湖南黄沙坪多金属矿床闪锌矿对Cu-Pb-Zn和W-Mo-Pb-Zn成矿系统环境的指示

王俊霖，邓安平，张 宇，邵拥军，李宏斌

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；2.湖南有色金属有限公司 黄沙坪矿业分公司，湖南 郴州 424400)

0 引言

闪锌矿作为一种重要的矿石矿物，广泛分布于各类铅锌矿床之中；由于其特殊的晶型结构，易被过渡型元素类质同象替换，因而其微量元素含量及其组合常可作为标型特征，用于提供形成时期的环境信息(温度、硫逸度、压力等)。闪锌矿中FeS的含量、Zn/Fe、Zn/Cd与Ga/Ge比值常可用于估算成矿时期的温度[1-4]。前人研究还表明，在一定温度范围内(450℃～600℃)闪锌矿中的FeS含量主要取决于压力，因此当闪锌矿与磁黄铁矿+黄铁矿共生时，可作为一种有效的地质压力计[5-7]。闪锌矿中微量元素标型特征除了可以提供形成时期的环境信息外，还可以用来指示矿床成因。闪锌矿中Ga/In比值常可用于区分热液型矿床、接触交代型矿床和火山岩型矿床[8]；Zn/Cd与Ge/In比值常可用于区分热液型矿床和层控型矿床[9-10]。

黄沙坪铅锌多金属矿床位于我国湖南省桂阳县南侧(112°40′42″E，25°39′31″N)，是我国重要的铅、锌、钨、钼等多种金属产地，其以发育与晚中生代花岗岩相关的Cu-Pb-Zn和W-Mo-Pb-Zn两套矽卡岩成矿系统为特征。自20世纪80年代以来，众多学者对黄沙坪矿床开展了大量科学研究，取得了斐然的成果，如成矿地质背景及构造特征[11-12]、矿物组合及标型特征[13-15]、同位素地球化学[16-17]、流体包裹体及矿床成因等[18-19]。然而对于两套成矿系统的成矿系统的差异性原因仍有待进一步加强。

本次研究在总结前人已有的研究资料和文献的基础上，结合区域成矿背景及矿床地质特征，利用该矿床中两套成矿系统中闪锌矿电子探针原位主量元素分析，讨论产于304号接触带的Cu-Pb-Zn矿化与产于301号接触带的W-Mo-Pb-Zn矿化的成矿环境的差异性，对黄沙坪叠加成矿作用提供一定的理论依据。

1 区域地质概况

黄沙坪矿区位于我国南岭构造带中段北缘，骑田岭—千里山多金属矿集区西侧，系南岭成矿带与钦杭成矿带叠加区的一个重要的组成单元[11，20-22]。本区出露地层主要为上古生界上泥盆统及下石炭统(图1b)。区域构造活动强烈，先后经历加里东、印支和燕山等多期次构造活动叠加改造，发育大量的褶皱和断裂，形成了以NE—NNE向为主、SN向、SE向和NW向为辅的构造形迹(图1b、1c)。区域内岩浆岩分布范围广，花岗岩类是本区岩浆岩的主体，具有多阶段、多期次、多旋回的特征，超基性—基性岩少见[23]。

图1 黄沙坪铅锌多金属矿区地质简图(a、b)及16线剖面简图(c)(据文献[17]修改)

1—三叠系—新近系 2—下石炭统梓门桥租 3—下石炭统测水组 4—下石炭统石磴子组 5—下石炭统孟公坳组 6—上泥盆统锡矿山组上段 7—上泥盆统锡矿山组下段 8—上泥盆统佘田桥组 9—震旦系—寒武系 10—侏罗纪花岗闪长岩 11—石英斑岩 12—英安斑岩 13—矽卡岩 14—倒转背斜 15—断层 16—逆断层 17—正断层 18—地质界线 19—矿脉编号 20—铅锌矿体

