新疆乌拉特中新生界铅锌矿床硫地球化学特征及成因探讨

新疆乌拉特中新生界铅锌矿床硫地球化学特征及成因探讨

沉积岩中的铅锌矿床是世界上铅锌资源的主要来源。世界上的铅锌矿床也分布在沉积岩中。赋存于中—新生界沉积盆地、以砂砾岩为主岩、具超大型远景的乌拉根铅锌矿床备受关注[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。该矿于1943年由В·И·西尼村等人发现,1951—1962年间中苏稀有金属公司沙里塔什勘探队、喀什矿管处和新疆有色金属公司702队针对北矿带泥质白云岩中的块状富矿石(以铅为主)相继进行过勘查,探明铅锌储量(包括已采矿石)达到小型规模。2000年以来,新疆鑫汇地质矿业有限责任公司、桂林矿产地质研究院、中南大学等单位重点关注相邻砂砾岩层位中的浸染状铅锌矿石(以锌为主)并进行评价,截止到2007年底,在矿区南矿带西部已探获铅锌金属含量达300万t,整个矿区远景金属资源量有望突破1000万t。乌拉根矿床的勘查突破是近年来重大找矿进展之一,被评选为2007年“中国地质找矿十大成果”。随着近年来勘查工作的进一步深入推进,铅锌矿体的空间分布及储量也在不断清晰与明朗。乌拉根铅锌矿床的重大找矿突破有力地推动了南天山区域铅锌勘查。目前在乌拉根矿床外围下白垩统克孜勒苏群砂砾岩层位中,已发现或正在勘查的有康西、吉勒格、江格结尔、穷库尔等铅锌矿点,指示出良好的铅锌找矿前景。乌拉根铅锌矿床规模大、成矿条件优越、经济意义显著,是中—新生界沉积盆地内继滇西北兰坪金顶矿床外的第二例超大型规模铅锌矿床。在成因认识上,矿床发现之初曾被认为是一小型热液矿床,随后认识到乌拉根矿床在诸多特征上与金顶铅锌矿可类比[6,7,8,9,10,11,13,14],提出喷流沉积型、喷流沉积-热液叠加改造型、热卤水型、盆地热卤水沉积-改造成因、层控砂(砾)岩型、砂岩型并可归类为MVT、MVT等不同认识,争议颇多。由此可见对乌拉根矿床成因进行厘定,具有重要的理论及勘查意义。本文在详细野外及室内地质观察基础上,对乌拉根矿床开展了矿床地质、硫化物及硫酸盐硫同位素、硫化物及容矿地层铅同位素地球化学研究,旨在为分析铅锌矿床成因提供参考。1盆地沉积演化乌拉根铅锌矿床位于塔里木盆地西部喀什凹陷西北部(图1A)。喀什凹陷是塔里木盆地西南凹陷西北部的一个次级构造单元,是夹持于南天山与西昆仑山两大山系之间的内陆山间/山前盆地(图1B)。前寒武纪变质岩系构成区域结晶基底,早古生代在南天山洋与西昆仑洋扩张的背景下,主体呈被动陆缘盆地;晚古生代末,两大洋盆逐渐闭合,喀什凹陷成为前陆盆地,并与整个塔里木一起接受浅海碳酸盐岩夹陆缘碎屑岩沉积。中生代以来,南天山与西昆仑造山带形成,喀什凹陷成为独立的构造单元,转入陆缘沉积的发展演化阶段,形成独特的沉积体系。喀什凹陷内三叠系层位普遍缺失(图1A);侏罗纪早、中期伴随盆地南北扩张、沉降及费尔干纳断裂的活动,形成一系列冲积扇相-扇三角洲相粗碎屑含煤建造及滨浅湖相细碎屑岩沉积;中侏罗世末期,受燕山运动影响,盆地经历短期上升、剥蚀;晚侏罗世地壳下沉,又一次接受冲积扇沉积;早白垩世盆地缓慢沉降,发育一套冲积扇、辫状河相沉积的红色砂岩、砾岩、砂岩夹泥岩,几乎遍及整个凹陷,构成乌拉根铅锌矿床的主要赋矿层位;晚白垩世—古近纪,喀什凹陷经历了广泛的海侵,沉积一系列海陆过渡相及海相的碎屑岩、