梁業(yè)恒, 孫曉明, 翟 偉, 馬 春,吳志強(qiáng), 丁存根, 王堂喜

(1.中山大學(xué)海洋學(xué)院,廣州 510275;2.廣東省海洋資源與近岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275; 3.中山大學(xué)地球科學(xué)系,廣州 510275;4.華東有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,南京 210007)

江蘇觀山高硫型銅鉛金礦床穩(wěn)定同位素地球化學(xué)和成因意義

梁業(yè)恒1,2,3, 孫曉明1,2,3, 翟 偉1,2, 馬 春4,吳志強(qiáng)4, 丁存根4, 王堂喜4

(1.中山大學(xué)海洋學(xué)院,廣州 510275;2.廣東省海洋資源與近岸工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275; 3.中山大學(xué)地球科學(xué)系,廣州 510275;4.華東有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院,南京 210007)

江蘇觀山銅鉛金礦是典型的高硫型淺成低溫?zé)嵋旱V床。本文通過對觀山銅鉛金礦床氫、氧、碳、硫同位素組成的研究,探討成礦溶液中水、碳、硫的來源以及成礦溶液的演化。同位素測定顯示石英流體包裹體水的δD=-90‰～-70‰,δ18O水=-8.9‰～-1.1‰;熱液方解石流體包裹體水的δD =-90‰～-81‰,δ18O水=0.1‰～2.3‰。氫氧同位素組成說明成礦流體主要為與圍巖進(jìn)行過水巖反應(yīng)的循環(huán)大氣降水,不排除有少量巖漿水的加入。黃鐵礦與黃銅礦礦石的δ34SV-CDT=5.8‰～9.9‰,平均值為7.6‰,表明該礦成礦過程中的S很可能是沉積巖來源的硫與巖漿巖來源硫的混合。礦床中可見較多的重晶石等硫酸鹽礦物,這種高價(jià)態(tài)硫的礦物的存在顯示其成礦溶液具有富集34S的特征,加上成礦過程中流體的沸騰導(dǎo)致H2S等氣體大量逸出和殘余巖漿流體富集34S,使得沉淀的黃鐵礦、黃銅礦等硫化物同樣具有富集34S的特征;熱液方解石碳同位素δ13C方解石=-4.1‰～6.1‰,平均為δ13C方解石= 1.3‰,顯示其中的C主要來源于流體對流循環(huán)過程中對基底巖石中碳酸鹽地層的溶解。

穩(wěn)定同位素 淺成低溫?zé)嵋旱V床 觀山銅鉛金礦 成礦溶液

L iang Ye-heng,Sun Xiao-m ing,Zha iW ei,Ma Chun,W u Zhi-qiang,D ing Cun-gen,Wang Tang-xi.Stable isotopic geochem istry and genesis of the Guanshan high-sulphidation type Cu-Pb-Au deposit in Jiangsu Province[J].Geology and Exploration,2010,46(4):0698-0704.

觀山銅鉛金礦位于江蘇省南京市溧水縣晶橋鎮(zhèn),自1957年被發(fā)現(xiàn)以來,對該礦區(qū)的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探及開發(fā)工作一直沒有中斷。一些學(xué)者對其成礦區(qū)域地質(zhì)、礦床控礦特點(diǎn)、成礦特征等方面進(jìn)行了一系列的研究工作,提出該礦為火山熱液型礦床(周金城等,1994;夏嘉生,1995)。梁業(yè)恒等(2008)通過對觀山銅鉛金礦脈體中的流體包裹體研究,發(fā)現(xiàn)它們的氣相比例變化較大,顯示成礦過程中可能發(fā)生過沸騰作用,成礦流體的冰點(diǎn)溫度與均一溫度都較低,同時(shí)考慮到其中大量出現(xiàn)賤金屬硫化物與重晶石,在蝕變礦物中大量出現(xiàn)高嶺石等粘土礦物,并且成礦流體中可能有巖漿水的參與,因此提出該礦應(yīng)屬于典型的高硫型淺成低溫?zé)嵋航饘俚V床。鑒于整合覆蓋白堊系龍王山組(K1l)、云合山組(K1y)、該礦床在穩(wěn)定同位素方面的研究還不夠深入,本文從氫、氧、碳、硫同位素幾個(gè)方面對觀山銅鉛金礦的成礦物質(zhì)來源與成礦溶液的演化進(jìn)行探討。

