黄陵背斜北缘竹园沟—下坪锌矿床Rb-Sr同位素测年及其地质意义

周 舟,杨 朋,向 萌,雷 雳,艾德建,闫 磊,熊 渊

(湖北省地质局 第七地质大队,湖北 宜昌 443100)

鄂西地区铅锌矿床(点)具有成群集中分布的特点,主要产出于青峰强变形带、神农架断穹、黄陵断穹周缘、长阳复背斜、咸丰—宣恩及走马坪地区[1]。这些铅锌矿床(点)以层控型为主,主要赋矿层位有震旦系陡山沱组、震旦系—寒武系灯影组、寒武系—奥陶系娄山关组和奥陶系南津关组,迄今已发现和评价的铅锌矿床(点)有150多处。竹园沟—下坪锌矿床为近年来黄陵背斜北缘新发现的代表性矿床,已达中型矿床规模[2]。目前对于该矿床的赋矿空间特征及成矿物质来源已取得初步认识[3],但对于其成矿时代还未开展研究,影响了该矿床的成因认识和区域铅锌矿成矿规律的归纳总结。近年来,研究人员直接利用闪锌矿、方铅矿、黄铜矿等矿石矿物开展Rb-Sr同位素测年,较准确地限定了铅锌矿床的成矿时间[4-7],为本次开展竹园沟—下坪锌矿床成矿时间研究提供了启示。本文在详细研究竹园沟—下坪锌矿床地质特征的基础上,选取主成矿阶段的闪锌矿开展Rb-Sr同位素测年,从而确定该矿床的成矿时间,为矿床成因和成矿规律研究提供年代学制约。

1 地质背景

竹园沟—下坪锌矿床位于上扬子陆块鄂中褶断带之黄陵断穹北缘(图1)。黄陵断穹具典型的双层结构,核部为结晶基底,翼部为南华系—三叠系沉积盖层,发育一套海相碳酸盐岩、细碎屑岩沉积建造。区域矿产以磷矿为主,铅锌矿、金矿、重晶石矿、石墨矿等次之[9]。铅锌矿主要分布于沉积盖层中,其中灯影组角砾状白云岩和陡山沱组角砾状白云岩为最重要的含矿层位[10]。

图1 鄂西地区铅锌矿床(点)分布图(据王茂林等[8]修改)

竹园沟—下坪矿区地表主要出露寒武系石龙洞组—娄山关组地层,其他地层均隐伏于地下(图2)。灯影组岩性具明显的三分特点,各段的岩性及含矿性差异较大,其中白马沱段为主要赋矿层位,为一套灰白色—白色中—厚层状粉晶白云岩(夹薄层状泥质白云岩)、亮晶白云岩、亮晶含砂屑团块白云岩组合,锌矿(化)体即赋存于该段中下部的暗色角砾状白云岩内(图3)。

图2 竹园沟—下坪矿区地质简图

锌矿体呈似层状、透镜状产出,产状与地层一致,倾向NE,倾角约7°。矿体赋存标高为+370.95～+556.58 m,埋深为661.43～818.11 m,走向长约1 300 m,厚0.73～8.59 m(平均3.04 m),Zn品位为1.17%～6.54%(平均3.16%)。矿石具粉晶结构、它形粒状结构,块状构造、角砾状构造(图4-a～b),可见少量沥青质充填于岩石裂隙中(图4-a)。矿石矿物主要为闪锌矿、方铅矿、黄铁矿,脉石矿物以白云石为主(图4-c～d),方解石、石英含量较少。灰褐色、黄褐色闪锌矿多呈不规则团块状、网脉状及条带状充填于白云岩裂隙及溶蚀孔洞中(图4-e～g),局部呈稀疏浸染状分布于白云石粒间。

Dol.白云石;Cal.方解石;Sph.闪锌矿;Py.黄铁矿

2 采样和分析方法

在钻孔(ZK4801、ZK4803、ZK4804)岩心中采集块状矿石样品3件,粉碎且过200目筛后以粉样送检,在国土资源部武汉矿产资源监督检测中心(湖北省地质实验测试中心)完成全岩主微量元素分析。全岩主量元素分析采用X射线荧光光谱法(XRF),仪器型号为Rigaku ZSX Primus Ⅱ型,分析谱线均为Kα线,数据校正采用理论α系数法,分析精度优于2%。全岩微量元素分析采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS),仪器型号为Agilent 7700e型,分析精度优于5%。

