矿物岩石地球化学通报  2016, Vol. 35 Issue (2): 317-327   PDF    
甘肃小铁山铅锌多金属矿床流体包裹体特征
梁婉娟1, 严光生1,2 , 李景朝1, 左群超1, 杜泽忠1,2, 甄世军2,3, 张志辉1,2, 李永胜1,2    
1. 中国地质调查局 发展研究中心, 北京 100037;
2. 国土资源部 矿产勘查技术指导中心, 北京 100120;
3. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要: 为探讨甘肃小铁山矿床的成矿流体来源、性质及其演化过程,对其含矿石英脉、重晶石样品开展了系统的流体包裹体研究。结果表明,包裹体类型主要为气液两相包裹体、纯气体包裹体、纯液体包裹体以及含CO2的三相包裹体。显微测温结果表明,小铁山矿床下盘脉状矿体中石英的流体包裹体的均一温度为174~452℃,盐度为0.88%~9.86%NaCleqv;重晶石中流体包裹体的均一温度为149~388℃,盐度为2.07%~12.16%;块状矿体中的流体包裹体均一温度为178~296℃,盐度为1.91%~14.46% NaCleqv。氢氧同位素研究显示,含矿石英脉状中δ18OH2O为-1.14‰~4.68‰,δDV-SMOW为-88.0‰~-153.2‰,结合包裹体的岩相学、流体性质等特征,推断成矿热液应为岩浆流体与加热海水的混合流体。
关键词: 流体     包裹体特征     Zn-Pb-Cu矿床     小铁山矿床     白银厂    
Characteristics of Fluid Inclusions of the Xiaotieshan Lead Zinc Polymetallic Deposit in Gansu Province
LIANG Wan-juan1, YAN Guang-sheng1,2 , LI Jing-chao1, ZUO Qun-chao1, DU Ze-zhong1,2, ZHEN Shi-jun2,3, ZHANG Zhi-hui1,2, LI Yong-sheng1,2    
1. Development and Research Center of China Geological Survey, Beijing 100037, China;
2. Technology Guiding Center of Mineral Prospecting, Ministry of Land and Resource, Beijing 100120, China;
3. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: In order to discuss the source, character, and the evolution process of the ore-forming fluid of the Xiaoteishan deposit A systematic fluid inclusion study has been carried out on ore-bearing quartz veins and barite samples of the Xiaotieshan deposit. Results show that there are several types of fluid inclusions including liquid-gaseous inclusion, pure gaseous inclusion, pure liquid inclusion, and CO2-bearing three phase inclusions. The microthermometric results show that homogenization temperatures and salinities of fluid inclusions in quartz and barite veins from the vein-type orebody at the bottom of the Xiaotieshan deposit vary from 174℃ to 452℃ and from 0.88% to 9.86% NaCleqv, and from 149℃ to 388℃ and from 2.07% to 12.16% respectively. In addition, homogenization temperatures and salinities of fluid inclusions of the massive orebody of the Xiaotieshan deposit vary from 178℃ to 296℃ and from 1.91% to14.46% NaCleqv respectively. Hydrogen and oxygen isotope studies show that δ18O and δDV-SMOW values of water in fluid inclusions of the ore-forming quartz vein vary from -1.14‰ to 4.68‰ and from -88.0‰ to -153.2‰, respectively. Combining the petrographical features of fluid inclusions and their fluid features, it is inferred that the ore-forming fluid of the Xiaotieshan deposit was the mixture of the magmatic fluid and the heated seawater.
Key words: fluid     inclusion characteristics     Zn-Pb-Cu deposit     Xiaotieshan deposit     Baiyinchang    

白银厂矿田是中国上世纪50年代初期成功勘探的大型铜多金属矿田,它是北祁连山块状硫化物矿床成矿省最为典型、最为重要的一个矿田。本文所研究的小铁山多金属矿床位于白银厂矿田的东端,是一个大型隐伏的铅锌多金属矿床。历年来,有关地质部门、科研院校及地勘单位在此开展了大量的地质工作,但前人对于该矿床流体包裹体的研究(彭礼贵等,1995高建国等,1999李向民等,2000)主要是围绕近矿围岩、矿体、矿石形成的温度、盐度和压力等物化条件以及大致的成矿流体来源几方面进行探讨,虽然提出了成矿热流体是海水与岩浆水的混合热流体的观点(彭礼贵等,1995李向民等,2000),但是对各成矿阶段流体来源及演化过程还没有一个准确详细的定论。因此,本文在划分成矿阶段的基础上,通过对各个阶段的流体包裹体岩相学、测温学、成分及氢氧同位素进行研究,探讨了该矿床的成矿流体性质、来源及演化,以期对解释矿床成因提供帮助。

