荆当盆地浅成中低温热液型矿床成矿物质来源探讨——S、O、Pb同位素地球化学证据

刘 海， 范玖琳， 漆双林， 郭 威， 陈爱章， 张书杰

(湖北冶金地质研究所(中南冶金地质研究所),湖北 宜昌 443000)

“浅成低温热液”这一术语于1906年在第十届国际地质学大会上由美国学者W.Lindgren提出,并在当时结合成矿物化条件及深度将热液矿床划分为高温深成、中温中深成、低温浅成三种类型。随后,W.Lindgren[1]将这一概念定义为一种形成于浅地表(<1 km)、中低温(<200°)条件下,从含水流体中沉淀形成的各类贵金属、贱金属、汞和辉锑矿等矿床类型。在此之后,众多学者对浅成低温热液矿床定义及分类进行了补充和完善,强调成矿流体“低温、低盐度”特征,同时将流体来源由单一岩浆源发展到大气水为主的混合来源。截至目前,浅成低温热液型矿床定义为：产于陆相火山岩系中或相邻岩石中,形成于浅地表(<2 km)、中低压(<100 Pa)、中低温度(200～300℃)环境中的一类金、银、铅锌等多金属矿床[2-8]。全球范围内相继发现大量浅成低温热液型矿床,此类矿床成为有色金属矿床主要类型之一,也是矿床学家们研究的热点。

长江中下游地区是中国重要的成矿带之一。经过数十年的工作,已经发现了一批大、中型铜多金属矿床。近年来不断发现新的矿床,表明该地区仍然具有很大的资源潜力[9-10]。处在长江中下游的鄂西地区铜多金属矿产资源短缺,而荆当盆地是鄂西地区铜多金属矿最为发育的区域,由于历史原因以及研究深度的限制,荆当盆地内铜多金属矿找矿一直未有较大突破。而从成矿地质背景来看,该地区找矿潜力较大,急需一套成矿理论指导找矿。本文通过地质填图、地质编录、岩矿鉴定、同位素地球化学分析,研究荆当盆地成矿机制、成矿作用与成矿模式,对荆当盆地下一步找矿具有积极和重要的指导意义。

1 矿床地质

1.1 成矿地质背景

自中生代三叠纪以来,扬子板块与华北板块碰撞拼接致使中国东部的大部分地区整体转为陆相环境,除了黑龙江省三江地区晚三叠世—侏罗纪仍发育海陆交互地层之外,扬子板块与华北板块均成为陆地,接受了陆相沉积[11-18]。荆当盆地位于中扬子北缘,与秦岭—大别山造山带相邻,西以黄陵隆起与秭归盆地分隔,南与江汉盆地相邻。荆当盆地中三叠世碳酸盐岩台地在印支运动早期因构造抬升消亡以后,残留了中三叠统巴东组顶部喀斯特角砾灰岩,该不整合面之上沉积了上三叠统九里岗组和王龙滩组陆相碎屑岩地层,而在荆当盆地远安凹陷内沉积了白垩系罗镜滩组、红花套组以及跑马岗组地层(图1)。在该时期,发育大量断裂,热液活动频繁,形成多条多金属成矿带,荆当盆地内的铜多金属成矿带正处于板块碰撞拼接所形成的次生断裂处,成矿地质背景较好。

图1 荆当盆地矿产地质简图Fig.1 Sketch map of mineral resources in Jingmen-Dangyang Basin

1.2 矿体特征

荆当盆地铜多金属矿分布受断裂构造控制,小汉口铜矿床、三宝山铜铅锌矿床均位于远安断裂带上,花园冲、铜家湾铜铅锌矿床则发育于淯溪断裂带上。远安断裂带走向北北西,倾向南西西,倾角75°～90°。该断裂带下盘出露下三叠统嘉陵江组灰岩、白云质灰岩和中三叠统巴东组灰岩、泥灰岩,倾向230°～270°,倾角10°～23°；上盘出露上白垩统红花套组砂砾岩、钙质长石砂岩、泥质粉砂岩,断层性质为压扭性—张性—张扭性正断层。矿体产出于断层角砾岩带及下盘灰岩中,少量产于上盘褪色砂岩中。断裂带中矿体呈长扁豆体状,向南、北两端侧伏,倾向南西、西,倾角48°～88°,矿体长76～180 m,延伸17～408 m,厚0.55～25.5 m,厚度变化系数74%,属厚度变化极不稳定型。

