大興安嶺中段二疊系地球化學(xué)特征及其成礦意義

韓峰 侯建軍

摘要：二疊紀(jì)海相火山沉積巖系是大興安嶺中段出露的主要基底地層，是銅多金屬礦床的主要富礦圍巖，其中成礦元素Cu、Pb、Zn、Ag、Sn均具有較高的豐度值，是形成礦床的重要物質(zhì)來(lái)源，而不同礦床類型的時(shí)、空分布與早二疊世古構(gòu)造沉積環(huán)境密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：大興安嶺中段 二疊紀(jì)地層 成礦元素豐度 成礦物質(zhì)來(lái)源

大興安嶺中段指的是阿爾山—龍江一線(北緯47°20′)至林東—天山北側(cè)（北緯44°）和霍林郭勒（東經(jīng)118°45′）以東地區(qū)，是我國(guó)重要的且具有巨大找礦潛力的銅、鉛、鋅、銀和稀有稀土元素成礦帶。在已知的134處銅多金屬礦床（點(diǎn)）中，90%以上賦存于二疊紀(jì)地層中。對(duì)二疊紀(jì)地層地球化學(xué)的研究，對(duì)于了解成礦元素地球化學(xué)背景、成礦控制因素以及礦產(chǎn)勘查具有重要的理論和實(shí)際意義。

1. 構(gòu)造演化概況

大興安嶺中段位于內(nèi)蒙古東南部中—晚華力西褶皺帶的北東部。該褶皺帶是西伯利亞古板塊與中朝古板塊在晚泥盆世—早石炭世沿二連浩特—賀根山一級(jí)碰接、隆升后，于中石炭世復(fù)又裂解成海，再經(jīng)早二疊世末的晚華力西運(yùn)動(dòng)形成的。因此，本區(qū)除東南隅出露少許中石炭統(tǒng)碳酸鹽巖外，廣泛發(fā)育二疊系，特別是下二疊統(tǒng)。強(qiáng)烈的燕山期構(gòu)造—巖漿作用伴隨較廣泛的銅多金屬成礦作用，賦存于二疊系，特別是下二疊統(tǒng)中。礦床的氫、氧同位素特征揭示有大量水參與了成礦作用，而天水向深處運(yùn)移過(guò)程中可能會(huì)從地層中萃取礦質(zhì)。

2. 二疊紀(jì)地層特征

二疊紀(jì)地層在全區(qū)廣泛出露，各地厚度和巖性變化較大，總體呈北東向展布，呈不規(guī)劃復(fù)式背斜褶皺縱貫全區(qū)。

下二疊統(tǒng)總體為淺?！珵I海相連續(xù)沉積，具明顯的三分性，由早至晚為碎屑巖—火山巖—碎屑巖夾碳酸鹽巖，具有典型的優(yōu)地槽沉積特征。

早二疊世早期的青風(fēng)山組斷續(xù)出露在碧流臺(tái)、呼和哈德、察爾森一線，下部為雜砂礫巖、砂巖，上部為粉砂巖、黑色板巖，局部夾灰?guī)r透鏡體，厚4628m，碎屑粒度由下而上由粗變細(xì)，反映了海水逐漸變深的環(huán)境。

早二疊世中期（大石寨期），海水逐漸變深。由于地槽沉降速率的差異，出現(xiàn)3條近于平行的北東向海槽，發(fā)生規(guī)模較大、強(qiáng)度不一的火山噴發(fā)活動(dòng)，形成了五貧溝—火龍溝、大石寨—黃合吐和魯北—天山3條火山噴發(fā)帶，發(fā)育中性、中酸性、酸性火山巖建造。這套火山巖系的巖性和厚度變化較大，其中以大石寨黃合吐一線的火山巖最為發(fā)育，厚達(dá)4607 m。在火山活動(dòng)間歇期有正常碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積。

