辜 鹰, 陈翠华, 宋志娇, 赖 翔, 张 燕, 邬秋敏, 贾 伟, 尹 鑫
(成都理工大学 地球科学学院, 成都 610059)
贵州习水洞子沟铅锌矿床位于扬子地台南部、四川盆地东南缘的桑木场成矿带上,与其相邻的西北铅锌矿成矿带已发现杉树林、青山、天桥等众多铅锌矿床[1-3],而桑木场成矿带上已发现矿床的数量明显较少,且研究程度不高,目前仅有张燕等[4]通过对痕量元素地球化学特征和稀土元素地球化学特征与Sedex型铅锌矿床(铅硐山、二里河铅锌矿床)、类Sedex型的铅锌矿床(南沙沟、江坡铅锌矿床)[5-7]以及MVT型铅锌矿床(陕西南郑马元铅锌矿床)[8-9]进行对比,进而初步推断洞子沟铅锌矿床为MVT型铅锌矿床,但是有关流体包裹体特征方面的研究尚属空白。流体包裹体是一个保留有成矿热液流体原始组分的封闭体系,所以流体包裹体也一直被作为研究成矿流体特征最为直接有效的方法[10-12]。本文通过对洞子沟铅锌矿床流体包裹体进行详细研究,探讨成矿流体性质及来源,对桑木场成矿带内同类型矿床的成矿流体研究、矿床成因研究具有重要的参考意义。
洞子沟铅锌矿床在大地构造上位于扬子地台南部、四川盆地东南缘、齐岳山隐伏大断裂西南侧支断裂—桑木场背斜核部(图1),是多个构造单元的结合部位,构造复杂。区域内地层发育较为完整,其中震旦系至中三叠统主要为海相沉积组合,岩性主要为碳酸盐岩;上三叠统至白垩系为陆相沉积,主要为泥质岩;第四系主要由黏土、砂土及砾石覆盖层。泥盆纪地层全部缺失。赋矿地层主要为震旦系灯影组(Z2dn),岩性以白云岩、灰岩为主,裂隙、孔隙等发育。区域内的大部分断层为逆断层,走向北东,背斜走向与断层基本一致,且断层主要分布于背斜的轴部。
图1 研究区大地构造位置图Fig.1 Tectonic setting of the study area(据1∶250万中国地质图修改)
本矿床的主要控矿构造为北东向展布的桑木场背斜和桑木场断层。桑木场背斜派生有一系列次级衍生断层F3~F12位于背斜北西向核部附近(图2)。桑木场断层是矿区内最大的上冲断层,其两盘出露的地层不一致,北西盘出露震旦系-志留系,而南东盘则出露寒武系-志留系,倾角约73°。断裂的走向基本平行于桑木场背斜的轴部,并大致沿北东-南西向切穿整个研究区。洞子沟铅锌矿的矿体赋存于震旦系灯影组内,产出形态主要为脉状、小透镜状,且经常沿节理的次生裂隙发育少量闪锌矿,矿体与围岩的界线清晰。总体来说矿体具有2种特征产状,即以倾角的大小为划分要素,分为倾角较大和倾角较小的2种矿体。其中以倾角较小的矿体为主要的产出形态。矿体平均厚度约2 m,锌的品位(质量分数)为1.51%~9.71%[1]。围岩蚀变主要以硅化为主,其次还发育黄铁矿化、白云石化和重晶石化等,总体来说具有规模小、强度低、类型简单等特点。
根据矿石组构可将矿石划分为角砾状矿石(图3-A)、细脉状矿石(图3-B)以及致密块状矿石等,并以角砾状和细脉状矿石为主。金属矿物以闪锌矿、方铅矿为主,非金属矿物主要为白云石、重晶石、石英等。根据野外地质现象,结合手标本矿物之间的相互穿插关系和显微镜下矿物的结构特征,将洞子沟铅锌矿床成矿期次划分为2期4阶段(表1)。热液成矿期的石英-黄铁矿阶段(Ⅰ),主要以自形-半自形晶的立方体或五角十二面体黄铁矿为特征(图3-C、D);闪锌矿-方铅矿阶段(Ⅱ),闪锌矿呈褐色-深褐色,且早期白云石颗粒被闪锌矿胶结形成角砾状构造(图3-A),镜下还可见方铅矿与黄铁矿形成的包含结构(图3-E);闪锌矿-重晶石阶段(Ⅲ),手标本中闪锌矿为棕褐色-棕黄色,主要呈网脉状或细脉状穿插白云石(图3-B),镜下可见闪锌矿主要呈他形粒状结构,与方铅矿发育共边结构(图3-F),还有部分自形的重晶石颗粒包含在闪锌矿中(图3-G)。表生氧化期:镜下可见针铁矿和纤铁矿的反应边结构(图3-H)。
