2021, Vol. 37
2. 中国地质调查局国际矿业研究中心, 北京 100037;
3. 中国地质调查局发展研究中心, 北京 100037;
4. 自然资源部矿产勘查技术指导中心, 北京 100034;
5. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;
6. 西乌珠穆沁旗银漫矿业有限责任公司, 西乌珠穆沁旗 026200
2. International Mining Research Center, China Geological Survey, Beijing 100037, China;
3. Development and Research Centre, China Geological Survey, Beijing 100037, China;
4. Mineral Exploration Technical Guidance Center, Ministry of Natural Resources, Beijing 100034, China;
5. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
6. Yinman Mining Co., Ltd, Xi Ujimqin Banner 026200, China
关于W、Sn矿床金属元素分带的成因研究一直是矿床学领域的重要课题(Burnham and Ohmoto, 1980；Willis-Richards and Jackson, 1989；Candela, 1992；Yuan et al., 2008, 2011, 2018, 2019)。对此问题的研究不仅有助于理解岩浆-热液成矿过程中W、Sn、Pb-Zn等金属元素的地球化学行为(袁顺达和赵盼捞，2021)，探讨不同成矿作用类型之间的内在联系(Audétat et al., 2000；Wolf et al., 2015；Zhai et al., 2017)，而且对于找矿勘查工作亦具有十分重要的理论指导意义。
大兴安岭南段是我国重要的Pb-Zn、Ag、Cu、Sn多金属成矿带(王京彬等，2005；江思宏等，2012；毛景文等, 2013, 2018；王玉往等，2014；Ouyang et al., 2015；Zhai et al., 2018；Mao et al., 2019)。近年来，区内相继发现了白音查干和维拉斯托两个大型Sn多金属矿床，新增Sn资源储量超过30万吨(姚磊等，2018)，实现了大兴安岭地区Sn矿找矿的重大突破。前人研究认为，区内的Sn多金属矿床主要集中于林西-甘珠尔庙多金属矿集区，而Ag-Pb-Zn矿床则主要分布于相邻的锡林浩特-霍林郭勒多金属矿集区。因此，长期以来，大兴安岭南段的Sn矿找矿工作一直以林西-甘珠尔庙多金属矿集区为重点，但多年来始终没有取得较大的突破。然而，与以往不同的是，取得重大突破的白音查干和维拉斯托矿床却位于以Ag-Pb-Zn矿化为主的锡林浩特-霍林郭勒多金属矿集区，尤其是他们均发现于已探明的大型Ag-Pb-Zn矿床的外围及深部(姚磊等, 2017, 2018)，显示出大规模Ag-Pb-Zn成矿作用与大规模Sn成矿作用之间密切的联系。但是，前人对锡林浩特-霍林郭勒多金属矿集区Sn成矿作用的研究相对较少，关于上述两类成矿作用之间关系的研究一直较为薄弱。因此，大兴安岭南段锡林浩特-霍林郭勒多金属矿集区大规模Ag-Pb-Zn成矿作用与大规模Sn成矿作用之间的关系已成为亟待解决的重要科学问题。
白音查干矿床位于大兴安岭南段锡林浩特-霍林郭勒多金属矿集区，矿床Sn、Zn、Ag金属量均达到大型规模。由于是新发现，目前仅在矿床地质、岩石学、矿物学等方面取得了一些认识(赵战锋，2016；刘新等, 2017a, b ；姚磊等，2017；李真真等，2020)，但是关于Sn与Ag-Pb-Zn成矿作用的关系尚不清楚。因此，本文选择白音查干矿床为研究对象，通过开展矿床地质、萤石和石英斑岩Sr-Nd同位素、硫化物S-Pb同位素和原位S同位素地球化学特征研究，探讨该矿床大规模Sn成矿作用与Ag-Pb-Zn成矿作用之间的关系，以期为大兴安岭南段Sn矿床成矿规律总结和区域找矿预测工作提供依据。
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表 1 白音查干矿床石英斑岩和萤石的Sr-Nd同位素组成 Table 1 Sr-Nd isotopic compositions of the quartz porphyry and fluorite from the Baiyinchagan deposit |
大兴安岭南段位于中亚造山带东段的兴蒙造山带，其范围北至二连-贺根山断裂，南至西拉木伦断裂，东至嫩江断裂(图 1a)。该区在地质历史上主要经历了古生代-三叠纪古亚洲洋和中生代蒙古-鄂霍茨克洋消减以及古太平洋板块演化的影响(Wu et al., 2011；Xu et al., 2013；Ouyang et al., 2015；Liu et al., 2020)，形成了大量的岩浆岩和与之有关的多金属矿床。区内最老的地层被认为是一套由黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、斜长角闪片岩等组成的中-高级变质岩系(Shi et al., 2003)，被称为“锡林郭勒杂岩”。奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系主要为浅变质碎屑岩夹火山岩、灰岩以及火山岩。二叠系为一套火山-沉积建造，呈北东向展布，主要有寿山沟组滨海相砂、板岩，大石寨组细碧岩、角斑岩及凝灰岩，哲斯组砂砾岩、硅质岩、粉砂岩等。侏罗系-白垩系主要以火山岩、碎屑岩为主，主要有满克头鄂博组流纹岩、凝灰岩，玛尼吐组凝灰岩、流纹岩、安山岩等，白音高老组凝灰质砂岩、流纹安山岩、流纹岩等，梅勒图组安山岩、玄武岩等。