江西南部盘古山钨矿的氢氧同位素研究

李光来， 华仁民， 王旭东，3， 周龙全， 唐 傲

(1.东华理工大学核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地，江西 南昌 330013;2.南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，江苏 南京 210093;3.中国地质科学院矿床地质研究所，北京 100037)

成矿流体在热液矿床的形成过程中扮演了极其重要的角色，因此，成矿流体的性质、来源及演化过程一直是矿床学研究的重要内容。氢氧同位素，对成矿流体的来源具有很强的示踪功能，长期以来一直被广泛应用于研究热液矿床成矿作用过程(Campbell et al.，1984;张理刚等，1996;宋生琼等，2011;陈健等，2012)。因为大气降水与岩浆水之间具有显著不同的氢氧同位素组成，氢氧同位素体系在与岩浆热液有关的石英脉型钨矿的研究过程中广泛应用，并取得许多研究成果(Ohmoto et al.，1974;魏文凤等，2011)。本文以赣南盘古山钨矿为实例，结合近年来惰性气体同位素、黑钨矿流体包裹体测温学等领域的研究成果，通过综合对比，探讨石英脉型钨矿成矿流体的性质、来源及演化过程。

盘古山钨矿是赣南地区一个大型的黑钨矿-辉铋矿石英脉矿床，开采历史较久，1980年代以来，不少研究者曾对该钨矿及相关的花岗岩进行过矿床地质(任英忱等，1986;任英忱，1998;叶际祎等，2000)、岩石学(谭运金等，2002)、年代学(曾载淋等，2011)、流体包裹体(蔡建明等，1981;王旭东等，2010)，以及容矿构造(曾广胜，1980)等方面的研究工作，取得了许多成果。与赣南大多数石英脉型钨矿不同，盘古山钨矿显著富Bi，发育有多种铋硫盐矿物(任英忱等，1986;任英忱，1998);曾载淋等(2011)对该矿两组不同产状矿脉中发育的辉钼矿分别进行了 Re-Os同位素定年，年龄结果为(157.75 ±0.76)Ma(MSWD=0.99)和(158.8 ±5.7)Ma(MSWD=1.7)，显示与赣南地区大部分石英脉型钨矿一样，为燕山中期大规模成矿作用的产物;成矿期的流体包裹体以NaCl-H2O型为主，盐度(w(NaCl)/%)普遍不高，介于0～12%之间，均一温度基本介于221～339℃之间，还发育有NaCl-H2O-CO2型及CO2型包裹体，拉曼结果显示显著富含CO2，另外还含有CH4、N2等挥发分(蔡建明等，1981;王旭东等，2010)，王旭东等(2010)认为以CO2分离为特征的流体不混溶作用是黑钨矿沉淀的重要原因。从事该矿床流体包裹体研究的两位研究者(蔡建明等，1981;王旭东等，2010)，都得出了主成矿阶段的成矿流体为低盐度流体的认识，而通常岩浆流体具有高温、高盐度的特点，这似乎从侧面反映了成矿流体在早阶段并非以岩浆水为主，为了搞清楚主成矿阶段流体中水的来源问题，有必要开展氢氧同位素的研究工作。

1 区域及矿床地质简况

江西于都盘古山钨矿位于南岭近东西向构造带和武夷-云开北东-北北东向构造带的复合部位，是赣南地区具有代表性的大型黑钨矿石英脉型矿床。

区域内地层发育相对齐全，盘古山矿区主要发育震旦-寒武系和泥盆系地层(图1);其中震旦-寒武系主要岩性为含云母石英质砂岩夹薄层板岩及千枚岩，偶夹燧石条带，并构成紧密的褶皱基底，矿体的围岩主要为上泥盆统地层，不整合于基底之上，主要岩性为砂岩夹板岩。矿区范围内断裂构造非常发育，且具有多期活动的特点。主要为NEE、NNW和EW三个方向，NEE最为发育。其中F5断层规模最大，产状较陡，延长及延深均超过1 000 m，同时也是对该矿床影响最大的断层。矿区发育的岩浆岩主要为花岗岩以及少量的中基性脉岩，其中花岗岩隐伏于－115 m标高以下，并与成矿关系最为密切，主要由长石、石英、云母等矿物组成，岩性主要为二云母花岗岩以及黑云母花岗岩。

盘古山钨矿是典型的外接触带大脉型钨矿床，矿脉主要产在外接触带泥盆系地层中，空间上可分为北、中、南三个脉组，走向以北西向和近东西向为主，规模巨大者，走向延长超过1 000 m，其中南组矿脉的倾角最大、北组倾角最小，向下收敛，收敛处刚好对应与成矿有关的燕山期花岗岩(图1)。盘古山钨矿还是一个典型的“钨-多金属矿床”，主要成矿元素为钨，伴生有益组分为铋、铅、钼、铜、银等，矿石中的金属矿物除了黑钨矿外，还有辉铋矿、自然铋、锡石、辉钼矿、白钨矿、黄铁矿、辰砂、方铅矿、黄铜矿等，含铋矿物特别发育是该矿床的典型特征(图2)，脉石矿物主要为石英、萤石、长石、硅灰石、黄玉、绢云母、白云母、方解石等。黑钨矿主要以自形的板状、柱状、针柱状以及它形不规则状产出。矿石构造主要为囊状构造、块状构造、梳状构造、条带状构造、晶洞构造等。矿物组合具有一定的垂直分带性，上部出现锡石、电气石、铁锂云母，而下部黄铁矿、辉钼矿等硫化物以及白钨矿增多。

