云南保山西邑铅锌矿床硫铅同位素地球化学特征研究*

聂飞 董国臣 莫宣学 赵志丹 王鹏 崔子良 范文玉 刘书生

1.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，地球科学与资源学院，北京 100083

2.成都地质矿产研究所，成都 610081

3.云南省地矿局地质矿产勘查院，昆明 650051

1 引言

三江特提斯位于古特提斯构造域东段、冈瓦纳与劳亚大陆的结合部位，是全球构造强烈、成矿作用发育的地区之一(邓军等，2011，2012)。保山地块是三江地区一个重要的构造单元，东与昌宁-孟连结合带以柯街-南汀河断裂为界，西与腾冲地块以泸水-潞西-瑞丽断裂为界，北部在碧江一带由于澜沧江断裂和怒江断裂汇拢而消失，向南与缅甸掸邦地块相连(李文昌等，2010)。在保山地块内的成矿作用主要形成了铁铜铅锌银等金属的热液矿床，其中赋存在碳酸盐岩中的热液铅锌矿床是重要的矿床类型，典型矿床有与中酸性隐伏岩体有关的沉积-热液改造型的保山核桃坪和镇康芦子园等大型铅锌矿床(陈永清等，2005;董文伟，2007)及MVT 型龙陵勐兴(董文伟，2007)等。位于保山地块中北部的西邑铅锌矿床是近年发现的储量已达大型而备受关注的铅锌矿床(崔子良等，2012;邓军等，2012，2014;Deng et al.，2014;聂飞等，2014)。本文在矿物组合、矿石结构构造研究基础上对西邑铅锌矿床的硫铅同位素展开了系统研究，以期探讨该矿床成矿物质来源及其成因类型。

2 区域地质背景及矿床地质特征

2.1 区域地质背景

保山地块西界为泸水-潞西-瑞丽断裂，东界为柯街-南汀河断裂，北部在碧江一带由于澜沧江断裂和怒江断裂汇拢而消失，向南与缅甸掸邦地块相连。地块两侧边界曾经为澜沧江洋盆(古特提斯洋)和怒江洋盆(中特提斯洋)。保山地块是滇缅泰地块的一部分，与羌塘地块、拉萨地块直到二叠纪时一直位于冈瓦纳大陆边缘，属于冈瓦纳大陆原特提斯边缘岩浆弧的一部分，从早二叠世至晚三叠世，其从冈瓦纳大陆裂离出来，成为一个独立地体，快速向北漂移，导致怒江洋盆张开，在晚三叠世至早白垩世，拉萨地块快速向北漂移，怒江洋盆进入闭合阶段，在晚侏罗世-早白垩世闭合，此时腾冲地块与保山地块发生碰撞，形成高黎贡碰撞造山带;保山与思茅地块之间澜沧江洋，可能在早志留世打开，晚三叠世闭合，形成昌宁-孟连构造带(Wang et al.，2000;李朋武等，2005;莫宣学和潘桂堂，2006;Peng et al.，2008;董美玲等，2012;聂飞等，2012)。

保山地块岩浆活动主要以前寒武纪末期、早古生代和中生代晚期为主。前寒武纪末期以西盟老街子花岗岩体为代表，规模较小，以岩株为主，其Rb-Sr 等时线年龄为687Ma(李文昌等，2010);早古生代主要出露在保山地块南部的花岗岩，年龄范围大致在500～470Ma 之间，形成于统一冈瓦纳大陆时期(Chen et al.，2007;Liu et al.，2009;董美玲等，2012);中生代晚期呈小岩株零星产出，其同位素年龄约80～100Ma(Chen et al.，2007)。保山卧牛寺、郑康等地分布有石炭-二叠纪的基性火山岩。晚古生代的生物群发育，且具有亲冈瓦纳特征。

