廣西大廠錫多金屬礦田深部碳酸鹽巖的碳、氧同位素特征及其對于深部找礦的意義

秦 燕, 王登紅, 梁 婷, 李建康

(1.國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 中國地質科學院 礦產資源研究所, 北京 100037; 2.長安大學 地球科學與資源學院, 陜西 西安 710054)

廣西大廠錫多金屬礦田深部碳酸鹽巖的碳、氧同位素特征及其對于深部找礦的意義

秦 燕1, 王登紅1, 梁 婷2, 李建康1

(1.國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 中國地質科學院 礦產資源研究所, 北京 100037; 2.長安大學 地球科學與資源學院, 陜西 西安 710054)

以廣西大廠超大型錫多金屬礦田深部鉆探 ZK39-1 鉆孔獲得的新鮮巖心為研究對象, 詳細分析了鉆遇中下泥盆統灰巖樣品的碳、氧同位素組成及礦化元素含量。結果表明, 各類樣品的 δ18OV-SMOW為 12.07‰～24.31‰, 鉆孔深度 1000 m以下巖心樣品的 δ18OV-SMOW明顯偏低; δ13CV-PDB為-4.6‰～1.7‰, 1000 m 以下樣品的 δ13CV-PDB逐步降低。巖心碳、氧同位素組成負異常的部位同時也出現了礦化元素顯著的正異常, 由此推測 1000 m 深度以下存在熱液流體活動。研究表明, 鉆孔巖心碳酸鹽巖樣品的碳、氧同位素組成的變化規律可以提供蝕變作用及相關流體的重要信息, 可作為一種重要的找礦標志, 從而為深部找礦勘查提供科學依據。

碳酸鹽巖; 碳、氧同位素; 礦化元素; 深部找礦; 廣西大廠超大型錫礦田

穩定同位素在地質學中的應用主要集中在指示成礦物質來源、成礦地球化學機理和礦物形成溫度等方面, 這對地質找礦能起到間接指示作用。前人在研究鐵礦、矽卡巖型銅礦、巖漿熱液型鉛鋅礦等礦床的過程中發現, 靠近巖體的圍巖 δ13C 和 δ18O 均處于 低“谷”值(劉本 立 和陳成 業, 1983; Duba and Williams-Jones, 1983; 童潛明, 1985)。隨后,學者通過對大量礦床及其圍巖的碳、氧同位素的比較, 認為在以碳酸鹽巖為圍巖的巖漿熱液或其他成因熱液礦床中, 可以運用碳、氧同位素指示礦源體或礦體(劉本立等, 1984, 1988; 徐文炘等, 1991)。廣西大廠錫多金屬礦田是一個典型的巖漿熱液與碳酸鹽巖發生接觸交代而成礦的地區, 前人對大廠巴里-龍頭山地區礁灰巖的研究主要集中在沉積特征、巖石類型方面,或是從礁體內外礦床的特征討論生物礁與成礦的聯系(周棣康等, 1981; 葉緒孫和嚴云秀, 1981; 曾允孚等, 1982), 對這套礁灰巖的穩定同位素組成及其對指導深部找礦的意義, 研究得很少。本文以大廠礦田范圍內、巴里礦區外圍深部鉆探 ZK39-1 鉆孔獲得的巖心為研究對象, 通過分析其碳、氧同位素組成, 結合微量元素分析數據, 探討碳、氧同位素與成礦元素含量的內在聯系, 以期為深部勘探提供新依據。

1 地質背景

廣西泥盆系生物礁分布普遍, 從下統上部至上統均有產出, 其中中統上部最為發育, 而位于南丹縣大廠巴里龍頭山一帶的礁灰巖則是該時期礁灰巖的代表, 它厚達上千米, 是廣西境內厚度最大的礁灰巖(鐘鏗, 1995)。大廠 100、105 號礦體主要賦存在泥盆系礁灰巖中。

巴里礦區位于廣西大廠錫多金屬礦田的西部(圖 1), 是丹池成礦帶的重要組成部分。區內出露的地層有中泥盆統生物礁灰巖、泥灰巖、灰巖; 上泥盆統硅質巖, 寬、細條帶灰巖, 扁豆灰巖, 泥灰巖夾灰巖、泥質灰巖、砂巖、頁巖等。其中, 中泥盆統納標組下部巨厚生物礁灰巖是主要的含礦層位。區內斷裂比較發育, 主要為 NW 向、NE-NEE 向和 SN向三組。礦區內僅見花崗斑巖縱貫礦區中部, 成脈狀, 礦區內斷續延長 2 km, 厚 5～28 m, 總體走向近SN, 礦物成分主要有石英和長石, 少量白云母, 屬鋁過飽和系列, 含有 W、Sn、Pb、Zn、Sb、Cu 等微量元素(寧洪峰, 2003)。

