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  中国地质 2020, Vol. 47 Issue (2): 472-484  
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张革利, 田涛, 王瑞廷, 高卫宏, 常宗东. 2020. 凤太矿集区东塘子铅锌矿床S、Pb同位素组成对成矿物质来源的示踪[J]. 中国地质, 47(2): 472-484.  
Zhang Geli, Tian Tao, Wang Ruiting, Gao Weihong, Chang Zongdong. 2020. S, Pb isotopic composition of the Dongtangzi Pb-Zn deposit in the Fengtai ore concentration area of Shaanxi Province for tracing sources of ore-forming materials[J]. Geology in China, 47(2): 472-484. (in Chinese with English abstract).  

凤太矿集区东塘子铅锌矿床S、Pb同位素组成对成矿物质来源的示踪
张革利1, 田涛1,2, 王瑞廷3,4, 高卫宏1, 常宗东1    
1. 宝鸡西北有色七一七总队有限公司, 陕西 宝鸡 721015;
2. 陕西省环境科学研究院, 陕西 西安 710061;
3. 西北有色地质矿业集团有限公司, 陕西 西安 710054;
4. 长安大学地球科学与资源学院, 陕西 西安 710054
摘要:东塘子铅锌矿床是秦岭成矿带中典型的铅锌矿床之一,前人对东塘子铅锌矿床成矿作用研究较多,但受限于测试手段及认识的局限性,多年来对其物质来源的认识仍未统一。本文在充分研究东塘子铅锌矿床地质特征的基础上,开展了相关样品的S、Pb同位素分析,分析对象包括了不同类型的铅锌矿石,讨论了该铅锌矿床的成矿物质来源、区内岩浆岩与铅锌成矿的关系等。研究表明:东塘子铅锌矿床矿石硫化物δ34S值变化范围为1.8‰~12.5‰,平均7.50‰,计算获得成矿流体中总硫δ34S∑S为7.7‰,显示海水硫酸盐(蒸发膏岩)与岩浆硫的混合来源特征。矿石铅同位素组成稳定,铅源主要来自富U-Th-Pb的上地壳与深部,可能与深部岩浆活动有关。研究结果表明,东塘子铅锌矿床的成矿过程与南秦岭印支期大规模多阶段构造-岩浆-流体活动密切相关,为下一阶段区内找矿工作提供了新的思路。
关键词同位素组成    成矿物质来源    成矿机制    东塘子铅锌矿床    矿产勘查工程    凤太矿集区    陕西    
中图分类号:P632            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2020)02-0472-13
S, Pb isotopic composition of the Dongtangzi Pb-Zn deposit in the Fengtai ore concentration area of Shaanxi Province for tracing sources of ore-forming materials
ZHANG Geli1, TIAN Tao1,2, WANG Ruiting3,4, GAO Weihong1, CHANG Zongdong1    
1. Baoji 717 Corps Limited of Northwest Nonferrous Geological and Mining Group, Baoji 721000, Shannxi, China;
2. Shaanxi Provincial Academy of Environmental Science, Xi'an 710061, Shannxi, China;
3. Northwest Nonferrous Geological and Mining Group Co., Ltd., Xi'an 710054, Shannxi, China;
4. School of Earth Science and Resources, Chang'an University, Xi'an 710054, Shannxi, China
Abstract: The Dongtangzi Pb-Zn deposit is one of the typical Pb-Zn deposits in the Qinling metallogenic belt. Its mineralization has been studied by many researchers, but the study has been limited by the testing methods and the level of understanding. Its material source is still a problem of much controversy. Based on the study of the geological characteristics of the Dongtangzi Pb-Zn deposit, the authors carried out S and Pb isotope analysis of related samples. The analysis included different types of lead-zinc ore. The source of ore-forming materials of the lead-zinc deposit and the relationship between magmatic rocks and Pb-Zn mineralization in the study area were discussed. The results show that the δ34S value of ore sulfides varies from 1.8‰ to 12.5 ‰ with an average of 7.50 ‰, whereas the δ34S∑S value in the ore-forming fluid is 7.7 ‰, which shows the characteristics of mixed sources of sulfate in sea water (evaporation paste rock) and magmatic sulfur. The Pb isotope composition of ores is stable in this deposit, which indicates that Pb sources were mainly derived from the upper crust with rich U-Th-Pb elements and deep surroundings, which might have been related to deep magmatic activity. The results show that the metallogenic process of the Dongtangzi Pb-Zn deposit was closely related to the large-scale multi-stage tectonic-magmatic-fluid activity in the Indosinian period, and this understanding provides a new idea for prospecting in the next stage.
Key words: isotope composition    sources of ore-forming materials    mineralization mechanism    Dongtangzi Pb-Zn deposit    mineral exploration engineering    Fengtai ore concentration area    Shaanxi Province    

