锡铁山铅锌矿喷流沉积系统硫化物硫同位素特征及其地质意义

锡铁山铅锌矿喷流沉积系统硫化物硫同位素特征及其地质意义

锡铁山矿床位于蒙古国海西州大柴丹行委员会。据报道，该矿床含有500多万吨铅和镀锌储量。这是中国最大的纯磷矿床之一。床型为喷流沉积物（sedex）（邓继牛，1994；张德权等，2006）。海上运输沉积体系相对完整，包括管道相、近喷口相和远端沉积相（朱新友等，2006a、2007a和b）。SEDEX及VMS矿床硫同位素来源的研究很多,大多数研究认为硫的最初来源与海水硫酸盐的还原有关,也有很多研究认为硫来自于深部,尤其是一些硫同位素组成范围小,δ34S值靠近0值附近时。锡铁山矿床前人的硫同位素分析结果为δ34S=+1.3‰~+5.4‰,平均+3.3‰,塔式分布,认为硫的来源与火山作用有关,有深部(幔源)特点,是VMS矿床类型的主要依据之一。但由于近年来锡铁山矿床成矿模型的重新认识,加之同位素分析技术的发展,本文的硫同位素研究从新的角度重新解释矿床硫同位素的组成与来源特点。1锡铁山u3000主矿锡铁山矿床产于柴达木地块北缘早古生代裂陷的中基性火山-沉积岩系中。奥陶系滩涧山群(O3tn)在锡铁山矿区发育a-b、c、d四个岩组、三套火山沉积岩系(图1),三者间为断层接触。矿床赋存在滩间山群a-b岩组的沉积岩-火山碎屑岩中,其中,O3tna-1为绿泥石英片岩夹绢云母石英片岩,NE侧以大型韧性剪切带与前寒武纪达肯大板群变质岩接触,其间发育数十米~数百米的断层破碎带和韧性剪切带以及大量的榴辉岩,是我国最重要的超高压变质带之一(杨经绥等,2003);O3tna-2为绢岩石英片岩、炭质石英片岩、钙质石英片岩,夹大理岩,为赋矿层;O3tnb为玄武安山岩、安山岩等,区内出露很少,以断层与O3tnc紫色砂岩接触。a-b岩组走向NW,与区域构造产状一致,倾向SW,在锡铁山地区的层序倒置,即原始层序自下而上为O3tnb、O3tna-2、O3tna-1,本文中的地层关系按照恢复后的层序叙述。大理岩与成矿关系密切,平面及横剖面上呈楔型状,长>2500m,锡铁山沟以西厚度达200m以上,向东减薄(图1,图2),中间沟(矿区东南部,大致在-20~-40线)以东逐渐尖灭(图1),横剖面上呈下宽上窄的楔形(图3),纵投影图上呈长>2500m,宽约1000m的不均匀沉积物。研究认为,锡铁山含矿层的大理岩最初是喷流沉积的产物,仅分布于矿区,δ18O=9.6‰~13.8‰,δ14C=-4.4‰~0.5‰,87Sr/86Sr=0.7113~0.7148,属喷流沉积岩,物质来源于喷流卤水与海水(祝新友等,2007b)。炭质片岩主要发育于大理岩或层状矿体的NE盘(上盘),其中有细粒浸染状黄铁矿。在厚层大理岩的SW盘,发育网脉状石英钠长岩,与片岩呈过渡状、交代接触关系,其中广泛发育石英和钠长石网脉以及多世代的热水角砾,含少量浸染状黄铜矿和黄铁矿,属喷流沉积系统的管道相(祝新友等,2007a)。矿化以铅锌为主,少量硫铁矿体。铅锌矿体分为非层状矿体与层状矿体,二者矿物组合相同,前者不规则状赋存于厚层大理岩中,以往被认为是“沉积-改造”的主要证据,现已证实属于喷流过程中形成于海底表面之下的后生矿床部分(祝新友等,2006a)。其下部(SW盘)的大理岩中局部可见到呈脉状分布的硫化物矿脉(垂直大理岩层理发育,分布于非层状矿体与网脉状钠长岩之间,发育热水角砾岩,矿物组合与非层状矿一致),与非层状矿体连通,属于非层状矿体的供给系统;层状矿体分布于大理岩尖灭处的炭质片岩、绢云母石英片岩或钙质石英片岩中,少量粗条带状矿体分布于薄层大理岩的上下盘,整合产出,发育条纹条带状结构构造。矿体中主要矿物包括黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、方解石等,随远离大理岩和管道相,层状矿体的粒度变细,并在较远端条纹状矿体中出现自形柱状石英。