西藏冈底斯成矿带跃进沟铜矿床同位素地球化学特征研究

2021-11-23韩善楚潘家永黄天宇

东华理工大学学报(自然科学版) 2021年5期

韩善楚，姜垚，潘家永，万弘，黄天宇

(1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌 330013；2.东华理工大学地球科学学院，江西南昌 330013)

自20世纪90年代西藏驱龙超大型铜矿床发现以来，随着各类地质矿产项目的实施，在我国西藏冈底斯成矿带上，先后发现以雄村、驱龙、甲玛、程巴、冲木达、冲江-厅宫、亚贵拉、蒙亚啊等为代表的一系列大型-超大型铜-铅-锌多金属矿床，被称为冈底斯斑岩-矽卡岩型铜多金属成矿带(曲晓明等，2002；李光明等，2006；孟祥金等，2006；侯增谦等，2012；唐菊兴等，2014；王立强等，2014；刘富军等，2019)。

跃进沟铜矿床位于冈底斯成矿带的东段，距西藏拉萨市东南约5 km，前人对该矿床已开展了少量地球化学研究。何训虎(2006)对跃进沟铜矿床地质特征进行了分析，介绍了热液充填型与接触交代型两种成矿类型，认为矿床经历了多期次、多成因叠合成矿的特点；韩善楚等(2008)对该矿床开展了详细的电子探针分析，对铜矿石的矿物组成和铜、铅、锌等主要成矿元素的赋存状态开展了详细研究；王贵(2010)对矿床开展了详细的流体包裹体特征研究，发现早期流体包裹体均一温度为400～430 ℃，主要成矿期包裹体均一温度为205～370 ℃，盐度为7.0%～20.0%，认为该矿床属典型的中高温、中等盐度的热液型矿床。程超杰等(2011)通过对该矿床地质特征与成矿地质条件的分析，认为其属于中酸性侵入体有关的接触交代(矽卡岩)型矿床。

前人对跃进沟铜矿床的地质特征、矿物与流体包裹体特征进行了较详细的研究，但关于矿床中的绿泥石以及硫-碳-氧同位素特征尚未开展过系统研究，矿床成因还存在一定争议。为进一步探讨矿床形成环境，加深对矿床成因的认识，笔者以该矿床不同矿体中的绿泥石、金属硫化物、方解石为研究对象，对绿泥石的岩相学与化学成分，以及黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、方解石的硫-碳-氧同位素进行详细研究，以探讨绿泥石形成温度、硫-碳-氧的来源及其矿床成因。

1 地质背景与矿床地质

西藏跃进沟铜矿床位于冈底斯铜多金属成矿带的东段，该带处于印度河-雅鲁藏布江缝合带之北，班公湖-怒江缝合带之南，受新特提斯洋演化影响，地质演化过程复杂，形成了极其丰富的金属与非金属矿产资源(潘桂棠等，2004；朱弟成等，2008；王立强等，2014)，区内出露大面积的火山岩与中酸性侵入岩(图1)。

图1 冈底斯中东段大地构造位置图(据潘桂棠等，2004修改)Fig.1 Geotectonic map of the middle-east area of Gangdise1.新近系-第四系；2.蓝闪片岩杂岩；3.弧前盆地沉积；4.古近纪-新近纪火山岩；5.燕山-喜山期花岗岩；6.主要构造缝合带及构造单元分区界限；7.逆冲断裂带；8.拆离断层；9.走滑断裂带；10.跃进沟铜多金属矿床；AKMS.阿尼玛卿-昆仑-木孜塔格缝合带；JS.金沙江缝合带；CLS.理塘缝合带；BNS.班公错-怒江缝合带；IYS.印度河-雅鲁藏布江缝合带；GCT.大反向逆冲断裂系；GT.冈底斯逆冲断裂系；STDS.藏南拆离系；MCT.主中央逆冲断裂；MBT.主边界逆冲断裂；THS.北喜马拉雅；HHM.高喜马拉雅；LHS.低喜马拉雅

矿区地层主要为下中白垩统门中组及第四系。门中组可分为两个岩性层，第一岩性层主要出露于矿区的中南部，岩性主要为变质石英砂岩、大理岩以及灰岩等，与上覆地层呈断层接触；第二岩性层分布于矿区的北部，岩性为板岩、变质石英砂岩以及灰岩等(图2)。

