滇西金廠河矽卡巖礦床C-O同位素地球化學特征

楊建光，陳 偉，楊天云露

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.滇西應用技術大學，云南 大理 671000)

0 引言

滇西保山地塊是我國西南地區重要的Pb-Zn-Fe-Cu-Ag-Hg-Sn-Sb礦集區和鉛鋅礦產資源生產基地[1-2]。從北到南分布有以核桃坪、金廠河、西邑、東山、勐興、蘆子園等為代表的10余個大中型鉛鋅(鐵銅)多金屬礦床。近年來金廠河矽卡巖礦床勘查工作取得了重大突破，其Fe、Cu、Pb、Zn的儲量均已達到中大型規模[3]，但其研究工作仍相對滯后于同類型的蘆子園和核桃坪礦床。相關研究主要對金廠河矽卡巖礦床的地質特征、成礦年代學和成礦物質來源等進行了探討[1,3-6]，并初步認為礦區深部可能存在與礦床成因密切相關的中酸性隱伏巖體；然而在成礦流體來源方面尚未開展系統的研究工作，制約了人們對礦床成礦流體的來源、演化及成礦機制的全面認識。C-O同位素研究不僅可以揭示成礦流體的性質與來源，還可以為流體的演化(包括二氧化碳去氣作用、流體混合作用和水-巖相互作用等)提供重要信息[7]。因此，本文在詳細野外地質調研的基礎上，對金廠河礦床不同階段的方解石開展C-O同位素地球化學特征研究，以期為礦床成礦機制的深入研究提供流體來源約束。

1 區域地質概況

保山地塊位于青藏高原東南緣“三江”特提斯構造域中南段(見圖1)，西部以怒江斷裂為界，東部與瀾滄江斷裂及昌寧-孟連縫合帶毗鄰，向北尖滅于怒江斷裂與瀾滄江斷裂的交會部位，向南呈楔形逃逸出境并成為滇緬泰馬(Sibumasu)地體的組成部分[8]。

圖1 保山地塊大地構造位置[10](a)和保山地塊主要構造、巖漿巖及礦床分布[8,10](b)

自晚古生代以來，該區經歷了特提斯形成演化、印度板塊與歐亞大陸碰撞造山及青藏高原隆升等多個構造體制的演化過程[9]。區內地層主體為一套淺海-半深海相的碎屑巖、碳酸鹽巖沉積建造，發育近SN向的深大斷裂及NE向、NNW向的一系列次級斷裂。典型褶皺構造為南部的永德-鎮康復背斜和北部保山-施甸復背斜，復式背斜與深大斷裂的交會部位是該區大中型熱液鉛鋅礦床的重要產出位置[2,8-9]。地塊內巖漿活動較頻繁，其中以志本山(126.7 ±1.6 Ma)和柯街(93±13 Ma)中酸性花崗巖[8]為代表的燕山晚期花崗巖漿活動普遍被人們認為與地塊內金屬成礦作用密切相關[2,5,8,10]，但至今尚未有人報道區內存在與已知礦床有直接成因聯系的巖體。

2 礦床地質特征

金廠河矽卡巖礦床位于NNW向的木瓜樹-阿石寨斷裂與NNE向的木瓜樹-朱石箐斷裂交會處西部邊界(見圖2)。礦區主要出露寒武系、奧陶系、志留系和第四系地層，其中巖性為大理巖化灰巖和矽卡巖的上寒武統核桃坪組地層是礦區的重要賦礦層位。礦區斷裂構造發育，以近SN向、NE向及NNW斷裂為主，其中F2和F10斷裂為該礦區重要的容礦及控礦構造。褶皺構造以金廠河背斜為代表，其核部核桃坪組地層因受構造應力作用形成的張性裂隙和層間破碎帶系該礦區有利的容礦構造。礦區內發育少量輝綠、輝長巖脈和巖株。

圖2 金廠河礦床地質略圖[4]

