2. 中国地质科学院矿产资源研究所,国土资源部成矿作用和资源评价重点实验室,北京 100037;
3. 西北有色地质勘查局,西安 710054;
4. 西北有色地质勘查局717总队二里河铅锌矿,宝鸡 721004
2. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. Northwest Geological Exploration and Mining Bureau for Nonferrous Metals, Xi' an 710054, China;
4. The Erlihe Lead-Zinc Mine of No.717 Geological Party, Northwest Geological Exploration and Mining Bureau for Nonferrous Metals, Baoji 721004, China
陕西省凤县-太白矿集区(简称凤太矿集区)位于西秦岭的东部,是秦岭铅锌金成矿带的重要组成部分。区内已探明铅锌储量超过500万吨,金储量达200吨以上(王瑞廷等,2007;李建华,2008)。二里河铅锌矿床位于凤太矿集区的西北部,属于八方山-二里河铅锌矿床的东部矿段,是凤太矿集区中具有代表性的大型铅锌矿床之一。该矿床自20世纪80年代以来一直备受研究者们的关注,在成矿地质环境及控矿特征(吕仁生,1986;吴智,1991;田民民等,2004;李红中等,2011),地球化学特征(吕仁生和隗合明,1992;王集磊等,1996;方维萱,1997;方维萱等,2003;王瑞廷等,2011),矿床成因(戴问天,1989;吕仁生和隗合明,1990;祁思敬和李英,1993;李强等,2007)等方面许多学者做了大量研究工作。但是目前该矿床的成因仍存在争议,一种观点认为是热水喷流沉积型(SEDEX)或沉积-改造(再造)型(张复新和王俊发,1988;祁思敬和李英,1993;王相等,1996;王东生等,2009;王瑞廷等,2011),即同生矿床;另一种观点则认为该矿床为后生矿床,提出凤太矿集区内铅锌矿床是后生的构造-热液作用产物(王义天等,2009;Wang et al., 2011)。显然,为回答矿床是同生还是后生的问题,开展精确的成矿年代学研究是最直接的途径。但是,铅锌矿床成矿年龄的精确测定目前仍是一个世界性的难题(李文博等,2002)。直接测定矿石矿物同位素年龄是确定热液矿床成矿时代的最好方法,但在金属矿物沉淀过程中常常受到化学环境影响而使同位素的含量不能达到平衡和均一化,并且常受后期构造活动-热事件的影响造成同位素体系变化(张瑞斌等,2008)。较为稳定的耐热-构造活动的放射性同位素种类很少,仅Rb-Sr、Re-Os、Sm-Nd等少数几种,它们在金属矿物中含量低,常小于10×10-6~6×10-6,多数存在形式不清,所以对化学分离流程和质谱仪同位素比值测定的要求非常高(刘建明等,1998)。随着测试技术的不断发展,逐渐成熟的矿石矿物直接定年方法主要有:辉钼矿Re-Os法(杜安道等,1994;Mao et al., 1999, 2003, 2006, 2008)、黄铁矿Re-Os法(Zhang et al., 2005)、黄铁矿40Ar-39Ar法(York et al., 1982)、黄铁矿Rb-Sr法(杨进辉和周新华,2000)、闪锌矿Rb-Sr法(Nakai et al., 1993; 张长青等,2008)、闪锌矿流体包裹体Rb-Sr法(Nakai et al., 1990;Pettke and Diamond, 1996)、锡石U-Pb法(Yuan et al., 2008, 2011)等。
对于二里河铅锌矿床,Zhang et al.(2011) 对其中发育的黄铁矿开展了Re-Os同位素年代学研究,获得了226±17Ma的成矿年龄,误差较大。本文在详细研究二里河铅锌矿床成矿特征的基础上,选取主成矿阶段的矿石矿物闪锌矿开展Rb-Sr同位素定年研究,获得了精确的年龄数据,为厘定成矿时代、认识矿床成因提供了新的可靠证据。
