地质通报  2019, Vol. 38 Issue (9): 1529-1542  
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张明超, 陈仁义, 李景朝, 李永胜, 姚磊, 陈辉, 来守华, 王涛. 江苏栖霞山铅锌多金属矿床深部碳-氧-锶同位素地球化学特征及其指示意义[J]. 地质通报, 2019, 38(9): 1529-1542.
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Zhang M C, Chen R Y, Li J C, Li Y S, Yao L, Chen H, Lai S H, Wang T. Carbon, oxygen and strontium isotope geochemical characteristics of the Qixiashan Pb-Zn polymetallic deposit, Jiangsu Province, and their indication significance[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(9): 1529-1542.
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基金项目

国家重点研发计划课题《辽东复杂成矿系统三维结构与成矿预测》(编号:2016YFC0600108)和中国地质调查局项目《地质信息产品体系研发与社会化服务》(编号:DD20160353)、《整装勘查区找矿预测与技术应用示范》(编号:DD20160050)

作者简介

张明超(1987-), 男, 博士后, 工程师, 矿产普查与勘探专业。E-mail:cgszhangmc@163.com

通讯作者

李景朝(1965-), 男, 博士, 教授, 地质信息化专业。E-mail:ljingchao@mail.cgs.gov.cn

文章历史

收稿日期: 2018-04-10
修订日期: 2018-08-20
江苏栖霞山铅锌多金属矿床深部碳-氧-锶同位素地球化学特征及其指示意义
张明超1 , 陈仁义2 , 李景朝1 , 李永胜1 , 姚磊1 , 陈辉1 , 来守华3 , 王涛4     
1. 中国地质调查局发展研究中心, 北京 100037;
2. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;
3. 中国五矿集团公司, 北京 100044;
4. 中国地质学会, 北京 100037
摘要: 以栖霞山铅锌多金属矿床深部找矿钻孔岩心为对象,开展碳-氧-锶同位素地球化学研究。结果表明,栖霞山矿床矿石样品δ13CV-PDB同位素值为-5.1‰~1.9‰,且由浅部至深部,矿石样品的δ13C、δ18O值处于增大的趋势,指示成矿流体中的碳起源于碳酸盐岩、源自地幔和岩浆的深源碳。对锶同位素的研究显示,栖霞山矿石87Sr/86Sr值为0.704816~0.71405,部分大于矿体围岩黄龙组灰岩的87Sr/86Sr值(0.708329~0.709685),部分小于矿体围岩黄龙组灰岩的87Sr/86Sr值,并与不同来源的Sr同位素对比,揭示栖霞山矿石中Sr兼具基底地层Sr和幔源Sr的混合来源特征,且在围岩蚀变过程中87Sr/86Sr的变化应主要由成矿流体引起。结合本区成矿地质特征认为,栖霞山矿床成矿流体可能来自花岗岩的期后热液,在热动力作用下,流经元古宇基底地层,形成具有混合物质来源的成矿流体,成矿作用过程主要为成矿流体与围岩碳酸盐岩发生水-岩反应所致。
关键词: 碳-氧同位素    锶同位素    地球化学特征    铅锌多金属矿床    栖霞山    
Carbon, oxygen and strontium isotope geochemical characteristics of the Qixiashan Pb-Zn polymetallic deposit, Jiangsu Province, and their indication significance
ZHANG Mingchao1, CHEN Renyi2, LI Jingchao1, LI Yongsheng1, YAO Lei1, CHEN Hui1, LAI Shouhua3, WANG Tao4     
1. Development and Research Center, China Geological Survey, Beijing 100037, China;
2. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. China Minmetals Corporation, Beijing 100044, China;
4. Geological Society of China, Beijing 100037, China
Abstract: In this paper, the authors carried out the study of the carbon-oxygen-strontium isotope geochemistry of the samples from deep holes during the mineral prospecting work in the Qixiashan Pb-Zn polymetallic deposit. The results show that the δ13CV-PDB values for ore samples from the Qixiashan deposit vary from -5.1‰ to 1.9‰. From the shallow part downward, the δ13C and δ18O values of ore samples are in an increasing trend, which indicates that the carbon in the ore-forming fluids originated from the carbonate rocks and from the deep source of carbon in the mantle and magma. In the study of strontium isotope, the 87Sr/86Sr values of ore samples from the Qixiashan deposit vary from 0.704816 to 0.71405; a part is larger than the 87Sr/86Sr ratios (0.708329~0.709685) for limestone of the Huanglong strata, which is the surrounding rock of the orebodies, whereas the other part is less than 87Sr/86Sr ratios for limestone of the Huanglong strata. A comparison of the strontium isotopic compositions of different sources reveals that the strontium from the Qixiashan deposit has the characteristics of the mixed sources, i.e., the strontium of Proterozoic basement strata and the mantle source; the change of 87Sr/86Sr ratios in the surrounding rock alteration should be mainly caused by the ore-forming fluid, and the change of 87Sr/86Sr ratios in the process of wall rock alteration should be mainly caused by the ore-forming fluid. A comprehensive analysis of regional metallogenic geological characteristics shows that the ore-forming fluid in the Qixiashan deposit might have come from the granite hydrothermal period, and by the influence of thermal power, the ore-forming fluid flowed through the Proterozoic basement strata, forming the ore-forming fluid with mixed material sources. The mineralization process of the Qixiashan deposit was mainly caused by the fluid-rock reaction between the ore-forming fluid and the surrounding rock.
Key words: carbon-oxygen isotope    strontium isotope    geochemical characteristics    Pb-Zn polymetallic deposit    Qixiashan    

