桂北地区硫铁矿地球化学特征及其意义

江新华

中化地质矿山总局地质研究院，河北涿州，072754

桂北地区硫铁矿地球化学特征及其意义

江新华*

中化地质矿山总局地质研究院，河北涿州，072754

通过对桂北地区硫铁矿的铅、硫同位素进行计算和分析，认为该区硫铁矿的物质是多来源，多成因，多阶段演化的结果。推测成矿时代为海西—印支期，以印支期为主；硫源主要来自于同时代沉积的硫酸盐细菌还原作用；同一矿区中，铅、硫同位素组成相似，二者物质来源和成因一致。

桂北地区 硫铁矿 铅、硫同位素 模式年龄 物质来源

广西环江、北山—恭城、兴安的整个桂北地区广泛分布一系列以铅、锌、硫铁矿为主的矿床（点）（图1），是南岭地区重要的硫化物矿床（本文暂统称为硫铁矿）产区之一。其中有些矿床有悠久的勘查和开采历史，基础地质及矿床地质研究程度较高，象泗顶铅锌矿、北山铅锌矿、老厂铅锌矿等，但大多数是针对铅、锌矿及多金属矿的研究，专门对硫铁矿床的研究，特别是区域硫铁矿床物质来源分析方面的研究很少。本次工作对区内近10处硫铁矿床（点）踏勘、采样，通过铅、硫同位素分析，结合前人已有资料，对区内硫铁矿床的物质来源、成矿时代进行分析和推断。

图1 桂北地区硫铁矿床（点）分布示意图Fig.1 Distribution sketch map of pyrite deposit in the north of Guangxi

1 硫铁矿地质背景及概况

本区处于江南古陆南缘外侧的华南加里东褶皱带，属多旋回构造运动活动区。桂北地区硫铁矿成矿作用受大地构造、沉积相古地理环境和断裂控制，与岩性组合有密切关系。桂北地区硫铁矿产出的层位大体相当，一般都产在中泥盆统的东岗岭组和郁江组地层中，这种受一定层位控制的矿床，涂光炽等称之为“层控型矿床”【1】。区内西部地区硫铁矿以层状、似层状为主，其中伴生有多金属矿产，增加了该类矿床的工业价值，同时矿床规模较大，以北山铅锌、硫铁矿为代表，属沉积-热液改造型矿床；东部区硫铁矿为充填、交代为主的矿床，品位富，以泗顶矿区为代表，属壳源重熔热水沉积型矿床。

2 铅同位素地球化学

铅是放射性元素U、Th衰变系列的最终稳定产物，其同位素组成不仅是时间的函数，而且也和地质构造环境及成岩、成矿物质的源区有关，是一种矿床成因、物质来源的良好示踪剂。硫铁矿中的微量铅对于探讨矿床的成矿环境、金属来源、成矿时代和多阶段演化历史等，提供了最直接的证据。本次研究，我们测试了硫铁矿和围岩（灰岩）中微量铅同位素样品21个。加上前人已有的资料，共计11个矿床（点），包括单一的硫铁矿床和伴生的硫铁矿床及部分铅锌矿，对其铅同位素测试数据进行了统计和分析(表1)。

2.1 变化范围及其规律

总的来看，本区硫铁矿床铅同位素组成变化很大，其中206Pb/204Pb为 17.712～19.019，207Pb/204Pb为 15.404～16.361，208Pb/204Pb为37.578～40.127。就单个矿床而言，变化也是明显的，如古丹土草弄硫铁矿点，206Pb/204Pb为15.404～16.0361，207Pb/204Pb 为 15.417～15.839，208Pb/204Pb为37.716～39.463。相对说来，蒙岭矿区变化稍小，如206Pb/204Pb为 18.052～18.333，207Pb/204Pb为 15.694～15.913，208Pb/204Pb为38.335～38.933。

从表1中数据可以看出，本区铅同位素有如下变化规律：

（1）具有明显的区域性变化特征，如从西到东，（北山—怀群—泗顶古丹—丁兴及蒙岭），铅同位素比值有从低到高再降低的趋势。

（2）同一矿区，同一矿体中铅同位素比值也有变化。如土草弄矿点，从矿体底板到矿体顶板铅同位素比值有增高的趋势。泗顶矿区内同一矿体中，放射成因铅从中部向边部明显增高,反映了放射性成因的铅随时代变新所占比例越大。

