黄陵背斜北缘沉积盖层中热液脉状重晶石地质地球化学特征及成因探讨

周 舟， 聂开红， 卢金祥， 雷 雳， 邱 凤， 杨 朋

(湖北省地质局 第七地质大队，湖北 宜昌 443100)

鄂西黄陵背斜及周缘广泛发育磷、铁、石墨、银钒、金、铅锌、重晶石等矿产[1-2]，是湖北省重要的找矿勘查目标区。经前人工作在黄陵背斜北缘沉积盖层区发现了一系列热液型金、铅锌、重晶石矿床(点)，其中重晶石矿多以独立的矿床(点)形式存在，亦可赋存于金、铅锌矿床(点)中与之伴生[3]。该区热液成矿活动强烈，找矿潜力较大，亟需开展区域成矿规律等研究工作，以明确进一步找矿方向。以往黄陵背斜地区开展过很多热液型矿产研究工作，但主要针对核部的金矿和南缘、东缘沉积盖层区的铅锌矿，而对于沉积盖层区的重晶石等非金属矿，研究程度低得多，仅有少量研究人员对其矿化特征、找矿标志等进行了初步探讨[3-7]。由于区内重晶石矿的成矿机理、控矿因素等尚不清楚，制约了找矿勘查工作的深入开展。为解决上述问题，本文选取黄陵背斜北缘沉积盖层区2处代表性矿点，在成矿地质特征分析基础上，开展主微量元素、S同位素及流体包裹体研究，探讨脉状重晶石的成因，以期对黄陵背斜北缘重晶石矿找矿工作提供依据。

1 区域地质背景

研究区大地构造位置属上扬子台坪鄂中褶断区之黄陵背斜北缘[8](图1)。黄陵背斜为一轴向NNE的穹隆构造，具典型的“二元结构”，即前震旦系变质基底上覆震旦系—二叠系沉积盖层，变质基底主要由中太古界—元古界中深变质岩、混合岩和岩浆岩组成，沉积盖层主要由震旦系—二叠系细碎屑岩、海相碳酸盐岩组成，地层围绕黄陵背斜核部由老到新向外呈环形分布。

图1 区域地质略图

黄陵背斜北缘的热液型重晶石矿主要分布于兴山县榛子乡—保康县百峰乡一带，新华断裂、远安西部断裂与樟村坪断裂挟持区域的沉积盖层中，对含矿围岩具有一定的选择性，多赋存于寒武系—奥陶系的碳酸盐岩中。与上述三条断裂共轭的次级NW-NNW、NE-NNE、近SN向张性断裂及裂隙带也发挥了重要的成矿控制作用，重晶石矿主要呈脉状产于寒武系—奥陶系地层中发育的断裂及构造裂隙中，产状一般与围岩不一致。重晶石矿一般伴随发育萤石化、硅化、方解石化等热液蚀变。区域上存在多个重晶石重砂异常和Ba、F分散流异常[9]，已发现的重晶石矿床(点)多位于重晶石重砂异常与Ba分散流异常套合区域，附近往往也发育F分散流异常。

2 典型矿点地质特征

选择黄陵背斜北缘具代表性的蚂蟥冲重晶石矿点和六冲坪金矿点(含重晶石)进行重点解剖。

2.1 蚂蟥冲重晶石矿点

矿区主要出露寒武系芙蓉统—下奥陶统娄山关组、下奥陶统南津关组和红花园组、下—中奥陶统大湾组、中奥陶统牯牛潭组、中—上奥陶统宝塔组、上奥陶—下志留统龙马溪组及第四系地层，发育NW、近EW向断裂(图2)。其中，娄山关组岩性以浅灰色厚层状粉晶白云岩为主，南津关组和红花园组岩性以灰色中—厚层状生物碎屑灰岩为主，大湾组岩性以灰色薄—中层状泥质灰岩为主，地层产状为305°～325°∠8°～12°。重晶石矿主要呈陡倾脉状充填于娄山关组、南津关组和红花园组地层的断裂破碎带及裂隙中(图3-a)，从重晶石矿脉产出围岩的相关性来看，以红花园组最好，当同一断裂经过其他地层时，成矿性变差或基本无矿。

