湖北省冰洞山鋅礦床成因淺析

方冬生，呂向志，戴紹杰，徐志濤，方 旭，胡起生

(1.鄂西北地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所，湖北襄樊 441000;2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

湖北省冰洞山鋅礦床成因淺析

方冬生1，呂向志1，戴紹杰1，徐志濤1，方 旭1，胡起生2

(1.鄂西北地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所，湖北襄樊 441000;2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

湖北花椒樹坪鋅礦床以鋅為主，鉛為輔，伴生硫、鎘和銀。礦體呈透鏡狀、似層狀產(chǎn)出，屬層控鋅礦床。金屬硫化物主要為閃鋅礦、方鉛礦和黃鐵礦，其中閃鋅礦虧Zn、方鉛礦虧Pb、黃鐵礦虧S。伴生元素鎘主要以類質(zhì)同象方式賦存于閃鋅礦中。銀在方鉛礦和閃鋅礦中均有分布，且閃鋅礦中的銀含量高于方鉛礦。通過對金屬硫化物成分和閃鋅礦的微量元素分析，對比國內(nèi)外同類礦床，結(jié)合硫同位素資料，礦床形成溫度為中低溫，其成礦溫度介于142～262°C之間，其成因特征可與密西西比河谷型礦床對比。

礦石礦物;微量元素;類質(zhì)同象;分配系數(shù);層控

0 引言

花椒樹坪鋅礦床位于中國19個重要成礦區(qū)帶之一的湘西—鄂西成礦帶中的湖北神農(nóng)架—黃陵銅鉛鋅找礦遠景區(qū)，是在國土資源大調(diào)查中新發(fā)現(xiàn)的大型鋅礦床，經(jīng)多年地質(zhì)勘查，積累了豐富的地質(zhì)資料，取得了較好的地質(zhì)找礦效果。本文僅就礦床主要礦石礦物中常、微量元素及硫同位素特征進行歸納、研究，以期對礦床成因的進一步研究提供參考。

1 礦床地質(zhì)特征略述

花椒樹坪鋅礦床位于上揚子板塊北緣神農(nóng)架斷穹北部梨花坪復(fù)背斜北翼，北以區(qū)域性推覆斷裂青峰—襄廣斷裂與秦嶺造山帶相接，東南以新華斷裂與黃陵背斜相隔，南臨秭歸盆地，西抵大巴山弧形構(gòu)造帶東緣。

區(qū)內(nèi)地層分布有中元古界神農(nóng)架群亂石溝組、新元古界南華系南沱組、震旦系陡山沱組和燈影組。賦礦地層為下震旦統(tǒng)陡山沱組第四巖性段，含礦巖系厚度一般5 m左右。礦體產(chǎn)于黑色炭質(zhì)頁巖夾角礫狀白云巖中，與上、下圍巖呈突變關(guān)系。

礦床以鋅為主，局部含鉛，伴生銀、鎘、鍺。礦體呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，走向與地層走向基本一致;傾向北北西，傾角5°～25°，平均傾角為13°。礦體厚度薄，單工程厚度0.24 ～4.95 m，平均厚度1.55 m。

礦石中礦石礦物主要為黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦，脈石礦物主要為白云石、方解石，次生礦物有菱鋅礦、白鉛礦、褐鐵礦、異極礦等。礦石結(jié)構(gòu)主要為細—中粗粒、自形—半自形—他形粒狀結(jié)構(gòu)、假晶結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu)等，礦石構(gòu)造主要為角礫狀構(gòu)造、皮殼狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造，局部發(fā)育紋層狀構(gòu)造。與礦化關(guān)系密切的圍巖蝕變主要有黃鐵礦化、碳酸鹽化、硅化。

礦石品位一般較低(表1)，伴生有用組分主要與鋅關(guān)系密切，一般隨鋅品位的增高而增高。同位素地球化學(xué)特征研究表明，硫是在封閉環(huán)境下海相硫酸鹽經(jīng)熱還原作用形成，鉛屬于單階段演化的普通鉛類型，來源于殼?；旌系脑焐綆В?］。礦石工業(yè)類型以鋅礦石為主，次為鉛鋅礦石，自然類型以硫化礦石為主，次為氧化礦石。

