金、银、铅锌矿床同位素特征

据河北省不同幔枝构造区已知50个大中型金、银、钼、铅锌矿床近200件铅同位素统计(表5-10)表明:铅同位素组成，206Pb/204Pb为14.986～17.540，平均为16.471;207Pb/204Pb为15.161～15.480，平均为15.260;208Pb/204Pb为35.683～37.847，平均为36.816。将表中数据(平均值)投点于铅同位素演化曲线图上(图5-3)，可从总体上反映出河北省印支-燕山期内生金银多金属矿床矿质的主体应源自地球深部，并有部分壳源物质加入，具有明显的幔壳混合源特征。只有极少量矿床位于造山带。
表 5-10 冀北地区内生矿床铅同位素统计结果


续表


注:①河北地质三队，河北赤城县黄土梁金矿详查报告，1998;②冶金516队，河北赤城县后沟金矿勘探报告，1991;③王金锁，冀北西部银矿成矿地质条件及找矿方向，1992;④有色普查大队，河北省兴隆县洞子沟矿区详查报告，1996;⑤冶金天津地质研究院，“长城式”金矿成矿规律及成矿远景研究，1998;⑥太行山科研队，太行山构造岩浆带对金属矿的控制研究，1994。

图 5-3 河北省金银多金属矿床铅同位素(平均值)组成

作为对比，分别统计内蒙古、河南、山东75个金银多金属矿的铅同位素特征。其中大兴安岭中段7个矿床11件样品铅同位素测试结果(表5-11)和内蒙古地区23个金银多金属矿床130余件铅同位素结果，其中206Pb/204Pb为15.730～18.930，平均为17.875;207Pb/204Pb为15.260～16.010，平均为15.543;208Pb/204Pb为36.380～39.730，平均为38.036。将所有矿床铅同位素值(平均值)投点于演化图(图5-4)上，可见16个矿床位于地幔和造山带之间，10个矿界于造山带和上地壳之间。这可能是由于内蒙古环带状三层结构，盖层的厚度大的原因，使壳源物质加入的比例更多些，反映在统计数字上矿质的多来源特征，但以地球深部为主。不同矿种略现差异，其中金矿床铅同位素落入地幔演化线者更多些，而银铅锌矿床落入造山带演化线较普遍。
表 5-11 大兴安岭中段及内蒙古金银铅锌矿床铅同位素平均值



图 5-4 大兴安岭中南段铅锌银多金属矿床铅同位素演化图

河南27个金、银多金属矿265件样品铅同位素组成206Pb/204Pb为16.92～18.32，平均为17.483;207Pb/204Pb为15.310～15.650，平均为15.460，208Pb/204Pb为37.260～39.000，平均为38.089(表5-12)。投影在铅同位素演化图(图5-5)上可见，极大部分矿床落点于造山带、地幔和下地壳演化线之间，反映出铅同位素组成稳定，说明矿床的成矿物质来源是稳定的。

图 5-5 河南金银多金属矿床铅同位素(平均值)组成

山东24个金矿床122件样品铅同位素组成(表5-13)中的206Pb/204Pb为16.170～17.750，平均为17.175;207Pb/204Pb为15.160～15.800，平均为15.443，208Pb/204Pb为36.820～38.940，平均为37.752。在铅同位素演化图上(图5-6)投点主要投在地幔和下地壳之间。
表 5-12 河南内生矿床铅同位素统计结果


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图5-6 山东省金银多金属矿床铅同位素(平均值)组成(据 Doe 和 Zartman)

