福建尤溪梅仙地区马面山群变质岩原岩恢复及其与铅锌成矿的关系

张术根，石得凤，韩世礼

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

福建省尤溪县梅仙地区位处华南褶皱系东部政和—大浦北东向断裂带内[1-2]。区内有丁家山、峰岩、谢坑等铅锌矿床。本区铅锌硫化物矿体主要赋存在前寒武系变质岩内，也有少量赋存在侏罗系(火山)碎屑岩地层内。自20世纪90年代以来，陈小华等[1,3-5]从侧面研究了该区前寒武系变质岩的原岩时代、岩石成因及其与铅锌硫化物矿床成矿的关系，认为这套“绿片岩”的原岩为形成于大陆裂谷的中元古代大陆拉斑玄武岩和长英质火山岩组成的“双峰式”火山岩及碳酸盐岩，进而认为赋存在变质岩内的铅锌硫化物矿床为形成于裂谷环境的海相火山岩型块状硫化物矿床，颠覆了早期接触交代型和岩浆热液型矿床的观点。然而，本文作者通过现场地质调查、岩矿鉴定、测试分析及综合研究，对该地区铅锌矿床成因、赋矿变质岩系原岩类型、变质机理及其与铅锌硫化物成矿的关系提出不同看法。本文主要从变质岩产状、岩相学、典型矿物空间分布特征、岩石化学及稀土元素地球化学等角度综合探讨该地区前寒武系地层的变质原岩及其与铅锌矿床间的成因联系。

1 梅仙地区地质概况

根据最新研究成果，出露于福建省西北部的前寒武系地层自下而上可被分为龙北溪组、东岩组和大岭组，统一归并为马面山群(Pt2-3M)[6]，Li等[7]对东岩组变质岩的SHRIMP定年结果表明其形成于新元古代。梅仙地区主要以构造窗形式出露马面山群龙北溪组(Pt2-3l)和大岭组(Pt2-3dl)。与上覆侏罗系长林组(J3C)和梨山组(J1l)呈断层或角度不整合接触。侏罗系长林组由泥质粉砂岩、砂砾岩、凝灰质细砂岩、安山岩及安山玄武岩等组成，梨山组由千枚状粉砂岩、页岩、砂岩组成。

马面山群变质岩在梅仙地区为复式背斜构造。该复式背斜由轴向北东的宽缓背斜和向斜组成。铅锌硫化物矿床主要产在岩兜-关兜短轴背斜轴部，由龙北溪组组成，两翼由东岩组组成，两翼岩层产状总体平缓，仅5°～15°，但现场详细观察表明各岩性层内部多期次紧闭型褶皱变形极为强烈(图1(a))。研究区燕山期中酸性岩浆侵入活动强烈，燕山期侵入的花岗岩主要沿北东向呈串珠状岩株体分布在岩兜-关兜一线以西地区，而其以东地区则仅见北东向花岗斑岩及石英斑岩的岩墙及岩脉。区内断裂构造较发育，主要有NE，NW，SN，EW向4组。部分NE向和NW向断裂控制燕山期花岗岩及中酸性脉岩的侵入就位，也控制部分铅锌硫化物矿体的就位。而SN向和EW向断裂往往造成矿体或地层的局部错位。

2 主要变质岩类型

区内变质岩石类型复杂，按其矿物成分可分为石英-云母系列变质岩、石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩和大理岩类。其中，石英-云母系列变质岩包括龙北溪组和大岭组的云母石英片岩、石英云母片岩、石英斜长片岩夹绢云母片岩；石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩为本区铅锌矿体的主要围岩，产于龙北溪组上段，按矿物组合可分为绿帘石岩、透辉石绿帘石岩、透辉石岩、绿帘石透辉石岩、石榴子石绿帘石透辉石岩、石榴子石岩等；大理岩类包括大理岩和白云质大理岩。前两类变质岩中变余结构和变余构造明显。热液蚀变类型包括硅化、阳起石化、绿泥石化、碳酸盐化和蛇纹石化等。

