安徽新桥矿床矿相学与Fe同位素特征及其对矿床成因的制约

王 跃，朱祥坤，程彦博，李志红

1.中国地质科学院地质研究所／国土资源部同位素地质重点实验室／大陆构造与动力学国家重点实验室，北京 100037

2.中国地质科学院矿产资源研究所／国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037

0 前言

长江中下游成矿带是我国一个重要的Cu-Fe-Au-Mo多金属成矿带。其中，早白垩世斑岩-矽卡岩型Cu-Fe-Au-Mo矿床主要集中在鄂东南、九瑞、安庆-贵池、铜陵和宁镇5个大型矿集区，在矿床规模和成矿复杂性等方面以铜陵矿集区为代表。新桥大型Cu-Au-Fe-S矿床为铜陵矿集区内的重要矿床之一，前人已对新桥矿床的地质特征、成矿作用过程和控矿构造等方面开展了大量研究[1-18]，然而对该矿床的成因仍存在包括“海西期海底喷流沉积成矿作用的产物[4-11]”、“与燕山期花岗质岩石有关的矽卡岩-热液型矿床[12-17]”、“燕山期热液活动对海西期沉积矿胚层叠加改造的结果[2-3，18]”等不同认识。存在上述争议的主要原因在于新桥矿床以胶状黄铁矿为主的主矿体和栖霞组底部的菱铁矿矿体呈层状、似层状产出，呈现出某些同生沉积的特点。关于“矿胚层”，学者们认为新桥矿床主矿体中的胶状黄铁矿和栖霞组底部发育的菱铁矿为早期沉积形成的，磁铁矿为燕山期热液对矿胚层中的胶状黄铁矿或菱铁矿改造而形成[2，18]。因此，胶状黄铁矿是否为早期沉积形成，磁铁矿是否为胶状黄铁矿或菱铁矿改造后的产物是准确判别新桥矿床成因的关键所在。

随着Fe同位素高精度测试技术的发展，国内外部分学者对Fe同位素在矿床学领域的应用进行了探索性研究，Fe同位素地球化学循环的基本轮廓已基本建立，Fe同位素在示踪成矿物质来源和流体出溶、流体演化、表生蚀变等重要成矿作用过程方面显示出了相当的优越性[19-37]。作为直接参与成矿的元素，Fe同位素地球化学为成矿作用的直接示踪提供了新的途径。

为了解决新桥矿床层状硫化物矿体到底是岩浆热液成矿（与燕山期岩浆活动有关）、沉积成矿（海西期火山喷流沉积）还是叠加成矿（热液活动改造矿胚层）这一基本问题，在大量野外地质观察基础上，开展了矿相学和Fe同位素研究，以期为新桥矿床层状硫化物矿体的成因研究提供新的资料。

1 区域地质概况

安徽新桥矿床位于贵池-马鞍山断褶带中部的舒家店背斜与大成山背斜、盛冲向斜的叠加交汇部位。除第四系外，矿区内出露的地层主要有上泥盆统五通组石英砂岩和砂页岩，上石炭统黄龙组白云岩和灰岩、船山组灰岩，下二叠统栖霞组灰岩和孤峰组硅质岩。在矿区西北部还有上二叠统龙潭组含煤砂页岩、大隆组硅质灰岩和硅质岩以及下三叠统钙质页岩和灰岩分布[1，3]。矿区内最主要的构造是沿上泥盆统五通组砂岩和上石炭统黄龙组白云岩段之间发育的层间滑脱构造（图1）。这一构造始生于印支期，在燕山期强烈的块断-褶皱变动中受到强化和改造，特别是近盛冲向斜核部，该滑脱构造带已波及下二叠统栖霞组，从而构成了巨大的层间（滑脱）破碎带[20]，为区内岩浆岩体的侵位及与之有关的热（气）液成矿活动提供了空间。区内出露岩浆岩多为中酸性岩株、岩枝及不同岩性的岩脉，其中与成矿有关的侵入岩为新桥石英二长闪长岩体（矶头岩体），其主体沿盛冲向斜核部侵位于上古生代地层中，地表形态近椭圆形，长轴呈NE向，面积约0.5km2；其主要岩性为石英二长闪长岩，属高钾钙碱性系列岩石[16-17，21]。前人对新桥石英二长闪长岩体中的锆石进行了SHRIMP精确定年研究[22]，获得的锆石206Pb／238U年龄为（140.4±2.2）Ma，属燕山期。