1 凤太矿集区地质概况凤太矿集区地处西秦岭铅锌金成矿带中部,南北部均以深大断裂为界(图 1),北为湘子河-黄柏塬断裂(F1),南为酒奠梁-江口断裂(F5),区内较大断裂有修石岩-观音峡断裂(F2)、王家楞-二郎坝断裂(F3)及倒回沟-柘梨园断裂(F4),矿集区基本构造格架为古岔河-殷家坝复式向斜,构造线总体呈NWW向,次级褶皱和断裂发育。王义天等(2009) 综合分析了凤太矿集区内发育的褶皱、断裂、节理、线理等构造要素性质和组合特征,认为整个凤太矿集区为一个大型的走滑双重构造。
凤太矿集区内发育中-上泥盆纪地层(图 1),由老到新为中泥盆统王家楞组细碎屑岩和古道岭组碳酸盐岩,上泥盆统星红铺组浅变质碎屑沉积岩夹碳酸盐岩和九里坪组细碎屑岩。在矿集区外围,元古界地层出露于北侧,石炭纪和白垩纪地层分布于西北部,石炭纪、二叠纪和三叠纪地层分布于西南侧(图 1)。
区内岩浆岩比较发育,主要有矿集区中东部沿区域NWW构造线方向展布的西坝中酸性岩体(图 1),岩性主要为中细粒花岗闪长岩、二长花岗岩,局部见石英闪长岩、英云闪长岩,不同类型岩性间呈渐变过渡关系。此外,花岗斑岩脉、闪长玢岩脉、煌斑岩脉等岩脉在整个矿集区中普遍发育。
2 矿区地质与矿体产出特征八方山-二里河铅锌矿床位于凤太矿集区的西北部(图 1),矿区出露地层为中泥盆统古道岭组以生物碎屑灰岩为主的碳酸盐岩建造,和上泥盆统星红铺组以千枚岩为主浅变质细碎屑岩建造(图 2)。矿区发育八方山-二里河背斜,轴向NWW,与凤太矿集区主构造线方向一致。同时发育一组NE向横断层,近等间距分布(图 2)。矿区岩浆岩较发育,主要出露充填于NE向断层中的闪长玢岩、花岗斑岩和煌斑岩等岩脉,其中多条闪长玢岩脉切穿主矿体(图 2)。
八方山-二里河铅锌矿体主要赋存于下部古道岭组与上部星红铺组接触带之间的硅化蚀变岩中,少量赋存于灰岩内部及千枚岩层间中的裂隙系统。按矿体产出位置从下到上可分为三类:一是赋存于接触带下部灰岩中以闪锌矿为主的脉状矿体,二是赋存于灰岩与千枚岩接触带中的铅锌主矿体,三是赋存于接触带上部千枚岩中以黄铜矿、方铅矿为主的脉状矿体。主矿体的产出受八方山-二里河背斜的控制,只分布在背斜转折端,走向与褶皱轴向一致,在剖面上矿体呈鞍状。沿走向方向,矿体向东倾伏,从八方山矿区到二里河矿区(即自西向东)矿体规模逐渐变小,局部尖灭再现;沿倾向方向,矿体向南北两翼迅速减薄至尖灭。
本次工作对二里河矿区1320中段153和155穿脉进行了系统观察、测量和采样工作,总结分析了铅锌矿化特征,依据矿石的矿物组合、结构构造,以及矿脉的相互穿插关系等特征,将其成矿作用过程划分为三个阶段:Ⅰ.早期富闪锌矿硫化物阶段,Ⅱ.中期石英-多金属硫化物阶段,Ⅲ.晚期石英-碳酸盐阶段。
Ⅰ.早期成矿阶段:为主成矿阶段,富闪锌矿,形成的厚大块状闪锌矿是开采的主要工业矿体。闪锌矿呈中-细粒,颜色较浅,大部分呈连续的脉状胶结碳质灰岩角砾。方铅矿相对较少,多呈细脉状、星散状分布在闪锌矿中。少量黄铁矿一般呈星散状、团块状,与闪锌矿和方铅矿共生。矿石结构以半自形-他形晶结构、交代残余结构为主。矿石构造主要为块状、角砾状、浸染状、条带状、透镜状、网脉状、斑杂状,其中块状、角砾状和透镜状矿石主要发育在背斜转折端,条带状和网脉状矿石主要发育在背斜两翼。围岩蚀变以硅化、白云石化、铁白云石化、绢云母化、石墨化为主,蚀变总体表现为越接近矿脉蚀变越强,远离矿脉则迅速减弱;背斜转折端部位蚀变较强,向两翼延伸则减弱。
