陜西旬陽泗人溝鉛鋅礦床地質及S、Pb同位素地球化學特征

劉天航，高永寶，魏立勇，張 振，唐衛東，賈 彬

(中國地質調查局 西安礦產資源調查中心，陜西 西安 710000)

0 引 言

近年來，南秦嶺多金屬成礦帶中關于泥盆系和志留系鉛鋅多金屬礦帶或礦集區的相關報道和研究較多[1-7]，相繼發現了南沙溝、泗人溝、關子溝等一系列鉛鋅礦床。截至2010年，泗人溝鉛鋅礦床共探獲鉛和鋅金屬量總和為58.7萬t(其中鉛金屬量6.1萬t，鋅金屬量52.6萬t)，礦床規模為大型。前人對該礦床做過大量的研究，積累了豐富的礦床地質及地球化學方面的資料，而對其成因仍有不同的認識，如變質熱液脈型、沉積-改造型[1-3]、改造型[4]、沉積強改造型[5]、熱水沉積型[6]和噴流-沉積型[7]等。由上可知，前人對該礦床的成因認識分歧較大。本文在搜集了大量前人資料的基礎上，通過系統的野外地質調查、樣品采集以及原位S、Pb同位素地球化學特征研究，并和區域上典型礦床的S、Pb同位素作對比，約束泗人溝鉛鋅礦床的成礦物質來源，探討成礦機制，最終確定其成因，從而為區域成礦規律研究及找礦工作提供依據。

1 區域成礦地質背景

泗人溝鉛鋅礦床位于南秦嶺褶皺系之大羊山復向斜的南翼，地層分區屬南秦嶺—大別山地層區之迭部—旬陽地層分區。該區出露地層主要有下古生界志留系、上古生界泥盆系和石炭系以及第四系，其中梅子埡組和楊嶺溝組為區內金礦主要賦礦層位，公館組和落駕河組為區內汞銻礦主要含礦層，梅子埡組、水洞溝組和石家溝組是區內鉛鋅礦主要含礦地層[7-14]。

區域上，大羊山復向斜、麻坪河—旬陽復背斜與公館—雙河斷裂(F1)、南羊山斷裂(F2)、冷水河—棕溪斷裂(F3)、麻坪河斷裂(F4)、呂河斷裂(F5)等構成了區域主干構造格架[5,11,14]。區內構造行跡復雜，整體呈北西西—近東西向展布，次級斷裂發育，巖石具變形強而變質弱的特點。大羊山復向斜總體形態近橢圓狀，向兩端翹起，呈近EW向展布，長約50 km，寬約25 km，核部為下石炭統地層，兩翼為泥盆系和志留系地層，泗人溝鉛鋅礦位于其南翼。南羊山區域性大斷裂從前寒武紀開始活動，在志留紀—泥盆紀為同生斷裂，印支期受擠壓活動而復活，總體北傾，向南高角度逆沖，晚期為左行走滑，該斷層不僅控制了旬陽盆地的形成與演化，同時也控制了區內多金屬礦產的分布。

區內的鉛鋅礦(點)有20余處，礦床空間分布呈北西西向和近弧形展布(圖1)，受地層和構造控制明顯。南羊山斷裂以北，分布有鎮安錫銅溝—月西鉛、鋅、銅、硫鐵成礦帶和小河—雙河金、汞銻成礦帶。南羊山斷裂以南，分布著以大嶺、趙家莊鉛鋅礦為代表的泥盆系鉛鋅成礦帶和以南沙溝、泗人溝、黃石板等鉛鋅礦為代表的志留系鉛鋅成礦帶[1,5]。泗人溝鉛鋅礦即位于南沙溝—關子溝鉛鋅成礦帶西南部。區內目前尚未發現巖漿活動。

圖1 鎮安—旬陽地區鉛鋅礦地質略圖(據齊文等[5]修改)Fig.1 Geological sketch map of Pb-Zn deposits in the Zhenan-Xunyang area(base map after Qi et al. [5])P-C.二疊系-石炭系；C-D.石炭系-泥盆系；D3.上泥盆統；D2-3.中—上泥盆統；D2.中泥盆統；S3s.上志留統水洞溝組；S1m.下志留統梅子埡組；S.志留系；O.奧陶系；∈-O.寒武系-奧陶系；1.硫鐵礦床；2.汞銻礦床；3.鉛鋅礦床；4.鉛鋅礦點；5.金礦床；6.地質界線；7.斷層及編號

