郭家屯铅锌矿床蚀变过程中元素迁移的地球化学特征

郭家屯铅锌矿床蚀变过程中元素迁移的地球化学特征

郭家屯铅锌矿是近年来新发现的冀北地区铅锌矿床。该矿床的空间和成因与燕山次火山热液活动（火山）有关。陈志杉将该矿床归为北岔沟门银多金属矿田。相似成因类型的铅锌矿床在我国主要分布于华北陆块北缘、东南沿海地区以及内蒙古-大兴安岭地区。代表性矿床有河北麻子沟铅银矿、墨沟门铅锌矿、小扣花营子银铅锌矿、满汉土铅锌矿,吉林新立屯多金属矿、红太平多金属矿,辽宁老虎洞多金属矿,广东尖笔岽铅锌矿,安徽张家冲铅锌矿,浙江五部铅锌矿、大岭口银铅锌矿,江西银山铅锌矿、冷水坑铅锌矿及内蒙古二道河子铅锌矿、三河铅锌矿等[2～5]。该类型矿床在世界其它地区也广泛分布,典型矿床如土耳其的Koru铅锌矿及玻利维亚的SanCristodal银铅锌矿床[6～7]。在针对该类型铅锌矿床水岩反应与成矿作用研究方面,李嘉增认为浙江五部铅锌矿床成矿物质最初分散于钾长石、角闪石、辉石、黑云母等造岩矿物中,围岩蚀变过程中尤其是钾长石的钠长石化和铁镁矿物的绿泥石化,分别有利于铅和锌的活化转移。江西银山铜铅锌矿床围岩蚀变表现为以英安斑岩为中心,从黄铁绢英岩化带→黄铁绢英岩化绿泥石化带→绿泥石化碳酸盐带的分带特征,热液对流系统中物理化学条件的动态演化是导致蚀变矿化分带及成矿元素活化-迁移-堆积的关键。江西冷水坑矿床蚀变分带则表现为自岩体中心向外依次分布绿泥石化带、绢云母化带和碳酸盐化带,其中绢云母化带是主要铅锌工业矿体赋存的部位。何元才等对浙江天台大岭口铅锌矿蚀变围岩中成矿元素研究发现,绿泥石化使铅、锌、银、金等成矿元素贫化且强度越强,贫化越明显。本文主要研究郭家屯矿区各类蚀变岩及其原岩,并通过常量元素、稀土元素及微量元素的地球化学分析,从水岩反应角度探讨成矿物理化学条件演化及围岩中元素的活化-迁移-聚集机理。1成矿地质背景郭家屯铅锌矿地处冀北隆化县郭家屯镇哈巴气村,在大地构造位置上位于乌龙沟-上黄旗构造岩浆活动带北东段。棋盘山深断裂从矿区外围东南部通过,矿区北西侧分布有马道火山盆地,南西侧分布有花吉营火山盆地,火山喷发形成了多处火山机构,并伴随潜火山岩及火山断裂。矿区出露地层主要为侏罗系上统火山碎屑岩和第四系松散堆积物。近N-S走向的F1断层和NW走向的F2、F3断层为主要导矿和容矿构造。区内岩浆活动强烈,海西期花岗岩及燕山期正长斑岩、安山玢岩等分布广泛(图1)。已探明矿体有Ⅶ-1、Ⅶ-3和Ⅶ-4三个,分别产于南北走向的F1断裂和北西走向的F2、F3断裂中,主要赋矿围岩为侏罗系上统张家口组火山碎屑岩和海西期花岗岩。围岩蚀变类型主要有钾化、硅化、黄铁绢英岩化、青磐岩化、碳酸盐化和萤石化,其中黄铁绢英岩化与矿化密切相关。黄铁绢英岩化与青磐岩化呈现一定分带性,一般在断层的破碎带及两旁会有强烈的黄铁绢英岩化,而其外围出现青磐岩化。2蚀变岩石的地球化学特征硅酸盐全分析结果见表1,测试样品包括海西期花岗岩、燕山期熔结凝灰岩、安山玢岩及断层碎粉岩、铅锌矿石等。与新鲜熔结凝灰岩相比,黄铁绢英岩化凝灰岩中SiO2、MnO、H2O+、CO2成分明显增高,而Al2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、FeO、Fe2O3成分明显降低,显示蚀变过程中Si、Mn元素明显带入,Al、K、Na、Ca、Mg、Fe元素带出的现象。另外,黄铁绢英岩化凝灰岩Fe2O3/FeO比值(1.96)明显高于凝灰岩(1.48)。