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云南会泽矿山厂铅锌矿床流体包裹体特征及成矿物理化学条件
张艳1, 韩润生1, 魏平堂2, 邱文龙1     
1. 昆明理工大学国土资源工程学院/有色金属矿产地质调查中心西南地质调查所, 昆明 650093;
2. 中国冶金地质总局昆明地质勘查院, 昆明 650024
摘要: 通过会泽矿山厂铅锌矿床闪锌矿流体包裹体显微测温和成矿物理化学条件参数计算,结合前人研究结果,得出以下认识:会泽矿山厂铅锌矿床闪锌矿流体包裹体均一温度为126~280 ℃,具有较宽的变化区间,盐度(w(NaCl))为3.2%~22.8%;白云石流体包裹体均一温度为86~163 ℃,大部分盐度较低,为1.1%~14.8%。3个成矿阶段闪锌矿和白云石中流体包裹体均一温度和盐度具有较明显的分布特征:从热液成矿期Ⅰ阶段→Ⅱ阶段→Ⅲ阶段→围岩蚀变,流体呈现中高温-高盐度→中温-中高盐度→中低温-中高盐度→中低温-低盐度的演化规律。在整个热液成矿过程中,有两种不同盐度的流体参与了作用,流体混合可能是矿物沉淀的主要机制。pH值计算结果表明,迁移阶段时,成矿流体呈酸性,从成矿阶段Ⅰ—Ⅳ,流体pH逐渐增大,主成矿阶段Ⅱ—Ⅲ时,闪锌矿和方铅矿在中性、弱碱性下大量析出。受控于CO、CO2、O2间逸度平衡的CO32-和HCO3-缓冲对调节了成矿流体的pH值,碳酸盐岩在铅锌的运移沉淀中起了至关重要的作用。
关键词: 闪锌矿流体包裹体     物理化学条件     成矿流体     会泽矿山厂铅锌矿床     滇东北矿集区    
Fluid Inclusion Features and Physicochemical Conditions of the Kuangshanchang Pb-Zn Deposit, Huize, Yunnan Province
Zhang Yan1, Han Runsheng1, Wei Pingtang2, Qiu Wenlong1     
1. Faculty of Land and Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology/Southwest Institute of Geological Survey, Geological Survey Center for Non-Ferrous Mineral Resources, Kunming 650093, China;
2. Kunming Geological Prospecting Institute, China Metallurgical Geological Bureau, Kunming 650024, China
Supported by the National Natural Science Foundation of China (U1133602, U1133602, 41572060), Main Program for the Natural Science Foundation of Yunnan Province (2010CC005), Demonstration Project of Potential Evaluation of Typical Concentration Area of China Geological Survey (2015), Special Exploration Program for National Crisis Mines (20089943), Project of Key Laboratory of Mineral Resources Prediction and Evaluation of Yunnan Province(2010), Project of Innovation Team of Geological Processes and Mineral Resources of Yunnan Province(2010) and Project of Innovation Team of Kunming University of Science and Technology (2008)
Abstract: Systematic researches on fluid inclusions in the sphalerite and calculation of the ore-forming physicochemical conditions, combining with previous research results, lead to the conclusions that the homogenization temperature of fluid inclusions in the sphalerite grains from the Kuangshanchang lead-zinc deposit vary from 131 to 280 ℃, with a greater change range, the salinity(w(NaCl)) between 3.2% and 22.7 %. The homogenization temperatures of fluid inclusions in the dolomite vary from 86 to 163 ℃, the salinity of most fluid inclusions vary from 1.1% to 14.8 %. There are obvious regular characteristics of homogenization temperature and salinity of fluid inclusions in the sphalerite precipitated in three metallogenic stages and the dolomite. Namely, from the hydrothermal mineralization stage Ⅰ, stage Ⅱ, stage Ⅲ to the altered wall rock, the ore-forming fluid is characterized by high-moderate temperature and high salinity, moderate temperature and high-moderate salinity, moderate-low temperature and high-moderate salinity, as well as moderate-low temperature and low salinity. Moreover, there are two kinds of fluids with different salinity participating in the hydrothermal ore-forming process. The mixing of the fluids is likely to be the major mineralization mechanism. The calculated pH values show that ore-forming fluid is acidic in migration stage, whereas, from metallogenic stage Ⅰ to Ⅳ, the pH value of the fluid increases gradually. In major metallogenic stage, Ⅱ and Ⅲ, a large number of sphalerite and galena minerals precipitated under neutral-weak alkaline condition. CO32- and HCO3- buffer pair, which is controlled by the fugacity balance among CO, CO2, O2, adjusts the pH value of the ore-forming fluid. The carbonate plays a vital role in migration and precipitation of metallogenic elements of the lead and zinc.
Key words: fluid inclusion in sphalerite     physicochemical conditions     ore-forming fluid     Kuangshanchang lead-zinc deposit in Huize     northeastern Yunnan ore concentration area    

