南秦岭关子沟铅锌矿床成因：流体包裹体和H-O-S-Pb同位素证据*

2023-01-11吴欢欢黄河高永宝魏立勇李志丹张振范堡程孟五一李国英

矿床地质 2022年6期

吴欢欢，黄河，高永宝，魏立勇，李志丹，张振，范堡程，孟五一，李国英

（1中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西西安 710100；2中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083；3中国地质科学院地质研究所，北京 100037；4中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170）

南秦岭旬阳盆地是我国重要的金汞锑铅锌多金属成矿区。以南羊山断裂为界，盆地北缘发育有著名的公馆和青铜沟2个汞锑共生的大型、超大型矿床（张颖等,2010;Zhang et al.,2014），与小河金矿、曹家岭金矿、惠家沟等金矿组成一条金汞锑成矿带（葛家昆,2015），盆地南缘自西向东发育有以红花坪、甘沟、泗人沟、关子沟、南沙沟为代表的一大批铅锌矿床（点），构成一条赋存在志留系黑色岩系中的铅锌成矿带（周小康等,2020）（图1a）。据旬北铅锌矿评价报告统计（唐永忠等,2006)，该区域铅锌资源总量累计达132.6万t，预测资源量在588.6万t，有望成为一处大型铅锌资源基地，勘探潜力巨大。区内矿床（点）沿盆地南缘成群成带分布，主要赋存在下志留统梅子垭组、中志留统双河镇组和中泥盆统石家沟组中。前人对区内泗人沟、红花坪、南沙沟等铅锌矿开展了地质特征（李超等,2015;王林等,2019;张煦等,2020）、矿床及围岩地球化学特征（侯满堂等,2006;刘淑文等,2008;徐林刚等,2021）、成矿规律总结（王涛等,2008;周小康等,2020）等方面研究，但成因上仍存在不同认识，包括早期勘查报告中的变质热液脉型，朱华平等（2002）和张西社等（2011）提出的喷流沉积型，郑三忠（1996）和王涛等（2008）提出的热水沉积型以及侯满堂等（2007）认为的沉积-改造型等。这些观点的不同主要源于对成矿流体性质和成矿物质来源的认识不同，因此,深化对该区域铅锌矿床成矿机制的认识还需要进一步加强对典型矿床的研究。关子沟铅锌矿床是区内最具有代表性的矿床之一，铅锌资源量超过15万t，平均品位13.4%。基于此，本文在野外调查基础上对其开展了流体包裹体特征、H-O-S-Pb稳定同位素组成等研究，同时对比区内其他铅锌矿床对成矿机制进行约束，为区域勘查找矿提供新的理论支撑。

1 区域地质背景

秦岭造山带是横跨中国东西的中央造山带的中间部分，是古特提斯洋俯冲消减后于中生代华北克拉通与扬子克拉通碰撞形成的典型的复合型大陆造山带（Yan et al.,2006;王宗起等，2009）。秦岭造山带从北到南以商丹构造带和勉略-巴山弧形构造带为界分为北秦岭、南秦岭和扬子板块北缘3个单元（图1a～b）。旬阳盆地位于南秦岭中部，自寒武系至二叠系连续沉积了一套海相页岩、碳酸盐岩和碎屑岩（刘淑文等,2008）。由于受东西两侧的武当-陡岭和佛坪-安康-平利古老基底的保护，造山作用仅引发了区域地层发生低级变质，形成一套板岩-千枚岩组合（薛春纪等,2005;徐林刚等,2021）。

图1 中国区域构造简图（a）及秦岭造山带地质简图（b，据Yan et al.,2006修改）Fig.1 Tectonic sketch map of China showing the location of the Qinling Orogen(a)and simplified geological map showing the tectonic framework of the Qinling Orogen(b,modified after Yan et al.,2006)

