甘肃白银厂铜多金属矿田岩石地球化学特征及地质意义

傅 鹏，陈守余,2，赵江南,2，杨兴彬，高冀芸，平兰英

(1. 中国地质大学(武汉)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)



甘肃白银厂铜多金属矿田岩石地球化学特征及地质意义

傅 鹏1，陈守余1,2，赵江南1,2，杨兴彬1，高冀芸1，平兰英1

(1. 中国地质大学(武汉)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)

甘肃白银厂铜多金属矿田及外围是北祁连铜多金属成矿带的重要地段。本文以白银厂矿田重点勘查区为研究对象，重点讨论与成矿密切相关的火山岩岩石地球化学特征及其找矿评价意义。结果显示白银厂矿田火山岩呈明显的双峰式，酸性火山岩主要岩石类型为英安岩和流纹岩，属低钾系列；基性火山岩属钾玄岩系列。酸性火山岩具有两种截然不同的稀土元素配分模式，一种是产在折腰山-火焰山(以下简称折-火)地区的酸性火山岩，∑REE低(43.21×10-6～65.02×10-6)，LREE/HREE以及(La/Yb)N较高(LREE/HREE=4.66～6.71,(La/Yb)N=3.51～7.12)，在稀土配分曲线图上表现为右倾的半弧型；另一种是产在小铁山-铜厂沟(以下简称小铁-铜厂)地区的酸性火山岩，∑REE较低(62.78×10-6～104.36×10-6)， LREE/HREE以及(La/Yb)N亦较低(LREE/HREE=2.03～2.82,(La/Yb)N=1.19～1.95)，在稀土配分曲线图上表现为平坦型。折-火地区酸性火山岩与小铁-铜厂地区酸性火山岩相比Sr亏损较弱，高场强元素含量也相对较低。以上证据表明折-火地区酸性火山岩形成于大陆边缘弧环境，为地幔源区部分熔融的产物，而小铁-铜厂地区的酸性火山岩则形成于原始的大洋弧或演化的大洋弧，为深度较浅的地壳源物质重熔的产物，因此，两者不属于同一火山机构，具有不同的成矿属性。

VMS型矿床 火山岩 地球化学特征 甘肃白银厂

Fu Peng, Chen Shou-yu, Zhao Jiang-nan, Yang Xing-bin, Gao Ji-yun, Ping Lan-ying. Geochemical characteristics and of rocks from Baiyinchang copper polymetallic ore field in Gansu Province and geological implications[J]. Geology and Exploation, 2016, 52(1):0014-0024

甘肃白银厂矿田以其独特的地质现象、复杂的地质环境和重要的经济价值而在国内地质矿产界享有很高的声誉，自20世纪50年代初勘探开采以来，国内外许多地质学者在此进行了详细系统的研究，已积累了丰富而宝贵的科研成果资料。

随着现代测试分析技术的进步，同位素年代学技术已日趋完善，为该区成岩成矿时代的精准划分提供了有利的条件。前人(何世平等2006；李向民等，2009；杜泽忠，2014)利用单颗锆石U-Pb年代学方法将该区火山岩形成年龄定为468±3Ma，根据VMS型矿床成矿时代与成岩时代的一致性推测出成矿时代为470Ma左右。可知该区火山岩的形成时代为中奥陶世，该成岩时代已没什么争议，但在火山岩形成环境研究上仍然没有一个统一的认识。王金荣等(2000)、郭原生等(2001)的研究显示该区火山岩形成于火山弧环境；边千韬等(1989)、彭礼贵等(1995)则认为该区火山岩形成于拉张的大陆裂谷环境。近年来亦有学者认识到该区火山岩的形成环境并不是简单的某一种类型，王焰等(2001)把该区基性火山岩的形成环境归于活动陆缘环境，酸性火山岩则形成于洋内岛弧环境；廖时理(2014)通过对比研究矿田内不同部位的酸性火山岩认为该区酸性火山岩可分为矿区东与矿区西两种类型，分析表明二者可能是源于不同深度壳源物质重熔的产物。

图1 白银厂矿田地质简图(据甘肃有色白银矿勘院，修编)

