黃陵背斜北緣沉積蓋層中熱液脈狀重晶石地質地球化學特征及成因探討

周 舟， 聶開紅， 盧金祥， 雷 靂， 邱 鳳， 楊 朋

(湖北省地質局 第七地質大隊，湖北 宜昌 443100)

鄂西黃陵背斜及周緣廣泛發育磷、鐵、石墨、銀釩、金、鉛鋅、重晶石等礦產[1-2]，是湖北省重要的找礦勘查目標區。經前人工作在黃陵背斜北緣沉積蓋層區發現了一系列熱液型金、鉛鋅、重晶石礦床(點)，其中重晶石礦多以獨立的礦床(點)形式存在，亦可賦存于金、鉛鋅礦床(點)中與之伴生[3]。該區熱液成礦活動強烈，找礦潛力較大，亟需開展區域成礦規律等研究工作，以明確進一步找礦方向。以往黃陵背斜地區開展過很多熱液型礦產研究工作，但主要針對核部的金礦和南緣、東緣沉積蓋層區的鉛鋅礦，而對于沉積蓋層區的重晶石等非金屬礦，研究程度低得多，僅有少量研究人員對其礦化特征、找礦標志等進行了初步探討[3-7]。由于區內重晶石礦的成礦機理、控礦因素等尚不清楚，制約了找礦勘查工作的深入開展。為解決上述問題，本文選取黃陵背斜北緣沉積蓋層區2處代表性礦點，在成礦地質特征分析基礎上，開展主微量元素、S同位素及流體包裹體研究，探討脈狀重晶石的成因，以期對黃陵背斜北緣重晶石礦找礦工作提供依據。

1 區域地質背景

研究區大地構造位置屬上揚子臺坪鄂中褶斷區之黃陵背斜北緣[8](圖1)。黃陵背斜為一軸向NNE的穹隆構造，具典型的“二元結構”，即前震旦系變質基底上覆震旦系—二疊系沉積蓋層，變質基底主要由中太古界—元古界中深變質巖、混合巖和巖漿巖組成，沉積蓋層主要由震旦系—二疊系細碎屑巖、海相碳酸鹽巖組成，地層圍繞黃陵背斜核部由老到新向外呈環形分布。

圖1 區域地質略圖

黃陵背斜北緣的熱液型重晶石礦主要分布于興山縣榛子鄉—保康縣百峰鄉一帶，新華斷裂、遠安西部斷裂與樟村坪斷裂挾持區域的沉積蓋層中，對含礦圍巖具有一定的選擇性，多賦存于寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖中。與上述三條斷裂共軛的次級NW-NNW、NE-NNE、近SN向張性斷裂及裂隙帶也發揮了重要的成礦控制作用，重晶石礦主要呈脈狀產于寒武系—奧陶系地層中發育的斷裂及構造裂隙中，產狀一般與圍巖不一致。重晶石礦一般伴隨發育螢石化、硅化、方解石化等熱液蝕變。區域上存在多個重晶石重砂異常和Ba、F分散流異常[9]，已發現的重晶石礦床(點)多位于重晶石重砂異常與Ba分散流異常套合區域，附近往往也發育F分散流異常。

2 典型礦點地質特征

選擇黃陵背斜北緣具代表性的螞蟥沖重晶石礦點和六沖坪金礦點(含重晶石)進行重點解剖。

2.1 螞蟥沖重晶石礦點

礦區主要出露寒武系芙蓉統—下奧陶統婁山關組、下奧陶統南津關組和紅花園組、下—中奧陶統大灣組、中奧陶統牯牛潭組、中—上奧陶統寶塔組、上奧陶—下志留統龍馬溪組及第四系地層，發育NW、近EW向斷裂(圖2)。其中，婁山關組巖性以淺灰色厚層狀粉晶白云巖為主，南津關組和紅花園組巖性以灰色中—厚層狀生物碎屑灰巖為主，大灣組巖性以灰色薄—中層狀泥質灰巖為主，地層產狀為305°～325°∠8°～12°。重晶石礦主要呈陡傾脈狀充填于婁山關組、南津關組和紅花園組地層的斷裂破碎帶及裂隙中(圖3-a)，從重晶石礦脈產出圍巖的相關性來看，以紅花園組最好，當同一斷裂經過其他地層時，成礦性變差或基本無礦。

