鄂东南矿集区铜绿山矽卡岩型铜铁金矿床元素地球化学特征及其地质意义

王敏芳，尚晓雨，魏克涛，刘冬勤，张富成

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.湖北省地质局第一地质大队，湖北 大冶 435100)

0 引 言

长江中下游多金属成矿带是中国最著名的成矿带之一，鄂东南矿集区位于该成矿带的最西段，矿集区内以铁、铜矿床为主，其次为金、钨、钼矿床等，矿床类型主要有矽卡岩型和矽卡岩-斑岩复合型等[1-8]。前人对鄂东南矿集区诸多矿床的成岩成矿时代、成矿地球动力学背景、成矿物质来源和成矿岩体特征等问题进行了大量研究，认为矿床与晚中生代岩浆侵入活动关系密切[7,9-20]。

铜绿山铜铁金矿床早在20世纪50年代就已经开始了大规模的勘查和开采工作，前人对铜绿山矿床的地质背景、成岩成矿时代和矿床成因等方面进行了大量研究[11-12,15，20-23]。研究认为，铜绿山矿床为矽卡岩型矿床，其成岩成矿时代为晚侏罗世—早白垩世[12]。除此之外，矿床内还发育隐爆角砾岩型金(铜)矿体，叠加于矽卡岩型铜铁矿体上，经隐爆角砾岩化形成，是岩浆侵入后热液-构造演化的结果[11]。稳定同位素研究认为，铜绿山矿床中S和C元素均来自深部岩浆[16]，且Sr-Nd同位素表明其岩浆源区可能为富集地幔[15]。近年来，张世涛等利用短波红外光谱(SWIR)技术全面细致地进行了矿床围岩蚀变空间分带研究[24]。自2006年以来，随着两轮全国危机矿山接替资源勘查项目的进行，在矿区深部新发现隐伏矿体。铜绿山矿床作为鄂东南矿集区典型的矽卡岩型铜铁金多金属矿床，其蚀变矿化特征明显，为开展不同成矿阶段中流体演化特征提供了理想的研究对象。因此，本文在详细的野外观察及室内研究基础上，通过对鄂东南矿集区铜绿山矽卡岩型铜铁金矿床的成矿岩体(石英二长闪长岩)、不同成矿阶段样品分别进行采样，采用不同的测试方法，从元素地球化学的角度对成矿流体性质及来源进行探讨，进一步丰富铜绿山矿床成矿流体演化特征研究。

1 区域地质背景

长江中下游地区位于扬子板块北缘、秦岭—大别造山带和华北板块南侧。西北界为襄阳—广济断裂，断裂以北为大别造山带，以南为长江中下游西段；东北界为郯城—庐江断裂，断裂以西为大别造山带和华北板块，以东为长江中下游中东段；南界为阳新—常州断裂，以北为长江中下游地段，以南为扬子板块，内部发育沿江分布的断裂带以及NW向断裂(图1)。鄂东南矿集区NWW向褶皱和断裂为本区最主要的控矿构造。

区内地层从古生界到中新生界均有发育，古生界主要发育于西南部，中生界分布较为广泛，其中下三叠统大冶群大理岩、白云质大理岩及蒲圻组砂页岩是该区矽卡岩型铜铁矿床重要的赋矿围岩[23,25-27]。该区发育大量中酸性侵入岩和火山岩，出露面积达1 100 km2，约占全区面积的23%。其中，火山岩主要分布于湖北省大冶市保安镇、金牛镇和灵乡镇之间，成岩时代为125～130 Ma，属早白垩世。火山岩自下而上分为马架山组、灵乡组和大寺组，岩性主要包括玄武岩、英安岩、粗面岩和流纹岩等[28]。区内广泛发育的中酸性侵入岩自北向南包括鄂城、铁山、金山店、灵乡、阳新和殷祖六大岩体，以及一些小的花岗岩和花岗闪长岩体，如铜绿山、铜山口、阮家湾、龙角山、傅家山等(图1)。前人研究成果表明，区内的岩浆活动可以分为两期：早期集中在134～152 Ma，主要由辉长岩、闪长岩、花岗闪长岩、石英闪长岩组成；晚期集中在127～134 Ma，主要由花岗岩和火山岩组成[17-18,29]。

