內(nèi)蒙古紅嶺鉛鋅-多金屬礦床二疊系火山碎屑巖中硫化物壓力影的發(fā)現(xiàn)及成礦意義

單小瑀,謝玉玲,陳佳德,任國順,魏良民,于 超,柳愛新

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院, 北京 100083; 2.赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責任公司, 內(nèi)蒙古 赤峰 025420)

礦床地質(zhì)是礦床學研究的基礎(chǔ),其中賦礦圍巖性質(zhì)和巖石成因是研究成礦構(gòu)造背景、區(qū)域構(gòu)造演化和成礦物質(zhì)來源的重要依據(jù)。紅嶺鉛鋅-多金屬礦床位于內(nèi)蒙古中部,是黃崗-甘珠爾廟Sn-Fe-Cu-Pb-Zn-Ag多金屬成礦帶內(nèi)一處重要的鉛鋅多金屬礦床。目前該帶內(nèi)已發(fā)現(xiàn)有白音諾爾鉛鋅礦、黃崗梁鐵錫礦、維拉斯托錫銅礦、拜仁達壩銀鉛鋅礦、紅嶺(浩布高)鉛鋅-多金屬礦、雙尖子山鉛鋅銀礦等一系列大、中型礦床,具有重要的資源潛力。區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的礦床類型包括矽卡巖型(如白音諾爾、紅嶺、黃崗梁)、熱液脈型(如大井、布金黑、拜仁達壩、雙尖子山、白音查干)和斑巖型(如東山灣、敖侖花、小東溝)等,其中矽卡巖型和熱液脈型鉛鋅多金屬礦床是該成礦帶最主要的工業(yè)類型(張德全, 1989)。成礦年代學資料表明,大興安嶺南段的成礦主要集中在燕山期,例如雙尖子山鉛鋅銀礦床[131.4±0.5 Ma, 趙家齊等(2022)]、黃崗梁鐵錫礦床[134.9 ± 5.2 Ma, Zhaietal.(2014)]、大井錫銅礦床[144±16 Ma, 廖震等(2014)]、白音諾爾鉛鋅礦床等[149.9±2.5～140.3±2.6 Ma, 蔣斌斌等(2020)]。區(qū)內(nèi)銅-錫多金屬礦床多產(chǎn)在二疊系中,二疊系的頁巖和板巖常構(gòu)成礦體的主要賦礦圍巖,如維拉斯托、白音查干、黃崗梁、白音諾爾、紅嶺等礦床,因此有學者提出,二疊系海相火山噴發(fā)沉積地層和中生代構(gòu)造巖漿活動共同控制了區(qū)內(nèi)礦床的展布(張德全,1989)。盡管有學者提出區(qū)內(nèi)二疊系哲斯組及大石寨組地層中錫、鉛、鋅、銀、銅等成礦元素含量高(李偉等, 2009; 郭守鈺, 2011),可能與成礦有關(guān)(呂志成等, 2002),但大多學者認為其成礦物質(zhì)主要來源于巖漿(Zhuetal., 2001; 邵濟安等, 2010; 呂新彪等, 2020; Wangetal., 2022),對二疊紀地層與區(qū)內(nèi)多金屬成礦的關(guān)系,仍缺少足夠的證據(jù)支持。

本文通過對紅嶺鉛鋅-多金屬礦區(qū)二疊系板巖詳細的野外地質(zhì)、巖礦相、SEM/EDS等研究發(fā)現(xiàn),其原巖為一套堿性晶屑凝灰?guī)r,并經(jīng)歷了NW-SE向的擠壓變形,板巖中可見由閃鋅礦、黃銅礦和磁黃鐵礦組成的沿巖石層理展布的硫化物壓力影。礦區(qū)成礦期的礦化和蝕變可切穿巖石層理、片理和壓力影構(gòu)造,表明壓力影中硫化物的形成早于構(gòu)造變形和矽卡巖成礦,應(yīng)代表了與二疊紀火山巖同期的原生硫化物礦化。壓力影中硫化物的原位S同位素分析結(jié)果與前人獲得的礦石中主要硫化物的S同位素組成相近,表明二疊系地層可以為成礦提供部分硫和銅、鋅等成礦物質(zhì),這可能也是造成大興安嶺地區(qū)熱液型鉛鋅-多金屬礦常產(chǎn)于二疊系中的原因。二疊紀變質(zhì)火山巖中原生銅、鋅礦化的發(fā)現(xiàn)為研究區(qū)內(nèi)銅-鋅-多金屬礦床的成礦物質(zhì)來源和指導區(qū)域找礦提供了新的思路。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造上位于中亞造山帶東部的興蒙造山帶(圖1a),區(qū)域巖漿活動強烈,發(fā)育古生代和中生代的火山巖、火山碎屑巖和侵入巖,主體呈近NE向帶狀展布。區(qū)內(nèi)出露的侵入巖以燕山期花崗質(zhì)侵入體為主,巖性包括花崗巖、花崗閃長巖和斑狀花崗巖等,并可見少量海西期侵入巖(Jahnetal., 2000; 劉銳等, 2016)。

