云南水头山铅锌矿床闪锌矿Rb-Sr 定年及其地质意义

张传昱，李文昌，余海军，李婉婷，罗建宏，沙建泽，吴清华，潘泽伟

（1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2. 自然资源部三江成矿作用及资源勘查利用重点实验室，云南 昆明 650051；3.云南省地质调查院，云南 昆明 650216；4. 中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都 610081；5.云南大学地球科学学院，云南 昆明 650500）

0 引言

保山地块是三江特提斯的一个重要组成单元，近年来在其内部发现了多个大型—超大型铅锌多金属矿床（核桃坪、金厂河、西邑、勐兴、芦子园），中小型矿床数十个，已成为我国重要的铅锌多金属成矿区之一。芦子园矿集区位于保山地块南端，区内主要发育以芦子园矽卡岩型矿床和水头山热液脉型矿床为代表的两种铅锌多金属矿化类型，学者们对这两类矿床进行了大量的研究，在矿床地质特征、成矿物质流体来源及矿床成因等方面积累了丰富资料（夏庆霖等，2005；卢映祥，2011；朱飞霖等，2011；蒋成兴等，2013；余海军等，2015；张传昱等，2017；邓明国等，2017，2018；Yang et al.，2019；陈俞宏等，2020；高志武等，2020；Xu et al.，2021；Xu et al.，2021；Zhang et al.，2021），但热液脉型矿床的成矿年代学研究尚属空白，成矿构造背景尚不明确，导致两种铅锌矿化类型是否属于同一成矿系统尚存在争议，严重制约了对芦子园矿集区乃至整个保山地块成矿作用和成矿规律的认识。

随着高精度同位素年代学测试技术的快速发展，闪锌矿的Rb-Sr 同位素定年方法已成为铅锌矿床同位素地质年代学研究的一种重要手段，并已先后在国内外多种类型的铅锌矿床中大量成功应用（Nakai et al.，1990；Christensen et al.，1995；李文博等，2002；侯明兰等，2006；朱飞霖等，2011；杨群等，2018；王生伟等，2018；Liu et al.，2018）。本次研究选择区内典型的热液脉型矿床——水头山铅锌矿床，开展了Rb-Sr同位素组成测定，以精确厘定该矿床的形成年龄，结合其他矿床的年代学资料，约束整个芦子园矿集区的铅锌成矿作用时限，同时为矿床成矿物质来源提供Sr 同位素证据。在此基础上，结合区域成矿地质背景和矿床地质特征，及前人的S、Pb同位素资料，总结了该区的铅锌成矿作用过程。

1 区域地质背景

保山地块位于印度-欧亚大陆碰撞结合带东侧，是晚古生代从冈瓦纳大陆上分离出来的一个独立地体（莫宣学等，2006），其西界为怒江断裂，东界为澜沧江断裂，北部在碧江一带由于澜沧江断裂和怒江断裂汇拢而消失，构成滇缅泰马（Sibumasu）地体的一部分（图1；陶琰等，2010）。形成于新元古代—中寒武世的公养河群构成了保山地块的变质基底，其上覆盖了一套形成于晚寒武世—中生代的浅海半深海相碎屑岩、碳酸盐岩和硅质岩。区域上构造变形以发育密集排列的断裂和宽缓褶皱为特征，构造线主要呈SN向、NW向和NE 向展布，总体呈向东的弧形弯曲。

图1 保山地块大地构造位置图（a；据Deng et al.，2014a；Wang et al.，2014）及主要构造、岩浆岩和矿床位置图（b；据Deng et al.，2014b；Li et al.，2015；Liao et al.，2015；Chen et al.，2017修改）Fig. 1 Tectonic setting（a；after Wang et al.，2014；Deng et al.，2014a）and the sketch map of main structures，magmatic rocks and ore deposits（b；modified after Deng et al.，2014b；Liao et al.，2015；Li et al.，2015；Chen et al.，2017）in the Baoshan Block

保山地块岩浆活动较为频繁，以中酸性侵入岩为主，形成时代主要集中在早古生代和中生代（图1）。早古生代花岗岩主要出露在保山地块中南部，年龄范围大致在502 ～448Ma 之间，形成于统一冈瓦纳大陆时期（Chen et al.，2007；Liu et al.，2009；Dong et al.，2013）；中生代花岗岩主要出露于保山地块边部，代表性的有木厂岩体（266 ±5.4Ma）（Ye et al.，2010）、耿马大山岩体（232 ～221Ma）（聂飞等，2012）、志本山岩体（126.7 ±1. 6Ma）（陶琰等，2010）和柯街岩体（93 ±13Ma）（陶琰等，2010）。