淯溪断裂带呈近南北向展布,断层上盘出露白垩系上统跑马岗组、红花套组地层,下盘出露侏罗系中统沙溪庙组地层。断裂带由4条近南北向断层组成,倾向80°～90°,倾角65°～80°,破碎带宽3～28 m,一般10 m左右,发育断层角砾岩、断层泥、糜棱岩、构造透镜体等碎裂岩。矿体产出于断裂带东侧上盘,其展布方向和形态受断层破碎带控制。矿体呈脉状,倾向东,倾角30°～70°,长100～181 m,延伸67～187 m,厚1～18 m,平均厚4.08 m,厚度变化系数81.34%,属厚度变化极不稳定型。

研究显示荆当盆地断裂构造既是导矿构造,又是容矿构造,断裂带沿倾向的变化部位对成矿有利,矿体在该部位明显膨大。矿化对围岩岩性是有选择性的,在灰岩、钙质长石砂岩角砾接触部位矿化相对富集,含矿灰岩、含矿钙质长石砂岩型矿石是主要矿石类型。热液蚀变发育地段矿化富集,主要有碳酸盐化、硅化、黄铁矿化、重晶石化、褪色化,形成醒目的矿化—蚀变带。

1.3 矿石特征

荆当盆地矿石类型较为简单,按不同分类标准可以划分为不同类型。按矿石构造,可以划分为角砾状矿石、浸染状矿石、细脉—浸染状矿石、脉状矿石、斑块状矿石、纹层状矿石以及少量环带状矿石；根据氧化程度将矿石类型划分为硫化矿石、氧化矿石和混合矿石三类。盆地内各矿床氧化带和次生富集带均不发育,以原生硫化矿石为主,仅小汉口铜矿床见少量氧化矿石、混合矿石。根据主要有用矿物组合,主要可以划分为铜铅锌矿石、铅锌矿石、铜矿石以及少量铜铅锌银矿石等。

盆地中矿石构造主要以气—水热液矿石构造为主,包括角砾状构造、浸染状构造、细脉浸染状构造、脉状构造、斑块状构造、纹层状构造等；另有少量变质矿石构造和表生矿石构造。矿石结构主要有结晶结构、交代结构、固溶体分离结构和表生结构四大类(图2)。通过对荆当盆地典型铜多金属矿床进行岩矿鉴定分析,发现矿石矿物生成顺序具有相似性,其中铜家湾铜铅锌矿床：黄铁矿—闪锌矿—斑铜矿—黄铜矿—白铁矿—方铅矿—辉铜矿，三宝山铜铅锌矿床为早期黄铁矿—闪锌矿—黄铜矿—晚期黄铁矿—方铅矿—白铁矿(黄铁矿、闪锌矿呈多期产出,胶状构造)，小汉口铜矿床为黄铁矿—白铁矿—黄铜矿—闪锌矿—铜蓝。

图2 荆当盆地岩矿石矿物镜下特征Fig.2 Microscopic characteristics of rock and ore in Jingmen-Dangyang BasinA.方铅矿自形晶粒状结构；B.黄铜矿半自形晶粒状结构；C.它形晶粒结构,铜蓝、辉铜矿交代斑铜矿；D.包含结构,方铅矿包含自形黄铁矿晶粒；E.疑似骸晶结构,黄铜矿交代黄铁矿、白铁矿,其中黄铁矿晶形较为明显；F.侵(溶)蚀结构,黄铜矿轻微交代黄铁矿,黄铁矿晶形明显,边部凹陷,局部形成锯齿状；G.交代残余结构,闪锌矿交代方铅矿,方铅矿形成港湾状等不规则形状；H.假象结构,生物假象闪锌矿,形成粒状、串珠状闪锌矿；I.环带结构(或胶状构造),裙边状黄铁矿与闪锌矿呈环带展布；J.疑似固溶体分离结构,自形黄铜矿围绕方铅矿形成结状构造；K.压力作用,方铅矿受应力作用变形；L.碳酸盐岩角砾间充填方铅矿、闪锌矿、黄铜矿；Cc.辉铜矿；Ccp.黄铜矿；Py.黄铁矿；Gn.方铅矿；Sp.闪锌矿；Mrc.白铁矿；Cv.铜蓝；Bn.斑铜矿。