本文基于矿田内两种不同类型酸性火山岩的事实，通过大量的野外地质调查和室内测试分析研究，对白银厂铜多金属矿田地球化学特征进行了研究，并在此基础上对其成岩成矿构造背景进行了探讨。

1 地质背景

祁连山造山带呈SEE-NWW走向分布，其北邻华北板块，东南接秦岭造山带，西北隔塔里木板块，西南依柴达木板块(夏林圻等，1998)，造山带分南、中、北三部分(图1)。北祁连造山带是在前寒武纪基底上裂解，经过寒武纪大陆边缘裂谷盆地、早奥陶成熟洋盆、中晚奥陶大陆边缘弧盆体系、志留纪-泥盆纪碰撞造山而形成的构造演化过程(杜远生，2004)。在火山岛弧形成时期，大量的海底火山喷发，为块状硫化物矿床的形成提供了有利的物质来源及成矿场所，使之成为我国最为重要的块状硫化物铜多金属成矿带(夏林圻等，1998)。甘肃白银厂铜多金属矿田就产在该带东段。

矿田内产有折腰山、火焰山、小铁山、铜厂沟、四个圈等5个矿床(图1)，其中折腰山、小铁山和火焰山规模较大，具有较高的经济价值。折腰山、火焰山为“黄矿”型矿床，小铁山、四个圈则为隐伏的“黑矿”型矿床。矿田内赋矿岩性均为酸性火山岩，其中以孔隙度渗透率较大的石英角斑凝灰岩为主。前人资料(李向民等，2002)表明，矿田内产有折腰山-火焰山、小铁山-铜厂沟两个火山喷发中心和若干个由深大断裂控制的古火山口。在火山口附近分布有大量被凝灰岩或熔岩所胶结的火山集块和火山角砾，折火采坑附近集块以基性为主，而小铁山-铜厂沟集块以酸性为主。矿田内蚀变发育，有绿泥石化、绢云母化、硅化、褐铁矿化和碳酸盐化等，前三种与矿化关系最为密切。野外地质调查显示该区铁锰硅质岩异常发育，在空间分布上赋存于含矿岩系上部的沉积间断界面中，位于矿体上方不远的位置，形成类似于地球化学障。

图2 白银厂矿田野外岩石照片

2 样品采集及分析方法

在矿区1∶10000地表地质填图的基础上进行样品的采集，本次分析的样品着重以折-火地区和小铁-铜厂地区为主，采样时尽量选择无蚀变或蚀变较弱的岩石露头采取，以保证样品的有效性。样品岩性主要为以下几种：基性集块(图2a)、酸性集块(图2b)、石英角斑凝灰岩、细碧岩(图2c)、含铁硅质岩等(图2d)。

主量、微量和稀土元素测试于2014年11月在国土资源部郑州矿产资源监督检测中心完成。样品在处理过程中，首先切掉氧化或蚀变膜，然后进行粗碎，尽量选取无污染的新鲜样品进行送样。主量元素采用iCAP6300 Radial等离子体发射光谱仪和UV1902PC紫外可见分光光度计测定;微量及稀土元素主要在XSERIES2电感耦合等离子体质谱仪、AFS-8330双道原子荧光光度计、ZSX PrimusⅡ射线荧光光谱仪等仪器上完成。主量、微量、稀土元素分析结果及部分特征值列于表1。

3 地球化学特征

3.1 主量元素

白银厂矿田火山岩在TAS图解(图3)中投于酸性与基性两个端元，明显呈双峰式火山岩特征，其中酸性火山岩SiO2质量分数变化范围为67.86%～82.84%，平均含量74.28%，含量较高。折-火地区的火山岩酸性集块SiO2平均含量更是高达80.44%，可能与该区岩性普遍硅化蚀变有关，在TAS图解(图3)中主要岩石类型为流纹岩与安山岩。全碱平均含量为4.97%，Na2O与K2O的平均含量比值为6.28，表现为高钠低钾特征。在K2O-Si2O图(图4)上绝大部分样品投在低钾系列，在K2O-Na2O图(图5)上样品主要投在钠质火山岩中；ω(Al2O3)为8.99%～13.96%，平均值为12.20%，从表1可看出该矿田内酸性集块中MgO含量明显低于石英角斑凝灰岩围岩中的含量，这一特征显示该区酸性集块与围岩可能具有不同成因特征，但在稀土元素特征方面暂未得到有效证实。TiO2、MgO、P2O5含量中等，暗示该区酸性火山岩岩浆来源于下地壳的部分熔融(郭原生等，2003)。