1 區(qū)域成礦地質(zhì)背景

礦區(qū)位于江蘇省溧水縣晶橋鎮(zhèn)與白馬鎮(zhèn)交界處,距溧水縣城16km。該區(qū)大地構(gòu)造上隸屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子沿江(古生代-三疊紀(jì))坳陷帶,處于江南古陸的北東邊緣,是一個(gè)以斷裂為界的菱形火山巖凹陷區(qū),西有方山-小丹陽斷裂,東有茅山西側(cè)斷裂,北有南京-湖熟斷裂,南有小丹陽-雙牌石斷裂。區(qū)內(nèi)出露自志留系高家邊組至侏羅系西橫山組一套完整的沉積巖系,構(gòu)成了本區(qū)的基底,其上部不大王山組(K1d)和甲山組(K1j)的火山巖?；鹕綆r系之上不整合覆蓋葛村組及紅層(浦口組和赤山組)。次火山巖(包括火山-侵入體)是各旋回火山活動(dòng)特定階段的產(chǎn)物,與火山巖具有時(shí)間、空間、物質(zhì)組分和巖漿源相同的特點(diǎn)。常見的次火山巖為充填于火山機(jī)構(gòu)的火山頸相巖石,由閃長巖、閃長玢巖、鉀質(zhì)(石英)粗安斑巖、正長斑巖、英安斑巖和石英斑巖等組成①。

圖1 江蘇省溧水地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖(據(jù)華東有色金屬礦產(chǎn)勘查開發(fā)院圖件改編,2005)①Fig.1 Geologicalmap of L ishui,Jiangsu province(after East China Geological Exploration and Development Institute for Non-FerrousM etals,2005)①

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

觀山銅鉛金礦處于新橋-白馬斷裂與馬鞍山-李巷斷裂的交匯點(diǎn),觀山古火山之中心部位(圖1)。整個(gè)火山通道為粗安質(zhì)次火山巖侵入充填,其形態(tài)與該次火山巖的形態(tài)基本一致,呈向南西傾斜收縮的喇叭狀?；鹕筋i四周為早白堊系大王山組丘虎山旋回(K11)和觀山旋回(K12)之粗安質(zhì)-粗面質(zhì)火山巖,距火山通道較近處的火山巖多為粗安質(zhì)集塊角礫巖,而距離較遠(yuǎn)的多為粗安質(zhì)凝灰角礫巖、粗安巖。成礦巖體為白堊系次火山巖-斑巖,呈巖頸及巖脈狀產(chǎn)出,與大致同期侵位的閃長巖類存在過渡關(guān)系。礦床圍巖是侏羅-白堊系淺成巖體及其爆發(fā)角礫巖,也可以是成礦前的其它圍巖。礦體定位與產(chǎn)出于火山通道外側(cè)的裂隙帶中,呈近平行-平行的脈體或脈帶,礦脈沿走向和傾向長度可達(dá)數(shù)百米,銅含量一般在1%左右。礦脈均分布在粗安斑巖次火山巖體的邊緣,在地表表現(xiàn)為重晶石赤鐵礦鐵帽,在平面上大致呈三角形形態(tài)(或近環(huán)形),每條礦脈的產(chǎn)狀均與粗安斑巖接觸面一致,向“三角形”的中心傾斜。各礦脈長短不一,傾角陡,厚度變化較大,礦化不均勻。淺部礦體膨大收縮、分枝復(fù)合現(xiàn)象明顯,平行小礦體也較多;到深部礦體漸趨穩(wěn)定,形態(tài)較規(guī)則,厚度變化較小。有用組份的分布具分帶性,在平面上,自北西向南東銅礦帶過渡到鉛銅混合礦帶,再過渡到鉛礦帶;在垂直方向上,地表的銅鉛金混合礦向深部過渡為銅礦。北部礦體的金含量高于南部,形成金共生礦體或獨(dú)立礦體。礦脈長數(shù)十米～數(shù)百米,最長達(dá)1850m,寬一般2～5m,最大達(dá)30m,傾角較大,一般在50°～80°。剖面上可見多個(gè)平行礦體,各礦體大致呈側(cè)列式排列,其間距一般為10～25m左右。規(guī)模較大的礦脈為一號(hào)、二號(hào)、六號(hào),其中一號(hào)脈長1850m,走向近東西,傾向北,由兩條斷續(xù)的主礦體和十個(gè)小礦體組成,以銅礦為主;二號(hào)脈長900m,走向北東,傾向南東,由一個(gè)主礦體和13個(gè)小銅礦體組成。主礦體旁側(cè)有數(shù)條扁豆?fàn)畹男〉V脈,呈大致平行于主礦體的雁列式排列,并組成約30m寬的礦帶;六號(hào)脈長1350m,走向北西,傾向南西,傾角60°左右,呈舒緩波狀彎曲伸展。該礦脈分為北西和南東兩礦段,北西礦段為銅鉛金混合礦,南東為鉛(鋅)礦②(圖2)。