1 引言

东塘子铅锌矿床位于陕西凤太矿集区西部, 大地构造位置处于南秦岭北部裂陷带之中(张国伟等, 2001)。东塘子铅锌矿床是凤太矿集区铅锌矿床的典型代表之一。凤太矿集区内已经探明的铅锌金属储量超过了500万t, 其中东塘子铅锌矿床的铅锌金属储量就达到了200万t( 张革利等, 2018)。前人已经对凤太矿集区内的铅锌矿做了大量研究工作(祁思敬等, 1993; 王集磊等, 1996; 方维萱, 1998; 王瑞廷等, 2007, 2011; 王义天等, 2009; 李厚民等, 2009; 张帆, 2010; 张海等, 2011; 胡乔青等, 2012, 2013, 2015; 任鹏等, 2014)。对铅锌矿床的成因认识经历了诸多阶段, 由最开始基于矿体宏观特征认为的层控型矿床(祁思敬等, 1993), 到20世纪80年代认为区内的热水喷流沉积型矿床(Sedex)或类Sedex矿床(祁思敬等, 1993; 王集磊等, 1996; 方维萱, 1998; 张海等, 2011), 再到20世纪80年代之后的热水喷流沉积改造型(再造型)矿床(王瑞廷等, 2007, 2011), 最近几年受岩浆成矿理论的启发, 及测试分析水平的不断提高, 许多学者又提出了后生热液型矿床的成因认识(王义天等, 2009; 张帆, 2010; 胡乔青等, 2012, 2013, 2015), 目前对于本区铅锌矿床的成因认识仍存在较大分歧。采用S、Pb同位素来示踪成矿物质来源是近年来研究矿床成因的重要手段, 前人对区内铅锌矿床的研究侧重于矿床特征、矿物岩石学特征、成矿构造与找矿预测等方面(张振飞等, 1989; 宫同伦等, 1990; 方维萱, 1999), 限于以往的测试手段及精度的影响, 本区关于铅锌矿床物质来源与矿床成因的分析与讨论仍显不足(王俊发等, 1991; 祁思敬等, 1993; 任鹏等, 2014), 很大程度上限制了凤太矿集区铅锌成矿机制的研究。本文选取区内的东塘子铅锌矿床为研究对象, 对矿石的S、Pb同位素组成进行分析, 并结合凤太矿集区内岩浆岩的S、Pb同位素数据, 对铅锌矿床的成矿物质来源与成因进行讨论, 以期为深入认识凤太矿集区铅锌矿床成矿机制提供新的参考。

2 区域地质背景

凤太矿集区东塘子铅锌矿床的大地构造位置位于华北板块与扬子板块的夹持部位, 南秦岭晚古生代裂陷盆地, 秦岭造山带泥盆系金-多金属矿带中部(胡乔青, 2015)。北部以赵家庄-湘子河-都督门断裂F21为界, 南部以酒奠梁-江口断裂F22为界, 位于上述两个大断裂之间, 由对冲推覆构造形成, 其内部以褶皱断裂组合形成近似菱形的构造块状体(图 1), 区内的主要构造呈NWW向。

图 1 凤太矿集区西部矿产地质简图 1—第四系;2—东河群;3—下三叠统;4—石炭系;5—九里坪组;6—星红铺组;7—古道岭组;8—断裂及编号;9—角度不整合;10—二长花岗岩;11—花岗闪长岩;12—花岗斑岩脉;13—闪长玢岩脉;14—煌斑岩脉;15—钠长角砾岩16—铅锌矿床;17—金矿床;18—研究区 Fig. 1 Geological and ore deposit map of western Fengxian-Taibai ore concentration area 1-Quaternary; 2-Donghe Group; 3-Lower Triassic; 4-Carboniferous; 5-Jiuliping Formation; 6-Xinghongpu Formation; 7-Gudaoling Formation; 8-Fracture and its serial number; 9-Angular unconformity; 10-Adamellite; 11-Granodiorite; 12-Grantitic porphyry vein; 13-Diorite porphyry; 14-Lamprophyre; 15-Sodium-breccia; 16-Pb-Zn deposit; 17-Gold deposit; 18-Research area