用于本次包裹体相关研究的石英和重晶石在成矿热液期的3个阶段均有发育,闪锌矿主要发育在成矿热液期的中晚阶段(表1)。
图2 桑木场地质简图Fig.2 Simplified regional geological map of Sangmuchang area (据贵州桐梓幅区域地质调查报告[13]修改)1.奥陶系及新地层; 2.娄山关群; 3.石冷水组; 4.高台组; 5.清虚洞组; 6.明心寺组-金顶山组; 7.牛蹄塘组; 8.灯影组; 9.桑木场背斜; 10.断层; 11.推测断层; 12.洞子沟铅锌矿床; 13.铅锌矿床; 14.铅锌矿化点; 15.重晶石矿点; 16.萤石矿点
图3 洞子沟铅锌矿床矿石结构构造Fig.3 Structures and textures of ores from Dongzigou lead-zinc deposit(A)白云石被闪锌矿和重晶石、石英等胶结形成角砾构造的闪锌矿矿石; (B)白云石中的闪锌矿呈细脉状构造; (C)自形结构黄铁矿,反射光,(-); (D)五角十二面体黄铁矿,反射光,(-); (E)方铅矿包含黄铁矿,反射光,(-); (E)他形黄铁矿呈压碎结构,反射光,(-); (F)闪锌矿和方铅矿发育的共边结构,反射光,(-); (G)自形的重晶石包含在闪锌矿中,反射光,(-); (H)针铁矿和纤铁矿反应边结构,反射光,(-)。Sp.闪锌矿; Gn.方铅矿; Py.黄铁矿; Brt.重晶石; Le.纤铁矿; Go.针铁矿; Dol.白云石
本次用于流体包裹体研究的样品采自洞子沟铅锌矿矿床,包括矿床成矿热液期中石英-黄铁矿阶段、闪锌矿-方铅矿阶段和闪锌矿-重晶石-沥青阶段中的石英、重晶石、闪锌矿、方解石,通过室内观察选取不同颜色的闪锌矿矿石和不同阶段脉石切制包裹体片。
此次所有包裹体片的制备均由中国科学院广州地球化学研究所完成,厚度约为0.2 mm,双面抛光。主要通过岩相学观察、包裹体显微测温和激光拉曼成分分析等方法对样品进行分析。包裹体的观察与分析是在成都理工大学资源勘查工程系包裹体实验室完成。包裹体岩相学观察使用Nikon ECLIPSE 50iPOL偏反光显微镜,目镜10×、物镜10×、20×、50×。流体包裹体显微温度测定采用Linkam THM SG600型冷热台,技术参数为:铂电阻传感器,测温范围为-196~600℃,温度显示0.1℃,控制稳定温度误差± 0.1℃。在显微测温均一法实验过程中,通常采用20℃/min的速率升温,并且每升高20℃,便保持一段时间恒温,观测包裹体中气泡相的变化,可以发现在加热过程中包裹体中的小气泡逐渐变小且缓慢移动。当小气泡变小的速率加快时或是气泡开始跳动,将升温速率调为2℃/min,直至气泡慢慢变成一个小黑点。均一温度即为小黑点消失时的温度。随后继续对包裹体进行加热,升温5~10℃,目的是为了确定包裹体确实达到了均一状态。在包裹体达到均一后,将包裹体保持在均一温度几分钟,之后再进行降温,可观察到包裹体中的气泡再出现的现象。
单个流体包裹体的激光拉曼光谱成分分析在中国地质科学院成都矿产综合利用研究所完成,使用仪器分别为RM-1000型显微激光拉曼光谱仪,激光波长532 nm,激光器输出功率22 mW,狭缝宽度25 μm;法国HORIBA Lab RAMHRE volution激光共聚焦显微拉曼光谱仪,波长532.00 nm,光谱分辨率 ± 0.65 cm-1。