碳酸盐岩和蒸发岩沉积;新近纪以来,印亚大陆碰撞,昆仑山西段向北推移,形成弧形山系,同时南天山与西昆仑山急剧抬升,喀什凹陷中生代沉积的断陷盆地快速沉降,向大型内陆凹陷盆地发展;中新世早期发育湖泊相砂泥岩沉积夹石膏层,中期沉积灰、灰绿色的细-粉砂岩及泥岩,晚期发育一套褐红、紫红色夹绿灰色砂岩、粉砂岩与泥岩沉积;上新世发育扇三角洲前缘-平原、滨浅海亚相的灰绿、褐红色砂岩、粉砂岩、砾岩和泥岩、砂质泥岩呈不规则互层;进入更新世以来,前陆逆冲带发育,发育以山麓冲积扇沉积为特点的西域组砾岩层(图1A)。喀什凹陷内发育有大量沉积矿床,是我国能源矿床及金属矿床的重要勘查区。2矿物及流变物矿区除在南部出露中元古界长城系阿克苏群(Chak)基底建造外,主要由分布于乌拉根向斜两翼的中、新生界地层组成(图2)。各时代地层主要特征见表1。下白垩统克孜勒苏群第五岩性段(K1kz5)褪色灰白色砂砾岩是乌拉根矿床最主要容矿岩石。少量矿体赋存于古新统阿尔塔什组(E1a)泥质白云岩中(图3),在矿区阿尔塔什组部分下段石膏岩为坍塌角砾状白云岩所替代,残余白色石膏岩在局部仍可见。乌拉根向斜是矿区最主要构造形态(图2)。中新统帕卡布拉克组(N1p)为向斜核部,向斜轴向为NEE,南翼地层倾向为NNW,倾角50°±,相对较缓;北翼地层倾向近SW向,倾角65°~80°,相对较陡,局部倒转。向斜南翼黑孜威断裂(F1)为逆冲断层,切穿侏罗系和元古宇;北翼近EW向吾合沙鲁断裂(F2)为阿尔塔什组(E1a)与克孜勒苏群(K1kz)的层间逆断裂;EW向F3逆断裂使白垩系及侏罗系地层错动。矿区东部杨叶地区发育两条相交逆断裂,使地层错动及局部抬升。铅锌矿体主要呈板状顺层分布于乌拉根向斜南、北两翼,矿体产状随地层产状变化而变化(图3)。克孜勒苏群第五岩性段(K1kz5)灰白色砂砾岩及古新统阿尔塔什组(E1a)灰色泥质白云岩为容矿岩石,矿体产出严格层控,矿化带延长大于3km(图3左)。以乌拉根向斜轴为界,将乌拉根矿体划分为南、北两个矿带。北矿带赋矿岩石为K1kz5砂砾岩及E1a泥质白云岩,已圈定矿体铅平均品位为(0.03~0.47)×10-2,锌平均品位为(2.24~3.41)×10-2,控制矿化长度大于3.5km,平均宽度100m(1)。南矿带矿化主要位于K1kz5灰白色砂砾岩中,已圈定矿体铅平均品位为(0.23~0.89)×10-2,锌平均品位为(1.69~3.64)×10-2,地表控制矿化长约4km,平均宽约150m(1),南矿带0线揭示矿体浅部陡倾,在深部随地层产状变缓(图3右)。2007年在乌拉根向斜核部实施钻孔并于700m深处K1kz5层位中仍见有铅锌矿化,指示向斜南、北两翼的铅锌矿化在转折端连成一体。正交偏光显微镜下观察,容矿下白垩统克孜勒苏群第五岩性段(K1kz5)褪色灰白色砂岩碎屑主要由石英(60%±)、斜长石(15%±)和岩屑(石英岩和硅质岩岩屑,约10%)组成,碎屑矿物多呈次棱角状,分选中等,粒径约0.1~0.4mm(图4中A、B、C、D),胶结物主要为方解石及泥质矿物,以钙质胶结特征为主。原生矿石金属矿物为闪锌矿、方铅矿、白铁矿、黄铁矿等,氧化矿石以菱锌矿、水锌矿、铅矾、异极矿、黄钾铁矾、褐铁矿为主。乌拉根矿石主要为浸染状矿石(图5C),赋存于K1kz5灰白色砂砾岩中,矿石矿物以闪锌矿为主,方铅矿次之,具有微细浸染状构造(图6A),铅锌硫化物主要通过交代砂岩粒间胶结物而成矿。