旬阳盆地南缘发育有数十个中小型铅锌矿床，且近几年不断有新的矿床（点）发现，该区已成为秦岭造山带重要的铅锌矿集区（图2）。区内主要出露一套早古生代—晚古生代沉积，其中下古生界为一套浅变质的泥质-砂质碎屑岩、碳酸盐岩和硅质岩，与上覆泥盆系呈不整合接触。泥盆系在区内发育最广，主要为滨浅海相碎屑岩和碳酸盐岩组合，石炭系—二叠系主要为一套浅海相碳酸盐岩夹碎屑岩组合。与铅锌成矿联系紧密的是志留系和泥盆系，其中下志留统梅子垭组下部、梅子垭组中部、中志留统双河镇组上部层位、中泥盆统石家沟组上部是主要的赋矿层位（宋小文等,2003）。南羊山断裂是区域上发育的近东西向主干断裂，同时发育的一系列北东向-南西向与近东西向次级断裂与大羊山复背斜、旬阳复背斜构成区内主体构造格架（王涛,2005；周小康等,2020）。大羊山复向斜总体沿东西向呈近椭圆状展布，核部出露下石炭统，两翼主要为泥盆系和志留系，关子沟铅锌矿位于其南翼东部。区内无明显岩浆活动，变质程度为绿片岩相。

图2 南秦岭旬阳盆地区域地质简图（据唐永忠等，2006）Fig.2 Regional geological map of Xunyang Basin,South Qinling(after Tang et al.,2006)

2 矿床地质特征

关子沟铅锌矿位于旬阳盆地东南部关子沟脑-周家沟口一带，目前已圈定11条矿体，其中K1、K2、K3为主矿体（图3a）。矿体主要赋存于双河镇组第二、三岩性段中上部灰色千枚岩夹粉砂质千枚岩中，含矿层中有机质和黄铁矿含量较高，并伴随有纹层状硅质岩产出。矿体多为铅锌共生矿体，锌品位1.84%～16.00%，铅品位0～2.56%。矿体平均产状为225°∠27°，常呈层状、似层状产出。由于受印支期造山作用影响，含矿地层发生褶皱变形，矿体与地层大多发生同步弯曲（图3b，图4a～c），这表明成矿作用主要发生在后期变形前。

图3 关子沟铅锌矿床矿体平面地质简图（a）及勘探线剖面图（b）Fig.3 Geological map of the ore body(a)and cross section along exploration line(b)of the Guanzigou Pb-Zn deposit

关子沟铅锌矿矿石构造主要为透镜状构造（图4d）、块状构造（图4e）、似层状构造（图4f）。矿石结构为他形-半自形粒状结构（图4g、h、k、l）和交代结构（图4i、j），金属矿物主要为闪锌矿、方铅矿，次为黄铜矿、黄铁矿、磁黄铁矿，少量白铁矿、钛铁矿和毒砂，脉石矿物以石英、绢云母为主。主要的围岩蚀变为硅化、方解石化、绢云母化等。根据矿物共生组合和穿插关系，将关子沟铅锌矿床成矿过程划分为3个阶段（表1），描述如下：

表1 关子沟铅锌矿床成矿期次及成矿阶段划分表Table 1 Metallogenetic periods and stages of the Guanzigou Pb-Zn deposit

Ⅰ阶段（石英-黄铁矿阶段）：成矿早期，表现为顺层发育于围岩地层中黄铁矿化石英脉，脉宽3～10 cm（图4a）。主要金属矿物为黄铁矿，少量发育毒砂，以自形-半自形产出，脉石矿物主要为石英。局部可见闪锌矿脉沿石英-黄铁矿脉边界产出，界线清晰，显示黄铁矿化石英脉形成早于闪锌矿脉。

Ⅱ阶段（石英-多金属硫化物阶段）：主矿化阶段，表现为似层状、条带状闪锌矿-方铅矿顺层发育于围岩地层中（图4a、b），主要金属矿物为闪锌矿和方铅矿，脉石矿物主要为石英，脉体宽度变化较大（2～20 cm不等）。