早二疊世晚期（吳家屯期），在上述3條火山巖帶之間接受了一套淺?！獮I海相陸源碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積，但兩個(gè)海盆有各自的特征和發(fā)展歷史，控制了本區(qū)不同礦床類型的產(chǎn)出和分布。索倫—浩布高海盆主要發(fā)育砂巖、板巖和灰?guī)r，為淺海沉積環(huán)境，厚1991m，含豐富的腕足、雙殼、苔蘚蟲(chóng)、珊瑚和筵科等化石。燕山早期花崗巖類侵位于碳酸鹽巖內(nèi)，形成了區(qū)內(nèi)幾處最重要的夕卡巖型礦床，如神山小型鐵銅礦床，白音諾、浩布高大型鉛鋅（銅）礦床。烏蘭浩特一魯北海盆內(nèi)沉積了一套砂礫巖、砂巖、板巖，僅局部夾灰?guī)r透鏡體，厚l210m，化石少見(jiàn)，產(chǎn)植物碎片，為海陸交互環(huán)境。燕山早期花崗巖類侵位于下二疊統(tǒng)復(fù)理石建造中，形成了具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的蓮花山和布敦化熱液型銅礦、斑巖型銅礦床及敖瑙達(dá)巴斑巖型銅銀錫礦床。

上二疊統(tǒng)為瀉湖一湖泊相沉積，主要由砂巖、板巖夾泥頁(yè)巖組成，厚3446 m，含大量淡水瓣鰓、葉肢介及植物化石，植物以安哥拉植物群為主。依二疊系上統(tǒng)的分布狀況，在區(qū)內(nèi)及鄰區(qū)可圈定出索倫—老龍頭和林西—陶海營(yíng)子兩個(gè)湖盆。值得指出的是，在研究區(qū)之南遠(yuǎn)處的上二疊統(tǒng)林西組砂頁(yè)巖中有大井子大型熱液型銀銅錫鋁鋅礦床。

3. 各地帶的地層和巖石組合及其地球化學(xué)特征

根據(jù)上述各層展布和巖石組合特征，將本區(qū)由北西至南東依次分為4個(gè)北東向地帶：①五岔溝—火龍溝地帶，發(fā)育下二疊統(tǒng)大石寨組海陸交互相中性、中酸性及酸性火山巖；②吳家屯—索倫地帶，發(fā)育下二疊統(tǒng)大石寨組、吳家屯組海相碎屑巖夾灰?guī)r及上二疊統(tǒng)索倫組瀉湖相沉積巖；③大石寨—黃合吐地帶，發(fā)育下二疊統(tǒng)大石寨組堿性和鈣堿性玄武巖、玄武安山巖、安山巖及流紋巖；④好田—新立屯地帶，發(fā)育下二疊統(tǒng)青風(fēng)山組、大石寨組和吳家屯組淺海相碎屑巖及上二疊統(tǒng)瀉湖相砂、頁(yè)巖。①和③帶主要發(fā)育大石寨組鈣堿性火山巖，形成于火山弧環(huán)境，②和④帶除發(fā)育少量大石寨組和青風(fēng)山組火山巖、砂頁(yè)巖外，主要發(fā)育早二疊世晚期和晚二疊世碎屑—泥質(zhì)沉積巖，成為①與③與南東側(cè)“火山弧”之間的盆地。由于燕山期的銅多金屬礦床主要賦存于②、③、④巖帶的二疊紀(jì)地層中，為了探討成礦作用與二疊紀(jì)地層的關(guān)系，特別是地層是否提供了部分成礦物質(zhì)，對(duì)二疊紀(jì)地層進(jìn)行礦元素豐度的測(cè)定，采樣點(diǎn)遠(yuǎn)離礦區(qū)，基本未受礦化蝕變影響。樣品經(jīng)正態(tài)分布檢驗(yàn)后，各地帶內(nèi)各組地層中主要巖類的成礦元素經(jīng)厚度加權(quán)統(tǒng)計(jì)，得出了各地帶的成礦元素Pb、Mo豐度最高，而Cu、As、Sb、Mn的豐度最低；吳家屯一索倫地帶Zn、As、Sb的豐度最高，Pb的豐度最低；大石寨—黃合吐地帶Cu、Ag 、Mn豐度最高，Sn、Bi的豐度最低；好田—新立屯地帶Sn、Bi的豐度最高，Zn、Ag、Mo的豐度最低。

