贵州镇宁泥盆系大型重晶石矿床锶同位素组成特征研究

高军波, 杨瑞东*, 陶 平, 程 伟, 何志威, 刘 坤

(1. 贵州大学 资源与环境工程学院, 贵州 贵阳 550025; 2. 贵州省地质调查院, 贵州 贵阳 550004)

0 引 言

自然界中重晶石是钡矿物的主要载体, 世界上已发现的大中型重晶石矿床(带)在不同地质历史时期均有分布[1–5], 其储量丰富, 潜在经济价值巨大,其中以中国、美国和印度等国的重晶石储量最为丰富。中国、美国和印度等国也是世界上重晶石的主要生产国, 特别是1998年中国重晶石生产量占到全球年生产总量的 51%[3], 也成为世界第一大重晶石出口国。对重晶石需求量的日趋增大, 导致对重晶石矿床的探、采规模大幅度提高, 而寻找新的重晶石矿床是解决这一资源瓶颈的重要策略。因此, 对重晶石矿床成因理论研究并进一步为实际找矿工作服务就成为亟待解决的地质问题。

重晶石的化学成分以 BaSO4为主, 而 Ba和 Sr具有较为相似的地球化学性质, 所以在研究重晶石矿床成因、判断成矿物质来源方面, 锶同位素研究是一种非常重要的手段。由于Sr在海水中停滞的时间(2.5Ma)大于同一时期海水混合的时间, 某一特定时期内海水中87Sr/86Sr比值常被认为是稳定的[6], 因而利用锶同位素的变化特征可以反演地球化学演化过程[7]、追索Ba的地球化学形迹。在研究重晶石成岩或成矿流体来源及流体性质等方面锶同位素研究被广泛使用。例如, 王忠诚等[8]对中国南方早寒武世重晶石、毒重石的锶同位素(87Sr/86Sr = 0.708600)研究认为矿床(石)形成与海底火山、热液关系密切; Paytan et al.[9]结合锶和硫同位素、重晶石矿物晶体结构及形态特征, 对不同环境下形成的重晶石进行了系统论述;夏菲等[10]对天柱超大型重晶石矿锶同位素比值的分析,为该矿床海底热水喷流沉积成因及晚期重晶石矿化叠加作用提供了有力的同位素证据; Kumral[11]通过锶同位素研究区分了土耳其安纳托利亚 Hasköy重晶石矿中不同来源的流体; Staude et al.[12]利用锶和硫同位素相结合, 对德国西南部 Schwarzwald地区不同时代重晶石成岩(矿)的流体来源及不同流体比例进行了量化等, 均取得了较为理想的效果。

在我国, 泥盆纪是重晶石成矿的重要时期, 所形成的重晶石矿床主要分布在西南、江南及秦岭地区, 其中西南部贵州镇宁泥盆系重晶石矿是我国泥盆纪重晶石成矿的典型代表, 该矿床属大型重晶石矿床(储量约为 3302万 t), 且沉积剖面上纹层状构造、条带状构造、角砾状-碎屑状构造及块状构造等较为发育。高军波等[13–15]对该矿床沉积结构、构造特征及地球化学特征等进行了研究, 认为该矿床属于深大断裂控制的海底热水喷流沉积成因。然而对该矿床锶同位素的研究一直未见报道。本文旨在通过对镇宁重晶石矿锶同位素进行研究, 为矿床成因及成矿物质来源提供更有力的同位素佐证。

1 区域成矿背景及矿区地质特征

贵州镇宁泥盆纪重晶石矿床位于右江盆地的北部、扬子陆块西南缘(图1a), 该矿床的形成及空间分布规律与水城-紫云-南丹晚古生代裂陷关系密切。该断裂是右江盆地北部一条区域性深大断裂, 据中石化石油勘探开发研究院(内部资料)1)垭都-紫云-罗甸断裂带及其对两侧盆地成藏条件影响研究, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 2008。研究, 水城-紫云-南丹古生代裂陷的雏形最早始于志留纪, 泥盆纪至中三叠世为强烈伸展期, 晚三叠世开始遭受挤压反转, 喜马拉雅晚期其活动微弱, 同时认为该断裂的原始驱动力可能与华南裂陷洋盆关闭、华夏板块与扬子板块之间发生的陆陆碰撞有关。晚古生代时期北西向的断裂活动(裂解)控制着包括研究区在内的整个右江盆地的古地貌演化, 形成一系列台盆相间的古地理格局(图 1b), 水城-紫云-南丹晚古生代裂陷控制着广西南丹至贵州水城-赫章一带裂陷槽盆的演化, 对沉积环境的改变及矿床的形成起控制作用。泥盆纪该断裂强烈活动, 沿断层破碎带深部岩浆喷发和海底热水喷流活动频发, 导致沿该断裂控制的深水盆地沉积一系列热水沉积岩及矿床类型,贵州镇宁泥盆系大型重晶石矿床即是这一时期该盆地演化(裂解)过程中的产物, 矿床的形成明显受到水城-紫云-南丹晚古生代裂陷的制约。该矿床主要分布在水城-紫云-南丹晚古生代裂陷控制的深水台沟中(图 1b), 重晶石矿体大致呈北西向沿该区域性深断裂分布, 矿体主要呈层状、似层状或透镜状分布。

