新疆中天山东部彩霞山铅锌矿床稳定同位素特征及成因探讨

曹晓峰，吕新彪, ，张平，刘申态，高翔，刘月高，唐然坤，王于健，胡其涛

(1. 中国地质大学 资源学院，湖北 武汉，430074；2. 中国地质大学 地质过程与矿产资源国家重点实验室，湖北 武汉，430074；3. 武汉钢铁集团矿业有限公司，湖北 武汉，430074；4. 西藏玉龙铜业股份有限公司，西藏 昌都，854000；5. 新疆第一地质大队, 新疆 昌吉，831100)

中天山东部卡瓦布拉克—星星峡地块是一条重要的铅锌成矿带。近年来，该区先后发现和评价了吉源、红星山、玉西、沙泉子、彩霞山和宝源等铅锌(银)矿床点[1-8]。这些矿床均产于前寒武纪大理岩或含碳碎屑岩中，受构造控制明显，且矿区海西期岩浆岩广泛发育。人们对其成因认识目前仍存在多种观点，如MVT型、岩浆热液型、喷流-沉积型和沉积变质-热液改造型层控矿床等[3-4,7-11]。彩霞山铅锌矿床是该成矿带中勘查程度最高，储量最大的矿床，远景资源量达 300万t以上。对该矿床成矿过程及矿床成因的认识仍存在分歧，本文作者通过对彩霞山铅锌矿床的地质特征及稳定同位素地球化学特征分析，探讨其成矿过程和矿床成因，并为在卡瓦布拉克—星星峡中天山地块中寻找同类型铅锌矿床提供依据。

1 区域地质背景

卡瓦布拉克—星星峡中天山地块位于塔里木板块与哈萨克斯坦—准噶尔板块之间，北部阿奇克库都克—沙泉子断裂与北天山觉罗塔格相接[12-13]，南部星星峡—尾亚断裂与北山裂谷相邻[14-16](见图1)。主要出露一套前寒武纪中深变质岩系，包括星星峡群、卡瓦布拉克群、天湖群[13-17]，并被不同时代花岗岩侵入[18-19]。大致呈向南凸出的弧形带状展布，组成中天山前寒武纪基底，即中天山结晶轴[16,20]。

星星峡群主要由条带状和眼球状花岗片麻岩、大理岩、片岩、混合岩及石英岩等组成，总体上为角闪岩相变质，局部达到麻粒岩相[21-23]。其原岩为1.4 Ga形成的中、酸性至基性火山岩或相应的深成侵入岩[24]，遭受了新元古代(0.9～1.1 Ga)不同程度的变质作用和岩浆活动的改造[25]；卡瓦布拉克群为花岗质片麻岩、富含叠层石的镁质碳酸盐岩、少量陆源碎屑岩及凝灰质碎屑岩；天湖群主要为片岩、石英岩、大理岩和斜长角闪岩等，其原岩以陆源碎屑岩为主，仅含有少量基性火山岩[22]。大量同位素数据表明中天山结晶基底主要形成于古元古代，由2.2～1.6 Ga前地幔分异形成[17,22,24,26-30]，并于中元古代早期约1.4 Ga活化形成具有岛弧岩浆岩特征的花岗闪长岩[25]。中元古代晚期至新元古代早期(1.2～0.9 Ga)，本区再次发生强烈的构造岩浆活动，使早期地质体发生变质和岩浆活动的改造，形成相应的混合岩和花岗片麻岩[22,27]。之后，卡瓦布拉克—星星峡中天山地块整体处于稳定期，局部受到了加里东期，海西期及印支期构造岩浆活动的影响[26, 31-33]。

