湘南康家湾铅锌矿床成矿机制：来自流体包裹体的证据

左昌虎，赵增霞，夏 政，刘 磊，左 宗，王铁义

(1.桂林理工大学 a.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室；b.有色金属矿产勘查与资源高效利用省部共建协同创新中心，广西 桂林 541006；2.湖南水口山有色金属集团有限公司，湖南 衡阳 421513)

中生代是华南地区花岗质岩浆作用集中爆发的关键时期, 形成了大规模的花岗岩以及与之相关的Pb、 Zn、 W、 Sn、 Nb、 Ta等多金属矿床, 位于湖南省常宁市的水口山矿田即是其中的典型代表(图1)。该矿田金属矿产资源丰富, 盛产有色金属矿产和贵金属矿产等, 享有“世界铅都”“中国铅锌工业的摇篮”等美誉, 是中国重要的有色金属产地之一。

几十年来, 前人针对水口山矿田内的铅锌多金属矿床和岩浆岩开展了一系列地质研究工作, 在岩浆岩成岩时代[1-2]、 岩浆来源[1-3]、 铅锌矿床类型[4-6]和成矿年龄[7-8]等方面获得了一定认识。位于水口山矿田内的康家湾铅锌矿是在综合研究并进行成矿预测的基础上, 通过钻探发现的大型隐伏矿床[9]。 湖南省有色金属地质勘探公司二一七队通过流体包裹体研究认为, 康家湾铅锌矿床属于中温热液矿床, 矿液主要来自深部混熔岩浆[10]; 刘清双通过爆裂法测定包裹体温度, 认为康家湾铅锌矿床是与岩浆作用有关的中温热液矿床[11]; 左昌虎等通过S、 Pb、 H-O、 C-O等同位素研究认为, 康家湾铅锌矿成矿物质主要来自地壳, 可能混有少量地幔物质[12]。由于康家湾矿区内至今尚未发现岩浆岩体, 该矿床的成因机制、 成矿流体来源以及流体演化等科学问题始终存在争议。随着测试方法的进步, 流体包裹体研究已经成为揭示成矿流体性质、 探讨成矿流体来源及演化机制的重要手段之一[13-16]。尽管前人针对康家湾铅锌矿做了一些流体包裹体研究工作, 但是受当时实验设备、 技术条件等因素的限制, 有关该矿床成矿流体的物理化学条件、 成矿流体来源、 演化机制等, 迄今尚未获得合理的解释, 以致影响矿床成因研究, 直接影响找矿工作的开展。

近年来, 随着水口山矿田内多个矿段行将闭坑, 寻找接替资源已成为矿山的当务之急。本文在详细的野外工作基础上, 选取水口山矿田内的康家湾铅锌矿床为研究对象, 通过系统的矿相学、 流体包裹体岩相学观察、 流体包裹体显微测温以及流体包裹体激光拉曼探针成分分析等方法, 参照前人研究成果, 探讨康家湾铅锌矿成矿流体性质及演化机制, 以期为周边地区矿产勘查提供理论指导。

1 区域地质和矿床地质

1.1 区域地质背景

水口山矿田位于华夏板块西北缘(图1a), 十万大山-杭州成矿带西北部, 分布面积约240 km2, 是一座大型多金属矿田。矿田下辖矿床从北至南有康家湾铅锌矿床、 水口山铅锌矿床、 龙王山金矿床、 仙人岩金矿床和石坳岭铅锌矿床等多个矿床(图1b)。

水口山矿田内主要出露古生界泥盆系至中生界白垩系(图1b), 沉积总厚度大于3 km[17]。晚三叠世以前主要为浅海相碳酸盐建造夹含铁、 煤滨海相砂、 页岩建造, 晚三叠世—白垩纪以陆源碎屑磨拉石建造为主。其中二叠系栖霞组和当冲组是矿田内主要含矿层位。

水口山矿田内构造发育, 褶皱和断裂构造主要呈近SN展布, 其次为NE、 NW和近EW向(图1b), 控制了矿田内的岩浆活动和成矿作用, 并且与矿田内广泛分布的硅化角砾岩密切相关[18]。

