北大巴山平利县大坪—金岭重晶石矿床地球化学特征与成矿物源分析

曹林杰，张运周，李四龙，王志红，张 瑶，张 寒

(1.陕西地矿第一地质队有限公司，陕西 安康 725000；2.中国石化西南油气分公司 石油工程技术研究院，四川 德阳 618000)

0 引 言

1.前寒武纪地层；2.花岗闪长岩；3.基性喷出岩；4.碱—中基性岩；5.基性—超基性岩脉；6.主断带；7.次断带；8.研究区。图1 北大巴山区域地质简图[13]Fig.1 Geological sketch map of northern Daba Mountain (Simplified after Xiang Zhongjin[13])

大巴山一带基础地质工作程度相对较高，矿区地质矿产调查不同尺度条件下的科研成果颇丰。前人对北大巴山地质做了详尽的物探、化探工作，为印支期为大巴山主造山期的理论提供了众多重要依据，为南秦岭—大巴山一带矿产勘查奠定了一定的基础[1-2]。南秦岭一带重晶石矿床研究已取得较为丰硕的成果，从地质与构造特征[3-6]、地球化学特征[7-9]、生物地球化学特征[10-11]等方面，探讨了南秦岭重晶石矿床的成矿流体、成矿带特征、矿层产出特征与区域地质构造和沉积环境之间的关系、矿床成因以及成矿物质来源。近年来，众多学者从不同角度研究重晶石矿床成因，进行了找矿预测。本文旨在从地质背景、矿床特征、地球化学特征等方面出发，研究重晶石矿床的古温度、古环境等方面的信息，揭示成矿物质来源，为后续研究提供新的地质依据，为找矿提供参考。

1 区域地质概况

矿区位于南秦岭构造带北大巴山复背斜带的平利复背斜南翼，处于扬子板块(羌塘—扬子—华南)秦岭—大别山新元古代—中生代造山带的北大巴山—西倾山早古生代裂谷带(Pz1)的平利穹隆西南缘，蔺河街—王家坪韧性逆冲推覆剪切带及其次级的韧性剪切带、剥离断层和一系列复式褶皱组成了区域上的基本构造格架[1,12]。区域岩浆岩较为发育，主要为蓟县系—青白口系中酸性、基性侵入岩和滔河口基性火山岩(图1)。

研究区出露地层为中元古界蓟县系杨坪组(Pt2yp)、新元古界青白口系耀岭河组(Pt3yl)及震旦系灯影组(Z2dn)、下古生界寒武系鲁家坪组(1l)及箭竹坝组(j)、第四系，地层整体呈北西—南东向。杨坪组(Pt2yp)地层岩性主要为粉砂质板岩、石英绢云母片岩、凝灰质板岩等；耀岭河组(Pt3yl)岩性主要为绿片岩、斜长片岩、千枚岩等；震旦系灯影组岩性以白云岩、含碳泥质灰岩、含碳硅质板岩为主，夹硅质岩条带及重晶石透镜体等；寒武系鲁家坪组(1l)岩性下部主要为灰黑色薄—中厚层状硅质岩，局部夹碳质板岩，上部主要由碳质板岩及碳质硅质板岩组成，夹薄层灰岩透镜体；箭竹坝组(j)岩性主要为薄层灰岩、碳质板岩、钙质绢云母板岩等。灯影组(Z2dn)与耀岭河组(Pt3yl)地层为剥离断层接触，鲁家坪组(1l)与上下地层均为整合接触(图2)。重晶石呈浅灰色—灰白色相间的条带状、似层状赋存于寒武系鲁家坪组及震旦系灯影组。

2 矿床地质特征

研究区地层区划属羌笛—扬子华南地层大区，南秦岭—大别山地层区，北大巴山地层分区，紫阳—平利地层小区[1]。震旦系灯影组(Z2dn)岩性以白云岩、含碳泥质灰岩、含碳硅质板岩为主，夹硅质岩条带及重晶石透镜体等，与青白口系耀岭河组地层为剥离断层接触。下古生界寒武系鲁家坪组(1l)岩性下部主要为灰黑色薄—中厚层状硅质岩，与上下地层均为整合接触(图2)。

