宁夏卫宁北山钴异常的物质来源研究

吴文忠，孟 方，王 红，潘进礼，艾 宁

（宁夏地质调查院，银川750021）

宁夏卫宁北山地区是宁夏境内金属成矿条件最好、成矿迹像最多的金属成矿区带之一，也是宁夏基础地质调查程度相对较高地区。自20世纪50年代末至今，先后有多家地勘单位在本地区做过区域地质、水文地质、区域物化探调查、区域矿产评价等基础性工作，并在不同地区进行了预查、普查、详查工作，积累了大量的资料。同时结合矿产勘查工作，进行了一系列专题研究。1988年，徐国风［1］通过稳定同位素（铅、硫、碳、氧）和包裹体研究，认为金场子金矿床的成矿物质来源于上地壳，金、银、铅、铜等成矿元素来源于石炭纪和泥盆纪沉积岩，且成矿流体是大气水和沉积地层水（成岩水）的混合溶液。1991年，梅建明、邵洁涟［2］对宁夏金场子金矿床氧化带中针铁矿矿物学进行了研究，指出宁夏金场子金矿床氧化带针铁矿具有晶胞参数小于理论值、红外吸收光谱、视觉反射率大于一般针铁矿等标型特征。宋新华、李宏宇［3］通过对宁夏中卫市大铜沟铜矿地质特征及控矿因素的研究，指出大铜沟铜矿床是由沉积作用—成岩后热液富集作用—后期表生改造作用形成，其成矿是岩相、地层、岩性和构造共同作用的结果。刘勇、李廷栋［4］等用SHRIMP锆石U－Pb法获得宁夏卫宁北山金场子闪长玢岩岩脉的年龄为（147．2±2．3）Ma，形成时代为晚侏罗世，属燕山期，为燕山期岩浆活动的产物；表明宁夏卫宁北山在燕山期存在中酸性岩浆活动；并指出，出露地表的闪长玢岩脉与可能存在的隐伏中酸性岩体构成一个统一的岩浆－侵入系统，而隐伏的中酸性岩体可能就是卫宁北山地区多金属矿的矿源和中心。

钴作为战略性矿产和稀缺资源在宁夏首次被发现，对宁夏而言是一种新矿种。笔者就卫宁北山钴异常的分布特征进行了探讨，并通过对含钴黄铁矿包裹体的Ar－He同位素的组成进行测定，结合硫同位素的研究，分析了卫宁北山钴异常的物质来源及成矿流体特征，为卫宁北山钴矿体的进一步勘查及其形成机制的研究提供了理论依据。

1 区域地质概况

卫宁北山位于贺兰山南部，西域岩石圈块体和青藏岩石圈块体的结合部，是中、新生代中国东、西部构造分界的贺兰山—六盘山南北向构造带的组成部分；同时又位于新生代青藏高原东北边缘向北东突出的弧形构造带［4－6］。大地构造位于秦祁昆造山系北祁连造山带东段，其北与华北地台阿拉善地块相接，其东与华北地台鄂尔多斯地块毗邻，属构造活动带与稳定地块的交接部之构造活动带边缘，具明显的活动性［7－8］。早古生代时期，该区属北祁连加里东弧后盆地的一部分，形成了次深海斜坡相陆源碎屑－泥质沉积为主浊积岩系（奥陶系米钵山组、香山群）；加里东末期，北祁连弧后盆地褶皱回返，构成本区晚古生代各类建造的基底层。泥盆纪演化为前陆盆地，沉积了一套陆相磨拉石建造（老君山组），不整合覆于基底层之上；石炭纪前陆盆地进一步深化为伸展型上叠盆地，则形成一套咸化泻湖—陆棚海沉积建造，与下伏地层平行不整合接触（泥盆系）或不整合接触（下古生界）。在上石炭统下部，有沿海底深断裂上升的热卤水活动及其喷溢沉积物形成；二叠—三叠系（大黄沟组、红泉组、五佛寺组、南营儿组）过渡为陆相沉积，与下伏石炭系整合接触。三叠纪末的印支运动，以近南北向挤压为主，在本地区形成了近东西向展布的褶皱、断裂构造，奠定了工作区的基本构造格架。燕山运动，在继承了印支运动形成的构造格架的基础上，主要以近东西向挤压为主，并对原构造格架进行了适当的改造，在区域上形成了侏罗系、白垩系和古近系与下伏地层间的不整合接触；同时，在本地区伴生有中酸性岩浆侵入，形成了较多隐伏和出露地表的花岗闪长岩－闪长岩体（脉）及岩浆热液蚀变岩。喜马拉雅运动在本区表现较弱，以整体抬升为主。

图1 卫宁北山地区地质简图

2 钴异常的物质来源分析

2．1 采样位置

本次研究在大铜沟背斜（见图1）验证钻孔矿化段岩心中采集了4件含钴黄铁矿矿石流体包裹和5件含钴黄铁矿硫同位素分析样。所有样品分析工作均在中国科学院油气资源研究重点实验室完成，详细的实验方法参见文献［9－10］。为了了解研究区岩石的硫同位素特征，以便于对比分析，收集了前人对卫宁北山单梁山、金场子岩石的硫同位素测定数据。