2 矿床地质特征

新桥矿床由层状-似层状硫化物矿体、菱铁矿矿体以及矽卡岩型和热液脉型含铜硫化物矿体组成。层状、似层状矿体是新桥矿床的主矿体，占总储量的90%[16]。沿上泥盆统五通组砂岩与二叠统黄龙组灰岩之间的层间滑脱构造带稳定延伸，沿走向长约2560m，倾斜方向最宽约1810m，平均厚约20m，主要由含铜黄铁矿石、含铜磁铁矿和黄铁矿矿石及褐铁矿石等组成。矿石主要呈粒状结构、胶状结构和变余胶状结构，致密块状、胶状、网脉状和浸染状构造等。金属矿物主要为磁铁矿、粒状黄铁矿、胶状黄铁矿、黄铜矿、菱铁矿等，以及少量方铅矿、闪锌矿、赤铁矿及金银类矿物等；非金属矿物为方解石、白云石、绿泥石、石英，其次为长石、绢云母等。

菱铁矿矿体主要发育在二叠系栖霞组底部，矿体厚3～31m，延伸50～200m，呈似层状、透镜状产出。菱铁矿矿石主要为晶粒结构，层纹状构造。粒度很细，呈微晶状至泥晶状。矿物组成主要为米黄色的菱铁矿，伴生矿物有黄铁矿、方铅矿和闪锌矿。

矽卡岩型和热液脉型矿体主要位于矿区中部，产于矶头岩体与栖霞组、黄龙组以及船山组灰岩的接触带。矿体呈透镜状或不规则状。金属矿物主要为磁铁矿、黄铁矿、黄铜矿等。非金属矿物有石榴石、透辉石、石英和方解石。矿石类型以磁铁矿为主，次为黄铁矿矿石，以块状、浸染状和脉状构造为特征[18]。有的学者认为，矿石中有的磁铁矿是经由中生代构造岩浆活动改造了部分菱铁矿矿体而形成的[18]。

与矿体密切相关的蚀变作用主要是伴随岩浆热液活动而产生的矽卡岩化、硅化和绿泥石化等。矽卡岩化主要发育在岩体与栖霞组灰岩接触带，形成透辉石-石榴石矽卡岩、透辉石-硅灰石-石榴石矽卡岩和矽卡岩化大理岩等，部分矽卡岩中有浸染状黄铁矿、黄铜矿，构成矽卡岩铜矿石；硅化和绿泥石化主要伴随热液硫化物沉淀而发育，分布广泛。此外，还发育有石英-碳酸盐化，分布亦较为广泛[3]。

3 矿相学

新桥矿床层状主矿体的含铁金属矿物主要由铁的氧化物（磁铁矿）和硫化物（黄铁矿、黄铜矿）组成，且以硫化物为主。据野外观察，黄铁矿可分为胶状黄铁矿、细粒黄铁矿和粗晶黄铁矿3种类型。在空间上，随着远离侵入体，黄铁矿呈现逐渐变粗、自形程度逐渐增高的规律，细粒黄铁矿出现在靠近接触带的位置，远离侵入体转变为粗晶黄铁矿。胶状黄铁矿通常与粒状黄铁矿和黄铜矿共生，共同穿插交代磁铁矿集合体（图2a、b）；在块状构造的胶状黄铁矿、粒状黄铁矿矿石中，往往可以见到磁铁矿集合体呈残块状产出（图2c、d，图3a），说明磁铁矿早于黄铁矿、黄铜矿形成。

上述主要含铁金属矿物的矿相学研究表明，细粒黄铁矿往往呈自形-半自形粒状，手标本和镜下均可见细粒黄铁矿穿插交代磁铁矿集合体，说明其晚于磁铁矿形成 （图3b、c）。同时可见细粒黄铁矿穿插交代胶状黄铁矿，说明细粒黄铁矿晚于胶状黄铁矿形成 （图3d、e）；黄铜矿往往呈他形或半自形产出，交代了胶状黄铁矿和细粒黄铁矿，说明其形成晚于胶状黄铁矿和细粒黄铁矿 （图3f、g）。粗晶黄铁矿往往高度自形，与黄铜矿共生，说明二者形成时间近于相同 （图3h）。

