江新華

中化地質礦山總局地質研究院，河北涿州，072754

桂北地區(qū)硫鐵礦地球化學特征及其意義

江新華*

中化地質礦山總局地質研究院，河北涿州，072754

通過對桂北地區(qū)硫鐵礦的鉛、硫同位素進行計算和分析，認為該區(qū)硫鐵礦的物質是多來源，多成因，多階段演化的結果。推測成礦時代為海西—印支期，以印支期為主；硫源主要來自于同時代沉積的硫酸鹽細菌還原作用；同一礦區(qū)中，鉛、硫同位素組成相似，二者物質來源和成因一致。

桂北地區(qū) 硫鐵礦 鉛、硫同位素 模式年齡 物質來源

廣西環(huán)江、北山—恭城、興安的整個桂北地區(qū)廣泛分布一系列以鉛、鋅、硫鐵礦為主的礦床（點）（圖1），是南嶺地區(qū)重要的硫化物礦床（本文暫統(tǒng)稱為硫鐵礦）產區(qū)之一。其中有些礦床有悠久的勘查和開采歷史，基礎地質及礦床地質研究程度較高，象泗頂鉛鋅礦、北山鉛鋅礦、老廠鉛鋅礦等，但大多數(shù)是針對鉛、鋅礦及多金屬礦的研究，專門對硫鐵礦床的研究，特別是區(qū)域硫鐵礦床物質來源分析方面的研究很少。本次工作對區(qū)內近10處硫鐵礦床（點）踏勘、采樣，通過鉛、硫同位素分析，結合前人已有資料，對區(qū)內硫鐵礦床的物質來源、成礦時代進行分析和推斷。

圖1 桂北地區(qū)硫鐵礦床（點）分布示意圖Fig.1 Distribution sketch map of pyrite deposit in the north of Guangxi

1 硫鐵礦地質背景及概況

本區(qū)處于江南古陸南緣外側的華南加里東褶皺帶，屬多旋回構造運動活動區(qū)。桂北地區(qū)硫鐵礦成礦作用受大地構造、沉積相古地理環(huán)境和斷裂控制，與巖性組合有密切關系。桂北地區(qū)硫鐵礦產出的層位大體相當，一般都產在中泥盆統(tǒng)的東崗嶺組和郁江組地層中，這種受一定層位控制的礦床，涂光熾等稱之為“層控型礦床”【1】。區(qū)內西部地區(qū)硫鐵礦以層狀、似層狀為主，其中伴生有多金屬礦產，增加了該類礦床的工業(yè)價值，同時礦床規(guī)模較大，以北山鉛鋅、硫鐵礦為代表，屬沉積-熱液改造型礦床；東部區(qū)硫鐵礦為充填、交代為主的礦床，品位富，以泗頂?shù)V區(qū)為代表，屬殼源重熔熱水沉積型礦床。

2 鉛同位素地球化學

鉛是放射性元素U、Th衰變系列的最終穩(wěn)定產物，其同位素組成不僅是時間的函數(shù)，而且也和地質構造環(huán)境及成巖、成礦物質的源區(qū)有關，是一種礦床成因、物質來源的良好示蹤劑。硫鐵礦中的微量鉛對于探討礦床的成礦環(huán)境、金屬來源、成礦時代和多階段演化歷史等，提供了最直接的證據(jù)。本次研究，我們測試了硫鐵礦和圍巖（灰?guī)r）中微量鉛同位素樣品21個。加上前人已有的資料，共計11個礦床（點），包括單一的硫鐵礦床和伴生的硫鐵礦床及部分鉛鋅礦，對其鉛同位素測試數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計和分析(表1)。

