滇西叫鸡冠铁多金属矿床碳氧硫同位素地球化学特征研究

2022-12-26赵泓一邓明国沙建泽

中国煤炭地质 2022年11期

赵泓一，邓明国，沙建泽，陈伟，贾祯

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.云南省地质调查院，云南昆明 650216；3. 自然资源部三江成矿作用及资源利用重点实验室，云南昆明 650051；4. 滇西应用技术大学，云南大理 671000)

0 引言

叫鸡冠铁多金属矿床是近年来在中缅边境附7号线附近发现的中—大型铁多金属矿床。矿床被国界线划分为南北两段，南部位于中国云南腾冲县，而北部则归属于缅甸的克钦邦。矿床在宏观上具有明显的矽卡岩蚀变及金属矿化分带，属典型的矽卡岩型矿床。目前矿床研究主要涵盖岩体、测年矿物(辉钼矿、锡石)的主微量和年代学工作[1-2]，但缺乏对成矿流体、成矿物质来源及演化的相关研究，亟需进一步的深入科学研究，以指导该区的勘查找矿工作。

方解石的C-O同位素被广泛应用于矿床成矿流体的来源及演化过程的研究[3-4]，S同位素组成的研究常用于判断成矿物质的来源[5]。将在详查矿床地质特征的基础上，系统研究C-O-S同位素地球化学的特征，明确成矿流体、成矿物质的来源和演化，并结合前人工作进一步总结矿床成因问题。

1 区域地质概况

叫鸡冠铁多金属矿床所处的腾冲地块位于滇缅泰马地块以北[6](图1)，班公湖-怒江板块缝合带和印度河-雅鲁藏布江板块缝合带之间[8-9]，地块东部与保山地块由高黎贡山断裂带相接，西部与缅甸地块由密支那-曼德勒缝合带相连[10]。自早古生代以来，该地块经历了洋壳俯冲、陆内汇聚和陆-弧碰撞等一系列重要的构造事件[11-12]。

图1 腾冲地块区域地质简图[7]Figure 1 Regional geological sketch map for Tengchong land mass[7]

腾冲地块地层发育较完整，包括古元古界、新元古界及少量的上三叠统、新近系和第四系，古生界最为发育。区域发育多条深大断裂，包括近SN向的高黎贡山断裂、棋盘石断裂、大盈江断裂和NE向的槟榔江断裂等。区内褶皱受断层控制，总体呈SN向展布，与主构造线方向一致。

区内岩浆活动频繁，前人基于年代学研究，通过岩浆岩锆石U-Pb定年将区内岩浆岩出露划分为东、中、西3条花岗岩类亚带。上述3条亚带均呈NS向近平行带状分布，具有明确的时空分布特征，从东到西依次为① 早白垩世东河岩体(143.0～111.7 Ma)；② 晚白垩世古永岩体(84.3～65.9 Ma)；③ 古近纪槟榔江岩体(66.4～41.2 Ma)。区内金属矿床的产出在空间上与花岗岩密切相关，各花岗岩亚带具有不同的矿化特征。其中，东河花岗岩亚带以矽卡岩型Fe-Pb-Zn-Cu多金属矿化；古永花岗岩亚带发育内高温热液云型、英岩型Sn矿化；槟榔江花岗岩亚带则发育低温热液型、云英岩型Sn矿化为特征。

2 矿床地质特征

叫鸡冠铁多金属矿床位于中缅边境附7#附近，是近年发现的一处中型矽卡岩铁多金属矿床，伴生有数量可观的W、Sn、Cu、Zn、Pb等金属元素，经济价值巨大，可露天开采(图2)。矿区出露地层有二叠系及第四系，岩性为大理岩化、矽卡岩化，二叠系空树河组是区内铁多金属矿的主要赋矿层位。

图2 叫鸡冠铁多金属矿床矿区简图[2]Figure 2 Geological sketch map for the Jiaojiguan Fe-polymetallic deposit