0 引言

滇东北富锗铅锌矿集区是位于扬子地块西南缘之川滇黔铅锌多金属成矿域的重要组成部分,是我国最大铅锌基地的主体,蕴藏着221个铅锌多金属矿床和矿化点。位于近南北向曲靖—昭通隐伏断裂带两侧,金牛厂—矿山厂构造带NE端的会泽铅锌矿田是世界上最富的超大型富锗铅锌矿田之一[1]。它由麒麟厂、矿山厂两个超大型铅锌矿床和银厂坡中型铅锌矿床(贵州)及龙头山、小黑箐、滥银厂等铅锌矿点组成。该矿田具有“富、大、多、深、强”等特点[2],在川滇黔铅锌多金属成矿域具代表性。

前人在滇东北矿集区区域地质背景[3-5]、矿床地球化学[6-19]、矿田构造[20-22]和矿床成因[3-8, 11, 20, 22-27]等方面均取得了一系列重要成果,为本次研究积累了众多的研究资料。对于区内铅锌矿产出的构造背景[2, 14, 28-31] (稳定地台边缘)、分布特征[28, 30-33](受岩性和构造双重控制)、赋矿围岩[28, 30, 32, 34-35] (主要容矿岩石为厚层状中粗晶白云岩)、成矿作用与大规模流体运移有关[11, 36-38]等已基本形成共识,但对建立矿床模型至关重要的成矿物质与成矿流体来源及演化尚存在较大争议。

流体包裹体研究是示踪成矿流体来源及演化的最有效方法。许多研究人员[7, 18-19, 22, 25]曾先后对麒麟厂与矿石矿物共伴生的脉石矿物(方解石、热液蚀变白云岩)中的包裹体进行过研究, 推断矿石形成的温压条件和成矿流体的演化。韩润生等[39]采用显微红外测温技术直接分析麒麟厂矿床不同中段和不同世代的半透明-不透明闪锌矿流体包裹体, 并与共生方解石中的流体包裹体进行对比研究, 揭示了不同世代闪锌矿在形成物理化学条件上存在差异性。但前人的流体包裹体研究多集中在麒麟厂矿床,而对于矿山厂矿床中可以反映成矿阶段流体演化和物理化学条件的闪锌矿流体包裹体的研究则较少。

金属元素在各种流体中的运移、沉淀机制历来是矿床学研究的重要问题[40]。pH值不仅能反映成矿流体的性质,也是研究成矿流体及元素迁移沉淀的最佳方法。以铅锌矿床为例,蒋少涌等[41]、温春齐等[42]、杨斌等[43]、刘文均等[44]、叶水泉等[45]、张术根等[46]讨论了金属的来源及其迁移形式,但在元素迁移和沉淀过程中的pH值变化情况则鲜有涉及。氧化还原反应无论是在含金属的初始流体还是在金属硫化物沉淀的近地表氧化体系中都起着重要作用。O2和CO、CO2是自然界中最普遍的氧化剂和还原剂,对于这些气体逸度在成矿元素运移和沉淀过程中的控制作用也尚未查阅到相关文献。

因此,本文拟从矿山厂矿床流体包裹体的研究出发,并根据文献[22]计算了会泽矿田不同成矿阶段的pH、lg fO2、lg fCO、lg fCO2,综合对比了前人流体包裹体测温研究成果,探讨了会泽铅锌矿床成矿流体在迁移和不同成矿阶段的性质以及可能的沉淀过程及机制。

1 矿床地质简况

矿区地层以前震旦系为变质基底,震旦系、古生界为沉积盖层。上古生界发育完整,下古生界寒武系仅出露下统筇竹寺组,缺失寒武系中上统、奥陶系、志留系和下泥盆统,上震旦统灯影组和泥盆系中上统仅在局部地段出露。其中,下石炭统摆佐组(C1b)在矿区广泛出露,为矿区主要含矿层。其可划分为两段:下段为浅灰白色厚层状白云质灰岩,风化面上具凹槽,沿层方向具白云质条带,厚约2.0 m;上段为灰白色、肉红色粗晶白云岩,见夹有宽约15 cm的细晶白云质条带,厚约33.8 m,与下伏地层大塘组呈整合接触。上泥盆统宰格组(D3zg)为矿区次要含矿层,自下而上可划分为7段,与下伏地层海口组呈整合接触。麒麟厂、矿山厂和银厂坡断裂分别控制着麒麟厂矿床、矿山厂矿床和银厂坡矿床(图 1)。

