韓善楚，胡凱 ，曹劍

1)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京，210093；2)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌，330013

內(nèi)容提要：華南早寒武世黑色巖系重晶石礦床是全球著名的沉積型層狀礦床。本文報(bào)道了我們最近的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)，在該區(qū)天柱大河邊重晶石礦床中首次發(fā)現(xiàn)了環(huán)帶鋇冰長(zhǎng)石，環(huán)帶的外帶BaO含量16.53%～17.86%，K2O含量7.77%～8.19%，相比而言，核部BaO含量12.04%～14.21%，K2O含量8.60%～9.79%。結(jié)合成礦地質(zhì)背景和已有工作報(bào)道，討論了這一新發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)意義。認(rèn)為這種環(huán)帶鋇冰長(zhǎng)石的出現(xiàn)，反映了重晶石成礦受到熱水作用影響，且其形成過(guò)程中經(jīng)歷了不同期富鋇流體的影響，成礦可能屬于一種熱水、斷控、幕式、漸進(jìn)的過(guò)程，這不僅進(jìn)一步揭示了礦床的熱水(液)噴流沉積成因，而且加深了對(duì)成礦過(guò)程的刻畫(huà)。該認(rèn)識(shí)還可供全球沉積型重晶石礦床成因研究時(shí)類(lèi)比參考。

重晶石礦床全球分布很廣，在除南極洲以外的其它各大洲均有發(fā)現(xiàn)(李文炎等，1991；章雨旭等，2001a, 2001b)，并且以沉積型層狀礦床為最主要的開(kāi)采類(lèi)型(Clark et al., 1991)，因此對(duì)這類(lèi)沉積型重晶石礦床的研究長(zhǎng)久以來(lái)吸引著眾多學(xué)者展開(kāi)了持續(xù)不斷的深入研究。在我國(guó)，沉積型層狀重晶石礦床主要分布于揚(yáng)子地臺(tái)東南緣和北緣，并以湘黔交界地區(qū)的早寒武世重晶石成礦帶最為典型，僅在貴州天柱大河邊地區(qū)，就發(fā)育有全球迄今發(fā)現(xiàn)規(guī)模最大的沉積型重晶石礦床，儲(chǔ)量可達(dá)兩億噸(章雨旭等，2001b; 夏菲等，2005a；楊瑞東等，2007)，為全球這類(lèi)礦床的一個(gè)典型代表。對(duì)于礦床的成因，早期有學(xué)者提出陸源化學(xué)沉積成因(褚有龍，1989)，也有學(xué)者提出了礦床的生物成因(Jewell et al., 1991，2000；高懷忠, 1998)。后隨研究資料的不斷積累，越來(lái)越多的學(xué)者傾向于礦床的海底熱水(液)噴流成因，認(rèn)為成礦元素主要源于基底富鋇巖石，熱水淋濾作用形成富鋇熱水，再進(jìn)一步與海水中的硫酸根離子結(jié)合形成重晶石(Poole et al., 1988; Clark et al., 1991；彭軍等，1999；吳朝東等，1999；方維萱等，2002；夏菲等，2004，2005a，2005b；楊瑞東等，2007；Yang Ruidong et al., 2008)。而過(guò)去認(rèn)為的陸源化學(xué)和生物成因可能會(huì)對(duì)重晶石的聚集起到一定貢獻(xiàn)，但因?yàn)樵刎S度和富集機(jī)制/強(qiáng)度的原因，不會(huì)形成工業(yè)礦床規(guī)模的聚集。

圖1 天柱大河邊超大型重晶石礦床地質(zhì)略圖(據(jù)李文炎等，1991修改)Fig. 1 Sketch geological map of the Dahebian barite deposit in the Tianzhu area(modified after Li Wenyan et al., 1991)