（3）受改造作用控制。后期改造作用明显的矿石，其铅同位素比值有增高的趋势。层状、似层状矿体的矿石与脉状矿体的矿石，其铅同位素有明显的差异。如泗顶矿区，层状、似层状、缓倾斜矿体的矿石，放射成因铅低，变化小；而呈脉状、陡倾斜矿体的矿石，放射成因铅不仅高而且变化大。北山矿床晚期改造的矿石也比早期原始沉积的矿石放射成因铅高。

（4）同一矿区中，硫铁矿和伴生的铅锌矿中铅同位素比值变化范围大体相当，反映了二者物质来源、成矿时代的一致性。

（5）多数矿床的铅同位素数据在207Pb/204Pb和206Pb/204Pb坐标图上具线性关系，但斜率均较大，与正常铅演化曲线只有一个交点，这是时代一致，但μ值（来源）不同的铅混合的结果，见图2。

2.2 模式年龄

从表1可以看出，在具有同源及同时形成的条件下，其铅同位素组成变化不大，多在 1%以内，同时从后面所计算的年龄值来看，用单阶段演化模式计算出的年龄均为正值，并基本与其它测龄方法所得结果吻合，其年龄值能很好地反映我们野外所观察的地质现象。据此，我们认为除了极少数铅同位素为异常铅，如T-11（推测，因其测量误差较大），绝大多数是符合单阶段演化模式的正常铅。

本文利用霍姆斯-豪特曼斯法，计算后查表得了模式年龄。

除个别负值表明不符合单阶段演化模式外，大多数模式年龄在100～700Ma左右。不同矿床有不同的变化范围，因大多数矿床都集中在 300～400Ma、400～600Ma和100～200Ma范围内。几个典型矿床的计算结果绘于图 3，从图上可以看出，北山矿区及其外围矿点，变化范围较宽，介于197～636Ma之间，大部分介于400～500Ma之间，部分样品具有低的模式年龄值：197～328Ma。一般认为，对于那些年龄值小于10亿年的普通铅模式年龄与其真实地质年龄并不相符，多数情况下矿石铅（包括微量铅）模式年龄都老于矿石沉积时代，因此主要的成矿时代应该反映在那些具最小年龄值的矿石铅模式年龄上，或比其更年轻些，而那些具较大铅同位素模式年龄主要指示其来源及源区特征。据此推断，北山矿床矿石铅所反映的硫化物形成时代为197～328Ma，属海西晚期—印支期。泗顶—古丹及外围土草弄硫铁矿点，其模式年龄介于 107～621Ma之间。泗顶矿田在200～300Ma有一大的峰值，古丹在400～500Ma之间有一峰值，反映泗顶矿床主成矿期受东吴运动及印支运动影响，而古丹及外围土草弄硫铁矿点其成矿期除了印支期外，主要还是同沉积时期；老厂及永福几个硫铁矿点，其铅模式年龄介于325～507Ma之间，多数在 400Ma左右，表明其成矿期应为325Ma，即属于海西晚期。

2.3 源区特征值

源区（铅同位素演化环境）特征值是指铅来源区的U/Pb、Th/Pb、Th/U比值及相应的同位素比值。通过对这些特征值的对比研究，可以追索铅的来源。有关矿床的这些参数见表1。其变化特征见图4、5。

表1 桂北地区硫铁矿床铅同位素比值及其参数Table 1 Lead isotope ratio and the parameter of pyrite deposit in the north of Guangxi

图2 桂北硫铁矿床（点）铅同位素组成Fig.2 Isotope composition diagram of pyrite deposit in the north of Guangxi

图3 桂北地区某些矿床的铅模式年龄频率图Fig.3 Frequency diagram of lead model age of some deposits in the north of Guangxi

图4 桂北地区某些多金属硫矿床铅来源区μ值频率图Fig.4 Diagram of lead isotope composition from some multi-metal sulfur deposit in the north of Guangxi