保山地块内最老地层是震旦系-寒武系公养河群，在晚寒武世至中侏罗世期间，保山地块以滨海台地沉积为主，缺失上石炭统、上二叠统和下三叠统，其余地层间均为假整合关系，发育一套浅海-半深海相碎屑岩、碳酸盐岩、硅质岩、笔石、页岩等台地沉积。成矿作用主要形成了铁铜铅锌银等金属的热液矿床，其中，赋存在古生代碳酸盐岩中的热液铅锌(铜)矿为最重要的矿床类型，典型矿床有如保山核桃坪、镇康芦子园和龙陵勐兴及西邑铅锌矿床。

2.2 矿床地质特征

西邑铅锌矿床位于保山地块中北部，距保山市南约25km。目前矿区已发现有经济意义的矿化带有2 条，其中董家寨矿段规模已达大型。矿带内主要出露的地层为下石炭统香山组(C1x)、铺门前组(C1p)，上石炭统卧牛寺组(C2w)和第四系(Qh)(图1)。香山组(C1x)总厚度约753m，主要岩性为灰岩、泥质灰岩、碳质灰岩、白云质灰岩和生物碎屑灰岩等，同时发育大量腕足类、珊瑚类等化石。下石炭统香山组(C1x)进一步可以划分为3 段，矿区主要出露第二岩性段(C1x2)和第三岩性段(C1x3)(图1)。铺门前组(C1p)分布在矿区西北部，主要岩性为鲕粒灰岩夹生物碎屑灰岩。上石炭统卧牛寺组(C2w)分布在矿区东北部，主要岩性为粉砂岩、泥岩、灰岩及玄武岩。各岩性段岩层走向约为北东向(图1)，倾角中等。区内北东向同向断裂较发育，与区域构造线方向一致。董家寨矿段中的矿体定位受层间破碎带控制，呈似层状、脉状、网脉状及透镜状产出于北东向的下石炭统香山组第二岩性段的灰岩、泥质灰岩、碳质灰岩、白云质灰岩和生物碎屑灰岩中，与地层产状基本一致(图2)，层控特征明显。在矿区东部出露石炭纪的玄武岩，为致密块状、杏仁状和气孔状构造，顶部已风化明显;同时在矿区内可见到规模较小的辉绿岩沿构造裂隙产出。

在矿物组合上，矿石矿物有闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、毒砂、褐铁矿、异极矿、白铅矿和硫锑铅矿等;脉石矿物有方解石、重晶石、石英、长石和粘土矿物等。常见的矿石结构有:自形-半自形结构、他形结构、共生边结构、交代溶蚀结构、压碎结构等(图3);矿石构造主要有层状构造、似层状构造、透镜状构造、浸染状构造、块状构造和角砾状构造等(图3)。

西邑铅锌矿床围岩蚀变简单，最为常见的蚀变为重晶石化、碳酸盐化、硅化和少量黄铁矿化、褐铁矿化等。其中重晶石发育于董家寨矿段南的地表灰岩中，呈层状产出。重晶石含量平均为10%左右，局部达70%～80%，重晶石化总体上由南西向北东方向逐渐减弱的趋势。

通过野外观察和室内岩相和矿相学研究，从早到晚划分为三个成矿阶段:(1)黄铁矿±毒砂+方解石+重晶石;(2)闪锌矿+黄铁矿±方铅矿+方解石+重晶石;(3)方铅矿+闪锌矿+重晶石+方解石。

图1 西邑矿床董家寨矿段地质简图(a)研究区位置示意图;(b)西邑地区区域地质简图;(c)董家寨矿段地质简图.1-志留系中上统栗柴坝组;2-泥盆系中上统何元寨组;3-泥盆系上统大寨门组;4-石炭系下统香山组;5-石炭系下统香山组二段;6-石炭系下统香山组三段;7-石炭系下统铺门前组;8-石炭系上统丁家寨组;9-石炭系上统卧牛寺组;10-二叠系中下统河弯街组;11-三叠系上统南梳坝组;12-上新统忙棒组;13-第四系;14-断层;15-破碎带;16-矿体;17-辉绿岩;18-铅锌矿床;19-采样位置Fig.1 Geological sketch map of the Dongjiazhai ore-body of the Xiyi lead-zine deposit