2.1 石英-云母系列变质岩

多为灰色-灰白色，微细粒鳞片变晶结构，细粒纤状变晶结构，片理化构造。云母定向排列构成片理面，石英呈不规则粒状集合体或呈条带状沿片理层间分布(图 1(b))。该类岩石经受剧烈构造运动时蚀变现象非常明显(图1(c)和1(d))，尤其在与岩脉接触及构造破碎部位等热液活动强烈地段，发育有强烈的硅化、绿帘石化、绿泥石化和蛇纹石化，零星可见黄铁矿化。部分硅化岩石中见片理愈合现象(图1(e))。在加里东期区域变质的强应力作用下，该类岩石大部分发生强度不同的变形(如被压扁、拉长)形成结晶片理，但部分岩石清楚地保留了碎屑结构特征(图1(f))，这是碎屑沉积岩的重要特征。

2.2 石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩

一般呈黄绿-灰绿色，微、细粒纤状变晶结构，以块状构造为主，残余少量条带状构造(图 1(g))。岩石内3类主要矿物含量变化大，尤其是石榴子石含量极不均匀。部分岩石内具细条带状、不规则稀疏浸染状黄铁矿化、磁黄铁矿化、闪锌矿化。富含绿帘石的岩石中绿帘石呈不规则脉状穿插其他岩石(图 1(h))。部分岩样内沿裂隙充填发育方解石脉。

2.3 大理岩类

常呈薄层透镜状夹于龙北溪组上段石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩中(图 1(i))，多呈浅灰-灰白色，不等粒变晶结构、中厚层构造，局部具条带状构造。具不均匀的绿帘石化、蛇纹石化蚀变，零星黄铁矿化。部分岩样有暗色条带发育，可能为炭质。

图1 丁家山铅锌矿区变质岩Fig.1 Metamorphic rock in Dingjiashan Pb-Zn ore district

3 原岩恢复

区内铅锌硫化物矿体主要赋存在石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩中，部分石英-云母系列变质岩的层间界面上也有明显矿化，而大理岩类则呈不规则状残留在矿体及石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩中。可见石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩、石英-云母系列变质岩与矿化关系更为紧密，因而成为研究的重点。尤其是石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩具有重要的赋矿意义和复杂的岩石矿物组合特征而成为研究的焦点。矿区范围内除北东部和北西部分别由龙北溪组中段(Pt2-3l2)和侏罗系长林组(J3C)分布以外，其他位置几乎全部由龙北溪组上段(Pt2-3l3)石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩及其中的质纯大理岩团块所覆盖。以往研究中对区内变质岩进行过简单的原岩恢复研究，王鹤年等[8]根据“绿片岩”常量元素特征认为其原岩为苦橄玄武岩和玄武岩；靳松等[9-10]根据常量及微量元素特征将区内变质岩分为变火山岩和变沉积岩 2类。事实上，龙北溪组上段石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩内除透辉石、石榴子石和绿帘石3类主要矿物外，还可见石英、方解石、透闪石和硅灰石等矿物，而绿泥石仅在部分样品内存在。这样的矿物组合与区域变质作用下产生的“绿片岩相”岩石极不协调，透辉石在真正意义上的绿片岩内几乎不存在，而绿泥石则应普遍出现[11]。变质岩变质级别的不协调性、变质矿物的多样性、变质岩石类型和组构的复杂性均表明区内变质岩是多期次多成因变质作用综合叠加的结果。因此在恢复变质原岩时不能简单地判断是“正变质岩”或“副变质岩”，而应从变质岩产状、组构特征、矿物组合、变质岩组合、典型矿物空间分布特征、岩石化学、稀土元素地球化学等多方面进行综合考虑，尽可能恢复其具体的原岩类型和组合，进而深入认识矿区多期次变质作用与铅锌硫化物矿床间的成因联系。