2 礦床地質

2.1 礦區地質

礦區出露的地層有下泥盆統公館組、西岔河組以及上志留統水洞溝組，其中公館組巖性主要為結晶白云巖、黏土質白云巖、粉-砂屑白云巖及藻白云巖，為一套潮坪-潟湖相沉積建造；西岔河組巖性主要為含燧石砂礫巖、含礫砂巖、粉砂質千枚巖、石英砂巖局部夾白云巖，為一套河流相沉積建造；水洞溝組巖性主要為灰綠色-紫紅色粉砂質絹云千枚巖和灰綠色含鐵白云質絹云綠泥千枚巖，局部夾薄-中厚層粉砂巖條帶，為一套干燥炎熱潮坪相沉積建造；其中水洞溝組是主要的賦礦地層(圖2)。礦區位于區域羊山復向斜的南翼，總體表現為向北傾的單斜構造，產狀為(0°～24°)∠(31°～60°)，該單斜構造既控制含礦地層，又控制順層斷裂的產出。礦區構造主要為順層斷裂、順層劈理帶以及小型順層掩臥褶皺。沿順層斷裂帶發育成礦期的劈理化帶、石英脈及成礦后的斷層角礫、斷層泥，鉛鋅礦體就位于該順層斷裂中[3,15]。

2.2 礦體特征

泗人溝鉛鋅礦床已圈定三個礦體，主要賦存在水洞溝組第二巖性段的粉砂質千枚巖中。礦體呈層狀、似層狀產出，與上下盤圍巖整合接觸，并與地層發生同步褶曲，具明顯同生沉積特征，同時受順層構造破碎帶F2控制(圖2)，局部地段礦體進一步富集。其中，Ⅰ、Ⅱ號礦體主要呈層狀、似層狀，近東西向展布，厚度0.4～10.6 m，延伸較為穩定；Ⅲ號礦體呈似層狀、透鏡狀、不規則囊狀，礦體形態復雜，構造熱液改造作用明顯，常具尖滅再現、膨脹收縮現象，在尖滅部位亦可見脈狀礦體(圖3)。

圖3 泗人溝鉛鋅礦體剖面圖Fig.3 Cross-section of the Sirengou Pb-Zn deposit1.蝕變帶范圍；2.粉砂質千枚巖；3.礦體；4.鉆孔編號

2.3 礦石組構

通過野外手標本及顯微鏡下觀察，基本查明了礦石結構、構造及礦物組成。主要金屬礦物為閃鋅礦、方鉛礦和黃鐵礦，以及少量磁黃鐵礦和黃銅礦等(圖4、圖5)。脈石礦物主要為絹云母、石英，其次為長石、方解石、綠泥石等。

圖4 泗人溝鉛鋅礦床礦石構造特征Fig.4 Hand-specimen photos showing structure of the Sirengou Pb-Zn ore(a)早期呈條帶狀閃鋅礦局部被后期脈狀方鉛礦交代，閃鋅礦和方鉛礦中均可見改造作用形成的圍巖角礫及石英角礫，方鉛礦與圍巖接觸部位靠近圍巖一側可見細脈狀或條帶狀閃鋅礦，顯示構造熱液特征；(b)層狀閃鋅礦礦石中可見石英角礫，且發生微弱褶曲；(c)浸染狀礦石，早期閃鋅礦被后期方鉛礦交代；(d)閃鋅礦中發育多條脈狀方鉛礦、脈狀石英及角礫狀石英。Sp.閃鋅礦；Gn.方鉛礦；Py.黃鐵礦；Qz.石英

礦石構造以塊狀、條帶狀構造為主(圖4(a)和(b)，圖5(a)—(e))，次為浸染狀構造(圖4(c)，圖5(f)—(h))、細脈狀構造(圖4(d)，圖5(i))。礦石結構類型主要為它形粒狀、它形-半自形粒狀集合體結構、交代結構、固溶體分離結構(圖5)。