图5 桂北地区某些多金属硫矿床铅来源区来源区K值（Th）ω值（Th/Pb）频率图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

可见总的变化是明显的，而且很多矿床的K、W、μ值有两个或两个以上的峰值，区域上，从西到东，μ值，W值呈两头低，中间高的趋势。

2.4 铅的演化环境和来源

根据矿床的铅同位素组成特征，模式年龄及源区特征值的计算结果，结合矿区野外地质观察和其它同位素证据，本区硫化物矿床的铅等金属物质的直接来源主要有以下三个方面：

（1）来自与矿床围岩（泥盆系）同时代的铅，这种铅的模式年龄与围岩时代一致，如老厂、土草弄等矿床的部分铅。

（2）来自古老基底或下伏较老地层或古陆老地质体中的铅，这种铅既可以通过地下热水的深部循环而沿基底断裂上升，也可以由当时的古陆物质通过地表水、海水的搬运而来。并在淋滤搬运和沉淀过程中没有遭到后期放射成因铅的污染，仍保持了古老铅的同位素构成，用这种铅计算的模式年龄大于主岩（泥盆系地层）的时代，象永福、蒙岭硫铁矿矿石中的大部分微量铅就来自下伏的寒武系。

（3）来自上覆地层或晚期岩浆活动带来的铅。泥盆纪以后的某一地质作用时期（印支期、燕山期），由于岩浆活动的影响，铅随热液沿断裂上升，沉淀至泥盆系中，此种铅相对富含放射成因组分，其模式年龄比围岩年轻，象泗顶矿区的大部分铅【4】。

成矿物质的最初来源可以分为幔源、壳源及混合来源。铅同位素（包括硫铁矿中的微量铅同位素）是追索其最初来源的示踪剂和指示剂。

从图2可以看出，本区铅同位素分别落在不同的区域内。北山、卡马、老厂铅同位素数据大部分落在上地壳、造山带，也有落在地幔铅平均演化曲线附近的。反映为这种以一种正常铅为主，混合了少量异常铅的混合铅-壳幔混合铅。永福地区几个硫铁矿点（蒙岭、丁兴、花岭），其铅同位素数据主要落在上地壳和造山带附近，表明有造山带的构造特征。反应上述矿床属沉积-热液改造的某些特点；泗顶-古丹铅锌矿床及其外围土草弄矿点铅同位素数据位于上地壳、造山带和地幔铅平均演化曲线附近，表明铅源区是以上地壳为主，同时强烈地带有造山带的构造特征，代表一种壳幔源的源区特征。反应了壳源重熔热水沉积型矿床的特点。

从K、W与μ值的相关图（图6）可以看出，桂北地区几个典型多金属硫矿床，其相关图中都有两条近于平行的相关直线，显然有两组壳幔混合铅来源。泗顶铅锌矿床有一组明显的幔源铅，北山铅锌硫铁矿床有一组明显的壳源铅，古丹、土草弄则表现为两种来源的铅差不多。

综上所述，本区多金属硫矿床的铅从时间演化上看，有1～2亿年，3～4亿年及大于5亿年的铅；从空间来源上看，有古老地幔铅，古老上地壳铅和近代下地壳铅，以壳源铅为主；从成因上看，早期的铅，直接来自寒武纪或古陆上各种地质体。晚期是改造过程中的铅，由地下深循环热水或卤水搬运，通过基底断裂来自地壳深部。以北山为代表铅同位素以正常铅为主，混合了少量异常铅的混合铅-壳幔混合铅。泗顶-古丹铅锌矿床及其外围矿点铅同位素是以上地壳为主，同时带有造山带的构造特征，代表一种壳幔源的源区特征。反应两种矿床类型物质来源上的差别。

3 硫同位素地球化学

前人对区内多金属硫化物矿床曾进行广泛的硫同位素地质研究，积累了大量的资料。本次在前人工作基础上，进一步研究了典型矿床的硫同位素地球化学特点，获得了一些新的信息和认识。

图6 桂北地区某些多金属硫矿床W与µ值相关图Fig.6 Correlation diagram of K、W and µ value of some multi-metal sulfur deposit in the north of Guangxi

