青海錫鐵山超大型鉛鋅礦床成礦物質(zhì)來源來自硫同位素的制約

青海錫鐵山超大型鉛鋅礦床成礦物質(zhì)來源來自硫同位素的制約

錫鐵山礦床位于山西省海西州大柴丹行委員會。目前，該公司擁有500多臺鉛和鍍鋅金屬儲量。這是中國最大的錫槽之一。礦區(qū)類型為噴流沉積（sedex）。20世紀80年代曾開展過穩(wěn)定同位素地球化學研究髴,由于對礦床成礦系統(tǒng)認識的局限以及鉛同位素數(shù)據(jù)測定精度較低,礦床鉛同位素的研究處于初始階段。近年來的礦床地質(zhì)地球化學研究基本建立起錫鐵山礦床噴流沉積礦床的模型,逐漸恢復出噴流鹵水與海水相互作用的成礦作用機制。新測定的一批鉛同位素數(shù)據(jù)顯示出良好的線性分布,反映出成礦物質(zhì)多來源性質(zhì),這些特點在很多SEDEX或塊狀硫化物型(VHMS)鉛鋅(銅)礦床中均有表現(xiàn),但以往未引起足夠的重視,或?qū)⑵浣忉尀榉治鰷y定誤差。本文的研究正是基于上述成礦模型,探討SEDEX礦床鉛同位素特征以及噴流成礦作用過程中不同物質(zhì)來源的相互關系,其多來源的特點可能是SEDEX(VHMS)礦床所共有的。1錫鐵山礦區(qū)的脈狀礦化錫鐵山礦床產(chǎn)于柴達木地塊北緣早古生代造山帶,該造山帶開始于晉寧運動后祁連南緣的陸緣裂開,中晚奧陶世以代表島弧環(huán)境的中基性鈣堿性火山巖為主,尤其以中性巖發(fā)育為特征,反映了板塊俯沖的閉合環(huán)境,俯沖作用的繼續(xù)形成了柴北緣著名的超高壓變質(zhì)帶。錫鐵山礦區(qū)區(qū)分前寒武紀達肯大板群變質(zhì)巖與灘間山群的F1斷裂屬該俯沖帶的一部分,沿F1發(fā)生強烈的片理化。容礦地層為奧陶系灘澗山群(O3tn)中基性火山-沉積巖系(圖1)。傳統(tǒng)上將錫鐵山地區(qū)的灘澗山群分為a-b、c、d4個巖組、3套火山沉積巖系,三者間為斷層接觸。a-b層為一套含中基性火山物質(zhì)的碎屑沉積巖,局部夾少量的玄武安山巖或安山玄武巖。鉛鋅礦體賦于中部的a-2層,為一套富含炭質(zhì)、鈣質(zhì)的泥質(zhì)沉積巖,即石英絹云母片巖、炭質(zhì)絹云母片巖等,夾大理巖。大理巖主體為噴流沉積巖,厚層不規(guī)則透鏡狀順層產(chǎn)出,長>2500m。錫鐵山礦床本區(qū)的硫化物礦體劃分為層狀與非層狀、少量脈狀,非層狀礦體呈厚大的不規(guī)則狀穿插于大理巖中,粗晶、塊狀礦,富含熱水角礫;非層狀礦體中見有一處蝕變的基性脈巖,其中含浸染狀黃鐵礦。層狀礦體分布于噴流系統(tǒng)外側(cè),于大理巖的邊部(下盤)或大理巖尖滅后的片巖中,整合產(chǎn)出,有條帶條紋構(gòu)造。網(wǎng)脈狀石英鈉長巖分布于非層狀礦體及厚層大理巖的下方,長>2000m,寬>300m,與兩側(cè)片巖呈交代狀,其中發(fā)育大量的熱水角礫巖,網(wǎng)脈狀結(jié)構(gòu),代表沿同生長斷裂發(fā)育的管道相。在厚層大理巖中靠近非層狀礦體的下方,局部發(fā)育一些垂直大理巖層理生長的脈狀礦化,裂隙無錯動,脈體中發(fā)育熱水角礫,脈體與非層狀礦相連,代表非層狀礦的供給系統(tǒng)。主要礦物組合為黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦、磁黃鐵礦,少量白鐵礦、毒砂等,脈石礦物為方解石,在條紋狀礦石中含自形柱狀石英。含礦地層傾向SW220°±,傾角60°±,層序整體倒轉(zhuǎn),本文中所用產(chǎn)狀敘述均以恢復后的原始產(chǎn)狀而言。斷層溝地區(qū)位于錫鐵山礦區(qū)東南部,含礦層由于靠近區(qū)域斷裂F1,受到沿斷裂自NE向SW仰沖的影響,地層層序再一次倒轉(zhuǎn),強烈片理化,沉積面理(S0)全部為片理(S2)取代。