江苏栖霞山矿床是截止目前长江中下游成矿带已发现的规模最大的铅锌多金属矿床。该矿床自2007年实施老矿山接替资源找矿工作以来,深部找矿取得重大突破,新增铅锌备案资源储量(333及以上)约118×104t,达到大型规模。随着勘探深度增加,铅、锌、银、铜品位明显升高,尤其是42线和46线,部分块段铅+锌平均品位超过30%,对矿床现采矿段-虎爪山矿段1号主矿体的控制由-625m延深至-1010m,主要控矿构造(F2)向深部延伸较大,显示仍有一定的找矿空间。

前人对该矿床已开展了大量的矿产勘查和综合研究工作,其内容涵盖物化探[1-3]、找矿预测[1, 4-6]、成因矿物学[7-10]、同位素地球化学[5-11]、流体包裹体[1, 4, 14, 17-19]、成矿时代[20]、成矿作用[4, 9, 15, 18-19, 21-24]等。然而对该矿床的成因机制仍存在较大的分歧[4, 15, 19, 23]。由于矿区范围内到目前为止还没有发现岩体,争论的根源主要在于成矿物质和流体来源:岩浆热液为主[3-4, 9, 13, 16, 24]和热水沉积为主[12, 14-15, 18-19, 22]两类。值得注意的是,前人研究主要集中于-600m以浅深度,一定程度上限制了对整个成矿作用的深入认识。本文在该矿床老矿山接替资源找矿工作的基础上,选取栖霞山矿床现采矿段——虎爪山矿段深部钻孔KK4603岩心为研究对象,通过详细地质观察并辅以碳-氧-锶同位素综合分析,为矿床成因的厘定提供科学依据。

1 区域地质背景

栖霞山矿床大地构造位置处于扬子板块东段北缘与华北板块东段南缘相接地带(图 1-A)。在区域构造上,该矿床位于长江中下游断裂坳陷带宁镇断褶束的西端,北邻长江大断裂,西靠宁芜火山岩盆地,属长江中下游成矿带宁镇矿集区的重要矿床之一(图 1-B)。

图 1 中国中东部地区大地构造简图(A)和长江中下游成矿带主要中生代岩浆岩分布及铜-铁-金矿床分布图(B)(据参考文献[25-27]修改) Fig.1 Sketch tectonic map of central eastern China (A) and the distribution of Mesozoic magmatic rocks associated with Cu-Fe-Au deposits in the Middle-Lower Yangtze River Valley metallogenic belt (B)