包裹体同位素涉及的样品为闪锌矿和与闪锌矿密切共生的白云石、重晶石、石英和白云岩。在成都理工大学国土资源部构造成矿成藏重点实验室将未风化无蚀变的样品分离粉碎,在双目镜下手工挑纯,使单矿物纯度达到99%以上,并送至核工业北京地质研究院分析和中南矿产资源监督检测中心测试。氢同位素组成的主要测试方法(根据《水中氢同位素的锌还原法测定》):首先将石英样品研磨至60目,在双目镜下进行挑纯;而后使用去离子水对挑纯之后的石英样品进行清洗,在温度为105℃的条件下烘干48 h,之后又经低温(100~200℃)烘烤除去样品中的吸附水和次生包裹体;根据相关石英流体包裹体显微测温结果,为了防止其发生相关化学反应,因而选取在300~350℃条件下,使用爆裂法获取流体包裹体中的H2O,并同时通入N2,H2O在锌的作用下还原为H2,最终在MAT-253型质谱仪上测定δD组成。δ18O组成的主要测试方法(根据《硅酸盐及氧化物矿物中氧同位素组成的五氟化溴法测定》):首先将石英样品研磨至200目,在双目镜下挑纯;而后将石英样品与BrF5混合,并保持在450~550℃的条件下持续反应2 h,并提取在反应中生成的O2;再将前一步反应的O2与热石墨棒进一步反应生成CO2;最后使用MAT-253型质谱仪测定δ18O组成。石英流体包裹体的δ18OH2O是由石英的氧同位素组成通过Clayton等[14]提供的公式换算得到。
在重晶石、石英中发育有大量的包裹体,而在闪锌矿和方解石中包裹体数量较少。在室温(25℃)条件下,根据卢焕章等[15]提出的包裹体相态分类准则,可以将洞子沟铅锌矿床流体包裹体主要分为富液相(LV)、纯液相(L)和纯气相(V)包裹体3种类型。本次所有用于测试研究的包裹体,均选取随机分布的、群状分布的,或呈孤立存在的、形状规则的原生包裹体进行测试与分析。
通过显微镜下观察,成矿热液期流体包裹体类型单一,且主要为气液两相包裹体中的富液相包裹体(LV),同时也有纯液相(L)和纯气相(V)包裹体,未发现含子晶的三相包裹体。流体包裹体形态主要为似椭圆状、长条形及不规则状,大小在1~16 μm:Ⅰ成矿阶段石英中的富液相包裹体,孤立状分布和带状分布均有发育,少数气液比较大(图4-A),大小2~16 μm;Ⅱ成矿阶段中-深色闪锌矿中包裹体数量相对少且普遍呈小群状或孤立状分布(图4-B、C),大小2~6 μm;重晶石偶见呈孤立状分布的纯气相包裹体(VCO2,图4-D),大小为3~13 μm;方解石中发育有纯气相包裹体(VCO2,图4-E),大小在4~8 μm;Ⅲ成矿阶段重晶石中富液相包裹体呈带状和孤立状分布(图4-F、G),大小2~5 μm;石英中的富液相包裹体呈星散状分布(图4-H),大小3~8 μm。
图4 洞子沟铅锌矿床流体包裹体显微照片Fig.4 Images of different types of fluid inclusions of the Dongzigou lead-zinc deposit(A)Ⅰ成矿阶段石英中的富液相包裹体; (B)Ⅱ成矿阶段闪锌矿中孤立状随机分布的富液相包裹体; (C)Ⅱ成矿阶段闪锌矿中群状分布的富液相包裹体; (D)Ⅱ成矿阶段重晶石中的气相CO2包裹体; (E)Ⅱ成矿阶段方解石中气相CO2包裹体; (F)Ⅲ成矿阶段重晶石中孤立状分布的富液相包裹体; (G)Ⅲ成矿阶段重晶石中带状分布的富液相包裹体; (H)Ⅲ成矿阶段石英中星散状分布的富液相包裹体
本次对于洞子沟铅锌矿床流体包裹体显微均一温度测试,总体来说,均一温度变化范围较大,为90~320℃(表2)。
由流体包裹体均一温度直方图(图5-A)可知,均一温度多分布在130~270℃。Ⅰ成矿阶段均一温度主要集中于230~290℃,温度区间比较集中(图5-B);Ⅱ成矿阶段均一温度主要集中于110~190℃,而其中闪锌矿的均一温度变化范围为120~170℃(图5-B);Ⅲ成矿阶段均一温度相较前2个阶段偏低,主要集中于100~180℃(图5-B)。由图5-A和图5-B可以看出,洞子沟铅锌矿床热液期流体包裹体均一温度在3个不同成矿阶段变化范围较明显;随着成矿流体演化的进行,均一温度呈下降趋势。测温结果显示洞子沟铅锌矿床成矿流体属于中低温成矿流体。
