扬子陆块北缘六冲坪金矿方解石Sm-Nd等时线年龄及其地质意义

周 舟， 牟宗玉， 雷 雳， 蒋达源， 聂开红， 向 萌， 杨 朋

(湖北省地质局 第七地质大队，湖北 宜昌 443100)

鄂西黄陵地区是湖北省重要的金矿产地之一，金矿在黄陵背斜核部结晶基底区分布较广泛，其矿床类型多为含金石英脉型及蚀变岩型。近年来，黄陵背斜周缘沉积岩分布区新发现了一些金矿点，如湖北省保康县六冲坪金矿点，但对其开展的综合研究工作较少，已有工作主要集中在矿床地质特征、地球化学特征、流体包裹体特征[1-2]等方面。由于缺乏常规的定年矿物和有效的定年方法，该矿点可靠的成矿年龄还未知。矿床形成年龄的精确测定对于正确认识矿床成矿地质背景、控矿因素和总结成矿规律具有极为重要的意义[3-5]，并且能够为开展类似矿床(点)的找矿勘查工作提供指导。

随着同位素年代学的发展，单矿物同位素测年技术已经日趋成熟，已有众多国内外学者在黄铁矿、石英等Rb-Sr同位素测年及方解石、萤石Sm-Nd同位素测年等方面取得了一系列重要进展[6-8]。方解石为含钙矿物，其中的稀土元素多以置换晶格中Ca2+的形式存在[7]。在化学性质上，Sm和Nd较为接近，经147Sm衰变过后形成的143Nd易封存，Sm-Nd同位素体系容易保持封闭，且抗蚀变能力较强[7-8]，因此方解石Sm-Nd同位素测年是一种有效的定年手段。本文在详细研究六冲坪金矿点地质特征的基础上，通过选取主成矿期的方解石开展Sm-Nd同位素测年工作，确定六冲坪金矿点的成矿时代，为该矿点成矿地质背景研究提供年代学制约。

1 区域地质背景

六冲坪金矿点大地构造位置位于上扬子台坪鄂中褶断区黄陵背斜北缘[9]。黄陵背斜为轴向NE 15°的穹隆构造，具典型的“二元结构”，即基底+沉积盖层。核部为川中式结晶基底，南华系—三叠系沉积地层以高角度不整合覆盖，盖层总体为一套细碎屑岩和海相碳酸盐岩建造[1-2]。磷、铁、石墨、金、银、钒、铅锌是本区特色优势矿种，结晶基底中盛产内生矿产，广泛分布热液成因的金矿床(点)；外生矿产多产于沉积盖层中。在黄陵背斜北缘沉积盖层区发育一系列的中低温热液矿产，以铅锌、金、重晶石、萤石为代表，其中铅锌矿赋存于震旦系陡山沱组—灯影组，萤石主要产于震旦系灯影组，重晶石主要分布于寒武系覃家庙组、娄山关组及奥陶系，总体围绕黄陵背斜呈弧形分布。上述矿床的形成与流体活动有关，受地层、构造等多因素控矿，其中沉积岩区中低温热液作用形成的六冲坪金矿点为近年来“国土资源大调查”新发现的金矿点[1]，显示出该类型金矿具有一定的找矿潜力。

2 矿床地质特征

图1 保康县六冲坪金矿区地质简图(据参考文献[1]修改)Fig.1 Geological map of Liuchongping gold mining area in Baokang County1.第四系；2.奥陶系下统南津关组；3.寒武系上统娄山关组；4.寒武系中统覃家庙组；5.寒武系下统石龙洞组；6.寒武系下统天河板组；7.寒武系下统石牌组；8.寒武系底—下统牛蹄塘组；9.震旦系灯影组三段；10.震旦系灯影组二段；11.整合地质界线；12.角度不整合地质界线；13.性质不明断层；14.实测正断层；15.层理产状；16.金矿体及编号；17.取样位置。

矿石类型主要为碎裂岩化硅化方解石化黄(褐)铁矿化泥质白云岩，具泥粉晶结构、碎裂结构、半自形—他形粒状结构、交代残余结构、交代假象结构和块状构造、浸染状构造、角砾状构造、细脉状构造。