1.上二叠统灰岩、白云质灰岩夹白云岩,炭质页岩和石英砂岩,峨眉山玄武岩;2.二叠系栖霞-茅口组灰岩、白云质灰岩夹白云岩, 梁山组炭质页岩和石英砂岩;3.二叠系峨眉山玄武岩;4.石炭系:马平组角砾状灰岩, 威宁组鲕状灰岩, 摆佐组粗晶白云岩及白云质灰岩, 大塘组隐晶灰岩及鲕状灰岩;5.泥盆系:宰格组灰岩、硅质白云岩和白云岩, 海口组粉砂岩和泥质页岩;6.寒武系筇竹寺组泥质页岩夹砂质泥岩;7.震旦系灯影组硅质白云岩;8.断裂;9.地层界线;10.铅锌矿床。 图 1 会泽铅锌矿区地质简图[30] Figure 1 Geological map of the Huize Zn-Pb-(Ag-Ge) district

矿山厂矿床产出于矿山厂断裂、F5断裂与东头断裂所围限的范围内(图 1),矿体主要赋存于下石炭统摆佐组的粗晶白云岩中。在长约2 000 m的地段内,共圈出260个大小不等的铅锌矿体。矿体多呈似层状、透镜体状、囊状、扁豆状及不规则脉状,一般沿层间断裂展布;沿其走向和倾向,矿体均呈现尖灭再现(侧现)、膨大收缩的变化规律。矿体水平长度26~233 m,平均98.2 m;水平厚度2~35 m,平均16.7 m;倾斜延深>1 050 m。Pb品位4.73%~44.05%,平均20.60%;Zn品位3.29%~46.52%,平均29.74%。由浅部到深部,矿石呈现氧化矿→混合矿→硫化矿的分布规律。

2 不同成矿阶段的矿石组构特征

会泽铅锌矿田的矿石自然类型有氧化矿矿石、硫化矿矿石和混合矿矿石3种;矿山厂矿床以氧化矿石为主,次为硫化矿和混合矿。氧化矿矿石矿物组成复杂,既有异极矿、白铅矿、菱锌矿、铅矾等氧化矿物,又含闪锌矿、方铅矿、黄铁矿及少量黄铜矿等硫化矿物;脉石矿物为白云石、方解石及少量石英。硫化矿矿石矿物组成则相对简单,其矿石矿物主要为闪锌矿、方铅矿和黄铁矿,也零星可见黄铜矿、硫铋银矿和自然锑等;脉石矿物主要为方解石、白云石,其次为石英、重晶石、石膏和黏土类矿物等。混合矿矿石为硫化物矿石中部分矿石被氧化为氧化矿矿石。

文中闪锌矿采自硫化矿矿石,硫化矿主要矿石矿物特征如下。

据文献[22]及本次岩矿鉴定研究(表 1图 2),闪锌矿为最主要的矿石矿物,其颜色变化多样,自浅黄色、黄褐色、褐色、浅褐色、棕褐色至黑褐色均有,以褐色和棕褐色为主。热液成矿期形成3个世代的闪锌矿,从早世代—中世代—晚世代,闪锌矿均呈他形—自形晶粒状,粒径无明显变化,颜色变浅。早世代方铅矿与中世代闪锌矿密切共生,晚世代方铅矿则单独或与方解石脉共同产出,局部可见方铅矿轻微交代闪锌矿。热液成矿期的黄铁矿从早世代—中世代—晚世代,粒径逐渐变小,晶形发生变化。

表 1 矿山厂铅锌矿床热液成矿期成矿阶段划分及矿物生成顺序 Table 1 Metallogenic periods and stages and mineral-forming sequence of the Kuangshanchang lead-zinc deposit in huize
a.闪锌矿-方铅矿阶段(第Ⅱ阶段),闪锌矿与方铅矿主要呈共边结构,且闪锌矿含量远大于方铅矿;b.方铅矿-闪锌矿阶段(第Ⅱ阶段),闪锌矿与方铅矿呈港湾结构,方铅矿呈蚕食状交代闪锌矿,方铅矿为主要矿石矿物。Sp.闪锌矿;Gn.方铅矿。 图 2 会泽铅锌矿田闪锌矿和方铅矿典型结构 Figure 2 Typical structure of sphalerite and galena in Huize lead-zinc mine field

根据矿床的宏观特征、矿石组构、矿物共生的组合等特征,该矿床的成矿过程可划分为沉积-成岩期、热液成矿期及表生氧化期3个成矿期。其中,热液成矿期又可进一步划分成4个成矿阶段,即黄铁矿(闪锌矿)阶段、闪锌矿-方铅矿阶段、方铅矿-闪锌矿阶段、黄铁矿-碳酸盐阶段(表 1)。根据闪锌矿与方铅矿的共生或交代关系以及矿物含量的多寡来区分“闪锌矿-方铅矿阶段、方铅矿-闪锌矿阶段”。

3 流体包裹体 3.1 样品选择及制片

对采集矿山厂铅锌矿床1740中段1号矿体5号(图 3)、7号、13号线采场(图 4) 矿体不同部位的闪锌矿矿石和近矿围岩样品进行整理、分类,本次共采集闪锌矿矿石样品26件,围岩样品5件。对样品进行清洗并详细观察和描述后,共制作包裹体片40片,选择其中有代表性的22件样品作为包裹体测温实验样品。

