Question

八方山-二里河铅锌矿床地质特征、成矿模式与找矿模型

Answer 1

1.矿区地质背景

八方山-二里河铅锌矿床位于中秦岭弧前盆地之泥盆系金多金属成矿带凤-太矿集区内,区内出露地层为中泥盆统古道岭组(D₂g)和上泥盆统星红铺组第一、第二岩性段(D₃x)。古道岭组为细晶—微晶灰岩夹粉砂质灰岩及变泥质灰岩夹层,厚度大于150m。星红铺组第一岩性段(D₃x₁)下部为钙质千枚岩、铁白云石千枚岩、炭质千枚岩,上部为条带状薄层灰岩夹钙质绢云母千枚岩,局部夹石英粉砂岩及含绿泥石绢云母千枚岩,该段厚370 ～640m; 第二岩性段(D₃x₂)为绿泥石绢云母千枚岩,该段厚度大于560m。

区内褶皱和断裂构造发育。矿区重要而明显的褶皱构造为纵贯全区的尖端山-八方山背斜东部的八方山背斜。八方山背斜轴向近EW向,走向103°～120°,倾向S,倾角70°～85°,东宽西窄。背斜脊线呈鱼脊状,北翼产状15°～30°∠75°～90°,南翼产状195°～215°∠60°～70°。两翼夹角31°～60°,属较紧闭背斜。背斜向东、西两端倾伏,倾伏角15°～30°。该背斜在金场坪地段形成穿刺背斜,并严格控制了铅锌矿体。矿区断裂可分为纵向断裂和横向断裂。纵向断层规模大,与背斜轴向大致平行,局部充填有石英脉,主要发育于背斜北翼灰岩与千枚岩接触带,为压扭性断层; 横向断层垂直背斜轴和地层走向,断层走向0°～40°之间,倾向W,倾角55°～85°。根椐形成先后、断层内有无岩脉充填及对矿体的破坏作用,可分为两类:第一类大致以300～400m间距等距分布,充填有闪长玢岩脉,断距不大,未破坏矿体; 第二类形成晚于第一类,断距较大,破坏了矿体的连续性和完整性。

区内岩浆岩不发育,主要有闪长玢岩脉和花岗斑岩脉。闪长玢岩脉受控于NE向断裂,岩脉呈等间距分布,单个脉体长数百米,厚0.5～1.0m,个别达5～6m; 矿区以南约2km处为NWW向花岗斑岩脉带,该岩脉带从西坝岩体侵入前缘向西一直贯穿凤-太泥盆系分布区,宽数百米至千余米。岩脉带的侵入为铅锌矿的形成提供了热动力、构造和物质条件。

2.矿床地质特征

八方山-二里河矿体产于背斜构造的鞍部及其两翼(北翼倒转),主矿体产于古道岭组与星红铺组界面的硅质岩中,仅在八方山形成的穿刺背斜部位被剥蚀出地表,向东、西两端倾伏形成隐伏Pb-Zn(Cu)矿体,并具有西端以Cu为主、向东以Pb-Zn为主的成矿元素分带规律(图3-9)。

图3-9 凤县八方山-二里河铅锌矿床地质简图

该矿床容矿岩石主要是硅质岩。硅质岩中微晶石英含量大于80%,化学成分的特点是SiO₂含量高,Ti、Mn含量接近灰岩,Al、Fe、Mg含量接近千枚岩,成分含量变化较大。硅质岩在空间分布上受背斜构造控制,形态与背斜吻合,同时也受灰岩控制,分布范围与矿体完全一致。矿体大多直接赋存在硅质岩中; 硅质岩颜色有黑色、灰色、灰白色3种。与灰岩相似,但很坚硬,其中可见到腕足类化石和海百合茎化石,有时被闪锌矿充填交代。

硅质岩为一种热水喷流岩。与背斜虚脱空间和断裂沿走向、倾向的减压扩容构造一致,向东呈25°～30°侧伏,说明其具有由东向西、由下向上以25°～30°倾斜喷流或改造的特征。硅质岩是早古生代热水喷流基底成矿被印支期—燕山期花岗岩侵入、在泥盆系中由东向西、由下向上“抽屉式”改造成矿的结果。