与花岗岩相比,黄铁绢英岩化和黄铁矿化花岗岩SiO2、Na2O含量明显降低,K2O、CaO、MgO、MnO、H2O+、CO2成分明显增高,显示花岗岩在黄铁绢英岩化与黄铁矿化过程中Si、Na明显带出,K、Ca、Mg、Mn等明显带入,并且同为铅锌矿体围岩的凝灰岩和花岗岩在蚀变过程中有明显的物质交换,其中Si由花岗岩向凝灰岩方向迁移,K、Ca、Mg则由凝灰岩向花岗岩方向迁移。蚀变岩石中CaO、MgO、CO2的增高与碳酸盐化蚀变有关。断层碎粉岩样品取自F3、F4断层,从其被矿脉穿切现象分析,为成矿前形成。该类岩石曾被前人定为糜棱岩,但根据岩矿鉴定结果,定名为断层碎粉岩较妥。该岩石中SiO2和Na2O含量显著低于花岗岩及熔结凝灰岩,Al2O3、P2O5、TiO2、FeO、H2O+含量在所有测试对象中为最高,MgO、CaO含量也较高。在所有测试对象中,铅锌矿石中SiO2含量最低,MnO、Fe2O3、H2O+、CO2含量则最高。相对花岗岩和熔结凝灰岩,矿石中MgO含量明显增加,K2O含量则显著降低。铅锌石Fe2O3/FeO比值最高。3稀土元素地球化学郭家屯矿区岩矿石稀土元素测试结果见表2。在所有测试对象中,断层碎粉岩的∑REE最高,达359.5×10-6,其次为铅锌矿石(平均值266×10-6)。燕山期熔结凝灰岩和安山玢岩的∑REE、δEu、∑LREE/∑HREE平均值则明显高于海西期花岗岩。熔结凝灰岩发生黄铁绢英岩化蚀变后,稀土总量降低,花岗岩在黄铁绢英岩化或黄铁矿化蚀变后稀土总量显著增加,显示矿化蚀变过程中稀土元素有从熔结凝灰岩向铅锌矿体和花岗岩方向迁移的趋势。F-、CO32-、HCO3-、CO2、HS-、S2-、SO42-等络合剂的存在对REE活动性极为关键,而郭家屯矿区赋矿围岩中萤石化和碳酸盐化的发育及大量硫化物矿物的出现证实了这一推断,而稀土总量的降低和增加则反映了成矿流体在局部区域由熔结凝灰岩向铅锌矿体和花岗岩运动的方向。在稀土元素配分模式图上(图2),所有测试样品曲线均为向右缓倾斜平滑曲线,属轻稀土富集型。其中海西期花岗岩的Eu亏损明显。两件铅锌矿石样品曲线中,其中一件与海西期花岗岩曲线相似,另一件与安山玢岩和黄铁绢英岩化凝灰岩相似,反映了成矿物质的多来源性。4蚀变过程中微量元素的含量特征地表露头、钻孔岩芯及坑道岩石样品微量元素含量统计结果见表3。熔结凝灰岩发生黄铁绢英岩化蚀变后Cu、Pb、Zn、Ag、Au、Mo、Ti、V、As、Sb、Bi、Hg元素含量明显增加,Mn、Ba元素含量降低,Ni、Cr、Sn、Co、B元素含量变化不大;熔结凝灰岩发生青磐岩化蚀变后Cu、Pb、Zn、Au、Mn元素含量明显降低,Ni、Ti、Co、V元素含量明显增加,Cr、Ba、As、Sb、Mo、Sn、B、Bi、Hg元素含量变化不大。本区熔结凝灰岩中钾化与硅化蚀变基本伴生,钾化和硅化蚀变后Cu、Pb、Zn、Ag、Au、Mn、Cr元素含量明显降低,Ba、Hg、Bi、Ti、V、Co元素含量明显增加,Ni、Cr、Mo、Sn、B、As、Sb元素含量变化不大。花岗岩发生黄铁绢英岩化蚀变后Cu、Pb、Zn、Ag、Au、Mn、Bi、Cr、Hg等元素明显富集,Ti元素含量略有降低,Sn、Mo、Co、V、B、Ba、As、Ni元素含量变化不明显。总体上,Cu、Pb、Zn、Ag等矿化元素在蚀变过程中有从青磐岩化带向黄铁绢英岩化带迁移的趋势。在所有测试对象中,黄铁绢英岩化蚀变岩中Cu、Pb、Zn、Ag、Au、Mo、Sn、Mn、B、Ba元素含量基本达最高值,说明黄铁绢英岩化过程中这些元素出现了明显的富集。正长斑岩中Cu、Zn、Ag、Au、As、Sb、Hg、Bi、Mn、Ni、Cr、Sn元素含量达最低。未蚀变或弱蚀变熔结凝灰岩和花岗岩中Cu、Pb、Zn、Ag、Au等元素含量也显著高于正长斑岩和青磐岩化安山玢岩,显示熔结凝灰岩和花岗岩提供成矿金属元素的潜力较大。