2 閃鋅礦的微量元素特征

2.1 影響礦物中微量元素含量的因素

自然體系(指礦物巖石)中，微量元素通常以次要組分容納于其主要組分所形成的礦物中，它可以呈下列幾種形式：

(1)表面吸附 由于礦物表面電價不飽和，而吸附其他微量元素離子。

(2)吸留作用 礦物生長過程中機械地包容了一些外來物質(zhì)，成為顯微包裹體。

(3)固溶體 在通常情況下，微量元素占據(jù)晶格中的規(guī)則位置，構(gòu)成置換固溶體。有時，微量元素占據(jù)晶格位置之間的位置，構(gòu)成間隙固溶體，或者，占據(jù)晶格的缺位，構(gòu)成缺位固溶體。

微量元素以前二種形式出現(xiàn)，具有一定的偶然性，主要是機械的物理的因素;固溶體形式的微量元素，則受化學(xué)和地球化學(xué)的因素控制。

微量元素在巖石和礦物中含量很低，以類質(zhì)同象置換晶格中的主要元素是微量元素最重要的存在形式之一。服從于戈爾德施密特定律和能斯特分配定律。微量元素在巖石和礦物中的含量取決于成礦溶液中元素的濃度和它在該礦物相中的分配系數(shù)，而微量元素在礦物中的分配系數(shù)主要受元素本身的地球化學(xué)性質(zhì)、礦物的晶體化學(xué)性質(zhì)、成礦流體的成分和物理化學(xué)條件(T、P、fO2等)因素影響。在溫度一定的情況下，若體積增大，則壓力增大，分配系數(shù)減小;若體積減小，則壓力增高，分配系數(shù)增大。在壓力一定的情況下，當(dāng)熱焓變化△H＞0時，溫度升高，分配系數(shù)增大;當(dāng)熱焓變化△H＜0時，溫度升高，分配系數(shù)減小。因此，礦物中微量元素特征反映了其成因信息。

2.2 閃鋅礦微量元素特征反映的成因信息

閃鋅礦的標(biāo)準(zhǔn)成分為Zn67.1%，S32.9%，但實際上閃鋅礦中往往含有多種微量元素，出現(xiàn)常量元素的虧損;閃鋅礦中富集的元素種類不同，反映不同的成礦環(huán)境。

花椒樹坪鋅礦床中閃鋅礦的微量元素Cd、Ga、In、Ge主要呈類質(zhì)同象方式存在，其中Cd、Ge具明顯富集現(xiàn)象。

Ga3+、In3+與 Zn2+的離子半徑差分別為24%和11%，前者較之后者大得多，在同一物理化學(xué)條件下，In的分配系數(shù)大于Ga，Ga3+置換Zn2+的能力遠不如In3+，因此，In將優(yōu)先富集在早階段結(jié)晶的閃鋅礦中，而Ga則相對富集在晚階段結(jié)晶的閃鋅礦中。由于Ga、In的地球化學(xué)行為不同，其比值是區(qū)分閃鋅礦成因類型的有效標(biāo)志。一般地，高溫閃鋅礦富錫;中溫則富鎘、銦，Ga/In值為0.1～5.0;低溫則含鎵、鍺較高，Ga/In 值為 1.0 ～ 100［2］?；ń窐淦轰\礦床閃鋅礦中鎘、鍺含量相對較高，鎵含量相對較低，說明花椒樹坪礦床中的閃鋅礦屬中、低溫產(chǎn)物。Ga/In比值平均44.77，遠遠＞1，與密西西比河谷型比值相近，暗示其在成因上可與MVT型鉛鋅礦床對比(表2)。