由于含礦系統(tǒng)自錫鐵山本區(qū)向東南方向的側(cè)伏,至斷層溝地區(qū)已具有很大的埋深,近地表一帶并未出現(xiàn)噴流沉積形成的硫化物礦體(化)?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)的礦體及礦化均產(chǎn)于絹云片巖及片理化的層狀石英鈉長巖中,層位與錫鐵山礦區(qū)含礦層完全一致,但礦體受片理控制,形成于后期改造作用。由于F1斷裂代表了奧陶紀末柴北緣裂陷閉合時的強烈逆沖,因此,斷層溝地區(qū)的脈狀礦化也很可能形成于這一時期。有關錫鐵山礦床詳細的地質(zhì)特征介紹,可參考祝新友等、Wang等,鄔介人等。2鉛區(qū)位分析2.1圍巖巖性充填巖礦床鉛同位素樣品取自錫鐵山噴流沉積系統(tǒng)的各部分,為避免近地表礦石強烈氧化的影響,樣品主要取自2942、2882和2822中段坑道,以及鉆孔巖礦石。取樣對象包括非層狀礦體、層狀礦體、上盤含浸染狀礦化的炭質(zhì)片巖、網(wǎng)脈狀蝕變石英鈉長巖、代表供給帶的脈狀礦化以及斷層溝地區(qū)的部分樣品,基本可以代表錫鐵山礦區(qū)各類地質(zhì)體的鉛同位素特點。2.2樣品組成分析樣品經(jīng)單礦物分離獲得純的硫化物單礦物(純度>98%)。測定方法依GB/T17672-1999《巖石中鉛鍶釹同位素測定方法》,測定儀器ISOPROBE-T熱電離質(zhì)譜儀,鉛同位素比值誤差以2σ計,除樣品TX-145之2σ=0.007~0.021外,其他樣品2σ<0.009,大部分樣品2σ<0.003。共分析鉛同位素樣品30件,分析結(jié)果如表1。鉛同位素組成總體上較為集中,分布范圍:206Pb/204Pb=18.204~18.658,207Pb/204Pb=15.556~15.791,208Pb/204Pb=38.272~39.042;大部分樣品集中分布于206Pb/204Pb=18.234~18.277,207Pb/204Pb=15.579~15.632,208Pb/204Pb=38.360~38.541。按傳統(tǒng)的劃分方法,屬于普通鉛的范疇。鉛同位素計算使用參數(shù)引自:λ1=0.155125×10-9a-1,λ2=0.98485×10-9a-1,地球年齡值4.43×10-9a,(206Pb/204Pb)0=9.307,(207Pb/204Pb)0=10.294,238U/235U=137.88。3討論3.1鉛同位素組成特征前人在錫鐵山礦床共測定方鉛礦鉛同位素樣品11件,認為礦床鉛同位素具有普通鉛的特點。在207Pb/204Pb~206Pb/204Pb鉛同位素演化圖解中,錫鐵山礦床的鉛同位素樣品大部分分布集中,少量樣品分散。樣品μ值=9.42~10.21,單階段年齡介于37~400Ma(圖2),其中礦石的單階段年齡為260~400Ma,略低于地層的年齡值,礦區(qū)灘間山群火山巖的單顆粒鋯石U-Pb年齡486Ma。大多數(shù)SEDEX或VHMS礦床,礦石普通鉛年齡與地層年齡或成礦年齡接近。礦石鉛同位素組成與取樣位置關系不大,整個礦區(qū)無明顯的鉛同位素分帶現(xiàn)象。在2882中段09線,石英絹云片巖中發(fā)育多層層狀鉛鋅礦體。自下而上,4件樣品中的鉛同位素組成較為均一,207Pb/204Pb值分別為15.579、15.556、15.791、15.586,無明顯的變化規(guī)律,即鉛同位素組成無系統(tǒng)性的變化,組成接近。這說明,在噴流成礦過程中,鉛同位素組成穩(wěn)定,成礦物質(zhì)的來源未發(fā)生顯著的變化。斷層溝地區(qū)的3個樣品鉛同位素組成集中,且均位于交點C附近(圖3)。詳細的鉛同位素圖解(圖3-A,B)顯示出錫鐵山礦床礦石、圍巖的鉛同位素組成特點并不完全相同,明顯分為兩組,沿兩條線線性分布。