陕西旬阳泗人沟铅锌矿床地质及S、Pb同位素地球化学特征

刘天航，高永宝，魏立勇，张 振，唐卫东，贾 彬

(中国地质调查局 西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710000)

0 引 言

近年来，南秦岭多金属成矿带中关于泥盆系和志留系铅锌多金属矿带或矿集区的相关报道和研究较多[1-7]，相继发现了南沙沟、泗人沟、关子沟等一系列铅锌矿床。截至2010年，泗人沟铅锌矿床共探获铅和锌金属量总和为58.7万t(其中铅金属量6.1万t，锌金属量52.6万t)，矿床规模为大型。前人对该矿床做过大量的研究，积累了丰富的矿床地质及地球化学方面的资料，而对其成因仍有不同的认识，如变质热液脉型、沉积-改造型[1-3]、改造型[4]、沉积强改造型[5]、热水沉积型[6]和喷流-沉积型[7]等。由上可知，前人对该矿床的成因认识分歧较大。本文在搜集了大量前人资料的基础上，通过系统的野外地质调查、样品采集以及原位S、Pb同位素地球化学特征研究，并和区域上典型矿床的S、Pb同位素作对比，约束泗人沟铅锌矿床的成矿物质来源，探讨成矿机制，最终确定其成因，从而为区域成矿规律研究及找矿工作提供依据。

1 区域成矿地质背景

泗人沟铅锌矿床位于南秦岭褶皱系之大羊山复向斜的南翼，地层分区属南秦岭—大别山地层区之迭部—旬阳地层分区。该区出露地层主要有下古生界志留系、上古生界泥盆系和石炭系以及第四系，其中梅子垭组和杨岭沟组为区内金矿主要赋矿层位，公馆组和落驾河组为区内汞锑矿主要含矿层，梅子垭组、水洞沟组和石家沟组是区内铅锌矿主要含矿地层[7-14]。

区域上，大羊山复向斜、麻坪河—旬阳复背斜与公馆—双河断裂(F1)、南羊山断裂(F2)、冷水河—棕溪断裂(F3)、麻坪河断裂(F4)、吕河断裂(F5)等构成了区域主干构造格架[5,11,14]。区内构造行迹复杂，整体呈北西西—近东西向展布，次级断裂发育，岩石具变形强而变质弱的特点。大羊山复向斜总体形态近椭圆状，向两端翘起，呈近EW向展布，长约50 km，宽约25 km，核部为下石炭统地层，两翼为泥盆系和志留系地层，泗人沟铅锌矿位于其南翼。南羊山区域性大断裂从前寒武纪开始活动，在志留纪—泥盆纪为同生断裂，印支期受挤压活动而复活，总体北倾，向南高角度逆冲，晚期为左行走滑，该断层不仅控制了旬阳盆地的形成与演化，同时也控制了区内多金属矿产的分布。

区内的铅锌矿(点)有20余处，矿床空间分布呈北西西向和近弧形展布(图1)，受地层和构造控制明显。南羊山断裂以北，分布有镇安锡铜沟—月西铅、锌、铜、硫铁成矿带和小河—双河金、汞锑成矿带。南羊山断裂以南，分布着以大岭、赵家庄铅锌矿为代表的泥盆系铅锌成矿带和以南沙沟、泗人沟、黄石板等铅锌矿为代表的志留系铅锌成矿带[1,5]。泗人沟铅锌矿即位于南沙沟—关子沟铅锌成矿带西南部。区内目前尚未发现岩浆活动。

图1 镇安—旬阳地区铅锌矿地质略图(据齐文等[5]修改)Fig.1 Geological sketch map of Pb-Zn deposits in the Zhenan-Xunyang area(base map after Qi et al. [5])P-C.二叠系-石炭系；C-D.石炭系-泥盆系；D3.上泥盆统；D2-3.中—上泥盆统；D2.中泥盆统；S3s.上志留统水洞沟组；S1m.下志留统梅子垭组；S.志留系；O.奥陶系；∈-O.寒武系-奥陶系；1.硫铁矿床；2.汞锑矿床；3.铅锌矿床；4.铅锌矿点；5.金矿床；6.地质界线；7.断层及编号