1 矿床地质特征

白银厂铜多金属矿田位于北祁连山新元古代-早寒武世石灰沟-白银厂裂谷东延部分,构造演化上又叠加以奥陶纪的岛弧(李文渊,2006)。区内地层发育不全,地层自长城系至第四系均有出露,其中缺失上寒武统、中上志留统及上白垩统地层,整体呈北西-南东向展布。区内分布着一套类型十分齐全的早古生代海相火山岩系,该早古生代海相火山岩系经受后期构造作用轻微,在北祁连山造山带发生、演化和形成过程中,各个阶段火山活动的地质历史记录保存得十分完整。

白银厂矿田主要由折腰山(Cu-Zn型)、火焰山(Cu-Zn型)、铜厂沟(Cu-Zn型)、小铁山(Pb-Zn-Cu型)、四个圈(Pb-Zn-Cu型)5个矿床组成。小铁山矿床位于矿田东部火山喷发中心铜厂沟-拉牌沟大中型火山喷口构造南侧斜坡部位,是一大型铅锌多金属矿床(图 1)。该矿床赋矿岩系为石英角斑凝灰岩,并夹有绢云母石英片岩、千枚岩、硅质岩和大理岩等。矿体上盘为绿泥石片岩及凝灰质千枚岩,下盘为顺凝灰岩层间侵入的石英钠长斑岩。矿床由3个大的矿体和数个小矿体组成,矿带长约1100 m,矿体主要呈层状、似层状产出,与岩层及其片理产状基本一致,走向北西40°~60°,倾向南西70°~80°,沿走向及倾向均频繁出现分枝、复合、尖灭、重现、膨胀收缩等现象。局部受后期北东向次级断裂构造影响较大,矿体延伸方向等发生了变化(图 2)。根据小铁山矿床主要金属矿物组合和矿石构造特征,将矿石类型大致分为8种:块状黄铁矿矿石、块状黄铜矿-黄铁矿矿石、块状闪锌矿-方铅矿-黄铁矿矿石、块状黄铜矿-闪锌矿-方铅矿-黄铁矿矿石、浸染状黄铜矿-黄铁矿矿石、浸染状闪锌矿-方铅矿-黄铁矿矿石、浸染状黄铜矿-闪锌矿-方铅矿-黄铁矿矿石、石英脉型铜矿石。金属硫化物主要有黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、少量的(砷)黝铜矿、毒砂、白铁矿、磁黄铁矿、辉银矿、辉铜银矿、辉铜银矿、硫金银矿、脆硫锑铜矿、辉铋矿、辉铜矿、铜蓝、斑铜矿、斑铜矿、菱锌矿、赤铁矿。脉石矿物主要有石英、长石、绿泥石、绢云母、重晶石等。矿石构造主要有致密块状(图 3a3b)、条带状(图 3c)、浸染状(图 3g)和脉状(图 3d),矿石结构主要有自形或半自、他形晶粒状、交代文象、网脉状等。与成矿有关的围岩蚀变类型主要为绿泥石化、硅化、绢云母化、重晶石化、绿帘石化等。其中重晶石化在矿区内不甚发育,但与铅锌矿的关系非常密切。重晶石产出有两种形式:一是重晶石脉,往往分布于块状硫化物矿带的顶部(图 3b),其中粗脉状重晶石被称之为重晶石岩,普遍含有浸染状硫化物或被硫化物细脉穿插(图 3h3i),而细脉状重晶石与石英绿泥石密切共生,组成石英绿泥石重晶石片岩;另一种是充填于黄铁矿粒间的重晶石,部分呈细脉状夹杂于浸染状黄铁矿间,组成条带状结构往往分布于矿体的下盘。总的来看,重晶石化一般仅发育在浸染状矿体中,是成矿作用较为早期形成的,分布不广泛,仅在小铁山矿床西部出现较多,呈浅灰色-灰色,少数带有褐或灰黑色斑染,多为致密块状和条带状构造。

