福建梅仙丁家山鉛鋅礦成礦系統分析

石得鳳，張術根，韓世禮，艾國梁

(1. 中南大學 有色金屬成礦預測教育部重點實驗室，長沙 410083；2. 中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083)

丁家山鉛鋅礦區是東南地洼區浙閩地穹系紹廣地洼列南平地洼內規模較大的鉛鋅礦床之一[1]，自20世紀 90年代初被中國有色金屬工業總公司華東地質勘查局發現以來，其礦床成因問題一直是研究者爭論的焦點[2?5]。本文作者通過成礦時間、成礦物質來源、成礦流體運移通道、儲礦場、成礦作用類型、成礦作用產物及成礦過程演化等方面的研究對丁家山鉛鋅礦區成礦系統進行深入剖析，并對其歸類。

1 區域地質背景

自晚元古代至奧陶紀末，研究區域處于地槽期。晚元古代，南平地洼所在的閩中地區政和—龍巖一線環境動蕩，海水時進時退，使得該時期形成的馬面山群地槽型碎屑巖－碳酸鹽巖沉積建造組合內厚層鈣泥質巖內鈣、泥質含量比例交替變化，早期局部還伴有海相火山和火山沉積建造。奧陶紀至晚志留世，加里東運動使地槽封閉，研究區進入褶皺帶期，形成大量北東向緊閉褶皺，并伴有區域變質，形成低綠片巖?綠片巖相變質巖。

晚志留世起，閩中地區經準平原化而進入地臺階段，成為華南地臺的一部分，地殼運動趨于和緩，巖漿活動微弱。盡管如此，地槽階段已經發育的政和—大埔斷裂在海西運動期間仍具有短暫的插曲性活動，顯示斷拉谷環境特征[6?7]。

晚三疊世起，研究區域進入地洼演化階段，成為東南地洼區的一部分。印支運動期間，在地殼水平運動作用下形成北東向寬展型短線狀褶皺和塊狀斷裂。梅仙復背斜就是地槽期形成的褶皺疊加此次褶皺作用后形成的。燕山運動期間，隨著西太平洋殼體與東亞大陸殼體間相互作用的增強，區域構造活動繼續加強，不但形成部分新的北東、北西向斷層，還使得區內早已存在的斷層發生活化，并伴隨強烈的巖漿侵入和噴出活動。繼大范圍陸相火山噴發在地勢低洼處形成上侏羅統長林組地層，并與下伏強烈褶皺的老地層呈角度不整合接觸后，出現大規模中酸性巖漿侵入活動。研究區所處紹廣地洼列中的地臺型沉積被該階段形成或活化的幾條大斷裂及沿斷裂侵入的花崗巖所分割，局部地區表現為帶狀和短帶狀分布[8]。

2 礦區地質概況

梅仙地區以構造窗形式出露馬面山群龍北溪組(Pt2-3l)和大嶺組(Pt2-3dl)地層，與上覆上侏羅統長林組(J3C)和零星分布的下侏羅統梨山組(J1l)呈斷層或角度不整合接觸(見圖1)。根據最新研究成果，馬面山群地層形成于新元古界，自下而上分為龍北溪組(Pt2-3l)、東巖組(Pt2-3dy)和大嶺組(Pt2-3dl)[9]。馬面山群在梅仙地區表現為由軸向北東的背斜及向斜組成的寬緩復背斜構造。丁家山、經通大隊和關兜等鉛鋅礦床串珠狀產于梅仙復背斜北西翼上巖兜—關兜次級背斜軸部。丁家山鉛鋅礦區馬面山群主要巖性自下而上為龍北溪組巨厚層白云質大理巖夾云母石英片巖、石榴子石?透輝石?綠簾石系列變質巖夾大理巖團塊、石英云母片巖，大嶺組絹云母片巖、石英云母片巖、變質石英砂巖、石英巖、千枚狀粉砂巖及千枚巖。下侏羅統梨山組由千枚狀粉砂巖、頁巖和砂巖組成，上侏羅統長林組由泥質粉砂巖、砂礫巖、凝灰質細砂巖、安山巖及安山玄武巖組成。