水口山矿田内岩浆岩出露广泛(图1b), 共发现大小岩体或岩脉72个, 总出露面积约4.8 km2, 岩性主要为花岗闪长岩、 石英闪长岩、 英安玢岩、 流纹英安岩, 其次为花岗闪长斑岩、 花岗斑岩、 火山熔岩、 火山角砾岩等, 岩体主要呈岩株状、 岩墙状、 岩脉状, 形成时代主要为燕山早期[1, 2, 19-22]。

1.2 矿床地质和矿相学特征

康家湾铅锌矿床位于水口山矿田东北部, 属常宁市松柏镇辖区, 是一个大型铅锌多金属隐伏矿床。该矿床矿石总量约1 659万t, 其中Pb金属储量为50万t, Zn金属储量56万t, 是我国储量较大的著名铅锌矿山。除铅锌矿产资源以外, 矿床中还伴生金和银等有用矿产资源[23]。

康家湾铅锌矿床共包括大小矿体61个, 其中7个为主矿体(编号Ⅰ～Ⅶ), 主要赋存于二叠系当冲组硅质岩、 泥灰岩以及栖霞组灰岩的硅化破碎角砾岩带中(图2)。矿石矿物主要有方铅矿、 闪锌矿、 黄铁矿等, 其次为黄铜矿、 毒砂、 自然金、 自然银以及少量磁黄铁矿、 赤铁矿等。脉石矿物主要为石英和方解石(图3), 其次为绿帘石、 磷灰石及少量萤石和重晶石等。矿石构造主要为浸染状构造、 块状构造、 条带状构造、 角砾状构造、 脉状构造、 揉皱状构造、 晶洞状构造等(图3), 矿石结构主要有自形-半自形粒状结构、 交代残余结构、 骸晶结构、 压碎结构等(图4)。矿区内围岩蚀变强烈, 主要发育有硅化和碳酸盐化, 以及少量萤石化、 绿泥石化、 绢云母化、 冰长石化和迪开石化等, 矿区深部和南部可见矽卡岩化和角岩化[18]。

图2 康家湾铅锌矿床矿体水平投影(a)和纵剖面图(b)(据湖南省有色地质勘查局二一七队资料[18])Fig.2 Horizontal projection(a) and longitudinal section(b) of Kangjiawan Pb-Zn deposit

图3 康家湾铅锌矿床矿石手标本Fig.3 Photographs of ore samples from Kangjiawan Pb-Zn depositSp—闪锌矿; Gn—方铅矿; Py—黄铁矿; Ccp—黄铜矿; Qz—石英; Cal—方解石; Qb—硅质角砾

图4 康家湾铅锌矿矿石显微照片Fig.4 Photomicrographs of ores from Kangjiawan Pb-Zn deposita—石英脉中的半透明环带构造闪锌矿(-); b—半自形方铅矿、 透明闪锌矿与自形石英共生(-); c—闪锌矿、 黄铜矿和自形毒砂共生(反射光); d—方铅矿、 闪锌矿与黄铁矿共生(反射光); Apy—毒砂

1.3 成矿期次

根据矿体的产出特征、 矿物共生组合、 矿石结构构造、 矿脉穿插关系以及围岩蚀变等, 康家湾铅锌矿床成矿作用可以划分为3个期次:

Ⅰ—成矿前期, 矿石矿物主要为少量黄铁矿, 脉石矿物主要为石英。

Ⅱ—成矿期, 包括两个阶段。Ⅱ-1阶段: 矿石矿物主要为黄铁矿、 黄铜矿、 方铅矿和毒砂等, 脉石矿物主要为石英(图5a); Ⅱ-2阶段: 矿石矿物主要为方铅矿、 闪锌矿和黄铁矿等, 脉石矿物主要为石英和少量方解石(图5b, c)。

图5 康家湾铅锌矿矿脉穿插关系Fig.5 Crosscut relationships of ore veins from Kangjiawan Pb-Zn deposita—成矿期Ⅱ-1阶段的黄铁矿、 黄铜矿和方铅矿脉切穿成矿早期的石英脉；b—成矿期Ⅱ-2阶段的方铅矿和石英共生；c—成矿期Ⅱ-2阶段的闪锌矿脉；d—成矿后期的方解石脉