区内断裂和褶皱等构造发育，早期北西向的逆断层控制了岩体分布，后期近东西向逆断层对早期的断裂与岩体具有一定的破坏作用，为成矿热液提供了良好的运移通道。破碎带内主要发育有黄铁矿化、褐铁矿化以及硅化等，出露宽度为0.5～ 30 m，沿走向长为150～ 500 m，其中F1断裂为主控矿构造。

区内岩浆岩主要有古近纪始新世石英闪长岩、闪长岩、黑云母二长花岗岩、花岗闪长岩及新近纪中新世花岗闪长斑岩，其中新近纪中新世花岗闪长斑岩与成矿关系最为密切。该斑岩体为半隐伏岩体，地表出露形态不规则，出露面积约0.4 km2。斑岩外围接触带上见有隐爆角砾岩，挤压现象明显，动力变质作用强烈，并有英安玢岩、闪长玢岩、辉长岩等晚期脉岩穿插其中(图2)。

图2 西藏跃进沟铜矿床矿区地质图(韩善楚等，2008)Fig.2 Geological map of the Yuejingou copper deposit in Tibet1.英安玢岩；2.闪长玢岩；3.花岗闪长岩；4.花岗闪长斑岩；5.铜矿体与编号；6.铜矿化体；7.变质砂岩、板岩与灰岩互层；8.变质砂岩与灰岩互层；9.地层界线；10.断裂带

矿体形态较简单，呈脉状、层状、似层状以及透镜状等，产于F1断层及其两侧的次一级断裂的破碎带中。目前已发现铜矿(化)体12条，矿(化)体较集中分布于工作区东南部，面积为0.64 km2。根据控矿特征差异，将矿体分为产于断裂破碎带和产于英安玢岩体与灰岩的接触带两种类型，代表矿体分别为Ⅰ号、Ⅲ号矿体和Ⅳ号、Ⅴ号矿体(表1)。

表1 跃进沟铜矿床主要矿体特征(程超杰等，2011)Table 1 Characteristic of orebody from the Yuejingou copper deposit

矿石呈灰绿色，具半自形-他形细粒结构，块状、细脉浸染状、星散浸染状及团粒状构造。矿石矿物主要为黄铜矿、闪锌矿、黄铁矿、磁黄铁矿以及少量方铅矿，氧化矿物有孔雀石、蓝铜矿、褐铁矿；脉石矿物主要为石榴石、透辉石、方解石、石英等，其次有少量绿泥石、绿帘石(图3)。黄铜矿呈团粒状、星散浸染状，具他形粒状结构，常与黄铁矿、闪锌矿、锑铋矿、方铅矿以及绿泥石共生。近地表黄铜矿多氧化为孔雀石、蓝铜矿，黄铁矿氧化为褐铁矿。根据野外地质观察与室内分析，矿物生成顺序见表2。矿石属原生硫化矿石，近地表有少量氧化矿石，矿化较好部位为块状构造，边部矿化较差为浸染状构造。

表2 跃进沟铜矿床主要矿物生成顺序

矿区内矿石可划分为碎裂蚀变岩型铜矿石和矽卡岩型铜矿石两大类：其中碎裂蚀变岩型铜矿石分布在Ⅰ、Ⅲ号铜矿体中，按矿化岩石类型可进一步细分为黄铜矿化碎裂石英砂岩，黄铜矿化石英脉和蓝铜矿化碎裂炭质绢云板岩3种；矽卡岩型铜矿石分布于Ⅳ、Ⅴ矿体中。

2 分析方法

本次研究选取了跃进沟铜矿床中典型的矿石样品作为研究对象，矿石主要呈灰绿色，具半自形-他形粒状结构，块状、浸染状及团粒状构造。矿石矿物主要为黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿、闪锌矿以及少量方铅矿；脉石矿物主要为方解石、白云石、石英、透辉石、石榴石、绿泥石、黝帘石和绿帘石等。

