广西龙围地区石英脉型铜矿中硫化物Re-Os测年及意义

付 嵩，李社宏，马文恩，蒋 超，谢卓麟，吴金铭，胡煦阚，张紫桐

(1.桂林理工大学 地球科学学院，广西 桂林 541004；2.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；3.广西壮族自治区地球物理勘察院，广西 柳州 545005)

0 引 言

广西大瑶山地区断裂构造发育，受其控制有大量热液型金、银、铜、铅锌等金属矿床产出[1-4]。其中，在大瑶山西北地区，已发现近百个石英脉型铜铅锌矿床，它们的矿体形态简单，矿石组成相同或相似，主要赋存在中—下泥盆统地层的近SN向断层内[5-8]。关于这些矿床的形成时间，存在加里东期、海西—印支期、燕山期和多期演化的认识[2,6,9-11]，却少有相关矿床测年数据的报道。

大瑶山地区石英脉型矿床往往与加里东期或燕山期岩浆活动有关[2-3,12-13]。在大瑶山西北，主要出露大进、朴全和岭祖3个加里东期酸性小岩珠，它们形成于414～446 Ma[7,14-16]，形成时间早于矿体所在的中—下泥盆统地层(354～410 Ma)，从而有学者否定了该区热液型矿床与加里东期岩浆活动的关系[14-15]。

1 地质背景

广西大瑶山位于扬子板块与华夏板块碰撞带的西南段。整个大瑶山隆起地区主要发育寒武纪、泥盆纪和石炭纪巨厚沉积地层。岩浆岩多在中南部地区出露，以加里东期和燕山期中酸性侵入岩为主[13,24-26]。区内断裂构造发育，有NE向、SN向和EW向，研究表明部分断层在加里东期已经具有雏形，此后经历了多期构造活动[27-28]。总体上，大瑶山具有南部金矿、西部铅锌矿和西北部铜矿的分布特征[2-3,6,29]。

大瑶山西北部出露寒武系和泥盆系地层，其中泥盆纪莲花山组、那高岭组和东岗岭组地层是石英脉型铜矿的赋矿地层(图1)。断层以SN向、NE向和NW向为主，SN向断层是主要容矿断层，向北延伸的部分出现NW、NE分支或偏转。大瑶山西北部沉积地层较厚，仅有大进、岭祖和朴全3个小岩体出露，岩性为花岗岩和花岗闪长岩，与寒武纪地层呈侵入接触关系。区内典型铜矿床有雅当、那马、大乐、龙围、寨宝、六定、长乐、三角矿床等，这些矿床均分布在断层石英脉中，矿体呈串珠状、豆荚状，地表常见铅锌、重晶石和褐铁矿化。该地区铜矿石产出品位较高，平均达到2%～6%。龙围地区的龙围、雅当、寨宝、六定和长乐5个矿床比较集中，分布在3条东西相距约1.5 km的SN向断层中。由于矿权分割，它们被归为不同矿床，这些矿床地质特征、矿体空间展布、矿石结构组成一致，具有相同的成因，成为本次研究的对象。

1.1 矿床特征

龙围地区位于广西大瑶山西北金秀县三江乡龙围至六定一带，属于大瑶山隆起的西北部(图1)。区内仅出露下泥盆统莲花山组(D1l)碎屑岩。该组下段为紫红-浅灰色中厚层状砂岩(633～674 m)，上段紫红色中薄层状砂岩、泥质砂岩夹少量页岩、泥灰岩等(610～740 m)。地层主体倾向西，倾角10°～25°。地层受构造应力和热液蚀变影响，大部分岩石破碎，多组节理发育，可见沿着裂隙和层理蚀变现象。

区内发育3条近SN向的容矿断层。F1罗萝—金龙河断裂SN向延伸，全长约35 km，区内出露其北段，宽1.5～8 m，向北延伸略偏东，倾向265°～285°，倾角65°～82°，控制了长乐、寨宝等矿山的部分矿体。F2为金秀—六定断裂，全长约26 km，区内出露其北段部分，主体走向近SN，有明显的东西向波动，破碎带宽0.5～3 m，倾向255°～290°，倾角67°～85°。F3位于F1和F2之间，长4.5 km，宽0.5～2.5 m，倾向85°～105°，倾角76°～87°，主体走向近SN，倾向东，南部呈NNW向，北部呈NNE向延伸，发育羽状小断裂F3-1。此外，区内有少量顺层逆断层，规模小，右行错断矿体，断距5～30 m，属于破矿构造(图2)。

