滇西金廠河矽卡巖礦床C-O同位素地球化學(xué)特征

楊建光，陳 偉，楊天云露

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，云南 大理 671000)

0 引言

滇西保山地塊是我國(guó)西南地區(qū)重要的Pb-Zn-Fe-Cu-Ag-Hg-Sn-Sb礦集區(qū)和鉛鋅礦產(chǎn)資源生產(chǎn)基地[1-2]。從北到南分布有以核桃坪、金廠河、西邑、東山、勐興、蘆子園等為代表的10余個(gè)大中型鉛鋅(鐵銅)多金屬礦床。近年來(lái)金廠河矽卡巖礦床勘查工作取得了重大突破，其Fe、Cu、Pb、Zn的儲(chǔ)量均已達(dá)到中大型規(guī)模[3]，但其研究工作仍相對(duì)滯后于同類(lèi)型的蘆子園和核桃坪礦床。相關(guān)研究主要對(duì)金廠河矽卡巖礦床的地質(zhì)特征、成礦年代學(xué)和成礦物質(zhì)來(lái)源等進(jìn)行了探討[1,3-6]，并初步認(rèn)為礦區(qū)深部可能存在與礦床成因密切相關(guān)的中酸性隱伏巖體；然而在成礦流體來(lái)源方面尚未開(kāi)展系統(tǒng)的研究工作，制約了人們對(duì)礦床成礦流體的來(lái)源、演化及成礦機(jī)制的全面認(rèn)識(shí)。C-O同位素研究不僅可以揭示成礦流體的性質(zhì)與來(lái)源，還可以為流體的演化(包括二氧化碳去氣作用、流體混合作用和水-巖相互作用等)提供重要信息[7]。因此，本文在詳細(xì)野外地質(zhì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)金廠河礦床不同階段的方解石開(kāi)展C-O同位素地球化學(xué)特征研究，以期為礦床成礦機(jī)制的深入研究提供流體來(lái)源約束。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

保山地塊位于青藏高原東南緣“三江”特提斯構(gòu)造域中南段(見(jiàn)圖1)，西部以怒江斷裂為界，東部與瀾滄江斷裂及昌寧-孟連縫合帶毗鄰，向北尖滅于怒江斷裂與瀾滄江斷裂的交會(huì)部位，向南呈楔形逃逸出境并成為滇緬泰馬(Sibumasu)地體的組成部分[8]。

圖1 保山地塊大地構(gòu)造位置[10](a)和保山地塊主要構(gòu)造、巖漿巖及礦床分布[8,10](b)

自晚古生代以來(lái)，該區(qū)經(jīng)歷了特提斯形成演化、印度板塊與歐亞大陸碰撞造山及青藏高原隆升等多個(gè)構(gòu)造體制的演化過(guò)程[9]。區(qū)內(nèi)地層主體為一套淺海-半深海相的碎屑巖、碳酸鹽巖沉積建造，發(fā)育近SN向的深大斷裂及NE向、NNW向的一系列次級(jí)斷裂。典型褶皺構(gòu)造為南部的永德-鎮(zhèn)康復(fù)背斜和北部保山-施甸復(fù)背斜，復(fù)式背斜與深大斷裂的交會(huì)部位是該區(qū)大中型熱液鉛鋅礦床的重要產(chǎn)出位置[2,8-9]。地塊內(nèi)巖漿活動(dòng)較頻繁，其中以志本山(126.7 ±1.6 Ma)和柯街(93±13 Ma)中酸性花崗巖[8]為代表的燕山晚期花崗巖漿活動(dòng)普遍被人們認(rèn)為與地塊內(nèi)金屬成礦作用密切相關(guān)[2,5,8,10]，但至今尚未有人報(bào)道區(qū)內(nèi)存在與已知礦床有直接成因聯(lián)系的巖體。

2 礦床地質(zhì)特征

金廠河矽卡巖礦床位于NNW向的木瓜樹(shù)-阿石寨斷裂與NNE向的木瓜樹(shù)-朱石箐斷裂交會(huì)處西部邊界(見(jiàn)圖2)。礦區(qū)主要出露寒武系、奧陶系、志留系和第四系地層，其中巖性為大理巖化灰?guī)r和矽卡巖的上寒武統(tǒng)核桃坪組地層是礦區(qū)的重要賦礦層位。礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以近SN向、NE向及NNW斷裂為主，其中F2和F10斷裂為該礦區(qū)重要的容礦及控礦構(gòu)造。褶皺構(gòu)造以金廠河背斜為代表，其核部核桃坪組地層因受構(gòu)造應(yīng)力作用形成的張性裂隙和層間破碎帶系該礦區(qū)有利的容礦構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育少量輝綠、輝長(zhǎng)巖脈和巖株。