大部分的樣品,包括非層狀礦、網(wǎng)脈狀石英鈉長巖、代表供給系統(tǒng)的脈體、基性巖等,以及絕大部分的層狀礦體,組成一組,呈線性分布,編號1。分布于鉛鋅礦體及大理巖上盤的含浸染狀黃鐵礦化的炭質(zhì)片巖、一個層狀礦體樣品組成一組,編號2。沿2號回歸線分布的樣品包括全部的炭質(zhì)片巖和1件層狀條帶狀鉛鋅礦石。炭質(zhì)片巖主要分布于礦體或大理巖的上盤(NE盤),含浸染狀分布的細粒自形晶黃鐵礦,其中噴流沉積現(xiàn)象不明顯。除黃鐵礦外,無其他硫化物,也無蝕變。5件炭質(zhì)片巖樣品的相關系數(shù)為0.902,相關性較高。炭質(zhì)片巖樣品的回歸方程為:沿1號回歸線分布的樣品,富硫化物,無放射性成因鉛的加入,不同類型的礦化分布于該直線上,顯示網(wǎng)脈帶、供給脈體、非層狀礦體等具有相同的鉛同位素來源。層狀礦體中有1個樣品處于2號回歸線上,該樣品位于2942中段17線層狀礦體底部,緊鄰灰黑色石英絹云片巖,礦石呈條帶狀?？鄢摌悠泛蟮膶訝畹V體,以及其他礦體、網(wǎng)脈狀石英鈉長巖等共19件樣品,207Pb/204Pb-206Pb/204Pb間相關系數(shù)為0.977,其線性回歸方程為:樣品分布的范圍遠大于分析誤差,且回歸直線1的斜率>1,可排除因204Pb分析誤差導致的結(jié)果。因此,這種線性的分布特點可能代表了不同μ值源區(qū)物質(zhì)的混合結(jié)果。2號回歸線以炭質(zhì)片巖為代表,以交點C為起點,向放射性成因鉛的方向偏移。以前述的回歸方程,如果按照上交點年齡為0,則與μ=9.527的演化線相交的下交點年齡為1998Ma;如果以上交點年齡為269Ma,則與μ值為9.462的演化線相交的下交點年齡值為1860Ma。這一年齡值與礦區(qū)東北側(cè)廣泛分布的古元古界達克達板群巖年齡大體相仿,但由于圖3中缺乏較老的年齡樣品的支撐,這種可能性還需要得到其他方面研究的支持。對錫鐵山礦床數(shù)百件巖石樣品微量元素的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(另文詳述),炭質(zhì)片巖中U、Th含量較其他樣品略高,含量一般3×10-6~4×10-6,最高含量達11×10-6,石英鈉長巖等樣品一般為1×10-6~2×10-6。而片巖樣品中Pb的含量一般>100×10-6。因此,片巖中的放射性成因鉛含量的迅速增加,形成線性分布規(guī)律,主要還不是后期巖石中放射性衰變的結(jié)果。3.2造山帶和上地殼在Zartman與Doe的鉛同位素演化圖解中(圖3-A),錫鐵山礦床的鉛同位素組成相對復雜,分布范圍覆蓋造山帶與上地殼區(qū)域,但主要分布區(qū)尤其是兩線交匯點位于造山帶生長線附近,這與容礦的灘間山群及柴北緣構(gòu)造環(huán)境與地質(zhì)演化背景一致,錫鐵山屬柴北緣早古生代造山帶。沿1號回歸線的樣品,雖然具有造山帶來源,但顯然有一部分物質(zhì)的來源落入上地殼區(qū)間。樣品的良好線性分布特征支持兩種來源物質(zhì)混合的可能性,一種是具有造山帶來源的,另一種是具有上地殼來源的。針對Sullivan鉛鋅礦床類似的鉛同位素線性分布特點,Beaudoin的解釋是來自造山帶與來自上地殼的兩端元鉛來源的混合結(jié)果,但未給出具體的說明。沿2號回歸線分布的樣品來源與造山帶有關。炭質(zhì)片巖中直接的噴流跡象不明顯,是噴流間歇期的沉積,其上部、下部層位中均存在火山活動,成巖物質(zhì)代表造山帶的特征。2號回歸線反映的古元古代年齡可能顯示成巖過程中有前寒武紀物質(zhì)的參與。