此类矿石是乌拉根矿床最主要的矿石类型,是探求资源量的最重要部分,在南、北矿带均大量发育。矿区南矿带局部发育砾岩容矿的矿石,表现为白铁矿、方铅矿、闪锌矿围绕砾石发育(图5E),在砾石裂隙间可见有硫化物充填(图6E),砾石内部发育以方铅矿为主的微晶浸染体和细脉状集合体(图6F),硫化物通过交代砾石间胶结物及充填砾石裂隙成矿(图6G)。在南、北矿带K1kz5层位中均发育块状(图5中A、G)、团斑状、细脉状(图5中B、H)、脉状(图5F)矿石,矿石矿物以方铅矿为主,北矿带块状矿石中可见砂岩成分残留(图6B),南矿带块状矿石铅锌硫化物围绕石英生长(图6D),可见方铅矿被白铁矿交代(图6H),闪锌矿和方铅矿充填岩石裂隙(图6I),北矿带古新统阿尔塔什组底部泥质白云岩中同样发育块状(图5I)矿石,表现为铅锌硫化物充填于白云岩开放空间内(图5I),并见有胶状闪锌矿与方铅矿共生(图6C)。南矿带2190m标高中段坑道内,可观察到一条规模不大的正断层(倾向325°~320°,倾角61°~65°)破碎带,断层切穿K1kz5灰白色砂砾岩及E1a泥质白云岩,破碎带内矿石呈角砾状,手持快速分析仪显示Zn有较高品位,白云岩呈角砾状,硫化物(黄铁矿、闪锌矿)为胶结物(图5D)。乌拉根矿床围岩蚀变有碳酸盐化、天青石化、石膏化及褐铁矿化等,蚀变较弱且相对简单。区域还原引起的褪色蚀变广泛发育于容矿砂砾岩层位中。3样品特征和分析方法本次针对乌拉根矿区不同地质位置和产状矿石中的金属硫化物矿物、硫酸盐矿物进行了硫同位素组成分析,对不同地质位置和产状矿石中金属硫化物矿物、部分地层围岩进行了铅同位素组成分析。硫化物样品来自南矿带砂砾岩中的微细浸染状矿石、2190m标高中断裂破碎带内矿石、块状矿石以及北矿带的细晶及粗晶块状矿石、白云岩中块状矿石。硫酸盐矿物硫同位素分析样品为采集自北矿带的脉状天青石和南矿带采矿掌子面E1a层位的石膏。地层岩石铅同位素组成分析样品为K1kz5矿化及无矿化砂岩、K1kz4的砂岩。所有样品均采集自地下坑道和采矿掌子面,新鲜未风化。挑选硫化物单矿物时,首先将矿石样品经表面清洗、晾干后,逐级破碎至60~80目,然后在实体显微镜下挑选纯度达99%以上的单矿物样品,最后将挑纯后的单矿物样品研磨至200目以下,以供分析。硫酸盐(石膏、天青石)及地层岩石样品经表面清洗、晾干后,逐级破碎、研磨至200目以下,以供分析。样品的硫、铅同位素组成分析测试工作在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。硫酸盐硫同位素组成分析时,样品先经艾氏卡试剂溶样并提纯为BaSO4,然后用V2O5作氧化剂制备SO2。硫化物样品则直接与Cu2O按一定比例混合均匀后进行氧化反应,使矿物中硫全部转换成SO2。SO2用冷冻法收集后运用气体同位素质谱仪进行分析,所用仪器型号为FinniganMAT-251。相对标准采用V-CDT,分析精度为±0.2‰,分析结果见表2(包括部分前人数据)。铅同位素组成分析时,所用仪器为ISO-PROBE-T型热电离质谱仪。首先将待测样品(硫化物、地层岩石)放入聚四氟乙烯坩埚中,用混合酸(HF+HClO4)溶样,随后运用树脂交换法进行铅的分离,最后将溶液蒸干后运用质谱仪进行测定。1μg铅的206Pb/204Pb测量精度<0.05%,208Pb/206Pb测量精度≤0.005%,同位素测量精度以2σ计。