圖2 江蘇省溧水縣觀山銅鉛金多金屬礦床綜合地質(zhì)圖(據(jù)華東有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院改編①②)Fig.2 geological sketch map of Guanshan Cu-Pb-Au polymetallic deposit,Jiangsu prov ince(modified after east China geological explorationand development institute for non-ferrousmetals)

礦體原生帶的主要金屬礦物為黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦,次為斑銅礦、輝銅礦,并伴生黃鐵礦、赤鐵礦等。在氧化帶上述礦物被氧化形成褐鐵礦、軟錳礦、孔雀石、銅藍(lán)及鉛礬等次生礦物,在地表形成“鐵帽”。脈石礦物以菱鐵礦為主,次為重晶石、石英及少量方解石。礦石的結(jié)構(gòu)多為微粒、細(xì)粒,地表可見膠狀。

礦體的圍巖蝕變有兩期,早期蝕變類型有絹云母化、硅化、黃鐵礦化、菱鐵礦化;后期有綠簾石化、高嶺土化、碳酸鹽化、重晶石化及赤鐵礦化。蝕變分帶較明顯,略呈對稱的帶狀,由礦體向兩側(cè)依次為菱鐵礦化、重晶石化、黃鐵礦化、硅化、高嶺土化和絹云母。

表1 觀山銅鉛金礦含礦石英脈及熱液方解石脈的氫、氧、碳同位素組成表Table1 Hydrogen,oxygen and carbon isotope compositions of hydrothermal calcites and quartz ve ins in the Guanshan Cu-Pb-Au deposit

3 樣品及分析測試方法

本次研究所用樣品采自觀山銅鉛金礦V I號(hào)脈五個(gè)鉆孔(ZK1702、ZK1801、ZK1802、ZK1851、ZK2301)中不同位置的巖石和礦脈。其中礦石礦物為黃銅礦、黃鐵礦和方鉛礦等硫化物,代表該礦形成的主要成礦階段,脈石礦物為熱液方解石和石英。本文主要對這幾種礦物進(jìn)行氫、氧、碳、硫同位素測定。

樣品的氫、氧、碳、硫同位素分析由中國國家地質(zhì)測試中心同位素實(shí)驗(yàn)室完成。石英及方解石流體包裹體氫同位素用爆裂法取水,鋅法制氫;氧同位素用BrF5法;方解石的碳同位素用100%磷酸法;硫同位素樣品用硫化物與Cu2O和V2O5混合氧化劑在高溫真空條件下反應(yīng)制取SO2。氫、氧、碳同位素采用MAT 251EM質(zhì)譜計(jì)測定,硫同位素采用MAT-251C質(zhì)譜計(jì)測定。氫、氧同位素采用的國際標(biāo)準(zhǔn)為S MOW,碳同位素采用國際標(biāo)準(zhǔn)為PDB,硫同位素采用國際標(biāo)準(zhǔn)為CDT。氧、碳、硫同位素分析精度為±0.2‰,氫同位素分析精度為±2‰。根據(jù)方解石或石英中流體包裹體的均一溫度和礦物-水氧同位素方程,計(jì)算出流體的δ18O水值。流體的均一溫度取其平均值,方解石與水的氧同位素平衡公式采用Δ方解石-水=2.78×106/T2-3.39(O’Neilet al., 1969),石英與水的氧同位素平衡公式采用Δ石英-水=3.38×106/T2-3.40(Clayton,1972)。