2 样品处理及测试方法

在井下采集主成矿期的矿石样品，一部分磨片后在显微镜下观察，而后在扫描电镜下照相;另选部分矿石样品经过无污染粉碎、过筛至40目左右，在双目镜下观察并挑选单矿物，共获得光学性质均一、无其他矿物包裹的石英样品5件，每件重量10 g左右，纯度近100%。对该5件矿物样品进行流体包裹体的氢-氧同位素测试。其中，流体包裹体中的氢同位素的测试工作在中国地质科学院矿产资源研究所稳定同位素室完成，首先使用压碎法把水从流体包裹体中释放出来，然后用活性炭将锌还原法产生的氢气固定在样品瓶中，最后在Fininingan MAT251质谱仪上测定，氢同位素的测试误差为±2‰。在南京大学内生金属矿床成矿机制国家重点实验室测试氧同位素，每样取少量粉碎致200目，使石英样品在高温下与BrF5反应，生成的氧气过碳后转化为CO2，然后在MAT252上测试氧同位素组成，测试精度为±0.2‰。

测试结果如表1所示，五件石英样品的δ18O值变化于11.35‰ ～13.33‰值，δ D值变化于 －65% ～－58%之间，根据王旭东等(2010)的测试结果本矿床主成矿期的氢氧同位素平衡温度约为290℃左右，成矿流体的δ18O值根据Clayton(1972)计算公式计算而来，其变化范围为 3.96‰ ～5.94‰。

表1 盘古山成矿流体的氢氧同位素组成Table1 H-O isotope composition of Pangushan W deposit‰

盘古山钨矿成矿流体的氢氧同位素数据基本都落在岩浆流体内及附近，有少部分样品点略显向雨水线偏移的趋势(图3)。

3 讨论

3.1 成矿流体来源的氢氧同位素探讨

图1 盘古山钨矿地质简图(据蔡明海等，1981)Fig.1 Simplified geological map of Pangushan tungsten deposit(after Cai et al.，1981;Yan et al.，2003)

岩浆流体的δ18O值的变化范围为+6‰～+9‰(Taylor，1974)，对于高 δ18O的花岗岩来说。初始岩浆水的值可能会比该值略高，西华山钨矿、漂塘钨矿的早成矿阶段的流体的水成分主要为岩浆水，成矿晚阶段的水逐渐向雨水过度(张理刚等，1981)。朱焱龄等(1981)对西华山内外接触带主成矿阶段形成的黑钨矿及石英中的包体水研究发现，无论是内接触带还是外接触带，也无论是石英还是黑钨矿，主成矿期的流体都显示出以岩浆水为主的特点，部分样品δD值超过Taylor(1974)的岩浆水的范围，判断可能与极少量大气降水兑入有关。

干国梁(1988)、冯志文等(1989)对黄沙钨矿不同成矿阶段形成的主矿物中流体包裹体研究发现:同一成矿期不同矿化阶段主矿物中的流体包裹体，从早到晚，包裹体的气液比越来越低，单一气相包裹体从有到无，单一液相包裹体从无到有，包裹体的均一温度逐渐降低，盐度也呈现出逐渐降低的趋势。成矿流体从早阶段高温高盐度而逐渐演化为晚阶段低温低盐度。显示出低温低盐度流体不断加入高温高盐度流体的特点，是流体混合的特征(华仁民，1994)。而他们测试的六个流体包裹体的δD、δ18O值均同样落入岩浆水及附近区域，并具有向赣南雨水线方向略有偏移的特点。同样表明，铁山垅成矿流体中的水主要应以岩浆水为主，并有大气降水性质的流体加入其中。

图2 盘古山钨矿典型矿石的SEM图像Fig.2 SEM image of representative ores from Pangushan tungsten deposit

图3 盘古山钨矿主成矿阶段成矿流体的氢氧同位素特征(底图据朱焱龄等，1981)Fig.3 H-O isotope composition of main ore-forming stage from Pangushan W deposit

不仅如此，前人对荡坪、木梓园、大吉山等石英脉型钨矿的研究显示这些钨矿的主成矿阶段的成矿流体同样主要由岩浆水组成(刘家齐等，1987;刘若兰等，1990;马秀娟，1988)。结合本文的研究成果，可以认为赣南石英脉型钨矿的成矿流体在主成矿阶段以岩浆水为主。