2 样品采集、分析方法及结果

2.1 样品采集与分析方法

三宝山、铜家湾、花园冲铜铅锌矿床样品采自勘探钻孔岩芯,采样深度位于地表50 m以下；小汉口铜矿床样品采自150 m平巷。选取风化和蚀变程度较低的样品开展分析测试,确保样品新鲜,样品矿石类型为砂岩型矿石、角砾状矿石。此次共采取8件矿物S同位素样品(采自三宝山、铜家湾、花园冲铜铅锌矿床)、2件全岩S同位素样品(采自小汉口铜矿床)、6件O同位素样品(采自小汉口铜矿床)、12件Pb同位素样品(采自以上矿床)。

所有样品均在广州澳实矿物实验室完成测试。S同位素测试时，首先将样品粉碎至200目以下,经缩分、称量后,取硫化物(闪锌矿、黄铜矿、磁黄铁矿、黄铁矿、方铅矿等矿物)粉末样品,称取适量放入锡舟中,采用Costech ECS 4010元素分析仪配套Finnigan MAT 253稳定同位素比质谱仪测定样品中的34S/32S比值,系统基于V-CDT(美国代阿布洛大峡谷铁陨石中的陨硫铁)标准化,数据报为δ34S,以‰表示,方法精密度优于0.2‰。O同位素测试时，首先将样品粉碎、缩分、称量后,称取样品至锡舟中,采用Thermo TC/EA高温元素转换分析仪配套Finnigan MAT 253稳定同位素比质谱仪测定18O/16O,数据经V-SMOW标准化,报δ18O值,对于典型的样品,测试精度优于0.02%。Pb同位素测试时，首先将样品粉碎、缩分、称量后,将试样加入硝酸、盐酸和氢氟酸,微波消解,然后用多接收器等离子体质谱(MC-ICP-MS)测定Pb的含量。若Pb含量低则需要分离,即将消解好的溶液蒸干,加入硝酸,通过Eichrom的离子交换树脂把Pb分离出来。把待测样品溶液中的Pb调整到适当的浓度,加入内标(Tl)以便需要矫正铅的质量分馏，用Thermo Scientific的NEPTUNE PLUS接收器等离子体质谱(MC-ICP-MS)测定Pb同位素,数据经内标(Tl同位素比率)和外部校准(自然铅物质标样)标准化，每个消解好的样品测试两次,以获得其短期精度，实验室控制的允许相对偏差RSD<0.01%。

2.2 分析结果

铜家湾铜铅锌矿床样品中闪锌矿、黄铜矿、方铅矿δ34S值分别为6.30‰、5.21‰、2.20‰,全岩δ34S值>13.71‰；花园冲铜铅锌矿床样品中黄铁矿、黄铜矿δ34S值分别为7.42‰、5.01‰,全岩δ34S值>12.43‰；三宝山铜铅锌矿床样品中黄铁矿、黄铜矿、方铅矿δ34S值分别为7.69‰、4.39‰、3.19‰,全岩δ34S值>15.27‰；小汉口铜矿床样品全岩δ34S值分别为11.94‰、12.43‰。综上来看，黄铁矿δ34S值介于7.42‰～7.69‰,平均7.56‰；黄铜矿δ34S值介于4.39‰～5.21‰,平均4.87‰；方铅矿δ34S值介于2.20‰～3.19‰,平均2.70‰；闪锌矿δ34S值为6.30‰。

O同位素分析结果见表1，角砾状矿石δ18OPDB值范围为10.83‰～20.60‰,平均15.72‰；钙质砂岩型矿石δ18OPDB值范围为14.13‰～22.20‰,平均18.05‰。本次采用石英—水氧同位素分馏方程1 000ln石英-水=3.38×106T-2-2.90[19],结合S同位素测温结果,计算出流体中δ18O流体值(表1)。计算结果中仅一个数值为负值,流体同位素值介于-1.38‰～9.99‰之间,平均5.06‰。

表1 荆当盆地矿石围岩、围岩中方解石脉以及矿石δ18OPDB测试数据Table 1 δ18OPDB test data of ore surrounding rock,calcite vein insurrounding rock and ore in Jingmen-Dangyang Basin