区域内主要出露地层为泥盆系, 为一套浅变质滨浅海相沉积碎屑岩。自下而上有中泥盆统马槽沟组中厚层-块状变长石石英杂砂岩、石英杂砂岩、夹变质粉砂岩、薄层砂质灰岩; 中泥盆统古道岭组深灰色中厚层-块状结晶灰岩、生物灰岩; 上泥盆统星红铺组炭质千枚岩、钙质千枚岩、铁白云质千枚岩、绿泥石千枚岩、粉砂质千枚岩夹粉砂岩、薄层灰岩; 上泥盆统九里坪组灰白色中厚层, 厚层状变长石石英砂岩, 中厚-中薄层变细砂岩, 深灰色粉砂质板岩。中泥盆统古道岭组深灰岩与上泥盆统星红铺千枚岩的过渡层含炭部位是本区铅锌矿床的赋矿层位。

区内岩浆岩分布较广, 区内东部和东北部, 主要有印支期西坝花岗岩体(218~219 Ma)、花红树坪岩体(225 Ma)(张帆, 2010; 胡乔青, 2015), 岩性主要为二长花岗岩(ηγ)-花岗闪长岩(γδ)。岩体与围岩接触带位置均发育较大规模的角岩化和矽卡岩化, 其中花红树坪岩体北部接触带发育有黑钨矿化, 花红树坪岩体西南部5 km范围内发育大量气液交代作用形成的方解石脉, 脉体中可见一定规模的铅锌矿分布。区内西部则主要以岩脉出现, NWW向以酸性的花岗斑岩(γπ)为主, NE向以中性的闪长玢岩(δμ)为主, 在本区的铅锌矿床、金矿床部位分布较为集中。

3 矿床地质特征 3.1 矿区与矿体特征

东塘子铅锌矿床由东部出露的铅铜山矿段和西部隐伏的东塘子矿段组成, 矿区内的地层主要以中泥盆统古道岭组(D2g)与上泥盆统星红铺组(D3x)为主。含矿部位偏向于古道岭组一侧, 以结晶灰岩、含生物碎屑微晶灰岩的岩性组合占主要部分。矿区没有出现大面积的岩浆岩, 而岩浆脉体却较为发育, 岩浆脉体主要是NW向花岗斑岩脉和NE向的闪长玢岩脉, 花岗斑岩脉与主矿体产状基本一致, 闪长玢岩脉则横穿了主矿体, 铅锌矿体受铅铜山背斜控制, 控矿背斜为一"M"型复式背斜, 矿体主要赋存于背斜鞍部及两翼古道岭组和星红铺组硅钙岩性接触界面; 矿区内发育多组断裂构造, 其中近东西向断层规模较大(图 2a)。

图 2 东塘子铅锌矿床地质简图(a)与联合剖面图(b) 1—星红铺组第二岩性段;2—星红铺组第一岩性段第二层;3—上泥盆统星红铺组第一岩性段第一层;4—古道岭组;5—断层及编号;6—闪长玢岩脉;7—花岗斑岩;8—地层产状;9—铅锌矿体及编号;10—勘探线 Fig. 2 Simplified geological map of the Dongtangzi Pb-Zn deposit (a) and combined profiles (b) 1- Second lithologic section, Xinghongpu Formation; 2- The second layer of the first lithologic section, Xinghongpu Formation; 3-The first layer of the first lithologic section, Xinghongpu Formation; 4-Gudaoling Formation; 5-Fracture and its serial number; 6-Diorite porphyry; 7-Granite porphyry; 8-Attitude; 9-Pb-Zn orebody and its serial number; 10- Exploration line

