DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.018

海南省东方市踏王山金矿床H-O和S-Pb同位素特征及意义

熊瑛，朱自强，鲁光银，胡祥昭

(有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083)

摘要：通过对海南省东方市踏王山金矿床矿化期石英氢氧同位素、黄铁矿、方铅矿的硫、铅同位素特征的系统分析和综合研究，探讨矿区的成矿流体来源与成矿物质来源。研究结果表明：矿石中¹⁸O_SMOW的质量分数w(¹⁸O_SMOW)为7.7‰~16.3‰，¹⁸O_H2O 质量分数w(¹⁸O_H2O)为1.0‰~6.8‰，反映出成矿流体具有变质热液和岩浆热液的双重性；矿石中w(³⁴S)变化范围为6.3‰~9.1‰，平均值为7.8‰，极差为2.8‰，变化范围较窄，略微偏离陨石硫；矿石硫化物w(²⁰⁶Pb)/w(²⁰⁴Pb)平均值为18.25，w(²⁰⁷Pb)/w(²⁰⁴Pb)平均值为15.53，w(²⁰⁸Pb)/w(²⁰⁴Pb)平均值为37.91；硫、铅同位素表明成矿物质来源于深部岩浆，并有壳源物质的混染。

关键词：金矿床；同位素；成矿物质来源；海南踏王山

中图分类号：P611.1        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)09-2249-08

Isotope characteristics of H-O and S-Pb in Tawangshan gold deposit, Dongfang City, Hainan Province

XIONG Ying, ZHU Ziqiang, LU Guangyin, HU Xiangzhao

(Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring,

Ministry of Education, School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The Tawangshan gold deposit in Hainan Province is located in the southwest of the Gezhen ductile shear zone in southwestern Hainan Island. Through systematic analysis and comprehensive study on the characteristics of hydrogen and oxygen isotopes of quartz, sulfur and lead isotopes of pyrite and galena during the mineralization period of Tawangshan gold deposit in Dongfang City, Hainan Province, the source of ore-forming fluids and source of ore-forming materials in the mining area were discussed. The results show that the mass fraction of ¹⁸O_SMOW, i.e., w(¹⁸O_SMOW), ranges from 7.7‰ to 16.3‰, and w(¹⁸O_H2O) ranges from 1.0‰ to 6.8‰,suggesting that the ore-forming fluid is the dual nature of the metamorphic and magmatic hydrothermal. w(³⁴S) ranges from 6.3‰ to 9.1‰, with an average of 7.8‰, showing a narrow range and slight deviation from meteorite sulfur. The average value of w(²⁰⁶Pb)/w(²⁰⁴Pb) is 18.25, and w(²⁰⁷Pb)/w(²⁰⁴Pb) is 15.53, w(²⁰⁸Pb)/w(²⁰⁴Pb) is 37.91. The compositions of sulfur isotope and lead isotope imply that the metallogenic materials of the deposit derive from the deep magma mixed with the shell source material contamination.

Key words: gold deposit; isotopes; ore-forming material source; Tawangshan in Hainan Province

海南岛地处华南地块与印支地块之间，具有复杂的地质构造演化历史，这也造就了海南岛丰富的矿产资源，其中金矿是其优势矿种之一。LI等^[1-5]对海南岛金矿进行了大量研究。吴传军等^[4]根据金矿床的空间分布、规模、成矿时代与成矿地质条件等，将海南岛金矿床成因类型主要分为3类；王朝文等^[5-7]则对海南抱伦金矿床从流体包裹体特征、演化与成矿作用等进行了深入研究。江明贵等^[8]根据戈枕金矿成矿带中成矿地质特征、控矿因素等，将成矿带中的金矿床类型分为3种矿床类型。夏勇^[9]针对琼西戈枕剪切带控制的金矿床，开展了典型矿床同位素地球化学的研究。踏王山金矿床位于海南省西南部戈枕韧性剪切带东南部，矿化类型以蚀变岩型为主，金矿化(体)主要赋存在蚀变似斑状花岗岩中，是近年来新发现的金矿床。但由于缺乏对该矿区金矿成矿特征、成矿规律等系统理论研究，对矿区进一步找矿造成很大的制约。为此，本文作者在详细调研矿区已有的野外勘查资料基础上，通过对比分析矿石中同位素特征，探讨矿区的成矿流体来源以及成矿物质来源，以期对矿区进一步的找矿工作提供理论指导。