Ⅲ阶段（石英-碳酸盐阶段）：成矿晚期，成矿流体温度有所降低。发育脉状、囊状石英-方解石，可见切穿围岩地层和矿体（图4c），指示晚于主矿化期形成，脉体中硫化物含量较少，可见少量黄铁矿、闪锌矿在脉体边部结晶。

图4 关子沟铅锌矿床野外及镜下照片a.似层状闪锌矿脉和早期含黄铁矿石英脉顺层产出；b.条带状方铅-闪锌矿脉；c.条带状方铅-闪锌矿顺层产出，被晚期石英方解石脉切穿；d～f.透镜状、块状、似层状矿石；g.闪锌矿与自形-半自形黄铁矿共生；h.自形-半自形黄铁矿被闪锌矿包裹，黄铜矿呈不规则状产出在闪锌矿边部；i.黄铜矿、黄铁矿和闪锌矿共生；j.闪锌矿被方铅矿交代呈乳滴状；k～l.黄铜矿-方铅矿共生Qz—石英；Gn—方铅矿；Sp—闪锌矿；Py—黄铁矿；Ccp—黄铜矿Fig.4 Field and microscopic photos of the Guanzigou Pb-Zn deposita.Layered sphalerite veins and early pyrite-bearing quartz veins;b.Banded galena-sphalerite veins;c.Bedding banded galena-sphalerite veins,which is cut through by a late quartz-calcite vein;d～f.Lenticular,massive,and layered ore;g.Symbiosis of sphalerite and euhedral-subhedral pyrite;h.Euhedral-subhedral pyrite wrapped by sphalerite,with irregular chalcopyrite on the edge of sphalerite;i.Symbiosis of chalcopyrite,pyrite and sphalerite;j.Sphalerite replaced by galena in a milky-drop shape;k～l.Symbiosis of galena and chalcopyriteQz—Quartz;Gn—Galena;Sp—Sphalerite;Py—Pyrite;Ccp—Chalcopyrite

3 样品及测试方法

本次对关子沟铅锌矿床开展研究的样品均采自探采工程PD1内，所采样品记录了各成矿阶段的信息，包括含黄铁矿石英脉、块状闪锌矿石、条带状闪锌矿石和晚期石英脉。样品经过详细的观察和记录后，选取不同阶段的样品挑选石英颗粒进行H-O同位素测试，选取Ⅱ阶段的矿石样品挑选闪锌矿和方铅矿颗粒进行Pb同位素测试。磨制光薄片后，开展详细的镜下观察，并选取合适的硫化物颗粒开展原位S同位素测试。

3.1 流体包裹体

流体包裹体显微测温和激光拉曼测试在长安大学成矿作用及其动力学自然资源部开放研究实验室完成。使用Linkam THMSG600型冷热台对流体包裹体进行测温分析，测温范围为196～600℃，在＜50℃条件下其误差为±0.1℃，在＞100℃条件下其误差为±2℃。流体包裹体的激光拉曼使用显微激光拉曼光谱仪Lab RAM HR800测试，发射波长63 nm，曝光时间为30 s，扫描范围100～4000 cm-1。

3.2 石英氢氧同位素

石英氢、氧同位素测试分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行，测试结果以SMOW为标准。

氢同位素测试：首先清洗石英去除其中的吸附水和次生包裹体，然后采用加热爆裂法获得原生包裹体中的水，在高温裂解炉中裂解为H2后送入质谱仪测定，测试精度为±1‰；氧同位素测试：首先选取粉碎至200目并且纯度达到98%以上的石英，取烘干后的石英样品6 mg，在550℃与BrF5反应生成O2后，在253plus气体同位素质谱仪上测试氧同位素组成，测试精度为±0.2‰。