圖5 泗人溝鉛鋅礦床礦物組成及礦石結構Fig.5 Mineral assemblage and ore textures of the Sirengou Pb-Zn ores(a)方鉛礦呈不規則狀交代閃鋅礦；(b)方鉛礦交代閃鋅礦及黃鐵礦；(c)半自形-自形黃鐵礦被閃鋅礦、方鉛礦交代，呈交代殘留結構或骸晶結構；(d)黃銅礦、磁黃鐵礦呈固溶體分離結構分布于閃鋅礦中；(e)自形立方體狀黃鐵礦被包含在閃鋅礦中；(f)方鉛礦呈它形晶粒狀交代黃銅礦；(g)黃銅礦、磁黃鐵礦和閃鋅礦呈不規則粒狀殘留于閃鋅礦中；(h)方鉛礦中黑三角孔發育，可見輕微揉皺結構；(i)方鉛礦呈細脈狀沿裂隙充填。Sp.閃鋅礦；Gn.方鉛礦；Py.黃鐵礦；Ccp.黃銅礦；Po.磁黃鐵礦；Qz.石英

主要金屬礦物鏡下特征(圖5)：閃鋅礦呈不規則粒狀集合體，少見半自形、六邊形，見交代黃鐵礦呈交代溶蝕結構；方鉛礦的反射色呈白色，解理、三角孔發育，局部見輕微揉皺結構，呈它形晶粒狀集合體，見交代黃鐵礦、閃鋅礦、黃銅礦、磁黃鐵礦，多呈浸染狀分布，少量沿微裂隙呈細脈狀；黃鐵礦的反射色呈淡黃色，均質性，無內反射，多呈半自形立方體狀、骸晶狀、它形粒狀、壓碎狀和交代殘留狀結構，浸染狀分布或殘留于在黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦中；磁黃鐵礦的反射色呈乳黃色帶棕色，非均質性強，呈它形粒狀，常與黃銅礦、閃鋅礦共生，殘留于方鉛礦中；黃銅礦的反射色呈銅黃色，呈不規則粒狀殘留于方鉛礦中，見交代閃鋅礦、黃鐵礦，呈固溶體分離結構分布于閃鋅礦中。

2.4 圍巖蝕變

礦區的圍巖蝕變主要沿礦(化)體、順層構造破碎帶分布，蝕變強度與巖石變形強度正相關。蝕變主要有硅化、絹云母化、碳酸鹽化、鐵白云石化、綠泥石化、黃鐵礦化等，其中硅化、絹云母化與礦化關系密切。硅化主要表現為含礦熱液沿剪切斷裂帶以交代作用和充填作用為主的蝕變，前者主要形成大致沿劈理分布的煙灰色硅質條帶，同時伴有大量Pb、Zn 礦物質沉淀、結晶析出，形成條帶狀鉛鋅礦脈，后者以形成乳白色石英脈和石英團塊為特征(圖6)。絹云母化主要分布在礦體、石英脈與圍巖接觸部位和構造破碎帶中石英脈邊緣處，具絲絹光澤，呈鱗片狀集合體產出(圖6(d))。碳酸鹽化主要為方解石、白云石，多呈脈狀分布于巖石中。

圖6 泗人溝鉛鋅礦床圍巖蝕變照片Fig.6 Field photos showing wallrock alteration of the Sirengou Pb-Zn deposit(a)交代作用形成的煙灰色石英條帶；(b)交代作用形成的乳白色石英脈；(c)(d)充填作用形成的團塊狀石英，石英與圍巖接觸部位見絹云母、綠泥石