区内断裂构造发育，以近SN向、EW向及NW向断裂为主，其中F1和F6为控制矿区及矿体的主要断裂。矿区总体上为一单斜地层，只是中东部大理岩局部呈一小型褶皱，分布于矿区中东部大理岩出露地带，核部为大理岩，南东翼为变质砂岩、板岩、长英角岩等。矿区内出露有一条SN向贯穿矿床的花岗斑岩岩脉，矿区外围黑云母二长花岗岩广泛分布。

矿体主要以似层状、透镜状、条带状为主产出于二叠系空树河组大理岩和矽卡岩中。矿区的矿石矿物主要为磁铁矿，其次为磁黄铁矿、闪锌矿、铁闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、黄铁矿、锡石、白钨矿等；脉石矿物主要有石英、白云母、金云母、方解石、透辉石、绿泥石、蛇纹石、透闪石、绿帘石等。矿石结构以他形-半自形粒状结构和他形中—细粒结构为主，次为少量交代填充结构(图3e、图3f)。矿石常见稀疏浸染状构造、块状构造、脉状构造和条带状构造(图3a至图3d)。围岩蚀变强烈，主要包括矽卡岩化、大理岩化、角岩化等，其中矽卡岩化控制了磁铁矿化的分布，大理岩化则与铅锌矿化密切相关。

通过野外地质调研和手标本、显微镜下鉴定，基于矿物共生组合和穿插关系，可将叫鸡冠矿床的成矿作用划分为矽卡岩(I)、氧化物(II)和硫化物(III)3个成矿阶段。

1)矽卡岩阶段。为形成矽卡岩的主要阶段，在高温的超出或接近临界条件下多形成矽卡岩矿物，少量磁铁矿，一般不形成工业矿体。区内的主要矽卡岩矿物石榴子石、透辉石、绿帘石、阳起石、绿泥石，以及少量硅灰石等。

2)氧化物阶段。为形成磁铁矿的主要阶段，磁铁矿大量出现，伴有少量硫化物。脉石矿物主要为各类矽卡岩矿物、石英、方解石等。

3)硫化物阶段。此阶段主要金属矿物为闪锌矿、磁黄铁矿、方铅矿，以及黄铁矿等；石英、方解石为主要脉石矿物。

Cal—方解石；Mag—磁铁矿；Grt—石榴子石；Po—磁黄铁矿；Gn—方铅矿；Sp—闪锌矿；Py—黄铁矿；Ccp—磁黄铁矿图3 叫鸡冠铁多金属矿床矿石结构构造Figure 3 Textures and structures of ores from Jiaojiguan Fe-polymetallic deposit

3 测试分析方法与结果

3.1 测试分析方法

针对矿床各阶段样品进行的同位素研究能有效示踪其成矿物质及成矿流体来源，为推动矿区找矿工作有着重要意义[13-15]。在野外和室内详细研究的基础上，选择氧化物阶段新鲜的、具有代表性的围岩、脉石矿物(方解石、灰岩、大理岩)和硫化物(黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、磁黄铁矿)样品逐级破碎、过筛，选粒级在40～80 目的样品，在双目镜下反复挑选，使其纯度达到99%以上，再用玛瑙研钵研磨至200 目以上。样品分析测试在昆明理工大学同位素研究实验室完成。

C-O同位素：将挑纯的方解石、围岩样品在陶瓷研钵中磨成200 目，用电子天平称取0.1 g放于烘箱中烘干，然后在真空系统于25 ℃下与100%的正磷酸反应24 h[16-17]。生成的CO2气体进入MAT-251质谱仪中进行C、O同位素分析，分析结果δ13C以V-PDB为标准，δ18O以V-SMOW为标准，分析精度为±0.2‰(2σ)，δ18OV-SNOW值计算采用Friedman和O’Neil的平衡公式：δ18OV-SNOW=1.030 86×δ18OV-PDB+30.86。