图2 蚂蟥冲矿区地质简图

矿区内发育3条重晶石矿体，矿体走向NW-NWW，倾向200°～255°，倾角63°～83°，以Ⅱ号矿体规模相对较大。Ⅱ号矿体赋存于NW向断裂破碎带中(图3-b)，含矿围岩为娄山关组—大湾组地层，走向长750 m，厚0.60～1.79 m，平均厚1.06 m；BaSO4品位96.38%～98.48%，平均品位97.59%。主要矿石类型为含白云岩角砾方解石萤石重晶石矿、含萤石重晶石矿、含方解石重晶石矿、重晶石矿(图3-c)。矿石具中—巨晶结构，条带状、块状、角砾状构造。矿石的矿物成分简单，以重晶石为主(图3-d)，含有少量萤石和方解石团块(条带)。围岩蚀变有硅化、萤石化、方解石化等，但蚀变强度微弱，以方解石化较常见，表现为方解石细脉充填、穿插围岩。

a.重晶石呈陡倾脉状产于地层的构造裂隙中;b.重晶石矿体野外露头;c.重晶石矿石手标本;d.重晶石呈梳状集合体(正交偏光)；Brt.重晶石

2.2 六冲坪金矿点的重晶石

矿区主要出露寒武系第二统石龙洞组、寒武系第三统覃家庙组、寒武系芙蓉统—下奥陶统娄山关组、下奥陶统南津关组和第四系地层(图4)，发育NE、近SN向断裂，其中近SN向的六冲坪断裂是区内金矿体的主要控矿和容矿构造，也控制了重晶石的产出。该断裂长约5 km，倾向E，倾角84°，为一正断层，破碎带一般宽2～5 m，局部可达10 m，切割石龙洞组及以上地层。

1.第四系冲积层；2.南津关组；3.娄山关组；4.覃家庙组；5.石龙洞组；6.整合地质界线；7.角度不整合地质界线；8.实测正断层；9.性质不明断层；10.金矿体及编号；11.采样点

矿区内重晶石有两种产状[6]：①作为脉石矿物产于金矿体中;②作为独立的重晶石脉沿构造裂隙产出(图5-a、图5-b)。金矿石主要赋存于断裂破碎带中，矿石的矿物成分包括黄铁矿、白铁矿、褐铁矿、金红石等金属矿物和白云石、石英、方解石、重晶石、萤石等非金属矿物(图5-c)，其中重晶石呈浸染状及角砾状分布于金矿石中。沿六冲坪断裂破碎带热液蚀变较发育，可见重晶石脉充填于构造裂隙中，与方解石、萤石共生，重晶石呈半自形粒状(图5-d)。在六冲坪断裂旁侧的石龙洞组与覃家庙组接触界面附近，亦可见重晶石脉分布于顺层裂隙中(图5-b)。

a.六冲坪断裂带内发育重晶石脉；b.重晶石脉顺层贯入六冲坪断裂旁侧层间裂隙；c.重晶石被方解石和石英胶结(茜素红染色，正交偏光)；d.半自形粒状重晶石(正交偏光)；Cal.方解石;Qtz.石英;Brt.重晶石

3 采样与测试方法

本次研究分别在蚂蟥冲、六冲坪矿区采集了2组重晶石矿石样，开展了主微量元素、S同位素和流体包裹体测试工作。其中蚂蟥冲矿点的重晶石(后文称蚂蟥冲重晶石)矿石样编号MHC，采自Ⅱ号重晶石矿体，围岩为红花园组中—厚层状生物碎屑灰岩，矿物成分以重晶石为主，含少量萤石与方解石。六冲坪矿点的重晶石(后文称六冲坪重晶石)矿石样编号为LCP，采自Ⅲ号金矿体旁侧的重晶石脉，围岩为覃家庙组微—细晶白云岩与泥质白云岩，矿物成分以重晶石为主，含少量方解石、石英及褐铁矿。

将MHC、LCP样品处理为粉样送检，在湖北省地质实验测试中心(国土资源部武汉矿产资源监督检测中心)完成主、微量(稀土)元素测试。主量元素测试采用X射线荧光光谱法，仪器为Shimadzu XRF-1800型；微量(稀土)元素测试采用电感耦合等离子体质谱法，仪器为ThermoFisher X2型。