结合手标本和镜下矿相学研究结果，可以厘定新桥矿床主要金属矿物的生成顺序为：磁铁矿→胶状黄铁矿→细粒黄铁矿→黄铜矿＋粗晶黄铁矿。

4 Fe同位素

4.1 分析方法

本次研究选取新桥矿床和凤凰山矿床的8件菱铁矿样品，样品采自新桥矿床露天采场和凤凰山矿床露天采场。

称取质量约1mg的菱铁矿单矿物样品并将其放入Teflon溶样瓶中，加入2mL浓度为6mol／L的HCl，放置在125℃ 的电热板上加热至样品完全溶解。完全溶解的样品蒸干后以1.2mL浓度为6 mol／L的HCl定容溶解，并加入0.001%的H2O2以确保样品中的Fe全部被氧化成Fe3＋后，采用离子交换层析法进行Fe与其他元素的分离[23]。样品的化学处理在国土资源部同位素重点实验室的超净实验室完成。实验所需要的器皿均经过了严格的清洗，实验所用的H2O经Elga系统纯化，电阻为18.2 MΩ，HCl为优级纯试剂在超净室经二次亚沸蒸馏纯化得到，H2O2为优级纯试剂。

图1 新桥矿床地质图（据文献[19]修编）Fig.1 Geological map of Xinqiao deposit（modified from reference[19]）

图2 新桥矿床磁铁矿与胶状黄铁矿穿插关系Fig.2 Photographs of magnetite and colloidal pyrite from the Xinqiao deposit

图3 新桥矿床典型矿石的矿物组成和结构构造Fig.3 Photographs and photomicrographs of selected mineral assemblages from the Xinqiao deposit

Fe同位素的测定在本实验室的Nu Plasma HR型多接收器电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICPMS）上进行，仪器在高分辨模式下运行，采用标准-样品交叉法对仪器的质量分馏进行校正[24]。化学分离后的样品溶入0.1mol／L HNO3介质中，通过自动进样器和膜去溶DSN-100进入等离子体火炬离子化，进样质量分数为5×10-6，样品和标准样品之间分别用10%和1%的HNO3清洗3min和2min。Fe同位素信号在静态模式下用3个法拉第杯同时接收。数据采用牛津大学Belshaw博士提供的基于Unix操作系统的控制软件进行自动采集，每组数据采集10个数据点，每个数据点的积分时间为10s，每组数据采集之前进行20s的背景测定。Fe同位素的测定结果以样品相对于国际标准物质（IRMM-014）的千分偏差表示，即：δ57FeIRMM-014（‰）＝[（57Fe／54Fe）样品／（57Fe／54Fe）IRMM-014-1]×1000。

在95%的可信度内，Fe同位素比值测定的长期重现性优于0.04‰每质量数。Fe同位素测试结果见表1。

表1 新桥和凤凰山矿床Fe同位素组成测试结果Table1 Fe isotope compositions of Xinqiao and Fenghuangshan deposits