Ⅲ—成矿后期, 矿化微弱, 可见少量方铅矿和闪锌矿, 脉石矿物主要为方解石(图5d)。

2 样品及分析方法

本次研究的矿石样品主要采自康家湾矿区4、 8、 9、 10、 11和12等中段。将采集的样品磨制成双面抛光的包裹体薄片, 分别开展流体包裹体岩相学观察、 显微测温和激光拉曼探针分析等。

流体包裹体显微测温和气液成分分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。显微测温使用Linkam THMS 600冷热台,该冷热台理论上可达到的实验温度范围为-196～+600 ℃, 分析精度: 实验温度≤31 ℃时,误差± 0.2 ℃; 实验温度在31～300 ℃时, 误差±1 ℃; 实验温度≥300 ℃时, 误差±2 ℃。显微测温实验, 选择原生及假次生包裹体进行测试, 并对同一包裹体进行加热和冷冻双重测定; 升温和降温速率控制在10 ℃/min, 升温过程中, 当接近相变温度时, 升温速率降低为1～5 ℃/min; 降温过程中, 在相变点附近降温速率控制为0.1～0.3 ℃/min。气液成分分析使用Renishaw RM-2000型显微激光拉曼仪。实验条件: 室温23 ℃, 激光光源为波长514 nm的氩离子激光器, 所测光谱的计数时间为30 s, 每1 cm-1(波数)计数一次, 全部为1 000～4 000 cm-1全波段一次取峰。激光束斑直径约为1 μm, 光谱分辨率2 cm-1[24]。

富液相和富气相两相流体包裹体的盐度计算: 首先测定包裹体冷冻回温后最后一块冰融化的温度(冰点), 再根据Bodnar的方程[25]计算而得, 盐度(w(NaCleqv))换算所用的公式为

式中:Tm代表冰点温度。

3 流体包裹体岩相学特征

康家湾铅锌矿床的矿石中流体包裹体数量较多, 但大多数体积较小(长轴一般小于25 μm), 成因类型以原生包裹体为主, 其次为次生包裹体, 后者多呈层状或沿裂隙分布。矿石中的流体包裹体主要为气液两相水溶液包裹体[26], 根据包裹体室温下物相种类和比例以及加热到均一后的相态, 可以分为a 、 b两种类型。

a型: 气相(V)+液相(L)富气相两相水溶液包裹体, 数量较少, 主要分布于成矿前期和成矿期Ⅱ-1阶段, 形态以椭圆形、 纺锤形为主, 长轴一般为10～20 μm, 室温下充填度(F, 包裹体中液相体积与包裹体总体积的比值,F越大, 气泡越小)一般小于0.5(图6a、 b), 加热后液相消失, 最后均一到气相。

图6 康家湾铅锌矿床流体包裹体显微照片(单偏光)Fig.6 Microphotos of fluid inclusions in minerals from Kangjiawan Pb-Zn deposit (plane polarized)

b型: L+V富液相两相水溶液包裹体, 广泛分布于流体演化的各个阶段, 形状主要为负晶形、 椭圆形或不规则形态, 长轴一般为7～25 μm, 室温下F一般大于0.6(图6c～ f), 加热后气相消失, 均一为液相。

各成矿期次中流体包裹体的岩相学特征如下:

成矿前期: 主要为b型包裹体, 少量a型包裹体, 包裹体体积较小, 长轴约10 μm, 形态以椭圆形和纺锤形为主,F=0.3～0.7(图6a)。

成矿期Ⅱ-1阶段: 流体包裹体以b型为主, 个别为a型, 包裹体长轴12～20 μm, 形态主要为椭圆形或负晶形,F=0.4～0.8(图6b、 c)。

成矿期Ⅱ-2阶段: 此阶段流体包裹体数量较多, 主要为b型, 未见a型包裹体, 包裹体体积较大, 长轴25 μm左右, 形态多为负晶形、 椭圆形或不规则形态,F=0.6～0.9(图6d、 e)。

