西秦岭造山带东段喷流沉积型铅锌矿床特征及其成矿模式——以徽县洛坝矿床为例

冯志强，林 丽，刘永江，付修根，庞艳春，王新利

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061

2.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059

3.成都地质矿产研究所，成都 610081

4.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083

0 引言

西秦岭造山带为秦岭造山带的西延部分，地处古亚洲洋构造域、特提斯构造域和滨太平洋构造域交汇的构造带上，经历了多旋回、多阶段、多体制造山过程。该过程为后期成矿奠定了物质基础和热动力条件，因此，西秦岭造山带发育具有多期次成因类型的多金属矿床[1-3]。

西成铅锌矿田位于西秦岭造山带东段，是甘肃省重要的铅、锌矿化集中区之一，现已发现厂坝、李家沟、毕家山、邓家山、洛坝等铅锌矿床。其中，洛坝铅锌矿床于20世纪60年代被发现以后，其成因问题的研究受到众多学者和专家的广泛关注，至今为止，主要有以下几种观点：同生热液沉积-准同生交代成因[4]；热水沉积-强改造矿床[5]；海底喷气-沉积成因[6]；热卤水沉积-再造型层控矿床[7]；洛坝铅锌矿床的有机成矿作用[8-10]。笔者在近期研究工作中发现，洛坝铅锌矿床保留了喷流沉积矿床的特征，后期经历了变质变形叠加改造。

1 区域成矿地质背景

洛坝铅锌矿床位于西秦岭造山带的东段，西成盆地的北东缘，甘肃省西成铅锌矿带的东端。大地构造位置上位于扬子板块和华北陆块之间，北侧以麻沿河深大断裂带为界，与北秦岭加里东褶皱带相接，南以江洛-镇安大断裂为界，与南秦岭加里东-印支期褶皱带相邻[11]（图1）。

西成盆地是秦岭早海西期东西向裂谷带的次级构造盆地，由华北板块、秦岭微板块和扬子板块经多期多阶段俯冲和碰撞形成。该区域断裂构造发育，构造线以近EW向为主，NE、NNE向次之，以吴家山复式背斜为骨架，次级褶皱和断裂较发育。研究区早泥盆世处于次深海环境，晚期由于基底抬升，形成碳酸盐台地，出露地层为吴家山组；中泥盆世在拉张作用下，使区内处于半封闭状态，盆内出露地层为安家岔组和西汉水组，为西成铅锌矿带的主要含矿地层，同时盆地边缘断裂和盆内同生断裂发育更有利于地壳深部甚至地幔物质上升喷流成矿；晚泥盆世时期海域逐渐缩小，海水变浅，盆地逐渐向断陷盆地转化[12]。

2 矿床地质特征

洛坝铅锌矿床位于甘肃省徽县柳林镇沙坝村境内。矿区构造以近东西向为主，由洛坝背斜和南、北两翼的人土山-江洛断裂及黄渚关断裂组成，二者均为控矿构造。洛坝背斜轴线呈北东东-南西西向，并朝两端以小角度（5°～10°）倾伏。轴面上部向北倾斜（40°～60°），下部近于直立，核部以微晶灰岩、硅质岩为主，两翼以千枚岩类为主（图2）。

矿床侵入岩发育，除少量海西期超基性岩脉外，均为印支期酸性侵入岩。地层变质程度较低，在区域浅变质千枚岩相的基础上，局部叠加了一些接触变质、动力变质及围岩蚀变等，多以千枚岩类、板岩类及大理岩、变砂岩类为主；局部构造动力作用强烈，岩石普遍产生碎裂。

图1 秦岭泥盆纪铅锌矿分布图（据文献[6]修编）Fig.1 Regional geology showing mineral deposits hosted by Devonian rocks in the Qinling orogeny（modified from reference[6]）

图2 洛坝铅锌矿床地质图（据文献[6]修编）Fig.2 Geological map of the Luoba Pb-Zn deposit（modified after reference[6]）