矿体形态受背斜控制,在西部八方山矿段,地表矿化带围绕背斜核部呈不规则的环状,环内为古道岭组结晶灰岩,环外为星红铺组千枚岩,在剖面上则呈现“八字型”和“抛物线型”两种形态(图3-10); 在二里河矿段,矿体主要赋存在背斜向东侧伏的鞍部和北倒转翼,位于星红铺组和古道岭组的接触部位而隐伏于地下,平面上呈“新月型”,剖面上矿体呈“月牙型”和“抛物线型”两种形态。

该矿床目前共圈出大小矿体41个,矿体主要赋存于硅质岩中(图3-11),以Ⅱ-1矿体规模最大,Ⅱ-2号次之。Ⅱ-1号矿体长2345m,平均厚度为6.06m,背斜北翼矿体最大延深560m,最小延深60m,矿体平均品位Pb为1.33%、Zn为6.06%,局部为铜矿体,Cu平均品位为0.81%,该矿体占总探明储量的92.9%。Ⅱ-2号矿体长715m,平均厚度为4.55m。75线以西为铜矿体,Cu平均品位为0.80%(最高为8.47%); 75线以东为铅锌矿体,平均品位Pb为0.98%、Zn为4.24%,该矿体占总储量的2.43%。由Ⅱ-1、Ⅱ-2号矿体特征可以看出:①两矿体处于同一矿化硅质岩中,其累计长度已达3060m,据钻孔充电法电位和梯度测量所获得的异常显示,其异常向东至209线,矿体向东、西两端仍有延伸,预计矿体总长度可达4000m以上,尚有1000余米的找矿空间,其外围及深部仍有找矿前景;②赋存于古道岭组(D₂g)与星红铺组下段(D₃x₁)界面硅质岩中的矿体,占全矿床所获储量的95.33%;③从采矿揭露情况看,矿体沿倾斜方向有尖灭再现特征,因而矿体向深部仍有一定的扩大潜力。

图3-10 八方山-二里河铅锌矿床113线剖面地质图

矿床金属矿物主要有闪锌矿、方铅矿、黄铜矿,其次为黄铁矿、白铁矿、毒砂、磁黄铁矿、黝铜矿、硫锑铅矿、车轮矿等; 脉石矿物主要为石英、铁白云石和方解石等。

矿石结构主要有结晶结构、交代结构、固溶体分离结构、变质结构和内部结构。矿石构造以浸染状、细脉状、块状、斑杂状和条带状为主。

围岩蚀变不发育,程度弱,千枚岩中见有黄铁矿化、磁黄铁矿化、硅化、绢云母化、叶蜡石化和石墨化。灰岩中见有硅化、褪色化,方解石脉大量出现,脉壁和碎裂面上石墨化及炭质物聚集等。与矿化有关的蚀变仅限于矿体上下盘2m内,鞍部有时可达5～10m。

矿石中有工业意义的主要元素为Zn、Pb、Cu。另外,伴生的Au、Ag、Cd、Hg可综合回收利用。其他元素Ga、In、Ge、Ti、Te等含量较低,不能被利用。

3.矿床地球化学特征

(1)微量元素

八方山-二里河铅锌矿床不同类型岩(矿)石过渡金属元素中Cu、Zn含量变化较大(表3-4)。铅锌矿石的Cu含量远大于含矿硅质岩、千枚岩及矿化石英脉,铅锌矿石的Zn含量大于含矿硅质岩及矿化石英脉,而低于千枚岩,这与矿石伴生铜和部分硅化千枚岩为赋矿围岩的特征一致。岩(矿)石的Co含量在(14～20)×10^-6之间,Ni含量变化范围为(28～58)×10^-6,二者含量相对较高,指示其物质来源较深。

图3-11 八方山-二里河铅锌矿床典型矿石特征

表3-4 八方山-二里河铅锌矿床岩(矿)石微量元素成分 (w_B)