表1 白银厂矿田主量、微量和稀土元素分析结果

Table 1 Major,trace and rare earth element composition from Baiyinchang ore field

续表

图3 白银厂火山岩TAS分类图解(底图据Le Mai-tre et al., 1989)

图4 白银厂火山岩K2O-Si2O图解(上线据Peccerillo et al., 1976；下线据Middlemost et al., 1985)

图5 白银厂火山岩K2O-Na2O图解(底图据Middlem-ost et al.1985)

基性火山岩主要为基性集块和细碧岩，其SiO2含量变化范围为44.62%～55.90%，平均含量48.98%，在TAS图解(图3)中主要岩石类型为玄武岩。全碱平均含量为5.47%，Na2O与K2O的平均含量比值小于1，在K2O-Si2O图(图4)上样品投在钾玄岩系列，在K2O-Na2O图(图5)上样品主要投在钾质火山岩中。ω(Al2O3)为13.12%～19.06%，平均值为16.45%。

该区铁锰硅质岩较发育，而对于铁锰硅质岩的成因本文与前人研究具有不同的看法。判别铁锰硅质岩成因的一个重要参数是Al/(Al+Fe+Mn)值，以0.4为界，小于0.4为热水成因，大于0.4则为正常沉积成因(Bostrom，1973)。白银厂矿田铁锰硅质岩的Al/(Al+Fe+Mn)值为0.008～0.746，表明白银厂矿田铁锰硅质岩具有正常沉积与热水沉积岩两类。

3.2 微量元素

矿田内火山岩的微量元素原始地幔标准化蛛网图见图6。酸性火山岩(图6a、6b)表现为总体富集U、Th、Pb，部分富集Ba、K，部分亏损Sr，极度亏损Ti，这一特征与火山弧岩浆富集大离子亲石元素亏损高场强元素相吻合。折-火地区酸性火山岩与小铁-铜厂地区酸性火山岩相比Sr亏损较弱，高场强元素含量也相对较低，这一特征表明它们并不是同一岩浆演化而来，可能为不同源区或不同期次的产物。

该区基性火山岩(图6c)蛛网图分配曲线与酸性火山岩组合整体类似，总体富集Ba、K、U、Th、Pb，明显亏损Ti，显示其形成与板块俯冲作用有关。在俯冲带上，洋壳板块下插温度升高，下插板片产生脱水作用，使大离子亲石元素迁移进入地幔楔，地幔楔部分熔融产生岛弧拉斑玄武岩。Ba、Th的富集主要来源于地壳物质的混染。该区所有火山岩都富集有成矿元素Pb，这一特征表明该区火山岩为后期的热液叠加改造矿床提供了充足的物源。

图6 白银厂矿田火山岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(标准化值据Sun et al., 1989)

3.3 稀土元素

研究区酸性火山岩稀土元素配分曲线体现出该区酸性火山岩具有两种明显不同的分配模式。一种是产在折-火地区的酸性火山岩，包括石英角斑岩、石英角斑凝灰岩、石英角斑凝灰熔岩、变安山岩和酸性集块(本文只分析石英角斑凝灰岩和酸性集块)，其稀土元素总量(∑REE)低，变化范围为43.21×10-6～65.02×10-6，平均为54.31×10-6，与具有较高稀土元素含量的地壳重熔型酸性火山岩明显不同。LREE/HREE比值变化范围为4.66～6.71；(La/Yb)N变化范围为3.51～7.12。δEu值变化范围为0.65～0.95，表现为弱的负铕异常。δCe值变化范围为0.69～0.93，亦表现为弱的负铈异常。在稀土配分曲线图(图7a)上表现为右倾的半弧型。总体上看该区酸性火山岩为LREE富集，但富集的幅度不大，右倾的REE球粒陨石标准化曲线及负铕异常表明，该区酸性火山岩很大可能是由地幔部分熔融形成的。