米生庙复背斜和NE、NW和EW向断裂是区内的主要构造。其中，NE向构造控制了本区晚中生代岩浆活动；NW、NEE、NNE向断裂控制了大多数多金属矿床的分布(盛继福等，1999)。区内花岗质岩石广泛发育，呈近NE向展布，岩性主要包括花岗闪长岩、二长花岗岩、碱性花岗岩、正长花岗岩、花岗斑岩以及石英斑岩等。Ouyang et al.(2015)根据大量成岩年代学数据，将区内花岗质岩石成岩时代划分为石炭纪(328~298Ma)、早-中二叠世(286~262Ma)、早-中三叠世(255~220Ma)、早-中侏罗世(184~160Ma)和晚侏罗-早白垩世(155~120Ma)。其中，晚侏罗世-早白垩世岩浆作用主要与区内Sn、Cu、Pb-Zn成矿作用关系密切(吕志成等，2000；陈公正等，2018；刘瑞麟等，2018)。大兴安岭南段晚中生代火山活动主要发生于中侏罗世-早白垩世(吕志成等，2004；Ying et al., 2010；Xu et al., 2013)，主要岩性包括玄武岩、玄武质安山岩、安山岩、英安岩等。
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图 1 大兴安岭南段大地构造位置(a)及地质矿产简图(b)(据Ouyang et al., 2015修改) Fig. 1 Sketch map showing the location of southern Great Xing'an Range (a) and main types of mineral deposits (b) (modified after Ouyang et al., 2015) |
大兴安岭南段是我国重要的多金属成矿带之一，可划分为4个矿集区，即锡林浩特-霍林郭勒Ag多金属矿集区、林西-甘珠尔庙Sn-Cu多金属矿集区、天山Mo多金属矿集区和突泉Cu多金属矿集区(图 1b)。其中，Sn多金属矿床主要与早白垩世花岗质岩石关系密切(Ouyang et al., 2015)。目前，区内Sn储量达到中型及以上的矿床主要分布于林西-甘珠尔庙Sn-Cu多金属矿集区，以黄岗、安乐、大井等矿床为代表；其次为锡林浩特-霍林郭勒Ag多金属矿集区，代表性矿床为白音查干、维拉斯托和毛登。
2 矿床地质矿区出露地层主要有下二叠统大石寨组、下白垩统大磨拐河组以及第四系全新统(图 2a)。下二叠统大石寨组在矿区分布广泛，岩性主要为凝灰质粉砂岩、安山质凝灰岩、安山岩、玄武岩和流纹岩等，是矿床的主要赋矿围岩。该组地层总体走向NE，倾向NW，倾角40°~70°，与上覆下白垩统大磨拐河组呈不整合接触。下白垩统大磨拐河组岩性主要为砾岩和砂岩，厚度约300m，主要分布于矿区西南部。矿区控岩构造主要呈NE向，与区域控岩构造基本一致；控矿构造主要呈NE向或近EW向，可分为F1、F3和F4断裂(图 2a)。其中，F1断裂带位于矿区中部，总体走向NE，倾向NW，倾角52°~75°。矿区石英斑岩与成矿关系密切，多分布于矿区南部，呈岩株、岩枝状侵位于下二叠统大石寨组中。岩石多呈浅灰色，斑状结构，主要由石英、碱性长石等组成，副矿物主要为锆石、金红石、磷钇矿等。斑晶以石英为主，可见熔蚀结构和港湾状结构；基质主要为石英和碱性长石等。此外，石英斑岩中发育由闪锌矿(10%~60%)+萤石(20%~60%)+电气石(5%~10%)±方铅矿(5%~15%)±黄铁矿(~5%)等组成的矿物集合体(以下统称“Zn-F-B集合体”)(图 3a，b)，部分具流动性特点。“Zn-F-B集合体”常呈椭圆形或圆形独立产出，与岩体界线截然(图 3a)。
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图 2 白音查干矿床矿区地质图(a)及剖面图(b、c)(据山东地质矿产勘查开发局第六地质大队，2014①；姚磊等，2017修改) Fig. 2 Geological sketch map (a) and cross-sections (b, c) of the Baiyinchagan deposit |
① 山东地质矿产勘查开发局第六地质大队. 2014. 内蒙古自治区西乌珠穆沁旗白音查干东山矿区铜铅锡银锌矿补充勘探报告
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图 3 白音查干矿床石英斑岩和主要热液脉的手标本(a、c-e、g、i、k)、单偏光(b、l)、背散射(f、h)及反射光(j)照片 (a、b)石英斑岩中的“Zn-F-B集合体”；(c、f)石英斑岩中的脉状及浸染状锡矿化；(d)凝灰质粉砂岩中的1型脉；(e、h)凝灰质粉砂岩中的2型脉；(g、j)3型脉；(i、l)4型脉；(k)5型脉切穿4型脉. Cas-锡石；Fl-萤石；Tur-电气石；Spl-闪锌矿；Cpy-黄铜矿；Py-黄铁矿；Apy-毒砂；Plg-斜硫锑铅矿；Sta-黝锡矿；Tet-黝铜矿；Q-石英；Zr-锆石；Mnz-独居石；Rt-金红石 Fig. 3 Representative photographs (a, c-e, g, i, k) and photomicrographs of (b, f, l, h, j) of quartz porphyry and veinlets from the Baiyinchagan deposit (a, b) sphalerite+fluorite+tourmaline aggregates in quartz porphyry; (c, f) veinlets and disseminated Sn mineralization in quartz porphyry; (d) type-1 veinlets in Tuffaceous siltstone; (e, h) type-2 veinlets in Tuffaceous siltstone; (g, j) type-3 veinlets; (i, l) type-4 veinlets in Tuffaceous siltstone; (k) type-5 veinlets cross-cut by type-4 veinlets. Mineral abbreviations: Cas-cassiterite; Fl-fluorite; Tur-tourmaline; Spl-sphalerite; Cpy-chalcopyrite; Py-pyrite; Apy-arsenopyrite; Q-quartz; Plg-plagionite; Sta-stannite; Tet-tetrahedrite; Zr-zircon; Mnz-monazite; Rt-rutile |