1  地质概况

踏王山金矿床地处华南褶皱系五指山褶皱带的西部，位于白沙凹陷带和抱板隆起区接触部的江边—金波断陷带上，区域上位于戈枕断裂带东南部^[10-11]。区域出露地层主要为古生代志留系空列村组、陀烈组，石炭系南好组、清峡组，二叠系南好组、峨查组，中生代白垩系鹿母湾组以及新生界第四系。区域断裂构造较发育，主要有牙老断裂、王下断裂、用望断裂和燕窝岭断裂。区内岩浆岩发育，属于广坝超单元，该单元侵入于大仍村正好单元和二叠系峨查组，被坝王岭超单元、南英岭超单元侵入，金柄单元的锆石U-Pb同位素年龄为(248.0±25.0) Ma，全岩Rb-Sr等时线年龄为(245.9±4.2) Ma。哇寿单元的Rb-Sr等时线年龄为(251.7±18.2) Ma。本超单元为印支早期岩浆活动的产物。矿区地层主要为第四系地层、晚古生代二叠系地层(见图1)。二叠系地层呈北东向展布，成带状，宽为100~800 m，长近4 km，地层倾向北西，倾角为50°~65°。下段为结晶灰岩段，中段为矽线黑云石英片岩段，上段为变质砂岩夹硅质岩段。矿区主要断裂构造可分为NNE向组和NEE向组。NNE向组断裂走向10°，倾向北西，倾角为70°~80°，被NEE向断裂错断。NEE向断裂呈舒缓波状，分支复合现象。断裂倾向北西，倾角为35°~55°，总体呈压扭性特征，局部伴有张性特征，其次一级东西向断裂呈压性雁列型分布，局部形成金多金属矿体。矿区岩浆岩主要为印支期似斑状花岗岩以及燕山晚期黑云母花岗岩2类。印支期似斑状花岗岩分布于矿区北侧，出露面积约11 km²，呈岩基状，南部与地层断层接触，属于区域上金柄巨斑状黑云二长花岗岩一部分。黑云母花岗岩分布在似斑状花岗岩岩基中，与其界线清楚，为侵入接触关系，为不规则岩株状。

图1  踏王山金矿床地质简图

Fig. 1  Geological sketch map of Tawangshan gold deposit

2  矿体特征

2.1  矿(化)体特征

踏王山金矿区目前共圈定出Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ共4个金矿带，圈定金矿(化)体12条，见表1。金矿体多沿次一级的东西向断裂构造分布。矿体主要分布于似斑状花岗岩岩体中以及岩体与围岩接触带附近，金矿与围岩无明显的界线。金矿体多呈脉状、扁豆状、透镜状，沿倾向和走向具有分枝复合、尖灭再现、膨胀收缩及局部形成无矿天窗等特点。

2.2  矿石特征

矿石类型为蚀变岩型和石英脉型，以蚀变岩型为主。蚀变岩型金矿含矿围岩为蚀变似斑状花岗岩、蚀变闪长玢岩(少量)。原岩普遍破碎，呈角砾状、糜棱状或岩粉，黏土化发育，有明显的褪色蚀变。矿石矿物组成简单，属于少硫化物型，主要以细粒状赋存在，大多为黄铁矿、方铅矿、闪锌矿。矿石结构以交代结构为主，其次为他形—半自形粒状结构、骸晶结构、包含结构；矿石构造以星散浸染状构造为主，其次为细脉—网脉状构造、块状构造。