2 矿床地质

2.1 矿区地质

矿区出露的地层有下泥盆统公馆组、西岔河组以及上志留统水洞沟组，其中公馆组岩性主要为结晶白云岩、黏土质白云岩、粉-砂屑白云岩及藻白云岩，为一套潮坪-潟湖相沉积建造；西岔河组岩性主要为含燧石砂砾岩、含砾砂岩、粉砂质千枚岩、石英砂岩局部夹白云岩，为一套河流相沉积建造；水洞沟组岩性主要为灰绿色-紫红色粉砂质绢云千枚岩和灰绿色含铁白云质绢云绿泥千枚岩，局部夹薄-中厚层粉砂岩条带，为一套干燥炎热潮坪相沉积建造；其中水洞沟组是主要的赋矿地层(图2)。矿区位于区域羊山复向斜的南翼，总体表现为向北倾的单斜构造，产状为(0°～24°)∠(31°～60°)，该单斜构造既控制含矿地层，又控制顺层断裂的产出。矿区构造主要为顺层断裂、顺层劈理带以及小型顺层掩卧褶皱。沿顺层断裂带发育成矿期的劈理化带、石英脉及成矿后的断层角砾、断层泥，铅锌矿体就位于该顺层断裂中[3,15]。

2.2 矿体特征

泗人沟铅锌矿床已圈定三个矿体，主要赋存在水洞沟组第二岩性段的粉砂质千枚岩中。矿体呈层状、似层状产出，与上下盘围岩整合接触，并与地层发生同步褶曲，具明显同生沉积特征，同时受顺层构造破碎带F2控制(图2)，局部地段矿体进一步富集。其中，Ⅰ、Ⅱ号矿体主要呈层状、似层状，近东西向展布，厚度0.4～10.6 m，延伸较为稳定；Ⅲ号矿体呈似层状、透镜状、不规则囊状，矿体形态复杂，构造热液改造作用明显，常具尖灭再现、膨胀收缩现象，在尖灭部位亦可见脉状矿体(图3)。

图3 泗人沟铅锌矿体剖面图Fig.3 Cross-section of the Sirengou Pb-Zn deposit1.蚀变带范围；2.粉砂质千枚岩；3.矿体；4.钻孔编号

2.3 矿石组构

通过野外手标本及显微镜下观察，基本查明了矿石结构、构造及矿物组成。主要金属矿物为闪锌矿、方铅矿和黄铁矿，以及少量磁黄铁矿和黄铜矿等(图4、图5)。脉石矿物主要为绢云母、石英，其次为长石、方解石、绿泥石等。

图4 泗人沟铅锌矿床矿石构造特征Fig.4 Hand-specimen photos showing structure of the Sirengou Pb-Zn ore(a)早期呈条带状闪锌矿局部被后期脉状方铅矿交代，闪锌矿和方铅矿中均可见改造作用形成的围岩角砾及石英角砾，方铅矿与围岩接触部位靠近围岩一侧可见细脉状或条带状闪锌矿，显示构造热液特征；(b)层状闪锌矿矿石中可见石英角砾，且发生微弱褶曲；(c)浸染状矿石，早期闪锌矿被后期方铅矿交代；(d)闪锌矿中发育多条脉状方铅矿、脉状石英及角砾状石英。Sp.闪锌矿；Gn.方铅矿；Py.黄铁矿；Qz.石英

矿石构造以块状、条带状构造为主(图4(a)和(b)，图5(a)—(e))，次为浸染状构造(图4(c)，图5(f)—(h))、细脉状构造(图4(d)，图5(i))。矿石结构类型主要为它形粒状、它形-半自形粒状集合体结构、交代结构、固溶体分离结构(图5)。

