黃陵背斜北緣竹園溝—下坪鋅礦床Rb-Sr同位素測年及其地質意義

周 舟,楊 朋,向 萌,雷 靂,艾德建,閆 磊,熊 淵

(湖北省地質局 第七地質大隊,湖北 宜昌 443100)

鄂西地區鉛鋅礦床(點)具有成群集中分布的特點,主要產出于青峰強變形帶、神農架斷穹、黃陵斷穹周緣、長陽復背斜、咸豐—宣恩及走馬坪地區[1]。這些鉛鋅礦床(點)以層控型為主,主要賦礦層位有震旦系陡山沱組、震旦系—寒武系燈影組、寒武系—奧陶系婁山關組和奧陶系南津關組,迄今已發現和評價的鉛鋅礦床(點)有150多處。竹園溝—下坪鋅礦床為近年來黃陵背斜北緣新發現的代表性礦床,已達中型礦床規模[2]。目前對于該礦床的賦礦空間特征及成礦物質來源已取得初步認識[3],但對于其成礦時代還未開展研究,影響了該礦床的成因認識和區域鉛鋅礦成礦規律的歸納總結。近年來,研究人員直接利用閃鋅礦、方鉛礦、黃銅礦等礦石礦物開展Rb-Sr同位素測年,較準確地限定了鉛鋅礦床的成礦時間[4-7],為本次開展竹園溝—下坪鋅礦床成礦時間研究提供了啟示。本文在詳細研究竹園溝—下坪鋅礦床地質特征的基礎上,選取主成礦階段的閃鋅礦開展Rb-Sr同位素測年,從而確定該礦床的成礦時間,為礦床成因和成礦規律研究提供年代學制約。

1 地質背景

竹園溝—下坪鋅礦床位于上揚子陸塊鄂中褶斷帶之黃陵斷穹北緣(圖1)。黃陵斷穹具典型的雙層結構,核部為結晶基底,翼部為南華系—三疊系沉積蓋層,發育一套海相碳酸鹽巖、細碎屑巖沉積建造。區域礦產以磷礦為主,鉛鋅礦、金礦、重晶石礦、石墨礦等次之[9]。鉛鋅礦主要分布于沉積蓋層中,其中燈影組角礫狀白云巖和陡山沱組角礫狀白云巖為最重要的含礦層位[10]。

圖1 鄂西地區鉛鋅礦床(點)分布圖(據王茂林等[8]修改)

竹園溝—下坪礦區地表主要出露寒武系石龍洞組—婁山關組地層,其他地層均隱伏于地下(圖2)。燈影組巖性具明顯的三分特點,各段的巖性及含礦性差異較大,其中白馬沱段為主要賦礦層位,為一套灰白色—白色中—厚層狀粉晶白云巖(夾薄層狀泥質白云巖)、亮晶白云巖、亮晶含砂屑團塊白云巖組合,鋅礦(化)體即賦存于該段中下部的暗色角礫狀白云巖內(圖3)。

圖2 竹園溝—下坪礦區地質簡圖

鋅礦體呈似層狀、透鏡狀產出,產狀與地層一致,傾向NE,傾角約7°。礦體賦存標高為+370.95～+556.58 m,埋深為661.43～818.11 m,走向長約1 300 m,厚0.73～8.59 m(平均3.04 m),Zn品位為1.17%～6.54%(平均3.16%)。礦石具粉晶結構、它形粒狀結構,塊狀構造、角礫狀構造(圖4-a～b),可見少量瀝青質充填于巖石裂隙中(圖4-a)。礦石礦物主要為閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦,脈石礦物以白云石為主(圖4-c～d),方解石、石英含量較少?；液稚?、黃褐色閃鋅礦多呈不規則團塊狀、網脈狀及條帶狀充填于白云巖裂隙及溶蝕孔洞中(圖4-e～g),局部呈稀疏浸染狀分布于白云石粒間。

Dol.白云石;Cal.方解石;Sph.閃鋅礦;Py.黃鐵礦

2 采樣和分析方法

在鉆孔(ZK4801、ZK4803、ZK4804)巖心中采集塊狀礦石樣品3件,粉碎且過200目篩后以粉樣送檢,在國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心(湖北省地質實驗測試中心)完成全巖主微量元素分析。全巖主量元素分析采用X射線熒光光譜法(XRF),儀器型號為Rigaku ZSX Primus Ⅱ型,分析譜線均為Kα線,數據校正采用理論α系數法,分析精度優于2%。全巖微量元素分析采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS),儀器型號為Agilent 7700e型,分析精度優于5%。