东塘子矿段与铅硐山矿段共有10个铅锌矿体构成, 规模最大的是Ⅰ-1、Ⅱ-1号矿体, 矿体产出形成主要有脉状(图 3a)与层状(图 3b), 受背斜与两组地层接触的"硅钙面"控制(图 2b)。其他矿体产于灰岩内部断层破碎带、不规则张裂隙或产在千枚岩中层间裂隙, 规模较小, 多呈脉状与细脉状产出, 产状不稳定。Ⅰ-1矿体的地表出露546 m, 已控制矿体总长度为1350 m, 斜向延深超过了450 m, 矿体走向90°~100°, 倾向0°~7°, 倾角为35°~39°, 矿体平均厚度为9.55 m, Pb+Zn平均品位为8.7%。Ⅱ-1号矿体地表出露长65 m, 深部已控制长1800 m, 倾斜埋深超过了800 m, 矿体走向115°~120°, 倾向205°~ 210°, 倾角为80°~85°, 矿体平均厚度为7.7 m, Pb+ Zn平均品位为8.3%。东塘子铅锌矿床含矿背斜的北翼矿体薄, 在围岩中发育的片理化极为强烈, 背斜南翼具有厚大的矿体, 围岩片理化构造不强烈。

图 3 东塘子铅锌矿床矿石及矿相显微照片 a—方铅矿、黄铁矿;b—闪锌矿;c—方铅矿、闪锌矿,铅锌粒度较粗;d—产出于热液脉中的闪锌矿细脉;e—黄铁矿被方铅矿交代形成的骸晶结构;f—闪锌矿中蠕虫状黄铜矿;Ga—方铅矿;Py—黄铁矿;Sp—闪锌矿;Cp—黄铜矿 Fig. 3 Microphotograph of ore and ore phase of the Dongtangzi Pb-Zn deposit a-Detritus-like galena and pyrite; b-Dense massive sphalerite ore; c-Detritus-like galena and sphalerite, with coarser grain sizes of lead and zinc; d-Sphalerite in hydrothermal veins; e-Pyrite replaced by galena, which produced skelecton crystal texture; f-Vermicular chalcopyrite in sphalerite; Ga-Galena; Py-Pyrite; Sp-Sphalerite; Cp-Chalcopyrite
3.2 矿石特征与成矿阶段

矿石结构以他形粒状为主(图 3cd), 同时也常见交代溶蚀结构(图 3e)及骸晶结构(图 3e)等, 显微镜下可见乳滴状黄铜矿产于闪锌矿中(图 3f); 矿石构造常见的是块状、条带状及细脉浸染状等, 受后期构造变形应力的影响, 矿石的局部呈破裂状, 及重结晶后形成的斑杂状构造。矿石的金属矿物以闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、黄铜矿为主, 脉石矿物包含了石英、碳酸盐类矿物及绢云母、绿泥石等蚀变矿物。围岩发育强烈蚀变, 与矿化密切相伴, 可见围岩的硅化、碳酸盐化、黄铁矿化及绢云母化等。

通过野外观察东塘子铅锌矿床4个采矿中段(795、860、910、960)矿体产出特征、矿石类型及脉体与矿体间的穿插关系, 划分出了4个成矿阶段(张革利等, 2018):

Ⅰ阶段:脉状硫化物-碳酸盐-石英, 主要的矿物组合为黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、碳酸盐、石英等, 本阶段最为明显的特征是富黄铁矿、石英的铅锌矿脉, 具有较小的矿化强度与规模。Ⅱ阶段:块状硫化物-碳酸盐, 主要的矿物组合为闪锌矿、黄铁矿、方铅矿、碳酸盐及少量石英, 本阶段以闪锌矿、方铅矿富集产出为特征, 局部富集黄铁矿, 矿石产出特征为浸染块状。Ⅲ阶段:方解石石英脉-贫硫化物, 以NE向的方解石石英脉为主, 切穿前两个成矿阶段, 脉体中见少量黄铁矿、方铅矿。Ⅳ阶段:石英碳酸盐脉-贫硫化物, 以厚大的石英碳酸盐脉为主, 主要分布于矿体与底盘围岩间, 脉体中见少量黄铁矿、方铅矿。