上述各地帶成礦元素豐度值之間的差異，顯然與組成各地帶的地層和巖石類型的差異有關(guān)，特別是與早二疊世中期大石寨組的巖性變化有關(guān)。主要成礦元素Cu、Ag、Zn和Sb、Mn在大寨一黃合吐火山巖帶中的豐度值很高，顯示該層具礦源層的特征。

4. 二疊紀(jì)地層的成礦元素豐度及其對(duì)成礦的控制

4.1 二疊系各組地層元素豐度值的計(jì)算方法

元素豐度值是按以下步驟和方法求得的：①檢驗(yàn)各類巖石中元素含量的概念分布模式，剔除離群樣品，把服從正態(tài)檢驗(yàn)的樣品的值當(dāng)作巖石的元素豐度值；對(duì)不服從正態(tài)檢驗(yàn)的樣品和元素，把反復(fù)剔除2.5倍離差樣品后的樣品和元素的值視為元素豐度的近似值。②求出各地層的元素豐度值。③按各類巖石厚度加權(quán)，求出各地層的元素豐度值，豐度值與泰勒克拉克值相比，求出濃集系數(shù)。這樣求得的各組地層的化學(xué)元素豐度是較客觀真實(shí)的。

4.2 地層單元中成礦元素的濃集系數(shù)特征

青風(fēng)山組：濃集系數(shù)大于l的元素依次為As、Bi、Sn、Sb、Pb、Ag、Zn、Cr、Mn、Ba，其中As、Bi、Sn、Sb濃集系數(shù)大于2，Pb、Ag、Zn的濃集系數(shù)大于1.5，Co的濃集系數(shù)為0. 99，豐度值與克拉克值相近，Co、Ni亦低于克拉克值。

大石寨組：濃集系數(shù)大于1的元素依次為As、Sb、Ag、Pb、Bi、Zn、Cr、Sn、Ba，其中As、Sb的濃集系數(shù)大于2，而Cu、Mn、Mo、Co、Ni均低于克拉克值，Cu元素濃集系數(shù)為0. 86，其豐度值略低于克拉克值。

吳家屯組：濃集系數(shù)大于1的元素依次為As、Sb、Sn、Pb、Ag、Zn、Ba、Cr，其中As、Bi的濃集系數(shù)大于2，而Mo、Cu、Ni、Mn、Co的濃集系數(shù)小于1。

索倫組：As、Sb、Bi、Sn、Cr、Ag、Ba的濃集系數(shù)大于1，其中As、Sb、Bi濃集系數(shù)大于3，濃集系數(shù)小于1的依次為Zn、Cu、Pb、Mn、Mo、Ni、Co。

胡云中等在我國(guó)南嶺地區(qū)地層地球化學(xué)研究中，按元素的濃集系數(shù)大小分為特富集元素(K>5)、富集元素(K>1.5)、穩(wěn)定元素(0.5≤K≤1.5)和貧化元素(K<1.5)4類。若按這一分類討論本區(qū)二疊紀(jì)地層中成礦元素的富集情況，則①本區(qū)主要成礦元素Cu、Pb、Zn、Ag，除青風(fēng)山組的Pb、Zn、Ag、Sn，大山寨組的Ag、Pb及吳家屯、索倫組的Sn為富集元素外，其余均為穩(wěn)定元素。從地層含礦性考慮，Pb、Zn、Ag、Sn在二疊紀(jì)地層中有不同程度的初步富集，具備了為成礦作用提供部分物質(zhì)的可能。這與本區(qū)已獲得的部分黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦的鉛同位素模式年齡(254.5—258.5 Ma)相吻合。②As為二疊紀(jì)地層中特富集元素，其濃集系數(shù)在8.19—28. 24之間，Sb、Bi均為富集元素。Sb在吳家屯組及索倫組中為特富集元素。本區(qū)銅銀、鐵銅、鋁鋅銀礦床的礦物組合中，沒(méi)有毒砂、斜方砷鐵礦、硫銻銅銀礦、輝鉍礦出現(xiàn)，顯然與地層的高背景有關(guān)。

