甘肃榆中县黄崖口铅锌矿赋矿岩系变流纹岩锆石U-Pb年龄及其地质意义

段忠志，何世平，计波，时超，王立轩，魏小燕

(1.中国地质科学院，北京 100037；2.中国地质大学(北京)，北京 100083；3.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

白银铜多金属矿田位于北祁连造山带东段，是中国乃至世界上重要的与海相火山作用有关的块状硫化物矿床(夏林圻等，1991，1998；李向民等，1998，2000)。几十年来，国内外众多学者在此从事过地质以及矿床学研究工作，并取得了许多重大研究成果，为中国地质学、矿床学等学科的发展以及国民经济建设等做出了巨大贡献。白银矿田相继发现折腰山大型铜锌矿床、小铁山大型铅锌矿床、火焰山中型铜锌矿床、铜厂沟小型铜铅锌矿床及4个圈小型铅锌铜矿床以及若干矿点、矿化点(孙海田等，1993；李向民等，2000；赵国斌，2016)。随着几个大、中型露天矿床(折腰山、火焰山等)相继闭坑，白银矿田已显现出资源枯竭等方面的问题，其深部及外围的再找矿工作显得尤为重要。在小铁山和折腰山的深部均发现了矿体，白银外围主要在黄崖口、石青硐、老虎山、银洞沟、猪嘴哑巴等地也发现了矿体及众多矿化点(黄玉春，1991；张洪培等，2004；廖桂香，2007；舒立霞等，2010)。

黄崖口铅锌矿位于北祁连造山带和中祁连地块结合部位的东段，白银铜多金属矿田东南外围，行政区划隶属甘肃省榆中县青城镇的黄河东岸。解放后，黄崖口地区的地质找矿工作陆续开始，该矿于1958年由甘肃省区测队发现，一直被认为与白银矿田的小铁山铅锌矿床具有相似的地质背景、成矿特征。多家地质单位在此进行过多轮的矿产勘查评价工作，主要目的是为白银厂的资源开发提供后备基地。尽管黄崖口铅锌矿经过多年的勘查评价，也获得了一定的资源储量，但其找矿工作一直未取得较大突破，仍为具有进一步工作价值的矿点。制约该区找矿工作取得突破的主要原因除控矿因素、成矿规律、含矿火山岩性质和形成构造环境等方面存在较大争议外，该矿形成时代一直未得到有效限定也是主要原因。甘肃冶金地质三队(1976)进行黄崖口矿区1∶1万地质填图时，依据区域对比将含矿火山岩系的形成时代厘定为早—中寒武世，认为黄崖口铅锌矿形成于早—中寒武世。甘肃区调队(1994～1995年)在进行1∶5万水川幅、北湾乡幅、青城乡幅及金崖乡幅地质调查时，分别获得(806±60) Ma 和(886.9±24) Ma的Sm-Nd等时线年龄，并在北湾乡幅黄崖口一带石英岩中采获总的面貌均可见于峡东和西南地区震旦纪的微古植物，将黄崖口矿区含矿火山岩系厘定为新元古代皋兰岩群。廖桂香(2007)、张洪培等(2004)在进行白银厂矿山及其外围综合信息成矿预测、找矿潜力评价时，沿用甘肃区调队1∶5万区调资料，将黄崖口铅锌矿的形成时代厘定为新元古代。甘肃地质调查院第三地质调查所(2003)在进行1∶25万兰州市幅区域地质调查时，依据区域上获得的14～15亿年左右的Sm-Nd同位素模式年龄，以及采获较丰富的微古植物化石，也将黄崖口矿区含矿火山岩系厘定为皋兰岩群，但时代划归中元古代，黄崖口铅锌矿的成矿时代也相应厘定为中元古代。赵国斌等(2016)认为黄崖口铅锌矿的形成与白银矿田有关，小铁山、四个圈、四方山等锌铅铜矿床为远热液喷口型矿床，分布于火山穹窿斜坡次级洼地，在更远处的海底洼地形成黄崖口等铅锌矿点，故黄崖口铅锌矿形成时代应与白银铜多金属矿的形成时代相近，为中奥陶世。

因此，有效限定黄崖口铅锌矿区含矿火山岩系的形成时代，不仅对于探讨黄崖口铅锌矿的成矿地质背景具有重要意义，而且还可为区域上的地质构造演化以及白银矿田外围进一步找矿提供基础资料。