2 研究方法

2.1 樣品采集

本文測試樣品為巴里礦區外圍 ZK39-1 鉆孔巖心,鉆孔深度達 1580 m, 是目前礦區最深的全孔取芯鉆孔之一, 鉆遇巖石絕大多數為泥盆系灰巖, 含少量花崗斑巖, 巖性描述見表 1。共采集 64 件樣品進行碳、氧同位素分析, 同時測定了其中 20 件樣品的礦化微量元素的含量。

2.2 測試方法

樣品碳、氧同位素比值在中國地質科學院礦產資源研究所同位素實驗室測定。樣品的制備采用100%無水磷酸法。將灰巖樣品在 25 ℃下恒溫水浴12 h 后提取 CO2氣體, 在 MAT 253 質譜儀上測試。每一組樣品(20 個)中插入 2 個標準樣品, 碳同位素結果以相對 V-PDB 的 δ 值表示, 氧同位素結果以相對 V-SMOW 的 δ 值表示。δ18OV-SMOW和 δ13CV-PDB測試精度均高于 0.2‰。微量元素在國家地質實驗測試中心運用 ICP-MS 測定。

3 結果與討論

3.1 碳、氧同位素組成

巴里礦區外圍泥盆系灰巖的碳、氧同位素分析結果見表1, 不同深度碳、氧同位素變化趨勢見圖2。

圖 1 大廠礦田地質簡圖(據王東明等, 2012 補充)Fig.1 Simplified geological map of the Dachang ore field

通過表1、圖2可看出, 巴里礦區外圍泥盆系灰巖δ13CV-PDB值的變化范圍為–4.6‰～1.7‰, 圍繞正常海相碳酸鹽巖值(–3‰～3‰。Hoefs, 2009)有微小波動。可看出δ13CV-PDB在鉆孔中間位置變化不大, 鉆孔底部則趨于降低。δ18OV-SMOW變化范圍為12.07‰～24.31‰, 鉆 孔 淺 部 波 動 幅 度 較 大, 尤 其 是 在 有 花崗斑巖侵入的相鄰部位, 礁灰巖的δ18OV-SMOW值明顯降低, 顯示其受到了花崗斑巖侵入活動的影響。采自1000 m深度以上的樣品δ18OV-SMOW平均值為20.7‰, 相對穩定, 接近泥盆系海相碳酸鹽巖的平均值(22‰～24‰, Degens and Epstein, 1964; Keith and Weber, 1964; Hoefs, 2009), 1000 m深度以下的樣品δ18OV-SMOW明顯負漂移, 平均為17.8‰。

3.2 碳、氧同位素變化原因分析

總體來看, 巴里礦區外圍泥盆系灰巖碳、氧同位素組成從頂部到底部呈現線性降低的趨勢(圖3),說明碳、氧同位素的變化受到同一種外界因素的影響, 而且是受到了某種具有較低δ13C、δ18O值溶液交換作用的影響(Taylor, 1979)。在自然界, 不同來源的流體具有不同的碳、氧同位素組成。巖漿流體或深部地殼流體的δ13CV-PDB與正常地幔相似, 為–9‰～–4‰(Zheng and Hoefs, 1993)。對于氧同位素, 初始巖 漿 水 的 δ18OV-SMOW為 6 ‰ ～ 9 ‰ , 重 熔 改 造 型 巖漿水為 7‰～13‰, 廣西地區大氣降水的 δ18OV-SMOW為–8‰左右(張理剛, 1985)。這幾種流體的氧同位素組成明顯低于正常海相碳酸鹽巖的氧同位素組成,由此推測巴里地區泥盆系灰巖底部受到了其中一種或幾種流體的影響。

表 1 巴里礦區外圍 ZK39-1 巖性描述及碳、氧同位素組成值Table 1 Carbon and oxygen isotopic compositions and petrographic descriptions of the drill hole ZK39-1 from the Bali deposit

圖 2 廣西大廠巴里地區泥盆系灰巖碳、氧同位素比值隨深度變化圖Fig.2 Diagram showing carbon and oxygen isotopic compositions change with the depth of the Devonian limestone from the Bali area in Guangxi

一般來說, 同位素平衡分餾在很大程度上取決于溫度。在熱源體中心, 溫度較高, 相應地質樣品的δ13C 和 δ18O 值就較低, 因此熱源體的中心是 δ13C 和δ18O 低 值 帶 (劉 本 立 和 陳 成 業 , 1983; 劉 本 立 等 , 1988)。在廣西大廠巴里地區, 位于鉆孔底部的泥盆系灰巖樣品的碳、氧同位素值明顯低于上部, 暗示在深部存在有 δ13C 和 δ18O 值本身就很低的地質體,比如, 花崗巖巖漿。由花崗巖巖漿結晶分異出來的熱液在上升過程中對圍巖(礁灰巖)發生熱液交代,可導致被蝕變的礁灰巖發生 δ13C、δ18O 值的降低。