S同位素：S同位素分析方法：选取200目纯净样品，通过冷冻法来收集硫化物中的SO2气体，并将这些SO2气体放置在DeltaVPlus气体同位素质谱仪中进行硫同位素组成的分析测试，其结果采用V-CDT标准，并且保证测试样品的分析精度在±0.2‰。

3.2 测试结果

(1)C-O同位素组成特征

方解石和大理岩的C-O同位素测试结果见表1，由表可见：氧化物阶段方解石的δ13CV-PDB值为-8.54‰ ～ -5.13‰，均值为-6.79‰；δ18OV-SNOW值为5.74‰ ～ 9.83‰，均值为6.59‰。硫化物阶段方解石的δ13CV-PDB值为1.12‰ ～ 2.06‰，均值为1.64‰；δ18OV-SNOW值为8.78‰ ～ 11.51‰，均值为9.95‰。围岩的δ13CV-PDB值为2.76‰ ～ 2.81‰，均值为2.79‰；δ18OV-SNOW值为9.75‰ ～ 10.73‰，均值为10.29‰。

(2)S同位素组成特征

叫鸡冠矿床22件硫化物(闪锌矿、方铅矿、磁黄铁矿、黄铁矿)样品的S同位素组成结果见表2，其变化范围为2.91‰ ～ 5.65‰，均值为4.24‰，极差为2.74‰，变化范围较窄，说明其S同位素组成较稳定。其中，2件闪锌矿的δ34SCDT值的变化范围为4.52‰ ～ 4.58‰，均值为4.55‰；2件磁黄铁矿的δ34SCDT值的变化范围为4.21‰ ～ 4.22‰，均值为4.215‰；2件方铅矿的δ34SCDT值的变化范围为3.01‰ ～ 3.16‰，均值为3.09‰。硫化物阶段中6件黄铁矿δ34SCDT值的变化范围为4.61‰ ～ 5.65‰，均值为5.05‰；5件闪锌矿δ34SCDT值的变化范围为3.43‰ ～ 4.87‰，均值为4.23‰,；3件磁黄铁矿δ34SCDT值的变化范围为3.68‰ ～4.26‰，均值为4.02‰；2件方铅矿δ34SCDT值的变化范围为2.91‰ ～ 2.98‰，均值为2.95‰。矿床硫化物S同位素组成具有典型岩浆热液矿床的特征(对比腾冲滇滩矿床；保山芦子园、核桃坪、金厂河矿床；拉萨洞中拉、龙马拉、蒙亚啊、亚贵拉矿床)[18-20]。

表1 叫鸡冠矽卡岩矿床方解石及围岩C-O同位素组成

表2 叫鸡冠矽卡岩矿床及邻区典型矽卡岩型矿床S同位素组成Table 2 S isotopic compositions in the Jiaojiguan Fe-polymetallicdeposit and skarn type deposits of adjacent regions ‰

4 讨论

4.1 成矿流体来源

不同地质成因的方解石的C-O同位素具有很大差异，因此C-O同位素组成特征是示踪成矿流体来源的理想对象[21-22]。叫鸡冠矿床氧化物阶段和硫化物阶段方解石的δ13CV-PDB值分别为-8.54‰ ～ -5.13‰、1.12‰ ～ 2.06‰，均值为-6.79‰、1.64‰，氧化物阶段方解石的δ13CV-PDB变化范围较窄，处于岩浆源范围(-9‰～-3‰)[23]，表明成矿流体中的碳主要来源于岩浆热液。相比之下，硫化物阶段方解石的δ13CV-PDB值相比氧化物阶段差异较大，指示成矿流体的在演化过程中有其他δ13C物质的混入。基于前人研究，导致矽卡岩热液系统中流体δ13CV-PDB值改变的原因主要有以下两种：一是有机成因碳混入；二是围岩碳酸盐岩的混入[24-25]。沉积岩中有机成因碳通常具有极低的δ13CV-PDB值(-25‰)，有机成因碳的加入会显著降低成矿流体的δ13CV-PDB值，与样品测试数据不符；海相碳酸盐岩具有较高的13C值，且测试显示叫鸡冠矿床围岩(大理岩)的δ13CV-PDB值为2.76‰ ～ 2.81‰，均值为2.79‰，围岩中碳酸盐的混入可显著升高为成矿流体中的δ13CV-PDB值。在δ13CV-PDB-δ18OV-SNOW图解中，数据投点分布趋势指向沉积岩混染作用/高温效应作用，据此推断叫鸡冠矿床成矿流体的碳源主要来源于岩浆热液，从氧化物到硫化物阶段的演化过程中受到围岩碳的混染。