3.3 硫化物Pb同位素

硫化物铅同位素测试工作在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行。Pb同位素测试由Pb同位素的分离和测试2个部分组成，分离采用Sr特效树脂（Triskem公司生产，100～150 μm，0.2 mL柱床体积），经过预清洗、淋洗，配置成1∶1的Pb：Tl溶液。

测试全部采取静态方式，通过202Hg+监控204Hg+对204Pb+的干扰，使用203Tl/205Tl作为外标校正仪器质量分馏效应，最后经过测试的Pb同位素比值采用203Tl/205Tl=0.418 922进行指数归一化校正。

3.4 硫化物原位S同位素

硫化物样品微区原位S同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行。激光剥蚀系统选取193 nm准分子激光剥蚀系统（RESOlutionM-50，ASI）。测试S同位素使用激光能量密度为3.6 J/cm2，频率3 Hz，剥蚀束斑大小30 μm。S同位素分析采用NuPlasma1700多接收等离子体质谱。

测试过程中使用的数据校正方法为“标准-样品-标准”交叉测试（SSB），实验室标样选取闪锌矿（NBS123，δ34SV-CDT=17.8‰±0.2‰），黄铁矿（Py-4，δ34SV-CDT=1.7‰±0.3‰），方铅矿（CBI-3，δ34SV-CDT=28.5‰±0.4‰），为监控数据的准确性，每隔8个样品插入测试一对实验室内标（Bao et al.,2017;Chen et al.,2019）。

4 测试结果

4.1 流体包裹体岩相学

考虑到关子沟铅锌矿床铅锌矿化主要在成矿Ⅱ阶段和Ⅲ阶段，对2个阶段的样品开展了流体包裹体测温工作（图5a～f）。其中，Ⅱ阶段流体包裹体较为发育，Ⅲ阶段流体包裹体相对较少，根据Roedder（1984）和卢焕章等（2004）提出的流体包裹体相态分类准则，将流体包裹体分为以下2种类型：

Ⅰ型包裹体：为单相水溶液包裹体，大小2～6 μm，相对较小，形态主要为椭圆状（图5c）、不规则状（图5d～f），该类包裹体在Ⅱ阶段出现较少，Ⅲ阶段较为发育，多数出现在石英颗粒边部，沿裂隙或呈串珠状分布（图5f），呈现次生或假次生包裹体特点；

Ⅱ型包裹体：富液相两相水溶液包裹体，包裹体颜色较浅，透明度高，加热可均一至液相。该类包裹体在Ⅱ阶段石英中广泛分布，大小3～15 μm，气相分数变化较大（15%～50%）。在Ⅲ阶段石英中大小（2～8 μm）和气相分数相对较小（10%～30%）。形态主要为椭圆状、不规则状、长条状，通常为孤立或随机成群分布（图5a～c）。

图5 流体包裹体显微照片a、b.Ⅱ阶段石英中Ⅱ型富液相气液两相包裹体成群分布；c.Ⅱ阶段石英中Ⅰ型单相水溶液包裹体与Ⅱ型气液两相包裹体共存；d.Ⅲ阶段石英中Ⅰ型单相水溶液包裹体与Ⅱ型气液两相包裹体共存；e.Ⅲ阶段石英中Ⅰ型单相水溶液包裹体成群分布；f.Ⅲ阶段石英中Ⅰ型单相水溶液假次生包裹体呈串珠状分布L—液相；V—气相Fig.5 Micrographs of fluid inclusions in quratza,b.Type-Ⅱinclusions distributed in groups in quartz of the stage-Ⅱ;c.Type-Ⅰand type-Ⅱinclusions coexist in quartz of the stage-Ⅱ;d.Type-Ⅰand type-Ⅱinclusions coexist in quartz of the stage-Ⅲ;e.Type-Ⅰinclusions distributed in groups in quartz of the stage-Ⅲ;f.Pseudo-secondary type-I inclusions distributed in a string of beads in quartz of the stage-ⅢL—Liquid;V—Vapor