3.1 变化范围及其特点

本次采集不同矿床（点）的硫铁矿硫同位素样品21件，分析结果如表2。结果表明，区内硫铁矿的硫同位素组成明显受矿体赋存条件控制，与矿体产状和矿石结构构造有一定的关系。泗顶—古丹地区土草弄硫铁矿的 11个样品取自断裂下盘陡倾斜矿体的中、下部，1个样品取自矿体上部。取自矿体中、下部的 10个样品其 δ34S（×10-3）值为－6.45～－0.93，上部的一个样品δ34S值为－34.7×10-3。反映为从底板到顶板，轻同位素32S呈富集趋势。怀群卡马水库矿点的3个样品均取自北东向断裂下盘的矿体之中，δ34S（×10-3）值介于+3.11～+6.31之间。兼爱正硐的2个样品取自震旦系老堡硅质岩与中泥盆统郁江组不整合面之间褐铁矿-赤铁矿矿层下部灰绿色软泥中条带状硫铁矿，其 δ34S值分别为－10.40×10-3～－14.20×10-3。蒙岭3个样品，其中2个样品取自洪积砾石层底部囊状矿体的钟乳状、胶状结构的硫铁矿，其 δ34S（×10-3）值为－19.66和－23.57。一个样品取自断裂近测硫铁矿化石英砂岩，δ34S（×10-3）值为－8.82。丁兴、花岭2个样品均取自层状矿体之中，其δ34S（×10-3）值分别为－17.97和24.17。总的来看，直接受断裂控制的陡倾斜矿体，其 δ34S（×10-3）值变化范围较窄，介于－8.82～+6.31之间。层状、囊状矿体 δ34S（×10-3）值变化范围较大，达－17.97～－34.7。正硐的2个样品的δ34S值介于前二者之间。

表2 桂北地区某些硫铁矿床（点）的硫同位素结果表Table 2 Sulfur isotope table of some pyrite deposits in the north of Guangxi

3.2 硫源及其成因讨论

从 21个样品的硫同位素组成特点可以看出，陡倾斜矿体硫铁矿的同位素组成比较均一。土草弄矿区11个样品的δ34S值，除1个样品偏离较大，10个样品趋近于初始值，并呈现塔式分布（图7）。卡马矿点的3个样品为低的正值。

图7 土草弄硫铁矿点硫同位素直方图Fig.7 Sulfur isotope histogram of Tucaonong pyrite occurrence

据资料显示，北山硫同位素组成为【5】：方铅矿δ34S（×10-3）值－11.52×10-3～＋7.58×10-3，闪锌矿δ34S（×10-3）值－4.48×10-3～＋9.47×10-3，黄铁矿δ34S（×10-3）值－7.91×10-3～＋7.66×10-3。其硫源主要是同时代沉积的硫酸盐经细菌还原作用而来。

从区域资料可以看出【6】，桂北地区硫铁矿的硫同位素组成表现为区域上的相似性，δ34S（×10-3）值总变化范围均在－10～+10之间，塔式效应显著，塔峰在零值附近波动。但层状矿体的δ34S值变化较大，部分矿体上部的δ34S（×10-3）值达－34.7×10-3，明显富集轻同位素32S。从本区硫铁矿的赋存条件、矿体产状和矿石的结构特点分析，层状矿体均赋存于富含生物碎屑的中泥盆统之中；矿石以浸染状矿石为主，硫铁矿常为微粒自形晶结构和草莓结构。这些特点说明，地层沉积阶段生物的生命活动产生的H2S参与了成矿作用，由细菌还原海水中硫酸盐和生物机体腐败产生的H2S都具有低的δ34S（×10-3）值，其变化范围可达－50～－10，H2S与铁反应生成的硫铁矿δ34S值也低。硫铁矿形成以后，由于风化淋滤过程中，硫同位素的分馏作用，导致轻同位素富集，也是造成部分硫铁矿δ34S值偏低的原因之一。蒙岭矿区遭受强烈淋滤的2个胶状硫铁矿样品与未淋滤蚀变的硫铁矿化石英砂岩（砂质硫铁矿），其δ34S值存在显著的差异即是证明。前者相对富集32S，后者相对富集34S。正硐矿区灰绿色硫化软泥中的硫铁矿δ34S值所反映的情况与土草弄、蒙岭、丁兴等地不同。从其产出特点不难看出，硫铁矿条带是早期形成的硫铁矿，在风化淋滤过程中发生同位素分馏，一部分相对富集32S的H2S与软泥中铁质反应，生成硫铁矿。因此其同位素组成具有一定的继承性。