图件引自文献[1]、[18]和[29]图1 鄂东南矿集区地质简图Fig.1 Geological Sketch Map of the Southeastern Hubei

图件引自文献[31]、[34]和[35]图2 铜绿山矽卡岩型铜铁金矿床地质简图Fig.2 Geological Sketch Map of Tonglushan Skarn-type Cu-Fe-Au Deposit

研究区重要的矿床类型和典型矿床包括矽卡岩型铁矿床(如铁山、金山店、程潮)、斑岩-矽卡岩型铜钼矿床(铜山口和丰山洞)、矽卡岩型铜金矿床(鸡笼山、鸡冠嘴)、矽卡岩型铜钨矿床(阮家湾)和矽卡岩型铜铁金矿床(铜绿山)，这些矿床均属于与燕山期中酸性侵入岩有关的成矿系列。近年来，随着越来越多的高精度成矿年龄报道，如辉钼矿Re-Os定年、金云母Ar-Ar定年和榍石U-Pb定年等，表明鄂东南矿集区斑岩-矽卡岩型矿床的形成大多集中于135～143 Ma，属早白垩世[27,30-33]。

2 矿床地质特征

铜绿山矽卡岩型铜铁金矿床位于鄂东南矿集区中部，地处湖北省大冶市西南约3 km处(图2)，是鄂东南矿集区内最大、最富的矿床。据统计，铜绿山矿床的Cu金属储量超过1.34 Mt(平均品位为1.68%)，Au金属储量为81 t(0.45×10-6)，铁矿石储量为72 Mt(39.7%)，伴生Co、Ag和Mo等多金属[23-24,34]。矿区出露的地层主要为下三叠统大冶群第五～七岩性段的条带状白云石大理岩、中厚层夹薄层大理岩、条纹状含灰质白云石大理岩[35]。区内构造发育，主要由印支期和燕山期构造变形叠加而成，印支期主要形成NWW向褶皱、压扭性断裂构造，燕山期为NNE向褶皱、压扭性断裂构造。矿床和矿体的分布受到这两组不同时期、不同性质构造控制[26]。矿区内岩浆活动频繁，侵入与喷出活动多期出现，侵入岩占矿区总面积的85%，为燕山早期第三次岩浆侵入形成[36]。地表因被第四系覆盖，岩基出露甚少，岩体边界主要依靠钻孔、磁法和重力等资料推定[10]。与铜绿山矿床成矿关系密切的岩体岩性主要为石英二长闪长岩[23,31,34-35,37]。此外，矿区局部还发现有后期的钠长斑岩脉和煌斑岩脉[22,31]。

铜绿山石英二长闪长岩岩株东西长4 km，南北宽3.5 km，面积为11 km2。区内后期发育的煌斑岩脉、钠长斑岩脉等切穿石英二长闪长岩或矿体(图2)。石英二长闪长岩主要由斜长石(体积分数为50%～60%)、角闪石(15%～20%)、钾长石(约15%)、石英(约15%)及少量的黑云母组成[图3(a)]。副矿物有磁铁矿、榍石、磷灰石、锆石和独居石等。SHRIMP锆石U-Pb定年表明铜绿山石英二长闪长岩的侵位年龄为(138.5±2.5)Ma[32]。