2.1 變化范圍及其規(guī)律

總的來看，本區(qū)硫鐵礦床鉛同位素組成變化很大，其中206Pb/204Pb為 17.712～19.019，207Pb/204Pb為 15.404～16.361，208Pb/204Pb為37.578～40.127。就單個礦床而言，變化也是明顯的，如古丹土草弄硫鐵礦點，206Pb/204Pb為15.404～16.0361，207Pb/204Pb 為 15.417～15.839，208Pb/204Pb為37.716～39.463。相對說來，蒙嶺礦區(qū)變化稍小，如206Pb/204Pb為 18.052～18.333，207Pb/204Pb為 15.694～15.913，208Pb/204Pb為38.335～38.933。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，本區(qū)鉛同位素有如下變化規(guī)律：

（1）具有明顯的區(qū)域性變化特征，如從西到東，（北山—懷群—泗頂古丹—丁興及蒙嶺），鉛同位素比值有從低到高再降低的趨勢。

（2）同一礦區(qū)，同一礦體中鉛同位素比值也有變化。如土草弄礦點，從礦體底板到礦體頂板鉛同位素比值有增高的趨勢。泗頂?shù)V區(qū)內同一礦體中，放射成因鉛從中部向邊部明顯增高,反映了放射性成因的鉛隨時代變新所占比例越大。

（3）受改造作用控制。后期改造作用明顯的礦石，其鉛同位素比值有增高的趨勢。層狀、似層狀礦體的礦石與脈狀礦體的礦石，其鉛同位素有明顯的差異。如泗頂?shù)V區(qū)，層狀、似層狀、緩傾斜礦體的礦石，放射成因鉛低，變化?。欢拭}狀、陡傾斜礦體的礦石，放射成因鉛不僅高而且變化大。北山礦床晚期改造的礦石也比早期原始沉積的礦石放射成因鉛高。

（4）同一礦區(qū)中，硫鐵礦和伴生的鉛鋅礦中鉛同位素比值變化范圍大體相當，反映了二者物質來源、成礦時代的一致性。

（5）多數(shù)礦床的鉛同位素數(shù)據(jù)在207Pb/204Pb和206Pb/204Pb坐標圖上具線性關系，但斜率均較大，與正常鉛演化曲線只有一個交點，這是時代一致，但μ值（來源）不同的鉛混合的結果，見圖2。

2.2 模式年齡

從表1可以看出，在具有同源及同時形成的條件下，其鉛同位素組成變化不大，多在 1%以內，同時從后面所計算的年齡值來看，用單階段演化模式計算出的年齡均為正值，并基本與其它測齡方法所得結果吻合，其年齡值能很好地反映我們野外所觀察的地質現(xiàn)象。據(jù)此，我們認為除了極少數(shù)鉛同位素為異常鉛，如T-11（推測，因其測量誤差較大），絕大多數(shù)是符合單階段演化模式的正常鉛。

本文利用霍姆斯-豪特曼斯法，計算后查表得了模式年齡。

除個別負值表明不符合單階段演化模式外，大多數(shù)模式年齡在100～700Ma左右。不同礦床有不同的變化范圍，因大多數(shù)礦床都集中在 300～400Ma、400～600Ma和100～200Ma范圍內。幾個典型礦床的計算結果繪于圖 3，從圖上可以看出，北山礦區(qū)及其外圍礦點，變化范圍較寬，介于197～636Ma之間，大部分介于400～500Ma之間，部分樣品具有低的模式年齡值：197～328Ma。一般認為，對于那些年齡值小于10億年的普通鉛模式年齡與其真實地質年齡并不相符，多數(shù)情況下礦石鉛（包括微量鉛）模式年齡都老于礦石沉積時代，因此主要的成礦時代應該反映在那些具最小年齡值的礦石鉛模式年齡上，或比其更年輕些，而那些具較大鉛同位素模式年齡主要指示其來源及源區(qū)特征。據(jù)此推斷，北山礦床礦石鉛所反映的硫化物形成時代為197～328Ma，屬海西晚期—印支期。泗頂—古丹及外圍土草弄硫鐵礦點，其模式年齡介于 107～621Ma之間。泗頂?shù)V田在200～300Ma有一大的峰值，古丹在400～500Ma之間有一峰值，反映泗頂?shù)V床主成礦期受東吳運動及印支運動影響，而古丹及外圍土草弄硫鐵礦點其成礦期除了印支期外，主要還是同沉積時期；老廠及永福幾個硫鐵礦點，其鉛模式年齡介于325～507Ma之間，多數(shù)在 400Ma左右，表明其成礦期應為325Ma，即屬于海西晚期。