在纵投影图中,位于角砾岩筒上方的大理岩最厚,向外侧减薄,非层状矿体分布于角砾岩筒上方的大理岩中,层状矿体分布于外侧;大理岩、网脉状石英钠长岩(角砾岩筒)、非层状矿体及层状矿体皆呈长条状向东南方向侧伏,侧伏角约20°(图3)。位于主矿区东南侧断层沟地区(大致在-40~-100线)的铅锌矿化赋存层位与锡铁山本区相同,均呈脉状,受控于断层或片理,是矿床在后期改造作用过程中形成的。前人将锡铁山矿床的矿化分为3个矿带,I、II矿带为大理岩中的矿体,分别位于NW侧和SE侧,大部分相当于非层状矿体;将片岩中的矿体归为III号矿带,相当于层状矿体。20世纪80年代开展的成矿规律研究测定了一批硫同位素数据1,大部分取自I、II矿带,即非层状矿体中,仅1件取自III号矿带的矿体(片岩型矿体)。锡铁山矿床地表及浅部矿体与近矿围岩中赋含有大量的石膏,也曾作为喷流沉积型成因的重要证据之一(张德全等,2005)。石膏仅分布于地表、浅部,深部的石膏极少见,且与岩溶发育有关。石膏硫同位素组成δ34S值一般在4‰~5.9‰(祝新友等,2006b),与硫化物的硫同位素组成接近,明显不同于海相沉积的石膏或是SEDEX矿床中的喷流沉积的石膏,与SEDEX矿床中喷流沉积形成的重晶石之硫同位素组成也完全不对应。这种硫同位素值与现代地下水体形成的石膏是相似的,尤其是西部干旱地区有色金属矿区近地表由地下水形成的石膏(祝新友等,2006b)。锡铁山矿床的石膏主要也是现代水体作用的结果,属矿床氧化带或次生富集带的产物。因此,本文对锡铁山矿床的石膏不作讨论。2含矿地层、矿体及矿体样品取自矿石或各类含硫化物矿物的岩石,单矿物分离纯度>98%,硫同位素质谱测定由中国地质科学院矿产资源研究所在MAT-230质谱仪上完成,δ34S以V-CDT为标准,分析精度为±0.2‰。锡铁山矿床共针对本区、断层沟地区不同产状的硫化物,包括矿石和围岩,共分析样品45件。考虑到前人曾开展过大量的研究测试,以往的主要测定对象为大理岩中的非层状矿体中的硫化物(以往编为I、II号和III号矿体),因此,本次测定的主要对象为层状铅锌矿体、炭质片岩以及石英钠长岩中的硫化物。分析结果如表1、图4。硫化物矿物硫同位素组成分布集中,除一件炭质片岩中的样品δ34S=+12.6‰外,44件样品δ34S=+1.3‰~+5.4‰,平均+3.3‰。其中黄铁矿δ34S=+2.3‰~+5.4‰,平均+3.7‰;闪锌矿δ34S=+1.3‰~+4.0‰,平均+2.8‰;方铅矿δ34S=+2.0‰~+2.9‰,平均+2.4‰。δ34S黄铁矿>δ34S闪锌矿>δ34S方铅矿,总体上处于平衡状态。本次研究测定的硫同位素组成范围与前人在锡铁山测定的结果是相似的,李如珊等(19841)分析样品共54件,其硫化物δ34S=-1.4‰~+6.1‰,其中黄铁矿δ34S=+2.1‰~+4.1‰,平均+3.43‰;闪锌矿δ34S=+1.3‰~+4.0‰,平均+4.26‰;方铅矿δ34S=+2.0‰~+2.9‰,平均+1.00‰。具有塔式分布的效果,也因此推断成矿的硫具有深成岩浆来源,或与海相火山作用有关(邬介人等,1987)。3讨论3.1研究区地质特征锡铁山矿床硫化物的硫同位素组成总体上较均一,呈小的正值,塔式效应明显(图4)。这与喷流沉积铅锌矿床δ34S分布范围大的特点差异较大,而与火山岩容矿的块状硫化物矿床更接近。对不同产状矿石的硫化物δ34S组成分析结果看(表2),以黄铁矿的分析值为例,从低至高,顺序依次为:网脉状石英钠长岩(0.8‰)→断层沟的脉状铅锌矿(2.93‰)→非层状矿体下部的脉状系统(2.95‰)→层状矿体(3.39‰)→非层状矿体(4.48‰)→炭质片岩(6.26‰)。网脉状石英钠长岩代表了沿同生断裂发育的管道相系统,其中一件样品硫化物的δ34S=0.8‰,在所有硫化物样品中最低,显示出深部来源的特征。