DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.024

大垅铅锌矿床硫化物Rb-Sr同位素和主微量成分特征及矿床成因

郑明泓^{1, 2, 3}，邵拥军^{1, 2, 3}，刘忠法^{1, 2, 3}，张宇^{1, 2, 3}，邹艳红^{1, 2, 3}，冯雨周^{1, 2, 3}

(1. 中南大学 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083；

2. 有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室，湖南 长沙，410083；

3. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083)

摘要：大垅铅锌矿床位于湘东邓阜仙复式岩体北端，其赋矿围岩为二云母花岗岩，矿体产于南北向硅化破碎带中。对闪锌矿的Rb-Sr同位素进行分析，对矿床地质特征及硫化物电子探针主微量成分进行分析。研究结果表明：本区有3种矿化形式，分别对应3个成矿阶段，即石英—多金属硫化物阶段、石英—黄铁矿—闪锌矿阶段和石英—萤石—闪锌矿阶段，其初始⁸⁷Sr与⁸⁶Sr质量分数之比即w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)= 0.709 9±0.009 7，与八团岩体的相近，Rb-Sr等时线成矿年龄为(154±8.0) Ma，与成岩年龄(159.2±4.6) Ma一致，反映成矿与燕山期岩浆活动具有密切的成因联系；成矿作用以岩浆热液为主；黄铜矿—黄铁矿微量元素温度计、矿物对硫同位素温度计以及绿泥石温度计显示成矿温度为161~229 ℃，属中低温范畴。矿床成因属于与燕山期中酸性岩浆侵入作用有关的中低温岩浆热液型铅锌矿床。

关键词：Rb-Sr同位素特征；硫化物；大垅铅锌矿床

中图分类号：P611.1         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)11-3792-08

Rb-Sr isotope and main trace element composition characteristics of sulfide and deposit genesis investigation of Dalong Pb-Zn deposit

ZHENG Minghong^{1, 2, 3}, SHAO Yongjun^{1, 2, 3}, LIU Zhongfa^{1, 2, 3}, ZHANG YU^{1, 2, 3},

ZOU Yanhong^{1, 2, 3}, FENG Yuzhou^{1, 2, 3}

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitor,

Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Key Laboratory of Non-ferrous Resources and Geological Hazard Detection, Changsha 410083, China;

3. School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Dalong Pb-Zn deposit is located in the north head of the Dengfuxian composite rock mass. The lead-zinc orebodies usually occur in the north to south tread silicified fracture zone. The Rb and Sr isotope characteristics of spheterite, the ore deposit geological characteristics and the main and trace elements characteristics of sulfide were analyzed based on electron probe. The results show that there are three kinds of mineralization forms in this area corresponding to the three stages of mineralization, i.e., the quartz-polymetallic-sulfide stage, the quartz-pyrite-sphalerite stage and the quartz-fluorite-sphalerice stage. The  initial mass fraction ratio of w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)=0.709 9±0.009 7 is close to that of Batuan rock mass. The Rb-Sr isochron ages is (154±8.0) Ma, which is in line with the diagenetic age ((159.2±4.6) Ma), indicating that there is a close relationship between the mineralization and the yanshanian magmatic activity. The magmatic hydrothermal is the main mineralization. The temperature of mineralization is 161-229 ℃, which is low-medium temperature. Dalong Pb-Zn deposit belongs to low-middle temperature magmatic hydrothermal type Pb-Zn deposit, which is associated with the Yanshanian magmatic intrusion.

Key words: Rb-Sr isotopic characteristics;sulfide;Dalong Pb-Zn deposit

大垅铅锌矿床是我国近年来新发现的中型铅锌矿床，矿区位于湖南省茶陵县城北八团乡境内，地处太和仙穹窿以及基底断裂带的交汇处，在成矿区域划分上属于邓阜仙多金属成矿区。该成矿区构造发育，岩浆活动强烈，具有有利的成矿地质条件。邓阜仙多金属成矿区内主要有湘东钨矿、太和仙金矿等10多处中小型金属矿床。宋新华等^[1-5]对这些金属矿床的地质特征、成矿机理等进行了研究。目前大垅铅锌矿床地质研究较少。本文作者运用电子探针、稳定同位素等分析测试手段，研究同位素特征及硫化物化学成分特征，探讨成矿年龄、成矿物质来源、成矿温度，以便为矿床成因的研究提供依据。