表2 觀山銅鉛金礦硫化物的硫同位素組成表Table2 Sulfur isotope compositions of sulfides in the Guanshan Cu-Pb-Au deposit

4 分析結(jié)果及討論

4.1 氫、氧同位素地球化學(xué)

本次測定的含礦石英脈及熱夜方解石脈的氫氧同位素組成見表1。石英流體包裹體水的δD= -90‰～-70‰,δ18O石英=5.0‰～13.5‰,根據(jù)石英與水的氧同位素平衡公式計(jì)算的成礦流體的δ18O水=-8.9‰～-1.1‰。方解石流體包裹體水的δD=-90‰～-81‰,δ18O方解石=10.1‰～15.5‰。根據(jù)方解石與水的氧同位素平衡公式計(jì)算的成礦流體的δ18O水=0.1‰～2.3‰。石英與方解石的δD相當(dāng),而前者的δ18O水(平均值-5.3‰)則明顯地低于后者(平均值1.3‰)。

前人的研究顯示,觀山銅鉛金礦成礦流體的δ18Ο水值為0.75‰～10.80‰,其中地表及淺部礦體中的δ18Ο水值為0.75‰～4.69‰,貧18Ο,熱液基本來自大氣降水,而深部礦體和蝕變圍巖中的δ18Ο水值較高,為5.98‰～10.80‰,已進(jìn)入巖漿水的范疇,由此推斷觀山礦床中成礦熱液主要是大氣降水,但礦體深部有巖漿水參入(夏嘉生,1995)。

從δ18O-δD投影圖(圖3)上面可以看出,含礦石英脈中流體包裹體的氫氧同位素組成較接近于大氣降水,而方解石位于大氣降水和巖漿水的區(qū)域之間,顯示它們的主體應(yīng)為大氣降水?？紤]到本地區(qū)中生代大氣降水的氧同位素組成為δ18O水=-8‰(張理剛,1989),而本次研究的δ18O水多數(shù)高于此值。造成大氣降水δ18O值升高的主要原因有二方面:1).深部有巖漿水的滲入;2).大氣降水與圍巖進(jìn)行水巖交換,導(dǎo)致氧同位素組成發(fā)生漂移。從圖2可見,觀山成礦流體δD變化不大,而δ18O變化較大,主要落在氧同位素組成漂移線上,顯示該礦成礦過程中,下滲的大氣降水與次火山巖曾發(fā)生較強(qiáng)烈的水巖反應(yīng)。同時(shí),考慮到觀山部分流體包裹體具有較高的鹽度,可達(dá)到7.39%NaCleq,而Cu2+和Pb2+等賤金屬離子需要較多的Cl-形成絡(luò)合物而進(jìn)行運(yùn)移和富集,單純的大氣降水顯然無法提供較多的Cl-,因此,不能排除該礦成礦流體中有少量巖漿水的加入。

4.2 硫同位素地球化學(xué)

觀山硫同位素分析結(jié)果見表2,可見黃鐵礦與黃銅礦的δ34SV-CDT基本接近,為5.8‰～9.9‰,平均值為7.6‰,遠(yuǎn)高于方鉛礦δ34S組成(δ34SV-CDT= 1.8‰),顯示該礦成礦過程中S同位素組成基本達(dá)到了平衡。同時(shí)該礦硫同位素組成比較集中,說明其硫源比較單一,成礦環(huán)境和成礦物理化學(xué)條件較為穩(wěn)定。