4.2 分析结果

新桥矿床和凤凰山矿床的8件菱铁矿样品δ57Fe的总体分布范围为-1.04‰～-0.14‰（表1）。其中：新桥矿床菱铁矿样品的δ57Fe变化范围为-0.68‰～-0.49‰，平均值为-0.61‰；凤凰山矿床的菱铁矿样品δ57Fe变化范围为-1.04‰～-0.14‰，平均值为-0.62‰。所获结果显示以下特征：1）相对于整体硅酸盐地球平均Fe同位素组成[25-45]，新桥矿床和凤凰山矿床的菱铁矿均呈现出铁的轻同位素富集的特征；2）与前人所报道的低温热液脉型矿床中菱铁矿（δ57Fe变化范围为-2.01‰～-1.04‰，平均值为-1.34‰[39]）和宣龙式沉积铁矿床中的菱铁矿（δ57Fe变化范围为-1.06‰～-0.98‰，平均值为-1.03‰[29]）相比，新桥矿床的菱铁矿相对整体硅酸盐地球铁的轻同位素富集程度较低，并且新桥矿床的菱铁矿与凤凰山矿床矽卡岩型矿体中菱铁矿具有相近的平均Fe同位素组成，前者的δ57Fe平均值为-0.61‰，后者的δ57Fe平均值-0.62‰（表1）；3）新桥矿床的赋矿围岩为二叠系灰岩，其δ57Fe变化范围为-0.13‰～0.41‰，平均值为0.07‰[38]，菱铁矿比二叠系灰岩更为富集铁的轻同位素。可以认为，二叠系灰岩全岩的平均Fe同位素组成代表了当时海水的平均Fe同位素组成。根据前人所预测的菱铁矿 与 Fe（II）溶液之间的平衡分馏系数（α56Fe菱铁矿-Fe（II）溶液＝0.99952）[40]，可以计算出自二叠纪海水中沉淀出来的菱铁矿理论平均值应该为δ57Fe＝-0.65‰，本次研究所获得的新桥矿床菱铁矿平均Fe同位素组成（δ57Fe＝-0.61‰）与这一预测值接近。

5 讨论

目前，对于新桥矿床的成因主要观点有：1）海西期海底喷流沉积矿床[4-11]；2）燕山期层控矽卡岩-热液型矿床[12-17]；3）海西期喷流沉积成矿和燕山期热液成矿的叠加改造型矿床[2-3，18]。上述观点中，争议的焦点在于以似层状产出的胶状黄铁矿是否为海西期喷流沉积的产物，以及矽卡岩型矿体中的磁铁矿等矿物是否为早期胶状黄铁矿矿胚层经热液叠加改造形成的。下面将结合矿相学和Fe同位素特征，对磁铁矿成因、胶状黄铁矿与粒状黄铁矿的演化关系以及铁的物质来源3个方面进行讨论。

5.1 磁铁矿成因

在沉积-热液叠加改造型矿床的观点中，新桥矿床被认为是海西期沉积矿胚层被燕山期热液活动叠加改造的结果[2-3，18]。该认识主要基于主矿体中的胶状黄铁矿和栖霞组底部发育的菱铁矿为早期沉积形成的矿胚层，矽卡岩型矿体中的磁铁矿等矿物是早期沉积的胶状黄铁矿或菱铁矿矿胚层受燕山期热液叠加改造形成的，矿胚层提供部分成矿物质。

本次野外观察和矿相学研究结果显示，胶状黄铁矿与磁铁矿两者之间具有直接的穿插关系，磁铁矿集合体或呈残留体产出在胶状黄铁矿矿石中，或被胶状黄铁矿、粒状黄铁矿、黄铜矿网脉穿插交代（图2、图3a），磁铁矿未见残留胶状黄铁矿的变余结构（图3c）。这些特征说明，磁铁矿不是由胶状黄铁矿改造转变形成的，其形成早于胶状黄铁矿。

对新桥矿床中磁铁矿、胶状黄铁矿和菱铁矿Fe同位素组成的研究显示，磁铁矿的Fe同位素组成与胶状黄铁矿和菱铁矿具有较大差别（表1）。首先，新桥矿床矽卡岩型磁铁矿的δ57Fe变化范围为-0.54‰～0.20‰，平均值为-0.11‰，胶状黄铁矿的δ57Fe变化范围为-1.22‰～0.15‰，平均值为-0.41‰，磁铁矿相对胶状黄铁矿富集铁的重同位素。结合流体出溶过程中出溶流体富集铁的轻同位素组成的特征[32]，如果磁铁矿是胶状黄铁矿经后期热液改造而形成的，那么，磁铁矿应该继承原矿物胶状黄铁矿的Fe同位素组成特征，或相对于胶状黄铁矿富集铁的轻同位素。磁铁矿相对于胶状黄铁矿富集铁的重同位素的特征表明，磁铁矿不是由胶状黄铁矿改造而成的，这与上述地质观察和矿相学研究结果相吻合。其次，新桥矿床菱铁矿的δ57Fe变化范围为-0.68‰～-0.49‰，平均值为-0.61‰，相对于磁铁矿明显富集铁的轻同位素。同样，结合流体出溶过程中出溶流体富集铁的轻同位素组成的特征，如果磁铁矿是菱铁矿经后期热液改造而形成的，那么，磁铁矿应该继承原矿物菱铁矿的Fe同位素组成，或相对于菱铁矿富集铁的轻同位素。磁铁矿相对于菱铁矿富集铁的重同位素的特征表明，磁铁矿并非通过热液改造菱铁矿而形成。

