滇西叫雞冠鐵多金屬礦床碳氧硫同位素地球化學(xué)特征研究

趙泓一，鄧明國，沙建澤，陳 偉，賈 禎

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.云南省地質(zhì)調(diào)查院，云南昆明 650216；3. 自然資源部三江成礦作用及資源利用重點實驗室，云南昆明 650051；4. 滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，云南大理 671000)

0 引言

叫雞冠鐵多金屬礦床是近年來在中緬邊境附7號線附近發(fā)現(xiàn)的中—大型鐵多金屬礦床。礦床被國界線劃分為南北兩段，南部位于中國云南騰沖縣，而北部則歸屬于緬甸的克欽邦。礦床在宏觀上具有明顯的矽卡巖蝕變及金屬礦化分帶，屬典型的矽卡巖型礦床。目前礦床研究主要涵蓋巖體、測年礦物(輝鉬礦、錫石)的主微量和年代學(xué)工作[1-2]，但缺乏對成礦流體、成礦物質(zhì)來源及演化的相關(guān)研究，亟需進一步的深入科學(xué)研究，以指導(dǎo)該區(qū)的勘查找礦工作。

方解石的C-O同位素被廣泛應(yīng)用于礦床成礦流體的來源及演化過程的研究[3-4]，S同位素組成的研究常用于判斷成礦物質(zhì)的來源[5]。將在詳查礦床地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究C-O-S同位素地球化學(xué)的特征，明確成礦流體、成礦物質(zhì)的來源和演化，并結(jié)合前人工作進一步總結(jié)礦床成因問題。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

叫雞冠鐵多金屬礦床所處的騰沖地塊位于滇緬泰馬地塊以北[6](圖1)，班公湖-怒江板塊縫合帶和印度河-雅魯藏布江板塊縫合帶之間[8-9]，地塊東部與保山地塊由高黎貢山斷裂帶相接，西部與緬甸地塊由密支那-曼德勒縫合帶相連[10]。自早古生代以來，該地塊經(jīng)歷了洋殼俯沖、陸內(nèi)匯聚和陸-弧碰撞等一系列重要的構(gòu)造事件[11-12]。

圖1 騰沖地塊區(qū)域地質(zhì)簡圖[7]Figure 1 Regional geological sketch map for Tengchong land mass[7]

騰沖地塊地層發(fā)育較完整，包括古元古界、新元古界及少量的上三疊統(tǒng)、新近系和第四系，古生界最為發(fā)育。區(qū)域發(fā)育多條深大斷裂，包括近SN向的高黎貢山斷裂、棋盤石斷裂、大盈江斷裂和NE向的檳榔江斷裂等。區(qū)內(nèi)褶皺受斷層控制，總體呈SN向展布，與主構(gòu)造線方向一致。

區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁，前人基于年代學(xué)研究，通過巖漿巖鋯石U-Pb定年將區(qū)內(nèi)巖漿巖出露劃分為東、中、西3條花崗巖類亞帶。上述3條亞帶均呈NS向近平行帶狀分布，具有明確的時空分布特征，從東到西依次為① 早白堊世東河巖體(143.0～111.7 Ma)；② 晚白堊世古永巖體(84.3～65.9 Ma)；③ 古近紀檳榔江巖體(66.4～41.2 Ma)。區(qū)內(nèi)金屬礦床的產(chǎn)出在空間上與花崗巖密切相關(guān)，各花崗巖亞帶具有不同的礦化特征。其中，東河花崗巖亞帶以矽卡巖型Fe-Pb-Zn-Cu多金屬礦化；古永花崗巖亞帶發(fā)育內(nèi)高溫熱液云型、英巖型Sn礦化；檳榔江花崗巖亞帶則發(fā)育低溫熱液型、云英巖型Sn礦化為特征。

2 礦床地質(zhì)特征

叫雞冠鐵多金屬礦床位于中緬邊境附7#附近，是近年發(fā)現(xiàn)的一處中型矽卡巖鐵多金屬礦床，伴生有數(shù)量可觀的W、Sn、Cu、Zn、Pb等金屬元素，經(jīng)濟價值巨大，可露天開采(圖2)。礦區(qū)出露地層有二疊系及第四系，巖性為大理巖化、矽卡巖化，二疊系空樹河組是區(qū)內(nèi)鐵多金屬礦的主要賦礦層位。

圖2 叫雞冠鐵多金屬礦床礦區(qū)簡圖[2]Figure 2 Geological sketch map for the Jiaojiguan Fe-polymetallic deposit

