦鹵水相類比(Large et al.,2005;Leach et al.,2010)。相比還原性熱液,氧化態(tài)的硫占主導的熱液流體可以攜帶更多的鉛、鋅等金屬(Cooke et al.,1998;Leach et al.,2010)。

      硫酸鹽還原作用是導致氧化態(tài)硫占主導的熱液流體中鉛、鋅等金屬發(fā)生沉淀的最重要的因素(Cooke et al.,2000),而且當溫度超過100℃時,硫酸鹽熱化學還原作用相對細菌還原作用更占優(yōu)勢(Jones et al.,1996;Large et al.,2005)。硫酸鹽熱化學還原反應生成的硫化物一般相對富集硫的重同位素(Jones et al.,1996),這與東升廟礦床明顯富集硫的重同位素的特征相符。目前狼山成礦帶中東升廟礦床、炭窯口礦床和甲升盤礦床都發(fā)現(xiàn)了與成礦關系密切的石膏、重晶石等硫酸鹽礦物(王可南,1984;Ding and Jiang,2000;彭潤民和翟裕生,2004),為硫酸鹽占主導的成礦流體的存在提供了間接證據(jù)。同時,狼山群地層中富含有機質的沉積巖可提供大量的還原劑。由此推斷,膏鹽層溶解形成的硫酸鹽占主導的熱液流體在遇到富含有機質的沉積巖時會發(fā)生熱化學還原反應,從而造成硫化物的卸載,形成硫化物礦床。這與澳大利亞北部一些產在富含有機質片巖中的鉛鋅礦體的成礦機制類似(Large et al.,2005)。

      4 結論

      東升廟礦床礦石與圍巖中的硫化物具有明顯的硫同位素組成差異,指示兩者有不同的硫的來源和礦化過程。圍巖中黃鐵礦的硫同位素分布范圍較窄,其δ34S 值與當時海水硫酸鹽十分相似,是孔隙水(海水)中的硫酸鹽在被完全還原的情況下形成的。富硫化物礦石同樣具有較窄的硫同位素分布范圍,但相比圍巖中的黃鐵礦更加富集硫的重同位素,指示了其與圍巖黃鐵礦可能具有不同的成因:蒸發(fā)巖地層溶解形成的氧化態(tài)硫占主導的熱液流體可萃取大量的鉛鋅等金屬,當其遇到狼山群富含有機質地層時會發(fā)生熱化學還原反應,從而造成硫化物卸載形成礦體。

      致謝 野外工作得到了內蒙古東升廟礦業(yè)有限責任公司總經理凌世彬及其他技術人員的大力幫助;硫同位素分析測試工作由中國地質科學院礦產與資源研究所王成玉和陶華完成;謹此致謝。

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