宁镇地区地层发育较齐全,震旦系—第四系均有出露。区内有4个主要的含矿(赋矿)层位:石炭系黄龙组(C2h)底部和高丽山组(C1g)、二叠系栖霞组(P2q)顶部、三叠系青龙组(T1q)顶部。印支运动形成了本区的基本构造骨架,使震旦系和古生界构造层发生了强烈褶皱和断裂,燕山运动继承并发展了印支运动。区内褶皱为三背两向,断裂有长江大断裂、NNE向及NW向断裂。区内燕山期岩浆活动频繁,从晚侏罗世开始至晚白垩世结束,历经约80Ma(145~64Ma)。总体来说,宁镇地区燕山期岩浆活动从西区—中区—东区产生一套中基性-中酸性-酸性岩石组合,主要为中酸性侵入岩类,约占侵入岩总面积的80%[28-29]。本区除埤城群有高绿片岩相区域变质、下震旦统有千枚岩化外,其他地层均未受区域变质作用影响[30]。区内广泛分布的中酸性侵入岩体与各类围岩都有接触关系,主要有接触变质、热液蚀变及部分岩浆侵入体的自变质作用。本区由铅、锌、铜、铁、金、银、钨、钼等矿种构成,区内成矿作用主要与燕山期岩浆活动有关[4, 20, 30-33],矿床类型以热液充填型、矽卡岩型、斑岩型等为主。区内较著名的矿床除栖霞山铅锌多金属矿床外,还有安基山矽卡岩型-斑岩型铜矿床、韦岗矽卡岩型铁矿床、铜山矽卡岩型铜(钼)矿床及谏壁斑岩型钼(钨)矿床。

2 矿床地质特征

栖霞山矿床行政区划属南京市栖霞区,矿区东西走向约8km,面积约25km2。由西向东主要分为甘家巷、北象山、虎爪山、平山头、三茅宫5个矿段(图 2-A)。截止目前正在开采的区域为虎爪山矿段(图 2-B),本次研究以该矿段为主。

图 2 栖霞山矿区地质简图(A,据参考文献[9]修改)、栖霞山矿区虎爪山矿段地质平面图(B,据参考文献修改)和虎爪山矿段联合剖面示意图(C,图例描述具体参考前文地层描述部分) Fig.2 Geological map of the Qixiashan deposit (A), geological plan view of Huzhuashan ore block (B) and schematic diagram of joint profile in Huzhuashan ore block (C) 1—第四系;2—侏罗系火山岩;3—象山群;4—孤峰组;5—栖霞组第三段;6—栖霞组第二段;7—栖霞组第一段;8—船山组;9—黄龙组;10—和州组;11—高丽山组;12—金陵组;13—五通组第四段;14—五通组第三段;15—五通组第二段;16—五通组第一段;17—坟头组;18—构造角砾岩及破碎带;19—铁锰帽;20—实测断层及编号;21—推测断层及编号;22—勘探线及编号;23—铅锌矿体;24—黄铁矿体;25—锰矿体

矿区出露地层为志留系—侏罗系、第四系(图 2-B)。志留系为坟头组(S1f)粉砂岩与细砂岩互层,泥盆系以五通组(D3C1w,分为4段)砂岩、粉砂岩及页岩为主,与坟头群为假整合接触。石炭系包括金陵组(C1j)灰黑色结晶灰岩,高丽山组(C1g)杂色粉砂岩、页岩和细砂岩,和州组(C1h)钙质页岩、灰岩、泥灰岩和白云质灰岩,黄龙组(C2h)分为底部粗晶灰岩段和纯灰岩段,粗晶灰岩段下部为浅灰色-深灰色中厚层、厚层白云质灰岩、灰质白云岩,上部为灰白色、浅灰色粗晶灰岩,纯灰岩段为浅灰色、带微红的灰白色厚层灰岩,船山组(C2P1c)为灰黑色、灰白色相间的厚层灰岩,与泥盆系五通组为假整合接触。二叠系以栖霞组(P2q,分为3段)灰岩、燧石灰岩、孤峰组硅质页岩(P2g)为主,与石炭系假整合接触。三叠系为青龙群(T1q)青灰色灰岩,与二叠系为假整合接触。侏罗系主要由象山群(J1-2X)含砾粗砂岩、中细粒砂岩、粉砂岩及粘土岩组成,与下部地层呈高角度不整合接触,接触部位为构造角砾岩及破碎带(Bf)(图 2-C),局部出露侏罗系红花桥组(J3h)火山碎屑岩(134Ma,K-Ar法[15])。第四系(Q)以冲积、坡积物为主,地表局部有铁锰帽出露。其中,石炭系黄龙组灰岩地层为最主要的赋矿层位,其粗晶灰岩段是主要的赋矿岩性段,其次是纯灰岩段。