注:样品由有色金属西北矿产地质测试中心采用ICP-MS分析; Au、Ag含量单位为10^-9,其他元素为10^-6

八方山-二里河铅锌矿床岩(矿)石中不相容元素Ba含量较高,在(182～11868)×10^-6之间变化,显示了盆地中热水沉积作用的特征,因为高的Ba含量是热水沉积物存在的指示。

(2)稀土元素

八方山-二里河铅锌矿床岩石稀土元素总量变化较大(表3-5,表3-6),在(7.04～206.51)×10^-6之间波动,矿石稀土元素总量为(19.38～198.61)×10^-6。岩(矿)石稀土元素球粒陨石标准化配分模式均为右倾的轻稀土富集型(图3-12),LREE/HREE大于3,表明二者物质来源近于一致,地质作用条件基本相同。岩(矿)石稀土元素配分模式与海水稀土元素配分模式相似,表明来自地壳深部的热流体中的水主要为海水(王瑞廷等,2011)。绝大多数样品具有负铕异常,δEu值为0.24～0.99,部分样品出现正铕异常,这可能与其碳酸盐含量高或含有重晶石-钡长石类矿物有关。通常Eu²⁺交代Ca²⁺或Ba²⁺,会出现正铕异常。

表3-5 八方山-二里河铅锌矿床岩(矿)石稀土元素含量 (w_B/10^-6)

注:前5件样品性质见表3-4;其他据王瑞廷,2005;样品82、830与841为铁白云质硅质岩,818、868为硅质岩

表3-6 八方山-二里河铅锌矿床岩(矿)石稀土元素特征参数 (w_B)

图3-12 八方山-二里河铅锌矿床岩、矿石稀土元素球粒陨石标准化配分模式

(3)成矿流体

氢、氧同位素分析表明,八方山-二里河铅锌矿床1件硅质岩样品的δ¹⁸O_SMOW为19.4‰,δ³⁰Si_NBs-28为-0.5‰,1件石英样品的δ¹⁸O_SMOW为20.6‰,δ³⁰S_iNBS-28为-0.4‰(薛春纪等,1997a),与秦岭泥盆系海底热水沉积硅质岩的δ¹⁸O_SMOW范围18.6‰～20.99‰一致,说明硅质岩是由海底热液化学沉积作用形成。

流体包裹体成分测试表明(西北有色地勘局717总队,1993),成矿流体平均含Na⁺浓度为5.12×10^-6、Ca²⁺为16.90×10^-6、Mg²⁺为0.75×10^-6、 为2.09×10^-6、Cl^-为4.67×10^-6,Ca²⁺>Na⁺>Mg²⁺, 为0.44,属低盐度氯化物型卤水,具有渗流热卤水特征,表明成矿流体为海底热液。

(4)硫同位素

八方山-二里河铅锌矿床主要硫化物硫同位素分析结果显示(西北有色地质勘查局717总队,1993),硫化物硫同位素δ³⁴S均为正值,在2‰～12‰之间变化,平均为9.79‰,属重硫富集型。硫化物硫同位素组成既不同于岩浆热液矿床,也不同于生物成因的硫源特征,可能反映了海水硫酸盐的还原硫与深部地层中同生热液中硫的混合来源。

(5)铅同位素

八方山-二里河铅锌矿床硫化物的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb为17.78～18.18,²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb为15.46～15.81,²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb为37.994～38.67(王相等,1996;表3-7)。4件铅同位素组成稳定,结合凤-太矿集区其他铅锌矿床的铅同位素组成及年龄数据分析,认为其矿石铅属单阶段演化的正常铅。Pb-Pb同位素模式年龄在395Ma至584Ma之间变化,早于中泥盆世(384Ma),表明铅可能主要来源于泥盆纪沉积盆地下伏基底地层或老剥蚀区,也就是说,铅的深部来源是极有可能的,但不排除成矿后铅锌矿体受到印支期西坝岩体热液改造的影响。

