云南保山西邑鉛鋅礦床硫鉛同位素地球化學特征研究*

聶飛 董國臣 莫宣學 趙志丹 王鵬 崔子良 范文玉 劉書生

1.中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室，地球科學與資源學院，北京 100083

2.成都地質礦產研究所，成都 610081

3.云南省地礦局地質礦產勘查院，昆明 650051

1 引言

三江特提斯位于古特提斯構造域東段、岡瓦納與勞亞大陸的結合部位，是全球構造強烈、成礦作用發(fā)育的地區(qū)之一(鄧軍等，2011，2012)。保山地塊是三江地區(qū)一個重要的構造單元，東與昌寧-孟連結合帶以柯街-南汀河斷裂為界，西與騰沖地塊以瀘水-潞西-瑞麗斷裂為界，北部在碧江一帶由于瀾滄江斷裂和怒江斷裂匯攏而消失，向南與緬甸撣邦地塊相連(李文昌等，2010)。在保山地塊內的成礦作用主要形成了鐵銅鉛鋅銀等金屬的熱液礦床，其中賦存在碳酸鹽巖中的熱液鉛鋅礦床是重要的礦床類型，典型礦床有與中酸性隱伏巖體有關的沉積-熱液改造型的保山核桃坪和鎮(zhèn)康蘆子園等大型鉛鋅礦床(陳永清等，2005;董文偉，2007)及MVT 型龍陵勐興(董文偉，2007)等。位于保山地塊中北部的西邑鉛鋅礦床是近年發(fā)現的儲量已達大型而備受關注的鉛鋅礦床(崔子良等，2012;鄧軍等，2012，2014;Deng et al.，2014;聶飛等，2014)。本文在礦物組合、礦石結構構造研究基礎上對西邑鉛鋅礦床的硫鉛同位素展開了系統研究，以期探討該礦床成礦物質來源及其成因類型。

2 區(qū)域地質背景及礦床地質特征

2.1 區(qū)域地質背景

保山地塊西界為瀘水-潞西-瑞麗斷裂，東界為柯街-南汀河斷裂，北部在碧江一帶由于瀾滄江斷裂和怒江斷裂匯攏而消失，向南與緬甸撣邦地塊相連。地塊兩側邊界曾經為瀾滄江洋盆(古特提斯洋)和怒江洋盆(中特提斯洋)。保山地塊是滇緬泰地塊的一部分，與羌塘地塊、拉薩地塊直到二疊紀時一直位于岡瓦納大陸邊緣，屬于岡瓦納大陸原特提斯邊緣巖漿弧的一部分，從早二疊世至晚三疊世，其從岡瓦納大陸裂離出來，成為一個獨立地體，快速向北漂移，導致怒江洋盆張開，在晚三疊世至早白堊世，拉薩地塊快速向北漂移，怒江洋盆進入閉合階段，在晚侏羅世-早白堊世閉合，此時騰沖地塊與保山地塊發(fā)生碰撞，形成高黎貢碰撞造山帶;保山與思茅地塊之間瀾滄江洋，可能在早志留世打開，晚三疊世閉合，形成昌寧-孟連構造帶(Wang et al.，2000;李朋武等，2005;莫宣學和潘桂堂，2006;Peng et al.，2008;董美玲等，2012;聶飛等，2012)。

保山地塊巖漿活動主要以前寒武紀末期、早古生代和中生代晚期為主。前寒武紀末期以西盟老街子花崗巖體為代表，規(guī)模較小，以巖株為主，其Rb-Sr 等時線年齡為687Ma(李文昌等，2010);早古生代主要出露在保山地塊南部的花崗巖，年齡范圍大致在500～470Ma 之間，形成于統一岡瓦納大陸時期(Chen et al.，2007;Liu et al.，2009;董美玲等，2012);中生代晚期呈小巖株零星產出，其同位素年齡約80～100Ma(Chen et al.，2007)。保山臥牛寺、鄭康等地分布有石炭-二疊紀的基性火山巖。晚古生代的生物群發(fā)育，且具有親岡瓦納特征。

