新疆阿尔泰阿舍勒VHMS型铜锌矿床成矿流体的氦—氩同位素示踪

张志欣，杨富全，刘锋，李强，耿新霞

1）中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆矿产资源研究中心，乌鲁木齐，830011；

2）中国地质科学院矿产资源研究所，国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京，100037

内容提要：阿舍勒大型铜锌矿是我国典型的海相火山岩块状硫化物（VHMS）型矿床，赋存于阿舍勒盆地早—中泥盆世阿舍勒组海相火山—沉积岩系中。1号主矿体呈似层状或大透镜体状，矿石呈块状、浸染状、条带状、层纹状、细脉状。本文对块状、浸染状、条带状矿石的黄铁矿中流体包裹体He和Ar同位素进行了研究。黄铁矿中流体包裹体的4 He含量为（64.5～173.0）×10-7 cm3 STP/g，n（3 He）/n（4 He）值为（0.1358～0.379）Ra，幔源 He的含量为1.79%～5.55%，表明成矿流体中 He主要来源于地壳。40 Ar含量为（0.318～4.69）×10-7 cm3 STP/g，n（40 Ar）/n（36Ar）值变化于389.1～9425，40 Ar*含量为24.06%～96.89%，表明成矿流体中存在含有放射性成因Ar的海水加入。结合矿床的氢、氧、硫同位素特征，认为成矿流体来源为海水和幔源岩浆热液。

新疆阿尔泰山南缘是我国重要的以海相火山岩为容岩的块状硫化物型（VHMS）铜多金属成矿带，为哈萨克斯坦矿区阿尔泰VHMS型铜多金属成矿带的东延部分，具有相似的成矿地质背景，已发现多个VHMS型矿床，如阿舍勒大型铜锌矿床（叶庆同等，1997）、可可塔勒大型铅锌矿床（王京彬等，1998）、大东沟中型铅锌矿床（刘敏等，2008）、铁木尔特中型铅锌铜矿床等（耿新霞等，2010）。阿舍勒铜锌矿床发现于1986年，是我国最为典型的VHMS型矿床，近见来深部找矿工作又取得重要进展。前人对矿床地质特征、矿物学、含矿火山岩岩相学、地球化学、构造环境、年代学、成矿物质来源、成矿机制及成矿预测进行了详细的研究工作（陈毓川等，1996；王登红等，1996，2002；朱裕生等，2002；牛贺才等，2006；高珍权等，2010；Wan Bo et al.，2010），并取得了重要成果。对于成矿流体来源示踪研究则相对薄弱，陈毓川等（1996）利用黄铁矿及石英中氢氧同位素对成矿流体进行了示踪（δDSMOW值为-142.3‰ ～ -39‰，δ18OH2O值 为 -12.3‰ ～-0.3‰），认为成矿流体主要来源于岩浆水和海水。牛贺才等（2006）认为氢、氧同位素变化较大，石英中氢、氧同位素特征反映的是重结晶作用的流体特征，重新计算成矿热液δ18OH2O值0.5‰～5.5‰，表明有岩浆热液的混入。

氦—氩同位素体系由于在地壳和地幔中组成差异较大，常被作为壳—幔相互作用过程极为灵敏的同位素示踪剂。已有研究表明黄铁矿是保存氦的理想矿物，在包裹体被圈闭的100 Ma内，即使是最容易扩散的氦也不容易发生明显的丢失（Baptiste et al.，1996；胡瑞忠等，1999）。国内外学者利用黄铁矿流体包裹中氦—氩同位素体系成功示踪了金矿中成矿流体的幔源成分（毛景文等，1997；Burnard et al.，1999；Mao Jingwen et al.，2002，2003；张连昌等，2002；李晓峰等，2004；申萍等，2004；杨富全等，2004，2006）及现代海底热水沉积硫化物的流体来源（Turner et al.，1992；Stuart et al.，1994；曾志刚等，2000；Hou Zenqian et al.，2005）。本文在前人研究基础上，以阿舍勒VHMS型铜锌矿床中喷流沉积作用形成的典型块状、浸染状、条带状黄铁矿矿石为研究对象，开展了黄铁矿的氦、氩同位素地球化学研究，结合矿床的氢、氧、硫同位素特征，探讨了成矿流体的来源，以期为深入认识新疆阿尔泰山南缘成矿作用提供依据。

