湖南黃沙坪多金屬礦床閃鋅礦對(duì)Cu-Pb-Zn和W-Mo-Pb-Zn成礦系統(tǒng)環(huán)境的指示

王俊霖，鄧安平，張 宇，邵擁軍，李宏斌

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.湖南有色金屬有限公司 黃沙坪礦業(yè)分公司，湖南 郴州 424400)

0 引言

閃鋅礦作為一種重要的礦石礦物，廣泛分布于各類鉛鋅礦床之中；由于其特殊的晶型結(jié)構(gòu)，易被過渡型元素類質(zhì)同象替換，因而其微量元素含量及其組合?？勺鳛闃?biāo)型特征，用于提供形成時(shí)期的環(huán)境信息(溫度、硫逸度、壓力等)。閃鋅礦中FeS的含量、Zn/Fe、Zn/Cd與Ga/Ge比值?？捎糜诠浪愠傻V時(shí)期的溫度[1-4]。前人研究還表明，在一定溫度范圍內(nèi)(450℃～600℃)閃鋅礦中的FeS含量主要取決于壓力，因此當(dāng)閃鋅礦與磁黃鐵礦+黃鐵礦共生時(shí)，可作為一種有效的地質(zhì)壓力計(jì)[5-7]。閃鋅礦中微量元素標(biāo)型特征除了可以提供形成時(shí)期的環(huán)境信息外，還可以用來指示礦床成因。閃鋅礦中Ga/In比值常可用于區(qū)分熱液型礦床、接觸交代型礦床和火山巖型礦床[8]；Zn/Cd與Ge/In比值?？捎糜趨^(qū)分熱液型礦床和層控型礦床[9-10]。

黃沙坪鉛鋅多金屬礦床位于我國湖南省桂陽縣南側(cè)(112°40′42″E，25°39′31″N)，是我國重要的鉛、鋅、鎢、鉬等多種金屬產(chǎn)地，其以發(fā)育與晚中生代花崗巖相關(guān)的Cu-Pb-Zn和W-Mo-Pb-Zn兩套矽卡巖成礦系統(tǒng)為特征。自20世紀(jì)80年代以來，眾多學(xué)者對(duì)黃沙坪礦床開展了大量科學(xué)研究，取得了斐然的成果，如成礦地質(zhì)背景及構(gòu)造特征[11-12]、礦物組合及標(biāo)型特征[13-15]、同位素地球化學(xué)[16-17]、流體包裹體及礦床成因等[18-19]。然而對(duì)于兩套成礦系統(tǒng)的成礦系統(tǒng)的差異性原因仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

本次研究在總結(jié)前人已有的研究資料和文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域成礦背景及礦床地質(zhì)特征，利用該礦床中兩套成礦系統(tǒng)中閃鋅礦電子探針原位主量元素分析，討論產(chǎn)于304號(hào)接觸帶的Cu-Pb-Zn礦化與產(chǎn)于301號(hào)接觸帶的W-Mo-Pb-Zn礦化的成礦環(huán)境的差異性，對(duì)黃沙坪疊加成礦作用提供一定的理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

黃沙坪礦區(qū)位于我國南嶺構(gòu)造帶中段北緣，騎田嶺—千里山多金屬礦集區(qū)西側(cè)，系南嶺成礦帶與欽杭成礦帶疊加區(qū)的一個(gè)重要的組成單元[11，20-22]。本區(qū)出露地層主要為上古生界上泥盆統(tǒng)及下石炭統(tǒng)(圖1b)。區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，先后經(jīng)歷加里東、印支和燕山等多期次構(gòu)造活動(dòng)疊加改造，發(fā)育大量的褶皺和斷裂，形成了以NE—NNE向?yàn)橹鳌N向、SE向和NW向?yàn)檩o的構(gòu)造形跡(圖1b、1c)。區(qū)域內(nèi)巖漿巖分布范圍廣，花崗巖類是本區(qū)巖漿巖的主體，具有多階段、多期次、多旋回的特征，超基性—基性巖少見[23]。

圖1 黃沙坪鉛鋅多金屬礦區(qū)地質(zhì)簡圖(a、b)及16線剖面簡圖(c)(據(jù)文獻(xiàn)[17]修改)