2 矿床地质特征

2.1 矿区地质特征

黄沙坪矿区出露地层由老至新依次为泥盆系佘田桥组、锡矿山组，下石炭统孟公坳组、上石磴子组、测水组和梓门桥组；其中铅锌矿主要赋存于下石炭统石磴子组灰岩和测水组砂页岩之中[24]。该矿区发育近NS向和近EW向的两组逆冲断层和一系列复式褶皱。F1断层、F2断层、F3断层(矿区内主要的控矿断裂带)与向西倒转的观音打坐—宝岭复式背斜、上银山背、向斜一起构成近NS向的构造线；F0断层、F6断层、F11断层等构成该矿床近EW向构造线，它们将矿区分割成“井”字型，严格控制着岩浆岩的侵位以及成矿热液的运移与沉淀，为成矿提供了有利的封闭环境[22，25-26]。黄沙坪矿区的岩浆作用发育强烈，但总的来说，侵位深度不大，产出范围较小。岩浆岩主要包括花岗斑岩、石英斑岩、花斑岩(英安斑岩)和正长斑岩四种类型。正长斑岩和花岗斑岩是隐伏岩体，花斑岩(英安斑岩)和石英斑岩是出露岩体[27]。

2.2 矿体地质特征

黄沙坪矿床中矿体与矽卡岩的空间上分布关系十分密切。矽卡岩在地表仅少量出露，但在深部规模较大(图1c)。矿区内矿体类型和数目较多，可根据其分布特征可将其划分为301(W-Mo-Pb-Zn)和304(Cu-Pb-Zn)两个成矿系统。两矽卡岩成矿系统分别位于F1逆冲断层的上、下盘，其中301矽卡岩成矿系统处于F2逆断层下盘，304矽卡岩成矿系统处于上银山背斜西翼。目前已圈定的铅锌矿体多达500余个，矿区南部钨钼矿体8个，其中位于矿区南部301花岗斑岩体接触带的W216矿体群，属于超大矽卡岩型W-Mo多金属矿体。

2.2.1 矿体特征

黄沙坪矿区矿体沿走向长800～1000 m，宽60～400 m，矿体厚度不均，薄处约数十米，最厚处可达336 m。矿体总体倾向SE，倾角20°～70°，呈月牙状、似层状、透镜状等不规则状产出，矿体形态与矽卡岩基本一致，且分枝、复合、膨缩等现象较为常见。

2.2.2 矿石成分、结构构造

304号石英斑岩接触带矿体：304矽卡岩成矿系统(图2a)在-176中段石门6-4号采样点东侧附近可见明显矿化出露，在石英斑岩与围岩接触处可见黄铁矿-方铅矿矿石、黄铜矿-方铅矿-闪锌矿矿石发育，矿石呈致密块状构造，黄铁矿见明显氧化特征，闪锌矿部分被黄铜矿、黄铁矿等交代。-176中段534矿体附近亦可见304矽卡岩成矿系统矿化出露，发育有块状黄铁矿-方铅矿矿石(图2b)。

301号花岗斑岩接触带矿体：301矽卡岩成矿系统(图2d)在-176中段石门9号采样点附近多金属矿化现象明显，广泛出露辉钼矿-白钨矿矿石、黄铜矿-闪锌矿-方铅矿矿石等。其中白钨矿多以团块状出露，局部见细脉状；脉石矿物以团块状萤石为代表，局部伴生延伸较长、宽度较大的方解石脉。此外矿区-176中段石门9-16号采样点附近，在花岗斑岩与围岩接触带处见301矽卡岩成矿系统的黄铁矿-方铅矿-闪锌矿矿石显著发育。-96中段石门13号采样点向南可见301矽卡岩成矿系统矿化呈逐渐发育的特征，由北向南逐渐出露大理岩、石榴石矽卡岩、脉状铅锌矿体，含磁铁矿的石榴石矽卡岩、层纹状磁铁矿矿石等。

3 矿床类型及成矿阶段划分

3.1 矿床类型划分

根据矿物组合特征及空间分布位置，可将黄沙坪铅锌多金属矿床成矿系统分为以下两类，分别为产于304号石英斑岩接触带的黄铜矿-黄铁矿-闪锌矿-方铅矿矿体和产于301号花岗斑岩接触带的白钨矿-辉钼矿-黄铜矿-方铅矿-闪锌矿矿体。黄沙坪矿床蚀变发育，蚀变种类众多、蚀变强度大且分布广泛。以岩体为中心，向外依次呈现出矽卡岩化岩体-矽卡岩-矽卡岩化大理岩-大理岩化灰岩-灰岩分带的规律(图2)。