笔者以中国地质调查局西安地质调查中心承担的“商丹—大柴旦地区区域地质调查”二级项目下设“甘肃白银一带J48E021008、J48E022009、I48E022010三幅专项地质调查”子项目为依托，选择与成矿密切相关的变酸性火山岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年，确定黄崖口铅锌矿含矿火山岩系的形成时代，进而限定黄崖口铅锌矿的成矿时代，为白银矿田外围找矿提供依据。

1 区域地质背景

黄崖口铅锌矿区位于甘肃省榆中县青城镇境内，白银厂铜多金属矿床的东南外围，大地构造位置位于北祁连造山带与中祁连地块结合部位的东段(图1)。

1.第四系；2.白垩系；3.志留纪花岗岩；4.变流纹岩；5.变流纹质凝灰岩、变英安质凝灰岩夹少量硅质岩；6.火山角砾岩；7.变玄武岩；8.大理岩；9.黑云石英片岩及绢云千枚岩；10.硅质岩；11.凝灰质板岩；12.逆冲断层；13.性质不明断层/推测断层；14.路线地质剖面位置；15.片(面)理产状；16.采样位置及编号；17.黄河；18.研究区范围图1 甘肃榆中县黄崖口地区地质略图(据甘肃省冶金地质勘探三队，1976，1∶1万甘肃榆中县黄崖口矿区地形地质图修编)Fig.1 Geological sketch map of Huangyakou area in Yuzhong county,Gansu province,China (Modified from the 1∶10000 topographic geological map of Huangyakou region,Yuzhong county,Gansu province,China,1976)

区内地层相对简单，主要出露一套早—中寒武世中浅变质火山-火山碎屑岩系(1)甘肃省榆中县黄崖口多金属矿点普查找矿评价报告[R].甘肃省冶金地质勘探三队,1976.，零星出露于西北部的白垩纪河口群紫红色、灰色及绿灰色砂岩、含砾砂岩及砂砾岩层，以及广泛分布在研究区山顶、沟谷及河滩平地的第四纪黄土、坡积及冲积地层。

作为研究区主体地层的早—中寒武世中浅变质火山-火山碎屑岩系，岩性主要为浅灰色变流纹质凝灰岩、灰黄色英安质凝灰岩、浅灰色变流纹岩、深绿色变玄武岩、深灰-黑灰色硅质岩、深黑色薄层碳质千枚岩、灰黑色凝灰质板岩夹少量火山角砾岩透镜体、灰-灰白色大理岩及灰黑色黑云石英片岩(图1、图2)。

1.第四系；2.火山角砾岩；3.硅质岩；4.变流纹岩；5.变流纹质凝灰岩；6.变英安质凝灰岩；7.碳质千枚岩；8.凝灰质板岩；9.黑云石英片岩；10.变玄武岩；11.铜矿化体；12.铅锌矿体；13.逆冲断层；14.产状(倾角/倾向)；15.样品编号图2 甘肃榆中县黄崖口铅锌矿区路线地质剖面图Fig.2 Geological section of Huangyakou mining area in Yuzhong county,Gansu province,China

根据岩石组合特征，可将研究区早—中寒武世中浅变质岩系划分为3个岩组：上部大理岩组，分布于矿区的北部；中部火山喷发沉积岩组，主要分布于矿区的中部及南部，主要包括变流纹质凝灰岩夹硅质岩、变流纹岩及变玄武岩，构成双峰式火山岩系；下部碎屑岩组，主要分布于矿区的周缘。研究区侵入岩分布较少，仅在东南部分布有花岗岩株，其西部侵入变玄武岩和黑云石英片岩中，东部被第四系覆盖。通过本次“甘肃白银一带J48E021008、J48E022009、I48E022010三幅专项地质调查”子项目最新进展，获得该花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄为435 Ma，属早志留世(数据待发表)。

区内断裂构造发育，包括北西向、北东向和近南北向。北西向断裂发育较早，与区域构造线和变质火山岩系走向基本一致；北东和近南北向断裂发育较晚，切割早期北西向断裂，近南北向断裂主要为自东向西的逆冲推覆断裂。

区内火山岩系整体上呈北西—南东向展布，自黄崖沟—黄崖庙大体分布有2个火山喷发中心，中心部位为火山喷发角砾岩、变流纹岩及变流纹质凝灰岩、变英安质凝灰岩，周缘为变玄武岩。上述2个火山喷发中心均受到北西和北东向断裂控制，由此构成一个较大的古火山穹窿(图1)。穿越黄崖口铅锌矿的路线地质剖面显示出明显的火山喷发沉积韵律，自下而上为依次为：变玄武岩、变流纹质凝灰岩、变流纹岩、变流纹质凝灰岩夹硅质岩、凝灰质板岩夹少量火山角砾岩透镜体(图2、图3a)。此外，矿体外围可见硅质岩与流纹质凝灰岩之间呈明显的火山韵律层(图3b)。