将MHC、LCP样品中的重晶石单矿物挑纯后，研磨为粉样送检，在国土资源部中南矿产资源监督检测中心完成S同位素测试。S同位素测试采用质谱法，仪器为ThermoFisher MAT253型，δ34S以V-CDT为标准，分析精度优于±0.2‰。

将MHC样品处理后磨制重晶石流体包裹体测温片，并挑纯部分单矿物颗粒，在国土资源部中南矿产资源监督检测中心完成流体包裹体显微观测、测温和成分测试。将重晶石流体包裹体测温片置于显微冷热台中进行显微观测和测温，仪器为Linkam THMSG600型，其温度测试范围为-196～600℃，温度低于或高于0℃时测温精度分别为±0.2℃、±2℃。流体包裹体的打开采用热爆法，爆裂温度为100～550℃，成分测试项目为液相(阳离子、阴离子)和气相成分，液相阳离子测试采用原子吸收光谱法，仪器为Hitachi Z-2300型；液相阴离子测试采用离子色谱法，仪器为Dionex ICS-3000型；气相成分测试采用气相色谱法，仪器为Shimadzu GC-2014C型。

4 讨论

4.1 主、微量元素特征

两矿点重晶石矿石样的主、微量元素测试结果如表1所示。重晶石矿石的化学成分以BaSO4为主，含量为68.71%～89.56%；其次为CaO，含量为4.01%～4.43%；LCP样品中含有较多的SiO2(14.29%)，显著高于MHC样品(0.09%)，说明六冲坪重晶石矿石中硅质成分较多，与镜下鉴定含石英的结果相一致；LCP样品中还含有较多的CO2和烧失量(LOI)，表明六冲坪重晶石矿石中含Ca矿物可能主要为方解石和白云石；矿石中其他成分含量均<1%，且两矿点差距不大。

表1 重晶石矿石样主、微量元素测试结果

在微量元素组成上，两矿点的重晶石矿石具有十分相似的特征(图6)，Sr、As、Ag、Au、Pb、Tl相对富集，Co、Cr、Ni、V、Th、U相对亏损，说明两矿点重晶石的形成环境和成因可能相似。矿石中Sr含量较高，为0.163 9%～0.235 8%，是由于Sr2+与Ba2+具有相近的地球化学性质，可以以类质同象方式替代重晶石中的Ba2+。岩(矿)石中V、U在还原环境中相对富集，造成V/Cr、U/Th比值在氧化还原环境中表现出不同的大小，一般在缺氧(还原)环境下V/Cr>4.25、U/Th>1.25，而在贫氧—次氧化环境下V/Cr≤4.25、U/Th≤1.25[10-11]，因此可以用V/Cr、U/Th比值大致判别岩(矿)石的沉积环境。计算可知MHC样品的V/Cr、U/Th比值分别为0.72、0.78，LCP样品的V/Cr、U/Th比值分别为0.86、6.67，说明重晶石矿可能主要形成于次氧化—贫氧环境。

图6 重晶石矿石微量元素原始地幔标准化蛛网图

在稀土元素组成上，两矿点的重晶石矿石具有相似的稀土元素分布型式，均为轻稀土富集型(图7)。重晶石矿石表现为稀土元素总量很低，∑REE=1.75×10-6～6.95×10-6；轻稀土元素相对于重稀土元素略富集，LREE/HREE=3.43～4.29、LaN/YbN=1.93～5.17；具有较显著的负Ce异常和正Eu异常，δCe=0.47～0.69、δEu=3.90～15.11。在早阶段，成矿流体可能为偏酸性还原环境，随着萤石的沉淀，在晚阶段转变为偏碱性氧化环境，Ce3+氧化为Ce4+而迁出，导致重晶石矿石出现负Ce异常，说明重晶石可能形成于氧化环境下的热液中。而Eu的显著正异常可能是ICP-MS测试过程中高Ba含量干扰造成的[12]。

