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潘忠飛1,2，付勇1,2，郭川1,2，施春華1,2，劉靈3，劉陽(yáng)1,2，龍珍1,2，羅培麒1,2，劉國(guó)棟1,2，姚蘭1,2，楊穎1,2，楊黔閩1,2 1 貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院2 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇一地質(zhì)大隊(duì) 第一作者：潘忠飛，碩士研究生，地球化學(xué)專業(yè)。 通訊作者：付勇，博士，教授，主要從事礦床地球化學(xué)及相關(guān)研究。 重晶石廣泛應(yīng)用于化工，石油，建材，醫(yī)藥等行業(yè)。全球超過(guò)95%的鉆井泥漿加重劑都是選用的重晶石，“物美價(jià)廉”，屬于尚無(wú)其它替代的重要礦產(chǎn)資源。一直以來(lái)，重晶石都是中國(guó)的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)，但近年來(lái)重晶石的開發(fā)利用使其從優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫o缺礦產(chǎn)，已建議列入中國(guó)的戰(zhàn)略性非金屬礦產(chǎn)名錄。重晶石全球范圍內(nèi)廣泛分布，重晶石礦床具有形成時(shí)代多、元素來(lái)源復(fù)雜、成礦作用多樣等特點(diǎn)，目前有關(guān)重晶石礦床的成因仍存在爭(zhēng)議。文中系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外研究成果，厘定了不同類型的典型礦床、成礦時(shí)代規(guī)律，探討了不同類型礦床中成礦元素來(lái)源、成礦作用及成礦機(jī)制。重晶石礦可分為沉積型、巖漿熱液型、層控型、火山-沉積型和風(fēng)化（殘積）型，主要分布在特提斯成礦域和勞亞成礦域，其他地區(qū)主要是岡瓦納成礦域和環(huán)太平洋成礦域，其中沉積型是最主要的成礦類型，占重晶石礦床的60%以上；成礦時(shí)代主要為古生代和中生代，賦礦巖系以沉積巖為主，其次為巖漿巖；成礦物質(zhì)來(lái)源具有多源性、多樣性、差異復(fù)合性等特點(diǎn)；成礦機(jī)理復(fù)雜，具有多階段性、多因素等特點(diǎn)。基金項(xiàng)目：本文得到國(guó)家自然科學(xué)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：U1812402）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：42063009）、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局中國(guó)礦產(chǎn)地質(zhì)志項(xiàng)目（編號(hào)：DD20160346，DD20190379）、貴州省人才基地資助項(xiàng)目（編號(hào)：RCJD2018-21）、黔地礦研科合{2021}24號(hào)及貴州大學(xué)大學(xué)生“SRT計(jì)劃”項(xiàng)目聯(lián)合資助。 0 引言 1 重晶石礦床的時(shí)空分布 2 礦床類型和基本特征 2.1 沉積型重晶石礦床 2.2 風(fēng)化（殘積）型重晶石礦床 2.3 巖漿熱液型重晶石礦床 2.4 層控型重晶石礦床 2.5 火山-沉積型重晶石礦床 3 成礦元素來(lái)源 3.1 硫的來(lái)源 3.2 鋇的來(lái)源 3.3 礦床成因 4 結(jié)論與展望 重晶石是一種重要的非金屬原料礦物，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水和鹽酸，無(wú)磁性和毒性，具有化學(xué)惰性。