内蒙古红岭铅锌-多金属矿床二叠系火山碎屑岩中硫化物压力影的发现及成矿意义

单小瑀,谢玉玲,陈佳德,任国顺,魏良民,于 超,柳爱新

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院, 北京 100083; 2.赤峰山金红岭有色矿业有限责任公司, 内蒙古 赤峰 025420)

矿床地质是矿床学研究的基础,其中赋矿围岩性质和岩石成因是研究成矿构造背景、区域构造演化和成矿物质来源的重要依据。红岭铅锌-多金属矿床位于内蒙古中部,是黄岗-甘珠尔庙Sn-Fe-Cu-Pb-Zn-Ag多金属成矿带内一处重要的铅锌多金属矿床。目前该带内已发现有白音诺尔铅锌矿、黄岗梁铁锡矿、维拉斯托锡铜矿、拜仁达坝银铅锌矿、红岭(浩布高)铅锌-多金属矿、双尖子山铅锌银矿等一系列大、中型矿床,具有重要的资源潜力。区内已发现的矿床类型包括矽卡岩型(如白音诺尔、红岭、黄岗梁)、热液脉型(如大井、布金黑、拜仁达坝、双尖子山、白音查干)和斑岩型(如东山湾、敖仑花、小东沟)等,其中矽卡岩型和热液脉型铅锌多金属矿床是该成矿带最主要的工业类型(张德全, 1989)。成矿年代学资料表明,大兴安岭南段的成矿主要集中在燕山期,例如双尖子山铅锌银矿床[131.4±0.5 Ma, 赵家齐等(2022)]、黄岗梁铁锡矿床[134.9 ± 5.2 Ma, Zhaietal.(2014)]、大井锡铜矿床[144±16 Ma, 廖震等(2014)]、白音诺尔铅锌矿床等[149.9±2.5～140.3±2.6 Ma, 蒋斌斌等(2020)]。区内铜-锡多金属矿床多产在二叠系中,二叠系的页岩和板岩常构成矿体的主要赋矿围岩,如维拉斯托、白音查干、黄岗梁、白音诺尔、红岭等矿床,因此有学者提出,二叠系海相火山喷发沉积地层和中生代构造岩浆活动共同控制了区内矿床的展布(张德全,1989)。尽管有学者提出区内二叠系哲斯组及大石寨组地层中锡、铅、锌、银、铜等成矿元素含量高(李伟等, 2009; 郭守钰, 2011),可能与成矿有关(吕志成等, 2002),但大多学者认为其成矿物质主要来源于岩浆(Zhuetal., 2001; 邵济安等, 2010; 吕新彪等, 2020; Wangetal., 2022),对二叠纪地层与区内多金属成矿的关系,仍缺少足够的证据支持。

本文通过对红岭铅锌-多金属矿区二叠系板岩详细的野外地质、岩矿相、SEM/EDS等研究发现,其原岩为一套碱性晶屑凝灰岩,并经历了NW-SE向的挤压变形,板岩中可见由闪锌矿、黄铜矿和磁黄铁矿组成的沿岩石层理展布的硫化物压力影。矿区成矿期的矿化和蚀变可切穿岩石层理、片理和压力影构造,表明压力影中硫化物的形成早于构造变形和矽卡岩成矿,应代表了与二叠纪火山岩同期的原生硫化物矿化。压力影中硫化物的原位S同位素分析结果与前人获得的矿石中主要硫化物的S同位素组成相近,表明二叠系地层可以为成矿提供部分硫和铜、锌等成矿物质,这可能也是造成大兴安岭地区热液型铅锌-多金属矿常产于二叠系中的原因。二叠纪变质火山岩中原生铜、锌矿化的发现为研究区内铜-锌-多金属矿床的成矿物质来源和指导区域找矿提供了新的思路。