3  样品采集、分析方法及分析结果

本次研究样品均采自深部钻孔岩芯。采样前先对岩芯进行详细观察并编录，根据岩性和蚀变特征进行分层，然后从上至下根据蚀变情况进行采样(样品采集信息见表2)。氢氧同位素分析样品主要为挑选矿石中纯净石英单矿物；挑选纯净矿化期的黄铁矿、方铅矿作为硫、铅同位素单矿物样品。分析结果见表3和表4(表中列出了戈枕金矿带典型金矿床同位素特征)。

表1  踏王山金矿区矿体特征表

Table 1  Characteristics of ore-body in Tawangshan gold deposit

表2  踏王山金矿区采样位置以及样品特征

Table 2  Sampling position and sample characteristic of Tawangshan gold deposit

表3  踏王山金矿区H，O和S同位素组成特征(含戈枕金矿带上典型矿床特征)

Table 3  H, O, S isotopic date of Tawangshan gold deposit

表4  踏王山金矿区Pb同位素组成特征(含戈枕金矿带上典型矿床特征)

Table 4  Pb isotopic date of Tawangshan gold deposit

氢氧同位素分析样品在武汉地质矿产研究所同位素地球化学实验室测定，所用质谱仪型号为MAT261。

流体包裹体中水的氢同位素：将分选的石英置于105 ℃以下烘干后，在真空系统中逐步加热抽走次生包裹体的水，加热至600 ℃使其中的包裹体热爆，释放的水通过收集、冷凝和纯化处理，然后用锌置换出水中的氢，对获得的H₂进行质谱分析。

石英中的氧同位素：首先用BrF₅在500~550 ℃与石英矿物反应15 h，然后用液氮将产生的O₂纯化，最后在700 ℃将O₂转变为CO₂，用于质谱分析。

硫、铅同位素在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室测定。硫同位素采用EA-Isoprime同位素质谱仪分析，分析精度在±0.2‰之内；铅同位素测试在MAT261质谱仪上完成，在实验过程中采用国际标样NBS-981校正。

4  讨论

4.1  成矿流体来源

流体包裹体的氧同位素质量分数w(¹⁸O_H2O)是根据寄主矿物石英的氧同位素及石英-水之间的氧同位素平衡分馏方程1 000ln = 3.38×10⁶/T²-3.4计算得到的(为平衡分馏系数；T为均一温度由包裹体测温所得^[13])。由表1可知：踏王山金矿矿石w(D)范围为-59.0‰~-99.0‰，极差为40‰，表明矿石中D同位素发生了明显分馏；w(¹⁸O_SMOW)变化范围为7.7‰~16.3‰；w(¹⁸O_H2O)范围为1.0‰~6.8‰，平均为4.1‰。

对流体包裹体进行氢、氧同位素示踪研究能够很好地解决成矿物质中水的来源问题。将表1中的数据投影到TAYLOR的氢氧同位素组成图解^[14]，见图2。从图2可以看出：踏王山金矿的成矿流体投影点主要落在泰勒给定的变质水与岩浆水重叠区左侧，并具有向大气降水线漂移的趋势。结合矿区矿体产状特征(主要产于似斑状花岗岩体裂隙中)，表明踏王山金矿床成矿流体为地下水和岩浆热液的混合成因。

图2  踏王山金矿床氢氧同位素组成投影图(含戈枕金矿带上典型矿床投影)

Fig. 2  Plot of hydrogen and oxygen isotopes for gold ores of Tawangshan gold deposit