镇宁重晶石矿床主要沿乐纪顶红背斜(图 1c)分布, 该背斜位于矿区中部, 矿区内延伸约 5 km, 该背斜核部地层为中泥盆统火烘组(D2h), 两翼为上泥盆统桑郎组(D3s)、代化组(D3d)及石炭系等地层。重晶石矿床主要赋存于上泥盆统桑郎组灰色、深灰色、黑色硅质岩、硅质泥岩序列中。该重晶石矿主矿体厚度约9～10 m, 矿体沉积剖面由下往上可分为三个沉积矿段, 各沉积矿段厚度约为6.1 m、1.4 m和2.1 m, 底部第一沉积矿段厚度最大, 记录的矿床沉积、演化信息最完整, 纵向剖面上可见大量热水沉积成因的纹层状-条带状-角砾状-碎屑状-块状构造等结构、构造特征[14]。

图1 地质背景与矿区地质图Fig.1 Geological setting and geologic map of the Zhenning barite deposit

2 样品采集及测试分析

通过对镇宁泥盆系大型重晶石矿床产出及沉积特征等进行详细、系统的野外观察, 将该矿床由下而上依次划分为三个沉积旋回[14], 系统采取三个沉积旋回中11件不同结构、构造类型的岩(矿)石样品(见表1), 样品在中国科学院贵阳地球化学研究所碎样室磨碎至200目, 以备锶同位素测试所用。

表1 镇宁重晶石矿采样位置及样品特征Table 1 The location and characteristics of samples from barite deposit of Zhenning County, Guizhou

锶同位素测试工作在中国地质调查局宜昌地质矿产研究所完成。首先将 200目粉样置于烘箱, 80℃干燥3 h, 称取适量样品, 用HF和HClO4溶解样品, 采用阳离子树脂(Dowex 50×8)交换法分离和纯化Sr。在锶同位素分析过程中, 用GBW 04411、NBS 607和NBS 987标准物质分别对分析流程和仪器进行监控。NBS 987的87Sr/86Sr同位素组成测定值为0.71023±0.00005(2σ), 与证书值 0.71024±0.00026(2σ)在误差范围内完全一致; 样品多次平行测定国际标准 NBS 607的87Sr/86Sr同位素组成平均值为1.20037±0.00015(2σ), 与 其 证 书 值 (1.20039 ±0.00020)在测定误差范围内完全一致。GBW 04411的87Sr/86Sr比值为 0.75994±0.00001(2σ), 亦与其证书值(0.75999±0.00020(2σ))在误差范围内完全一致,测试数据可靠。锶同位素分析所需的样品制备全过程均在超净化实验室内完成, 全流程Sr空白为 3×10–10, 样品锶同位素测试在热电离质谱仪MAT 261上完成。

3 镇宁重晶石矿床锶同位素特征分析与讨论

在地壳漫长的演化进程中海水锶同位素起到了“监控器”的作用, 由于海水锶同位素组成在某一特定时期均一化的特点, 其比值变化详细记录着地质历史时期地壳阶段演化、海平面波动、造山运动、气候变化及海底热事件等重大地质事件发生、发展、演化的信息[8,10,19,20,21]。早在1974年, Veizer et al.[19]就曾通过108个海相沉积碳酸盐岩样品的锶同位素组成来探索显生宙以来海洋锶同位素演化规律。在此基础之上, Burke et al.[20]又精确测定了786个海相成因碳酸盐岩、磷灰石、蒸发岩及DSDP岩芯样品的锶同位素组成, 绘制了自中晚寒武纪以来古海洋的锶同位素演化曲线, 展现了各地质历史时期海水锶同位素复杂的变化过程, 拓展了锶同位素的研究领域, 使得锶同位素研究在地层对比、地质事件分析与成岩(矿)的流体来源及性质判断等方面被广泛使用[6,8–12,21–27]。而泥盆纪是国际上海水锶同位素组成研究较多的一个时期[19,21,28,29]。我国学者黄思静[30]对四川龙门山及上扬子地区海相碳酸盐岩锶同位素进行了测定, 得出泥盆纪时期海水87Sr/86Sr比值约为0.70825, 这与 Veizer et al.[19]获得的泥盆纪海水锶同位素比值(约为 0.70829)相近, 可以代表泥盆纪时期海水平均的锶同位素比值, 并可进行全球对比。