① 灰黑色泥晶灰岩含方解石脉,解理发育;② 灰白色中细晶白云岩;③ 灰—深灰色中细晶白云岩;④ 浅灰色中细晶白云岩;⑤ 灰白色粗晶白云岩;⑥ 白色细晶白云岩;⑦ 浅黄色粗晶白云岩;⑧ 灰白色细晶白云岩;⑨ 氧化矿;B10第三阶段硫化矿;B11第二阶段硫化矿;B12白色-米黄色粗晶白云岩;B13第一阶段硫化矿;B14粗晶白云岩;B15方解石团块。1.矿石样品采样位置及编号;2.围岩样品采样位置及编号;3.成矿阶段;4.石炭系大唐组;5.石炭系摆佐组;6.地层产状;7.断裂产状;8.断裂带内主要为断层泥;9.断裂带内主要为碎裂、碎斑岩;10.断裂带内主要为碎粉岩。 图 3 矿山厂1740中段5号线采场剖面图 Figure 3 Profiles of 5# stope of 1740 level in Kuangshanchang Pb-Zn deposit
a.1740中段7号线采场掌子面:① 强褐铁矿化褐黄色土状氧化(Pb-Zn)矿石(含白云质);② 强褐铁矿化褐色土状氧化Fe-Pb-Zn矿石;③ 透镜体化铅锌矿残余及土状氧化Pb –Zn矿石;④ 含铅锌硫化物碎粉状土状氧化矿石;⑤ 褐色土状氧化铅锌矿石;⑥ 灰色块状铅锌硫化矿石,局部见黄铁矿-方铅矿-闪锌矿呈条带状;⑦ 米黄色土状白云质碎粉岩;⑧ 土黄色铅锌氧化矿石;⑨ 米黄色褐铁矿化粗晶白云岩;B10铅锌硫化物细脉; B11方解石团块。1.采样位置及样品编号;2.矿体及其编号;3.节理;4.断裂;图中节理产状书写顺序为:走向/倾角/倾向。b.1740中段13号线采场掌子面:① 灰白色中粗晶白云岩;② 灰黑色中粗晶白云岩,局部见脉状、团斑状方铅矿、闪锌矿矿化;③ 米黄色碎裂中粗晶白云岩,局部见团斑状方铅矿、闪锌矿矿化;④ 氧化矿;⑤ 方铅矿、闪锌矿硫化矿;⑥ 米黄色碎裂中粗晶白云岩,见脉状方铅矿、闪锌矿矿化;⑦ 灰黑色泥晶灰岩;⑧ 米黄色粗晶白云岩;⑨ 灰黑色泥晶灰岩;B10方解石脉;B11脉状、团斑状方铅矿、闪锌矿,细脉状、星点状细晶黄铁矿;B12米黄色、灰黑色碎裂粗晶白云岩。 图 4 矿山厂矿床1740中段掌子面素描图 Figure 4 Face sketch of 1740 level in the Kuangshanchang Pb-Zn deposit

镜下观察发现,矿山厂铅锌矿床闪锌矿颜色变化不一,并有与其共生的石英及方解石,流体包裹体虽然发育,但普遍较小,90%以上小于2μm,仅3个包裹体片中包裹体较大;靠近底板的样品氧化较强烈,有的已无法找到原始结晶的晶体。最终完成12件闪锌矿和1件近矿围岩热液蚀变白云岩样品的显微测温,共得到198个均一温度数据,142个冰点温度数据。

3.2 流体包裹体岩相学

在矿相学系统研究的基础上,对闪锌矿中的流体包裹体进行岩相学观察。闪锌矿中流体包裹体按成因分类分为原生、假次生、次生包裹体三类。以原生流体包裹体为主,按其产状及大小可以分为四类:1) 呈群分布包裹体,多为原生包裹体,长轴大小在20 μm以内,多为纯气相流体包裹体、富液相气液两相包裹体、纯液相流体包裹体;2) 沿生长环带分布的流体包裹体,多为原生包裹体,长轴大小为1~10 μm,多为纯气相流体包裹体,并有富液相气液两相包裹体;3) 呈串珠状分布的流体包裹体,多为次生和假次生包裹体,长轴大小为1~2 μm;4) 呈孤立状分布的流体包裹体,长轴大小为2~6 μm,多为富液相气液两相、纯液相流体包裹体。

据文献[47]和[48],本次研究的闪锌矿流体包裹体分为4类(图 5)。

a、b.富液相气液两相流体包裹体;c.赋存于浅黄色闪锌矿中富液相气液两相流体包裹体;d.赋存于橙黄色闪锌矿中富液相气液两相流体包裹体;e.赋存于棕褐-深红棕色闪锌矿中富液相气液两相流体包裹体;f.纯气相流体包裹体与富液相气液两相流体包裹体共存;g.纯气相流体包裹体;h.纯液相流体包裹体。 图 5 矿山厂铅锌矿床闪锌矿流体包裹体分类 Figure 5 Photos of fluid inclusions classify in Kuangshanchang Pb-Zn deposit

