大兴安岭中段二叠系地球化学特征及其成矿意义

韩峰 侯建军

摘要：二叠纪海相火山沉积岩系是大兴安岭中段出露的主要基底地层，是铜多金属矿床的主要富矿围岩，其中成矿元素Cu、Pb、Zn、Ag、Sn均具有较高的丰度值，是形成矿床的重要物质来源，而不同矿床类型的时、空分布与早二叠世古构造沉积环境密切相关。

关键词：大兴安岭中段 二叠纪地层 成矿元素丰度 成矿物质来源

大兴安岭中段指的是阿尔山—龙江一线(北纬47°20′)至林东—天山北侧（北纬44°）和霍林郭勒（东经118°45′）以东地区，是我国重要的且具有巨大找矿潜力的铜、铅、锌、银和稀有稀土元素成矿带。在已知的134处铜多金属矿床（点）中，90%以上赋存于二叠纪地层中。对二叠纪地层地球化学的研究，对于了解成矿元素地球化学背景、成矿控制因素以及矿产勘查具有重要的理论和实际意义。

1. 构造演化概况

大兴安岭中段位于内蒙古东南部中—晚华力西褶皱带的北东部。该褶皱带是西伯利亚古板块与中朝古板块在晚泥盆世—早石炭世沿二连浩特—贺根山一级碰接、隆升后，于中石炭世复又裂解成海，再经早二叠世末的晚华力西运动形成的。因此，本区除东南隅出露少许中石炭统碳酸盐岩外，广泛发育二叠系，特别是下二叠统。强烈的燕山期构造—岩浆作用伴随较广泛的铜多金属成矿作用，赋存于二叠系，特别是下二叠统中。矿床的氢、氧同位素特征揭示有大量水参与了成矿作用，而天水向深处运移过程中可能会从地层中萃取矿质。

2. 二叠纪地层特征

二叠纪地层在全区广泛出露，各地厚度和岩性变化较大，总体呈北东向展布，呈不规划复式背斜褶皱纵贯全区。

下二叠统总体为浅海～滨海相连续沉积，具明显的三分性，由早至晚为碎屑岩—火山岩—碎屑岩夹碳酸盐岩，具有典型的优地槽沉积特征。

早二叠世早期的青风山组断续出露在碧流台、呼和哈德、察尔森一线，下部为杂砂砾岩、砂岩，上部为粉砂岩、黑色板岩，局部夹灰岩透镜体，厚4628m，碎屑粒度由下而上由粗变细，反映了海水逐渐变深的环境。

早二叠世中期（大石寨期），海水逐渐变深。由于地槽沉降速率的差异，出现3条近于平行的北东向海槽，发生规模较大、强度不一的火山喷发活动，形成了五贫沟—火龙沟、大石寨—黄合吐和鲁北—天山3条火山喷发带，发育中性、中酸性、酸性火山岩建造。这套火山岩系的岩性和厚度变化较大，其中以大石寨黄合吐一线的火山岩最为发育，厚达4607 m。在火山活动间歇期有正常碎屑岩夹碳酸盐岩沉积。

早二叠世晚期（吴家屯期），在上述3条火山岩带之间接受了一套浅海—滨海相陆源碎屑岩夹碳酸盐岩沉积，但两个海盆有各自的特征和发展历史，控制了本区不同矿床类型的产出和分布。索伦—浩布高海盆主要发育砂岩、板岩和灰岩，为浅海沉积环境，厚1991m，含丰富的腕足、双壳、苔藓虫、珊瑚和筵科等化石。燕山早期花岗岩类侵位于碳酸盐岩内，形成了区内几处最重要的夕卡岩型矿床，如神山小型铁铜矿床，白音诺、浩布高大型铅锌（铜）矿床。乌兰浩特一鲁北海盆内沉积了一套砂砾岩、砂岩、板岩，仅局部夹灰岩透镜体，厚l210m，化石少见，产植物碎片，为海陆交互环境。燕山早期花岗岩类侵位于下二叠统复理石建造中，形成了具有经济价值的莲花山和布敦化热液型铜矿、斑岩型铜矿床及敖瑙达巴斑岩型铜银锡矿床。