重晶石矿层主要产于下古生界寒武系鲁家坪组下部的碳质板岩与硅质岩的接触部位，围岩蚀变较弱，主要蚀变类型为黄铁矿化、弱硅化等。重晶石含量为50%～99%，呈白色、灰色、青灰色，它形细粒状，粒径0.02～0.20 mm，个别颗粒较大，为1.80 mm×2.80 mm，分布较均匀；板状、柱状自形晶，板状者粒径多在0.16 mm×0.44 mm以下。多数颗粒分布具有定向性，玻璃光泽，密度2.67～4.39 g/cm3，硬度3～3.5，条痕白色，地表不易风化，锤击易碎，发出强烈的气味。矿石沉积层理清楚，具微层理构造、条带状构造。

3 样品与测试方法

针对主矿体及上下围岩，本次采集了9件实验样品，其中T-1、T-2 、T-9、T-10采集于矿体围岩，其余5件样品均为重晶石矿样。

野外采集新鲜岩石样品，避免风化作用对实验的影响。碳、氧同位素分析在南京宏创地质勘查技术服务有限公司实验室完成。仪器为美国热电公司的253plus、Flash EA元素分析仪和Conflo IV多用途接口。样品烘烤后以银杯包裹的样品经自动进样器丢入填装了玻璃碳粒的高温(1 420 ℃)裂解炉中，氧与玻璃反应生成CO气体，被高纯氦气(5 N)携载经过色谱柱进入质谱仪测定CO的δ18O。采用3种国际标准物质(NBS-127、IAEA-SO-5、IAEA-SO-6)，标样的分析精度可达0.3‰。

稀土元素在南京宏创地质勘查技术服务有限公司实验室通过严格的实验流程，利用Elan DRC-e ICP-MS分析完成。

4 测试结果

4.1 碳、氧同位素

大坪—金岭重晶石矿床碳、氧同位素分析结果(表1)显示，矿石δ13CV-PDB为-14.26‰～-6.51‰，均值为-11.90‰；δ18OV-PDB介于-16.05‰～-8.67‰，平均为-12.65‰。围岩δ13CV-PDB介于-12.18‰～-2.66‰，均值为-9.11‰；δ18OV-PDB介于-13.92‰～-12.25‰，平均为-13.22‰。PDB与SMOW之间的转换采用以下公式[14]：

δ18OV-PDB=(δ18OV-SMOW-30.91)/1.030 9

经计算，得出矿石δ18OV-SMOW介于1.44‰～2.20‰之间，围岩δ18OV-SMOW介于1.66‰～1.83‰之间。

表1 大坪—金岭重晶石矿床碳、氧同位素分析结果

4.2 稀土元素组成特点

大坪—金岭重晶石矿床的稀土元素分析结果及相关参数详见表2。由表中数据可看出，稀土元素总量变化较大，∑REE介于51.13×10-6～332.78×10-6之间，均值为147.86×10-6，矿体稀土总量较围岩样品稀土总量低。LREE/HREE可用来表征重稀土元素的分馏程度，稀土样品检测结果显示矿石LREE/HREE在1.76～2.49之间，平均值为2.084，δEu在0.509～0.973之间，平均值为0.671，δCe在0.39～0.60之间，平均值为0.526；围岩LREE/HREE在2.61～4.69之间，平均值为3.903，δEu在0.303～0.561之间，平均值为0.420，δCe在0.77～0.89之间，平均值为0.827。矿石与围岩具相似的稀土元素特征，但稍有差异，可能由于海水下渗和热液上升过程中萃取基底岩层的物质不同造成的。

5 成矿物源分析

5.1 成矿温度

对大坪—金岭重晶石矿床的碳、氧同位素进行分析测试，总体上δ13CV-PDB介于-14.26‰～-2.26‰之间，δ18OV-PDB介于-14.96‰～-8.67‰，得出矿区内δ18OV-SMOW介于1.44‰～2.20‰之间。根据硫酸盐-氧同位素地热温标法[15]，利用公式：1 000lnα=2.88×106/T2-4.1式中：α=[1 000+δ18OV-SMOW(HSO4-)]/[1 000+δ18O(H2O)]；T为热力学温度，K。