对于地质历史时期海洋锶同位素所产生的阶段性变化, 一般认为其主要受到大陆古老岩石风化提供的较高锶同位素比值(87Sr/86Sr = 0.71190)[31]的壳源锶及洋中脊热液系统供给的较低锶同位素比值(87Sr/86Sr = 0.70350)[32]的幔源锶的双重影响, 它们作为两个地球化学性质截然不同的地球圈层,87Sr/86Sr比值之间存在较大差异。两者以不同方式或比例进入大洋系统, 从而影响海洋锶同位素的组成。因此, 可以根据所测得的岩(矿)石样品的锶同位素比值来推断其成(岩)矿物质或流体来源。镇宁泥盆系重晶石矿的锶同位素分析结果列于表 2, 11件重晶石样品87Sr/86Sr比值介于 0.70863～0.70898之间,平均约为 0.70877, 与同时期海水的锶同位素比值(0.70829)[19,30]相比略有偏高, 与幔源锶同位素比值(0.70350)[32]相比明显偏高, 与壳源锶同位素比值(0.71190)[31]相比明显偏低, 揭示镇宁泥盆系重晶石矿中锶可能为混合来源。

表2 贵州镇宁泥盆系重晶石矿床锶同位素组成特征Table 2 Strontium isotope ratios of barite deposit in Devonian in Zhenning County, Guizhou

由于海洋中钡大量存在时可以发生钡与锶的快速沉积[8], 所以含钡流体在沉积形成钡矿物(矿床)的过程中海水或其他流体的锶同位素特征对其锶同位素组成的影响很小, 钡矿物的锶同位素组成仅代表含钡热流体的来源及性质。镇宁泥盆系重晶石矿的锶同位素比值介于海水与壳源锶之间, 而明显低于壳源锶的组成。因此, 单纯的海水或陆壳物质供给形成镇宁大型重晶石矿床的可能性较小。假设镇宁重晶石矿床成矿物质来源于陆壳, 那么其成矿流体初始锶同位素比值应接近于壳源锶的比值(0.71190)[31], 而要使沉积形成的重晶石矿体的锶比值从0.71190左右降低至0.70877左右, 仅靠海水与壳源热流体通过对流混合的方式来实现是比较困难的, 因为在较短的时间间隔内海水的缓冲作用难以使较高锶同位素比值的热流体的锶比值产生较大幅度的变化; 同时正常海洋中的钡含量是比较低的,且镇宁泥盆系重晶石矿床处于一个相对闭塞的受限断陷台沟(盆)中, 单纯的海水供给形成这一大型重晶石矿床的可能性很小。为了进一步分析矿床成因及物源特征, 可借助87Sr/86Sr与 SiO2和 Al2O3相关性图解判别。由于铝质多来源于陆壳或地表风化物质, 而硅质则为深部热水成因[13], 从图 2中可知,87Sr/86Sr-Al2O3图解显示两者为正相关关系,87Sr/86Sr-SiO2图解显示两者呈负相关关系, 说明该重晶石中Sr和Si均来源于洋壳, 通过水城-紫云-南丹深大断裂形成的海沟切入洋壳, 构成深渗循环的热水对流系统, 从而将深部Sr和Si带出至理想场所沉积, 这也暗示了成矿所需的Ba也可能来自以热水淋滤洋壳或海沟堆积的有机体,87Sr/86Sr与SiO2负相关关系也说明Si基本来自洋壳, 而不是陆源物质。该重晶石矿床87Sr/86Sr比值略高于同时期海水是源于该海沟中可能存留有陆壳风尘物质(富 Al2O3), 而陆壳风尘物质具有较高放射性成因的锶同位素, 其混入程度升高将会导致重晶石锶同位素比值的增大,87Sr/86Sr与 Al2O3正相关关系可直观的反映这一推论。这些特征均揭示镇宁重晶石矿床锶同位素组成可能是同时代海水与深部热水混合所致。夏菲等[10]在对贵州天柱、玉屏重晶石矿床中穿插地层的重晶石矿脉和黄铁矿重晶石结核研究表明, 其87Sr/86Sr比值介于0.709537～0.709585之间, 高于同时代海水(0.7090)[33], 也被认为是受壳源杂质参与成矿的结果。Kumral[11]对土耳其安纳托利亚东南部 Hasköy重晶石矿床研究表明, 其87Sr/86Sr(0.711204～0.714088)高于同时代海水(0.7080), 也得出了相似的结论。