4.矿床成因及成矿规律

凤-太盆地的铅锌矿与甘肃西成盆地的铅锌矿虽然存在诸多相似性,如两个地区的铅锌矿床均产于中泥盆世碳酸盐岩与千枚岩之间,在西成盆地铅锌矿产于西汉水组(D2x)中,在凤-太盆地铅锌矿产于古道岭灰岩(D₂g)与星红铺组(D₃x)千枚岩之间,但也存在许多差异性,西成盆地的铅锌矿多产于碳酸盐台地边缘洼地中,含矿建造为碎屑岩与碳酸盐岩互层带,而凤-太盆地的铅锌矿主要产于碳酸盐相沉积局限洼地中(王相等,1996),含矿围岩以硅化灰岩和硅质岩为主,矿体基本都遭受了印支—燕山期的热液改造,成矿作用发生了一定改变。八方山-二里河铅锌矿与西秦岭厂坝铅锌矿有所不同,厂坝铅锌矿属于SEDEX型,而八方山-二里河铅锌矿尽管同沉积期的热水活动是最主要的成矿作用,但矿床中部分矿石为热水充填交代型(主含矿层以下灰岩中的脉状或似层状矿体),且矿体主要受背斜构造控制。综合八方山-二里河铅锌矿床地质及地球化学特征,认为该铅锌矿床属热水沉积-改造型矿床。

表3-7 八方山-二里河铅锌矿床矿石铅同位素组成

注:据王相等,1996;西北有色地质勘查局717总队,1993;王俊发等,1991。

成矿规律可以总结为:

1)热水活动的幕次-喷流期次控制了相应沉积盆地中层状铅锌矿的含矿层位。不同的含矿层位反映了不同的热水沉积期次。初步认为,凤-太泥盆纪海盆至少有两期主热水活动幕,对应着以下两个层位的热水沉积型铅锌矿:①D₂g-D₂x界面附近含矿层位,即各已知大中型矿床,如铅硐山、八方山-二里河等;②D₃x-D₃j界面附近含矿层位,即苇子坪北部麻沟、洞沟、剪子沟等矿点。

其中D₂g-D₂x界面为主要含矿层位,是由热水活动的主要幕次所决定。热水活动集中分布在拉张盆地充填层序的碳酸盐岩向细碎屑岩过渡的部位,其内在原因可能是,中、晚泥盆世过渡期正是地壳表层与深部物质能量交换的最强烈时期,有利于热水活动的发生。

另外,在一定的矿区,铅锌矿层的出现从严格意义上讲,是受“等时面”控制而不总是受某一岩性界面或某种岩性层所控制,尤其在出现沉积相变的地段反映明显。

2)该区铅锌矿床的主要控矿构造为提供热水运移的同生断裂构造及成矿物质沉淀富集的局限性沉积盆地构造,包括两种同生断裂(控制沉积相变的NE向主干同生断裂、碳酸盐岩地层中充填NNE向岩脉的继承性断层)和3种热水沉积盆地(同生断裂形成的构造凹陷、同生断裂附近的障壁性次级沉积盆地、吸附成矿物质的地球化学障-生物礁构成的同沉积背斜)。

5.成矿时代

凤-太矿集区铅锌矿的成矿年龄厘定一直是矿床研究的难题。前人曾测得八方山-二里河铅锌矿的Pb-Pb同位素模式年龄在395～584Ma之间变化,4件样品的原始铅等时线年龄为400Ma(王相等,1996),该年龄指示了成矿物质主要来自泥盆系,而非真实的成矿期。八方山-二里河铅锌矿矿体主要受背斜构造控制,矿体产于背斜的核部、鞍部或倒转翼,矿石中发育大量的交代构造,表明矿体遭受过后期构造-岩浆热液改造作用。

此次工作采集了八方山-二里河铅锌矿床的矿化硅质岩、矿区附近花岗斑岩和闪长玢岩样品,开展了锆石U-Pb同位素测年研究,测试工作在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成,采用La-ICP-MS进行了锆石原位U-Pb同位素分析测定,结果见表3-8。

从表3-8和图3-13中可以看出,矿化硅质岩中的锆石具有明显的碎屑锆石的特点,如磨圆好、颗粒小,与后述的年龄峰分散相一致。二里河矿区闪长玢岩锆石具有明显的岩浆锆石的特点,多数锆石呈长柱状、针状并具环带结构,反映了岩脉形成过程中快速降温过程。少量锆石具有磨圆的碎屑锆石的特点,反映出岩浆捕获了围岩中的锆石。

