岩石学报  2017, Vol. 33 Issue (3): 873-886   PDF    
湖南宝山铜多金属矿床流体包裹体特征及氢氧同位素地球化学的初步研究
轩一撒1,2, 袁顺达2, 弥佳茹2, 赵盼捞2, 原垭斌2, 张东亮3     
1. 中科遥感科技集团有限公司, 天津 300000;
2. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;
3. 中南大学地球科学与信息物理学院, 长沙 410083
摘要: 宝山矿床处于NE向钦杭成矿带与EW向南岭成矿带的结合部位,是湘南地区最大的铜多金属矿床,成矿斑岩主要为花岗闪长斑岩,其中铜钼矿体主要分布于花岗质岩体与碳酸盐岩接触带的矽卡岩中,铅锌矿体则分布于断裂破碎带和石炭系的层间裂隙带中。本文以宝山铜多金属矿床为研究对象,在详细野外调查的基础上,系统开展了镜下观察、流体包裹体显微测温、激光拉曼分析以及H-O同位素分析,进而对宝山矿床的成矿流体演化进行了初步研究,获得了如下认识:(1)该矿床成矿演化过程可分为矽卡岩阶段、退化蚀变阶段、金属硫化物阶段及萤石-方解石脉阶段;(2)包裹体类型以富液相包裹体为主,成矿流体主要为H2O-NaCl体系,含少量的CO2,偶见含子晶包裹体;(3)矽卡岩阶段流体包裹体均一温度分布在430~>550℃,主要集中在550℃以上,盐度范围为13.4%~21.98% NaCleqv;退化蚀变阶段的均一温度范围为211.8~395℃,在260~320℃和360~395℃出现两个峰值,盐度范围为3.71%~19.53% NaCleqv,该阶段围压由静岩压力向静水压力转变;金属硫化物阶段均一温度分布于156.7~323.1℃,主要为190~240℃,盐度范围为3.71%~19.84% NaCleqv;萤石-方解石脉阶段中的包裹体均一温度为100~266.5℃,主要集中于145~180℃,盐度分布在0.71%~18.3% NaCleqv。宝山矿床成矿压力介于23.8~169.9Mpa之间,利用静岩压力-静水压力梯度可得宝山矿床成矿深度约为2.25~6.29km,主要为4~6km;(4)退化蚀变阶段流体的δ18OH2O值介于3.37‰~7.47‰之间,δDH2O值为-70‰~-64‰;金属硫化物阶段和萤石-方解石脉阶段的δ18OH2O值介于0.33‰~5.28‰之间,表明有大量的大气降水混入。因此,成矿流体从早阶段到晚阶段,由岩浆热液演变为大气降水,流体混合作用可能是矿质沉淀的主要机制。宝山铜多金属矿床是早期高温中高盐度流体向低温低盐度流体演化过程中形成的。
关键词: 流体包裹体     流体演化     铜多金属矿床     湖南宝山    
Preliminary studies on the fluid inclusions and H-O isotopic geochemistry of the Baoshan copper polymetallic deposit, Hunan Province
XUAN YiSa1,2, YUAN ShunDa2, MI JiaRu2, ZHAO PanLao2, YUAN YaBin2, ZHANG DongLiang3     
1. China Remote Sensing Technology Group Co., Ltd, Tianjin 300000, China;
2. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. Earth Science & Geophysics Information College, Central South University, Changsha 410083, China
Abstract: The Baoshan deposit is the largest Cu deposit in southern Hunan Province, which is located on the connection part of Qin-Hang NE-trending ore belt and Nanling EW-trending polymetallic metallogenic belt. The Cu-polymetallic mineralization is associated with granodiorite porphyry. Copper-molybdenum ore bodies occur as disseminated ore in skarn between granodiorite porphyry and carbonate rocks, while lead-zinc sulfide ores occur as veins in the fault damage zone and within intrastratal fracture belts of the Carboniferous strata. Based on detailed field investigation of the Baoshan copper polymetallic deposit, we have carried out systematic microscope observation, detailed micro-thermometric measurement of the fluid inclusions, Laser Raman spectroscopic and H-O isotopic analyses, and preliminarily discussed the fluid evolution of the deposit. The following conclusions are obtained:(1) The mineralization of the Baoshan deposit can be divided into four stages, i.e., the skarn stage, retrograde stage, metal sulfides stage and fluorite-calcite stage; (2) The main types of fluid inclusions for Baoshan deposit are liquid-rich inclusions. The ore-forming fluid of Baoshan deposit belongs to H2O-NaCl system. There is a little CO2 in the gas phase and a few NaCl daughter minerals in the fluid inclusions; (3) The homogenization temperatures of the fluid inclusions range from 430℃ to >550℃ (mainly above 550℃) and the salinities are between 13.4% and 21.98% NaCleqv in the skarn stage. The homogenization temperatures of the fluid inclusions range from 211.8℃ to 395℃ (mainly 260~320℃ and 360~395℃) and the salinities range from 3.71% to 19.53% NaCleqv in the retrograde stage. The dramatic decrease in pressure from skarn stage to retrograde stage can be probably attributed in the transition from lithostatic pressure to hydrostatic pressure. In metal sulfides stage, the homogenization temperatures range from 156.7℃ to 323.1℃ (mainly 190~240℃) and the salinities range from 3.71% to 19.84% NaCleqv. In fluorite-calcite stage, the homogenization temperatures are between 100℃ and 266.5℃ (concentrated in 145~180℃) and the salinities are 3.71%~19.84% NaCleqv. The trapping pressure can be estimated to be about 23.8~169.9MPa which changed from lithostatic pressure to hydrostatic pressure, equivalent to a depth of 2.25~6.29km which is centered in 4~6km; (4) The δ18OH2O values of the retrograde stage ore fluids which range from 3.37‰ to 7.47‰, are corresponding δDH2O values between-64‰ and-70‰. The δ18OH2O values of metal sulfides stage and fluorite-calcite stage fluid are from 0.33‰ to 5.28‰, implying a significant input of meteoric water. In general, the ore-forming fluid system varies from early, deep, magmatic fluid to late, shallow, meteoric water. Thus the ore-forming fluid was mainly magmatic water in the early stage, with progressive mixing with proportionally more cooler meteoric water during the process of fluid evolution. The mixing of high and low temperature fluids maybe the main mechanism for copper polymetallic precipitation. The copper polymetallic mineralization in Baoshan deposit is related to the fluids from early high-temperature, high salinity to late low-temperature, low salinity.
Key words: Fluid inclusions     Fluid evolution     Copper polymetallic deposit     Baoshan, Hunan Province    