圖2 螞蟥沖礦區地質簡圖

礦區內發育3條重晶石礦體，礦體走向NW-NWW，傾向200°～255°，傾角63°～83°，以Ⅱ號礦體規模相對較大。Ⅱ號礦體賦存于NW向斷裂破碎帶中(圖3-b)，含礦圍巖為婁山關組—大灣組地層，走向長750 m，厚0.60～1.79 m，平均厚1.06 m；BaSO4品位96.38%～98.48%，平均品位97.59%。主要礦石類型為含白云巖角礫方解石螢石重晶石礦、含螢石重晶石礦、含方解石重晶石礦、重晶石礦(圖3-c)。礦石具中—巨晶結構，條帶狀、塊狀、角礫狀構造。礦石的礦物成分簡單，以重晶石為主(圖3-d)，含有少量螢石和方解石團塊(條帶)。圍巖蝕變有硅化、螢石化、方解石化等，但蝕變強度微弱，以方解石化較常見，表現為方解石細脈充填、穿插圍巖。

a.重晶石呈陡傾脈狀產于地層的構造裂隙中;b.重晶石礦體野外露頭;c.重晶石礦石手標本;d.重晶石呈梳狀集合體(正交偏光)；Brt.重晶石

2.2 六沖坪金礦點的重晶石

礦區主要出露寒武系第二統石龍洞組、寒武系第三統覃家廟組、寒武系芙蓉統—下奧陶統婁山關組、下奧陶統南津關組和第四系地層(圖4)，發育NE、近SN向斷裂，其中近SN向的六沖坪斷裂是區內金礦體的主要控礦和容礦構造，也控制了重晶石的產出。該斷裂長約5 km，傾向E，傾角84°，為一正斷層，破碎帶一般寬2～5 m，局部可達10 m，切割石龍洞組及以上地層。

1.第四系沖積層；2.南津關組；3.婁山關組；4.覃家廟組；5.石龍洞組；6.整合地質界線；7.角度不整合地質界線；8.實測正斷層；9.性質不明斷層；10.金礦體及編號；11.采樣點

礦區內重晶石有兩種產狀[6]：①作為脈石礦物產于金礦體中;②作為獨立的重晶石脈沿構造裂隙產出(圖5-a、圖5-b)。金礦石主要賦存于斷裂破碎帶中，礦石的礦物成分包括黃鐵礦、白鐵礦、褐鐵礦、金紅石等金屬礦物和白云石、石英、方解石、重晶石、螢石等非金屬礦物(圖5-c)，其中重晶石呈浸染狀及角礫狀分布于金礦石中。沿六沖坪斷裂破碎帶熱液蝕變較發育，可見重晶石脈充填于構造裂隙中，與方解石、螢石共生，重晶石呈半自形粒狀(圖5-d)。在六沖坪斷裂旁側的石龍洞組與覃家廟組接觸界面附近，亦可見重晶石脈分布于順層裂隙中(圖5-b)。

a.六沖坪斷裂帶內發育重晶石脈；b.重晶石脈順層貫入六沖坪斷裂旁側層間裂隙；c.重晶石被方解石和石英膠結(茜素紅染色，正交偏光)；d.半自形粒狀重晶石(正交偏光)；Cal.方解石;Qtz.石英;Brt.重晶石

3 采樣與測試方法

本次研究分別在螞蟥沖、六沖坪礦區采集了2組重晶石礦石樣，開展了主微量元素、S同位素和流體包裹體測試工作。其中螞蟥沖礦點的重晶石(后文稱螞蟥沖重晶石)礦石樣編號MHC，采自Ⅱ號重晶石礦體，圍巖為紅花園組中—厚層狀生物碎屑灰巖，礦物成分以重晶石為主，含少量螢石與方解石。六沖坪礦點的重晶石(后文稱六沖坪重晶石)礦石樣編號為LCP，采自Ⅲ號金礦體旁側的重晶石脈，圍巖為覃家廟組微—細晶白云巖與泥質白云巖，礦物成分以重晶石為主，含少量方解石、石英及褐鐵礦。

將MHC、LCP樣品處理為粉樣送檢，在湖北省地質實驗測試中心(國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心)完成主、微量(稀土)元素測試。主量元素測試采用X射線熒光光譜法，儀器為Shimadzu XRF-1800型；微量(稀土)元素測試采用電感耦合等離子體質譜法，儀器為ThermoFisher X2型。