4.2 流体包裹体显微测温

本次研究主要针对成矿期Ⅱ阶段与闪锌矿-方铅矿密切伴生的石英及Ⅲ阶段的石英开展流体包裹体测温。为了排除次生包裹体的影响从而获得更为准确的成矿温度，本次测试主要选取远离石英晶体边部孤立的或随机簇状的包裹体进行测试。本次测试共获得102个均一温度和84个冰点温度，数据结果见表2。盐度根据获得的冰点温度，利用Bodnar（1993;2003）提供的方程计算得到，均一温度和盐度分布见图（图6），分述如下：

图6 关子沟铅锌矿床流体包裹体的均一温度（a、c）和盐度（b、d）直方图a、b.Ⅱ阶段；c、d.Ⅲ阶段Fig.6 Histograms of homogenization temperatures(a,c)and salinities(b,d)of fluid inclusions in quartz from the Guanzigou Pb-Zn deposita,b.stage-Ⅱ；c,d.stage-Ⅲ

表2 关子沟铅锌矿流体包裹体温度测试结果Table 2 Summary of microthermometric data of fluid inclusions in quartz from the Guanzigou deposit

Ⅱ阶段石英中包裹体类型主要为Ⅱ型，加热后均一至液相，测得均一温度范围为215～393℃，主要集中在260～340℃，冰点温度范围-6.7～-1.3℃，盐度w(NaCleq）范围为2.2%～10.1%，主要集中在4%～7%（图6a、b）。

Ⅲ阶段石英中Ⅱ型流体包裹体均一至液相，均一温度范围介于124～255℃，主要集中在160～220℃之间，冰点温度范围为-4.1～-1.1℃，盐度w(Na-Cleq）范围为1.8%～6.6%（图6c、d）。

4.3 流体包裹体激光拉曼特征

利用激光拉曼对Ⅱ阶段和Ⅲ阶段石英中流体包裹体气相组成进行了分析。结果显示所有包裹体中液相成分主要为H2O（图7a）。

图7 关子沟铅锌矿石英中流体包裹体拉曼图谱a.Ⅱ阶段原生包裹体液相成分；b、c.Ⅱ阶段原生包裹体气相成分；d.Ⅲ阶段原生包裹体气相成分Fig.7 Representative Raman spectra of fluid inclusions in quartz from the Guanzigou Pb-Zn deposita.Liquid phase composition of primary inclusions of the stage-Ⅱ;b,c.Vapor phase composition of primary inclusions of the stage-Ⅱ;d.Vapor phase composition of primary inclusions of the stage-Ⅲ

Ⅱ阶段石英中包裹体气相成分可检测出CH4（特征峰值为2913～2914 cm-1，图7b、c），Ⅲ阶段流体包裹体气相成分主要为H2O，CH4特征峰不明显（图7d）。

4.4 H、O同位素组成

本次研究分别选取关子沟铅锌矿床代表Ⅱ阶段和Ⅲ阶段的5件石英单矿物样品分析H-O同位素，分析结果列于表3。

表3 关子沟一带铅锌矿床氢氧同位素特征Table 3 Hydrogen-oxygen isotopic characteristics of Pb-Zn deposits in the Guanzigou area

其中，Ⅱ阶段与闪锌矿、方铅矿共生的3件石英样品的δ18OH2O较为均一，均为10.9‰，δDH2O-SMOW范围为-82‰～-73.6‰；Ⅲ阶段石英δ18OH2O为6.0‰～6.4‰，δDH2O-SMOW范围为-82.9‰～-77.7‰。

4.5 S同位素组成

对Ⅱ阶段矿石样品开展的黄铁矿和闪锌矿原位S同位素组成分析结果列于表4。

表4 关子沟一带铅锌矿床硫化物S同位素组成Table 4 S isotopic compositions of sulfides from Pb-Zn deposits in the Guanzigou area