3 樣品采集及測試方法

五件新鮮礦石樣品均采自580 m標高的孫家莊壹號硐，送到西安瑞石地質科技有限公司磨制探針片及挑選單礦物。樣品的硫、鉛同位素測試工作均在西北大學大陸動力學重點國家實驗室完成。其中，金屬礦物的硫同位素采用LA-MC-ICP-MS分析方法，使用的質譜儀為Nu Plasma 1700 MC-ICP-MS，激光剝蝕系統為Resonitics M50-LR準分子激光剝蝕系統。測試S同位素時使用的激光能量密度為3.6 J/cm2，頻率為3 Hz，剝蝕斑束為25～37 μm，剝蝕方式為單點剝蝕，載氣為高純氦氣(280 mL/min)，補充氣體為Ar，一般為0.86 L/min，分辨率(RP)大于12 000；標樣為IAEA-S-1，使用時將樣品相對于標樣的值換算為δ34SV-CDT，精度優于0.1‰。金屬礦物的鉛同位素采用MC-ICP-MS分析方法，儀器型號為Neptune plus。鉛同位素先用Savillex、HF和HNO3溶解，再用Sr特效樹脂進行分離提純，在MC-ICP-MS上先草測溶液Pb濃度，然后加入Tl的標準溶液，使Pb:Tl =1:1。Pb同位素儀器分餾校正采用203Tl/205Tl =2.388 9進行校正。Pb同位素比值采用203Tl/205Tl =0.418 922進行指數歸一化校正。

4 結果分析和討論

4.1 硫同位素

本次研究獲得了泗人溝鉛鋅礦石硫化物的12個原位硫同位素數據，同時收集前人關于泗人溝的硫同位素數據，詳見表1。由表1可知，泗人溝鉛鋅礦床金屬硫化物(閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、黃銅礦)的原位δ34S值為0.17‰～2.03‰，平均值為1.21‰。其中，3件閃鋅礦δ34S值為1.62‰～2.02‰，平均值為1.81‰；5件方鉛礦δ34S值為0.17‰～1.01‰，平均值為0.56‰；2件黃鐵礦δ34S值為1.20‰～1.45‰，平均值為1.33‰；2件黃銅礦δ34S值為1.67‰～2.03‰，平均值為1.85‰。前人研究[2,4,16]顯示，圍巖千枚巖中1件黃鐵礦δ34S值為17.02‰，礦石中4件閃鋅礦δ34S值為-8.51‰～0.45‰，平均值為-4.99‰；4件方鉛礦δ34S值為3.29‰～14.31‰，平均值為7.34‰；3件黃鐵礦δ34S值為-9.81‰～-1.00‰，平均值為-4.69‰(表1)?？梢钥吹?，泗人溝鉛鋅礦床金屬硫化物δ34S值變化較大，但是δ34S峰值主要介于0.17‰～2.03‰，具有塔式分布特征，說明礦床主要硫來源較為單一。

表1 泗人溝鉛鋅礦床樣品S同位素組成Table 1 Sulfur isotope compositions of the sulfide samples from Sirengou Pb-Zn Ore

前人研究表明，在硫同位素分餾達到平衡的條件下，共生硫化物(包括硫酸鹽)的δ34S值按硫酸鹽-輝鉬礦-黃鐵礦-磁黃鐵礦-閃鋅礦-黃銅礦-方鉛礦的順序遞減[17-18]。泗人溝礦床共生金屬硫化物中硫同位素顯示出δ34S黃銅礦>δ34S閃鋅礦>δ34S黃鐵礦>δ34S方鉛礦的特征，與標準硫同位素平衡順序不一致，表明成礦期礦床中共生的硫化物硫同位素分餾未達到平衡。