矿区目前分为Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅳ区，其中，Ⅰ区和Ⅳ区分别位于矿区西部和北部，主要以Ag-Pb-Zn矿体为主；Ⅲ区位于矿区中部，主要为Sn-Cu-Zn-Ag矿体(图 3a)。Ⅰ区和IV区圈定Ag-Pb-Zn矿体105个，以Zn、Ag为主，主要产于凝灰质粉砂岩中以及凝灰质粉砂岩与石英斑岩的接触带附近(图 3c)，其中，Ⅰ-2和Ⅰ-4号矿体最为重要。Ⅰ-2号矿体埋深11~209m，倾向340°~346°，倾角45°~73°，平均真厚度5.70m，Zn、Pb、Ag平均品位分别为3.17%、1.43%、198.43g/t。Ⅲ区圈定Sn-Cu-Zn-Ag矿体109个，主要受F3断裂控制，产于石英斑岩与凝灰质粉砂岩的接触带附近以及石英斑岩体中(图 3b)，呈近EW向展布，其中，Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3、Ⅲ-4、Ⅲ-5、Ⅲ-6及Ⅲ-7号为主要矿体。Ⅲ-1号矿体埋深45~364m，倾向349°~359°，倾角53°~76°，呈脉状产于凝灰质粉砂岩与石英斑岩接触带及其附近。矿体平均真厚度3.44m，Zn、Cu、Ag、Sn平均品位分别为2.77%、0.576%、244.12g/t、0.480%(山东地质矿产勘查开发局第六地质大队, 2014)。从矿石品位特征来看，Ⅲ区以Sn矿化为主的矿体往往与以Zn矿化为主的矿体呈相对独立产出或相伴产出的关系(图 2b)。
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图 4 白音查干矿床热液角砾岩手标本及镜下特征 (a)含凝灰质粉砂岩和石英斑岩角砾的Ⅰ型角砾岩；(b)含凝灰质粉砂岩角砾和萤石、电气石、石英等胶结物的Ⅱ型角砾岩；(c、f)含凝灰质粉砂岩角砾和锡石、电气石、萤石等胶结物的Ⅲ型角砾岩；(d)含凝灰质粉砂岩角砾及闪锌矿等胶结物的IV型角砾岩；(e)含凝灰质粉砂岩角砾和黄铁矿等胶结物的V型角砾岩 Fig. 4 Representative photographs and microphotographs of hydrothermal breccias from the Baiyinchagan deposit (a) type-I breccia consisting of quartz porphyry and tuffaceous siltstone clasts; (b) type-II breccia containing fragments of tuffaceous siltstone and cement material of fluorite, tourmaline and quartz; (c, f) type-Ⅲ breccia consisting of tuffaceous siltstone clasts and cement materials of cassiterite, fluorite and tourmaline; (d) type-IV breccia composed of tuffaceous siltstone fragments and sphalerite, fluorite and tourmaline; (e) type-V breccia with tuffaceous siltstone fragments and sulfide matrix dominated by pyrite |
根据金属元素组合可将矿床的矿石类型划分为Sn矿石和Ag-Pb-Zn矿石。Sn矿石中的金属矿物以锡石为主，其次为黄铜矿、闪锌矿、毒砂、黄铁矿等；非金属矿物主要有石英、萤石、电气石等(图 3c, e、图 4c)。Ag-Pb-Zn矿石中的金属矿物主要以闪锌矿为主，其次为黄铁矿、方铅矿等(图 3i, k, l、图 4d)；非金属矿物主要有石英、电气石、萤石等。其中，萤石、电气石在两类矿石中广泛发育，几乎贯穿了整个成矿作用过程(图 3、图 4)。矿石矿物的结构主要有半自形-他形粒状结构、交代结构、环带状结构和胶状结构等；矿石构造有脉状、角砾状、条带状以及浸染状构造等。矿床热液脉和热液角砾岩分布广泛，具有多期多阶段的特点。
根据穿插关系和矿物组合，可将矿床热液脉划分为6种类型。1型热液脉分布于Ⅲ区，主要产于石英斑岩中，其次为凝灰质粉砂岩(图 3d)；主要由萤石(75%~80%)+石英(5%~10%)+电气石(10%~15%)±锡石±黝锡矿±黝铜矿±闪锌矿±黄铁矿组成。2型热液脉分布于Ⅲ区，主要产于石英斑岩或距离其100~200m的凝灰质粉砂岩中，矿物组合为石英(30%~80%)+锡石(10%~45%)+萤石(5%~10%)+电气石(5%~15%)±黄铁矿±闪锌矿±银黝铜矿(图 3e, h)。3型热液脉分布于Ⅲ区，主要产于石英斑岩体内，由黄铜矿(25%~40%)+萤石(20%~25%)+电气石(25%~50%)±石英±黝锡矿±银黝铜矿±黄铁矿±闪锌矿±毒砂±黝铜矿组成(图 3g, j)。4型热液脉主要产于Ⅰ区凝灰质粉砂岩中，部分产于石英斑岩中，主要由闪锌矿(30%~80%)+黄铁矿(5%~40%)+石英(10%~30%)+电气石(~10%)±萤石(~10%)±方铅矿组成(图 3i, l)。5型热液脉主要产于Ⅰ区凝灰质粉砂岩中，主要由黄铁矿(~90%)+石英(~10%)±电气石±方铅矿±闪锌矿组成(图 3k)。6型热液脉分布于Ⅰ区凝灰质粉砂岩中，主要由石英、辉锑矿、黄铁矿等组成。