围岩蚀变主要表现为硅化、铁白云石菱铁矿化和方解石化，前二者与成矿关系密切。硅化早期以交代灰岩为主，形成不规则团斑状，有时可见少量萤石及辉锑矿化，岩石大多破碎成角砾状；晚期充填岩石裂隙呈不规则脉状，常伴有粗晶方解石团块，分布广泛。铁白云石菱铁矿化主要发育在硅质岩中，具多阶段特征：早期菱铁矿与硅质岩同时生成，呈浸染状散布在硅质岩内；后期呈不规则脉状叠加在硅化作用中，与成矿关系极密切，是主要脉石矿物之一，菱铁矿常被铁白云石交代成假象。方解石化主要见于灰岩及硅质岩中，与成矿无关。

2.1 矿体特征

矿区内所有矿体都分布在洛坝背斜两翼及其近转折端部位。平面上，矿体呈向西、向南斜列排布；剖面上呈由浅到深，从北向南斜列。随着背斜轴由中部分别向东、西两端缓慢倾伏，矿体埋藏亦随之加深。大多数矿体分布在海拔标高1200m处，且矿体延长都大于延深。主矿体多呈层状-似层状（图3）。

矿体顺层产出，与围岩呈似整合接触。矿体因褶皱和挤压致使产状变化较大：矿体上部大致在标高1200m以上，倾向以NNW 为主，倾角50°～60°；中部标高大致在1100～1200m，总体倾向NNW，倾角20°～35°，呈波浪状向下延伸；下部标高大致在1100m以下，倾角为35°～55°。尽管矿体向下有尖灭的现象，但其基本形态仍保存较好。

2.2 矿石特征

矿石矿物组成相对简单，主要金属矿物有闪锌矿、方铅矿、黄铁矿，次要矿物有微量白铁矿、毒砂、黄铜矿、黝铜矿、车轮矿、硫锑铅矿等。其中：黝铜矿、黄铜矿、车轮矿常以固溶体形式分布在闪锌矿、方铅矿内，当黝铜矿含银量很高时，即为银锑黝铜矿；微量硫锑铅矿呈束状集合体与方铅矿共生。

脉石矿物有石英、菱铁矿、铁白云石、方解石，及少量绢云母、炭质、微量萤石等。

矿石构造具有明显的空间变化规律，沿矿体倾向：浅部以层状、角砾状构造和揉皱状构造为主；中部以网脉状-浸染状为主；深部则以块状-斑状为主。

矿石的结构构造比较复杂，既有原生沉积组构的特点，又具有后生组构的特点。原生典型构造主要有：纹层状构造（图4a），黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、铁白云石、方解石与硅化灰岩构成相间分布的纹层，单层厚度为1～1.5cm；浸染状构造（图4b），呈微粒或细粒的菱铁矿、闪锌矿等以“小雪花”点状分散在灰黑色硅质岩中；角砾状构造（图4c），硅质岩、闪锌矿、黄铁矿、菱铁矿等经构造破碎成菱角状大小不一的角砾，大多呈硅质胶结，也可以被细粒黄铁矿或方铅矿等胶结。矿石结构以草莓状或团块状为主。后生构造主要包括他形-自形粒状结构、充填交代溶蚀结构、碎斑结构、固溶体分离结构；矿石构造主要发育斑点状构造、网脉状构造（图4d），晶洞及晶簇状构造。

图3 西秦岭洛坝铅锌矿床联合剖面图Fig.3 Combined cross sections of the Luoba Pb-Zn deposit in the west Qinling

2.3 矿石典型显微组构特征

典型标本的矿相学照片及背散射SEM图像显示，矿石主要发育的构造包括层状构造、不规则网状构造、斑杂构造、角砾状及胶结角砾状构造、块状或团块状构造、多孔构造、斑点构造、通道构造或及淬火构造等。

多孔构造主要由黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿、硅酸岩等矿物充填组成，在洛坝铅锌矿石中非常常见，孔隙大小不均，直径大约为1cm，局部表现出疏密不规则的分带性（图5）。

图4 洛坝铅锌矿床主要矿化类型、矿石特征Fig.4 Major mineraliztions and ore feature in Luoba deposit

图5 多孔状硅质岩样品从核心到表面的横切面显微图片Fig.5 Microscopic images of the cross-section of the porous structure of siliceous rock from core to outside