1  矿床地质特征

大垅铅锌区域地质简图见图1。矿区内除第四系外均为燕山期岩体，第四系主要为花岗岩风化物组成的冲积层，由砂质黏土、砂砾石组成。区内构造较简单，以断裂为主，按其走向可分北东、北西、近东西及南北向4组，其中南北向断裂为规模较大的压扭性断裂，均被硅质所充填，是区内主要的导矿及容矿构造。矿区内出露岩浆岩(八团岩体)属于燕山期活动的产物，其岩性为中细粒的二云母花岗岩，呈岩基产出，与成矿关系密切。

图1  大垅铅锌区域地质简图

Fig. 1  Simplified geological map of Dalong Pb-Zn deposit

区内铅锌矿体赋存于近南北向的V₁硅化破碎带中(见图1(b))，主要在硅化破碎带的膨大、分支复合及破碎、硅化、绿泥石化较强的地段富集，由4个矿体组成，其形态、产状受硅化带控制，均呈短脉板状，与围岩界线明显。控制长度为300~400 m，矿体最大厚度为4.33 m，最小厚度为0.80 m，平均厚度为1.81 m，倾向南西，倾角为70°~85°。大垅铅锌矿床显微及野外照片见图2。

矿区铅锌矿石主要为原生硫化物矿石，局部近地表有少量氧化矿。矿石类型主要有多金属硫化物型矿石及黄铁矿—闪锌矿型矿石。矿石中金属矿物主要为方铅矿、闪锌矿、黄铁矿、黄铜矿等；脉石矿物主要有石英、萤石等。矿石结构以交代结构为主，次为半自形—它形粒状结构、角砾状构造(见图2(a)和2(b))；矿石构造以细脉状和浸染状为主，次为团包状(见图2(c)，2(d)和2(e))。区内广泛发育硅化、萤石化、绿泥石化、绢云母化、高岭土化、钾化。其中硅化、萤石化、绿泥石化与成矿关系较密切。野外调查发现本区有3种矿化形式(见图2(f))，对应3个成矿阶段：

1) 石英—多金属硫化物阶段。具体表现为多金属硫化物石英脉。该阶段产出的金属矿物主要为闪锌矿(棕褐色)及方铅矿为主，次为少量的黄铁矿、黄铜矿；脉石矿物以石英为主。该阶段金属硫化物主要呈他形粒状结构，宏观上呈浸染状、细脉状和块状产出。

2) 石英—黄铁矿—闪锌矿阶段。具体表现为含黄铁矿、浅色闪锌矿的石英脉，矿石矿物以闪锌矿为主，脉石矿物以石英为主，石英呈灰白色，其他矿物可见绢云母及绿泥石等。该阶段闪锌矿(浅黄色)呈浸染状、细脉状和团包状产出。

3) 石英—萤石—闪锌矿阶段。具体表现为含萤石和闪锌矿的石英脉，矿石矿物以浅黄色闪锌矿为主，脉石矿物以石英和萤石为主。该阶段闪锌矿呈稀疏浸染状产出。

图2  大垅铅锌矿床显微及野外照片

Fig. 2  Microscopic and field photographs in Dalong Pb-Zn deposit

2  Rb-Sr同位素特征

本次测试在广州澳实测试分析有限公司进行，4件样品均采自石英硫化物阶段的块状铅锌矿石(均采自3中段采场中)，采用Thermo公司的同位素稀释等离子质谱 (ID-ICP-SFMS)以及多接收等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)进行测试，测试结果见表1，以w(⁸⁷Sr)/ w(⁸⁶Sr)为纵坐标，以w(⁸⁷Rb)/w(⁸⁶Sr)为横坐标，将样品点用最小二乘法求回归直线(图3)，y轴上的截距为[w(⁸⁷Sr)/ w(⁸⁶Sr)]₀=0.709 9±0.009 7，通过下面公式计算Rb-Sr等时线年龄为(154±8.0) Ma。