此外, 與廣西栗木水溪廟鎢錫礦床泥盆系灰巖碳、氧同位素組成的對比(圖3)可見, 大廠巴里與栗木兩地區巖心樣品從頂部到底部溫度變化趨勢一致,均逐步上升, 而栗木水溪廟鎢錫礦床是典型的巖漿熱液成因礦床, 也佐證了大廠巴里深部存在巖漿熱液的可能性。

圖 3 廣西大廠巴里與栗木兩礦區泥盆系灰巖碳、氧同位素組成的對比(栗木水溪廟樣品據周朋飛等, 2009)Fig.3 Diagram showing the different C-O isotopic characteristics of the Devonian limestones in the Bali deposit and Limu deposit in the Dachang ore field

圖 4 巴里礦區外圍 ZK39-1 與大廠脈方解石碳、氧同位素對比圖Fig.4 C-O isotopic diagram of the limestones from drill hole ZK39-1 and vein-type calcites from the Dachang ore field

圖 5 大廠礦田 ZK39-1 δ18OV-SMOW-δ13CV-PDB圖解(底圖參考劉建明等, 1997)Fig.5 δ18OV-SMOWvs. δ13CV-PDBdiagram of the drill hole ZK39-1 from the Dachang ore field

根據丁悌平(1988)和陳毓川等(1993)的測試資料,將巴里礦區外圍 ZK39-1 巖心灰巖樣品與大廠礦田礦脈中作為脈石礦物產出的方解石進行對比(圖 4, 圖 5),結果發現, ZK39-1 鉆孔 1000 m 深度以下的巖心樣品與礦脈中方解石的碳、氧同位素比值接近, 與 1000 m深度以上灰巖樣品相差很大。鑒于礦脈中的方解石屬于巖漿熱液成因, 而礁灰巖屬于正常沉積成因,推測 ZK39-1 鉆孔底部的巖心(灰巖)很可能已經受到了巖漿熱液的蝕變。

3.3 微量元素含量特征

3.4 碳、氧同位素對深部找礦的指示意義

廣西大廠巴里地區已經探明有 100 號、105 號特大、特富錫多金屬礦體的存在, 但隨著多年來優質礦產資源的快速開采, 淺部資源已趨枯竭, 但深部資源尚不明朗, 已嚴重影響到礦山的可持續發展(王登紅等, 2007)。因此, 探討這兩個礦體深部的找礦潛力乃當務之急。ZK39-1 鉆孔就是為了深部找礦而部署的一個探索孔, 旨在獲得深部礦化的信息,為下一步找礦工作的部署提供依據。本次研究表明,該孔巖心自頂部到底部, δ13C 和 δ18O 逐步降低, 1000 m 以下降低幅度較大, 表明 1000 m 深度以下存在熱液蝕變, 熱液作用的強度趨于增大。由圖 7 也可見, 在鉆孔深 部, Cu、Sn、 Sb、Pb 的含 量 趨于升 高 , 也意味著熱液成礦作用的強度趨于增大。因此, 同位素資料結合成礦元素的含量及其變化趨勢, 有助于推測ZK39-1鉆孔的深部有望找到新的礦體。

圖 6 不同礦化元素隨鉆孔深度的含量變化Fig.6 Ore metal contents changing with depth for samples from the drill holes

圖 7 礁灰巖氧同位素組成值與礦化元素含量隨鉆孔深度的變化關系圖Fig.7 δ18OV-SMOWand ore metal contents changing with depth for samples from the drill holes

表 2 巴里礦區外圍泥盆系灰巖成礦元素豐度值(μg/g)Table 2 Ore metal contents of the Devonian limestone from the Bali deposit (μg/g)

大廠是我國錫多金屬礦床中規模大、品位高、元素組合多的少數幾個超大型礦田之一, 尤其是巴里-龍頭山 100 號礦體目前是世界上質量最好的超大型錫多金屬礦體(王登紅等, 2004, 2013; 梁婷等, 2008), 同時也因為呈螺旋狀、樓梯狀賦存在礁灰巖中, 而礁灰巖(1000 m 以上)本身沒有受到明顯的蝕變而成為礦床學的一大“謎”。Wang et al. (2004)認為100 號礦體可能是深部流體“納米”充填形成的, 目前正在開采的 105號礦體是 100號礦體的深部延續。本文對深部探測鉆孔樣品中灰巖的碳、氧同位素研究表明, 1000 m 深度以下可能存在巖漿熱液蝕變。以往也發現大廠長坡礦區礦脈中的方解石富含稀土元素, 反映了存在深部成礦流體的可能性(王登紅等, 2005)。因此, 通過對蝕變圍巖、礦脈以及地表隨處可見的無礦方解石脈進行系統的同位素、微量元素和稀土元素地球化學研究, 在地質工作的基礎上有可能建立起一套地球化學的指標體系, 可作為深部勘查的重要依據, 值得今后找礦工作注意。目前看來, ZK39-1 孔可能深度不夠, 預測其下部礦化更好,甚至很可能存在礦體。如果將大廠礦田地表到 400 m深度的礦體稱為第一成礦深度, 400～1000 m 深度為第二成礦深度, 則 1000 m 以下很可能還存在“第三成礦深度”。