礦物作為礦床形成過(guò)程中的直接產(chǎn)物，長(zhǎng)久以來(lái)被廣泛用來(lái)研究成礦作用，指示礦床成因。在華南沉積型層狀重晶石礦床的研究中，鋇冰長(zhǎng)石(Hyalophane)是一個(gè)代表。它的理論分子式為(K, Ba)[Al2Si2O8]，通常認(rèn)為其形成于熱水噴流沉積環(huán)境，因此可以作為一種礦床熱水成因的示蹤礦物(Frondel et al.,1966；王濮等，1984；韓發(fā)等，1993)。據(jù)此，夏菲等(2005a)在對(duì)大河邊重晶石礦床進(jìn)行研究時(shí)，于礦石中發(fā)現(xiàn)了該礦物，進(jìn)而提出了礦床的熱水成因。然而，考慮到熱水活動(dòng)通常與斷裂相關(guān)，因此理論而言，這一成礦作用應(yīng)是一個(gè)幕式的過(guò)程，于這種地質(zhì)條件下，指征礦物很有可能形成環(huán)帶(張愛(ài)鋮等，2004；張智宇等，2012)。然而，天柱大河邊的鋇冰長(zhǎng)石還沒(méi)有過(guò)環(huán)帶的報(bào)道。本文報(bào)道這一環(huán)帶鋇冰長(zhǎng)石新發(fā)現(xiàn)，不僅進(jìn)一步揭示了礦床的熱水(液)沉積成因，而且討論了其對(duì)成礦過(guò)程的指示意義。鑒于大河邊重晶石礦床的代表性，因此研究認(rèn)識(shí)可望具有寬泛的學(xué)科研究意義。

1 地質(zhì)背景

貴州天柱大河邊重晶石礦床位于揚(yáng)子地塊東南緣，揚(yáng)子地塊北部為華北克拉通，東南部為華夏構(gòu)造域。該區(qū)在震旦紀(jì)晚期至早寒武世早期的構(gòu)造背景為晉寧期的江南—龍勝島弧及在其弧后盆地基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的被動(dòng)陸緣，總體為陸坡深水非補(bǔ)償海盆沉積，屬于湘黔桂陸緣斷陷盆地。盆地邊緣和內(nèi)部分布有若干近EW向和NE向的張性斷裂，該斷裂在早古生代活動(dòng)性較強(qiáng)，局部地區(qū)形成了裂陷槽。重晶石礦床多沿該深斷裂附近平行展布，聚集于海隆之間或隆起中的次級(jí)凹陷或洼地(方維萱等，2002)。

研究區(qū)褶皺和斷裂較為發(fā)育，主要包括加里東期NE向褶皺和斷裂，燕山期NNE向的逆沖推覆—褶皺帶(圖1)。出露地層包括新元古界下江群，以及南華系、震旦系、寒武系、奧陶系和志留系，累計(jì)地層出露厚度逾7000 m，其中，寒武系約占30%，相比而言，南華系、震旦系、奧陶系及志留系分布較為局限。早寒武世牛蹄塘組為重晶石礦床的主要賦礦層位，含礦巖系底板以黑薄層硅質(zhì)巖為主，偶見(jiàn)具放射狀結(jié)構(gòu)的透鏡狀重晶石，以及黑色頁(yè)巖。含礦巖系上部以黑色頁(yè)巖為主，含風(fēng)化黃鐵礦，并夾粒狀、針狀、條帶狀、透鏡狀重晶石。

重晶石礦體礦層與圍巖基本一致，以層狀為主，總體走向北東45°，傾向在向斜西翼為南東，東翼為北西，傾角20°～40°。主礦層厚度穩(wěn)定，一般3～5 m，最大可達(dá)10.2 m，延走向長(zhǎng)約30 km，礦石類(lèi)型主要為塊狀，次為透鏡狀、條帶狀等(李文炎等，1991)。

2 樣品與方法

樣品采自天柱大河邊早寒武世黑色巖系中的重晶石礦床，將礦石與圍巖樣品磨制成薄片和電子探針片。利用顯微鏡和電子探針背散射電子成像方法進(jìn)行了礦相學(xué)觀測(cè)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用電子探針開(kāi)展了化學(xué)成分分析。

顯微鏡觀測(cè)在南京大學(xué)有機(jī)地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，所用儀器為日本產(chǎn)Nikon LHS-H100C-1型透射光、反射光和熒光顯微鏡，光源100 W Hg燈，顯微照相系統(tǒng)采用Nikon DXM 1200顯微鏡數(shù)字照相系統(tǒng)。

電子探針?lè)治鲈跂|華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子探針?lè)治鍪彝瓿?。儀器型號(hào)JEOL JXA-8100，加速電壓15.0 kV，電流10 nA，束斑大小最低可至1 μm，能譜型號(hào)Inca ENERGY 300，測(cè)試精度0.01%。