保山地塊內最老地層是震旦系-寒武系公養(yǎng)河群，在晚寒武世至中侏羅世期間，保山地塊以濱海臺地沉積為主，缺失上石炭統、上二疊統和下三疊統，其余地層間均為假整合關系，發(fā)育一套淺海-半深海相碎屑巖、碳酸鹽巖、硅質巖、筆石、頁巖等臺地沉積。成礦作用主要形成了鐵銅鉛鋅銀等金屬的熱液礦床，其中，賦存在古生代碳酸鹽巖中的熱液鉛鋅(銅)礦為最重要的礦床類型，典型礦床有如保山核桃坪、鎮(zhèn)康蘆子園和龍陵勐興及西邑鉛鋅礦床。

2.2 礦床地質特征

西邑鉛鋅礦床位于保山地塊中北部，距保山市南約25km。目前礦區(qū)已發(fā)現有經濟意義的礦化帶有2 條，其中董家寨礦段規(guī)模已達大型。礦帶內主要出露的地層為下石炭統香山組(C1x)、鋪門前組(C1p)，上石炭統臥牛寺組(C2w)和第四系(Qh)(圖1)。香山組(C1x)總厚度約753m，主要巖性為灰?guī)r、泥質灰?guī)r、碳質灰?guī)r、白云質灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r等，同時發(fā)育大量腕足類、珊瑚類等化石。下石炭統香山組(C1x)進一步可以劃分為3 段，礦區(qū)主要出露第二巖性段(C1x2)和第三巖性段(C1x3)(圖1)。鋪門前組(C1p)分布在礦區(qū)西北部，主要巖性為鮞?；?guī)r夾生物碎屑灰?guī)r。上石炭統臥牛寺組(C2w)分布在礦區(qū)東北部，主要巖性為粉砂巖、泥巖、灰?guī)r及玄武巖。各巖性段巖層走向約為北東向(圖1)，傾角中等。區(qū)內北東向同向斷裂較發(fā)育，與區(qū)域構造線方向一致。董家寨礦段中的礦體定位受層間破碎帶控制，呈似層狀、脈狀、網脈狀及透鏡狀產出于北東向的下石炭統香山組第二巖性段的灰?guī)r、泥質灰?guī)r、碳質灰?guī)r、白云質灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r中，與地層產狀基本一致(圖2)，層控特征明顯。在礦區(qū)東部出露石炭紀的玄武巖，為致密塊狀、杏仁狀和氣孔狀構造，頂部已風化明顯;同時在礦區(qū)內可見到規(guī)模較小的輝綠巖沿構造裂隙產出。

在礦物組合上，礦石礦物有閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、毒砂、褐鐵礦、異極礦、白鉛礦和硫銻鉛礦等;脈石礦物有方解石、重晶石、石英、長石和粘土礦物等。常見的礦石結構有:自形-半自形結構、他形結構、共生邊結構、交代溶蝕結構、壓碎結構等(圖3);礦石構造主要有層狀構造、似層狀構造、透鏡狀構造、浸染狀構造、塊狀構造和角礫狀構造等(圖3)。

西邑鉛鋅礦床圍巖蝕變簡單，最為常見的蝕變?yōu)橹鼐?、碳酸鹽化、硅化和少量黃鐵礦化、褐鐵礦化等。其中重晶石發(fā)育于董家寨礦段南的地表灰?guī)r中，呈層狀產出。重晶石含量平均為10%左右，局部達70%～80%，重晶石化總體上由南西向北東方向逐漸減弱的趨勢。

通過野外觀察和室內巖相和礦相學研究，從早到晚劃分為三個成礦階段:(1)黃鐵礦±毒砂+方解石+重晶石;(2)閃鋅礦+黃鐵礦±方鉛礦+方解石+重晶石;(3)方鉛礦+閃鋅礦+重晶石+方解石。

圖1 西邑礦床董家寨礦段地質簡圖(a)研究區(qū)位置示意圖;(b)西邑地區(qū)區(qū)域地質簡圖;(c)董家寨礦段地質簡圖.1-志留系中上統栗柴壩組;2-泥盆系中上統何元寨組;3-泥盆系上統大寨門組;4-石炭系下統香山組;5-石炭系下統香山組二段;6-石炭系下統香山組三段;7-石炭系下統鋪門前組;8-石炭系上統丁家寨組;9-石炭系上統臥牛寺組;10-二疊系中下統河彎街組;11-三疊系上統南梳壩組;12-上新統忙棒組;13-第四系;14-斷層;15-破碎帶;16-礦體;17-輝綠巖;18-鉛鋅礦床;19-采樣位置Fig.1 Geological sketch map of the Dongjiazhai ore-body of the Xiyi lead-zine deposit

