内蒙古达茂旗乌珠新乌苏铅多金属矿床成因初探

2022-09-15梅贞华华北胡兆国孙峰张扬杜利明

矿产勘查 2022年7期

梅贞华，华北，胡兆国，孙峰，张扬，杜利明

(1.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东济南 2501012.中国冶金地质总局新疆地质勘查院，新疆乌鲁木齐 830000)

0 引言

内蒙古达茂旗乌珠新乌苏铅多金属矿床位于内蒙古包头市达茂旗北约120 km，中心地理坐标东经110°24′24″，北纬42°32′36″，为华北板块北缘、兴蒙造山带西段近两年新发现的矿床(华北等，2020)，2018年底提交的勘探报告估算铅+锌金属资源量为76万吨。尽管矿区内局部勘查控制程度较高，但成矿物质来源、成矿流体性质缺少有效的约束，导致对矿床成因的认识不足，对矿化富集规律分析不透，影响到后续的找矿增储工作。

本文通过乌珠新乌苏矿区多金属硫化物的硫、铅同位素测试分析，分析成矿物质来源；通过流体包裹体氢、氧同位素测试及显微测温，分析成矿流体的来源及成矿温度，进而探讨矿床成因。

1 矿床地质特征

乌珠新乌苏矿床大地构造位置处于兴蒙造山带西段(华北等，2020)，属白乃庙—哈达庙铜—金—萤石成矿带(陈军强等，2018)。

矿区地层属华北地层大区的内蒙古草原地层区之赤峰地层分区(李文国等，1996)，出露地层主要为二叠系、白垩系、古近系及第四系。其中二叠系大石寨组大面积出露于研究区及周边地区(图1)，岩性主要为安山岩、晶屑、岩屑、角砾凝灰岩、凝灰质砾岩、砂岩、粉砂岩等，局部夹有正常沉积的长石砂岩、岩屑砂岩、粉砂岩等(李俊健等，2015)。该组地层是区内矿体的直接围岩，具低渗透性和高封闭性，具有较好的屏障作用，有利于热液成矿(汤超等，2013)。

图1 乌珠新乌苏矿床周边区域构造纲要图(a，据李尚林等，1998①)、矿床地质简图(b)和15勘探线地质剖面图(c)1—第四系；2—第三系阿山头组；3—白垩系二连组；4—白垩系李三沟组；5—二叠系哲斯组；6—二叠系大石寨组；7—二叠纪花岗岩；8—二叠纪花岗斑岩；9—闪长玢岩；10—石英脉；11—正断层；12—逆断层；13—背斜；14—向斜；15—不整合地质界线；16—断裂编号；17—褶皱编号；18—蚀变带及编号；19—铅多金属矿体；20—钻孔；21—勘探线及编号；22—矿区范围

矿区及周边构造发育，以近东西向展布的断裂构造为主，规模较大有乌珠新乌苏断裂，自矿区南侧通过；其次为枢纽走向近东西的褶皱构造，褶皱核部及两翼地层均为二叠系大石寨组。该断裂—褶皱构造组合表明晚古生代受古亚洲洋板块俯冲效应影响，区域最大主压应力方向为南北向(吴珍汉，1996)，研究区的构造演化处于挤压造山阶段。

区域上及矿区内花岗岩广布，且常沿近东西向断裂或背斜核部展布(图1a)。矿区内的花岗岩属高钾钙碱性系列，具有低Sr、高Yb、δEu负异常的特点，显示后碰撞花岗岩的特征，锆石U-Pb定年指示岩体侵位时间为282～274 Ma(华北等，2020)。

受近东西向区域深大断裂及岩浆热液影响，矿区内蚀变矿化强烈，在大石寨组地层中共发现近东西向矿化蚀变带19条(图1b)，通过勘查在主要蚀变带中圈定铅锌多金属矿体16个，各矿体近于平行展布，倾向北西，倾角45°～75°(图1c)(华北等，2018②)。

矿石中金属矿物以方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、黄铁矿为主，其次为毒砂、蓝辉铜矿、磁黄铁矿等；非金属矿物主要有石英、绢云母等。矿石结构主要有自形—半自形、他形粒状结构、填隙结构、碎裂结构等；构造主要有块状、浸染状、细脉状、网脉状等构造(华北等，2018②)。