铜绿山矿床分南、北两个矿区，由13个大小不等的矿体群组成，根据这些矿体在地表的展布方向，划分出NNE向(NE22°)、NEE向(NE60°)和NNW向(NW15°～NW20°)3个矿带，其中主矿带呈NNE向延伸(图2)。矿体呈舒缓的舌状超覆于大理岩之上，而大理岩主要呈捕虏体状分布在石英二长闪长岩内。在剖面上，矿体沿大理岩接触带斜列分布。其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ号矿体规模较大，Ⅱ、Ⅴ号矿体次之。以往发现的矿体主要集中在矿区浅部主背斜的核部和东翼，如Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ及Ⅺ号矿体等。近年来，在铜绿山矿集区主背斜西翼深部和Ⅺ号矿体东侧深部发现了隐伏的号矿体及深部Ⅲ、Ⅳ号矿体。在Ⅺ号矿体下方发育隐爆角砾岩型金(铜)矿体，长约120 m，平均厚约20 m，控制延伸超过300 m[11]。矿石构造主要为块状构造、浸染状构造、网脉状构造、角砾状构造等；矿石结构主要为自形—他形晶粒结构、交代结构、固溶体分离结构和重结晶结构等[11]。矿石矿物主要有黄铜矿、斑铜矿、磁铁矿、黄铁矿、赤铁矿，含少量的辉铜矿、辉钼矿、闪锌矿、黝铜矿、镜铁矿、自然金和银金矿[35]。

铜绿山矿床的围岩蚀变十分发育。张世涛等利用短波红外光谱技术对1 320件样品进行了研究，将铜绿山矿床的围岩蚀变由致矿岩体到接触-蚀变矿化中心分别划分为绢云母-绿泥石-钾化带、高岭石-绿泥石-弱矽卡岩化带、皂石-绿泥石-强矽卡岩化带[24]。矽卡岩矿物主要有石榴石、透辉石、绿帘石、阳起石、绿泥石、蛇纹石、金云母等，表现为镁矽卡岩矿物特征[图3(b)～(d)]。根据矿物组合特征，铜绿山矿床的成矿阶段可以划分为矽卡岩阶段、退化蚀变阶段、氧化物阶段、硫化物阶段和碳酸盐阶段。矽卡岩阶段主要产出石榴石、透辉石等高温无水硅酸盐矿物[图3(b)]；退化蚀变阶段常常出现绿帘石、绿泥石等含水硅酸盐矿物，可见绿帘石呈团块状集合体产于石榴石和透辉石中[图3(c)]；氧化物阶段主要形成金云母和大量磁铁矿，是铁矿床的主要成矿阶段[图3(d)～(e)]；硫化物阶段以产出大量黄铜矿、斑铜矿、黄铁矿等金属硫化物为特征，是铜矿床的主要成矿阶段，该阶段还出现大量石英[图3(f)～(g)]；碳酸盐阶段以大量的碳酸盐矿物出现为特征(如方解石)，并发现少量萤石和黄铁矿[图3(h)]。

Bn为斑铜矿；Bt为黑云母；Cal为方解石；Ccp为黄铜矿；Chl为绿泥石；Cv为铜蓝；Di为透辉石；Ep为绿帘石；Fl为萤石；Grt为石榴石；Mag为磁铁矿；Phl为金云母；Pl为斜长石；Q为石英；Hem为赤铁矿图3 石英二长闪长岩及不同成矿阶段样品矿物组合特征 Fig.3 Characteristics of Quartz Monzodiorite and Mineral Assemblage of Samples in Different Metallogenic Stages

3 样品采集及分析方法

本次研究样品均采自鄂东南矿集区铜绿山矿床，对石英二长闪长岩、矽卡岩、黄铜矿矿石分别进行采样，共计8件样品。其中，石英二长闪长岩新鲜样品3件，矽卡岩样品5件，黄铜矿矿石样品1件。各样品的详细信息及矿物组成特征见表1。

本次研究分别对石英二长闪长岩和矽卡岩样品进行了主量、微量和稀土元素(REE)分析，对黄铜矿矿石进行了微量和稀土元素分析。其中，石英二长闪长岩和矽卡岩样品的主量元素分析采用X荧光光谱仪熔融岩石主量精密分析法(ME-XRF26)，微量元素分析采用四酸消解电感耦合等离子体质谱分析法(ME-MS61)，稀土元素分析采用熔融法电感耦合等离子体质谱分析法(ME-MS82)。黄铜矿矿石样品微量元素分析采用四酸消解电感耦合等离子体发射光谱分析法(ME-ICP61)，稀土元素分析采用熔融法电感耦合等离子体质谱分析法(ME-MS82)。本次研究的所有分析工作均在澳实分析检测(广州)有限公司完成。