將MHC、LCP樣品中的重晶石單礦物挑純后，研磨為粉樣送檢，在國土資源部中南礦產資源監督檢測中心完成S同位素測試。S同位素測試采用質譜法，儀器為ThermoFisher MAT253型，δ34S以V-CDT為標準，分析精度優于±0.2‰。

將MHC樣品處理后磨制重晶石流體包裹體測溫片，并挑純部分單礦物顆粒，在國土資源部中南礦產資源監督檢測中心完成流體包裹體顯微觀測、測溫和成分測試。將重晶石流體包裹體測溫片置于顯微冷熱臺中進行顯微觀測和測溫，儀器為Linkam THMSG600型，其溫度測試范圍為-196～600℃，溫度低于或高于0℃時測溫精度分別為±0.2℃、±2℃。流體包裹體的打開采用熱爆法，爆裂溫度為100～550℃，成分測試項目為液相(陽離子、陰離子)和氣相成分，液相陽離子測試采用原子吸收光譜法，儀器為Hitachi Z-2300型；液相陰離子測試采用離子色譜法，儀器為Dionex ICS-3000型；氣相成分測試采用氣相色譜法，儀器為Shimadzu GC-2014C型。

4 討論

4.1 主、微量元素特征

兩礦點重晶石礦石樣的主、微量元素測試結果如表1所示。重晶石礦石的化學成分以BaSO4為主，含量為68.71%～89.56%；其次為CaO，含量為4.01%～4.43%；LCP樣品中含有較多的SiO2(14.29%)，顯著高于MHC樣品(0.09%)，說明六沖坪重晶石礦石中硅質成分較多，與鏡下鑒定含石英的結果相一致；LCP樣品中還含有較多的CO2和燒失量(LOI)，表明六沖坪重晶石礦石中含Ca礦物可能主要為方解石和白云石；礦石中其他成分含量均<1%，且兩礦點差距不大。

表1 重晶石礦石樣主、微量元素測試結果

在微量元素組成上，兩礦點的重晶石礦石具有十分相似的特征(圖6)，Sr、As、Ag、Au、Pb、Tl相對富集，Co、Cr、Ni、V、Th、U相對虧損，說明兩礦點重晶石的形成環境和成因可能相似。礦石中Sr含量較高，為0.163 9%～0.235 8%，是由于Sr2+與Ba2+具有相近的地球化學性質，可以以類質同象方式替代重晶石中的Ba2+。巖(礦)石中V、U在還原環境中相對富集，造成V/Cr、U/Th比值在氧化還原環境中表現出不同的大小，一般在缺氧(還原)環境下V/Cr>4.25、U/Th>1.25，而在貧氧—次氧化環境下V/Cr≤4.25、U/Th≤1.25[10-11]，因此可以用V/Cr、U/Th比值大致判別巖(礦)石的沉積環境。計算可知MHC樣品的V/Cr、U/Th比值分別為0.72、0.78，LCP樣品的V/Cr、U/Th比值分別為0.86、6.67，說明重晶石礦可能主要形成于次氧化—貧氧環境。

圖6 重晶石礦石微量元素原始地幔標準化蛛網圖

在稀土元素組成上，兩礦點的重晶石礦石具有相似的稀土元素分布型式，均為輕稀土富集型(圖7)。重晶石礦石表現為稀土元素總量很低，∑REE=1.75×10-6～6.95×10-6；輕稀土元素相對于重稀土元素略富集，LREE/HREE=3.43～4.29、LaN/YbN=1.93～5.17；具有較顯著的負Ce異常和正Eu異常，δCe=0.47～0.69、δEu=3.90～15.11。在早階段，成礦流體可能為偏酸性還原環境，隨著螢石的沉淀，在晚階段轉變為偏堿性氧化環境，Ce3+氧化為Ce4+而遷出，導致重晶石礦石出現負Ce異常，說明重晶石可能形成于氧化環境下的熱液中。而Eu的顯著正異常可能是ICP-MS測試過程中高Ba含量干擾造成的[12]。