1 矿区地质概况

研究区大地构造上位于中亚造山带东部的兴蒙造山带(图1a),区域岩浆活动强烈,发育古生代和中生代的火山岩、火山碎屑岩和侵入岩,主体呈近NE向带状展布。区内出露的侵入岩以燕山期花岗质侵入体为主,岩性包括花岗岩、花岗闪长岩和斑状花岗岩等,并可见少量海西期侵入岩(Jahnetal., 2000; 刘锐等, 2016)。

图1 大兴安岭南段大地构造分区简图(a, 据Liu Y J et al., 2017)和红岭铅锌-多金属矿床地质简图(b, 据内蒙古一一五地质队, 1992)

红岭铅锌-多金属矿床(也称浩布高铅锌矿床)位于大兴安岭南段西缘,矿区褶皱和断裂构造作用极为发育,区域构造线方向为NE向,由古生代地层组成的NE-SW复式背斜贯穿本区。矿区断裂构造发育,主要见NE和NW向两组断层,其中NE向断裂为矿区最主要的断裂构造。矿区出露的地层较为单一,包括下二叠统大石寨组大理岩、黑色板岩及其中的火山岩夹层,上侏罗统满克头鄂博组流纹岩和晶屑凝灰岩以及第四系(图1b),上侏罗统满克头鄂博组与下伏的二叠系呈角度不整合接触。

矿区出露的侵入岩包括燕山期黑云母二长花岗岩(140.2±1.3 Ma, 作者未发表资料)、黑云母正长斑岩和闪斜煌斑岩,其中黑云母二长花岗岩未在地表出露,仅见于钻孔深部。黑云母正长斑岩(135.68±0.44 Ma, 作者未发表资料)和闪斜煌斑岩脉多侵位于NW和NE向断层中。黑云母正长斑岩在地表和井下大量揭露,呈岩墙或岩脉,厚度在数十米至不足一米。闪斜煌斑岩呈岩脉或岩墙,厚几米至几十厘米。根据侵位关系,黑云母二长花岗岩侵位早于闪斜煌斑岩和黑云母正长斑岩脉(单小瑀等, 2022)。

目前矿区内的已知矿体均赋存于大石寨组中,黑云母正长斑岩和闪斜煌斑岩中也可见弱的铅锌矿化和铜矿化。矿区已探明Zn 0.29 Mt(平均品位 4.24%)、Pb 0.15 Mt(平均品位 2.25%)、Fe 2.91 Mt(平均品位 28.7%)、Cu 0.02 Mt(平均品位 0.14%)和Ag 114 t(平均品位 16.8 g/t)(孙九达等, 2018)。矿区矿体和蚀变带明显受NE和NW向断层带控制,矿体总体呈NE走向,倾向NW,矿体沿走向厚度变化较大,总体为SW厚度大、垂向延深大,向NE逐渐变薄、矿化深度也明显变浅,在NE与NW向构造交汇处矿体厚度明显膨大。矿区的矿化类型以矽卡岩型为主,包括矽卡岩型铁矿化、铅锌矿化和铁铜-多金属矿化,矿石矿物主要为磁铁矿、黄铜矿、闪锌矿和方铅矿。除矽卡岩型矿化外,矿区二叠系板岩中还发育有受构造或裂隙控制的脉状-网脉状铜、铅、锌矿化,矿石矿物除黄铜矿、方铅矿、闪锌矿外,还可见黝铜矿、辉银矿、辉铋矿、辉锑矿等(单小瑀等, 2022)。

2 样品和测试方法

本文测试的实验样品采自红岭矿区钻孔岩芯。显微岩相学和SEM/EDS分析在北京科技大学土木与资源工程学院岩石矿物实验室完成,使用仪器分别为日本奥林巴斯BX53M系列显微镜和Phenom XL台式能谱型扫描电镜。SEM/EDS测试采用高真空、15 kV加速电压。