绿泥石的电子探针分析与碳-氧-硫同位素分析是在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成。其中电子探针型号为JEOL JXA-8100，加速电压为15.0 kV，电流为10 μA，束斑大小为1 μm，能谱型号为Inca ENERGY，测试精度为0.01%。碳、氧同位素样品选自跃进沟铜矿床矿石中与黄铜矿共生的方解石以及围岩大理岩样品。选取新鲜样品磨制成小于200目的粉末，称量20 mg，在烘箱中烘干，在MAT-253质谱仪上测试碳、氧同位素组成，测试精度为0.1‰。硫同位素样品选自矿体和矿化点中的单矿物硫化物。对矿石样品进行粉碎、粗选、蒸馏水冲洗、烘干后，在双目镜下挑选80～120目的纯净硫化物单矿物，在MAT-253质谱仪上进行分析测试，测试精度为0.1‰。

3 分析结果

3.1 绿泥石特征

对样品中绿泥石开展了详细的显微镜与电子探针等岩相学观察。结果表明，矿石中绿泥石与黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等矿物共生(图3A～D)，还有少量绿泥石呈脉状产于矿物(如石榴石)裂隙中(图3A)。

图3 跃进沟铜矿床矿石背散射照片Fig.3 Backscattered images of mineral from the Yuejingou copper depositA.晚期形成的黄铜矿、磁黄铁矿、闪锌矿、方解石、绿泥石、石英共生，部分绿泥石呈脉状穿插于早期的石榴石等矿物；B.早期形成的黄铁矿、石榴石被包裹于晚期形成的黄铜矿、闪锌矿、磁黄铁矿中；C.黄铜矿、锑铋矿、绿泥石共生；D.晚期形成的黄铜矿、褐铁矿穿插于早期形成的黄铁矿裂隙中，局部可见部分透辉石已蚀变为绿泥石；E.黄铜矿、黄铁矿、方铅矿、方解石、石英共生；F.黄铜矿、闪锌矿、绿帘石、方解石共生；Cp.黄铜矿；Pyr.磁黄铁矿；Py.黄铁矿；Sph.闪锌矿；Gal.方铅矿；Lim.褐铁矿；Chl.绿泥石；Q.石英；Cal.方解石；Ga.石榴石；Di.透辉石

绿泥石电子探针分析结果见表3(以14个氧原子为标准计算)。通常绿泥石的w(Na2O+K2O+CaO)<0.5%可以作为判别其成分是否存在混染的指标(廖震等，2010；章键等，2018)。本次研究中所有样品的w(Na2O+K2O+CaO)均小于0.5%，表明绿泥石成分未发生混染。不同样品的绿泥石成分有一定变化：其中SiO2的含量为25.18%～30.51%，平均值为28.36%；Al2O3的含量为12.22%～21.37%，平均值为17.54%；FeO的含量为19.05%～38.05%，平均值为25.72%；MgO的含量为8.42%～20.67%，平均值为15.97%。其中FeO和MgO的含量变化相对较大。

利用MINPET软件，依据绿泥石化学成分对绿泥石进行分类。由于绿泥石中Fe3+含量小于Fe离子总量的5%，故由所测得的FeO代替全铁。通过绿泥石的分类图解(Fe、Si原子数以28个氧原子为标准换算；图4)，可以看出样品中的绿泥石种类主要为密绿泥石(6个)，蠕绿泥石(2个)和铁镁绿泥石(1个)。而不同矿体其成分也不一致，Ⅸ号矿体Fe含量明显增加，而Si的含量变化不一(表3)。

表3 跃进沟铜矿床绿泥石化学成分及相关计算结果Table 3 The chemical composition and calculation results of chlorites from Yuejingou copper deposit

图4 样品中绿泥石的矿物类型Fig.4 The mineral type of chlorite from samples

一般认为，由铁镁质岩石转化而成的绿泥石Al/(Al+Mg+Fe)比值<0.35，基性岩中的绿泥石Mg/(Fe+Mg)比值>0.25(廖震等，2010)。跃进沟铜矿床绿泥石Al/(Al+Mg+Fe)比值均小于0.35，Mg/(Fe+Mg)比值均大于0.25，表明绿泥石成分中具有相对较高的Mg。由于矿区内未发现有基性岩，因此绿泥石的化学成分可能主要来自含镁矿物，如中酸性岩浆与碳酸盐类岩石交代形成的透辉石等，这与镜下观察到的部分透辉石已蚀变为绿泥石特征相一致。