另一种则是分布在小铁-铜厂一带的酸性火山岩，其稀土元素总量(∑REE)较低，变化范围为62.78×10-6～104.36×10-6，平均为74.59×10-6。LREE/HREE比值变化范围为2.03～2.82；(La/Yb)N变化范围为1.19～1.95。δEu值变化范围为0.80～0.92，表现为较弱的负铕异常。δCe值变化范围为0.74～0.91，也表现为较弱的负铈异常。在稀土配分曲线图(图7b)上表现为平坦型，明显区别于折火地区的酸性火山岩，表明它们的源区是有区别的，更加显示折-火与小铁-铜厂沟火山岩为不同源区分异的产物。

该区基性火山岩包括玄武岩、变玄武岩、辉长岩、细碧岩及基性集块(本文只分析细碧岩和基性集块)，其稀土元素总量(∑REE)较低，变化范围为56.62×10-6～102.49×10-6，平均为73.79×10-6， LREE/HREE比值变化范围为3.17～6.94，LREE较富集；(La/Yb)N变化范围较大，为2.22～6.85。δEu值变化范围为0.84～1.05，表现为弱的负铕异常。δCe值变化范围为0.90～0.93，表现为弱的负铈异常。在稀土配分曲线图(图7c)上表现为较缓的右倾型。

海相火山热液矿床中，在块状硫化物矿体上部，常沉积有一层较薄的铁锰硅质岩，铁锰硅质岩与矿体下盘硅化带组成了一个典型海相火山喷流型矿床的二元结构(杜泽忠等，2014)。铁锰硅质岩稀土元素总量(∑REE)很低，除一个样品达132.51×10-6外，其余的变化范围为20.12×10-6～61.04×10-6。LREE/HREE比值变化范围为1.98～5.45；(La/Yb)N变化范围为0.17～0.58。δEu值变化范围为0.78～2.95，由负铕异常到正铕异常变化。δCe值变化范围为0.77～1.41，亦是可见负铈与正铈异常特征。硅质岩稀土元素北美页岩标准化曲线图(图7d)上表现为平缓左倾型，具有LREE亏损、HREE富集特征。Fleet(1983)研究认为热水成因的铁锰硅质岩具有稀土元素总量低且Ce为负异常。该区铁锰硅质岩稀土元素总量既有低值又有高值，Ce既有正异常又有负异常，从而表明该区铁锰硅质岩既有热水沉积成因又有正常沉积成因。

图7 白银厂矿田稀土元素配分图(球粒陨石标准化值据Taylor et al., 1985；北美页岩标准化值据Gromet et al., 1984)

4 讨论

4.1 形成环境

板块运动使得洋壳与陆壳之间，以及它们与上地幔之间不断发生物质交换，生成岩浆的成分随所处的构造环境不同而不同。与海底火山热液相关的块状硫化物矿床不仅可以产生于大洋中脊扩张中心附近(如塞浦路斯型矿床和海底黑烟囱)，还可以产于大陆裂谷区和岛弧区，后两类环境的矿床主要与双峰式火山岩穹和酸性火山岩有关(夏林圻等，1998)。折-火地区酸性火山岩LREE富集，LREE/HREE比值较大，暗示其源区为较强烈亏损的地幔源区部分熔融形成的基性岩类(王焰等，2001)，小铁-铜厂地区酸性火山岩为REE平坦型，Eu的负异常较折-火地区的要明显，这一特征显示小铁-铜厂地区的酸性火山岩可能是混有深度较浅的地壳源物质重熔的产物。镜下或肉眼观察发现，折-火地区的酸性石英角斑凝灰岩中石英斑晶的粒径明显大于小铁-铜厂地区，且前者粒度变化较小，表明后者侵位深度较浅、结晶时间稍短(廖时理等，2014)。白银厂矿田产有典型的双峰式火山岩和酸性含矿火山岩，酸性火山岩属低钾系列，折-火地区和小铁-铜厂地区酸性火山岩都表现为REE总量较低，大离子亲石元素富集，Sr、Ti亏损，较弱的负铕异常，明显受到板块消减作用的影响，并非前人所认为的板块扩张作用。在La/Yb-Th图解(图8)上显示折-火地区酸性火山岩主要产于大陆边缘弧环境，小铁-铜厂地区则由原始大洋弧向演化的大洋弧演化。