将全部132个金银多金属矿床铅同位素样品进行统计，其206Pb/204Pb为15.341～18.930，平均为17.156;207Pb/204Pb为14.961～16.010，平均15.405，208Pb/204Pb为34.834～39.730，平均为37.562。大多数矿床的206Pb/204Pb界于17.09～18.86，207Pb/204Pb界于15.4～15.62，208Pb/204Pb界于37.70～38.83，均界于赵伦山等(1988)划分地幔至造山带之间。这一基本规律可说明大多数矿床为源自地球深部的基本封闭的单源构造体系，可认为矿质来自地球深部。在铅同位素(平均值)组成图上大多数矿床落点于地幔与下地壳之之间，少数位于造山带至上地壳之间。这种规律说明在成矿物质向上迁移过程中，特别是在地幔热柱-幔枝构造多级演化过程中，当大规模的印支-燕山期岩浆侵入携带矿质上移时不可避免地会有壳源物质混入，导致发生化学成分(包括其同位素)随之变化，从而铸成铅在铅同位素演化曲线图上大多数矿床落在下地壳-地幔演化曲线两侧，少数位于造山带曲线附近这一普遍规律。如果在单个矿床研究中，由于样品较少或取样不当(特别是氧化矿石中选取的硫化物样品)，而不考虑区域成矿特征和多数矿床的同位素特征，就会得出相反的结论。
表 5-13 山东内生矿床铅同位素统计结果

Kaneoka(1985)等将地球上氦和氩储库总结为4种主要类型:大气型(A型)、地壳型(C型)、大洋中脊玄武岩型(MORB型)和地幔羽或热点型(Plume型)。现代大气3He/4He值和40Ar/36Ar值分别为1.4×10-6Ra和295.5，并以此作为标样;地壳型3He/4He值和40Ar/36Ar值分别为2×10-8和1500，与岩石圈中放射性成因的氦、氩相关。MORB型和Plume型与地幔俘获的原始氦、氩组分相关，MORB型代表亏损地幔物质，其3He/4He值和40Ar/36Ar值分别为1.1×10-5≈8Ra和2×104;Plume型含有更多的原始气体成分，代表富集地幔，其氦、氩同位素特征值分别为4×10-5≈29Ra和350。
为了对比大区域氦氩同位素对于成矿物质来源示踪的特点，分别对全国已测试氦氩同位素的资料进行了统计，计有金矿27个，银多金属矿13个，多金属矿8个，稀土矿1个，大洋结壳2处，火山泉3处，及围岩和花岗岩。共计样品171件(表5-17)。固体矿床统计的样品主要为黄铁矿等硫化物矿物，少量石英、白云母、方解石、萤石及稀土矿物。
从表5-17可得出如下规律:
1)产于不同构造部位各矿床的氦同位素组成差别不大，3He/4He含量范围为0.24×10-6～9.39×10-6，平均为3.34×10-6，其中金矿平均值为3.04×10-6，银多金属3.81×10-6，多金属3.61×10-6，表明成矿物质应来自于地球深部，地幔流体参与了成矿作用。大洋结壳成矿过程相对比较简单，其3He/4He比值平均值大于8×10-6;火山泉为3.30×10-6～6.09×10-6。花岗岩为0.001×10-6～0.38×10-6，平均0.10×10-6;矿区外围片麻岩、碳酸盐岩、花岗岩3He/4He值平均值0.001×10-6～1.79×10-6，平均1.00×10-6。
表5-17 中国部分矿床氦气体特征


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注：*为黄铁矿中的3He/4He与空气3He/4He（Ra:空气3He=1.40×10-6）的比值。
2)金银多金属矿的R/Ra值区间为0.007～6.01，平均2.37，其中金矿为2.18，银多金属矿为2.74，多金属矿为2.71;大洋结壳为6.11;火山泉为3.63。相对而言，围岩和花岗岩的R/Ra的平均值则明显低得多，前者为0.95，后者为0.07。
3)从地幔氦比例来看，53个金银多金属矿的值域区间为4.55%～83.06%，平均为29.91%。也即有近1/3的氦是来自地球深部。其中金矿为27.48%，银多金属矿为39.02%，多金属矿为30.26%。大洋结壳和火山泉地幔氦比例明显要高得多，分别为77.73%和46.05%。
4)53个金银多金属矿床40Ar/36Ar分布区间为265.75～2361，平均699.0。明显高于现代大气值(40Ar/36Ar=295.5)。4He与40Ar的衰变母体有相似的半衰期且在岩浆作用期间具有相似的不相容情况，因而3He/4He和40Ar/36Ar比值有很好的相关性。虽然放射成因氩和地幔氩都具有高40Ar/36Ar的特点，因而仅根据较高的40Ar/36Ar值无法区别它们究竟是放射成因氩还是地幔氩，但同时具有高40Ar/36Ar和高含量的3He，则是地幔所特有的。
5)40Ar统计表明，金银多金属矿床、大洋结壳矿床和火山泉40Ar为0.1×10-7～155.15×10-7cm3STP/g，平均为16.75×10-7cm3STP/g，其中46个金银多金属矿床40Ar平均值为13.06×10-7cm3STP/g，剔除4个特高值，平均为5.85，略高于Hart(1979)所得地幔40Ar的上限值3.2×10-6cm3STP/g;4He/40Ar=0.0020～643.86，剔除4个特高值，平均为5.85，亦高于Schwartzman(1973)估计现今地幔的4He/40Ar值(1.36～2.23)。
6)将所有样品的平均值投点于氦同位素浓度图上(图5-9)，可见落点均位于地幔氦附近。反映氦气应以地幔来源为主，并在上升过程中有脱气现象或放射性4He(壳源物质)加入。在3He/4He(R/Ra)-40Ar/36Ar比值图上(图5-10)，可见采自金矿样品中具有较高的3He/4He和40Ar/36Ar比值，而围岩则明显偏低。