成矿作用以铅锌矿化为主，次为铜矿化，受古火山穹窿控制明显，矿(化)体主要产于火山韵律的变流纹质凝灰岩与变流纹岩过渡部位，呈似层状、透镜状产出，沿走向及倾向与围岩均为渐变过渡关系。围岩蚀变分带明显，自围岩至矿(化)体，围岩蚀变依次为：绢云母化带、硅化带、硅化-绿泥石化带、绿泥石化带(图4a)，具有典型海相火山岩型多金属矿蚀变特征。

矿石构造除了块状构造、浸染状构造外，还具有与围岩火山喷发沉积韵律大体一致的纹层状构造(图4d、图4e)。

图3 (a)甘肃榆中县黄崖口铅锌矿区火山角砾岩、(b)硅质岩与流纹质凝灰岩互层火山韵律图Fig.3 (a)Volcanic breccia,and (b) a volcanic rhythm of siliceous rock and rhyolite tuff Huangyakou lead-zinc mining area,Yuzhong county,Gansu province,China

图4 (a)甘肃榆中县黄崖口铅锌矿区围岩蚀变分带和(b、c)具纹层状构造铅锌矿石图Fig.4 (a) Wall rock alteration zone and(b,c) lead-zinc ore with laminar structure of Huangyakou lead-zinc mining area,Yuzhong county,Gansu province,China

李向民等(2000)研究表明，白银矿田东部工业矿床受到白银古火山穹窿的控制，同时表现出成矿与穹窿中心酸性火山岩关系密切。综合分析，黄崖口矿区铅锌矿体集中赋存于火山喷发中心的变英安质凝灰岩、变流纹质凝灰岩与变流纹岩过渡部位，铅锌矿化与火山喷发作用密切相关，成矿时代与变酸性火山岩形成时代一致，即变酸性火山岩的形成时代可代表成矿时代。

2 样品采集及测试方法

2.1 样品采集及岩相学特征

用于LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年的样品为甘肃省榆中县黄崖口铅锌矿区与成矿密切相关的变流纹岩(样品编号：19HY-5)，采样坐标位置为：N36°20′59.49″，E104°18′34.33″(图1、图2)，样品重量约20kg。其岩石学特征如下。

变流纹岩：浅灰-灰黄色，块状构造，局部发育变余流纹状构造(图5a)，由于后期构造作用局部具有定向性。经镜下鉴定，具变余斑状结构，主要由变余斑晶和基质组成，变余斑晶主要为石英(约5%)、斜长石(约3%)组成；基质主要由微细粒长英质和隐晶质(约92%)组成，发生了弱绢云母化，因后期构造作用具定向性。变余石英斑晶具有波状消光，因遭受熔蚀作用，边部呈浑圆状、港湾状；变余斜长石斑晶主要为酸性斜长石，发生了弱绢云母化(图5b)。

Pl.斜长石；Qtz.石英图5 (a)甘肃榆中县黄崖口铅锌矿区变流纹岩(19HY-5)野外宏观照片和(b)正交偏光镜下显微照片Fig.5 (a)Field macrophotograph and (b)Micrographs with crossed polars of meta-rhyolite(19HY-5)of Huangyakou lead-zinc mining area,Yuzhong county,Gansu province,China

2.2 测试方法

锆石单矿物挑选在西安喆奥雷地质科技有限公司完成，将变流纹岩(19HY-5)样品洗净，破碎至30～50目，通过常规浮选和磁选方法进行锆石单矿物挑选，制靶，然后进行透、反射光及CL照相。LA-ICP-MS锆石微区U-Pb同位素年龄测定在中国地质调查局西安地质调查中心实验测试中心完成。采用JSM-6510A钨灯丝扫描电镜和GatanChromal阴极发光仪对锆石内部结构进行分析，并结合透、反射光及CL图像，挑选表面平整且无包裹体或裂隙的锆石作为LA-ICP-MS锆石微区U-Pb年龄测定的测试点位。采用德国Coherent公司的Geolas Pro型ArF准分子激光剥蚀系统和美国Agilent公司的 7700x型四级杆等离子质谱仪联合构成的激光剥蚀等离子体质谱仪分析系统。详细实验步骤以及数据处理方法见文献(袁洪林等，2003；李艳广，2015)，样品中锆石各元素含量及各同位素比值采用Glitter(ver4.0)程序进行计算，并依照Andersen Tom(2002)提出的方法，进行了普通铅校正，最后采用Isoplot(ver3.0)完成样品年龄计算，并绘制U-Pb谐和图(Ludwing K R.，2003)。