洛坝铅锌矿床中矿石的淬火构造及通道构造保留下来的很少，而且相当复杂。图6a、6b中显示了含有碳酸盐、硫化物等成矿流体，沿管状通道上升过程中与冷海水相遇，骤冷快速结晶形成了特征性的淬火构造，并进一步交代形成黄铁矿、方铅矿、黄铜矿、铁白云石等（图6c）。

3 矿床地球化学特征

3.1 常量元素特征

Murray[14]认为，岩石中陆源指示性元素TiO2和Al2O3质量分数在热水沉积岩中明显偏低。从表1中可以看出，硅化灰岩中SiO2的质量分数为50.00%左右，而硅质岩样品中SiO2质量分数多数大于60.00%，最高可达94.64%，TiO2和Al2O3质量分数明显偏低，FeO质量分数较高，指示与热水沉积成因有关。

在Al-Fe-Mn三角成因判别图（图7）中，研究区硅质岩投影主要落于热水沉积区，并近于富铁端元。这反映了该区硅质岩具有热水沉积作用特点，可能是由来自深部的热卤水喷流进入沉积盆地的局部凹陷内，于静水还原环境中以化学沉积为主，形成了含有硅质、硫化物的热水沉积物。

图6 多孔状硅质岩样品从核心到表面的纵切面显微图片Fig.6 Microscopic images of the longitudinal-section of the porous structure of siliceous rock from core to outside

表1 洛坝铅锌矿容矿岩石常量元素质量分数分析Table1 Major elements of chert in the Luoba Pb-Zn deposit wB／%

图7 硅质岩的Al-Fe-Mn三角图（底图据文献[16]）Fig.7 Triangle diagram of Al-Fe-Mn of cherts（base map from reference[16]）

以上证据表明，洛坝铅锌矿区硅质岩的特征与海底热水沉积物及典型的热水沉积硅质岩特征相似，而与正常生物化学沉积硅质岩差别较大，因此，该区硅质岩属热水沉积成因。

3.2 微量元素特征

现代地热田和海底热水沉积物的分析表明，Ba、As、Sb、B、Ag、Hg、U主要来自海底热水系统循环淋滤盆地基底岩石中的活泼性元素或深海岩浆房挥发分的直接释放，热水和热泉沉积成因的硅质岩中通常以质量分数高为特征，而且B、Ba、Ti还可以作为反映热液作用与海底喷流作用特征的重要指示元素[17]。从表2可见，洛坝铅锌矿床硅质岩的大部分Ba、As、Sb、Ag、Hg、U、Tl等质量分数较高，显示出喷流沉积的特点。矿石Zn／（Zn＋Pb）值是判断块状硫化物矿床是否为热水沉积的重要标志[18]。热水沉积块状硫化物矿床的Zn／（Zn＋Pb）值通常较高，平均值接近1.00，洛坝矿区矿石Zn／（Zn＋Pb）值为0.21～0.96，平均值为0.65，表明该矿床是热水沉积成矿作用的产物。

表2 洛坝铅锌矿床硅质岩、硅化灰岩、铅锌矿石微量元素分析Table2 Trace elements of chert from Luoba Pb-Zn deposit wB／10-6

表3 洛坝铅锌矿床岩、矿石稀土元素分析结果Table3 Rare earth elements of chert from Luoba Pb-Zn depos wB／10-6

3.3 稀土元素特征

从表3可以看出，洛坝铅锌矿石、硅质岩、硅化灰岩中，均具有LREE相对富集、明显的Eu正异常和中等Ce正异常特征。铅锌矿石样品中w（∑REE）＝ （9.74～16.58）×10-6，LREE／HREE＝4.18～7.44，LaN／YbN＝3.86～7.25，δEu＝1.51～2.36，δCe＝1.10～1.60。硅化灰岩和硅质岩同样具有LREE富集且分异较强的特征。硅质岩样品中w（∑REE）＝（8.00～12.30）×10-6，LREE／HREE＝4.59～6.04，LaN／YbN＝4.71～5.41，δEu＝1.13～2.50，δCe＝1.10～1.24。洛坝铅锌矿区围岩、矿石球粒陨石标准化稀土元素配分曲线具有一致的相似性，均为右倾型，呈现LREE富集特征（图8）。

