同位素示踪
同位素是判断地质体组成物质的来源及演化历史的重要手段之一。下面仅以锶、钕、硫、铅和氧同位素的资料，对本区成矿岩体及成矿物质的来源及演化历史提供某些证据。
1.锶和钕同位素的制约
由表7-1可见白音诺、布敦花、黄岗梁至巴尔哲，形成时代由老至新的与重要矿床有关的花岗岩类岩体，都有较低的锶初始比值0.698～0.7065，只有少数岩体锶比值大于0.7065，并且除黄岗梁的εSr（t）为负值（-21）外，其余岩体均为正值（+1.48～+74）。同时上述岩体又具有高初始钕的特点，如白音诺岩体εNd（t）=+1.85及东山湾内εNd（t）=+3.12（肖成东，2001），浩布高、黄岗梁和乌兰楚鲁特的εNd（t）分别为+1.5、8.12和2.47（蔡剑辉，2003），巴尔哲为εNd（t）=+1.33～+2.38（王一先等，1997）。实际上这个地区不仅与成矿有关的中生代岩体具有低的ISr和正的εNd（t）特点，如碾子山（李培忠等，1993）等岩体，而且前中生代的各类侵入体都具有低 ISr和高的εNd（t）特点（邵济安等，2002）。
大兴安岭地区大面积分布低ISr和高的εNd（t）及年轻的钕模式年龄（540～983Ma，754Ma）的花岗岩类岩石，而且这种现象不因岩体的形代时代及产出方式的不同而有所改变，这在世界上是不多见的，推测有从亏损地幔中分离出来的物质参与这些花岗岩类岩体的形成。
2.硫同位素
硫是自然界丰度相当高的元素之一。整个地球硫的丰度是3.8×10-2，地核为12×10-2，下地幔为1.5×10-4，上地幔为1×10-4，地壳为4×10-4（黎彤，1976）。硫可以不同的价态和形式存在于自然界，使硫在地质过程中会出现较大的同位素分馏。因而研究硫同位素对于了解自然界不同的含硫物质的变化历史非常有意义。
硫在自然界有4种稳定同位素：其丰度各为δ32S=95.02%、δ33S=0.75%、δ34S=4.21%、δ36S=0.02%（Tuli，1985）。研究工作中一般只测定δ34S/δ32S的比值。自然界各种物质的δ34S值变化范围很大，绝大多数样品在-40‰～+40‰间。已测定的陨石样品（除碳质球粒陨石外）的δ34S变化范围很窄，为0±2。超基性和基性岩及有关矿床的硫同位素组成与陨石一致，变化范围也不大。现代海洋硫酸盐的δ34S高且稳定，达20.0。地层中的海相蒸发盐是地质历史上的海洋硫酸盐，其δ34S值变化很大，在9～30间，沉积岩中与生物作用有关的硫化物、δ34S大多是负值，变化范围也很大。34S在高价态的化合物中富集，其富集顺序是：S2-＜
＜S0＜SO2＜
。
研究区内矿床的硫同位素已经积累了不少测定结果。图7-3是本区最重要的3个矿床硫同位素组成直方图。浩布高矿区，18个硫化物δ34S值分布呈塔形效应特征（图7-3），其最大值为+3.52，最小值为-3.90，变化幅度为7.42，平均值为-0.83。8个闪锌矿样品δ34S平均值为-0.4。7个方铅矿δ34S平均为-0.9。毒砂和磁黄铁（2个样）平均δ34S为0.3，黄铁矿的δ34S为+1.3。在平衡条件下，硫化物中富集δ34S的顺序是：辉铋矿（Bi2S3）＜辉锑矿（Sb2S3）＜辉铜矿（Cu2S）＜方铅矿（PbS）＜斑铜矿（Cu5FeS4）＜黄铜矿（CuFeS2）＜闪锌矿（ZnS）＜磁黄铁矿（FeS1-x）＜黄铁矿（FeS2）＜辉铜矿（MoS2）。浩布高矿床中总体是δ34S黄铁矿＞δ34S磁黄铁矿＞δ34S闪锌矿＞δ34S方铅矿。这表明所分析的硫化物可能是在硫同位素达到平衡的条件下结晶的（艾永富等，1990）。
图7-3 成矿带主要矽卡岩型矿床硫同位素直方图
a—浩布高；b—白音浩；c—黄岗梁
（据艾永富等，1990）