在钻孔(ZK4801、ZK4803、ZK4804)岩心中系统采集块状矿石样品6件,粉碎后在双目镜下挑选40～60目的闪锌矿单矿物,每件样品重约5 g、纯度>99%。在自然资源部中南矿产资源检测中心(中国地质调查局武汉地质调查中心同位素实验室)完成Rb-Sr同位素分析,分析仪器为ThermoFisher Triton热电离质谱仪,依据为《岩石、矿物铷锶同位素地质年龄及锶同位素比值测定》(DZ/T 0184.4—1997)[11]。样品分析流程如下:将闪锌矿单矿物样品置于高温下爆裂2 h后,除去次生包裹体;用稀盐酸浸泡12 h,然后放入超纯水中用超声波机清洗3～5遍,烘干备用;称取适量样品放入聚四氟乙烯溶样器中,加入85Rb+84Sr混合稀释剂,用适量王水溶解,采用阳离子树脂交换法分离和纯化Rb、Sr;用热电离质谱仪进行Rb-Sr同位素组成分析,用同位素稀释法计算样品的Rb、Sr同位素含量及Sr同位素比值。在分析过程中采用标准物质NBS-987、NBS-607和GBW04411分别对仪器和流程进行监控。NBS-987的87Sr/86Sr比值为0.710 32±0.000 04(2σ),NBS-607的Rb、Sr含量与87Sr/86Sr比值分别为523.20×10-6、65.70×10-6和1.200 50±0.000 04(2σ),GBW04411的Rb、Sr含量与87Sr/86Sr比值分别为249.90×10-6、158.80×10-6和0.759 99±0.000 04(2σ),均与其证书推荐值在误差范围内一致,表明测试数据可信。样品制备和分析全过程均在超净化实验室内完成,全流程Rb、Sr空白分别为4×10-10和8×10-10。

3 测试结果

3.1 全岩主微量元素特征

根据矿石全岩主量和微量元素分析结果(表1)可知,矿石的化学成分主要为CO2、CaO、MgO,次为Zn、Fe2O3、SiO2,其他成分含量很低。矿石中Zn含量为1.495%～7.390%;Al2O3含量<0.50%,指示黏土矿物含量较低;有益组分Ba、Cu、Pb、Fe、Ag等元素含量极低;S、As、SiO2等杂质的含量远小于锌精矿质量标准要求。另外,矿石中Fe2O3含量为0.22%～4.47%,FeO含量为0.13%～0.20%,TiO2、MnO、Na2O和K2O含量均<0.10%,暗示成矿与岩浆活动无关[12]。

表1 矿石主量和微量元素分析结果

3件矿石样品的微量元素组成表现出一致性,Zn含量较高,显著亏损Co、Cr、Ni、V、Sb,弱亏损Cu、Rb,显著富集Pb、Sr、As、Hg等(图5)。将Zn与Fe、Pb、Ag进行相关分析,发现Ag与Pb关系密切、Fe与Zn关系不密切,说明Fe主要以独立矿物存在,Ag主要赋存于方铅矿中。矿石中Co/Ni比值为0.52～2.37,变化较大;As含量为3.24×10-6～7.96×10-6,高于沉积岩的平均丰度(1.2×10-6),可能与成矿热液活动的参与有关[1]。

图5 矿石微量元素蛛网图

各矿石具有基本一致的稀土元素分布型式(图6),表现为轻稀土元素富集的右倾型(LREE/HREE为4.63～8.09、LaN/YbN为7.22～16.25),且稀土元素总量低(∑REE为5.87×10-6～17.73×10-6)、Ce负异常显著(δCe=0.46～0.49)、Eu异常不明显(δEu=0.78～1.05)。上述特征与中国典型的MVT型铅锌矿床的矿石稀土元素分布型式十分相似[13]。

图6 矿石稀土元素标准化分布型式图

3.2 Rb、Sr同位素特征

闪锌矿样品的Rb、Sr同位素组成见表2,可知其Rb含量为0.167 8×10-6～1.469×10-6,平均为0.551 7×10-6;Sr含量为0.234 9×10-6～1.148×10-6,平均为0.502 2×10-6;87Rb/86Sr比值介于0.421 8～10.43,87Sr/86Sr比值介于0.715 97～0.785 08。分析结果显示闪锌矿具有较为一致的87Sr/86Sr比值和差异较大的87Rb/86Sr比值,有利于实现等时线测年[14]。

表2 矿石中闪锌矿Rb-Sr同位素分析结果

本次采用Isoplot软件处理闪锌矿Rb-Sr同位素数据,获得样品的等时线年龄t为(489±12) Ma,Sr同位素初始值(87Sr/86Sr)i为0.711 99±0.000 85,相关系数R2为0.998 8。在87Sr/86Sr-87Rb/86Sr图解(图7)中,6件闪锌矿样品显示出良好的线性关系,但还需对该线性关系的合理性进行研判。根据野外特征来看,6件样品均采自同一矿体,闪锌矿结晶好、纯度高,未见后期矿物穿插和交代现象,符合测年对待测矿物的基本要求。在实验过程中,通过粉碎—烘箱爆裂—超声波清洗流程,基本排除了闪锌矿中次生流体包裹体对测量结果的干扰。从测量数据来看,闪锌矿样品中1/Sr与87Sr/86Sr、1/Rb与87Rb/86Sr不存在线性关系(图8),且所有样点均落于等时线上(图7),说明闪锌矿形成过程中Sr同位素是均一的,闪锌矿生长期间(87Sr/86Sr)i值稳定不变,未与外界环境之间发生Rb、Sr交换,封闭情况较好[15]。因此拟合的等时线具有地质意义且精度较高,代表的是真实等时线,表明竹园沟—下坪锌矿床的成矿时代为早奥陶世。