3 矿石的硫和铅同位素地球化学

3.1 样品及分析方法

用于本次研究样品主要采自西邑铅锌矿床中规模最大、最具代表性的董家寨矿段的不同位置，不同成矿阶段的矿石中的黄铁矿、方铅矿、闪锌矿以及重晶石。新鲜的矿石样品被粉碎到40～60 目，清洗、干燥之后在双目镜下挑纯度达到99%以上的上述矿物，再粉碎至200 目。硫同位素和铅同位素的测试工作均在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。硫同位素测试的仪器及方法、流程参见祝新友等(2012)，测试结果见表1;铅同位素测试的仪器及分析方法、流程见肖晓牛等(2008)，测试结果见表2。

3.2 硫同位素组成及制约

本次工作针对不同位置，不同成矿阶段系统测定了西邑铅锌矿床中的闪锌矿、方铅矿、黄铁矿和重晶石。黄铁矿-重晶石-方解石阶段的黄铁矿均为他形粒状，被方铅矿和闪锌矿交代，呈港湾状，δ34S 值分别为-0.1‰和-1.3‰，重晶石中可见浸染状黄铁矿，偶尔可见其他硫化物，δ34S 值为+14.6‰;闪锌矿-重晶石-方解石阶段的闪锌矿为浅红棕色，他形粒状，被方铅矿交代，δ34S 值范围在-2.4‰～-0.2‰之间，均值为-1.3‰;方铅矿-闪锌矿-重晶石-方解石阶段的闪锌矿颜色为深棕色，他形粒状，与方铅矿共生，共生边结构发育，δ34S 值范围在+0.1‰～+2.3‰，均值为+1.6‰，方铅矿为纯白色，发育黑三角孔特征，分别交代闪锌矿和黄铁矿，且与闪锌矿共生，δ34S 值范围在-2.2‰～+0.4‰，均值为-0.9‰，在本成矿阶段，闪锌矿δ34S 值均大于方铅矿δ34S，说明该成矿阶段的方铅矿与闪锌矿之间的硫同位素分馏达到了平衡，沉淀于同一物理化学体系，重晶石与方铅矿与闪锌矿共生，δ34S 值为+13.5‰。总体来看，硫同位素分为两部分，其中重晶石的δ34S 数值较高，金属硫化物的δ34S 均落在-2.4‰～+2.3‰范围内，且变化范围小。

表1 西邑矿区硫同位素组成Table 1 Sulfer isotopic compositions of the Xiyi ore deposit

表2 西邑铅锌矿铅同位素组成Table 2 Lead isotopic compositions of the Xiyi ore deposit

图2 西邑铅锌矿床董家寨矿段剖面图C1x2-石炭系下统香山组二段;C1x3-石炭系下统香山组三段Fig.2 Geological profile across the Dongjiazhai ore body of Xiyi lead-zine depsit

硫化物矿石中硫的来源是解决成矿物质来源问题的重要方法之一，根据前人的研究得知，在热液矿床中硫化物的硫同位素组成是由成矿溶液总硫同位素组成、氧逸度(fO2)、pH、离子强度和温度的函数(Ohmoto，1972)。因此，热液硫化物的硫同位素组成，不仅取决于其源区的δ34S，而且与成矿流体演化的物理条件有关。根据西邑铅锌矿床的矿床特征及矿物共生组合(出现重晶石和方解石)，表明成矿溶液具有较高的氧逸度。在高氧逸度条件下，当S 主要以SO42-存在时，矿物组合可能以重晶石+方解石为主，此时热液的δ34S∑S≈δ34S重晶石，或者重晶石的δ34S 值略大于热液的δ34S∑S值，而硫化物的δ34S 值则显著低于热液的δ34S∑S(Ohmoto，1972;Ohmoto and Rye，1979)。根据前人的研究的硫同位素分馏模式得知，通过有机质的热分解(T ＞50℃)，有可能使原岩δ34S 值为+15‰的硫酸盐还原产生δ34S 为0 ±5‰的硫化物的硫同位素分布特征(Ohmoto and Rye，1979)。由上文可知，在西邑矿区及其外围的地层中均有蒸发岩(重晶石)层分布，而西邑铅锌矿床主要赋存于这些地层中，同时在赋存矿体的地层中发育有大量腕足类、珊瑚类等化石。本文测试的重晶石样品的δ34S 数值为13.5‰和14.6‰，与石炭纪海相硫酸盐的δ34S 值一致(Holser et al.，1996)。西邑铅锌矿床中的不同成矿阶段硫化物的δ34S 同位素组成均匀，分布集中，接近于0 附近，在图4 中呈塔式分布，与矿区分布的重晶石的差值大约均在15‰左右。

