貴州鎮(zhèn)寧泥盆系大型重晶石礦床鍶同位素組成特征研究

高軍波, 楊瑞東*, 陶 平, 程 偉, 何志威, 劉 坤

(1. 貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025; 2. 貴州省地質(zhì)調(diào)查院, 貴州 貴陽 550004)

0 引 言

自然界中重晶石是鋇礦物的主要載體, 世界上已發(fā)現(xiàn)的大中型重晶石礦床(帶)在不同地質(zhì)歷史時期均有分布[1–5], 其儲量豐富, 潛在經(jīng)濟(jì)價值巨大,其中以中國、美國和印度等國的重晶石儲量最為豐富。中國、美國和印度等國也是世界上重晶石的主要生產(chǎn)國, 特別是1998年中國重晶石生產(chǎn)量占到全球年生產(chǎn)總量的 51%[3], 也成為世界第一大重晶石出口國。對重晶石需求量的日趨增大, 導(dǎo)致對重晶石礦床的探、采規(guī)模大幅度提高, 而尋找新的重晶石礦床是解決這一資源瓶頸的重要策略。因此, 對重晶石礦床成因理論研究并進(jìn)一步為實際找礦工作服務(wù)就成為亟待解決的地質(zhì)問題。

重晶石的化學(xué)成分以 BaSO4為主, 而 Ba和 Sr具有較為相似的地球化學(xué)性質(zhì), 所以在研究重晶石礦床成因、判斷成礦物質(zhì)來源方面, 鍶同位素研究是一種非常重要的手段。由于Sr在海水中停滯的時間(2.5Ma)大于同一時期海水混合的時間, 某一特定時期內(nèi)海水中87Sr/86Sr比值常被認(rèn)為是穩(wěn)定的[6], 因而利用鍶同位素的變化特征可以反演地球化學(xué)演化過程[7]、追索Ba的地球化學(xué)形跡。在研究重晶石成巖或成礦流體來源及流體性質(zhì)等方面鍶同位素研究被廣泛使用。例如, 王忠誠等[8]對中國南方早寒武世重晶石、毒重石的鍶同位素(87Sr/86Sr = 0.708600)研究認(rèn)為礦床(石)形成與海底火山、熱液關(guān)系密切; Paytan et al.[9]結(jié)合鍶和硫同位素、重晶石礦物晶體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特征, 對不同環(huán)境下形成的重晶石進(jìn)行了系統(tǒng)論述;夏菲等[10]對天柱超大型重晶石礦鍶同位素比值的分析,為該礦床海底熱水噴流沉積成因及晚期重晶石礦化疊加作用提供了有力的同位素證據(jù); Kumral[11]通過鍶同位素研究區(qū)分了土耳其安納托利亞 Hask?y重晶石礦中不同來源的流體; Staude et al.[12]利用鍶和硫同位素相結(jié)合, 對德國西南部 Schwarzwald地區(qū)不同時代重晶石成巖(礦)的流體來源及不同流體比例進(jìn)行了量化等, 均取得了較為理想的效果。

在我國, 泥盆紀(jì)是重晶石成礦的重要時期, 所形成的重晶石礦床主要分布在西南、江南及秦嶺地區(qū), 其中西南部貴州鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦是我國泥盆紀(jì)重晶石成礦的典型代表, 該礦床屬大型重晶石礦床(儲量約為 3302萬 t), 且沉積剖面上紋層狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造、角礫狀-碎屑狀構(gòu)造及塊狀構(gòu)造等較為發(fā)育。高軍波等[13–15]對該礦床沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征及地球化學(xué)特征等進(jìn)行了研究, 認(rèn)為該礦床屬于深大斷裂控制的海底熱水噴流沉積成因。然而對該礦床鍶同位素的研究一直未見報道。本文旨在通過對鎮(zhèn)寧重晶石礦鍶同位素進(jìn)行研究, 為礦床成因及成礦物質(zhì)來源提供更有力的同位素佐證。