图 5-9 中国部分矿床氦同位素浓度图


图5-10中国部分矿床3He/4He(R/Ra)-40Ar/36Ar比值图(据Mao Jingwen2002)

7)大洋结壳和火山泉3He/4He高，被认为是地幔热柱或地幔的产物(叶先仁等，2001;杜建国等，1999;孙如波等，2008)对Fe-Mn结壳稀有气体组成的研究认为，Fe-Mn结壳的稀有气体是地幔柱来源的。金银多金属矿低的稀有气体丰度较低，可能反映了地幔源区较高的脱气程度。本区53个矿床地幔氦比例为4.55～83.06，平均29.91。根据这一估算规律，并结合其他各同位素特征，银铅锌矿床氦氩同位素特征应更接近地幔热柱型。
8)与典型地幔柱型相比，本区3He/4He含量相对偏低的原因，目前较为公认的地幔柱区或热点区的样品多采自于幔源的基性岩浆岩或受深大断裂控制的热泉，这些地质体与金矿床相比，其形成过程相对较简单，受外界“干扰”较少，岩石(或水样)中捕获原始氦氩气体更多些(或保存更好些)，故所测得数据往往较高(n×10-6)。研究发现，除了像白云鄂博、金川、柿竹园等超大型矿床外，在大多数矿床中，直接以幔源热流体形式上侵并成矿的比例一般是较小的，而大量矿质应是搭载于地幔热柱多级演化的某种载体上升，并在不断演化中逐渐成矿。期间不可避免地会加入壳源物质(包括放射性氦、氩气体)，从而造成3He/4He比值的降低。伴随着成矿物质的氦、氩气体在漫长的迁移过程中，不可避免地有部分壳源流体加入，使得所测样品的氦氩同位素值往往界于地壳和地幔之间。因此，与正常岩石相比，较高的3He/4He和R/Ra值在一定程度上反映出地幔热流体参与了成矿过程。
上述4个成矿集中区120余个金银多金属矿床硫、铅、碳、氢、氧、硅、氦及氩同位素组成及其统计规律，充分证明成矿物质总体上确应来源于地球深部，而绝非地壳，也非地幔，更可能是来自于核幔边界，随地幔热柱-幔枝构造多级演化从深部迁移到地球表面，时间上为印支-燕山期为主。此时，中国东部岩石圈的大规模拆沉作用发生，岩石圈变薄，来自软流圈的高热物质直接涌入下地壳，导致大规模花岗质岩浆上侵，正是在这种大环境中，出现了十分壮观又有地域特色的东部中生代大规模成矿作用(毛景文等，1999;华仁民等，1999)。

(一)硫同位素特征

表 3-2 列出了 21 个金银多金属矿床 363 件硫同位素统计值。可见本区矿床硫同位素呈现两组差别明显的数值。一组是主要产于幔枝构造核部的金矿床，如小营盘、东坪等，其值域分布多集中在-6‰～-16‰，是张宣地区金矿硫来源争论最多的矿床; 另一组主要产于幔枝构造边部盖层中的金银多金属矿床，如蔡家营、青羊沟、万全寺等，其值域主要集中在-5‰～5‰，认为其硫源主要源自地球深部。