3 礦石的硫和鉛同位素地球化學

3.1 樣品及分析方法

用于本次研究樣品主要采自西邑鉛鋅礦床中規(guī)模最大、最具代表性的董家寨礦段的不同位置，不同成礦階段的礦石中的黃鐵礦、方鉛礦、閃鋅礦以及重晶石。新鮮的礦石樣品被粉碎到40～60 目，清洗、干燥之后在雙目鏡下挑純度達到99%以上的上述礦物，再粉碎至200 目。硫同位素和鉛同位素的測試工作均在核工業(yè)北京地質研究院分析測試研究中心完成。硫同位素測試的儀器及方法、流程參見祝新友等(2012)，測試結果見表1;鉛同位素測試的儀器及分析方法、流程見肖曉牛等(2008)，測試結果見表2。

3.2 硫同位素組成及制約

本次工作針對不同位置，不同成礦階段系統測定了西邑鉛鋅礦床中的閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦和重晶石。黃鐵礦-重晶石-方解石階段的黃鐵礦均為他形粒狀，被方鉛礦和閃鋅礦交代，呈港灣狀，δ34S 值分別為-0.1‰和-1.3‰，重晶石中可見浸染狀黃鐵礦，偶爾可見其他硫化物，δ34S 值為+14.6‰;閃鋅礦-重晶石-方解石階段的閃鋅礦為淺紅棕色，他形粒狀，被方鉛礦交代，δ34S 值范圍在-2.4‰～-0.2‰之間，均值為-1.3‰;方鉛礦-閃鋅礦-重晶石-方解石階段的閃鋅礦顏色為深棕色，他形粒狀，與方鉛礦共生，共生邊結構發(fā)育，δ34S 值范圍在+0.1‰～+2.3‰，均值為+1.6‰，方鉛礦為純白色，發(fā)育黑三角孔特征，分別交代閃鋅礦和黃鐵礦，且與閃鋅礦共生，δ34S 值范圍在-2.2‰～+0.4‰，均值為-0.9‰，在本成礦階段，閃鋅礦δ34S 值均大于方鉛礦δ34S，說明該成礦階段的方鉛礦與閃鋅礦之間的硫同位素分餾達到了平衡，沉淀于同一物理化學體系，重晶石與方鉛礦與閃鋅礦共生，δ34S 值為+13.5‰?？傮w來看，硫同位素分為兩部分，其中重晶石的δ34S 數值較高，金屬硫化物的δ34S 均落在-2.4‰～+2.3‰范圍內，且變化范圍小。

表1 西邑礦區(qū)硫同位素組成Table 1 Sulfer isotopic compositions of the Xiyi ore deposit

表2 西邑鉛鋅礦鉛同位素組成Table 2 Lead isotopic compositions of the Xiyi ore deposit

圖2 西邑鉛鋅礦床董家寨礦段剖面圖C1x2-石炭系下統香山組二段;C1x3-石炭系下統香山組三段Fig.2 Geological profile across the Dongjiazhai ore body of Xiyi lead-zine depsit

硫化物礦石中硫的來源是解決成礦物質來源問題的重要方法之一，根據前人的研究得知，在熱液礦床中硫化物的硫同位素組成是由成礦溶液總硫同位素組成、氧逸度(fO2)、pH、離子強度和溫度的函數(Ohmoto，1972)。因此，熱液硫化物的硫同位素組成，不僅取決于其源區(qū)的δ34S，而且與成礦流體演化的物理條件有關。根據西邑鉛鋅礦床的礦床特征及礦物共生組合(出現重晶石和方解石)，表明成礦溶液具有較高的氧逸度。在高氧逸度條件下，當S 主要以SO42-存在時，礦物組合可能以重晶石+方解石為主，此時熱液的δ34S∑S≈δ34S重晶石，或者重晶石的δ34S 值略大于熱液的δ34S∑S值，而硫化物的δ34S 值則顯著低于熱液的δ34S∑S(Ohmoto，1972;Ohmoto and Rye，1979)。根據前人的研究的硫同位素分餾模式得知，通過有機質的熱分解(T ＞50℃)，有可能使原巖δ34S 值為+15‰的硫酸鹽還原產生δ34S 為0 ±5‰的硫化物的硫同位素分布特征(Ohmoto and Rye，1979)。由上文可知，在西邑礦區(qū)及其外圍的地層中均有蒸發(fā)巖(重晶石)層分布，而西邑鉛鋅礦床主要賦存于這些地層中，同時在賦存礦體的地層中發(fā)育有大量腕足類、珊瑚類等化石。本文測試的重晶石樣品的δ34S 數值為13.5‰和14.6‰，與石炭紀海相硫酸鹽的δ34S 值一致(Holser et al.，1996)。西邑鉛鋅礦床中的不同成礦階段硫化物的δ34S 同位素組成均勻，分布集中，接近于0 附近，在圖4 中呈塔式分布，與礦區(qū)分布的重晶石的差值大約均在15‰左右。