Ⅰ.富液相气液两相(L+V)包裹体(图 5ae):是本次主要研究对象。由液相(L)和气相(V)组成,以液相为主,充填度一般大于90%。包裹体大小主要为1~10 μm,呈管状、负晶形及不规则状沿闪锌矿的生长环带定向分布,较大的呈孤立状分布(图 5ab)。根据赋存矿物特征,可划分为3类:1) 赋存于浅黄色闪锌矿中,其长轴大小为2~8 μm,充填度为90%~95%,成群分布或孤立状分布(图 5c);2) 赋存于橙黄色闪锌矿中,其长轴大小为2~8 μm,充填度为90%~95%,成群分布或孤立状分布(图 5d);3) 赋存于棕褐-深红棕色闪锌矿中,其长轴大小为2~10 μm,充填度为90%~95%,呈孤立状分布或成群分布(图 5e)。

Ⅱ.纯气相(V)包裹体(图 5fg):闪锌矿中的主要包裹体类型,在显微镜下主要呈黑色不透明,液相成分不显。包裹体大小比较悬殊,大部分(大于85%)包裹体小于2 μm,主要密集呈群分布,大小为1~4 μm,沿生长环带定向分布;大小大于4 μm,主要呈孤立状分布。纯气相包裹体与气液两相相包裹体共生,为流体不混溶作用的产物(图 5f)。

Ⅲ.纯液相(L)包裹体(图 5h):由单一液相组成,粒径一般为1~20 μm,形态呈管状、负晶形、三角形、椭圆形或圆形、不规则状。该类包裹体较少见,多成群或孤立状分布,与纯气相和富液相气液两相包裹体共生,为流体不混溶作用的产物。

Ⅳ.富气相气液两相(L+V)包裹体:由液相(L)和气相(V)组成, 以气相为主, 充填度小于50%,多为2~6 μm, 呈管状、负晶形、不规则状沿闪锌矿生长环带定向排布, 较大者呈孤立状分布。

3.3 流体包裹体测温

测温仪器为英国产Linkam THMS-600型冷热台(温度范围:-195~600 ℃),测定前采用人工合成纯H2O及w(NaCl)为25%的H2O-NaCl包裹体进行系统校正,分析精度:<30 ℃,±0.2 ℃;<300 ℃,±1 ℃;<600 ℃,±2 ℃[49]。闪锌矿流体包裹体的岩相学研究和显微测温工作均在中国地质大学(北京)地质资源勘查实验教学中心地球化学实验室包裹体室完成。

本次实验主要对会泽矿山厂矿床闪锌矿中的流体包裹体进行均一温度和冰点温度的测定,流体包裹体岩相学研究和温度测试数据见表 2

表 2 会泽矿山厂矿床流体包裹体岩相学及测温数据 Table 2 Summary of micro-thermometric data and fluid inclusion petrography in sphalerite and dolomite in the Kuangshanchang Pb-Zn deposit, Huize
样号 成矿阶段 寄主矿物 尺寸/μm 充填度/% 冰点温度/℃ 均一温度/℃ 盐度/% 密度/(g/cm3)
范围 均值 范围 均值
1740-21 Sp 2×1~8×4 90~98 -7.1~-0.6 -3.5 161~212 192 11.9~20.5 0.86~1.03
1740-26 Sp 2×2~5×3 95 -15.6~-8.9 -12.3 148~186 165 12.7~19.3 0.98~1.04
1740-16 Sp 2×2~6×2 95 134~190 164
1740-32 Sp 3×2~10×4 90~95 -13.6~-9.4 -11.7 151~191 170 13.3~17.4 0.98~1.04
1740-50 Sp 2×1~8×4 90~95 -20.2~-10.8 -16.9 170~280 200 14.8~22.5 0.95~1.06
1740-34 Sp 4×3~20×4 90~95 -15.2~-1.9 -8.9 148~167 152 3.2~18.8 0.94~1.04
1740-54 Sp 3×3~8×6 90~95 -20.7~-18.8 -19.7 157~234 205 21.5~22.8 1.01~1.08
1740-31 Sp 3×2~10×5 90~95 -17.8~-5.5 -11.9 128~197 175 8.6~20.8 0.94~1.04
1740-23 Sp 3×3~12×6 85~90 -20.5~-9.6 -12.6 144~205 176 13.5~22.7 0.99~1.09
1740-53 Sp 4×3~8×6 90 -20.4~14.6 -18.0 175~211 186 18.3~22.6 1.02~1.06
1740-5 Sp 5×2~8×6 90 -14.4~-3.6 -9.6 148~190 167 5.4~18.1 0.93~1.02
1740-33 Sp 3×2~6×3 90~95 126~185 159
ZYr-1 热液蚀变 Dol 4×2~10×6 90~95 -10.8~-0.6 -1.1 86~163 138 1.1~14.8 0.92~1.07
注:Sp.闪锌矿;Dol.白云石。
3.4 结果讨论 3.4.1 盐度和密度

