内蒙古花敖包特铅锌银多金属矿床成因探讨：流体包裹体及硫、铅、氢、氧同位素证据

陈永清，周 顶，2，郭令芬

1.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083

2.武警黄金部队第六支队，河南 三门峡 472000

3.哈尔滨师范大学地理科学学院，哈尔滨 150025

0 引言

花敖包特铅锌银多金属矿床位于内蒙古西乌珠穆沁旗境内，南西距西乌珠穆沁旗约138km，北东距霍林郭勒市约75km。大地构造位置上位于大兴安岭成矿带中南段锡林浩特—霍林郭勒成矿亚带，是近年来发现的大型热液脉状铅锌银多金属矿床［1－3］。

目前，对于该矿床成矿物质来源、成矿流体来源及成因探讨方面的研究资料还不够充足，在一定程度上影响了下一步找矿工作及研究工作的开展。成矿物质及成矿流体来源的研究对于研究矿床的成因具有重要意义，而矿床成因的研究则有助于深化对该区成矿规律的认识。为此，笔者主要通过对花敖包特铅锌银多金属矿床地质特征、流体包裹体特征及硫、铅、氢、氧同位素组成特征的研究，结合该区区域地质背景，探讨该矿床的成矿物质来源、成矿流体来源及成因，为研究区及外围找矿工作提供新的启示。

1 矿区地质特征

矿区地层从老到新为：下二叠统寿山沟组凝灰质粉砂岩、凝灰质细砂岩夹板岩，该组地层为主要的赋矿地层；上侏罗统满克头鄂博组灰紫色酸性含集块角砾凝灰岩、含角砾凝灰岩，该组与寿山沟组呈不整合接触；上侏罗统玛尼吐组安山岩、安山玢岩夹岩屑凝灰岩；新近系上新统宝格达乌拉组棕色粉砂质泥岩。总之，地层出露较差，大部分被第四系冲洪积物、冲坡积物、风成沙覆盖（图1）。

区内出露的岩浆岩主要为华力西晚期的超基性岩体、碱长花岗岩（钻孔岩心）和早白垩世的闪长玢岩、花岗斑岩和流纹斑岩，以及花岗斑岩脉与闪长玢岩脉。构造以断裂为主，多为隐伏构造，呈北东、北西、近南北走向，它们控制了中酸性脉岩与矿体的分布。其中控制华力西晚期超基性岩空间分布的NE向梅劳特深断裂是矿体赋存的有利地段。

花敖包特铅锌银多金属矿床已探明矿体多呈脉状，以北东、北西走向为主，倾向南东（100°～130°）、北东（50°～80°）方向，倾角45°～70°。矿体的分布多受NE向梅劳特断裂及下二叠统寿山沟组控制。

2 蚀变矿化特征及矿化阶段划分

2.1 蚀变矿化特征

该矿床矿化以铅锌银多金属硫化物矿化为主，蚀变类型有硅化、绿泥石化、高岭石化、碳酸盐化等。硅化是该矿床主要的蚀变类型，且与矿化密切相关。矿石中主要金属矿物有闪锌矿、黄铁矿、方铅矿、辉银矿、深红银矿、黄铜矿、磁黄铁矿、毒砂等，非金属矿物有石英、方解石、萤石等。

图1 花敖包特铅锌银矿床地质简图Fig.1 Simplified geological map of Huaaobaote Pb－Zn－Ag deposit

矿石结构主要有固溶体分离结构，如闪锌矿中包含有黄铜矿、磁黄铁矿、细粒方铅矿呈固溶体分离结构（图2a）。结晶结构，如他形晶深红银矿（图2b）、自形晶石英（图2c）。交代结构，如：闪锌矿、方铅矿交代石英（图2c）；黄铁矿、闪锌矿交代方铅矿（图2d）；黄铁矿、方铅矿交代石英（图2e）。后期脉状方铅矿穿切闪锌矿与石英（图2f）。矿石构造以致密块状构造、细脉浸染状构造为主，少数呈条带状构造、角砾状构造。