根据 Wright等定义[19]可知：当log（δCe）＜-0.1，表示氧化环境；当log（δCe）＞-0.1，表示还原环境。洛坝铅锌矿床容矿围岩样品的log（δCe）为0.04～0.09，反映当时洛坝铅锌矿床硅质岩、矿石的沉积成岩环境为较强的海水还原环境，显示出海水与海底喷流卤水共同参与成矿作用。

研究[20-21]认为，典型海底喷流矿床的近源硫化物矿石和喷流岩一般都具有正Eu异常特征。现代洋脊热水系统喷口流体稀土元素组成显示Eu正异常（0.85～4.44），平均为2.29，并且具有强的LREE分异的普遍特征[22]（图8）。洛坝铅锌矿床的硅质岩、矿石的正Eu异常特征明显，说明该矿床与海底喷流沉积矿床沉积具有很大的相似性；将铅锌矿石、含矿岩石的球粒陨石标准化稀土元素配分模式与东太平洋冲绳海槽的黑烟囱和白烟囱流体对比（图8），洛坝铅锌矿区矿石与典型海底烟囱特征的相似性也十分明显，都具有LREE富集和明显的正Eu异常，具备海底热水喷流沉积的特征。矿床的沉积形成是相对高温的含矿热水流体和低温海水混合作用的结果。

3.4 有机地球化学特征

图8 洛坝铅锌矿床围岩、矿石稀土球粒陨石标准化分布型式图Fig.8 Chondrite-normalized REE distribution patterns for rock and ore in the Luoba lead and zinc deposit

有机地球化学测试结果如表4所示。洛坝铅锌矿床与成矿有关的硅质岩（含炭硅质岩、气孔状硅质岩、微晶灰岩）的平均w（饱和烃）＝39.40%，平均w（芳烃）＝11.93%，饱和烃／芳烃平均值为3.30，饱和烃质量分数明显高于芳烃。w（非烃）为5.02%～24.19%，w（沥青质）为24.60%～41.20%，总烃（饱和烃＋芳烃）／（非烃＋沥青质）的值为0.86～1.71，平均为1.24，反映有机质的演化程度高、具有腐泥型有机质的特点，已处于成熟-过成熟阶段。

表4 洛坝铅锌矿床有机质组成特征Table4 Compositional characteristics of organic matter from the samples

该特征可能是后期改造产生持续高异常地热增温，使有机质在高温热水中发生降解作用的结果，该作用进一步促进成矿元素的活化、迁移。洛坝矿床含矿层物性特征及成矿条件分析结果也表明，后期的叠加改造对洛坝矿床的形成起了重要作用[9]。

3.5 硫同位素特征

洛坝铅锌矿床金属硫同位素分析结果（图9）显示，矿床具有偏重硫特征，黄铁矿（围岩）（Ⅰ期）、黄铁矿（Ⅱ期）、闪锌矿（Ⅰ期）、方铅矿（Ⅰ期）和方铅矿（Ⅱ期）δ34S值变化范围分别为9.8‰～12.3‰，3.4‰～7.8‰，8.2‰～13.0‰，8.8‰～14.3‰，4.75‰～9.0‰。硫同位素直方图（图9）显示，总δ34S值为3.4‰～14.3‰，变化范围窄，离散程度较高，平均为8.7‰。Ⅰ期：黄铁矿（围岩）δ34S＞闪锌矿δ34S＞方铅矿δ34S，Ⅱ期：方铅矿δ34S＞黄铁矿δ34S。Ⅰ期矿化硫化物的δ34S值（平均9.8‰）明显大于Ⅱ期矿化硫化物的δ34S值（平均5.6‰）：前者与围岩一致，反映海底喷流沉积时以细菌还原海水硫酸盐为主[23]，在矿床形成过程中，这种深部热水沿生长断裂喷溢到海盆底部后与海盆中的海水混合并产生硫同位素交换；后者为后期变形变质作用下改造热液来源，由于地层硫参与，导致总δ34S值偏低。