图5 泗人沟铅锌矿床矿物组成及矿石结构Fig.5 Mineral assemblage and ore textures of the Sirengou Pb-Zn ores(a)方铅矿呈不规则状交代闪锌矿；(b)方铅矿交代闪锌矿及黄铁矿；(c)半自形-自形黄铁矿被闪锌矿、方铅矿交代，呈交代残留结构或骸晶结构；(d)黄铜矿、磁黄铁矿呈固溶体分离结构分布于闪锌矿中；(e)自形立方体状黄铁矿被包含在闪锌矿中；(f)方铅矿呈它形晶粒状交代黄铜矿；(g)黄铜矿、磁黄铁矿和闪锌矿呈不规则粒状残留于闪锌矿中；(h)方铅矿中黑三角孔发育，可见轻微揉皱结构；(i)方铅矿呈细脉状沿裂隙充填。Sp.闪锌矿；Gn.方铅矿；Py.黄铁矿；Ccp.黄铜矿；Po.磁黄铁矿；Qz.石英

主要金属矿物镜下特征(图5)：闪锌矿呈不规则粒状集合体，少见半自形、六边形，见交代黄铁矿呈交代溶蚀结构；方铅矿的反射色呈白色，解理、三角孔发育，局部见轻微揉皱结构，呈它形晶粒状集合体，见交代黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、磁黄铁矿，多呈浸染状分布，少量沿微裂隙呈细脉状；黄铁矿的反射色呈淡黄色，均质性，无内反射，多呈半自形立方体状、骸晶状、它形粒状、压碎状和交代残留状结构，浸染状分布或残留于在黄铜矿、闪锌矿、方铅矿中；磁黄铁矿的反射色呈乳黄色带棕色，非均质性强，呈它形粒状，常与黄铜矿、闪锌矿共生，残留于方铅矿中；黄铜矿的反射色呈铜黄色，呈不规则粒状残留于方铅矿中，见交代闪锌矿、黄铁矿，呈固溶体分离结构分布于闪锌矿中。

2.4 围岩蚀变

矿区的围岩蚀变主要沿矿(化)体、顺层构造破碎带分布，蚀变强度与岩石变形强度正相关。蚀变主要有硅化、绢云母化、碳酸盐化、铁白云石化、绿泥石化、黄铁矿化等，其中硅化、绢云母化与矿化关系密切。硅化主要表现为含矿热液沿剪切断裂带以交代作用和充填作用为主的蚀变，前者主要形成大致沿劈理分布的烟灰色硅质条带，同时伴有大量Pb、Zn 矿物质沉淀、结晶析出，形成条带状铅锌矿脉，后者以形成乳白色石英脉和石英团块为特征(图6)。绢云母化主要分布在矿体、石英脉与围岩接触部位和构造破碎带中石英脉边缘处，具丝绢光泽，呈鳞片状集合体产出(图6(d))。碳酸盐化主要为方解石、白云石，多呈脉状分布于岩石中。

图6 泗人沟铅锌矿床围岩蚀变照片Fig.6 Field photos showing wallrock alteration of the Sirengou Pb-Zn deposit(a)交代作用形成的烟灰色石英条带；(b)交代作用形成的乳白色石英脉；(c)(d)充填作用形成的团块状石英，石英与围岩接触部位见绢云母、绿泥石

