周 舟， 聶開紅， 盧金祥， 雷 靂， 邱 鳳， 楊 朋

(湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊，湖北 宜昌 443100)

鄂西黃陵背斜及周緣廣泛發(fā)育磷、鐵、石墨、銀釩、金、鉛鋅、重晶石等礦產(chǎn)[1-2]，是湖北省重要的找礦勘查目標區(qū)。經(jīng)前人工作在黃陵背斜北緣沉積蓋層區(qū)發(fā)現(xiàn)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(qū)熱液成礦活動強烈，找礦潛力較大，亟需開展區(qū)域成礦規(guī)律等研究工作，以明確進一步找礦方向。以往黃陵背斜地區(qū)開展過很多熱液型礦產(chǎn)研究工作，但主要針對核部的金礦和南緣、東緣沉積蓋層區(qū)的鉛鋅礦，而對于沉積蓋層區(qū)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(qū)內(nèi)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(qū)2處代表性礦點，在成礦地質(zhì)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(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置屬上揚子臺坪鄂中褶斷區(qū)之黃陵背斜北緣[8](圖1)。黃陵背斜為一軸向NNE的穹隆構(gòu)造，具典型的“二元結(jié)構(gòu)”，即前震旦系變質(zhì)基底上覆震旦系—二疊系沉積蓋層，變質(zhì)基底主要由中太古界—元古界中深變質(zhì)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(huán)形分布。

圖1 區(qū)域地質(zhì)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(xiāng)—?？悼h百峰鄉(xiāng)一帶，新華斷裂、遠安西部斷裂與樟村坪斷裂挾持區(qū)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(fā)揮了重要的成礦控制作用，重晶石礦主要呈脈狀產(chǎn)于寒武系—奧陶系地層中發(fā)育的斷裂及構(gòu)造裂隙中，產(chǎn)狀一般與圍巖不一致。重晶石礦一般伴隨發(fā)育螢石化、硅化、方解石化等熱液蝕變。區(qū)域上存在多個重晶石重砂異常和Ba、F分散流異常[9]，已發(fā)現(xiàn)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(qū)域，附近往往也發(fā)育F分散流異常。

2 典型礦點地質(zhì)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(qū)主要出露寒武系芙蓉統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)婁山關組、下奧陶統(tǒng)南津關組和紅花園組、下—中奧陶統(tǒng)大灣組、中奧陶統(tǒng)牯牛潭組、中—上奧陶統(tǒng)寶塔組、上奧陶—下志留統(tǒng)龍馬溪組及第四系地層，發(fā)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?guī)r為主，大灣組巖性以灰色薄—中層狀泥質(zhì)灰?guī)r為主，地層產(chǎn)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(chǎn)出圍巖的相關性來看，以紅花園組最好，當同一斷裂經(jīng)過其他地層時，成礦性變差或基本無礦。

圖2 螞蟥沖礦區(qū)地質(zhì)簡圖

礦區(qū)內(nèi)發(fā)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(guī)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(jié)構(gòu)，條帶狀、塊狀、角礫狀構(gòu)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(xiàn)為方解石細脈充填、穿插圍巖。

a.重晶石呈陡傾脈狀產(chǎn)于地層的構(gòu)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(qū)主要出露寒武系第二統(tǒng)石龍洞組、寒武系第三統(tǒng)覃家廟組、寒武系芙蓉統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)婁山關組、下奧陶統(tǒng)南津關組和第四系地層(圖4)，發(fā)育NE、近SN向斷裂，其中近SN向的六沖坪斷裂是區(qū)內(nèi)金礦體的主要控礦和容礦構(gòu)造，也控制了重晶石的產(chǎn)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(zhì)界線；7.角度不整合地質(zhì)界線；8.實測正斷層；9.性質(zhì)不明斷層；10.金礦體及編號；11.采樣點