矿石中金属矿物以金红石、黄铁矿、白铁矿、褐铁矿为主，非金属矿物以白云石、重晶石、石英、方解石等为主(图2)。矿石蚀变明显，据矿相学研究显示矿物的结晶次序大致为：黄铁矿、白铁矿→重晶石→石英→萤石→方解石→褐铁矿。金矿石中少见自然金，黄铁矿为金的主要载体[1]。矿石中黄铁矿为含砷黄铁矿，砷含量>0.6%。方解石是六冲坪金矿主要的脉石矿物之一，根据其与金矿化发生的时间先后关系，可分为成矿前和成矿期两期，成矿前方解石一般呈白色、乳白色，呈不规则脉状和团块状广泛分布于围岩中，不含金属硫化物；成矿期方解石主要呈白色网脉状顺岩石裂隙充填，或作为主要胶结物胶结交代矿石中的原岩角砾，次为团块状、团斑状，与硅化、重晶石化相伴出现。前人研究表明，这种大量发育的碳酸盐岩脉可能记录了已知金矿床深部曾经发生的含矿热液与含铁碳酸盐岩地层相互作用(去碳酸盐化)的地球化学过程，它们的形成可能是金矿成矿作用中去碳酸盐化过程最为直接的宏观地质表达[10-13]。金矿化与硅化、去碳酸盐化和方解石化关系密切，成矿期石英交代白云质岩屑形成硅化，在石英中常见白云岩交代残余碎屑，黄铁矿多分布于石英颗粒中或颗粒边缘，硅化、去碳酸盐化和金矿化是同步的；在硅化、去碳酸盐化蚀变带边缘或附近的裂隙中发育网脉状、脉状方解石，常见方解石交代残余的白云质碎屑，甚至交代、胶结硅化阶段形成的石英，方解石内或裂隙中常见铁质矿物(图2-c)，方解石的结晶与金矿化同步或稍晚。

3 分析测试方法

六冲坪金矿AuⅢ号主矿体的矿石中方解石脉较为发育，本次研究在该矿体系统采集了块状矿石样品6件。首先对矿石中方解石单矿物进行分选，在双目镜下按粒径36～70目进行挑选，每件重量约5 g、纯度>99%。

方解石单矿物Sm-Nd同位素分析由自然资源部中南矿产资源监督检测中心(武汉地质矿产研究所)完成，测试仪器为Triton热电离质谱仪，检测依据为《钐钕同位素地质年龄和钕同位素比值测定》(DZ/T 0184.6—1997)[14]。Sm-Nd同位素分析采用双流程工艺。一份加入145Nd+149Sm混合稀释剂，另一份不加稀释剂，溶样赶酸后用稀HCl提取，再用阳离子交换树脂进行分离和纯化。加了稀释剂的解吸液蒸干后用于Sm、Nd含量质谱分析，未加稀释剂的解吸液蒸干后经分离和纯化Nd，用作Nd同位素比值分析。质量分馏采用146Nd/144Nd=0.721 9进行幂定律校正，全流程用GBW04419、JMC和GSW标准物质监控。Sm、Nd空白为4.0×10-11、1.23×10-10，衰变常数为λ(147Sm)=6.54×10-12/a。

图2 六冲坪金矿石岩相学特征Fig.2 Petrographic characteristics of Liuchongping gold orea.矿石碎裂结构特征，原岩白云质岩屑为方解石、石英、微粉晶白云石交代胶结，茜素红染色(-);b.岩石破碎呈角砾状，白云质角砾、硅质角砾、细砂质白云岩岩屑及部分白云石、石英被方解石交代胶结，茜素红染色(+);c.方解石呈脉状充填，局部铁质沿裂隙分布，构成微观缝合线，茜素红染色(-);d.白云质、硅质、重晶石角砾为方解石、石英等交代胶结，茜素红染色(+);e.黄铁矿的生长环带结构，反射光(-);f.黄铁矿分布于透明矿物中，被白铁矿及褐铁矿交代呈残余或假象结构，反射光(+);Py.黄铁矿;Mrc.白铁矿;Lm.褐铁矿;Dol.白云石;Cal.方解石;Qtz.石英;Brt.重晶石。