钦杭成矿带在构造位置上位于扬子地块与华夏地块的碰撞拼合带,由于经历了多期次构造演化和多期次的成矿作用,形成了华南地区一个重要的多金属成矿带 (毛景文等, 2011; 周永章等, 2010, 2012)。该成矿带大致自西南端的广西钦州湾、经湘东南和赣中延伸到东北段浙江杭州湾,整体呈北东向反“S”状弧形展布,全长近2000km,宽100~150km (杨明桂和梅永文, 1997; 毛景文等, 2011)。前中生代经历的多期次构造-岩浆活动尤其是新元古代弧岩浆成矿事件可能为成矿带内中生代大规模铜多金属成矿作用奠定了重要的物质基础 (周永章等, 2012)。在中晚侏罗世时期,由于受到太平洋板块向西俯冲的影响 (毛景文等, 2007, 2008; Li and Li, 2007; Sun et al., 2012; Mao et al., 2013; Niu et al., 2015),沿钦杭成矿带形成了大规模的斑岩-矽卡岩型铜多金属成矿作用,发育了北东段的德兴超大型斑岩铜矿和南西段的粤西圆珠顶大型铜钼矿,以及成矿带中段衔接南北两大斑岩型铜多金属成矿区的湘南地区矽卡岩型铜多金属矿床。近年来,不少学者对成矿带西南段构造-岩浆演化与成矿方面开展了大量研究 (谈昕等, 2011; 李红中等, 2011; 梁锦等, 2012; 周永章等, 2012),为全面认识钦杭成矿带内中晚侏罗世铜多金属成矿作用及区域成矿规律奠定了良好的基础。

湘南宝山铜多金属矿床位于湖南省桂阳县境内,是钦杭成矿带中段规模最大的铜多金属矿床,也是钦杭成矿带内矽卡岩-热液脉型铜多金属矿床的典型代表 (毛景文等, 2007, 2008)。矿床内不仅发育有Cu-Mo-Pb-Zn-Ag多金属矿化,而且围绕矿区花岗质岩体形成了良好的矿化蚀变分带,中部主要为矽卡岩型Cu-Mo矿床,往东部、北部及西部发育一系列矽卡岩型及脉状Pb-Zn矿。长期以来,许多学者对宝山铜多金属矿床的矿床地质特征 (杨国高和陈振强, 1998; 唐朝永, 2005; 祝新友等, 2010)、成岩成矿时代 (路远发等, 2006; 谢银财等, 2013) 和矿床地球化学特征 (谢银财, 2013; 姚军明等, 2006) 等方面进行过大量的研究,并取得了一系列的研究成果。但对该矿床成矿流体性质、来源、演化特征及矿质沉淀机理等方面尚缺乏比较系统的研究,这很大程度上制约了对该矿床成因的理解。

本文在已有研究及详细的野外地质观察、岩相学研究、矿化阶段划分的基础上,通过对宝山铜多金属矿床不同矿化阶段流体包裹体进行详细的研究以及H-O同位素分析,初步揭示了该矿床成矿流体的性质及演化,并在此基础上进一步分析了矿质沉淀的主要机制。