Cd的晶體化學(xué)性質(zhì)與Zn極為相似，Cd、S以四次配位進入閃鋅礦晶體。劉英俊(1984)認(rèn)為閃鋅礦中的ω(Cd)隨溫度的降低而富集［3］;而Schwartz(2000)認(rèn)為閃鋅礦中ω(Cd)決定于成礦流體中的Cd/Zn比值、離子的活度、成礦流體的溫度，而溫度、pH值、S逸度、Cl－的活動性都不能單獨對Cd的富集或貧化產(chǎn)生明顯的影響［4］。前人研究表明：盆地鹵水(被視為MVT型礦床的成礦流體)中Cd/Zn比值較高，而與噴流作用有關(guān)的成礦(SEDEX型)流體Cd/Zn比值較低。Schwartz對世界上480個礦床中的閃鋅礦的ω(Cd)按照礦床類型進行了統(tǒng)計(表3)，結(jié)果顯示，MVT和白云巖、灰?guī)r中脈狀礦床中閃鋅礦的ω(Cd)較高(平均7 260×10－6)，而SEDEX型、矽卡巖型及與火山有關(guān)的塊狀硫化物礦床閃鋅礦中明顯偏低(平均2 360×10－6～3 540 ×10－6)?；ń窐淦轰\礦床閃鋅礦ω(Cd)/10－6為2 940 ～8 990，ω(Cd)/10－6平均為6 315。據(jù)此判斷，花椒樹坪鋅礦床也應(yīng)屬于MVT型礦床范疇。

表3 不同類型鋅礦床閃鋅礦中鎘含量統(tǒng)計表(×10-6)Table.3 Statistics of cadmium content of sphalerite in different lead－ zinc deposit

Ge+4與S－2形成的四面體配位結(jié)構(gòu)具有很大的穩(wěn)定性，它能以類質(zhì)同象形式進入閃鋅礦晶格，并在其中發(fā)生富集，成礦溶液中Ge的豐度是閃鋅礦中ω(Ge)的主要影響因素。巖漿熱液成因有關(guān)的閃鋅礦 ω(Ge)較低(一般 ＜3×10－6)，相反，沉積—改造成因Pb—Zn礦床中閃鋅礦ω(Ge)一般＞100×10－6(周衛(wèi)寧等，1989)［5］。閃鋅礦中 ω(Ge)與形成溫度和成礦有很大關(guān)系，研究證明隨溫度降低(400～100°C)，閃鋅礦中 ω(Ge)/10－6升高(5 ～170)(劉英俊等，1984)?；ń窐淦轰\礦床閃鋅礦ω(Ge)/10－6為45～700，平均397.50(表3、表4)，也顯示其處于中低溫環(huán)境下后生成因的特點。

劉英俊等對中國遼寧、吉林、河北24個鉛鋅礦床56個閃鋅礦單礦物內(nèi)微量元素的分析結(jié)果表明，閃鋅礦中的微量元素含量與成礦溫度之間有一定的對應(yīng)關(guān)系(表4)［6］。花椒樹坪鋅礦床中閃鋅礦的微量元素Ge、In、Ga含量(表3、表4)對應(yīng)于中低溫作用下形成。

表4 閃鋅礦中微量元素含量(×10-6)與溫度(℃)的關(guān)系Table 4 Relation of trace element content and temperature in sphalerite

3 硫同位素特征

據(jù)硫化物中的硫同位素資料，黃鐵礦的δ34S為31.95‰ ～34.57‰，極差 2.62‰，平均 32.86‰;閃鋅礦的 δ34S 為20.20‰ ～27.41‰，極差7.21‰，平均23.81‰;方鉛礦的 δ34S 為28.12‰ ～28.20‰，極差0.08‰，平均 28.16‰。δ34S 平均 28.93‰，以富重硫為特征，反映環(huán)境為封閉的海相熱還原環(huán)境;黃鐵礦、方鉛礦的硫同位素值分布集中，極差小，反映了其均一化程度高，反映硫質(zhì)的來源較單一;而閃鋅礦中硫同位素分布范圍較寬，極差較大，預(yù)示閃鋅礦的結(jié)晶沉淀可能具多階段性;閃鋅礦的硫同位素與黃鐵礦和方鉛礦的硫同位素未達到交換平衡，而黃鐵礦和方鉛礦的硫同位素達到了交換平衡，可以利用交換平衡礦物對成礦溫度進行計算。根據(jù)公式1 000 lnα=1.1×106/T2［7］，其成礦溫度介于142 ～262°C 之間。