图3 董家寨矿体中矿石特征(a)角砾状闪锌矿;(b)细脉状闪锌矿;(c)角砾状方铅矿;(d)浸染状毒砂;(e)碎裂结构黄铁矿;(f)闪锌矿交代方铅矿;(g)闪锌矿与方铅矿共生边;(h)方铅矿交代闪锌矿.Sp-闪锌矿;Gn-方铅矿;Py-黄铁矿;Ars-毒砂Fig.3 Characteristics of ore minerals in the Dongjiazhai ore body

综上所述，西邑铅锌矿床矿石硫同位素组成均一，在第三成矿阶段硫同位素分馏达到了平衡，且主要来源于地层中海相硫酸盐的还原，还原机制为有机质的热分解。

3.3 铅同位素组成及制约

西邑铅锌矿床不同位置，不同标高的方铅矿单矿物的铅同位素没有明显差别(表2)，显示其铅源的统一性，即该矿床的成矿物质来源一致。

图4 西邑铅锌矿床中硫位素组成分布频率图Fig.4 Histogram for frequency distribution of sulfur isotopic compositions of the Xiyi Pb-Zn deposit

方铅矿206Pb/204Pb=18.547～19.044，均高于18.000，平均18.715;207Pb/204Pb =15.608～15.661，大于15.300，平均15.627，显示铀铅富集明显;208Pb/204Pb=38.541～38.880，平均38.636，总体略低于39.000，显示钍铅微弱亏损。矿石铅μ 值介于9.46～9.53 之间，均值为9.49，明显高于正常铅μ值范围(8.686～9.238);而ω 值的范围为35.48～36.79，平均35.96，略高于正常铅ω 值(35.55 ± 0.59);Th/U 值为3.61～3.74，平均3.67，也不在正常铅的范围(3.92 ±0.09)。以上表明该矿床铅源物质成熟度较高，且相对富集铀铅，略微亏损钍铅，具有上地壳或沉积物的特点。

在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb 铅同位素模式图(图5a)可以看出，所有的样品落在造山带与上地壳演化线之间，并且靠近上地壳演化线，同样表明西邑铅锌矿床的矿石铅来自较高成熟度的物源区，总体相当于上地壳。在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb 铅同位素模式图(图5b)中，铅同位素点均位于造山带演化线附近，这类现象通常被解释为亏损铀的下地壳与富集铀的上地壳混合或相互作用的产物(Doe and Zartman，1979)。由于西邑铅锌矿床铀铅富集、钍铅相对亏损的铅同位素特征;同时考虑到矿区出露有同一时期的玄武岩，和一些辉绿岩脉出现，因此，可以认为西邑铅锌矿床的成矿物质主要由富铀铅而贫钍铅的化学沉积物(如碳酸盐岩、硅质岩)提供，同时可能有部分铅来自深部地壳甚至地幔。

为进一步提供物质来源方面更丰富的信息，本文运用朱炳泉(1998)的Δβ-Δγ 变化范围图解来示踪铅的来源。由于该方法消除了时间因素的影响，因而具有更好的示踪意义。将计算出的Δβ 和Δγ 值投到Δβ-Δγ 图解中(图6)，5 个点均落在了上地壳源铅的范围内，其反映的特征与图5 一样，从而进一步证实铅的来源主要为上地壳。