1 区域地质背景及矿区概况

湘南多金属矿集区在构造上处在扬子板块与华夏板块的碰撞拼接带上,同时位于EW向南岭成矿带与NE向钦杭成矿带的结合部位 (毛景文等, 2011)。由于其特殊的大地构造位置,且长期以来经历了多期次复杂的构造岩浆活动,该区不仅发育有香花岭 (Yuan et al., 2007, 2008a; 袁顺达等, 2008)、瑶岗仙 (Peng et al., 2006; Hu et al., 2012)、芙蓉 (Mao et al., 2004; Yuan et al., 2008b, 2011)、新田岭 (袁顺达等, 2012a) 及红旗岭 (袁顺达等, 2012b) 等一系列大型-超大型的钨锡多金属矿床,而且还发育一系列与花岗闪长质小岩体有关的矽卡岩型铜多金属矿床,如:宝山 (弥佳茹等, 2014)、铜山岭 (袁顺达,2013; Zhao et al., 2016) 等 (图 1)。

图 1 湘南地区地质矿产略图 (据Mao et al., 2004改编) Fig. 1 Sketch map of nonferrous metal deposits in southern Hunan Province (after Mao et al., 2004)

宝山铜铅锌多金属矿床位于南岭东西向复杂构造带中段北缘,耒阳-临武南北向构造带的中段,坪宝复式向斜的北端,是湘南地区规模最大的铜多金属矿床。矿区出露的地层有泥盆系上统佘田桥组和锡矿山组,石炭系下统孟公坳组、石磴子组、测水组、梓门桥组和中上统壶天群。其中,赋矿地层主要为石磴子组灰岩、测水组砂页岩和梓门桥组白云岩。矿区主构造线方向为北东-南西。后期横断层F3将矿区划分为南北两区 (图 2)。矿区发育的岩浆岩主要为一套花岗闪长斑岩、英安质凝灰角砾岩、花岗斑岩及英安质流纹斑岩,矿化主要与花岗闪长斑岩有关。花岗闪长斑岩是一套斑晶 (含量25%~35%) 为斜长石、钾长石、黑云母和少量石英,基质为长石、黑云母和石英的花岗岩,属于准铝质-弱过铝质的高钾钙碱性花岗岩,具Ⅰ型花岗岩特征 (弥佳茹等, 2014; 谢银财, 2013)。矿床总体上受宝岭倒转背斜控制 (图 2),其中宝山中区铜、钼矿体分布在倒转背斜顶部,钼、钨、铋矿体在靠近顶部的两翼,铜矿体在倒转背斜上部矽卡岩中,而宝山东区、西区和北区的铅、锌、银矿体分布在两翼地层中。矿床内不仅发育有Cu-Mo-Pb-Zn-Ag多金属矿化,而且围绕含矿花岗质岩体发育良好的矿化蚀变分带,中部主要为矽卡岩型Cu-Mo矿体,往东部、北部及西部发育一系列矽卡岩型及脉状Pb-Zn矿体。矿体多呈脉状、似层状、囊状、透镜状、楔状产出。铜钼矿矿石多呈细脉浸染状、角砾状构造;铅锌银矿矿石则以块状为主。矿石的矿物组合具有如下特征:主要的金属矿物以黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、辉钼矿、辉铋矿、白钨矿、磁铁矿等为主;脉石矿物以石榴石、透辉石、符山石、阳起石、方解石、石英、萤石、长石等为主 (图 3)。

图 2 宝山铜多金属矿区地质简图 (据谢银财等, 2013) 1-中上石炭统壶天群白云岩;2-下石炭统梓门桥组白云岩;3-下石炭统测水组砂页岩;4-下石炭统石蹬子组灰岩;5-下石炭统孟公坳组灰岩、白云质灰岩;6-上泥盆统锡矿山组砂页岩、白云质灰岩;7-花岗闪长斑岩;8-花岗斑岩;9-铜矿体;10-铅锌矿体;11-铋矿体;12-钼矿体;13-矽卡岩;14-断层破碎带;15-地质界线;16-断层及编号 Fig. 2 Simplified geological map of the Baoshan copper polymetallic deposit (after Xie et al., 2013) 1-dolomite of the Mid-Upper Carboniferous Hutian Group; 2-dolomite of the Lower Carboniferous Zimenqiao Fm.; 3-sandshale of Lower Carboniferous Ceshui Fm.; 4-limestone of Lower Carboniferous Shidengzi Fm.; 5-limestone and dolomitic limestone of Lower Carboniferous Menggong'ao Fm.; 6-sandshale and dolomitic limestone of Upper Devonian Xikuangshan Fm.; 7-granodiorite porphyry; 8-granite porphyry; 9-copper ore body; 10-lead-zinc ore body; 11-bismuth ore body; 12-molybdenum ore body; 13-skarn; 14-fault fracture zone; 15-geological boundary; 16-faults and numbers