前人研究認為，礦床中硫來源一般有4類：(1)地幔和深部地殼硫，其δ34S值一般為0±3‰；(2)海水硫酸鹽，其δ34S值一般為20‰；(3)沉積物中還原硫，其δ34S值變化范圍大且以較大的負值為主；(4)混合硫，其δ34S值一般介于地幔硫和海水硫酸鹽硫之間[19-22]。宋小文等(2003)[2]得到的礦石δ34S大部分為負值，與前人及本次研究所測結果相差較大，可能的原因有：一是地層中硫的混入或沉積物混染會使得δ34S值明顯較低[23-24]；二是大氣降水大比例混入成礦流體，使得含礦流體氧逸度升高，其結晶的硫化物的δ34S為負值[25]。結合礦床地質地球化學特征，認為第二種解釋更合理。Ohmoto認為，若體系的氧逸度較低且不存在硫酸鹽，同時礦石硫化物組成較簡單時，硫化物硫同位素值即代表熱液總硫同位素值[20,26]。泗人溝鉛鋅礦床在野外地質調查及室內顯微鏡下鑒定過程中均未發現硫酸鹽類礦物存在，而是發育閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦和黃銅礦礦物組合，符合Ohmoto所認為的研究體系。因此，泗人溝礦床成礦熱液體系中總硫同位素特征與金屬硫化物的硫同位素特征基本一致。SEDEX型鉛鋅礦床硫化物δ34S值一般變化較大，變化范圍為-8‰～30‰，主要集中于-5‰～15‰[27]。由泗人溝鉛鋅礦床與其他鉛鋅礦床硫同位素組成對比圖(圖7)可知，泗人溝鉛鋅礦床明顯不同于典型的SEDEX型廠壩式重硫富集型和鉛硐山輕硫富集型。區域上千枚巖地層中黃鐵礦硫同位素組成12.90‰～17.02‰，如果以千枚巖中黃鐵礦硫同位素代表沉積地層硫同位素，顯然礦石硫化物硫同位素遠低于沉積地層硫同位素。泗人溝礦石硫化物δ34S值主要介于0.17‰～2.03‰之間，變化較窄，具有一定塔式分布特征，與地幔和深部地殼硫的δ34S值相似。由于礦區范圍內未見巖漿活動，結合區域上南羊山斷裂、冷水河—棕溪斷裂及麻坪河斷裂具有長期活動跡象，推測礦石中硫可能為深部流體經去氣作用后，二氧化硫等氣體沿斷裂上升至淺部的結果[28]。綜合以上分析，認為泗人溝鉛鋅礦床硫為地幔和深部地殼硫來源，同時可能混入少量地層硫。

圖7 泗人溝鉛鋅礦床與其他鉛鋅礦床硫同位素組成對比圖(底圖據劉淑文[29]修改) Fig.7 Sulfur isotope histograms showing the S-isotope comparison between the Sirengou Pb-Zn deposit and other Pb-Zn deposits(base map after Liu[29])

4.2 鉛同位素

本次研究獲得鉛同位素數據及前人數據見表2。泗人溝鉛鋅礦床9件金屬硫化物樣品中的206Pb/204Pb值為17.198～18.213，平均17.845，極差1.015；207Pb/204Pb值為15.564～15.627，平均15.610，極差0.063；208Pb/204Pb值為37.982～38.471，平均38.206，極差0.489?？傮w上，礦床鉛同位素較穩定，變化范圍較小，具有正常鉛基本特征。利用H-H單階段鉛演化模式計算得到泗人溝礦床鉛同位素相關特征參數如表2所示，其中μ值為9.46～9.59，平均9.56；ω值為37.48～41.70，平均38.92；Th/U值為3.83～4.21，均值為3.94。

表2 泗人溝鉛鋅礦床樣品鉛同位素組成Table 2 Lead isotope compositions of sulfides for samples from the Sirengou Pb-Zn deposit

鉛同位素特征值通常用來揭示硫化物礦床成礦物質來源。前人研究認為，Pb的μ>9.85時，一般認為其源于相對富集U、Th的上地殼；而μ<9.85時，一般認為源于上地?；蛳碌貧21]。SEDEX型鉛鋅礦床Pb同位素組成一般高于全球造山帶Pb生長曲線，就單一SEDEX型礦床而言，Pb同位素組成一般較為均一，指示成礦流體中的Pb可能為一個主要來源[21,30]。泗人溝鉛鋅礦床中硫化物的μ值為9.46～9.58，初步認為礦床鉛同位素兼具殼幔源特征。

為了進一步厘定泗人溝鉛鋅礦床鉛的來源，將鉛同位素組成投在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb和208Pb/204Pb-206Pb/204Pb構造模式圖解(圖8)中，可以看到，礦石樣品點基本落在上地殼與地?；旌细_帶演化線之間，并且靠近上地殼演化線，顯示鉛主要源于上地殼。將計算得到的礦石與同時代地幔相對偏差Δβ和Δγ投到礦石鉛同位素Δβ-Δγ成因分類圖解(圖9)中，除了兩個樣品點落在上地殼與地?；旌系母_帶鉛區域內，其余7個樣品點均落在上地殼鉛區域內，顯然泗人溝鉛鋅礦床鉛同位素主要源于上地殼，同時也有少量地幔鉛。