礦區(qū)內(nèi)重晶石有兩種產(chǎn)狀[6]：①作為脈石礦物產(chǎn)于金礦體中;②作為獨立的重晶石脈沿構(gòu)造裂隙產(chǎn)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(fā)育，可見重晶石脈充填于構(gòu)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(cè)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(nèi)發(fā)育重晶石脈；b.重晶石脈順層貫入六沖坪斷裂旁側(cè)層間裂隙；c.重晶石被方解石和石英膠結(jié)(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(qū)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?guī)r，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(cè)的重晶石脈，圍巖為覃家廟組微—細晶白云巖與泥質(zhì)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(zhì)實驗測試中心(國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)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(zhì)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(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成S同位素測試。S同位素測試采用質(zhì)譜法，儀器為ThermoFisher MAT253型，δ34S以V-CDT為標準，分析精度優(yōu)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(chǎn)資源監(jiān)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(jié)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(zhì)成分較多，與鏡下鑒定含石英的結(jié)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(jié)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(huán)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(zhì)，可以以類質(zhì)同象方式替代重晶石中的Ba2+。巖(礦)石中V、U在還原環(huán)境中相對富集，造成V/Cr、U/Th比值在氧化還原環(huán)境中表現(xiàn)出不同的大小，一般在缺氧(還原)環(huán)境下V/Cr>4.25、U/Th>1.25，而在貧氧—次氧化環(huán)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(huán)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(huán)境。

圖6 重晶石礦石微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)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(xiàn)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(huán)境，隨著螢石的沉淀，在晚階段轉(zhuǎn)變?yōu)槠珘A性氧化環(huán)境，Ce3+氧化為Ce4+而遷出，導致重晶石礦石出現(xiàn)負Ce異常，說明重晶石可能形成于氧化環(huán)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(zhì)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(zhì)來源進行有效識別[13-14]。自然界中不同地質(zhì)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(zhì)巖具有寬泛的δ34S值變化范圍，如沉積巖為-50‰～40‰、現(xiàn)代沉積物為-50‰～4‰、變質(zhì)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(xiàn)出重硫特征，處于沉積巖δ34S值范圍內(nèi)，與巖漿巖δ34S值差異較大，說明區(qū)內(nèi)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(jīng)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(jù)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(shù)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(tài)以多邊形、菱形、橢圓形為主，半自形負晶形、長條形、不規(guī)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(shù)量相當，其中富液兩相包裹體的氣相分數(shù)為15%～25%；富氣兩相包裹體較少，氣相分數(shù)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(tài)以米粒形、不規(guī)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(tài)

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(jīng)驗公式[20]計算流體密度。結(jié)果顯示，富液兩相流體包裹體可區(qū)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?？傮w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(jù)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(shù)，采用礦床成礦壓力經(jīng)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(jù)地質(zhì)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(huán)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(fā)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(qū)，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(zhì)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(guī)模流體活動有關[7,26]。

在空間上，重晶石礦的斷裂構(gòu)造控礦作用明顯，和區(qū)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(qū)內(nèi)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(fā)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(zhì)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(fā)生了強烈的物質(zhì)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(zhì)并非來源于就近的賦礦圍巖，而是可能來源于其他層位。區(qū)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(qū)的寒武系富有機質(zhì)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(zhì)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(huán)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(zhì)可能相似。綜上分析認為，區(qū)內(nèi)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(huán)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(huán)過程中不斷溶濾循環(huán)路徑上的地層，特別是寒武系地層中的Ba、S等物質(zhì)，形成中低溫、低鹽度的含礦熱鹵水[29]；在構(gòu)造動力等作用力驅(qū)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(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榇窝趸氀醐h(huán)境)而形成重晶石礦。因此，該區(qū)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(qū)內(nèi)中低溫熱液型金礦、鉛鋅礦具有相同的流體場。

5 結(jié)論

(1) 黃陵背斜北緣沉積蓋層中廣泛發(fā)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(fā)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(zhì)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(qū)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。