图4 叫鸡冠铁多金属矿床δ13CV-PDB-δ18OV-SNOW图解[26]Figure 4 Illustration of δ13CV-PDB-δ18OV-SNOW from Jiaojiguan Fe-polymetallic deposits[26]

氧化物阶段的方解石C-O同位素组成在δ13CV-PDB-δ18OV-SNOW图解(图4)中的投影点相对集中，分布于花岗岩区域，且呈近水平分布。形成这种分布趋势的原因可能是以下两种：①大气降水混入；②成矿流体与围岩之间的水-岩反应[27]。三江地区中生代大气降水具有较低的δ18OV-SNOW值[15]，大气降水的混入会使成矿流体的δ18O值降低，而叫鸡冠矿床硫化物阶段的δ18OV-SNOW值(8.78‰ ～ 11.51‰，均值为9.95‰)与氧化物阶段的δ18OV-SNOW值(5.74‰ ～ 9.83‰，均值为6.59‰)相比并未显著降低，因此大气降水的混入并非影响成矿流体的δ18O值的主要因素；成矿流体若在运移过程中与围岩发生水-岩反应并发生物质交换，其δ18OV-SNOW值将会发生明显变化，但δ13CV-PDB值则几乎不受影响，叫鸡冠矿床氧化物阶段方解石δ18OV-SNOW值变化范围较大，而δ13CV-PDB值变化范围较窄，与本次实验结果相符。相比于围岩，热液方解石明显亏损18O，指示亏损18O的成矿热液在迁移成矿过程中与相对富集18O的碳酸盐岩围岩发生了水-岩反应，发生物质交换并逐渐富集18O的过程。综上分析，叫鸡冠矿床成矿流体主要来源于深部岩浆热液，在热力驱动条件下向上运移的过程中受到了一定程度的水岩反应和沉积岩混染或高温效应的影响。

4.2 成矿物质来源

硫是金属硫化物矿床中最重要的矿化剂，研究其同位素组成是示踪矿化剂来源的重要手段[5]。前人研究表明，矽卡岩型Pb-Zn矿床中矿化剂硫主要有以下几种来源：幔源岩浆硫[28-29]，地层中海相硫酸盐TSR作用[30-31]，混合来源[32]。

叫鸡冠硫化物S同位素组成呈“单塔”式分布(图5)，氧化物、硫化物阶段硫化物的硫同位素组成相近，指示两阶段矿化剂硫具有同源性。在单一成矿阶段内，硫化物S同位素组成均一，满足δ34SCDT黄铁矿>δ34SCDT闪锌矿>δ34SCDT磁黄铁矿>δ34SCDT方铅矿，硫化物S同位素基本已达到分馏平衡，表明硫化物δ34S值可用于指示成矿流体中δ34SΣS值。叫鸡冠矿床硫化物的δ34SCDT值集中分布在2‰～ 6‰，与幔源岩浆硫源(0±3‰)范围接近，说明其主要为岩浆来源。

图5 叫鸡冠铁多金属矿床S同位素组成直方图Figure 5 Histogram of S isotope composition from Jiaojiguan Fe-polymetallic deposit