圖2 金廠河礦床地質(zhì)略圖[4]

礦體主要呈層狀、似層狀、透鏡狀緩傾斜產(chǎn)于上寒武統(tǒng)核桃坪組中段大理巖化灰?guī)r和矽卡巖中。礦石礦物發(fā)育磁鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦和少量黃鐵礦、磁黃鐵礦；脈石礦物包括石榴子石、輝石、陽(yáng)起石、黑柱石、綠泥石、石英和方解石。礦石結(jié)構(gòu)以半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)為主[見(jiàn)圖3(d)-圖3(f)]，次為少量交代侵蝕結(jié)構(gòu)[見(jiàn)圖3(e)、圖3(f)]。礦石常見(jiàn)脈狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造[見(jiàn)圖3 (b)、圖3(d)]和塊狀構(gòu)造[見(jiàn)圖3(c)]。圍巖蝕變主要發(fā)育矽卡巖化、大理巖化、黃鐵礦化和硅化。

根據(jù)礦物共生組合特征及穿插關(guān)系，可將成礦作用劃分為矽卡巖階段、早硫化物階段、晚硫化物階段和石英碳酸鹽階段等4個(gè)主要階段：

a.矽卡巖階段主要形成了與礦體產(chǎn)出密切相關(guān)的矽卡巖和磁鐵礦。矽卡巖礦物發(fā)育石榴子石、輝石和陽(yáng)起石，含少量黑柱石；金屬礦物為磁鐵礦，呈浸染狀和致密塊狀產(chǎn)于矽卡巖蝕變帶下段構(gòu)成較大規(guī)模的磁鐵礦體，其裂隙常被后期石英脈充填交代[見(jiàn)圖3(a)]。

b.早硫化物階段主要形成黃銅礦、磁黃鐵礦、黃鐵礦等金屬礦物，脈石礦物主要是石英，發(fā)育少量方解石。礦石一般呈浸染狀、斑塊狀產(chǎn)出[見(jiàn)圖3(a)、圖3(b)]。

c.晚硫化物階段形成的金屬礦物主要為閃鋅礦和方鉛礦，次為黃鐵礦，脈石礦物為石英和方解石。閃鋅礦呈棕褐色-黑褐色，具有半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)[見(jiàn)圖3(c)、圖3(f)]。方鉛礦呈鉛灰色，具他形粒狀結(jié)構(gòu)[見(jiàn)圖3(f)]。常見(jiàn)方鉛礦與閃鋅礦呈稠密浸染狀產(chǎn)于石英脈或方解石團(tuán)塊中，偶見(jiàn)呈細(xì)脈狀充填于早階段石英裂隙中[見(jiàn)圖3(b)]。

d.石英碳酸鹽階段發(fā)育大量方解石和石英，二者均呈脈狀切穿交代早期矽卡巖或礦體，表現(xiàn)出成礦后期構(gòu)造特征[見(jiàn)圖3(c)]。

Ska-矽卡巖；Mag-磁鐵礦；Po-磁黃鐵礦；Py-黃鐵礦；

3 分析方法與結(jié)果

方解石是金廠河矽卡巖礦床重要的脈石礦物，本研究采集了不同勘探線、不同中段與鉛鋅礦緊密共生且具有代表性的方解石樣品10件。先將樣品碎至40～60目，用蒸餾水清洗，經(jīng)烘箱烘干后將單礦物置于雙目鏡下挑選至純度高于99%，再次將挑純的單礦物用蒸餾水洗凈，烘干后用瑪瑙研缽研磨至200目。樣品測(cè)試工作在昆明理工大學(xué)穩(wěn)定同位素分析實(shí)驗(yàn)室完成，分析采用100%磷酸法，在25 ℃下使樣品與磷酸發(fā)生反應(yīng)4 h以上，將反應(yīng)釋放出來(lái)的CO2在Isoprime100型氣相同位素質(zhì)譜儀上進(jìn)行C、O同位素組成測(cè)定。分析結(jié)果13C以V-PDB為標(biāo)準(zhǔn)，18O以V-SMOW為標(biāo)準(zhǔn)，分析精度為±0.2‰。計(jì)算18OV-SMOW時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)平衡分餾方程[11]：18OV-SMOW= 1.030 86×18OV-PDB+30.86。

金廠河矽卡巖礦床不同階段方解石的C-O同位素分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，早硫化物階段方解石的13CV-PDB為-5.46‰～-2.92‰，均值為-4.49‰；18OV-SMOW為6.02‰～7.24‰，均值為6.83‰。晚硫化物階段方解石的13CV-PDB為-12.40‰～-9.37‰，均值為-10.90‰；18OV-SMOW為8.37‰～9.01‰，均值為8.79‰；石英碳酸鹽階段方解石的13CV-PDB為-5.04‰～0.19‰，均值為-3.30‰；18OV-SMOW為10.44‰～14.89‰，均值為11.80‰。上述結(jié)果表明，該礦床整體上具有較低的碳氧同位素組成，晚階段的13CV-PDB和18OV-SMOW相對(duì)早階段有所升高。