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以近SN向、EW向及NW向斷裂為主，其中F1和F6為控制礦區(qū)及礦體的主要斷裂。礦區(qū)總體上為一單斜地層，只是中東部大理巖局部呈一小型褶皺，分布于礦區(qū)中東部大理巖出露地帶，核部為大理巖，南東翼為變質(zhì)砂巖、板巖、長英角巖等。礦區(qū)內(nèi)出露有一條SN向貫穿礦床的花崗斑巖巖脈，礦區(qū)外圍黑云母二長花崗巖廣泛分布。

礦體主要以似層狀、透鏡狀、條帶狀為主產(chǎn)出于二疊系空樹河組大理巖和矽卡巖中。礦區(qū)的礦石礦物主要為磁鐵礦，其次為磁黃鐵礦、閃鋅礦、鐵閃鋅礦、方鉛礦、黃銅礦、黃鐵礦、錫石、白鎢礦等；脈石礦物主要有石英、白云母、金云母、方解石、透輝石、綠泥石、蛇紋石、透閃石、綠簾石等。礦石結(jié)構(gòu)以他形-半自形粒狀結(jié)構(gòu)和他形中—細粒結(jié)構(gòu)為主，次為少量交代填充結(jié)構(gòu)(圖3e、圖3f)。礦石常見稀疏浸染狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造、脈狀構(gòu)造和條帶狀構(gòu)造(圖3a至圖3d)。圍巖蝕變強烈，主要包括矽卡巖化、大理巖化、角巖化等，其中矽卡巖化控制了磁鐵礦化的分布，大理巖化則與鉛鋅礦化密切相關(guān)。

通過野外地質(zhì)調(diào)研和手標本、顯微鏡下鑒定，基于礦物共生組合和穿插關(guān)系，可將叫雞冠礦床的成礦作用劃分為矽卡巖(I)、氧化物(II)和硫化物(III)3個成礦階段。

1)矽卡巖階段。為形成矽卡巖的主要階段，在高溫的超出或接近臨界條件下多形成矽卡巖礦物，少量磁鐵礦，一般不形成工業(yè)礦體。區(qū)內(nèi)的主要矽卡巖礦物石榴子石、透輝石、綠簾石、陽起石、綠泥石，以及少量硅灰石等。

2)氧化物階段。為形成磁鐵礦的主要階段，磁鐵礦大量出現(xiàn)，伴有少量硫化物。脈石礦物主要為各類矽卡巖礦物、石英、方解石等。

3)硫化物階段。此階段主要金屬礦物為閃鋅礦、磁黃鐵礦、方鉛礦，以及黃鐵礦等；石英、方解石為主要脈石礦物。

Cal—方解石；Mag—磁鐵礦；Grt—石榴子石；Po—磁黃鐵礦；Gn—方鉛礦；Sp—閃鋅礦；Py—黃鐵礦；Ccp—磁黃鐵礦圖3 叫雞冠鐵多金屬礦床礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造Figure 3 Textures and structures of ores from Jiaojiguan Fe-polymetallic deposit

3 測試分析方法與結(jié)果

3.1 測試分析方法

針對礦床各階段樣品進行的同位素研究能有效示蹤其成礦物質(zhì)及成礦流體來源，為推動礦區(qū)找礦工作有著重要意義[13-15]。在野外和室內(nèi)詳細研究的基礎(chǔ)上，選擇氧化物階段新鮮的、具有代表性的圍巖、脈石礦物(方解石、灰?guī)r、大理巖)和硫化物(黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦、磁黃鐵礦)樣品逐級破碎、過篩，選粒級在40～80 目的樣品，在雙目鏡下反復(fù)挑選，使其純度達到99%以上，再用瑪瑙研缽研磨至200 目以上。樣品分析測試在昆明理工大學(xué)同位素研究實驗室完成。

C-O同位素：將挑純的方解石、圍巖樣品在陶瓷研缽中磨成200 目，用電子天平稱取0.1 g放于烘箱中烘干，然后在真空系統(tǒng)于25 ℃下與100%的正磷酸反應(yīng)24 h[16-17]。生成的CO2氣體進入MAT-251質(zhì)譜儀中進行C、O同位素分析，分析結(jié)果δ13C以V-PDB為標準，δ18O以V-SMOW為標準，分析精度為±0.2‰(2σ)，δ18OV-SNOW值計算采用Friedman和O’Neil的平衡公式：δ18OV-SNOW=1.030 86×δ18OV-PDB+30.86。