图1 东天山大地构造略图(据参考文献[7, 16]修改)Fig.1 Tectonic sketch map of eastern Tianshan region

2 矿区地质特征

矿区出露地层主要为青白口纪卡瓦布拉克组第 1段，主要为石英砂岩、钙质粉砂岩、粉晶灰岩、大理岩、白云岩及糜棱岩。地层北东向及近东西向展布，南倾，倾角为 45°～75°。北部出露有石炭纪石英闪长岩、闪长岩、花岗岩及花岗闪长岩岩株或岩枝。矿区内则广泛发育闪长玢岩脉，局部发育有辉绿玢岩脉和石英闪长玢岩脉，脉体主要呈北北西和北东向展布(见图2)。

矿区内断裂、褶皱和韧性剪切带发育。其中，断裂具近东西向、北东向和北北东向三组(图2)。近东西向的大断裂为推覆逆断层，向南倾，倾角约 75°；卡瓦布拉克组第1层和第2层以北东向逆冲推覆断层接触，断层倾向南东，倾角约 75°，沿该断裂发育糜棱岩；最后一期北北东向平移断裂切割前两组断裂；可见断裂具多期次活动特征。矿区褶皱为一倒转背斜，褶皱枢纽走向近东西向，两翼和轴面皆向南倾斜，北翼倒转。铅锌矿体受近东西向和北东向构造控制，产于构造破碎带及糜棱岩化带中。

3 矿床地质特征

3.1 矿体地质特征

彩霞山铅锌矿床产于青白口纪卡瓦布拉克群第一岩性段碎屑岩—碳酸盐岩建造之中。目前已经发现Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ 4个主要矿化蚀变带，其中，以Ⅱ号矿化蚀变带矿化最好，其东部的Ⅱ3号矿体勘查程度相对较高(图2)。Ⅱ3号矿体呈北东-南西向展布，倾向南东，倾角为65°～80°。地表控制断续长约450 m，控制最大斜深约300 m。矿体产于断裂破碎带内蚀变岩大理岩中，主要为似层状、透镜状、扁豆状、细脉状和囊状。多数矿体产于白云质大理岩与片岩、千枚岩的接触带上或白云质大理岩内。Ⅱ3号矿体又可细分为3条，一般长为630～1 300 m，厚为11.62～32.15 m，最大厚度为44.43 m，以铅、锌为主，伴生银。其中，铅平均品位为 1.12%、锌平均品位为 2.15%、伴生银平均品位为 12.90 g/t。

3.2 矿石特征

图2 彩霞山铅锌矿矿区地质图(据参考文献[34]简化)Fig.2 Geological map of Caixiashan Pb-Zn deposit

图3 彩霞山铅锌矿矿石手标本及显微照片Fig.3 Observations of hand specimens, thin sections and polish sections of Caixiashan Pb-Zn ore

矿石中主要金属矿物为方铅矿、闪锌矿、黄铁矿和磁黄铁矿(图3(a)和(b))，还含少量黄铜矿和毒砂等。脉石矿物主要有白云石、透闪石、方解石、石英、阳起石、绢云母、绿泥石及蛇纹石。在地表及近地表矿石往往被氧化成铅矾、白铅矿、褐铁矿、黄钾铁矾、菱铁矿及孔雀石等(图3(c))。矿石多呈无定向构造、浸染状-网脉状构造、角砾状构造(图3(b))，部分为定向构造、微定向构造(如脉状构造见图3(a)、似纹层状构造)。矿石具交代溶蚀结构(图3(d)～(f))、纤维状-柱状变晶结构、碎裂显微粒状变晶结构、糜棱结构(图3(g))、S型剪切结构(图3(h))、揉曲结构(图 3(i))。蚀变矿物多呈它形粒状结构(图3(j))、片状结构(图3(k))、溶蚀结构(图 3(l))。