圖3 董家寨礦體中礦石特征(a)角礫狀閃鋅礦;(b)細脈狀閃鋅礦;(c)角礫狀方鉛礦;(d)浸染狀毒砂;(e)碎裂結構黃鐵礦;(f)閃鋅礦交代方鉛礦;(g)閃鋅礦與方鉛礦共生邊;(h)方鉛礦交代閃鋅礦.Sp-閃鋅礦;Gn-方鉛礦;Py-黃鐵礦;Ars-毒砂Fig.3 Characteristics of ore minerals in the Dongjiazhai ore body

綜上所述，西邑鉛鋅礦床礦石硫同位素組成均一，在第三成礦階段硫同位素分餾達到了平衡，且主要來源于地層中海相硫酸鹽的還原，還原機制為有機質的熱分解。

3.3 鉛同位素組成及制約

西邑鉛鋅礦床不同位置，不同標高的方鉛礦單礦物的鉛同位素沒有明顯差別(表2)，顯示其鉛源的統一性，即該礦床的成礦物質來源一致。

圖4 西邑鉛鋅礦床中硫位素組成分布頻率圖Fig.4 Histogram for frequency distribution of sulfur isotopic compositions of the Xiyi Pb-Zn deposit

方鉛礦206Pb/204Pb=18.547～19.044，均高于18.000，平均18.715;207Pb/204Pb =15.608～15.661，大于15.300，平均15.627，顯示鈾鉛富集明顯;208Pb/204Pb=38.541～38.880，平均38.636，總體略低于39.000，顯示釷鉛微弱虧損。礦石鉛μ 值介于9.46～9.53 之間，均值為9.49，明顯高于正常鉛μ值范圍(8.686～9.238);而ω 值的范圍為35.48～36.79，平均35.96，略高于正常鉛ω 值(35.55 ± 0.59);Th/U 值為3.61～3.74，平均3.67，也不在正常鉛的范圍(3.92 ±0.09)。以上表明該礦床鉛源物質成熟度較高，且相對富集鈾鉛，略微虧損釷鉛，具有上地殼或沉積物的特點。

在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb 鉛同位素模式圖(圖5a)可以看出，所有的樣品落在造山帶與上地殼演化線之間，并且靠近上地殼演化線，同樣表明西邑鉛鋅礦床的礦石鉛來自較高成熟度的物源區(qū)，總體相當于上地殼。在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb 鉛同位素模式圖(圖5b)中，鉛同位素點均位于造山帶演化線附近，這類現象通常被解釋為虧損鈾的下地殼與富集鈾的上地殼混合或相互作用的產物(Doe and Zartman，1979)。由于西邑鉛鋅礦床鈾鉛富集、釷鉛相對虧損的鉛同位素特征;同時考慮到礦區(qū)出露有同一時期的玄武巖，和一些輝綠巖脈出現，因此，可以認為西邑鉛鋅礦床的成礦物質主要由富鈾鉛而貧釷鉛的化學沉積物(如碳酸鹽巖、硅質巖)提供，同時可能有部分鉛來自深部地殼甚至地幔。

為進一步提供物質來源方面更豐富的信息，本文運用朱炳泉(1998)的Δβ-Δγ 變化范圍圖解來示蹤鉛的來源。由于該方法消除了時間因素的影響，因而具有更好的示蹤意義。將計算出的Δβ 和Δγ 值投到Δβ-Δγ 圖解中(圖6)，5 個點均落在了上地殼源鉛的范圍內，其反映的特征與圖5 一樣，從而進一步證實鉛的來源主要為上地殼。

