寧夏衛寧北山鈷異常的物質來源研究

吳文忠，孟 方，王 紅，潘進禮，艾 寧

（寧夏地質調查院，銀川750021）

寧夏衛寧北山地區是寧夏境內金屬成礦條件最好、成礦跡像最多的金屬成礦區帶之一，也是寧夏基礎地質調查程度相對較高地區。自20世紀50年代末至今，先后有多家地勘單位在本地區做過區域地質、水文地質、區域物化探調查、區域礦產評價等基礎性工作，并在不同地區進行了預查、普查、詳查工作，積累了大量的資料。同時結合礦產勘查工作，進行了一系列專題研究。1988年，徐國風［1］通過穩定同位素（鉛、硫、碳、氧）和包裹體研究，認為金場子金礦床的成礦物質來源于上地殼，金、銀、鉛、銅等成礦元素來源于石炭紀和泥盆紀沉積巖，且成礦流體是大氣水和沉積地層水（成巖水）的混合溶液。1991年，梅建明、邵潔漣［2］對寧夏金場子金礦床氧化帶中針鐵礦礦物學進行了研究，指出寧夏金場子金礦床氧化帶針鐵礦具有晶胞參數小于理論值、紅外吸收光譜、視覺反射率大于一般針鐵礦等標型特征。宋新華、李宏宇［3］通過對寧夏中衛市大銅溝銅礦地質特征及控礦因素的研究，指出大銅溝銅礦床是由沉積作用—成巖后熱液富集作用—后期表生改造作用形成，其成礦是巖相、地層、巖性和構造共同作用的結果。劉勇、李廷棟［4］等用SHRIMP鋯石U－Pb法獲得寧夏衛寧北山金場子閃長玢巖巖脈的年齡為（147．2±2．3）Ma，形成時代為晚侏羅世，屬燕山期，為燕山期巖漿活動的產物；表明寧夏衛寧北山在燕山期存在中酸性巖漿活動；并指出，出露地表的閃長玢巖脈與可能存在的隱伏中酸性巖體構成一個統一的巖漿－侵入系統，而隱伏的中酸性巖體可能就是衛寧北山地區多金屬礦的礦源和中心。

鈷作為戰略性礦產和稀缺資源在寧夏首次被發現，對寧夏而言是一種新礦種。筆者就衛寧北山鈷異常的分布特征進行了探討，并通過對含鈷黃鐵礦包裹體的Ar－He同位素的組成進行測定，結合硫同位素的研究，分析了衛寧北山鈷異常的物質來源及成礦流體特征，為衛寧北山鈷礦體的進一步勘查及其形成機制的研究提供了理論依據。

1 區域地質概況

衛寧北山位于賀蘭山南部，西域巖石圈塊體和青藏巖石圈塊體的結合部，是中、新生代中國東、西部構造分界的賀蘭山—六盤山南北向構造帶的組成部分；同時又位于新生代青藏高原東北邊緣向北東突出的弧形構造帶［4－6］。大地構造位于秦祁昆造山系北祁連造山帶東段，其北與華北地臺阿拉善地塊相接，其東與華北地臺鄂爾多斯地塊毗鄰，屬構造活動帶與穩定地塊的交接部之構造活動帶邊緣，具明顯的活動性［7－8］。早古生代時期，該區屬北祁連加里東弧后盆地的一部分，形成了次深海斜坡相陸源碎屑－泥質沉積為主濁積巖系（奧陶系米缽山組、香山群）；加里東末期，北祁連弧后盆地褶皺回返，構成本區晚古生代各類建造的基底層。泥盆紀演化為前陸盆地，沉積了一套陸相磨拉石建造（老君山組），不整合覆于基底層之上；石炭紀前陸盆地進一步深化為伸展型上疊盆地，則形成一套咸化瀉湖—陸棚海沉積建造，與下伏地層平行不整合接觸（泥盆系）或不整合接觸（下古生界）。在上石炭統下部，有沿海底深斷裂上升的熱鹵水活動及其噴溢沉積物形成；二疊—三疊系（大黃溝組、紅泉組、五佛寺組、南營兒組）過渡為陸相沉積，與下伏石炭系整合接觸。三疊紀末的印支運動，以近南北向擠壓為主，在本地區形成了近東西向展布的褶皺、斷裂構造，奠定了工作區的基本構造格架。燕山運動，在繼承了印支運動形成的構造格架的基礎上，主要以近東西向擠壓為主，并對原構造格架進行了適當的改造，在區域上形成了侏羅系、白堊系和古近系與下伏地層間的不整合接觸；同時，在本地區伴生有中酸性巖漿侵入，形成了較多隱伏和出露地表的花崗閃長巖－閃長巖體（脈）及巖漿熱液蝕變巖。喜馬拉雅運動在本區表現較弱，以整體抬升為主。

圖1 衛寧北山地區地質簡圖

2 鈷異常的物質來源分析

2．1 采樣位置

本次研究在大銅溝背斜（見圖1）驗證鉆孔礦化段巖心中采集了4件含鈷黃鐵礦礦石流體包裹和5件含鈷黃鐵礦硫同位素分析樣。所有樣品分析工作均在中國科學院油氣資源研究重點實驗室完成，詳細的實驗方法參見文獻［9－10］。為了了解研究區巖石的硫同位素特征，以便于對比分析，收集了前人對衛寧北山單梁山、金場子巖石的硫同位素測定數據。