4.3 主要巖石類型成礦元素的濃集系數(shù)

為了解二疊系主要巖石類型的含礦性，我們將本區(qū)主要巖石類型豐度值與涂里千和魏德波爾等值對(duì)比，求出各巖石類型的濃集系數(shù)。

(1)As、Bi、Ag在本區(qū)所有巖石類型中的濃集系數(shù)均大于1，其中As、Bi的濃集系數(shù)分別為1.75～8.5和8～61.2。

(2)在正常碎屑巖中，成礦元素Cu、Pb、Zn、Sn、Mo、Sb、Mn趨向于砂巖中富集，其中Cu、Sn、Mo、Zn、Sb的濃集系數(shù)大于2。而上述元素在泥質(zhì)板巖中為穩(wěn)定元素，濃集系數(shù)多小于l。

(3)Sb、Cu、Ag.Zn在大石寨一黃合吐帶火山巖組合中的濃集系數(shù)大于1，Sn、Mo的豐度值除在中酸性碎屑熔巖中略高外，在安山巖、凝灰?guī)r中的濃集系數(shù)小于1。

(4)在五岔溝火山巖組合中，Pb、Mn的濃集系數(shù)大于1，Sn、Zn在中酸性碎屑熔巖、安山巖中的濃集系數(shù)大于1，而在流紋巖中的豐度較低。

從各類巖石元素濃集系數(shù)可看出本區(qū)成礦元素原始豐度情況：①Ag是本區(qū)各類巖石中濃集系數(shù)大于l的元素，且在各類巖石中較相近，濃集系數(shù)為1.1～3. 42。②Cu、Pb、Zn、Sn在砂巖中的濃集系數(shù)分別為：2. 77～6.07、1.01～3.09、3.8～7.04、2.5～6. 58，表明地層中成礦元素有一定的富集，尤其是砂巖具有良好的孔隙度和裂隙度的貫通性，在后期熱液環(huán)流系統(tǒng)中，有利于元素帶出，為成礦作用提供部分或主要的礦質(zhì)。③在大石寨一黃合吐帶火山巖建造中，Cu、Ag、Zn的濃集系數(shù)分別為1.83～4.37、1.7～5. 59、1.04～1.56，分布比較均勻，表明來(lái)自深部，并有一定的初始富集。

4.4成礦元素在地層中的共生組合

應(yīng)用R型因子分析方法，得出各元素在地層中共生組合的關(guān)系，元素因子載荷>0.5，并由大至小排列。對(duì)于因子載荷為負(fù)者，以方括號(hào)區(qū)別之。其排列方式反映的是絕對(duì)值大小，當(dāng)同一公共因子中出現(xiàn)正因子載荷的元素，又有負(fù)因子載荷元素出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)視為各自組成的兩個(gè)不同組合。