锆石激光拉曼光谱和能谱分析在中国地质调查局西安地质调查中心实验测试中心完成。Renishaw显微激光拉曼光谱的实验条件为：半导体激光器波长514.5 nm；激光功率40 mW；扫描速度：10秒/3次叠加；光谱仪狭缝 20 nm。温度：23 ℃，湿度：65%。锆石能谱测试前对样品表面进行了喷金，选用配有牛津X-Max50能谱仪的JSM-7500F型场发射扫描电镜(日本电子(JEOL)公司)完成，实验条件为：加速电压15 kV，束流0.3 nA，工作距离8 mm。

3 测年结果

在变流纹岩(19HY-5)中获得锆石的粒径主要介于60 μm×90 μm～80 μm×120 μm，多呈自形-半自形粒状、短柱状(部分残缺锆石为单矿物挑选时机械破碎所致)。锆石CL图像(图6a)显示，用于测年的锆石颜色发暗，无明显的震荡环带或核幔边结构，可能是由于遭受后期热扰动发生弱蜕晶化，部分发射性Pb丢失、U相对较高所致。然而，据代表性锆石拉曼图像显示，其内部发育较为清晰的振荡环带结构(图7a)，具有岩浆成因锆石特征；拉曼图谱显示待测对象为锆石典型图谱特征(图7b)。另外，据能谱分析显示(表1)，用于U-Pb定年的样品也确实为锆石成分(原子百分比O∶Si∶Zr=4∶1∶1)。综上所述，待测年样品确为锆石，并且属于岩浆结晶成因的锆石。

图6 (a)甘肃榆中县黄崖口铅锌矿区变流纹岩(19HY-5)锆石CL图像、(b)锆石U-Pb谐和图和(c)206Pb/238U加权平均年龄图Fig.6 (a)The CL images,(b)U-Pb concordia diagram,and (c) 206Pb/238U averaged age of zircons from meta-rhyolite (19HY-5) of Huangyakou lead-zinc mine area,Yuzhong county,Gansu province,China

表1 甘肃榆中县黄崖口铅锌矿区变流纹岩(19HY-5)代表性锆石能谱分析结果表Tab.1 Results of representative zircon energy spectrum of meta-rhyolite (19HY-5) of Huangyakou lead-zinc mine area,Yuzhong county,Gansu province,China

锆石U-Pb同位素测试数据经普通铅校正后有效测试点共23个，206Pb/238U表面年龄值介于(503.3±4.3)～(511.3±4.3) Ma(表2)。

在锆石U-Pb谐和图中，绝大多数测点集中分布于谐和线上，谐和年龄为(508.8±2.1) Ma(MSWD=0.076)(图6b)；206Pb/238U加权平均年龄为(507.6±1.8) Ma(MSWD=0.23)(图6c)，在误差允许的范围内，谐和年龄和206Pb/238U加权平均年龄显示出很好的一致性；上述23个有效测点分别对应锆石的Th/U值均大于0.4(0.43～0.75)，表明变流纹岩中锆石为同期岩浆结晶成因。故206Pb/238U加权平均年龄(507.6±1.8) Ma可以代表变流纹岩的形成年龄，为中寒武世。

图7 (a)甘肃榆中县黄崖口铅锌矿区变流纹岩代表性锆石拉曼图像及(b)图谱Fig.7 (a)Representative zircon Raman image and (b)atlas of meta-rhyolite of Huangyakou lead-zinc mining area,Yuzhong county,Gansu province,China

4 讨论

依据中国地质调查局西安地质调查中心承担的“甘肃白银一带J48E021008、J48E022009、I48E022010三幅专项地质调查”资料，获得黄崖口铅锌矿区侵入变玄武岩中花岗岩(样品编号为19PW-1TW，图1)LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄为435 Ma(数据待发表)，矿区变火山岩属于双峰式火山岩系，表明矿区火山岩系的形成时代早于435 Ma。另外，本次LA-ICP-MS锆石U-Pb 同位素测年结果表明，黄崖口铅锌矿含矿火山岩系中变流纹岩(19HY-5)的锆石206Pb/238U加权平均年龄为(507.6±1.8) Ma，属中寒武世。