研究區燕山期花崗質巖漿侵入活動強烈，花崗巖主要沿北東向呈串珠狀巖株體分布在巖兜—關兜一線以西地區，而其以東地區則僅見北東向花崗斑巖及石英斑巖的巖墻和巖脈。區內斷裂構造發育，主要有NE、NW、SN和EW向4組。部分NE向和NW向斷裂控制燕山期花崗巖及中酸性脈巖的侵入就位，也控制部分鉛鋅硫化物礦體的就位。而SN和EW向斷裂往往造成礦體或地層的局部錯位。

3 成礦系統

一個完善的成礦系統能夠體現與礦床形成有關的物質、運動、能量、空間和時間的統一性和整體性[11?15]。本文作者從成礦時間、成礦物質來源、成礦流體通道、儲礦場、成礦作用條件及產物等方面對丁家山鉛鋅礦成礦系統進行深入討論。

3.1 成礦時間

丁家山礦區的鉛鋅硫化物礦體產出在新元古界馬面山群龍北溪組上段、上侏羅統長林組及二者之間的角度不整合接觸界面3類部位。不同部位產出的鉛鋅礦體，無論礦石物質組成或礦物組合的演化順序都沒有明顯的差別，顯示這些礦體是相同成礦系統的礦化產物，且該系統的成礦作用應發生在晚侏羅世以后。為了確定具體成礦時間，對同成礦期石英的流體包裹體進行了Rb、Sr同位素組成分析(見表1)。結果顯示：7件樣品的Rb、Sr同位素線性排列特征明顯，說明其具有重要的等時線意義。選用礦石構造類型一致且等時線質量相對更高的Q7、Q10、Q11、Q12和Q13樣品進行最小二乘法擬合出直線方程 y=0.002 1 x+0.718，相關系數r=0.994，等時線質量很高(見圖2)。根據上述方程求得成礦年齡為t=(146.15±3.95) Ma。該年齡與礦區鉛鋅硫化物礦化就位情況吻合，也與研究區燕山期花崗質巖漿侵入時代吻合，有力地證明了丁家山礦區的鉛鋅硫化物礦化是燕山期花崗質巖漿活動成礦事件的產物。

圖1 丁家山鉛鋅礦區及其外圍地質圖[4,10]：1—第四系；2—上侏羅統長林組；3—新元古界馬面山巖群大嶺組；4—新元古界馬面山巖群龍北溪組上段；5—新元古界馬面山巖群龍北溪組中段；6—花崗巖；7—石英斑巖；8—背斜；9—向斜；10—正斷層；11—逆斷層；12—壓扭性斷層；13—性質不明斷層；14—地質界線；15—角度不整合界線；16—鉛鋅礦點；17—丁家山鉛鋅礦區范圍Fig. 1 Geological sketch map from Dingjiashan Pb-Zn ore district and its outside[4,10]: 1—Quaternary; 2—Jurassic Changlin group;3—Neoproterozoic Mamianshan Formation Daling group; 4—Neoproterozoic Mamianshan Formation Longbeixi group upper; 5—Neoproterozoic Mamianshan Formation Longbeixi group middle; 6—Granite 7—Quartz-porphyry; 8—Anticline; 9—Syncline; 10—Normal fault; 11—Revers fault; 12—Transpressional fault; 13—Unknown fault; 14—Geological boundary; 15—Angular unconformity; 16—Pb-Zn ore deposit; 17—Area of Dingjiashan Pb-Zn ore deposit

表1 丁家山鉛鋅礦Rb、Sr同位素組成測試結果Table 1 Rb and Sr isotope examination of Dingjiashan Pb-Zn ore district