S同位素：S同位素分析方法：選取200目純凈樣品，通過冷凍法來收集硫化物中的SO2氣體，并將這些SO2氣體放置在DeltaVPlus氣體同位素質(zhì)譜儀中進行硫同位素組成的分析測試，其結(jié)果采用V-CDT標準，并且保證測試樣品的分析精度在±0.2‰。

3.2 測試結(jié)果

(1)C-O同位素組成特征

方解石和大理巖的C-O同位素測試結(jié)果見表1，由表可見：氧化物階段方解石的δ13CV-PDB值為-8.54‰ ～ -5.13‰，均值為-6.79‰；δ18OV-SNOW值為5.74‰ ～ 9.83‰，均值為6.59‰。硫化物階段方解石的δ13CV-PDB值為1.12‰ ～ 2.06‰，均值為1.64‰；δ18OV-SNOW值為8.78‰ ～ 11.51‰，均值為9.95‰。圍巖的δ13CV-PDB值為2.76‰ ～ 2.81‰，均值為2.79‰；δ18OV-SNOW值為9.75‰ ～ 10.73‰，均值為10.29‰。

(2)S同位素組成特征

叫雞冠礦床22件硫化物(閃鋅礦、方鉛礦、磁黃鐵礦、黃鐵礦)樣品的S同位素組成結(jié)果見表2，其變化范圍為2.91‰ ～ 5.65‰，均值為4.24‰，極差為2.74‰，變化范圍較窄，說明其S同位素組成較穩(wěn)定。其中，2件閃鋅礦的δ34SCDT值的變化范圍為4.52‰ ～ 4.58‰，均值為4.55‰；2件磁黃鐵礦的δ34SCDT值的變化范圍為4.21‰ ～ 4.22‰，均值為4.215‰；2件方鉛礦的δ34SCDT值的變化范圍為3.01‰ ～ 3.16‰，均值為3.09‰。硫化物階段中6件黃鐵礦δ34SCDT值的變化范圍為4.61‰ ～ 5.65‰，均值為5.05‰；5件閃鋅礦δ34SCDT值的變化范圍為3.43‰ ～ 4.87‰，均值為4.23‰,；3件磁黃鐵礦δ34SCDT值的變化范圍為3.68‰ ～4.26‰，均值為4.02‰；2件方鉛礦δ34SCDT值的變化范圍為2.91‰ ～ 2.98‰，均值為2.95‰。礦床硫化物S同位素組成具有典型巖漿熱液礦床的特征(對比騰沖滇灘礦床；保山蘆子園、核桃坪、金廠河礦床；拉薩洞中拉、龍馬拉、蒙亞啊、亞貴拉礦床)[18-20]。

表1 叫雞冠矽卡巖礦床方解石及圍巖C-O同位素組成

表2 叫雞冠矽卡巖礦床及鄰區(qū)典型矽卡巖型礦床S同位素組成Table 2 S isotopic compositions in the Jiaojiguan Fe-polymetallicdeposit and skarn type deposits of adjacent regions ‰

4 討論

4.1 成礦流體來源

不同地質(zhì)成因的方解石的C-O同位素具有很大差異，因此C-O同位素組成特征是示蹤成礦流體來源的理想對象[21-22]。叫雞冠礦床氧化物階段和硫化物階段方解石的δ13CV-PDB值分別為-8.54‰ ～ -5.13‰、1.12‰ ～ 2.06‰，均值為-6.79‰、1.64‰，氧化物階段方解石的δ13CV-PDB變化范圍較窄，處于巖漿源范圍(-9‰～-3‰)[23]，表明成礦流體中的碳主要來源于巖漿熱液。相比之下，硫化物階段方解石的δ13CV-PDB值相比氧化物階段差異較大，指示成礦流體的在演化過程中有其他δ13C物質(zhì)的混入?；谇叭搜芯浚瑢?dǎo)致矽卡巖熱液系統(tǒng)中流體δ13CV-PDB值改變的原因主要有以下兩種：一是有機成因碳混入；二是圍巖碳酸鹽巖的混入[24-25]。沉積巖中有機成因碳通常具有極低的δ13CV-PDB值(-25‰)，有機成因碳的加入會顯著降低成礦流體的δ13CV-PDB值，與樣品測試數(shù)據(jù)不符；海相碳酸鹽巖具有較高的13C值，且測試顯示叫雞冠礦床圍巖(大理巖)的δ13CV-PDB值為2.76‰ ～ 2.81‰，均值為2.79‰，圍巖中碳酸鹽的混入可顯著升高為成礦流體中的δ13CV-PDB值。在δ13CV-PDB-δ18OV-SNOW圖解中，數(shù)據(jù)投點分布趨勢指向沉積巖混染作用/高溫效應(yīng)作用，據(jù)此推斷叫雞冠礦床成礦流體的碳源主要來源于巖漿熱液，從氧化物到硫化物階段的演化過程中受到圍巖碳的混染。