3.3 围岩蚀变类型、分带性及成矿阶段

彩霞山铅锌矿区矿化蚀变较强，沿矿区断裂分布，矿化蚀变带走向110°～290°，主要有硅化、透闪石化、白云石化、绿泥石化、绢云母化、绿帘石化、蛇纹石化、闪锌矿化、方铅矿化、黄铁矿化及磁黄铁矿化等。无论是矿区尺度还是手标本尺度，金属硫化物矿化均具有明显的分带性：矿区西部Ⅰ号蚀变带，以胶结围岩粉砂岩角砾的宽网脉状黄铁矿为主，局部见黄铁矿顺层分布和切层的流动构造；矿区中部的Ⅲ及Ⅳ号蚀变带则主要出现具有明显共生关系的磁黄铁矿和闪锌矿；矿区东北部Ⅱ号蚀变带则出现大量的方铅矿和闪锌矿组合。而矿石手标本上可见黄铁矿分布在最外围，向内依次为磁黄铁矿及闪锌矿，最后为方铅矿。

通过对组成矿石主要金属矿物、矿石结构构造的详细观察，推断矿床的形成经历了热液成矿期，动力变质变形期和表生成矿期。热液期成矿期主要分2个成矿阶段：第1阶段方解石—白云石—透闪石—石英—黄铁矿阶段，矿物组合主要为透闪石、白云石、方解石、石英、黄铁矿；第2阶段为磁黄铁矿—闪锌矿—方铅矿—石英—方解石阶段，矿物组合主要为磁黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、石英和方解石，此外还含有少量的黄铁矿及黄铜矿。表生期以氧化淋漓为主，形成褐铁矿、黄钾铁矾、菱锌矿、铅矾、白铅矿及孔雀石等。

4 稳定同位素分析方法

碳氧硫同位素测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。其中硫同位素是将各种硫化物单矿物与氧化亚铜在真空状态下加热，进行氧化反应，生成二氧化硫，采用 MAT-251同位素质谱仪进行硫同位素组成分析，其准确度由标准物质的分析结果间接给出，分析精度在±0.2‰之内。碳氧同位素是将方解石样品碎至粒度为74 µm，称烘干样品20 mg转入反应支管中，然后向反应器管中注入5 mL的100%磷酸，加热去气，抽真空，待真空达到n×10-1Pa，关闭各个反应器，并将支管的样品与磷酸充分反应达到平衡。待反应完毕，取出反应器，连上真空系统，逐个转移析出CO2，将CO2收集到样品管中，抽去废气送MAT-251质谱分析。分辨精度：δ13C＜0.01‰，δ18O＜0.02‰。

铅同位素测试在武汉地质矿产研究所完成。其分析过程为：称取10 mg的矿物样品于聚四氟乙烯烧杯中，加入HF+HNO3混合酸分解样品，蒸干，用6 mol/L HCl除去溶样时带进的其他酸根离子，最后转化成HBr与 HCl摩尔比为 1:2混合酸介质，离心，通过AG-1×8(38～74 µm)阴离子交换柱，用 5～8 mL 0.3 mol/L HBr淋洗杂质，再用5 mL 0.5 mol/L HCl将树脂转型，最后用5 mL 6 mol/L的HCl解吸Pb。Pb同位素比值的测定在MAT-261可调多接收质谱计上完成。采用NBS981国际标准物质的摩尔比(n(207Pb)/n(206Pb)为0.914 6±3)来监控Pb同位素的摩尔比测定。

5 稳定同位素特征

5.1 碳和氧同位素组成

彩霞山矿区碳酸盐类岩石及碳酸盐化蚀变发育，相对于硅化，各阶段碳酸盐手标本差异明显，适合碳氧同位素演化分析。本次碳氧同位素分析样品均采自Ⅱ3号富矿体，分别采集了矿石中的重结晶灰色方解石角砾、成矿期矿石中的白色细粒方解石及成矿晚期的白色方解石脉，结合前人分析的蚀变大理岩样品数据，共获得9个碳氧同位素组成(见表1)。