区内构造较发育,褶皱构造可分为下构造层褶皱及上构造层褶皱,二者呈高角度不整合接触(图 2-C)。断裂构造按产状和发育的地质部位可分为3类:NEE向纵断裂(F2等)、NW向横断裂、断裂破碎不整合面(图 2-B)。这些断裂大部分于印支期强烈褶皱的后期已发生,到燕山期又有复活发展,构成区内主要的控矿断裂。

矿区内未出露岩体,在矿区外围东南约9km处出露有燕山期花岗闪长岩,西南约9km处有辉石闪长岩分布。另据航磁资料显示,在栖霞山象山群砂岩分布区具弱缓磁异常,有研究者推测在大凹山下部有深源隐伏岩体存在[2, 23, 27]

虎爪山矿段矿体主要沿纵向断裂(F2)、断裂破碎不整合面、NW向横断裂、层间错动、层间裂隙等呈似层状展布(图 2-C),共产有21个矿体,分布于2~46线。走向NE,长约1200m,倾向NW,倾角较陡,厚约数米至数十米。其中1号矿体为主矿体,占矿段资源总储量的93%,其余均为小矿体。1号矿体产于12~42线(图 2-C),走向延伸约850m,倾向延伸250~400m,矿体呈似层状及大透镜体状,上盘为五通组-高丽山组砂岩,下盘为黄龙组灰岩。矿体走向为NE 45°~55°,倾向NW,倾角60°~80°,矿体向SW侧伏,侧伏角42°,浅部较缓,深部转向倒立,部分地段(22~26线、34线两侧)深部转向SE倾(图 2-C)。地质特征显示,矿体主要赋存在石炭系黄龙组灰岩与高丽山组砂岩构成的接触界面上,另有少部分矿体赋存在不整合界面下构造层石炭系—二叠系灰岩与上构造层侏罗系象山群砂岩构成的接触界面上。总体来看,矿体在空间上均位于碳酸盐岩类钙质岩石与砂板岩类硅铝质岩石的接触界面上,属于典型的“硅钙面”控矿。

矿石矿物主要为方铅矿、闪锌矿、黄铁矿,次为菱锰矿、黄铜矿、磁铁矿,另有深红银矿、辉银矿等矿物。脉石矿物主要为石英、方解石,次为白云石、铁(锰)白云石等。矿石主要有用组分为Pb、Zn、S、Mn、Cu,伴生Ag、Au、Cd、Ga、In、Se、Te、Tl等,矿床的矿物组合主要有5种,磁铁矿-石英、石英-黄铁矿、闪锌矿-方铅矿-黄铁矿-黄铜矿-菱锰矿、菱锰矿、石英-方解石。

矿石结构主要为交代结构、粒状结构、镶嵌结构、显微压碎结构,次为显微包含结构、浸蚀结构、乳滴状结构、骸晶结构等(图版Ⅰ)。矿石构造以角砾状、块状、浸染状为主,脉状、网脉状和条带状、散条带状次之(图版Ⅰ)。-600m以浅主要为浸染状、角砾状构造,次为块状构造、脉状、条带状构造等;-600m以深主要为块状、稠密浸染状构造,次为角砾状、团块状、脉状、网脉状、条带状、揉皱构造等。矿石类型主要包括角砾状矿石(约35%),块状矿石(约30%)和浸染状矿石(约25%)。其他类型如网脉状、条带状等矿石数量较少,约占矿石总量的10%。矿体围岩蚀变较微弱,且范围狭小,一般在矿体上、下盘出现数十厘米宽的褪色蚀变带,常见的有硅化、大理岩化、重晶石化,局部见萤石化、石膏化、绢云母化。

图版Ⅰ   PlateⅠ   A.块状构造;B.角砾状构造;C.网脉状构造;D.镶嵌结构;E.交代结构;F.乳滴状结构。Py—黄铁矿;Sp—闪锌矿;Gn—方铅矿;Ccp—黄铜矿;Qz—石英;Cal—方解石
3 采样位置和分析方法

本文以深部找矿钻孔KK4603(开孔深度620m,终孔深度1044.5m)岩心为研究对象,按距离和岩性采取岩矿样品(图 3),选取其中的41件开展碳、氧、锶同位素测试。

图 3 栖霞山矿床KK4603钻孔剖面示意图(据参考文献修改,图例说明参考图 2 Fig.3 Geological section of deep hole KK4603 in the Qixiashan deposit