图 3 宝山矿床典型矿体、矿石和镜下照片 (a) 矽卡岩型Cu矿体;(b) 矽卡岩与灰岩接触带Pb-Zn矿体;(c) 萤石-方解石脉阶段的萤石脉;(d) 退化蚀变阶段中的石英、绿帘石、绿泥石;(e) 矽卡岩中的环带石榴石;(f) 矽卡岩中的透辉石;(g) 矽卡岩中的符山石与石榴石;(h) 透辉石部分退化蚀变为绿泥石和绿帘石;(i) 矽卡岩中的阳起石;(j) 退化蚀变阶段的透闪石,与黄铜矿共生;(k) 金属硫化物阶段黄铜矿与黄铁矿共生;(l) Pb-Zn矿体中,方铅矿和黄铁矿共生,被晚期的闪锌矿交代. Grt-石榴石;Act-阳起石;Di-透辉石;Ves-符山石;Tr-透闪石;Ep-绿帘石;Chl-绿泥石;Mt-磁铁矿;Ccp-黄铜矿;Py-黄铁矿;Gn-方铅矿;Sp-闪锌矿 Fig. 3 Hand specimens of representative ore bodies, ores and photomicrographs of ores from Baoshan deposit (a) copper ore bodies in skarn; (b) Pb-Zn ore body occurring between skarn and carbonate rocks; (c) the fluorite vein of fluorite-calcite stage; (d) the quartz, chlorite and epidote in the retrograde alteration stage; (e) garnet with rings in skarn; (f) diopside in skarn; (g) vesuvianite and garnet in skarn; (h) chlorite and epidote in degradation altered skarn; (i) actinolite in skarn; (j) mineral assemblages of tremolite and chalcopyrite in the retrograde alteration stage; (k) mineral assemblages of chalcopyrite and pyrite in the metal sulfides stage; (l) massive mineral assemblages of galena, pyrite, with late sphalerite. Grt-garnet; Act-actinolite; Di-diopside; Ves-vesuvianite; Tr-tremolite; Ep-epidote; Chl-chlorite; Mt-magnetite; Ccp-chalcopyrite; Py-pyrite; Gn-galena; Sp-sphalerite

根据详细的野外观察及室内显微镜下观察,我们将宝山铜多金属矿床的形成过程划分为4个阶段:矽卡岩阶段、退化蚀变阶段、金属硫化物阶段、萤石-方解石脉阶段 (图 4)。矽卡岩 (图 3e, f) 主要含石榴子石和辉石,矿化不明显;退化蚀变岩 (图 3d, h, i, j) 主要有角闪石、绿帘石、绿泥石,并有石英、方解石穿插于退变质岩内,矿化主要与矽卡岩的退化蚀变作用有关,是区内主要的矿化类型;金属硫化物阶段 (图 3b, l) 也是该区重要的矿化阶段,矿石矿物主要为黄铁矿、磁黄铁矿、方铅矿以及闪锌矿,脉石矿物主要为石英、萤石、方解石等;萤石-方解石脉阶段 (图 3c) 的矿石矿物主要为闪锌矿和方铅矿,脉石矿物主要为方解石和萤石。

图 4 宝山铜多金属矿床成矿期次划分及矿物生成顺序 Fig. 4 Mineral sequence and ore-forming stages of the Baoshan copper polymetallic deposit
2 样品采集与测试方法

本次研究在宝山铜多金属矿床的不同中段内系统采集了矽卡岩阶段、退化蚀变阶段、金属硫化物阶段和萤石-方解石脉阶段的典型样品,并在详细的野外和镜下观察的基础上,开展了流体包裹体测温和激光拉曼光谱分析。

流体包裹体显微测温在中国地质大学 (北京) 地质过程与矿产资源国家重点实验室的流体包裹体实验室完成。所用仪器为英国产Linkam MDSG 600型冷热台,与德国ZEISS产偏光显微镜匹配进行包裹体观察和测定工作,测温范围为-196~+600℃,冷冻和加热可控速率范围为0.01~130℃/min,精确度在0.1℃之内。始时升温或降温速度在10~20℃/min,相变点附近速度降至0.2~2℃/min,并进行反复测温检验,基本保证了相转变温度的准确性。

单个包裹体的激光拉曼探针分析在核工业北京地质研究院地质分析测试研究中心Renishaw公司生产的RM-200型激光拉曼探针仪上完成,使用Ar+激光器,波长514nm,所测光谱的计数时间为310s (每1cm-1计数一次),100~4000cm-1全波段一次取峰,激光束斑大小约为1μm,光谱分辨率为2cm-1,选择部分有代表性的包裹体进行激光拉曼探针分析。

在完成流体包裹体岩相学与显微测温的基础上,选取3个不同阶段的8件代表性样品进行H和O同位素分析。制样过程如下:将采集的样品逐级破碎、过筛,选取粒级40~60目样品,在双目镜下挑选纯净石英和方解石单矿物,使其纯度在99%以上。样品经清洗、去吸附水和次生包裹体后进行上机分析。测试工作在中国地质科学院矿产资源研究所同位素实验室完成。氢、氧同位素用MAT253EM质谱仪测试,氧同位素的分析精度为±0.2‰,氢同位素的分析精度为±2‰。