图 1 白银厂小铁山矿床及其外围地质简图(据甘肃有色地质勘查局三队,修编) Fig. 1 The geological sketch of the Xiaotieshan deposit and its periphery area (Modified from data of Team 3 of the Gansu Nonferrous Geological Exploration Bureau) 1-黄土冲积层;2-变质砂岩凝灰质千枚岩;3-细碧凝灰岩及角斑岩层;4-碎屑-泥质沉积岩层;5-酸-中基性火山岩层;6-碎屑-泥质沉积岩层;7-石英角斑质凝灰岩层;8-石英角斑熔岩层;9-石英角斑质凝灰岩层;10-酸-基性火山杂岩层;11-石英钠长斑岩;12-石英角斑集块岩;13-辉绿岩; 14-块矿体;15-断层;16-不整合接触接线;17-复背斜;18.19.20-矿床

图 2 小铁山矿床地质剖面示意图(据边千韬,1989修编) Fig. 2 A sketch showing geological profile of the Xiatieshan deposit(after Bian Qiantao, 1989)

图 3 小铁山矿床矿石构造特征 Fig. 3 Textures and structures of ores from the Xiaotieshan deposit (a)块状矿黄铁矿-黄铜矿-闪锌矿-方铅矿矿石;(b)块状重晶石与块状矿体接触带;(c)条纹状黄铁矿-黄铜矿-闪锌矿-方铅矿矿石;(d)黄铜矿、黄铁矿呈脉状构造;(e)、(f)黄铜矿呈斑点状构造分布于石英中;(g)稠密浸染状黄铁矿石;(h)、(i)重晶石呈块状构造,被硫化物细脉 穿插;Py-黄铁矿、Ccp-黄铜矿、Sp-闪锌矿、Gn-方铅矿、Ba-重晶石、Q-石英、Chl-绿泥石

小铁山矿体具较明显的分带特征,矿体从上盘到下盘具有一定的规律性,如块状闪锌矿、方铅矿、黄铁矿→块状黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、黄铁矿→块状黄铜矿、黄铁矿→块状黄铁矿→浸染状矿石+脉状矿石(图 4)。

图 4 小铁山矿床八中段12线剖面图 Fig. 4 The geological section of Line 12, Level 8 of the Xiaotieshan deposit 3-石英角斑质凝灰岩;Mε0-石英钠长斑岩;MP-绿泥石片岩;M1-块状闪锌矿、方铅矿、黄铁矿; M2-块状黄铜矿、黄铁矿;M3-块状黄铁矿;M4-浸染状+脉状矿石(以黄铁矿和黄铜矿为主)
2 样品和测试

综合矿体产出特征、矿石类型、矿石结构构造、矿石物质组成、围岩蚀变及脉体穿插关系等特点,可将成矿过程大致划分为3个阶段:①黄铁矿-黄铜矿-石英期,矿石类型主要为黄铁、黄铜矿,呈脉状、网脉状与石英共生(以下简称脉状矿带),位于矿体下盘。此阶段代表矿化热液上升通道的遗迹,是矿化早期阶段;②位于矿体上盘的黄铁矿-重晶石阶段,主要包括胶状黄铁矿、重晶石、含铁硅质岩,还有少量的石英、绢云母、绿泥石等矿物。重晶石与黄铁矿组成条纹-条带状构造(图 3b),常见重晶石被较晚形成的硫化所穿插(图 3h3i);③成矿期,此阶段形成大量的块状矿体,矿石类型复杂,有方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、黄铁矿以及石英、绢云母、绿泥石等矿物。本次研究对上述3个阶段的矿物皆进行了采集,样品主要采自小铁山矿区七中段700线、1300线,八中段11线、12线,七、八中段矿石堆中含矿石英脉21件,以及采自七中段650线含矿重晶石样品2件。将样品磨制成双面抛光的薄片,在矿相学和流体包裹体岩相学观察的基础上,选择有代表性的样品11件进行了详细的显微热力学分析。

流体包裹体显微测温分析在有色金属矿产地质调查中心实验室进行,OlmpisTHMS600冷热台的温度范围为-195~+600℃。测试过程中,将冷冻和加热的温度精度分别为调整为±0.1℃和±1℃。实验利用液氮汽化吸热达到包裹体降温目的,测试过程中,温度升、降速率为1~5℃/min,当温度相变点附近时,升温速率需控制在1℃/min内,基本保证相转变温度数据的准确性。对于水溶液包裹体,根据测得的冰点温度,利用Hall等(1988)提供的方程,可获得流体的盐度。对于H2O-CO2包裹体,由笼合物熔化温度,利用Roedder(1984)所提供的方法,可获得水溶液的盐度。