区内存在10余段矿体，分别赋存在F1、F2、F3和F3-1断裂带中(图2)。矿体呈脉状或串珠状，单矿块一般长50～780 m，水平面上有较显著的等间距(1.5 m)分布的规律性。垂向上，矿体在地表10～50 m为氧化矿，具有重晶石化、铅锌矿化和褐铁矿化特征；深部为原生硫化物矿体，严格受断层控制，控制矿体标高为216～750 m。F3与F3-1断层内矿体向深部延伸具有汇合趋势(图3)。矿体厚度一般在0.2～1.8 m，平均0.85 m，倾角67°～78°，铜品位0.4%～6.83%，平均2.35%，伴生少量铅锌，区内铜金属资源量超过1×105t。

工业矿石主要是充填在断裂带和裂隙内石英脉中的硫化物(图4a)。矿石有块状构造、细脉-网脉状构造、浸染状构造、角砾状构造、斑点-斑杂状构造等，具有半自形-它形粒状结构(图4b、e、f)、交代结构(图4b、c)、交代残余结构、碎裂结构(图4b、c、d)、反应边结构和海绵陨铁结构等。矿石矿物主要有黄铁矿、黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿、方铅矿、闪锌矿等，脉石矿物主要有石英、重晶石、方解石、萤石、云母等矿物。根据矿石矿物的共生组合关系可以划分矿石中主要矿物的结晶顺序为：黄铁矿、石英→黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿→方铅矿、闪锌矿→石英、重晶石→铜蓝、褐铁矿(氧化蚀变)。

研发投入强度(RD)：创新与制造业结构紧密相关，本文使用研发投入占GDP的比重衡量创新程度，记为RD。

黄铁矿的碎裂结构和交代结构表明：黄铁矿结晶后受应力作用发生了碎裂，然后含铜热液充填交代黄铁矿固结形成矿石。因此，黄铁矿可能受到构造和热液的干扰，其Re-Os测年数据可靠性相对较差。然而，已有一些论文利用碎裂交代结构的黄铁矿Re-Os测年，来解决多期次金属矿物的结晶问题[22-23]。本文采用同一矿石中的黄铁矿和黄铜矿分别开展Re-Os测年，并结合岩石矿物特征综合分析。

2 采样和测试分析

2.1 采样及测试

本次在龙围地区F1、F2和F3含矿断层内的平硐和钻孔采集5件石英脉内原生硫化物矿石。HY-2位于F2内320中段，HY-3位于F2内275中段，HY-4位于F2内钻孔海拔206 m处，HY-5位于F3内钻孔海拔247 m处，HY-6位于F1内300中段。矿石内主要矿物为黄铜矿、黄铁矿、斑铜矿、辉铜矿和石英等。样品采集后送北京领航测试中心挑选黄铜矿和黄铁矿，选择粒度大于0.1 mm的矿物颗粒进行测试。

在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室，采用N-TIMS法，完成黄铜矿Re-Os 同位素组成测定。用AG1X8阴离子树脂对Re进行分离和纯化，Triton型热电离质谱仪(美国 Thermo-Fiser仪器公司)对Os同位素组成进行测定，二次电子倍增器(SEM)动态跳峰方式测定OsO3-(质量数分别为233、235、236、237、238、240)。在Xseries-2型电感耦合等离子体质谱(美国Thermo-Fiser仪器公司)上对Re含量进行测量。全流程的Os空白为0.3～0.8 pg，Re为5～14 pg，对测量结果的影响可以忽略，具体流程见文献[20]。

2.2 测试结果

本次5件黄铜矿、黄铁矿样品测试结果分别见表1、表2。黄铜矿Re含量为(23.87±6.9)×10-12～(318.41±21.96)×10-12，Os含量为(0.255±0.025)×10-12～(2.964±0.057)×10-12，187Re/188Os范围在227.58～3 313.98，187Os/188Os的范围在9.42～22.83。采用衰变系数1.66×10-11a-1,运用Isoplot软件进行回归处理，黄铁矿Re和Os含量分别为(115.16±11.7)×10-12～(262.9±13.29)×10-12和(0.467±0.019)×10-12～(1.487±0.021)×10-12，拟合出等时线年龄(417±25) Ma，187Os/188Os初始值(2.37±0.68)，MSWD=0.92(图5)。黄铜矿样品的Re-Os等时线年龄为(243±18) Ma，权重均方差MSWD=0.45，初始值为(8.5±0.24)(图5)。

