吉林放牛沟硫铁矿矿床成因及找矿模型探讨

石英涛，李忠水，李嘉欣

(中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，吉林 长春 130033)

吉林伊通放牛沟硫铁矿是吉林省三大硫铁矿之一，是最具代表性的硫铁多金属矿床。前人对该矿床开展了大量深入的研究工作[1-8]，提出了矽卡岩型、岩浆热液型[1-2]、火山沉积叠加改造型[3-4]、海底火山—沉积型热水喷流型[5]等成因观点，以及矿床成岩(花岗岩)、成矿、成晕(正晕)物质来源[2]等，这些研究成果既丰富了硫铁多金属矿床成矿理论研究，又促进了找矿勘查工作。基于此，本文进一步对比分析放牛沟硫铁矿矿床的地质和地球化学特征，探讨成矿和控矿因素，确定矿床成因机制，建立成矿模式和找矿模型，为放牛沟硫铁矿边部和深部及其邻区的找矿勘查提供理论依据。

1 成矿地质背景

放牛沟硫铁矿大地构造位置为哈兰达岭—英额岭新元古代—古生代叠覆造山亚带(Ⅲ-A1)，放牛沟残留早古生代弧盆系所属成矿区带为Ⅲ-55-①吉中Mo-Ag-As-Au-Fe-Ni-Cu-Zn-W成矿亚带(Pt31；V；I-Y；Y)，Ⅳ-11山门—乐山Ag-Au-Cu-Pb-Zn-Fe-Ni-硫铁矿—膨润土—煤矿带[9]。

区域出露地层主要为下志留统石缝组和桃山组，总厚度为1 238～1 857m，为一套浅变质的海相火山—沉积岩系。石缝组大理岩是矿床的主要含矿层[10]。区域构造活动强烈[11]，自加里东到燕山期均有较大规模的活动，形成复杂多样的构造形迹。东西向构造为一系列复式褶皱和挤压破碎带，对放牛沟硫铁矿的形成与分布有明显的控制作用，为区域主要控矿构造。北东与北西向构造以压扭性断裂构造为主，对前期东西向的褶皱或断裂及矿体有较大的错断和破坏作用。区域主要有华力西早期、华力西晚期、燕山早期三个期次的侵入岩。早古生代火山—沉积岩的形成和之后的加里东及华力西等多期强烈的构造、岩浆作用的发生，为矿床的形成创造成了有利的成矿条件。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区出露地层主要为下志留统石缝组，近东西向分布，倾向南(图1)。石缝组上段下亚段分布于矿床中部，为主要含矿层。

图1 伊通县放牛沟多金属硫铁矿矿区地质简图

2.2 构造

放牛沟矿床位于洪喜堂—新立屯倾伏向斜北翼，火山—沉积岩系近东西向展布，石缝组层序由下到上依次排列，在矿区范围内表现为单斜构造。断裂构造十分发育，可分三组：近东西向断裂(破碎带)，为矿床的主要控矿构造和贮矿构造。北北西向断裂和北东—北北东向断裂构造为次要控矿构造。

2.3 岩浆岩

以花岗岩为主，少量闪长岩及中酸性脉岩。花岗岩主要为花岗岩和二长花岗岩，主要分布在矿区南部。闪长岩在花岗岩中呈捕虏体，在火山—沉积岩系中亦有少量石英闪长岩分布。脉岩主要见有闪长玢岩、闪斜煌斑岩及少量花岗斑岩、霏细岩、花岗细晶岩等。

2.4 地球物理

在1:25万布格重力异常图上，放牛沟多金属硫铁矿床处在呈北东向椭圆状重力高异常东南侧梯级带南段，以重力零等值线圈定，异常长约28km，宽约10km，异常等值线匀称规律，极大值位于异常北东段，最高达14×10-5m/s2。

在1:5万航磁异常图上，放牛沟多金属硫铁矿床处在由四个似圆形磁力高异常组成的东西向展布串珠状异常带上。东半部中间异常规模和强度要大于东西两侧异常，南北长约500m，东西宽约400m，异常曲线较对称，北侧梯度略大于南侧，异常最高值为600nT，属放牛沟多金属硫铁矿床所引起。

3 矿床地质特征

3.1 矿体特征

矿区内共发现9个矿组，共41条矿体。其中以3-1、3-2号矿体规模最大，占矿区矿石总量的39%，其余矿体规模较小(图2、表1)。

表1 伊通县放牛沟多金属硫铁矿主矿体特征一览表

图2 伊通县放牛沟硫铁矿床剖面图

矿体严格受构造控制，主要赋存于近东西向压性破碎带中，其产状为走向70°～100°，倾向南，倾角35°～70°。矿体在含矿破碎带中成群分布，在平、剖面上呈密集平行排列，只是在与近东西向构造交切部位和在接触带局部富集成矿。