其中：=1.42×10^-11

毛景文^[6]认为160~150 Ma是华南与花岗岩有关的金属矿床的主要形成时代，显示大垅铅锌矿床的形成与区域内其他与花岗岩有关的金属矿床属于同一成岩成矿体系，具有相同的成矿背景。w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)是判断成岩成矿物质来源的重要指标，在矿床地质研究中，常利用其来示踪成矿物质来源、岩浆流体、深源流体的壳幔混染作用。一般w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)大于0.710的为壳源，w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)小于0.705的为幔源^[7]。本区闪锌矿中w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)为(0.709 9±0.009 7)，接近0.710 0，表明成矿物质主要来自于地壳，但可能有地幔物质混入。同时，闪锌矿中的初始w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)与本区八团岩体(0.721 0~0.741 0)^[8]的接近，表明成矿物质与岩体具有一定的同源性。此外，采用U-Pb法测定八团岩体中锆石的U-Pb年龄，获得其谐和年龄为(159.2±4.6) Ma，成矿与成岩年龄一致，显示成矿与岩浆作用密切相关。

图3  Rb-Sr同位素等时线图

Fig. 3  Rb-Sr isochron diagram

3  基于电子探针分析的硫化物主微量成分特征

金属硫化物化学成分特征可以为矿床成因的研究提供重要信息，本次分析测试样品采自3中段的采场中新鲜矿石样品，采用津岛Shimadzu公司生产的EPMA-1720/1720H型电子探针(加速电压为15 kV，电子束流为10 nA，电子束斑直径为1~5 μm，检出下限为0.01%)，对矿区主要的金属硫化物化学成分进行分析。测试结果见表2。

3.1  黄铁矿

研究区内黄铁矿主要呈自形—半自形粒状结构以及碎裂状结构(见图2(a)和2(b))。区内黄铁矿中S质量分数w(S)为53.61%~54.53%，平均值为54.01%；w(Fe)为44.63%~46.08%，平均值为45.42%。与理论值 (w(Fe)=46.55，w(S)=53.45)相比，表现出亏Fe、富S的特征。而S与Fe的质量分数之比平均值为2.1，大于理论值2.00，表明其可能形成于硫逸度较高的热液环境^[9]。不同成因类型的矿床中黄铁矿的As质量分数不同，研究区内黄铁矿As质量分数较高(0.19~0.91)，反映了其可能为热液成因^[10]。

表1  大垅铅锌矿床Rb-Sr同位素分析结果

Table 1  Rb-Sr analyse result of Dalong Pb-Zn deposit

BRALIA等^[11]对不同成因类型黄铁矿的Co和Ni的质量分数w(Co)/w(Ni)进行研究后发现：沉积黄铁矿w(Co)/w(Ni)小于l.00，平均值为0.63；热液(脉状)黄铁矿的w(Co)/w(Ni)的变化较大(通常介于1.17~5.00之间)；火山喷气块状硫化物矿床中w(Co)/w(Ni)变化范围为5.00~50.00，平均为8.70。研究区内黄铁矿的w(Co)/w(Ni)取值为1.70~6.92，平均为3.99；除个别数值外，均落入热液黄铁矿的范围内，表明本区的黄铁矿属于热液成因。同时黄铁矿中的w(Co)/w(Ni)对其形成温度有一定的指示作用，通常黄铁矿中的w(Co)/w(Ni)越大，则其形成温度就越高，研究区内黄铁矿w(Co)/w(Ni)较低(平均值为3.39)，表明其形成温度不高。

研究区内黄铁矿的w(Se)介于(20~340)×10^-6，平均值为20.2×10^-6；w(S)/w(Se)为1 584~27 175，平均为5 530；w(Te)为(10~600)×10^-6，平均为20.3×10^-6；w(Se)/w(Te)为0.1~10.7，平均为2.5。这些特征均与岩浆热液成因的黄铁矿特征接近^[12]，可见本区黄铁矿的形成与岩浆作用密切相关。