4 討論

圖5 西邑鉛鋅礦床鉛同位素模式圖(底圖據Zartman and Doe，1981)Fig.5 The plumbotectonic model for the Xiyi Pb-Zn deposit (after Zartman and Doe，1981)

圖6 西邑鉛鋅礦床礦石鉛的Δβ-Δγ 成因分類(底圖據朱炳泉，1998)1-幔源鉛;2-上地殼源鉛;3-上地殼與地幔混合的俯沖帶鉛(3a-巖漿作用;3b-沉積作用);4-化學沉積型鉛;5-海底熱水作用鉛;6-中深變質作用鉛;7-深變質下地殼鉛;8-造山帶;9-上地殼;10-退變質帶Fig.6 Δβ-Δγ genetic classification diagram of Pb isotope of the Xiyi Pb-Zn deposit (after Zhu，1998)

西邑鉛鋅礦礦體產于石炭系香山組碳酸鹽巖地層中，且受層間破碎帶控制，呈層狀、似層狀產出，前文通過硫、鉛同位素分析得到成礦物質主要來源與石炭系香山組密切相關，那么是什么機制使香山組的地層提供成礦所需的物質組分?西邑鉛鋅礦區(qū)位于滇西“三江”成礦帶南段的保山地塊內。大量研究成果表明，保山地塊是一個從古生代中晚寒武世開始穩(wěn)定的陸塊，物源豐富，堆積較快，有利于鉛鋅多金屬的聚集，形成初始礦源層。礦區(qū)內石炭紀的玄武巖及輝綠巖(脈)的廣泛產出，反映地塊內部存在地殼/巖石圈幕式拉張(范蔚茗等，2003;毛景文，2005)，這就可能是由于保山陸塊從岡瓦納大陸裂離出來時造成的，礦區(qū)東西兩側的怒江和柯街大斷裂的強烈活動及相關的次級構造和裂隙，使本區(qū)的巖層產生了大量的破碎帶與斷裂構造帶，斷裂化的巖層比正常的巖層的滲透率顯著的增高，對流體可以產生斷裂閥的作用，即成礦流體流動動力之一，使得流體可以從下部或周圍向斷裂帶匯集(Brave，1980)。由以上分析可以看出，晚古生代的保山陸塊處在一個拉張環(huán)境下形成的開放或者半開放的構造環(huán)境，不僅為海水沿斷裂系統向陸塊內部滲透提供了良好的通道，而且也為成礦物質沉淀聚集提供了場所。這也可能是礦區(qū)及周邊發(fā)育大量海相硫酸鹽及腕足類、珊瑚類等化石的原因。礦區(qū)內廣泛發(fā)育的石炭紀玄武巖和輝綠巖(脈)還可以為成礦提供熱源，保證硫的同位素分餾順利進行。保山地塊于晚三疊世和早白堊世在其西側和東側發(fā)生兩次碰撞，造山作用由兩側山脈向地塊內部推進，在圖5 中，鉛同位素投圖落在造山帶附近，很有可能是對這兩次造山作用的響應，暗示造山作用對該礦床有一定的改造。

綜上所述，西邑鉛鋅礦成礦是本區(qū)晚古生代到中生代一系列構造事件的綜合反映，初步認為該礦床為沉積熱液型，但是由于該礦床研究程度低，其成礦機制復雜，確切的礦床成因尚有待進一步深入研究。

5 結論

(1)西邑鉛鋅礦床賦存于石炭系香山組中，礦體產狀與地層及斷裂產狀一致，形態(tài)呈層狀、似層狀或透鏡狀，層控特征明顯。

(2)該礦床礦物的δ34S 值為-2.4‰～+2.3‰，與同一地層中共生的重晶石的δ34S 值相差約15‰，在成礦階段晚期達到了硫同位素平衡，還原硫主要來源于地層中海相硫酸鹽的熱化學還原，在還原過程中，該地層中的有機質發(fā)揮了一定的作用，礦區(qū)的火山巖提供了熱源。

(3)鉛同位素研究顯示，西邑鉛鋅礦床的硫化物顯示鈾鉛富集、釷鉛微弱虧損，顯示鉛源的物質成熟度高，主要來源于上地殼。

(4)本次研究初步認為西邑鉛鋅礦床為沉積熱液型，很有可能形成于晚古生代保山地塊從岡瓦納裂離的時期。

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附中文參考文獻

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