通过野外观察、岩芯编录，结合以往资料分析，认为矿区内热液活动可分为3个阶段。早阶段以发育乳白色石英为特征，形成的矿物及其集合体常被压碎，为后期热液充填胶结；主阶段以方铅矿、闪锌矿、黄铜矿等矿物密切共生为特点；晚阶段常以石英和方解石细脉切穿前两阶段为特点，偶见晶洞构造。

2 样品采集与测试方法

本文采集了成矿早阶段、主阶段及晚阶段的样品用于流体包裹体研究；同时采集了主阶段的样品用于硫、铅同位素研究。各种样品均采自钻孔中未遭受氧化部分，有较强的代表性。

本次采集的流体包裹体样品经切片并磨制双面抛光后，在山东省地质科学研究院开展了显微岩相观察和显微测温工作。测温仪器为Linkam THM 600冷热台，采用液氮作为冷却剂。测温工作前对冷热台进行了温度校正，选用的校温包裹体为人工合成的纯水包裹体(冰点0 ℃、均一温度374.1 ℃)和CO2包裹体(熔点-56.6 ℃)。测温仪器精度：低于室温时为±0.2 ℃，高于200 ℃时为5 ℃。

氢、氧、硫、铅同位素测试均在武汉地质调查中心完成。氢、氧同位素测试仪器为MAT252型质谱仪，测试精度为±2‰；硫同位素测试仪器为Delta Vplus型同位素质谱仪，采用龙灵利等(2015)所述的分析流程进行测试，测试精度为±0.2‰；铅同位素测试仪器为MAT261型质谱仪，采用刘忠法等(2014)所述的分析流程进行测试，测量误差2σ内。

3 测试结果

3.1 流体包裹体特征

根据Roedder(1984)和卢焕章等(2004)对流体包裹体的分类原则，以其在常温条件下(25 ℃)的相态种类及其最终均一方式，乌珠新乌苏矿床中流体包裹体可划分为4类：富液相包裹体(Ⅰ型)、含CO2三相包裹体(Ⅱ型)、纯气相包裹体(Ⅲ型)和纯液相包裹体(Ⅳ型)。

包裹体成因类型包括原生及次生两类(卢焕章等，2004)，本文仅讨论原生包裹体。各阶段各类型包裹体岩相学特征如下。

早阶段石英中流体包裹体特征：主要见Ⅰ型包裹体(图2a)，个体变化较大，一般直径约4～20 μm；形态类型多样，多呈长管状、针状或规则状定向分布；气液比变化大，约10%～40%。

主阶段流体包裹体特征：该阶段石英和闪锌矿中包裹体均较发育，且石英中的包裹体大小和丰度远大于其他两个阶段。

石英中主要发育Ⅰ型包裹体，形态多样，呈椭圆形、长条形或不规则状，分布无规律，包裹体大小一般在4～25 μm左右，气液比约为15%～40%。零星可见不规则状、椭圆形。长条形的Ⅱ型包裹体(图2b)，直径约1～20 μm，气液比25%，CO2体积比35%。

图2 内蒙古乌珠新乌苏矿床不同成矿阶段石英和闪锌矿中流体包裹体岩相学特征a—早阶段石英中Ⅰ型流体包裹体；b—主阶段石英中Ⅱ型流体包裹体；c—主阶段红棕色闪锌矿中Ⅰ型流体包裹体；d—主阶段红棕色闪锌矿中Ⅰ型与Ⅳ型流体包裹体共生及流体沸腾现象；e—主阶段浅黄色闪锌矿中Ⅲ型流体包裹体；f—主阶段浅黄色闪锌矿中Ⅰ型流体包裹体；g—主阶段浅黄色闪锌矿中Ⅰ型与Ⅲ型流体包裹体共生及流体沸腾现象;h—主阶段浅黄色闪锌矿中Ⅳ型流体包裹体及“卡脖子”现象流体沸腾现象；(i)晚阶段石英中Ⅰ型包裹体图中缩写：V—气相；L—液相