上二叠统为泻湖一湖泊相沉积，主要由砂岩、板岩夹泥页岩组成，厚3446 m，含大量淡水瓣鳃、叶肢介及植物化石，植物以安哥拉植物群为主。依二叠系上统的分布状况，在区内及邻区可圈定出索伦—老龙头和林西—陶海营子两个湖盆。值得指出的是，在研究区之南远处的上二叠统林西组砂页岩中有大井子大型热液型银铜锡铝锌矿床。

3. 各地带的地层和岩石组合及其地球化学特征

根据上述各层展布和岩石组合特征，将本区由北西至南东依次分为4个北东向地带：①五岔沟—火龙沟地带，发育下二叠统大石寨组海陆交互相中性、中酸性及酸性火山岩；②吴家屯—索伦地带，发育下二叠统大石寨组、吴家屯组海相碎屑岩夹灰岩及上二叠统索伦组泻湖相沉积岩；③大石寨—黄合吐地带，发育下二叠统大石寨组碱性和钙碱性玄武岩、玄武安山岩、安山岩及流纹岩；④好田—新立屯地带，发育下二叠统青风山组、大石寨组和吴家屯组浅海相碎屑岩及上二叠统泻湖相砂、页岩。①和③带主要发育大石寨组钙碱性火山岩，形成于火山弧环境，②和④带除发育少量大石寨组和青风山组火山岩、砂页岩外，主要发育早二叠世晚期和晚二叠世碎屑—泥质沉积岩，成为①与③与南东侧“火山弧”之间的盆地。由于燕山期的铜多金属矿床主要赋存于②、③、④岩带的二叠纪地层中，为了探讨成矿作用与二叠纪地层的关系，特别是地层是否提供了部分成矿物质，对二叠纪地层进行矿元素丰度的测定，采样点远离矿区，基本未受矿化蚀变影响。样品经正态分布检验后，各地带内各组地层中主要岩类的成矿元素经厚度加权统计，得出了各地带的成矿元素Pb、Mo丰度最高，而Cu、As、Sb、Mn的丰度最低；吴家屯一索伦地带Zn、As、Sb的丰度最高，Pb的丰度最低；大石寨—黄合吐地带Cu、Ag 、Mn丰度最高，Sn、Bi的丰度最低；好田—新立屯地带Sn、Bi的丰度最高，Zn、Ag、Mo的丰度最低。

上述各地带成矿元素丰度值之间的差异，显然与组成各地带的地层和岩石类型的差异有关，特别是与早二叠世中期大石寨组的岩性变化有关。主要成矿元素Cu、Ag、Zn和Sb、Mn在大寨一黄合吐火山岩带中的丰度值很高，显示该层具矿源层的特征。

4. 二叠纪地层的成矿元素丰度及其对成矿的控制

4.1 二叠系各组地层元素丰度值的计算方法

元素丰度值是按以下步骤和方法求得的：①检验各类岩石中元素含量的概念分布模式，剔除离群样品，把服从正态检验的样品的值当作岩石的元素丰度值；对不服从正态检验的样品和元素，把反复剔除2.5倍离差样品后的样品和元素的值视为元素丰度的近似值。②求出各地层的元素丰度值。③按各类岩石厚度加权，求出各地层的元素丰度值，丰度值与泰勒克拉克值相比，求出浓集系数。这样求得的各组地层的化学元素丰度是较客观真实的。

4.2 地层单元中成矿元素的浓集系数特征

青风山组：浓集系数大于l的元素依次为As、Bi、Sn、Sb、Pb、Ag、Zn、Cr、Mn、Ba，其中As、Bi、Sn、Sb浓集系数大于2，Pb、Ag、Zn的浓集系数大于1.5，Co的浓集系数为0. 99，丰度值与克拉克值相近，Co、Ni亦低于克拉克值。