根据胶结物矿物组合(Sillitoe, 1985)，可将矿床热液角砾岩划分为5种类型。Ⅰ型角砾岩发育于Ⅰ区、Ⅲ区的石英斑岩与凝灰质粉砂岩的接触带，胶结物为石英、绢云母、碳酸盐矿物等；角砾为石英斑岩及凝灰质粉砂岩(图 4a)。Ⅱ型角砾岩多见于Ⅲ区，主要发育于距离石英斑岩约200m以上的凝灰质粉砂岩中，胶结物为萤石(40%~80%)+电气石(5%~15%)+石英(10%~30%)±锡石±碳酸盐±黄铁矿±黝锡矿±黄铜矿±闪锌矿；角砾为凝灰质粉砂岩(图 4b)。Ⅲ型角砾岩分布于Ⅲ区，主要产于石英斑岩体中或距离岩体100~200m的凝灰质粉砂岩中，胶结物为锡石(20%~60%)+石英(20%~70%)+萤石(10%~45%)+电气石(5%~10%)±黄铜矿±闪锌矿±毒砂±黄铁矿；角砾以凝灰质粉砂岩为主，其次为石英斑岩(图 4c, f)。IV型角砾岩见于Ⅰ区，产于凝灰质粉砂岩与石英斑岩的接触带；胶结物为闪锌矿(40%~45%)+黄铁矿(5%~10%)+石英(25%~30%)+电气石(~5%)+萤石(~5%)±黄铁矿±方铅矿；角砾为凝灰质粉砂岩(图 4d)。V型角砾岩分布于Ⅰ区，产于凝灰质粉砂岩与石英斑岩的接触带，胶结物为黄铁矿(25%~75%)+石英(10%~45%)+闪锌矿(5%~15%)±电气石±辉锑矿；角砾为凝灰质粉砂岩(图 4e)。
根据矿物组合和穿插关系可将矿床的成矿作用过程划分为5个主要阶段。(1)石英-绢云母阶段：主要以面状蚀变为主，主要矿物包括石英、绢云母、碳酸盐矿物等，发育以石英-绢云母等为胶结物的Ⅰ型角砾岩。(2)石英-萤石-电气石阶段：以萤石、电气石、石英等非金属矿物为主，金属矿物为少量的锡石及闪锌矿等硫化物，发育以萤石-电气石及少量硫化物为胶结物的Ⅱ型角砾岩，以及具有相似矿物组合的1型热液脉。(3)锡石氧化物阶段：金属矿物主要以锡石为主，其次为少量闪锌矿、银黝铜矿等，非金属矿物主要有石英、萤石、电气石等，发育含有锡石-电气石-萤石矿物组合的Ⅲ型角砾岩和2型热液脉。(4)多金属硫化物阶段：可分为黄铜矿(银黝铜矿)亚阶段、闪锌矿-黄铁矿亚阶段、辉锑矿亚阶段。其中，黄铜矿(银黝铜矿)亚阶段的金属矿物主要为黄铜矿，其次为黝锡矿、银黝铜矿、黄铁矿、闪锌矿、毒砂、黝铜矿等；非金属矿物主要为萤石、电气石，其次为石英，发育由黄铜矿-萤石-电气石组成的3型热液脉。闪锌矿-黄铁矿亚阶段的金属矿物以闪锌矿、黄铁矿为主，偶见少量辉锑矿；非金属矿物主要以石英、电气石、萤石为主，发育4型、5型热液脉和IV型、V型角砾岩。辉锑矿亚阶段的金属矿物主要为辉锑矿及少量黄铁矿；非金属矿物主要为石英，发育含有黄铁矿-石英等矿物的6型热液脉。(5)石英-高岭石阶段，主要矿物为高岭石和石英。矿床矿化蚀变较为发育，与成矿有关的蚀变主要包括硅化、电气石化、萤石化。一般来说，石英斑岩蚀变程度相对最高，而凝灰质粉砂岩的蚀变程度则相对较低且以弱的硅化及绢云母化蚀变为主。
3 样品特征及分析方法 3.1 样品特征石英斑岩、萤石以及硫化物样品采自矿床I、Ⅲ区井下不同中段以及I-3ZK7、I-4ZK15、Ⅲ-4ZK6和Ⅲ-4ZK06-7等钻孔。其中，石英斑岩样品采自Sn-Cu-Zn-Ag矿体和Pb-Zn-Ag矿体附近。萤石样品采自“Zn-F-B集合体”、1至5型热液脉、Ⅱ型角砾岩和Ⅲ型角砾岩中，主要以他形为主，多与锡石、硫化物、电气石、石英等共生。硫化物样品主要采自“Zn-F-B集合体”、2型脉、4型脉、Ⅲ型角砾岩、IV型角砾岩中，呈半自形-他形结构，部分可见环带状结构，主要与锡石、电气石、萤石、石英等共生。
3.2 分析方法 3.2.1 Sr-Nd同位素分析石英斑岩全岩的Sr-Nd同位素分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。使用仪器为美国ThermoFisher固体同位素质谱仪(TIMS)，型号为TRITON TI。将石英斑岩样品研磨成200目粉末后，使用HClO4和HF进行溶解，并进行Sm和Nd的分离和纯化，进而开展质谱测定。Sr和Nd的同位素分馏分别采用87Sr/86Sr=0.1194和143Nd/144Nd=0.7219校正。NBS987和Jndi-1分别作为Sr和Nd同位素测试的标样。Rb-Sr和Sm-Nd全流程空白本底分别约为1×10-10g和5×10-11g。
萤石单矿物Sr-Nd同位素测试在中国科学技术大学金属稳定同位素地球化学实验室完成，使用仪器为多接收等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)，型号为Neptune plus。将萤石单矿物颗粒研磨至200目粉末后，在Teflon高温熔样胆中先后使用HClO4和HF进行溶解，随后使用含有AG50W-X12交换树脂的石英交换柱进行Sm和Nd的分离和纯化。样品在MAT-626固体热电离质谱仪上完成，国际标样NBS987和La Jolla作为监控样。
3.2.2 单矿物及原位S同位素分析选择典型的黄铁矿、方铅矿、黄铜矿、毒砂以及辉锑矿等硫化物进行单矿物挑选，并研磨至200目左右的粉末。之后，在2.0×10-2Pa和980℃的状态下加热，生成二氧化硫气体，进而对S同位素组成进行分析，具体实验流程可参照《硫化物中硫同位素组成的测定》(DZ/T 0184.14—1997)。实验在核工业北京地质研究院分析测试中心完成，使用的仪器为Delta v plus气体同位素质谱计，分析精度优于±2%，测量结果以V-CDT为标准，记为δSV-CDT34。