根据前人Hall等[16]提出的NaCl-H2O型包裹体盐度经验公式,计算得到洞子沟铅锌矿床流体包裹体盐度(NaCl质量分数:wNaCl)为2.1%~11.8%,成矿Ⅰ阶段盐度变化范围为3.4%~11.8%,平均为7.3%;成矿Ⅱ阶段盐度变化范围为3.5%~10.7%,平均为6.8%;成矿Ⅲ阶段盐度变化范围为2.1%~6.5%,平均为4.3%(图6,图7)。
从图7中可以看出,洞子沟铅锌矿床成矿热液期流体包裹体盐度集中在3.5%~8%,并且伴随着成矿流体的演化,盐度大致呈下降趋势。成矿Ⅰ阶段盐度较高,成矿Ⅱ和Ⅲ阶段随着均一温度的降低,盐度也相应降低,可能是由于后期其他低盐度流体的混入。
表2 洞子沟铅锌矿床流体包裹体均一温度测试结果Table 2 Microthermometric measurement of fluid inclusions in Dongzigou lead-zinc deposit
图5 洞子沟铅锌矿床包裹体均一温度直方图Fig.5 Histogram showing homogenization temperature of fluid inclusions from the Dongzigou lead-zinc deposit
图6 洞子沟铅锌矿床流体包裹体盐度直方图Fig.6 Histogram showing salinity of fluid inclusions in Dongzigou lead-zinc deposit
通过分析激光拉曼图谱,发现洞子沟铅锌矿床中包裹体类型单一、成分简单,均为H2O和极少量的CO2。I成矿阶段石英(图8-A)、Ⅱ成矿阶段闪锌矿(图8-B)和重晶石(图8-C)以及Ⅲ成矿阶段白云石(图8-D)中的包裹体均可以看到明显水峰(3 472.02 cm-1、3 440.52 cm-1、3 479.71 cm-1),成分均为H2O,仅在Ⅲ成矿阶段中的石英和重晶石(图8-C)中见少量的CO2特征峰(1 288.43 cm-1)。洞子沟铅锌矿床的成矿流体总体上属于NaCl-H2O体系。
图7 均一温度-盐度散点(流体演化趋势)图Fig.7 Plot of salinity versus homogeneous temperature of fluid inclusions of different stages
图8 洞子沟铅锌矿床流体包裹体激光拉曼(LRM)图谱Fig.8 Raman spectra of fluid inclusions in the Dongzigou lead-zinc deposit(A)Ⅰ成矿阶段石英中富液相包裹体气相中的H2O; (B)Ⅱ成矿阶段闪锌矿中富液相包裹体气相中的H2O; (C)Ⅱ成矿阶段重晶石中纯气相包裹体中的CO2; (D)Ⅲ成矿阶段白云石中富液相包裹体气相中的H2O
为了确定洞子沟铅锌矿床成矿流体来源,对成矿作用密切相关的石英样品进行氢氧同位素组成测试分析,石英流体包裹体的δ18OH2O是由石英的氧同位素经换算公式[14]计算得来(表3)。
从表3可以看出,洞子沟铅锌矿床热液期4件含矿石英脉δDV-SOMW值相对比较集中,为-60.1‰~-51.4‰,平均值为-56.6‰;δ18OV-SMOW值为17.6‰~22.4‰,平均为19.8‰;结合包裹体显微测温数据可以计算出δ18OH2O-V-SMOW为0.6‰~10.8‰,平均为6.1‰。由图9可知,有3个数据点落在建造水区域内,一个落在建造水与大气降水之间的过渡区域内。
表3 洞子沟铅锌矿床石英及包裹体水的氢氧同位素组成Table 3 Hydrogen and oxygen isotopic compositions of water hosted in quartz and inclusions in the Dongzigou lead-zinc deposit