1 區(qū)域成礦背景及礦區(qū)地質(zhì)特征

貴州鎮(zhèn)寧泥盆紀(jì)重晶石礦床位于右江盆地的北部、揚子陸塊西南緣(圖1a), 該礦床的形成及空間分布規(guī)律與水城-紫云-南丹晚古生代裂陷關(guān)系密切。該斷裂是右江盆地北部一條區(qū)域性深大斷裂, 據(jù)中石化石油勘探開發(fā)研究院(內(nèi)部資料)1)埡都-紫云-羅甸斷裂帶及其對兩側(cè)盆地成藏條件影響研究, 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院, 2008。研究, 水城-紫云-南丹古生代裂陷的雛形最早始于志留紀(jì), 泥盆紀(jì)至中三疊世為強(qiáng)烈伸展期, 晚三疊世開始遭受擠壓反轉(zhuǎn), 喜馬拉雅晚期其活動微弱, 同時認(rèn)為該斷裂的原始驅(qū)動力可能與華南裂陷洋盆關(guān)閉、華夏板塊與揚子板塊之間發(fā)生的陸陸碰撞有關(guān)。晚古生代時期北西向的斷裂活動(裂解)控制著包括研究區(qū)在內(nèi)的整個右江盆地的古地貌演化, 形成一系列臺盆相間的古地理格局(圖 1b), 水城-紫云-南丹晚古生代裂陷控制著廣西南丹至貴州水城-赫章一帶裂陷槽盆的演化, 對沉積環(huán)境的改變及礦床的形成起控制作用。泥盆紀(jì)該斷裂強(qiáng)烈活動, 沿斷層破碎帶深部巖漿噴發(fā)和海底熱水噴流活動頻發(fā), 導(dǎo)致沿該斷裂控制的深水盆地沉積一系列熱水沉積巖及礦床類型,貴州鎮(zhèn)寧泥盆系大型重晶石礦床即是這一時期該盆地演化(裂解)過程中的產(chǎn)物, 礦床的形成明顯受到水城-紫云-南丹晚古生代裂陷的制約。該礦床主要分布在水城-紫云-南丹晚古生代裂陷控制的深水臺溝中(圖 1b), 重晶石礦體大致呈北西向沿該區(qū)域性深斷裂分布, 礦體主要呈層狀、似層狀或透鏡狀分布。

鎮(zhèn)寧重晶石礦床主要沿樂紀(jì)頂紅背斜(圖 1c)分布, 該背斜位于礦區(qū)中部, 礦區(qū)內(nèi)延伸約 5 km, 該背斜核部地層為中泥盆統(tǒng)火烘組(D2h), 兩翼為上泥盆統(tǒng)桑郎組(D3s)、代化組(D3d)及石炭系等地層。重晶石礦床主要賦存于上泥盆統(tǒng)桑郎組灰色、深灰色、黑色硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥巖序列中。該重晶石礦主礦體厚度約9～10 m, 礦體沉積剖面由下往上可分為三個沉積礦段, 各沉積礦段厚度約為6.1 m、1.4 m和2.1 m, 底部第一沉積礦段厚度最大, 記錄的礦床沉積、演化信息最完整, 縱向剖面上可見大量熱水沉積成因的紋層狀-條帶狀-角礫狀-碎屑狀-塊狀構(gòu)造等結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征[14]。

圖1 地質(zhì)背景與礦區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological setting and geologic map of the Zhenning barite deposit

2 樣品采集及測試分析

通過對鎮(zhèn)寧泥盆系大型重晶石礦床產(chǎn)出及沉積特征等進(jìn)行詳細(xì)、系統(tǒng)的野外觀察, 將該礦床由下而上依次劃分為三個沉積旋回[14], 系統(tǒng)采取三個沉積旋回中11件不同結(jié)構(gòu)、構(gòu)造類型的巖(礦)石樣品(見表1), 樣品在中國科學(xué)院貴陽地球化學(xué)研究所碎樣室磨碎至200目, 以備鍶同位素測試所用。

表1 鎮(zhèn)寧重晶石礦采樣位置及樣品特征Table 1 The location and characteristics of samples from barite deposit of Zhenning County, Guizhou