3 結(jié)果

利用顯微鏡對(duì)樣品薄片進(jìn)行了觀測(cè)(圖2a)，發(fā)現(xiàn)鋇冰長(zhǎng)石僅在重晶石礦層中出現(xiàn)，上下圍巖中未發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明其形成可能與成礦作用有關(guān)，可用于指示礦床成因。如圖2a，鋇冰長(zhǎng)石自形程度較好，為自形—半自形，顆粒大小為20～500 μm，無(wú)色透明，低負(fù)突起，I級(jí)灰—灰白干涉色，呈斜消光。與重晶石接觸邊界清晰，無(wú)穿插現(xiàn)象，反映了同生共生組合特征，進(jìn)一步反映其可用于指示礦床成因。

圖2 天柱大河邊重晶石礦床鋇冰長(zhǎng)石單偏光以及電子探針背散射圖像Fig. 2 Photomicrographs showing the Dahebian barite deposit under plane polarized light and EPMA Back-scattered electron (BSE) image(a)鋇冰長(zhǎng)石和重晶石；(b)環(huán)帶狀鋇冰長(zhǎng)石與重晶石共生；(c)環(huán)帶狀鋇冰長(zhǎng)石；(d)環(huán)帶狀鋇冰長(zhǎng)石與重晶石、石英等共生。(a)圖為單偏光，(b)、(c)、(d)圖為電子探針背散射圖像。礦物代號(hào)：Ba—重晶石；Hy—鋇冰長(zhǎng)石；Q—石英(a) hyalophane and barite; (b) coexistence of zoned hyalophane and barite; (c) zoned hyalophane; (d) coexistence of zoned hyalophane, quartz and barite. Photo (a) was captured by plane polarized light, while photos (b), (c) and (d) were captured by EPMA BSE images. Mineral symbol: Ba—barite; Hy—hyalophane; Q—quartz

電子探針背散射電子成像細(xì)致觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了鋇冰長(zhǎng)石的環(huán)帶現(xiàn)象(圖2b、c、d，圖3a)，對(duì)其進(jìn)行了成分分析(表1)。實(shí)測(cè)其化學(xué)成分為SiO250.86%～56.56%，平均53.10%；Al2O321.70%～23.33%，平均22.62%；K2O 7.68%～9.79%，平均8.46%；BaO 12.04%～17.86%，平均14.99%。將鋇冰長(zhǎng)石電子探針?lè)治鰯?shù)據(jù)(BaO+Al2O3)與(SiO2+K2O+Na2O)作相關(guān)圖解(圖4)，并與世界各地典型鋇冰長(zhǎng)石數(shù)據(jù)作對(duì)比(Frondel et el., 1966；Rao，1976；Fortey et al., 1982；Jakobsen et al., 1990；Miyazoe et al., 2009；屈敏等，2011)，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的相關(guān)性。結(jié)合顯微鏡觀察結(jié)果，可確定其為鋇冰長(zhǎng)石。

根據(jù)鋇冰長(zhǎng)石環(huán)帶的電子探針成分分析結(jié)果，其環(huán)帶內(nèi)外成分有別：外帶K2O含量7.68%～8.19%，平均7.88%，BaO含量16.53%～17.86%，平均17.14%；核部K2O含量8.60%～9.79%，平均9.79%，BaO含量12.04%～14.21%，平均12.83%。可見(jiàn)，外帶Ba的含量要高于核部，而K則較低。此外，還對(duì)環(huán)帶狀鋇冰長(zhǎng)石進(jìn)行了Ba、K、Si等關(guān)鍵元素的面掃描分析，如圖3b、c、d，也可以發(fā)現(xiàn)環(huán)帶狀鋇冰長(zhǎng)石核部具有較低Ba、高K，而外部具有較高Ba、低K的特征，反映出鋇冰長(zhǎng)石在形成過(guò)程中環(huán)境的變化。