氢、氧同位素分析在核工业北京地质研究院分析测试研究中心的MAT 253 EM 质谱仪上完成,采用的国际标准为 SMOW。氢同位素分析用爆裂法获取包裹体中水,由锌法制氢,分析精度达±2‰,氧同位素分析采用BrF5法(Clayton et al.,1963),测定石英矿物氧同位素组成,分析精度达±0.2‰。

流体包裹体气相、液相成分在中国科学院地质与地球物理研究所包裹体实验室完成。将0.5 g干净的石英样品放入石英管内,当温度逐渐升高到100℃时,将试管抽成真空至试管真空度小于6×10-6Pa后,以1℃/s的速度使爆裂炉内的温度逐渐升高到500℃,收集此时释放出的气体,然后用RG202四极质谱仪对收集的气体成分进行测量。液相成分测试方法是:取石1 g英样品在爆裂炉中爆裂10 min(爆裂的温度上限是5000℃),加入3 mL蒸馏水在超声离心状态下震荡10 min,提取离心后的清液,用离子色谱仪测量阴、阳离子成分。

3 流体包裹体研究 3.1 流体包裹体岩相学特征

根据Roedder(1984)卢焕章等(2004)的原生流体包裹体分类依据,对小铁山矿床流体包裹体进行了详细研究,可将其分为5类:

(1)Ⅰ类为液体包裹体,是该矿床最为常见类型,分布在各个矿化阶段,占包裹体总数的60%。包裹体个体变化较大,一般为2~15 μm,形状一般为不规则形、椭圆形、长条形等(图 5a5e5f)。

图 5 小铁山矿床中矿体流体包裹体显微照片 Fig. 5 Microphotographs of fluid inclusions in quartz and barite from the Xiaotieshan deposit (a)石英中的液体包裹体;(b)石英中的气体包裹体;(c)石英中含CO2三相包裹体;(d)石英中的气体包裹体和纯气体包裹体共生; (e)重晶石中液体包裹体;(f)重晶石中液体包裹体和纯液体包裹体共生;VH2O-气相水,LH2O-液相水,VCO2-气相CO2

(2)Ⅱ类为气体包裹体,主要存在于Ⅰ阶段下盘脉状-网脉状石英中,多呈带状、簇状分布,大小一般为2~12 μm,形态为不规则形、长条状、椭圆形等(图 5b5d)。

(3)Ⅲ为纯气体包裹体,但此包裹体分布较少(图 5d),形态为圆形、椭圆形、不规则状等,往往与气相包裹体和含CO2三相包裹体共存,主要出现在Ⅰ阶段含矿石英脉中。

(4)Ⅳ类为纯液体包裹体,该类包裹体在选取的样品中均有分布(图 5f),并常伴随液体包裹体成群分布,含量占包裹体总数的20%~40%。形态常呈圆形、椭圆形、液滴状,包裹体全为盐水溶液所充填,镜下常呈浅色亮点,大小多为1~5 μm。该类型包裹体主要存在于重晶石和块状块体的石英中。

(5)Ⅴ类为含CO2三相包裹体,室温下可见典型“双眼皮”特征(图 5c),并且此类包裹体数量非常少,大小一般为4~6 μm,主要呈孤立或分散状产出,为负晶形、椭圆形、不规则形和长条形,往往与气相包裹体和纯气体包裹体共存,CO2相体积分数变化较大,为10%~60%。该类包裹体在冷冻到-57.0~-63.9℃时出现CO2三相点(tm.CO2),略低于纯CO2三相点温度(-56.6℃),表明该类包裹体中除含CO2外,可能还有CH4和N2等挥发性组分。

3.2 流体包裹体显微测温

对小铁山矿3个成矿阶段的11件代表性样品进行了详细的流体包裹体显微测温分析,结果列于 表 1

表 1 白银厂小铁山流体包裹体测温数据及计算结果 Table 1 Microthermometric data of fluid inclusions of the Xiaotieshan deposit