原位S同位素分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。激光剥蚀系统为瑞索公司制造的ResolutionS-155；多接收等离子体质谱仪MC-ICP-MS型号为Nu Plasma II。激光波长193nm，激光束斑直径为23μm，剥蚀频率5Hz，剥蚀40秒；载气为高纯He气；标样为国际硫化物标样NBS-123闪锌矿和实验室内部标样WS-1黄铁矿。采用外标校正法(SSB法)计算获得δ34S值，并采用WS-1和NBS-123标样进行校正。
3.2.3 单矿物Pb同位素分析Pb同位素分析分别使用核工业北京地质研究院分析测试中心ISOPROBE-T热电离质谱仪(样品BY-25、BY-40、BY-301、BY-I-04、BY-58-1)和南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室Finnigan公司的Triton T1型表面热电离质谱仪(样品BY-246、BY-88、BY-047、BY-048)完成。选择典型的黄铁矿、黄铜矿、方铅矿和闪锌矿等硫化物研磨至200目，之后使用浓HF酸进行溶解。Pb同位素纯化通过离子交换技术进行，同位素比值在多接收等离子质谱仪测定完成。铊(Tl)元素用来做内标。核工业北京地质研究院分析测试中心和南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室分别使用NBS981标样和NIST SRM981标样进行校正。
4 分析结果 4.1 Sr-Nd同位素分析结果石英斑岩全岩和萤石单矿物样品的Sr-Nd同位素分析及计算结果见表 1。(87Sr/86Sr)i和εNd(t)值等分别以姚磊等(2017)获得的锆石U-Pb年龄(按140Ma)基础上进行计算。
4.1.1 石英斑岩Sr-Nd同位素组成8件石英斑岩普遍含有较高含量的Rb(219.1×10-6~799.2×10-6)和Sr(12.1×10-6~61.4×10-6)，而且所测样品均具有较高的87Rb/86Sr值(20.0~72.8)，说明石英斑岩样品在形成后可能受到某些因素的影响，导致Sr同位素体系变为开放体系。因此，所测得的Sr同位素初始值数据不可使用。样品的Nd和Sm含量范围分别为9.1×10-6~34.9×10-6和2.4×10-6~9.6×10-6，Nd同位素初始值(143Nd/144Nd)i范围为0.512644~0.512754，εNd(t)范围为+3.6~+5.8。
4.1.2 萤石Sr-Nd同位素组成“Zn-F-B集合体”中的萤石(87Sr/86Sr)i值为0.706555；(143Nd/144Nd)i值为0.512688，εNd(t)值为+4.5。1型脉中的萤石(87Sr/86Sr)i值为0.708488；(143Nd/144Nd)i值为0.512780，εNd(t)值为+6.3。2型脉中的萤石(87Sr/86Sr)i和(143Nd/144Nd)i值范围分别为0.706889~0.706994和0.512729~0.512584，εNd(t)值为+2.5~+5.3。3型脉中的萤石(87Sr/86Sr)i值为0.706663~0.707041；(143Nd/144Nd)i值范围为0.512577~0.512646，εNd(t)值为+2.3~+3.7。4型脉中的萤石(87Sr/86Sr)i值为0.707887；(143Nd/144Nd)i值范围为0.512571，εNd(t)值为+2.2。5型脉中的萤石(87Sr/86Sr)i值为0.707246；(143Nd/144Nd)i值和εNd(t)值分别为0.512468和+0.2。Ⅱ型角砾岩中的萤石(87Sr/86Sr)i值范围为0.706771~0.706905；(143Nd/144Nd)i值范围为0.512665~512729，εNd(t)值为+4.0~+5.3。Ⅲ型角砾岩中的萤石(87Sr/86Sr)i和(143Nd/144Nd)i值分别为0.707104和0.512566，εNd(t)值为+2.1。
4.2 单矿物及原位S同位素分析结果 4.2.1 单矿物S同位素特征对白音查干矿床I和Ⅲ矿区矿石中的硫化物开展了29件单矿物S同位素分析(表 2)，结果显示：Ⅰ区Ag-Pb-Zn矿石中的黄铁矿、闪锌矿、辉锑矿和方铅矿δ34S范围在-13.9‰~-4.8‰之间，平均为-9.0‰；Ⅲ区Sn矿石中的毒砂、黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、辉锑矿、闪锌矿δ34S范围在-12.5‰~-5.3‰，平均为-7.3‰(图 5a)。
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表 2 白音查干矿床硫化物单矿物S同位素组成 Table 2 S isotopic compositions of sulfides from the Baiyinchagan deposit |
闪锌矿原位S同位素分析结果(表 3)显示，Ⅰ区闪锌矿与石英斑岩“Zn-F-B集合体”中的闪锌矿具有相近的δ34S值范围。其中Ⅰ区闪锌矿脉中的闪锌矿δ34S值范围在-12.4‰~-7.3‰，平均为-9.2‰。“Zn-F-B集合体”中的闪锌矿δ34S值范围为-10.6‰~-9.0‰，变化范围不大。总体上，单颗粒硫化物由核部至边部，δ34S值变化范围较小，显示出较为均一的特征(图 5b、图 6)。
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表 3 白音查干矿床闪锌矿原位S同位素组成 Table 3 In-situ S isotopic compositions of sphalerite from the Baiyinchagan deposit |
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图 5 白音查干矿床硫化物单矿物(a)和原位(b)δ34S值直方图 Fig. 5 Histograms of δ34S values of single minerals (a) and in-situ sulfides (b) in the Baiyinchagan deposit |