硫化物的原位LA-ICP-MS元素组成分析在合肥工业大学资源与环境工程学院矿床成因与勘查技术研究中心(OEDC)矿物微区分析实验室完成,分析使用仪器为与Cetac Analyte HE激光剥蚀系统(193 nm ArF 准分子激光器)联用的Agilent 7900电感耦合等离子体质谱仪。激光剥蚀过程中采用氦气作载气,氩气为补偿气以调节灵敏度,详细的仪器操作步骤和数据处理方法见汪方跃等(2017)和聂利青等(2018)。

硫化物的原位S同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成,激光剥蚀系统为193 nm准分子激光剥蚀系统(RESOLUSION M-50, ASI),多接收等离子体质谱为ASI公司的Nu Plasma 1700 MC-ICP-MS。δ34S的测试误差小于0.1‰,具体实验方法参考Chen等(2017)。

3 分析结果

3.1 二叠系板岩的岩石学特征

红岭矿区新鲜的二叠系板岩呈黑色-灰黑色,板状或层理构造(图2a),板岩经热液蚀变后呈黄褐-浅灰色。显微镜下岩石呈火山碎屑结构(图2b),可见显微褶皱构造,轴面劈理不发育(图2c),石英和长石均未见明显的拉长变形(图2b)。显微镜下和SEM/EDS结果表明,板岩中矿物碎屑多呈棱角状-次棱角状,碎屑多为石英、钾长石晶屑,另可见少量锆石、磷灰石和铬铁尖晶石晶屑(图3a、3b),胶结物主要由黑云母、钾长石、钠长石和石英组成。由于矿区普遍发育成矿期的热液蚀变,板岩中的火山碎屑呈现不规则晶体边界(图3a)。根据岩石结构和矿物组成,矿区黑色板岩的原岩应为碱性晶屑凝灰岩,并非前人认为的变质沉积岩(李剑锋, 2015; 牛吉芳, 2017)。

图2 矿区二叠系板岩的手标本和显微照片

图3 板岩中铬铁尖晶石的背散射电子照片(a)和X射线能谱图(b)

3.2 硫化物压力影的显微镜下特征和矿物组成

野外和手标本上均可见黑色板岩中主要由硫化物组成的压力影,压力影的排列明显沿层理分布,其影子矿物的长轴方向与岩石层理或片理方向一致(图2d),与矿区矽卡岩型矿化相关的热液脉可切穿岩石层理、片理及压力影构造(图2e)。岩矿相和SEM/EDS分析表明,压力影的核部主要由硫化物组成,包括磁黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿(图2e),影子矿物为石英和绿泥石(图2f),且影子矿物的延伸方向与岩石层理或片理一致。

3.3 压力影核部硫化物的原位微量元素和S同位素组成

为进一步探讨矿区成矿与二叠系地层的关系,对压力影核心的原生硫化物和因热液活动而重结晶的硫化物分别进行了原位LA-ICP-MS微量元素分析和原位硫同位素分析,结果分别列于表1和表2。典型原生磁黄铁矿和黄铜矿的LA-ICP-MS质谱图见图4a和图4b。部分测试位置硫化物的化学组成较为均匀,质谱信号总体平滑(图4a);而有些硫化物中由于存在超显微包裹体而出现谱峰的跳跃(图4b)。对含有明显包裹物的数据处理时已避开包裹物的影响。

图4 压力影核心磁黄铁矿(a)和黄铜矿(b)的LA-ICP-MS质谱图

压力影中硫化物的原位微量元素分析结果显示,原生黄铜矿中具有较高的Ag、Pb和Zn含量,原生磁黄铁矿中同样具有高的Ag、Pb、Sb和Bi值(表1、图5)。相比于压力影中的原生硫化物,重结晶磁黄铁矿中Ag、Pb、Cu、Zn、Sb、Bi等元素含量明显降低(图5),暗示流体对原生磁黄铁矿的改造过程中可能带出部分金属元素。