闪锌矿按其颜色可分为两类：(1)红棕色闪锌矿(图2c～e)，主要发育Ⅰ型包裹体，呈椭圆形、长条状和不规则状，大小为1～30 μm，少数可达40 μm，气液比为20%～35%；其次为Ⅲ型包裹体，呈椭圆形、长条形分布，大小为5～30μm。(2)浅黄色闪锌矿(图2f～h)，多位于深色闪锌矿边缘，其形成时间略晚，其中，Ⅰ型包裹体，呈椭圆形和圆形，大小约为2～30 μm，少数达40 μm，气液比为15%～35%；Ⅲ型包裹体不规则状，直径约为4～20 μm；Ⅳ型包裹体多呈不规则状或拉丝状分布，大小一般为3～20 μm，最大可达50 μm。

晚阶段石英中流体包裹体特征：发育Ⅰ型包裹体(图2i)，呈椭圆形及不规则状孤立分布，一般为4～30 μm，气液比15%～30%。

3.2 均一温度与盐度

本次对不同成矿阶段矿物中流体包裹体进行了显微测温，共获得有效的均一温度、冰点温度数据495组(表1)。所有流体包裹体在升温后最终都能均一至液相状态，各阶段流体包裹体的岩相学和热力学特征如下：

表1 乌珠新乌苏矿床中流体包裹体热力学特征

早阶段石英中Ⅰ型流体包裹体获得61组有效数据，测得均一温度范围为247.3 ℃～345 ℃，冰点温度范围为-0.8 ℃～-4.5 ℃，计算早阶段成矿流体的盐度为1.4%～7.17% NaCleqv。

主阶段石英中流体包裹体获得249组有效数据，其中测得Ⅰ型包裹体数据232组，包裹体均一温度为150.7 ℃～250.6 ℃，冰点温度为-0.5 ℃～-7.6 ℃，计算盐度为0.88%～11.22% NaCleqv；测得Ⅱ型包裹体数据17组，均一温度为181.5 ℃～260.1 ℃，冰点温度为-0.7 ℃～-4.3 ℃，计算盐度为1.22%～6.88% NaCleqv。

红棕色闪锌矿中流体包裹体获得104组有效数据，测得Ⅰ型包裹体均一温度为137.6 ℃～188.4 ℃，冰点温度为-0.6 ℃～-2.6 ℃，计算盐度为1.05%～4.34% NaCleqv；浅黄色闪锌矿中流体包裹体获得51组有效数据，均一温度为121.3 ℃～216.8 ℃，冰点温度为-1.2 ℃～-4.1 ℃，计算盐度为2.07%～6.59% NaCleqv。

晚阶段石英中流体包裹体获得30组有效数据，均一温度及盐度较主阶段显著下降，均一温度为115.3 ℃～149.8 ℃，冰点温度为-0.1 ℃～-3.8 ℃，对应计算盐度为0.18%～6.16% NaCleqv。

3.3 氢、氧同位素

乌珠新乌苏矿床不同成矿阶段石英的氢、氧同位素测试结果见表2，流体中氧同位素δ18OH2O根据石英—水体系氧同位素分馏方程(Clayton et al.,1972)，利用均一温度和石英的δ18OV-SMOW计算得出。

表2 乌珠新乌苏矿床不同成矿阶段石英的氢、氧同位素组成

δ18O石英-δ18OH2O=1000 lnα石英-水=3.38 ×106/(T2)-3.4

式中T：流体包裹体均一温度(单位为K)。

由表2可知，成矿作用早阶段石英中的δDV-SMOW为-105.2‰～-99.8‰，δ18OH2O为3.92‰～4.90‰；主阶段石英中的δDV-SMOW为-112.8‰～-95.1‰，δ18OH2O为1.20‰～4.51‰；晚阶段石英中的δDV-SMOW为-104.0‰～-99.5‰，δ18OH2O为-4.46‰～-2.29‰。

3.4 硫、铅同位素

乌珠新乌苏矿区主阶段金属硫化物中δ34S值变化于-2.94‰～2.73‰(表3)，分布包括负值和正值，总体偏负值，平均值-0.95‰，接近陨石中硫同位素组成，极差为5.67‰，变化范围相对较小，该特征符合岩浆热液成因矿床硫同位素组成的特点，即与陨石偏离较小，且单个矿床内δ34S的变化范围窄(胡树起等，2015)。