3 样品采集及测试方法

五件新鲜矿石样品均采自580 m标高的孙家庄壹号硐，送到西安瑞石地质科技有限公司磨制探针片及挑选单矿物。样品的硫、铅同位素测试工作均在西北大学大陆动力学重点国家实验室完成。其中，金属矿物的硫同位素采用LA-MC-ICP-MS分析方法，使用的质谱仪为Nu Plasma 1700 MC-ICP-MS，激光剥蚀系统为Resonitics M50-LR准分子激光剥蚀系统。测试S同位素时使用的激光能量密度为3.6 J/cm2，频率为3 Hz，剥蚀斑束为25～37 μm，剥蚀方式为单点剥蚀，载气为高纯氦气(280 mL/min)，补充气体为Ar，一般为0.86 L/min，分辨率(RP)大于12 000；标样为IAEA-S-1，使用时将样品相对于标样的值换算为δ34SV-CDT，精度优于0.1‰。金属矿物的铅同位素采用MC-ICP-MS分析方法，仪器型号为Neptune plus。铅同位素先用Savillex、HF和HNO3溶解，再用Sr特效树脂进行分离提纯，在MC-ICP-MS上先草测溶液Pb浓度，然后加入Tl的标准溶液，使Pb:Tl =1:1。Pb同位素仪器分馏校正采用203Tl/205Tl =2.388 9进行校正。Pb同位素比值采用203Tl/205Tl =0.418 922进行指数归一化校正。

4 结果分析和讨论

4.1 硫同位素

本次研究获得了泗人沟铅锌矿石硫化物的12个原位硫同位素数据，同时收集前人关于泗人沟的硫同位素数据，详见表1。由表1可知，泗人沟铅锌矿床金属硫化物(闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、黄铜矿)的原位δ34S值为0.17‰～2.03‰，平均值为1.21‰。其中，3件闪锌矿δ34S值为1.62‰～2.02‰，平均值为1.81‰；5件方铅矿δ34S值为0.17‰～1.01‰，平均值为0.56‰；2件黄铁矿δ34S值为1.20‰～1.45‰，平均值为1.33‰；2件黄铜矿δ34S值为1.67‰～2.03‰，平均值为1.85‰。前人研究[2,4,16]显示，围岩千枚岩中1件黄铁矿δ34S值为17.02‰，矿石中4件闪锌矿δ34S值为-8.51‰～0.45‰，平均值为-4.99‰；4件方铅矿δ34S值为3.29‰～14.31‰，平均值为7.34‰；3件黄铁矿δ34S值为-9.81‰～-1.00‰，平均值为-4.69‰(表1)。可以看到，泗人沟铅锌矿床金属硫化物δ34S值变化较大，但是δ34S峰值主要介于0.17‰～2.03‰，具有塔式分布特征，说明矿床主要硫来源较为单一。

表1 泗人沟铅锌矿床样品S同位素组成Table 1 Sulfur isotope compositions of the sulfide samples from Sirengou Pb-Zn Ore

前人研究表明，在硫同位素分馏达到平衡的条件下，共生硫化物(包括硫酸盐)的δ34S值按硫酸盐-辉钼矿-黄铁矿-磁黄铁矿-闪锌矿-黄铜矿-方铅矿的顺序递减[17-18]。泗人沟矿床共生金属硫化物中硫同位素显示出δ34S黄铜矿>δ34S闪锌矿>δ34S黄铁矿>δ34S方铅矿的特征，与标准硫同位素平衡顺序不一致，表明成矿期矿床中共生的硫化物硫同位素分馏未达到平衡。