1—三疊系—新近系 2—下石炭統(tǒng)梓門橋租 3—下石炭統(tǒng)測(cè)水組 4—下石炭統(tǒng)石磴子組 5—下石炭統(tǒng)孟公坳組 6—上泥盆統(tǒng)錫礦山組上段 7—上泥盆統(tǒng)錫礦山組下段 8—上泥盆統(tǒng)佘田橋組 9—震旦系—寒武系 10—侏羅紀(jì)花崗閃長巖 11—石英斑巖 12—英安斑巖 13—矽卡巖 14—倒轉(zhuǎn)背斜 15—斷層 16—逆斷層 17—正斷層 18—地質(zhì)界線 19—礦脈編號(hào) 20—鉛鋅礦體

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

黃沙坪礦區(qū)出露地層由老至新依次為泥盆系佘田橋組、錫礦山組，下石炭統(tǒng)孟公坳組、上石磴子組、測(cè)水組和梓門橋組；其中鉛鋅礦主要賦存于下石炭統(tǒng)石磴子組灰?guī)r和測(cè)水組砂頁巖之中[24]。該礦區(qū)發(fā)育近NS向和近EW向的兩組逆沖斷層和一系列復(fù)式褶皺。F1斷層、F2斷層、F3斷層(礦區(qū)內(nèi)主要的控礦斷裂帶)與向西倒轉(zhuǎn)的觀音打坐—寶嶺復(fù)式背斜、上銀山背、向斜一起構(gòu)成近NS向的構(gòu)造線；F0斷層、F6斷層、F11斷層等構(gòu)成該礦床近EW向構(gòu)造線，它們將礦區(qū)分割成“井”字型，嚴(yán)格控制著巖漿巖的侵位以及成礦熱液的運(yùn)移與沉淀，為成礦提供了有利的封閉環(huán)境[22，25-26]。黃沙坪礦區(qū)的巖漿作用發(fā)育強(qiáng)烈，但總的來說，侵位深度不大，產(chǎn)出范圍較小。巖漿巖主要包括花崗斑巖、石英斑巖、花斑巖(英安斑巖)和正長斑巖四種類型。正長斑巖和花崗斑巖是隱伏巖體，花斑巖(英安斑巖)和石英斑巖是出露巖體[27]。

2.2 礦體地質(zhì)特征

黃沙坪礦床中礦體與矽卡巖的空間上分布關(guān)系十分密切。矽卡巖在地表僅少量出露，但在深部規(guī)模較大(圖1c)。礦區(qū)內(nèi)礦體類型和數(shù)目較多，可根據(jù)其分布特征可將其劃分為301(W-Mo-Pb-Zn)和304(Cu-Pb-Zn)兩個(gè)成礦系統(tǒng)。兩矽卡巖成礦系統(tǒng)分別位于F1逆沖斷層的上、下盤，其中301矽卡巖成礦系統(tǒng)處于F2逆斷層下盤，304矽卡巖成礦系統(tǒng)處于上銀山背斜西翼。目前已圈定的鉛鋅礦體多達(dá)500余個(gè)，礦區(qū)南部鎢鉬礦體8個(gè)，其中位于礦區(qū)南部301花崗斑巖體接觸帶的W216礦體群，屬于超大矽卡巖型W-Mo多金屬礦體。

2.2.1 礦體特征

黃沙坪礦區(qū)礦體沿走向長800～1000 m，寬60～400 m，礦體厚度不均，薄處約數(shù)十米，最厚處可達(dá)336 m。礦體總體傾向SE，傾角20°～70°，呈月牙狀、似層狀、透鏡狀等不規(guī)則狀產(chǎn)出，礦體形態(tài)與矽卡巖基本一致，且分枝、復(fù)合、膨縮等現(xiàn)象較為常見。

2.2.2 礦石成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造

304號(hào)石英斑巖接觸帶礦體：304矽卡巖成礦系統(tǒng)(圖2a)在-176中段石門6-4號(hào)采樣點(diǎn)東側(cè)附近可見明顯礦化出露，在石英斑巖與圍巖接觸處可見黃鐵礦-方鉛礦礦石、黃銅礦-方鉛礦-閃鋅礦礦石發(fā)育，礦石呈致密塊狀構(gòu)造，黃鐵礦見明顯氧化特征，閃鋅礦部分被黃銅礦、黃鐵礦等交代。-176中段534礦體附近亦可見304矽卡巖成礦系統(tǒng)礦化出露，發(fā)育有塊狀黃鐵礦-方鉛礦礦石(圖2b)。