从表1可以看出：后期未见矿化的方解石脉，重结晶方解石及蚀变大理岩的13C的相对富集度δ13C为-2.4‰～0.1‰，变化范围小且接近0，与海相碳酸盐的值一致[35]；而与矿石共生的方解石具有明显的负值，变化范围为-6.72‰～-4.94‰，与深部岩浆来源的碳同位素组成一致。氧同位素也具有相似特征，后期未见矿化的方解石脉，重结晶方解石及蚀变大理岩的δ18OSMOW为11.15‰～19.05‰，介于海相碳酸盐与岩浆源的氧同位素值之间，并与沉积岩中的黏土矿物氧同位素组成一致；而矿石中白色细粒方解石的δ18OSMOW为 5.86‰～11.54‰，与岩浆源的氧同位素组成相似。图4所示为矿区碳氧同位素组成具有岩浆源与沉积源的混合趋势。高晓理等[36]获得的流体包裹体均一温度集中在190～220 ℃，在200 ℃条件下计算与碳酸盐平衡的水氧同位素组成，获得 δ18OH2O变化范围为-3.17‰～10.03‰，其变化范围同样具有岩浆热液与建造水的双来源特征，也反映了流体的混源特征。这些同位素特征得到了岩相学的进一步佐证，即镜下可见重结晶灰色方解石角砾呈大颗粒的褐色状并被溶解，新生出成矿期细粒的白色方解石(图3(l))。此外，高景刚等[10-11]还获得了1个石英样品及1个方解石样品的氢氧同位素数据，δ18OSMOW变化范围为 5‰～8‰，δDSMOW变化范围为-82‰～-72‰，具有岩浆水的特征。因而，岩浆流体为主要的成矿流体，流体受构造导入围岩，使大理岩蚀变、溶解，并在有利空间发生碳酸盐化及硅化和硫化物沉淀。

表1 彩霞山铅锌矿床II号蚀变带碳氧同位素组成Table 1 C—O isotope composition of No. II alteration belt at Caixiashan Pb-Zn deposit

图4 彩霞山铅锌矿床II号蚀变带碳氧同位素组成分布图(图中各源区范围引自参考文献[35])Fig.4 C-O isotope composition of No. II alteration belt at Caixiashan Pb-Zn deposit

5.2 硫同位素特征

矿石中硫是矿床成因和成矿物理化学条件的重要指示剂，即为控制金属元素运移的载体，也可为金属元素沉淀的化学障。其主要有3个储存库，即幔源硫(δ34S=0±3‰)、海水硫(δ34S=20‰)和地壳硫[37-38]。其中，地壳硫来源复杂，同位素值变化较大，主要以具有较大的负值为特征。本次分析的硫同位素样品采自不同产出特征的黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿及方铅矿，结合高景刚等[10]的分析数据，共27个数据(见表2)。

从表2可以看出：黄铁矿中δ34S变化范围非常大，为-21.11‰～19.10‰。其中，呈块状或者网脉状胶结围岩角砾的黄铁矿δ34S变化范围为-21.11‰～19.10‰，与闪锌矿共生的黄铁矿 δ34S变化范围为-10.50‰～15.38‰，糜棱岩中浸染分布的自形粒状黄铁矿 δ34S为8.45‰；磁黄铁矿中δ34S为-2.42‰～11.70‰；闪锌矿 δ34S 为 6.50‰～16.02‰，且集中在12.23‰～16.02‰范围内；方铅矿δ34S为1.20‰～14.83‰。可见：硫同位素组成总体上从黄铁矿、闪锌矿、方铅矿到磁黄铁矿依次降低。同一块手标本上闪锌矿的硫同位素组成均比方铅矿要高，这与手标本和镜下观察的方铅矿形成较晚相一致，表明其硫同位素组成基本达到平衡；而同一块标本上磁黄铁矿的硫同位素组成比闪锌矿低，不符合硫同位素分配顺序，未达到同位素平衡，表明硫成因的复杂性。图5所示为闪锌矿(Sph)、方铅矿(Ga)、黄铁矿(Py)和磁黄铁矿(Po)均具有比较高的正值，且集中在 10‰～20‰，这些特征与幔源硫具有明显的区别，具有海水还原硫的特点，但其零附近的值也不排除岩浆硫的贡献。早期块状或大脉状的黄铁矿具有相对高的高值和相对低的低值，而与磁黄铁矿、闪锌矿及方铅矿共生的黄铁矿硫同位素组成相似(表2)，表明黄铁矿具有多期成因特点。显微镜岩相学观察也表明黄铁矿具多期次、多世代特征。硫同位素组成的超低负值(-21.11‰)及超高正值(19.10‰)，表明硫不可能来自单一的海水硫酸盐还原机制。一般认为低硫同位素组成是在相对开放的还原环境下经过硫同位素平衡形成的，比如，由海水硫酸盐经细菌还原形成的δ34S为-10‰～-50‰，矿区出露的石英粉砂岩和大理岩透镜体为浅海相沉积组合，反应了相对开放的环境；而有机还原作用可以形成较高的正值，如矿区有还原性石墨。此外，玄武岩与海水相互作用，也可使硫酸盐还原形成黄铁矿或磁黄铁矿，据估计结果，δ34S为 20‰的海水与玄武岩反应生成的 H2S的 δ34S为20‰～-5‰[39]，但矿区未发现有玄武岩的存在，排除了这种机制的可能。综上所述，硫主要来源于海水硫酸盐的细菌和无机还原作用，但不排除岩浆硫的贡献。