Ⅱ.中期成矿阶段:以发育黄铜矿、方铅矿、磁黄铁矿等多金属硫化物为特征,伴随乳白色石英脉发育。闪锌矿相对早阶段有所减少,矿化规模较小,往往呈网脉状叠加到早阶段矿体之上。矿石矿物以黄铜矿、方铅矿、闪锌矿为主,见少量黄铁矿、磁黄铁矿、毒砂。脉石矿物以石英、含铁白云石、铁白云石为主,其次为方解石、石墨。黄铜矿大多产于背斜南翼石英-硫化物脉中,呈半自形-他形中-细粒集合体,与黄铁矿、磁黄铁矿、方铅矿共生。闪锌矿结晶较好,中粗粒,颜色较深,多为深棕色或黑色。方铅矿结晶也较好,中粗粒。矿石结构主要有交代残余结构和固溶体分离结构;矿石构造以网脉状、浸染状为主,其次为团块状、网脉状、细脉状、角砾状。围岩蚀变以硅化、铁白云石化、黄铁矿化为主,蚀变分布均伴随石英网脉产出,石英网脉发育部位蚀变较强,相比早阶段蚀变岩颜色较浅。
Ⅲ.晚期成矿阶段:形成厚大平直的石英-碳酸盐脉,穿插了早、中阶段矿体和围岩,围岩蚀变不发育。硫化物含量较少,主要有闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、黄铁矿,脉石矿物主要为石英、方解石、含铁白云石、绢云母等。闪锌矿和方铅矿多为星散状、团块状。石英为乳白色,石英脉中常发育晶洞、晶簇,在晶洞中偶见银白色针状辉锑矿。矿石结构主要为结晶结构和压力结构;矿石构造包括脉状、团块状、星散状构造,以及晶簇构造。
4 样品、测试方法和结果本次工作用于Rb-Sr同位素测年的5件闪锌矿矿石样品采于二里河矿区1320中段的不同位置,样品均为坑道内新鲜开采面中未穿插后期石英脉的主成矿阶段的块状铅锌矿石(图 3a, b、表 1)。矿石矿物以闪锌矿为主,含少量碳质灰岩角砾(图 3a, b)和半自形团块状石英(图 3c, d),镜下观察矿石主要由致密的棕黄色中-细粒闪锌矿构成,含量大于90%,伴生少量方铅矿、黄铁矿、石英、含铁白云石、碳质物和绢云母(图 3e-g),闪锌矿中多见交代方解石形成的假象结构(图 3g)。闪锌矿中包裹体含量很少,以原生包裹体为主,多为纯液相包裹体,大小3~15μm(图 3h)。
样品首先在二次蒸馏水中多次清洗后晾干,然后粉碎至40~60目,在双目镜下挑选闪锌矿单矿物,纯度大于98%,以供分析。
5件闪锌矿单矿物样品的测试工作在核工业北京地质研究院同位素地质年代分析室完成。Rb-Sr同位素测试方法步骤如下:(1) 在超净实验室将闪锌矿单矿物试样用超纯水漂洗晾干后粉碎成200目以下粉末,经超声波洗涤、超纯水漂洗烘干后,用电子天平称取0.2~0.3g左右的样品于聚四氟乙烯容量罐中,称取0.05g左右的铷锶混合稀释剂于聚四氟乙烯容量罐中,加入1mL的6mol/L的盐酸溶液,低温反应1h后蒸干,加入1mL浓HNO3盖上盖拎紧,在控温电热板上于180℃下加热至样品完全溶解,蒸干样品。滴加0.1mL盐酸冲洗容量罐内壁并蒸干,使试样转换成氯化物。将1.5mL 0.5mol/L盐酸加入容量罐中微热,溶解样品并转移到塑料离心管中,在离心机上离心8min,上层离心清液备作铷、锶分离,下部残渣弃去。上层清液加入到处理好的分离柱中,等柱中溶液流完后,用少量高纯水对称冲洗分离柱的四角。先用10mL 1.75mol/L的盐酸淋洗钾、钠、铁等杂质,7mL 1.75mol/L的盐酸解吸铷于石英烧杯中蒸干,加入几滴1mol/L的硝酸蒸干备质谱分析(转为硝酸形态);用10mL 1.75mol/L的盐酸溶液淋洗钙、镁、铁等离子弃去,再改用14mL 2.5mol/L的盐酸溶液淋洗锶于石英烧杯中蒸干,备质谱分析。(2) 锶同位素采用单铼带测量。将制好的样品加入一滴高纯水溶解,点于铼带上。加电流至1安培左右,直至蒸干。全部样品分三至四次点完,一次2~5μL。待全部样品点完蒸干后,加一滴发射剂,保持电流为1A,直至蒸干。最后缓慢加电流至2A,维持3~5s后降至零。(3) 铷同位素采用三带测量。将制好的样品加入一滴高纯水溶解,点于外侧钽带上。加电流至1安培左右,直至蒸干。全部样品分三至四次点完,一次2~5μL。待全部样品点完蒸干后缓慢加电流至1.5~1.7A,维持3~5s后降至零。(4) 同位素比值测试在高精度固体热电离质谱计IsoProbe-T上完成,仪器配备9个法拉第杯和四个离子计数检测器。铷锶同位素采用静态多接收方式测量。锶同位素测定过程中的分馏效应采用88Sr/86Sr=8.375219进行正规化校正。同时采用本实验室建立的计算方法测定锶同位素组成和锶浓度。标准测量结果:NBS987为0.710250±7实验室流程本底:Rb 2×10-10g,Sr 2×10-10g。