1 矿床地质特征

阿舍勒大型铜锌矿位于新疆哈巴河县北西30 km，大地构造上位于西伯利亚板块的南阿尔泰晚古生代活动陆缘中的大洋岛弧环境（牛贺才等，2006）。矿区出露地层主要为早—中泥盆世阿舍勒组和晚泥盆世齐也组（图1）。阿舍勒组分为二个岩性段：第一岩性段以凝灰岩为主，夹沉（含角砾）凝灰岩、凝灰质砂岩、流纹岩、灰岩，向上火山物质增多，为远火山口沉积。第二岩性段下部为凝灰岩、沉凝灰岩、含角砾凝灰岩，顶部夹玄武岩、灰岩、重晶石岩；中部为凝灰岩、角砾凝灰岩、沉凝灰岩，顶部夹硅质岩、重晶石岩、灰岩；上部为玄武岩、流纹岩，夹凝灰岩、角砾凝灰岩，矿化主要产于该岩性段中。齐也组分为二个岩性段，第一岩性段为集块岩、火山角砾岩、角砾凝灰岩、集块熔岩、凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩，少量流纹岩、角砾凝灰岩、含铁碧玉岩。第二岩性段为砂岩、粉砂岩、凝灰质（砂）粉砂岩、（含角砾）凝灰岩、沉火山角砾岩、流纹岩。

矿区潜火山岩发育，主要有（石英）闪长岩、（石英）闪长玢岩、潜玄武安山岩、潜英安斑岩、潜流纹斑岩，少量辉长岩脉。杨富全等（2013）对阿舍勒组火山岩和矿区潜火山岩进行了LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb分析，获得凝灰岩年龄为387±4.2 Ma，玄武岩为388.2±3.3 Ma，潜英安岩为379.4±0.8 Ma，石英闪长岩为378.5±0.9 Ma，限定阿舍勒组时代为早—中泥盆世。

矿区构造为复背斜，褶皱轴走向近南北向，次级构造为2个背斜和3个向斜。断裂主要呈近南北走向，其次是北西向、北东向、东西向，与区域构造线方向一致。矿区受玛尔卡库里大断裂影响韧性剪切带发育，岩石片理化强烈，发育糜棱岩、碎裂岩、石香肠、肠状构造、拉伸线理等。

阿舍勒矿田范围内已发现矿化蚀变带14条，阿舍勒铜锌矿床产于Ⅰ号矿化蚀变带中。Ⅰ号矿化蚀变带已发现4个矿体，主矿体（1号）为隐伏矿体，铜储量占矿床总储量的98%，其它矿体规模相对较小。1号矿体呈似层状或大透镜体状产于玄武岩和凝灰岩之间，与地层整合产出。矿体呈南北向展布，沿走向已控制长900 m，枢纽倾伏长1520 m。

矿石构造主要有（致密）块状、浸染状、条带状、细脉状、层纹状、斑杂状、斑点状、等构造。矿石结构有自形—半自形晶粒结构、它形晶粒结构、填隙结构、反应边结构、固溶体分离结构、假像结构、压裂纹及碎裂结构、变晶结构、压溶交代结构等。矿石中矿物主要为黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿，次为方铅矿、锌砷黝铜矿、含银锌锑黝铜矿、斑铜矿等。脉石矿物主要为石英、绢（白）云母、绿泥石、重晶石、方解石、白云石、长石等（陈毓川等，1996）。矿石成分以铜锌为主，含少量银、金、铅，矿石平均品位为：Cu 2.46%，Zn 2.93%，Pb 0.41%，Ag 18.37×10-6，Au 0.36×10-6，S22.66%。