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图 6 白音查干矿床闪锌矿样品原位硫同位素测试点位及对应的δ34S值 Fig. 6 In-situ S sulfur isotopic analyses results and measured spots of sphalerites from the Baiyinchagan deposit |
石英斑岩和硫化物Pb同位素分析结果见表 4。Ⅰ区闪锌矿及方铅矿样品的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb值变化范围较小，分别为18.177~18.200、15.519~15.531和37.985~38.053。Ⅲ区花岗斑岩全岩样品的206Pb/204Pb为18.206~18.235，207Pb/204Pb为15.529~15.530，208Pb/204Pb为38.025~38.036。
5 讨论 5.1 “Zn-F-B集合体”成因初探“Zn-F-B集合体”常呈椭圆形或圆形产出，与岩体界线截然(图 3a)，主要由闪锌矿(10%~60%)+萤石(20%~60%)+电气石(5%~10%)±方铅矿(5%~15%)±黄铁矿(~5%)等组成。Sr-Nd同位素分析结果显示，“Zn-F-B集合体”中萤石的(143Nd/144Nd)i(0.512688)和εNd(t)值(+4.5)与石英斑岩的(143Nd/144Nd)i(平均值为0.512708)和εNd(t)值(平均值为+4.9)相接近(表 1)。而且，这些萤石具有较高的稀土总量、轻稀土富集、重稀土亏损和强烈的负δEu异常的特点，与石英斑岩的稀土元素组成基本一致(姚磊，2018)，说明“Zn-F-B集合体”与石英斑岩具有密切的成因联系。这些特征与骑田岭Sn矿床黄玉流纹岩中形成于岩浆结晶晚期半封闭状态下的“Sn-Ti-F集合体”特征相近(Xie et al., 2015)，暗示白音查干“Zn-F-B集合体”可能形成于石英斑岩岩浆结晶晚期半封闭状态下的不混溶流体中。
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图 7 白音查干矿床萤石(87Sr/86Sr)i-εNd(t)图解 数据来源：锡林郭勒杂岩体(刘建峰，2009)；中-晚侏罗世花岗质岩石(Liu et al., 2005)；早白垩世花岗质岩石(王一先和赵振华，1997；Liu et al., 2005；Guo et al., 2009, 2010；周漪等，2011；Zhou et al., 2012；Ma et al., 2013；Zeng et al., 2014；Shu et al., 2014; Ouyang et al., 2015) Fig. 7 Diagram of (87Sr/86Sr)i vs. εNd(t) of the fluorite at Baiyinchagan Data sources: the Xilin Gol Complex from Liu (2009); the Middle-Late Jurassic granitic rocks from Liu et al. (2005); the Early Cretaceous granitic rocks are from Wang and Zhao (1997), Liu et al. (2005), Guo et al.(2009, 2010), Zhou et al. (2011), Zhou et al. (2012), Ma et al. (2013), Zeng et al. (2014), Shu et al. (2014), Ouyang et al. (2015) |
岩相学特征显示，白音查干矿床石英斑岩具有斑状结构，呈岩株、岩枝状产出，并且在其顶部发育有由萤石、电气石等富含挥发份矿物胶结的热液角砾岩(图 4)，说明石英斑岩岩浆在侵入过程中可能经历了快速减压和降温等过程。矿物学特征显示，“Zn-F-B集合体”主要由金属硫化物和富挥发份矿物等组成，其核部为紫色或绿色萤石，边部为放射状、针状电气石(图 3b)；闪锌矿等金属硫化物矿物主要分布在中部或者沿边部充填环包萤石，说明“Zn-F-B集合体”在形成过程中，针状电气石先结晶，金属硫化物和萤石结晶相对较晚。针状结构电气石的最先结晶可能反映出环境温度、压力的快速降低，而这可能是导致“Zn-F-B集合体”结晶的重要因素。研究表明，在岩浆结晶过程中的半封闭状态下，岩体快速就位带来的温度、压力的降低是导致不混溶流体结晶的重要因素(Manning, 1981；Dingwell, 1988；Veksler, 2004；Xie et al., 2015)。因此，综合矿床地质、矿物学、萤石Sr-Nd同位素组成等特征，本文初步认为“Zn-F-B集合体”可能为石英斑岩岩浆结晶晚期的产物，形成于强烈富集F、B、S、Zn等元素的不混溶流体中。
5.2 成矿流体来源萤石具有较低的87Rb/86Sr比值，其(143Nd/144Nd)i和(87Sr/86Sr)i值常被用来与区域岩浆岩进行对比，示踪其流体来源(Simonetti and Bell, 1995; Sallet et al., 2005；Xu et al., 2012)。地质特征显示，萤石几乎贯穿了白音查干矿床Sn成矿作用和Ag-Pb-Zn成矿作用的整个过程(图 3、图 4)。因此，对其开展Sr-Nd同位素分析，对于查明矿床成矿流体来源具有重要指示意义。Sr-Nd同位素组成显示，“Zn-F-B集合体”中的萤石和各成矿阶段的萤石样品均具有相近的(87Sr/86Sr)i值(0.706555~0.708488，平均为0.707123)、(143Nd/144Nd)i值(0.512468~0.512780，平均为0.512634)和εNd(t)值(+0.2~+6.3，平均为+3.4)范围(表 1)，而且绝大多数样品均投点于大兴安岭南段早白垩世花岗质岩石范围内(图 7)，而与中、晚侏罗世花岗质岩石和锡林郭勒杂岩体明显不同(图 7)。此外，这些萤石的εNd(t)值范围与区内早白垩世维拉斯托Sn-Cu矿床(+1.10~+3.75；Zhang et al., 2019)、黄岗梁Fe-Sn矿床(-0.8~+0.9；Zhou et al., 2012)成矿岩体的εNd(t)值范围相近，说明这些萤石应形成于同一热液体系，而且与区域早白垩世成岩成矿作用关系密切。由表 1可知，白音查干矿床石英斑岩的(143Nd/144Nd)i值范围为0.512644~0.512754，εNd(t)值为+3.6~+5.8，与矿区萤石的(143Nd/144Nd)i值和εNd(t)值范围基本一致，说明白音查干矿床各成矿期次的萤石与石英斑岩均具有密切的成因联系。