黄崖口铅锌矿的围岩蚀变水平分带特征明显，矿体外围可见火山角砾岩及明显的火山喷发沉积韵律，矿石具明显的火山韵律层状构造，具有海相火山岩型多金属矿成矿特征。并且矿体(矿化层)集中赋存于火山喷发中心变流纹质凝灰岩与变流纹岩过渡部位，铅锌矿化与火山喷发作用密切相关，成矿时代与变流纹岩形成时代一致，即变流纹岩的形成时代可代表成矿时代。故认为黄崖口铅锌矿形成于(507.6±1.8) Ma，即中寒武世。

前人研究表明，白银矿田变酸性火山岩形成于(467.0±2.9) Ma和(467.1±2.2) Ma(何世平等，2006)，变基性火山岩形成年龄为(465.0±3.7) Ma(李向民等，2009)，将白银厂铜多金属矿的成矿时代限定为465～467 Ma，属于中奥陶世。而黄崖口铅锌矿的成矿时代为中寒武世，应早于白银矿田铜多金属矿形成时代。

前人进行黄崖口一带区域地质调查时，于1∶5万北湾幅大圆子南-黄崖口皋兰岩群二岩组石英岩中采获产自于中元古代—震旦纪微古植物化石，由此将含矿火山岩系的形成时代划归中元古代皋兰岩群。本次野外地质调查，发现地层时代划分存在较大的分歧，需将该套火山岩系从皋兰云群中解体，划归早寒武世，有待进一步的研究工作。

新元古—早古生代祁连造山带经历了多期、多旋回、复杂的地质构造运动，并伴随着多期次的岩浆活动(左国朝等，1987；夏林圻等，1991，1995，1996，1998；葛肖虹等，1999；李文渊，2007)。新元古代—早中寒武世为Rodinia超大陆裂解阶段，晚寒武世由大陆裂谷向大洋裂谷转变，之后进入北祁连洋盆演化阶段，奥陶纪逐渐形成较完整的北祁连沟-弧-盆系(夏林圻等，1991，1996，1998，2001，2016；李向民等，2000；相振群等，2007；李瑞保等，2018；韩奎等，2019)。这一期间，祁连造山带的构造-火山岩浆作用为铁、铜等多金属矿产资源成矿提供了有利条件，从而形成了丰富的金属矿产资源。例如，镜铁山铁(铜)型矿床是新元古代大陆裂谷火山作用过程中热水沉积作用的产物(邬介人等，2000；夏林圻等，2001；宋述光等，2009；吴才来等，2010)；白银厂铜多属矿田则是奥陶纪岛弧裂谷火山作用的产物(何世平等，2006；王金荣，2006；李文渊，2007；李世金，2011；李向民等，2009，2018)。结合笔者的年代学研究结果，初步认为黄崖口铅锌矿形成于中寒武世大陆裂谷演化阶段，与北祁连造山带早中寒武世大陆裂解事件产生的一次岩浆活动有关，成矿时代和构造背景可与北祁连造山带西段下柳沟铅锌铜矿、弯阳河铅锌铜矿及郭密寺铅锌铜矿等对比(邬介人，1994；冯益民等，1996；夏林圻等，1998)。因此，初步提出白银铜多金属矿田及外围具有多期成矿特征，包括早中寒武世大陆裂谷期成矿和奥陶纪岛弧-岛弧裂谷期成矿，该认识对白银矿田外围扩大找矿具有重要指示意义。以往提出黄崖口铅锌矿与白银矿田小铁山铅锌矿成矿特征类似的认识以及两者的关系值得进一步研究。

5 结论

(1)黄崖口铅锌矿区与成矿联系密切的变火山岩为一套双峰式火山岩。其中，变流纹岩锆石U-Pb同位素年龄为(507.6±1.8) Ma，该年龄可代表黄崖口铅锌矿的形成时代，即中寒武世。

(2)综合以往研究成果，初步提出白银铜多金属矿田及外围具有多期成矿特征，包括早中寒武世大陆裂谷期成矿和奥陶纪岛弧-岛弧裂谷期成矿。

致谢:在野外工作、实验测试和编写成文过程中均得到中国地质调查局西安地质调查中心“商丹-大柴旦地区区域地质调查”二级项目的支持，特别是得到辜平阳高工、李向民研究员、余吉远高工等的关心和指导；在测试分析过程中得到了王志海、李艳广、汪双双及董会等的帮助；郭亚鹏、田绒等人参加了部分野外工作和数据整理。感谢杨建国研究员在论文编纂过程中提出的宝贵意见。在此特向上述单位和个人表示衷心的感谢！