图2 87Sr/86Sr与Al2O3、SiO2相关图解Fig.2 87Sr/86Sr-Al2O3 and 87Sr/86Sr-SiO2 of barite deposits, Zhenning County, Guizhou

鉴于此, 我们提出一种可能的解释, 即含较低放射成因锶的深部含矿热流体通过断裂破碎带发生大规模的对流循环, 深部高温热流体在循环过程中对洋壳或海沟沉积体进行淋滤、交代等, 其间伴随成矿元素的活化、迁移和富集, 并使得具较高放射成因锶的陆壳物质参入, 从而构成具混合模式的成矿热系统, 而沿断层破碎带发生的大规模对流循环体系则为不同比值的锶同位素流体的混合、均匀过程提供了空间, 当具有混合模式的含矿热流体从海底喷出后遇冷的海水而快速降温, 成矿物质迅速卸载堆积成矿, 所沉积下来的重晶石矿(岩)本质上继承了混合后热流体的特性, 其锶同位素组成并不代表某一单一的锶来源, 镇宁泥盆系重晶石矿床成矿流体可能为同时代海水与海底热水所形成的混合热流体, 而具较高放射性成因壳源锶的混染可能是导致该重晶石矿床锶同位素比值偏高的主要原因。Staude et al.[12]在对德国西南部Schwarzwald地区二叠纪、侏罗纪热液矿化成因重晶石锶同位素研究,发现其锶同位素比值也高于同时期海水, 通过与硫同位素相结合研究发现重晶石的锶组分部分就来自基底地层。

从区域构造背景分析, 镇宁泥盆系重晶石矿床产在水城-紫云-南丹晚古生代裂陷控制的断陷台沟中, 台沟两侧为浅水碳酸盐岩台地, 该台沟由南东向北西呈楔状展布, 是一受限的断陷台沟(盆), 扬子古陆区即位于其北东侧; 同时矿床地球化学数据揭示矿床形成于弱氧化环境, 野外调查也发现矿体中沉积有5～10 cm厚的深红色铁质层, 这些特征也表明矿床形成时所处的环境为氧化环境, 说明该重晶石矿床形成时应处于水体深度相对较浅的弱氧化环境, 受古陆及所处构造位置的影响, 矿床形成过程中受到壳源风尘物质的参与程度要高于深海环境。据此推断, 沿断裂破碎带在该断陷台沟(盆)中发生的大规模热流体循环过程中可能有一定程度的壳源风尘物质的混入, 从而导致其具有较高的锶同位素比值, 这与西成矿化集中区热水沉积岩[34]及酒泉盆地青西凹陷湖相热水沉积岩[27]的锶同位素组成特征类似。

从地球化学方面分析, 镇宁重晶石矿中W含量相对较高, 而酸性岩浆中 W 含量被认为是最高的,特别是W和Sn与酸性花岗岩具有明显的成矿专属性, 初始富集的含钨建造经花岗岩化或选择性重熔可富集成矿[7], 镇宁重晶石矿中 W含量最高达到了106～118 μg/g, 这可能与广西泥盆系火山沉积的含钨建造有关, 泥盆纪时期南丹台沟中W含量最高达360 μg/g[35]。海底热液沉积物REE分布常具有明显的 Eu正异常, 镇宁泥盆系重晶石矿床 δEu =2.11～5.11[15], 其稀土分布模式与海底热液(水)沉积物相似, 且具有非常明显的 δEu正异常, 这些特征均揭示该重晶石矿床成矿过程中有深部物质的贡献。

综上所述, 镇宁重晶石矿床成矿热流体为同时代海水与海底热水所形成的混合热流体, 由于受到陆壳物质的混染作用, 导致镇宁重晶石矿床的锶同位素比值略有偏高, 其锶同位素比值特征所指示的并非单一来源的锶, 而应是海底热水与同时代海水混染后混合热流体的锶同位素特征。本文锶同位素的研究为镇宁泥盆系重晶石矿床的海底热水沉积成因提供了更有力的同位素证据。

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