梁恩云， 鄒光均， 彭云益， 熊苗

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院，長沙 410116)

0 引言

湘西北地區(qū)屬于湘西—鄂西成礦帶的南西段，是著名的中低溫礦床產(chǎn)出地，其中最為典型的是鉛鋅礦[1-5]及錳礦[6-8]。近年來，湖南省地質(zhì)調(diào)查院在張家界市開展1∶5萬區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查[9-10]，新發(fā)現(xiàn)了李家銅礦，而前人也在附近發(fā)現(xiàn)了大量銅礦點，如田灣里銅礦、楊家坪銅礦、張家灣銅礦、大風埡銅礦、金家溶銅礦、爐廠峪銅礦、臘泉溪銅礦、鉛廠峪銅礦和絲茅塌銅礦等，基本呈NEE向分布。對于這些成帶分布的銅礦點，前人開展的研究工作較少。近年來，學術界在研究流體包裹體[11-17]及穩(wěn)定同位素[18-24]方面取得了重要的進展。本文從李家銅礦的成礦流體入手，探討該地區(qū)的銅礦的成礦物質(zhì)來源，為完善湘西北地區(qū)鉛鋅錳銅等中低溫熱液成礦序列提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

張家界地區(qū)位于揚子陸塊東南緣，毗鄰華夏陸塊，往北西為石門—桑植復向斜，往南東為武陵斷彎褶皺帶。區(qū)內(nèi)無巖漿巖出露，由老到新出露有青白口系、南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、白堊系和第四系(圖1)。研究區(qū)主要經(jīng)歷了雪峰—加里東運動、海西—印支運動、燕山運動、喜馬拉雅運動等多期構造活動。NE、NEE向褶皺發(fā)育，總體上為線狀褶皺，其脊線起伏，且兩翼開闊。斷裂以NE向最為發(fā)育，次為NEE向，常成帶出現(xiàn)，其中NE向弧形展布的保靖—大庸斷裂從區(qū)內(nèi)穿過，為主干斷裂。

1.1 礦區(qū)地層

礦區(qū)出露地層由老至新有青白口系五強溪組、南華系南沱組、震旦系陡山沱組與燈影組和寒武系探溪組，巖性簡述如下。

青白口系五強溪組(Qb2w)： 淺灰綠色、灰白色中—厚層狀淺變質(zhì)(含礫)長石石英砂巖、凝灰質(zhì)石英砂巖、透鏡狀礫巖，夾有灰綠色、紫紅色條帶狀砂質(zhì)板巖、凝灰質(zhì)板巖。

南華系南沱組(Nh3n)： 冰磧礫質(zhì)泥巖、泥質(zhì)冰磧礫巖、砂泥質(zhì)冰磧礫巖，巖石中的礫石大小不一，直徑從幾毫米至幾十厘米，成分復雜，有石英、砂巖、板巖、硅質(zhì)巖和花崗巖等。

圖1李家銅礦地質(zhì)簡圖

Fig.1GeologicalsketchofLijiacoppermine

震旦系陡山沱組(Z1d)： 灰至深灰色中層狀含白云質(zhì)粉晶灰?guī)r、微晶白云巖夾微薄層狀粉晶灰?guī)r，下部夾燧石條帶、微層狀硅質(zhì)巖，上部含硅質(zhì)灰?guī)r、碳質(zhì)灰?guī)r。本組為賦礦圍巖。

震旦系燈影組(Z2d)： 淺灰至灰色中層狀粒屑白云巖、粉晶白云巖，夾少量灰色中層狀含礫砂屑白云巖。

1.2 礦區(qū)構造

礦區(qū)褶皺不發(fā)育，何家灣—漢坑斷裂(保靖—大庸斷裂)從礦區(qū)NEE向穿過，礦點位于何家灣—漢坑斷裂北盤附近的次級斷裂中。

主斷裂破碎帶寬10～15 m，可劃分為片理化帶、斷層角礫巖帶、構造碎裂巖帶和構造透鏡體帶。該斷層至少經(jīng)歷過兩期構造運動，早期構造變形使粉砂質(zhì)巖層發(fā)生變質(zhì)變形，第二期為主構造運動形成斷層主體的斷層角礫巖、碎裂巖和構造透鏡體。