表1 金廠河矽卡巖礦床方解石C-O同位素組成

4 成礦機(jī)制分析

4.1 成礦流體來(lái)源及演化

研究方解石的C-O同位素組成特征已成為示蹤成礦流體來(lái)源及演化的重要手段[7,12]。已有研究表明，成礦熱液系統(tǒng)中碳的來(lái)源主要有3種：①海相碳酸鹽巖，其13CV-PDB為0±4‰，18OV-SMOW為20‰～30‰[13]；②深部源或巖漿源，其13CV-PDB分別為-5‰～-2‰和-9‰～-3‰[14]，18OV-SMOW一般為6‰～9‰，經(jīng)重熔改造過(guò)的巖漿流體略高，為7‰～13‰[15]；③各類(lèi)巖石中的有機(jī)碳(還原碳)，因其富集12C，故一般具有較低的碳同位素組成，其13CV-PDB為-30‰～-15‰，平均為-22‰[16]。劉家軍等[17]在13CV-PDB-18OV-SMOW圖解中用箭頭指出了3種主要碳源經(jīng)歷不同地質(zhì)作用時(shí)所產(chǎn)生CO2的方式及其同位素組成的變化趨勢(shì)。

由表1可知：金廠河礦床不同階段方解石的C-O同位素組成有所差異，但總體虧損13C和18O，顯示成礦流體的來(lái)源具有同源性；其13CV-PDB為-12.4‰～0.19‰，均值為-5.94‰；18OV-SMOW為6.02‰～14.89‰，均值為9.41‰，與上述深部源或巖漿源熱液流體的C-O同位素組成特征較為一致，而明顯區(qū)別于海相碳酸鹽巖和沉積有機(jī)物來(lái)源的C-O同位素組成，表明金廠河礦床初始成礦流體中的C主要源自深部巖漿熱液。在不同成礦作用階段，方解石的C-O同位素組成顯示出了差異性，晚硫化物階段比早硫化物階段明顯虧損13C而弱富集18O，投影點(diǎn)在13CV-PDB-18OV-SMOW圖解中呈線性沿沉積巖混染或高溫效應(yīng)作用方向漂移。石英碳酸鹽階段13CV-PDB基本與初始源區(qū)保持一致，而18OV-SMOW明顯增大，除1個(gè)點(diǎn)向沉積巖混染或高溫效應(yīng)作用方向漂移之外，其余投影點(diǎn)均向海相碳酸鹽巖溶解作用區(qū)域漂移。

前人研究認(rèn)為，如果成礦流體中的CO2是經(jīng)沉積巖混染或高溫效應(yīng)形成，其作用的結(jié)果將會(huì)對(duì)13CV-PDB影響顯著，而18OV-SMOW變化較??；如果是來(lái)自海相碳酸鹽巖的溶解作用，則會(huì)導(dǎo)致O同位素組成發(fā)生明顯變化，而C同位素組成幾乎不受影響[18]。其中，海相碳酸鹽巖溶解作用是通過(guò)流體與圍巖之間發(fā)生水-巖反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的[7,18]，在熱液流體中，方解石的溶解度隨溫度的降低而增大，隨壓力的減小而減小，因此在封閉體系中單純的降溫并不能使方解石從熱液流體中沉淀出來(lái)。而當(dāng)高溫?zé)嵋毫黧w與低溫圍巖接觸發(fā)生相互作用時(shí)，由于H+的丟失和Ca2+、Fe2+、Mg2+等陽(yáng)離子的加入，熱液流體將逐漸變?yōu)樘妓猁}飽和性流體，從而使得方解石在熱液中發(fā)生沉淀；在此過(guò)程中，熱液流體與圍巖之間可能發(fā)生強(qiáng)烈的同位素交換作用。金廠河礦床晚硫化物階段方解石的13CV-PDB顯著增大，而18OV-SMOW只在小范圍內(nèi)變化，因此該階段成礦流體受海相碳酸鹽巖溶解作用的影響較小，主要是受沉積巖混染或高溫效應(yīng)影響。石英碳酸鹽階段主體表現(xiàn)為18OV-SMOW明顯增大，而13CV-PDB變化很小，因此該階段成礦流體中的CO2更有可能是來(lái)自海相碳酸鹽巖溶解作用。巖漿源流體相對(duì)海相碳酸鹽巖明顯虧損18O，所以該階段方解石樣品的18OV-SMOW逐漸增大，合理地反映了虧損18O的巖漿源流體在遷移成礦過(guò)程中與富集18O的碳酸鹽圍巖發(fā)生了水-巖反應(yīng)，并且與圍巖之間發(fā)生了不同程度的同位素交換，導(dǎo)致成礦流體逐漸富集18O。綜上所述，金廠河礦床早期因受深部巖漿作用而形成了初始成礦流體，該流體在高溫高壓熱力驅(qū)動(dòng)條件下沿深大斷裂向上運(yùn)移，運(yùn)移過(guò)程中可能不同程度地受到海相碳酸鹽巖溶解作用和沉積巖混染或高溫效應(yīng)的影響。