2.3 源區(qū)特征值

源區(qū)（鉛同位素演化環(huán)境）特征值是指鉛來源區(qū)的U/Pb、Th/Pb、Th/U比值及相應的同位素比值。通過對這些特征值的對比研究，可以追索鉛的來源。有關礦床的這些參數(shù)見表1。其變化特征見圖4、5。

表1 桂北地區(qū)硫鐵礦床鉛同位素比值及其參數(shù)Table 1 Lead isotope ratio and the parameter of pyrite deposit in the north of Guangxi

圖2 桂北硫鐵礦床（點）鉛同位素組成Fig.2 Isotope composition diagram of pyrite deposit in the north of Guangxi

圖3 桂北地區(qū)某些礦床的鉛模式年齡頻率圖Fig.3 Frequency diagram of lead model age of some deposits in the north of Guangxi

圖4 桂北地區(qū)某些多金屬硫礦床鉛來源區(qū)μ值頻率圖Fig.4 Diagram of lead isotope composition from some multi-metal sulfur deposit in the north of Guangxi

圖5 桂北地區(qū)某些多金屬硫礦床鉛來源區(qū)來源區(qū)K值（Th）ω值（Th/Pb）頻率圖Fig.5（Th/Pb）Frequency diagram of K and ω value of lead source area of some multi-metal sulfur deposits in the north of Guangxi

可見總的變化是明顯的，而且很多礦床的K、W、μ值有兩個或兩個以上的峰值，區(qū)域上，從西到東，μ值，W值呈兩頭低，中間高的趨勢。

2.4 鉛的演化環(huán)境和來源

根據(jù)礦床的鉛同位素組成特征，模式年齡及源區(qū)特征值的計算結果，結合礦區(qū)野外地質觀察和其它同位素證據(jù)，本區(qū)硫化物礦床的鉛等金屬物質的直接來源主要有以下三個方面：

（1）來自與礦床圍巖（泥盆系）同時代的鉛，這種鉛的模式年齡與圍巖時代一致，如老廠、土草弄等礦床的部分鉛。

（2）來自古老基底或下伏較老地層或古陸老地質體中的鉛，這種鉛既可以通過地下熱水的深部循環(huán)而沿基底斷裂上升，也可以由當時的古陸物質通過地表水、海水的搬運而來。并在淋濾搬運和沉淀過程中沒有遭到后期放射成因鉛的污染，仍保持了古老鉛的同位素構成，用這種鉛計算的模式年齡大于主巖（泥盆系地層）的時代，象永福、蒙嶺硫鐵礦礦石中的大部分微量鉛就來自下伏的寒武系。

（3）來自上覆地層或晚期巖漿活動帶來的鉛。泥盆紀以后的某一地質作用時期（印支期、燕山期），由于巖漿活動的影響，鉛隨熱液沿斷裂上升，沉淀至泥盆系中，此種鉛相對富含放射成因組分，其模式年齡比圍巖年輕，象泗頂?shù)V區(qū)的大部分鉛【4】。

成礦物質的最初來源可以分為幔源、殼源及混合來源。鉛同位素（包括硫鐵礦中的微量鉛同位素）是追索其最初來源的示蹤劑和指示劑。

從圖2可以看出，本區(qū)鉛同位素分別落在不同的區(qū)域內。北山、卡馬、老廠鉛同位素數(shù)據(jù)大部分落在上地殼、造山帶，也有落在地幔鉛平均演化曲線附近的。反映為這種以一種正常鉛為主，混合了少量異常鉛的混合鉛-殼?；旌香U。永福地區(qū)幾個硫鐵礦點（蒙嶺、丁興、花嶺），其鉛同位素數(shù)據(jù)主要落在上地殼和造山帶附近，表明有造山帶的構造特征。反應上述礦床屬沉積-熱液改造的某些特點；泗頂-古丹鉛鋅礦床及其外圍土草弄礦點鉛同位素數(shù)據(jù)位于上地殼、造山帶和地幔鉛平均演化曲線附近，表明鉛源區(qū)是以上地殼為主，同時強烈地帶有造山帶的構造特征，代表一種殼幔源的源區(qū)特征。反應了殼源重熔熱水沉積型礦床的特點。

