滇西金厂河矽卡岩矿床C-O同位素地球化学特征

杨建光，陈 伟，杨天云露

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.滇西应用技术大学，云南 大理 671000)

0 引言

滇西保山地块是我国西南地区重要的Pb-Zn-Fe-Cu-Ag-Hg-Sn-Sb矿集区和铅锌矿产资源生产基地[1-2]。从北到南分布有以核桃坪、金厂河、西邑、东山、勐兴、芦子园等为代表的10余个大中型铅锌(铁铜)多金属矿床。近年来金厂河矽卡岩矿床勘查工作取得了重大突破，其Fe、Cu、Pb、Zn的储量均已达到中大型规模[3]，但其研究工作仍相对滞后于同类型的芦子园和核桃坪矿床。相关研究主要对金厂河矽卡岩矿床的地质特征、成矿年代学和成矿物质来源等进行了探讨[1,3-6]，并初步认为矿区深部可能存在与矿床成因密切相关的中酸性隐伏岩体；然而在成矿流体来源方面尚未开展系统的研究工作，制约了人们对矿床成矿流体的来源、演化及成矿机制的全面认识。C-O同位素研究不仅可以揭示成矿流体的性质与来源，还可以为流体的演化(包括二氧化碳去气作用、流体混合作用和水-岩相互作用等)提供重要信息[7]。因此，本文在详细野外地质调研的基础上，对金厂河矿床不同阶段的方解石开展C-O同位素地球化学特征研究，以期为矿床成矿机制的深入研究提供流体来源约束。

1 区域地质概况

保山地块位于青藏高原东南缘“三江”特提斯构造域中南段(见图1)，西部以怒江断裂为界，东部与澜沧江断裂及昌宁-孟连缝合带毗邻，向北尖灭于怒江断裂与澜沧江断裂的交会部位，向南呈楔形逃逸出境并成为滇缅泰马(Sibumasu)地体的组成部分[8]。

图1 保山地块大地构造位置[10](a)和保山地块主要构造、岩浆岩及矿床分布[8,10](b)

自晚古生代以来，该区经历了特提斯形成演化、印度板块与欧亚大陆碰撞造山及青藏高原隆升等多个构造体制的演化过程[9]。区内地层主体为一套浅海-半深海相的碎屑岩、碳酸盐岩沉积建造，发育近SN向的深大断裂及NE向、NNW向的一系列次级断裂。典型褶皱构造为南部的永德-镇康复背斜和北部保山-施甸复背斜，复式背斜与深大断裂的交会部位是该区大中型热液铅锌矿床的重要产出位置[2,8-9]。地块内岩浆活动较频繁，其中以志本山(126.7 ±1.6 Ma)和柯街(93±13 Ma)中酸性花岗岩[8]为代表的燕山晚期花岗岩浆活动普遍被人们认为与地块内金属成矿作用密切相关[2,5,8,10]，但至今尚未有人报道区内存在与已知矿床有直接成因联系的岩体。

2 矿床地质特征

金厂河矽卡岩矿床位于NNW向的木瓜树-阿石寨断裂与NNE向的木瓜树-朱石箐断裂交会处西部边界(见图2)。矿区主要出露寒武系、奥陶系、志留系和第四系地层，其中岩性为大理岩化灰岩和矽卡岩的上寒武统核桃坪组地层是矿区的重要赋矿层位。矿区断裂构造发育，以近SN向、NE向及NNW断裂为主，其中F2和F10断裂为该矿区重要的容矿及控矿构造。褶皱构造以金厂河背斜为代表，其核部核桃坪组地层因受构造应力作用形成的张性裂隙和层间破碎带系该矿区有利的容矿构造。矿区内发育少量辉绿、辉长岩脉和岩株。

图2 金厂河矿床地质略图[4]

矿体主要呈层状、似层状、透镜状缓倾斜产于上寒武统核桃坪组中段大理岩化灰岩和矽卡岩中。矿石矿物发育磁铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿和少量黄铁矿、磁黄铁矿；脉石矿物包括石榴子石、辉石、阳起石、黑柱石、绿泥石、石英和方解石。矿石结构以半自形-他形粒状结构为主[见图3(d)-图3(f)]，次为少量交代侵蚀结构[见图3(e)、图3(f)]。矿石常见脉状构造、浸染状构造[见图3 (b)、图3(d)]和块状构造[见图3(c)]。围岩蚀变主要发育矽卡岩化、大理岩化、黄铁矿化和硅化。