对比研究戈枕金矿带内典型的金矿床的氢氧同位素特征(表3、图2)发现：不磨金矿床w(D)范围为-56.0‰~-80.0‰，极差为24‰；w(¹⁸O_SMOW)变化范围为8.1‰~ 11.9‰；w(¹⁸O_H2O)范围为-5.4‰~3.1‰；抱板金矿床w(D)变化范围为-62‰~-67‰，w(¹⁸O_SMOW)变化范围为11.5‰~15.1‰；w(¹⁸O_H2O)变化范围为3.4‰~7‰。踏王山金矿床氢氧同位素特征与戈枕金矿带内典型金矿床的氢氧同位素特征具有一定的相似性。典型金矿床成矿流体数据点均落在变质水与岩浆水重叠区的左侧，同样具有向大气降水线漂移的趋势，其中以不磨金矿向大气降水线靠得最近，显示了踏王山金矿床成矿流体特征与戈枕金矿带内主要金矿床的成矿流体特征具有一定的相似性。

4.2  成矿物质来源

4.2.1  硫同位素示踪

从表3可知：踏王山金矿床中蚀变岩型金矿石硫化物w(³⁴S)变化范围为6.3‰~9.1‰，平均值为7.6‰，极差为1.5‰；石英脉型金矿石硫化物w(³⁴S)变化范围为7.1‰~9.1‰，平均值为8.3‰，极差为2.0‰。虽然石英脉型金矿石硫化物w(³⁴S)略高于蚀变岩型金矿石w(³⁴S)，但总体上两者的w(³⁴S)均显示为较高的正值，硫同位素变化范围较窄，组成相对均一，略微偏离陨石硫，这一特点与我国山东半岛玲珑金矿和焦家金矿情况类似，而与典型的岩浆热液矿床和沉积矿床不同。

典型岩浆热液矿床中硫化物的w(³⁴S)变化范围很窄，且近于0，表明这种硫是原始成因的，来源于上地幔或下地壳；相反，沉积来源的硫则是次生成因的，由于风化、搬运、沉积过程中SO₄^2-被还原成H₂S的种种差异导致其w(³⁴S)变化范围很宽，因此，推测踏王山金矿床硫源来源于岩浆硫与部分地层硫(二叠系浅变质岩系)的混合。

与硫同位素储库相比^[15](图3)，踏王山金矿床矿石中总硫的同位素质量分数比深部岩浆硫的高(w(³⁴S)=0±5‰)，又低于围岩地层中同时期海水的硫同位素质量分数(寒武纪海水的w(³⁴S)下限值为15‰)。同时w(³⁴S)显示出较高的正值，与氧化性花岗岩类硫同位素质量分数接近^[16]，可能与流体中H₂S的去气作用有关。

对比研究戈枕金矿带内部分典型金矿床矿石中硫同位素质量分数(表3)可以看出：不磨金矿床矿石硫化物w(³⁴S)变化范围为4.2‰~4.4‰；抱板金矿床矿石硫化物w(³⁴S)为6.7‰，踏王山金矿床的w(³⁴S)与这些产在抱板群中并受戈枕剪切带控制的金矿床的w(³⁴S)具有很大的相似性，均显示为正值，略偏离陨石硫的w(³⁴S)，且极差很小。这也说明：尽管踏王山金矿位于戈枕金矿带的外围，但是其硫源来源具有一定的相似性，均来自岩浆源与地层源的混合来源。

图3  踏王山金矿床硫同位素分布直方图 (含不同岩类硫同位素特征)

Fig. 3  Sulfur isotope histograms for gold ores of Tawangshan gold deposit

4.2.2  铅同位素示踪

从表4可以看出：踏王山金矿床矿石中硫化物w(²⁰⁶Pb)/w(²⁰⁴Pb)为18.09~18.39，平均为18.25；w(²⁰⁷Pb)/w(²⁰⁴Pb)为15.47~15.58，平均为15.53；w(²⁰⁸Pb)/w(²⁰⁴Pb)为37.74~38.17，平均为37.91，比值均低于39.00，显示微弱的钍铅亏损。矿石硫化物的w(²³⁸U)/w(²⁰⁴Pb)变化范围为9.24~9.43，平均为9.34；w(²³²Th)/w(²⁰⁴Pb)变化范围小，为34.18~35.35，平均为34.56，低于地壳平均值(36.84^[17])，显示出幔源铅的特征。踏王山金矿床总体上体现出地幔铅的来源特征，并混有少量的地壳物质。从表3可以看出：获得的方铅矿同位素模式年龄主要分布在2个年龄阶段，分别为157~180 Ma和236~240 Ma，这可能是矿石中存在不同时代的方铅矿所致。