本次分析测试均在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。用于地球化学剖面全分析的岩石样品,首先无污染粉碎至200目以下;碳、氧地球化学样品釆用100%正磷酸法溶解,质谱测定釆用MAT-253质谱计,碳同位素采用国际标准VPDB,氧同位素釆用国际标准V-SMOW,测定的溶样方法只溶解了样品中的碳酸盐矿物,不包括样品中的有机质,测试精度优于0.2%;锶同位素同位素分析采用ISOPROBE-T热电离质谱计,单带,M+,可调多法拉第接收器接收。质量分馏用86Sr/88Sr= 0.1194校正,标准测量结果:NBS987为0.710250±7。

4 分析结果 4.1 碳-氧同位素测试

按照岩性由浅部至深部,将钻孔KK4603分为5段,测试结果见表 1

表 1 栖霞山矿床KK4603钻孔样品C-O-Sr同位素测试结果 Table 1 Carbon, oxygen and strontium isotopes analytical result from deep hole KK4603 in the Qixiashan deposit

(1)矿体下盘黄龙组(C2h)灰岩岩性段(0~ 147m):主要为灰白色、灰黑色,块状构造,主要成分为方解石,局部可见黄铁矿化,呈团块状、条带状及星点状分布,在灰岩同矿体段的接触过程中,有灰岩的褪色蚀变现象。本段黄龙组灰岩样品的δ13CV-PDB=- 1.7‰ ~2.3‰,平均值0.89‰(n=7);δ18OV-SMOW=11.2‰~19.8‰,平均值14.43‰(n=7)。

(2)第一层铅锌硫矿体(C2h)(147~172.5m):主要为铅锌矿体及黄铁矿体,局部夹灰岩,脉石矿物主要为方解石,其次为石英,矿石矿物主要为方铅矿、闪锌矿、黄铁矿及少量磁铁矿,以块状、角砾状构造为主。本段矿石样品的δ13CV-PDB= -5.0‰~-2.7‰,平均值-4.1‰(n=4);δ18OV-SMOW = 7‰~12.7‰,平均值9.33‰(n=4)。

(3)黄龙组(C2h)灰岩夹层岩性段(172.5~ 187.5m):主要为灰白色、灰黑色灰岩,微晶结构,呈块状、条带状构造,主要成分为方解石,偶见少量方解石角砾。同下层呈渐变接触关系。本段灰岩样品的δ13CV-PDB=- 0.8‰~- 0.4‰,平均值- 0.6‰(n=2);δ18OV-SMOW =11.3‰~11.4‰,平均值11.35‰(n=2)。

(4)第二层铅锌硫锰矿体(C2h)(187.5~393m):主要为铅锌矿体、黄铁矿体及锰矿体,局部夹灰岩,脉石矿物主要为方解石和石英,矿石矿物主要为方铅矿、闪锌矿、黄铁矿、菱锰矿及少量磁铁矿,以块状、角砾状构造为主。本段矿石样品的δ13CV-PDB= -5.1‰~1.9‰,平均值-1.8‰(n=20);δ18OV-SMOW = 8.9‰~19.6‰,平均值14.3‰(n=20)。

(5)矿体上盘高丽山组泥质粉砂岩、细砂岩岩性段(393~424.5m):主要为泥质粉砂岩和细砂岩,块状构造,可见非常少量的黄铁矿、方铅矿、闪锌矿,主要呈星点状分布于裂隙面的泥炭质填充物中。本次对此岩性段的样品未检测出分析结果,可能为样品中不含碳酸盐矿物导致。

4.2 锶同位素测试

矿体下盘黄龙组(C2h)灰岩87Sr/86Sr值为0.708329~0.709685,平均值为0.708850(n=7);褪色灰岩87Sr/86Sr值为0.708352~0.709372,平均值为0.708742(n=4);矿化灰岩87Sr/86Sr值为0.709526~ 0.710163,平均值为0.709832(n=3);栖霞山矿石87Sr/86Sr值为0.704816~0.714050,平均值为0.709606(n=24);矿体上盘石炭系高丽山组(C1g)细砂岩、泥质粉砂岩87Sr/86Sr值为0.753588~0.764320,平均值为0.759975(n=3)(表 1)。