青風(fēng)山組：前7個(gè)因子的累計(jì)方差貢獻(xiàn)占94. 5%，尤其是前3個(gè)因子更占主導(dǎo)地位。F1因子與Ag、Sb、Pb關(guān)系密切，F(xiàn)2因子與Mo、Sn相關(guān)，F(xiàn)3因子出現(xiàn)Bi，因子載荷高。它反映了青風(fēng)山組中主要微量元素的同生沉積作用。而Co、Cr呈載荷出現(xiàn)，說(shuō)明Co、Cr、與Ag、Sb、Pb、Mo、Sn、Bi的來(lái)源不同，存在一定的反相關(guān)關(guān)系。F4 -F7因子的方差貢獻(xiàn)僅為29. 9%，F(xiàn)4因子與Mn、Co關(guān)系密切，F(xiàn)5因子與As、Ni、Cr相關(guān)，Cu呈獨(dú)立因子出現(xiàn)在F6中，F(xiàn)7因子為Ni、Co[Zn]組合。Cu、Zn呈負(fù)載荷，表明與鐵族元素相關(guān)性差，應(yīng)視為具有同生沉積及后期疊加的雙重性。

大石寨組：包含有大量的中、酸性火山巖，使元素組合具有某些火山活動(dòng)色彩。F1因子中Pb、Zn、Ag、As關(guān)系密切，具有較高的載荷，形成于同生沉積環(huán)境。F2因子為Cu、Co、Ni組合，顯示為深源特征，Cu是巖漿—火山活動(dòng)的主要成礦元素。Ag、As除在F1因子中外，還在F3、F6因子中分別重復(fù)出現(xiàn)，表明有疊加作用的因素。

吳家屯組：前7個(gè)因子的累積方差貢獻(xiàn)占84. 8%，基本包含了原始變量的大部分信息，F(xiàn)1因子的Zn、As、Cu、Ni組合與F7因子中的鐵族元素相對(duì)應(yīng)，反映了深源特征。F2因子中Pb、Ag相關(guān)，與F3因子的Sn、Bi也有一定聯(lián)系，可視為同生沉積作用的結(jié)果。

索倫組：Zn-Pb-Cr-Mn、Ag-Ba-Cu、S-Cu，分屬于不同因子，表明元素組合來(lái)源的復(fù)雜性。成礦元素豐度值與其他各組地層相比較低，故在本區(qū)提供成礦物質(zhì)的可能性很小。

5. 結(jié)論

上述關(guān)于二疊紀(jì)地層剖面的元素豐度、元素組合、元素分布型式、濃集系數(shù)與地層形成環(huán)境的關(guān)系研究，顯示了大興安嶺中段主要成礦元素來(lái)源、富集程度具有復(fù)雜多樣性以及礦床種類在一定程度上受控于富礦圍巖（地層）的特征。

銅、鋅在本區(qū)下二疊統(tǒng)變質(zhì)砂巖中的濃集系數(shù)最高，而大石寨一黃合吐地帶火山巖建造中，有銅、銀的初始富集。前者被燕山早期同熔型花崗巖類侵位，形成熱液脈型和斑巖型銅礦床，地層的成礦元素組合與巖體和礦床的成礦元素組合相對(duì)應(yīng)，地層為礦床形成提供了部分銅、鋅；后者則顯示了火山作用的成礦信息。

銅、鋅在下二疊統(tǒng)各類巖石中均有較高的豐度值，尤其是銀多為富集元素，且鉛與銀密切相關(guān)，具同源特征，因而推斷下二疊統(tǒng)可能是鉛、銀的礦源層。

鉛、鋅、銀多金屬礦床的成因類型，在空間分布上，受控于富礦圍巖的性質(zhì)。在大石寨一黃合吐火山島弧北側(cè)，碳酸鹽類巖石發(fā)育，于侵入巖接觸帶上形成數(shù)處夕卡巖型礦床，如白音諾、浩布高大型鉛鋅礦；而南側(cè)以正常碎屑巖為主，缺乏碳酸鹽類巖石，則以熱液型和斑巖型礦床為主，如蓮花山銅礦、布敦化銅礦床。因而，在熱液環(huán)境作用下，地層本身就可提供成礦物質(zhì)。初步認(rèn)為：下二疊統(tǒng)是成礦的物質(zhì)基礎(chǔ)，而燕山期巖漿侵入是成礦關(guān)鍵。

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