芦子园矿集区内主要出露早古生代寒武系上统核桃坪组（∈3h）、沙河厂组（∈3sh）、保山组（∈3b）和奥陶系中上统蒲缥组（O2p）地层。寒武系地层出露面积最大，主要分布于芦子园背斜核部及两翼，其中沙河厂组和保山组地层为主要含矿层位，含矿岩性主要为板岩、灰岩和大理岩。北东向的芦子园背斜控制了区内矿床的总体展布情况，北东向和近东西向断裂控制了矿体的产出，是主要的控矿、容矿构造，后期的北西向断裂常常切断早期形成的矿体，具破坏作用。区内侵入岩总体不发育，地表有基性岩脉出露，但重力、航磁异常和遥感解译均显示在芦子园—水头山一带深部有隐伏中酸性岩体存在，面积约300km2（赵志芳等，2002；吾守艾力·肉孜等，2015；Liang et al.，2015；陈元坤等，2016；梁生贤，2018）。矿集区内发育有大小十数个铅锌多金属矿床（点）（表1），其中芦子园矿床是目前保山地块内发现的资源量最大的铁铅锌矿床，铅锌金属量419.77 万吨，铁矿石量3.13 亿吨（杨淑胜等，2015），水头山矿床是区内典型的热液脉型矿床，铅锌金属量约10 万吨，达中型规模。

2 水头山矿床地质特征

水头山铅锌矿床的矿体为隐伏矿体，常呈脉状、似层状产出于近东西向的断层破碎带中，围岩为寒武系上统保山组一段（∈3b1）灰岩和砂质板岩（图2、图3）。水头山矿床可圈出6 个铅锌矿体（SKT1、SKT2、WKT1、WKT2、WKT3、WKT4），其中SKT1、SKT2、WKT4 规模较大，为主要矿体。矿体总体走向近东西，倾向330° ～20°，倾角38° ～63°，沿走向长300 ～345m，最大倾斜延深305 ～360m，厚度0.65 ～4.22m、平均1.62m，分布标高1708 ～2150m。矿石品位Pb：0.17% ～11.36%、平均1.81%，Zn：0.65% ～12.54%、平均4.36%。

图2 水头山铅锌矿床地质简图Fig.2 Geological sketch map of the Shuitoushan Pb-Zn deposit

图3 水头山铅锌矿床S15号勘探线剖面图Fig.3 Profile section along No. S15 exploration line from the Shuitoushan Pb-Zn deposit

矿石中金属矿物主要包括黄铜矿、方铅矿、闪锌矿和黄铁矿，次为毒砂、白铁矿等，非金属矿物主要包括石英和方解石，次为绿泥石、白云石等。矿石构造主要有似层状构造（图4a）、脉状构造（图4b）、致密块状构造、浸染状构造（图4c、d）、条带状构造、网脉状构造和晶洞状构造。矿石结构主要有自形粒状结构（图4e、f）、半自形—它形粒状结构、包含结构、尖角状交代结构（图4g）、填隙结构、骸晶结构、固溶体分离结构（图4h）及揉皱结构和碎裂结构等。围岩蚀变类型简单，分布范围较小，以主要发育中—低温热液蚀变为特征，如硅化、黄铁矿化、绢云母化、绿泥石化和方解石化等，当这些蚀变组合同时出现时是重要的找矿标志。

根据矿物共生组合、矿石结构构造及矿物穿切关系，本文将水头山矿床的成矿过程划分为3 个成矿阶段（图5）：

图5 水头山铅锌矿床中主要矿物生成顺序示意图Fig.5 Metallogenic stages and mineral paragenesis for the Shuitoushan Pb-Zn deposit

黄铁矿-石英阶段（I阶段）形成大量的含黄铁矿石英脉，并有少量的白铁矿和毒砂。石英常为白色，具油脂光泽。黄铁矿呈自形—半自形浸染状分布于石英脉边缘和裂隙中，粒径0.1 到0.6mm。