分布于大理岩中非层状矿体下盘的石英硫化物脉体,代表深部供给系统,黄铁矿平均δ34S=2.95‰,高于石英钠长岩,但低于硫化物矿体。非层状矿体较层状矿体具有明显高的硫同位素组成。不同产状的层状矿体略有差别,整体低于非层状矿体,产于大理岩下盘的粗条带状矿体δ34SPy=3.68‰,片岩中的矿体δ34SPy=3.19‰,次生石英岩中残留的条带状矿体δ34SPy=3.45‰。锡铁山矿床大理岩与(片岩)层状铅锌矿体上盘(NE盘)发育炭质片岩,其中含1%~5%浸染状黄铁矿,代表了喷流作用结束后的沉积。黄铁矿δ34S值较高,分布范围大,5个样品δ34S=3.5‰~12.6‰,平均6.26‰,即便扣除12.6‰的样品,平均值仍为4.54‰,在所有采样对象中δ34S值最高。大量炭质的存在显示广泛的生物有机质作用,这种硫主要来自海水硫酸盐的生物还原,也包含有早先喷流活动对周边海底环境影响尤其是海水δ34S值影响的结果。3.2网脉状蚀变钠长岩局部特征硫化物矿物间的硫同位素组成除个别样品外,δ34S黄铁矿>δ34S闪锌矿>δ34S方铅矿。以硫同位素温度计计算获得的温度范围147~952℃,大部分温度值>400℃,而矿床流体包裹体均一温度一般在200~300℃,网脉状蚀变钠长岩局部有超过400℃的温度。由此看来,锡铁山矿床中硫化物间的同位素分馏并未达到真正意义上的平衡,硫化物间的实际分馏值较平衡热力学意义上的分馏差值小得多。在网脉状石英钠长岩及非层状矿体中,由于发育广泛的热水角砾作用,硫化物也具有多世代特性,不同硫化物间也不能达到同位素分馏平衡。矿物间硫同位素分馏值差值具有一定的规律性,以黄铁矿-闪锌矿δ34SPy-Sp差值为例,产于海底表面以下的硫化物,包括网脉状石英钠长岩、矿下供给脉带以及非层状矿体,δ34S差值较小,一般<0.4‰。但层状矿体,尤其是产于片岩中的条纹状矿体,分馏差值一般较大,很多样品都>1‰。这种规律似乎又显示出“沉积的”与“热液的”硫化物的硫的来源与演化不同。3.3s值的对比针对层状铅锌矿体开展了3条同位素地球化学剖面,分别位于钻孔ZK44007-16(07线)、2942中段25线以及2822中段09线,均相对远离喷口。其中,钻孔ZK44007-16有强烈的次生石英岩化,属喷口活动晚期的硅化,其中含少量钠长石。硅化刺穿了层状矿体,并在次生石英岩中残留部分的条带状分布的硫化物,或条带状矿石。2942中段25线发育厚层的粗条带状矿体,位于大理岩的SW盘。2822中段09线剖面的矿体呈层状分布于绢云片岩中。3条剖面的硫同位素组成变化特点相似(图5),黄铁矿的δ34S值均呈自下而上降低的趋势。2942中段25线剖面,层状矿体NE盘为大理岩、SW盘为绢云片岩,厚12m。除紧邻片岩的样品黄铁矿δ34S值为3.3‰外,由下往上,δ34S值由4.5‰逐渐降至2.3‰。2822中段09线绢云片岩中产多层条带状矿体,除一件样品外,δ34S值由3.2‰降至2.8‰。ZK44007-16中次生石英岩中残留层状矿体的硫化物也符合这一规律,虽然晚期的喷口活动引起次生石英岩的剌穿虽破坏了层状矿体形态,但并未根本上改变层状矿体的层序。三条剖面规律性相似,显示远离喷口系统的沉积相(层状矿体)在喷流沉积过程中硫化物δ34S值的系统降低,这与日本黑矿的特点相同,δ34S自下而上逐渐减小(Ohomoto,1974)。加拿大Sullivan矿床下部条带状矿的演化特点也是如此,δ34S值自下而上由0‰→-8‰,Tayloretal.(2000)对此的解释是生物作用形成的H2S的大量加入导致硫化物δ34S值的降低,也显示出较开放的体系。喷流作用促进了外围地区的生物繁盛,导致了大量H2S的形成。在广西大厂高峰矿床也存在类似的现象,Zhaoetal.(2006)解释其为相对封闭体系中硫酸盐的不同还原程度所至,下部矿体还原程度高,硫化物δ34S值也高,上部矿体还原程度低,硫化物δ34S值也相对低。