分析结果见表3(包括部分前人数据)。铅同位素H-H单阶段演化模式运用前人给出的公式进行计算,计算结果见表3。4层下白垩统克孜勒苏群层位中的硫同位素乌拉根铅锌矿床51件矿石硫化物和4件硫酸盐矿物样品的硫同位素组成特征见表2和图7。矿石硫同位素组成变化大(δ34SV-CDT=-27.9‰~14.6‰),极差达42.5‰,其中方铅矿δ34SV-CDT=-27.9‰~14.6‰,平均值为-10.9‰;闪锌矿δ34SV-CDT=-16.3‰~1.1‰,平均值为-6.08‰;黄铁矿δ34SV-CDT=-8.6‰~-4.4‰,平均值为-6.46‰;硫化物大致具有δ34S黄铁矿>δ34S闪锌矿>δ34S方铅矿的趋势(图7)。其中,北矿带矿石硫偏轻,δ34SV-CDT=-24.4‰~-6.1‰,平均-15.2‰,南矿带矿石硫轻重并存,δ34SV-CDT=-27.9‰~14.6‰,平均-4.71‰,北矿带矿石硫同位素平均值明显小于南矿带。硫酸盐(石膏、天青石)δ34SV-CDT值变化范围为17.9‰~18.6‰,极差仅0.7‰。乌拉根铅锌矿石硫化物δ34SV-CDT变化范围大和出现大量负值的特点与本区同样发育于中—新生界沉积盆地内的伽师、萨热克砂岩型铜矿床特征相类似。较宽的δ34S变化范围可能指示成矿流体在盆地内活动期间与不同地层单元发生了相互作用,并继承了不同物质单元的硫同位素特点,或者反映矿石硫的形成方式或来源多样。乌拉根矿床硫化物硫同位素轻重并存,成矿流体在盆内活动期间势必会有地层硫的加入,但地层硫不会是硫的主要来源。乌拉根铅锌矿床主要容矿地层下白垩统克孜勒苏群第五岩性段(K1kz5)顶板古新统阿尔塔什组(E1a)地层中包含有大量石膏、天青石等硫酸盐,足以为成矿提供丰富的硫源。古新统阿尔塔什组(E1a)地层中硫酸盐δ34SV-CDT=17.9‰~18.6‰,十分集中,可能代表了初始硫酸盐的硫同位素值。乌拉根矿床硫化物硫同位素组成具有大幅度波动范围,并远远偏离初始硫酸盐,这种特征明显指示硫化物形成于硫酸盐的生物还原,且还原程度差异较大。在乌拉根矿区南、北矿带以及外围的下白垩统克孜勒苏群层位中见有大量油气显示,且下白垩统克孜勒苏群是区域内杨叶古油藏的储油层及阿克莫木气田(100亿m2)的储气层等地质事实,明显构成有机质热化学还原的有利条件。据前人研究,有机质还原硫酸盐主要分两期:早期作用发生在t<75~95℃条件下,且必须有还原细菌参与,这种还原作用产生的H2S不大可能保持到热液成矿期;晚期发生在t>100~140℃条件下,称为热化学还原作用,由有机质先演化成CH4,再与SO42-作用生成还原硫,反应式为:CH4+SO42-→S2-+CO2+2H2O,这种作用随温度升高而加剧,且在有合适的催化剂(如S0、金属离子、粘土或二氧化硅凝胶)存在条件下反应速度明显加快。虽然乌拉根铅锌矿床没有确切的成矿流体包裹体测温数据,但前人曾对矿区石膏、天青石中流体包裹体测得的均一温度(64~193℃),指示存在有机质热还原作用,且成矿流体中含金属离子等,加快了硫酸盐的还原速度。实验显示,在180~315℃时固态石膏无法和气态烃直接反应,即使在几百度的高温条件下,固态硫酸盐与气态烃反应的几率也非常小。而有机化合物与金属离子在卤水中一起搬运时可与溶解的硫酸盐发生反应并生成方解石和H2S,反应式为:∑CH(烃类)+SO42-→CO32-+H2S↑+H2O。