圖3 天柱大河邊重晶石礦床鋇冰長(zhǎng)石的電子探針背散射和面掃描分析Fig. 3 Photomicrographs showing Dahebian barite deposit under EPMA Back-scattered electron (BSE) and map analysis images(a)環(huán)帶狀鋇冰長(zhǎng)石；(b)、(c)、(d)分別為Ba、K、Si元素的面掃描圖像。Hy—鋇冰長(zhǎng)石(a) zoned hyalophane; (b), (c) and (d) represent Ba, K and Si map analysis images of the zoned hyalophane,respectively. Hy refers to hyalophane

4 討論

鋇冰長(zhǎng)石屬長(zhǎng)石族，正長(zhǎng)石亞族礦物，系鉀長(zhǎng)石分子與鋇長(zhǎng)石分子類(lèi)質(zhì)同像混合物，其形成環(huán)境可以多種多樣，如巖漿巖(Zhang Ming et al., 1993; 牟保磊等，2013)、脈巖(Rao et al., 1976; Pivec et al., 1990;Beran et al., 1992; 屈敏等，2011)、變質(zhì)巖(Essene et al., 2005；劉胤等，2010)，以及條帶狀或?qū)訝钯x存于巖石或礦石里(韓發(fā)等，1993；楊子元等，1993；龍洪波等，1994；Kribek et al., 1996；Hou Zengqian et al., 2001)。但無(wú)論產(chǎn)于何種，它的出現(xiàn)往往通常與富鋇的熱液流體有關(guān)，因此普遍認(rèn)為其是熱水成因礦物，可用于指示礦床的熱水成因。

大河邊重晶石礦床中發(fā)現(xiàn)的鋇冰長(zhǎng)石與重晶石共生(圖2)，晶形非常好，具明顯的菱形橫切面(圖3a)，這些特征與產(chǎn)于中低溫?zé)崴驘嵋簢娏鞒练e環(huán)境的鋇冰長(zhǎng)石非常相似(韓發(fā)等，1993)，反映了鋇冰長(zhǎng)石的形成可能受到熱水作用影響，進(jìn)而指示了重晶石形成于熱水(液)環(huán)境，這進(jìn)一步支持了目前礦床成因研究的主流認(rèn)識(shí)。

除此之外，我們?cè)谘芯抗ぷ髦?，還發(fā)現(xiàn)了一些其他支持礦床熱水成因的典型證據(jù)。如微量元素地球化學(xué)特征顯示，重晶石礦石U/Th值為3.42～64.30，平均為20.92(n=9)，表明樣品受到不同程度熱水作用的影響。稀土元素特征顯示，重晶石礦石呈明顯的δCe負(fù)異常(通常在0.6左右)、δEu正異常(通常大于3.0)，表明重晶石的形成受到了較強(qiáng)的熱水作用。有機(jī)地球化學(xué)特征顯示，重晶石礦石的有機(jī)碳重晶石礦石的有機(jī)碳含量為0.24%～2.46%，平均為0.96%(n=5)；氯仿瀝青"A"含量為8.15×10-6～86.35×10-6，平均為32.30×10-6(n=5)，重晶石礦石的瀝青反射率均高于2.0%，最高可接近4.0%，表明有機(jī)質(zhì)已達(dá)到過(guò)成熟階段。這種大的有機(jī)質(zhì)豐度的變化以及高成熟度，表明礦床在形成過(guò)程中可能受到熱水作用的影響。

表1 天柱大河邊重晶石礦床鋇冰長(zhǎng)石電子探針?lè)治鼋Y(jié)果(%)Table 1 Electron microprobe analyses of hyalophane in the Dahebian barite deposit, Tianzhu County(%)

圖4 鋇冰長(zhǎng)石的 (BaO+Al2O3)—(SiO2+K2O+Na2O)相關(guān)圖解Fig. 4 Crossplot of (BaO+ Al2O3) vs. (SiO2 + K2O+ Na2O) for hyalophaneDahebian數(shù)據(jù)來(lái)自本文；Other數(shù)據(jù)來(lái)自于全球典型鋇冰長(zhǎng)石(Frondel et el., 1966；Rao，1976; Fortey et al., 1982; Jakobsen et al., 1990; Miyazoe et al., 2009; 屈敏等, 2011)Data of Dahebian are from this study; Other data are from representative previous studies (e.g., Frondel et el., 1966; Rao, 1976; Fortey et al., 1982; Jakobsen et al., 1990; Miyazoe et al., 2009; Qu Min et al., 2011)