4 讨论

4.1 成矿物质来源

87Sr/86Sr比值是判断成矿物质来源的重要指标。竹园沟—下坪锌矿床的矿石(87Sr/86Sr)i为0.711 99±0.000 85,明显高于地幔(0.704±0.002)、陡山沱组地层(0.708 11)、灯影组地层(0.708 34)[16]和黄陵背斜基底花岗岩(0.704 91～0.709 07)[7],低于黄陵背斜核北部变质岩(0.734 6±0.000 2)[7],接近于大陆地壳(0.719 0)[4],说明成矿物质来源于富放射性成因Sr的地质体或成矿流体曾流经富放射性成因Sr的地质体。通过对竹园沟—下坪锌矿床的S、Pb同位素分析[3],认为S主要来源于地层中的海相硫酸盐,Pb主要来源于上地壳。以上说明该矿床的成矿物质或成矿流体可能由相对高(87Sr/86Sr)i的基底岩石和相对低(87Sr/86Sr)i的震旦系碳酸盐岩地层共同提供。

4.2 对区域铅锌成矿的指示

本次研究获得了竹园沟—下坪锌矿床(489±12)Ma的成矿年龄,揭示了黄陵背斜北缘沉积盖层中发生的加里东中期热液成矿事件。除了该矿床外,黄陵背斜北缘沉积盖层中还发育有多个中低温热液矿床(点),包括铅锌、重晶石、萤石、金等矿种。曹亮等[7,17]采用闪锌矿Rb-Sr法测得凹子岗锌矿床、冰洞山铅锌矿床的成矿年龄分别为(434±13) Ma、(508±14) Ma,周舟等[18]采用方解石Sm-Nd法测得六冲坪金矿点的成矿年龄为(397±11) Ma,周舟等[19]还指出该区众多重晶石矿床(点)与加里东晚期伸展背景下的中低温热液作用有关,因此这些中低温热液矿床(点)可能为加里东中—晚期伸展作用引起的大规模流体活动的产物[20-21]。对于扬子地台北缘具有代表性的马元铅锌矿床,王晓虎等[22]获得了(486±12) Ma的闪锌矿Rb-Sr年龄,认为其形成于加里东期强烈的构造热液活动中。由此来看,黄陵背斜北缘乃至扬子陆块北缘均存在加里东中—晚期的热液成矿活动,形成了一系列赋存于沉积盖层的中低温热液矿床(点)。

早古生代时期,扬子陆块北缘处于伸展拉张背景,并于早志留世达到最大伸展幅度[6],伸展拉张的构造背景为中低温热液成矿提供了构造驱动力和热动力。成矿过程可能如下:大气降水经断裂、裂隙下渗,与地下围岩中封闭的卤水混合,构成初始流体;在加里东期构造应力、热动力驱动下,初始流体发生大规模地流动,从下伏基底岩系中携带出Pb、Zn等成矿物质,并沿断裂带及层间滑脱构造向灯影组运移,进一步萃取流经地层中的Pb、Zn、S等成矿物质,形成富含成矿元素的成矿流体;由于灯影组上覆的牛蹄塘组黑色页岩的屏蔽,成矿热液不断聚集到灯影组岩石裂隙、溶蚀孔洞等赋存空间中,在有机质参与和物化条件改变情况下,发生矿质沉淀形成铅锌硫化物等矿化。

值得一提的是,黄陵背斜南缘的长阳复背斜地区亦存在一套铅锌、锑、金、汞等中低温热液成矿系统,其成矿年龄为189～145 Ma,成矿与燕山早期的构造热液活动有关[23-24]。因此,黄陵背斜北缘和南缘分别存在加里东期和燕山期两期中低温热液成矿事件。

5 结论

(1) 竹园沟—下坪锌矿床6件闪锌矿样品的Rb-Sr等时线年龄为(489±12) Ma,指示该矿床的成矿时代为早奥陶世。矿石中闪锌矿具有较高的(87Sr/86Sr)i(0.711 99±0.000 85),反映成矿物质或成矿流体可能由相对高(87Sr/86Sr)i的基底岩石和相对低(87Sr/86Sr)i的震旦系碳酸盐岩地层共同提供。

(2) 竹园沟—下坪锌矿床形成于加里东中期,成矿作用与伸展背景下的构造热液活动有关。结合区域上发育的一系列铅锌矿、金矿、重晶石矿来看,扬子北缘加里东期的陆内造山作用在鄂西黄陵背斜北缘形成了一套中低温热液成矿系列。