重晶石礦是以硫酸鋇（BaSO4）為主要成分的非金屬礦產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于化工，石油，建材，醫(yī)藥等行業(yè)。一直以來(lái)，重晶石都是中國(guó)的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)，但近年來(lái)重晶石的開發(fā)利用使其從優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫o缺礦產(chǎn)，且重晶石被列入中國(guó)的戰(zhàn)略性非金屬礦產(chǎn)名錄。目前，學(xué)術(shù)界主流觀點(diǎn)認(rèn)為世界上發(fā)現(xiàn)的重晶石礦床有5種類型：按照礦床成因可劃分為沉積型、熱液型、層控型、火山-沉積型和風(fēng)化（殘積）型，其中層控型和沉積型在礦床成因上有一定的疊加。重晶石的成礦時(shí)代以古生代為主，熱液型主要分布在奧陶紀(jì)、泥盆紀(jì)和三疊紀(jì)地層中，通常與其他金屬礦產(chǎn)共生；層控型主要受到古生界寒武系—奧陶系富鋇碳酸鹽巖圍巖的斷層裂隙控制；火山-沉積型礦床形成于元古宙，多為大型伴生礦床；風(fēng)化（殘積）型主要由以碳酸鹽巖和碎屑巖為含礦圍巖的重晶石礦床風(fēng)化形成，呈松散堆積物形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，沉積型重晶石礦床占總資源量的60%以上，熱液型重晶石礦床占比超過(guò)總資源儲(chǔ)量的20%以上，是目前最為重要的重晶石礦床類型。在已有的研究中，對(duì)重晶石礦床的研究多集中在單個(gè)礦床或者單一類型的成礦區(qū)帶上，缺乏對(duì)全球性、區(qū)域性的成礦規(guī)律總結(jié)，從而在一定程度上制約了進(jìn)一步找礦勘查工作的開展。因此本文分析了重晶石礦床地質(zhì)特征、時(shí)空分布規(guī)律、成礦機(jī)制和物質(zhì)來(lái)源，進(jìn)一步總結(jié)了控礦因素和成礦機(jī)理，為下一步找礦勘查工作提供科學(xué)依據(jù)。全球重晶石資源較為豐富，在時(shí)間上和空間上存在顯著的不均一性。重晶石礦床的分布及基本特征如表1所示，主要集中在特提斯成礦域、勞亞成礦域、岡瓦納成礦域和環(huán)太平洋成礦域（圖1）。表1 全球主要重晶石礦床、礦點(diǎn)及基本特征 圖1 全球重晶石主要分布(數(shù)據(jù)來(lái)源于表1參考文獻(xiàn)) 重晶石礦床主要形成于古生代，其次為中生代和新生代（圖2）。岡瓦納成礦域重晶石礦床主要形成于三疊紀(jì)和石炭紀(jì)；環(huán)太平洋成礦域重晶石礦床主要形成于晚古生代；勞亞成礦域重晶石礦床形成于震旦紀(jì)—早寒武世過(guò)渡期，其次為晚古生代；特提斯成礦域重晶石礦床主要形成于寒武紀(jì)，其次為泥盆紀(jì)、二疊紀(jì)和三疊紀(jì)，缺乏中生代以后的礦床（表1）。圖 2 全球重晶石礦床類型及時(shí)代分布 岡瓦納成礦域重晶石礦床主要分布在印度南部，礦床類型多為沉積型，典型礦床有Sargur重晶石礦床和Manganpet重晶石礦床；環(huán)太平洋成礦域重晶石礦床主要分布在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州、墨西哥和中國(guó)，以沉積型礦床為主，典型礦床有美國(guó)Nevada重晶石礦床、墨西哥SierradeSantaRosa重晶石礦床和福建省李坊重晶石礦床；勞亞成礦域重晶石礦床主要分布在中國(guó)的大部分地區(qū)和美國(guó)東部地區(qū)，以沉積型為主，其次為巖漿熱液型，典型礦床有美國(guó)阿肯色州層狀重晶石礦床、秦嶺-大巴山重晶石礦床和湘黔地區(qū)大河邊重晶石礦床（圖3）；特提斯成礦域重晶石礦床主要分布在德國(guó)、摩洛哥、土耳其和伊朗，沉積型和巖漿熱液型均有產(chǎn)出，沉積型礦床主要分布在土耳其西部地區(qū)的Sarkikaraagac礦床Huyuk礦床和東部地區(qū)Onsen礦床，熱液型礦床以伊朗Badroud礦床和Chenarvardeh礦床為典型礦床。