图2 黄沙坪矿床矿石特征

(a)304石英斑岩相关的Cu-Pb-Zn矿体 (b)黄铜矿-方铅矿-闪锌矿矿石 (c)Cu-Pb-Zn矿体中闪锌矿较干净，与黄铜矿-黄铁矿共生，局部见黄铜矿-闪锌矿固溶体结构(-) (d)301花岗斑岩相关的W-Mo-Pb-Zn 矿体 (e)白钨矿-闪锌矿-方铅矿矿石 (f)W-Mo-Pb-Zn 矿体中的闪锌矿与方解石共生(-)

3.2 成矿阶段划分

依据矽卡岩的产出状态、矿物共生组合、岩相学特征及前人研究的文献资料，将黄沙坪矿床的成矿过程划分为两个成矿期，即矽卡岩期和石英-硫化物期；四个成矿阶段，即早期矽卡岩阶段、晚期矽卡岩阶段、早期硫化物阶段和晚期硫化物阶段(表1)。

表1 黄沙坪矿床成矿期次及矿物生成表(据文献[27]修改)

Table 1 Metallogenic stage and mineral generation sequences of Huangshaping deposit

4 采样及测试分析方法

根据不同岩体接触带产出的矿体，笔者等将黄沙坪矿化划分为与花岗斑岩有关的W-Mo-Pb-Zn矽卡岩型矿化(301矿体)和与石英斑岩有关的Cu-Pb-Zn矽卡岩型矿化(304矿体)。本次论文选取的3个闪锌矿样品分别来自上述两种矿化地带(图3)，其中Cu-Pb-Zn矿体2件样品，W-Mo-Pb-Zn矿体1件样品，此文未涉及叠加部位。

在显微镜观察的基础上，选取样品中颗粒粗大、与黄铁矿和黄铜矿共生的、内部干净的闪锌矿颗粒进行测试分析。元素分析由中南大学有色金属成矿与环境监测(教育部)重点实验室完成，采用岛津(Shimadzu)1720型号电子探针分析仪(Electron Microprobe，EPMA)测定，元素X射线分析分别采用Zn Kα、Fe Kα、Mn Kα、Cd Lα、Cu Kα、In Lα、S Kα矫正；分析束斑为1 μm，检测限为wB=0.01%，测试结果采用ZAF校正。

从测试结果来看，闪锌矿中Fe元素含量较高，其最低w(Fe)=12.05%，最高w(Fe)=19.12%，平均w(Fe)=15.50%；其中301矿体中Fe元素含量明显更高。Cd元素含量较低，其含量最低w(Cd)=0.02%，最高w(Cd)=0.171%，平均w(Cd)=0.11%；Mn元素含量最低w(Mn)=0.02%，最高w(Mn)=0.43%，平均w(Mn)=0.20%。In元素含量最低w(In)

5 讨论

5.1 元素相关性

元素间的类质同象替换是矿物中微量元素赋存的一种普遍机制，闪锌矿作为一种自然界广泛分布的金属矿物，是Cd、In、Mn等微量元素的主要载体矿物。黄沙坪铅锌矿床中Fe与Zn呈较明显负相关关系(图4)(r=-0.93)，说明黄沙坪铅锌矿床之中存在Zn-Fe类质同象替换。从Fe元素含量来看，其w(Fe)>8%，且闪锌矿的颜色也较深(图2c)，属于铁闪锌矿。

图3 黄沙坪矿床-96 m中段平面示意图及闪锌矿采样位置

图4 Fe-Zn相关性图Fig.4 Fe-Zn correlation diagram of sphalerite in two different orebodies

5.2 温度

前人研究的文献资料及数据已经证明，闪锌矿中微量元素的含量与成矿温度有直接的关系。高温条件下形成的闪锌矿以富集Fe、Mn、In等元素，相对贫Cd、Ga、Ge、Ag元素为特征[28-30]。由表2可见，黄沙坪铅锌矿床闪锌矿中w(Fe)为12.05%～19.12%，平均15.50%(n=41)；w(Mn)为0.02%～0.43%，平均0.20%(n=35)；w(In)