该区基性火山岩主要分布于折-火地区，其∑REE较低，稀土配分曲线为缓的右倾型，富集LREE和Th，Al2O3含量高，TiO2含量低，不同于大陆板内和大洋板内火山岩(杜泽忠等，2014)。其Ta/Yb比值较小，表明其源区岩浆为与俯冲带有关的岛弧岩浆(Condie KC，1986)，源区亏损程度较弱，可能形成于较薄陆壳基底之上的陆缘火山岛弧环境(王焰等，2001)。

图8 La/Yb-Th图解(底图据Condie，1986)

4.2 与成矿的关系

从太古宙至现代各个地质时期，VMS型矿床在不同的构造环境中都有出现(丁世先等，2013)。根据不同的成矿构造环境可对VMS矿床进行合理的分类，自板块边缘岛弧向远离弧后的大陆内部，VMS矿床有规律的变化，构成了一个很好的成矿分带或成矿系列，即从VHMS型→VSHMS型→SEDEX型(孙华山等，2011)。就本矿区而言，由稀土元素和微量元素特征所体现的矿区东与矿区西具有不同的构造环境和矿床类型，前者为产有以“黑矿”型矿床为主的大洋岛弧环境，后者为产有以“黄矿”型为主的大陆边缘弧环境。与北祁连奥陶纪典型的塞浦路斯型矿床所发育的弧后盆地环境(郭周平等，2010)具有明显的区别，白银厂矿田含矿岩系总体富K、Na以及大离子亲石元素和亲铜元素，为一套双峰式火山岩系。由软流圈地幔岩浆的分异和与硅铝质地壳物质相互作用，洋壳向华北古陆俯冲伴随海盆地的加深，岛弧型火山活动强烈，双峰式火山岩浆喷发，从而形成本区VMS型矿床的典型的含矿岩系(刘晓东等，1999；毛景文等，2008)，在酸性火山活动末期发生海底喷流沉积成矿(张洪培等，2004)。

戴宝章等(2004)在研究现代海底热液活动时认为块状硫化物矿床与海底最为强烈的热液活动紧密相关，它们可能是地壳深部乃至地幔的热量和化学物质外释的产物。而早古生代矿床的形成与现代海底热液系统成矿作用有着类似的机理。在早古生代时期，随着板块俯冲作用继续，在岛弧环境上产生总体挤压局部拉张应力场，使地幔部分熔融岩浆上升导致强烈的火山作用，对驱动成矿热液系统的形成提供了所需的热能(黄玉春，1991)。该区发育铁锰硅质岩,呈薄层状赋存于含矿岩系与上部沉积岩系间，属正常沉积成因，成矿热液上升至海底时被这层硅质岩所阻挡，热液骤然变冷，硅质成分形成透镜体状的硅质岩发育于矿体的正上方且离矿体很近，此时的硅质岩为热水成因。成矿热液被这层硅质岩所阻挡，使之不容易被洋流冲走，从而富集导致成矿(杜泽忠等，2014)。

多年来白银厂矿田受其单一的火山机构控矿模型制约着，张洪培等(2003)提出白银厂-石青硐成矿概念模型，这一模型表明从折腰山、小铁山到石青硐，分别为火山喷口相、火山喷口斜坡相、火山沉积洼地相。但经过近几年深入研究，笔者认为该区并不是一个简单的模型所能描述的，该区可能在一个相对较短的时间内(468Ma～472Ma)有多期次多旋回的海底火山喷发，火山喷发期和短暂的间歇期都会伴随着喷流沉积矿床的形成，折-火地区与小铁-铜厂地区就为不同构造环境下不同期次的火山喷发产物，形成具有不同类型的矿床，再经过后期的构造运动，使喷流沉积矿床被热液叠加改造，形成了与韧性剪切有关的浸染型矿床，而多个火山口早已在后期的构造运动中面目全非，只保留了部分代表火山口相的不规则分布的火山集块角砾岩和铁锰硅质岩。