鍶同位素測試工作在中國地質(zhì)調(diào)查局宜昌地質(zhì)礦產(chǎn)研究所完成。首先將 200目粉樣置于烘箱, 80℃干燥3 h, 稱取適量樣品, 用HF和HClO4溶解樣品, 采用陽離子樹脂(Dowex 50×8)交換法分離和純化Sr。在鍶同位素分析過程中, 用GBW 04411、NBS 607和NBS 987標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別對分析流程和儀器進(jìn)行監(jiān)控。NBS 987的87Sr/86Sr同位素組成測定值為0.71023±0.00005(2σ), 與證書值 0.71024±0.00026(2σ)在誤差范圍內(nèi)完全一致; 樣品多次平行測定國際標(biāo)準(zhǔn) NBS 607的87Sr/86Sr同位素組成平均值為1.20037±0.00015(2σ), 與 其 證 書 值 (1.20039 ±0.00020)在測定誤差范圍內(nèi)完全一致。GBW 04411的87Sr/86Sr比值為 0.75994±0.00001(2σ), 亦與其證書值(0.75999±0.00020(2σ))在誤差范圍內(nèi)完全一致,測試數(shù)據(jù)可靠。鍶同位素分析所需的樣品制備全過程均在超凈化實驗室內(nèi)完成, 全流程Sr空白為 3×10–10, 樣品鍶同位素測試在熱電離質(zhì)譜儀MAT 261上完成。

3 鎮(zhèn)寧重晶石礦床鍶同位素特征分析與討論

在地殼漫長的演化進(jìn)程中海水鍶同位素起到了“監(jiān)控器”的作用, 由于海水鍶同位素組成在某一特定時期均一化的特點, 其比值變化詳細(xì)記錄著地質(zhì)歷史時期地殼階段演化、海平面波動、造山運動、氣候變化及海底熱事件等重大地質(zhì)事件發(fā)生、發(fā)展、演化的信息[8,10,19,20,21]。早在1974年, Veizer et al.[19]就曾通過108個海相沉積碳酸鹽巖樣品的鍶同位素組成來探索顯生宙以來海洋鍶同位素演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)之上, Burke et al.[20]又精確測定了786個海相成因碳酸鹽巖、磷灰石、蒸發(fā)巖及DSDP巖芯樣品的鍶同位素組成, 繪制了自中晚寒武紀(jì)以來古海洋的鍶同位素演化曲線, 展現(xiàn)了各地質(zhì)歷史時期海水鍶同位素復(fù)雜的變化過程, 拓展了鍶同位素的研究領(lǐng)域, 使得鍶同位素研究在地層對比、地質(zhì)事件分析與成巖(礦)的流體來源及性質(zhì)判斷等方面被廣泛使用[6,8–12,21–27]。而泥盆紀(jì)是國際上海水鍶同位素組成研究較多的一個時期[19,21,28,29]。我國學(xué)者黃思靜[30]對四川龍門山及上揚子地區(qū)海相碳酸鹽巖鍶同位素進(jìn)行了測定, 得出泥盆紀(jì)時期海水87Sr/86Sr比值約為0.70825, 這與 Veizer et al.[19]獲得的泥盆紀(jì)海水鍶同位素比值(約為 0.70829)相近, 可以代表泥盆紀(jì)時期海水平均的鍶同位素比值, 并可進(jìn)行全球?qū)Ρ取?/p>

對于地質(zhì)歷史時期海洋鍶同位素所產(chǎn)生的階段性變化, 一般認(rèn)為其主要受到大陸古老巖石風(fēng)化提供的較高鍶同位素比值(87Sr/86Sr = 0.71190)[31]的殼源鍶及洋中脊熱液系統(tǒng)供給的較低鍶同位素比值(87Sr/86Sr = 0.70350)[32]的幔源鍶的雙重影響, 它們作為兩個地球化學(xué)性質(zhì)截然不同的地球圈層,87Sr/86Sr比值之間存在較大差異。兩者以不同方式或比例進(jìn)入大洋系統(tǒng), 從而影響海洋鍶同位素的組成。因此, 可以根據(jù)所測得的巖(礦)石樣品的鍶同位素比值來推斷其成(巖)礦物質(zhì)或流體來源。鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦的鍶同位素分析結(jié)果列于表 2, 11件重晶石樣品87Sr/86Sr比值介于 0.70863～0.70898之間,平均約為 0.70877, 與同時期海水的鍶同位素比值(0.70829)[19,30]相比略有偏高, 與幔源鍶同位素比值(0.70350)[32]相比明顯偏高, 與殼源鍶同位素比值(0.71190)[31]相比明顯偏低, 揭示鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦中鍶可能為混合來源。