表 3-2 冀西北金银多金属矿床硫同位素统计

注:①河北地质三队，河北赤城县黄土梁金矿详查报告，1998; ②冶金 516 队，河北赤城县后沟金矿勘探报告，1991; ③李红阳，冀西北银多金属矿化集中区控矿因素矿床类型与成矿预测，1994。

对于贫³⁴S一组矿床，笔者经多年研究，并结合铅、氦、氩同位素特征认为，该区不能单纯凭其硫同位素数值来确定来源，必须深入研究这些矿床所处的地质环境、所发生的地质事件及多种同位素资料。该组矿床多位于幔枝构造核部的水泉沟二长杂岩体内及其近旁，更重要的是该区至少经历过三次以上的、其他金银多金属矿集区少见的大面积碱化作用，可能是导致硫同位素轻化的主要原因。碱化作用不但会引起硫化物的再沉淀，而且会促使这些硫化物富集³²S。如经多位学者研究发现，贫³⁴S的矿床成矿热流体多具偏碱性特征，如东坪金矿pH=6.14～8.62，小营盘pH=7.88～9.37(胡小蝶等，1990)，韩家沟pH=7.26～7.50，后沟pH=6.82～8.58，中山沟pH=6.80～7.81(银剑钊等，1994)。据大本(OhmotoH，1972)研究认为:在250℃时，热液矿床f_O2-pH范围内，每增加一个对数单位的f_O2或一个单位的pH值，即可导致含硫矿物的δ³⁴S值减少20%。王正坤等(1992)根据小营盘及东坪两矿床的矿物组合(包括蚀变带矿物)，确定出了两金矿床矿物的稳定场，并据此推断出小营盘金矿及东坪金矿成矿溶液的δ³⁴S_∑S约为0±3，即成矿溶液的总硫同位素组成近于陨石的³⁴S组成。与这组矿床铅同位素好稀有气体同位素特征吻合。另外研究区主要金矿床的氢、氧同位素分析证明金矿床的成矿溶液中有大量天水加入，可能也是导致硫同位素的“轻化”原因之一。

各矿床中共生硫化物之间的分馏变化总体趋势是δ³⁴S_FeS2＞δ³⁴S_CuFeS2＞δ³⁴S_ZnS＞δ³⁴S_PbS。如小营盘矿区δ³⁴S_FeS2平均为-9.53，δ³⁴S_CuFeS2平均为-10.1%，δ³⁴S_PbS为-12.3;东坪矿区的δ³⁴S_FeS2为-6.68，δ³⁴S_CuFeS2平均为-6.77，δ³⁴S_ZnS平均为-9.53，δ³⁴S_PbS平均为-11.40。这些特征反映了矿物生长顺序基本上是符合晶格能降低的规律的，说明硫同位素的交换已达到平衡。

(二)铅同位素特征

据冀西北幔枝构造区已知成型的21个金、银多金属矿床共147件铅同位素数据统计(表3-3)表明:不论产于何种构造位置，不同矿种原生矿石铅同位素(平均值)十分接近。即²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb=16.31～17.54;²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb=15.13～15.54;²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb=36.22～37.72。反映该地区众多矿床的成矿物质有一个共同的“铅源”。将表3-3中数据平均值投点于铅同位素演化曲线图上(图3-2)，总体上可从反映出冀西北印支-燕山期内生矿床矿质的主体应源自地球深部，并有程度不同的壳源物质加入。

壳源物质的加入可能主要有两个方面:一是金属成矿物质所搭载的有关岩浆岩随幔枝构造活动而上涌的距离，在热流体上侵如此长的距离中不可避免地会有壳源物质加入;二是岩浆侵位的时间，如果侵位时间长，混入的壳源物质可能多一些，反之，则可能少一些。此外，如此大规模的印支-燕山期岩浆侵入所需的空间必然十分巨大，不可能只是将已有的壳源物质简单地向上或侧向推开，而更大的可能是除上顶、外推外还大量吞蚀原有的壳源物质，从而造成铅同位素在铅同位素演化曲线图上大多数矿床落于下地壳-地幔曲线之间，少数位于造山带曲线附近这一普遍规律。对比硫及其他同位素值，一般都不会出现典型幔源特征的数据，大多为过渡型偏幔源特征。