從K、W與μ值的相關圖（圖6）可以看出，桂北地區(qū)幾個典型多金屬硫礦床，其相關圖中都有兩條近于平行的相關直線，顯然有兩組殼?；旌香U來源。泗頂鉛鋅礦床有一組明顯的幔源鉛，北山鉛鋅硫鐵礦床有一組明顯的殼源鉛，古丹、土草弄則表現(xiàn)為兩種來源的鉛差不多。

綜上所述，本區(qū)多金屬硫礦床的鉛從時間演化上看，有1～2億年，3～4億年及大于5億年的鉛；從空間來源上看，有古老地幔鉛，古老上地殼鉛和近代下地殼鉛，以殼源鉛為主；從成因上看，早期的鉛，直接來自寒武紀或古陸上各種地質體。晚期是改造過程中的鉛，由地下深循環(huán)熱水或鹵水搬運，通過基底斷裂來自地殼深部。以北山為代表鉛同位素以正常鉛為主，混合了少量異常鉛的混合鉛-殼幔混合鉛。泗頂-古丹鉛鋅礦床及其外圍礦點鉛同位素是以上地殼為主，同時帶有造山帶的構造特征，代表一種殼幔源的源區(qū)特征。反應兩種礦床類型物質來源上的差別。

3 硫同位素地球化學

前人對區(qū)內多金屬硫化物礦床曾進行廣泛的硫同位素地質研究，積累了大量的資料。本次在前人工作基礎上，進一步研究了典型礦床的硫同位素地球化學特點，獲得了一些新的信息和認識。

圖6 桂北地區(qū)某些多金屬硫礦床W與μ值相關圖Fig.6 Correlation diagram of K、W and μ value of some multi-metal sulfur deposit in the north of Guangxi

3.1 變化范圍及其特點

本次采集不同礦床（點）的硫鐵礦硫同位素樣品21件，分析結果如表2。結果表明，區(qū)內硫鐵礦的硫同位素組成明顯受礦體賦存條件控制，與礦體產狀和礦石結構構造有一定的關系。泗頂—古丹地區(qū)土草弄硫鐵礦的 11個樣品取自斷裂下盤陡傾斜礦體的中、下部，1個樣品取自礦體上部。取自礦體中、下部的 10個樣品其 δ34S（×10-3）值為－6.45～－0.93，上部的一個樣品δ34S值為－34.7×10-3。反映為從底板到頂板，輕同位素32S呈富集趨勢。懷群卡馬水庫礦點的3個樣品均取自北東向斷裂下盤的礦體之中，δ34S（×10-3）值介于+3.11～+6.31之間。兼愛正硐的2個樣品取自震旦系老堡硅質巖與中泥盆統(tǒng)郁江組不整合面之間褐鐵礦-赤鐵礦礦層下部灰綠色軟泥中條帶狀硫鐵礦，其 δ34S值分別為－10.40×10-3～－14.20×10-3。蒙嶺3個樣品，其中2個樣品取自洪積礫石層底部囊狀礦體的鐘乳狀、膠狀結構的硫鐵礦，其 δ34S（×10-3）值為－19.66和－23.57。一個樣品取自斷裂近測硫鐵礦化石英砂巖，δ34S（×10-3）值為－8.82。丁興、花嶺2個樣品均取自層狀礦體之中，其δ34S（×10-3）值分別為－17.97和24.17?？偟膩砜?，直接受斷裂控制的陡傾斜礦體，其 δ34S（×10-3）值變化范圍較窄，介于－8.82～+6.31之間。層狀、囊狀礦體 δ34S（×10-3）值變化范圍較大，達－17.97～－34.7。正硐的2個樣品的δ34S值介于前二者之間。