4 結(jié)論

花椒樹坪鋅礦床是產(chǎn)于揚子地臺北緣陸棚碳酸鹽相陸棚亞相環(huán)境。礦床礦石礦物簡單，主要由閃鋅礦、方鉛礦和黃鐵礦組成;礦石礦物中閃鋅礦富含微量元素，利用這些元素和硫同位素大致可以判斷礦床的成因。

(1)花椒樹坪鋅礦床閃鋅礦中鎘、鍺含量較高，鎵含量相對較低，說明花椒樹坪鋅礦床閃鋅礦屬中低溫產(chǎn)物。

(2)花椒樹坪鋅礦床閃鋅礦中ω(Ge)/10－6為45～700，平均397.50，也反映該礦床處于中低溫環(huán)境下后生成因特點。

(3)花椒樹坪鋅礦床閃鋅礦中Ga/In比值平均44.77，遠遠 ＞1;且 ω(Cd)/10－6為 2 940 ～ 8 990，ω(Cd)/10－6平均為6 315，說明花椒樹坪鋅礦床成因上可與MVT型鉛鋅礦床對比。

(4)根據(jù)黃鐵礦和方鉛礦硫同位素達到交換平衡條件，利用公式1 000lnα =1.1 ×106/T2，計算出其成礦溫度介于142～262°C之間，也屬中低溫范疇。

綜上所述，花椒樹坪鋅礦床是在中低溫條件下形成，屬中低溫還原環(huán)境下形成的鋅礦床，成因上可與MVT型鉛鋅礦床對比。

［1］呂向志，等.湖北花椒樹坪鋅礦床同位素地球化學(xué)特征［J］.資源環(huán)境與工程，2009，23(6)：779 －783.

［2］王小春.天寶山鉛鋅礦床成因分析［J］.成都地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，1992，19(3)：10 －20.

［3］劉英俊，曹勵明，李兆麟，等.元素地球化學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1984.

［4］Schwartz M O..Cadmium in zinc deposits：Economicgeology of apolluting element［J］.International Geology Review，2000，42：445 －469.

［5］周衛(wèi)寧，傅金寶，李達明.廣西大廠礦田銅坑—長坡礦區(qū)閃鋅礦的標(biāo)型特征［J］.礦物巖石，1989，9(2)：66 －72.

［6］中國科學(xué)院礦床地球化學(xué)開放研究實驗室.礦床地球化學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1997.

［7］南京大學(xué)地質(zhì)系.地球化學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1985.

Dicussion on Deposit Genesis of Bindongshan Zinc Deposits，Hubei Province

FANG Dongsheng1，LV Xiangzhi1，DAI Shaojie1，XU Zhitao1，F(xiàn)ANG Xu1，HU Qisheng2
(1.Geological Survey of Northwestern Hubei，Xiangfan，Hubei441000;2.Hubei Institute of Geological Survey，Wuhan，Hubei430034)

Zinc deposits are primary，whereas lead deposits are secondary in association with sulfur，cadmium and silver.Lenticular stratiform shape is a stratabound lead － zinc deposits.Metal sulfides are mainly sphalerite，galena and pyrite.Deposit forming temperature is in the low temperature and deforming temperature is from 142°C ～ 262°C after analyzing of sulphides sphalerite composition and trace element，comparing with similar deposits at home and abroad，and combining with sulfur isotope data.Its characteristics of the causes can be compared with the Mississippi Valley type deposits.

ore mineral;trace element;isomorphism;partition coefficient;strata－bound

P618.43

A

1671－1211(2011)03－0197－04

2010－09－13;改回日期：2011－03－25

方冬生 (1963－)，男，高級工程師，地質(zhì)礦產(chǎn)專業(yè)，從事區(qū)域地質(zhì)及礦產(chǎn)勘查工作。E－mail：fangdongsheng2008@yahoo.cn

于繼紅)