表3 乌珠新乌苏矿床矿区硫化物硫同位素组成

乌珠新乌苏矿床主阶段金属硫化物中铅同位素测试结果见表4。其中206Pb/204Pb 值为18.1759～18.1790之间，平均为18.1780；207Pb/204Pb 值为15.5532～15.5555之间，平均为15.5546；208Pb/204Pb 值为38.0058～38.0115之间，平均为38.0084。该结果表明，乌珠新乌苏矿区铅同位素组成比较稳定，变化范围小，显示出正常铅的特征。

表4 内蒙古乌珠新乌苏矿床中硫化物的铅同位素组成

4 讨论

4.1 成矿流体来源及演化

将不同成矿阶段的氢、氧同位素数据投到δDV-SMOW-δ18OH2O同位素图解上(图3)，不同阶段的数据点相对集中，具有明显的规律。早期成矿流体同位素数据投点靠近原生岩浆水区域，单从数据范围特征看，成矿流体可能为岩浆水与少量大气降水的混合。随着成矿作用及流体演化，有更多的大气降水加入，导致晚阶段的流体同位素数据投点逐渐向大气降水线靠近。

图3 乌珠新乌苏矿床不同阶段流体δD-δ18OH2O图解(底图据Taylor，1974)

乌珠新乌苏矿床各阶段流体包裹体的均一温度及流体盐度变化范围较大，总体上呈连续降低趋势，但在不同成矿阶段，又有一定的重叠。这种变化趋势表明，早阶段成矿流体以富含成矿物质的岩浆热液为主，具有中高温、中高盐度的特征，随着主阶段金属矿物的大量沉淀及大气降水的混合，流体的温度和盐度逐步降低，最终变为以大气降水为主的低温、低盐度流体。

4.2 成矿物质来源

硫在热液多金属矿床中常作为矿化剂存在(刘英俊和曹励明，1987；马生明等，2016)，对成矿起着至关重要的作用，常与主矿体伴生，在蚀变带中形成富集(马生明等，2016，2017，2019)。对硫同位素的研究，可以判定硫化物的形成环境以及硫的来源，对推断成矿作用过程有重要指示作用(陈永清等，2009)。

乌珠新乌苏铅多金属矿床的矿石中仅见硫化矿物，如方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、黄铁矿，未见硫酸盐类矿物，说明矿体是在低氧逸度环境下形成的；矿区内金属硫化物中硫同位素测试结果显示δ34S黄铁矿>δ34S黄铜矿>δ34S方铅矿，与分馏平衡条件下硫同位素组成的变化顺序一致(吴永乐等，1987；郑永飞和陈江峰，2000)，说明矿区内硫同位素分馏达到了平衡状态，可利用硫化物的硫同位素组成，探讨其来源(Ohmoto，1972；郑永飞和陈江峰，2000)。

乌珠新乌苏矿床的δ34S值变化范围为-2.94‰～2.73‰，接近陨石中硫同位素组成，数值较集中，说明硫的来源相对单一，且主阶段物理—化学条件相对稳定。何鹏等(2018)研究了大兴安岭中南段典型铅锌银多金属矿硫同位素组成，得到的硫同位素组成分布区间，与乌珠新乌苏矿区硫同位素组成特征一致，反应了区域上同类矿床硫具有同源性。综上，矿区内硫为地壳或地幔物质部分熔融形成的，伴随着酸性岩浆向上运移，在岩浆后期热液中富集。

前人通过系统研究发现铅同位素组成主要受放射性U、Th衰变影响，而U、Th又因其化学性质，在不同的地球部位、不同的地质演化过程、不同的岩石矿物中，富集程度不一致(Doe and Zartman，1979；Zartman and Doe，1981；Kamona et al.,1999；Chiaradia et al.,2004；朱炳泉，1998)。故此利用岩石或矿物中的U/Pb(μ)、Th/Pb(ω)、Th/U来研究其物质来源及其演化，并总结出源自不同地壳、地幔部位的判别标准(Doe and Zartman，1979；Zartman and Doe，1981)。

乌珠新乌苏矿床矿石的μ值平均为9.40(表4)，ω值平均为35.59，Th/U比值为3.66～3.67，均是介于地幔与地壳相应数值之间(Doe and Zartman，1979；Zartman and Doe，1981)。足以证明，乌珠新乌苏矿床的铅来自地幔与地壳的混合源，结合前述铅同位素组成变化范围小的特点，推测不同来源的铅在成矿流体中发生了混合和均一。