将踏王山金矿床矿石中铅同位素投影到ZARTMAN 等^[18]的铅同位素构造环境演化图解中，结果见图4。从图4可见：w(²⁰⁷Pb)/w(²⁰⁴Pb)-w(²⁰⁶Pb)/ w(²⁰⁴Pb)图解中，样品点位于地幔与造山带演化线之间(图4(a))；w(²⁰⁸Pb)/w(²⁰⁴Pb)-w(²⁰⁶Pb)/w(²⁰⁴Pb)图解中，矿石样品点落在造山带与上地壳之间(图(4(b))，反映了铅来源于与造山作用有关的深源物质。将表2中的△β和△γ投影到朱炳泉^[19]的△β-△γ成因分类图解中，所得结果见图5。从图5可以看出：铅同位素样品点落在地幔源铅和上地壳与地幔混合的俯冲带铅范围内(靠近岩浆作用成因铅范围内)，部分数据点落在地幔源铅范围内。由此可知：踏王山金矿床的铅主要来源于深源地幔，且有壳源铅混染。

图4  踏王山金矿床铅同位素构造环境演化图解(含戈枕金矿带上典型矿床投影)

Fig. 4  Diagram showing evolutionary tectonic setting of Pb isotope from Tawangshan gold deposit

图5  踏王山金矿床矿石铅同位素△β-△γ成因分类图解(含戈枕金矿带上典型矿床投影)

Fig. 5  △β-△γ diagram of genetic classification of ore lead isotopes from Tawangshan gold deposit

从图4、图5可以看出：踏王山金矿床矿石铅同位素来源与戈枕金矿带内金矿床矿石铅同位素来源具有一定的相似性，均具有多来源性。这也表明踏王山金矿床作为戈枕金成矿带外围新发现的矿床，其成矿规律上可能具有一定的相似性。

5  结论

1) 踏王山金矿床矿体主要分布于似斑状花岗岩岩体中以及岩体与围岩接触带附近，矿体多呈脉状、扁豆状、透镜状，矿石类型为蚀变岩型和石英脉型，以蚀变岩型为主。矿石结构以交代结构为主，矿石构造以星散浸染状构造为主。

2) 踏王山金矿床矿石中w(D)为-59.0‰~ -99.0‰，极差为40‰；w(¹⁸O_SMOW)为7.7‰~16.3‰；w(¹⁸O_H2O)为1.0‰~6.8‰，平均为4.1‰。H-O同位素特征反映矿区成矿流体为地下水和岩浆热液的混合 成因。

3) 踏王山金矿床中金矿石硫化物w(³⁴S)变化范围为6.3‰~9.1‰，平均为7.83‰；w(³⁴S)均显示为较高的正值，硫同位素变化范围较窄，组成相对均一，略微偏离陨石硫，硫同位素特征显示矿区硫源来自于岩浆硫与部分地层硫的混合。

4) 踏王山金矿床矿石中硫化物w(²⁰⁶Pb)/w(²⁰⁴Pb)平均为18.25；w(²⁰⁷Pb)/w(²⁰⁴Pb)平均为15.53；w(²⁰⁸Pb)/w(²⁰⁴Pb)平均为37.91，比值均低于39.00；Pb同位素特征反映成矿物质来源于深部岩浆，并有壳源铅混染。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-09-18；修回日期：2017-10-15

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41174061，41374120) (Projects(41174061, 41374120) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：鲁光银，博士，教授，从事地球物理勘探研究；E-mail: 307745092@qq.com