成矿后期: b型流体包裹体为主, 包裹体长轴约20 μm, 形态规则, 以椭圆形为主, 气泡非常小,F=0.7～0.95(图6f)。

随着成矿作用进行, 各阶段流体包裹体从早到晚充填度逐渐增大, a型富气相两相水溶液包裹体逐渐减少。

4 温度和成分分析结果

4.1 显微测温结果

本次显微测温对象全部为原生包裹体, 测试样品67件, 累计342个包裹体, 均一温度和冰点温度的测试结果见表1。

表1 康家湾铅锌矿床流体包裹体显微测温结果Table 1 Microthermometric results of fluid inclusions from Kangjiawan Pb-Zn deposit

成矿前期：a型流体包裹体数量很少，均一温度Th=372.4～385.7 ℃，均值379.1 ℃(图7a)，盐度为1.4%～2.7%，均值2.1%(图7b)，说明富气相流体包裹体是在高温低盐度的条件下被捕获的。b型流体包裹体均一温度为102.2～361.2 ℃，峰值为320～340 ℃，均值为305.9 ℃(图7a)；盐度为3.1%～21.5%，峰值16%～18%，均值15.1%(图7b)。

各能源子系统优先级为：冰蓄冷融冰> 地源热泵直供>冰蓄冷直供> 常规冷水主机。供冷的协调控制流程如图3所示。

图7 康家湾铅锌矿床流体包裹体均一温度和盐度直方图Fig.7 Histograms of Th and salinity for fluid inclusions from Kangjiawan Pb-Zn deposita—d—均一温度；e—h—盐度

Ⅱ-1阶段：a型流体包裹体仅测到一个，均一温度为285.3 ℃，盐度5.0%(图7c、 d)。b型流体包裹体均一温度为131.3～344.1 ℃，峰值260～280 ℃，均值256.9 ℃(图7c)；盐度3.4%～18.6%，峰值12%～14%，均值12.5%(图7d)。

Ⅱ-2阶段：所测包裹体均为b型流体包裹体，均一温度为95.0～389.2 ℃，峰值120～140 ℃，均值175.1 ℃(图7e)；盐度0.2%～23.4%，峰值6%～8%，均值9%(图7f)。

成矿后期：所测包裹体全部为b型流体包裹体，均一温度为97.2～240.1 ℃(个别流体包裹体均一温度大于200 ℃，可能受多期方解石脉相互叠加影响)，峰值100～120 ℃，均值138.9 ℃(图7g)；盐度0.2%～20.0%，峰值0～2%，均值6.7 %(图7h)。

4.2 气液成分分析结果

通过流体包裹体显微观察和测温, 选择流体包裹体体积较大、 充填度相对较低的样品, 进行单个包裹体气液成分显微激光拉曼光谱分析(图8)。除激光打穿寄主矿物石英而在1 200 cm-1左右出现峰值以外, 石英中的流体包裹体气相、 液相均在3 010～3 710 cm-1间出现峰值(图8a、 b); 闪锌矿中流体包裹体的气相、 液相均在3 050～3 725 cm-1间出现峰值(图8a、 b); 它们对应成分均为H2O, 表明康家湾铅锌矿床成矿期两个阶段的包裹体气相成分主要为H2O, 成矿流体主要为水盐体系。

图8 康家湾铅锌矿床流体包裹体激光拉曼光谱图(阴影部分为峰值区间)Fig.8 Representative Raman spectra of the fluid inclusions from Kangjiawan Pb-Zn deposita、 b—石英包裹体的拉曼光谱; c、 d—闪锌矿包裹体的拉曼光谱

5 讨 论

5.1 成矿流体性质

根据显微测温所得均一温度和盐度, 通过以下经验公式[27]计算获得流体密度

D=A+B×Th+C×Th2;

A=A0+A1×w+A2×w2;

B=B0+B1×w+B2×w2;

C=C0+C1×w+C2×w2。

A0=0.993 531,A1=8.721 47×10-3,

A2=2 143 975×10-5;

B0=7.116 52×10-5,B1=5.220 8×10-5,

B2=1.266 56×10-6;