在位于花岗岩接触带与大理岩之间的片理化、矽卡岩化安山岩中形成以充填交代为主的透镜状、似层状矿体，规模较大，形态复杂。在花岗岩、片理化流纹岩中的矿体，沿断裂分布，以充填为主，矿体形态简单，厚度较小，延长延深不大。

3-1号矿体：位于矿区中部，赋存于大理岩及其顶部的片理化、矽卡岩化安山岩中。矿体在地表呈似层状、舒缓波状断续出露。控制矿体长794.5m，垂深327m，斜深351.5m，最大厚度35.41m，平均厚7.76m。矿体走向80°，倾向南，倾角40°～80°。其矿石类型主要为闪锌硫铁矿、硫铁矿和闪锌矿石。

3-2号矿体：位于3-1号矿体上部，有时两个矿体叠加，其形态产状与3-1号矿体相同。矿体赋存于片理化、矽卡岩化安山岩中。控制矿体长504m，垂深316m，斜深342m，最大厚度37.41m，平均厚8.27m。其矿石类型主要为硫铁矿、闪锌硫铁矿及磁铁矿。

3.2 矿石特征

矿石类型以闪锌矿石、方铅矿—闪锌矿、闪锌矿—硫铁矿石为主。矿石矿物以黄铁矿、磁铁矿、闪锌矿、方铅矿为主，脉石矿物有石榴石、透辉石、透闪石、绿帘石、方解石、石英、绿泥石等。矿石结构主要有自形—半自形粒状、他形粒状、交代包含结构等，矿石构造以致密块状、条带状和浸染状构造为主。

成矿元素及共伴生元素：矿床主要有用成分是硫、铁、铅锌。其中3-1号矿体中闪锌硫铁矿石平均含S 13.56%，Zn 1.83%，硫铁矿石平均含S 17.53%，闪锌矿石平均含Zn 2.43%；其次为磁铁矿、铅锌矿、褐铁矿和氧化锌矿石；磁铁矿石平均TFe 34.85%，铅锌矿石平均含Pb 0.75%，Zn 1.59%；3-2号矿体中硫铁矿石平均含S 19.45%，闪锌硫铁矿石平均含S 13.57%，Zn 1.84%，磁铁矿石平均TFe 33.69%；其次为闪锌矿、铅锌矿、褐铁矿和氧化锌矿石；闪锌矿石平均含Zn 2.21%，铅锌矿石平均含Pb 0.27%，Zn 3.00%。

矿床伴生的重要组分为铜、铋以及钼、钴、锰、钨等；伴生的稀散元素主要有镉、铟，以及镓、锗、硒、碲、铊等；另外还伴生有银、金。

3.3 围岩蚀变

主要有青盘岩化、绿泥石化、绿帘石化、黝帘石化、硅化、绢云母化、萤石化、闪石化、黄铁矿化等，在岩体接触带附近石榴石—透辉石或透闪石矽卡岩及碳酸盐化发育，并伴有黄铁矿化，大理岩中的纹层状黄铁矿大多形成以绿泥石化为主的蚀变。

4 矿床成因

4.1 成矿期次及矿化阶段

矿床可以划分为3个成矿期，4个成矿阶段。

(1)矽卡岩化成矿期：是硫铁矿的主要成矿阶段，分早期矽卡岩化阶段和晚期矽卡岩化阶段。早期矽卡岩化阶段：形成的矿物主要有石榴石、透辉石、硅灰石、钠长石，稍晚形成磁铁矿、白钨矿。晚期矽卡岩化阶段：黄铁矿亚阶段，形成的矿物主要有黑柱石、蔷薇辉石、绿帘石、黝帘石、斜方砷铁矿黄铁矿，稍晚形成黄铁矿。硫化物亚阶段，形成的矿物主要有绿泥石、阳起石、透闪石、萤石、石英、方解石、黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、辉铋矿、辉钼矿。

(2)低温热液期：形成无矿方解石及沸石脉。

(3)表生成矿期：氧化淋滤阶段，主要形成褐铁矿和氧化锌矿。

4.2 成矿的物理化学条件

(1)矿体包裹体特征。

矿体石英、萤石包体成分特征：①和岩体石英溶液相同，富CO贫CH4，成矿溶液符合岩浆热液特点；②阳离子Ca2+占优势；③阴离子或阳离子团中SO42-占优势，并富含HCO3-及Cl-，成矿介质属富含钙的Cl--SO42-型水溶液。同时看出成矿溶液与花岗岩有相似组合特征和共同物质来源；④矿体石英中溶液的电导率普遍明显高于岩体中石英，这是成矿热液含盐类所造成的；⑤矿体石英中CO含量明显高于CO2，Eh值低，标志着成矿的还原环境。