另外,炭质片岩中硫化物较高的δ34S值,尤其是个别特高值,也可能与喷流作用结束后沉积凹地中残留的硫δ34S值的升高,即长期持续的生物还原作用整体上逐渐提高了附近(沉积洼地)残留海水和硫化物的δ34S值,32S倾向于集中于硫化物中,而残留的卤水δ34S值会升高。3.4锡铁山矿床硫同位素组成SEDEX矿床通常具有较宽的δ34S值分布范围,如甘肃厂坝铅锌矿δ34S=15‰~27‰(俞中辉等,2008),陕西银洞子铅锌矿δ34S=-1.9‰~25.1‰(王亚力,1992)、内蒙狼山地区铅锌矿东升庙21.7‰~41.84‰、炭窑口29.1‰~38.5‰、甲生盘17.0‰~31.4‰、霍各乞3.6‰~23.5‰(DingandJiang,2000;彭润民等,2004)、RedDog矿床δ34S=14‰~50‰(Elswicketal.,2000)。如果含矿层序中火山岩含量增多,δ34S值分布范围也往往会减小,塔式效果更加明显。如新疆科克塔勒δ34S值集中于-12‰~-18‰(王书来等,2007)、加拿大Sullivan矿床δ34S=-9.9‰~6.8‰(Tayloretal.andBeaudoin,2000)。而VMS矿床的δ34S值常在0‰附近(Huston,1999),如伊比利安矿带的矿床(Invernoetal.,2008),新疆阿舍勒铜矿δ34S=0‰~8‰(王登红,1996)。与国内外主要SEDEX矿床相比,锡铁山矿床硫同位素组成更加均一,分布范围更小,塔式效果更加明显,硫化物的硫同位素组成特点介于SEDEX与VMS矿床之间,更加接近于火山岩容矿的块状硫化物矿床(VHMS)。这与锡铁山矿床含矿滩间山群中富含火山岩的特点有密切的关系,从这层意义上讲,锡铁山矿床具有的SEDEX与VMS矿床的过渡特点。位于喷流沉积系统下部,未喷出海底地表的地质体,如代表管道相的石英钠长岩、非层状矿体下部的供给脉带等,δ34S值均很低,尤其是网脉状石英钠长岩,黄铁矿δ34S=0.8‰,具有深源流来源的特点,流体包裹体的研究也显示,成矿作用中有深源流体的参与(王莉娟等,2009)。炭质片岩中的黄铁矿δ34S=3.5‰~12.6‰,偏离0值,分带范围大,与很多SEDEX铅锌矿床硫同位素组成更加接近,代表了海水硫酸盐还原硫的组成。主要的铅锌矿体(包括层状矿体和非层状矿体)硫化物的δ34S值均位于上述两种硫同位素组成之间,更靠近炭质片岩中的黄铁矿δ34S值。产于大理岩中的非层状矿体平均δ34S=4.48‰,高于层状矿体的δ34S=3.25‰,由于二者成矿温度相当(王莉娟等,2008),这种差异不大可能因同位素分馏引起,而可能与碳酸盐岩中常含有的微量硫酸盐有关,这种硫酸盐保存了同期沉积环境硫酸盐的硫同位素记录(Claypooletal.,1980;Strauss,1993),往往具有较高的δ34S值,另外,非层状矿体与层状矿体相比富铅贫锌,形成可能稍晚,成矿物质沉淀时可能更多地受到海水来源硫的影响,引起硫化物的δ34S值相对更高一些。在喷流沉积系统的模型图解中(图6),自管道相网脉状石英钠长岩→网下脉带→矿体→炭质片岩,δ34S值呈系统性的变化。因此,锡铁山矿床硫化矿体硫同位素兼具有海水硫酸盐还原硫与深部热液来源两种属性特点,成矿硫源自这两种来源的混合,但其中主体来自海水硫酸盐的还原。有关SEDEX或VMS矿床的硫同位素研究大多倾向于硫来源自海水硫酸盐的还原(OhomotoandGoldhaber,1997;Sangster,2002),但还原机制各不相同。由海水硫酸盐还原形成H2S进而沉淀的硫化物的δ34S值差异较大,取决于硫酸盐的还原方式(细菌还原或是热力学还原)、硫酸盐还原与补给的相对速率、海水硫酸盐初始的δ34S值等因素(OhomotoandGoldhaber,1997;Taylor