矿相学和Fe同位素的研究结果一致表明，新桥矿床矽卡岩型矿体中的磁铁矿不是由胶状黄铁矿或菱铁矿矿胚层改造形成的。

5.2 不同形态黄铁矿间的演化关系

新桥矿床发育胶状、细粒和粗晶3种形态的黄铁矿。其中，胶状黄铁矿是组成新桥矿床层状硫化物矿体的主要矿物。由于此类黄铁矿呈胶状结构，一些学者认为其具有沉积特征，为同生沉积成因，而细粒黄铁矿为胶状黄铁矿受热液叠加改造形成。

本次研究结果显示，细粒黄铁矿往往呈自形-半自形粒状结构，穿插交代胶状黄铁矿，细粒黄铁矿中未见胶状黄铁矿残留体（图3d、e）。同时，胶状黄铁矿往往与粒状黄铁矿组合，共同交代磁铁矿集合体（图2，图3a）。这些特征说明，粒状黄铁矿不是胶状黄铁矿改造形成的，胶状黄铁矿晚于矽卡岩型磁铁矿而早于细粒黄铁矿形成。

对新桥矿床不同形态黄铁矿的Fe同位素组成对比研究显示，胶状黄铁矿、细粒黄铁矿、粗晶黄铁矿的Fe同位素组成具有连续演化的趋势（表1，图4）。首先，在时间上，最早形成的胶状黄铁矿最为富集铁的轻同位素，之后形成的细粒黄铁矿相对于胶状黄铁矿富集铁的重同位素，而最后形成的粗粒黄铁矿具有最重的Fe同位素组成，呈现出从早期到晚期，黄铁矿的Fe同位素组成逐渐变重的时间分带特征（图4）；其次，在空间上，从浸染状分布在近岩体矽卡岩中的粒状黄铁矿，到矿体中的粒状黄铁矿，再到近围岩矽卡岩中的粒状黄铁矿，Fe同位素组成具逐渐变重的空间分带特征（表1，图5）。不同形态黄铁矿之间的Fe同位素组成时空演化规律符合同位素分馏的基本理论。前人[41]实验研究表明，相对于Fe（II）溶液，硫化物（FeS）沉淀优先摄取铁的轻同位素。那么，根据瑞利分馏（Rayleigh fractionation）模式，随着黄铁矿沉淀的进行，残余热液流体会逐渐富集铁的重同位素，从而形成所观测到的Fe同位素时空演化特征（图4、图5）。这说明胶状黄铁矿与细粒黄铁矿、粗晶黄铁矿是同一流体体系演化的产物，具有相同成因。

矿相学和Fe同位素的研究结果一致表明，上述不同形态产出的黄铁矿为同一成矿流体体系演化的产物。

5.3 铁的物质来源

在层状硫化物矿床的众多成因观点中，铁的物质来源是最为关键的问题。前人运用了大量的地球化学方法来解决这个问题，比如微量元素、稀土元素、Pb同位 素 和 S 同 位 素 等[3，18，42-46]。但 这 些 传 统的方法并没有对成矿金属的来源进行直接约束。Fe作为新桥矿床直接参与成矿的元素，为解决这一问题提供了新的途径。

图4 新桥矿床不同生成顺序矿物的铁同位素时间分带特征Fig.4 Temporal variations of iron isotope compositions of selected minerals in Xinqiao deposit

图5 新桥矿床不同位置粒状黄铁矿的铁同位素空间分带特征Fig.5 Spatial variations of iron isotope compositions of granular pyrites in Xinqiao deposit