黄铜矿-方铅矿-闪锌矿阶段（II 阶段）是主要的铅锌成矿阶段，该阶段普遍形成浸染状、块状的铅锌矿石（图4c、d）。闪锌矿通常自形程度较高，粒径0.1 到0.5mm，与方铅矿和黄铜矿共生（图4d、f），沿矿物颗粒边缘或内部裂隙局部交代I 阶段黄铁矿和毒砂（图4f）。黄铜矿常以不规则小颗粒的形式出现在闪锌矿颗粒中，形成固溶体分离结构（图4h）。这一阶段的石英因常呈无色—烟灰色（富含闪锌矿和方铅矿时），具玻璃光泽。

方解石阶段（III阶段）以大量方解石为特征，含少量方铅矿和石英。方铅矿常交代II 阶段闪锌矿（图4i）。该阶段的方解石一般不含矿，偶与石英共生。石英呈乳白色，通常呈块状或脉状，偶见石英脉切穿早期形成的铅锌矿体。

图4 水头山铅锌矿床矿石组构特征Fig.4 Field and microscope photographs of different textures from the Shuitoushan Zn-Pb deposit

3 样品与测试方法

测试Rb-Sr同位素的闪锌矿样品选自水头山矿床坑道SPD2，为主成矿阶段（II 阶段）中晶形较好的闪锌矿。前人研究指出，赋存在主矿物晶格及固态微包体中或原生流体包裹体中的Rb和Sr能够给出较精确的Rb-Sr 测年结果，而赋存于次生流体包裹体中的Rb 和Sr则会使测年结果产生偏差（刘建明等，1998；李文博等，2002）。为保证闪锌矿Rb-Sr同位素定年结果的可靠性，本次工作在对闪锌矿样品开展Rb-Sr 测年前，先在显微镜下观察确定闪锌矿内不发育脉石矿物且无裂隙，未受到后期流体的破坏，然后将待测样品送至南京南太地质测试研究所粉碎至180 ～380μm（40 ～80 目），在双目镜下挑选出纯净的颗粒研磨至74μm（200 目）后用超声波反复洗涤以消除或减少次生包裹体对测年结果的影响，保证所测试矿物的同源性、同时性和封闭性。称取每件单矿物样品0.2 ～0.3g，单矿物粉末样品用混合酸溶解后采用高压密闭熔样和阳离子交换技术进行分离和提纯，在VG354 型热电离多接收同位素质谱仪上对闪锌矿的Rb、Sr元素含量进行初步测试，根据测试结果，挑选出6 件适合定年的闪锌矿样品开展Rb、Sr 同位素组成的精确测定，测定方法详见文献（王银喜等，2007）。测试标样采用美国NBS987 同位素标样（87Sr／86Sr ＝0.710236 ±0.000007），以86Sr／88Sr ＝0.1194 进行标准化，Sr 的全流程空白为（5 ～7）×10-9g。利用ISOPLOT软件（Ludwig，2003）计算闪锌矿的等时线年龄，计算过程中87Rb／86Sr 的分析误差为±0.05%，87Sr／86Sr 的分析误差为±1%，置信度为95%。

4 分析结果

Rb-Sr同位素测试结果列于表2。闪锌矿的Rb含量为1.189×10-6～11.38 ×10-6，Sr 含量为3.407 ×10-6～67.34×10-6，87Rb／86Sr 值为0.1029 ～3.962，87Sr／86Sr值为0.710457 ～0.717942。对6 件样品（ZS-2、ZS-6、ZS-9、ZS-10、ZS-12、ZS-15）做回归等时线，获得闪锌矿的Rb-Sr等时线年龄为135.8 ±4.2Ma，MSWD ＝1.70，初始87Sr／86Sr值为0.71033 ±0.00013（图6）。

表2 水头山矿床中闪锌矿Rb-Sr同位素测试结果Table 2 Rb-Sr isotope data of sphalerite from the Shuitoushan deposit

图6 水头山矿床闪锌矿Rb-Sr等时线年龄图Fig.6 Rb-Sr isochron diagram of sphalerite from the Shuitoushan deposit