余琼华[2](1985)认为，闪锌矿中Zn/Fe比值大于10，指示矿床为中低温，反之为中高温。本文中Zn/Fe平均值为3.15(n=41)，指示矿床为中高温成矿。本文中Zn/Cd平均值为552.83(n=41)与刘英俊[3](1984)测得高温闪锌矿Zn/Cd比值(>500)相符，亦说明矿床为中高温成矿。

卢焕章[1](1975)指出，当闪锌矿与黄铁矿共生的情况下，可以用进入闪锌矿晶格中的FeS量作为指标估算成矿时期温度。本文利用电子探针测得闪锌矿中Fe元素含量进行投图，发现其成矿温度大致在252℃～261℃区间，这与前人包裹体测温得出温度区间258℃～283℃近似，也再次证明黄沙坪矿床为中高温成矿，并且笔者还发现304矿体与301矿体成矿温度存在一定的差异(图5)。

图5 闪锌矿FeS量与温度关系图(据文献[1]修改)Fig.5 The FeS-temperature correlation diagram of sphalerite (modified from reference [1])

5.3 硫逸度

Scott[6]在1971年通过实验证明，闪锌矿中FeS含量与其形成时期的温度有着一定的函数关系。根据黄沙坪闪锌矿中FeS含量和热力学数据[32]估算了304矿体与301矿体的闪锌矿成矿温度与硫逸度关系，利用Skinner and Barton[33]做出的Zn-Fe-S体系logfS2- 1000/T图解(图6)进行投图，发现黄沙坪铅锌多金属铅锌矿床中304矿体与301矿体的闪锌矿都集中在黄铁矿与磁黄铁矿共生区域，这与野外现象与光薄片显微镜下观察的结果符合，并且自304矿体到301矿体的硫逸度有下降的趋势。

表2 闪锌矿电子探针元素含量测试数据

注：“—”表示低于检测限。

图6 黄沙坪闪锌矿硫逸度-温度图解

注：灰色区域代表流体演化过程中可能出现的金属矿物及其组合，粗实线表示共生矿物相平衡线，细实线表示3个成矿阶段的logfS2- 1000/T范围，T为开尔文温度。301与304矿体闪锌矿成矿温度范围依据前文闪锌矿FeS摩尔分数投图所得。

Po—磁黄铁矿 Py—黄铁矿 Cp—黄铜矿 Cv—铜蓝 Dg—蓝辉铜矿 Bn—辉锑矿 asp—毒砂 lo—斜方砷铁矿INTERMEDIATE—中等硫逸度 LOW—低硫逸度

前人研究显示，在中等硫逸度条件下，随着温度逐步降低，岩浆热液在岩浆远端区域依次有Cu、Cu-Zn、Pb-Zn-Ag、Au演化趋势；在低等硫逸度控制下，则变成W-Mo、Pb-Zn、Au的演化趋势。本文依据Einaudi et al.[34]提出的演化模式图解，利用前文电子探针测得闪锌矿Fe含量(表2)，计算得到的硫逸度-温度数据和闪锌矿中FeS摩尔含量投图所得矿体温度(图5)进行投图(图6)。结果显示：两类矿化带的曲线都落在中—低硫逸度的范围内，闪锌矿中Fe的摩尔分数范围在10.23%～16.05%之间。304矿体落在中低等硫逸度演化模式的Pb-Zn-Ag阶段，301矿体落在更靠近低等硫逸度演化模式的W-Pb-Zn阶段，这表明，304矿体与301矿体在形成温度与硫逸度上具有一定差异性，并且这种成矿环境的变化对不同矿化类型可能具有一定的指示意义。

6 结论

1)黄沙坪铅锌多金属矿床较为富集Fe、Mn、In元素，贫Cd元素，存在明显的Fe2+→Zn2+类质同象替换模式。

2)依据闪锌矿中微量元素含量及标型特征判断成矿温度为中高温环境(252℃～261℃)，且W-Mo-Pb-Zn矿化系统相较Cu-Pb-Zn矿化系统的成矿温度更低，硫逸度更高。

3)结合矿物共生组合和矿体分布等因素综合判断，黄沙坪矿床存在着Cu-Pb-Zn与W-Mo-Pb-Zn叠加成矿作用，依据闪锌矿地球化学特征，得出黄沙坪矿床两套成矿系统成矿环境有差异，为讨论叠加过程提供了思路。