礦體主要呈層狀、似層狀、透鏡狀緩傾斜產于上寒武統核桃坪組中段大理巖化灰巖和矽卡巖中。礦石礦物發育磁鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、方鉛礦和少量黃鐵礦、磁黃鐵礦；脈石礦物包括石榴子石、輝石、陽起石、黑柱石、綠泥石、石英和方解石。礦石結構以半自形-他形粒狀結構為主[見圖3(d)-圖3(f)]，次為少量交代侵蝕結構[見圖3(e)、圖3(f)]。礦石常見脈狀構造、浸染狀構造[見圖3 (b)、圖3(d)]和塊狀構造[見圖3(c)]。圍巖蝕變主要發育矽卡巖化、大理巖化、黃鐵礦化和硅化。

根據礦物共生組合特征及穿插關系，可將成礦作用劃分為矽卡巖階段、早硫化物階段、晚硫化物階段和石英碳酸鹽階段等4個主要階段：

a.矽卡巖階段主要形成了與礦體產出密切相關的矽卡巖和磁鐵礦。矽卡巖礦物發育石榴子石、輝石和陽起石，含少量黑柱石；金屬礦物為磁鐵礦，呈浸染狀和致密塊狀產于矽卡巖蝕變帶下段構成較大規模的磁鐵礦體，其裂隙常被后期石英脈充填交代[見圖3(a)]。

b.早硫化物階段主要形成黃銅礦、磁黃鐵礦、黃鐵礦等金屬礦物，脈石礦物主要是石英，發育少量方解石。礦石一般呈浸染狀、斑塊狀產出[見圖3(a)、圖3(b)]。

c.晚硫化物階段形成的金屬礦物主要為閃鋅礦和方鉛礦，次為黃鐵礦，脈石礦物為石英和方解石。閃鋅礦呈棕褐色-黑褐色，具有半自形-他形粒狀結構[見圖3(c)、圖3(f)]。方鉛礦呈鉛灰色，具他形粒狀結構[見圖3(f)]。常見方鉛礦與閃鋅礦呈稠密浸染狀產于石英脈或方解石團塊中，偶見呈細脈狀充填于早階段石英裂隙中[見圖3(b)]。

d.石英碳酸鹽階段發育大量方解石和石英，二者均呈脈狀切穿交代早期矽卡巖或礦體，表現出成礦后期構造特征[見圖3(c)]。

Ska-矽卡巖；Mag-磁鐵礦；Po-磁黃鐵礦；Py-黃鐵礦；

3 分析方法與結果

方解石是金廠河矽卡巖礦床重要的脈石礦物，本研究采集了不同勘探線、不同中段與鉛鋅礦緊密共生且具有代表性的方解石樣品10件。先將樣品碎至40～60目，用蒸餾水清洗，經烘箱烘干后將單礦物置于雙目鏡下挑選至純度高于99%，再次將挑純的單礦物用蒸餾水洗凈，烘干后用瑪瑙研缽研磨至200目。樣品測試工作在昆明理工大學穩定同位素分析實驗室完成，分析采用100%磷酸法，在25 ℃下使樣品與磷酸發生反應4 h以上，將反應釋放出來的CO2在Isoprime100型氣相同位素質譜儀上進行C、O同位素組成測定。分析結果13C以V-PDB為標準，18O以V-SMOW為標準，分析精度為±0.2‰。計算18OV-SMOW時，采用標準平衡分餾方程[11]：18OV-SMOW= 1.030 86×18OV-PDB+30.86。

金廠河矽卡巖礦床不同階段方解石的C-O同位素分析結果見表1。由表1可知，早硫化物階段方解石的13CV-PDB為-5.46‰～-2.92‰，均值為-4.49‰；18OV-SMOW為6.02‰～7.24‰，均值為6.83‰。晚硫化物階段方解石的13CV-PDB為-12.40‰～-9.37‰，均值為-10.90‰；18OV-SMOW為8.37‰～9.01‰，均值為8.79‰；石英碳酸鹽階段方解石的13CV-PDB為-5.04‰～0.19‰，均值為-3.30‰；18OV-SMOW為10.44‰～14.89‰，均值為11.80‰。上述結果表明，該礦床整體上具有較低的碳氧同位素組成，晚階段的13CV-PDB和18OV-SMOW相對早階段有所升高。