2.2 矿化阶段划分

根据各矿物间及矿物集合体之间的共生、交代及穿插关系，可确定各矿物由早到晚的生成顺序为：自形石英－萤石－黄铁矿－毒砂→自形—半自形闪锌矿－方铅矿（共生的深红银矿、辉银矿）－磁黄铁矿－黄铜矿→石英（脉状）－方解石（脉状）黄铁矿、毒砂（脉状）。

结合矿石、围岩的蚀变矿化特征及矿石矿物、脉石矿物的生成顺序，将该矿床的成矿期划分为热液期（表1），其成矿过程包括3个矿化阶段：自形石英－黄铁矿阶段、闪锌矿－方铅矿阶段及他形黄铁矿－毒砂阶段。

3 流体包裹体研究

3.1 样品与测试

在矿区采集矿化石英脉样品及闪锌矿矿石样品，并将其磨制成用于测温的包裹体抛光片共10件，分别在显微镜下进行包裹体岩相学研究。流体包裹体显微测温分析在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室进行，所用仪器为Linkam MDS600Stage冷热台，温度控制范围为－196～600℃。分析精度为：±0.2℃，＜30℃；±1℃，＜300℃；±2℃，＜600℃。其中，闪锌矿中的包裹体研究要借助于透射红外线显微镜。

流体包裹体的盐度值可利用Bodnar［4］提出的NaCl－H2O盐度－冰点公式计算得出；包裹体的密度利用刘斌［5］提出的经验公式计算获得。

3.2 流体包裹体岩相学

图2 花敖包特铅锌银矿床矿物共生组合Fig.2 Some mineral assemblages in the Huaaobaote Pb－Zn－Ag deposit

石英及闪锌矿中原生包裹体较发育，假次生、次生包裹体相对较少。从包裹体的相态来看，以富液相包裹体（L＋V）为主，气液比为1∶2～1∶8，相界线颜色较深，纯液相（L）、纯气相（V）包裹体较少。包裹体以近圆形、不规则形状及椭圆形为主。石英中的包裹体较闪锌矿发育，包裹体长轴长度为3～10μm；闪锌矿中包裹体的长轴长度多为2～10μm。包裹体的典型特征见图3。

表1 矿物生成顺序及矿化阶段Table 1 The mineral arisen sequence and metallogenic stages

图3 研究区包裹体照片Fig.3 Some typical photos of the inclusions in the study area

3.3 流体包裹体显微测温学

本次研究分别获得127个均一温度数据、50个冰点温度数据。其中，矿化石英脉中包裹体均一温度数据112个、冰点温度数据35个，其余数据来自闪锌矿中的包裹体，测定对象为富液相两相包裹体。

石英中富液相包裹体的冰点温度范围为－4.3～－0.5℃（表2），均一温度范围为146.7～274.3℃，多集中在160.0～235.0℃（图4）。因冷冻过程中未见CO2水合物的形成，表明该流体属于NaCl－H2O体系类型，可在NaCl－H2O体系中计算其相应的流体盐度值［6］。由此计算出的包裹体盐度为0.90%～8.52%，相应的流体密度为0.790～0.943g/cm3。闪锌矿中包裹体的冰点温度为－2.4～－0.3℃，均一温度多集中在145.0～165.0℃，盐度为0.54%～4.53%，密度为0.877～0.942g/cm3。

综上可知，该矿床的成矿温度多集中在中—低温的温度范围内。结合包裹体的均一温度、流体盐度及流体密度等，绘制NaCl－H2O体系的均一温度（Th）－盐度（S）－密度（D）相图［7］（图5）。从图5可以看出，该成矿流体属于低盐度、低密度的不饱和溶液。

3.4 流体成矿压力及深度估算

该区成矿流体盐度较低（低于10%），可根据温度、盐度、密度的关系，采用邵洁涟等［8］所拟定的经验公式估算成矿压力，由此得出包裹体的形成压力范围为9.60～20.26MPa。鉴于该区断裂构造是主要的控矿因素，根据Sibson等［9］提出的断裂带流体垂直分带曲线及孙丰月等［10］所拟合的成矿深度和流体压力间的关系式，获得该区成矿深度为0.96～2.03km，与热液矿床的成矿深度相符［11］。以上数据表明，该矿床形成于中深到浅成的深度范围。

图4 石英、闪锌矿中的包裹体均一温度直方图Fig.4 Homogenous temperature histogram of inclusions from quartz and sphalerite