表2 大坪—金岭矿床稀土元素分析结果及相关参数

图3 大坪—金岭重晶石矿床稀土元素球粒陨石标准化配分图Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns for Daping-Jinling barite deposit

各样品均大于海水的δ18OV-SMOW值，同时与同期海相沉积物中硫酸盐的δ18OV-SMOW值进行比较，也大于其硫酸盐的δ18OV-SMOW值，故可判断成矿物质来源可能有热液参与成矿[16]。

根据前人的工作及科研成果[17]，前寒武纪海水与现代海水具有相似的δ18O值，由此可测得温度介于60.72～122.87 ℃，重晶石矿体成矿温度适宜。根据前人对南秦岭重晶石与毒重石成矿特征的研究，表明温度低于122.87 ℃，有利于重晶石的形成[18]。

5.2 成矿物质来源

稀土元素的分馏作用随自然界外部条件的变化而发生改变，岩石中稀土元素丰度分布、迁移规律等特征能够反映当时的地质背景[19-21]，因此开展稀土元素分析对研究成矿物质来源、成矿构造环境的判断等问题具有一定的帮助。

稀土元素测试分析表明，稀土元素总量整体表现为差异较大，在60.15×10-6～332.78×10-6之间，均值为147.86×10-6，矿体的稀土总量小于围岩的稀土总量。通过对重晶石矿床稀土元素配分模式图(图3)分析，可得到以下几点信息。

整体上，所有测试分析样品的稀土元素配分曲线近乎平行，但仍存在细微差别。各围岩样品的稀土元素配分曲线近似平行，矿体样品的稀土元素配分曲线也近乎平行，由此可认为矿体与围岩在物源上表现为同源性，而轻稀土组分呈现较小的差异，为稀土元素分馏作用的结果。Ce呈现不同程度的负异常，说明物质来源于海水，而且在成因上与热液有密切的关系。前期对围岩硅质岩进行了研究，发现硅质岩含生物及烷烃类，Eu呈现不同程度的负异常，表明可能与微生物活动有关。

5.3 物源分析

大坪—金岭重晶石矿床产出于寒武系鲁家坪组硅质岩与碳质板岩之间。以往对该地区地层微量元素的测试分析可知，其基底杨坪组与耀岭河组Ba含量均低于300×10-6，而灯影组Ba元素含量平均值为1 725×10-6，最高值达2 550×10-6，前人对该区域的研究表明震旦系进入沉积期，灯影组沉积环境为浅海陆棚环境；寒武系海平面继续升高，鲁家坪组下段多发育层状硅质岩，寒武系鲁家坪组沉积环境为大陆边缘斜坡相[1]，为SO42-的形成提供了优越的条件。研究表明，震旦系灯影组重晶石物质来源与海底火山活动有关[6]，而寒武系鲁家坪组Ba来源于震旦系灯影组地层，经热液作用，使得地层富集Ba，从而有利于鲁家坪组重晶石的形成。其次鲁家坪组重晶石矿体顶、底板多为断层破碎带，提供了离子交换的场所，形成发育良好的重晶石矿床。

6 结 论

(1)本文对大坪—金岭重晶石矿床的碳、氧同位素进行了测试分析，测得成矿古温度介于60.72～122.87 ℃，表明为低温成矿。

(2)大坪—金岭重晶石矿床的沉积环境为大陆边缘斜坡相，赋矿层位为寒武系鲁家坪组，Ba来源于震旦系灯影组地层，SO42-来源于古海洋。

(3)通过对大坪—金岭重晶石矿床的稀土元素配分模式图的建立，可知矿体与围岩在物源上表现为同源性，围岩Eu亏损明显，说明其构造环境的复杂性。围岩通常为断层破碎带，为离子交换提供了良好的场所，有利于重晶石矿体的形成。