表 3-3 冀西北金银多金属矿铅同位素特征

注:①河北地质三队，河北赤城县黄土梁金矿详查报告，1998; ②冶金 516 队，河北赤城县后沟金矿勘探报告，1991; ③王金锁，冀北西部银矿成矿地质条件及找矿方向，1992。

图 3-2 冀西北金银多金属矿床铅同位素(平均值)组成(据 Zartman 等，1981)

表 3-4 冀西北部分矿床氦气体特征

注:* 为黄铁矿中的3He/4He 与空气3He/4He(Ra:空气3He/4He = 1.39 × 10-6)的比值。

(三)氦、氩同位素特征

1.氦同位素特征

在冀西北幔枝构造区选取代表性的11个矿区36件样品进行氦、氩同位素测试，分析结果如表3-4所列。研究用的黄铁矿和石英为新鲜样品，从而排除了样品中存在宇宙成因³He的可能。样品中形成的流体包裹体基本上可以代表黄铁矿形成时流体的初始同位素值。

表3-4中可见，矿石中黄铁矿的³He/⁴He含量范围为0.93×10^-6～6.9×10^-6，平均3.48×10^-6，比围岩的钾质花岗岩为0.007～0.008高上千倍。较高的³He/⁴He和R/Ra值在一定程度上反映出地幔热流体参与了成矿过程。该区各矿床Ra值都比较高，值域为0.66～6.81，平均为2.50。表明成矿物质应来自于地球深部，地幔流体参与了成矿作用。将该区11个矿床36件样品投点与成矿流体³He/⁴He-⁴⁰Ar/³⁶Ar图解(图3-3)，可见多数落点均位于地幔氦附近。反映氦气应以地幔来源为主，并在上升过程中有脱气现象或放射性⁴He(壳源物质)加入。

计算求得张宣地区金、银多金属矿成矿流体中地幔流体参与成矿作用的比例为3.5%～86.10%，平均为31.48%。而成矿流体中较低的³He比例也同样说明了地壳来源的流体占相当的比例。

图 3-3 张宣地区金、银多金属矿成矿流体³He/⁴He-⁴⁰Ar/³⁶Ar图解

表 3-5 冀西北地区部分矿床氩气体特征

2.氩同位素分析结果及其地球化学特征

研究矿床的氩同位素分析结果见表3-5。其中⁴⁰Ar/³⁶Ar=426～2073，平均579.52，为大气⁴⁰Ar/³⁶Ar(295.5)的近2倍;⁴⁰Ar/³⁸Ar=1601～11197;³⁶Ar/³⁸Ar=5.2～5.5;⁴⁰Ar=0.10×10^-7～33.83×10^-7cm³STP/g，平均10.63×10^-7cm³STP/g，高于Hart(1979)所得地幔⁴⁰Ar的上限3.2×10^-6cm³STP/g;⁴He/⁴⁰Ar=0.3～91.26，平均值为0.78，与Schw-artzman(1973)估计现今地幔的⁴He/⁴⁰Ar比值为1.36～2.23相近。因此，河北金矿黄铁矿中⁴He/⁴⁰Ar比值低，应表明有来自地球深部气体组分的加入。在³He/⁴He(R/Ra)-⁴⁰Ar/³⁶Ar比值图上(图3-4)可见，采自金矿样品中具有较高的³He/⁴He和⁴⁰Ar/³⁶Ar比值，而围岩则明显偏低。

图3-4 张宣地区金、银多金属矿成矿流体³He/⁴He-⁴⁰Ar/⁴He图解

冀西北矿床成矿流体的He-Ar同位素体系反映出成矿作用与地幔流体活动的内在联系，这一结论可以较好地与成矿地球化学及其其他同位素资料相印证。清楚地表明冀西北矿床的成矿流体和部分成矿物质主要来自地幔，而且与地壳物质交换的程度不十分强烈。