所有黄铁矿和闪锌矿原位δ34S值变化范围为4.63‰～8.73‰，数值较为一致。总体而言，单个黄铁矿或闪锌矿颗粒边部δ34S值略低于中部。

4.6 Pb同位素组成

本次研究选取了Ⅱ阶段矿石中的闪锌矿和方铅矿进行Pb同位素测试分析，结果如表5所示。测试结果显示方铅矿与闪锌矿的207Pb/204Pb、206Pb/204Pb和208Pb/204Pb值变化均很小，且2种矿物数值基本一致。

矿石硫化物的206Pb/204Pb为17.8254～17.9470，平均值17.8622；207Pb/204Pb为15.6233～15.6396，平均值15.6282；208Pb/204Pb为38.1 706～38.3 143，平均值38.2082。通过计算得出，矿石Pb的μ值为9.58～9.60，平均值9.59；ω值为38.85～39.04，平均值38.98；232Th/238U值为3.92～3.94，平均值3.93。

5 讨论

5.1 成矿流体性质及来源

在δ18OH2O-δDV-SMOW图解（图8）中，关子沟铅锌矿床Ⅱ阶段矿石和Ⅲ阶段石英中流体包裹体氢、氧同位素数据落在岩浆水和变质水附近。然而区域上并未发现有明显的岩浆活动迹象，指示岩浆水可能参与了成矿作用，但不是成矿流体的主要来源。有机水一般具有较低的δDV-SMOW，旬阳盆地志留系中含有丰富的有机质，向下偏移的氢同位素特征很有可能是海水与有机水的混合导致的，相似的氢同位素垂向漂移特征也出现在赤普、天宝山等铅锌矿床中（吴越,2013;杨清等,2018）。同时从成矿Ⅱ阶段到Ⅲ阶段δ18OH2O值降低，结合含矿层中硅质岩的氢氧同位素数据，显示出向大气降水线偏移的趋势，暗示在成矿过程中大气降水比例逐渐增大。流体包裹体显微测温结果显示，关子沟铅锌矿床从Ⅱ阶段（均一温度为215.4～393.7℃）到Ⅲ阶段（均一温度为124.2～255.7℃）温度发生显著降低（图6），主要成矿温度在260～340℃。气液两相包裹体盐度范围为1.8%～10.1%，也显示出自Ⅱ阶段到Ⅲ阶段降低的趋势。值得注意的是，本次研究在矿石石英中发现了许多含甲烷的气液两相包裹体。前人研究表明，海底热液中的甲烷可能是低温细菌还原（Martin et al.,1988）、地幔去气作用（Martin et al.,1988）、水岩反应（Charlou et al.,1998）或热化学还原海底有机物（Welhan,1988）等方式产生。关子沟矿床较高的包裹体均一温度以及区内基性岩的缺失，指示低温细菌还原作用以及基性岩蛇纹石化水岩反应不是甲烷产生的主要途径。关子沟铅锌矿成矿流体的甲烷很可能源于海底有机物的热化学还原，区内广泛分布的黑色岩系为这一过程提供了充分的有机质（王涛，2005；薛春纪等，2005；徐林刚等，2021），这进一步指示了有机水对成矿流体的贡献。同时，地幔去气作用也可能是成矿流体中甲烷的来源之一（王天刚等，2008）。

图8 关子沟铅锌矿床成矿流体δ18OH2O-δDV-SMOW图解原生岩浆水范围据Taylor,1974；变质水范围据Giggenbach,1992；有机水范围据Sheppard,1986；Fig.8 Metallogenic fluid δ18OH2O-δDV-SMOW diagram of the Guanzigou Pb-Zn depositPrimary magmatic fluid after Taylor,1974;metamorphic fluid after Giggenbach,1992;organic fluid after Sheppard,1986