滇西地区产出大量的矽卡岩Fe-Gn-Zn多金属矿床。其中，保山主要发育远端的矽卡岩矿床(如芦子园、金厂河和核桃坪等)，而腾冲、拉萨地块多发育接触交代(近端矽卡岩)矿床(如滇滩、大硐厂、铜厂山、洞中拉、龙马拉、蒙亚啊和亚贵拉等)。前人对上述典型的远端矽卡岩矿床硫化物的S同位素组成研究显示，其硫源多为幔源岩浆硫和海相硫酸盐TSR还原硫的混合。相比之下，叫鸡冠矿床与上述接触交代(近端矽卡岩型)矿床的硫同位素组成一致，并且硫化物明显具有更低的δ34S值，更接近岩浆的硫同位素组成，表明叫鸡冠矿床的硫源为单一的岩浆硫(图6)。

图6 叫鸡冠矿床与邻区典型矽卡岩型矿床S同位素对比Figure 6 Contrast of S isotope between Jiaojiguan Fe-polymetallic deposit and skarn type deposits of adjacent regions

4.3 成矿机制探讨

叫鸡冠铁多金属矿床位于腾冲地块东侧东河花岗岩带，与早白垩世岩浆岩密切的成因联系。Cao等[2](2014)测得矿区内的二长花岗斑岩脉中的锆石U-Pb年龄为120±0.6Ma；εHf(t)=-1.9～-4.9，测得矿区黑云母二长花岗岩锆石U-Pb年龄为124±1.4 Ma，εHf(t)=-1.9～-4.9[2]；研究结果表明上述岩浆主要来源于泥质沉积原岩，属早白垩世晚期的含白云母过铝质S型花岗岩，为岩体属后陆-陆碰撞成因的花岗岩，代表腾冲地块与保山地块碰撞事件以及碰撞后伸展作用的大地构造背景。同时，Cao(2014)等[2]测得矿床辉钼矿的Re-Os年龄(122±0.7 Ma)、锡石U-Pb年龄(123.8±2.2 Ma)[2]与上述岩浆岩时代接近，指示成矿作用岩浆侵入关系密切。

叫鸡冠铁多金属矿床具有近端(接触交代型)矽卡岩矿床的典型特征。具体可总结为以下特征：① 时间上，矿床成矿年龄与矿区花岗岩年龄在误差范围内吻合，属于同时代产物；② 空间上，叫鸡冠矿床矿体离岩体较近，矿床于二长花岗斑岩脉与空树河组(Pk)碳酸盐岩类地层的外接触带，矿体主要赋存于矽卡岩中[33]；③矿床具有典型的矽卡岩矿物(石榴子石、透辉石、云母、绿帘石、绿泥石等)，并具有明显的蚀变-矿化分带，垂向上由下至上可见由深色石榴石-辉石-磁铁矿-铁闪锌矿→黄绿色石榴石-辉石-闪锌矿-磁黄铁-黄铜矿-黄铁矿→黄色石榴石-绿帘石-大理岩-闪锌矿-方铅矿-黄铁矿的分带特征。

燕山期构造运动使腾冲、保山、拉萨地块产生大规模的岩浆侵入活动。伴随岩浆活动产生大量挥发分和含矿气水热液通过裂隙、节理经过热液作用和交代作用使围岩这些密集节理组成的裂隙带提供了良好的储矿和导矿空间，而成矿流体在构造应力驱动下携带深部的成矿物质向上运移并在有利位置富集沉淀是可能地区矿化的主要机制。通过叫鸡冠C-O-S同位素相关研究成果表明，矿床成矿流体与物质均主要来源于深部幔源岩浆热液，与构造背景和矿床地质特征高度吻合。综合上述讨论，本文认为叫鸡冠矿床为后碰撞的构造背景下，与早白垩世岩浆活动相关的矽卡岩矿床。