Flincor软件计算结果与Bodnar[50]NaCl-H2O盐度冰点公式计算结果相差不大,从而确定包裹体盐度,将均一温度(Th)和盐度投影到T-w-ρ相图可得到密度,也可运用刘斌等[51]的密度经验公式以及Flincor软件计算流体密度,计算结果如表 2

结合图 3表 2可以看出,大约以1740-21样品所在位置为中心,均一温度向两侧和向上有降低趋势,盐度则无明显变化。由图 6表 2可知,会泽矿山厂矿床闪锌矿流体包裹体均一温度为126~280 ℃,具有较宽的变化区间,盐度则相对较高,为3.2%~22.8%;白云石流体包裹体均一温度为86~163 ℃,大部分盐度则较低,为1.1%~14.8%。3个成矿阶段闪锌矿和白云石流体包裹体均一温度和盐度具有较明显的分布特征,从热液成矿期Ⅰ阶段到围岩蚀变,流体呈现中高温-高盐度→中温-中高盐度→中低温-中高盐度→中低温-低盐度的演化规律。并且在成矿Ⅰ阶段显示中高温-高盐度流体与中温-中高盐度流体混合的趋势;在成矿Sp-Gn、Gn-Sp阶段(即主成矿阶段)显示了等温(中-低温)条件不同盐度流体混合的结果;围岩蚀变中则显示了中-低温条件下中-高盐度与低盐度流体混合的结果。可见,在整个热液成矿过程中,至少有两种不同盐度的流体参与了作用,流体混合很可能是矿物沉淀的主要机制,这与流体包裹体岩相学研究中观察到的纯气相包裹体与气液两相相包裹体共生所代表的不混溶特征是一致的[47]

图 6 矿山厂矿床不同阶段闪锌矿和白云石流体包裹体均一温度和盐度直方图 Figure 6 Distributions of the homogenization temperatures and salinity in sphalerite and calcite of the Kuangshanchang deposit

图 78为综合了前人研究数据(麒麟厂)[18, 39]的直方图。图 7表明:矿山厂矿床闪锌矿流体包裹体的均一温度和盐度都与麒麟厂矿床基本一致,与柳贺昌[52]的研究结果(资料不全未投点)也基本一致:均一温度分布于150~320 ℃,金属矿物(黄铁矿、闪锌矿、方铅矿)爆裂温度为140~480 ℃。不同的是,前人测试中尚有一部分样品均一温度较高(>300 ℃),可能是由于本次所采样品位置较浅,这与韩润生统计的川滇黔成矿域8个典型矿床方解石、闪锌矿流体包裹体均一温度集中在150~355 ℃,部分矿床呈现浅部温度较低(150~221 ℃)、深部温度高(250~355 ℃)是相符的。

① 文献[39];② 本文;③ 文献[18]。盐度直方图中由于③ 的资料不全未投点。其中①③ 为麒麟厂矿床,② 为矿山厂矿床。 图 7 会泽铅锌矿田流体包裹体均一温度和盐度直方图 Figure 7 Distributions of the homogenization temperatures and salinity in sphalerite and calcite of the Huize lead-zinc mine field
① 文献[39];② 本文。 图 8 会泽铅锌矿田流体包裹体均一温度-盐度分布图 Figure 8 Scatter diagram of homogenization temperature vs. salinity in the Huize lead-zinc mine field

① 韩润生.川滇黔多金属成矿域矿床预测模型.昆明:昆明理工大学西南地质调查所,2013.

图 8结合均一温度和盐度将包裹体分为高温中盐度(Ⅰ)、中温高盐度(Ⅱ)、中温中盐度(Ⅲ)和中温低盐度(Ⅳ)4组,代表了中高温条件下不同盐度流体混合的产物,且两种不同温度、压力和组分的流体相遇,使某些组分增加或减少造成原始流体不混溶分离,使原始均匀的流体分成物理或化学性质不一致的两相或多相[47]。岩相学研究为此推测提供了证据,即纯气相包裹体与气液两相相包裹体共生,为流体不混溶作用的产物(图 5gh)。

3.4.2 压力和成矿深度

利用NaCl-H2O溶液包裹体等容式,根据含盐度和流体密度计算压力[53]。会泽矿山厂铅锌矿床流体压力主要为(400~700)×105Pa,与张振亮[54]通过脉石矿物白云石、方解石测温所获压力区间一致。

根据Roedder[48]和Bodnar[50]讨论的压力-深度-密度关系对成矿深度进行估算,会泽矿山厂铅锌矿床成矿深度主要处于1.6~2.4 km,与张振亮等[18]的2.2~2.5 km和韩润生的1.4~2.4 km都一致。根据会泽铅锌矿床实际延深的特征,其成矿深度应大于2 km。

① 韩润生.川滇黔多金属成矿域矿床预测模型.昆明:昆明理工大学西南地质调查所,2013.

