Carbon, hydrogen and oxygen isotopes of the Huayuan Pb-Zn ore deposit in western Hu'nan Province and their implications for the source of ore-forming fluid
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摘要:
湘西花垣地区铅锌矿床是铅锌矿资源储量超过千万吨的世界级超大型矿床之一。对该矿床主矿化期的方解石和闪锌矿进行了系统的C、H、O同位素研究。分析结果显示，花垣地区铅锌矿床主成矿期方解石样品的δ13CPDB值范围为-2.71‰~1.21‰，δ18OSMOW值范围为16.09‰~22.48‰，团结、李梅、土地坪、蜂塘和大石沟各铅锌矿床中主成矿期方解石的13C、18O同位素依次表现出逐渐降低的特征，在δ18OSMOW-δ13CPDB图上主要介于原生碳酸盐岩与海相碳酸盐岩之间，该地区铅锌矿床成矿流体中的碳主要来源于海相碳酸盐岩的溶解作用。花垣矿区围岩的δ13CPDB值范围为0.15‰~1.17‰，δ18OSMOW值范围为19.79‰~23.89‰，指示沉积成因海相碳酸盐岩的特征。方解石和闪锌矿样品中流体的δDSMOW变化于-91.1‰~-15‰之间，δ18Ofluid变化范围为-4.1‰~9.25‰，在矿区范围内流体的迁移方向是由北向南，δ18Ofluid-δDSMOW图显示，矿床成矿流体的主要来源是建造水和大气降水。成矿流体与围岩间的水-岩反应是导致湘西花垣地区铅锌矿床中方解石和闪锌矿矿物发生沉淀的主要机制。
Abstract:With more than ten million tons of lead and zinc resource reserves, the Huayuan lead-zinc deposit is expected to become the largest Pb-Zn deposit in China and one of the world-class superlarge ore deposits.In this paper, researches on carbon, hydrogen, oxygen isotope of calcite and sphalerite from the Huayuan lead-zinc deposit formed during the main mineralization period are report-ed.The analytical results show that δ13CPDB values of calcite samples display the range from 2.71‰ to 1.21‰, the δ18OSMOW values are in the range from 16.09‰ to 22.48‰.The δ13CPDB and δ18OSMOW isotope values of calcite minerals from the Tuanjie, Limei, Tu-diping, Fengtang and Dashigou lead-zinc deposits are gradually reduced in turn, falling between native carbonate rock and marine carbonate in the δ18OSMOW-δ13CPDB diagram.In the Huayuan lead-zinc deposit, the carbon in the ore-forming fluid was mainly de-rived from marine carbonate dissolution.The δ13CPDB values of surrounding rocks in the Huayuan lead-zinc deposit vary from 0.15‰ to 1.17‰, the δ18OSMOW values vary from 19.79‰ to 23.89‰, and the surrounding rock is sedimentary marine carbonate.The δDSMOW values of fluid in calcite and sphalerite vary from 91.1‰ to 15‰, the δ18O fluid vary from-4.1‰ to 9.25‰, and the migra-tion direction of fluid in the ore district was from north to south.The δ18Ofluid-δDSMOW diagram shows that the main source of oreforming fluid was formation water and atmospheric precipitation.Water-rock reaction between ore-forming fluid and wall rock was the main mechanism leading to the precipitation and crystallization of calcite and sphalerite in the Huayuan Pb-Zn deposit of western Hu'nan Province.
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致谢: 野外工作期间得到湖南省地质调查院405地质队刘健清队长、余沛然总工程师、曾健康高级工程师、张劲松工程师的大力支持，中国地质调查局武汉地质调查中心同位素地球化学实验室叶荣工程师帮助测试样品，杨红梅研究员对样品处理和分析测试过程给予了悉心指导，审稿专家提出了诸多宝贵的意见，在此一并致以诚挚的谢意。
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图 1 湘西北铅锌矿带区域构造略图（据参考文献[11]修改）
1—省界；2—矿田界线；3—向斜及其编号；4—背斜及其编号；5—平移断层及其编号；6—正断层及其编号；7—逆断层及其编号；8—南区斜坡相；9—北区斜坡相；10—花垣地区铅锌矿床
Figure 1. Regional tectonic sketch map of the lead-zinc deposits in northwest Hu'nan
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图版Ⅰ
a.团结铅锌矿床大脉状方解石化闪锌矿石，闪锌矿沿方解石脉与围岩接触带分布；b.团结铅锌矿床斑脉状方解石化闪锌矿石，闪锌矿沿方解石脉体边缘分布；c.李梅铅锌矿床粗脉状方解石化闪锌矿石，细粒黄铁矿与闪锌矿沿方解石脉与围岩接触带分布；d.蜂塘铅锌矿床斑脉状方解石化闪锌矿石，闪锌矿沿方解石脉边缘分布；e.蜂塘铅锌矿床斑脉状方解石化闪锌矿矿石，闪锌矿沿方解石脉边缘分布；f.土地坪铅锌矿床斑脉状方解石化黄铁矿矿石；g.大石沟铅锌矿床斑脉状方解石化闪锌矿石，闪锌矿和方铅矿沿方解石脉边缘分布；h.大石沟铅锌矿床斑脉状方解石化闪锌矿矿石，细粒黄铁矿与闪锌矿沿方解石脉与围岩接触带分布。Sp—闪锌矿；Gn—方铅矿；Cal—方解石；Py—黄铁矿
图版Ⅰ.
