广西大厂矿田铜坑锡多金属矿床Zn、He-Ar和Sr-Nd同位素组成及其对矿床成因的指示意义

作者及发表信息
本研究由广西大学资源环境与材料学院的Minghai Cai、Zhenan Peng、Zhishu Hu和Ye Li合作完成，发表于2020年的《Ore Geology Reviews》期刊（第124卷，文章编号103605）。该研究聚焦中国南方著名的锡多金属成矿带——广西南丹县大厂矿田的核心矿床铜坑锡多金属矿床，通过系统的同位素地球化学分析，探讨了成矿物质来源及矿床成因。

学术背景
大厂矿田是中国重要的有色金属生产基地，铜坑矿床作为其典型代表，以锡、锌、铜等多金属资源著称。长期以来，关于该矿床的成因存在两大争议：一种观点认为成矿与白垩纪龙箱盖花岗岩（Cretaceous Longxianggai granite）的岩浆热液活动相关（后岩浆热液充填-交代型）；另一种观点则认为成矿物质主要来源于泥盆纪海底喷流沉积（Devonian submarine exhalative sedimentation），后期受花岗岩叠加改造。为解决这一争议，研究团队选取铜坑矿床的锌（Zn）、氦-氩（He-Ar）和锶-钕（Sr-Nd）同位素作为关键示踪指标，旨在揭示成矿物质来源及岩浆与喷流沉积的贡献比例。

研究流程与方法
1. 样品采集与处理
- 研究对象：铜坑矿床上部的锡多金属矿体（Sn-Zn-Pb）和下部的锌铜矿体（Zn-Cu），以及龙箱盖花岗岩。
- 样品类型：
- Zn同位素：9件闪锌矿（sphalerite）样品（4件来自上部矿体，3件来自下部矿体，2件来自花岗岩）。
- He-Ar同位素：黄铁矿（pyrite）样品（5件来自下部锌铜矿体，6件来自上部锡多金属矿体，2件来自泥盆纪地层）。
- Sr-Nd同位素：龙箱盖花岗岩全岩样品（8件）。

1. 实验方法

   • Zn同位素分析：
     
     • 采用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）测定δ⁶⁶Zn值，以国际标准物质IRMM-3702和JMC3-0749L为参照。
       
     • 通过化学分离（阴离子交换树脂）消除基体干扰，误差控制在±0.05‰以内。
       
   • He-Ar同位素分析：
     
     • 采用压碎法释放流体包裹体气体，使用MI1201IG质谱仪测定³He/⁴He和⁴⁰Ar/³⁶Ar比值，以大气值（Ra=1.4×10⁻⁶）为基准。
       
   • Sr-Nd同位素分析：
     
     • 通过热电离质谱（TIMS）测定⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd，计算初始同位素比值（Iₛᵣ、εNd(t)）和Nd模式年龄（T₂DM）。
       

2. 数据分析

   • Zn同位素：通过分馏系数（0.2‰）反推成矿流体的δ⁶⁶Zn值，与潜在源区（花岗岩、碳酸盐岩）对比。
     
   • He-Ar同位素：利用二元混合模型计算地幔流体贡献比例（公式：地幔He%= (R−Rc)/(Rm−Rc)，Rm=6Ra，Rc=0.01Ra）。
     
   • Sr-Nd同位素：结合全岩地球化学数据（如Eu负异常、高Al₂O₃等）判断花岗岩成因类型。
     

主要结果
1. Zn同位素均一性
- 所有闪锌矿的δ⁶⁶Zn值为0.22‰–0.34‰（JMC3-0749L标准），不同矿体、产状及颜色样品间无显著分馏，表明锌来源单一。
- 成矿流体δ⁶⁶Zn计算值（0.42‰–0.54‰）与龙箱盖花岗岩（0.41‰–0.55‰）高度一致，而显著区别于海相碳酸盐岩平均值（0.91‰），指示锌主要源自岩浆流体。

1. He-Ar同位素示踪地幔物质

   • 上部锡多金属矿体的³He/⁴He比值为1.2–2.5Ra，下部锌铜矿体为0.8–1.9Ra，泥盆纪喷流沉积序列（Liujiang组硅质岩）为1.5Ra。
     
   • 地幔He贡献比例在上部层状矿体中最高（34.3%），向下（锌铜矿体23.8%）和向上（脉状矿体22.1%）递减，显示喷流沉积再循环的参与。
     

2. Sr-Nd同位素约束花岗岩成因

   • 龙箱盖花岗岩的Iₛᵣ=0.719，εNd(t)=−7.9至−9.6，Nd模式年龄1.54–1.68Ga，具典型S型花岗岩特征，源区以陆壳重熔为主，地幔物质参与极少。
     

结论与意义
1. 成矿模型：铜坑矿床的主成矿期（90–95Ma）与龙箱盖花岗岩（91–94Ma）时空耦合，Zn等金属主要来自岩浆热液，属后岩浆热液充填-交代型矿床；泥盆纪喷流沉积通过再循环参与成矿，但贡献有限。
2. 争议解决：He-Ar同位素证实喷流物质参与，但Zn同位素明确主导金属源自岩浆，调和了长期存在的成因分歧。
3. 科学价值：首次系统整合Zn-He-Ar-Sr-Nd同位素体系，为华南锡多金属成矿带提供了多指标示踪范例，深化了对岩浆-喷流交互成矿机制的理解。

研究亮点
1. 方法创新：首次将Zn同位素应用于大厂矿田成因研究，结合传统He-Ar-Sr-Nd同位素，构建多维度示踪框架。
2. 关键发现：揭示Zn同位素均一性指示单一岩浆来源，而He-Ar空间分带反映喷流沉积的局部混入。
3. 应用潜力：同位素组合方法可推广至其他复合成因矿床研究，为资源勘探提供理论依据。

其他价值
研究强调华南燕山期花岗岩与大规模锡多金属成矿的专属性，为区域找矿战略调整（如深部岩浆房探测）提供了科学支撑。