前人研究认为，矿床中硫来源一般有4类：(1)地幔和深部地壳硫，其δ34S值一般为0±3‰；(2)海水硫酸盐，其δ34S值一般为20‰；(3)沉积物中还原硫，其δ34S值变化范围大且以较大的负值为主；(4)混合硫，其δ34S值一般介于地幔硫和海水硫酸盐硫之间[19-22]。宋小文等(2003)[2]得到的矿石δ34S大部分为负值，与前人及本次研究所测结果相差较大，可能的原因有：一是地层中硫的混入或沉积物混染会使得δ34S值明显较低[23-24]；二是大气降水大比例混入成矿流体，使得含矿流体氧逸度升高，其结晶的硫化物的δ34S为负值[25]。结合矿床地质地球化学特征，认为第二种解释更合理。Ohmoto认为，若体系的氧逸度较低且不存在硫酸盐，同时矿石硫化物组成较简单时，硫化物硫同位素值即代表热液总硫同位素值[20,26]。泗人沟铅锌矿床在野外地质调查及室内显微镜下鉴定过程中均未发现硫酸盐类矿物存在，而是发育闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、磁黄铁矿和黄铜矿矿物组合，符合Ohmoto所认为的研究体系。因此，泗人沟矿床成矿热液体系中总硫同位素特征与金属硫化物的硫同位素特征基本一致。SEDEX型铅锌矿床硫化物δ34S值一般变化较大，变化范围为-8‰～30‰，主要集中于-5‰～15‰[27]。由泗人沟铅锌矿床与其他铅锌矿床硫同位素组成对比图(图7)可知，泗人沟铅锌矿床明显不同于典型的SEDEX型厂坝式重硫富集型和铅硐山轻硫富集型。区域上千枚岩地层中黄铁矿硫同位素组成12.90‰～17.02‰，如果以千枚岩中黄铁矿硫同位素代表沉积地层硫同位素，显然矿石硫化物硫同位素远低于沉积地层硫同位素。泗人沟矿石硫化物δ34S值主要介于0.17‰～2.03‰之间，变化较窄，具有一定塔式分布特征，与地幔和深部地壳硫的δ34S值相似。由于矿区范围内未见岩浆活动，结合区域上南羊山断裂、冷水河—棕溪断裂及麻坪河断裂具有长期活动迹象，推测矿石中硫可能为深部流体经去气作用后，二氧化硫等气体沿断裂上升至浅部的结果[28]。综合以上分析，认为泗人沟铅锌矿床硫为地幔和深部地壳硫来源，同时可能混入少量地层硫。

图7 泗人沟铅锌矿床与其他铅锌矿床硫同位素组成对比图(底图据刘淑文[29]修改) Fig.7 Sulfur isotope histograms showing the S-isotope comparison between the Sirengou Pb-Zn deposit and other Pb-Zn deposits(base map after Liu[29])

4.2 铅同位素

本次研究获得铅同位素数据及前人数据见表2。泗人沟铅锌矿床9件金属硫化物样品中的206Pb/204Pb值为17.198～18.213，平均17.845，极差1.015；207Pb/204Pb值为15.564～15.627，平均15.610，极差0.063；208Pb/204Pb值为37.982～38.471，平均38.206，极差0.489。总体上，矿床铅同位素较稳定，变化范围较小，具有正常铅基本特征。利用H-H单阶段铅演化模式计算得到泗人沟矿床铅同位素相关特征参数如表2所示，其中μ值为9.46～9.59，平均9.56；ω值为37.48～41.70，平均38.92；Th/U值为3.83～4.21，均值为3.94。

表2 泗人沟铅锌矿床样品铅同位素组成Table 2 Lead isotope compositions of sulfides for samples from the Sirengou Pb-Zn deposit

铅同位素特征值通常用来揭示硫化物矿床成矿物质来源。前人研究认为，Pb的μ>9.85时，一般认为其源于相对富集U、Th的上地壳；而μ<9.85时，一般认为源于上地幔或下地壳[21]。SEDEX型铅锌矿床Pb同位素组成一般高于全球造山带Pb生长曲线，就单一SEDEX型矿床而言，Pb同位素组成一般较为均一，指示成矿流体中的Pb可能为一个主要来源[21,30]。泗人沟铅锌矿床中硫化物的μ值为9.46～9.58，初步认为矿床铅同位素兼具壳幔源特征。

为了进一步厘定泗人沟铅锌矿床铅的来源，将铅同位素组成投在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb和208Pb/204Pb-206Pb/204Pb构造模式图解(图8)中，可以看到，矿石样品点基本落在上地壳与地幔混合俯冲带演化线之间，并且靠近上地壳演化线，显示铅主要源于上地壳。将计算得到的矿石与同时代地幔相对偏差Δβ和Δγ投到矿石铅同位素Δβ-Δγ成因分类图解(图9)中，除了两个样品点落在上地壳与地幔混合的俯冲带铅区域内，其余7个样品点均落在上地壳铅区域内，显然泗人沟铅锌矿床铅同位素主要源于上地壳，同时也有少量地幔铅。