3.2 流体包裹体He-Ar同位素对成矿流体来源的指示

华南地区燕山期大规模花岗质岩浆活动及其钨、锡成矿作用的研究中，成岩成矿过程的壳-幔相互作用和物质交换已经受到极大的关注。地壳、地幔以及大气降水各自具有独特的氦氩同位素组成。从近年来发表的数据来看，漂塘钨矿的3He/4He值为0.17 ～0.86 Ra，铁山垅主成矿形成的黑钨矿和黄铁矿3He/4He值为0.04 ～ 0.98 Ra，两者比值都不高，He同位素测试结果都显示地幔流体参与不显著的特点，40Ar/36Ar比值(漂塘:354～591;铁山垅:294～368)则非常接近大气降水(295.5)(王旭东等，2009;Li et al.，2011)。南岭中段湘东南地区的锡矿整体上具有较高的3He/4He比值(Zhao et al.2002;刘云华等，2006;张欢等，2006;李兆丽等，2006;蔡明海等，2008)，说明锡矿形成的过程中有较多的地幔流体参与。

作为南岭东段赣南地区黑钨矿石英脉型矿床的代表，铁山垅钨矿和漂塘钨矿的氦氩同位素组成特征表明，该地区的花岗岩成岩及相关的钨成矿作用过程中，地幔流体的参与至少要比湘东南地区的锡成矿作用要少。

3.3 石英脉型钨矿成矿流体演化史初探

盘古山钨矿及赣南其它若干石英脉型钨矿氢氧同位素研究结果显示，该区该型钨矿成矿流体在主成矿阶段以岩浆水为主，晚阶段不断有大气降水加入(张理刚等，1981;干国梁，1988;冯志文，1989;刘家齐等，1987;刘若兰等，1990;马秀娟，1988)。而铁山垅钨矿与漂塘钨矿的氦氩同位素研究结果显示，其主成矿阶段的成矿流体具有显著的大气降水的特征，地幔流体的信息相对比较微弱。H-O同位素似乎给出了与He-Ar同位素的迥异的流体来源，事实上两者之间并不矛盾，大量研究成果表明，南岭地区与燕山期大规模成矿作用有关的花岗岩类形成于岩石圈伸展的动力学背景，主要起因于地幔上涌、玄武岩浆底侵引起的地壳物质重熔(华仁民等，2003，2005;毛景文等，2004，2007)。赣南与石英脉型钨矿有关的花岗岩基本上都是陆壳重熔型或S型花岗岩类(肖剑等，2009;吕科等，2011)。花岗岩的物源被认为是以陆源碎屑沉积岩为主，它所经历的剥蚀、搬运、沉积等一系列地表过程都处于大气降水主导的环境。因此，当岩浆就位并冷却的过程中熔体相与流体相发生分离，岩浆系统向热液系统转变，陆源碎屑沉积岩本身的地表水“经历”使得重熔岩浆分异出的岩浆水承载了许多(古老的)大气降水的信息，从而具有显著的大气降水的惰性气体同位素组成特征。当然，在这个过程中可能持续有极少量的地幔流体(或地幔射气)参与，并使3He/4He显示出微弱的地幔信息。岩浆体系分异出的原始高温高盐度的岩浆热液，在温度差压力差浓度差等驱动下运移，并与流经的岩石发生水岩相互作用(蚀变)，必然伴随着复杂的H-O同位素、He-Ar同位素的交换。这一过程中，流体H-O同位素的最终组成主要受流体与围岩的最初同位素组成、水岩比值、温度以及反应时间等因素的影响。热液流体在进入花岗岩体顶部的构造裂隙后，一方面由于压力的降低，可以导致大量气体挥发分(部分可能为成矿元素的助溶剂)的逃逸，压力骤降则可能发生沸腾，另一方面又与浅部下渗的(新鲜的)大气降水发生大规模的混合，而这二者都是导致金属从流体中沉淀成矿的重要机制(华仁民，1994)。而与大气降水的混合使得源于岩浆水的成矿热液在H-O同位素投影图中晚阶段投影点向赣南雨水线方向偏移，并造成40Ar/36Ar比值、成矿流体的盐度、均一温度不断降低。

4 结论

通过盘古山五件主成矿期形成的石英样品的氢氧同位素研究，可以认为其主成矿阶段主要受岩浆水控制，综合前人H-O同位素和近年来He-Ar同位素的研究成果，可以得出如下结论:

(1)石英脉型钨矿主成矿阶段的成矿流体以岩浆水为主，成矿的晚阶段有大气降水的不断兑入。

(2)成矿流体整体上以地壳流体为主，而地幔流体参与程度很低。极少量的地幔流体主要来自于岩浆形成的过程中，通过地幔射气等过程成为新生岩浆的一部分。

(3)大气降水的参与可能是一个长期的过程:早期可以追溯到陆壳重熔岩浆形成过程中继承的陆源碎屑沉积成岩时的“古老”大气降水，而晚期则发生在成矿阶段岩浆水与“新鲜”大气降水的混合。

致谢:江西有色地质勘查局的韦星林高工、王定生高工、黄小娥高工以及胡志国高工在野外考察及镜下鉴定过程中给予了悉心指导，南京大学内生金属矿床成矿机制国家重点实验室以及中国地质科学院矿产资源研究所稳定同位素室承担了相关样品的测试工作，匿名审稿人提出了许多宝贵的修改意见，谨向上述单位和个人致以诚挚的谢意。

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