地表露头、岩芯以及坑道岩矿石共228件样品微量元素R型聚类分析(图3)显示,Pb、Ag、Cu、Zn在R=0.62的较高水平上聚类,反映了这些元素的紧密伴生关系。Hg、Bi、Mo、Mn、Sb、Au、As与主矿化元素也在一定水平上发生聚类,说明在成矿过程中这些元素也非常活跃并在矿体附近发生聚集。另外,V、Co、Ni、Ti在R=0.8的较高水平上聚类但与Pb、Zn等矿化元素呈明显分离趋势。5热液成矿作用从郭家屯铅锌矿产出的地质环境分析,该矿床的形成与燕山期陆相火山活动关系密切,并受断裂构造的制约。硫同位素分析显示,北岔沟门地区铅锌矿床中硫化物的δ34S值介于0.2‰~6.2‰之间,稍富重硫。据氢、氧同位素测试,矿石的氢同位素δDH2O介于-72‰~-111‰,氧同位素δ18OH2O介于+2.1‰~+11.8‰之间,显示成矿流体中有大气水的显著参与。从郭家屯铅锌矿矿体产出的围岩条件分析,成矿热源来自燕山期火山(次火山)岩,成矿物质主要来自燕山期岩浆演化晚期的热流体,同时从海西期花岗岩中萃取了部分成矿物质。成矿作用可以概括为动态成矿与水岩反应机制。在地壳浅部的成矿热液对流循环运动发生在动态的物理化学条件下,即温度、压力、氧逸度及PH值、Eh值、硫逸度、二氧化碳逸度等物理化学参数是动态变化的,而硫的循环与硫的状态变化是制约许多金属元素迁移和堆积的重要因素。当对流热液向浅部或远离热源方向迁移时,硫的演化会对铅、锌、铜等金属元素的迁移产生重要影响,因为随着流体中游离氧的增加,S2-会转化为SO42-,当SO42-含量占主导时,多数亲铜元素和过渡元素的迁移能力将大大增强,导致了围岩中Zn、Pb、Cu等元素的活化。水岩反应则与水的电离反应密切相关,并以水岩反应链的形式出现。在郭家屯铅锌矿矿体附近出现的水岩反应往往是消耗氢离子的反应,如黄铁绢英岩化。其中绢英岩化蚀变可以表示为:水的电离反应提供了上述反应中的H+离子来源。水的电离反应可表示为可逆反应:H2O=H++OH-。并且,水的电离过程是一个吸热过程。升高温度可以促进水的电离,所以热液成矿的温度条件有利于促进水的电离。硫化物的聚集与SO42-向S2-的临界转化也可以表示为消耗氢离子的反应:Me2++SO42-+8H++8e→MeS+8H2O。该反应具电池反应特征,并与水的电离反应密切相关。而硫化物的聚集和生长表明矿体扮演了传导电流和提供电子的作用。当一部分H+被还原时,溶液中H+的浓度就会下降,从而促使水继续电离以保持水中原有的H+的浓度。如果水电离出来的H+一直被还原,水就一直电离,使得溶液中的OH-富集,并会受到带负电的矿体的排斥向外运动。因此,在矿体附近出现的水岩反应往往是消耗氢离子的反应,如黄铁绢英岩化,在矿体外围则出现钾化、碳酸盐化等消耗OH-离子或指示偏碱性条件的水岩反应。实验显示,碱性流体对斜长石蚀变形成钾长石有利,酸性流体对斜长石、黑云母、钾长石蚀变形成绢云母和绿泥石有利,反应后溶液PH向相反方向转变。由长石蚀变生成绿泥石的反应可示意性地表示为:碳酸盐化蚀变中生成方解石的反应可表示为:总体上,热液成矿作用所呈现的酸-碱反应和氧化-还原反应往往是共轭出现的,并以水岩反应链的形式表现出来,在空间表现为蚀变矿化的分带性。在郭家屯矿区,青磐岩化和碳酸盐化蚀变主要发育在铅锌矿体和黄铁绢英岩化蚀变带外侧,Cu、Pb、Zn、Ag等矿化元素在蚀变过程中有从青磐岩化带向黄铁绢英岩化带迁移的趋势。6矿床微量元素地球化学的发展趋势(1)硅酸盐全分析表明同为铅锌矿体围岩的凝灰岩和花岗岩蚀变过程中发生明显的物质交换。本区稀土元素为轻稀土富集型,矿化蚀变过程中稀土元素有从熔结凝灰岩向铅锌矿体和花岗岩方向迁移的趋势。微量元素分析显示,C