白音诺矿床分析了47个硫化物样品（闪锌矿29、方铅矿16、磁黄铁矿2），除磁黄铁矿δ34S为正值外，其余皆为负值。全部样品δ34S平均值为-3.5‰，最大值为+2.5‰，最小值为-6.6‰，变化幅度为9.2‰。由图7-3 可知样品δ34S 数据分布具塔形效应，80%的样品δ34S在-1‰～5‰间。29个闪锌矿δ34S为-3.7‰，最大值为-0.6‰，最小值为-6.6‰，变化幅度为7.2‰。16个方铅矿δ34S平均值为-3.8‰，最大值为-1.1‰，最小值为5.4‰，变化幅度为5.5‰。两个磁黄铁矿δ18S值平均为+2.5‰。由以上分析可知，白音诺矿床的闪锌矿和方铅矿相比，无论δ34S平均值，还是变化幅度皆是δ34S闪锌矿＞δ34S方铅矿，而磁黄铁矿δ34S平均值又大于闪锌矿。可以认为总体上白音诺矿床硫化物是在平衡状态下形成的。
黄岗梁矿床18个样品（闪锌矿14、方铅矿2，黄铜矿和毒砂矿各1），全部样品δ34S的平均值为+0.1‰，最大值为+2.2‰，最小值为-3.4‰，变化幅度为5.6‰。样品δ34S数据分析具塔形效应。毒砂（1个样）δ34S为+1.0‰。14个闪锌矿δ34S平均为+0.5‰，最大值为+2.2，最小值为-1.9‰，变化幅度为4.1‰。两个方铅矿 δ34S 平均为-0.8‰。1个黄铁矿的δ34S值仅-3.4‰。总体来看δ34S毒砂＞δ34S闪锌矿＞δ34S方铅矿。表明黄岗梁矿床硫化物的硫同位素也具有均一性，硫化物可能是在平衡状态下形成的。
据王关玉（1994）资料，本区大井、孟恩陶勒、布敦花3个热液（或热液-斑岩）型矿床的硫同位素组成，与前3个矽卡岩型矿床的硫同位组成也非常接近。如大井矿床，47个硫化物解δ34S平均值为+0.39‰，最大值为3.5‰，最小值为-3.9‰，变化幅度为7.4‰。而且δ34S黄铁矿＞δ34S毒砂＞δ34S闪锌矿＞δ34S方铅矿。孟恩陶勒盖24个样δ34S平均值为+2.22‰，最大值为+4.9‰，最小值为0.7‰，变化幅度仅 4.2‰，同样 δ34S黄铁矿＞δ34S闪锌矿＞δ34S方铅矿。布敦花36个样品δ34S平均值为-0.89‰，最大值为+1.5‰，最小值为-2.6‰，变化幅度4.1‰。富集34S的顺序同样是方铅矿＜闪锌矿＜黄铁矿。综合前述6个矿床，可以看到它们的硫化物的δ34S平均值均接近于0，并且δ34S数值都具塔式分布效应，最大值和最小值之间的变化幅度不大，硫化物之间硫同位素大体保持了平衡状态。但上述6个矿床之硫化物的硫同位素组成，还是存在一定差异。以δ34S平均值来看，孟恩陶勒盖最高（+2.22‰），其次是大井（+0.39‰），黄岗梁（+0.1‰），浩布高（-0.83‰），布敦花（-0.89‰）和白音诺（-3.5‰）。在6个矿床中3个矽卡岩矿床的δ34S值较低，而3个热液脉状矿床的δ34S值较高。而这6个矿床都和岩浆活动有关。据研究（Ault and Kulp，1960；Field，1966；Field and Moore，1971），在成因上和岩浆岩作用有关的铅锌多金属矿床中，离硫源区越远者，硫的δ34S值越低。孟恩陶勒盖热液脉状矿床就发育在花岗岩体内，如果硫是来自花岗岩浆，那么这个矿床δ34S值较高是合理的。另外，若这几篇文献总结的有关硫同位素组成的δ34S高低与距离硫源远近有关的规律是正确的话，那么大井矿床之硫，离源区不会远于那几个矽卡岩矿床。
应用硫同位素组成来示踪成矿物质来源时，确定可能的矿源岩的硫同位素组成是关键。在研究全岩样品时，这个问题比较简单，只要测定全岩硫同位素组成或者岩石中所含的同生黄铁矿的δ34S就可以了。但对于热液体系来说，不能简单用某种矿物的硫同位素组成来代表热液的硫同位素组成，并据此对硫同位素来源进行判断。根据大本模式（Ohmoto and Rye，1979），热液矿床硫同位素组成，是总硫同位素组成（δ34SΣ）、pH、
、离子强度（I）和温度（T）的函数，即δ34S=∫（δ34S∑，pH，