综上所述，关子沟铅锌矿床成矿流体属于中高温、中低盐度的热液流体，结合氢氧同位素特征，成矿流体主要是海水和有机水的混合，同时在成矿过程中大气降水的混入导致温度和盐度降低可能是铅锌等矿质沉淀的重要机制。

5.2 成矿物质来源

硫同位素是示踪成矿物质来源、推测硫化物沉淀机制的重要手段（Rye et al.,1974）。热液矿床中硫通常具有3种来源：①地幔硫：δ34S组成接近0，并且变化范围较窄；②地层硫：不同岩石的δ34S值变化较大，海相硫酸盐δ34S为20‰±10‰；③混合硫：其硫同位素值取决于混杂地壳物质的性质和程度。关子沟铅锌矿硫同位素数据显示成矿期不同金属硫化物之间具有较为均一的δ34S同位素组成（3.50‰～8.73‰，平均为6.38‰），指示成矿热液具有较为均一的来源，同时未出现硫酸盐，指示硫化物的δ34S能代表成矿流体的硫同位素组成（Ohomoto et al.,1979）。Leach等（2005）统计了世界上主要的SEDEX型矿床中硫化物硫同位素组成，显示δ34S值变化在-8‰～30‰之间，主要集中在5‰～15‰之间（图9）。黄石板、南沙沟、任家沟和泗人沟4个铅锌矿床与关子沟铅锌矿具有相似矿床地质特征，5个矿床δ34S值变化范围为0.17‰～11.4‰，均落在SEDEX型矿床硫同位素组成范围内，明显区别于地幔硫特征。海洋硫酸盐的细菌硫酸盐还原（BSR）和热化学还原（TSR）通常是沉积岩容矿金属矿床中硫的重要来源（Ohomoto,1986），其中低温（低于120℃，一般为50～70℃）的BSR作用可导致4‰～46‰的硫同位素分馏（Ohomoto et al.,1979；Greenwood et al.,2013），相对较高温（150℃以上）的TSR作用在可形成10‰～25‰的分馏（Machel et al.,1995;Machel,2001）。流体包裹体测温显示关子沟铅锌矿成矿流体温度集中260～340℃之间，远超过还原细菌存活温度。虽然BSR作用也可以发生在成矿前，但相对较弱的S同位素分馏特征暗示BSR还原硫不是流体中硫的主要来源。Yao等（2019）报道了志留纪海相硫酸盐的δ34S值为21‰～36‰，假设TSR过程导致了20‰的分馏，还原后硫同位素组成范围为1‰～16‰，这与关子沟地区铅锌矿矿石中硫化物δ34S特征基本一致。有机质在TSR过程中可作为还原剂将硫酸盐还原成硫化氢，旬阳盆地志留系中丰富的有机质为这一过程提供了重要基础（刘淑文等,2016;徐林刚等,2021），关子沟铅锌矿床成矿期流体包裹体中CH4的存在进一步指示有机质参与了成矿过程。因此，关子沟地区铅锌矿床中的硫主要来源于海相硫酸盐的热化学还原，志留系黑色岩系中的有机质提供了充分的还原剂。

图9 关子沟一带铅锌矿床S同位素组成与不同来源S同位素组成对比（据Leach et al.,2005;Lu et al.,2018;Thode et al.,1961）Fig.9 Comparison of S isotope composition of Pb-Zn deposits in the Guanzigou area and S isotope composition of different sources（after Leach et al.,2005;Lu et al.,2018;Thode et al.,1961）