氢同位素分析采用爆裂法,其测试程序为:加热石英和方解石包裹体样品使其爆裂,释放挥发份,提取水蒸气,然后在400℃条件下使水与锌发生反应产生氢气,再用液氮冷冻后,收集到有活性炭的样品瓶中 (Coleman et al., 1982)。

石英的氧同位素分析方法为BrF5法 (Clayton and Mayeda, 1963),首先将纯净的石英样品分别与BrF5反应15h,萃取氧。分离出的氧进入CO2转化系统,温度为700℃,时间为12min,最后收集CO2。方解石的氧同位素分析步骤见Mao et al. (2002),方解石样品的δ18OPDB值直接从CO2测的。

3 分析结果 3.1 流体包裹体岩相学

在岩相学上,样品中流体包裹体大小多在3~10μm,最大可见32.1μm,原生包裹体和次生包裹体皆有发育,形状多样,主要为浑圆状、椭圆状、负晶形、长条状、不规则状,常孤立产出或集群分布,包裹体类型比较单一 (图 5)。实验时选取原生包裹体进行研究,并根据Roedder (1984)提出的流体包裹体分类准则和室温下流体包裹体相组成特征、冷冻或升温过程中相变行为将宝山铜多金属矿床流体包裹体类型分为三类。

图 5 不同成矿阶段中流体包裹体镜下照片 (a) 矽卡岩阶段石榴子石中的Type Ⅰa型包裹体;(b) 矽卡岩阶段石榴子石中Type Ⅰa型包裹体和Type Ⅱ型包裹体共生;(c) 矽卡岩阶段石榴子石中的Type Ⅰa型包裹体组合;(d) 矽卡岩阶段透辉石中的孤立分布的Type Ⅰa型包裹体;(e) 矽卡岩阶段透辉石中的孤立分布的Type Ⅰa型包裹体;(f) 退化蚀变阶段石英中Type Ⅰa型包裹体组合;(g) 退化蚀变阶段石英中Type Ⅰa型、Type Ⅰb型和Type Ⅲ型包裹体共生;(h) 金属硫化物阶段石英中Type Ⅰa型包裹体组合;(i) 金属硫化物阶段萤石中Type Ⅱ型包裹体;(j) 金属硫化物阶段萤石中Type Ⅰa型和Type Ⅰb型包裹体共生;(k) 金属硫化物阶段闪锌矿中Type Ⅰa型包裹体组合;(l) 萤石-方解石脉阶段萤石中Type Ⅰa型与Type Ⅲ型包裹体共生 Fig. 5 The photomicrographs of the fluid inclusions from different mineralization stages (a) Ⅰa-type fluid inclusions of the garnet in skarn; (b) Ⅰa and Ⅱ-type fluid inclusions of the garnet in skarn; (c) Ⅰa-type fluid inclusion assemblages in skarn; (d) isolated Ⅰa-type fluid inclusions of diopside in skarn; (e) isolated Ⅰa-type fluid inclusions of diopside in skarn; (f) Ⅰa-type fluid inclusion assemblages of quartz in the retrograde alteration stage; (g) Ⅰa, Ⅰb and Ⅲ-type fluid inclusions in the retrograde alteration stage; (h) Ⅰa-type fluid inclusion assemblages of quartz in the metal sulfides stage; (i) Ⅱ-type fluid inclusions of fluorite in the metal sulfides stage; (j) Ⅰa and Ⅰb-type fluid inclusions in the metal sulfides stage; (k) Ⅰa-type fluid inclusion assemblages of sphalerite in the metal sulfides stage; (l) Ⅰa and Ⅲ-type fluid inclusions of fluorite in the fluorite-calcite stage

Type Ⅰ型气液两相包裹体在室温状态下,该类包裹体由液相和气相两相组成,广泛分布在各阶段矿物中。该类包裹体是矿床内最主要的包裹体类型,多呈集群分布,孤立分布较少,形状为椭圆形、浑圆形、不规则形和长条形,大小2~32μm均有。按照气液比和升温过程中均一方式的区别,Type Ⅰ又可分为Type Ⅰa和Type Ⅰb两种:Type Ⅰa型包裹体成分以液相为主,气液比5%~40%,加热后均一到液相,该类包裹体是最常见的包裹体类型,广泛存在于各个阶段的矿物中;Type Ⅰb型包裹体成分以气相为主,气液比50%~70%,加热后均一到气相,该类包裹体较少。

Type Ⅱ型含子晶多相包裹体该类包裹体由一个或者多个子矿物、液相成分和气泡组成。子晶矿物推测为NaCl和KCl,NaCl晶体呈立方体状,KCl晶体呈近圆形,在升温过程中会熔化。该类包裹体数量较少,矽卡岩阶段子晶主要为KCl,金属硫化物阶段子晶主要为NaCl。其中金属硫化物阶段萤石中含子晶多相包裹体在升温过程中,NaCl子晶先熔化,而后加热到一定温度气泡消失,矽卡岩阶段矿物中含子晶多相包裹体在升温过程中KCl子晶消失,加热到600℃未均一。