實(shí)際上，華南早寒武世黑色巖系礦床普遍存在熱水(液)成因，如鎳鉬多金屬礦床(Steiner et al., 2001; Jiang Shaoyong et al., 2006)、磷礦床(張俊明等，1997；王敏等，2004)、釩礦床等(侯俊富?；朱紅周，2010)。表明華南早寒武世海洋處于熱水活動(dòng)活躍期。大河邊重晶石礦床形成于湘黔桂陸緣斷陷盆地，盆地邊緣和內(nèi)部分布有若干近EW向和NE向的張性斷裂，該斷裂在早古生代活動(dòng)性較強(qiáng)，局部地區(qū)形成了裂陷槽(方維萱等，2002)。因此這些斷裂為熱水(液)流體的運(yùn)移提供了良好的通道，且絕大多數(shù)斷裂都經(jīng)歷過(guò)兩次或兩次以上的幕式構(gòu)造活動(dòng)(張壽庭等，1998；唐民安等，2008)。

這種幕式活動(dòng)體現(xiàn)在礦物學(xué)上的記錄即是本次工作首次發(fā)現(xiàn)的鋇冰長(zhǎng)石環(huán)帶現(xiàn)象(圖2b、c、d，圖3a)。鋇冰長(zhǎng)石環(huán)帶外帶高Ba低K，核部低Ba高K，反映了形成過(guò)程中環(huán)境的變化，即鋇的濃度發(fā)生了由低到高的轉(zhuǎn)變。證明了礦床經(jīng)歷了富鋇流體的幕式活動(dòng)，從而造成了鋇冰長(zhǎng)石環(huán)帶的形成，這也是斷裂控制下熱水流體幕式活動(dòng)的特征(王登紅等，2000； Cao Jian et al., 2007; Jin Zhijun et al., 2008；向才富等，2012；趙海杰等，2012)。當(dāng)熱水(液)噴溢活動(dòng)快速而強(qiáng)烈時(shí)，形成塊狀重晶石礦石，當(dāng)斷裂活動(dòng)減弱或處于寧?kù)o期時(shí)，熱水(液)活動(dòng)為間歇性緩慢噴溢，則形成結(jié)核狀或條帶狀重晶石礦石。

因此，天柱大河邊重晶石礦床的形成與斷裂，與熱水(液)噴流作用有關(guān)，并且鑒于核部相對(duì)邊緣貧Ba，可能反映成礦流體在活動(dòng)過(guò)程中，Ba不斷富集，成礦是一個(gè)熱水、斷控、幕式、漸進(jìn)的過(guò)程，為形成超大型重晶石礦床提供了條件，在前述證實(shí)重晶石礦床熱水(液)噴流沉積成因的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)致刻畫(huà)了成礦過(guò)程。

5 結(jié)論

首次在貴州天柱大河邊重晶石礦床中發(fā)現(xiàn)了環(huán)帶狀鋇冰長(zhǎng)石。

(1)環(huán)帶狀鋇冰長(zhǎng)石僅在礦石中發(fā)現(xiàn)，上下圍巖中均未見(jiàn)，反映與成礦有密切關(guān)系。與重晶石共生，反映成因相同，可用于指示重晶石成因。

(2)鋇冰長(zhǎng)石環(huán)帶核部具有低Ba、高K，而外帶則具有較高Ba、低K特征。

(3)環(huán)帶狀鋇冰長(zhǎng)石的發(fā)現(xiàn)反映了重晶石礦床形成受到熱水作用影響，成礦是一個(gè)斷控、幕式、漸進(jìn)的過(guò)程，成礦環(huán)境中鋇的濃度經(jīng)歷了由低到高的轉(zhuǎn)變，這種富鋇流體的幕式活動(dòng)，導(dǎo)致了鋇冰長(zhǎng)石環(huán)帶的形成，進(jìn)一步證明了礦床的熱水沉積成因，并于此基礎(chǔ)上，還細(xì)致刻畫(huà)了成礦過(guò)程。

注 釋 / Note

? 侯俊富. 2008. 南秦嶺下寒武統(tǒng)黑色巖系中金—釩成礦特征及成礦規(guī)律. 導(dǎo)師：張復(fù)新，王瑞廷. 西安： 西北大學(xué)碩士學(xué)位論文.