與國內(nèi)多寶山(馮健行,2008)、阿勒舍(陳毓川等,1996)等明顯巖漿來源的其它礦床相比,觀山銅鉛金礦的硫同位素組成相對較高(圖4)。不同含硫物種富集34S的能力具有明顯的差異,呈現(xiàn)的規(guī)律為(SO4

圖3 觀山銅鉛金礦床成礦流體氫氧同位素組成圖(據(jù)Hedenquistet al.,1994)Fig.3 hydrogen and oxygen isotope compositions of ore form ing fluids in the GuanshanCu-Pb-Au deposit (after Hedenquistet al.,1994)

-2→SO2→H2S)。觀山礦床脈石礦物中可見較多的重晶石等硫酸鹽礦物,這種高價(jià)態(tài)硫的礦物的存在顯示其成礦過程中fO2較高,同時(shí)其成礦流體的δ34S應(yīng)遠(yuǎn)高于從其結(jié)晶的硫化物S同位素組成(鄭永飛等,2000),很可能接近10‰,本次測定的S同位素值范圍相當(dāng)大,說明其中的S主要來自火山巖盆地基底沉積巖和次火山巖漿中S的混合。此外,鄭永飛等(2000)對現(xiàn)代火山氣體中硫同位素組成的研究顯示,火山氣體中主要含硫物種為SO2和H2S,其間存在同位素交換。SO2在水中的溶解度遠(yuǎn)大于H2S,因此富32S的H2S易呈氣相逸出,較富34S的SO2溶于水而殘留在巖漿體系當(dāng)中,并可形成[SO4]2-等原子團(tuán),適當(dāng)條件下可還原成S2-,同時(shí)保存了其富34S的特性,使得沉淀的黃鐵礦、黃銅礦等硫化物同樣富集34S。梁業(yè)恒者等(2008)的研究表明,觀山礦成礦過程中曾經(jīng)歷過明顯的流體沸騰過程,H2S等氣體大量逸出,導(dǎo)致殘余巖漿流體富集34S。本礦熱液硫化物34S的高度富集很可能部分源自這種火山氣體的同位素交換。

4.3 碳同位素地球化學(xué)

成礦熱液中的碳主要有3種可能來源(田世洪等,2007):1)地幔射氣或巖漿來源。地幔射氣和巖漿來源的碳同位素組成δ13C變化范圍分別為-5‰～-2‰和-9‰～-3‰(Taylor,1986);2)沉積巖中碳酸鹽巖的脫氣或含鹽鹵水與泥質(zhì)巖相互作用。這種來源δ13C變化范圍為-2‰～+3‰,海相碳酸鹽δ13C大多穩(wěn)定在0‰左右(Veizeret al.,1980); 3)各種巖石中的有機(jī)碳。有機(jī)碳一般富集12C,因而碳同位素組成很低,其δ13C變化范圍為-30‰～-15‰,平均為-22‰(Ohmoto,1972)。從表1的分析結(jié)果可見,觀山銅多金屬礦熱液方解石的δ13C方解石=-4.1‰～6.1‰,平均為δ13C方解石= 1.3‰,與海相碳酸鹽碳同位素范圍(平均-3‰～2‰)基本一致(圖5)。而且,在高fO2條件下,熱液方解石的δ13C基本可以代表成礦流體總C的δ13C組成(鄭永飛等,2000)。因此,觀山熱液方解石中的碳可能主要來自構(gòu)成本區(qū)基底的自志留系高家邊組至侏羅系西橫山組一套完整的碳酸鹽類沉積巖系。大氣降水在下滲和加熱對流過程中,溶解基底地層中的碳酸鹽類,并將其帶到火山巖體裂隙中,形成熱液碳酸鹽礦脈。

圖4 觀山銅金礦床硫化物硫同位素組成圖(底圖仿Hoefs,2004)Fig.4 Sulfur isotope compositions of sulfides in the Guanshan Cu-Pb-Au deposit

圖5 觀山銅金礦床方解石碳同位素組成圖(底圖仿Hoefs,2004)Fig.5 Carbon isotope compositions of calcites in the Guanshan Cu-Pb-Au deposit