为明确乌珠新乌苏矿床矿石铅的来源，将铅同位素结果投到铅同位素构造模式和构造环境判别图中(图4)，样品集中分布于造山带附近地幔与地壳之间，且明显靠近地幔演化线；构造环境图上样品均分布于造山带内，与洋岛火山岩重叠区域。综上所述，认为乌珠新乌苏矿床的铅主要来源于地幔。携带深部成矿物质的岩浆上移过程中，活化并吸收了早期洋岛火山岩中的铅，并在后期成矿流体中完成了不同源铅同位素的均一。

图4 乌珠新乌苏矿床铅同位素构造模式和构造环境判别图(底图据Zartman and Doe，1981。其中大兴安岭南段矿床铅同位素数据据何鹏等，2018)

朱炳泉(1998)将206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb三种铅同位素组成分别表示成与同时代地幔值的相对偏差(Δα、Δβ、Δγ)，以此来突出Th-Pb变化及Th-Pb与U-Pb间的相互关系，从而反应出更多的成矿物质来源与地质过程信息。通过对乌珠新乌苏矿床的铅同位素数据进行计算，得到矿石的铅同位素的相对偏差Δα、Δβ、Δγ值(表4)，并投到Δβ-Δγ成因分类图解中(图5)。由图可知，乌珠新乌苏矿床矿石均在地幔与上地壳混合区之岩浆作用成因区，且靠近造山带与地幔铅区边界，既指示了矿区内铅的来源是以幔源为主的壳幔混合源，也指示了岩浆作用成因，与前述分析一致。

图5 乌珠新乌苏矿床铅同位素 Δγ-Δβ成因分类图(底图据朱炳泉，1998；大兴安岭南段矿床铅同位素数据据何鹏等，2018)1—地幔铅；2—上地壳铅；3—上地壳与地幔混合铅(3a—岩浆作用；3b—沉积作用)；4—化学沉积铅；5—海底热水铅；6—深变质铅；7—深变质下地壳铅；8—造山带铅；9—古老上地壳铅；10—退变质铅阴影部分为大兴安岭南段矿床铅同位素分布范围

前人在对大兴安岭南段众多铅锌银多金属矿床进行研究时，利用铅同位素探讨了成矿物质的来源，认为成矿物质具有深源岩浆源的特点(何鹏等，2018)。在铅同位素构造模式图、构造环境判别图以及Δβ-Δγ成因分类图解中，乌珠新乌苏矿床矿石铅同位素投点均落在区域同类型矿床铅同位素投点区内，说明与区域上同类型矿床成矿物质的同源性。

4.3 矿床成因

晚古生代，受古亚洲洋板块俯冲效应，区域最大主压应力方向为南北向(吴珍汉，1996)，形成近东西向展布的挤压断裂。早二叠世晚期，矿区为后碰撞的伸展环境(华北等，2020)，早阶段形成的近东西向挤压断裂打开，为深部岩浆上侵及成矿流体的运移、沉淀成矿提供了构造空间。该阶段地幔上涌、地壳重熔，不仅为区内岩浆岩形成提供了母岩浆，同时也带来了深部的成矿物质(前文讨论的矿区内的硫、铅同位素显示出成矿物质具壳幔混源的特点即为证据)。带有深部成矿物质的重熔岩浆沿着张开的早期造山阶段形成的近东西向深大断裂侵入，最终形成目前矿区内呈近东西向展布的岩体。

在岩浆侵位、冷凝、结晶的过程中，成矿物质进一步富集，岩浆热液演变为含矿热液。岩浆侵位后，在深部压力驱使下，含矿热液继续沿断裂带向上运移，至下二叠统大石寨组地层中。在含矿流体向上运移过程中，遇到沿断裂带向下移动的大气降水，不同流体的混合以及压力降低产生了流体沸腾作用(张德会，1997)，改变了含矿热液的物理化学条件，导致金属硫化物的大量沉淀。主成矿阶段出现不同气液相比及含CO2三相包裹体共存，即为成矿流体发生相分离的证据(杨轩等，2018)。

最终形成乌珠新乌苏以铅锌为主共伴生金银铜的多金属矿床。