圖1 大興安嶺南段大地構(gòu)造分區(qū)簡圖(a, 據(jù)Liu Y J et al., 2017)和紅嶺鉛鋅-多金屬礦床地質(zhì)簡圖(b, 據(jù)內(nèi)蒙古一一五地質(zhì)隊, 1992)

紅嶺鉛鋅-多金屬礦床(也稱浩布高鉛鋅礦床)位于大興安嶺南段西緣,礦區(qū)褶皺和斷裂構(gòu)造作用極為發(fā)育,區(qū)域構(gòu)造線方向為NE向,由古生代地層組成的NE-SW復(fù)式背斜貫穿本區(qū)。礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,主要見NE和NW向兩組斷層,其中NE向斷裂為礦區(qū)最主要的斷裂構(gòu)造。礦區(qū)出露的地層較為單一,包括下二疊統(tǒng)大石寨組大理巖、黑色板巖及其中的火山巖夾層,上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組流紋巖和晶屑凝灰?guī)r以及第四系(圖1b),上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組與下伏的二疊系呈角度不整合接觸。

礦區(qū)出露的侵入巖包括燕山期黑云母二長花崗巖(140.2±1.3 Ma, 作者未發(fā)表資料)、黑云母正長斑巖和閃斜煌斑巖,其中黑云母二長花崗巖未在地表出露,僅見于鉆孔深部。黑云母正長斑巖(135.68±0.44 Ma, 作者未發(fā)表資料)和閃斜煌斑巖脈多侵位于NW和NE向斷層中。黑云母正長斑巖在地表和井下大量揭露,呈巖墻或巖脈,厚度在數(shù)十米至不足一米。閃斜煌斑巖呈巖脈或巖墻,厚幾米至幾十厘米。根據(jù)侵位關(guān)系,黑云母二長花崗巖侵位早于閃斜煌斑巖和黑云母正長斑巖脈(單小瑀等, 2022)。

目前礦區(qū)內(nèi)的已知礦體均賦存于大石寨組中,黑云母正長斑巖和閃斜煌斑巖中也可見弱的鉛鋅礦化和銅礦化。礦區(qū)已探明Zn 0.29 Mt(平均品位 4.24%)、Pb 0.15 Mt(平均品位 2.25%)、Fe 2.91 Mt(平均品位 28.7%)、Cu 0.02 Mt(平均品位 0.14%)和Ag 114 t(平均品位 16.8 g/t)(孫九達等, 2018)。礦區(qū)礦體和蝕變帶明顯受NE和NW向斷層帶控制,礦體總體呈NE走向,傾向NW,礦體沿走向厚度變化較大,總體為SW厚度大、垂向延深大,向NE逐漸變薄、礦化深度也明顯變淺,在NE與NW向構(gòu)造交匯處礦體厚度明顯膨大。礦區(qū)的礦化類型以矽卡巖型為主,包括矽卡巖型鐵礦化、鉛鋅礦化和鐵銅-多金屬礦化,礦石礦物主要為磁鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦和方鉛礦。除矽卡巖型礦化外,礦區(qū)二疊系板巖中還發(fā)育有受構(gòu)造或裂隙控制的脈狀-網(wǎng)脈狀銅、鉛、鋅礦化,礦石礦物除黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦外,還可見黝銅礦、輝銀礦、輝鉍礦、輝銻礦等(單小瑀等, 2022)。

2 樣品和測試方法

本文測試的實驗樣品采自紅嶺礦區(qū)鉆孔巖芯。顯微巖相學和SEM/EDS分析在北京科技大學土木與資源工程學院巖石礦物實驗室完成,使用儀器分別為日本奧林巴斯BX53M系列顯微鏡和Phenom XL臺式能譜型掃描電鏡。SEM/EDS測試采用高真空、15 kV加速電壓。