Pb同位素分析结果见表2。铜家湾铜铅锌矿床206Pb/204Pb变化范围为16.26～18.217,平均值17.374；207Pb/204Pb变化范围为15.337～16.183,平均值15.688；208Pb/204Pb变化范围为37.048～38.021,平均值37.518。花园冲铜铅锌矿床206Pb/204Pb变化范围为18.02～18.444,平均值18.301；207Pb/204Pb变化范围为15.295～15.63,平均值15.517；208Pb/204Pb变化范围为36.638～38.583,平均值37.93。三宝山铜铅锌矿床206Pb/204Pb变化范围为15.948～17.836,平均值16.601；207Pb/204Pb变化范围为15.289～15.545,平均值15.379；208Pb/204Pb变化范围为36.831～38.244,平均值37.319。小汉口铜矿床206Pb/204Pb变化范围为18.177～18.532,平均值18.413；207Pb/204Pb变化范围为15.617～15.638,平均值15.631；208Pb/204Pb变化范围为38.490～38.617,平均值38.574。

表2 荆当盆地铜铅锌矿石Pb同位素组成表Table 2 Lead isotope composition table of copper-lead-zinc ore in Jingmen-Dangyang Basin

3 同位素地球化学特征

3.1 S同位素

不同类型铜多金属矿床中硫化物S同位素组成不同,具有不同的变异特征。本文收集了32个斑岩型、火山岩型、砂岩型、接触交代型铜矿床中硫化物S同位素数据[20],与本区铜铅锌矿床硫化物S同位素进行对比。斑岩型、火山岩型、接触交代型与岩浆活动有成因关系的铜矿床中硫化物S同位素组成具有相似的特征,δ34S值变化范围狭窄,弥散度小,具有塔形分布特征。

砂岩型铜矿床与以上几类矿床硫化物S同位素形成鲜明对照,δ34S分布弥散,变化范围大,相对富集δ32S,δ34S值多<0,充分显示了同位素分馏的动力学效应和生物细菌作用特色。荆当盆地δ34S值变化范围介于11.94‰～15.27‰,接近于海相蒸发岩S同位素变化范围,弥散度小,与砂岩型铜矿床分布特征明显不同,但与岩浆活动有成因联系的斑岩型、接触交代型、火山岩型铜矿床S同位素弥散度相似,且δ34S值相对较高(图3)。δ34S值相对较高与硫源多样性有关,除含矿热液中硫源外,还来自围岩中膏盐层中的硫,从而导致δ34S值偏高,进一步反映了壳幔混合硫物质来源特点。

图3 不同类型铜矿床硫化物S同位素组成δ34S值变化范围图Fig.3 The variation range diagram of sulfur isotope composition δ34S ofsulfides in different types of copper deposits1～4.砂岩型铜矿床；5～30.斑岩型铜矿床；31～32.火山岩型铜矿床；3 3.本区铜铅锌矿区。

荆当盆地δ34S从黄铁矿至方铅矿逐渐降低,说明矿物形成过程中发生了同位素分馏作用,形成不同矿物中S同位素的富集特点,进一步说明S同位素分馏基本达到平衡。本次研究利用S同位素分馏方程式：1 000lnα=δ34SA矿物-δ34SB矿物=A×106/T2[21-22]公式计算,得到闪锌矿—黄铜矿同位素平衡温度为98℃(1个样品),闪锌矿—方铅矿同位素平衡温度为169℃(1个样品),黄铜矿—方铅矿同位素平衡温度为327℃(2个样品),黄铁矿—黄铜矿同位素平衡温度为128℃(2个样品),黄铁矿—方铅矿同位素平衡温度为221℃(1个样品)。以上数据说明荆当盆地硫化物形成温度较低,本区铜铅锌矿床属于低温热液型矿床,亦反映了幔源物质来源特点。

3.2 O同位素

杨建等[23]对当阳复向斜流体地球化学进行了研究,发现三叠系地层中灰岩87Sr/86Sr与同时期海水一致,方解石脉中87Sr/86Sr则高于围岩与同时期海水,认为有早期流体冲注,流体与围岩发生了不同程度的同位素交换。方解石脉中方解石δ13CPDB介于-0.149‰～2.209‰,δ18OPDB介于-8.161‰～-18.233‰,而围岩δ13CPDB介于-1.084‰～3.466‰,δ18OPDB介于-15.677‰～-17.527‰,二者存在显著差异,亦印证了冲注外来热液流体。围岩与流体未达到同位素平衡,从而造成同位素的差异。从87Sr/86Sr、δ13CPDB、δ18OPDB同位素角度分析,佐证了含矿热液存在的认识。

本次研究仅对小汉口铜矿床开展了O同位素研究,测试数据显示δ18O介于10.83‰～22.2‰,平均17.27‰,与灰岩围岩、方解石脉差异较大,热液冲注特征显著。由于成矿热液中矿物O同位素容易受到其他因素影响,矿物中O同位素难以真实反映流体中同位素的组成[24],通常可根据矿物O同位素分馏方程计算[25],确定流体中δ18O流体值。计算结果对比不同储库中δ18O组成,认为荆当盆地成矿流体中介质水主要来源于下渗的大气降水(图4)。