3.1 变质岩产状、矿物组合及组构特征

现场观察表明区内马面山群龙北溪组石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩及其内部所赋存的铅锌硫化物矿体其顶、底板岩性和层位具明显变化，常见其顶板或底板从大理岩类突变到石英-云母系列变质岩的现象，显示石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩及其内部所赋存的铅锌硫化物矿体具明显的切层分布特征(图2)，证明这套岩石成岩有流体参与。

现场观测、岩石手标本观察和薄片鉴定发现，区内大部分岩石已强烈变质而生成石榴子石、透辉石、绿帘石等新矿物，并具有典型的变晶结构，但部分岩石仍较好地保留了变余碎屑结构(图 1(f))或变余层理构造(图1(g)和1(i))。此外，还可见这套变质岩内原岩的残余矿物，如被阳起石、石榴子石、绿帘石、透辉石矿物组合交代呈交代残余体的方解石、碎屑状石英及脉状石英(图 1(j)，1(k)和 1(l))。

石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩的切层分布特征、典型的变余组构及残余矿物均显示：该套岩石与石英-云母系列变质岩具有不同的原岩类型，前者在其成岩过程中曾经受过流体的影响。

3.2 矿物间的交代关系

图2 龙北溪组变质岩及其内部矿体的切层分布特征Fig.2 Metamorphic rock of Longbeixi formation and ore body crosscut strata

在光学显微镜下研究石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩时发现该类岩石内部矿物间存在极其显著的定向交代演化关系：原岩矿物→石榴子石(＋透辉石)→绿帘石→透闪石→磁铁矿→阳起石→铅锌硫化物(图3)。这与矽卡岩化作用过程中各类矿物间的交代关系完全一致，即原岩中的碳酸盐矿物→干矽卡岩矿物→湿矽卡岩矿物→气成氧化物→热液矿物。X线衍射及扫描电镜测试结果显示矿区石榴子石为与接触交代变质作用有关的钙铁榴石和钙铝榴石，而非与块状硫化物矿床相关的铁铝榴石[12]，与丰成友等[13]的研究结果一致。此外，狄永军等[14]指出丁家山等多个位于闽中地区铅锌硫化物矿床内的辉石与赵一鸣等[15]提出的典型矽卡岩型铅锌硫化物矿床中辉石的特征相同，为具远温端矽卡岩辉石特征的透辉石和钙铁辉石。这2类辉石与铅锌矿化关系密切[16]。以上均证实矿区矿物为一套典型的接触交代变质成因矿物组合。

图3 丁家山铅锌矿主要矿物间的交代关系Fig.3 Metasomatism relationship between minerals in Dingjiashan Pb-Zn ore district

3.3 典型矿物空间分布特征

研究中在90中段沿坑道以5 m间距进行穿越法采样，在采场内以5 m×10 m的网度进行网格法采样，共采集岩石样品141件。将所有样品磨制成薄片，并在机械台上应用线段法测量石榴子石、透辉石和绿帘石的体积分数，将统计结果用克里金法计算得出相对含量平面等值线图(图4)。成图过程中，根据采样区域实际位置给定界限，并通过反复调试，才能得出既能清晰反映矿物富集异常，又保证图幅美观性的间距。矿物学填图结果显示以下分布特征：(1)3类矿物总体含量(体积分数，下同)极不均匀，石榴子石为8.2%，透辉石为50.7%，绿帘石为30.9%，其他矿物为10.2%，其中石榴子石含量变化最大；(2)3类矿物分布不受地层层位控制，具明显的切层分布特征；(3)3类矿物的富集中心整体沿北东向呈带状分布，北西方向也有相对规模较小的富集中心分布带。其分布走向恰好与矿区广泛发育的北东向、北西向断层一致。

石榴子石、透辉石、绿帘石的分布特征显示这套变质岩与所谓区域变质作用下形成的顺层分布特征具有明显的区别，明显的切层分布特征进一步证实这套变质岩成岩过程受流体作用强烈，北东向断层是重要的控岩因素。