图7 重晶石矿石稀土元素球粒陨石标准化分布图

4.2 S同位素特征

S是中低温热液矿床中成矿物质搬运的主要载体之一，依靠S同位素组成特征可对成矿物质来源进行有效识别[13-14]。自然界中不同地质体的S同位素组成如图8所示，地壳中各类岩石的δ34S值差距明显，其中沉积岩和变质岩具有宽泛的δ34S值变化范围，如沉积岩为-50‰～40‰、现代沉积物为-50‰～4‰、变质岩为-20‰～20‰[15]。本次测试得到蚂蟥冲重晶石和六冲坪重晶石的δ34S值分别为31.32‰、35.13‰，二者均表现出重硫特征，处于沉积岩δ34S值范围内，与岩浆岩δ34S值差异较大，说明区内重晶石的S来源于沉积地层，与岩浆活动关系不大[16]。两矿点重晶石δ34S值略高于寒武纪海水硫酸盐的δ34S值(27‰～32‰[17])，反映形成重晶石的S可能来自地层中的海水硫酸盐，并经历了热化学的硫酸盐还原作用[18]。

图8 重晶石δ34S值分布图(底图据参考文献[15])

4.3 成矿流体特征

4.3.1流体包裹体类型

本文对蚂蟥冲重晶石的流体包裹体进行显微观测、测温和成分测试。在室温条件下，流体包裹体数量较多，原生流体包裹体主要呈独立状或小群状分布(图9)，形态以多边形、菱形、椭圆形为主，半自形负晶形、长条形、不规则形较少，大小为3～15 μm。原生流体包裹体类型以纯液相、富液两相包裹体为主，两者数量相当，其中富液两相包裹体的气相分数为15%～25%；富气两相包裹体较少，气相分数为80%～95%。次生流体包裹体主要沿重晶石愈合显微裂隙分布(图9)，形态以米粒形、不规则形、椭圆形为主，大小为2～20 μm，其类型包括纯液相、纯气相、富液两相包裹体。

图9 蚂蟥冲重晶石的流体包裹体镜下形态

4.3.2均一温度、盐度和密度

本次对富液两相流体包裹体进行测温，测得38个流体包裹体的冰点温度和完全均一温度，并采用盐度估算公式[19]计算流体盐度，采用密度经验公式[20]计算流体密度。结果显示，富液两相流体包裹体可区分为两组(图10)：1组冰点温度为-4.2～-1.2℃，完全均一温度为148～210℃，流体盐度为2.07%～6.74% NaCleq，流体密度为0.904～0.960 g/cm3；2组冰点温度为-13.0～-7.6℃，完全均一温度为210～310℃，流体盐度为8.14%～16.89% NaCleq，流体密度为0.848～0.979 g/cm3。六冲坪重晶石的富液两相包裹体的均一温度为170～230℃[6]，与蚂蟥冲重晶石相近。总体上看，蚂蟥冲矿点的成矿流体属于中低温(148～310℃)、低盐度(2.07%～16.89% NaCleq)的流体体系。

图10 蚂蟥冲重晶石的富液两相包裹体完全均一温度直方图

4.3.3成矿压力和深度

根据蚂蟥冲重晶石的富液两相包裹体的均一温度和盐度等参数，采用矿床成矿压力经验公式[21]，计算得出该矿点成矿流体被捕获时的最小压力为12.8～37.9 MPa。根据地质流体的压力垂直分带性特征[22]，计算出该矿点的成矿深度为0.43～1.26 km，表明蚂蟥冲矿点成矿时处于浅成环境。

4.3.4流体包裹体成分

蚂蟥冲重晶石的流体包裹体成分组成特征见表2。流体包裹体液相成分中，阳离子以Na+、Ca2+为主，Na+含量为1.92×10-6，Ca2+含量为0.84×10-6；阴离子以Cl-、SO42-为主，Cl-含量为3.40×10-6，SO42-含量为4.13×10-6，为Na+·Ca2+-Cl-·SO42-类型水。流体包裹体气相成分中，以H2O为主，含量为230.56×10-6，占气相成分的86.9%；其次为CO2，含量为34.81×10-6；无游离氧，几乎无CO、CH4、H2等。蚂蟥冲重晶石的流体包裹体成分组成特征与六冲坪重晶石较为相似[6]。流体包裹体中H2O>CO2、Cl->F-、Ca2+>Mg2+、F-/Cl-比值远<1，显示出热卤水特征[23-25]。