圖3 中國(guó)重晶石礦床分布簡(jiǎn)圖(據(jù)李春陽(yáng)等，2010修改) 重晶石礦床類型按照不同礦床成因、產(chǎn)出形式和物質(zhì)來(lái)源等特征可分為：①沉積型重晶石礦床，即在成礦環(huán)境中，在海相或湖相水體中沉積形成的礦床，具體類型可為成巖沉積、冷泉沉積、生物沉積或海底熱液沉積，多為同生成因礦床；②巖漿熱液型重晶石礦床是指在一定的斷陷盆地或者構(gòu)造活動(dòng)帶中巖漿結(jié)晶冷凝分異產(chǎn)生的含礦氣水熱液，在含礦巖體附近經(jīng)過(guò)交代、充填作用形成的礦床。礦床的物質(zhì)來(lái)源與巖漿巖具有密切關(guān)系，主要為巖漿巖析出的氣水熱液攜帶，具有熱液礦床的成礦專屬性特征；③層控型重晶石礦床是指與巖漿活動(dòng)無(wú)直接關(guān)系，主要產(chǎn)于沉積巖地區(qū)，礦石建造與沉積巖有關(guān)聯(lián)性的熱液礦床。該礦床的物質(zhì)來(lái)源主要為下伏地層和圍巖中的含礦物質(zhì)，形成于某一特定的地層中，礦床常具有成群成帶展布和一定的“層”、“相”、“位”集中的特點(diǎn)，具有外生成因和內(nèi)生成因礦床的復(fù)合特點(diǎn)，其成礦過(guò)程具有復(fù)雜性和多階段性。礦體與巖漿侵入體關(guān)系一般不明顯；④火山-沉積型重晶石礦床是指在火山噴發(fā)作用晚期及不同火山旋回的間歇期，大量的火山氣液和圍巖之間及其他氣液之間發(fā)生復(fù)雜的相互作用，在有利地質(zhì)作用下，促使有用組分改變和沉淀形成的礦床，形成了礦體埋藏淺、成礦溫度低等特征，重晶石常以伴生礦體產(chǎn)出，在礦床附近具有明顯的圍巖蝕變現(xiàn)象；⑤風(fēng)化（殘積）型重晶石礦床是指形成于原生重晶石礦床附近，受到表生地質(zhì)作用影響，使原生重晶石風(fēng)化破碎，剝蝕搬運(yùn)到低洼地區(qū)堆積形成的一類重晶石礦床，屬于典型后生成因礦床。積型礦床是指在特定的地臺(tái)邊緣附近，由于各種地質(zhì)作用的影響，攜帶大量的含Ba流體與海水中的硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)，在強(qiáng)還原環(huán)境中進(jìn)行富集沉積的重晶石礦床。礦床主要形成于沉積盆地碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖和黑色巖系中，呈似層狀和透鏡狀產(chǎn)出（圖4）；主要礦物為重晶石，次要礦物為石英，其他礦物有方解石、黃鐵礦、鋇冰長(zhǎng)石等；沉積結(jié)構(gòu)明顯，具有條帶狀、結(jié)核狀、豆?fàn)詈涂p合線構(gòu)造等；礦床形成時(shí)代多為古生代，其次為中生代。沉積型重晶石礦床分布廣泛，如美國(guó)內(nèi)華達(dá)地區(qū)、土耳其和加拿大西北部及中國(guó)的湘黔桂地區(qū)等。圖4 典型重晶石礦床地層柱狀圖(據(jù)詹柏松等，1985；李遠(yuǎn)志，2013；鄒灝，2017；Derakhshi et al.，2020；李巖等，2020；王富良等，2020) 1—白云巖；2—灰?guī)r；3—生物碎屑灰?guī)r；4—亮晶灰?guī)r；5—頁(yè)巖；6—硅質(zhì)巖；7—重晶石硅質(zhì)巖；8—板巖；9—硅質(zhì)結(jié)核；10—黏土巖；11—凝灰質(zhì)粉砂巖；12—變質(zhì)粉砂巖；13—石英千枚巖；14—千枚巖；15—石英砂巖；16—砂巖；17—角礫凝灰?guī)r；18—流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r；19—層狀流紋質(zhì)角礫巖；20—安山巖；21—流紋巖；22—花崗巖；23—輝綠巖；24—超基性巖；25—重晶石礦層；26—重晶石透鏡體 美國(guó)Nevada重晶石成礦帶形成于上泥盆統(tǒng)北美大陸邊緣洋盆和大陸隆升環(huán)境的深水相，位于大陸構(gòu)造斷裂帶附近（圖5）。