图5 NaCl－H2O 体系的Th－S－D 相图Fig.5 The phase diagram of Thvs S vs Din NaCl－H2O system

4 稳定同位素特征

4.1 样品及分析方法

挑选新鲜的铅锌银矿石及矿化石英脉样品分别用于硫、铅同位素与氢、氧同位素组成测试，测试工作均在宜昌地质矿产研究所同位素地球化学开放实验室完成。

笔者共采集了21件矿石样品及8件矿化石英脉样品，挑选方铅矿、闪锌矿及石英单矿物后，获得硫同位素样品25件（其中闪锌矿18件，方铅矿7件）、铅同位素分析样品9件（方铅矿）、氢氧同位素分析样品8件。铅同位素采用MAT－261多接收质谱计测试，硫、氢、氧同位素采用 MAT－251质谱计测试，硫同位素结果以VCDT标准给出，氢氧同位素数据以SMOW标准给出。硫、氧同位素分析精度为±0.2‰，氢同位素分析精度为±2‰。本文给出的δ18O值为石英－水平衡分馏转换后水的δ18O值。

4.2 硫、铅同位素

硫同位素的分析数据如表3所示。闪锌矿的δ34SVCDT值为－0.88‰～1.21‰，均值为0.30‰；方铅矿的δ34SVCDT值为－3.61‰～－2.36‰。总体上方铅矿的δ34SVCDT值小于闪锌矿的δ34SVCDT值，说明闪锌矿与方铅矿中硫同位素组成达到了平衡［12－13］。另外，该矿床的δ34SVCDT总体变化范围相对较窄，均值为－0.65‰，说明轻重硫同位素分馏不明显。

铅同位素数据变化范围：206Pb/204Pb为18.013～18.178，207Pb/204Pb为15.344～15.509，208Pb/204Pb为37.519～38.021，μ为9.00～9.31，ω为32.56～35.22，Th/U为3.50～3.66（表4），变化范围很小，认为该矿石铅的组成相对均一。

如图6所示，样品点多落入了μ＝9的增长线上端，仅两件样品点位于其下端。铅同位素数据线性关系较好（相关系数R＝0.981），斜率较初始等时线陡，不具有等时年龄意义。同时也表明该矿石铅为混合铅，它们是不同μ值不同时代的两组正常铅的混合［14］。

图6 花敖包特矿区矿石铅同位素分布图Fig.6 Coordinate of lead isotopes of ore in Huaaobaote mine

表2 流体包裹体的类型与基本特征Table 2 Type and basic features of the fluid inclusions

表3 硫同位素组成Table 3 Sulfur isotope composition of the ores

表4 花敖包特矿石铅同位素组成Table 4 Lead isotope composition of the ores

4.3 氢、氧同位素

石英包裹体中的氢、氧同位素组成如表5所示。δ18OSMOW为－11.78‰～－6.01‰，偏离了岩浆水的δ18O（7.0‰ ～9.0‰）范围［15］。 而包裹体水的δDSMOW为－110.90‰ ～－70.30‰，介于岩浆水δD（－80‰～－50‰）［15］与大兴安岭中生代大气降水δD（－140‰ ～ －90‰）［16］之 间。在δDSMOW－δ18OH2O图解中（图7），投点均落在大气降水与岩浆水之间，显示出成矿流体具有岩浆水与大气降水混合特征。

表5 成矿期石英包裹体中氢、氧同位素组成Table 5 H，O isotopic compositions of the fluid inclusions from mineralization－epoch quartzes

图7 成矿流体δDSMOW－δ18 OH2O图解Fig.7 δDSMOWvsδ18 OH2Odiagram of ore－forming fluids

5 锆石U－Pb定年与成矿年龄

锆石来自与矿化有关的流纹斑岩。显微镜下观察及阴极发光研究分别在中国科学院地质与地球物理所电子探针实验室与中国地质科学院北京离子探针中心完成。锆石的U－Pb年龄测定在中国地质科学院北京离子探针中心SHRIMPⅡ上完成。所测的单个数据点及样品年龄加权平均值误差均为1σ。