大石寨组：浓集系数大于1的元素依次为As、Sb、Ag、Pb、Bi、Zn、Cr、Sn、Ba，其中As、Sb的浓集系数大于2，而Cu、Mn、Mo、Co、Ni均低于克拉克值，Cu元素浓集系数为0. 86，其丰度值略低于克拉克值。

吴家屯组：浓集系数大于1的元素依次为As、Sb、Sn、Pb、Ag、Zn、Ba、Cr，其中As、Bi的浓集系数大于2，而Mo、Cu、Ni、Mn、Co的浓集系数小于1。

索伦组：As、Sb、Bi、Sn、Cr、Ag、Ba的浓集系数大于1，其中As、Sb、Bi浓集系数大于3，浓集系数小于1的依次为Zn、Cu、Pb、Mn、Mo、Ni、Co。

胡云中等在我国南岭地区地层地球化学研究中，按元素的浓集系数大小分为特富集元素(K>5)、富集元素(K>1.5)、稳定元素(0.5≤K≤1.5)和贫化元素(K<1.5)4类。若按这一分类讨论本区二叠纪地层中成矿元素的富集情况，则①本区主要成矿元素Cu、Pb、Zn、Ag，除青风山组的Pb、Zn、Ag、Sn，大山寨组的Ag、Pb及吴家屯、索伦组的Sn为富集元素外，其余均为稳定元素。从地层含矿性考虑，Pb、Zn、Ag、Sn在二叠纪地层中有不同程度的初步富集，具备了为成矿作用提供部分物质的可能。这与本区已获得的部分黄铜矿、方铅矿、闪锌矿的铅同位素模式年龄(254.5—258.5 Ma)相吻合。②As为二叠纪地层中特富集元素，其浓集系数在8.19—28. 24之间，Sb、Bi均为富集元素。Sb在吴家屯组及索伦组中为特富集元素。本区铜银、铁铜、铝锌银矿床的矿物组合中，没有毒砂、斜方砷铁矿、硫锑铜银矿、辉铋矿出现，显然与地层的高背景有关。

4.3 主要岩石类型成矿元素的浓集系数

为了解二叠系主要岩石类型的含矿性，我们将本区主要岩石类型丰度值与涂里千和魏德波尔等值对比，求出各岩石类型的浓集系数。

(1)As、Bi、Ag在本区所有岩石类型中的浓集系数均大于1，其中As、Bi的浓集系数分别为1.75～8.5和8～61.2。

(2)在正常碎屑岩中，成矿元素Cu、Pb、Zn、Sn、Mo、Sb、Mn趋向于砂岩中富集，其中Cu、Sn、Mo、Zn、Sb的浓集系数大于2。而上述元素在泥质板岩中为稳定元素，浓集系数多小于l。

(3)Sb、Cu、Ag.Zn在大石寨一黄合吐带火山岩组合中的浓集系数大于1，Sn、Mo的丰度值除在中酸性碎屑熔岩中略高外，在安山岩、凝灰岩中的浓集系数小于1。

(4)在五岔沟火山岩组合中，Pb、Mn的浓集系数大于1，Sn、Zn在中酸性碎屑熔岩、安山岩中的浓集系数大于1，而在流纹岩中的丰度较低。

从各类岩石元素浓集系数可看出本区成矿元素原始丰度情况：①Ag是本区各类岩石中浓集系数大于l的元素，且在各类岩石中较相近，浓集系数为1.1～3. 42。②Cu、Pb、Zn、Sn在砂岩中的浓集系数分别为：2. 77～6.07、1.01～3.09、3.8～7.04、2.5～6. 58，表明地层中成矿元素有一定的富集，尤其是砂岩具有良好的孔隙度和裂隙度的贯通性，在后期热液环流系统中，有利于元素带出，为成矿作用提供部分或主要的矿质。③在大石寨一黄合吐带火山岩建造中，Cu、Ag、Zn的浓集系数分别为1.83～4.37、1.7～5. 59、1.04～1.56，分布比较均匀，表明来自深部，并有一定的初始富集。