图5 压力影中原生黄铜矿、磁黄铁矿和重结晶磁黄铁矿的元素组成原始地幔标准化蛛网图(标准化数据据McDonough and Sun, 1995)

压力影中原生硫化物的原位微区硫同位素分析结果表明,无论是黄铜矿、磁黄铁矿,其δ34S值均较为集中,分布于-0.33‰～+1.72‰的范围内,且主要集中在0.5‰～1.5‰,显示了幔源S的同位素特征。

4 讨论

4.1 二叠纪地层的岩石成因和变形特征

野外和岩相学结果表明,矿区的主要赋矿围岩二叠系大石寨组板岩的原岩为火山碎屑岩,岩性应为晶屑凝灰岩,其中碎屑主要为石英和钾长石,并可见少量锆石、磷灰石、尖晶石等,胶结物为黑云母、钾长石、钠长石、石英等,与区域上出露的大石寨组晶屑凝灰岩的矿物组合基本一致(Yuetal., 2017)。研究区的二叠系板岩普遍发育轴向NE的紧闭褶皱样品号HL-2053,-代表低于检测限。

表 1 压力影中硫化物的微区原位LA-ICP-MS微量元素分析结果 wB/10-6

和NE向的轴面劈理,但在弱变形域中,岩石的火山碎屑结构保留较为完好(图2b),表明矿区二叠系板岩中的板理应为构造成因,并非强烈的区域变质作用所致。

已有研究结果显示,内蒙古东部大石寨组火山岩的锆石U-Pb年龄介于298～276 Ma之间,统计峰值年龄为288 Ma(张健, 2012),晚二叠世-早三叠世的区域挤压背景导致早二叠世火山岩中形成了轴面走向为NE-SW向的褶皱(张逸鹏, 2016)。矿区成矿时代为139.10 ± 5.40 Ma至140.70 ± 1.89 Ma(Hongetal., 2021),远晚于区域大规模挤压变形的时间。压力影的形成机制在于应力作用下核心矿物与周围矿物刚性程度的差异,导致了岩石局部变形程度的差异。研究区二叠纪晶屑凝灰岩中,相对于富含云母、长石的凝灰质地层而言,硫化物更为刚性,因此在区域挤压过程中,硫化物变形弱,而周围的软矿物(如云母等)变形强,因此在硫化物周围形成低压区,并充填影子矿物。矿区板岩压力影中影子矿物的延伸方向与挤压片理方向一致,表明其形成与区域挤压有关,而核心矿物的形成早于区域挤压,应为火山沉积同期产物。

4.2 二叠系火山岩对中生代热液型矿床成矿物质来源的启示

中国东部中生代普遍发育与燕山期岩浆活动有关的钼(钨、锡)-铅锌(银)成矿系统,如内蒙古东部(谢玉玲等, 2015, 2020; Zhaietal., 2018)、大别东段(杜建国, 2000; Wu and Zheng, 2013; 任志等, 2014; 谢玉玲等, 2015; Mietal., 2015)、东北地区(张旗等, 2009)等,但这些成矿系统中除钨、锡、钼外,外围多发育热液脉状铅锌(银)矿,但铜矿化较弱,如白音诺尔铅锌银矿床(Jiangetal., 2017)、阿尔哈达铅锌银矿(谢玉玲等, 2020)等。同时,大兴安岭东段还发育有一系列富铜的燕山期成矿系统,其成矿岩浆性质、岩浆源区等与中国东部大多铅锌成矿系统一致,但相对富铜,如大井铜锡矿(王莉娟等, 2000)、维拉斯托锡铜多金属矿(Liuetal., 2016)、毛登锡铜矿(Chenetal., 2022)、莲花山铜矿(康欢等, 2019)等,对这些矿床中铜的来源前人有多种不同的认识。前人通过对内蒙东部二叠系黑色板岩的岩石化学研究发现,岩石具有较高的成矿金属含量,其中铜可达52.12×10-6,锌可达84.17×10-6(杨月厚等, 2012),均明显高于地壳平均值,并认为二叠系可为区域成矿提供成矿金属,但对造成地层富铜的原因尚不清楚。