图9 洞子沟铅锌矿床氢氧同位素分布图Fig.9 H-O isotopic composition distribution of the Dongzigou lead-zinc deposit(作图方法据B.E.Taylor[17]和张理刚[18]修改)
图10 洞子沟铅锌矿床热液期成矿液体均一温度-盐度-密度关系图Fig.10 Homogenization temperature versus salinity and density for fluid inclusions in the Dongzigou lead-zinc deposit(作图方法据R.J.Bodnar[19]修改)
在本次研究中由于洞子沟铅锌矿床成矿热液期中3个阶段的包裹体均为H2O-NaCl型包裹体,于是可以利用NaCl-H2O体系的均一温度-盐度-密度相图(图10)得出成矿流体密度(ρ)为0.75~1.04 g/cm3。其中Ⅰ成矿阶段流体密度为0.75~0.97 g/cm3,Ⅱ成矿阶段流体密度为0.89~1.06 g/cm3,Ⅲ成矿阶段流体密度为1.02~1.04 g/cm3。并且在图10中不难发现,洞子沟铅锌矿床成矿流体在演化过程中,盐度和均一温度均呈降低趋势。
虽然包裹体压力还不能够直接测定,但是根据前人经验公式可以粗略地计算包裹体均一压力。对于封闭体系而言,使用静岩压力进行估算为妥;而对于开放体系,则应使用静水压力。考虑到下文中有关氢氧同位素的组成特征显示成矿热液主要是以层间建造水为主,故在计算矿床成矿深度时选用静岩压力进行估算,这里取地壳的平均密度2.7 g/cm3作为矿床赋矿岩石的密度,结合NaCl-H2O流体包裹体体系均一压力公式[20-21]和静岩深度经验公式[22]可以得出:洞子沟铅锌矿床成矿流体包裹体均一压力为9.39~31.2 MPa,其中成矿Ⅰ阶段包裹体均一压力范围为14.8~31.2 MPa,平均为22.9 MPa,静岩深度为492~963 m,平均为765 m;成矿Ⅱ阶段包裹体均一压力范围为9.97~21.6 MPa,平均为14.8 MPa,静岩深度为332~720 m,平均为494 m;成矿Ⅲ阶段包裹体均一压力为9.39~17.5 MPa,平均为11.7 MPa,静岩深度介于313~581 m,平均为389 m。其中闪锌矿的包裹体均一压力范围在13.0~17.3 MPa,平均为15.2 MPa;静岩深度为432~575 m,平均为506 m。据图11可以得出洞子沟铅锌矿床属于低压浅层成矿环境。
图11 洞子沟铅锌矿床流体包裹体均一压力直方图Fig.11 Homogeneous pressure-frequency histogram of fluid inclusions for Dongzigou lead-zinc deposit
通过流体包裹体的相关分析可知,洞子沟铅锌矿床热液期流体演化特点如下。
Ⅰ成矿阶段流体包裹体均一温度变化范围为192~300℃,由图5-A可知Ⅰ阶段流体包裹体均一温度主要集中于230~290℃。盐度范围为3.4%~11.8%,平均为7.3%;密度范围为0.75~0.97 g/cm3,平均为0.86 g/cm3;包裹体均一压力范围为14.8~31.2 MPa;静岩深度为492~963 m,平均为765 m。纯液相包裹体(LH2O)、纯气相包裹体(VH2O)和富液相包裹体(LH2OVH2O,LH2OVCO2)均有发育,主要呈孤立状分布(图4-A)。相较其余2个成矿阶段,该阶段呈现出较高的均一温度、盐度、密度和深度,代表了初始成矿流体的组成特征。