硫化物的原位LA-ICP-MS元素組成分析在合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院礦床成因與勘查技術(shù)研究中心(OEDC)礦物微區(qū)分析實驗室完成,分析使用儀器為與Cetac Analyte HE激光剝蝕系統(tǒng)(193 nm ArF 準分子激光器)聯(lián)用的Agilent 7900電感耦合等離子體質(zhì)譜儀。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣,氬氣為補償氣以調(diào)節(jié)靈敏度,詳細的儀器操作步驟和數(shù)據(jù)處理方法見汪方躍等(2017)和聶利青等(2018)。

硫化物的原位S同位素分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成,激光剝蝕系統(tǒng)為193 nm準分子激光剝蝕系統(tǒng)(RESOLUSION M-50, ASI),多接收等離子體質(zhì)譜為ASI公司的Nu Plasma 1700 MC-ICP-MS。δ34S的測試誤差小于0.1‰,具體實驗方法參考Chen等(2017)。

3 分析結(jié)果

3.1 二疊系板巖的巖石學特征

紅嶺礦區(qū)新鮮的二疊系板巖呈黑色-灰黑色,板狀或?qū)永順?gòu)造(圖2a),板巖經(jīng)熱液蝕變后呈黃褐-淺灰色。顯微鏡下巖石呈火山碎屑結(jié)構(gòu)(圖2b),可見顯微褶皺構(gòu)造,軸面劈理不發(fā)育(圖2c),石英和長石均未見明顯的拉長變形(圖2b)。顯微鏡下和SEM/EDS結(jié)果表明,板巖中礦物碎屑多呈棱角狀-次棱角狀,碎屑多為石英、鉀長石晶屑,另可見少量鋯石、磷灰石和鉻鐵尖晶石晶屑(圖3a、3b),膠結(jié)物主要由黑云母、鉀長石、鈉長石和石英組成。由于礦區(qū)普遍發(fā)育成礦期的熱液蝕變,板巖中的火山碎屑呈現(xiàn)不規(guī)則晶體邊界(圖3a)。根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)和礦物組成,礦區(qū)黑色板巖的原巖應(yīng)為堿性晶屑凝灰?guī)r,并非前人認為的變質(zhì)沉積巖(李劍鋒, 2015; 牛吉芳, 2017)。

圖2 礦區(qū)二疊系板巖的手標本和顯微照片

圖3 板巖中鉻鐵尖晶石的背散射電子照片(a)和X射線能譜圖(b)

3.2 硫化物壓力影的顯微鏡下特征和礦物組成

野外和手標本上均可見黑色板巖中主要由硫化物組成的壓力影,壓力影的排列明顯沿層理分布,其影子礦物的長軸方向與巖石層理或片理方向一致(圖2d),與礦區(qū)矽卡巖型礦化相關(guān)的熱液脈可切穿巖石層理、片理及壓力影構(gòu)造(圖2e)。巖礦相和SEM/EDS分析表明,壓力影的核部主要由硫化物組成,包括磁黃鐵礦、閃鋅礦和黃銅礦(圖2e),影子礦物為石英和綠泥石(圖2f),且影子礦物的延伸方向與巖石層理或片理一致。

3.3 壓力影核部硫化物的原位微量元素和S同位素組成

為進一步探討礦區(qū)成礦與二疊系地層的關(guān)系,對壓力影核心的原生硫化物和因熱液活動而重結(jié)晶的硫化物分別進行了原位LA-ICP-MS微量元素分析和原位硫同位素分析,結(jié)果分別列于表1和表2。典型原生磁黃鐵礦和黃銅礦的LA-ICP-MS質(zhì)譜圖見圖4a和圖4b。部分測試位置硫化物的化學組成較為均勻,質(zhì)譜信號總體平滑(圖4a);而有些硫化物中由于存在超顯微包裹體而出現(xiàn)譜峰的跳躍(圖4b)。對含有明顯包裹物的數(shù)據(jù)處理時已避開包裹物的影響。

圖4 壓力影核心磁黃鐵礦(a)和黃銅礦(b)的LA-ICP-MS質(zhì)譜圖

壓力影中硫化物的原位微量元素分析結(jié)果顯示,原生黃銅礦中具有較高的Ag、Pb和Zn含量,原生磁黃鐵礦中同樣具有高的Ag、Pb、Sb和Bi值(表1、圖5)。相比于壓力影中的原生硫化物,重結(jié)晶磁黃鐵礦中Ag、Pb、Cu、Zn、Sb、Bi等元素含量明顯降低(圖5),暗示流體對原生磁黃鐵礦的改造過程中可能帶出部分金屬元素。