4 元素地球化学特征

4.1 主量元素

石英二长闪长岩及不同成矿阶段样品主量元素分析结果见表2。石英二长闪长岩具有富Si(SiO2含量(质量分数，下同)为 62.1%～63.9%)、富碱(Na2O与K2O含量之和为7.43%～7.71%)、贫Mg(MgO含量为0.99%～1.43%)、贫Ti(TiO2含量为0.47%～0.56%)的特点，里特曼指数为2.84～3.04，平均为2.92，属钙碱性岩石系列，与张世涛等的研究结果[20]一致。总体看来，石英二长闪长岩相对于矽卡岩样品普遍具有高Si，低Fe、Mg、Mn的特点(表2、图4)。

表1 铜绿山矿床采集样品特征Tab.1 Characteristics of Collecting Samples in Tonglushan Deposit

矽卡岩阶段样品中CaO含量为31.90%～32.90%，SiO2为36.7%～38.1%，Al2O3为13.20%～13.80%，Fe2O3为10.24%～12.79%，MgO为1.10%～1.32%。退化蚀变阶段样品中SiO2含量为28.9%，Fe2O3为8.82%，MgO为0.77%。氧化物阶段样品中SiO2含量为23.6%，MgO为11.20%(高于石英二长闪长岩及其他成矿阶段样品，推测是金云母中Mg含量较高所致)，Fe2O3为5.38%，CuO含量极低，基本无矿化。硫化物阶段样品SiO2含量为32.5%(明显高于退化蚀变阶段和氧化物阶段样品，推测与硫化物阶段出现石英有关)，Fe2O3为9.36%，MgO为16.50%，CaO为6.18%，表现为高Mg、低Ca特征，CuO为3.34%，SO3为8.54%，为铜矿化样品。

表2 主量元素分析结果Tab.2 Analysis Results of Major Elements

石英二长闪长岩和不同成矿阶段样品主量元素图解(图4)表明各阶段中主量元素的变化特征。从图4可以看出，石英二长闪长岩具高Si，低Fe、Mn、Mg、Ca的特征，当发生矿化时，不同成矿阶段表现出不同的主量元素变化特征。从石英二长闪长岩到早期矽卡岩阶段，再到晚期硫化物阶段，Fe2O3和MnO含量均表现出先增大再减小的特征，表明在接触交代过程中，Fe、Mn等元素逐渐被成矿流体从岩体中带出，在构造有利位置发生沉淀并富集。从矽卡岩阶段到硫化物阶段，MgO和CaO含量表现出截然不同的变化特征，当矿化强烈时，MgO含量急剧增高，CaO含量急剧降低，说明矿化可能与镁矽卡岩有关，这与野外观察到黄铜矿矿体常常产于透辉石矽卡岩中的地质现象相吻合[图3(e)]。

4.2 稀土元素

石英二长闪长岩具有富集大离子亲石元素(LILE)K、Rb、Ba、Sr，亏损高场强元素Nb、Zr、Hf、P、Ti的特点[图5(a)]，可能是磷灰石、铁钛氧化物残留源区或分异所致。而不同成矿阶段样品的微量元素分布特征与石英二长闪长岩存在一定的差异。其中，矽卡岩阶段样品中微量元素含量总体较低[图5(a)]，其他各阶段样品中微量元素含量普遍高于矽卡岩阶段样品，且具有相对高的Y、Yb和Lu含量，并且从氧化物阶段到硫化物阶段，样品富集Rb、U、La、Sr，而亏损Th、Nb、Nd、Ti、Yb等。