圖4 叫雞冠鐵多金屬礦床δ13CV-PDB-δ18OV-SNOW圖解[26]Figure 4 Illustration of δ13CV-PDB-δ18OV-SNOW from Jiaojiguan Fe-polymetallic deposits[26]

氧化物階段的方解石C-O同位素組成在δ13CV-PDB-δ18OV-SNOW圖解(圖4)中的投影點相對集中，分布于花崗巖區(qū)域，且呈近水平分布。形成這種分布趨勢的原因可能是以下兩種：①大氣降水混入；②成礦流體與圍巖之間的水-巖反應(yīng)[27]。三江地區(qū)中生代大氣降水具有較低的δ18OV-SNOW值[15]，大氣降水的混入會使成礦流體的δ18O值降低，而叫雞冠礦床硫化物階段的δ18OV-SNOW值(8.78‰ ～ 11.51‰，均值為9.95‰)與氧化物階段的δ18OV-SNOW值(5.74‰ ～ 9.83‰，均值為6.59‰)相比并未顯著降低，因此大氣降水的混入并非影響成礦流體的δ18O值的主要因素；成礦流體若在運移過程中與圍巖發(fā)生水-巖反應(yīng)并發(fā)生物質(zhì)交換，其δ18OV-SNOW值將會發(fā)生明顯變化，但δ13CV-PDB值則幾乎不受影響，叫雞冠礦床氧化物階段方解石δ18OV-SNOW值變化范圍較大，而δ13CV-PDB值變化范圍較窄，與本次實驗結(jié)果相符。相比于圍巖，熱液方解石明顯虧損18O，指示虧損18O的成礦熱液在遷移成礦過程中與相對富集18O的碳酸鹽巖圍巖發(fā)生了水-巖反應(yīng)，發(fā)生物質(zhì)交換并逐漸富集18O的過程。綜上分析，叫雞冠礦床成礦流體主要來源于深部巖漿熱液，在熱力驅(qū)動條件下向上運移的過程中受到了一定程度的水巖反應(yīng)和沉積巖混染或高溫效應(yīng)的影響。

4.2 成礦物質(zhì)來源

硫是金屬硫化物礦床中最重要的礦化劑，研究其同位素組成是示蹤礦化劑來源的重要手段[5]。前人研究表明，矽卡巖型Pb-Zn礦床中礦化劑硫主要有以下幾種來源：幔源巖漿硫[28-29]，地層中海相硫酸鹽TSR作用[30-31]，混合來源[32]。

叫雞冠硫化物S同位素組成呈“單塔”式分布(圖5)，氧化物、硫化物階段硫化物的硫同位素組成相近，指示兩階段礦化劑硫具有同源性。在單一成礦階段內(nèi)，硫化物S同位素組成均一，滿足δ34SCDT黃鐵礦>δ34SCDT閃鋅礦>δ34SCDT磁黃鐵礦>δ34SCDT方鉛礦，硫化物S同位素基本已達到分餾平衡，表明硫化物δ34S值可用于指示成礦流體中δ34SΣS值。叫雞冠礦床硫化物的δ34SCDT值集中分布在2‰～ 6‰，與幔源巖漿硫源(0±3‰)范圍接近，說明其主要為巖漿來源。

圖5 叫雞冠鐵多金屬礦床S同位素組成直方圖Figure 5 Histogram of S isotope composition from Jiaojiguan Fe-polymetallic deposit

滇西地區(qū)產(chǎn)出大量的矽卡巖Fe-Gn-Zn多金屬礦床。其中，保山主要發(fā)育遠端的矽卡巖礦床(如蘆子園、金廠河和核桃坪等)，而騰沖、拉薩地塊多發(fā)育接觸交代(近端矽卡巖)礦床(如滇灘、大硐廠、銅廠山、洞中拉、龍馬拉、蒙亞啊和亞貴拉等)。前人對上述典型的遠端矽卡巖礦床硫化物的S同位素組成研究顯示，其硫源多為幔源巖漿硫和海相硫酸鹽TSR還原硫的混合。相比之下，叫雞冠礦床與上述接觸交代(近端矽卡巖型)礦床的硫同位素組成一致，并且硫化物明顯具有更低的δ34S值，更接近巖漿的硫同位素組成，表明叫雞冠礦床的硫源為單一的巖漿硫(圖6)。