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表 4 白音查干矿床闪锌矿和石英斑岩的Pb同位素组成 Table 4 Pb isotopic compositions of sphalerite and quartz porphyry from the Baiyinchagan deposit |
地质特征显示，石英斑岩发育不同程度的电气石化、萤石化、绢云母化及硅化等蚀变。在空间上，石英斑岩由深部至浅部，蚀变强度逐渐加深，蚀变矿物组合主要表现为绢云母+电气石+萤石→锡石+电气石+独居石+金红石+萤石→绢云母+石英+萤石+电气石。矿物学特征显示，与Sn成矿作用和Ag-Pb-Zn成矿作用有关的热液脉及热液角砾岩胶结物中的矿物组合与石英斑岩蚀变矿物组合基本一致(图 3、图 4)，说明石英斑岩岩浆可能提供了大量的成矿流体。矿床Ⅰ区和Ⅲ区广泛发育有热液角砾岩，由石英斑岩至围岩，角砾化逐渐变弱，表现为角砾含量逐渐增高而胶结物含量逐渐变少的现象，这与世界上其他与斑岩有关的热液角砾岩的特点基本一致(Sillitoe, 1985)。矿物学特征显示，石英斑岩中的石英具有明显的港湾状构造，而且岩体中发育有由闪锌矿+方铅矿+电气石+萤石等组成的“Zn-F-B集合体”(图 3a, b)，说明石英斑岩岩浆热液流体富含大量的F和B等挥发份，具备形成隐爆角砾岩的能力。此外，矿区Sn矿石和Ag-Pb-Zn矿石均发育脉状和角砾状构造(图 3e, I k、图 4c, e)，其胶结物矿物组合的共同特点都含有萤石和电气石(图 3h, l、图 4d-f)，与“Zn-F-B集合体”矿物组合相似。这说明，与Sn成矿作用和Ag-Pb-Zn成矿作用有关的流体应主要来源于石英斑岩岩浆热液。
5.3 成矿物质来源关于白音查干矿床的成矿物质来源，赵战锋(2016)认为矿床Pb、Zn、Ag主要来源于海西期形成的胶体沉积，Sn主要来源于燕山早期花岗质岩石；而刘新等(2017b)认为矿床的Sn、Pb、Zn、Ag主要来源于早白垩世花岗质岩石。因此，关于该矿床成矿物质来源还存在一定争议。
单矿物S同位素特征显示(表 2)，Ⅰ区Ag-Pb-Zn矿石中的硫化物δ34S值范围(-13.9‰~-4.8‰)与Ⅲ区Sn矿石硫化物的δ34S值范围(-12.5‰~-5.3‰)基本一致，暗示两类矿石中的成矿物质可能具有相似的来源。但是，这两类矿石中的硫化物δ34S值集中分布于-8‰~-6‰之间(图 5a)，明显低于大多数岩浆热液型矿床硫化物的δ34S值范围(-3‰~+1‰；Hoefs, 2009; Simon and Ripley, 2011)。地质特征显示，Sn矿石和Ag-Pb-Zn矿石中的闪锌矿等硫化物主要与萤石、电气石等富含挥发份的矿物共生(图 3h, l)，并以脉状或角砾岩胶结物的形式产出，反映出热液成因的特点。电子探针结果显示，矿床Ⅰ区和Ⅲ区闪锌矿Cd/Fe值(0.01~0.05，平均为0.03)和Zn/Cd值(112~317，平均为202)(姚磊，2018)与岩浆热液成因的闪锌矿(Song, 1984；Gottesmann and Kampe, 2007；曹华文等，2014)基本一致，说明Ⅰ区和Ⅲ区硫化物的形成应与岩浆热液作用关系密切。此外，Ⅰ区4型脉和IV型角砾岩中的闪锌矿原位S同位素分析结果显示，单颗粒闪锌矿由核部至边部，δ34S值变化范围较小且较为均一(图 5b、图 6、表 3)。而且，这些闪锌矿的原位δ34S值范围(-12.4‰~-7.3‰，平均为-9.2‰)与石英斑岩体内“Zn-F-B集合体”中闪锌矿的原位δ34S值变化范围(-10.6‰~-9.0‰)基本一致(图 5b)，说明硫应主要来源于石英斑岩岩浆，而硫的多来源混合可能不是导致白音查干矿床硫化物δ34S值较负的主要因素。地质特征显示，白音查干矿床发育大量的热液角砾岩，而且石英斑岩、角砾岩和热液脉中发育大量电气石、萤石等富含F、B的挥发份矿物，说明在矿床形成过程中曾发生了强烈的流体沸腾作用，而这可能是导致矿床硫化物δ34S值更负的重要因素。研究表明，成矿作用过程中的流体沸腾常导致体系中的H2丢失和成矿流体的氧化，随着氧化程度的升高，成矿流体中的H2S/SO24-值大幅降低，导致更多的34S聚集于SO24-中，使硫化物中出现更负的δ34S值(Duuring et al., 2009；Kamvong and Zaw, 2009；Shu et al., 2013)。相似的现象也出现在大兴安岭南段白音诺尔Pb-Zn矿床和浩布高矿床中(Shu et al., 2013；Liu et al., 2018)。因此，白音查干矿床Sn成矿作用和Ag-Pb-Zn成矿作用的硫可能主要来源于石英斑岩岩浆。
一般来说，具有相同物质来源的地质体往往具有相似的Pb同位素组成。如图 8所示，白音查干矿床Ⅰ区Ag-Pb-Zn矿石中的硫化物样品均投点于地幔Pb与造山带Pb演化线之间；其Pb同位素组成与大兴安岭南段古生代侵入岩、二叠纪大理岩、侏罗纪英安岩的Pb同位素组成明显不同，而与中生代侵入岩及与其有关的多金属矿床矿石Pb同位素组成相似，说明Ⅰ区Ag-Pb-Zn成矿作用与大兴安岭南段晚中生代岩浆作用关系密切。白音查干矿床Ⅰ区Ag-Pb-Zn矿体主要产于早白垩世石英斑岩与凝灰质粉砂岩接触带附近或远离接触带的围岩中(图 2b)，而且石英斑岩全岩Pb同位素组成与Ⅰ区闪锌矿及方铅矿的Pb同位素组成基本一致(图 8、表 4)，说明白音查干矿床石英斑岩岩浆可能是Ag-Pb-Zn矿石中Pb的主要来源。