301號(hào)花崗斑巖接觸帶礦體：301矽卡巖成礦系統(tǒng)(圖2d)在-176中段石門9號(hào)采樣點(diǎn)附近多金屬礦化現(xiàn)象明顯，廣泛出露輝鉬礦-白鎢礦礦石、黃銅礦-閃鋅礦-方鉛礦礦石等。其中白鎢礦多以團(tuán)塊狀出露，局部見細(xì)脈狀；脈石礦物以團(tuán)塊狀螢石為代表，局部伴生延伸較長、寬度較大的方解石脈。此外礦區(qū)-176中段石門9-16號(hào)采樣點(diǎn)附近，在花崗斑巖與圍巖接觸帶處見301矽卡巖成礦系統(tǒng)的黃鐵礦-方鉛礦-閃鋅礦礦石顯著發(fā)育。-96中段石門13號(hào)采樣點(diǎn)向南可見301矽卡巖成礦系統(tǒng)礦化呈逐漸發(fā)育的特征，由北向南逐漸出露大理巖、石榴石矽卡巖、脈狀鉛鋅礦體，含磁鐵礦的石榴石矽卡巖、層紋狀磁鐵礦礦石等。

3 礦床類型及成礦階段劃分

3.1 礦床類型劃分

根據(jù)礦物組合特征及空間分布位置，可將黃沙坪鉛鋅多金屬礦床成礦系統(tǒng)分為以下兩類，分別為產(chǎn)于304號(hào)石英斑巖接觸帶的黃銅礦-黃鐵礦-閃鋅礦-方鉛礦礦體和產(chǎn)于301號(hào)花崗斑巖接觸帶的白鎢礦-輝鉬礦-黃銅礦-方鉛礦-閃鋅礦礦體。黃沙坪礦床蝕變發(fā)育，蝕變種類眾多、蝕變強(qiáng)度大且分布廣泛。以巖體為中心，向外依次呈現(xiàn)出矽卡巖化巖體-矽卡巖-矽卡巖化大理巖-大理巖化灰?guī)r-灰?guī)r分帶的規(guī)律(圖2)。

圖2 黃沙坪礦床礦石特征

(a)304石英斑巖相關(guān)的Cu-Pb-Zn礦體 (b)黃銅礦-方鉛礦-閃鋅礦礦石 (c)Cu-Pb-Zn礦體中閃鋅礦較干凈，與黃銅礦-黃鐵礦共生，局部見黃銅礦-閃鋅礦固溶體結(jié)構(gòu)(-) (d)301花崗斑巖相關(guān)的W-Mo-Pb-Zn 礦體 (e)白鎢礦-閃鋅礦-方鉛礦礦石 (f)W-Mo-Pb-Zn 礦體中的閃鋅礦與方解石共生(-)

3.2 成礦階段劃分

依據(jù)矽卡巖的產(chǎn)出狀態(tài)、礦物共生組合、巖相學(xué)特征及前人研究的文獻(xiàn)資料，將黃沙坪礦床的成礦過程劃分為兩個(gè)成礦期，即矽卡巖期和石英-硫化物期；四個(gè)成礦階段，即早期矽卡巖階段、晚期矽卡巖階段、早期硫化物階段和晚期硫化物階段(表1)。

表1 黃沙坪礦床成礦期次及礦物生成表(據(jù)文獻(xiàn)[27]修改)

Table 1 Metallogenic stage and mineral generation sequences of Huangshaping deposit

4 采樣及測(cè)試分析方法

根據(jù)不同巖體接觸帶產(chǎn)出的礦體，筆者等將黃沙坪礦化劃分為與花崗斑巖有關(guān)的W-Mo-Pb-Zn矽卡巖型礦化(301礦體)和與石英斑巖有關(guān)的Cu-Pb-Zn矽卡巖型礦化(304礦體)。本次論文選取的3個(gè)閃鋅礦樣品分別來自上述兩種礦化地帶(圖3)，其中Cu-Pb-Zn礦體2件樣品，W-Mo-Pb-Zn礦體1件樣品，此文未涉及疊加部位。