3.2 碳、氧同位素组成

对跃进沟铜矿床矿石中与成矿关系密切的5件方解石样品和1件大理岩样品进行了碳、氧同位素分析(表4)。方解石样品的碳同位素组成δ13CPDB为-4.8‰～-1.6‰，平均值为-3.4‰；氧同位素组成δ18OPDB为-18.3‰～-14.1‰，平均值为-16.4‰，δ18OSMOW为12.0‰～16.4‰，平均值为14.0‰；大理岩的碳同位素组成δ13CPDB为-1.0‰，氧同位素组成δ18OPDB为-16.2‰，δ18OSMOW为14.2‰。

表4 跃进沟铜矿床碳、氧同位素组成Table 4 Isotope compositions of carbon and oxygen in Yuejingou copper deposit /‰

3.3 硫同位素组成

硫同位素测试分析结果见表5，其中有1件样品(Y-7)采自矿床西部的花岗闪长斑岩体中，其δ34S值为-3.7‰；其余16件样品均采自矿床主要矿体中，其单矿物硫同位素样品中δ34S值为-3.1‰～-2.1‰，平均值为-2.5‰。

表5 跃进沟铜矿床矿石硫化物硫同位素组成Table 5 Sulfur isotope compositions of ore from Yuejingou copper deposit /‰

4 讨论

4.1 绿泥石形成温度

绿泥石为中-低温环境下可以稳定存在的硅酸盐矿物，由于其成分与结构的特点，其多型结构变化与绿泥石形成时的温度之间具有一定的线性关系，这是绿泥石地质温度计的理论基础(Cathelineau et al., 1985; Battaglia, 1999)。

首先利用绿泥石面网间距d001计算公式：d001/0.1nm=14.339-0.115n(AlⅣ)-0.0201n(Fe2+)(绿泥石结构式按14个氧原子计算)，再运用绿泥石面网间距d001和温度之间的线性方程t(℃)=[(14.379-(d001/0.1nm)]/0.001，来计算绿泥石的形成温度(Battaglia, 1999)。计算结果见表6，绿泥石形成的温度为177.7～245.3 ℃，平均值为206.1 ℃。

表6 由化学成分计算得到的绿泥石形成温度Table 6 The formation temperature of chlorite by chemical composition calculated

4.2 碳的来源

不同成因的碳酸盐具有不同的碳同位素组成。一般认为，沉积形成的碳酸盐碳同位素组成在0‰左右，有机碳同位素组成具有很低的负值，而幔源碳的同位素组成(δ13CPDB)一般为-9.0‰～-3.0‰(王安东等，2019)。本研究方解石脉中见大量粒状黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿等矿石矿物，表明这种方解石脉是成矿期形成的。5件方解石样品的δ13CPDB值为-4.8‰～-1.6‰，平均值为-3.4‰，具有幔源碳的同位素组成特征，大理岩的δ13CPDB值为-1.0‰，为沉积作用形成的碳酸盐碳同位素组成。

方解石的碳、氧同位素组成投影到δ13CPDB-δ18OSMOW图解上(图5)，主要落在“海相碳酸盐岩”与“地幔多相体系”间，表明方解石的碳并非来自沉积有机物，而可能来自碳酸盐的溶解或低温蚀变作用。但由于碳酸盐溶解作用形成的δ13CPDB组成一般在0‰左右，而碳酸盐的低温蚀变所形成的δ13CPDB组成一般在-3.0‰～-9.0‰之间，这说明方解石的碳同位素组成具有幔源特点。

图5 跃进沟铜矿床碳酸盐的δ13CPDB-δ18OSMOW图解(毛景文等，2002)Fig.5 δ13CPDB-δ18OSMOW diagram of carbonate from Yuejingou copper deposit

4.3 硫同位素的来源

跃进沟铜矿床中硫化物的硫同位素组成与国内一些典型金属硫化物矿床中硫同位素组成的对比结果见图6和表7。

(1)矿床各金属硫化物的δ34S值的变化范围较窄(表7)。总体上δ34S值在矿物中的分布顺序为黄铁矿>闪锌矿>方铅矿>黄铜矿。这种δ34S值在矿物中的含量大小顺序与硫化物结晶时的δ34S值富集顺序一致，说明跃进沟铜多金属矿床矿石中硫化物间的硫同位素基本上达到了平衡。本矿床所有硫化物δ34S值为-3.1‰～-2.1‰，平均值为-2.5‰，表明不同矿体、不同矿物的硫同位素组成较均一，反映硫源的一致性。