2．2 結果與討論

2．2．1 氦、氬同位素研究

稀有氣體有3個明顯不同的源區，即飽和空氣雨水中的稀有氣體、地慢中的稀有氣體和在地殼中由核過程形成的放射成因稀有氣體［11］。與其他稀有氣體相比，He和Ar在這3個端元中具有極不相同的同位素組成。尤其是氦，相對于地殼而言，地幔氦以富3He為特征，3He／4He＝6～9 Ra（Ra為大氣的3He／4He比值，為1．4×10－6；或表示為R／Ra＝6～9，R為3He／4He測試值）；地殼中的氦則相對以富4He為特征，一般R／Ra＝0．01～0．05。地殼和地幔的3He／4He值存在高達近1 000倍的差異，即使地殼流體中有少量慢源氦的加入，用氦同位素也易于判別出來［12］。由于流體包裹體的寄主礦物是硫酸鹽和硫化物時，包裹體內的稀有氣體被捕獲后沒有明顯的擴散丟失，而黃鐵礦較低的擴散系數是保存 He、Ar最理想的礦物［13－15］。因此，本次研究采集了大銅溝ZK7－2鈷礦化體中的含鈷黃鐵礦，進行黃鐵礦流體包裹體的He、Ar同位素分析，以示蹤成礦流體來源。氦、氬同位素組成特征見表1所示。

表1 大銅溝ZK7－2黃鐵礦中的流體包裹體的氦、氬同位素組成

由表1可知，4件黃鐵礦樣品中流體包裹體3He／4He比值介于0．001 943－0．008 04 Ra，均小于0．1 Ra，說明4件黃鐵礦樣品的流體包裹體中均富含4He，具有地殼氦的特征。由圖2中3點He同位素組成在3He／4He同位素演化圖解上的投影可知，數據點均落于地殼的一側，說明衛寧北山大銅溝鈷礦的成礦流體來源于地殼。

圖2 衛寧北山大銅溝成礦流體的He同位素組成［16］

在表1 中，4 件 黃 鐵 礦 樣 品 DTK－1、DTK－2、DTK－3、DTK－4 的40Ar／36Ar比 值 分 別 為 588．6、392．5、324．9和416．3，其平均值為430．575，略高于溶解在雨水中的大氣氬的同位素組成（飽和空氣雨水中40Ar／36Ar＝295．5），而遠遠小于地殼和地幔流體的40Ar／36Ar比值。地殼流體的40Ar／4He的比值為0．16～0．25，地幔流體的40Ar／4He比值為0．33～0．56，而 大 氣 降 水 端 元 組 分 的40Ar／4He＝0．01［12，17－18］。大銅溝4件樣品黃鐵礦流體包裹體的40Ar／4He比值介于0．004 19～0．03，平均值為0．014，遠遠小于地幔的40Ar／4He比值，介于大氣降水和地殼的40Ar／4He比值之間，比較接近大氣40Ar／4He比值 。黃鐵礦流體包裹體的3He／4He、40Ar／36Ar和40Ar／4He比值特征顯示，衛寧北山大銅溝鈷化礦的成礦流體來源于沉積地層水和大氣降水，成礦流體是沉積地層水和大氣降水的混合物。

2．2．2 硫同位素研究

衛寧北山單梁山、金場子和大銅溝巖石、礦石硫同位素組成特征見表2所示。

表2 衛寧北山巖石、礦石硫同位素組成特征

在表2中，6件圍巖黃鐵礦的δ（34S）值＝＋1．4～＋16．4，均值為＋9．4，δ（34S）值主要顯示正值的特征。5件礦石礦物黃鐵礦的δ（34S）＝＋14．0‰～＋15．5‰，平均值為＋14．84‰，遠遠大于地幔硫的δ（34S）值，而接近圍巖的δ（34S）值。5件礦石礦物黃鐵礦的δ（34S）極差R＝1．5‰，δ（34S）值變化范圍較窄，說明硫的均一化程度較高，硫同位素的分餾達到了平衡，具有熱液成因的特征。因此，衛寧北山大銅溝鈷礦化體的硫來源于石炭系沉積地層，熱液改造了圍巖的硫同位素的組成，使圍巖的硫同位素進行了再次分餾，進而使硫同位素達到了平衡。

2．3 鈷異常的物質來源分析

通過硫同位素分析，衛寧北山大銅溝鈷礦化體的硫來源于石炭系沉積地層，熱液改造了圍巖的硫同位素組成特征，使圍巖的硫同位素進行了二次分餾，從而達到了平衡。黃鐵礦流體包裹體3He／4He、40Ar／36Ar和40Ar／4He比值顯示，衛寧北山鈷礦體的成礦流體來源于沉積地層水和大氣降水，是沉積地層水和大氣降水的混合物。結合硫同位素和氦、氬同位素組成特征，筆者認為：衛寧北山鈷異常的物質來源于石炭系地層，而與巖漿無關。地下水沿構造裂隙帶滲流、環流時，萃取了石炭系地層中的鈷元素，并在有利的構造空間富集成礦。

3 結論

1）黃鐵礦流體包裹體的3He／4He、40Ar／36Ar和40Ar／4He的比值特征顯示，衛寧北山大銅溝鈷化礦的成礦流體來源于沉積地層水和大氣降水，成礦流體是沉積地層水和大氣降水的混合物。

2）衛寧北山大銅溝鈷礦化體的硫來源于石炭系沉積地層，熱液改造了圍巖的硫同位素的組成，使圍巖的硫同位素進行了再次分餾，進而使硫同位素達到了平衡。

3）衛寧北山鈷異常的物質來源于石炭系地層，而與巖漿無關。地下水沿構造裂隙帶滲流、環流時，萃取了石炭系地層中的鈷元素，并在有利的構造空間富集成礦。因此，衛寧北山鈷異常的形成受石炭系地層和構造的雙重控制，石炭系地層在沉積時沉積了微量的鈷元素，而構造所形成的裂隙和構造角礫巖不僅為含礦熱液提供有利的運移通道，同時也是鈷元素聚集的最佳場所。

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