圖6 叫雞冠礦床與鄰區(qū)典型矽卡巖型礦床S同位素對比Figure 6 Contrast of S isotope between Jiaojiguan Fe-polymetallic deposit and skarn type deposits of adjacent regions

4.3 成礦機制探討

叫雞冠鐵多金屬礦床位于騰沖地塊東側(cè)東河花崗巖帶，與早白堊世巖漿巖密切的成因聯(lián)系。Cao等[2](2014)測得礦區(qū)內(nèi)的二長花崗斑巖脈中的鋯石U-Pb年齡為120±0.6Ma；εHf(t)=-1.9～-4.9，測得礦區(qū)黑云母二長花崗巖鋯石U-Pb年齡為124±1.4 Ma，εHf(t)=-1.9～-4.9[2]；研究結(jié)果表明上述巖漿主要來源于泥質(zhì)沉積原巖，屬早白堊世晚期的含白云母過鋁質(zhì)S型花崗巖，為巖體屬后陸-陸碰撞成因的花崗巖，代表騰沖地塊與保山地塊碰撞事件以及碰撞后伸展作用的大地構(gòu)造背景。同時，Cao(2014)等[2]測得礦床輝鉬礦的Re-Os年齡(122±0.7 Ma)、錫石U-Pb年齡(123.8±2.2 Ma)[2]與上述巖漿巖時代接近，指示成礦作用巖漿侵入關(guān)系密切。

叫雞冠鐵多金屬礦床具有近端(接觸交代型)矽卡巖礦床的典型特征。具體可總結(jié)為以下特征：① 時間上，礦床成礦年齡與礦區(qū)花崗巖年齡在誤差范圍內(nèi)吻合，屬于同時代產(chǎn)物；② 空間上，叫雞冠礦床礦體離巖體較近，礦床于二長花崗斑巖脈與空樹河組(Pk)碳酸鹽巖類地層的外接觸帶，礦體主要賦存于矽卡巖中[33]；③礦床具有典型的矽卡巖礦物(石榴子石、透輝石、云母、綠簾石、綠泥石等)，并具有明顯的蝕變-礦化分帶，垂向上由下至上可見由深色石榴石-輝石-磁鐵礦-鐵閃鋅礦→黃綠色石榴石-輝石-閃鋅礦-磁黃鐵-黃銅礦-黃鐵礦→黃色石榴石-綠簾石-大理巖-閃鋅礦-方鉛礦-黃鐵礦的分帶特征。

燕山期構(gòu)造運動使騰沖、保山、拉薩地塊產(chǎn)生大規(guī)模的巖漿侵入活動。伴隨巖漿活動產(chǎn)生大量揮發(fā)分和含礦氣水熱液通過裂隙、節(jié)理經(jīng)過熱液作用和交代作用使圍巖這些密集節(jié)理組成的裂隙帶提供了良好的儲礦和導(dǎo)礦空間，而成礦流體在構(gòu)造應(yīng)力驅(qū)動下攜帶深部的成礦物質(zhì)向上運移并在有利位置富集沉淀是可能地區(qū)礦化的主要機制。通過叫雞冠C-O-S同位素相關(guān)研究成果表明，礦床成礦流體與物質(zhì)均主要來源于深部幔源巖漿熱液，與構(gòu)造背景和礦床地質(zhì)特征高度吻合。綜合上述討論，本文認為叫雞冠礦床為后碰撞的構(gòu)造背景下，與早白堊世巖漿活動相關(guān)的矽卡巖礦床。

5 結(jié)論

1)叫雞冠礦床熱液方解石的C、O同位素組成(δ13CV-PDB=-8.54‰～-5.13‰；δ18OV-SNOW值為5.74‰ ～ 9.83‰)表明礦床成礦流體主要來源于深部巖漿熱液。成礦流體在遷移過程中可能受到了沉積巖混染和水巖反應(yīng)的影響。

2)叫雞冠礦床δ34SCDT值呈現(xiàn)“單塔式正態(tài)分布”，并與幔源巖漿硫源相近，說明其硫源相對單一，主要為巖漿硫。

3)結(jié)合構(gòu)造背景和礦床地質(zhì)特征，該礦床為后碰撞大地構(gòu)造背景下，與燕山期巖漿作用有關(guān)的矽卡巖型礦床。