与主成矿期有关的围岩蚀变主要为黄铁绢英岩化、硅化、绢云母化和绿泥石化，成矿后期或期后的碳酸盐化叠加在早期蚀变之上，青磐岩化主要发育于主矿体之上的玄武岩中，是主成矿期之后低温热液活动的产物（牛贺才等，2006）。

2 样品及分析方法

本次用于He和Ar同位素测试的样品采自阿舍勒铜锌矿区1号矿体矿石堆及钻孔（ZK1201）岩芯，所选样品均为新鲜的未蚀变的喷流沉积期块状（图2a、b）、浸染状（图 2c—e）及条带状（图2e、f）黄铁矿矿石。块状矿石（ASL-20、ASL-22）采于1号矿体矿石堆，矿物组合为黄铁矿+闪锌矿±黄铜矿。浸染状矿石（ASL-23、ASL-30）和条带状矿石（ASL-19、ASL-28）采于钻孔岩芯，矿物组合为黄铁矿+黄铜矿，黄铁矿结晶粒度较粗，粒径2～7 mm，多呈半自形结构。

将上述样品破碎，在双目显微镜下挑选新鲜的黄铁矿单矿物，纯度达99%以上。He和Ar同位素分析在中国科学院油气资源研究重点实验室完成。测试仪器为英国Micromass公司生产的MM5400型稀有气体同位素质谱仪，实验条件为：It=800μA，高压为9.000 kV。分析过程如下：将样品称重（约0.2 g）后用铝箔包好置于样品台中，随后密封抽真空。当压力达到10μPa时，加热样品到130℃并烘烤10 h以上，以除去样品表面吸附和次生包裹体中的气体，之后用电阻炉加热熔样坩埚中的样品至1500℃，释放出的气体被扩散至超高真空气体净化系统。样品释出气被送入高温海绵钛炉中除去如O2、N2、CO2、SO2等活性气体，进入 ZrAl吸气泵去除H2。用液氮温度下的活性炭冷阱将剩余的稀有气体分离为He+Ne和Ar+Ke+Xe两部分，并分别送进质谱仪测定其同位素组成。分析标样为采自兰州市皋兰山顶的大气（AIRLZ2003）。样品的分析结果进行了标准校正和热本底校正，热本底（1600℃）为：4He=2.46×10-10cm3STP，20Ne=4.08×10-10cm3STP，40Ar=1.39×10-8cm3STP，84Kr=3.07×10-12cm3STP，132Xe=1.26×10-13cm3STP。热本底中各种稀有气体的同位素组成接近于空气值。详细的测定过程参见文献（Ye Xianren et al.，2007）。

图1 阿舍勒铜锌矿区地质图（据新疆地质矿产勘查开发局第四地质大队❶修改）Fig.1 Geological sketch map of the Ashele copper—zinc deposit（modified after No.4 Geological Party of the Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development❶）

图2 阿舍勒铜锌矿喷流沉积期矿石特征Fig.2 Characteristics of ores in exhalative—sedimentary period from the Ashele copper—zinc deposit

3 结果和讨论

6件黄铁矿中流体包裹体的He和Ar同位素分析结果见表1。黄铁矿中流体包裹体的4He含量变化较小，为（64.5～173.0）×10-7cm3STP/g，3He含量为（1.890～4.492）×10-7cm3STP/g，n（3He）/n（4He）比值变化范围较小，为0.1358～0.379 Ra（Ra为大气的n（3He）/n（4He）值 1.40×10-6）。40Ar含量为（0.318～4.69）×10-7cm3STP/g，2件块状矿石（ASL-20、ASL-22）黄铁矿中流体包裹体的n（40Ar）/n（36Ar）值为9515～9525，2件浸染状矿石（ASL-23、ASL-30）黄铁矿中流体包裹体的n（40Ar）/n（36Ar）值为782.2～810.3，2件条带状矿石（ASL-19、ASL-28）黄 铁 矿 中 流 体 包 裹 体 的n（40Ar）/n（36Ar）值为393.7～389.1，40Ar/36Ar值呈现出块状 →浸染状 →条带状逐渐降低的规律。