4 分析结果

6件样品Sm、Nd同位素组成见表1。方解石Sm含量为0.588 8×10-6～2.906 0×10-6，平均为1.299 0×10-6；方解石Nd含量为2.875 0×10-6～19.030 0×10-6，平均为7.342 5×10-6；147Sm/144Nd值介于0.092 4～0.133 6，143Nd/144Nd值介于0.511 733～0.511 840。6件方解石的Sm、Nd含量差异较大，可能有两个方面的原因：一是受Sm和Nd在方解石晶格中分配系数的影响；二是成矿流体中随着成矿作用进行，结晶沉淀的矿物相类型及组合、比例不断变化，与之相平衡的元素组成亦发生相应变化，不同程度地影响了元素的比值[15]。本次测得的Sm/Nd比值区间为0.153～0.221，显示出Sm/Nd比值变化范围较大，这有利于利用方解石进行Sm-Nd同位素等时线测年[7,15]。

在147Sm/144Nd-143Nd/144Nd图(图3)中，6件方解石样品显示出良好的线性关系。需要对于这种线性关系是否具有地质意义进行研判，区分真等时线和假等时线[8]。由于这些样品采自同一矿体的不同部位，且方解石的流体包裹体特征及均一温度也具有明显的群聚特征[2]，因此它们属同源和同期热液流体活动的产物。另外，根据Faure[16]在研究87Sr/86Sr比值的二元混合体系时提出的判别方法，对87Sr/86Sr-1/Sr作图，当87Sr/86Sr与1/Sr之间正相关时为混合线，此方法亦可用于判定Sm-Nd等时线[7-8,17]。分析可知，本次6个方解石样品143Nd/144Nd和1/Nd之间不存在线性关系(表1，图4)。由图3可以看出，6个数据点的离散度很低，所有的样点均落于等时线上，说明方解石矿物形成过程中Nd同位素是均一的，且封闭情况较好，方解石生长期间(143Nd/144Nd)i值基本上保持不变[7]，并未与外界环境之间发生Sm、Nd的物质交换[15]，因此本次得到的147Sm/144Nd-143Nd/144Nd等时线不是混合线，拟合的等时线年龄具有地质意义且质量较高。等时线年龄采用ISOPLOT软件计算，六冲坪金矿6件成矿期方解石结晶年龄t=(397±11)Ma，εNd(t)=-12.43，Nd同位素初始值(143Nd/144Nd)i=0.511 49±0.000 01，相关系数R2=0.997 2，该测试数据可靠，代表的是真实等时线，表明成矿时代为早—中泥盆世。

表1 六冲坪金矿方解石Sm-Nd同位素组成Table 1 Sm-Nd isotopic composition of calcite in Liuchongping gold deposit

图3 六冲坪金矿方解石的Sm-Nd同位素等时线图解Fig.3 Sm-Nd isochrones for calcite samples from the Liuchongping gold deposit

图4 六冲坪金矿方解石的1/Nd-143Nd/144Nd关系图Fig.4 Diagram of 1/Nd-143Nd/144Nd for calcite samples from the Liuchongping gold deposit

5 讨论

5.1 方解石Sm-Nd等时线年龄指示意义

六冲坪金矿点为浅层中低温热液矿床[1-2]，其工业类型为微细粒浸染型金矿。围岩蚀变强烈，主要表现为碳酸盐化、黄(褐)铁矿化、硅化、重晶石化等，显示出强烈的热液活动形迹。众多研究表明，该类型金矿床Au的沉淀与赋矿碳酸盐岩地层中发生的去碳酸盐化作用紧密相关[15,18]，金矿石中的脉石矿物方解石主要为成矿过程中含铁碳酸盐矿物溶解释放的钙沉淀结晶形成的[10]。因此，如果能确定去碳酸盐化的时限，则金矿化的时限应当与之接近[15]。

六冲坪金矿点成矿热液来源于大气降水循环作用下的碳酸盐岩地层形成的弱酸性流体[1]。方解石单矿物C-O同位素测试表明其δ13CPDB=-0.32‰～0.71‰，C可能为来源于海相碳酸盐岩溶解，指示流体与围岩存在水岩反应[2]。因此，成矿流体中C主要来自于碳酸盐岩地层中地下热(卤)水循环淋滤出的地层C，围岩中碳酸盐岩矿物溶解和重新结晶是热液期方解石形成的主要机制。由岩相学的分析可知，成矿期石英交代白云质岩屑形成硅化，黄铁矿多分布于石英颗粒中或颗粒边缘，在去碳酸盐化蚀变带边缘或附近的裂隙中发育网脉状、脉状方解石，常见方解石交代残余的白云质碎屑，甚至交代、胶结硅化阶段形成的石英，成矿期方解石内或裂隙中常见铁质矿物(图2)，为该类型金矿主要的含金载体[10,18]。