根据矿物共生组合特征及穿插关系，可将成矿作用划分为矽卡岩阶段、早硫化物阶段、晚硫化物阶段和石英碳酸盐阶段等4个主要阶段：

a.矽卡岩阶段主要形成了与矿体产出密切相关的矽卡岩和磁铁矿。矽卡岩矿物发育石榴子石、辉石和阳起石，含少量黑柱石；金属矿物为磁铁矿，呈浸染状和致密块状产于矽卡岩蚀变带下段构成较大规模的磁铁矿体，其裂隙常被后期石英脉充填交代[见图3(a)]。

b.早硫化物阶段主要形成黄铜矿、磁黄铁矿、黄铁矿等金属矿物，脉石矿物主要是石英，发育少量方解石。矿石一般呈浸染状、斑块状产出[见图3(a)、图3(b)]。

c.晚硫化物阶段形成的金属矿物主要为闪锌矿和方铅矿，次为黄铁矿，脉石矿物为石英和方解石。闪锌矿呈棕褐色-黑褐色，具有半自形-他形粒状结构[见图3(c)、图3(f)]。方铅矿呈铅灰色，具他形粒状结构[见图3(f)]。常见方铅矿与闪锌矿呈稠密浸染状产于石英脉或方解石团块中，偶见呈细脉状充填于早阶段石英裂隙中[见图3(b)]。

d.石英碳酸盐阶段发育大量方解石和石英，二者均呈脉状切穿交代早期矽卡岩或矿体，表现出成矿后期构造特征[见图3(c)]。

Ska-矽卡岩；Mag-磁铁矿；Po-磁黄铁矿；Py-黄铁矿；

3 分析方法与结果

方解石是金厂河矽卡岩矿床重要的脉石矿物，本研究采集了不同勘探线、不同中段与铅锌矿紧密共生且具有代表性的方解石样品10件。先将样品碎至40～60目，用蒸馏水清洗，经烘箱烘干后将单矿物置于双目镜下挑选至纯度高于99%，再次将挑纯的单矿物用蒸馏水洗净，烘干后用玛瑙研钵研磨至200目。样品测试工作在昆明理工大学稳定同位素分析实验室完成，分析采用100%磷酸法，在25 ℃下使样品与磷酸发生反应4 h以上，将反应释放出来的CO2在Isoprime100型气相同位素质谱仪上进行C、O同位素组成测定。分析结果13C以V-PDB为标准，18O以V-SMOW为标准，分析精度为±0.2‰。计算18OV-SMOW时，采用标准平衡分馏方程[11]：18OV-SMOW= 1.030 86×18OV-PDB+30.86。

金厂河矽卡岩矿床不同阶段方解石的C-O同位素分析结果见表1。由表1可知，早硫化物阶段方解石的13CV-PDB为-5.46‰～-2.92‰，均值为-4.49‰；18OV-SMOW为6.02‰～7.24‰，均值为6.83‰。晚硫化物阶段方解石的13CV-PDB为-12.40‰～-9.37‰，均值为-10.90‰；18OV-SMOW为8.37‰～9.01‰，均值为8.79‰；石英碳酸盐阶段方解石的13CV-PDB为-5.04‰～0.19‰，均值为-3.30‰；18OV-SMOW为10.44‰～14.89‰，均值为11.80‰。上述结果表明，该矿床整体上具有较低的碳氧同位素组成，晚阶段的13CV-PDB和18OV-SMOW相对早阶段有所升高。

表1 金厂河矽卡岩矿床方解石C-O同位素组成

4 成矿机制分析

4.1 成矿流体来源及演化

研究方解石的C-O同位素组成特征已成为示踪成矿流体来源及演化的重要手段[7,12]。已有研究表明，成矿热液系统中碳的来源主要有3种：①海相碳酸盐岩，其13CV-PDB为0±4‰，18OV-SMOW为20‰～30‰[13]；②深部源或岩浆源，其13CV-PDB分别为-5‰～-2‰和-9‰～-3‰[14]，18OV-SMOW一般为6‰～9‰，经重熔改造过的岩浆流体略高，为7‰～13‰[15]；③各类岩石中的有机碳(还原碳)，因其富集12C，故一般具有较低的碳同位素组成，其13CV-PDB为-30‰～-15‰，平均为-22‰[16]。刘家军等[17]在13CV-PDB-18OV-SMOW图解中用箭头指出了3种主要碳源经历不同地质作用时所产生CO2的方式及其同位素组成的变化趋势。

由表1可知：金厂河矿床不同阶段方解石的C-O同位素组成有所差异，但总体亏损13C和18O，显示成矿流体的来源具有同源性；其13CV-PDB为-12.4‰～0.19‰，均值为-5.94‰；18OV-SMOW为6.02‰～14.89‰，均值为9.41‰，与上述深部源或岩浆源热液流体的C-O同位素组成特征较为一致，而明显区别于海相碳酸盐岩和沉积有机物来源的C-O同位素组成，表明金厂河矿床初始成矿流体中的C主要源自深部岩浆热液。在不同成矿作用阶段，方解石的C-O同位素组成显示出了差异性，晚硫化物阶段比早硫化物阶段明显亏损13C而弱富集18O，投影点在13CV-PDB-18OV-SMOW图解中呈线性沿沉积岩混染或高温效应作用方向漂移。石英碳酸盐阶段13CV-PDB基本与初始源区保持一致，而18OV-SMOW明显增大，除1个点向沉积岩混染或高温效应作用方向漂移之外，其余投影点均向海相碳酸盐岩溶解作用区域漂移。