(四)成矿热流体的来源

1.氢、氧、碳同位素特征

在研究区内，据已公布和实测的16个矿床80余个样品统计平均值(表3-6)可见，δ¹⁸O_SMOW4.9～18.77，δ¹⁸O_H2O-1.45～7.31，δD_SMOW-109.5～-80.5，极大部分接近正常岩浆水区间。将14个矿床氢氧同位素平均值投点于δD-δO_H2O图解上(图3-5)大部分点落在岩浆水区间的附近(左下方)，而远离雨水线，很少落入变质水区间，表明冀西北矿床成矿热液来源应以岩浆水为主，兼有部分其他来源的水加入。

7个矿床碳同位素(δ¹³C_BO)平均值为-6～-2.49，与Deines等(1973)总结的世界各地岩浆成因碳酸盐δ¹³C_BO平均值(-5.1±1.4)相近，且分布范围窄。表明冀西北地区各矿床成矿热液中的碳属于岩浆型碳，并且具有深源成因特征。这一特征亦与其他同位素测试结果相吻合。

2.硅同位素

硅是地壳中分布最广的元素之一，硅同位素无疑是解决各类岩石、矿床成因，探讨硅质来源的重要手段。现代海底黑烟囱马里亚那海槽23件现代海底喷气沉积硅质物———海底热液黑烟囱的δ³⁰Si=-0.4～3.1，平均为-1.6(吴世迎，1992)。

表 3-6 冀北地区内生矿床氧、氢、碳同位素测定结果

注:括号内数字为样品数。①王金锁，冀北西部银矿成矿地质条件及找矿方向，1992。

图 3-5 冀西北部分金、银多金属矿床 δD-δ¹⁸O 组成图

运用硅同位素探讨成矿物质来源目前还处于起步阶段。已取得的硅同位素资料(表3-7)表明，7 个矿床含矿石英脉中 22 件石英样品及地层和岩浆岩 5 件中石英及全岩样品的³⁰Si 同位素组成分别为，含矿石英脉为-0.2‰～0.3‰，平均为-0.05‰; 岩浆岩值域为-0.3‰～0.4‰，平均0.05‰。二者变化不大，且与水泉沟杂岩体较为接近，暗示其硅质来源具有一定的相似性，表明中酸性岩浆活动确有可能提供一定数量的硅。而太古宙片麻岩(³⁰Si=0.6)差别较大。

表 3-7 冀北地区部分金、多金属矿床硅同位素特征

根据前述硫、铅、氢、氧、氦、氩、硅同位素特征及成矿年龄测定，表明冀西北地区众多金、银多金属矿床成矿物质来源应源自地球深部，很可能是发端于核幔边界的D″层。当该处受到热扰动、温压条件及天文等内外因素共同作用时，就会导致原本应在地核聚集的金银多金属等重金属元素伴随着地幔热柱作用上升。其时，金银等重金属元素处于超高温、高压状态下，应以气体状态弥散在地幔热柱之中。

进入燕山运动时期，华北地区进入了强烈的地幔热柱多级演化阶段。河淮地幔亚热柱上升至岩石圈底部受阻而呈伞状向外拆离滑脱，由于河淮地幔热柱的热减薄作用，华北断陷逐渐形成，与此同时，崇礼-赤诚断裂带的深切，使原本具有熔融性质的地幔软片减压释荷形成深熔岩浆，并熔融部分围岩构成线状岩浆房，尤其在有横向断裂交汇的部位构成通道，成为岩浆活动的良好场所，表现为强烈的构造岩浆带。岩浆活动导致地块整体上隆，变质岩系呈揭顶式隆起，外围盖层则大幅度正向拆离滑脱，形成典型的幔枝构造。水泉沟杂岩体的不断活动并带来多次的碱质，沟通了深部矿源，并在燕山期花岗质岩浆活动带及其围岩的拆离带和盖层中形成众多的金、银矿床。本区幔枝构造的核心的印支-燕山期花岗质岩浆作用及大规模的碱质蚀变，形成水泉沟碱质杂岩体。因为只有这种大规模的地质作用才能带来如此大量的金银铅锌。从多数资料证明本区燕山期花岗质岩浆具幔源或壳幔源特征及本身含金量明显高、成岩与成矿时间的一致性等可以得到证实。