对该矿区流纹斑岩中17粒锆石的测年分析结果见表6。矿区流纹斑岩脉中锆石U质量分数变化非常大，为（197.62～1 841.33）×10－6；232Th/238U为0.23～0.99，207Pb/235Th为0.126～0.366；除7个异常点给出较高的年龄值（148.77、154.32、144.04、141.80、144.28、302.64及163.69Ma）外，其余10个点给出了一致的U－Pb等时线年龄（136±3）Ma，MSWD＝0.31（图8），属于早白垩世。

图8 花敖包特矿区流纹斑岩中锆石U－Pb同位素等时线图Fig.8 Diagram showing U－Pb isotopic isochron of zircons from rhyolite porphyry

6 矿床成因探讨

6.1 成矿地质背景

花敖包特铅锌银多金属矿床位于大兴安岭中南段锡林浩特—霍林郭勒多金属成矿亚带，该亚带上富铅、锌、银、铜等多金属矿产，产有拜仁达坝、道伦大坝等铅、锌、银多金属矿床和铜多金属矿床等，是寻找铅、锌、银、铜等多金属矿的有利地段。

区内出露的下二叠统寿山沟组是矿区主要的赋矿地层。矿区内构造和岩浆活动发育，自华力西晚期到燕山晚期均有构造岩浆活动，并伴有超基性和中性酸性岩浆侵入。与成矿密切相关的燕山晚期流纹斑岩脉锆石U－Pb定年结果显示，其等时线年龄为（136±3）Ma，属于早白垩时期。由此，推断其成矿时代可能为早白垩世末。

表6 花敖包特矿区流纹斑岩中锆石U－Pb同位素分析结果Table 6 U－Pb isotopic analytical results of zircons from rhyolite porphyry

自古生代以来，大兴安岭南段经历了两期大地构造演化：古生代及早侏罗世期间处于中亚碰撞造山环境，从中侏罗世到早白垩世则进入了伸展构造体制［17－19］。华力西晚期大兴安岭中南段处于中亚碰撞造山构造背景下，以挤压应力体制下的构造和岩浆活动为主。推测该区北东向压扭性梅劳特深断裂及超基性侵入体、碱长花岗岩即为华力西晚期构造和岩浆活动的产物。自中生代以来，大兴安岭南段伸展造山过程具有明显的阶段演化性，并在晚侏罗世—早白垩世早期构造和岩浆作用尤为强烈，奠定了本区构造岩浆活动带的基本格局［20］。伸展造山作用将引起地壳减薄及与之有关的热流补给，导致深部岩浆上侵，岩浆生成界面则不断抬升。另外，伸展作用引起的构造和岩浆活动频发，为成矿元素的活化、再富集提供了热源、矿源及赋矿空间，形成了构造－岩浆－成矿作用为一体的耦合体系。根据该区流纹斑岩脉的定年结果，推测花敖包特铅锌银多金属矿床是在该伸展造山构造背景下形成的。

结合矿区地质特征，认为区内NE向梅劳特深断裂的多期复活导致了岩浆与矿液的上升侵位，为典型的导矿构造。早白垩世形成的一系列北西向、北东向及近南北向次级断裂为早白垩世的岩体侵入及成矿物质的运移、赋存提供了空间，为储矿构造。

6.2 成矿物质来源

硫是大多数热液矿床中最重要的矿化剂元素之一，其同位素组成特征的研究对于示踪成矿金属元素的来源具有十分重要的意义。研究表明，硫同位素主要有3个储存库：幔源硫，其δ34S值约为0‰±3‰［21－22］；海水硫，海水中δ34S值约为20‰；沉积物中的还原硫，其δ34S值以较大的负值为主［15］。另外，硫同位素的组成又受诸多因素影响。魏菊英等［23］认为硫同位素的组成受热液总硫的浓度和总硫同位素组成、物理化学参数（氧逸度、温度、Eh、pH等）、结晶矿物的种类和相对数量影响。氧逸度比较低时，流体中的S主要以S2－、HS－形式存在，所形成的硫化物δ34S值与整个流体的δ34S值相似；而氧逸度较高时，则以的形式存在，并形成富集34S的硫酸盐，导致成矿流体中亏损34S［24－26］。该矿床主成矿阶段形成的含硫矿物主要有闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、磁黄铁矿、辉银矿、深红银矿等硫化物，未见硫酸盐类矿物，因此该矿床是在低氧逸度条件下成矿的，硫化物的平均δ34S值可以近似地代表成矿热液的总硫同位素组成。