稀土元素作为具有相同或相近的电价和离子半径以及相似地球化学行为的元素组，其在岩浆作用体系中矿物或矿物-熔体之间的分配行为主要受晶体场控制，具有普遍一致的独特地球化学特征。因此，稀土元素是探讨与岩浆作用有关的成岩成矿地质地球化学过程的示踪剂[38-40]。铜绿山矿床中，石英二长闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式整体表现为富集轻稀土元素的右倾型，稀土元素总含量较高((167.3～204.4)×10-6)，平均为191.3×10-6；轻、重稀土元素总含量之比(LREE/HREE)为15.89～18.62，平均为16.98，轻稀土元素富集，且轻、重稀土元素分馏明显，(La/Yb)N值为22.52～31.08，平均为25.58；Eu异常不明显(平均为0.96)，表明早期岩浆演化过程中并未发生强烈的斜长石结晶分异作用，且无明显Ce异常[图5(b)、表3]。黄圭成等研究认为，铜绿山矿床成矿物质来源于源区深度大于40 km的富集地幔[10,15]。戴凤岩等研究认为，重稀土元素Tm异常在地壳岩石中是普遍存在的，Tm异常对于成岩成矿及物质来源有重要的指示意义[42]。一般来说，稀土元素配分模式中，Tm较为平滑表示岩石为幔源性质，Tm正异常则表示岩石物质来源为上地壳或受到上地壳物质混染[42]。因此，石英二长闪长岩稀土元素地球化学特征表明在铜绿山矿床的成矿过程中存在地壳物质混染，这也与石英二长闪长岩微量元素蛛网图[图5(a)]上富集大离子亲石元素、亏损高场强元素的特征完全一致。

图中粗虚线表示主量元素含量的变化趋势图4 主量元素图解Fig.4 Diagrams of Major Elements

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；wp为原始地幔含量；球粒陨石标准化、原始地幔标准化数据引自文献[41]图5 原始地幔标准化微量元素蛛网图和球粒陨石标准化稀土元素配分模式Fig.5 Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram and Chondrite-normalized REE Pattern

矽卡岩阶段样品稀土元素总含量为(61.8～95.7)×10-6，平均为78.75×10-6，相对较低；LREE/HREE值为3.26～4.53，平均为3.90；Eu异常不明显(1.05～1.11)，平均为1.08(表3)。其稀土元素配分模式明显有别于石英二长闪长岩及其他成矿阶段样品，表现为相对富集重稀土元素[图5(b)]，究其原因为该阶段发育了大量石榴石，而石榴石(特别是钙铝榴石)常常具有相对富集重稀土元素、亏损轻稀土元素的特征[43-44]。

退化蚀变阶段样品的稀土元素总含量最高(175.8×10-6)，轻稀土元素富集，稀土元素配分模式呈平缓的右倾型，重稀土元素Tm亦呈正异常。

氧化物阶段样品的稀土元素总含量为124.2×10-6，富集轻稀土元素，亏损重稀土元素，轻、重稀土元素分馏明显(LREE/HREE值为37.81，(La/Yb)N值为97.31)[图5(b)]。

硫化物阶段是铜绿山矿床最重要的铜矿化阶段，形成的矿石矿物主要为黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿，其次为辉钼矿、闪锌矿等，脉石矿物主要为石英。该阶段样品的稀土元素配分模式与石英二长闪长岩的极为相似，均表现为富集轻稀土元素的右倾型[图5(b)]。随着硫化物含量逐渐增高，稀土元素总含量逐渐降低(由86.5×10-6降低到18.9×10-6)，这是因为含稀土元素的硅酸盐矿物含量大幅降低。该阶段样品具明显Tm正异常，整体上呈重稀土元素较为富集的、平缓的微右倾型稀土元素配分模式。