圖2 含礦石英Rb-Sr等時線圖Fig. 2 Rb-Sr isochron of ore-bearing quartz

3.2 成礦物質來源

3.2.1 Pb、Zn和S的來源

以往研究顯示：研究區礦體及圍巖的鉛同位素組成變化范圍較大[17]，其中，礦石鉛同位素組成具有明顯的線性分布特征(見圖3)，反映鉛為混合來源。研究區53件金屬硫化物樣品δ(34S)組成塔式分布特征明顯(見圖 4)，δ(34S)值范圍在?1.7×10?3～5.6×10?3之間。淺色閃鋅礦和方鉛礦成礦系統源區 δ(34S)組成為3.97×10?3，與硫化物塔式分布峰值(3×10?3)接近，基本能代表整個成礦系統硫的源區初始值，從而證明研究區成礦體系整體具有深源硫特征，屬巖漿來源。同成礦期石英流體包裹體87Sr/86Sr初始比值為0.718，從而證明礦區成礦與燕山期重熔型花崗質巖漿活動有關[18]。此外，研究區1∶10 000化探次生暈掃面結果顯示地層內鉛和鋅的豐度值分別為克拉克值的100和50倍以上，為區域背景值的47和35倍以上[19]。以上證據表明：礦區的鉛鋅硫化物成礦物質不僅來自燕山期重熔型花崗巖，也有部分可能來自馬面山群龍北溪組地層。

圖3 礦石 207Pb/204Pb—206Pb/204Pb的增長曲線：A—地幔；B—造山帶；C—上地殼；D—下地殼Fig. 3 206Pb/204Pb—207Pb/204Pb growth curves: A—Mantle;B—Orogenic belt; C—Upper crust; D—Lower crust

圖4 丁家山鉛鋅礦δ(34S)同位素直方圖Fig. 4 δ(34S) isotope histogram of Dingjiashan Pb-Zn ore district

為了更加清楚地研究礦區巖體、地層和礦體之間的內在聯系，對3類相對獨立體系的稀土元素地球化學特征進行了系統研究，并繪制了相關稀土元素及比值投影圖(見圖5)。從圖5可以看出：巖體、地層和礦體內所有樣品均呈明顯線性排列。對Sm/Nd—La/Sm和La—Nd曲線進行相關性計算，分別得出 rSm/Nd—La/Sm=?0.830 5和rLa—Nd=0.960 4，反映礦區礦體、巖體和地層3類地質體在稀土元素特征方面有很強的相關性，說明礦區鉛鋅硫化物成礦受巖體和地層共同影響。

3.2.2 成礦流體來源

研究區礦體整體呈北東向切穿地層分布，在現場勘查中也常見鉛鋅礦體穿切圍巖的現象，由此可以推斷有流體參與成礦過程。為了確定成礦流體來源，分別對90、70和50 m 3個中段同成礦期石英的O同位素及其包裹體液相成分的H同位素進行測試(見表2)。δ(18O)均為較小的正值，δ(D)平均值為?45.7×10?3。利用 1 000 ln α=3.38×106t?2?2.90 分餾公式，計算石英流體包裹體的氧同位素[20]，式中：溫度取自包裹體均一測溫結果平均值(240 ℃)，計算結果列于表2。在δ(D)與δ(18O(H2O))投影圖(見圖6)中，3個樣品均投影在大氣降水線和巖漿水區域間，并更臨近前者。

圖5 丁家山鉛鋅礦區巖體、地層和礦體體系稀土元素及相關比值投影圖: (a) Sm/Nd—La/Sm; (b) w(La)—w(Nd)Fig. 5 REE and related ratio graph of granite, Mamianshan Formation Longbeixi group and ore body in Dingjiashan Pb-Zn ore district: (a) Sm/Nd—La/Sm; (b) w(La)—w(Nd)

3.2.3 成礦能量來源

為了確定研究區成礦能量來源及成礦流體流動方向，進而確定變質作用類型，筆者對礦區141件巖石樣品和141件礦石樣品進行了典型礦物含量統計，并進行了精細化礦物場填圖[21]。形成于不同溫度條件下的磁鐵礦與閃鋅礦在90 m中段的富集中心整體沿北東向呈帶狀分布，并具有明顯的切層分布特征(見圖7)，其分布方向與礦區主斷裂方向一致。自礦區北東向南西方向，形成溫度較高的磁鐵礦的含量逐漸降低，而形成溫度較低的閃鋅礦則逐漸增高。可見礦區溫度梯度場自北東向南西逐漸降低。這有力地證明了成礦熱源自礦區中部北東及北西向斷層交匯處侵入后，沿規模較大的北東向斷層向南西方向運移。