表2 彩霞山铅锌矿床硫化物硫同位素组成特征Table 2 Sulfur isotope composition of sulfides at Caixiashan Pb-Zn deposit

图5 不同硫化物矿物中硫同位素组成分布对比图Fig.5 Diagram of sulfur isotope composition in different minerals

5.3 Pb同位素特征

相比较于轻稳定同位素，铅同位素不受物理分馏作用影响，因而被认为是反映矿石物源的最好途径。其组成主要受源区的初始铅，μ(即 n(238U)/n(204Pb))，ν(即 n(235U)/n(204Pb))，ω(即 n(232Th)/n(204Pb))，n(Th)/n(U)及形成时间等因素的制约。硫化物中因 U和 Th含量极低，铅同位素组成主要与源区性质有关，因而被广泛用于成矿物质示踪。通过对Ⅱ号蚀变带矿石取样测试，并结合前人获得的钻孔及探槽样分析数据(见表3)，对矿石铅来源进行探讨。

除CXS-KSD-18的铅同位素组成稍微偏低外，其余样品铅同位素组成范围如下：n(206Pb)/n(204Pb)为17.156 0～17.202 5；n(207Pb)/n(204Pb)为 15.522 0～15.527 7；n(208Pb)/n(204Pb)为 36.992 1～37.035 1(表 3)。铅同位素组成范围变化小于0.3%，与中国的大型、超大型铅锌矿床相似，均为整合铅[40]。利用Doe的单阶段模式计算特征参数，得出 μ为 9.49～9.51，ω 为36.61～36.85，模式年龄为 940～967 Ma。其中 μ 低于Doe单阶段拟合值9.57，表明其来源于贫铀源区，或者为壳幔混合形成。铅同位素组成与华北贫铀铅、富钍铅省的相似，而与新疆北部贫钍铅省及华南富铀铅、富钍铅省有所区别[40]。矿区海西期微晶闪长岩及围岩大理岩和粉砂岩的铅同位素组成相似[11]，比矿石铅的略高，但如经过U和Th含量校正，可能会与矿石铅同位素组成相似，均反映了该区与华北地区贫铀、富钍的特征相似。此外，彩霞山铅锌矿n(206Pb)/n(204Pb)和n(208Pb)/n(204Pb)与维诺格拉多夫按照地质构造旋回统计的地壳上不同时代方铅矿中海西期铅同位素组成相似[41]，而n(207Pb)/n(204Pb)略高，表明其铅可能与海西期构造岩浆活动有关。矿区存在石炭纪晚期微晶闪长岩(全岩Rb-Sr等时线年龄323 Ma[3])提供了很好的佐证，且矿区北部觉罗塔格大量发育石炭纪岩浆岩。其中n(207Pb)/n(204Pb)略高可能是因彩霞山矿区产于前寒武纪基底中，受围岩铅同位素组成的影响(n(207Pb)/n(204Pb)往往在前寒武纪有明显积累)。