表1 黄铜矿Re-Os同位素数据

表2 黄铁矿Re-Os同位素数据

黄铜矿和黄铁矿中Re和Os含量均比较低，易引起等时线年龄较大范围的波动。国内外关于黄铜矿、黄铁矿和磁黄铁矿Re-Os测年时，等时线数据范围较大的情况在许多矿床中均有报道。如广东大宝山硫化物中磁黄铁矿(410±16) Ma，黄铜矿(243±41) Ma[30]；新疆阿舍勒铜铅矿中黄铜矿为(342±11) Ma[31]；大红山黄铜矿为(1 115±28) Ma[32]，西藏当雄磁黄铁矿(309±31) Ma[33]。青海驼路沟钴(金)矿床中黄铁矿测得(432±23) Ma和(442±17) Ma[19]；西藏拉乌铜矿床中磁黄铁矿为(309±31) Ma[33]。大瑶山地区岩浆、构造和热液活动具有多期性，导致对黄铜矿和黄铁矿的Re-Os同位素测年有影响，不能仅凭数据进行推演，因此我们结合岩石矿物和区域岩浆成矿规律进行讨论。

3 讨 论

3.1 黄铁矿结晶时间

本次获得黄铁矿Re-Os 等时线年龄为(417±25) Ma，属于加里东期，但黄铁矿受到后期构造和热液叠加作用，加里东期是否存在黄铁矿结晶事件还需要结合地质和成矿等因素进一步分析讨论。华夏-扬子板块的俯冲或碰撞作用，使大瑶山地区加里东期岩浆活动强烈[7,34]。研究认为该期构造作用是引起华南地区在印支期、燕山期发生大规模金属成矿作用的关键原因之一[25,29]。

大瑶山中南部发育大量的加里东期酸性侵入岩和与之有关的金、钼和铜矿床[10-11,13,26,34-35]，而大瑶山西北加里东期矿床测年数据匮乏。尽管前人总结出加里东期是斑岩-夕卡岩-石英岩脉型钨钼铜矿成矿期[2]，是多期成矿中含矿热液初次活动期[12,27]。但是有关矿床年龄的报道相对较少，精确定年更少。罗永恩[5]2009年在桂西北铜铅锌矿床的硫化物矿石中，计算出方铅矿Pb同位素模式年龄：3件样品为429～452 Ma，9件样品为329～378 Ma，1件样品为202 Ma。龙华镍钴矿床赋存在大进岩体附近的NE向断层中，其中砷镍矿Re-Os精确定年为(462.6±8.5) Ma[4]。大进岩体内存在含铅锌矿化的细石英脉，采用云母Ar-Ar定年法获得热液活动时间为(399.3±3.6) Ma[13]，见图7。本次获得的黄铁矿年龄数据，为黄铁矿结晶时间提供了依据。

华南加里东运动可以分为460～440 Ma的华南洋俯冲云开陆块和440～400 Ma的扬子板块与云开陆块碰撞及拉张阶段[24]。大进、朴全和岭祖岩浆岩年龄集中在414～446 Ma，地球化学分析显示其为I型或A型，有地幔物质的加入[7,14-16]，这为硫化物结晶提供了良好的物质条件。我们对研究区黄铁矿进行电子探针测试，获得40组数据，Co/Ni比值变化范围较大，投影Co-Ni图(图8)，具有地层和岩浆共同成因的特征。黄铁矿的187Os/188Os初始值为(2.37±0.68)，明显高于地幔比值范围(1.2～1.3)，低于平均大陆壳的比值(3.63)[36]。综合以上分析，黄铁矿结晶可能是在加里东晚期碰撞后拉张环境下，岩浆作用地层形成的，但该年龄还需要进一步工作验证。

3.2 黄铜矿结晶时间

实验获得黄铜矿Re-Os 等时线年龄为(243±18) Ma，属于印支期早期。大瑶山地区关于印支期的岩浆和矿床报道很少。然而从构造和成矿规律分析入手，一些学者认为印支期具有成矿潜力[5,9,12]。在1∶5万和1∶20万地质图中可以判别出近SN向容矿断层活化的相对时间是晚泥盆世—中三叠世，SN向断层切穿寒武纪、泥盆纪和早—中石炭世地层，被少量出露的三叠纪地层覆盖。古应力场和构造分析认为晚二叠世—中三叠世，NW—SE向的区域挤压作用造成SN向容矿断层的左行走滑[37]。作者前期采集断层F3中矿体附近的断层泥，挑选粒度1 μm以下的伊利石，使用Ar-Ar法测年失败。之后用一份副样品进行K-Ar法测年，获得年龄(242.4±5.1) Ma，与黄铜矿年龄基本一致。因此我们认为，印支期容矿断层活化和含铜热液沿着断层充填交代是同期的，是该区铜矿床形成的关键。