在顯微鏡觀察的基礎(chǔ)上，選取樣品中顆粒粗大、與黃鐵礦和黃銅礦共生的、內(nèi)部干凈的閃鋅礦顆粒進(jìn)行測(cè)試分析。元素分析由中南大學(xué)有色金屬成礦與環(huán)境監(jiān)測(cè)(教育部)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，采用島津(Shimadzu)1720型號(hào)電子探針分析儀(Electron Microprobe，EPMA)測(cè)定，元素X射線分析分別采用Zn Kα、Fe Kα、Mn Kα、Cd Lα、Cu Kα、In Lα、S Kα矯正；分析束斑為1 μm，檢測(cè)限為wB=0.01%，測(cè)試結(jié)果采用ZAF校正。

從測(cè)試結(jié)果來看，閃鋅礦中Fe元素含量較高，其最低w(Fe)=12.05%，最高w(Fe)=19.12%，平均w(Fe)=15.50%；其中301礦體中Fe元素含量明顯更高。Cd元素含量較低，其含量最低w(Cd)=0.02%，最高w(Cd)=0.171%，平均w(Cd)=0.11%；Mn元素含量最低w(Mn)=0.02%，最高w(Mn)=0.43%，平均w(Mn)=0.20%。In元素含量最低w(In)

5 討論

5.1 元素相關(guān)性

元素間的類質(zhì)同象替換是礦物中微量元素賦存的一種普遍機(jī)制，閃鋅礦作為一種自然界廣泛分布的金屬礦物，是Cd、In、Mn等微量元素的主要載體礦物。黃沙坪鉛鋅礦床中Fe與Zn呈較明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)(r=-0.93)，說明黃沙坪鉛鋅礦床之中存在Zn-Fe類質(zhì)同象替換。從Fe元素含量來看，其w(Fe)>8%，且閃鋅礦的顏色也較深(圖2c)，屬于鐵閃鋅礦。

圖3 黃沙坪礦床-96 m中段平面示意圖及閃鋅礦采樣位置

圖4 Fe-Zn相關(guān)性圖Fig.4 Fe-Zn correlation diagram of sphalerite in two different orebodies

5.2 溫度

前人研究的文獻(xiàn)資料及數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，閃鋅礦中微量元素的含量與成礦溫度有直接的關(guān)系。高溫條件下形成的閃鋅礦以富集Fe、Mn、In等元素，相對(duì)貧Cd、Ga、Ge、Ag元素為特征[28-30]。由表2可見，黃沙坪鉛鋅礦床閃鋅礦中w(Fe)為12.05%～19.12%，平均15.50%(n=41)；w(Mn)為0.02%～0.43%，平均0.20%(n=35)；w(In)

余瓊?cè)A[2](1985)認(rèn)為，閃鋅礦中Zn/Fe比值大于10，指示礦床為中低溫，反之為中高溫。本文中Zn/Fe平均值為3.15(n=41)，指示礦床為中高溫成礦。本文中Zn/Cd平均值為552.83(n=41)與劉英俊[3](1984)測(cè)得高溫閃鋅礦Zn/Cd比值(>500)相符，亦說明礦床為中高溫成礦。

盧煥章[1](1975)指出，當(dāng)閃鋅礦與黃鐵礦共生的情況下，可以用進(jìn)入閃鋅礦晶格中的FeS量作為指標(biāo)估算成礦時(shí)期溫度。本文利用電子探針測(cè)得閃鋅礦中Fe元素含量進(jìn)行投圖，發(fā)現(xiàn)其成礦溫度大致在252℃～261℃區(qū)間，這與前人包裹體測(cè)溫得出溫度區(qū)間258℃～283℃近似，也再次證明黃沙坪礦床為中高溫成礦，并且筆者還發(fā)現(xiàn)304礦體與301礦體成礦溫度存在一定的差異(圖5)。

