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东秦岭二郎坪群位于宽坪群和秦岭群之间,是一套海相火山岩—沉积岩建造,形成于早古生代。二郎坪群火山岩中发育有火山成因块状硫化物矿床(Volcanogenic Massive Sulphide,简称VMS矿床)。该类矿床主要赋存于东二郎坪群刘山岩组和西二郎坪群火神庙组的变石英角斑岩、变凝灰岩中。矿体呈层状、似层状,矿体上部为块状、条带状和纹层状矿石;下部为细脉状、浸染状矿石。
近年来,许多学者对东秦岭二郎坪群物质组成的研究取得了较大进展,但对于二郎坪群火山岩的岩浆演化、构造背景仍存在较大争议(岛弧环境或弧后盆地环境);对赋存矿床的长英质火山岩缺少研究;对矿床的成矿物质来源、成矿环境及东、西二郎坪群矿床成矿元素组合的差异(东二郎坪群的矿床富Cu,而西二郎坪群的矿床富Pb),缺少对比分析和综合研究,制约了对二郎坪群中VMS矿床分布规律的认识。
本论文在前人研究资料基础上,主要对赋存块状硫化物矿床的火神庙组和刘山岩组火山岩进行岩石学和地球化学研究,讨论其岩浆演化过程、源区性质及构造背景,进而制约秦岭造山带早古生代的地质演化历史。以刘山岩、水洞岭和上庄坪三处典型的VMS矿床为研究对象,讨论长英质火山岩与块状硫化物矿床的关系;通过对硫化物铂族元素(PGE)的研究,结合S和Pb同位素,剖析成矿物质来源及矿床成因,解释不同环境形成的VMS矿床在成矿元素组合上的差异;在此基础上建立了一个符合东秦岭二郎坪群地质背景和成矿作用特征的成矿模型,进而为找矿勘查工作提供新的思路。
研究表明,二郎坪群基性岩的SiO2含量在44.8~50.0%之间,而长英质岩的SiO2含量在60.0~87.0%之间,具有“双峰式”特征,显示拉斑质到钙碱性的变化特征。稀土配分型式显示LREE略微富集到富集型(LaN/YbN=1.32~26.1)的变化,大部分样品有轻微Eu负异常或异常不明显(δEu=0.60~1.09),重稀土相对平坦(GdN/YbN=1.25±)。火山岩富集LILE、亏损HFSE(Nb、Ta),显示岛弧型火山岩地球化学特征,反映源区受到俯冲作用的影响。二郎坪群火山岩的εNd(t)为+0.83~+7.63,指示来自亏损的地幔源区。其中的长英质岩石是基性岩浆上升到中地壳(10~15km),经过AFC演化形成。
通过蚀变指数AI(alteration index)和CCPI(chlorite-carbonate-pyrite index)对二郎坪群长英质火山岩的蚀变特征进行研究,表明矿体下盘的长英质火山岩明显受到热液蚀变的影响,有别于后期变质、蚀变的岩石,反映成矿热液流体上升对围岩的热液蚀变作用,而大部分块状硫化物矿体的下盘都有这种热液蚀变管分布。因此,有效区分热液蚀变和后期变质蚀变,可以指导找矿。
通过电子探针对主要的硫化物(黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿和方铅矿)进行分析,表明早期高温的成矿流体形成富铁、铜的闪锌矿,周围伴生有黄铜矿;而后期低温流体形成贫铁闪锌矿,常常伴生有方铅矿。黄铁矿在各个成矿期次中都有出现,但一般高温形成的黄铁矿含有较高的Cu。
二郎坪群VMS矿床硫化物的δ34S值集中在1.70~7.70‰范围内,具有典型的塔式分布特征,反映以淋滤火山岩的硫为主。赋矿围岩与矿石的铅同位素组成基本一致,说明成矿物质来源于赋矿围岩。二郎坪群硫化物PGE含量很低,富集PPGE,而IPGE亏损,反映热液的影响。说明成矿物质是热液淋滤的赋矿围岩形成的。
东、西二郎坪群的长英质火山岩存在较大差别:刘山岩的长英质岩更具有拉斑质特征(Zr/Y=2.96),形成的温度较高(TZr=780℃);而上庄坪的长英质岩更趋于钙碱性特征(Zr/Y=4.27),形成的温度较低(TZr=716℃)。结合东、西二郎坪群δ34S的差异(水洞岭矿床的δ34S平均值为6.49‰,略高于刘山岩矿区的δ34S平均值为5.40‰),西二郎坪群更高的放射成因Pb同位素,作者认为西二郎坪群矿床(水洞岭和上庄坪)形成于初始的弧后盆地,受陆源物质影响较大,形成富Pb的矿床;而东二郎坪群矿床(刘山岩)可能形成于弧后盆地的成熟阶段,类似于远洋盆地,形成富Cu的矿床。
作者认为,早古生代古秦岭洋向北俯冲消减,在秦岭群以北形成二郎坪弧后盆地。由于俯冲作用,使二郎坪群火山岩具有岛弧型火山岩的地球化学特征。由岩浆房提供热源,使渗透于地壳中的海水形成热液循环,淋滤地壳中的金属物质,以金属卤化物的形式沿着断裂搬运,在喷口附近与冷的海水混合冷却,并卸载形成块状硫化物矿床。在二郎坪群弧后盆地的初始阶段形成水洞岭和上庄坪富Pb的矿床,而在弧后盆地的成熟阶段,形成刘山岩富Cu的矿床。重晶石岩和硅质岩是有效的找矿标志。用地震泵模式合理解释了二郎坪群VMS矿床的成因机制,可为找矿勘查工作提供新的思路。