4 流体物理化学条件 4.1 pH计算

目前,流体pH值的获得方式主要有两种,一为测试,二为计算。就测试而言,姑且不论挑单矿、制样和测试过程中的人为及机械误差,单是一个矿物晶体可能包含有不同阶段、不同成矿期次的包裹体, 尤其是闪锌矿、黄铁矿还具有代表不同成矿阶段或成矿时期的环带结构[55-58],使得常规手段难以获得真正的某一成矿阶段或成矿期次的样品,其结果只能是各成矿期次或成矿阶段包裹体的混合结果[22, 33, 45],因而这样的结果仅具有参考意义。

流体包裹体pH的计算目前还处于探索阶段,已发表的计算公式缺少高压(>105 Pa)环境下包裹体中不同组分反应的平衡常数,若运用常温条件下的化学组分平衡常数加以计算,则对于特定环境下捕获的包裹体存在较大的误差[59];同时,在地质过程中,包裹体所捕获的NaCl-H2O成分,由于H2O、NaCl的水解作用,热液中既有H2O和NaCl组分,还有H+、OH-、Cl-、Na+离子。对于NaCl-H2O成分热液,运用浓度近似代替活度,以简化计算问题,这种简化适用于中-低盐度溶液的包裹体。虽然会泽铅锌矿田流体包裹体体系主要为Ca2+-Mg2+-Na+-Cl--HCO3--SO42-型,但通过盐度计算可换算为以NaCl水溶液为单位,且矿床盐度均<23%,因此,可以考虑利用简化方式估算pH。

根据刘斌[59]的简化计算方法并利用韩润生[22]包裹体气液相成分的测试数据,可以计算出会泽矿田热液成矿期不同阶段成矿流体的pH(表 3)。

表 3 会泽铅锌矿田不同阶段流体迁移、卸载阶段的物理化学条件 Table 3 Physical-chemical conditions in different stages of fluid migration and precipitation in Huize Pb-Zn mine field
成矿阶段 均一温度/℃ 盐度/% 压力/(105Pa) 成矿深度/km pH lg fO2 lg fCO2 lg fCO 流体类型
迁移阶段 >364 >4.7 <4.9 Ca2+-Mg2+-Na+-Cl--HCO3--CO2-SO42-
Ⅰ(Py+Fe-Dol+Sp)阶段 173~364(190~205) (4.7~22.5)(9~11, 20~22) 400~700 1.4~2.5 3.6~3.7 -51.5~-37.1 -14.1~6.6 -5.8~1.0 Ca2+-Mg2+-Cl--HCO3- -SO42-
Ⅱ(Sp+Gn+Py+Dol)阶段 152~283(170~190) 2.8~22.6(14~18) 5.6~5.9 -51.4~-37.3 -14.6~7.0 -6.1~7.2 Ca2+-Mg2+-Na+-Cl--HCO3--SO42-
Ⅲ(Gn+ Sp+Qtz+Dol+Cal)阶段 116~251(145~170) 1.1~18.8(14~18) 5.1~5.7 -50.6~-41.6 -16.1~10.6 -14.3~8.5 Ca2+-Mg2+-Na+-Cl--HCO3--SO42-
Ⅳ(Py+Dol+Cal)阶段 86~213(130~150) 1.1~14.8(1~4) 5.8~5.9 -50.6~-41.6 -16.1~10.6 -14.3~8.5 Na+-Cl--HCO3--SO42-
注:表中括号内数字为峰值。Sp.闪锌矿;Py.黄铁矿;Gn.方铅矿;Dol.白云石;Fe-Dol.铁白云石;Cal.方解石;Qtz.石英。迁移阶段pH来自文献[62]pH-lg fO2相图。流体类型来自脚注①。

根据下述反应,酸性条件下,方铅矿、闪锌矿溶解,铅进入PbCl2和PbCl42-,锌进入ZnCl+。较高的方铅矿、闪锌矿溶解度值反映了如下平衡在pH较低时向右进行:

(1)
(2)

随着pH升高,反应(1) 和(2) 均向左进行,沉淀出方铅矿和闪锌矿。

据Reed等[60]的模拟,t=300℃时,方铅矿的溶解度在pH=8.1时出现逆转。这种逆转是由于Pb(HS)2及随后的Pb(OH)2和Pb(OH)3-的浓度增加所致。当pH升高时,HS-和OH-配合基浓度随着增大。这一效应可用如下反应解释:

(3)

