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古生代火山岩型多金属硫化矿床成矿机制研究——以华北地台北缘辽东-胶东-鲁西构造带李家峪火山带为例，通过火山构造解析、硫同位素示踪（δ34S+7.69‰至+16.39‰）及锆石U-Pb定年（2.18 Ga）揭示海底热液成矿系统，证实该矿床形成于伸展性洋盆环境，为太古宙板块构造演化提供新证据。
田中华|刘福来|麦肯齐·道格|季雷|王丹|贾杜|王慧宁|肖文娇
中国地质科学院地质研究所深部地球与矿产勘查国家重点实验室，北京，100037，中国
摘要
大规模硫化物矿床是铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）等基本金属和关键微量元素的重要来源，但其在古代构造环境中的形成机制仍不明确。本研究聚焦于华北克拉通东部乔辽冀造山带内的古元古代李二峪火山带——该火山带以保存完好的火山构造（包括多个火山中心）为特征——以填补这一知识空白。我们对李二峪组进行了详细的构造分析，并结合了原位黄铁矿硫同位素（δ34S）和微量元素分析、磁铁矿微量元素分析、黄铁矿分布研究以及锆石U-Pb地质年代测定。综合结果表明，这些矿化作用起源于海底热液：硫主要来源于海水中的硫酸盐（δ34S：+7.69‰至+16.39‰），矿石矿物是在约21.8亿年前的火山环境中由热液沉淀形成的，这一结论通过诊断性微量元素特征（如黄铁矿中的Co/Ni比值、磁铁矿中的V-Ti比值）以及黄铁矿中的复杂分带现象得到证实。结合区域地质背景，我们将该矿床归类为火山成因的大规模硫化物矿床（VMS）。这种古元古代构造环境与现代俯冲系统类似，证实了约21.8亿年前板块构造作用的活跃。这些发现不仅阐明了李二峪带的时间和构造演化过程，还为全球古代扩张型海洋盆地中的VMS矿床形成提供了有力模型。
引言
古元古代（约25–18亿年前）是地球历史上的一个关键时期，这一时期见证了超级大陆的形成、大氧化事件以及生物进化（Zhao等人，2012；Perret等人，2025；Liang等人，2025）。这一时期的火山岩记录了超级大陆的形成、深部地壳-地幔过程以及地表环境变化，同时也蕴藏着丰富的矿产资源（Bai等人，2024；Zeng等人，2025）。例如，对阿尔塔弗洛雷斯塔矿区（Kunifoshita等人，2024）和艾利克群（Hinchey，2021）的研究对于重建超级大陆努纳聚合过程中的局部火山系统及其构造环境至关重要。Kunifoshita等人（2024）在碰撞后的裂谷环境中识别出多个火山周期（18.38–17.92亿年前），为亚马逊克拉通的构造框架提供了关键约束。同样，Hinchey（2021）将艾利克群中保存完好的火山-沉积岩相解释为形成于汇聚边缘的后弧裂谷，为古元古代弧相关火山作用提供了详细模型。因此，研究古元古代火山作用对于解读前寒武纪地质演化具有重要意义。
华北克拉通（图1a）保存了世界上最丰富的古元古代地质记录之一，其中包含乔辽冀造山带——一个重要的古元古代造山带（图1b）（Li等人，2005；Liu等人，2015；Tian等人，2017）。在该造山带内，李二峪组（先前测定年龄为约21.8–21.2亿年前）是一个可能与大规模硫化物矿化相关的关键火山序列（Bi等人，2018；Xu等人，2020）。然而，仍存在几个关键知识空白：（1）火山构造的形态、岩相分布及其时空演化尚未得到充分描述；（2）这种火山作用与区域范围内广泛分布的硫化物矿化之间的成因关系尚不清楚，阻碍了金属成因模型的建立；（3）火山盆地的构造环境存在争议，不同的模型提出了大陆裂谷或俯冲相关的扩张型海洋盆地两种可能性，这对理解区域地质动力学和勘探目标具有直接影响。为解决这些问题，我们在乔辽冀造山带中部的鞍山地区对李二峪组火山岩进行了综合的野外和实验室研究（图2）。我们的工作结合了详细的野外构造分析和硫化物矿石的硫同位素及原位微量元素地球化学研究，以追溯金属来源和流体演化过程，并利用锆石U-Pb地质年代测定技术精确确定了火山事件及后续构造事件的时间。这种多方法结合的研究旨在阐明火山作用与大规模硫化物矿化之间的时空和成因关系。研究结果建立了精细的地层和成矿框架，为华北克拉通的古元古代构造演化提供了新的见解，并为类似地区的矿产勘探提供了指导。
地质背景
乔辽冀造山带（JLJOB）是华北克拉通内的主要古元古代造山系统之一，与跨华北造山带和Khondalite带（图1a）并驾齐驱（Zhao等人，2012）。它形成于克拉通的东部区块，位于龙岗块和南岭块之间。该区域的构造性质被不同学者解释为古元古代裂谷盆地（Li等人，2005），或更近期地被归类为后弧盆地。
野外工作、样品采集与地点
野外工作集中在李二峪火山带，该火山带呈倒“V”形分布，东西方向延伸约100公里（图2，图4）。研究重点关注Wang（1982）在该带内识别出的三个关键古火山构造：上华火山口（西部）（图2）、梁家火山口（中部）（图4a）和磨天岭火山口（东部）（图4b-c）。该火山带具有多样的岩石组合。古元古代火山构造的特征
三个独立古火山口的发现表明该地区经历了多阶段的火山活动，为重建乔辽冀造山带的构造演化提供了关键信息。我们特别关注梁家古火山构造（图2和图4a），因其结构完整且分布范围广泛。为阐明火山构造，我们对该区域从太古宙基底到大石桥组的地层进行了全面的横断面分析。
火山岩与大规模硫化物矿床的成因
为明确华北辽河群中李二峪火山岩和火山碎屑岩中所含大规模硫化物矿床的成因，首先需要研究矿床周围地层的沉积演化特征（图3）。Wen等人（2021）对 Langzishan 组底部的两种石英岩进行了深入分析。结论
- （1）结构分析显示，李二峪组包含多个保存完好的火山构造。尽管受到后期变形的影响，但其原始形态仍可辨识，为矿化作用提供了重要的地质背景。
- 精确的锆石U-Pb地质年代测定将李二峪组中的火山作用及相关硫化物矿化的时间确定为21.8亿年前。这一可靠的年龄数据解决了之前关于该矿床沉积年龄的争议。
作者贡献声明
田中华：撰写初稿、进行正式分析、数据管理。刘福来：撰写、审稿与编辑、监督工作。麦肯齐·道格：撰写、审稿与编辑、监督工作。季雷：撰写、审稿与编辑。王丹：撰写、审稿与编辑。贾杜：撰写、审稿与编辑。王慧宁：撰写、审稿与编辑。肖文娇：撰写、审稿与编辑、监督工作。
未引用的参考文献
Cloutier等人，2017
Duuring等人，2016
Marshall等人，1998
Pilote等人，2017
Shanks和Thurston，2012
Tian等人，2024
Zhao等人，2024
致谢
我们感谢王伟博士、徐旺、刘萍华、张文和朱建江在研究中的宝贵讨论。同时，也要感谢研究生李晓东、文飞、李同宇、陈国明和柴伟波在野外工作中的协助。本项目得到了中国科学技术部国家重点研发计划（项目编号2022YFC2903502）和国家自然科学基金（项目编号92062214）的财政支持。