圖8 鉛同位素構造模式圖解(底圖據Zartman et al.[30])Fig.8 Lead isotope tectonic discriminant diagram(base map after Zartman et al.[30])

圖9 鉛同位素Δβ-Δγ圖解(底圖據朱炳泉[31])Fig.9 Δβ-Δγ diagram for Pb isotopes(base map after Zhu [31])1.地幔源鉛；2.上地殼鉛；3.上地殼與地?；旌系母_帶鉛，3a示巖漿作用，3b示沉積作用；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.造山帶鉛；9.古老頁巖上地殼鉛；10.退變質鉛

4.3 礦床成因

綜上所述，泗人溝鉛鋅礦床賦存在中志留統雙河鎮組粉砂質千枚巖中，受順層構造蝕變破碎帶控制明顯，礦體呈似層狀、透鏡狀、不規則狀等；礦石礦物以閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、磁黃鐵礦和黃銅礦為主；礦石結構主要為它形-半自形粒狀集合體結構、交代結構和固溶體分離結構；礦石構造主要為塊狀、條帶狀、浸染狀和細脈狀。塊狀閃鋅礦局部被后期脈狀方鉛礦交代，閃鋅礦和方鉛礦中均可見后期改造作用形成的圍巖角礫、石英角礫以及細脈狀方鉛礦，浸染狀礦石中早期閃鋅礦被后期方鉛礦交代，顯示構造熱液特征。

細碎屑巖是泗人溝鉛鋅礦主要賦礦圍巖，細碎屑巖地層常呈紋層狀、脈狀或網脈狀礦化(圖6(a)、(b)和(d))，具明顯的后期熱液充填痕跡。野外觀察到的閃鋅礦礦石是充填在發生變形后的粉砂質千枚巖裂隙中(圖5(b)和圖6(a))，證明成巖作用之后的確發生了閃鋅礦礦化[32]。此外，礦石具有一定的角礫狀構造(圖5(a)和(d))，角礫可能是由不完全交代作用形成的。以上這些證據均反映了熱液交代和充填成礦。前人資料顯示成礦流體主要為大氣降水和變質水的混合水[32]，本次研究的硫、鉛同位素顯示成礦物質具有上地殼和地?；煸刺卣?。因此認為其成因類型為與巖漿活動無關而與盆地流體密切相關的后生熱液充填交代型礦床，成礦過程模式圖10所示。

圖10 泗人溝鉛鋅礦成礦模式圖Fig.10 Schematic metallogenic model of the Sirengou Pb-Zn deposit

早古生代至晚古生代早期，鎮旬盆地一帶在穩定的被動陸緣環境中沉積了一套細碎屑巖和碳酸鹽巖建造體系，并在局部地段形成熱水沉積鉛鋅礦床和鉛、鋅初始富集礦源層。華力西晚期—印支期—燕山期，區內發生大規模的碰撞造山運動，致使志留紀—泥盆紀的細碎屑巖-碳酸鹽巖建造發生強烈的變形和弱變質，在礦區范圍內形成了層間破碎帶、劈理帶及有利的構造圈閉空間，同時導致上地殼成礦物質進一步活化。持續的擠壓造山運動使得盆地流體發生深部對流循環，在泗人溝等地區混入大氣降水和深部變質改造水，由于地溫梯度的影響，混合流體在熱力驅動下沿著同生斷裂上升。這種熱流體在運移過程中，淋濾了深部地殼的Pb、Zn等成礦物質，形成了富含Pb、Zn的中低溫還原性成礦流體，沿層間破碎帶及劈理帶匯聚排泄，最終在粉砂質千枚巖形成的地球化學障中卸載而形成礦體[33-35]。

5 結 論

(1)泗人溝鉛鋅礦床礦石硫化物δ34S值主要介于0.17‰～2.03‰之間，組成比較穩定，具有塔式分布特征，反映硫的來源為地幔和深部地殼，同時可能混入少量地層硫。

(2)礦石鉛同位素比較穩定，主要源于上地殼，同時也有少量地幔鉛參與。

(3)綜合礦床地質特征及S、Pb同位素地球化學特征，認為泗人溝鉛鋅礦床成因類型為后生熱液充填交代型礦床。