其北西盤的次級斷裂破碎帶寬1～2 m，組成破碎帶的巖石均強硅化后成次生石英巖，帶內(nèi)巖石較破碎，發(fā)育棱角狀構造角礫巖及微細方解石網(wǎng)脈。

1.3 圍巖蝕變

目前礦區(qū)發(fā)現(xiàn)的圍巖蝕變主要有硅化。一般呈脈狀沿斷裂分布，硅化脈寬幾十厘米至數(shù)米不等，延伸長可達數(shù)百米。硅化強弱對銅礦化影響明顯，中等硅化的銅礦化較好，孔雀石、藍銅礦分布于硅化巖石的裂隙中。

2 礦床地質(zhì)特征

2.1 礦體特征

區(qū)內(nèi)銅礦受NE向斷裂控制明顯，礦體呈脈狀、透鏡狀產(chǎn)于何家灣—漢坑斷裂北西盤的次級斷裂帶的硅化粉晶灰?guī)r中(圖2)。由于受斷層影響，礦脈產(chǎn)狀具一定的變化，大致在(323°～350°)∠(45°～85°)之間，礦脈厚度變化較大，0.59～1.84 m，銅品位0.209%～0.757%，平均為0.382%，伴生閃鋅礦，鋅品位最高為1.52%。

2.2 礦石特征

礦石成分以金屬硫化物為主，金屬礦物有黃銅礦、藍銅礦、黃鐵礦、方鉛礦和閃鋅礦等(圖3)，非金屬礦物見石英、方解石和重晶石等。

(a) 硅化灰?guī)r中的孔雀石 (b) 硅化灰?guī)r中的藍銅礦

圖2李家銅礦礦石特征

Fig.2OrecharacteristicsofLijiacoppermine

(a) 藍銅礦呈脈狀產(chǎn)出，薄片(+) (b) 黃銅礦、黃鐵礦、銅藍及閃鋅礦光片(-)

Az.藍銅礦； Cb.碳酸鹽礦物； Ccp.黃銅礦； Py.黃鐵礦； Cv.銅藍； Sp.閃鋅礦

圖3李家銅礦礦物特征

Fig.3MineralcharacteristicsofLijiacoppermine

礦石結構主要有砂礫狀結構、交代殘余結構，多見礦物呈自形至半自形粒狀緊密相嵌，粒徑0.5～1.0 mm，常見早期生成的黃鐵礦被晚期生成的閃鋅礦、黃鐵礦等交代。礦石礦物生成順序為黃鐵礦→毒砂→閃鋅礦、砷黝銅礦、黃銅礦→斑銅礦→輝銅礦、藍輝銅礦、銅藍→孔雀石。礦石構造主要有細脈狀、網(wǎng)脈狀、致密塊狀、浸染狀和角礫狀構造。

3 取樣及測試

本次流體包裹體研究和氫氧同位素分析的樣品(共5件)，選自張家界市李家銅礦成礦期石英、方解石、重晶石單礦物。樣品磨制成厚度約0.3 mm雙面拋光的光薄片進行巖相學觀察和包裹體顯微測溫； 將樣品磨碎至60～40目，在雙目鏡下挑選方解石單礦物，純度大于99%，用于群體包裹體氣液兩相成分分析和流體包裹體氫氧同位素分析。包裹體測溫、成分分析、氫氧同位素分析均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成。

流體包裹體測溫采用的儀器為英國Linkam公司生產(chǎn)的THMS600型冷熱臺，測溫范圍為-196～600 ℃，在[-196，0) ℃和[0，600] ℃ 2個溫度區(qū)間內(nèi)測試精度分別為±0.1 ℃和±2 ℃。顯微熱臺測定了包裹體的均一溫度，并通過水溶液包裹體的冰點溫度及Brown[25]的FLINCOR計算機程序，得到了水溶液的鹽度。