图4 自然界O同位素分布特征及荆当盆地流体中δ18O组成Fig.4 Distribution characteristics of oxygen isotope in nature andδ18O composition in fluid of Jingmen-Dangyang Basin

3.3 Pb同位素

自然界天然铅是由204Pb、206Pb、207Pb、208Pb四种稳定同位素组成,其在自然界的变化是很大的。国内外学者对自然铅同位素的分类不尽统一，宜昌地质矿产研究所将自然铅分成普通铅和放射成因铅两大类[26]，普通铅又分为正常铅和异常铅,按成因又提出原生铅、原始铅、初始铅、矿石铅概念。矿石铅是指铅矿石和铅矿物中所含铅,均属于普通铅,其同位素组成随其生成时代不同而有规模地变化。

测试数据显示Pb同位素组成比较稳定和均一,数值总体变化不大,206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb分别为15.948～18.532、15.289～18.183、36.638～38.617，其平均值分别为17.655、15.554、37.836。与地幔、地壳、造山带铅同位素比较,位于地幔与地壳铅同位素组成区间,说明矿石的Pb同位素与岩浆活动初始铅同位素组成相当,二者具有成因联系。矿石Pb同位素μ值为8.609 9～8.994 5,平均值为8.811,在μ值曲线图上(图5),投影点位于μ=8～9之间,属于壳幔源转入壳源演化的低μ—高μ过渡区,说明成矿作用具有壳幔混合源特点。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb关系图上,投影点落在地幔铅平均演化曲线与造山带铅平均演化曲线之间,远离上地壳铅演化曲线，说明成矿物质可能来源于深部壳幔混合源(图6)。

图5 矿石Pb同位素μ值曲线图Fig.5 Curve of ore lead isotope μ

图6 荆当盆地浅成低温热液矿床Pb构造模式图Fig.6 Tectonic model for some epithermal depositsin Jingmen-Dangyang Basin

3.4 成矿物质来源

荆当盆地目前尚未发现岩浆岩体,但白垩纪晚期—早第三纪末玄武岩喷发频繁,从矿石Pb、S同位素特征分析,成矿物质可能来源于深部壳幔混合源。大气降水通过对流不断注入到成矿流体中,导致成矿流体混入大量大气降水。成矿流体沿深部断裂带上升运移过程中,同化萃取了铜矿源层Cu、S和膏盐层中S、Sr、Na、Cl、F、CO2等成分,形成含Cu、Pb、Zn成矿元素的S-Cl-F-Na-CO2-H2O体系的热液。流体进一步上升至浅部相对开放的容矿系统中,压力释放,温度降低,H2S的电离程度增大,S2-浓度增高,硫逸度大于氧逸度,S2-与亲硫金属元素化合生成铜、铅、锌硫化物及硫酸盐矿物沉淀。同时,伴随着控矿断裂构造的多期活动和构造性质转化及蚀变—矿化作用的进行,成矿热液成分和性质发生有规律演化,形成不同期次矿化叠加的现象。本区铜多金属矿床与岩浆活动有成因关系的铜矿床具有类似特征,不排除深部可能存在岩浆活动的可能。总之,通过同位素分析对比,成矿物质可能来源于深部壳幔混合源,深部来源特征明显。

4 结论

(1) 荆当盆地δ34S值变化范围介于11.94‰～15.27‰区间,弥散度小,与岩浆活动有成因联系的斑岩型、接触交代型、火山岩型铜矿床S同位素弥散度相似。硫可能来源于含矿热液和围岩中的膏盐层,反映了壳幔混合硫来源特点。矿石矿物中S稳定同位素平衡温度介于98～327℃,属于中低温热液矿床成矿温度范围。

(2)δ18O介于10.83‰～22.2‰,平均17.27‰,与灰岩围岩、方解石脉差异较大,热液冲注特征显著。成矿流体水的δ18O流体值介于-1.38‰～9.99‰,表明成矿流体水以大气降水为主。

(3)206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb分别为15.948～18.532、15.289～18.183、36.638～38.617,其平均值分别为17.655、15.554、37.836,矿石Pb同位素μ值为8.609 9～8.994 5,平均值为8.811,与壳幔混合源铅同位素特征相似。