显微测温结果表明:作为Ⅰ阶段的矿体下盘脉状、网脉状矿带中的含矿石英中包裹体类型以液体包裹体为主,一般均一到液相,均一温度范围大致在174~375℃,但是出现了大量的气体包裹体,所占比例为20%~46%,均一温度范围为211~452℃,而含CO2三相包裹体,完全均一温度可达到337℃,整个阶段峰值出现在230~290℃(图 6a);第Ⅱ阶段的重晶石中包裹体类型以液体包裹体为主,出现了一定量的气体包裹体,但数目相较于脉状矿带有所减少,所占比例为20%左右,其中液体包裹体均一温度为149~388℃(图 6c),气体包裹体均一温度为343~388℃;作为Ⅲ阶段的块状矿带中包裹体类型主要以液体包裹体为主,均一温度范围为178~296℃,在此阶段气体包裹体极少见到,均一温度在213℃,整个阶段均一温度峰值出现在230~270℃(图 6e)。总体来说,从脉状矿带→重晶石阶段→块状矿化带,包裹体均一温度逐渐降低,所含气体包裹体逐渐减少。

图 6 小铁山矿床石英及重晶石中流体包裹体均一温度与盐度直方图 Fig. 6 Histogram of homogenization temperatures and salinities of fluid inclusions in quartz and barite from the Xiaotieshan deposit (a)、(b)脉状矿带(石英)包裹体; (c)、(d)重晶石包裹体; (e)、(f)块状矿带(石英)包裹体

依据Hall等(1988)盐度计算公式,计算得到液体、气体包裹体的盐度;依据Roedder(1984)盐度计算公式,计算得到含CO2三相包裹体的盐度。各类包裹体盐度如下:脉状矿带中液体包裹体盐度0.71%~9.86% NaCleqv,主要集中于7%~8% NaCleqv,气体包裹体盐度0.705%~10.73% NaCleqv,其盐度峰值略高于液体包裹体,大致在8%~9%NaCleqv(图 6b);重晶石中盐度范围跨度液比较大,其变化区间为2.07%~12.16% NaCleqv(图 6d);块状矿带液体包裹体盐度范围跨度大,在1.91%~14.46% NaCleqv之间,主要集中于4%~9% NaCleqv(图 6f)。盐度变化总体表现出从脉状矿带→重晶石阶段→块状矿带先降低后逐渐升高的趋势。

3.3 包裹体成分研究

小铁山矿床的包裹体成分数据见 表 2,小铁山矿床阶段Ⅰ脉状矿体中流体包裹体气相成分以H2O和CO2为主,含有少量的CH4、C2H6、N2、Ar、H2S等还原气体;包裹体的液相成分中阳离子主要以Na+为主,含有极少量的K+、Ca2+、Mg2+,阴离子主要以Cl-、SO42-为主,4个样品均未测出F-,Cl-/H2S值为2650~12450,造成如此大比值的原因可能存在两种原因:①此阶段处于较强氧化环境下,S主要以S6+运移;②此阶段的温度较高(均一温度主要为210~390℃)(图 6a),H2S电离成中性分子H2和S2。但是据测试结果SO42-/H2S值为1750~7500,SO42-/Cl-值为0.50~1.14,说明溶液中也含有大量的S,只是以S6+形式存在。研究显示热液中Cu离子主要以氯的络合物及硫氢络合物等形式(如[Cu(HS)3]-、[CuS(HS)3]-、[CuCl3]2-、[CuCl3]-等)进行迁移,Zn、Pb离子在酸性溶液中则以氯的络合物形式进行迁移。而刘英俊等(1984)提出当溶液中出现SO42-时,溶液显示酸性,且根据测试结果,CO2的存在也可以间接证明溶液呈酸性。因此,结合这两个条件推断该阶段的热液金属元素主要以氯的络合物形式进行迁移,处于相对氧化-酸性环境。也就说明小铁山下盘脉状矿体成矿流体是富Cl-和SO42-、贫F-的H2O-NaCl-CO2-CH4体系。作为阶段Ⅱ(过渡阶段)的重晶石中包裹体气相成分以H2O和CO2为主,含有少量的C2H6、Ar、H2S等还原气体,且气体有逐渐增多的趋势,CH4、N2在此阶段消失殆尽;包裹体的液相成分中阳离子主要以Na+为主,含有一定量的K+、Ca2+、Mg2+,阴离子主要以SO42-为主,还有少量Cl-,2个样品均未测出F-,说明小铁山此阶段流体是富SO42-、贫Cl-和F-的H2O-Na2SO4-CO2体系。阶段Ⅰ→阶段Ⅱ过程中阴阳离子总量逐渐增高,尤其K+、Ca2+、Mg2+的含量,SO42-/Cl-明显增大,各阶段中样品均未检测出F-,CH4、C2H6、N2、Ar、H2S等还原性气体在演化过程中总量明显减少,CO2等氧化性气体总量明显增高。可能原因是流体从下部脉状、网脉状裂隙进入海水时,与海水发生了混合作用,在此过程中混入了大量的SO42-、K+、Ca2+、Mg2+等离子,此时处于氧化环境下,造成了还原性气体总量明显减少和氧化性气体总量明显增高。