4.4成矿元素在地层中的共生组合

应用R型因子分析方法，得出各元素在地层中共生组合的关系，元素因子载荷>0.5，并由大至小排列。对于因子载荷为负者，以方括号区别之。其排列方式反映的是绝对值大小，当同一公共因子中出现正因子载荷的元素，又有负因子载荷元素出现时，应视为各自组成的两个不同组合。

青风山组：前7个因子的累计方差贡献占94. 5%，尤其是前3个因子更占主导地位。F1因子与Ag、Sb、Pb关系密切，F2因子与Mo、Sn相关，F3因子出现Bi，因子载荷高。它反映了青风山组中主要微量元素的同生沉积作用。而Co、Cr呈载荷出现，说明Co、Cr、与Ag、Sb、Pb、Mo、Sn、Bi的来源不同，存在一定的反相关关系。F4 -F7因子的方差贡献仅为29. 9%，F4因子与Mn、Co关系密切，F5因子与As、Ni、Cr相关，Cu呈独立因子出现在F6中，F7因子为Ni、Co[Zn]组合。Cu、Zn呈负载荷，表明与铁族元素相关性差，应视为具有同生沉积及后期叠加的双重性。

大石寨组：包含有大量的中、酸性火山岩，使元素组合具有某些火山活动色彩。F1因子中Pb、Zn、Ag、As关系密切，具有较高的载荷，形成于同生沉积环境。F2因子为Cu、Co、Ni组合，显示为深源特征，Cu是岩浆—火山活动的主要成矿元素。Ag、As除在F1因子中外，还在F3、F6因子中分别重复出现，表明有叠加作用的因素。

吴家屯组：前7个因子的累积方差贡献占84. 8%，基本包含了原始变量的大部分信息，F1因子的Zn、As、Cu、Ni组合与F7因子中的铁族元素相对应，反映了深源特征。F2因子中Pb、Ag相关，与F3因子的Sn、Bi也有一定联系，可视为同生沉积作用的结果。

索伦组：Zn-Pb-Cr-Mn、Ag-Ba-Cu、S-Cu，分属于不同因子，表明元素组合来源的复杂性。成矿元素丰度值与其他各组地层相比较低，故在本区提供成矿物质的可能性很小。

5. 结论

上述关于二叠纪地层剖面的元素丰度、元素组合、元素分布型式、浓集系数与地层形成环境的关系研究，显示了大兴安岭中段主要成矿元素来源、富集程度具有复杂多样性以及矿床种类在一定程度上受控于富矿围岩（地层）的特征。

铜、锌在本区下二叠统变质砂岩中的浓集系数最高，而大石寨一黄合吐地带火山岩建造中，有铜、银的初始富集。前者被燕山早期同熔型花岗岩类侵位，形成热液脉型和斑岩型铜矿床，地层的成矿元素组合与岩体和矿床的成矿元素组合相对应，地层为矿床形成提供了部分铜、锌；后者则显示了火山作用的成矿信息。

铜、锌在下二叠统各类岩石中均有较高的丰度值，尤其是银多为富集元素，且铅与银密切相关，具同源特征，因而推断下二叠统可能是铅、银的矿源层。

铅、锌、银多金属矿床的成因类型，在空间分布上，受控于富矿围岩的性质。在大石寨一黄合吐火山岛弧北侧，碳酸盐类岩石发育，于侵入岩接触带上形成数处夕卡岩型矿床，如白音诺、浩布高大型铅锌矿；而南侧以正常碎屑岩为主，缺乏碳酸盐类岩石，则以热液型和斑岩型矿床为主，如莲花山铜矿、布敦化铜矿床。因而，在热液环境作用下，地层本身就可提供成矿物质。初步认为：下二叠统是成矿的物质基础，而燕山期岩浆侵入是成矿关键。

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