圖5 壓力影中原生黃銅礦、磁黃鐵礦和重結(jié)晶磁黃鐵礦的元素組成原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(標準化數(shù)據(jù)據(jù)McDonough and Sun, 1995)

壓力影中原生硫化物的原位微區(qū)硫同位素分析結(jié)果表明,無論是黃銅礦、磁黃鐵礦,其δ34S值均較為集中,分布于-0.33‰～+1.72‰的范圍內(nèi),且主要集中在0.5‰～1.5‰,顯示了幔源S的同位素特征。

4 討論

4.1 二疊紀地層的巖石成因和變形特征

野外和巖相學結(jié)果表明,礦區(qū)的主要賦礦圍巖二疊系大石寨組板巖的原巖為火山碎屑巖,巖性應(yīng)為晶屑凝灰?guī)r,其中碎屑主要為石英和鉀長石,并可見少量鋯石、磷灰石、尖晶石等,膠結(jié)物為黑云母、鉀長石、鈉長石、石英等,與區(qū)域上出露的大石寨組晶屑凝灰?guī)r的礦物組合基本一致(Yuetal., 2017)。研究區(qū)的二疊系板巖普遍發(fā)育軸向NE的緊閉褶皺樣品號HL-2053,-代表低于檢測限。

表 1 壓力影中硫化物的微區(qū)原位LA-ICP-MS微量元素分析結(jié)果 wB/10-6

和NE向的軸面劈理,但在弱變形域中,巖石的火山碎屑結(jié)構(gòu)保留較為完好(圖2b),表明礦區(qū)二疊系板巖中的板理應(yīng)為構(gòu)造成因,并非強烈的區(qū)域變質(zhì)作用所致。

已有研究結(jié)果顯示,內(nèi)蒙古東部大石寨組火山巖的鋯石U-Pb年齡介于298～276 Ma之間,統(tǒng)計峰值年齡為288 Ma(張健, 2012),晚二疊世-早三疊世的區(qū)域擠壓背景導致早二疊世火山巖中形成了軸面走向為NE-SW向的褶皺(張逸鵬, 2016)。礦區(qū)成礦時代為139.10 ± 5.40 Ma至140.70 ± 1.89 Ma(Hongetal., 2021),遠晚于區(qū)域大規(guī)模擠壓變形的時間。壓力影的形成機制在于應(yīng)力作用下核心礦物與周圍礦物剛性程度的差異,導致了巖石局部變形程度的差異。研究區(qū)二疊紀晶屑凝灰?guī)r中,相對于富含云母、長石的凝灰質(zhì)地層而言,硫化物更為剛性,因此在區(qū)域擠壓過程中,硫化物變形弱,而周圍的軟礦物(如云母等)變形強,因此在硫化物周圍形成低壓區(qū),并充填影子礦物。礦區(qū)板巖壓力影中影子礦物的延伸方向與擠壓片理方向一致,表明其形成與區(qū)域擠壓有關(guān),而核心礦物的形成早于區(qū)域擠壓,應(yīng)為火山沉積同期產(chǎn)物。

4.2 二疊系火山巖對中生代熱液型礦床成礦物質(zhì)來源的啟示

中國東部中生代普遍發(fā)育與燕山期巖漿活動有關(guān)的鉬(鎢、錫)-鉛鋅(銀)成礦系統(tǒng),如內(nèi)蒙古東部(謝玉玲等, 2015, 2020; Zhaietal., 2018)、大別東段(杜建國, 2000; Wu and Zheng, 2013; 任志等, 2014; 謝玉玲等, 2015; Mietal., 2015)、東北地區(qū)(張旗等, 2009)等,但這些成礦系統(tǒng)中除鎢、錫、鉬外,外圍多發(fā)育熱液脈狀鉛鋅(銀)礦,但銅礦化較弱,如白音諾爾鉛鋅銀礦床(Jiangetal., 2017)、阿爾哈達鉛鋅銀礦(謝玉玲等, 2020)等。同時,大興安嶺東段還發(fā)育有一系列富銅的燕山期成礦系統(tǒng),其成礦巖漿性質(zhì)、巖漿源區(qū)等與中國東部大多鉛鋅成礦系統(tǒng)一致,但相對富銅,如大井銅錫礦(王莉娟等, 2000)、維拉斯托錫銅多金屬礦(Liuetal., 2016)、毛登錫銅礦(Chenetal., 2022)、蓮花山銅礦(康歡等, 2019)等,對這些礦床中銅的來源前人有多種不同的認識。前人通過對內(nèi)蒙東部二疊系黑色板巖的巖石化學研究發(fā)現(xiàn),巖石具有較高的成礦金屬含量,其中銅可達52.12×10-6,鋅可達84.17×10-6(楊月厚等, 2012),均明顯高于地殼平均值,并認為二疊系可為區(qū)域成礦提供成礦金屬,但對造成地層富銅的原因尚不清楚。