桂北地区硫铁矿硫同位素组成以轻同位素S32为主，由于同位素分馏作用，使δ34S（×10-3）值变化范围在－10～+10之间，反映了地层沉积时生物的生命活动及封闭环境所形成的H2S，对硫铁矿形成起主要作用。区内硫铁矿矿体与断裂有密切关系，矿石普遍存在硫铁矿交代生物碎屑现象，可见成岩后期循断裂带上升的深源H2S也参与了成矿活动，导致硫铁矿的δ34S值趋于一致，反映为深源岩浆硫的某些特点。其做为辅助硫源参与成矿活动，使部分矿体的δ34S值偏离初始值。

3.3 硫、铅同位素变化的相关性

在许多矿床中，硫和铅同位素变化具有一定的相关性，有的矿床是δ34S值随放射成因铅的增加而增加，称为正相关变化；有的δ34S值随放射成因铅的增加而减少，称为负相关变化。通过对同一矿物中硫、铅同位素变化相关性的研究，不但可以了解这两个主要成矿元素来源的异同，而且还可以进一步了解它们是否在同一溶液中搬运。

已测定的泗顶、土草弄等矿床（点）的同位素组成，发现铅与硫同位素变化的关系十分密切，两者呈负相关变化（图8）。反映了大部分的硫和铅是由同一种溶液搬运到沉积场所的，分别搬运就不可能有这种明显的相关性。其同位素组成相似，反映了自它们形成至测定之时基本上处于同一个演化系统中，二者物质来源和成因上是一致的。

图8 土草弄矿点的Pb、S同位素变化关系图Fig.8 Pb、S isotope variational relation of Tucaonong ore occurrenve

4 结论

（1）本区硫铁矿床的铅是多来源，多成因，多阶段演化的结果。早期直接来自泥盆纪及前泥盆纪主要是寒武纪或古陆上各种地质体。晚期是改造过程中富集的铅，由地下深循环热水或卤水搬运，通过基底断裂来自地壳深部。

（2）桂北地区硫铁矿矿床硫源主要来自同时代沉积硫酸盐细菌还原作用，以轻同位素32S为主，由于同位素分馏作用，使δ34S（×10-3）值变化范围在－10～+10之间。深源岩浆硫做为辅助硫源参与了成矿活动。

（3）同一矿区中，铅、硫同位素组成相似，反映了自它们形成至测定之时基本上处于同一个演化系统中，二者物质来源和成因上一致。

（4）从铅同位素模式年龄，结合区域成矿地质条件分析，推测成矿时代为海西—印支期，以印支期为主。以北山为代表的矿床成因属沉积-后期热液改造矿床；以泗顶为代表的矿床成因属壳源重熔热水沉积型矿床。

1 涂光炽. 中国层控矿床地球化学(第二卷)[M]. 北京：地质出版社,1987

2 陈好寿. 南岭地区泥盆系层控矿床的铅同位素特征及来源的初步探讨[A].见：南岭地质矿产文集（1）[C] 北京：地质出版社，1987

3 曾允孚. 广西泗顶-古丹铅锌矿田的地质特征和矿床成因及成矿预测[M]. 成都：四川省高校编辑出版发行中心，1985

4 张术根. 泗顶-古丹铅锌矿田稳定同位素地球化学特征[J]. 中南大学学报，1988 ,(13)

5 於崇文. 南岭地区区域地球化学[J].北京：地质出版社，1987

6 郜兆典. 广西北山式铅锌、黄铁矿床成矿模式及找矿远景[J]. 南方国土资源，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

江新华（1968～），男，地质专业，高级工程师

2010-03-12；改回日期：2010-04-22