在鉆孔(ZK4801、ZK4803、ZK4804)巖心中系統采集塊狀礦石樣品6件,粉碎后在雙目鏡下挑選40～60目的閃鋅礦單礦物,每件樣品重約5 g、純度>99%。在自然資源部中南礦產資源檢測中心(中國地質調查局武漢地質調查中心同位素實驗室)完成Rb-Sr同位素分析,分析儀器為ThermoFisher Triton熱電離質譜儀,依據為《巖石、礦物銣鍶同位素地質年齡及鍶同位素比值測定》(DZ/T 0184.4—1997)[11]。樣品分析流程如下:將閃鋅礦單礦物樣品置于高溫下爆裂2 h后,除去次生包裹體;用稀鹽酸浸泡12 h,然后放入超純水中用超聲波機清洗3～5遍,烘干備用;稱取適量樣品放入聚四氟乙烯溶樣器中,加入85Rb+84Sr混合稀釋劑,用適量王水溶解,采用陽離子樹脂交換法分離和純化Rb、Sr;用熱電離質譜儀進行Rb-Sr同位素組成分析,用同位素稀釋法計算樣品的Rb、Sr同位素含量及Sr同位素比值。在分析過程中采用標準物質NBS-987、NBS-607和GBW04411分別對儀器和流程進行監控。NBS-987的87Sr/86Sr比值為0.710 32±0.000 04(2σ),NBS-607的Rb、Sr含量與87Sr/86Sr比值分別為523.20×10-6、65.70×10-6和1.200 50±0.000 04(2σ),GBW04411的Rb、Sr含量與87Sr/86Sr比值分別為249.90×10-6、158.80×10-6和0.759 99±0.000 04(2σ),均與其證書推薦值在誤差范圍內一致,表明測試數據可信。樣品制備和分析全過程均在超凈化實驗室內完成,全流程Rb、Sr空白分別為4×10-10和8×10-10。

3 測試結果

3.1 全巖主微量元素特征

根據礦石全巖主量和微量元素分析結果(表1)可知,礦石的化學成分主要為CO2、CaO、MgO,次為Zn、Fe2O3、SiO2,其他成分含量很低。礦石中Zn含量為1.495%～7.390%;Al2O3含量<0.50%,指示黏土礦物含量較低;有益組分Ba、Cu、Pb、Fe、Ag等元素含量極低;S、As、SiO2等雜質的含量遠小于鋅精礦質量標準要求。另外,礦石中Fe2O3含量為0.22%～4.47%,FeO含量為0.13%～0.20%,TiO2、MnO、Na2O和K2O含量均<0.10%,暗示成礦與巖漿活動無關[12]。

表1 礦石主量和微量元素分析結果

3件礦石樣品的微量元素組成表現出一致性,Zn含量較高,顯著虧損Co、Cr、Ni、V、Sb,弱虧損Cu、Rb,顯著富集Pb、Sr、As、Hg等(圖5)。將Zn與Fe、Pb、Ag進行相關分析,發現Ag與Pb關系密切、Fe與Zn關系不密切,說明Fe主要以獨立礦物存在,Ag主要賦存于方鉛礦中。礦石中Co/Ni比值為0.52～2.37,變化較大;As含量為3.24×10-6～7.96×10-6,高于沉積巖的平均豐度(1.2×10-6),可能與成礦熱液活動的參與有關[1]。

圖5 礦石微量元素蛛網圖

各礦石具有基本一致的稀土元素分布型式(圖6),表現為輕稀土元素富集的右傾型(LREE/HREE為4.63～8.09、LaN/YbN為7.22～16.25),且稀土元素總量低(∑REE為5.87×10-6～17.73×10-6)、Ce負異常顯著(δCe=0.46～0.49)、Eu異常不明顯(δEu=0.78～1.05)。上述特征與中國典型的MVT型鉛鋅礦床的礦石稀土元素分布型式十分相似[13]。

圖6 礦石稀土元素標準化分布型式圖

3.2 Rb、Sr同位素特征

閃鋅礦樣品的Rb、Sr同位素組成見表2,可知其Rb含量為0.167 8×10-6～1.469×10-6,平均為0.551 7×10-6;Sr含量為0.234 9×10-6～1.148×10-6,平均為0.502 2×10-6;87Rb/86Sr比值介于0.421 8～10.43,87Sr/86Sr比值介于0.715 97～0.785 08。分析結果顯示閃鋅礦具有較為一致的87Sr/86Sr比值和差異較大的87Rb/86Sr比值,有利于實現等時線測年[14]。

表2 礦石中閃鋅礦Rb-Sr同位素分析結果

本次采用Isoplot軟件處理閃鋅礦Rb-Sr同位素數據,獲得樣品的等時線年齡t為(489±12) Ma,Sr同位素初始值(87Sr/86Sr)i為0.711 99±0.000 85,相關系數R2為0.998 8。在87Sr/86Sr-87Rb/86Sr圖解(圖7)中,6件閃鋅礦樣品顯示出良好的線性關系,但還需對該線性關系的合理性進行研判。根據野外特征來看,6件樣品均采自同一礦體,閃鋅礦結晶好、純度高,未見后期礦物穿插和交代現象,符合測年對待測礦物的基本要求。在實驗過程中,通過粉碎—烘箱爆裂—超聲波清洗流程,基本排除了閃鋅礦中次生流體包裹體對測量結果的干擾。從測量數據來看,閃鋅礦樣品中1/Sr與87Sr/86Sr、1/Rb與87Rb/86Sr不存在線性關系(圖8),且所有樣點均落于等時線上(圖7),說明閃鋅礦形成過程中Sr同位素是均一的,閃鋅礦生長期間(87Sr/86Sr)i值穩定不變,未與外界環境之間發生Rb、Sr交換,封閉情況較好[15]。因此擬合的等時線具有地質意義且精度較高,代表的是真實等時線,表明竹園溝—下坪鋅礦床的成礦時代為早奧陶世。