表 2 小铁山矿床脉状矿体石英及含矿重晶石中流体包裹体液相(μg/g)和气相成分 Table 2 Compositions of liquid(μg/g)and gas phases of fluid inclusions in quartz and barite from the Xiaotieshan deposit
3.4 氢、氧同位素

小铁山矿床含矿石英的包裹体氢氧同位素测试结果见 表 3,其中包裹体水的δ18 OH2O根据公式1000lnα石英-水=3.09×106/t2-3.29(张理刚,1985)计算所得。小铁山矿床成矿流体δ18 OH2O变化范围为-1.14‰~4.68‰,极差5.82‰;δDV-SMOW值相对分散,变化于-88.0‰~-153.2‰,极差65.2‰。包裹体群成分分析结果显示,成矿流体的CH4很低,因此成矿流体包裹体的δD代表了成矿流体当时的同位素组成(侯明兰等,2007),在δD-δ18 O图解中(图 7),脉状矿石样品落于大气降水线右侧或岩浆水左下侧,说明流体来源具有大气降水性质,但是由于成矿作用发生于海底,所以大气降水的贡献不可能出现,那么流体就可能是一种变异的海水。已知海水的δD约0‰,尽管与围岩发生水岩反应能降低δD,但是岩石中氢非常少,且深海沉积物和火山岩δD值最小为-100‰,所以变异的海水δD值不可能低至-145‰。那么推测流体可能为岩浆水,初生岩浆水δD为-40‰±20‰,且岩浆的去气(水蒸气)作用可以大幅度的降低δD(郑永飞和陈江峰,2000),而小铁山矿床的 δ18 O 水为-1.40‰~4.68‰,与初生岩浆水δ18 O(6‰±1‰)相近,因此推断形成脉状热液的流体主要来自岩浆热液,且经历了去气(水蒸气)作用,此种推测与白银厂矿田的地质事实相一致。样品264号来自第Ⅲ阶段形成的块状矿体,在δD-δ18 O图解中投点位于脉状矿体投点上方,δD值大于-100‰,结合小铁山块状矿体矿化特征及脉状矿体流体来源,推断块状矿体落点之所以上移是因为来自早期的成矿热液在成矿阶段混合了海水所导致的。

表 3 石英包裹体中成矿流体的氢氧同位素组成 Table 3 Hydrogen and oxygen isotope compositions of the ore-forming fluid in fluid inclusions in quartz

图 7 铁山矿床成矿流体氢-氧同位素组成 Fig. 7 δD and δ18 O values of the ore-forming fluid in inclusions of the Xiaotieshan deposit 岩浆水和变质水同位素组成范围据Taylor(1974);中国大气降水线据沈渭州(1987)
4 讨论 4.1 与典型VMS矿床流体包裹体对比

白银厂小铁山的流体包裹体岩相学观察表明,小铁山含矿石英脉和重晶石中的流体包裹体绝大多数为富液相两相水溶液包裹体,部分气体包裹体组成,小铁山矿床下盘脉状矿体石英中的流体包裹体均一温度为174~452℃,盐度数据为0.88%~9.86%;小铁山矿床重晶石中的流体包裹体的均一温度为149~388℃,盐度数据为2.07%~12.16%;小铁山矿床块状矿体中的流体包裹体的均一温度为178~296℃,盐度数据为1.91%~14.46%,温度范围为150~400℃之间,盐度高于海水。前人(侯增谦等,2003aKesler,2005)研究表明现代海底热液成矿区和典型的VHMS矿床流体的温度范围一般为200~400℃,盐度范围多接近或略高于海水,如在Kosaka矿区石英中流体包裹体均一温度为225~310℃、盐度为2.5%~8.3%,闪锌矿中流体包裹体的均一温度为190~245℃、盐度为2.5%~8.3%;在Shakanai矿区石英中流体包裹体的均一温度为132~274℃、盐度为2.4%~5.32%(Yoshida,1979Urabe and Sato,1978)。可以看出小铁山矿床的流体包裹体测温数据与典型的火山成因块状硫化物矿床比较一致。