5 讨论

5.1 成矿时代

闪锌矿的1／Sr-87Sr／86Sr图解和1／Rb-87Rb／86Sr图解可以帮助识别其形成过程中87Sr／86Sr初始值是否发生变化，从而判别闪锌矿Rb、Sr 同位素数据的合理性（李文博等，2002）。水头山矿床闪锌矿的1／Sr与87Sr／86Sr、1／Rb 与87Rb／86Sr 之间均不存在线性关系（图7），说明获取的等时线年龄合理可信。6件测试样品在闪锌矿的Rb-Sr等时线年龄图中全部落在等时线上（图6），显示了闪锌矿Sr同位素组成的均一性，即闪锌矿形成过程具有良好的封闭性（杨群等，2018），表明本次实验获得的闪锌矿等时线年龄（135.8 ±4.2Ma，MSWD ＝1.70）可信，所以水头山铅锌矿床的成矿时代为早白垩世。

图7 水头山矿床闪锌矿1／Sr-87 Sr／ 86 Sr（a）和1／Rb-87 Rb／ 86 Sr（b）关系图Fig.7 1／Sr vs. 87Sr／ 86Sr diagram（a）and 1／Rb vs. 87Rb／ 86Sr（b）of sphalerite from the Shuitoushan deposit

该成矿年龄与朱飞霖等（2011）获得的芦子园矿床中闪锌矿、黄铜矿、石英和钾长石的Rb-Sr同位素等时线年龄（141.9 ±2.6Ma）在误差范围内基本一致，表明二者可能为同一岩浆-热液成矿事件的产物。芦子园矿集区多金属成矿作用的形成时间可大致限定在142 ～135Ma 范围内，结合区内矿床的规模和数量，显示出该区在早白垩世发生过较大规模的岩浆-热液多金属成矿事件。

5.2 成矿物质来源

Sr同位素初始比值（87Sr／86Sr）i是示踪成岩成矿物质来源的重要指标（侯明兰等，2006）。为了避免放射性87Rb衰变对Sr同位素结果造成影响，本文将成矿时代换算至135.8Ma，利用GeoKit 软件（路远发，2004），计算得到水头山矿床闪锌矿的（87Sr／86Sr）i值为0.710258 ～0.710430，这与Rb-Sr等时线所给出的87Sr／86Sr 初始值（0.71033）基本一致（图6）。水头山矿床闪锌矿的初始Sr 同位素比值与同处保山地块内的芦子园铁铅锌矿床、金厂河铁铜铅锌矿床和核桃坪铅锌矿床的Sr 同位素初始比值接近（表3），且均介于大陆地壳（（87Sr／86Sr）i＝0.719，Palmer et al.，1989）和地幔（（87Sr／86Sr）i＝0.704，Palmer et al.，1985）的Sr同位素初始比值之间（图8），暗示区内矿床的成矿物质可能为壳幔混合来源，这一认识也与上述矿床的Pb 同位素组成所显示出的上地壳和地幔混合来源特征（Xu et al.，2021；Zhang et al.，2021；陈伟，2019；邓明国等，2017；陈永清等，2005；高伟等，2011；沙建泽等，2021；杨玉龙等，2012）相吻合。

表3 保山地块部分金属矿床Sr同位素比值Table 3 Sr isotopic ratio of minerals from deposits in the Baoshan Block

图8 保山地块部分金属矿床（87Sr／ 86Sr）i值Fig.8 （87Sr／ 86Sr）i values of mineral from some deposits in the Baoshan Block

另外，保山地块内形成于早白垩世的志本山花岗岩体的（87Sr／86Sr）i值为0.716810 （陶琰等，2010），与上述铅锌矿床的Sr 同位素初始比值大致相近，暗示保山地块内这些矿床的成矿作用可能与岩浆活动有关。矿石中硫化物的S同位素组成特征也表明了岩浆硫的贡献，水头山铅锌矿床的δ34S 值为4.1‰ ～12.2‰（邓明国等，2017；Zhang et al.，2021），与矿集区内的芦子园铁铅锌矿床、放羊山铜铅锌矿床，及同属保山地块的金厂河铁铜铅锌矿床和核桃坪铅锌矿床的δ34S 值变化区间相似（表4），且均介于岩浆硫（δ34S ＝-4.0‰ ～9.0‰）（Hoefs J，1987）和寒武纪—三叠纪海水硫（δ34S ＝15.0‰～35.0‰）（Claypool et al.，1980）之间，表现出岩浆硫和海水硫的混合来源特征。水头山铅锌矿床的硫可能最初来源于矿集区深部的隐伏中酸性侵入岩，在成矿过程中逐渐混入了围岩（寒武系上统保山组）中的硫。