图3-13 八方山-二里河矿区矿化硅质岩(上排)和闪长玢岩(下排)锆石阴极发光图像

从图3-14中可以看出,八方山-二里河矿区附近花岗斑岩锆石晶型好,呈板状、柱状显示岩浆锆石的特点,但多数已遭受蚀变,在CL图像中呈黑色,这对准确定年有一定

表3-8 八方山-二里河铅锌矿床硅质岩、花岗斑岩和闪长玢岩锆石U-Pb同位素测年结果

续表

注:LI1-02～LI1-18为硅质岩; Li3-01～Li3-15为花岗斑岩;Li2-01～Li2-20为闪长玢岩。样品由中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室采用La-ICP-MS进行锆石原位测试分析。Pb*为放射成因Pb。的影响。

从图3-15中可以看出,八方山-二里河矿区矿化硅质岩锆石U-Pb年龄峰值分散,有400Ma、600Ma、800Ma和1000 Ma,甚至还有1800 Ma的年龄值,具有明显的碎屑锆石的年龄特征。这一组年龄值不能代表硅质岩或铅锌矿床的形成时代,而与扬子板块的年龄谱具有一致的特征。但从硅质岩中夹有许多碎屑锆石的特点看,反映出矿化硅质岩的形成环境可能是个近岸的海底凹地。

图3-14 八方山-二里河铅锌矿区附近花岗斑岩锆石阴极发光图像

图3-15 八方山-二里河铅锌矿床矿化硅质岩锆石U-Pb谐和曲线图

从图3-16中可以看出,八方山-二里河矿区闪长玢岩锆石U-Pb谐和年龄为(214±2)Ma,是印支晚期构造运动的产物。比较小的加权平均方差(MSWD)(0.34),表明地球化学误差小,也说明该年龄值的地球化学意义明确。同时从图3-16中也可以看到少数大于214Ma的年龄值,如240Ma、420Ma和440Ma,反映出岩浆侵位过程中捕获了围岩物质中的锆石。八方山-二里河矿区附近花岗斑岩锆石U-Pb谐和年龄值是(217.9±4.5)Ma,其中加权平均方差为5.7,比闪长玢岩的加权平均方差值稍大,但仍有地球化学意义。该年龄值与闪长玢岩的214Ma相近,说明花岗斑岩也是印支构造运动晚期的产物。

图3-16 八方山-二里河铅锌矿区闪长玢岩(左)和附近花岗斑岩(右)锆石U-Pb谐和曲线图

以上数据进一步证实了八方山-二里河铅锌矿床的确经历了印支期的构造-岩浆热液改造作用,表明八方山-二里河铅锌矿床的主成矿期为印支期,而非海西期,海西期是铅锌矿的主要矿化时期。

6.成矿模式

八方山-二里河铅锌矿床是凤-太矿集区内典型的铅锌矿床,铅锌矿体主要呈马鞍状或似层状赋存于中泥盆统古道岭组灰岩与星红铺组千枚岩接触带之间的硅质岩中。该矿床自20世纪80年代以来一直备受研究者们的关注,相继在成矿地质环境、成矿与控矿规律、矿床成因与类型等方面开展了大量研究工作,取得了许多重要研究成果,但矿床成因模式仍存争议,一种观点认为是热水喷流沉积型(SEDEX)或沉积-改造(再造)型(张复新等,1988; 祁思敬等,1993; 王集磊等,1996; 王相等,1996; 薛春纪,1997a,方维萱等,2000; 王瑞廷等,2007a,2011); 另一种观点强调该矿床为后生矿床,提出凤-太矿集区内铅锌矿床是后生的构造-热液作用的产物(王义天等,2009)。

本次根据八方山-二里河铅锌矿床的地质背景、地球化学特征、成矿规律、矿床成因及成矿时代,认为该矿床属喷流沉积-构造、岩浆强改造型铅锌矿。其成矿模式总结如下(图3-17):