3.4 变质岩岩石化学

3.4.1 主量元素

表1列出了本区9件岩石样品主要的主量元素化学成分，其中1～8号样品属新元古代马面山群龙北溪组变质岩，9号样品属侏罗系长林组蚀变石英砂岩。

在变质岩(al+fm)-(c+alk)-si图(图5)中，1号岩样投于砂岩区，2号岩样投于火山岩区，6～8号样落入钙质沉积物区。而3～5号样品的c高，al和fm低，(al+fm)-(c+alk)为负值，9号样品si为610.68，超出横坐标范围，故在图中未显示。

在(al-alk)-c图(图6)上，1号落入黏土岩区，2号落入细碧岩-玄武岩区，6号落入钙质泥灰岩区，7，8号落入白云质泥灰岩区，9号则落入角斑岩区，3～5号样由于c大于50，故在图上未显示。

变质岩的等化学系列类型及亚类判断图(图 7)投影结果表明：1，2号样原岩为纯泥质岩和钙质泥质岩，3～8号样其原岩为泥灰质沉积岩和碳酸盐沉积岩，9号样则落入为铁质泥质岩与中性-酸性火山岩区域。

图4 丁家山铅锌矿90中段主要造岩矿物分布等值线图Fig.4 Contour map of main rock-forming minerals at 90 m platform from Dingjiashan Pn-Zn ore district

综合分析可知：1号样在图5～7中成岩区均投入沉积岩区，2号样投影结果比较复杂，既有火成岩，又有沉积岩，但是2号样岩性、组构与1号样完全相同，采样位置相距不远，因此可以断定两者原岩岩性一致，为以黏土矿物为主的微层和以粉砂级石英碎屑为主微层构成韵律层的泥质-粉砂质沉积岩，如泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。结合图6～8 的结果可以确定，3～8号样的原岩为富钙质沉积岩。但是从龙北溪组上段地层中大量残留的纯大理岩可以看出，这6件样品的原岩不可能为纯净的碳酸盐岩，应为其他含杂质的富钙质岩类，如钙质泥岩、钙质泥质粉砂岩、钙质粉砂质泥岩或泥灰岩。9号样为侏罗系长林组蚀变石英砂岩，其在各图解中投影结果也比较多样，但是其原岩无疑为石英砂岩。由此可以说明矿区变质岩全部为副变质岩。

3.4.2 稀土元素

许多由变质岩组成的前寒武纪地层及造山带，现有的矿物学与岩石化学特征已看不出其形成过程，但稀土由于熔点高、沸点高、化学性质稳定等特点，即使在高级变质作用(如麻粒岩相变质作用)中，只要没有大规模混合岩化作用，其稀土元素基本上没有迁移。因而能指示岩石在变质前的成岩环境及成因等特征，具有难得的“示踪剂”作用。

由稀土配分模式图(图8)可知：丁家山铅锌矿马面山群变质岩稀土富集程度很不均匀，证明区内岩石经历了复杂的稀土元素地球化学过程。除3号样品外，区内其他变质岩样品均富集轻稀土，而且轻、重稀土注：测试单位为湖南建材与非金属测试利用研究所。质量比为 4.43～11.07，证明轻稀土富集程度远远大于重稀土的富集程度。

表1 丁家山变质岩主量元素化学成分及尼格里特征值Table 1 Major element composition and Niggli Values of metamorphic rocks in Dingjiashan

图5 丁家山铅锌矿变质岩(al+fm)-(c+alk)-si图Fig.5 Picture of Metamorphic rock (al+fm)-(c+alk)-si in Dingjiashan Pb-Zn ore district

图6 丁家山铅锌矿变质岩(al-alk)-c图Fig.6 Picture of Metamorphic rock (al-alk)-c in Dingjiashan Pb-Zn ore district