(2)成矿的温压条件。

成矿温度：早期矽卡岩阶段＞400℃；晚期矽卡岩阶段400～330℃；早期硫化物阶段330～280℃；晚期硫化物阶段280～200℃[2]。成矿压力：P=1 171.5MPa，属中深—深成条件。

(3)硫同位素特征：根据黄薰德等[1,12]研究成果，矿床硫化物的硫同位素组成特征是：矿体中硫化物硫同位素组成与火山—沉积岩系中硫同位素组成明显不同，而与花岗岩及闪长岩中硫化物硫同位素组成十分相似。各种类型矿石中硫化物的硫同位素组成特征相同，反映了各类型矿石硫源的一致性。硫元素均源于花岗岩及闪长岩。

4.3 矿床成因类型

该矿床成因类型争议较大，主要有三种观点：矽卡岩型、岩浆热液型、火山热液型。根据矿床成矿特征：矿体大多数赋存在上奥陶系钙碱性火山岩中，与地层产状基本一致。根据矿石δ34S变化范围+0.3‰～+6.7‰，接近陨石硫，硫主要来源于上地幔，反映成矿物质与火山活动有关[13]。从氢氧同位素资料反映，加里东期花岗岩对成矿有叠加作用。本文认为矿床成因类型为海相火山岩型，以海相火山沉积型为主，后期岩浆热液叠加，成矿晚期有大气降水参与成矿作用。

5 成矿模式及找矿模型

5.1 成矿时代

基于矿床成因类型为海相火山岩型，以海相火山沉积型为主，结合同位素特征，以及矿石的铅模式年龄为368～430Ma[14]，认为放牛沟硫铁矿成矿时代为晚奥陶世。

5.2 成矿机制及成矿模式

伊通县放牛沟多金属硫铁矿床成矿的地质构造环境为达木—华北板块(Ⅲ)，华北陆块北部陆缘造山带(Ⅲ-A)，哈兰达岭—英额岭新元古代—古生代叠覆造山亚带(Ⅲ-A1)，放牛沟残留早古生代弧盆系(Ⅲ-A11)，主要的控矿因素包括地层控矿、岩浆控矿和构造控矿。矿体严格受构造控制，主要赋存于近东西向压性破碎带中，并成群分布，呈密集平行排列，尖灭再现，舒缓波状。单矿体呈似层状、脉状、透镜状。矿石以主要为以充填交代成因为主，近矿围岩蚀变主要有硅化、绿泥石化、绢云母化、矽卡岩化等。成矿期次从早到晚为矽卡岩化成矿期→低温热液期→表生成矿期。成矿物理化学条件总体为中—高温（200～330℃），低压（1 172×105Pa），中性（pH值6.82～7.12），fs2为10～9.25×105Pa。成矿过程中随着温度降低pH值沿酸性—中—碱性方向变化。

该矿床是以后庙岭花岗岩浆活动带来成矿物质为主，在岩浆上侵的同时同化早古生代火山—沉积岩系物质，在含矿热液的作用下，在构造应力薄弱、易交代的含钙质、杂质较多的大理岩特别是条带大理岩、片理化安山岩及安山质凝灰岩中形成矽卡岩，同时成矿物质发生沉淀，形成充填交代矿体。

5.3 找矿模型

伊通县放牛沟多金属硫铁矿找矿模型见表2。

表2 伊通县放牛沟硫铁矿多金属矿床找矿模型

6 结论

(1)放牛沟多金属硫铁矿矿床形成于华北陆块北部陆缘造山带残留早古生代弧盆系构造环境。矿区内含矿带长1 700m，宽150～400m，矿体主要赋存于大理岩、安山岩中，矿石类型以闪锌矿石、方铅矿—闪锌矿、闪锌矿—硫铁矿石为主。

(2)放牛沟多金属硫铁矿矿床成因类型为海相火山岩型，以海相火山沉积型为主，后期岩浆热液叠加，成矿晚期有大气降水参与成矿作用。

(3)本文基于物探异常与地质特征建立了综合找矿模型，为今后邻区开展同类型矿床找矿提供指导。矿床及其邻区的地质找矿应围绕华力西早期花岗岩体与早古生代火山—沉积岩系的接触带开展，加强围岩蚀变、地球化学和物探异常研究。