5 讨论 5.1 碳-氧同位素

热液方解石的碳、氧同位素组成是示踪流体来源的有效手段[35-37]。成矿热液系统中碳主要有3种来源:①源自地幔和岩浆的深源碳,其δ13CV-PDB值变化范围分别为-5‰~-2‰和-9‰~-3‰[38];②海相碳酸盐岩去碳酸盐化的碳,其δ13CV-PDB值大多稳定在0‰附近,一般变化范围为-4‰~4‰[39];③各种岩石中的有机碳,其δ13CV-PDB值变化范围为-30‰~ -15‰,平均为-22‰ [40]。探讨热液矿床中碳的来源,必须以成矿热液的总碳同位素组成为依据。一般情况下,方解石中的碳同位素组成并不等于成矿热液总碳同位素组成,只有在矿床中无石墨与之共生时,方解石中的碳同位素组成才可以近似作为成矿热液的总碳同位素组成[41]。栖霞山矿床中并未发现石墨,因此方解石碳同位素组成才可近似作为成矿热液的总碳同位素组成。栖霞山矿床矿石样品碳同位素变化范围较窄(δ13CV-PDB=-5.1‰~1.9‰),兼具海相碳酸盐和地幔碳的特征(图 4)。

图 4 重要地质储库碳同位素(A)[42]和氧同位素特征(B)[43] Fig.4 Important geological reservoir carbon (A) and oxygen (B) isotopic characteristics

结合碳酸盐δ18OV-SMOW13Cv-PDB组成的关系图解(图 5)可知,栖霞山矿石样品碳、氧同位素值主要落在花岗岩区间及花岗岩与海相碳酸盐岩的过渡区间,且总体呈近水平线展布,反映了成矿流体与地幔或深部流体的亲缘关系,暗示部分碳源可能来自岩浆岩。碳、氧同位素此种近水平分布形式可能由2个原因所致[41, 44, 48]:①CO2的脱气作用;②流体与围岩的水-岩反应。如果碳、氧同位素的分布形式是由CO2的脱气作用所致,由于热液流体一般以H2O为主,CO2的脱气对流体氧同位素组成影响并不明显,而对碳同位素组成影响较显著[49],因而形成的方解石的碳同位素组成变化也相应显著。显然,这与本矿床的实际情况不符[4]。此外,显微镜下观察也未发现流体包裹体沸腾的迹象[4],因此CO2的脱气作用不可能为影响方解石等碳酸盐矿物沉淀的主要因素。在热液流体中,方解石的溶解度随温度的降低而升高,随压力的降低而降低[50]。在封闭体系中的单纯冷却不能使方解石从热液流体中沉淀,故该矿区方解石的沉淀应由水-岩反应及温度降低耦合作用共同所致。因此认为,流体中的碳可能主要来源于地幔和岩浆及沉积碳酸盐岩的溶解作用。

图 5 栖霞山矿石中碳酸盐矿物δ18OV-SMOW13CV-PDB图解(底图据参考文献[44-47]修改) Fig.5 δ18OV-SMOW13CV-PDB diagram of carbonate minerals from the Qixiashan deposit

不同层位样品的碳-氧同位素特征不同,将深部钻孔KK4603样品的碳-氧同位素测试结果按深度投影至钻孔柱状图(图 6)。可以看出,矿体段(147~393m)由浅部至深部,样品δ13C、δ18O值变化趋势基本一致,显示出很好的相关性,总体处于增大的趋势。一般来讲,盐度升高,δ13C、δ18O值增大,温度升高,δ18O值变轻[50-51],这与本矿床的流体包裹体研究结论一致,随着深度的增加,包裹体的盐度总体呈上升趋势[4]。另外,矿体围岩灰岩的δ13C同位素值(-1.7‰~2.3‰,平均值0.56‰,n=9)总体大于矿石样品的δ13C同位素值(-5.1‰~1.9‰,平均值-2.16‰,n=24),也大于褪色蚀变灰岩的δ13C同位素值(-1.7‰~-0.7‰,平均值-1.2‰,n=2)和矿化灰岩的δ13C同位素值(-3.8‰~-1.6‰,平均值-2.5‰,n=3),表明在成矿作用过程中,发生了碳同位素的交换。

图 6 KK4603钻孔矿体段样品碳和氧同位素地球化学变化趋势 Fig.6 Geochemical variation trends of carbon and oxygen isotopes from deep hole KK4603