表2 蚂蟥冲重晶石的流体包裹体成分组成表

4.4 成因探讨

黄陵背斜北缘沉积盖层中发育多个(含)重晶石矿床(点)，其主要分布于覃家庙组、娄山关组和奥陶系碳酸盐岩地层区，以蚂蟥冲重晶石矿点和六冲坪金矿点(含重晶石)具有代表性。两矿点的重晶石矿在成矿地质背景、微量元素及S同位素组成、流体包裹体特征等方面具有相似性，说明两矿点成因相似。

在时间上，周舟等[7]获得六冲坪金矿点成矿期方解石的Sm-Nd等时线年龄为(397±11) Ma，间接指示同期重晶石矿可能形成于早—中泥盆世，明显晚于赋矿地层年龄，可能与扬子地块北缘加里东晚期伸展作用引起的大规模流体活动有关[7,26]。

在空间上，重晶石矿的断裂构造控矿作用明显，和区域上的中低温热液型金矿、铅锌矿同样受控于NW-NNW、NE-NNE、近SN向断裂，后者提供了导矿通道及容矿空间。区内重晶石主要呈脉状赋存于寒武系—奥陶系地层中的陡倾断裂破碎带和裂隙带中，并伴随发育不同强度的硅化、萤石化、方解石化等热液蚀变，显示出明显的热液充填成矿特征。

在物质来源上，通过S同位素分析认为，重晶石中的S具有重硫特征(δ34S=31.32‰～35.13‰)，主要来源于地层中硫酸盐的活化萃取，表明成矿流体与赋矿围岩或下伏岩石建造发生了强烈的物质交换过程。重晶石中Au、Ag、As、Hg、Sb、Tl等元素含量明显高于赋矿围岩，暗示成矿物质并非来源于就近的赋矿围岩，而是可能来源于其他层位。区域上寒武系—奥陶系地层中Ba含量较高，是克拉克值的12.9～96.2倍[27]；此外宜昌地区的寒武系富有机质页岩中普遍富集Ba，全岩Ba含量通常>1 000×10-6[28]，因此寒武系地层具备提供成矿所需Ba的物质基础。通过蚂蟥冲重晶石的流体包裹体分析认为，成矿流体属于中低温(148～310℃)、低盐度(2.07%～16.89% NaCleq)的流体体系，具地下热卤水特征，且重晶石形成于浅成环境(估算成矿深度为0.43～1.26 km)。通过六冲坪金矿点成因研究[6]认为，其成矿流体也是中低温、低盐度流体，成矿深度浅，水主要来源于大气降水。因此两矿点的成矿流体性质可能相似。综上分析认为，区内重晶石中的Ba主要来源于地下热卤水对寒武系地层的萃取，而地下热卤水是由大气降水在岩石建造中长期循环演化而形成的。

通过上述分析认为，在扬子地块北缘加里东晚期伸展背景下，大气降水入渗并在地温增温作用下演化为地热水，地热水在循环过程中不断溶滤循环路径上的地层，特别是寒武系地层中的Ba、S等物质，形成中低温、低盐度的含矿热卤水[29]；在构造动力等作用力驱动下，含矿热卤水沿着NW-NNW、NE-NNE、近SN向断裂向上迁移，最终在地层浅部的断裂破碎带和裂隙带就位，因物化条件改变(还原环境转变为次氧化—贫氧环境)而形成重晶石矿。因此，该区脉状重晶石属赋存于碳酸盐岩盖层中的中低温热液型重晶石。而且，推测黄陵背斜北缘脉状重晶石与区内中低温热液型金矿、铅锌矿具有相同的流体场。

5 结论

(1) 黄陵背斜北缘沉积盖层中广泛发育热液脉状重晶石，重晶石主要呈脉状赋存于沉积盖层中的陡倾断裂破碎带和裂隙带中，伴随发育不同强度的硅化、萤石化、方解石化等热液蚀变。

(2) 选取具代表性的蚂蟥冲重晶石矿点、六冲坪金矿点(含重晶石)，在成矿地质特征分析基础上，开展重晶石主微量元素、S同位素和流体包裹体研究，认为成矿流体为大气降水演化形成的中低温(148～310℃)、低盐度(2.07%～16.89% NaCleq)流体，成矿深度较浅(0.43～1.26 km)，Ba、S可能主要来源于流体对寒武系地层等盖层岩石的溶滤萃取。

(3) 综合分析认为该区脉状重晶石属赋存于碳酸盐岩盖层中的中低温热液型重晶石。