4 結 論

通過對大廠巴里地區鉆孔巖心碳酸鹽巖的碳、氧同位素組成分析, 結合成礦元素含量的測定, 發現大廠礦田 ZK39-1 鉆孔自淺部到深部, δ13CV-PDB和δ18OV-SMOW值逐步降低, 1000 m 以下降低幅度明顯加大。結合大廠礦田的成礦規律, 通過綜合分析,認為這套碳酸鹽巖底部可能受到了熱液流體的蝕變。在巖心底部碳、氧同位素發生負異常的區域同時也存在礦化元素的正異常。因此, 1000 m 以下存在巖漿熱液活動的可能性很大。這為判斷大廠礦田是否存在第三成礦深度、為該地區的深部找礦提供了重要依據。此外, 本次探索性研究, 也為建立同位素-微量元素的綜合評價體系提供了實例, 即在常規的地質、地球物理勘查技術之外, 地球化學的手段也是值得今后在深部找礦工作中加以重視的。

致謝:陳毓川院士自 1959 年起對廣西大廠錫多金屬礦田的持續研究已達 55 年, 本次采用穩定同位素和元素地球化學的手段開展深部找礦方法性研究的思路, 也得益于陳先生的長期工作積累和指導。謹以此文祝賀陳先生八十華誕。本文樣品由廣西 215地質隊提供, 在寫作、審理和修改過程中得到了李華芹研究員以及其他審稿人和編輯部眾多專家、老師的指導和幫助, 在此一并致謝。

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當天夜里秦川將她占有，或者說當天夜里她將秦川占有，她認為后者或許更恰當一些。她不是隨便的女人，她無比保守，可是見到秦川，她就想將自己交付出去。她不是淫蕩的女人，她無比清純，可是見到赤裸的秦川，她甚至想跪下去親吻秦川的腳趾。那幾天里，她認為自己是世界上最合格的充氣娃娃。

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C, O Isotopic Compositions of Carbonate Rocks and its Significance for Deep Prospecting in the Dachang Tin-Polymetallic Deposit, Guangxi

QIN Yan1, WANG Denghong1, LIANG Ting2and LI Jiankang1
(1. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Resources Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2. School of Earth Sciences and Resources, Chang’an University, Xi’an 710054, Shaanxi, China)

This paper takes the limestone samples, which drilled from the drill hole of ZK39-1 in the Dachang Tin-Polymetallic Ore Field, as the study object. Carbon and oxygen isotopes, together with ore metal contents of the limestone samples were analyzed. The δ18OV-SMOWvalues of all the samples range from 12.07‰ to 24.31‰, and decrease obviously for samples below the depth of 1000 meters. The δ13CV-PDBvalues of all the samples are distributed between -4.6‰ to 1.7‰, and also decrease at the depth of 1000 meters like the δ18OV-SMOWvalues. In this drilling core, while the carbon and oxygen isotope values decrease, however, the ore metal contents increase at depth below 1000m. We conclude that the limestones experienced hydrothermal alteration below 1000 meters depth. Our results show that the variation of carbon and oxygen isotopic compositions of carbonate samples from drill core can provide important information about the alteration and the fluids, which can be used as an important scientific evidence for deep prospecting.

carbonate rocks; C, O isotopes; ore metal; prospecting deposits into depth; Dachang super-large tin-polymetallic deposit

P597.2, P612

A

1001-1552(2014)02-0359-007

2013-10-10; 改回日期: 2013-11-11

項目資助 : 國 家 深部探測技 術 與 實驗研究 專 項 課題(編 號 : SinoProbe 0301)、 中 國地質大 調 查 項目(編 號 : 1212011120989, 1212010633903, 1212011120354)和國家自然科學基金青年基金(編號: 41103004)聯合資助。

秦燕(1982-), 助理研究員, 主要從事同位素地球化學研究。Email: happyqinyan@sina.com

王登紅, 研究員, 博士生導師, 主要從事礦產資源研究。Email: wangdenghong@sina.com