3.1 测试数据可靠性分析

阿舍勒铜锌矿与黄铁矿共生的石英中流体包裹体研究表明包裹体以原生为主，均一温度主要集中在280～320℃（陈毓川等，1996），据此认为黄铁矿中的流体包裹体也为原生包裹体。为了消除样品表面吸附和次生包裹体中的气体，将样品加热到130℃并烘烤10 h以上，排除了次生包裹体和矿物表面吸附的He和Ar同位素影响。样品在分析测试中，大气对流体中He的浓度影响程度，可以根据F4He来判断（Kendrick et al.，2001）。F4He为样品中的n（4He）/n（36Ar）与 大 气 的n（4He）/n（36Ar）（0.165）比值。假如样品中含有大气He，则F4He=1。由表1可知，本文中样品的F4He值远远大于1，有的甚至可达200多万倍，表明不存在大气的影响。胡瑞忠（1997）和李延河等（2002）认为无论是成矿时捕获流体包裹体的过程中，还是用真空压碎法获取流体包裹体的过程中，He和Ar同位素同位素均不会发生明显的分馏。He在黄铁矿的扩散系数很低，黄铁矿流体包裹体中的He在100 Ma内没有大量丢失（Baptiste et al.，1996），而本文研究的阿舍勒铜锌矿床形成时代为388～387 Ma（杨富全等，2013），黄铁矿中的He是否有大量丢失呢？按照黄铁矿中He的扩散系数为10-20cm2/s（Baptiste et al.，1996）计算，求得黄铁矿晶格中He从形成时到迄今扩散了1.2×10-4cm2。由于矿物中流体包裹体He的扩散系数比矿物晶格中放射性成因He的扩散系数低几个数量级，Ar的扩散系数相比He更低（Burnard et al.，1999；李延河等，2002），而流体包裹体中He的扩散丢失大于70%时才会对n（3He）/n（4He）比值产生可观测的影响（Stuart et al.，1994），据此认为阿舍勒铜锌矿床黄铁矿中流体包裹体的He和Ar几乎没有扩散。

本文所采黄铁矿矿石样品取自从坑道下开采的矿石堆及钻孔岩芯，不存在宇宙放射成因的3He。黄铁矿为不含K和Li的矿物，样品中由核反应生成的3He可以忽略不计。矿物和岩石形成后其中n（3He）/n（4He）比值的变化与 Th、U含量有关（Mamyrin et al.，1984），Th、U衰变而产生的4He可由以下公式计算（胡瑞忠，1997）：4He=0.2355×10-6U｛1+0.123（Th/U-4）｝cm3/（Ma·g）

阿舍勒铜锌矿中黄铁矿的U含量为8.53×10-6～9.20×10-6，Th/U值为 3.36～4.24（陈毓川等，1996），计算得流体包裹体中由于Th、U衰变产生的4He为（7.52～8.58）×10-10cm3STP/g，由此导致流体包裹体中n（3He）/n（4He）初始值降低（0.4～6.0）×10-5Ra，接近甚至小于误差范围，基本上可认为不影响流体包裹体中n（3He）/n（4He）初始值。

根据以上分析，认为阿舍勒铜锌矿床黄铁矿中流体包裹体中He和Ar同位素组成代表了成矿作用期间被圈闭矿物流体包裹体中成矿流体的初始He和Ar同位素组成，He和Ar同位素只可能有两种来源，即地壳和地幔。