综上所述，从石英二长闪长岩到不同成矿阶段样品，除矽卡岩阶段样品具有不同的球粒陨石标准化稀土元素配分模式外，其余样品均具有相似的稀土元素配分模式，均呈现Tm正异常。这一方面说明在铜绿山矿床成岩成矿过程中持续有地壳物质加入[42]，另一方面也说明晚期成矿流体的化学组成对早期成矿岩浆化学组成有一定的继承性，表明成矿流体为岩浆流体。

5 对成矿流体的指示

通常微量元素地球化学特征可以指示成矿流体的性质[45]。铜绿山矿床矽卡岩阶段和退化蚀变阶段样品的Hf/Sm值和Th/La值均小于1(表3)。一般来讲，富氯流体Hf/Sm值和Th/La值小于1，而富氟流体Hf/Sm值和Th/La值大于1[45-46]。因此，推测铜绿山矿床早期蚀变阶段(矽卡岩阶段和退化蚀变阶段)的成矿流体可能以富氯流体为主，到晚期蚀变阶段(氧化物阶段、硫化物阶段和碳酸盐阶段)，Hf/Sm值由普遍小于1变为普遍大于1，说明晚期蚀变阶段的成矿流体可能以富氟流体为主。此外，野外观察发现紫色萤石脉切穿早期产于石榴石矽卡岩中的磁铁矿，这也反映了晚期流体相对富F。由于Nb、Ta、Zr、Hf具有相近的离子半径和电价，所以在同一成岩成矿体系中含量变化较为稳定，只有当成岩成矿体系受到干扰(如不同来源成矿物质的加入)，这些元素才会发生明显分异，表现为不同样品之间的元素含量变化大。铜绿山矿床石英二长闪长岩及不同成矿阶段样品中Nb、Ta、Zr、Hf含量整体变化范围较小，且具有连续紧密的线性关系(图6)，说明在成岩成矿过程中，成矿流体继承了岩浆中的有用化学组分，是岩浆流体。

表3 微量和稀土元素分析结果Tab.3 Analysis Results of Trace and Rare Earth Elements

图6 Nb-Ta、Zr-Hf图解Fig.6 Diagrams of Nb-Ta and Zr-Hf

6 结 语

(1)鄂东南矿集区铜绿山矽卡岩型铜铁金矿床成矿岩体具有富Si、富碱、贫Mg、贫Ti的特点，属钙碱性岩石系列。石英二长闪长岩与不同成矿阶段矽卡岩成分差异主要与流体成分有关。从石英二长闪长岩到矽卡岩阶段，再到硫化物阶段，Fe2O3和MnO含量均表现出先增大再减小的特征，表明在接触交代过程中，Fe、Mn等元素逐渐被成矿流体从岩体中带出，在构造的有利位置发生沉淀并富集；从矽卡岩阶段到硫化物阶段，MgO和CaO含量表现出截然不同的变化特征，当矿化强烈时，MgO含量急剧增高，CaO含量急剧降低，说明铜矿化可能与镁矽卡岩有关，这与野外观察到黄铜矿常常产于透辉石矽卡岩的地质现象相吻合。

(2)铜绿山矿床早期蚀变阶段的成矿流体可能以富氯流体为主，而到了晚期蚀变阶段，成矿流体可能以富氟流体为主，这与晚期蚀变阶段发育萤石脉切穿早期产于石榴石矽卡岩中的磁铁矿这一地质现象一致。

(3)从石英二长闪长岩到不同成矿阶段样品，稀土元素总含量总体上呈逐渐降低的演化趋势，表明成矿流体主要由成矿岩浆演化而来，是岩浆流体。而在退化蚀变阶段样品中，稀土元素总含量与石英二长闪长岩近似，不排除在该阶段可能形成稀土元素矿化。

野外工作得到湖北省地质局第一地质大队和大冶有色金属公司铜绿山矿杨志刚科长的大力支持，柯于富工程师在野外岩芯观察及样品采集过程中进行了实地指导，中国地质大学(武汉)王伟硕士研究生在样品前期准备和测试中做出了贡献，在此一并表示衷心的感谢！