表1 金廠河矽卡巖礦床方解石C-O同位素組成

4 成礦機制分析

4.1 成礦流體來源及演化

研究方解石的C-O同位素組成特征已成為示蹤成礦流體來源及演化的重要手段[7,12]。已有研究表明，成礦熱液系統中碳的來源主要有3種：①海相碳酸鹽巖，其13CV-PDB為0±4‰，18OV-SMOW為20‰～30‰[13]；②深部源或巖漿源，其13CV-PDB分別為-5‰～-2‰和-9‰～-3‰[14]，18OV-SMOW一般為6‰～9‰，經重熔改造過的巖漿流體略高，為7‰～13‰[15]；③各類巖石中的有機碳(還原碳)，因其富集12C，故一般具有較低的碳同位素組成，其13CV-PDB為-30‰～-15‰，平均為-22‰[16]。劉家軍等[17]在13CV-PDB-18OV-SMOW圖解中用箭頭指出了3種主要碳源經歷不同地質作用時所產生CO2的方式及其同位素組成的變化趨勢。

由表1可知：金廠河礦床不同階段方解石的C-O同位素組成有所差異，但總體虧損13C和18O，顯示成礦流體的來源具有同源性；其13CV-PDB為-12.4‰～0.19‰，均值為-5.94‰；18OV-SMOW為6.02‰～14.89‰，均值為9.41‰，與上述深部源或巖漿源熱液流體的C-O同位素組成特征較為一致，而明顯區別于海相碳酸鹽巖和沉積有機物來源的C-O同位素組成，表明金廠河礦床初始成礦流體中的C主要源自深部巖漿熱液。在不同成礦作用階段，方解石的C-O同位素組成顯示出了差異性，晚硫化物階段比早硫化物階段明顯虧損13C而弱富集18O，投影點在13CV-PDB-18OV-SMOW圖解中呈線性沿沉積巖混染或高溫效應作用方向漂移。石英碳酸鹽階段13CV-PDB基本與初始源區保持一致，而18OV-SMOW明顯增大，除1個點向沉積巖混染或高溫效應作用方向漂移之外，其余投影點均向海相碳酸鹽巖溶解作用區域漂移。

前人研究認為，如果成礦流體中的CO2是經沉積巖混染或高溫效應形成，其作用的結果將會對13CV-PDB影響顯著，而18OV-SMOW變化較小；如果是來自海相碳酸鹽巖的溶解作用，則會導致O同位素組成發生明顯變化，而C同位素組成幾乎不受影響[18]。其中，海相碳酸鹽巖溶解作用是通過流體與圍巖之間發生水-巖反應實現的[7,18]，在熱液流體中，方解石的溶解度隨溫度的降低而增大，隨壓力的減小而減小，因此在封閉體系中單純的降溫并不能使方解石從熱液流體中沉淀出來。而當高溫熱液流體與低溫圍巖接觸發生相互作用時，由于H+的丟失和Ca2+、Fe2+、Mg2+等陽離子的加入，熱液流體將逐漸變為碳酸鹽飽和性流體，從而使得方解石在熱液中發生沉淀；在此過程中，熱液流體與圍巖之間可能發生強烈的同位素交換作用。金廠河礦床晚硫化物階段方解石的13CV-PDB顯著增大，而18OV-SMOW只在小范圍內變化，因此該階段成礦流體受海相碳酸鹽巖溶解作用的影響較小，主要是受沉積巖混染或高溫效應影響。石英碳酸鹽階段主體表現為18OV-SMOW明顯增大，而13CV-PDB變化很小，因此該階段成礦流體中的CO2更有可能是來自海相碳酸鹽巖溶解作用。巖漿源流體相對海相碳酸鹽巖明顯虧損18O，所以該階段方解石樣品的18OV-SMOW逐漸增大，合理地反映了虧損18O的巖漿源流體在遷移成礦過程中與富集18O的碳酸鹽圍巖發生了水-巖反應，并且與圍巖之間發生了不同程度的同位素交換，導致成礦流體逐漸富集18O。綜上所述，金廠河礦床早期因受深部巖漿作用而形成了初始成礦流體，該流體在高溫高壓熱力驅動條件下沿深大斷裂向上運移，運移過程中可能不同程度地受到海相碳酸鹽巖溶解作用和沉積巖混染或高溫效應的影響。