测试结果见表 2。Rb-Sr等时线年龄计算采用Isoplot/Ex Version3.23计算程序(Ludwig, 2001),λ值1.42×10-11a-1,87Rb/86Sr比值误差给定1%,87Sr/86Sr比值误差给定0.05%,置信度95%。计算获得闪锌矿等时线年龄为220.7±7.3Ma(图 4),离散度1.03,87Rb/86Sr初始值0.714145±0.000031。
热液矿物Rb-Sr等时线定年的基本前提是同源、同时、封闭性、一致的(87Sr/86Sr)i, 以及具有不同的(87Rb/86Sr)i;对于中低温铅锌矿床,矿物中次生包裹体与原生包裹体均一温度差别较小,因此给包裹体分离带来了困难 (张长青等,2008)。实验过程中,将闪锌矿粉碎至200目以下后,进行超声波清洗,基本可排除原生及次生包裹体的干扰(刘建明等,1998)。本次工作选择未见裂隙结晶较好的致密块状矿石为研究对象,且闪锌矿纯度高,采自同一矿体局部较小的范围内,最大程度满足了Rb-Sr同位素测年的前提条件。李文博等(2002) 提出可利用1/Sr-87Sr/86Sr图和1/Rb-87Rb/86Sr图判别闪锌矿生长期间87Sr/86Sr初始值是否保持不变,来判别所获数据的合理性。本次测试结果在1/Sr-87Sr/86Sr和1/Rb-87Rb/86Sr关系图解(图 5)中显示,不同闪锌矿单矿物样品的Rb、Sr含量不同,而87Sr/86Sr和87Rb/86Sr值则相对稳定,说明闪锌矿生长期间87Sr/86Sr初始值基本保持不变,因此该等时线年龄具有实际地质意义。
二里河铅锌矿床的闪锌矿Rb-Sr测年显示,主成矿作用发生于220.7±7.3Ma,即晚三叠世。Zhang et al.(2011) 获得的二里河矿区黄铁矿Re-Os等时线年龄为226±17Ma,虽然误差范围较大,但与本次工作测定结果基本上一致。如果二里河铅锌矿床为喷流沉积成因(Sedex),则其成矿时代应与赋矿的泥盆系地层一致。显然,矿石矿物的同位素测年研究结果不支持同生成因的认识,而指示其形成于后生成矿过程。
成矿地质特征也显示了矿床的后生成因,主要表现在以下几个方面:(1) 铅锌主矿体受八方山-二里河背斜控制,呈鞍状产于下部古道岭组灰岩与上部星红铺组千枚岩的接触带中,若是同生沉积成矿,则矿体不可能仅仅产在背斜核部。(2) 古道岭组生物灰岩之上出现多期的、顺层及切层的石英-硫化物脉,石英脉与灰岩的接触部位矿化和硅化均较强,这些广泛发育的石英-硫化物脉是后生热液成矿作用的最直接证据。主成矿阶段的闪锌矿中多见交代方解石形成的假象结构(图 3g),同样指示了后生热液交代作用的发育。(3) 各成矿阶段的闪锌矿、方铅矿等硫化物结晶程度高,粒度多为中粒,个别可达粗粒,而同生沉积铅锌矿床的硫化物矿物多为微细粒或隐晶质,这是由于中高温气液喷出海底与海水接触后迅速冷却,硫化物结晶往往较差,粒度小。(4) 围岩蚀变普遍发育,主要表现为矿体下盘灰岩的硅化、(铁)白云石化、褪色化、石墨化,矿体上盘千枚岩的硅化、(铁)白云石化、绢云母化及叶腊石化,在背斜核部的顶板处发育有斑点状的闪锌矿化,总体表现为由核部向两翼蚀变由强变弱,指示了围岩蚀变为构造变形过程中成矿流体充填交代的产物,而同生沉积铅锌矿床的上盘往往不发育围岩蚀变。