Type Ⅲ型纯气相包裹体在室温下为纯气相,包裹体主要呈椭圆形和不规则形,孤立分布,该类包裹体数量较少,主要分布于退化蚀变阶段的石英中和萤石-方解石脉阶段萤石中。

3.2 均一温度和盐度

宝山铜多金属矿床各个阶段的流体包裹体的显微测温结果见表 1。Type Ⅰ型水溶液包裹体的盐度利用冰点-盐度关系表 (Bodnar, 1993) 获得。含子晶多相包裹体的盐度利用Hall et al. (1988)给出的公式计算获得。

表 1 宝山铜多金属矿床流体包裹体的均一温度、冰点及盐度数据表 Table 1 The homogenization temperature, freezing temperature and salinity of the fluid inclusions of the Baoshan copper polymetallic deposit
3.2.1 矽卡岩阶段

矽卡岩阶段测试矿物为石榴子石和透辉石。石榴子石和透辉石中的流体包裹体主要为Type Ⅰa型包裹体,偶见Type Ⅰb型和Type Ⅱ型包裹体,这三类包裹体具有较高的均一温度。Type Ⅰa型和Type Ⅰb型包裹体的气液比分别为5%~40%和50%~60%,均一温度范围为430~>550℃,冰点温度范围为-21.1~-9.5℃,据冰点温度计算得到成矿流体的盐度范围为13.4%~21.98% NaCleqv。Type Ⅱ型包裹体在升温过程中,KCl子晶开始熔化的温度在170~180℃,继续升温到600℃未均一,根据KCl熔化温度计算获得盐度相当于42.0%~43.0% NaCleqv。由于该阶段包裹体均一温度太高,投图在临界曲线的上方,该阶段流体为超临界流体,故Type Ⅰa型包裹体不适合计算密度 (Bodnar, 1983)(图 6)。

图 6 盐水包裹体的温度、盐度、密度关系图 (据Bodnar, 1983) Fig. 6 Homogenization temperature, salinity, density of the brine inclusions (Bodnar, 1983)
3.2.2 退化蚀变阶段

退化蚀变阶段测试了石英中的包裹体。该阶段的包裹体类型主要有Type Ⅰa型包裹体、Type Ⅰb型包裹体和Type Ⅲ型包裹体。其中Type Ⅰa型气液比为10%~40%,Type Ⅰb型气液比为50%~70%,Type Ⅰ型包裹体均一温度范围为210~400℃,冰点温度范围为-2.2~-16.1℃,根据冰点温度计算得到成矿流体盐度范围为3.71%~19.53% NaCleqv,据其均一温度与盐度作图可得出密度约为0.65~0.95g/cm3(图 6)。该阶段Type Ⅲ型包裹体为纯气相,大小为4~10μm。

3.2.3 金属硫化物阶段

金属硫化物阶段测试矿物为萤石、石英和闪锌矿。该阶段的包裹体主要为Type Ⅰa型包裹体,偶见Type Ⅱ型包裹体。Type Ⅰa型包裹体的气液比约为10%~50%,均一温度范围为156.7~323.1℃,冰点温度范围为-2.2~-16.5℃,据冰点温度计算得到成矿流体的盐度范围为3.71%~19.84% NaCleqv,密度约为0.85~1.10g/cm3(图 6)。Type Ⅱ型包裹体较少,测试获得了一个数据,在测温过程中,169.4℃ NaCl子晶消失,加热至323.1℃,气泡消失,达到均一状态。根据NaCl熔化温度测得成矿流体盐度为30.48% NaCleqv。

3.2.4 萤石-方解石脉阶段

萤石-方解石脉阶段测试矿物主要为后期萤石脉中的包裹体,其次为闪锌矿中的包裹体。该阶段包裹体主要为Type Ⅰa型包裹体,偶见Type Ⅲ型包裹体。Type Ⅰa型包裹体的气液比为5%~35%,均一温度范围为100~266.5℃,冰点温度范围在-0.4~-14.6℃之间,据流体包裹体冷冻法冰点与盐度关系表可知,盐度分布在0.71%~18.3% NaCleqv。通过均一温度与盐度作图得出密度在0.90~1.05g/cm3区间 (图 6)。该阶段的流体包裹体的均一温度和盐度明显低于前三个阶段矿物中的包裹体。

3.3 流体包裹体激光拉曼分析

通过对宝山矿床流体包裹体岩相学观察可知,成矿流体主要为NaCl-H2O体系,含少量的NaCl、KCl子晶。激光拉曼光谱分析显示:在金属硫化物阶段和萤石-方解石脉阶段的萤石中Type Ⅰa型包裹体气相含少量CO2(图 7)。因此,宝山矿床成矿流体为H2O-NaCl (±KCl)-(±CO2) 体系。