3.2 He和Ar同位素特征

阿舍勒铜锌矿黄铁矿中流体包裹体的n（3He）/n（4He）值为 0.1358～0.379 Ra，高于地壳的n（3He）/n（4He）值（0.01～0.05 Ra，Stuart et al.，1995）10余倍，但明显低于地幔流体的n（3He）/n（4He）值（6～9 Ra）15～60多倍。在3He-4He同位素演化图解（图3）上，样品点位于地幔端元和地壳端元之间，并靠近地壳组成一侧。根据壳幔二元体系的He含量公式（Ballentine et al.，2002）计算：［n（3He）/n（4He）］地壳值为地壳岩石的平均产率0.02 Ra，［n（3He）/n（4He）］地幔值为大陆岩石圈的平均值6.5 Ra（Stuart et al.，1995），计算得样品中幔源 He的含量为 1.79% ～5.55%，平均为3.29%，表明成矿流体中He主要来源于地壳。

表1阿舍勒铜锌矿床黄铁矿流体包裹体中He—Ar同位素分析结果Table 1 Helium and argon isotope compositions of fluid inclusions in pyrite from the Ashele copper—zinc deposit

6件黄铁矿中流体包裹体的40Ar含量为（0.318～4.69）×10-7cm3STP/g，40Ar/36Ar比值变化于389.1～9425，介于大气（295.5）和地幔柱（296～2780）（Hiyagon et al.，1992）之间，而低于大洋中脊玄武岩（MORB）（133000～25250）（Allegre et al.，1986）。在n（40Ar）/n（36Ar）—R/Ra图解中（图 4a）位于大气氩与壳源或幔源氩之间。根据放射性成因40Ar*含量计算公式（Ballentine et al.，2002）：

计算得样品中块状黄铁矿中流体包裹体的放射性成因40Ar*含量为96.86%～96.89%，浸染状黄铁矿中流体包裹体的放射性成因40Ar*含量为62.22%～63.53%，条带状黄铁矿中流体包裹体的放射性成因40Ar*含量为24.06%～24.94%，放射性成因40Ar*含量同样呈现出块状→浸染状→条带状逐渐降低的规律，表明成矿过程中存在大气降水来源流体的稀释作用。

3.3 成矿流体来源示踪

图3 阿舍勒铜锌矿床黄铁矿中流体包裹体的He同位素组成（底图据Mamyrin et al.，1984）Fig.3 Helium isotope composition of fluid inclusions in pyrite from the Ashele copper—zinc deposit（modified from Mamyrin et al.，1984）

图4 阿舍勒铜锌矿床黄铁矿中流体n（40 Ar）/n（36 Ar）—R/Ra（a）和 n（40 Ar*）/n（4 He）—R/Ra关系图解（b）（改造型饱和大气水据Stuart et al.，1995；大西洋中脊TAG热液区硫化物据曾志刚等，2000；底图据翟伟等，2012）Fig.4 Plot of n（40Ar）/n（36Ar）versus R/Ra（a）and n（40Ar*）/n（4He）versus R/Ra（b）of the fluids in pyrite from the Ashele copper—zinc deposit（data of reformation saturated meteoric water after Stuart et al.，1995；data of sulfide in hydrothermal fluid area from Mid-Atlantic Ridge after Zeng Zhigang et al.，2000；modified from Zhai Wei et al.，2012）