Ⅱ成矿阶段流体包裹体均一温度变化范围为110~250℃,由图5-A可以看出Ⅱ阶段流体包裹体均一温度主要集中于130~190℃,其中闪锌矿的均一温度平均值为163℃。盐度范围为3.5%~10.7%,平均为6.8%;密度范围为0.89~1.06 g/cm3,平均为0.95 g/cm3;包裹体均一压力范围为9.97~21.6 MPa;静岩深度为332~720 m,平均494 m。闪锌矿中的包裹体发育纯气相包裹体(VH2O)和富液相包裹体(LH2OVH2O),均呈星散状分布(图4-D)。Ⅱ成矿阶段流体包裹体均一温度低于Ⅰ成矿阶段,盐度和Ⅱ阶段成矿流体相比也略低,密度变化不大,静岩深度明显降低,且闪锌矿主要在该阶段沉淀富集。
Ⅲ成矿阶段流体包裹体均一温度范围为109~201℃,由图5-A可以看出Ⅲ阶段流体包裹体均一温度主要集中于110~170℃。盐度范围为2.1%~6.5%,平均为4.3%;密度范围为1.02~1.04 g/cm3,平均为0.96 g/cm3;包裹体均一压力为9.39~17.5 MPa;静岩深度为313~581 m,平均为389 m。Ⅲ成矿阶段流体包裹体在闪锌矿、石英及重晶石中发育有纯气相包裹体(VH2O)、纯液相包裹体(LH2O)和富液相包裹体(LH2OVH2O、LH2OVCO2),呈条带状分布(石英、重晶石和白云石中),部分呈星散状分布(图4-F、G、H)。Ⅲ成矿阶段流体包裹体均一温度和Ⅱ成矿阶段流体包裹体相差不大,盐度有所下降,密度同样和Ⅱ阶段类似,静岩深度略有降低。
图12 洞子沟铅锌矿床流体包裹体均一压力-均一温度图解Fig.12 Homogeneous pressure-homogenization temperature histogram of fluid inclusions for Dongzigou lead-zinc deposit
由图12可知,洞子沟铅锌矿床流体包裹体均一压力和均一温度之间表现出较为明显的线性关系,随着成矿作用的进行,均一温度和均一压力逐渐降低,反应出成矿流体演化过程中一个降温和减压的过程,可以推测成矿流体是由中浅层处向上运移。
据图9可知:δD同位素值变化不大,而δ18O同位素值在热液成矿期中晚阶段落在了与大气降水的过渡区域内,究其原因主要是由于矿床的赋矿围岩为碳酸盐岩,富含δ18O同位素,并且其δD同位素的值与大气降水相比很小,可以忽略不计。故在大气降水与围岩发生同位素交换作用时,主要影响δ18O同位素的值[23]。综合分析后认为:①洞子沟铅锌矿床热液期流体的氢氧同位素组成数据主要分布在建造水区域内;②热液期早阶段氢氧同位素组成指示成矿流体起源于地层中的建造水;③热液成矿期中晚阶段,氢氧同位素组成数据落在了建造水与大气降水的过渡区域内,能够反映成矿作用演化过程中成矿流体中有大气降水的混入。
a.洞子沟铅锌矿床流体包裹体类型主要为富液相包裹体(LV)、纯气相包裹体(VCO2、VH2O)以及纯液相包裹体(LH2O)。在成矿热液期不同阶段不同寄主矿物中包裹体的类型均以富液相H2O包裹体(LV)为主,分布形式多样、形态复杂,以似椭圆状、长条形为主,偶见不规则状,包裹体大小主要为3~10 μm,气相充填度5%~40%。
b.石英-黄铁矿阶段(Ⅰ)流体包裹体均一温度主要集中于230~290℃,盐度(wNaCl)平均为7.3%,密度平均为0.86 g/cm3;闪锌矿-方铅矿阶段(Ⅱ)流体包裹体均一温度主要集中于130~190℃,盐度平均为6.8%,密度平均为0.95 g/cm3;闪锌矿-重晶石阶段(Ⅲ)流体包裹体均一温度主要集中于110~170℃,盐度平均为4.3%,密度平均为0.96 g/cm3。矿床成矿流体呈现出中低温-中低盐度-中低密度的特征。包裹体均一压力和静岩深度也偏低,并且随着成矿作用的进行,呈逐步下降趋势。成矿环境为低压浅成成矿环境。
c.热液成矿期早阶段成矿流体以地层中建造水为主,随成矿作用的进行,成矿流体由中浅层向上运移,并在成矿热液期的晚阶段有大气降水混入成矿流体。