圖7 重晶石礦石稀土元素球粒隕石標準化分布圖

4.2 S同位素特征

S是中低溫熱液礦床中成礦物質搬運的主要載體之一，依靠S同位素組成特征可對成礦物質來源進行有效識別[13-14]。自然界中不同地質體的S同位素組成如圖8所示，地殼中各類巖石的δ34S值差距明顯，其中沉積巖和變質巖具有寬泛的δ34S值變化范圍，如沉積巖為-50‰～40‰、現代沉積物為-50‰～4‰、變質巖為-20‰～20‰[15]。本次測試得到螞蟥沖重晶石和六沖坪重晶石的δ34S值分別為31.32‰、35.13‰，二者均表現出重硫特征，處于沉積巖δ34S值范圍內，與巖漿巖δ34S值差異較大，說明區內重晶石的S來源于沉積地層，與巖漿活動關系不大[16]。兩礦點重晶石δ34S值略高于寒武紀海水硫酸鹽的δ34S值(27‰～32‰[17])，反映形成重晶石的S可能來自地層中的海水硫酸鹽，并經歷了熱化學的硫酸鹽還原作用[18]。

圖8 重晶石δ34S值分布圖(底圖據參考文獻[15])

4.3 成礦流體特征

4.3.1流體包裹體類型

本文對螞蟥沖重晶石的流體包裹體進行顯微觀測、測溫和成分測試。在室溫條件下，流體包裹體數量較多，原生流體包裹體主要呈獨立狀或小群狀分布(圖9)，形態以多邊形、菱形、橢圓形為主，半自形負晶形、長條形、不規則形較少，大小為3～15 μm。原生流體包裹體類型以純液相、富液兩相包裹體為主，兩者數量相當，其中富液兩相包裹體的氣相分數為15%～25%；富氣兩相包裹體較少，氣相分數為80%～95%。次生流體包裹體主要沿重晶石愈合顯微裂隙分布(圖9)，形態以米粒形、不規則形、橢圓形為主，大小為2～20 μm，其類型包括純液相、純氣相、富液兩相包裹體。

圖9 螞蟥沖重晶石的流體包裹體鏡下形態

4.3.2均一溫度、鹽度和密度

本次對富液兩相流體包裹體進行測溫，測得38個流體包裹體的冰點溫度和完全均一溫度，并采用鹽度估算公式[19]計算流體鹽度，采用密度經驗公式[20]計算流體密度。結果顯示，富液兩相流體包裹體可區分為兩組(圖10)：1組冰點溫度為-4.2～-1.2℃，完全均一溫度為148～210℃，流體鹽度為2.07%～6.74% NaCleq，流體密度為0.904～0.960 g/cm3；2組冰點溫度為-13.0～-7.6℃，完全均一溫度為210～310℃，流體鹽度為8.14%～16.89% NaCleq，流體密度為0.848～0.979 g/cm3。六沖坪重晶石的富液兩相包裹體的均一溫度為170～230℃[6]，與螞蟥沖重晶石相近。總體上看，螞蟥沖礦點的成礦流體屬于中低溫(148～310℃)、低鹽度(2.07%～16.89% NaCleq)的流體體系。

圖10 螞蟥沖重晶石的富液兩相包裹體完全均一溫度直方圖

4.3.3成礦壓力和深度

根據螞蟥沖重晶石的富液兩相包裹體的均一溫度和鹽度等參數，采用礦床成礦壓力經驗公式[21]，計算得出該礦點成礦流體被捕獲時的最小壓力為12.8～37.9 MPa。根據地質流體的壓力垂直分帶性特征[22]，計算出該礦點的成礦深度為0.43～1.26 km，表明螞蟥沖礦點成礦時處于淺成環境。

4.3.4流體包裹體成分

螞蟥沖重晶石的流體包裹體成分組成特征見表2。流體包裹體液相成分中，陽離子以Na+、Ca2+為主，Na+含量為1.92×10-6，Ca2+含量為0.84×10-6；陰離子以Cl-、SO42-為主，Cl-含量為3.40×10-6，SO42-含量為4.13×10-6，為Na+·Ca2+-Cl-·SO42-類型水。流體包裹體氣相成分中，以H2O為主，含量為230.56×10-6，占氣相成分的86.9%；其次為CO2，含量為34.81×10-6；無游離氧，幾乎無CO、CH4、H2等。螞蟥沖重晶石的流體包裹體成分組成特征與六沖坪重晶石較為相似[6]。流體包裹體中H2O>CO2、Cl->F-、Ca2+>Mg2+、F-/Cl-比值遠<1，顯示出熱鹵水特征[23-25]。

表2 螞蟥沖重晶石的流體包裹體成分組成表

4.4 成因探討

黃陵背斜北緣沉積蓋層中發育多個(含)重晶石礦床(點)，其主要分布于覃家廟組、婁山關組和奧陶系碳酸鹽巖地層區，以螞蟥沖重晶石礦點和六沖坪金礦點(含重晶石)具有代表性。兩礦點的重晶石礦在成礦地質背景、微量元素及S同位素組成、流體包裹體特征等方面具有相似性，說明兩礦點成因相似。