4 样品采集与分析方法

本次用于S、Pb同位素测试的样品均采自东塘子铅锌矿区坑道中, 在主成矿阶段的块状矿体和脉状矿体中分别采样, 所采样品新鲜, 未受污染和风化。实验选取有代表性矿石, 在矿石中分别选取闪锌矿、方铅矿和黄铁矿进行测试。首先将矿石测试样品人工初步破碎至60~80目, 肉眼挑选闪锌矿、方铅矿和黄铁矿单矿物颗粒, 将挑选后的单矿物样品置于双目镜下剔除杂质, 使测试样品纯度达到99%以上。再用特制玛瑙碾钵粉碎至200目以下送实验室分析(陈欣彬等, 2017; 杨斌等, 2018)。样品制备期间未受次生污染。矿石硫化物S、Pb同位素的分析测试在核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行, 测试仪器为MAT-253、ISOPROBE-T热电离质谱仪。S测试误差范围在±0.2‰, Pb同位素测试精度为2σ

5 测试结果 5.1 硫同位素

东塘子铅锌矿床的金属硫化物样品分析结果(表 1)显示:黄铁矿δ34S值为5.7‰~9.0‰, 平均8.2‰; 闪锌矿δ34S值为8.6‰~12.5‰, 平均9.6‰; 方铅矿δ34S值为1.8‰~6.3‰, 平均4.4‰; 硫化物δ34S值为1.8‰~12.5‰, 平均值为7.08‰。东塘子矿床硫化物δ34S值的特点是δ34S 闪锌矿>δ34S 黄铁矿>δ34S 方铅矿, 硫同位素在硫化物间的分馏并未达到平衡, 表明本矿床硫化物的δ34S值不能近似于成矿流体的δ34S∑S, 而要明显低于成矿流体δ34S∑S值(Ohmoto et al., 1979)。闪锌矿与方铅矿平衡状态(张理刚, 1985; 郑永飞等, 2000), 在矿石显微构造中普遍可见闪锌矿、方铅矿共生, 且二者交代黄铁矿的现象。

表 1 东塘子铅锌矿床硫同位素组成 Table 1 Sulfur isotope composition of the Dongtangzi Pb−Zn deposit
5.2 铅同位素

铅同位素在讨论源区特征、构造环境方面应用较为广泛。东塘子铅锌矿床中的方铅矿Pb同位素测试结果(表 2)显示:方铅矿206Pb/204Pb范围为18.083~ 18.234, 均值为18.149, 极差为0.151; 207Pb/204Pb范围为15.66~15.801, 均值为15.714, 极差为0.141; 208Pb/204Pb范围为38.317~38.781, 均值为38.497, 极差为0.464。方铅矿的同位素组成较为稳定, 显示出较小极差, 暗示着成矿物质来源单一或均一化程度高, 属于正常铅。采用路远发(2004)的相关计算, 得到方铅矿Pb同位素相关参数(表 2), 参数中的μ值范围为9.62~9.89, 均值为9.72; ω值范围为38.43~40.94, 平均值为39.35; Th/U值范围为3.87~ 4.01, 均值为3.92, 除μ值偏高外, ω和Th/U比值均在正常铅变化范围内(陈好寿, 1978)。

表 2 东塘子铅锌矿床铅同位素组成 Table 2 Pb isotopic composition of the Dongtangzi Pb−Zn deposit
6 讨论 6.1 S的来源

前人对凤太矿集区铅锌矿床矿石混合硫源的认识趋于统一, 一般认为海水硫酸盐为主要矿石硫源, 但对其他混合组分有不同的认识。有些学者认为铅锌矿床硫化物的硫不是单一的岩浆、生物或海水硫酸盐的来源, 而可能是海水硫酸盐的还原硫与深部地层同生热液中的硫的混合源(吕仁生等, 1990; 祁思敬等, 1993; 王集磊等, 1996; 任鹏等, 2013), 王俊发(1991)认为矿石硫来源于海水硫酸盐和深部热液运移过程中淋滤基底硫源的互相混合。