对新桥矿床层状硫化物矿体和矽卡岩型矿床中含矿岩体、赋矿围岩以及不同含铁矿物的Fe同位素组成研究显示，热液流体交代产物（矽卡岩）和最早从含矿流体中沉淀出来的金属矿物（磁铁矿）均比新桥石英二长闪长岩富集铁的轻同位素。相对于近岩体矽卡岩和磁铁矿，围岩（碳酸盐岩）富集铁的重同位素。根据近岩体矽卡岩和磁铁矿富集铁的轻同位素组成的特征，结合前人的理论和实验研究[47-48]，认为初始的含矿流体富集铁的轻同位素；由于围岩比矽卡岩和磁铁矿富集铁的重同位素，也就是说，这种流体富集铁的轻同位素组成的特征无法通过围岩组分的混合加入来解释，而是流体从岩浆中出溶的过程中分馏导致。这表明，初始流体中的Fe来自火成岩体；另外一个需要探讨的问题是在流体出溶后的矿化过程中是否有其他Fe质来源的加入。Fe同位素研究表明，不同生成顺序、不同空间位置的含铁矿物呈现出从氧化物到硫化物，硫化物从早期到晚期，Fe同位素组成先变轻再变重的时间分带现象（图4）以及自岩体向外，硫化物的Fe同位素组成逐渐变重的空间分带现象（图5）。由于围岩Fe同位素组成的最重端元（0.41‰）远比硫化物Fe同位素组成的最重端元（0.73‰）富集铁的轻同位素，因此，即使围岩贡献百分之百的Fe，也无法形成硫化物Fe同位素的最重端元。也就是说，Fe同位素组成的时空变化规律并不是由于矿化作用过程中围岩中Fe的加入所导致的。根据前人的理论和实验研究结果[41，47-48]认为，这种变化规律是在矿化过程中，随着矿物的结晶沉淀，流体的Fe同位素组成随着时间发生演化导致的，并且其演化趋势与理论预测和实验研究结果相吻合。这表明新桥矿床是同一流体体系演化的产物，矿化作用过程中沉淀的Fe主要来自一个单一来源，即初始流体Fe的物质来源（岩浆源），其他来源的Fe的贡献可以忽略不计。

矿相学和Fe同位素特征共同表明，新桥矿床矽卡岩型矿体中的磁铁矿不是由胶状黄铁矿或菱铁矿矿胚层改造形成的，层状硫化物矿体中的胶状黄铁矿与磁铁矿和粒状黄铁矿为同一成矿流体体系连续演化的产物，具有相同的物质来源，Fe主要来自岩浆。以胶状黄铁矿为主的层状硫化物矿体与矽卡岩型矿体为同一流体体系的产物，与燕山期岩浆热液具有明显的成因关系，而不是早期沉积作用的产物。这一认识与以胶状黄铁矿为主的层状硫化物矿体直接产于泥盆纪五通组砂岩和二叠纪黄龙组灰岩之间不整合面上的地质事实相符合[16]。

6 结论

新桥Cu-S-Fe-Au矿床中胶状黄铁矿与磁铁矿、粒状黄铁矿之间具有明显的穿插关系表明，粒状黄铁矿和磁铁矿不是由胶状黄铁矿改造形成的，胶状黄铁矿早于粒状黄铁矿而晚于磁铁矿形成。同时，磁铁矿相对胶状黄铁矿和菱铁矿均富集铁的重同位素，表明新桥矿床矽卡岩型矿体中的磁铁矿不是通过热液改造胶状黄铁矿或菱铁矿矿胚层而形成；不同形态的黄铁矿之间Fe同位素组成具有连续演化的趋势，表明胶状黄铁矿、细粒黄铁矿、粗粒黄铁矿形成于同一流体体系，具有相同成因；层状硫化物矿体和矽卡岩型矿体中不同含铁矿物、岩体和围岩的Fe同位素组成特征与流体出溶、流体演化规律相一致，并且符合同位素分馏基本理论，表明新桥矿床层状硫化物矿体和矽卡岩型矿体为同一流体体系演化的产物，具有相同的物质来源，Fe主要来自岩浆。新桥矿床以胶状黄铁矿为主的层状硫化物矿体为燕山期热液成矿作用的产物。

本次研究工作一直得到毛景文研究员的指导和帮助，野外工作得到了铜陵有色集团、新桥矿业集团有限公司、安徽地质矿产局321地质队的热情帮助和大力支持，在此致以衷心的感谢。

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