4 讨论

图5 西邑铅锌矿床铅同位素模式图(底图据Zartman and Doe，1981)Fig.5 The plumbotectonic model for the Xiyi Pb-Zn deposit (after Zartman and Doe，1981)

图6 西邑铅锌矿床矿石铅的Δβ-Δγ 成因分类(底图据朱炳泉，1998)1-幔源铅;2-上地壳源铅;3-上地壳与地幔混合的俯冲带铅(3a-岩浆作用;3b-沉积作用);4-化学沉积型铅;5-海底热水作用铅;6-中深变质作用铅;7-深变质下地壳铅;8-造山带;9-上地壳;10-退变质带Fig.6 Δβ-Δγ genetic classification diagram of Pb isotope of the Xiyi Pb-Zn deposit (after Zhu，1998)

西邑铅锌矿矿体产于石炭系香山组碳酸盐岩地层中，且受层间破碎带控制，呈层状、似层状产出，前文通过硫、铅同位素分析得到成矿物质主要来源与石炭系香山组密切相关，那么是什么机制使香山组的地层提供成矿所需的物质组分?西邑铅锌矿区位于滇西“三江”成矿带南段的保山地块内。大量研究成果表明，保山地块是一个从古生代中晚寒武世开始稳定的陆块，物源丰富，堆积较快，有利于铅锌多金属的聚集，形成初始矿源层。矿区内石炭纪的玄武岩及辉绿岩(脉)的广泛产出，反映地块内部存在地壳/岩石圈幕式拉张(范蔚茗等，2003;毛景文，2005)，这就可能是由于保山陆块从冈瓦纳大陆裂离出来时造成的，矿区东西两侧的怒江和柯街大断裂的强烈活动及相关的次级构造和裂隙，使本区的岩层产生了大量的破碎带与断裂构造带，断裂化的岩层比正常的岩层的渗透率显著的增高，对流体可以产生断裂阀的作用，即成矿流体流动动力之一，使得流体可以从下部或周围向断裂带汇集(Brave，1980)。由以上分析可以看出，晚古生代的保山陆块处在一个拉张环境下形成的开放或者半开放的构造环境，不仅为海水沿断裂系统向陆块内部渗透提供了良好的通道，而且也为成矿物质沉淀聚集提供了场所。这也可能是矿区及周边发育大量海相硫酸盐及腕足类、珊瑚类等化石的原因。矿区内广泛发育的石炭纪玄武岩和辉绿岩(脉)还可以为成矿提供热源，保证硫的同位素分馏顺利进行。保山地块于晚三叠世和早白垩世在其西侧和东侧发生两次碰撞，造山作用由两侧山脉向地块内部推进，在图5 中，铅同位素投图落在造山带附近，很有可能是对这两次造山作用的响应，暗示造山作用对该矿床有一定的改造。

综上所述，西邑铅锌矿成矿是本区晚古生代到中生代一系列构造事件的综合反映，初步认为该矿床为沉积热液型，但是由于该矿床研究程度低，其成矿机制复杂，确切的矿床成因尚有待进一步深入研究。

5 结论

(1)西邑铅锌矿床赋存于石炭系香山组中，矿体产状与地层及断裂产状一致，形态呈层状、似层状或透镜状，层控特征明显。

(2)该矿床矿物的δ34S 值为-2.4‰～+2.3‰，与同一地层中共生的重晶石的δ34S 值相差约15‰，在成矿阶段晚期达到了硫同位素平衡，还原硫主要来源于地层中海相硫酸盐的热化学还原，在还原过程中，该地层中的有机质发挥了一定的作用，矿区的火山岩提供了热源。

(3)铅同位素研究显示，西邑铅锌矿床的硫化物显示铀铅富集、钍铅微弱亏损，显示铅源的物质成熟度高，主要来源于上地壳。

(4)本次研究初步认为西邑铅锌矿床为沉积热液型，很有可能形成于晚古生代保山地块从冈瓦纳裂离的时期。

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