本次S同位素测试结果表明, 东塘子铅锌矿床主成矿期不同矿石类型硫化物的δ34S同位素组成较为均匀, 同位素范围相对较窄, 为1.8‰~12.5‰, 平均值为7.50‰, 并呈现塔式分布(图 4a), 硫的来源较为稳定。前人获得的铅硐山-东塘子矿段矿石δ34S变化范围为-1.5‰~10.5‰ (王俊发等, 1991; 王集磊等, 1996; 胡乔青, 2015), 平均为6.88‰。与本次测试获得的不同阶段矿石δ34S值测试数据基本一致, 矿石略富集重硫。Ohmoto(1979)认为硫化物的S同位素组成与矿物沉淀时的物理化学条件息息相关。所以, 简单的采用S同位素组成来讨论硫化物在成矿热液期的S同位素组成是不恰当的, 更多的需要采用成矿热液总S同位素特征δ34S∑S来代表成矿流体的S同位素性质。计算总硫同位素最常用的方法是平克尼-拉夫特法(高温平衡外推法)(Doe et al., 1979)。选择平衡状态的9对闪锌矿-方铅矿共生矿物对, 计算获得的δ34S∑S为7.7‰(图 4b)。前述的硫化物间的分馏并未达到平衡, 表明实际硫化物δ34S值可能较7.7‰还要低。

图 4 东塘子铅锌矿床矿石硫同位素组成频率直方图(a)与总硫同位素组成(b) Fig. 4 Frequency histogram of δ34S for ore sulfides (a) and total sulfur isotope composition (b) in the Dongtangzi Pb−Zn deposit

一般来说, 200℃时TSR反应可造成硫酸盐与还原硫之间发生10‰左右的硫同位素值分馏(Machel et al., 1995), 中泥盆世-晚泥盆世海水硫同位素由约17‰增长到30‰左右(Claypool et al., 1980), 而东塘子矿床铅锌矿石硫同位素δ34S大多低于10‰, 集中分布于4‰~10‰(图 4a), 尤其是方铅矿δ34S平均值为4.4‰, 单一的海水蒸发硫酸盐(蒸发膏岩) TSR作用无法提供如此低的硫同位素组成, 成矿过程中必然存在富集轻硫的硫源加入。岩浆硫成为最有可能的轻硫来源, 在宏观尺度上, 秦岭造山带在印支期处于板块碰撞后(晚期)拉张伸展阶段, 此种构造环境下的岩浆活动与成矿作用十分强烈(王靖华等, 2002; 张复新等, 2004; 卢欣祥等, 2008; 陈衍景, 2010)。

Sedex型铅锌矿床矿石的δ34S值组成往往具有较大的变化范围, δ34S值的区间多数位于20‰~30‰ (祁思敬等, 1993)。例如内蒙狼山地区霍各乞铅锌矿床的矿石δ34S值为3.6‰~23.5‰(蒋心明, 1983), 甲生盘铅锌矿床矿石δ34S值为17‰~31.4‰(付超等, 2010);东升庙铅锌矿床矿石的δ34S值为21.7‰~ 41.84‰(张明超等, 2017), 甘肃厂坝铅锌矿矿石的δ34S值为11.4‰~27.81‰ (王集磊等, 1996)。而与岩浆活动有关的铅锌矿δ34S值普遍较小, 且多变化于-5‰~10‰, 如西藏洞中拉铅锌矿δ34S值分布于2.2‰~4.8‰(刘婷婷等, 2011), 江苏栖霞山铅锌矿δ34S值分布于-4.6‰~3.8‰ (张明超等, 2017)。东塘子铅锌矿硫化物δ34S值变化范围较小(-1.5‰~ 12.5‰), 且大多数小于10‰, 与西成矿集区、高板河等典型Sedex型铅锌矿床(δ34S值变化范围大、多为正值、富集重硫)明显不同(图 5), 地质特征与岩浆作用相关铅锌矿床如洞中拉、栖霞山等具有相似之处(表 3), 证明了深部岩浆硫源的重要贡献。

图 5 不同来源S同位素特征图 Fig. 5 Characteristic chart of S isotope compositions from different sources
表 3 东塘子铅锌矿床与洞中拉、栖霞山铅锌矿床特征对比 Table 3 The comparison between Dongtangzi, Dongzhongla and Xixiashan deposits
6.2 Pb的来源