4.2 成礦機制探討

進一步將金廠河礦床的C-O同位素組成與地塊內其他典型鉛鋅礦床進行對比(見圖4)，發現金廠河礦床方解石的C-O同位素組成總體與地塊內其他矽卡巖礦床一致，均顯示成礦流體主要來源于深部巖漿熱液[1,9,19]，而明顯區別于成礦流體主要來自盆地鹵水的中低溫熱液礦床[20-21]。相關研究表明[22]，保山地塊于古生代中晚寒武世逐漸趨于穩定，豐富的物源條件促使區域內快速沉積大量富含鉛鋅銅鐵銀等多金屬元素的沉積物質，故寒武系地層中Pb、Zn、Cu的含量普遍高于其他地層，具有礦源層特征。黃華等[4]對金廠河礦床作出的Rb-Sr等時線成礦年齡為117～120.3 Ma，與早白堊世志本山巖體(126.7 ±1.6 Ma)[8]接近。李振煥等[6]對金廠河礦床開展的S、Pb同位素研究結果顯示，礦化劑硫具有深部幔源硫和地層硫混合的特征，鉛同位素組成顯示以上地殼以鉛為主的殼幔混染特征。

結合上述研究及本文C-O同位素研究成果認為，在早白堊世中特提斯洋閉合時，由于騰沖地塊與保山地塊發生碰撞造山作用形成了高黎貢碰撞帶[23]；同時因保山地塊內部受到擠壓和拉張作用形成了大量褶皺和斷裂等構造，為流體的運移打開了良好通道及成礦物質的富集沉淀提供了有利空間。該陸陸碰撞事件引起地殼縮短增厚并在深部重熔形成大規模巖漿熱液，繼而沿著早期形成的斷裂構造系統向上運移，運移過程中可能萃取和活化基底地層中的Pb、Zn、Cu、Ag等成礦物質[2,10]。這些富含成礦物質的流體在遷移過程中與碳酸鹽巖交代形成矽卡巖，同時可能受到大氣降水的影響而引起溫度、壓力、pH、氧逸度、硫逸度、離子濃度等物理化學條件發生改變，成礦物質在層間破碎帶或褶皺與斷層的疊加部位等有利空間逐漸富集沉淀形成層狀、似層狀或透鏡狀礦體。雖然金廠河礦區至今尚未發現與礦床成因有直接聯系的花崗巖體，但礦區內零星分布的基性巖脈及大量地球物理資料均顯示礦區深部存在中酸性隱伏巖體[3,5]，隱伏巖體的存在或巖漿侵入作用可能為金廠河礦床的形成提供了流體、熱源及成礦物質。

圖4 金廠河礦床與保山地塊典型鉛鋅礦床δ13CV-PDB-δ18OV-SMOW對比圖解[1,9,17,19-21]

基于上述分析得出，金廠河礦床為陸陸碰撞體制下與深部巖漿作用有關的矽卡巖礦床。

5 結論

b.不同階段方解石的C-O同位素組成變化特征表明，晚階段的13CV-PDB和18OV-SMOW相對早階段有所升高，暗示巖漿熱液成礦流體在遷移成礦過程中可能受到了海相碳酸鹽巖溶解作用和沉積巖混染或高溫效應的影響。

c.該礦床為陸陸碰撞體制下與深部巖漿作用有關的矽卡巖礦床。