综上认为,热液方解石中的碳最初起源于花岗岩的期后热液,在成矿作用过程中,成矿流体与围岩碳酸盐岩发生水-岩反应,成矿流体向δ13C增高、δ18O增高的方向漂移,促进了热液方解石的沉淀。

5.2 锶同位素

在成岩成矿作用研究中,87Sr/86Sr对热液蚀变和热液成矿作用非常灵敏,热液碳酸盐矿物中的87Sr/86Sr值能直接记录流体中的同位素组成[52-54]。因此,锶同位素也被广泛用来示踪岩浆和成矿热液的来源和演化[55-58]

由测试结果可知,矿体下盘石炭系黄龙组灰岩的87Sr/86Sr值为0.708329~0.709685,平均值为0.708850(n=7),在长江中下游地区晚古生代早—中生代沉积岩的87Sr/86Sr值(0.7080~0.7210[59])变化范围内。另外,与长江中下游地区主要铁、铜(金)矿床的沉积碳酸盐岩的87Sr/86Sr值(0.70831~ 0.709263,平均值为0.7087865[60])基本吻合,与川东地区石炭系黄龙组正常灰岩的87Sr/86Sr值(0.706967~0.712430,平均值为0.709126 [61])范围相近,因此矿体下盘黄龙组灰岩87Sr/86Sr值可以代表本区黄龙组碳酸盐岩地层的87Sr/86Sr背景值,但明显高于中国上扬子地区晚古生代石炭系海相碳酸盐岩地层的87Sr/86Sr背景值(0.70779~0.70815,平均值0.70790[62]),也高于全球晚石炭世海相灰岩87Sr/86Sr值(0.70812~0.70857,平均值0.708345[63]),更高于同时期华南海相灰岩的87Sr/86Sr值(0.70732~0.70757,平均值0.707445[64]),表明本区黄龙组碳酸盐岩地层的基质岩具有较高的87Sr/86Sr背景值地球化学特征(图 7)。

图 7 不同来源的锶同位素组成变化[59-68] Fig.7 Strontium isotopes composition of different sources

对于地质历史时期海洋锶同位素产生的阶段性变化,一般认为其主要受到大陆古老岩石风化提供的较高锶同位素比值(87Sr/86Sr=0.71190[65])的壳源锶,以及洋中脊热液系统供给的较低锶同位素比值(87Sr/86Sr=0.70350[66])的幔源锶的双重影响,它们作为两个地球化学性质截然不同的地球圈层,87Sr/86Sr值之间存在较大差异。两者以不同方式或比例进入大洋系统,影响海洋锶同位素的组成。栖霞山矿石87Sr/86Sr值范围为0.704816~0.714050,与同时期海水的锶同位素比值(87Sr/86Sr≈0.70800[67])相比略偏高,与幔源锶同位素比值(87Sr/86Sr=0.70350[66])相比明显偏高,与壳源锶同位素比值(87Sr/86Sr= 0.71190[65])相比明显偏低(图 7),揭示栖霞山矿石中锶可能为混合来源。

图 7所示,对比本区黄龙组灰岩87Sr/86Sr值(0.708329~0.709685),栖霞山矿石样品87Sr/86Sr值(0.704816~0.714050),其中一部分大于黄龙组灰岩的87Sr/86Sr值,一部分小于黄龙组灰岩的87Sr/86Sr值。碳酸盐型矿石的87Sr/86Sr值大于围岩灰岩的87Sr/86Sr值,表明矿床形成过程中有更富放射性锶源的混入,成矿流体曾流经富放射性成因锶的岩石或地层,至少锶是来自具有高锶同位素组成的源区,这与该矿床硫化物铅同位素反映的壳源铅性质一致[4]。高87Sr/86Sr值的源区具有或曾经具有高Rb/Sr值,以及相对古老的地质年龄。另外,岩浆热液流体一般都具有高于碳酸盐岩的87Sr/86Sr值[69]。区域上最可能的高87Sr/86Sr值的源区为本区元古宇基底或矿区石炭系高丽山组等具有高放射成因锶的碎屑岩(87Sr/86Sr=0.753588~0.764320,平均值0.759975,n=3)。由本矿床的矿体赋存规律及围岩的性质可知,本区渗透性较差的碎屑岩地层(高丽山组、五通组)主要构成矿液运移的屏蔽层,对矿液沉淀起到屏蔽作用,故碎屑岩地层不可能提供高放射成因锶。因此,元古宇基底地层(如下震旦统嘉山组、高桥组含砾千枚岩)有可能作为成矿流体中高放射性成因锶的源区。尤其当流体淋滤基底岩石,富高放射性成因锶的矿物相优先分解时,将发生源岩与流体的锶同位素动力学非平衡分馏效应,使水-岩反应体系中的流体较岩石具有更高的锶同位素组成[70-71]。另一方面,碳酸盐型矿石的87Sr/86Sr值明显小于黄龙组灰岩的87Sr/86Sr值的部分,表明这类矿石受幔源锶影响较明显。宁镇地区主要内生多金属成矿作用与该区燕山期大规模的岩浆活动关系密切[4, 20, 26-29]。由岩浆活动引发的热液活动为成矿作用提供了大量的物质来源及热量来源,造成一部分栖霞山矿石87Sr/86Sr值低于黄龙组灰岩的87Sr/86Sr背景值,进一步揭示栖霞山矿石中锶的混合来源,兼具基底地层锶和幔源锶的特征。