王瑞廷等(2011) 获得二里河矿区切穿矿体的闪长玢岩脉的La-ICP-MS锆石U-Pb年龄为214±2Ma,矿区内花岗斑岩脉年龄217.9±4.5Ma;Zhang et al.(2011) 获得切穿矿体的闪长玢岩脉SHRIMP锆石U-Pb年龄221±3Ma。张帆等(2009) 获得位于凤太矿集区东部的西坝岩体的二长花岗岩La-ICP-MS锆石U-Pb年龄为219±1Ma,花岗闪长岩为218±1Ma。冯建忠等(2003) 测得凤太矿集区八卦庙金矿床石英40Ar-39Ar等时线年龄为222.14±3.45Ma,毛景文(2001) ,Mao et al. (2002) 认为西秦岭地区造山型金矿床的形成与晚三叠世-中侏罗世期间扬子克拉通与华北克拉通及北秦岭的后碰撞过程密切相关。西秦岭地区花岗岩带主要形成于220~205Ma(孙卫东等,2000;陈衍景,2010)。上述成岩成矿年代学数据主要集中在230~200Ma,即晚三叠世,暗示了岩浆活动可能为成矿作用提供了流体和热源。在区域构造方面,二里河铅锌矿床所处的凤太矿集区位于南秦岭构造带,秦岭地区的碰撞造山作用主要发生于印支期的中-晚三叠世期间,而后转入陆内构造演化阶段(张国伟等, 2001, 2004)。凤太矿集区内各种构造样式与构造组合是以南北两条区域性断裂带的左行走滑运动为主导,在最大主压应力为NE向的局部构造应力场中形成的走滑双重构造系统,构造活动与成矿作用在时间和空间上相耦合(王义天等,2009)。上述区域构造演化特征暗示了印支期的构造活动为本区的成矿作用提供了成矿流体运移和就位的空间。总之,区域构造演化、岩浆活动和成矿作用在时间和空间上的一致性表明,凤太矿集区在印支期经历了强烈的构造-岩浆-成矿作用过程,二里河铅锌矿床正是这一区域性地质事件的产物之一。
5.2 成矿物质来源研究表明,海相碳酸盐岩化学风化的锶初始87Sr/86Sr值为0.708±0.001,现代海水平均87Sr/86Sr值为0.7093±0.0005(尹观,1988),古生代海洋的锶87Sr/86Sr值为0.70675(孙省利,2001),二里河铅锌矿床闪锌矿87Sr/86Sr初始比值为0.714145±0.000031(图 4),明显高于上述与海相有关的锶初始比值,暗示其来源与海相沉积过程关系不大。大陆地壳锶同位素87Sr/86Sr平均值为0.7190(孙省利,2001),二里河铅锌矿床闪锌矿的87Sr/86Sr初始比值与其基本一致,具有富放射性成因锶的特征。因此,二里河铅锌矿床的成矿物质可能主要来源于大陆壳。
5.3 地质意义二里河铅锌矿床是凤太矿集区中一个代表性的大型铅锌矿,其成矿特征与矿集区内其他铅锌矿床具有相似性(如铅硐山、银洞梁、银母寺等)。如赋矿地层和围岩岩性一致,矿体产出特征相似,均产于背斜鞍部及两翼,矿石矿物均以富闪锌矿为特征,矿石结构构造相似,围岩蚀变特征相似,以硅化和铁白云石化为主。因此,本次所获得的二里河铅锌矿床的成矿年龄对于整个凤太矿集区的铅锌成矿时代具有同样的约束意义。此外,厘定了成矿作用发生于印支期,对于今后在凤太矿集区中的找矿方向具有一定理论指导意义,即印支期形成的地质构造、岩浆岩以及热液活动产物是在勘查工作部署时首要考虑的因素。
6 结论陕西省凤太矿集区二里河铅锌矿床主成矿阶段的闪锌矿Rb-Sr同位素等时线年龄为220.7±7.3Ma,指示其成矿时代为晚三叠世,该年龄对于整个凤太矿集区的铅锌成矿时代具有同样约束意义。闪锌矿的87Rb/86Sr初始比值为0.714145±0.000031,指示成矿物质可能主要来源于大陆壳。二里河铅锌矿床是凤太矿集区在印支期区域性强烈的构造-岩浆-成矿作用过程中的产物。
致谢 西北有色地质勘查局717总队和二里河铅锌矿的有关领导和技术人员在野外工作期间给予了大力支持和帮助;两位审稿人对文章提出宝贵的意见和建议;在此一并致谢![] | Chen YJ. 2010. Indosinian tectonic setting, magmatism and metallogenesis in Qinling Orogen, central China. Geology in China, 37(4): 854–865. |
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