流體包裹體的氣相成分分析采用加熱爆裂法提取氣體，分析儀器為PE.Clarus600，分析誤差<5%。流體包裹體液相成分檢測方法和依據(jù)為DZ/T 0064.28—1993《地下水質(zhì)檢驗方法 離子色譜法測定鉀、鈉、鋰、銨》和DZ/T 0064.51—1993《地下水質(zhì)檢驗方法 離子色譜法測定氯離子、氟離子、溴離子、硝酸根和硫酸根》，檢測儀器為DIONEX-500離子色譜儀，檢測、重復測定精度<5%。

氫氧同位素分析儀器為Finnigan MAT253型質(zhì)譜儀。包裹體水的氫同位素采用真空爆裂法取水，與鋅反應制氫，分析精度為±2%； 氧同位素采用BrF5法，分析精度為±0.2%。氫氧同位素測試結果均按V-SMOW標準報出。

4 流體包裹體特征

4.1 包裹體巖相學

石英單礦物內(nèi)包裹體極為發(fā)育，主要為均勻密集分布、成群分布。其中，以呈透明無色的純液包裹體為主，部分視域內(nèi)呈無色—灰色的富液體包裹體較為發(fā)育。包裹體形狀規(guī)則，近圓形或橢圓形，少數(shù)呈長條形或不規(guī)則狀(圖4(a)、(b))。包裹體個體較小，長軸一般5～7 μm，個別達12 μm； 短軸一般2～4 μm，個別達6 μm。氣液兩相包裹體的氣液比一般為15%～20%。

(a) 石英中的流體包裹體 (b) 石英中的流體包裹體

(c) 方解石中的流體包裹體 (d) 重晶石中的流體包裹體

圖4李家銅礦流體包裹體顯微照片

Fig.4PhotomicrographsoffluidinclusionsinLijiacoppermine

方解石單礦物內(nèi)包裹體極為發(fā)育，主要為均勻分布、成群分布，其中以呈透明無色的純液包裹體為主，僅局部視域內(nèi)可見少量呈無色—灰色的富液體包裹體。包裹體形狀規(guī)則，近圓形或橢圓形，少數(shù)呈長條形或不規(guī)則狀(圖4(c))。包裹體長軸一般3～5 μm，短軸一般2～4 μm。氣液兩相包裹體的氣液比一般為15%～20%。

重晶石單礦物內(nèi)包裹體極為發(fā)育，主要為成群且均勻分布，部分為成帶狀分布。其中，以呈透明無色的純液包裹體與呈無色—灰色的富液體包裹體為主，部分視域內(nèi)呈深灰色的氣體包裹體較為發(fā)育。包裹體形狀規(guī)則，近圓形或橢圓形，少數(shù)呈長條形或不規(guī)則狀(圖4(d))。包裹體長軸一般6～12 μm，個別達44 μm，短軸一般3～7 μm，個別達10 μm。氣液兩相包裹體的氣液比一般為10%～25%。

4.2 顯微測溫

李家銅礦5件樣品的均一法測溫、冰點和鹽度等結果列于表1，頻數(shù)直方圖見圖5。樣品的均一溫度為146～282 ℃，峰值范圍為150～210 ℃； 冰點溫度為-11.93～-0.416 ℃。通過軟件[26]計算熱液鹽度值，其變化范圍為0.71%～15.86%(NaCl)，比較分散，其中有66個在3%～9%(NaCl)范圍內(nèi)。

表1 包裹體性質(zhì)

圖5 成礦流體包裹體均一溫度(左)、鹽度(右)頻數(shù)直方圖

石英包裹體均一溫度為153～282 ℃，主要集中在150～200 ℃，鹽度主要集中在3%～11%(NaCl)。方解石包裹體均一溫度為159～255 ℃，主要集中在160～180 ℃，鹽度主要集中在8%～9 %(NaCl)、12%～13%(NaCl)。重晶石包裹體均一溫度為146～277 ℃，主要集中在150～210 ℃，鹽度主要集中在3%～4%(NaCl)、7%～8%(NaCl)。

4.3 氣液相成分

李家莊銅礦石英、方解石、重晶石流體包裹體氣液相成分結果及相關參數(shù)見表2和表3。

表2流體包裹體氣相成分及相關參數(shù)