图8 铅同位素构造模式图解(底图据Zartman et al.[30])Fig.8 Lead isotope tectonic discriminant diagram(base map after Zartman et al.[30])

图9 铅同位素Δβ-Δγ图解(底图据朱炳泉[31])Fig.9 Δβ-Δγ diagram for Pb isotopes(base map after Zhu [31])1.地幔源铅；2.上地壳铅；3.上地壳与地幔混合的俯冲带铅，3a示岩浆作用，3b示沉积作用；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.造山带铅；9.古老页岩上地壳铅；10.退变质铅

4.3 矿床成因

综上所述，泗人沟铅锌矿床赋存在中志留统双河镇组粉砂质千枚岩中，受顺层构造蚀变破碎带控制明显，矿体呈似层状、透镜状、不规则状等；矿石矿物以闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、磁黄铁矿和黄铜矿为主；矿石结构主要为它形-半自形粒状集合体结构、交代结构和固溶体分离结构；矿石构造主要为块状、条带状、浸染状和细脉状。块状闪锌矿局部被后期脉状方铅矿交代，闪锌矿和方铅矿中均可见后期改造作用形成的围岩角砾、石英角砾以及细脉状方铅矿，浸染状矿石中早期闪锌矿被后期方铅矿交代，显示构造热液特征。

细碎屑岩是泗人沟铅锌矿主要赋矿围岩，细碎屑岩地层常呈纹层状、脉状或网脉状矿化(图6(a)、(b)和(d))，具明显的后期热液充填痕迹。野外观察到的闪锌矿矿石是充填在发生变形后的粉砂质千枚岩裂隙中(图5(b)和图6(a))，证明成岩作用之后的确发生了闪锌矿矿化[32]。此外，矿石具有一定的角砾状构造(图5(a)和(d))，角砾可能是由不完全交代作用形成的。以上这些证据均反映了热液交代和充填成矿。前人资料显示成矿流体主要为大气降水和变质水的混合水[32]，本次研究的硫、铅同位素显示成矿物质具有上地壳和地幔混源特征。因此认为其成因类型为与岩浆活动无关而与盆地流体密切相关的后生热液充填交代型矿床，成矿过程模式图10所示。

图10 泗人沟铅锌矿成矿模式图Fig.10 Schematic metallogenic model of the Sirengou Pb-Zn deposit

早古生代至晚古生代早期，镇旬盆地一带在稳定的被动陆缘环境中沉积了一套细碎屑岩和碳酸盐岩建造体系，并在局部地段形成热水沉积铅锌矿床和铅、锌初始富集矿源层。华力西晚期—印支期—燕山期，区内发生大规模的碰撞造山运动，致使志留纪—泥盆纪的细碎屑岩-碳酸盐岩建造发生强烈的变形和弱变质，在矿区范围内形成了层间破碎带、劈理带及有利的构造圈闭空间，同时导致上地壳成矿物质进一步活化。持续的挤压造山运动使得盆地流体发生深部对流循环，在泗人沟等地区混入大气降水和深部变质改造水，由于地温梯度的影响，混合流体在热力驱动下沿着同生断裂上升。这种热流体在运移过程中，淋滤了深部地壳的Pb、Zn等成矿物质，形成了富含Pb、Zn的中低温还原性成矿流体，沿层间破碎带及劈理带汇聚排泄，最终在粉砂质千枚岩形成的地球化学障中卸载而形成矿体[33-35]。

5 结 论

(1)泗人沟铅锌矿床矿石硫化物δ34S值主要介于0.17‰～2.03‰之间，组成比较稳定，具有塔式分布特征，反映硫的来源为地幔和深部地壳，同时可能混入少量地层硫。

(2)矿石铅同位素比较稳定，主要源于上地壳，同时也有少量地幔铅参与。

(3)综合矿床地质特征及S、Pb同位素地球化学特征，认为泗人沟铅锌矿床成因类型为后生热液充填交代型矿床。