本次研究发现,二叠系火山碎屑岩中见有顺层理产出的原生铜、锌矿化,在变形过程中形成压力影。矿区成矿期的热液脉体明显切穿板岩的板理,岩石中的火山碎屑中可见被成矿期流体交代的现象(图3a),且显微镜下明显可见成矿期热液脉切穿硫化物压力影,并可见硫化物的重结晶(图2e),表明成矿期流体活动对板岩和其中的压力影进行了改造。压力影中硫化物的微区原位微量元素组成分析结果显示,原生黄铜矿和磁黄铁矿中具有高的Ag、Pb、Zn、Sb、Bi元素含量,而经成矿期流体改造的磁黄铁矿中Ag、Pb、Cu、Zn、Sb、Bi等元素含量明显降低(图5),矿区矿石中常见辉铋矿、辉银矿、辉锑矿等,表明矿区除铁、铅锌、铜矿化外还发育少量银、锑、铋矿化,其可能来源于二叠系的原生硫化物。

矿物原位LA-MC-ICP-MS是近年开发出来的硫同位素测量新技术(Graddocketal., 2008; Bühnetal., 2012),具有精度高、空间分辨率高的特点(Chenetal., 2017)。由于其不受矿物内部包裹物等影响,且可详细地示踪同一矿物晶体中不同期次的S同位素组成(Cooketal., 2013; 李洪梁等, 2021),因此广泛用于示踪成矿物质来源及成矿过程的物理化学条件变化(Barkeretal., 2009; Cooketal., 2016; Xieetal., 2018; Weietal., 2019; Petrellaetal., 2020),通过对板岩中原生黄铜矿和磁黄铁矿的S同位素分析结果表明,其分布范围[主要集中在-0.5‰～1.5‰)与前人得到的矿石中矿化物的S同位素分布范围[主要集中在-2.5‰～0.5‰, 牛吉芳(2017); Liuetal.(2018)]非常接近(图6),也表明其可能对成矿有一定贡献。发育于海相火山岩中的VMS(VHMS)型铜矿床是世界铜的主要来源(Franklinetal., 2005),尽管目前区内并未发现有经济意义的同生铜矿化,但是区域高铜、锌背景值可能与二叠纪的海底火山活动有关。区域上二叠系大石寨组火山岩具有陆缘弧岩浆岩的特征(关庆彬等, 2016; Yuetal., 2017; 许强伟等, 2019),其岩浆源区有俯冲板块交代的地幔的贡献(Yuetal., 2017),这可能是造成其高Cu、Pb、Zn等含量的原因。二叠系地层可能为区内铜矿化提供了物质基础,燕山期岩浆热液与二叠系地层的相互作用萃取了其中的Cu、Zn等成矿金属,这可能是造成区内富铜矿床形成的可能原因。

图6 压力影中硫化物与矿石中硫化物的硫同位素分布图(矿石中不同硫化物的硫同位素数据来源见表2)

5 结论

(1)二叠系黑色板岩为红岭铅锌-多金属矿床的主要赋矿围岩,其原岩为一套碱性火山碎屑岩,并经历了NW-SE向的挤压变形,形成了轴向NE的紧闭褶皱。

(2)黑色板岩中的硫化物压力影可能代表了与海相火山活动有关的原生铜、锌矿化,这些原生硫化物的存在可能是导致区域内二叠系黑色板岩普遍具有较高的铜、锌背景值的原因。

(3)压力影中原生和重结晶硫化物微量元素组成的变化和与矿区的矿石硫化物相似的S同位素组成,表明二叠系火山碎屑岩可能为区内富铜矿床的形成提供了成矿金属和硫。