，I，T）。上述6个矿区在硫化物矿化阶段，主要矿物组合是闪锌矿、方铅矿、磁黄铁矿、黄铁矿，并且它们的δ34S值变幅较小，都没有发现硫酸盐矿物，所以判断，这几个矿床在硫化物形成阶段，是一种低
、低pH环境，在溶液中主要硫种是H2S，可以认为成矿溶液的δ34SΣ与硫化物的δ34S值接近。
前已指出，岩浆岩的δ34S平均值接近于0，对比之下，本区矿床中的硫主要来源于岩浆，这包括从岩浆熔体中释出的硫，以及从侵入岩中淋滤出的硫。从表7-2中可进一步看出δ34S的变化幅度比较小（4‰～9‰），不同于由榴辉岩代表的地壳变化幅度（25‰），更接近正常地幔的变化幅度（6‰），推测大兴安岭多金属矿床的形成过程有幔源岩浆和流体的参与。
表7-2 主要矿床的硫同位素组成
3.铅同位素
研究区内主要矿床中铅同位素数据列于表7-3。浩布高矿区5个方铅矿铅同位素的比值非常稳定，206Pb/204Pb的变化率为0.12%，207Pb/204Pb为0.14%，208Pb/204Pb为0.12%。6个钾长石的铅同位素比值变化率稍大一些，如206Pb/204Pb 变化率为0.94%，207Pb/204Pb是0.37%，208Pb/204Pb为0.70%；白音诺矿区5个方铅矿206Pb/204Pb变化率内0.13%，207Pb/204Pb是0.08%，208Pb/204Pb为0.07%。但两个钾长石的铅同位素比值变化率也不大，206Pb/204Pb变化率为0.19%，207Pb/204Pb为0.05%，而208Pb/204Pb为0.04%。总的来看，浩布高和白音诺两个矿区的矿石铅同位素稳定，变化范围小。浩布高矿区侵入体钾长石铅变化稍大，并且其同位素比值略高于矿石铅，这可能是钾长石中有少量铀、钍，故有铅的积累。但总体看来，浩布高和白音诺两个矿区钾长石铅与矿石铅的同位素组成大体是一致的，表明矿石铅与钾长石铅是同源的。
表7-3 主要矿床铅同位素组成及源区特征参数
续表
注：矿床（1）、（2）据艾永富、牟保磊（1990）；（3）、（4）据王关玉（1994）；（5）和（6）据盛继福、傅先政等（1999）。W表示232Th/204Pb。
黄岗梁矿区样品不多，钾长石2个，方铅矿和闪锌各一个。它们的铅同位素比值变化较大。钾长石的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb变化率分别为0.36%、0.26%和0.32%。2个矿石铅的上述3个比值分别为0.26%、0.55%和0.43%。尽管黄岗梁样品的铅同位素与浩布高和白音诺比有上述差异，但从计算的H-H模式年龄、μ、W和Th/U值看，除了个别样品位外，它们的值都是非常接近的。
布敦花和孟恩陶勒盖样品无论铅同位素比值的绝对数值及比值变化的范围，还是计算的μ、W和Th/U及模式年龄与前3个矿区都完全可以对比。所以位于大兴安岭主矿带即黄岗梁—甘珠尔庙—乌兰浩特带上的矿床具有大体上一致的铅同位素组成。
大井矿床样品铅同位素206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb的比值分别为18.258～18.35、15.487～15.586和37.969～38.550，模式年龄为132～389Ma，μ、W和Th/U分别为9.25～9.44、34.4～36.0和3.59～3.69。大多样品与黄岗梁—甘珠尔庙—乌兰浩特成矿带上主要矿床的铅同位素一致。但有少数样品铅同位素比值较高，模式年龄偏大，在240～389Ma间，μ及Th/U值也较大。