阿舍勒铜锌矿黄铁矿中流体包裹体的n（3He）/n（4He）值与被认为成矿流体来源于深循环大气降水的青海驼路沟钴（金）矿床n（3He）/n（4He）值0.10～0.31 Ra（丰成友等，2006）相近，而4件浸染状和条带状黄铁矿中流体包裹体的n（40Ar）/n（36Ar）比值与被认为Ar来源于海水的大西洋中脊TAG热液区硫化物n（40Ar）/n（36Ar）比值 287～359（曾志刚等，2000）具有相似性，表现出大气降水或海水的特征。n（40Ar*）/n（4He）值为 0.001～0.048，平均为 0.020，与地壳流体的n（40Ar*）/n（4He）值 0.156（Stuart et al.，1995；胡瑞忠，1997）较为接近，而与地幔流体的n（40Ar*）/n（4He）比值 0.33～0.56（Dunai et al.，1995）相差较远，在n（40Ar*）/n（4He）—R/Ra图解中（图 4b）位于地壳He和地幔He之间。已有研究表明，流体流经岩石时优先富集4He会导致现代地质流体中n（40Ar*）/n（4He）比值的降低（Tongerson et al.，1988；Hu Ruizhong et al.，2004）。对于大多数矿物而言，He的封闭温度较低（200℃），而氩的封闭温度较高（＞200℃），地幔流体是一种高温流体，温度远远大于200℃。阿舍勒铜锌矿成矿流体具有对地壳岩石中He的优先富集的特点，结合后期改造过程中形成的包裹体均一温度变化范围很大，而且主要集中在200℃以下的低温区（牛贺才等，2006），认为成矿过程中存在低温（＜200℃）的流体的加入，而这种流体最有可能为大气降水来源的流体。

阿舍勒铜锌矿为一典型的与海底火山喷发有关的块状硫化物矿床，是同生成矿的产物，矿体与容矿火山沉积岩系同时形成于海底。已有的氢、氧同位素示踪表明阿舍勒铜锌矿床成矿流体主要来源于岩浆水和海水（陈毓川等，1996），硫同位素示踪成矿流体中的硫主要来源于混合的岩浆和海水（陈毓川等，1996；Wan Bo et al.，2010），VHMS型矿床成矿流体主要来源于加热的深循环海水，存在部分岩浆水的参与（Frankin et al.，2005）。以上研究均表明阿舍勒VHMS型铜锌矿床成矿流体中存在岩浆水的参与，而本文研究的黄铁矿流体包裹体中的He同位素表明成矿流体主要来源于地壳，对于矿区中是否存在壳源岩浆活动仍值得研究。王登红（1995）认为阿舍勒铜锌矿床容矿火山岩具有双峰式火山岩特点，由富水洋壳重熔形成的基性岩浆房产生大量气液，这些气液导致了矿床的形成。牛贺才等（2006）认为阿舍勒组火山沉积岩为西伯利亚西南边缘洋壳基底的增生产物，具有岛弧火山岩的组合和岩石地球化学特征。Wan Bo et al.（2010）认为阿舍勒组中容矿玄武岩形成于岛弧环境，岩石的物质来源为混合的海底沉积物和MORB。这与本文He和Ar同位素示踪成矿流体得出的结论一致，均表明阿舍勒铜锌矿床的成矿流体来源为受热循环的海水，并存在幔源岩浆热液的加入。

4 结论

阿舍勒VHMS型铜锌矿床容矿岩系为早—中泥盆世阿舍勒组海相中酸性、基性火山岩、火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩夹碳酸盐岩建造。块状、浸染状、条带状矿石的黄铁矿流体包裹体中n（3He）/n（4He）值为（0.1358～0.379）Ra，幔源 He的含量为 1.79% ～5.55%，n（40Ar）/n（36Ar）比值变化于389.1% ～9425，40Ar*含量为 24.06% ～96.89%。He和Ar同位素特征表明成矿流体为含有一定放射性成因Ar的海水（＜200℃）和形成阿舍勒组的幔源岩浆热液。

致谢：野外工作期间得到新疆阿舍勒铜业股份有限公司王永春副总经理以及采矿部的领导和技术人员的大力支持和帮助；氦、氩同位素样品测试由中国科学院油气资源研究重点实验室叶先仁老师完成，在此一并致以衷心的感谢。

注 释 / Note

❶新疆地质矿产勘查开发局第四地质大队.2010.新疆阿尔泰哈巴河火山盆地阿舍勒铜锌矿区地质图.