4.2 成礦機(jī)制探討

進(jìn)一步將金廠河礦床的C-O同位素組成與地塊內(nèi)其他典型鉛鋅礦床進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖4)，發(fā)現(xiàn)金廠河礦床方解石的C-O同位素組成總體與地塊內(nèi)其他矽卡巖礦床一致，均顯示成礦流體主要來(lái)源于深部巖漿熱液[1,9,19]，而明顯區(qū)別于成礦流體主要來(lái)自盆地鹵水的中低溫?zé)嵋旱V床[20-21]。相關(guān)研究表明[22]，保山地塊于古生代中晚寒武世逐漸趨于穩(wěn)定，豐富的物源條件促使區(qū)域內(nèi)快速沉積大量富含鉛鋅銅鐵銀等多金屬元素的沉積物質(zhì)，故寒武系地層中Pb、Zn、Cu的含量普遍高于其他地層，具有礦源層特征。黃華等[4]對(duì)金廠河礦床作出的Rb-Sr等時(shí)線成礦年齡為117～120.3 Ma，與早白堊世志本山巖體(126.7 ±1.6 Ma)[8]接近。李振煥等[6]對(duì)金廠河礦床開(kāi)展的S、Pb同位素研究結(jié)果顯示，礦化劑硫具有深部幔源硫和地層硫混合的特征，鉛同位素組成顯示以上地殼以鉛為主的殼?；烊咎卣?。

結(jié)合上述研究及本文C-O同位素研究成果認(rèn)為，在早白堊世中特提斯洋閉合時(shí)，由于騰沖地塊與保山地塊發(fā)生碰撞造山作用形成了高黎貢碰撞帶[23]；同時(shí)因保山地塊內(nèi)部受到擠壓和拉張作用形成了大量褶皺和斷裂等構(gòu)造，為流體的運(yùn)移打開(kāi)了良好通道及成礦物質(zhì)的富集沉淀提供了有利空間。該陸陸碰撞事件引起地殼縮短增厚并在深部重熔形成大規(guī)模巖漿熱液，繼而沿著早期形成的斷裂構(gòu)造系統(tǒng)向上運(yùn)移，運(yùn)移過(guò)程中可能萃取和活化基底地層中的Pb、Zn、Cu、Ag等成礦物質(zhì)[2,10]。這些富含成礦物質(zhì)的流體在遷移過(guò)程中與碳酸鹽巖交代形成矽卡巖，同時(shí)可能受到大氣降水的影響而引起溫度、壓力、pH、氧逸度、硫逸度、離子濃度等物理化學(xué)條件發(fā)生改變，成礦物質(zhì)在層間破碎帶或褶皺與斷層的疊加部位等有利空間逐漸富集沉淀形成層狀、似層狀或透鏡狀礦體。雖然金廠河礦區(qū)至今尚未發(fā)現(xiàn)與礦床成因有直接聯(lián)系的花崗巖體，但礦區(qū)內(nèi)零星分布的基性巖脈及大量地球物理資料均顯示礦區(qū)深部存在中酸性隱伏巖體[3,5]，隱伏巖體的存在或巖漿侵入作用可能為金廠河礦床的形成提供了流體、熱源及成礦物質(zhì)。

圖4 金廠河礦床與保山地塊典型鉛鋅礦床δ13CV-PDB-δ18OV-SMOW對(duì)比圖解[1,9,17,19-21]

基于上述分析得出，金廠河礦床為陸陸碰撞體制下與深部巖漿作用有關(guān)的矽卡巖礦床。

5 結(jié)論

b.不同階段方解石的C-O同位素組成變化特征表明，晚階段的13CV-PDB和18OV-SMOW相對(duì)早階段有所升高，暗示巖漿熱液成礦流體在遷移成礦過(guò)程中可能受到了海相碳酸鹽巖溶解作用和沉積巖混染或高溫效應(yīng)的影響。

c.該礦床為陸陸碰撞體制下與深部巖漿作用有關(guān)的矽卡巖礦床。