圖6 石英流體包裹體δ(D)—δ(18O(H2O))關系圖Fig. 6 δ(D)—δ(18O(H2O)) graph of fluid inclusions in quartz

礦物場填圖結果顯示：作為礦區主要賦礦圍巖的新元古界馬面山群龍北溪組上段石榴子石透輝石綠簾石變質巖內3類主要造巖礦物的分布特征也具有上述北東向切層分布特征。這與所謂區域變質作用下形成的順層分布特征有明顯的區別[2?4]。綜合性變質原巖恢復證明這類變質巖為經加里東期區域變質的鈣質泥巖、鈣質泥質粉砂巖、鈣質粉砂質泥巖及泥灰巖等富鈣質巖類與燕山期花崗質巖漿發生接觸交代變質作用而形成的矽卡巖[22]。在礦區西北部上侏羅統長林組地層中，花崗巖巖株也是沿北東向呈串珠狀排列，與礦區主斷層及矽卡巖造巖礦物、金屬礦物分布方向完全一致。由此，可以證實礦區成礦的能量為自礦區北東、北西向斷層交匯處(大概位于Ⅲ?1與Ⅲ?2號礦體之間)侵入，并沿規模較大的北東向斷層向南西運移的燕山期花崗巖。

表2 丁家山鉛鋅礦區同成礦期石英氣液相包裹體H和O同位素組成Table 2 H and O isotope examination of fluid inclusion in quartz of Dingjiashan Pb-Zn ore district

圖7 丁家山鉛鋅礦區90 m中段磁鐵礦及閃鋅礦分布等值線圖Fig. 7 Contour map of magnetite and sphalerite at 90 m platform from Dingjiashan Pb-Zn ore district

3.3 成礦流體通道

礦區內礦體產出在馬面山群龍北溪組上段、上侏羅統長林組及其間的角度不整合接觸界面上。北東向斷層是貫通以上部位的主要構造。精細化礦物場填圖所揭示的馬面山群龍北溪組上段含礦地層中典型造巖礦物、礦石礦物的北東向切層分布特征和上侏羅統長林組地層中沿北東向分布的串珠狀花崗巖巖株體均表明，礦區成礦流體侵入后沿北東向斷層運移。這說明北東向斷層是礦區成礦流體運移的主要通道。必須指出的是，上侏羅統長林組和馬面山群地層之間的角度不整合界面既是結構軟弱面，又是物理化學條件異常界面，因而也是不可忽略的流體運移通道。此外，馬面山群龍北溪組地層中的巖性界面及層間滑動帶也在流體運移方面起到了一定的作用。

3.4 儲礦場

如前所述，礦區范圍內共有3類儲礦場所，分別是新元古界馬面山群龍北溪組上段、被北東向斷層切穿的上侏羅統長林組地層及兩套地層間的角度不整合接觸界面。馬面山群龍北溪組上段的石榴子石透輝石綠簾石矽卡巖其原巖為經加里東期區域變質的鈣質泥巖、鈣質泥質粉砂巖、鈣質粉砂質泥巖和泥灰巖等富鈣質巖類，具有很強的化學活動性。燕山期花崗質巖漿沿北東向斷層侵入后與其發生接觸交代變質作用，產生大量變質期后含礦熱液。由于龍北溪組上段地層頂、底部厚層石英云母片巖、絹云母片巖對含礦熱液的良好圈閉作用，大部分含礦熱液被圈閉在石榴子石透輝石綠簾石矽卡巖內，成為礦區主要礦體。不僅如此，這套片巖也是接觸交代變質期間滲透及擴散交代作用的良好圈閉體，使得在接觸交代作用下形成的矽卡巖及鉛鋅硫化物礦體脫離狹義概念上的接觸帶，順化學活動較強的富鈣質巖向接觸帶外圍遠距離延伸。此外，少部分含礦熱液則沿北東向斷層運移到上侏羅統長林組地層和兩套地層間的角度不整合界面上，形成規模相對較小的礦體。另有極少部分含礦熱液沿龍北溪組上段地層內的巖性層面和云母石英片巖的層間滑動帶運移，形成小規模礦化。