5 結(jié)論

氫、氧同位素研究顯示,觀山銅鉛金多金屬礦成礦熱液主要為經(jīng)過了水巖反應(yīng)的循環(huán)大氣降水組成,但不排除少量巖漿水加入;熱液硫化物的δ34S已基本達(dá)到同位素平衡,硫很可能來自本區(qū)基底沉積巖來源硫與巖漿巖來源硫的混合。觀山礦成礦過程中的流體沸騰導(dǎo)致H2S等氣體大量逸出和殘余巖漿流體富集34S。熱液方解石碳同位素顯示觀山成礦流體中的C主要來源于基底巖石中的碳酸鹽地層。

致謝:江蘇有色金屬華東地質(zhì)勘查局葉水泉教授級(jí)高工給予了大力的幫助。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院劉漢彬老師和中國國家地質(zhì)測試中心同位素實(shí)驗(yàn)室萬德芳老師等在同位素測定中給予了支持,在此一并表示感謝!

[注釋]

① 華東有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院.2005.江蘇省溧水縣觀山及其外圍次火山巖型銅多金屬礦普查工作設(shè)計(jì)書

② 華東有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院.1982.江蘇省溧水縣觀山銅鉛礦床六號(hào)脈帶地質(zhì)勘查報(bào)告書

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[附中文參考文獻(xiàn)]

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Stable Isotopic Geochem istry and Genesis of the Guanshan High-Sulphidation Type Cu-Pb-Au Deposit in Jiangsu Province

L IANG Ye-heng1,2,3, SUN Xiao-ming1,2,3, ZHA IWei1,2, MA Chun4WU Zhi-qiang4, D ING Cun-gen4, WANG Tang-xi4
(1.School of M arine Sciences,Sun Yat-sen University,Guangzhou 51027; 2.Guangdong Provincial Key Laboratory of M arine Resources and Coastal Engineering,Guangzhou 519275; 3.Department of Earth Sciences,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275; 4.Eastern China Geological&M ining O rganization forNon-ferrousM etals,Nanjing 210007)

The Guanshan Cu-Pb-Au deposit in Jiangsu Province is a high-sulphidation type epithermal poly-metallic deposit.Thiswork studies the stable isotope compositions of ore minerals and fluid inclusions,the sources of ore-forming fluid and materials.The result shows that theδD andδ18Oof fluid inclusions in quartz veins range from-90‰to-70‰and-8.9‰to-1.1‰,respectively,while those of the hydrothermal calcites are-90‰～-81‰and 0.1‰～2.3‰,respectively,indicating that the ore-for ming fluids stem mainly from cycling atmospheric precipitation and a little amount ofmagmatic water.The sulfur isotope of chalcopyrites and pyrites range from 5.8‰to 9.9‰,with average 7.6‰,suggesting that the sulfur is probably derived partly from sedimentary rocks.Plentyof sulfates such as barites can be found in Guanshan implies the enrichmentof34S in the ore-forming fluids.Alongwith the boiling ofore-forming fluids,it resulted in degassing of trace gases such asH2S,and enrichmentof34S in the residualmagmatic fluids,and deposited pyrites and chalcopyrites enriched in34S.δ13C of hydrothermal calcites are-4.1‰～6.1‰with average 1.3‰,implying that the primary source of the carbon in the ore-forming fluids is the dissolved carbonate formation in the basement rocks.

Stable isotope,Epither mal deposit,Guanshan Cu-Pb-Au deposit,Ore-forming fluids

book=7,ebook=332

P618.51

A

0495-5331(2010)04-0698-07

2010-02-03;

2010-07-01;[責(zé)任編輯]鄭 杰。

江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局委托研究項(xiàng)目(編號(hào):32110-4206243)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助。

梁業(yè)恒(1980年-),男,博士后,研究方向?yàn)榈V床地球化學(xué),E-mail:gtogto54321@msn.com。

孫曉明(1963年-),男,教授,研究方向?yàn)榈V床地球化學(xué),E-mai:eessxm@mail.sysu.edu.cn。