张艳等[61]通过热力学相图得到如此结论:t=200 ℃(中性值为pH=5.65),在含硫和氯的体系中,酸性至近中性条件(pH<5.3) 下,铅锌以氯络合物为主要存在形式;而在碱性条件(pH>8) 下,铅锌以硫氢络合物为主要存在形式;中性附近(5<pH<8) 则是铅锌硫化物的沉淀稳定区。这也证明了pH对铅锌的运移和沉淀起着重要的控制作用。

因此,计算结果与周朝宪[7]在250 ℃、690×105 Pa和mK+=0.089 mol/L条件下获得的结果(pH=4.9~5.3),以及张振亮[51]利用蚀变围岩计算的4.5~5.5基本一致。迁移阶段时,成矿流体呈酸性,从成矿Ⅰ阶段到Ⅳ,流体pH逐渐增大,主成矿阶段Ⅱ—Ⅲ时,闪锌矿和方铅矿在中性、弱碱性下大量析出,与张振亮[54]、Reed等[60]计算机模拟和张艳等[61]热力学相图获得的结论都一致。

4.2 气体逸度计算

根据徐文炘[62]一文中的方法,利用韩润生[22]包裹体气液相成分的测试数据可以计算出会泽矿田不同成矿阶段成矿流体的气体逸度,如lg fCO、lg fCO2、lg fO2

将包裹体研究和物理化学条件计算的结果汇总于表 3, 就可以得到会泽铅锌矿田不同阶段成矿流体迁移、卸载的物理化学条件。

铅、锌硫化物的沉淀反应为一生酸过程:

(4)
(5)

若溶液酸度较高则发生逆反应使沉淀溶解,所以要使矿石产生沉淀, 必须有能使流体酸度降低的机制, 而碳酸盐类的围岩蚀变解决了这一问题。

在赋存于碳酸盐的铅锌矿床中,围岩中的灰岩、白云岩发生溶解反应:

(6)
(7)

流体的PCO2增大并含大量Fe2+、Mg2+,使围岩中的白云石交代形成铁白云石, 发生反应:

(8)

因此,碳酸盐地层在铅锌的运移沉淀中都起了至关重要的作用,成矿流体运移经过碳酸盐地层时,CO32-和HCO3-构成缓冲对,从而使成矿流体的pH始终维持在一定范围内,而CO、CO2、O2间逸度的平衡从根本上控制了CO22--HCO3-缓冲对成矿流体pH的调节作用,发生如下反应:

(9)
(10)

铅锌的硫化物无法沉淀析出,成矿流体能够运移很远距离并不断从所经过的地层中萃取成矿物质而携带了大量的金属。当到达成矿地点时,由于物理化学条件发生突变,如沸腾、混合等使温度或pH急剧降低,铅锌络合物转变为硫化物并释放出H+(反应(4) 和(5)),而此时碳酸盐成了消耗酸的载体(反应(6)—(8)),从而使沉淀反应能不断向右进行(反应(4) 和(5)),最终生成大规模高品位的矿体。

5 结论

通过对会泽矿山厂矿床闪锌矿流体包裹体的系统研究和会泽矿田流体物理化学条件的参数计算以及与前人研究结果的比较,可以得出以下结论:

1) 闪锌矿流体包裹体均一温度为126~280 ℃,具有较宽的变化区间,盐度则相对较高,为3.2%~22.8%;白云石流体包裹体均一温度为86~163 ℃,大部分盐度则较低,为1.1%~14.8%。3个成矿阶段和白云石流体包裹体均一温度和盐度具有较明显的分布特征,与前人研究基本一致。从热液成矿期Ⅰ阶段到围岩蚀变,流体呈现中高温-高盐度→中温-中高盐度→中低温-中高盐度→中低温-低盐度的演化规律。

2) 在整个热液成矿过程中,至少有两种不同盐度的流体参与了作用,流体混合可能是矿物沉淀的主要机制。

3) pH计算结果与前人研究基本一致,迁移阶段时,成矿流体呈酸性,从成矿阶段Ⅰ—Ⅳ,流体pH逐渐增大,主成矿阶段Ⅱ Ⅲ时,闪锌矿和方铅矿在中性、弱碱性下大量析出。受控于CO、CO2、O2间逸度平衡的CO32-和HCO3-缓冲对调节了成矿流体的pH,使碳酸盐岩在铅锌的运移沉淀中均起了至关重要的作用。

致谢: 在流体包裹体岩相学和测温过程中, 中国地质大学(北京)诸慧燕老师给予了悉心指导和帮助, 在此表示感谢!
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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201703107
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文章信息

张艳, 韩润生, 魏平堂, 邱文龙
Zhang Yan, Han Runsheng, Wei Pingtang, Qiu Wenlong
云南会泽矿山厂铅锌矿床流体包裹体特征及成矿物理化学条件
Fluid Inclusion Features and Physicochemical Conditions of the Kuangshanchang Pb-Zn Deposit, Huize, Yunnan Province
吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(3): 719-733
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2017, 47(3): 719-733.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201703107

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收稿日期: 2016-11-13

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