3.5 成礦作用及產物

3.5.1 成礦條件

1) 成礦壓力

由閃鋅礦(六方磁黃鐵礦+黃鐵礦)地質壓力計公式[23]求得丁家山鉛鋅礦區磁黃鐵礦的成礦壓力集中在0.197～0.409 GPa之間(見表3[24])。該壓力與區內燕山期花崗巖成巖壓力基本一致[22]。

表3 丁家山鉛鋅礦閃鋅礦單礦物化學成分及相關參數Table 3 Chemical composition and relevant parameters of sphalerite of Dingjiashan Pb-Zn ore district

2) 成礦溫度

礦相學研究證實礦區淺色閃鋅礦和方鉛礦之間已達到平衡狀態，本文作者將二者組成礦物對，并采用地質溫度計方程 1 000 ln αSp-Gn=7.0×105t?2進行成礦溫度計算[25]，計算結果見表4。礦區11件同成礦期石英樣品內112個氣液相包裹體均一法測溫結果顯示礦區成礦溫度主要集中在180～240 ℃和260～310 ℃兩個范圍(見圖8)，并以前一組為主，平均溫度為240 ℃，少量達350 ℃以上。結合以上分析可知，礦區成礦溫度范圍在200～350 ℃之間。

3.5.2 成礦作用類型

研究區馬面山群龍北溪組上段賦礦圍巖其原巖為經過加里東期區域變質的富鈣質巖類，北東向斷層為燕山期花崗質巖漿的侵入提供了通道。此外，根據通常環境地壓深度換算的礦區燕山期花崗巖侵入深度在6.6～9.9 km范圍內，屬中深成相花崗巖。以上方面滿足了形成接觸交代變質作用的物化、巖漿、圍巖及構造條件。研究確定礦區成礦物質由馬面山群龍北溪組地層和燕山期花崗巖共同提供，成礦時代為燕山期巖漿活動極為活躍的時期，礦區礦體成礦壓力與燕山期花崗巖侵入的壓力基本一致。此外，礦體內磁黃鐵礦成因礦物學研究證明礦區成礦經歷了溫度由高到低的退變質作用[26]。以上各項證據均有力地證明丁家山鉛鋅礦是發生在馬面山群龍北溪組上段經區域變質的富鈣質巖和燕山期花崗質巖漿之間的接觸交代變質礦床。

表4 丁家山鉛鋅礦成礦溫度計算結果Table 4 Calculation results of ore-forming temperature of Dingjiashan Pb-Zn ore district

圖8 石英包裹體均一溫度直方圖Fig. 8 Homogenization temperature histogram of quartz inclusions

必須指出的是，雖然同成礦期石英流體包裹體δ(D)—δ(18O(H2O))關系圖(見圖 6)顯示礦區成礦流體主要為大氣降水，但結合礦區成巖、成礦過程考慮，在龍北溪組上段富鈣質巖經歷加里東運動、印支運動和燕山期運動的強烈影響后產生了大量的層間滑動帶和其他構造裂隙。這些構造是大氣降水混入地層的重要通道。在燕山期花崗質巖漿與龍北溪組上段富鈣質巖發生接觸交代作用時，賦存于龍北溪組上段各類構造裂隙中的大氣降水在高溫高壓作用下被壓出，并與巖漿水混合，起到稀釋巖漿水的作用，與巖漿水共同參與成礦。3個樣品點均位于大氣降水線與巖漿水區域中間，就是很好的證明。因此，不能否認巖漿水在成礦方面的重要作用。3.5.3 成礦作用產物

在燕山期巖漿與馬面山群龍北溪組上段經區域變質的富鈣質巖發生接觸交代變質作用的過程中，地層和巖體中的S、Pb和Zn等成礦物質在由大氣降水和巖漿水組成的成礦流體中逐漸富集起來，形成以磁黃鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦及方鉛礦等礦物為主的硫化物礦床。大部分成礦物質就近儲存在馬面山群龍北溪組上段石榴子石透輝石綠簾石矽卡巖中，少部分含礦熱液則通過巖性層面、層間滑動帶、北東向斷層和角度不整合接觸界面等構造運移到馬面山群龍北溪組上段石英云母片巖層間界面、上侏羅統長林組地層及其間的角度不整合接觸界面，并在各類儲礦場所內形成規模不一的礦體。此外，此次接觸交代變質作用還在礦區范圍內形成了大量北東向物探、化探和遙感異常。