阿尔塔什组(E1a)层位膏岩层大量发育,成矿流体中有机质烃类成分与溶解的SO42-反应,生成H2S,提供了大量成矿所需还原硫。这是有机质热化学还原硫酸盐的另一种方式。另外,当成矿温度大于50℃时,含硫有机物(如石油)可受热分解,生成H2S和CH4。前人测得的流体包裹体均一温度可以作为温度高于50℃的佐证,指示含硫有机物的热分解同样能作为矿石硫的来源,同时分解生成的CH4可发生有机质热化学还原作用。但无论有机质的热分解提供硫抑或地层硫都不可能是硫的最主要来源,其远远不能满足成矿的需求,而大量硫酸盐的生物还原与有机质热化学还原是硫的最主要来源。相对来讲,北矿带硫化物硫同位素组成平均值明显小于南矿带。若以南、北矿带硫酸盐的硫同位素值作为初始值,那么相对于南矿带,北矿带块状矿石硫同位素的生物还原或有机质热还原作用则更加强烈。这种可能的影响因素是北矿带下白垩统克孜勒苏群(K1kz)与古新统阿尔塔什组(E1a)之间吾合沙鲁层间逆断层破碎带(F2)的影响,为油气活动及携带细菌的地下水活动提供有利的通道,使得硫酸盐还原作用更为彻底。乌拉根铅锌矿石中硫化物样品的铅同位素组成较为集中。其中,19件方铅矿206Pb/204Pb=18.612~18.663、207Pb/204Pb=15.619~15.669、208Pb/204Pb=38.677~38.839;6件黄铁矿206Pb/204Pb=18.528~18.626、207Pb/204Pb=15.611~15.638、208Pb/204Pb=38.616~38.732;1件闪锌矿206Pb/204Pb=18.626、207Pb/204Pb=15.638、208Pb/204Pb=38.731,矿石铅同位素模式年龄在39~98.5Ma,平均为56Ma;μ=9.47~9.57,平均值为9.51,ω=36.40~37.41,平均值为36.87,κ=3.72~3.78,平均值为3.75(表3)。7件地层全岩样品206Pb/204Pb=18.362~18.629、207Pb/204Pb=15.594~15.662、208Pb/204Pb=38.38~38.787,模式年龄变化于51.9~194.7Ma,平均值为108Ma;μ=9.46~9.56,平均值为9.51,ω=36.46~37.32,平均值为36.87,κ=3.73~3.78,平均值为3.75(表3)。硫化物与地层全岩无论铅同位素组成还是特征参数均极为相似,暗示两者之间具有亲缘性。将乌拉根矿床所有样品铅同位素投点于铅构造模式图(图8)。图解显示,乌拉根矿床无论地层铅还是硫化物铅同位素都十分均一,均投点于造山带与上地壳之间(图8a)和造山带演化线附近(图8b)。这种特征的铅同位素组成指示成矿物质来源于上地壳和造山带剥蚀区。由于造山带铅具有不均一性,而矿石铅十分均一,暗示成矿可能混合了多种储库的铅,且混合完全。由于Zartman等提供的铅构造模式图过于笼统,而Δβ-Δγ成因分类图解对于揭示地质过程与成矿物质来源能提供更丰富的信息。通过计算Δβ、Δγ值并投点于Δβ-Δγ图解(图8)。可见硫化物样品及地层岩石样品均集中分布于上地壳与地幔混合的俯冲带铅(岩浆作用)范围内。但乌拉根矿床赋存于造山后山间/山前盆地,明显非俯冲带环境且区域内并无幔源岩浆活动及有效沟通地幔的通道。