(1)泥盆纪断陷海盆的形成和海底热水喷流沉积阶段

凤-太矿集区铅锌矿床铅锌矿石铅同位素年龄为438～476Ma,八方山-二里河铅锌矿床铅同位素年龄为455Ma,时代上大致相当于奥陶纪(500～440Ma)至志留纪(440～475Ma)。这与秦岭型铅锌矿床同位素年龄一致,但矿石同位素年龄与含矿地层形成时代相差甚远,且多个矿床赋矿地层时代差异明显,说明热水喷流沉积成矿作用主要发生于早古生代断陷海盆形成时期,同时伴随着岛弧式海相火山喷发(流)成矿作用(由北侧丹凤岩群、草滩沟群火山岩含矿背景及矿化和成矿特征推测)。早古生代的构造作用、热水喷流和海相火山成矿作用奠定了凤-太矿集区泥盆纪沉积盆地基底构造格局和矿化范围。

(2)泥盆纪赋矿地层沉积阶段

进入泥盆纪,凤-太海盆处于相对稳定的海相沉积时期,形成泥盆纪容矿地层。同时,在不同沉积阶段,也伴随着相应的岩浆活动和继承性的海底热水喷流作用,使基底断裂继续活动,向上部泥盆系中漫延,为之后的构造和岩浆改造成矿作用奠定了基础。

图3-17 八方山-二里河铅锌矿床成矿模式示意图

(3)印支期改造成矿阶段

泥盆纪之后至三叠纪,由于强烈的造山运动,形成对称的褶皱、断裂、同构造岩浆岩等成矿构造的复杂组合,奠定了凤-太泥盆系中的总体成矿构造格架。NWW向同生断裂转化为对冲推覆断裂,从深部基底一直延伸至上部盖层中,发散减弱于背斜倒转翼灰岩与千枚岩接触带,消失于背斜鞍部及翼部的减压扩容部位。

伴随印支期构造与岩浆活动,使基底及同生断裂带中的成矿物质沿岩浆侵入方向由下向上、由东向西强烈活化、迁移,富集成成矿流体,并在与深部构造贯通的八方山-二里河背斜鞍部及北翼“剑鞘状”扩容构造(层滑断裂)空间富集成矿。西部NE向老厂-杜家河断隆带及东侧的三里河-白杨沟断裂,对NWW向成矿构造有一定的抬升和隔挡作用,使八方山-二里河背斜在三里河-白杨沟断裂以东形成向东倾伏的封闭-半封闭聚矿构造而成矿。

7.找矿模型

(1)地质标志

古道岭组灰岩与星红铺组千枚岩接触带或碳酸盐岩台地向浅海盆地碎屑岩过渡的生物礁亚相和洼地亚相是找矿的岩相标志。这些部位发育各种容矿硅质岩。对八方山-二里河铅锌矿床钻孔资料进行整理建库,发现主要矿体几乎全产于硅质岩中,硅质岩与围岩界线清楚,因此认为硅质岩是该区沿构造找矿的最重要标志。

逆冲推覆作用形成的叠瓦式背斜扩容空间是成矿和找矿的主要构造部位,即背斜鞍部、陡翼或倒转翼形成的向东侧伏的“剑鞘状”构造。

(2)化探标志

平面上,Pb、Zn、Cu、Ag、Sb、As等原生晕异常与铅锌矿体关系密切; 垂向上,从上向下异常元素组合依次为Sb→Zn→As→Ag→Cu→Pb→ Hg。此外,Hg元素是寻找隐伏矿床较好的指示标志。

(3)物探标志物探综合异常是寻找盲矿体及隐伏矿的间接标志。对于浅埋矿体,大功率激发极化法可很好地反映效果; 对于深埋矿体,可控源音频大地电磁测深技术(CSAMT)效果较理想。这些方法同时也可判断深部灰岩走向分布及隐伏背斜构造。

(4)矿化及蚀变标志

硅化、碳酸盐化、黄铁矿化、重晶石化及电气石化等围岩蚀变发育部位是较直接的找矿标志; 铅锌矿体中及其附近石英方解石脉发育,石英方解石脉、闪长玢岩脉发育地段也是重要的找矿标志。