B.A.格里年科等［27］认为要用同位素比值判断金属矿物硫源的性质，不仅要了解各类具体矿床的硫同位素变化特点和分馏趋势，而且还要注意金属硫化物中硫的混合和均一化作用。若金属硫化物的δ34S为4‰～10‰，这种变化既可能与硫酸盐岩和岩浆硫的混合有关，亦可能与从地壳中吸取的各种成因硫有关；若金属硫化物的δ34S为10‰～20‰，可以确定其中有地壳硫。

研究区矿石硫化物δ34S值为－3.61‰～1.21‰，均值为－0.65‰，接近于0‰。据此推测，该矿床的硫主要为幔源硫，包括岩浆释放的硫和从火成岩硫化物中淋漓出来的硫［24，28－31］。该矿床硫化物的δ34S值虽然分布在0‰附近，但仍有一定程度的变化（－3.61‰～1.21‰，极差为4.82‰）。Deines［32］认为幔源硫具有陨石硫同位素的组成特征，分布在0‰附近，而δ34S值为－6‰～6‰的硫同位素组成则与地壳再循环组分有关。从硫同位素组成直方图（图9）中可以看出，样品的δ34S峰值为－3.5‰～－2.5‰（方铅矿）、0‰～0.5‰（闪锌矿），呈双塔式分布，这与中国绝大多数岩浆活动有关的热液铅锌矿床闪锌矿、方铅矿硫同位素组成一致［33］。闪锌矿δ34S大于方铅矿的原因可能是因为在热液成矿体系平衡结晶过程中，闪锌矿比方铅矿具有更强的键合能力［34］。

图9 花敖包特矿床的硫同位素组成分布直方图Fig.9 Sulfur isotopic distribution histogram of Huaaobaote deposit

铅同位素演化特征对成矿物质来源的示踪同样具有重要意义。通常认为，铅同位素组成特征值（如μ值）的变化能提供地质体所经历地质过程的信息，反映成矿物质的来源。研究表明，若铅同位素特征值μ＞9.58，反映铅是来自U、Th相对富集的上部地壳物质，μ值相对低的铅可能来自于下地壳或者上地幔［35］，高ω低μ的铅可能来自下地壳［36－37］。该区矿石铅同位素μ为9.00～9.31，低于9.58，但又高于地幔原始环境铅μ值（8.92）；ω为32.56～35.22，低于地壳铅ω平均值（36.84）；Th/U 为3.50～3.66，均值为3.58，略高于地幔铅的 Th/U（3.45），表明矿石铅可能主要来源于上地幔或下地壳［38］。

为了确定该矿床中矿石铅的来源，将铅同位素比值分别投影到Zartman等［38］提出的206Pb/204Pb－207Pb/204Pb、206Pb/204Pb－208Pb/204Pb图（图10）上。可以看出，样品点多落在上地幔铅的演化线附近，部分样品点落在造山带铅与下地壳铅的演化线附近，因此，推测其矿石铅可能主要来源于上地幔和/或下地壳。

图10 花敖包特矿床矿石铅同位素构造模式图（底图据文献［38］）Fig.10 Diagram of lead isotopic composition of the ore from Huaaobaote deposit（base map from references［38］）

朱炳泉［39］提出的 Δβ－Δγ成因分类图解能消除时间因素的影响，对于研究矿石铅的源区具有更好的示踪意义。将该区的铅同位素参数投在Δβ－Δγ成因分类图解上（图11）。可以看出，样品点多落入了幔源铅区域内，呈线性分布，并向造山带铅及上地壳与地幔混合的俯冲带铅边界偏移。这一特征与Zartman等［38］的铅构造模式图中铅同位素数据的分布特征基本一致，反映成矿物质来源于上地幔，并有向壳幔混合俯冲带岩浆作用区演化的趋势。

硫、铅同位素的数据皆表明该矿床的成矿物质主要来源上地幔，控制超基性岩和矿带呈NE向分布的梅劳特深断裂的多期活动为幔源矿质的运移提供通道和驱动力，与其配套的次级断裂为矿质的沉淀聚集提供了场所。