圖5 閃鋅礦FeS量與溫度關(guān)系圖(據(jù)文獻(xiàn)[1]修改)Fig.5 The FeS-temperature correlation diagram of sphalerite (modified from reference [1])

5.3 硫逸度

Scott[6]在1971年通過實(shí)驗(yàn)證明，閃鋅礦中FeS含量與其形成時(shí)期的溫度有著一定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)黃沙坪閃鋅礦中FeS含量和熱力學(xué)數(shù)據(jù)[32]估算了304礦體與301礦體的閃鋅礦成礦溫度與硫逸度關(guān)系，利用Skinner and Barton[33]做出的Zn-Fe-S體系logfS2- 1000/T圖解(圖6)進(jìn)行投圖，發(fā)現(xiàn)黃沙坪鉛鋅多金屬鉛鋅礦床中304礦體與301礦體的閃鋅礦都集中在黃鐵礦與磁黃鐵礦共生區(qū)域，這與野外現(xiàn)象與光薄片顯微鏡下觀察的結(jié)果符合，并且自304礦體到301礦體的硫逸度有下降的趨勢(shì)。

表2 閃鋅礦電子探針元素含量測(cè)試數(shù)據(jù)

注：“—”表示低于檢測(cè)限。

圖6 黃沙坪閃鋅礦硫逸度-溫度圖解

注：灰色區(qū)域代表流體演化過程中可能出現(xiàn)的金屬礦物及其組合，粗實(shí)線表示共生礦物相平衡線，細(xì)實(shí)線表示3個(gè)成礦階段的logfS2- 1000/T范圍，T為開爾文溫度。301與304礦體閃鋅礦成礦溫度范圍依據(jù)前文閃鋅礦FeS摩爾分?jǐn)?shù)投圖所得。

Po—磁黃鐵礦 Py—黃鐵礦 Cp—黃銅礦 Cv—銅藍(lán) Dg—藍(lán)輝銅礦 Bn—輝銻礦 asp—毒砂 lo—斜方砷鐵礦INTERMEDIATE—中等硫逸度 LOW—低硫逸度

前人研究顯示，在中等硫逸度條件下，隨著溫度逐步降低，巖漿熱液在巖漿遠(yuǎn)端區(qū)域依次有Cu、Cu-Zn、Pb-Zn-Ag、Au演化趨勢(shì)；在低等硫逸度控制下，則變成W-Mo、Pb-Zn、Au的演化趨勢(shì)。本文依據(jù)Einaudi et al.[34]提出的演化模式圖解，利用前文電子探針測(cè)得閃鋅礦Fe含量(表2)，計(jì)算得到的硫逸度-溫度數(shù)據(jù)和閃鋅礦中FeS摩爾含量投圖所得礦體溫度(圖5)進(jìn)行投圖(圖6)。結(jié)果顯示：兩類礦化帶的曲線都落在中—低硫逸度的范圍內(nèi)，閃鋅礦中Fe的摩爾分?jǐn)?shù)范圍在10.23%～16.05%之間。304礦體落在中低等硫逸度演化模式的Pb-Zn-Ag階段，301礦體落在更靠近低等硫逸度演化模式的W-Pb-Zn階段，這表明，304礦體與301礦體在形成溫度與硫逸度上具有一定差異性，并且這種成礦環(huán)境的變化對(duì)不同礦化類型可能具有一定的指示意義。

6 結(jié)論

1)黃沙坪鉛鋅多金屬礦床較為富集Fe、Mn、In元素，貧Cd元素，存在明顯的Fe2+→Zn2+類質(zhì)同象替換模式。

2)依據(jù)閃鋅礦中微量元素含量及標(biāo)型特征判斷成礦溫度為中高溫環(huán)境(252℃～261℃)，且W-Mo-Pb-Zn礦化系統(tǒng)相較Cu-Pb-Zn礦化系統(tǒng)的成礦溫度更低，硫逸度更高。

3)結(jié)合礦物共生組合和礦體分布等因素綜合判斷，黃沙坪礦床存在著Cu-Pb-Zn與W-Mo-Pb-Zn疊加成礦作用，依據(jù)閃鋅礦地球化學(xué)特征，得出黃沙坪礦床兩套成礦系統(tǒng)成礦環(huán)境有差異，為討論疊加過程提供了思路。