C0=3.499 7×10-6,C1=2.121 24×10-7,

C2=-4.523 18×10-9。

式中:D为流体密度 (g/cm3);Th为均一温度 (℃);w为盐度 (w(NaCleqv)/%); 其余为无量纲参数。

计算得出康家湾铅锌矿床成矿前期流体平均密度为0.87 g/cm3; 成矿期Ⅱ-1阶段流体平均密度为0.79 g/cm3; 成矿期Ⅱ-2阶段流体平均密度为0.94 g/cm3; 成矿后期流体平均密度为0.96 g/cm3。随着成矿物质的沉淀, 流体密度不降反升, 可能跟压力的变化有关。

一般认为, 从均匀流体中捕获的包裹体, 其均一温度和均一压力仅代表其形成温度和压力的下限。而从沸腾流体中捕获的包裹体, 其均一温度和均一压力(最小值)即为形成时的温度和压力, 无需温度和压力校正。康家湾铅锌矿床成矿流体属于水盐体系, 根据均一温度-密度相图[28], 成矿流体初始捕获压力约14 MPa。随着流体演化和成矿作用的进行, 成矿压力逐渐降低, 表明成矿作用在逐渐减压的环境中进行(图9)。

图9 NaCl-H2O体系T-ρ相图(底图据文献[28])Fig.9 T-ρ phase diagram of NaCl-H2O system

孙丰月等对断裂带内流体压力和深度进行分段拟合[29], 发现断裂带流体压力和深度之间并不是简单的线性关系, 流体压力小于40 MPa时, 深度为压力与静水压力梯度(10 MPa/km)的比值, 即y=x/10,y为成矿深度(km),x为流体压力(MPa)。计算获得康家湾铅锌矿成矿流体起始深度约1.4 km, 属于浅成环境。

5.2 流体演化机制

长期以来, 冷却降温作用一直被认为是成矿物质沉淀的主要原因[30-31]。但是近几十年来的研究表明, 简单的冷却并不是矿物沉淀的最有效机制, 尤其是对于硫化物络合物来说更是如此[32-34]。Spycher等进行的成矿流体热力学计算模拟表明[35], 在多数情况下, 简单冷却一般只能导致黄铁矿和石英的沉淀, 而不能造成黄铜矿、 闪锌矿、 方铅矿等矿物的沉淀, 因为单纯的冷却会导致某些酸的分解, 增加H+的浓度, 降低了pH值, 从而使金属的某些络合物在溶液中更趋于稳定而不易沉淀成矿, 因此单纯的冷却可能并不是矿物质沉淀的最有效机制[36]。

成矿流体的沸腾作用和混合作用是成矿的两种重要机制。通常情况下, 沸腾作用普遍发育富气相两相水溶液包裹体和含子晶三相水溶液包裹体[13-14, 34, 36-37], 广泛发生于浅成热液矿床、 斑岩铜钼矿床及多金属脉状矿床中。混合作用是指当不同成分或不同性质的溶液混合后, 含矿热液系统的状态会发生改变, 破坏溶液的化学平衡, 促使某些化学反应的发生, 从而产生矿物的沉淀。混合作用实际上是一种广义的水-岩反应, 由于是在流体与流体之间发生的, 因而反应速度明显快于流体-固体之间的反应, 矿物质沉淀的效率也高得多。同时, 由于混合作用多为循环热液体系, 影响范围大、 持续时间长, 对于金属的沉淀具有更大的意义, 目前正受到广泛重视[37]。

一般认为, 在流体包裹体均一温度-盐度关系图中, 沸腾作用特征是随着均一温度的降低, 盐度增高; 而混合作用则表现为随着均一温度降低, 盐度降低[38]。流体包裹体显微测温结果显示, 康家湾铅锌矿成矿作用随着时间推移, 成矿温度和盐度都逐渐降低: 成矿前期温度峰值为320～340 ℃, 盐度峰值为16%～18%; Ⅱ-1阶段成矿温度下降, 峰值为260～280 ℃, 由于前一阶段几乎没有成矿物质沉淀, 因此本阶段盐度值降低幅度微弱, 峰值为12%～14%; Ⅱ-2阶段成矿温度进一步降低, 峰值为120～140 ℃, 由于前一阶段发生明显矿化, 本阶段盐度较Ⅱ-1阶段明显下降, 峰值为6%～8%; 成矿后期温度峰值为100～120 ℃, 此时流体盐度大幅度降低, 峰值为0～2%。在均一温度-盐度关系演化图中(图10), 康家湾铅锌矿床各阶段流体包裹体均一温度和盐度主要呈正相关演化趋势, 并且流体包裹体中未发现含子晶的三相水溶液包裹体, 富气相两相水溶液包裹体数量也非常少, 因此, 沸腾作用可能并不是康家湾铅锌矿床成矿流体演化的主要机制。