图 7 宝山铜多金属矿床内流体包裹体的激光拉曼光谱图 (a) 金属硫化物阶段萤石中的气相成分拉曼光谱图;(b) 萤石-方解石脉阶段萤石中的气相成分拉曼光谱图 Fig. 7 Laser Raman spectra of fluid inclusion in the Baoshan copper polymetallic deposit (a) Laser Raman spectra of gas phase of the fluorite fluid inclusions in the metal sulfides stage; (b) Laser Raman spectra of gas phase of the fluorite fluid inclusions in the fluorite-calcite stage

图 8 宝山铜多金属矿床成矿早、晚阶段流体的δ18O-δD组成 (据Taylor, 1974) Fig. 8 The δ18O vs. δD plot of ore-forming fluid in the early and late stages of the Baoshan copper polymetallic deposit (after Taylor, 1974)
3.4 H、O同位素

H-O同位素分析结果见表 2。结果显示,宝山铜多金属矿床成矿流体的δD值介于-86‰~-64‰之间。根据1000lnαQW=3.38(106T-2)-3.40、1000lnαQWδ18OSiO2-δ18OH2O(Clayton et al., 1972) 和1000lnαQWδ18OCalc-δ18OH2O(O’Neil et al., 1969),可求得三个阶段的成矿流体δ18OH2O值介于0.33‰~7.47‰之间,计算过程中所需要的温度数据取自这三个阶段流体包裹体的均一温度的算术平均值 (307.22℃、221.48℃和170.57℃)。在δD-δ18O图解上,H、O同位素投影点主要落在岩浆水以及岩浆水与大气降水的过渡带上 (图 8)。值得注意的是,在本文分析的8个样品中,退化蚀变阶段、金属硫化物阶段、萤石-方解石脉阶段从早到晚,基本呈现出δ18OH2O值从大到小的趋势。因此,可以推断出成矿早期成矿流体主要为岩浆水,随着成矿作用的进行,大气降水的混入比例显著增大。

表 2 宝山铜多金属矿床成矿流体的H、O同位素组成 Table 2 H and O isotopic compositions of the ore-forming fluids of the Baoshan copper polymetallic deposit
4 讨论 4.1 成矿流体性质、来源及演化

宝山铜多金属矿床的流体包裹体岩相学观察及激光拉曼分析表明,该矿床流体包裹体类型比较单一,主要为Type Ⅰa型包裹体,偶见含子晶包裹体,气相成分中含有少量的CO2,成矿流体为H2O-NaCl (±KCl)-(±CO2) 体系。不同阶段流体的温度和盐度变化很大 (图 9),矽卡岩阶段石榴子石和透辉石形成温度主要集中在550℃以上,盐度主要集中于17.5%~22% NaCleqv,表明该阶段以高温、较高盐度为特征,该阶段矿化作用不明显。退化蚀变阶段流体均一温度明显低于矽卡岩阶段,并在260~320℃和360~395℃出现两个明显的峰值,盐度主要集中在14.0%~19.5% NaCleqv,从图 6中可以看出从矽卡岩阶段到退化蚀变阶段经历了一个临界面的转变,该阶段主要发育Cu-Mo矿化;金属硫化物阶段均一温度继续下降,主要分布于190~240℃,盐度范围为8.0%~12.28% NaCleqv,该阶段主要伴随着Pb-Zn等硫化物矿化;萤石-方解石脉阶段均一温度进一步下降,主要集中于145~180℃,盐度分布在7.17%~10.24% NaCleqv,该阶段与晚期少量Pb-Zn矿化及黄铁矿化有关。流体演化过程从早期矽卡岩阶段到晚期萤石-方解石脉阶段,成矿流体的温度和盐度有降低的趋势 (图 10)。

图 9 宝山铜多金属矿床流体包裹体均一温度和盐度直方图 Fig. 9 Histogram showing homogenization temperature and salinity of fluid inclusions in the Baoshan copper polymetallic deposit

图 10 宝山铜多金属矿床流体包裹体均一温度-盐度双变量图 Fig. 10 The double variable figure of the homogenization temperature and salinity of the fluid inclusions in the Baoshan copper polymetallic deposit

对宝山铜多金属矿床退化蚀变阶段、金属硫化物阶段和萤石-方解石脉阶段矿物中流体包裹体测试结果显示,流体包裹体的均一温度及盐度的分布范围较宽,并且随着均一温度的降低,盐度也表现为相应的降低趋势,表明流体经历了一定程度的混合作用 (刘晓菲等, 2013)。H和O同位素常被用来示踪热液矿床的成矿流体来源 (Hoefs, 1997; 郑永飞和陈江峰, 2000; Pirajno, 2009)。我们对宝山铜多金属矿床H-O同位素分析发现,不同阶段成矿流体的H和O同位素存在一定差异,在δD和δ18O图解上,退化蚀变阶段成矿流体δD和δ18O值投影点大部分落在岩浆水区域,金属硫化物阶段和萤石-方解石脉阶段成矿流体δD和δ18O值投影点落入岩浆水区与大气降水线之间。从早到晚,随着成矿作用的进行,流体δ18O值进一步向大气降水线接近,指示成矿早期以岩浆水为主,在向低温阶段演化的过程中大气降水混入比例越来越大,这与前述的成矿流体温度和盐度进一步降低相一致。