图11 铅同位素Δβ－Δγ成因分类图解（底图据文献［39］）Fig.11 Δβ－Δγ genetic classification diagram of lead isotope（base map from references［39］）

6.3 成矿流体来源

从流体包裹体均一温度（Th）－盐度关系图（图12）中可以看出，当流体盐度从0.54%到8.52%变化时，均一温度只在有限的区间内变化，说明该区流体是与不同盐度的流体近等温混合的结果，而等温流体只能由同期的岩浆水提供。成矿期石英包裹体中的氢、氧同位素组成特征显示，成矿流体具有岩浆水与大气降水混合特点。由此推测，早白垩世的岩浆在侵位结晶过程中，为该区的成矿作用提供了热动力与岩浆水；结合硫、铅同位素组成综合分析，成矿流体可能是以岩浆水为主、大气降水为辅的混合成矿流体。

图12 均一温度－盐度关系图Fig.12 Diagram of Thvs w（NaCl）

6.4 矿床成因

综上所述，花敖包特铅锌银多金属矿床的形成可概括为：华力西晚期大兴安岭中南段处于中亚碰撞造山构造背景下，深部岩浆沿着梅劳特深断裂侵入，形成了该区与下二叠统寿山沟组呈断层接触的超基性侵入体。自中生代以来，大兴安岭南段进入了伸展造山构造体制，从三叠纪到晚白垩世，伸展作用持续演化，而伸展造山作用将引起地壳减薄及与之有关的热流补给，导致深部岩浆上侵，岩浆生成界面不断抬升至地壳。同时，幔源的铅锌硫等成矿元素也不断被带至地壳。此外，在此伸展构造背景下，梅劳特深断裂的多期活动，不仅触发早白垩世岩浆沿着断裂通道上升侵位，为该区的成矿作用提供了热液及热动力，而且在叠加改造早期构造的基础上，形成了以北西向、北东向为主的次级断裂系统，为成矿元素的活化、再富集提供了通道及赋存空间。由此，形成了该区构造－岩浆－成矿作用为—体的耦合体系。成矿早期形成了以自形石英、自形黄铁矿、自形毒砂为主的矿物组合；随着温度、压力的降低及流体中气体成分（如F2、CO2等）的减少等物理化学条件的改变，流体携带成矿物质的能力逐渐降低，成矿物质在中深—浅成的构造有利部位富集沉淀，形成了闪锌矿、黄铜矿、方铅矿（辉银矿、深红银矿）、萤石、方解石、石英等矿物；最后，受构造脉动和流体温度持续降低等因素的影响，形成了脉状毒砂、黄铁矿和方铅矿等矿物。最终堆积形成了受深断裂、早白垩世构造岩浆活动与寿山沟组多重地质因素控制的中—低温热液型铅锌银多金属矿床。

7 结论

通过对花敖包特铅锌银多金属矿床的矿物组合、同位素和流体包裹体等特征研究，得出结论如下：

1）该矿床成矿过程包括3个矿化阶段：自形石英－黄铁矿阶段，块状闪锌矿－方铅矿阶段，细脉状黄铁矿－毒砂－石英－方解石阶段。

2）矿化石英脉及闪锌矿中的流体包裹体测温结果显示：该矿床属于中—低温矿床；成矿流体具有低密度、低盐度及不饱和的特点；流体成矿压力及深度估算结果显示，该矿床形成于中深—浅成环境。

3）矿石中金属硫化物的硫、铅同位素分析结果显示，该矿床的成矿物质主要来源于上地幔；石英包裹体中H－O同位素组成表明，成矿流体以岩浆水为主，部分为大气降水。

4）结合区域地质特征及构造演化，认为该矿床是在大兴安岭南段中生代伸展造山构造体制背景下形成的受深断裂、早白垩世构造岩浆活动，以及寿山沟组多重地质因素控制的中—低温热液型铅锌银多金属矿床。

感谢在野外工作和资料收集方面给予大力支持的内蒙古玉龙矿业股份有限公司领导与工作人员，以及一起参加野外工作的2008级硕士研究生韩学林和秦东锐等，中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室在包裹体测温工作上给予了很大帮助，宜昌地质矿产研究所同位素室测试了相关样品，在此深表感谢。

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