图7 丁家山铅锌矿变质岩等化学类型及亚类判别图Fig.7 Picture of Metamorphic rock chemical type and subgenera in Dingjiashan Pb-Zn ore district

图8 丁家山铅锌矿区变质岩稀土元素配分模式图Fig.8 Rare earth element patterns of metamorphic rocks in Dingjiashan Pb-Zn district

在稀土元素总量与 La和 Yb质量分数比w(La)/w(Yb)图解[17](图9)中，1，2号样分别投影在碱性玄武岩、钙质泥岩、花岗岩的交叉边界和重叠区内，4，5，7，9号样及 2件大理岩样(10号样品 90pd1-1和11号样品90Pd6-3)则落入钙质泥岩区，6号落入花岗岩和碱性玄武岩重叠区，8号样落入钙质泥岩和大陆拉斑玄武岩重叠区，3号样则由于w(La)/w(Yb)值过低(0.09)而未进入图解范围之内。在以上样品中，6和8号样品均以绿帘石和透辉石为主要造岩矿物，其岩相学特征与4，5，7号样品一致，所以，其原岩成分也应与之相同；1号和2号样虽然分别投影在碱性玄武岩、钙质泥岩、花岗岩的交叉边界和重叠区内，但2件样品的岩相学、岩石化学特征明显反应其原岩为泥质-粉砂质沉积岩；3号样在图上不位于任何一类岩性区域之内，其投影位置非常特殊。该样品为龙北溪组上段石榴子石岩，与大理岩和白云质大理岩呈条带状互层，显然其原岩为沉积岩。

为了进一步证实石英-云母系列变质岩、石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩及大理岩类之间的关系，分别以2个云母石英片岩(1号和2号样)和2个大理岩(10号和11号样)的稀土元素含量平均值为标准，对石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩进行稀土配分。假设3类变质岩的原岩类型一致，则其稀土配分模式应为与标准非常接近的平坦型分布。然而在以云母石英片岩为标准的配分模式图上(图10(a))，6个石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩(3～8号样)、大理岩类标准样与云母石英片岩标准样的平坦型分布模式截然不同，均呈现出明显的左倾型分布特征。在以大理岩类为标准的配分模式图上(图10(b))，除3号样为陡立的左倾形式外，其他石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩样品均非常接近平坦型分布特征，而云母石英片岩标准样则表现出的明显右倾型式。由此可见：3类变质岩中，石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩的原岩与石英-云母系列变质岩的原岩差别较大，而与大理岩类的原岩更为接近，均为富钙质岩类。

图9 丁家山铅铲矿区变质岩w(La)/w(Yb)与稀土总量图解Fig.9 Diagram of metamorphic rocks w(La)/w(Yb)and amount of rare earth element in Dingjiashan ore district

图10 丁家山铅锌矿变质岩稀土元素自定义标准配分模式Fig.10 Rare earth element user-defined patterns of intrusive rocks in Dingjiashan Pb-Zn district

4 讨论

变质原岩恢复是一项复杂的工作，片面的依靠主量元素投影进行变质原岩恢复是不可靠的，必须从岩石的野外分布特征、产状、矿物组合及组构特征、矿物间的交代关系、岩石化学、稀土元素特征等方面进行综合性研究，才能得出可靠的原岩恢复结果。

通过对丁家山铅锌矿区3类变质岩的产状、矿物组合及组构、典型矿物分布特征、岩相学、岩石化学及稀土元素地球化学特征进行原岩恢复后得知研究区内3类变质岩均为副变质岩。其中以云母石英片岩为代表的石英-云母系列变质岩的原岩为以黏土矿物为主的微层和以粉砂级石英碎屑为主微层构成韵律层的泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩的原岩为钙质泥岩、钙质泥质粉砂岩、钙质粉砂质泥岩、泥灰岩等富钙质岩类，而大理岩类的原岩为钙镁质沉积岩。这3类岩石依次形成岩性过渡、交替明显的粉砂质泥岩→钙质泥质粉砂岩→泥灰岩→白云质灰岩、灰岩沉积建造组合。该结论与水涛研究成果完全符合[18]。