本次研究發(fā)現(xiàn),二疊系火山碎屑巖中見有順層理產(chǎn)出的原生銅、鋅礦化,在變形過程中形成壓力影。礦區(qū)成礦期的熱液脈體明顯切穿板巖的板理,巖石中的火山碎屑中可見被成礦期流體交代的現(xiàn)象(圖3a),且顯微鏡下明顯可見成礦期熱液脈切穿硫化物壓力影,并可見硫化物的重結(jié)晶(圖2e),表明成礦期流體活動對板巖和其中的壓力影進行了改造。壓力影中硫化物的微區(qū)原位微量元素組成分析結(jié)果顯示,原生黃銅礦和磁黃鐵礦中具有高的Ag、Pb、Zn、Sb、Bi元素含量,而經(jīng)成礦期流體改造的磁黃鐵礦中Ag、Pb、Cu、Zn、Sb、Bi等元素含量明顯降低(圖5),礦區(qū)礦石中常見輝鉍礦、輝銀礦、輝銻礦等,表明礦區(qū)除鐵、鉛鋅、銅礦化外還發(fā)育少量銀、銻、鉍礦化,其可能來源于二疊系的原生硫化物。

礦物原位LA-MC-ICP-MS是近年開發(fā)出來的硫同位素測量新技術(shù)(Graddocketal., 2008; Bühnetal., 2012),具有精度高、空間分辨率高的特點(Chenetal., 2017)。由于其不受礦物內(nèi)部包裹物等影響,且可詳細地示蹤同一礦物晶體中不同期次的S同位素組成(Cooketal., 2013; 李洪梁等, 2021),因此廣泛用于示蹤成礦物質(zhì)來源及成礦過程的物理化學條件變化(Barkeretal., 2009; Cooketal., 2016; Xieetal., 2018; Weietal., 2019; Petrellaetal., 2020),通過對板巖中原生黃銅礦和磁黃鐵礦的S同位素分析結(jié)果表明,其分布范圍[主要集中在-0.5‰～1.5‰)與前人得到的礦石中礦化物的S同位素分布范圍[主要集中在-2.5‰～0.5‰, 牛吉芳(2017); Liuetal.(2018)]非常接近(圖6),也表明其可能對成礦有一定貢獻。發(fā)育于海相火山巖中的VMS(VHMS)型銅礦床是世界銅的主要來源(Franklinetal., 2005),盡管目前區(qū)內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)有經(jīng)濟意義的同生銅礦化,但是區(qū)域高銅、鋅背景值可能與二疊紀的海底火山活動有關(guān)。區(qū)域上二疊系大石寨組火山巖具有陸緣弧巖漿巖的特征(關(guān)慶彬等, 2016; Yuetal., 2017; 許強偉等, 2019),其巖漿源區(qū)有俯沖板塊交代的地幔的貢獻(Yuetal., 2017),這可能是造成其高Cu、Pb、Zn等含量的原因。二疊系地層可能為區(qū)內(nèi)銅礦化提供了物質(zhì)基礎(chǔ),燕山期巖漿熱液與二疊系地層的相互作用萃取了其中的Cu、Zn等成礦金屬,這可能是造成區(qū)內(nèi)富銅礦床形成的可能原因。

圖6 壓力影中硫化物與礦石中硫化物的硫同位素分布圖(礦石中不同硫化物的硫同位素數(shù)據(jù)來源見表2)

5 結(jié)論

(1)二疊系黑色板巖為紅嶺鉛鋅-多金屬礦床的主要賦礦圍巖,其原巖為一套堿性火山碎屑巖,并經(jīng)歷了NW-SE向的擠壓變形,形成了軸向NE的緊閉褶皺。

(2)黑色板巖中的硫化物壓力影可能代表了與海相火山活動有關(guān)的原生銅、鋅礦化,這些原生硫化物的存在可能是導致區(qū)域內(nèi)二疊系黑色板巖普遍具有較高的銅、鋅背景值的原因。

(3)壓力影中原生和重結(jié)晶硫化物微量元素組成的變化和與礦區(qū)的礦石硫化物相似的S同位素組成,表明二疊系火山碎屑巖可能為區(qū)內(nèi)富銅礦床的形成提供了成礦金屬和硫。