矽卡岩阶段的石榴子石、透辉石都形成于高温高盐度的流体中,由于流体具有较高的温压条件,岩浆热液占主导地位,大气降水参与很少。在退化蚀变阶段,温度降到400℃左右,岩石力学性质从塑性向脆性转变,导致了压力条件从静岩压力向静水压力转变 (Fournier, 1991)。进入金属硫化物成矿阶段,流体逐步进入开放的体系,此阶段萤石中偶见Type Ⅰa型和Type Ⅱ型包裹体共存,均一温度相近,指示发生了小规模的流体沸腾作用。而萤石-方解石脉阶段与Pb-Zn成矿有关的流体包裹体几乎全部为Type Ⅰa型富液相包裹体,沸腾作用不明显。该阶段流体已演化为低温、低盐度流体。

4.2 成矿压力和深度估算

流体包裹体不仅有效保留了成矿母液的组分信息,而且通过研究其相变行为可以有效获取成矿的温度、压力等物理化学条件,尤其是根据沸腾包裹体组合的均一温度及盐度数据,可以直接获得矿床形成时的压力 (Roedder and Bodnar, 1980)。而对于均一捕获的流体包裹体,其均一温度可以估算其最小捕获压力。

宝山流体包裹体属NaCl-H2O体系,拟用以下经验公式 (邵洁涟, 1990),计算NaCl-H2O体系成矿压力:

P1=P0×T1/T0

P0=219+2620×ST0=374+920×S

式中P1为成矿压力,P0为初始压力,T1为成矿温度 (不混溶包裹体均一温度近等于此温度),T0为初始温度,S为盐度。

对石榴子石和透辉石Type Ⅰa型包裹体的捕获压力进行估算,得到矽卡岩阶段成矿压力范围为154.6~169.9MPa;对退化蚀变阶段石英中的包裹体捕获压力进行估计,得到该阶段成矿压力范围为58.4~110.4MPa,在图 6中可以看出从矽卡岩阶段到退化蚀变阶段经历了临界面转化阶段,该阶段流体包裹体捕获压力由静岩压力向静水压力转变;对金属硫化物阶段的萤石、闪锌矿及石英Type Ⅰa型包裹体的捕获压力进行估算,得到该阶段成矿压力范围为43.2~89.4MPa;对萤石-方解石脉阶段的萤石和闪锌矿Type Ⅰa型包裹体的捕获压力进行估计,得到该阶段成矿压力范围为23.8~60.8MPa。综上,宝山矿床成矿压力介于23.8~169.9MPa之间,利用静岩压力-静水压力梯度可得宝山矿床成矿深度约为2.25~6.29km。

弥佳茹等 (2014)利用黑云母的全铝压力计获得宝山矿床含矿斑岩的侵位深度约为3.67~6.57km,其岩体侵位深度与我们获得的成矿深度 (2.25~6.29km) 相一致,考虑到该矿床内缺少大量沸腾包裹体组合及含矿岩石呈斑状结构等因素,初步认为宝山矿区成矿深度可能主要在4~6km左右。

5 结论

(1) 宝山矽卡岩型铜多金属矿床成矿阶段可以划分为矽卡岩阶段、退化蚀变阶段、金属硫化物阶段及萤石-方解石脉阶段;

(2) 宝山铜多金属矿床的成矿流体主要为H2O-NaCl体系,含少量CO2,偶见含子晶包裹体,子晶主要为NaCl,含少量的KCl;

(3) 流体包裹体显微测温表明,从矽卡岩阶段 (430~>550℃,13.4%~21.98% NaCleqv)→退化蚀变阶段 (211.8~395℃,3.71%~19.53% NaCleqv)→金属硫化物阶段 (156.7~323.1℃,3.71%~19.84% NaCleqv)→萤石-方解石脉阶段 (100~266.5℃,0.71%~18.3% NaCleqv),成矿流体总体具有向低温、低盐度方向演化的趋势。流体密度呈上升趋势,多集中于0.65~1.05g/cm3之间。宝山矿床形成时的压力约为23.8~169.9MPa,按静岩压力向静水压力转变计算,推测的成矿深度主要集中于4~6km;

(4) H-O同位素分析结果表明,成矿流体早期以岩浆水为主,在演化过程中有大气降水的混入,流体混合作用可能是该矿床主要的成矿机制。

致谢 本文完成过程中得到了毛景文教授的指导;野外地质工作期间,得到了湖南宝山有色金属矿业有限责任公司和湖南地质勘察院张怡军高级工程师的大力支持和帮助;核工业北京地质研究院欧光习老师,中国地质大学 (北京) 诸慧燕老师、李正远,中国科学院广州地球化学研究所赵联党在论文实验过程中给予了热情的指导和帮助;资料收集过程中得到了中国地质大学 (北京) 郑伟、刘晓菲、李正远、曹晶、王赛的帮助;审稿专家给论文提出了许多宝贵的意见;在此一并致谢!
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