当地的硫源控制着全球密西西比河谷型铅锌矿床的形成与发展

《Global and Planetary Change》：Local sulfur sources control the development of Mississippi Valley-type Pb-Zn deposits worldwide

本研究通过全球80个密西西比河谷型（MVT）铅锌矿床的硫同位素分析，揭示硫主要源自当地海水硫酸盐的还原，而非远程来源，为MVT矿床成因和勘探提供新依据。

　　

刘英超|侯增倩|岳龙龙|庄亮亮|马旺

中国地质科学院地质研究所深部地球与矿产勘探国家重点实验室，北京，中国

摘要

密西西比河谷型（MVT）铅锌矿床是全球重要的铅锌来源，然而对其形成所必需的还原态硫的来源仍知之甚少。为了解决这一问题，我们综合分析了来自80个位于不同构造环境中的MVT铅锌硫化物矿床的硫同位素数据。研究结果表明，尽管全球范围内硫同位素值存在较大差异，但在同一区域内，这些值与形成矿床时的海水硫酸盐的演化过程一致，这与构造环境无关。进一步的案例研究表明，MVT铅锌硫化物中的δ³⁴S_V-CDT值系统性地低于宿主岩石中捕获的当地海水硫酸盐（相应的重晶石则富集了硫），或者与早期成岩作用产生的硫化物中的硫同位素值相匹配——这两种现象都与局部硫酸盐的还原过程一致。这些结果表明，MVT矿床中的还原态硫主要来源于在矿床所在地被捕获并随后还原的当地海水硫酸盐，而非来自远处的区域来源。这一局部硫源模型为MVT矿床的形成提供了统一的成因框架，强调了局部地球化学储库在这些经济重要矿床形成中的关键作用。我们的发现有助于深入理解MVT铅锌矿床的成因，并为未来的勘探工作提供了实用的标准，即优先考虑含有富硫沉积序列的区域。

引言

密西西比河谷型（MVT）铅锌矿床是全球最重要的铅锌来源之一（Mudd等人，2017年；Leach和Song，2019年）。这些矿床属于后生矿床，主要形成于显生宙时期的海洋碳酸盐岩中（Leach等人，2001年；Leach等人，2010年），并且通常与火成作用没有明显的遗传联系（Sangster，1990年；Leach等人，2005年）。它们主要分布在浅层地壳的不同构造环境中，尤其是造山前缘和褶皱-逆冲带（Bradley和Leach，2003年；Song等人，2023年）。先前的研究表明，MVT矿床的形成与含金属盐水的区域到大陆尺度的迁移有关，这些盐水在通过氧化含水层时发生还原反应（Garven等人，1993年；Appold和Garven，2000年），这一过程发生在流体遇到大量H₂S的情况下（例如，Wilkinson等人，2005年），并且流体迁移数百公里被认为是铅锌矿化的重要控制因素（Bradley和Leach，2003年；Leach等人，2005年）。然而，在褶皱-逆冲带（如喜马拉雅-西藏造山带和阿特拉斯造山带）中也发现了MVT矿床（Reynolds和Large，2010年；Liu等人，2016年；Song等人，2023年），这些地区的宽度通常只有几十公里，岩石层也高度变形，因此大规模流体流动较为困难。因此，除了长距离流体运输外，必须有其他因素控制这些环境中MVT矿床的形成。

大量还原态硫的可用性可能是关键因素。先前的研究认为，MVT矿床中的还原态硫可以来自多种地壳来源（Sangster，1990年；Leach等人，2005年），包括海水硫酸盐、含硫酸盐的蒸发岩、成岩作用产生的硫化物以及有机结合的硫等（Seal，2006年；Leach等人，2010年；Anderson，2015年）。在大多数情况下，沉积物中捕获的海水硫酸盐（或含硫酸盐的蒸发岩）通过生物或非生物过程被还原，被认为是还原态硫的来源（Seal，2006年；Wilkinson，2014年）。然而，由于MVT矿床属于后生矿床，且经常涉及区域尺度的流体流动，精确确定原始硫酸盐的来源（即位置和形成过程）一直具有挑战性（Basuki等人，2008年；Fazli等人，2019年），这限制了我们对负责MVT矿床形成的硫的作用的理解。

与大多数仅关注单个矿床或矿区的先前研究不同，我们采用全球范围的方法，综合分析了来自全球80个矿床的2506个硫同位素数据点（数据S1；图1），首次确定了形成所研究MVT矿床的原始硫酸盐的主要来源（从而也确定了其年龄），并探讨了这一发现如何指导全球范围内的MVT矿床勘探。

数据选择与分析方法

我们编制了一个包含铅锌硫化物（方铅矿和闪锌矿）硫同位素组成的数据库（数据S1），其中包含了新数据（53条记录）和先前发表的数据（2453条记录）。所选矿床位于不同年龄和构造环境的碳酸盐岩层中（图1），包括褶皱-逆冲带（例如中国的三江带和非洲的阿特拉斯带）、造山前缘（例如美国的奥扎克地区）以及未明确构造环境的地区（例如中国的扬子地块）。

结果

我们研究的MVT矿床中闪锌矿和方铅矿的δ³⁴S_V-CDT值范围非常广泛（图2）。因此，在数据分析和展示中，我们使用了同龄岩石所包含矿床的最小（第1四分位数）和最大（第3四分位数）以及中位数（图2，图3）。中位数是指排序后列表中的中间数值（https://www150.statcan.gc.ca/n1/edu/power-pouvoir/ch11/median-mediane/5214872-eng.htm），它在统计学中常用作代表中心值。

全球MVT矿床中的硫来源

MVT矿床中铅锌硫化物中的还原态硫主要来源于细菌还原（BSR）或热化学还原（TSR）过程产生的硫酸盐（Sangster，1990年；Seal，2006年；Wilkinson，2014年）。然而，其原始硫酸盐的来源难以确定，因为这些硫酸盐可能来自矿化盐水中途任何位置的海洋沉积物、当地宿主岩石中的硫酸盐，或是从蒸发过程中渗透下来的硫酸盐。

结论

本研究通过综合分析80个矿床的硫同位素数据，阐明了MVT铅锌矿床中硫的来源。全球范围内铅锌硫化物的δ³⁴S值范围较广（?27.5‰至38.8‰），但在同一地区的宿主岩石年龄图中，这些值与硫酸盐的来源时间线平行。无论构造环境如何，这种一致性在褶皱-逆冲带、造山前缘和未明确构造环境的矿床中都得到了验证，表明硫主要来源于海水硫酸盐。

作者贡献声明

刘英超：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，方法学研究。侯增倩：撰写 – 审稿与编辑。岳龙龙：撰写 – 审稿与编辑，研究工作。庄亮亮：研究工作。马旺：研究工作。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

刘英超表示获得了中国国家重点研发计划的支持；刘英超还获得了中国地质科学院基础研究基金的支持；岳龙龙获得了

致谢

我们感谢以下人士的帮助：中国地质科学院地质研究所的刘敦义博士、刘建辉博士、季占胜博士、王晨博士和周立勤博士，以及澳大利亚国立大学的Richard Armstrong博士和Ian Williams博士在SHRIMP SI硫同位素分析方面的支持；GFZ赫尔姆霍兹地球科学中心的Sarah Gleeson博士对原始版本的编辑和评论；中国地质科学院地质研究所的郝洪达博士对