地球化学特征显示，石英斑岩具有较高的Sn(30.53×10-6~179.0×10-6)、Zn(86.53×10-6~2909×10-6)含量，而凝灰质粉砂岩的Sn含量(2.79×10-6~40.83×10-6)则相对较低(姚磊，2018)，说明石英斑岩具有为Sn和Ag-Pb-Zn成矿作用提供大量成矿物质的能力。地质特征显示，由石英斑岩至围岩，Sn、Zn矿化表现为由石英斑岩岩体内的浸染状Sn矿化(图 3c, f)和“Zn-F-B集合体”过渡为石英斑岩岩体顶部及其与凝灰质粉砂岩接触带附近的角砾状及脉状矿体。在成矿元素方面，由石英斑岩至凝灰质粉砂岩，在平面上，成矿元素组合由Sn-Cu-Zn-Ag过渡为Ag-Pb-Zn；在垂向上，由深部至浅部，成矿元素组合由Sn-Cu-Zn-Ag(主矿体埋深一般为16~364m；如Ⅲ-1号、Ⅲ-5号矿体)过渡为Ag-Pb-Zn(主矿体埋深在11~209m之间；如I-2号、I-4号矿体)。在矿物学特征方面，以几乎贯穿整个成矿作用过程的黄铁矿为例，由石英斑岩至围岩，黄铁矿由早期至晚期，其结构由他形细粒结构向自形粗粒结构过渡，其含量由低含量过渡为高含量；与其共生的矿物由氧化物过渡为硫化物，由高温逐渐过渡至低温，即闪锌矿、电气石(“Zn-F-B集合体”)→石英、萤石、电气石(Ⅱ型角砾岩、1型热液脉)→锡石、毒砂、石英、萤石(Ⅲ型角砾岩、2型热液脉)→黄铜矿、石英、电气石、毒砂(3型热液脉)→闪锌矿(IV型角砾岩、4型热液脉)→石英、辉锑矿(V型角砾岩、5型热液脉)。上述特征表明，由石英斑岩至围岩，成矿物质由分散向集中过渡，金属元素组合和矿物组合由高温向中低温过渡，说明石英斑岩岩体不仅提供了成矿物质，而且还提供了能量。如果石英斑岩不是成矿岩体而是围岩，那么很难解释Sn、Zn主成矿期形成的赋矿角砾岩和热液脉(图 3、图 4)为什么产于石英斑岩岩体顶部及接触带附近的围岩中；也很难解释以石英斑岩为中心的由高温至低温的金属元素组合和矿物组合的分布特征。因此，结合矿床地质特征、硫化物单矿物S、Pb同位素和原位S同位素组成等特征可知，白音查干矿床的成矿流体和成矿物质应主要来源于石英斑岩。
5.4 地质意义长期以来，大兴安岭南段的Sn矿找矿工作主要集中于以Sn-Cu矿化为主的林西-甘珠尔庙多金属矿集区，但始终没有取得较大的突破。然而，近年来在以Ag-Pb-Zn矿化为主的锡林浩特-霍林郭勒多金属矿集区却相继发现了白音查干和维拉斯托大型Sn矿床，实现了大兴安岭南段Sn矿找矿的重大突破。在成矿类型方面，锡林浩特-霍林郭勒多金属矿集区的Sn、Ag-Pb-Zn矿床主要为与早白垩世浅成中酸性侵入体或次火山岩体有关的斑岩型及热液脉型矿床，如白音查干、维拉斯托、昌图锡力、花敖包特等(陈永清等，2014；Wang et al., 2017；姚磊等，2017；何鹏等，2019)，与玻利维亚型Sn矿带特征相似(毛景文等，2018；Mao et al., 2019)；而林西-甘珠尔庙矿集区则以矽卡岩型和热液脉型为主，且部分矽卡岩型Pb-Zn矿床的Sn成矿潜力较弱(如浩布高；Shu et al., 2021)。在Sn与Ag-Pb-Zn成矿作用关系方面，锡林浩特-霍林郭勒多金属矿集区的白音查干和维拉斯托大型Sn矿床都位于已有大型Ag-Pb-Zn矿床的外围及深部，其Sn成矿作用与Ag-Pb-Zn成矿作用具有密切的成因联系(Liu et al., 2016；Wang et al., 2017；周振华等，2019；本文)；而林西-甘珠尔庙多金属矿集区虽然是大兴安岭南段重要的Sn矿富集区，但是带内Sn多金属矿床中的Ag-Pb-Zn矿体规模相对较小，并且Ag-Pb-Zn矿床很少出现Sn矿体(王京彬等，2005)。由此可知，锡林浩特-霍林郭勒和林西-甘珠尔庙多金属矿集区在Sn与Ag-Pb-Zn成矿作用方面可能存在一定差异。
研究表明，大兴安岭南段受晚中生代软流圈上涌影响，于早白垩世发生了整体隆升和两侧断陷盆地沉降，形成了大兴安岭南段主脊(花岗岩岩基)和两侧的拉张盆地(邵济安等，2005)。区域重力异常特征显示，林西-甘珠尔庙-乌兰浩特一线为明显的负异常带，代表了大兴安岭南段花岗岩岩基的展布方向，而其两侧地区则表现为明显的正异常(牛树银等，2011)。区域地质特征显示，林西-甘珠尔庙多金属矿集区分布于花岗岩岩基及其边部的负重力异常带上，而锡林浩特-霍林郭勒多金属矿集区则分布于花岗岩岩基边部及远离岩基的正重力异常带上，暗示两个矿集区Sn与Ag-Pb-Zn成矿作用的差异性可能与早白垩世软流圈上涌所导致的盆岭格局有关。因此，在找矿勘查方面，下一步应注重锡林浩特-霍林郭勒矿集区内的Ag-Pb-Zn矿床(矿化)深部和外围的Sn矿找矿工作，尤其是重点关注与次火山岩有关的成矿作用特征的总结和识别。
6 结论(1)“Zn-F-B集合体”可能为石英斑岩岩浆结晶晚期的产物，形成于强烈富集F、B、S、Zn等元素的不混溶流体中。
(2) 矿床地质、Sr-Nd、S、Pb同位素特征表明，各成矿阶段的萤石与石英斑岩具有密切的成因联系；矿床成矿流体和成矿物质主要来源于石英斑岩。
(3) 大兴安岭南段的Sn矿找矿工作应注重锡林浩特-霍林郭勒矿集区已有Ag-Pb-Zn矿床(矿化)的深部和外围。
致谢 论文撰写过程中得到了中国地质调查局发展研究中心(自然资源部矿产勘查技术指导中心)、中国地质科学院矿产资源研究所、西乌珠穆沁旗银漫矿业有限责任公司、中国地质大学(武汉)和中国矿业报社等专家、同事的指导和帮助；审稿专家对论文提出了许多宝贵的意见和建议；在此一并致以衷心的感谢！
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