表4 保山地块典型金属矿床金属硫化物S同位素组成Table 4 Sulfur isotopic compositions of sulfide from deposits in the Baoshan Block

综上，本次研究认为水头山铅锌矿床的成矿物质具有壳幔混合来源的特征，主要来自于深部隐伏的中酸性侵入岩，在成矿过程中，逐渐有围岩中的物质加入。

5.3 早白垩世构造背景与成矿作用

矿集区所处的腾冲-保山地块经历了复杂的构造演化，杨启军等（2006）认为高黎贡花岗岩形成于早白垩世（SHRIMP 锆石U-Pb 年龄：126 ～118Ma），属强过铝质S 型花岗岩，是中特提斯怒江洋向南俯冲、闭合的结果；陶琰等（2010）报道了保山地块志本山岩体的锆石U-Pb 年龄为126.7 ±1.6Ma，属保山地块与腾冲地块碰撞环境下形成的过铝质S型花岗岩。腾冲地块和保山地块经历的同期岩浆活动，暗示了两者的拼合在早白垩世已经发生，之后进入陆陆碰撞造山阶段。碰撞作用导致腾冲-保山地壳增厚，引起地壳重熔而形成大量中酸性岩体，志本山花岗岩体及矿集区深部的隐伏中酸性岩体可能就是在这一时期形成的。此外，矿集区辉绿岩脉广泛出露，反映出保山地块内部存在地壳／岩石圈的阶段性拉张（范蔚茗等，2003；毛景文等，2005；陶琰等，2010），与中国东部中新生代岩石圈加厚同时出现阶段性拉张的成矿作用相似（华仁民等，1999；Hu et al.，2008；胡瑞忠等，2008）。综上，本文认为芦子园矿集区在早白垩世的成矿事件发生在地壳碰撞加厚与阶段性拉张的动力学背景下，是中特提斯怒江洋闭合时期碰撞造山作用的产物。

综合本文及前人研究资料，可将芦子园矿集区的成矿作用过程总结如下：晚侏罗世—早白垩世，腾冲地块与保山地块的碰撞造成地壳加厚及阶段性剪切拉张，导致地壳重熔产生大量的岩浆活动，形成了矿集区内的隐伏中酸性岩体，同时，保山地块内部受到挤压、拉张，形成褶皱和断裂等构造，为含矿流体的运移及成矿物质的沉淀和富集提供了通道和场所。在隐伏中酸性岩演化的晚期，携带矿质的热液从中酸性岩体中出溶，沿着构造裂隙向上运移，成矿流体的温度压力逐渐降低，使得金属元素在溶液中的溶解度降低，在与沙河厂组大理岩接触部位发生矽卡岩型铁、铅锌矿化（如芦子园矽卡岩型铁铅锌矿床）。此后，含矿热液沿着构造裂隙向外围地层继续迁移扩散，在区内北东向和近东西向断裂形成的有利空间发生一系列热液脉型铅锌多金属矿化（如水头山、放羊山、罗家寨及枇杷水等多个脉型铅锌多金属矿床），共同构成以隐伏中酸性岩体为中心的矽卡岩-热液脉型多金属成矿系统。

6 结论

（1）本次研究获得的水头山矿床主成矿阶段闪锌矿的Rb-Sr等时线年龄为135.8 ±4.2Ma，与芦子园矿床的成矿年龄（141.9 ±2.6Ma）在误差范围内一致，认为芦子园矿集区在早白垩世发生过较大规模的岩浆-热液多金属成矿事件。

（2）水头山铅锌矿床金属硫化物的Sr、S、Pb 同位素特征表明其成矿物质具有壳幔混合来源的特征，主要来源于深部隐伏中酸性侵入岩，并有部分围岩物质加入。

（3）早白垩世时期，在腾冲地块和保山地块碰撞造山作用影响下，芦子园矿集区深部地壳重熔产生富含Fe、Cu、Pb、Zn的大量花岗质岩浆，上侵就位形成了区内的隐伏中酸性岩体，在与沙河厂组大理岩接触部位形成了芦子园矿床；在区内北东向和近东西向断裂形成的有利空间中形成了水头山、放羊山、罗家寨和枇杷水等一系列热液脉型铅锌多金属矿床。