Tab.2Gascompositionsandrelatedparametersoffluidinclusions

樣品編號樣品成分氣相成分含量/(μL·g-1)H2N2COCH4CO2H2O(H2 +CH4)/CO2GZ21-1石英3.7600.5940.3030.60827.402.63×1040.16GZ21-2石英4.5800.5103.1200.428148.004.81×1040.03GZ22-2方解石0.6200.4410.0151.270101.001.90×1050.02GZ23重晶石0.1370.3641.4101.132.69×1051.37

(1)包裹體氣相成分主要為H2O、CO2、H2、CH4、N2、CO，其中H2O含量最高，其次為CO2、H2、CH4、N2、CO，(H2+CH4)/CO2值為0.03～0.16，平均為0.095；

(3)液相成分陽離子主要為Na+、K+、Mg2+、Ca2+，含量高低順序排序Ca2+>Mg2+>Na+>K+，其中Ca2+離子含量為4.29～42.7 μg/g，平均為17.42 μg/g，Na+/ K+值為1.40～10.35，平均為5.07，Na+/(Ca2++ Mg2+)值為0.03～0.38，平均為0.26。

對樣品中的氣液兩相包裹體進行激光拉曼光譜分析。分析結果顯示(圖6)，石英中氣液兩相包裹體的氣體成分為CH4(其譜峰位置為2 915.7～2 917.2 cm-1)及N2(其譜峰位置為2 328.9 cm-1)，重晶石中氣液兩相包裹體的氣體成分為CH4(其譜峰位置為2 917.2 cm-1)。

(a) GZ21-1石英中的氣液兩相包裹體 (b) GZ21-2石英中的氣液兩相包裹體

(c) GZ21-2石英中的氣液兩相包裹體 (d) GZ23重晶石中的氣液兩相包裹體

(圖(b)、(c)為同一樣品中不同點的測試結果)

圖6流體包裹體拉曼光譜特征圖

Fig.6LaserRamanspectraoffluidinclusions

4.4 密度與壓力估算

密度計算公式[27]為

ρ=A+Bt+Ct2，

(1)

式中：ρ為流體密度，g/cm3；t為均一溫度，℃；A、B、C為參數(shù)，它們又是鹽度的函數(shù)。其公式為

A=A0+A1W+A2W2
B=B0+B1W+B2W2
C=C0+C1W+C2W2，

(2)

式中：W為鹽度，%(NaCl)；A0=0.993 531，A1=8.721 47×10-3，A2=-2.439 75×10-5，B0=7.116 52×10-5，B1=-5.220 8×10-5，B2=1.266 56×10-6，C0=-3.499 7×10-6，C1=2.121 24×107，C2=-4.523 18×10-9。

計算得到李家銅礦成礦流體密度變化范圍為0.780 2～1.023 8 g/cm3，平均0.923 5 g/cm3，僅5個數(shù)值大于1.000 g/cm3，表明成礦流體具中等密度特征。

等容計算公式[27]為

p=a+bt+ct2，

(3)

式中：p為壓力，MPa；t為溫度,℃;a、b、c為參數(shù)，不同鹽度、密度下的a、b、c參數(shù)可查閱。計算得到壓力范圍1.02～66.17 MPa，其中主要集中在30～50 MPa，平均為31.35 MPa。石英中流體的壓力為1.02～60.63 MPa，方解石中流體的壓力為8.14～57.47 MPa，重晶石中流體的壓力為2.93～66.17 MPa。

5 氫氧同位素特征

對進行了流體包裹體分析的2件石英樣品、1件方解石樣品、1件重晶石樣品進行了氫氧同位素分析(表4)。結果顯示： 礦物中氧同位素δ18O礦物值范圍為11.6‰～17‰，平均值為14.35‰； 氫同位素δD值范圍為-54.7‰～-76.2‰，平均值為-66.7‰。

表4 氫、氧同位素組成

包裹體水的氧同位素δ18O水值可根據(jù)計算公式計算而來。計算公式[28]為

103lnα礦物-水=Δδ18O礦物-水=F×106/T2+E×103/T+G

Δδ18

O礦物-水=δ18O礦物-δ18O水，

(4)