2．2 结果与讨论

2．2．1 氦、氩同位素研究

稀有气体有3个明显不同的源区，即饱和空气雨水中的稀有气体、地慢中的稀有气体和在地壳中由核过程形成的放射成因稀有气体［11］。与其他稀有气体相比，He和Ar在这3个端元中具有极不相同的同位素组成。尤其是氦，相对于地壳而言，地幔氦以富3He为特征，3He／4He＝6～9 Ra（Ra为大气的3He／4He比值，为1．4×10－6；或表示为R／Ra＝6～9，R为3He／4He测试值）；地壳中的氦则相对以富4He为特征，一般R／Ra＝0．01～0．05。地壳和地幔的3He／4He值存在高达近1 000倍的差异，即使地壳流体中有少量慢源氦的加入，用氦同位素也易于判别出来［12］。由于流体包裹体的寄主矿物是硫酸盐和硫化物时，包裹体内的稀有气体被捕获后没有明显的扩散丢失，而黄铁矿较低的扩散系数是保存 He、Ar最理想的矿物［13－15］。因此，本次研究采集了大铜沟ZK7－2钴矿化体中的含钴黄铁矿，进行黄铁矿流体包裹体的He、Ar同位素分析，以示踪成矿流体来源。氦、氩同位素组成特征见表1所示。

表1 大铜沟ZK7－2黄铁矿中的流体包裹体的氦、氩同位素组成

由表1可知，4件黄铁矿样品中流体包裹体3He／4He比值介于0．001 943－0．008 04 Ra，均小于0．1 Ra，说明4件黄铁矿样品的流体包裹体中均富含4He，具有地壳氦的特征。由图2中3点He同位素组成在3He／4He同位素演化图解上的投影可知，数据点均落于地壳的一侧，说明卫宁北山大铜沟钴矿的成矿流体来源于地壳。

图2 卫宁北山大铜沟成矿流体的He同位素组成［16］

在表1 中，4 件 黄 铁 矿 样 品 DTK－1、DTK－2、DTK－3、DTK－4 的40Ar／36Ar比 值 分 别 为 588．6、392．5、324．9和416．3，其平均值为430．575，略高于溶解在雨水中的大气氩的同位素组成（饱和空气雨水中40Ar／36Ar＝295．5），而远远小于地壳和地幔流体的40Ar／36Ar比值。地壳流体的40Ar／4He的比值为0．16～0．25，地幔流体的40Ar／4He比值为0．33～0．56，而 大 气 降 水 端 元 组 分 的40Ar／4He＝0．01［12，17－18］。大铜沟4件样品黄铁矿流体包裹体的40Ar／4He比值介于0．004 19～0．03，平均值为0．014，远远小于地幔的40Ar／4He比值，介于大气降水和地壳的40Ar／4He比值之间，比较接近大气40Ar／4He比值 。黄铁矿流体包裹体的3He／4He、40Ar／36Ar和40Ar／4He比值特征显示，卫宁北山大铜沟钴化矿的成矿流体来源于沉积地层水和大气降水，成矿流体是沉积地层水和大气降水的混合物。

2．2．2 硫同位素研究

卫宁北山单梁山、金场子和大铜沟岩石、矿石硫同位素组成特征见表2所示。

表2 卫宁北山岩石、矿石硫同位素组成特征

在表2中，6件围岩黄铁矿的δ（34S）值＝＋1．4～＋16．4，均值为＋9．4，δ（34S）值主要显示正值的特征。5件矿石矿物黄铁矿的δ（34S）＝＋14．0‰～＋15．5‰，平均值为＋14．84‰，远远大于地幔硫的δ（34S）值，而接近围岩的δ（34S）值。5件矿石矿物黄铁矿的δ（34S）极差R＝1．5‰，δ（34S）值变化范围较窄，说明硫的均一化程度较高，硫同位素的分馏达到了平衡，具有热液成因的特征。因此，卫宁北山大铜沟钴矿化体的硫来源于石炭系沉积地层，热液改造了围岩的硫同位素的组成，使围岩的硫同位素进行了再次分馏，进而使硫同位素达到了平衡。

2．3 钴异常的物质来源分析

通过硫同位素分析，卫宁北山大铜沟钴矿化体的硫来源于石炭系沉积地层，热液改造了围岩的硫同位素组成特征，使围岩的硫同位素进行了二次分馏，从而达到了平衡。黄铁矿流体包裹体3He／4He、40Ar／36Ar和40Ar／4He比值显示，卫宁北山钴矿体的成矿流体来源于沉积地层水和大气降水，是沉积地层水和大气降水的混合物。结合硫同位素和氦、氩同位素组成特征，笔者认为：卫宁北山钴异常的物质来源于石炭系地层，而与岩浆无关。地下水沿构造裂隙带渗流、环流时，萃取了石炭系地层中的钴元素，并在有利的构造空间富集成矿。

3 结论

1）黄铁矿流体包裹体的3He／4He、40Ar／36Ar和40Ar／4He的比值特征显示，卫宁北山大铜沟钴化矿的成矿流体来源于沉积地层水和大气降水，成矿流体是沉积地层水和大气降水的混合物。

2）卫宁北山大铜沟钴矿化体的硫来源于石炭系沉积地层，热液改造了围岩的硫同位素的组成，使围岩的硫同位素进行了再次分馏，进而使硫同位素达到了平衡。

3）卫宁北山钴异常的物质来源于石炭系地层，而与岩浆无关。地下水沿构造裂隙带渗流、环流时，萃取了石炭系地层中的钴元素，并在有利的构造空间富集成矿。因此，卫宁北山钴异常的形成受石炭系地层和构造的双重控制，石炭系地层在沉积时沉积了微量的钴元素，而构造所形成的裂隙和构造角砾岩不仅为含矿热液提供有利的运移通道，同时也是钴元素聚集的最佳场所。

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