表2 貴州鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦床鍶同位素組成特征Table 2 Strontium isotope ratios of barite deposit in Devonian in Zhenning County, Guizhou

由于海洋中鋇大量存在時可以發(fā)生鋇與鍶的快速沉積[8], 所以含鋇流體在沉積形成鋇礦物(礦床)的過程中海水或其他流體的鍶同位素特征對其鍶同位素組成的影響很小, 鋇礦物的鍶同位素組成僅代表含鋇熱流體的來源及性質(zhì)。鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦的鍶同位素比值介于海水與殼源鍶之間, 而明顯低于殼源鍶的組成。因此, 單純的海水或陸殼物質(zhì)供給形成鎮(zhèn)寧大型重晶石礦床的可能性較小。假設(shè)鎮(zhèn)寧重晶石礦床成礦物質(zhì)來源于陸殼, 那么其成礦流體初始鍶同位素比值應(yīng)接近于殼源鍶的比值(0.71190)[31], 而要使沉積形成的重晶石礦體的鍶比值從0.71190左右降低至0.70877左右, 僅靠海水與殼源熱流體通過對流混合的方式來實現(xiàn)是比較困難的, 因為在較短的時間間隔內(nèi)海水的緩沖作用難以使較高鍶同位素比值的熱流體的鍶比值產(chǎn)生較大幅度的變化; 同時正常海洋中的鋇含量是比較低的,且鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦床處于一個相對閉塞的受限斷陷臺溝(盆)中, 單純的海水供給形成這一大型重晶石礦床的可能性很小。為了進(jìn)一步分析礦床成因及物源特征, 可借助87Sr/86Sr與 SiO2和 Al2O3相關(guān)性圖解判別。由于鋁質(zhì)多來源于陸殼或地表風(fēng)化物質(zhì), 而硅質(zhì)則為深部熱水成因[13], 從圖 2中可知,87Sr/86Sr-Al2O3圖解顯示兩者為正相關(guān)關(guān)系,87Sr/86Sr-SiO2圖解顯示兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 說明該重晶石中Sr和Si均來源于洋殼, 通過水城-紫云-南丹深大斷裂形成的海溝切入洋殼, 構(gòu)成深滲循環(huán)的熱水對流系統(tǒng), 從而將深部Sr和Si帶出至理想場所沉積, 這也暗示了成礦所需的Ba也可能來自以熱水淋濾洋殼或海溝堆積的有機(jī)體,87Sr/86Sr與SiO2負(fù)相關(guān)關(guān)系也說明Si基本來自洋殼, 而不是陸源物質(zhì)。該重晶石礦床87Sr/86Sr比值略高于同時期海水是源于該海溝中可能存留有陸殼風(fēng)塵物質(zhì)(富 Al2O3), 而陸殼風(fēng)塵物質(zhì)具有較高放射性成因的鍶同位素, 其混入程度升高將會導(dǎo)致重晶石鍶同位素比值的增大,87Sr/86Sr與 Al2O3正相關(guān)關(guān)系可直觀的反映這一推論。這些特征均揭示鎮(zhèn)寧重晶石礦床鍶同位素組成可能是同時代海水與深部熱水混合所致。夏菲等[10]在對貴州天柱、玉屏重晶石礦床中穿插地層的重晶石礦脈和黃鐵礦重晶石結(jié)核研究表明, 其87Sr/86Sr比值介于0.709537～0.709585之間, 高于同時代海水(0.7090)[33], 也被認(rèn)為是受殼源雜質(zhì)參與成礦的結(jié)果。Kumral[11]對土耳其安納托利亞東南部 Hask?y重晶石礦床研究表明, 其87Sr/86Sr(0.711204～0.714088)高于同時代海水(0.7080), 也得出了相似的結(jié)論。

圖2 87Sr/86Sr與Al2O3、SiO2相關(guān)圖解Fig.2 87Sr/86Sr-Al2O3 and 87Sr/86Sr-SiO2 of barite deposits, Zhenning County, Guizhou