图9 洛坝铅锌矿床金属硫化物硫同位素直方图（据脚注① 郑涛，马鹏飞，孔军利，等.甘肃省徽县洛坝铅锌矿床地质详查报告.徽县：甘肃省106地质队，2005.）Fig.9 Histogram of sulfur isoope compositions of sulfides from the Luoba Pb-Zn deposit（after footnote①）

3.6 铅同位素

由表5可见：洛坝铅锌矿床15件矿石样品的206Pb／204Pb＝17.873～18.603，207Pb／204Pb＝15.543～16.054，208Pb／204Pb＝29.420～38.422，矿石铅μ值为9.390～10.380，平均为9.650，具单阶段高μ值演化特点，指示成矿金属来自上部地壳；其Pb-Pb同位素模式年龄为343～624Ma，主要集中分布于453Ma，这个年龄明显老于赋矿地层的年龄（中泥盆世，386～377Ma），故推断铅及与之共生的锌、铁等金属可能来源于沉积基底地层。

表5 洛坝铅锌矿床的铅同位素分析结果Table5 Zircon U-Pb isotope from the Luoba Pb-Zn deposit

表5数据点的207Pb／204Pb-206Pb／204Pb 和208Pb／204Pb-206Pb／204Pb投影图解见图10。方铅矿和硅质岩的铅同位素组成基本一致，数据总体上落在造山带线和上地壳线附近，并呈线性展布，这也从铅同位素的角度证明硅质岩和矿石具有相同的成因。

3.7 流体包裹体特征

依据王集磊等[5]及杨松年等[7]对洛坝铅锌矿床包裹体的研究资料可知，该矿床包裹体主要有两类：液相包裹体和单相液体包裹体。洛坝铅锌矿床中绝大多数包裹体呈扁圆形，其中气液包裹体出现丰度较高，类型组合以液体为主，其次为单相液体包裹体，少量含CO2液体包裹体、气体包裹体和含盐类子矿物包裹体。闪锌矿中的均一温度主要集中于168～350℃，推测其成矿温度为中高温，低-中等冷冻盐度（w（NaCl）为9%～13%）。闪锌矿的气液包裹体成分反映成矿流体的组成类型为Ca2＋-Na＋-Cl--，同位素组成δDSNOW＝-52.8‰～-51.0‰，δ18OSNOW＝-3.54‰～-0.80‰。

上述特征表明，洛坝铅锌矿床的成矿热液流体主要来自大气降水和同生地层水的混合物，成矿后期可能向变质水逐渐演变。成矿温度包括中高温2个阶段，结合地质特征，揭示了成矿的多期多阶段性及矿床主要形成经过了喷流沉积的中温阶段和后期的高温改造阶段。

4 矿床成因及成矿模式

4.1 矿床成因

通过大量的野外地质研究和室内光薄片的微观观察，并对矿体形态产状和规模、矿石矿物特征、典型矿石组构、典型热水沉积岩特征、稀土元素、稳定同位素等诸多方面的系统研究，初步认为洛坝铅锌矿床属海底热水喷流沉积-改造型矿床，其证据如下：

1）矿区内局部硅化较强，发育大量的硅质岩、电气石、喷流口附近的角砾岩等。通过研究岩石的矿物成分、结构构造、显微构造、岩石地球化学特征，认为这些岩石均属于热水沉积相的喷流岩。

2）洛坝铅锌矿床具有层控特征，矿石和矿体常具有顺层条带状构造，淬火显微构造以及同心环带状构造等，反映了同生沉积的特点。该区黄铁矿是所有金属矿物中形成最早的矿物，它总是被晚期的硫化物（包括黄铁矿、闪锌矿及方铅矿等）交代。

3）矿石与主要容矿岩石硅质岩在常量元素、微量元素和稀土元素配分特征上均显示相同性质，具有海底喷流沉积特点。

4）矿床中硫化物矿石的硫同位素显示，喷流沉积的硫源主要以细菌还原海水硫酸盐为主，后期在变形变质改造作用下由于地层硫参与，导致总δ34S值偏低。

5）方铅矿与硅质岩的铅同位素特征具有相似性，表明两者的铅主要来源于上地壳和造山带，并具有相同的来源及相同的演化模式。

6）包裹体统计表明：其组分应是与海水混合后的流体成分，说明成矿流体属盐度不高的硫酸根型热液；主要成矿温度有中、高2个阶段，结合地质特征，揭示了成矿的多期多阶段性，反映了矿床的形成经过了成矿流体上升与冷海水相遇骤冷的中温阶段和后期的高温改造阶段。