据文献资料，凡铅同位素相对稳定的矿床，206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值的变化率约在0.3%至1%间，有的可在0.20%以下，如澳大利亚新南威尔士铅锌矿床之方铅矿的206Pb/204Pb及207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比率变化范围在0.2%以下。这样的铅多属正常铅，也称单阶段铅，白音诺和浩布高矿区的方铅矿铅的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值的变化率均小于0.2%，所以这些铅可能是或接近正常铅。其他矿区铅同位素比值的变化范围稍大，但是也都在0.6%以下。所以本区铅同位素整体看，是稳定的，长石铅与矿石铅基本一致，这表明所研究矿床的确是和岩浆作用等能使铅同位素趋向均一化的地质事件有关。
由计算的模式年龄（表7-3）看，浩布高个别钾长石样品年龄值为几十个Ma，白音诺个别的方铅矿模式年龄值很低，而黄岗梁、大井和孟恩陶勒盖个别样品的模式年龄值超过了240Ma，同时年龄高的样品μ和Th/U值也较高。其他大多数样品的模式年龄值与岩体或成矿时间相近，表明这些铅虽然不能说完全是正常铅，但其演化历史并不很复杂。
关于本区铅的成因模式讨论：由表7-3可知，本区主要矿床样品的铅同位素为低μ源区，这些样品分布在图7-4的岛弧铅演化曲线下、地幔铅演化线上。图7-4中样品分布最集中的就是浩布高、白音诺矿区的样品，布敦花的样品和大井子的大部分样品也分布在这个区域，可以说本区铅元素主要来自上地幔或下地壳。当然有大井的3个方铅矿样品和黄岗梁的1个闪锌矿样品，其中3个分布在图7-4内岛弧铅演化线和上地壳铅演化线之间，有1个样品，即黄岗梁的1个闪锌矿样品甚至位于上地壳铅演化线的上方。说明尽管这个地区矿床矿石铅（也包括钾长石铅）基本上源自地幔，但还是有其他源区少量的铅混入。从计算的模式年龄看，绝大多数在100～230Ma间，这个年龄区间也正是本区的矿床的形成期。有少数样品的模式年龄低于100Ma，这样的样品中的铅可能与高μ或中μ源区有关。又有少数样品的模式年龄高于230Ma，这样的样品具高W和高Th/U。模式年龄的整体状况说明，本区的铅的确与岩浆作用有关。综合本区铅同位素稳定、变化范围小的状况，可判断具有地幔铅的特点。结合计算的μ、W和Th/U参数，还可以判断，本区的铅有少量地壳铅混入，另有少量古老地壳的活化铅混入。
图7-4 与岩浆活动有关的铅锌矿床的同位素组成
I—岛弧铅演化曲线（Doe and Zartman，1979）；M—地幔铅演化曲线；U—上地壳铅演化曲线；D—单阶段铅演化曲线（Doe et al.，1974）；CR—开放体系铅线性增加演化曲线（Cummingand Richards，1975）；SK—两阶段铅演化曲线（Stacey and Kramers，1975）；A—东南沿海；黑点和叉分别为本书研究区内矿床中方铅矿的铅和与矿床相关岩体中钾长石的铅（据陈好寿，1997，补充）
4.氧同位素
巴尔哲岩体亏损δ18O，白音诺和浩布高岩体及矽卡岩矿物也都亏损δ18O，它们被认为是低δ18O岩浆形成的产物，这3个岩体氧同位素的研究情况已在本书第6章中作了讨论，此不赘述。黄岗梁矿床，与之有关的岩体钾长花岗岩δ18O为+8.4‰。矿床中磁铁矿δ18O为+3.9‰～-1.7‰，成矿阶段石英δ18O值为+6.8‰～+9.6‰，晚期石英（晶洞中石英）为+0.6‰。表明黄岗梁矿床氧同位素组成与白音诺、浩布高有明显不同，它较前两个矽卡岩型矿床较富集δ18O。同样大井热液型银、锡、铜、铅和锌矿床也较富18O。大井矿床成矿阶段石英的δ18O为+13.6‰～+14.9‰，菱铁矿δ18O为+13.7‰～+16.5‰，晚期石英δ18O为+7.7‰～+3.2‰。
上述不同矿床氧同位素的差异表明铅锌矿床及与之有关的侵入体是亏损δ18O的，而锡多金属矿床及与之有关的侵入体则不亏损δ18O。这表明，尽管这个地区侵入岩和矿床，它们大的地质背景和源区是相同的或者是相似的，但各个矿床及相关的岩体的物质源区深度、源区岩石部分熔融程度，及岩浆形成后的结晶分异作用都有着明显的差异。这一点将在微量元素部分一并讨论。