表2 桂北地區(qū)某些硫鐵礦床（點）的硫同位素結果表Table 2 Sulfur isotope table of some pyrite deposits in the north of Guangxi

3.2 硫源及其成因討論

從 21個樣品的硫同位素組成特點可以看出，陡傾斜礦體硫鐵礦的同位素組成比較均一。土草弄礦區(qū)11個樣品的δ34S值，除1個樣品偏離較大，10個樣品趨近于初始值，并呈現(xiàn)塔式分布（圖7）。卡馬礦點的3個樣品為低的正值。

圖7 土草弄硫鐵礦點硫同位素直方圖Fig.7 Sulfur isotope histogram of Tucaonong pyrite occurrence

據(jù)資料顯示，北山硫同位素組成為【5】：方鉛礦δ34S（×10-3）值－11.52×10-3～＋7.58×10-3，閃鋅礦δ34S（×10-3）值－4.48×10-3～＋9.47×10-3，黃鐵礦δ34S（×10-3）值－7.91×10-3～＋7.66×10-3。其硫源主要是同時代沉積的硫酸鹽經(jīng)細菌還原作用而來。

從區(qū)域資料可以看出【6】，桂北地區(qū)硫鐵礦的硫同位素組成表現(xiàn)為區(qū)域上的相似性，δ34S（×10-3）值總變化范圍均在－10～+10之間，塔式效應顯著，塔峰在零值附近波動。但層狀礦體的δ34S值變化較大，部分礦體上部的δ34S（×10-3）值達－34.7×10-3，明顯富集輕同位素32S。從本區(qū)硫鐵礦的賦存條件、礦體產狀和礦石的結構特點分析，層狀礦體均賦存于富含生物碎屑的中泥盆統(tǒng)之中；礦石以浸染狀礦石為主，硫鐵礦常為微粒自形晶結構和草莓結構。這些特點說明，地層沉積階段生物的生命活動產生的H2S參與了成礦作用，由細菌還原海水中硫酸鹽和生物機體腐敗產生的H2S都具有低的δ34S（×10-3）值，其變化范圍可達－50～－10，H2S與鐵反應生成的硫鐵礦δ34S值也低。硫鐵礦形成以后，由于風化淋濾過程中，硫同位素的分餾作用，導致輕同位素富集，也是造成部分硫鐵礦δ34S值偏低的原因之一。蒙嶺礦區(qū)遭受強烈淋濾的2個膠狀硫鐵礦樣品與未淋濾蝕變的硫鐵礦化石英砂巖（砂質硫鐵礦），其δ34S值存在顯著的差異即是證明。前者相對富集32S，后者相對富集34S。正硐礦區(qū)灰綠色硫化軟泥中的硫鐵礦δ34S值所反映的情況與土草弄、蒙嶺、丁興等地不同。從其產出特點不難看出，硫鐵礦條帶是早期形成的硫鐵礦，在風化淋濾過程中發(fā)生同位素分餾，一部分相對富集32S的H2S與軟泥中鐵質反應，生成硫鐵礦。因此其同位素組成具有一定的繼承性。

桂北地區(qū)硫鐵礦硫同位素組成以輕同位素S32為主，由于同位素分餾作用，使δ34S（×10-3）值變化范圍在－10～+10之間，反映了地層沉積時生物的生命活動及封閉環(huán)境所形成的H2S，對硫鐵礦形成起主要作用。區(qū)內硫鐵礦礦體與斷裂有密切關系，礦石普遍存在硫鐵礦交代生物碎屑現(xiàn)象，可見成巖后期循斷裂帶上升的深源H2S也參與了成礦活動，導致硫鐵礦的δ34S值趨于一致，反映為深源巖漿硫的某些特點。其做為輔助硫源參與成礦活動，使部分礦體的δ34S值偏離初始值。