利用不同成因矿石铅同位素的Δβ-Δγ成因分类图解[40]进行投图(见图6)，发现除1个上述异常点落入幔源铅范围，其余样品均落入上地壳与地幔混合的俯冲铅岩浆作用铅区域内，与上述分析的海西期热液流体蚀变作用结论相一致，因而可以推测得出在海西期构造热事件的影响下，彩霞山矿区普遍发生热液蚀变，导致矿区围岩与岩浆来源铅发生了同位素均一。

表3 彩霞山矿区铅同位素特征Table 3 Lead isotope composition of Caixiashan Pb-Zn deposit

图6 彩霞山矿石同位素Δβ-Δγ(底图据参考文献[41])Fig.6 Lead isotope Δβ-Δγ discrimination diagram of Caixiashan ore

6 矿床成因探讨

彩霞山铅锌矿区处于塔里木板块和哈萨克斯坦—准噶尔板块的汇聚部位，构造活动强烈。矿区北约 3 km即为区域性阿奇克库都克—沙泉子断裂。矿区控矿构造与区域性断裂走向近一致，为近东西向，倾角65°～80°。矿体产于构造控制的破碎带和糜棱岩带中，呈透镜状、扁豆状、细脉状和囊状产出。手标本及显微尺度下，均可见岩矿石发生了强烈的构造破碎、糜棱岩化及揉曲现象，持续时间从成矿前、成矿期一直到成矿后。且矿石在矿区尺度及手标本尺度均可见明显的分带性：矿区西部Ⅰ号蚀变带，以黄铁矿为主；矿区中部的Ⅲ及Ⅳ号蚀变带以磁黄铁矿和闪锌矿为主；矿区东北部Ⅱ蚀变带则以方铅矿和闪锌矿为主；手标本上可见黄铁矿分布在最外围，之后为磁黄铁矿及闪锌矿，最后为方铅矿。这些特征均反映了流体蚀变作用的存在及其分带性。

通过碳、氢、氧、硫、铅同位素分析可知：成矿热液及挥发分主要来源于岩浆热液，并与围岩碳酸盐发生了反应，交代溶解围岩碳酸岩并形成新生方解石和石英；成矿所需的硫则主要来自海水硫酸盐的有机还原及细菌还原作用；铅同位素显示成矿物质主要来自岩浆源，与海西期岩浆活动关系密切，并同化了围岩中的铅。矿区1 km深钻结果表明深部确实存在未变形的花岗岩体，这期花岗岩体可能形成于海西期，并为彩霞山矿区的物源和热源。梁婷等[3]通过 Rb-Sr测得矿区出露的微晶闪长岩的年龄为323 Ma。此外，在矿区北部觉罗塔格广泛发育海西期岩体[32]，处于东天山地区最广泛的构造岩浆活动期。肖庆华等[7]通过对比中天山地块中彩霞山铅锌矿、玉西银铅锌矿及红星山铅锌矿的矿床地质特征、硫同位素、铅同位素及流体包裹体特征，认为这些矿床具有相似的成矿特征及成矿规律，均表明矿床与海西期构造岩浆活动相关。但通过仔细对比发现彩霞山铅锌矿的矿石铅同位素和硫同位素与其他2个矿床有明显的差异，其硫同位素变化范围更大，硫同位素和铅同位素组成具有更低值，可能反映了彩霞山围岩物质贡献更多，从而有利于形成彩霞山大型—超大型矿床。

7 结论

(1) 彩霞山铅锌矿床为一受构造控制的，产于前寒武纪大理岩及变质粉砂岩破碎带及糜棱岩带中的岩浆热液型中温矿床。

(2) 彩霞山铅锌矿床成矿机理为岩浆热液携带了大量的挥发分和成矿物质，构造导通岩浆热液，使之在构造破碎带中与围岩发生反应，溶解围岩碳酸盐并与围岩中的硫结合，形成铅锌矿化。

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