δ18O水=δ18O礦物-(F×106/T2+E×103/T+G)

式中： 103lnα礦物-水表示礦物與包裹體水之間的同位素分餾系數(shù)； Δδ18O礦物-水表示礦物與包裹體水之間的氧同位素分餾系數(shù)；E、F、G為經(jīng)驗系數(shù)，分別為石英E=4.48、F=-4.77、G=1.71，方解石E=4.01、F=-4.66、G=1.71，重晶石E=3.94、F=-5.47、G=1.86；T為熱力學溫度，K。計算結果見表4。從δD-δ18O水圖解(圖7)可以看出，投點均位于地層水范圍之內(nèi)，流體來源于地層。

圖7 李家銅礦δD-δ18O水圖解[29]

6 討論

6.1 成礦流體來源

流體包裹體氣相成分富含H2O、CO2，含有H2、CH4、N2、CO，表明成礦環(huán)境為還原環(huán)境[30]。本次研究的流體包裹體含鹽度w(NaCl)≤26.3%，冰點溫度數(shù)值范圍-11.93～-0.416 ℃，屬于NaCl-H2O(低鹽度)體系[26]。

Roedder等[31]提出可通過Na+/K+值和Na+/(Ca2++ Mg2+)值來確定成礦熱液類型： 當Na+/K+<2且Na+/(Ca2++ Mg2+)>4時，成礦流體為巖漿來源； 當Na+/K+>10且Na+/(Ca2++ Mg2+)<1.5時，成礦流體為熱鹵水； 介于二者之間，即2

6.2 成礦深度

李家銅礦的包裹體均一溫度為146～282 ℃，流體壓力為1.02～66.17 MPa，流體密度為0.780 2～1.023 8 g/cm3。根據(jù)孫豐月等[32]的研究,可對斷裂帶內(nèi)流體的數(shù)據(jù)進行分段擬合，得出流體壓力與深度之間的關系。當流體壓力小于40 MPa時，用靜水壓力來計算，即H=p/10； 當流體壓力為40～220 MPa時，H=0.086 8/(1/p+0.003 88)+2。李家銅礦的流體壓力以小于40 MPa為主，經(jīng)計算，李家銅礦的成礦深度H為0.1～6.57 km，主要集中在3～6 km。其中根據(jù)石英GZ21-1、GZ21-2所求得成礦深度為0.1～6.26 km，平均為3 km； 根據(jù)方解石GZ22-2所求得的成礦深度為0.79～5.97 km，平均為2.92 km； 根據(jù)重晶石GZ23、JCP所求得的成礦深度為1.19～6.57 km，平均為3.88 km。

李家銅礦的成礦深度變化范圍極大，從0.1～6.57 km，而且其賦礦層位為震旦系陡山沱組含白云質(zhì)粉晶灰?guī)r。可以認為，成礦過程是一個比較漫長的過程，其上覆巖層厚度從0.1 km到6.57 km。從表5可以認為，李家銅礦的形成期可從震旦紀陡山沱期一直持續(xù)到志留紀文洛克期。

表5 李家銅礦上覆巖層厚度[33]

6.3 礦液運移動力

李家銅礦受構造作用影響明顯，產(chǎn)于何家灣—漢坑斷裂(保靖—大庸斷裂)附近的次級斷裂中。保靖—大庸斷裂是湘西北地區(qū)的控巖控相斷裂，自震旦紀早期就控制了北西區(qū)的陡山沱組與南東區(qū)的金家洞組，可以認為該斷裂為同沉積斷裂，而其活化可能與志留紀時期的宜昌上升事件關系密切。

7 結論

(1)李家銅礦包裹體均一溫度為146～282 ℃，流體密度為0.780 2～1.023 8 g/cm3，壓力為1.02～66.17 MPa，成礦深度為0.1～6.57 km。

(2)包裹體液相成分及氫氧同位素顯示成礦熱液為層控型熱鹵水。

(3)李家銅礦的形成時間自震旦紀陡山沱期一直持續(xù)到志留紀文洛克期，與宜昌上升事件關系密切。