近年來柴北緣超高壓變質(zhì)帶的研究發(fā)現(xiàn),灘間山群a-b巖組更多的呈現(xiàn)出島弧火山沉積巖的特點,而不是開闊的大洋,其深部可能存在早前寒武紀的變質(zhì)基底,同時,錫鐵山礦床以F1巖石圈斷裂與前寒武紀緊鄰,中奧陶世時期,這些相距可能不太遙遠的大陸物質(zhì)可能在炭質(zhì)片巖中提供部分沉積物質(zhì)。3.3號回歸線上的鉛同位素組成通常情況下,噴流沉積礦床(SEDEX)或塊狀硫化物礦床(VHMS)多具有普通鉛的特點,礦床中鉛同位素組成范圍較小。但這些普通鉛大多具多階段演化特性,鉛同位素呈線性分布,一些古老的塊狀硫化物礦床由于后期改造作用出現(xiàn)平緩的多階段鉛的混合線,如遼寧紅透山銅礦;而更多的礦床,其線性斜率往往高于由204Pb測量誤差引起的誤差線,如內(nèi)蒙霍各乞、甘肅廠壩、澳大利亞的一些大型SEDEX鉛鋅礦、加拿大Sullivan鉛鋅礦床等。就1號回歸線上的樣品而言,大多數(shù)樣品集中于點C附近,落在造山帶演化線附近(圖3-A),顯示主要成礦物質(zhì)來源的相對均一;分散的樣品向高μ值區(qū)間移動。最集中分布的是斷層溝礦段的樣品,其次是非層狀礦和脈狀礦,層狀礦石不僅有一個樣品落入2號回歸線上,在1號回歸線上的分布也較分散。這些高度線性相關的樣品顯示兩種不同鉛同位素組成的來源物質(zhì)的混合,一種以交點C為代表,具有造山帶特點,主要是非層狀礦、下部供給脈帶、網(wǎng)脈狀石英鈉長巖等,金屬成礦物質(zhì)具有深部來源,并與火山沉積巖大體一致,提供了成礦金屬物質(zhì)的大部分。這其中也包括直接由深部巖漿提供的部分物質(zhì),石英鈉長巖流體包裹體研究已發(fā)現(xiàn)大量直接來自巖漿的流體參與成礦的證據(jù)。另一種在1號回歸線的上端,富含放射性的端元,具有上地殼特點,提供了少量的成礦金屬物質(zhì)。錫鐵山容礦大理巖的研究已經(jīng)揭示,大理巖原始物質(zhì)是噴流沉積的產(chǎn)物,沉積物質(zhì)來自噴流鹵水與海水,二者的混合促進了碳酸鹽的沉淀,早期(下部)主要來自鹵水,晚期鹵水的貢獻更大。硫同位素的研究也支持硫主要來自海水碳酸鹽的還原。以此進一步推斷,代表上地殼鉛同位素組成的鉛很可能來源于海水,即噴流作用過程中海水提供了很少量的鉛或金屬成礦物質(zhì)。非層狀礦、下部供給脈帶、網(wǎng)脈狀石英鈉長巖等未噴出部分鉛同位素組成相對集中,并接近交點C的鉛同位素組成,這些地質(zhì)體未受到海水的直接影響,海水只是通過在噴流系統(tǒng)的循環(huán)作用部分地貢獻了成礦物質(zhì)。層狀礦遠離噴口,直接與海水接觸,海水可能更多地參與并提供金屬物質(zhì),從而改變其鉛同位素組成,造成鉛同位素組成相對分散,部分樣品落入上地殼區(qū)間。直至近期,錫鐵山礦床一直被作為是典型的沉積改造型礦床,非層狀鉛鋅礦體產(chǎn)于大理巖中,占錫鐵山礦床鉛鋅探明儲量3/4以上。鉛同位素結(jié)果表明,非層狀鉛鋅礦體以及近噴口相與絕大部分層狀礦體樣品的鉛同位素組成分布于同一混合鉛直線上,具有高度相關性,雖然分布范圍有所差異,但特點相同。說明這些地質(zhì)體中的鉛及金屬物質(zhì)具有相似的成礦物質(zhì)來源,和相同的演化歷史,層狀礦體中有少量外來物質(zhì)的加入。非層狀礦體、層狀礦體以及網(wǎng)脈狀蝕變巖、代表供給帶的脈狀礦體等,均形成于噴流沉積過程中。非層狀礦體雖具有后成熱液穿插的地質(zhì)特點,應屬形成于海底表面以下的部分,而不是后期改造的結(jié)果。斷層溝礦區(qū)的鉛鋅礦化產(chǎn)于灘間山群a-2巖組中,與錫鐵山礦床本區(qū)的含礦層位一致。鉛鋅礦體呈脈狀,受S2控制。硫化物鉛同位素組成高度均一,且分布于交點C附近。這說明鉛同位素來源與錫鐵山礦區(qū)一致,即金屬物質(zhì)來源于含礦層或含礦層中的早先形成的礦化富集,但演化上有所差異。斷層溝的鉛同位素經(jīng)歷了后期的均一化作用,即后期改造。4成礦過程及中鉛、