前人研究认为，如果成矿流体中的CO2是经沉积岩混染或高温效应形成，其作用的结果将会对13CV-PDB影响显著，而18OV-SMOW变化较小；如果是来自海相碳酸盐岩的溶解作用，则会导致O同位素组成发生明显变化，而C同位素组成几乎不受影响[18]。其中，海相碳酸盐岩溶解作用是通过流体与围岩之间发生水-岩反应实现的[7,18]，在热液流体中，方解石的溶解度随温度的降低而增大，随压力的减小而减小，因此在封闭体系中单纯的降温并不能使方解石从热液流体中沉淀出来。而当高温热液流体与低温围岩接触发生相互作用时，由于H+的丢失和Ca2+、Fe2+、Mg2+等阳离子的加入，热液流体将逐渐变为碳酸盐饱和性流体，从而使得方解石在热液中发生沉淀；在此过程中，热液流体与围岩之间可能发生强烈的同位素交换作用。金厂河矿床晚硫化物阶段方解石的13CV-PDB显著增大，而18OV-SMOW只在小范围内变化，因此该阶段成矿流体受海相碳酸盐岩溶解作用的影响较小，主要是受沉积岩混染或高温效应影响。石英碳酸盐阶段主体表现为18OV-SMOW明显增大，而13CV-PDB变化很小，因此该阶段成矿流体中的CO2更有可能是来自海相碳酸盐岩溶解作用。岩浆源流体相对海相碳酸盐岩明显亏损18O，所以该阶段方解石样品的18OV-SMOW逐渐增大，合理地反映了亏损18O的岩浆源流体在迁移成矿过程中与富集18O的碳酸盐围岩发生了水-岩反应，并且与围岩之间发生了不同程度的同位素交换，导致成矿流体逐渐富集18O。综上所述，金厂河矿床早期因受深部岩浆作用而形成了初始成矿流体，该流体在高温高压热力驱动条件下沿深大断裂向上运移，运移过程中可能不同程度地受到海相碳酸盐岩溶解作用和沉积岩混染或高温效应的影响。

4.2 成矿机制探讨

进一步将金厂河矿床的C-O同位素组成与地块内其他典型铅锌矿床进行对比(见图4)，发现金厂河矿床方解石的C-O同位素组成总体与地块内其他矽卡岩矿床一致，均显示成矿流体主要来源于深部岩浆热液[1,9,19]，而明显区别于成矿流体主要来自盆地卤水的中低温热液矿床[20-21]。相关研究表明[22]，保山地块于古生代中晚寒武世逐渐趋于稳定，丰富的物源条件促使区域内快速沉积大量富含铅锌铜铁银等多金属元素的沉积物质，故寒武系地层中Pb、Zn、Cu的含量普遍高于其他地层，具有矿源层特征。黄华等[4]对金厂河矿床作出的Rb-Sr等时线成矿年龄为117～120.3 Ma，与早白垩世志本山岩体(126.7 ±1.6 Ma)[8]接近。李振焕等[6]对金厂河矿床开展的S、Pb同位素研究结果显示，矿化剂硫具有深部幔源硫和地层硫混合的特征，铅同位素组成显示以上地壳以铅为主的壳幔混染特征。

结合上述研究及本文C-O同位素研究成果认为，在早白垩世中特提斯洋闭合时，由于腾冲地块与保山地块发生碰撞造山作用形成了高黎贡碰撞带[23]；同时因保山地块内部受到挤压和拉张作用形成了大量褶皱和断裂等构造，为流体的运移打开了良好通道及成矿物质的富集沉淀提供了有利空间。该陆陆碰撞事件引起地壳缩短增厚并在深部重熔形成大规模岩浆热液，继而沿着早期形成的断裂构造系统向上运移，运移过程中可能萃取和活化基底地层中的Pb、Zn、Cu、Ag等成矿物质[2,10]。这些富含成矿物质的流体在迁移过程中与碳酸盐岩交代形成矽卡岩，同时可能受到大气降水的影响而引起温度、压力、pH、氧逸度、硫逸度、离子浓度等物理化学条件发生改变，成矿物质在层间破碎带或褶皱与断层的叠加部位等有利空间逐渐富集沉淀形成层状、似层状或透镜状矿体。虽然金厂河矿区至今尚未发现与矿床成因有直接联系的花岗岩体，但矿区内零星分布的基性岩脉及大量地球物理资料均显示矿区深部存在中酸性隐伏岩体[3,5]，隐伏岩体的存在或岩浆侵入作用可能为金厂河矿床的形成提供了流体、热源及成矿物质。

图4 金厂河矿床与保山地块典型铅锌矿床δ13CV-PDB-δ18OV-SMOW对比图解[1,9,17,19-21]

基于上述分析得出，金厂河矿床为陆陆碰撞体制下与深部岩浆作用有关的矽卡岩矿床。

5 结论

b.不同阶段方解石的C-O同位素组成变化特征表明，晚阶段的13CV-PDB和18OV-SMOW相对早阶段有所升高，暗示岩浆热液成矿流体在迁移成矿过程中可能受到了海相碳酸盐岩溶解作用和沉积岩混染或高温效应的影响。

c.该矿床为陆陆碰撞体制下与深部岩浆作用有关的矽卡岩矿床。