4 討論

4.1 成礦物質來源

87Sr/86Sr比值是判斷成礦物質來源的重要指標。竹園溝—下坪鋅礦床的礦石(87Sr/86Sr)i為0.711 99±0.000 85,明顯高于地幔(0.704±0.002)、陡山沱組地層(0.708 11)、燈影組地層(0.708 34)[16]和黃陵背斜基底花崗巖(0.704 91～0.709 07)[7],低于黃陵背斜核北部變質巖(0.734 6±0.000 2)[7],接近于大陸地殼(0.719 0)[4],說明成礦物質來源于富放射性成因Sr的地質體或成礦流體曾流經富放射性成因Sr的地質體。通過對竹園溝—下坪鋅礦床的S、Pb同位素分析[3],認為S主要來源于地層中的海相硫酸鹽,Pb主要來源于上地殼。以上說明該礦床的成礦物質或成礦流體可能由相對高(87Sr/86Sr)i的基底巖石和相對低(87Sr/86Sr)i的震旦系碳酸鹽巖地層共同提供。

4.2 對區域鉛鋅成礦的指示

本次研究獲得了竹園溝—下坪鋅礦床(489±12)Ma的成礦年齡,揭示了黃陵背斜北緣沉積蓋層中發生的加里東中期熱液成礦事件。除了該礦床外,黃陵背斜北緣沉積蓋層中還發育有多個中低溫熱液礦床(點),包括鉛鋅、重晶石、螢石、金等礦種。曹亮等[7,17]采用閃鋅礦Rb-Sr法測得凹子崗鋅礦床、冰洞山鉛鋅礦床的成礦年齡分別為(434±13) Ma、(508±14) Ma,周舟等[18]采用方解石Sm-Nd法測得六沖坪金礦點的成礦年齡為(397±11) Ma,周舟等[19]還指出該區眾多重晶石礦床(點)與加里東晚期伸展背景下的中低溫熱液作用有關,因此這些中低溫熱液礦床(點)可能為加里東中—晚期伸展作用引起的大規模流體活動的產物[20-21]。對于揚子地臺北緣具有代表性的馬元鉛鋅礦床,王曉虎等[22]獲得了(486±12) Ma的閃鋅礦Rb-Sr年齡,認為其形成于加里東期強烈的構造熱液活動中。由此來看,黃陵背斜北緣乃至揚子陸塊北緣均存在加里東中—晚期的熱液成礦活動,形成了一系列賦存于沉積蓋層的中低溫熱液礦床(點)。

早古生代時期,揚子陸塊北緣處于伸展拉張背景,并于早志留世達到最大伸展幅度[6],伸展拉張的構造背景為中低溫熱液成礦提供了構造驅動力和熱動力。成礦過程可能如下:大氣降水經斷裂、裂隙下滲,與地下圍巖中封閉的鹵水混合,構成初始流體;在加里東期構造應力、熱動力驅動下,初始流體發生大規模地流動,從下伏基底巖系中攜帶出Pb、Zn等成礦物質,并沿斷裂帶及層間滑脫構造向燈影組運移,進一步萃取流經地層中的Pb、Zn、S等成礦物質,形成富含成礦元素的成礦流體;由于燈影組上覆的牛蹄塘組黑色頁巖的屏蔽,成礦熱液不斷聚集到燈影組巖石裂隙、溶蝕孔洞等賦存空間中,在有機質參與和物化條件改變情況下,發生礦質沉淀形成鉛鋅硫化物等礦化。

值得一提的是,黃陵背斜南緣的長陽復背斜地區亦存在一套鉛鋅、銻、金、汞等中低溫熱液成礦系統,其成礦年齡為189～145 Ma,成礦與燕山早期的構造熱液活動有關[23-24]。因此,黃陵背斜北緣和南緣分別存在加里東期和燕山期兩期中低溫熱液成礦事件。

5 結論

(1) 竹園溝—下坪鋅礦床6件閃鋅礦樣品的Rb-Sr等時線年齡為(489±12) Ma,指示該礦床的成礦時代為早奧陶世。礦石中閃鋅礦具有較高的(87Sr/86Sr)i(0.711 99±0.000 85),反映成礦物質或成礦流體可能由相對高(87Sr/86Sr)i的基底巖石和相對低(87Sr/86Sr)i的震旦系碳酸鹽巖地層共同提供。

(2) 竹園溝—下坪鋅礦床形成于加里東中期,成礦作用與伸展背景下的構造熱液活動有關。結合區域上發育的一系列鉛鋅礦、金礦、重晶石礦來看,揚子北緣加里東期的陸內造山作用在鄂西黃陵背斜北緣形成了一套中低溫熱液成礦系列。