綜上所述，丁家山礦區為西太平洋殼塊與東亞大陸殼塊相互擠壓作用下燕山期花崗質巖漿沿北東向斷層侵入過程中與馬面山群龍北溪組上段經區域變質的富鈣質巖發生接觸交代變質作用而形成的矽卡巖型礦床。根據大地構造位置及地殼運動特性，依據成礦系統的構造動力地質分類法[12?13,15]，可將丁家山鉛鋅礦區劃入擠壓構造成礦系統(大類)下屬的與燕山期花崗質巖漿有關的接觸交代變質成礦系統類。

4 成礦系統演化機制

自晚元古代至奧陶紀末，處于地槽演化階段的閩中地區因地殼不均勻活動導致沉積環境動蕩，引發政和—龍巖一線海水出現多次往復進退，從而形成新元古界馬面山群龍北溪組砂質泥巖→鈣質泥質粉砂巖→泥灰巖→白云質灰巖、灰巖過渡沉積建造組合。加里東運動期間，研究區內形成大量北東向斷裂和褶皺構造，龍北溪組上段粉砂質泥巖、鈣質泥質粉砂巖、泥質鈣質粉砂巖及泥灰巖等富鈣質巖類經區域變質形成低綠片巖相變質巖。地臺演化階段，研究區所處的政和—大埔斷裂由于海西期構造運動而發生活化，成為古斷拉谷。

晚三疊世至白堊紀，由于西太平洋殼塊與東亞大陸殼塊間的擠壓運動加強，使處于地洼演化階段的閩中地區形成新的北東及北西向斷層，并使原有斷層發生活化。燕山運動期間，大量中酸性巖漿在礦區范圍內沿北東向斷層侵入過程中，與馬面山群龍北溪組上段經區域變質的鈣質泥巖、鈣質泥質粉砂巖、鈣質粉砂質泥巖和泥灰巖等富鈣質巖類發生接觸交代變質作用，形成現今所見的石榴子石透輝石綠簾石矽卡巖。在接觸交代變質作用后期，富含由馬面山群龍北溪組地層和花崗巖體共同提供的S、Pb及Zn等成礦物質的熱液在石英云母片巖和絹云母片巖的圈閉作用下卸載成礦，部分含礦熱液則通過北東向斷層運移到角度不整合接觸界面和上侏羅統長林組地層中形成礦體。

5 結論

1) 丁家山鉛鋅礦床鉛、硫、銣和鍶同位素研究及礦體、巖體和圍巖的稀土元素綜合性研究表明：礦區成礦物質由燕山期花崗巖體和馬面山群龍北溪組地層共同提供；成礦流體由巖漿水和大氣降水共同組成。

2) 精細化礦物場填圖揭示：礦區成礦熱源為燕山期花崗質巖漿，其侵入中心位于礦區北東和北西向斷層交匯部位(Ⅲ?1與Ⅲ?2號礦體之間)；成礦流體運移通道主要為礦區北東向斷層；礦區儲礦場則主要由馬面山群龍北溪組上段、被北東向斷層切割的上侏羅統長林組和其間的角度不整合接觸界面構成。

3) 礦區成礦時間為(146.15±3.95) Ma，為燕山期巖漿活動活躍時期；成礦壓力為0.197～0.409 GPa，與燕山期花崗巖侵入壓力基本一致；花崗巖侵入深度為6.6～9.9 km，屬中深成巖。此外，礦區新元古界馬面山群龍北溪組上段石榴子石?透輝石?綠簾石系列變質巖的原巖為經區域變質的富鈣質沉積巖。以上要素均證實礦區完全具備發生接觸交代變質作用的條件。

4) 丁家山鉛鋅礦區為燕山期花崗質巖漿與新元古界馬面山群龍北溪組上段經區域變質作用的富鈣質沉積巖發生接觸交代變質作用而形成的接觸交代變質礦床，屬擠壓構造成礦系統(大類)下屬的與燕山期花崗質巖漿有關的接觸交代成礦系統類。

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