3.2  方铅矿

研究区内方铅矿主要与黄铜矿和闪锌矿共生，镜下可见方铅矿包含黄铜矿呈包含结构以及穿插交代黄铜矿呈交代结构(图2(a))。

方铅矿化学式为PbS，其w(Pb)和w(S)的理论值分别为 86.60%和13.40%。研究区内方铅矿中w(P)为83.14%~84.81%，平均为84.00%；w(S)为13.09%~ 14.86%，平均为14.09%。与理论值相比，具有富S亏Pb的特点。一般原生沉积成因的方铅矿含有大量的Sb，w(Sb)/w(Ag)也较大(为6.0~6.7)，而研究区内方铅矿w(Sb)为0.02%~0.06%，w(Sb)/w(Ag)为1.00~1.95，与沉积成因的方铅矿有较大的差别；方铅矿中w(Bi)为0.02%~0.23%。上述特征与湖南接触交代—热液型铅锌矿床中的方铅矿的特征较相近^[13]。研究区内方铅矿的w(Sb)/w(Bi)=0.09~1.5，与岩浆热液型方铅矿相近，且lnw(Bi)介于5.30~7.74之间，明显大于3.5(岩浆热液矿床和沉积变质混合岩化矿床中方铅矿的lnw(Bi)＞3.5，而沉积改造铅锌矿床中方铅矿的lnw(Bi)＜3.5^[14]，上述特征反映了方铅矿的形成与岩浆活动有着密切的关系。CZAMANSKE等^[15]认为方铅矿的形成温度与w(Sb)/w(Bi)具有明显的正相关性，w(Sb)/w(Bi)＜0.06指示高温，w(Sb)/w(Bi)＞6指示低温，研究区内方铅矿中w(Sb)/w(Bi)平均值为0.51，表明方铅矿属于中低温条件的产物。

3.3  闪锌矿

矿区内主要有2种类型的闪锌矿即棕褐色的闪锌矿(第1世代)和浅黄色闪锌矿(第2世代)，两者在镜下均呈灰色，呈不规则粒状。

第1世代闪锌矿w(Zn)为61.43%~65.20%，平均为63.34%；w(S)为32.38%~33.84%，平均为33.29%；w(Fe)为2.99%~3.89%，平均为3.31%；w(Cd)为0.11%~ 0.56%，平均为0.28%。第2世代闪锌矿w(Zn)为64.08%~67.60%，平均为66.56%；w(S)为32.79%~ 33.64%，平均为33.20%；w(Fe)为0.17%~0.68%，平均为0.39%；w(Cd)为0.27%~0.57%，平均为0.35%。与闪锌矿的标准质量分数(w(Zn)= 67.10%，w(S)=32.90%)相比，2个世代的闪锌矿均具有富S亏Zn的特点，且从早到晚，闪锌矿中Fe的质量分数降低，Zn的质量分数升高。

刘铁庚等^[16-17]通过研究发现：若闪锌矿的形成过程中有岩浆活动参与，则闪锌矿中会富集In，且w(Zn)/w(Cd)＜250。研究区内第1世代闪锌矿中In质量分数为0.01~0.12%，w(Zn)/w(Cd)平均值为248，符合这一特征，表明闪锌矿的形成与岩浆有直接关系。此外，闪锌矿中w(Zn)/w(Cd)可作为地质温度指示参数，w(Zn)/w(Cd)＞500时指示高温，100＜w(Zn)/w(Cd)＜500时指示中低温的特征。本区闪锌矿的w(Zn)/w(Cd)平均值为248，表明其形成温度属于中低温范围。

4  成矿温度探讨

前面对硫化物的微量元素的研究仅仅是对矿物形成温度进行定性分析，为了精确地分析矿床的成矿温度，拟采用黄铜矿-黄铁矿温度计、硫同位素温度计指示温度以及绿泥石温度计对矿物的形成温度进行定量分析，进而为成矿温度的确定提供有利证据。

4.1  对黄铜矿-黄铁矿微量元素温度计所得温度进行定量分析

肖荣阁等^[18]认为在热液矿床中伴生的黄铜矿与黄铁矿中微量元素Co的分配系数与温度有一定关系，根据实验提出黄铜矿-黄铁矿地质温度计指示温度经验公式：

t=10³/(1.2921×lgK_D^Cpy-Py+2.382)-273.15

K_D^Cpy-Py=w(Co)_Cpy/w(Co)_Py×1.53

其中：t为黄铜矿与黄铁矿的形成温度，℃；K_D^Cpy-Py为黄铜矿与黄铁矿中微量元素Co的分配系数；w(Co)_Cpy和 w(Co)_Py分别为黄铜矿与黄铁矿中Co的质量分数。通过计算可得研究区的K_D^Cpy-Py为0.51~0.83，根据上述公式得出两者的形成温度为166~225 ℃。