一般而言, 铅同位素源区特征值是指示地质体经历地质作用的重要参数, 从而反映铅的来源。Pb同位素特征值是判断铅来源的重要参数(谭洪旗, 2017;王文元, 2018), 综合前人研究成果及本次测试结果, 东塘子铅锌矿床的方铅矿μ值平均为9.72, 比上地壳岩石μ值9.58略高(吴开兴等, 2002); 方铅矿Th/U均值为3.85, 略低于上地壳的全球均值3.88, 但大于中国大陆上地壳平均值3.47(李龙等, 2001);其232Th/204Pb (ω值)平均为38.29, 高于上地壳的正常值(36.5), 由此表明东塘子铅锌矿床矿石铅可能来自于富U-Th-Pb的上地壳。

Doe and Zartman(1979)所提出的208Pb/204Pb - 206Pb/204Pb图上, 东塘子铅锌矿床方铅矿数据位于造山带演化线附近, 并且以线性分布为特征, 反映铅源稳定(图 6a); 在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb图上, 方铅矿数据主要位于上地壳线与造山带线间(图 6b), 也呈线性分布, 结合印支期秦岭造山带碰撞造山地质过程, 可以判定东塘子铅锌矿床的铅主要来源于上地壳以及造山过程中深源铅的加入。

图 6 东塘子铅锌矿床矿石铅同位素模式图(底图据Doe and Zartman, 1979) A—地幔;B—造山带;C—上地壳;D—下地壳 Fig. 6 Pb isotopic composition model of the Dongtangzi Pb-Zn deposit (after Doe and Zartman, 1979) A-Mantle; B-Orogenic belt; C-Upper crust; D-Lower crust

朱炳泉等(1998)提出的△β-△γ成因分类图解可以较准确的追踪矿石铅的源区信息。东塘子铅锌矿床矿石铅主要分布于上地壳铅、上地壳与地幔混合的俯冲带铅(岩浆作用)的范围内(图 7)。而本次测试数据与前人成果分别处于图中不同的成因范围, 具有较大的差距, 所以需要综合样品采样位置、样品特征进行分析。同一大型矿床不同位置矿体的铅同位素值存在一定差异(崔学军等, 2008), 本研究收集的前人成果集中于本矿床开发的初期(20世纪90年代), 采集的铅锌矿样品多来自出露于地表的铅硐山矿段, 且样品位置多位于主矿体的翼部, 本次所测试的样品来自隐伏于地表下的东塘子矿区, 采样位置位于主矿体的鞍部厚大矿体中。同时本次测试数据与前人成果具有较为一致线型正相关关系, 与铅同位素构造模式图(图 6)中样品分布特征基本一致, 表明东塘子铅锌矿床的铅主要来自上地壳与深部, 深部岩浆活动可能提供铅源。

图 7 东塘子铅锌矿床矿石铅△β-△γ成因判别图解(据朱炳泉等,1998 1—地幔源铅;2—上地壳铅;3—上地壳与地幔混合的俯冲带铅(3a—岩浆作用,3b—沉积作用);4—化学沉积型铅;5—海底热水作用铅;6—中深变质作用铅;7—深变质下地壳铅;8—造山带铅;9—古老页岩上地壳铅;10—退变质铅 Fig. 7β-△γ genetic discriminate diagram of galena from the Dongtangzi Pb-Zn deposit (after Zhu Bingquan et a1., 1998) 1- Lead sourced from mantle; 2- Lead sourced from upper crust; 3- Subducting lead sourced from upper crust and mantle (3amagrnatism; 3b- sedimentation); 4- Lead of chemical deposition; 5-Lead of submarine hot-water; 6-Mesometamorphism; 7-Lead of kata- metamorphism; 8- Lead of orogenic belt; 9- Lead of upper crust in ancient shale; 10-Lead of retrograde metamorphism
6.3 矿床成因与成矿作用机制

凤太矿集区铅锌矿床成因认识主要分歧在于成矿时代与成矿作用机制方面, 前人将矿床成因定为热水喷流沉积(Sedex)型(王俊发等, 1991; 祁思敬等, 1993; 方维萱, 1999), 其年代学依据是方铅矿的单阶段模式年龄(400 Ma±), 这个年龄正好与本区泥盆系地层形成时代相一致, 符合了Sedex型矿床的同生沉积的特点。然而随着铅锌年代学测试技术的不断进步, 近几年运用新测试手段获得的凤太矿集区内铅锌成矿时代多集中在226~198 Ma(Zhang et al., 2011; 胡乔青等, 2012, 2015), 胡乔青(2015)采用方铅矿Rb-Sr法获得东塘子铅锌矿床的成矿年龄为(211.6±6) Ma, 说明了成矿时代为三叠纪而非泥盆纪。同时铅同位素单阶段模式年龄并不具有明确的成矿时代意义(费光春, 2011)。因此从年代学意义上讲, 凤太矿集区内的大中型铅锌矿床应该均为三叠纪成矿事件的产物。与230 Ma左右的大规模碰撞造山以及220~200 Ma的后碰撞阶段一致。