本文得到的褪色灰岩87Sr/86Sr值为0.708352~ 0.709372,平均值为0.708742(n=4);矿化灰岩87Sr/86Sr值为0.709526~0.710163,平均值为0.709832(n=3);与正常灰岩对比可知(图 8),从正常灰岩到褪色蚀变灰岩再到矿化灰岩,87Sr/86Sr值呈逐渐增大的趋势,表现出明显的富放射成因87Sr,指示矿体围岩灰岩受到热液蚀变的影响。远离热液影响的范围,蚀变作用逐渐减弱,87Sr/86Sr值逐渐变小。另外,由于赋矿围岩灰岩在蚀变过程中,主要发生硅化及褪色蚀变,并未形成富铷(Rb)矿物,因此,在围岩蚀变过程中,其87Sr/86Sr值的变化应主要由成矿流体引起。栖霞山矿床矿石样品的87Sr/86Sr值变化范围较大(87Sr/86Sr=0.704816~0.714050,平均值为0.709606,n=24)。一般来说,造成热液方解石中87Sr/86Sr值波动较大的主要原因有[50-51, 62]:①成矿流体中锶同位素组成不均一;②流体与围岩发生水-岩反应。由于本次研究的样品均采自同一矿区,在矿区尺度上成矿流体的锶同位素组成应视为均一。因此,热液方解石的形成很可能是成矿流体与赋矿围岩发生水-岩反应的结果。

图 8 栖霞山矿床矿石相关灰岩87Sr/86Sr值变化趋势 Fig.8 Variation trend of 87Sr/86Sr ratio of limestones in the Qixiashan deposit
6 结论

(1)栖霞山矿床矿石样品碳同位素变化范围较窄(δ13CV-PDB=-5.1‰~1.9‰),揭示热液中的CO2起源于沉积碳酸盐岩、源自地幔和岩浆的深源碳。深部矿体由浅至深碳-氧同位素总体处于增大的趋势,表明在成矿作用过程中,发生了碳同位素的交换。

(2)栖霞山矿石样品的87Sr/86Sr值(0.704816~ 0.714050)揭示,栖霞山矿石中锶兼具基底地层锶和幔源锶的混合来源特征。主要赋矿围岩——黄龙组灰岩在蚀变过程中,主要发生硅化及褪色蚀变,并未形成富铷(Rb)矿物,表明在围岩蚀变过程中,其87Sr/86Sr值的变化应主要由成矿流体引起。

(3)结合本区成矿地质背景和成矿特征,认为栖霞山矿床成矿流体的起源可能来自花岗岩的期后热液,热液携带了主要的成矿物质,在热动力作用下,流经元古宇基底地层,萃取部分有益元素,形成具有混合物质来源的成矿流体,成矿作用过程主要为成矿流体与围岩碳酸盐岩发生水-岩反应所致。

致谢: 成文过程中得到中国地质调查局发展研究中心姚晓峰、甄世民、杜泽忠博士,全球矿产资源战略研究中心李以科博士及中国地质科学院水环所甄世军工程师、中国地质大学(北京)姚翔博士,华东有色地质矿产勘查开发院叶水泉、桂长杰总工程师等、南京银茂铅锌矿业有限公司熊东全高级工程师等的大力帮助,在此一并表示诚挚感谢。

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