(2)跃进沟铜矿床中的硫同位素组成与国内一些斑岩型、矽卡岩型和热水喷流沉积型矿床进行对比研究表明(图6，表7)，跃进沟铜矿床的硫同位素组成与混合岩化热液、火山热液和岩浆热液矽卡岩矿床的硫同位素组成明显不同，但与区域上斑岩型、甲马热水交代矽卡岩型以及热水喷流沉积型矿床的硫同位素组成相近。由于跃进沟铜矿床大地构造位置上同属于冈底斯铜多金属成矿带东段，且与驱龙斑岩型铜矿床、甲马矽卡岩型铜矿床相邻，并具有相近的硫同位素组成，表明跃进沟铜矿床与冈底斯东段主要斑岩与矽卡岩型矿床具有相同的硫源，即主要来自深部的岩浆。

表7 跃进沟铜矿床与不同成因矿床硫同位素组成Table 7 The sulfur isotope compositions from Yuejingou copper deposit and typical deposits

图6 跃进沟铜矿床与典型金属硫化物矿床硫同位素组成对比图Fig.6 Contrast diagram of sulfur isotope compositions from different genetic deposits

4.4 矿床成因

前人的研究表明，跃进沟铜多金属矿床的方解石中流体包裹体均一温度为250.3～388.6 ℃, 平均值为307.6 ℃，石英中流体包裹体均一温度为258.5～464.0 ℃, 平均值为349.2 ℃，均显示出了较大的温度变化区间(王贵，2010)。但从矿石矿物组成与生成顺序来看(图4)，方解石除在成矿期可以形成外，在成矿前(如矽卡岩形成时)也可形成，而矽卡岩形成时的温度往往较高，实际成矿期的温度可能低于包裹体的均一温度。本次研究的绿泥石形成温度为177.7～245.3 ℃，平均值为206.1 ℃，属于中-低温热液蚀变范围。由于绿泥石与主要矿石矿物黄铜矿等共生，绿泥石的蚀变温度，可能代表了矿床成矿期的温度。这一温度与区域上甲马矽卡岩型矿床石英-方解石硫化物阶段的235～254 ℃相接近(中低温热液)。

该矿床与成矿同期形成的方解石脉的δ13CPDB值为-4.8‰～-1.6‰，平均值为-3.4‰，具有幔源碳同位素组成特征；矿床黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等硫化物的硫同位素组成集中分布在-3.1‰～-2.1‰变化范围内，与幔源的陨石硫同位素组成(-5.6‰～+2.6‰)变化范围一致，表明硫主要来源于深部岩浆。因此，碳、硫同位素均证实，该矿床碳、硫等矿化剂具有幔源特点。将矿床的碳同位素组成与其他典型热液矿床(如下庄铀矿床、中条山铜矿床以及云南白秧坪银铜多金属矿床等)进行对比，均具有相近的碳同位素组成(刘家军等，2004；邓平等，2004；真允庆等，2006)。另外，跃进沟矿床的硫同位素组成与区域上的驱龙、甲马矿床的硫同位素组成相近，表明这些矿床的硫源相近，主要来源于深部岩浆。

通过分析跃进沟铜矿床地质特征可以看出，矿体主要分为两种类型，第1种类型是矿体产在断裂破碎带中，代表矿体为Ⅰ号和Ⅲ号；第2种类型矿体产在英安玢岩体与灰岩的接触带，代表矿体为Ⅳ-1、Ⅳ-2、Ⅴ-1和Ⅴ-2(图2)。矿石可划分为碎裂蚀变岩型铜矿石和矽卡岩型铜矿石两大类，其中碎裂蚀变岩型铜矿石分布在Ⅰ、Ⅲ号铜矿体中，矽卡岩型铜矿石分布于Ⅳ、Ⅴ矿体中。矿石矿物组成主要有黄铜矿、磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿等，围岩蚀变主要有绿泥石化、硅化、碳酸盐化等。矿区岩体众多、构造发育，其中新近纪中新世花岗闪长斑岩与成矿关系最为密切，这与区域上含矿斑岩体年龄一致(孟祥金等，2003；芮宗瑶等，2003；林武等，2004)。其成矿温度、硫-碳-氧同位素特征与区域上的斑岩型、矽卡岩型矿床相近(曲晓明等，2002；孟祥金等，2006)。因此该矿床为矽卡岩型铜矿床，属于区域上统一的冈底斯斑岩型-矽卡岩型成矿系统。