4.2 流体来源

流体来源与热液循环系统是一个密切相关的问题,现代与古海底热水硫化物矿床的流体和金属来源也一直面临着争论。有些学者根据流体与海水的类似性以及热水蚀变带的广泛发育,认为成矿流体来自演变的海水(Pisutha-Arnond and Ohmoto,1983Date et al.,1983Green et al.,1983),也有学者根据硫化物矿床与钙碱性岩系的密切共生关系(Urabe et al.,1987Stanton,1990)、流体包裹体的高盐度特征(Lécuyer et al.,1999)坚持认为成矿流体来自岩浆去气,成矿金属来自岩浆体系。由于块状硫化物矿床形成于海底环境,因此不论是简单的对流循环模式还是双扩散对流模式,海水都是流体最为重要的组分,但是流体所显示的高温、高盐度以及富气特征又是单一海水来源所不能解释,因此海水是否是唯一的流体来源是值得商榷的。

在海底热水活动区,中性成分的岩浆的确可以分凝出以CO2为主的、富金属硫化物的岩浆流体(Yang and Scott,1996)。该矿区矿体恰恰赋存于钙碱性的石英角斑岩系中,且刘斌(1982)彭礼贵(1982)夏林圻等(1985)在研究该矿田石英角斑岩系中石英斑晶及硅化脉中包裹体时,发现斑晶中的基质为1050~1150℃完全熔成玻璃质后,出现大量气泡和呈细小立方体结晶的铁质,说明原始熔浆中含有大量气体挥发分和铁质;石英斑晶和硅化脉中存在气液,均一温度高达300~400℃,盐度往往在10%以上,部分含有NaCl、KCl子晶,盐度高达31%~38%。证明了白银厂矿田浅位岩浆房内岩浆分异晚期阶段可以分凝出富含挥发分的高温高盐度流体。小铁山矿床下盘脉状矿体的包裹体岩相学和包裹体成分研究表明,存在大量的CO2、CH4、纯气相等包裹体,还有大量的气体包裹体,且包裹体含有大量的CO2、CH4、C2H6、H2S、N2等气体成分,说明流体中极度富气,且均一温度很高,表明下盘脉状-网脉状矿带中流体中存在高温-中低盐度富气流体。因此,推断该流体可能来源于岩浆分凝出富含挥发分的高温高盐度流体。Hou等(2001)研究呷村矿床流体特征时,提出高温岩浆可能至多将海水加热到250℃左右。如果此结论适用于大部分海底热流体,小铁山下盘脉状矿体无论液体包裹体还是气体包裹体均一温度大部分大于250℃,那么再次说明这种富气流体就不能是海水加热形成的,而是一种岩浆流体。结合脉状矿体的氢同位素测试,其极低的δD值正是由于岩浆去气的作用所导致的,如此再一次印证了其流体主要为岩浆热液,脉状矿体中出现了部分低温低盐度的包裹体,可能是混入了少量的海水造成的。

黄铁矿-重晶石阶段,流体仍然保持了富气的特征,但是包裹体均一温度及盐度较脉状矿体阶段有所下降,虽然盐度变化范围较大,低、中、高盐度均有涉及,但在与海水盐度相近的地方出现了峰值(图 6d),根据该阶段的包裹体成分显示,SO42-在此阶段大量增多,说明重晶石阶段混入了大量的海水。不过富气高盐度高温度的流体包裹体的存在证明岩浆热液也存在。

块状矿体形成阶段,流体温度较上阶段更为集中,气体包裹体消失,但是盐度反而升高,单纯的岩浆房加热的海水通常不会大幅度增加其盐度,即使其与盐度较高的岩浆水-海水混合体再度混合,其盐度也不会超过10%(侯增谦等,2003a)。因此,要解释块状矿体阶段流体盐度的巨大变化(7.59%~14.46%),必然要求一个卤水池的存在。侯增谦等(2003a)在研究白银厂折腰山矿床时提到卤水池的卤水盐度至少大于12%,所以被加热的海水不同程度地注入卤水池中并与卤水混合可以形成这种温度集中,盐度升高的含矿流体。而这种卤水池可能是由于热水流体被喷气沉积岩层所封闭,在海底下部多孔的碎屑岩单元或断裂破碎带大量积聚形成的(侯增谦等,2003b)。