鑒于此, 我們提出一種可能的解釋, 即含較低放射成因鍶的深部含礦熱流體通過斷裂破碎帶發(fā)生大規(guī)模的對流循環(huán), 深部高溫?zé)崃黧w在循環(huán)過程中對洋殼或海溝沉積體進(jìn)行淋濾、交代等, 其間伴隨成礦元素的活化、遷移和富集, 并使得具較高放射成因鍶的陸殼物質(zhì)參入, 從而構(gòu)成具混合模式的成礦熱系統(tǒng), 而沿斷層破碎帶發(fā)生的大規(guī)模對流循環(huán)體系則為不同比值的鍶同位素流體的混合、均勻過程提供了空間, 當(dāng)具有混合模式的含礦熱流體從海底噴出后遇冷的海水而快速降溫, 成礦物質(zhì)迅速卸載堆積成礦, 所沉積下來的重晶石礦(巖)本質(zhì)上繼承了混合后熱流體的特性, 其鍶同位素組成并不代表某一單一的鍶來源, 鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦床成礦流體可能為同時代海水與海底熱水所形成的混合熱流體, 而具較高放射性成因殼源鍶的混染可能是導(dǎo)致該重晶石礦床鍶同位素比值偏高的主要原因。Staude et al.[12]在對德國西南部Schwarzwald地區(qū)二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)熱液礦化成因重晶石鍶同位素研究,發(fā)現(xiàn)其鍶同位素比值也高于同時期海水, 通過與硫同位素相結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)重晶石的鍶組分部分就來自基底地層。

從區(qū)域構(gòu)造背景分析, 鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦床產(chǎn)在水城-紫云-南丹晚古生代裂陷控制的斷陷臺溝中, 臺溝兩側(cè)為淺水碳酸鹽巖臺地, 該臺溝由南東向北西呈楔狀展布, 是一受限的斷陷臺溝(盆), 揚子古陸區(qū)即位于其北東側(cè); 同時礦床地球化學(xué)數(shù)據(jù)揭示礦床形成于弱氧化環(huán)境, 野外調(diào)查也發(fā)現(xiàn)礦體中沉積有5～10 cm厚的深紅色鐵質(zhì)層, 這些特征也表明礦床形成時所處的環(huán)境為氧化環(huán)境, 說明該重晶石礦床形成時應(yīng)處于水體深度相對較淺的弱氧化環(huán)境, 受古陸及所處構(gòu)造位置的影響, 礦床形成過程中受到殼源風(fēng)塵物質(zhì)的參與程度要高于深海環(huán)境。據(jù)此推斷, 沿斷裂破碎帶在該斷陷臺溝(盆)中發(fā)生的大規(guī)模熱流體循環(huán)過程中可能有一定程度的殼源風(fēng)塵物質(zhì)的混入, 從而導(dǎo)致其具有較高的鍶同位素比值, 這與西成礦化集中區(qū)熱水沉積巖[34]及酒泉盆地青西凹陷湖相熱水沉積巖[27]的鍶同位素組成特征類似。

從地球化學(xué)方面分析, 鎮(zhèn)寧重晶石礦中W含量相對較高, 而酸性巖漿中 W 含量被認(rèn)為是最高的,特別是W和Sn與酸性花崗巖具有明顯的成礦專屬性, 初始富集的含鎢建造經(jīng)花崗巖化或選擇性重熔可富集成礦[7], 鎮(zhèn)寧重晶石礦中 W含量最高達(dá)到了106～118 μg/g, 這可能與廣西泥盆系火山沉積的含鎢建造有關(guān), 泥盆紀(jì)時期南丹臺溝中W含量最高達(dá)360 μg/g[35]。海底熱液沉積物REE分布常具有明顯的 Eu正異常, 鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦床 δEu =2.11～5.11[15], 其稀土分布模式與海底熱液(水)沉積物相似, 且具有非常明顯的 δEu正異常, 這些特征均揭示該重晶石礦床成礦過程中有深部物質(zhì)的貢獻(xiàn)。

綜上所述, 鎮(zhèn)寧重晶石礦床成礦熱流體為同時代海水與海底熱水所形成的混合熱流體, 由于受到陸殼物質(zhì)的混染作用, 導(dǎo)致鎮(zhèn)寧重晶石礦床的鍶同位素比值略有偏高, 其鍶同位素比值特征所指示的并非單一來源的鍶, 而應(yīng)是海底熱水與同時代海水混染后混合熱流體的鍶同位素特征。本文鍶同位素的研究為鎮(zhèn)寧泥盆系重晶石礦床的海底熱水沉積成因提供了更有力的同位素證據(jù)。

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