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图 2 湘西花垣地区铅锌矿床成矿期方解石C、O同位素图解（底图据参考文献[28]）
Figure 2. C-O isotope diagram of the calcite from Pb-Zn ore deposits in western Hu'nan
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图 3 湘西花垣地区铅锌矿床成矿流体O-D同位素组成图解（底图据参考文献[30]）
Figure 3. O-D isotope diagram of the ore-forming fluid from Pb-Zn ore deposits in western Hu'nan
表 1 湘西花垣地区铅锌矿床主成矿期方解石C、O同位素组成
Table 1 C and O isotopic compositions of calcites from the Huayuan Pb-Zn ore deposit in western Hu'nan
矿区 原样品号 样品名称 δ13CPDB/‰ δ18OPDB/‰ δ18OSMOW/‰ 团结 11TJ-1B9 斑脉状方解石 0.04 -8.27 22.33 11TJ-1B9 斑脉状方解石 0.05 -8.23 22.38 11TJ-1B11 斑脉状方解石 0.13 -8.13 22.48 11TJ-1B12 斑脉状方解石 -0.24 -8.28 22.32 11TJ-1B14 斑脉状方解石 0.43 -8.75 21.84 13TJ-B1 大脉块状方解石 0.29 -8.54 22.06 13TJ-B10 斑脉状方解石 0.17 -9.18 21.40 13TJ-B13 桁脉状方解石 0.11 -8.46 22.14 13TJ-B18 桁脉状方解石 -0.61 -10.77 19.76 13TJ-B18 桁脉状方解石 -0.61 -10.76 19.77 李梅 13LM-B9 桁脉状方解石 0.88 -9.39 21.18 13LM-B11 大脉块状方解石 1.21 -9.66 20.90 13LM-B13-1 大脉块状方解石 1.12 -10.49 20.05 13LM-B31-1 大脉块状方解石 1.16 -10.28 20.26 13HYC-B5 斑脉状方解石 -2.71 -12.35 18.13 13HYC-B7 斑脉状方解石 -0.50 -10.32 20.22 土地坪 13TDP-B3 桁脉状方解石 -0.90 -12.35 18.13 13TDP-2B3 桁脉状方解石 -1.33 -13.15 17.30 13TDP-2B3 桁脉状方解石 -1.41 -13.23 17.22 蜂塘 13FT-B9 斑脉状方解石 -0.85 -11.17 19.35 13FT-B16 斑脉状方解石 -1.03 -11.93 18.56 13FT-B16 斑脉状方解石 -1.00 -11.85 18.64 13FT-B23 斑脉状方解石 -1.01 -11.18 19.33 13FT-B24 斑脉状方解石 -2.24 -12.47 18.01 大石沟 13DSG-B1 斑脉状方解石 -1.82 -13.05 17.41 13DSG-B3 斑脉状方解石 -1.55 -14.33 16.09 13DSG-B6 桁脉状方解石 -2.60 -13.81 16.62 13DSG-B7 斑脉状方解石 -1.29 -12.11 18.38 注：δ18OSMOW=1.03086×δ18OPDB+30.86[26] 
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表 2 湘西花垣地区铅锌矿床碳酸盐岩围岩的C、O同位素组成
Table 2 C and O isotopic compositions of calcites from the Huayuan Pb-Zn ore deposit in western Hu'nan
矿区 原样品号 样品名称 δ13CPDB/‰ δ18OPDB/‰ δ18OSMOW/‰ 数据来源 团结 13NZB-B17 灰岩 0.72 -8.52 22.08 本文 13NZB-B21-1 灰岩 0.92 -7.60 23.03 13NZB-B21-2 灰岩 0.97 -7.48 23.15 13HYC-B21 灰岩 0.15 -9.30 21.27 13HYC-B22 灰岩 0.57 -7.92 22.70 李梅 13LM-B23 灰岩 1.17 -8.83 21.76 本文 13LM-B28 灰岩 0.55 -9.44 21.13 13LM-B30 灰岩 0.62 -9.80 20.76 L16-4 无矿化藻灰岩 0.29 / 22.06 [20, 23] L16-6 无矿化藻灰岩 0.46 / 21.49 LM-11 灰岩 1.05 -9.11 21.47 [22] LM-16 灰岩 0.52 -9.24 21.33 蜂塘 SZS-14 灰岩 0.65 -8.95 21.63 SZS-21 灰岩 0.98 -8.99 21.59 [22] SZS-23 灰岩 0.97 -6.76 23.89 13FT-B30 灰岩 0.19 -7.60 23.03 13FT-B33-1 灰岩 0.69 -8.84 21.75 本文 13FT-B33-2 灰岩 0.65 -8.95 21.63 大石沟 13DSG-B20 灰岩 0.44 -8.47 22.13 13DSG-B21 灰岩 0.55 -10.74 19.79 本文 13DSG-B26 灰岩 0.77 -9.02 21.56 注：δ18OSMOW= 1.03086×δ18OPDB+30.86[26]
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表 3 湘西花垣地区铅锌矿主成矿期成矿流体的D-O同位素组成
Table 3 δO-δD composition of ore-forming fluid from typical lead-zinc deposits in Huayuan area, western Hu'nan
矿区 样号 矿物 δ18OSMOW/‰ δDSMOW/‰ δOfluid/‰ 换算温度/℃ 团结 13TJ-B1 褐色脉状闪锌矿 / -85.50 4.30 150 13TJ-B2 褐色脉状闪锌矿 / -78.70 6.10 150 13TJ-B8 褐色脉状闪锌矿 / -85.30 -4.10 150 13TJ-B11 黄色脉状闪锌矿 / -91.10 3.30 150 13TJ-B1 方解石 21 -50.6 8.35 150 13TJ-B2 方解石 21.9 -39.4 9.25 150 13TJ-B3 方解石 21.9 -33.4 9.25 150 13TJ-B4 方解石 21.1 -44.3 8.45 150 13TJ-B7 方解石 21.3 -57.6 8.65 150 13TJ-B8 方解石 21.7 -51.6 9.05 150 13TJ-B10 斑脉状方解石 21.4 -50.7 8.75 150 13TJ-B11 方解石 21.8 -41.8 9.15 150 LM-1 斑脉状方解石 / -23 0.25 150 LM-2 斑脉状方解石 / -40 1.54 150 李梅 LM-3 斑脉状方解石 / -15 1.93 150 LM-4 斑脉状方解石 / -46 2.43 150 LM-5 斑脉状方解石 / -33 1.72 150 土地坪 13TDP-B3 粗脉状方解石 17.7 -55.8 3.89 135 13TDP-2B3 粗脉状方解石 17.3 -48.2 3.49 135 蜂塘 13FT-B26 斑脉状方解石 19.3 -44.2 5.49 135 13DSG-B10 块状方解石 17.7 -64.1 3.89 135 13DSG-B11 方解石 18 -54.7 4.19 135 13DSG-B12 方解石 17.1 -48.1 3.29 135 大石沟 13DSG-B13 方解石 16.3 -65.8 2.49 135 13DSG-B15 方解石 17.5 -46.5 3.69 135 13DSG-B16 方解石 16.8 -51.7 2.99 135 13DSG-B17 方解石 17 -46.8 3.19 135 注：δ18OSMOW=1.03086 ×δ18OPDB + 30.86[26]；方解石与流体的转换公式采用1000lnα方解石-水=2.78×106T-2-2.89[29]；换算温度采用测温结果的峰值，T为绝对温度
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表 4 中美MVT铅锌矿床成矿温度对比
Table 4 Metallogenic temperatures contrast between Chinese and American MVT lead-zinc deposits
国家 矿床(区) 主矿物 Th/℃ 资料来源 中
国
湖
南花垣 闪锌矿
方解石120~160
90~180[1] 茶田 闪锌矿
方解石96~170
92~169闪锌矿 113~219 打狗洞 方解石 92~152 石英 85~195 闪锌矿 108~148 董家河 方解石 128~164 石英 100~343 闪锌矿 106~129 唐家寨 石英 100~220 方解石 115~139 美
国
中
部维伯纳姆和老铅带 闪锌矿 90~120 阿肯色北部 闪锌矿 95~170 三州交界地区 闪锌矿 80~120 上密西西比河谷地区 闪锌矿 75~160, 个别达220 [35-37] 田纳西中部 闪锌矿 90~150 田纳西东部 闪锌矿 70~170 肯塔基中部 闪锌矿 70~130
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