广西南部十万大山—大容山一带，有大量240～260 Ma的酸性侵入岩群和部分铁镁质岩浆出露[37-38]，其东北延伸通过大瑶山南部。这在人和—南安、古里脑金矿和龙头山地区出现了243～264.4 Ma的花岗岩和长英质岩脉可以印证[2,27,39]。大瑶山西侧象州到武宣地区沿断裂侵入的多条酸性岩脉，全岩K-Ar测年获得了243.8 Ma[6]。研究区南侧马练地区煌斑岩脉K-Ar测年获得了257 Ma的数据[40]。由此可见，印支期岩浆和热液活动在大瑶山西北地区有存在痕迹，由于地表巨厚的古生代泥盆纪和石炭纪地层覆盖，出露较少。地球物理也证实在大瑶山西北深部存在一个较大的隐伏岩体[5]。

黄铜矿的187Os/188Os初始值为(8.5±0.24)，与元古宙变质沉积岩的187Os/188Os 9.68接近[41]，说明黄铜矿物质来源与深部古老沉积基底有关。岩石地球化学特征表明大容山附近该时段的酸性浆岩，为元古宙壳源物质重熔产物[37-38]。因此我们认为，龙围铜矿的含铜热液形成与印支期隐伏的岩浆和热液活动有关。

本次获得黄铜矿结晶年龄(243±18) Ma，首次厘定了龙围地区石英脉型铜矿的成矿年龄，也为大瑶山西北地区存在印支期成矿热液活动提供了证据。

3.3 矿床成因认识

从黄铁矿和黄铜矿的测年数据显示，龙围地区铜矿床的矿石形成从加里东期黄铁矿结晶开始，到印支期主要含铜矿物结晶充填，经历了漫长的地质历史时间。在大瑶山西北，有加里东期岩浆和含矿热液活动，形成了少量铅、锌等矿化线索，在寒武纪地层的断层中形成钴镍铜等石英脉型矿体，但数量比较少，矿体规模不大[4,7]。研究区处于碰撞后拉张环境[24]，利于含矿热液从地层和岩浆中分离出金属元素，进行初次富集。但黄铁矿的年龄(417±25) Ma还有待进一步研究确定。

矿石中黄铁矿的碎裂和黄铜矿的交代现象，在大瑶山西北地区妙皇、那马、雅当和三角等铜矿床中均有明显表现。黄铁矿发育剪切裂隙、穿晶裂隙和碎裂流动等现象，表明黄铁矿受到外动力作用破碎。印支期区域上NW向的挤压作用，造成了寒武纪、泥盆纪和石炭纪地层的普遍破碎[39]，同时活化了近SN向断层，为热液充填提供了空间。

伴随含矿断层的活化，含铜热液沿容矿断层贯入，充填交代碎裂的黄铁矿，黄铜矿在(243±18) Ma结晶形成矿石。此后，矿体未经受较大的应力作用，黄铜矿和石英晶体形态保持完整。目前龙围地区矿体揭露深度有限，本次采集60件包裹体样品，温度集中在108～256 ℃之间，与前人关于该区的包裹体温度基本一致[5-6]，属于中低热液矿床。

综合分析，我们认为大瑶山西北地区石英脉型铜矿的形成，可能与加里东期和印支期岩浆和热液活动有关，本次研究为其提供了Re-Os测年数据，可靠的结论还有待更多证据支撑。

4 结 论

(1)对大瑶山西北龙围地区石英脉型铜矿石中黄铁矿和黄铜矿展开Re-Os同位素测年，获得黄铁矿等时线年龄(417±25) Ma(MSWD=0.92)，黄铜矿等时线年龄(243±18) Ma(MSWD=0.45)，由于两件样品Re和Os含量低，可能受到后期构造热液活动叠加影响，加里东期是否存在成矿事件，还需要进一步研究。

(2)龙围地区铜矿石形成，经历了黄铁矿结晶、黄铁矿碎裂和含铜热液充填交代等过程，最终在印支期固结成矿。本次研究为大瑶山西北地区存在印支期成矿热液活动提供了证据。

致谢：感谢龙围铜矿、寨宝铜矿、六定铜矿和长乐铜矿业主和技术人员的支持和帮助，感谢审稿老师提出的意见，感谢编辑老师的辛勤付出。