东塘子铅锌矿床作为凤太矿集区内最具代表性的矿床之一。从产出位置上看, 东塘子铅锌矿床矿体受中泥盆统古道岭组灰岩与上泥盆统星红铺组千枚岩"硅钙面"控制, 对矿石结构构造、矿石中黄铁矿电子探针分析、H-O同位素等研究(张革利等, 2018), 均显示出了岩浆热液对成矿过程的贡献。加之本文对东塘子矿床矿石S、Pb同位素的研究, 更进一步确定了三叠纪(印支期)岩浆活动在本区铅锌就位成矿中的重要地位。

南秦岭板块从晚二叠世到早三叠世进入闭合碰撞阶段, 晚三叠世结束了主碰撞造山过程, 进入造山后伸展演化阶段(陈浩, 2016)。秦岭主造山期后, 加厚的岩石圈具重力不稳定性, 发生快速转换, 导致岩石圈发生拆沉减薄并伴随地壳的快速隆升, 从而使软流圈地幔基性岩浆上涌和深部物质上升, 在此过程中地壳被加热并部分熔融形成中酸性岩浆。中酸性岩浆在其侵位过程中, 富含挥发组分的流体以及少量Pb、Zn等金属元素在岩浆热动力的驱动下, 沿着切穿基底的断裂上升, 在此过程中活化萃取了基底地层中大量Pb、Zn、S等元素, 并共同形成一种富含成矿物质的热液流体。含矿热液流体在热动力与构造减压机制的驱动下沿区内广泛发育的纵向断裂进行运移, 当成矿流体运移至泥盆系古道岭组灰岩与星红铺组灰岩构成的"硅钙面"时, 由于地层界面的物理化学性质显著差异, 导致地球化学场中环境的骤然变化(张明超等, 2017), 金属矿物沉淀成矿。以上过程便是东塘子铅锌矿床的成矿作用机制。目前, 虽然在矿区内并未控制到大规模岩浆岩体, 但是在探矿坑道内广泛发育的NWW向花岗斑岩脉及NE向闪长玢岩脉, 以及深部探矿工程控制到了斜厚约60 m的花岗斑岩脉, 根据岩体与围岩的接触产状, 目前推测真厚度30~40 m。暗示着东塘子矿床深部可能存在一定规模的隐伏岩体。随着探矿工作的进一步深入, 将会为新的矿床成因认识提供更多证据。

7 结论

(1) 东塘子铅锌矿床硫同位素分析表明, 矿石中的硫主要来源于海水硫酸盐(蒸发膏岩)热化学还原作用, 印支期构造-岩浆活动产生的中酸性岩浆是矿石中硫的另一重要来源。

(2) 矿石铅同位素组成稳定, 经特征参数法判断为铅来自富铀-钍-铅的上地壳; 通过Zartman R E铅构造环境演化图解和△β-△γ成因分类图解分析, 认为矿石铅主要来自上地壳与深部。

(3) 利用前人对矿石特征、成矿流体特征与本文S、Pb同位对成矿物质来源示踪的研究成果, 结合区域构造成矿背景分析, 认为东塘子铅锌矿床成因类型属于受中泥盆统古道岭组灰岩与上泥盆统星红铺组千枚岩"硅钙面"控制的热液型矿床, 是印支期大规模多阶段构造-岩浆-流体活动的产物。

致谢:本文野外工作得到了宝鸡西北有色七一七总队有限公司地勘分院陆林军、王雷、李伟、代金龙、刘涛、李降印、马双宝、王欣等同志的热心帮助, 成文过程中与成都理工大学地球科学学院倪志耀教授进行了有益探讨, 审稿老师提出了有建设性的修改意见和建议。在此对以上同事、老师表示特别的感谢!

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