3.3 硫、鉛同位素變化的相關性

在許多礦床中，硫和鉛同位素變化具有一定的相關性，有的礦床是δ34S值隨放射成因鉛的增加而增加，稱為正相關變化；有的δ34S值隨放射成因鉛的增加而減少，稱為負相關變化。通過對同一礦物中硫、鉛同位素變化相關性的研究，不但可以了解這兩個主要成礦元素來源的異同，而且還可以進一步了解它們是否在同一溶液中搬運。

已測定的泗頂、土草弄等礦床（點）的同位素組成，發(fā)現(xiàn)鉛與硫同位素變化的關系十分密切，兩者呈負相關變化（圖8）。反映了大部分的硫和鉛是由同一種溶液搬運到沉積場所的，分別搬運就不可能有這種明顯的相關性。其同位素組成相似，反映了自它們形成至測定之時基本上處于同一個演化系統(tǒng)中，二者物質來源和成因上是一致的。

圖8 土草弄礦點的Pb、S同位素變化關系圖Fig.8 Pb、S isotope variational relation of Tucaonong ore occurrenve

4 結論

（1）本區(qū)硫鐵礦床的鉛是多來源，多成因，多階段演化的結果。早期直接來自泥盆紀及前泥盆紀主要是寒武紀或古陸上各種地質體。晚期是改造過程中富集的鉛，由地下深循環(huán)熱水或鹵水搬運，通過基底斷裂來自地殼深部。

（2）桂北地區(qū)硫鐵礦礦床硫源主要來自同時代沉積硫酸鹽細菌還原作用，以輕同位素32S為主，由于同位素分餾作用，使δ34S（×10-3）值變化范圍在－10～+10之間。深源巖漿硫做為輔助硫源參與了成礦活動。

（3）同一礦區(qū)中，鉛、硫同位素組成相似，反映了自它們形成至測定之時基本上處于同一個演化系統(tǒng)中，二者物質來源和成因上一致。

（4）從鉛同位素模式年齡，結合區(qū)域成礦地質條件分析，推測成礦時代為海西—印支期，以印支期為主。以北山為代表的礦床成因屬沉積-后期熱液改造礦床；以泗頂為代表的礦床成因屬殼源重熔熱水沉積型礦床。

1 涂光熾. 中國層控礦床地球化學(第二卷)[M]. 北京：地質出版社,1987

2 陳好壽. 南嶺地區(qū)泥盆系層控礦床的鉛同位素特征及來源的初步探討[A].見：南嶺地質礦產文集（1）[C] 北京：地質出版社，1987

3 曾允孚. 廣西泗頂-古丹鉛鋅礦田的地質特征和礦床成因及成礦預測[M]. 成都：四川省高校編輯出版發(fā)行中心，1985

4 張術根. 泗頂-古丹鉛鋅礦田穩(wěn)定同位素地球化學特征[J]. 中南大學學報，1988 ,(13)

5 於崇文. 南嶺地區(qū)區(qū)域地球化學[J].北京：地質出版社，1987

6 郜兆典. 廣西北山式鉛鋅、黃鐵礦床成礦模式及找礦遠景[J]. 南方國土資源，2003，（11）

GEOCHEMISTRY CHARACTERISTICS AND THE SIGNIFICANCE OF PYRITE IN THE NORTH OF GUANGXI

Jiang Xinhua
Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau ,Zhuozhou,Hebei,072754,China

According to the calculation and analysis on the lead and sulphur isotope in pyrite in the north of Guangxi, we found that the matter source of pyrite was formed by the result of multi-source, multi-formation cause and multi-stage.The Metallogenic age is presumed as Hercynian- Indosinian age priority at Indosinian age. The sulfur source is mainly from the sulfate－reducing bacteria which was sedimentated at the same age. The isotope formation of lead and sulfur is similar, and the matter source and formation cause is accordance with each other at the same area.

the north of Guangxi; pyrite, lead and sulphur isotope, model age, matter source

P597.2∶P619.216

：A

：1006-5296（2010）04-0193-08

江新華（1968～），男，地質專業(yè)，高級工程師

2010-03-12；改回日期：2010-04-22