图10 康家湾铅锌矿床流体包裹体均一温度-盐度关系演化图Fig.10 Th vs. salinity of fluid inclusions from Kangjiawan Pb-Zn deposit

研究表明, 康家湾铅锌矿闪锌矿(+石英+方解石)单矿物的Rb-Sr等时线年龄为154.6±2.1 Ma[39], 与矿区周边的岩浆岩成岩时代相近, 如: 马丽艳等[20]通过锆石SHRIMP U-Pb年龄定年法, 获取水口山矿田内4号花岗闪长岩体年龄为163±2 Ma; 甄世民等[21]运用锆石LA-ICP-MS定年法, 获取仙人岩二长岩锆石U-Pb年龄为156.09±0.46 Ma; 左昌虎等[22]通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年获得水口山4号岩体成岩年龄为156.0±1.0 Ma; Zuo等[1]通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年获得水口山矿田内老盟山流纹英安岩成岩年龄为156.7±1.6 Ma; Yang等[2]通过SIMS锆石U-Pb定年获得水口山4号岩体年龄为158.3±1.2 Ma。上述资料表明, 康家湾铅锌矿所在的水口山矿田在155 Ma左右曾发生过强烈的岩浆活动, 成矿作用可能与周边岩浆活动时空关系密切。

左昌虎等通过H-O、 C-O等同位素研究, 认为康家湾铅锌矿成矿流体早期主要为岩浆水, 后期混合了大气降水[12]。结合本次研究结果, 排除简单冷却降温和沸腾作用之后, 混合作用可能是康家湾铅锌矿成矿流体的主要演化机制, 流体来源主要为岩浆水, 后期混入部分大气降水。流体的混合作用中, 多数情况下其中一种流体为大气降水或地表水, 如Richards等[40]通过对加拿大安大略省苏必利尔湖一带与Keweenawan高原玄武岩有关的铜(银)矿化的研究, 认为矿石沉淀的主要机制是热的高盐度溶液与较冷的大气水-地下水的混合作用; Audétat等[41]认为澳大利亚新南威尔士Mole花岗岩岩体的矿化分带与岩浆水-大气降水不同比例的混合有关。

值得注意的是, 成矿早期以及成矿期Ⅱ-1阶段石英脉中发现有富气相两相水溶液包裹体与富液相两相水溶液包裹体共存, 富气相包裹体与富液相包裹体均一温度类似, 但盐度差别较大(表1、 图7、 图10), 说明成矿作用早期可能存在局部的沸腾作用[42-43], 但这种沸腾作用并未能导致矿石硫化物的大量沉淀, 后期发生的混合作用才是康家湾铅锌矿床成矿过程中矿物沉淀的主要机制。

6 结 论

(1)康家湾铅锌矿成矿作用分为3个期次: ①成矿早期, 均一温度峰值为320～340 ℃, 盐度峰值为16%～18%。 ②成矿期, 包括两个阶段: Ⅱ-1阶段, 均一温度峰值为260～280 ℃, 盐度峰值为12%～14%; Ⅱ-2阶段, 均一温度峰值为120～140 ℃, 盐度峰值为6%～8%。 ③成矿后期, 均一温度峰值为100～120 ℃, 盐度峰值<2%。

(2)激光拉曼分析表明, 康家湾铅锌矿流体包裹体气相成分主要为H2O, 成矿流体主要为水盐体系。

(3)康家湾铅锌矿成矿深度约1.4 km, 随着成矿作用的进行, 成矿压力逐渐降低, 成矿作用在逐渐减压的环境中进行。混合作用是康家湾铅锌矿成矿流体的主要演化机制, 成矿流体早期主要为岩浆水, 后期混入大气降水。

致谢: 审稿专家提出许多宝贵意见, 提高了本文质量, 谨此致以诚挚谢意!