4.2  对矿物对硫同位素地质温度计所得温度进行定量分析

本区δ³⁴S按黄铁矿→闪锌矿→方铅矿递减，表明其同位素分馏达到平衡^[19]。采用共生硫化物对计温法，挑选共生的且无明显穿插交代方铅矿闪锌矿，测试其硫同位素组成。CZAMANSKE等^[20]提出的共生硫同位素分馏方程为

1 000lnα_Sp-Gn=7.0×10⁵/t²

其中：α_Sp-Gn为分馏系数。计算区内硫化物沉淀环境的温度为184~229 ℃。

4.3  对绿泥石温度计所得温度进行定量分析

KRANIDIOTIS等^[21-23]发现可通过绿泥石中的Al，Fe和Mg的阳离子数计算绿泥石形成温度。KRANIDIOTIS等^[21]提出的温度计算公式为

t=10⁶×[n(Al^IV)+0.35×n(Fe²⁺)/(n(Mg²⁺)+n(Fe²⁺))]+18

其中：n(Al^IV)，n(Fe²⁺)和n(Mg²⁺)分别为基于氧原子数为14时计算的绿泥石中4次配位铝的阳离子数量、Fe²⁺数量以及Mg²⁺数量。通过电子探针直接测试得出的Fe氧化物的参数只有FeO^T的质量分数，为了得到精确的FeO质量分数，在计算过程中采用郑巧荣^[24]提出的电价差法计算绿泥石中FeO与Fe₂O₃的实际质量分数。

通过计算可以得出绿泥石的形成温度为161~  178 ℃，平均为168 ℃。研究区内绿泥石化与矿化关系密切，因此，绿泥石的形成温度可以近似代表铅锌矿体的形成温度。

综上所述，3种地质温度计计算结果表明成矿温度为161~229 ℃，属于中低温范畴，与微量元素分析结果一致。

表2  绿泥石探针成分及特征值

Table 2  Election probe composition of chlorite

5  矿床成因分析

综合矿床地质特征、同位素地球化学特征以及硫化物化学成分特征研究，大垅铅锌矿床具有如下基本特征：

1) 矿体主要产出形态为硫化物石英脉，其产状严格受南北向断裂控制，与围岩有明显界限；矿石矿物主要为方铅矿、闪锌矿和黄铜矿，脉石矿物以石英和萤石为主，其次为绿泥石；矿石结构以交代结构为主，其次为半自形—他形粒状结构；矿石构造主要为细脉状和浸染状，次为角砾状；围岩蚀变主要有钾化、硅化、萤石化、绿泥石化、绢云母化等；成矿具有多阶段性。以上宏观特征充分显示中低温热液成矿。

2) 闪锌矿初始的w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)为(0.709 9±0.009 7)，与八团岩体的相近；Rb-Sr等时线成矿年龄为(154±8.0) Ma，与成岩年龄一致，表明成矿与燕山期岩浆具有密切的成因联系。

3)黄铁矿中含有较高的As(0.19~0.91)，w(Co)/ w(Ni)＜5，w(S)/w(Se)＜2×10⁵；方铅矿中w(Sb)/w(Bi) 平均为0.5，lnw(Bi)＞3.5；闪锌矿中富含In(0.01%~ 0.12%)，且w(Zn)/w(Cd)＜250。以上特征均与岩浆热液成因的硫化物接近，反映了本区硫化物的形成于岩浆热液密切相关。

4) 硫化物的形成温度为161~229 ℃，属于中低温范围。

6  结论

1) 闪锌矿的初始w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)为(0.709 9±  0.009 7)，与八团岩体的相近；Rb-Sr等时线成矿年龄为(154±8.0) Ma，与成岩年龄一致，表明成矿与燕山期岩浆具有密切的成因联系。

2) 硫化物属岩浆热液成因，成矿温度属中低温范畴。

3) 矿床成因属于中低温岩浆热液型铅锌矿床。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-02-08

基金项目(Foundation item)：中南大学“创新驱动计划”项目(2015CX008)；中国地质调查局整装勘查项目(12120114052101)；国家自然基金资助项目(41472302) (Project(2015CX008) supported by the Innovation-driven Plan of Central South University; Project(12120114052101) supported by the Monoblock Exploration from China Geological Survey; Project(41472302) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：邵拥军，教授，博士生导师，从事矿床学与成矿预测学研究；E-mail: shaoyongjun@126.com