综合性变质原岩恢复结果证实丁家山铅锌矿并非所谓双峰式火山岩区域变质形成的块状硫化物矿床，而是经区域变质的新元古代马面山群富钙质沉积岩与燕山期中酸性岩浆岩发生接触交代作用而形成的矽卡岩型矿床。

丁家山铅锌矿床在地理位置上属浙闽粤多金属成矿带的一部分，该成矿带地处华南褶皱系东部，延展长达1 000余km，主要沿丽水-海丰大断裂西北侧分布，北起浙江绍兴的漓渚，南西经云和、福建政和、南平、大田、德化、漳平、龙岩，广东平远、连平，一直到香港九龙的马鞍山，大致呈北东向[19]。晋宁运动期间，丁家山铅锌矿区所在的闽中地区处于广海盆地边缘，接受浅(滨)海陆棚相-浅海台地相沉积[20]，形成岩性过渡、交替明显的泥质粉砂岩→钙质粉砂质泥岩→泥灰岩→白云质灰岩、灰岩沉积建造组合。加里东运动中，闽中地区回返隆起，在丁家山矿区形成大量北东向、北北东向断裂构造及梅仙复背斜的主体部分。强烈的构造运动使区内岩石发生区域变质作用，形成以云母石英片岩为代表的低绿片岩相区域变质岩。由于区域变质为典型的等化学变质作用，所以，富钙质沉积岩化学成分并未发生大的变化。在燕山期强烈的构造-岩浆活动中，大量中酸性岩浆沿北东向基底隐伏断裂侵入，与经过区域变质的富钙质岩发生接触交代作用，形成以石榴子石、绿帘石、透辉石为主要矿物的矽卡岩。矿区广泛存在的磁铁矿、磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等金属矿物即为矽卡岩期后热液成矿期的产物。由于接触交代作用对富钙质岩的选择性，质纯的碳酸盐岩由于不利于接触交代作用的进行而残留在矿体和矽卡岩中。简言之，丁家山铅锌矿区内的石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩为经加里东期区域变质的富钙质沉积岩与燕山期花岗岩发生接触交代而形成的矽卡岩，磁铁矿、磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等金属矿物为接触交代期后热液作用阶段的产物。矿区边部满足燕山期中酸性岩体+新元古代马面山群龙北溪组富钙质岩+断层构造等控矿条件的区域是矿区今后找矿的主要目标区域。

5 结论

(1)丁家山矿区有石英-云母系列变质岩、石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩和大理岩类 3类变质岩，变质岩变质级别的不协调性、变质矿物的多样性及变质岩石类型的复杂性均表明这是多期次多成因变质作用综合叠加的结果。

(2)与矿区成矿关系最为密切的石榴子石-透辉石-绿帘石系列变质岩的原岩为钙质泥岩、钙质泥质粉砂岩、钙质粉砂质泥岩、泥灰岩等富钙质岩类，它与石英-云母系列变质岩及大理岩形成岩性过渡、交替明显的粉砂质泥岩→钙质泥质粉砂岩→泥灰岩→白云质灰岩、灰岩沉积建造组合。这与矿区在加里东运动以前所处的沉积环境完全符合，即浅(滨)海陆棚—浅海台地。

(3)丁家山铅锌矿为新元古代马面山群龙北溪组上段经加里东期区域变质的富钙质岩与燕山期花岗岩发生接触交代作用而形成的矽卡岩型矿床，石榴子石、透辉石、绿帘石等非金属矿物与磁铁矿、磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等金属矿物同为接触交代作用在不同阶段的产物。

(4)矿区边部满足燕山期中酸性岩体+新元古代马面山群龙北溪组富钙质岩+断层构造等控矿条件的区域是矿区今后找矿的主要目标区域。

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