4.3 流体演化过程

野外对小铁山矿床矿化分带的观察及研究可见,矿体下盘脉状-网脉状含矿石英脉代表了矿化热液上升通道的遗迹,该阶段热液为深部继续活动的酸性火山岩分凝出的携带一定金属的热液,其穿过长英质火山岩系沿着破裂岩石的裂隙或者断裂系统向上排泄,当接近海底时才开始沉淀,而最初的沉淀便是发生在这破裂的岩石中,部分热液沿高度渗透性的火山碎屑岩层“弥散式”侧向运移形成网脉状矿带,常常与被封存于火山岩中的变异海水发生混合。

该阶段成矿流体以中高温度、中低盐度为特征,为富Cl-、SO42-、贫F-的H2O-NaCl-CO2-CH4体系,处于较为氧化-酸性环境下,S主要以S6+形式存在,Cu、Pb、Zn等金属元素以Cl-形式迁移。当热流体继续上涌,排泄入海的热水遇到了冷海水并进行大量混合导致氧化硅、重晶石和铁氧化物在海底快速堆积形成似层状的固结壳,这将造成热液的温度和盐度变化范围非常大,此阶段的流体是富SO42-、贫Cl-和F-的H2O-Na2SO4-CO2体系。此阶段较上一阶段阴阳离子总量增高,尤其K+、Ca2+、Mg2+的含量,SO42-/Cl-明显增大,CH4、C2H6、N2、Ar、H2S等还原性气体总量明显减少,CO2等氧化性气体总量明显增高。这个结果的可能原因是流体从下部脉状、网脉状裂隙进入海水时,与海水发生了混合作用,混入了大量的SO42-、K+、Ca2+、Mg2+等离子,而由于处于氧化环境下,还原性气体总量明显减少和氧化性气体总量明显增高,但是H2S含量较上个阶段有所增加,平均值为上一阶段平均值的54倍,所以造成了一定量的硫化物的形成,刚好可以解释重晶石与黄铁矿形成混层的现象和有一定量硫化物呈浸染状分布于其中。当重晶石以及含铁建造迅速形成盖层后,起到屏蔽作用,隔绝了海水与上升热液的混合,这种自身的屏蔽作用造成了后来阶段热水盐度的逐渐升高,岩浆热液通过裂隙通道继续往上运移,搬运大量成矿物质,这种流体与对流循环的海水发生混合,促使了黄铜矿-方铅矿-闪锌矿-黄铁矿块状矿石和浸染状矿石的形成,随着温度逐渐下降、pH逐渐升高和氧逸度逐渐降低,控制着硫化物的稳定性,造成了从下盘到上盘的矿化的分带现象。该阶段的成矿流体以中低温、中高盐度为特征。参考同一矿田内相似成因的折腰山矿床,其块状矿体部分包裹体气相成分主要为H2O和CO2,含有少量的CH4、N2、H2S气体。与前阶段相比,H2O的含量明显减少,CO2的含量变化不大,还原性气体(CH4、N2、H2S)明显增多,说明流体逐渐转变为还原性流体,有利于硫化物的沉淀。温度较前一阶段有所下降,但盐度却有所升高,侯增谦等(2003a)研究得出白银厂矿田内海底下部多孔的碎屑岩单元或断裂破碎带封存热水流体,形成卤水池,因此,推断循环的海水来自于卤水池。

5 结论

(1)小铁山块状硫化物矿床中主要存在5种类型包裹体:气体包裹体、液体包裹体、含CO2三相包裹体、纯液体包裹体及纯气体包裹体。流体均一温度范围为143~452℃;盐度范围为0.705%~14.46%,与古今典型的VMS矿床包裹体特征类似。

(2)成矿流体具有多来源特征。成矿早期流体为一种富Cl-、SO42-、贫F-的H2O-NaCl-CO2-CH4体系,随着热液上涌与冷海水发生混合,流体转变为一种富SO42-、贫Cl-和F-的H2O-Na2SO4-CO2体系,由于重晶石及含铁建造盖层的屏蔽作用,形成块状的流体逐渐转变为还原性流体。

(3)小铁山矿床的氢氧同位素及其包裹体特征表明形成脉状热液的流体主要来自岩浆热液,且经历了去气(水蒸气)作用形成的。在热液上涌过程,低温-低盐度的流体包裹体及重晶石阶段中SO42-离子的大量出现指示了海水的混入。

致谢: 白银有色集团股份有限公司科技发展处和甘肃省有色地质勘查局白银矿产勘查院的各位领导、老师在野外工作期间提供帮助,有色地质调查中心王莉娟老师、祝新友老师对流体包裹体测试工作给予悉心指导,在此一并致谢!

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