图10 洛坝铅锌矿床矿石矿物、硅质岩的207 Pb／204 Pb-206 Pb／204 Pb和208 Pb／204 Pb-206 Pb／204 Pb的投影图解（底图据文献[24]）Fig.10 207Pb／204 Pb-206 Pb／204 Pb and 208Pb／204 Pb-206 Pb／204 Pb diagrams of sulfide minerals，cherts from the Luoba Pb-Zn deposit（base map from reference[24]）

综上研究表明，洛坝铅锌矿床属海底热水喷流沉积型矿床，后期经受了区域变形变质作用的叠加改造富集。

4.2 成矿模式

从新元古代中晚期震旦纪到早古生代初期，西秦岭造山带在统一的深部地幔动力学机制下，经历了早古生代华北与扬子两板块沿商丹缝合带侧向运移与相互作用的俯冲碰撞演化历程，即从早志留世-晚泥盆世，西秦岭已进入俯冲-碰撞造山阶段[1-2]。

早泥盆世，随着东古特提斯洋的逐步扩张和勉略洋盆开启，秦岭微地块分离出来，形成了秦岭造山带三板块沿两缝合带碰撞造山的基本格局[1]。

伸展拉张性构造环境有利于喷流沉积矿床的富集，具体表现为受裂谷控制的克拉通内部及其边缘的沉降盆地或裂谷、地堑[22-25]。

中、晚泥盆世，西秦岭造山带已进入碰撞后期板内伸展阶段，为喷流沉积矿床的富集提供了良好的成矿背景，大陆动力学表现为大陆地壳伸展，发育裂谷和裂陷盆地，在西秦岭造山带东段形成西成盆地及其盆地边缘的同生断层，如呈EW向的江洛-人土山断裂和黄渚关断裂；同时，沿热泉呈长链状发育有丘状生物礁起到良好的障壁作用，使得相对富含硅质的深部含矿流体沿同生断裂上升，并呈线性喷流至海底凹地，与海底沉积物混合沉积形成矿源层，局部地段形成层状贫矿体。

印支运动中，晚期秦岭结束其主造山期而转入陆内构造演化阶段，即后造山早期的伸展垮塌，并以块断裂陷、剪切平移作用造成的山间断陷盆地和拉分盆地及相应的沉积为特点[3]。该时期西秦岭主要受到南北挤压，深部热源再次活动，导致糜署岭黑云母花岗闪长岩基沿黄渚关断裂向上侵位，强烈的构造作用和变质作用使含矿层褶曲变形、破碎，巨大的热动力使矿源层内成矿组分Pb、Zn、Ba等活化运移，在有利的构造和岩性部位（如洛坝背斜北翼及转折端部位）富集，形成洛坝铅锌矿床。

5 结论

1）西秦岭洛坝铅锌矿床产于中泥盆统安家岔组的一套碳酸盐岩内，赋矿岩石主要为硅质岩，其矿床矿化特征、矿石结构特征、成矿期次及矿物共生组合和围岩蚀变等地质特征显示，该矿床具有早期海底热液喷流沉积矿床特征。

2）洛坝铅锌矿石和赋矿硅质岩的铅-硫同位素、稀土元素地球化学、常微量地球化学、有机碳特征、流体包裹体的综合对比研究表明，两者具有相似的演化特征，显示该矿床为海底热液喷流沉积型矿床，后期经历了变质叠加改造。

3）西秦岭洛坝铅锌矿床形成于泥盆纪海底热液喷流沉积作用，但在三叠纪经历了秦岭造山过程，矿区内表现为吴家山背斜的隆起，造山过程引起了广泛的地层变形和区域变质作用，具体表现为地层的揉皱、矿物的重结晶等。因此，洛坝铅锌矿床属海底热液喷流沉积型矿床，后期经受了区域变形变质作用的叠加改造富集。

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