前人对旬阳盆地志留系铅锌矿床成矿物质来源的研究，表明矿床中的铅主要来源于地壳深部或上地幔（刘天航等,2021;王涛等,2008;侯满堂等,2006）。关子沟不同硫化物的铅同位素变化较小，表明金属来源较为均一（表4）。在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb和208Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解（图10a～b）中，区内铅锌矿床数据均落在造山带增长线上方，并靠近上地壳演化线，显示铅主要来源于上地壳。同时，在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解（图10a）中，除个别样品外，绝大部分样品均落在Leach等（2005）总结的全球主要SEDEX型铅锌矿床铅同位素范围内，指示其金属来源同样受结晶基底和沉积盖层的控制。对比南秦岭结晶基底和志留系千枚岩的铅同位素数据，区内矿床207Pb/204Pb比值明显高于基底比值，而与围岩地层中的铅同位素则非常相近（图10a），指示矿石中的铅主要来源于沉积盖层。

图10 旬阳盆地关子沟一带铅锌矿床中硫化物铅同位素组成（底图据Zartmanetal.,1981，数据见表4；灰色区域为典型SEDEX型铅锌矿床铅同位素组成，据Leach et al.,2005）Fig.10 Lead isotope composition of sulfides from the Pb-Zn deposits in the Guanzigou area of Xunyang basin(base map after Zartmanetal.,1981,data are listed in Table 4;gray area represents the lead isotope range of typical SEDEX lead-zinc deposits reported by Leach et al.,2005）

5.3 成矿机制探讨

学界对于旬北铅锌矿床成因机制长期存在不同认识，主要包括早期勘查报告中的变质热液脉型，朱华平等（2002）和张西社等（2011）提出的喷流沉积型，宋小文等（2003）提出的细碎屑岩沉积-改造成矿，郑三忠（1996）和王涛等（2008）提出的热水沉积型以及薛春纪等（2005）和侯满堂等（2007）认为的沉积-改造型等。关子沟铅锌矿床主要赋存在双河镇组二段和三段千枚岩地层中，地层控矿明显。从矿体特征来看，主成矿期的多金属硫化物脉为层状、似层状与地层整合产出，并在印支期的构造变形中发生同步弯曲，指示成矿作用具有同生沉积特点。石英-碳酸盐阶段发育的石英方解石脉发育切穿围岩和矿体的特征，表明主矿体形成后仍有部分热液活动，但该类脉体中仅有少量金属硫化物出现，指示该期热液活动对成矿元素活化和富集较弱。同时，中高温-中低盐度成矿流体特征，以及主要来自海相硫酸盐还原的S和主要源于沉积盖层的Pb等特征与典型的SEDEX型矿床基本一致。此外，伴生热水沉积岩是SEDEX型铅锌矿重要特点之一。研究区梅子垭组中广泛发育碳硅质岩，含矿层内发育有含矿微晶-细晶硅质岩；同时在区内梅子垭组发现了一条东西延伸长达10余千米的钠长石岩带，与围岩相似的微量元素特征以及来自基底和下伏地层柱中捕获锆石的发现指示该钠长石岩为热水沉积成因（薛春纪等,2005；刘淑文等,2008），进一步印证了区内铅锌矿床属于热水沉积成因。

旬阳盆地自寒武纪以来属于次稳定型沉积盆地，其中下古生界属于扬子北缘被动陆缘沉积，伸展背景下形成裂谷和裂陷盆地（唐永忠等,2007；李鹏,2008），这为形成SEDEX型矿床提供了构造基础。区内正常水成沉积岩和钠长岩、硅质岩等热水沉积岩共存的现象提供了裂陷盆地内热水循环的直接证据（王涛,2005;刘淑文等,2008）。前已述及，关子沟地区铅锌矿S同位素特征指示海相硫酸盐的热化学还原是成矿主要硫源，还原产生的富S2-离子的热液能对围岩中的Pb、Zn等成矿元素进行有效萃取（Barnes et al.,1979）。这些热水在上升至海底后与海水混合，因温度压力的变化促使铅锌等成矿元素卸载形成金属硫化物。热水沉积与正常水成沉积交替形成了（似）层状的铅锌矿脉，并在随后的造山运动中发生变形和改造，形成了旬北地区广泛分布的铅锌矿床。