在時間上，周舟等[7]獲得六沖坪金礦點成礦期方解石的Sm-Nd等時線年齡為(397±11) Ma，間接指示同期重晶石礦可能形成于早—中泥盆世，明顯晚于賦礦地層年齡，可能與揚子地塊北緣加里東晚期伸展作用引起的大規模流體活動有關[7,26]。

在空間上，重晶石礦的斷裂構造控礦作用明顯，和區域上的中低溫熱液型金礦、鉛鋅礦同樣受控于NW-NNW、NE-NNE、近SN向斷裂，后者提供了導礦通道及容礦空間。區內重晶石主要呈脈狀賦存于寒武系—奧陶系地層中的陡傾斷裂破碎帶和裂隙帶中，并伴隨發育不同強度的硅化、螢石化、方解石化等熱液蝕變，顯示出明顯的熱液充填成礦特征。

在物質來源上，通過S同位素分析認為，重晶石中的S具有重硫特征(δ34S=31.32‰～35.13‰)，主要來源于地層中硫酸鹽的活化萃取，表明成礦流體與賦礦圍巖或下伏巖石建造發生了強烈的物質交換過程。重晶石中Au、Ag、As、Hg、Sb、Tl等元素含量明顯高于賦礦圍巖，暗示成礦物質并非來源于就近的賦礦圍巖，而是可能來源于其他層位。區域上寒武系—奧陶系地層中Ba含量較高，是克拉克值的12.9～96.2倍[27]；此外宜昌地區的寒武系富有機質頁巖中普遍富集Ba，全巖Ba含量通常>1 000×10-6[28]，因此寒武系地層具備提供成礦所需Ba的物質基礎。通過螞蟥沖重晶石的流體包裹體分析認為，成礦流體屬于中低溫(148～310℃)、低鹽度(2.07%～16.89% NaCleq)的流體體系，具地下熱鹵水特征，且重晶石形成于淺成環境(估算成礦深度為0.43～1.26 km)。通過六沖坪金礦點成因研究[6]認為，其成礦流體也是中低溫、低鹽度流體，成礦深度淺，水主要來源于大氣降水。因此兩礦點的成礦流體性質可能相似。綜上分析認為，區內重晶石中的Ba主要來源于地下熱鹵水對寒武系地層的萃取，而地下熱鹵水是由大氣降水在巖石建造中長期循環演化而形成的。

通過上述分析認為，在揚子地塊北緣加里東晚期伸展背景下，大氣降水入滲并在地溫增溫作用下演化為地熱水，地熱水在循環過程中不斷溶濾循環路徑上的地層，特別是寒武系地層中的Ba、S等物質，形成中低溫、低鹽度的含礦熱鹵水[29]；在構造動力等作用力驅動下，含礦熱鹵水沿著NW-NNW、NE-NNE、近SN向斷裂向上遷移，最終在地層淺部的斷裂破碎帶和裂隙帶就位，因物化條件改變(還原環境轉變為次氧化—貧氧環境)而形成重晶石礦。因此，該區脈狀重晶石屬賦存于碳酸鹽巖蓋層中的中低溫熱液型重晶石。而且，推測黃陵背斜北緣脈狀重晶石與區內中低溫熱液型金礦、鉛鋅礦具有相同的流體場。

5 結論

(1) 黃陵背斜北緣沉積蓋層中廣泛發育熱液脈狀重晶石，重晶石主要呈脈狀賦存于沉積蓋層中的陡傾斷裂破碎帶和裂隙帶中，伴隨發育不同強度的硅化、螢石化、方解石化等熱液蝕變。

(2) 選取具代表性的螞蟥沖重晶石礦點、六沖坪金礦點(含重晶石)，在成礦地質特征分析基礎上，開展重晶石主微量元素、S同位素和流體包裹體研究，認為成礦流體為大氣降水演化形成的中低溫(148～310℃)、低鹽度(2.07%～16.89% NaCleq)流體，成礦深度較淺(0.43～1.26 km)，Ba、S可能主要來源于流體對寒武系地層等蓋層巖石的溶濾萃取。

(3) 綜合分析認為該區脈狀重晶石屬賦存于碳酸鹽巖蓋層中的中低溫熱液型重晶石。