5 结论

(1) 白银厂矿田内酸性火山岩分折-火地区和小铁-铜厂地区两种不同类型，前者形成于大陆边缘弧环境，成岩成矿物质来自地幔物质部分熔融。后者形成于原始的大洋弧或演化的大洋弧，成岩成矿物质混有部分地壳重熔产物。

(2) 该区基性火山岩主要由玄武岩和碱性玄武岩组成，属碱性系列和亚碱性系列，形成于较薄陆壳基底之上的陆缘火山岛弧环境，成岩物质来自与板块俯冲作用有关的地幔部分熔融。

(3) 铁锰硅质岩具有热水沉积成因和正常沉积成因两种，它产在块状硫化物矿体上部，形成一种地球化学障，为成矿物质的富集提供有利条件，并成为该区的找矿标志。

致谢：野外工作期间得到甘肃省有色地质勘查局白银矿产勘查院方春家总工、周科慧高工等的大力帮助，在此表示感谢！

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Geochemical Characteristics of Rocks from the Baiyinchang Copper Polymetallic ore field in Gansu Province and Geological Implications

FU Peng1,CHEN Shou-yu1,2,ZHAO Jiang-nan1,2,YANG Xing-bin1,GAO Ji-yun1,PING Lan-ying1

(1.FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan，Hubei430074;2.StateKeyLaboratoryofGeologyProcessesandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan，Hubei430074)

The Baiyinchang copper polymetallic ore field and peripherals are a major part of the North Qilian metallogenic belt of copper.Using the Baiyin exploration area as an example,this work focused on geochemical characteristics of volcanic rocks closely associated with mineralization and prospecting significance.Studies have shown that the volcanic rocks of this area have obviously bimodal of volcanic features,of which acidic volcanic rocks are primarily dacite and rhyolite,as a potassium calc-alkaline series; while mafic volcanic rocks are sub-alkaline series.Acidic volcanic rocks in the area show two distinct REE patterns.One was produced in the Zeyaoshan-Huoyanshan (hereinafter referred to ZH) acidic volcanic region,with lowΣREE(43.21×10-6～65.02×10-6),and high LREE/HREE and(La/Yb)N(LREE/HREE=4.66～6.71,(La/Yb)N=3.51～7.12),and their REE plot shows a right semi-arc type.The other was produced in the Xiaotieshan-Tongchanggou (hereinafter referred to XT) acidic volcanic region,with lowΣREE (62.78×10-6～104.36×10-6),relatively low LREE / HREE and(La/Yb)N(LREE/HREE=2.03～2.82,(La/Yb)N=1.19～1.95),and their REE plot looks like flattened.The acid volcanic rocks in the ZH area have weak Sr deficit compared with those of the XT area,as well as less content of the high field strength elements.These lines of evidence imply that the acidic volcanic rocks of the ZH area formed at a continental margin arc,resulted from partial melting of a mantle source region,while those of the XT area formed at a young or matured ocean oceanic arc,as the product of remelting crustal material at shallow depth.Therefore,the two kinds of volcanic rocks are not rooted in the same volcanic edifice,with different mineralization attributes.

VMS deposits,volcanic rock,geochemical characteristics,Baiyinchang Gansu Province

2015-01-19；

2015-12-08；[责任编辑]陈伟军。

国家自然科学基金(编号：41302264)、中国地质调查局项目“甘肃省白银厂及外围铜多金属矿整装勘查区关键基础地质研究”(编号：12120114050101)联合资助。

傅 鹏(1988年-)，男，在读硕士研究生，现主要从事方向为矿产勘查与评价。E-mail:544413943 @qq.com。

P618.4;P595

A

0495-5331(2016)01-0014-11