因此,Δβ-Δγ图解可能暗示成矿金属的最初来源为俯冲带岩浆活动。这可与区域大地构造背景相对应,即晚古生代末期南天山洋、西昆仑洋盆在经历广阔大洋阶段后,逐渐闭合并碰撞形成巨型复合造山带,在此过程中发育了多次大规模的俯冲带岩浆活动,壳幔混合作用十分强烈,构成成矿金属的最初来源。中—新生代以来,区域大地构造演化主要表现为陆内变形,南天山、西昆仑山不断遭受强烈的风化、剥蚀作用,成为许多山前/山间盆地的物源区。与此同时,携带有成矿金属的剥蚀物被搬运进入盆地内,并在流体的活动下带出形成含矿流体,最终在合适的条件下交代砂砾岩胶结物并沉淀,从而成矿。乌拉根铅锌矿床成因认识存在颇多分歧。最早被认为是热液矿床;20世纪90年代曾提出沉积型或沉积-弱改造型成因认识,同时认识到乌拉根矿床与金顶矿床可类比,并得到共识。近年来,随着深部地质现象的进一步揭露,研究者相继提出喷流沉积型、热卤水型、层控砂(砾)岩型、砂岩型并可归类为MVT、MVT等不同认识。乌拉根铅锌矿床以下白垩统克孜勒苏群第五岩性段(K1kz5)砂砾岩为容矿主岩,矿体呈板状、顺层分布、局部发育有条带状矿石、且矿区发育角砾状白云岩及天青石岩类似喷流沉积岩、尤其是阿尔塔什组(E1a)角砾状白云岩曾被认为是同生角砾岩,这些特征与SEDEX型矿床有较多相似之处,且喷流沉积成因曾有力指导勘探。但砂岩中硫化物多呈浸染状分布,偶见的条带状矿石并非同生沉积成因,而是成矿流体交代渗透性较好的地层层理而形成的;容矿的K1kz5砂砾岩属干燥气候下的陆相河湖沉积,仅局部有少量海相成分,明显不具备喷流沉积的条件;角砾状白云岩是阿尔塔什组(E1a)底部的石膏层溶解形成的坍塌角砾岩;而天青石岩则是盆地内广泛发育的蒸发岩建造的一部分。硫化物硫同位素及铅同位素均指示还原硫及成矿金属来自于盆地本身;且乌拉根成矿并非在伸展背景。近年来,有学者将乌拉根矿床归类为MVT。乌拉根矿石具有明显的后生成矿特征,所有(块状、浸染状、脉状)矿石均以充填或交代围岩为主要成矿形式;矿区及外围下白垩统层位中发育有大量油气显示(杨叶油苗、阿克莫木气田),并可见容矿的K1kz5层位发育与油气运移相关的区域性不规则褪色蚀变,这些特征与MVT矿床较为相似。但MVT矿床主要以白云岩及少量灰岩等典型碳酸盐岩为容矿岩石,知名MVT矿床也多赋存于不同时代的白云岩中。乌拉根矿床北矿带虽有少量块状矿石赋存于白云岩中,且表现为充填白云岩开放空间成矿,但乌拉根矿石主体发育于砂砾岩中,与MVT矿床容矿岩石类型存在明显差异。浸染状砂岩中矿石虽具后生成矿特点,但都表现为流体交代砂岩粒间胶结物而使硫化物沉淀的特征,白云岩中后生块状矿石则可能是吾合沙鲁断裂的活动使流体再活化、矿质进一步富集时充填开放空间形成的。区域内大规模油气显示也并非MVT判别依据。乌拉根矿石中硫化物铅同位素组成极为均一,与典型MVT矿床富放射性成因异常铅的特征明显不同。位于滇西北兰坪—思茅中—新生界坳陷盆地北段的金顶铅锌矿床,矿体主要产于古新统云龙组(E1y)上段和下白垩统景星组(K1j)中,以含灰岩角砾砂岩、石英砂岩等碎屑岩为容矿主岩;矿体呈板状、脉状和透镜状;硫化物(黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、白铁矿)表现为交代原砂岩中的钙质胶结物成矿;矿石及矿化岩石中含有丰富的干酪根、轻质原油、重油、烃类气、沥青