六冲坪金矿点中存在去碳酸盐化作用，去碳酸盐化与硅化、金矿化作用关系密切，脉石矿物方解石的结晶与Au的沉淀同步或者稍晚。实验研究表明，Sm、Nd等稀土元素在方解石晶格中的扩散速率较低，其Sm-Nd同位素体系易封闭[18]。黄陵背斜北缘沉积盖层区的岩浆、构造活动相对微弱，岩浆及构造事件在金矿体形成后对其的扰动较小。因此，六冲坪金矿点方解石的Sm-Nd同位素体系应保存了其成矿时的初始信息。综上，成矿期方解石的结晶年龄为(397±11) Ma，该年龄可以近似代表六冲坪金矿点的成矿年龄，亦或金的矿化时间不晚于(397±11) Ma，其成矿年龄远晚于赋矿围岩年龄。

5.2 区域成矿作用背景

在黄陵背斜北缘沉积盖层中发育有一系列的中低温热液矿床(点)，包括铅锌矿、金矿、萤石矿、重晶石矿等。其中铅锌矿赋存于震旦系陡山沱组—灯影组地层中，萤石矿主要产于震旦系灯影组地层中，六冲坪金矿点产于寒武系下统石龙洞组、寒武系中统覃家庙组，重晶石矿主要分布于寒武系中统覃家庙组、寒武系上统娄山关组及奥陶系。前人针对黄陵背斜北缘—神农架断穹铅锌矿做了较多测年工作，主要是利用闪锌矿的Rb-Sr同位素体系。黄陵背斜北缘凹子岗锌矿床的成矿年龄为431～434 Ma，冰洞山铅锌矿床的成矿年龄为(508±14) Ma[19]，位于扬子地台北缘的马元铅锌矿床的成矿年龄约为486 Ma[20]，上述矿床成矿年龄都为加里东期，其成矿作用均与加里东期构造运动引起的大规模流体活动有关[19-20]。

在早古生代，扬子北缘总体处于伸展的大地构造背景之下[21]，自震旦纪(约800 Ma)开始，扬子陆块西进导致华南残留盆地拉张，形成系列复合的转换拉张型裂谷盆地，同时在扬子北缘形成南秦岭大陆边缘裂谷带。其中，在早志留世裂谷盆地伸展幅度达到最大[22]。到加里东末期早泥盆世，受古特提期洋拉张影响，扬子陆块处于伸展断陷构造背景，这为中低温热液成矿提供了构造驱动力。封存于地质体的流体及大气降水循环水产生大规模运移，并逐渐演化为循环热卤水[19]，这种流体在向上运移过程中，淋滤、萃取围岩中的成矿物质形成富含金属元素的成矿热液[1-2]。本次测试结果(397±11) Ma与加里东晚期伸展断陷构造环境相对应，为加里东构造运动末期伸展环境大规模流体运移的产物[18]。此次大规模的构造运动必定在区域上产生重大影响，在鄂西黄陵背斜北缘可能存在一套加里东中—晚期中低温热液成矿系列。

值得一提的是，胡瑞忠等[23]总结了扬子地块西南缘大面积低温成矿时代，认为加里东晚期存在一期金—锑—钨矿床成矿作用，同位素年龄主要集中在435～380 Ma，该期成矿作用可与扬子北缘进行对比。加里东晚期是华南最重要的金成矿期之一[23-24]，因此，扬子北缘加里东期的成矿作用不容忽视，这对鄂西地区热液型矿床找矿勘查工作提供了新的思路。

6 结论

(1) Sm-Nd同位素定年测试结果表明，六冲坪金矿6件成矿期方解石样品的Sm-Nd等时线年龄为(397±11) Ma，表明六冲坪金矿点形成于早—中泥盆世，其成矿年龄远晚于赋矿围岩年龄。

(2) 六冲坪金矿点形成于加里东晚期，成矿作用与加里东运动关系密切，是伸展环境流体大规模运移的产物；鄂西黄陵背斜北缘可能存在一套加里东中—晚期中低温热液成矿系列。

致谢：方解石Sm-Nd同位素测试得到中国地质调查局武汉地质调查中心于桂香工程师的帮助，在此表示感谢！