賦礦圍巖以層狀碳質(zhì)黑色頁(yè)巖、硅質(zhì)巖和深灰色或黑色碳酸鹽巖組成。礦體呈透鏡狀產(chǎn)出，礦石主要礦物有重晶石，見(jiàn)少量黃鐵礦。具有定向排列規(guī)律，見(jiàn)滑塌、濁流和碎屑流的構(gòu)造特征，具有大陸邊緣型沉積礦床特征。最近研究表明，該礦床Sr同位素值（0.70803~0.71064）要高于同時(shí)期海水中Sr同位素值，La/Ce比值顯示重晶石礦床為生物成因，δ34S值為+20.9‰~+56.3‰高于同時(shí)期海水中硫酸鹽的值（+10.0‰~+20‰）。圖5 美國(guó)內(nèi)華達(dá)重晶石礦床分布圖(據(jù)Poole，1988) 土耳其garkikaraagag礦床位于土耳其西部地區(qū)，是土耳其最大的沉積型重晶石礦床，賦礦圍巖為寒武系—泥盆系碳酸鹽巖（圖6），主要礦物由重晶石、方鉛礦和黃銅礦組成，還有少量方解石、石英等礦物，礦體呈脈狀產(chǎn)出，在圍巖之間出現(xiàn)局部整合礦體。Cansu等（2020）通過(guò)對(duì)該礦床的Sr-S-O同位素研究，認(rèn)為該礦床主要位于冷泉重晶石礦附近，成礦物質(zhì)來(lái)源于古地殼，礦床的形成受到了造山運(yùn)動(dòng)和推覆構(gòu)造的影響，使礦體形成于斷裂構(gòu)造帶中。圖6 土耳其重晶石礦床分布和構(gòu)造單元簡(jiǎn)圖(據(jù)Cansu et al.，2020) 天柱重晶石礦床發(fā)育在揚(yáng)子地塊東南緣斷陷盆地中，分布在斷裂帶兩翼，形成多個(gè)礦段（圖7），為克拉通裂谷盆地中形成的沉積型礦床。礦體主要賦存于埃迪卡拉系—上寒武統(tǒng)的黑色碳質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)巖建造中，礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出（圖4）。許多學(xué)者認(rèn)為礦床成礦物質(zhì)主要來(lái)自海底熱液。例如吳朝東等（1999）認(rèn)為鋇的來(lái)源主要為熱液噴流，硫主要受到了沉積環(huán)境中的有機(jī)質(zhì)和生物活動(dòng)作用的影響；夏菲等（2004；2005）認(rèn)為重晶石礦床的形成受到了海底熱液物質(zhì)和陸源物質(zhì)的影響，鋇來(lái)源于深部物質(zhì)，硫主要為同時(shí)期海水硫酸鹽來(lái)源，同時(shí)遭受到了硫酸鹽還原菌作用的影響。楊瑞東等（2007）、魏懷瑞等（2012）和陳軍等（2014）研究發(fā)現(xiàn)重晶石礦床具有海底噴流沉積構(gòu)造，海底噴流沉積構(gòu)造序列為天柱重晶石礦床的熱水噴流成因提供了重要證據(jù)。同時(shí)Zhou等（2022）通過(guò)重新厘定天柱重晶石礦床的礦物學(xué)和地球化學(xué)同位素研究，認(rèn)為天柱重晶石礦床是冷泉成因?yàn)橹鲗?dǎo)的大規(guī)模沉積型礦床，沉積環(huán)境為沉積物—海水界面附近的硫酸鹽甲烷過(guò)渡帶（SMTZ）。圖7 貴州天柱重晶石礦床區(qū)域地質(zhì)圖（據(jù)陳建書等，2011）圖8 重慶東南部彭水地區(qū)構(gòu)造綱要及重晶石礦點(diǎn)位置(據(jù)鄒灝等，2016) 1—泥盆系—二疊系；2—二疊系—三疊系；3—震旦系—志留系；4—地質(zhì)界線；5—斷層；6—背斜；7—向斜；8—省界；9—重晶石礦點(diǎn) 風(fēng)化（殘積）型礦床是指在原生重晶石礦床附近，由于受到物理化學(xué)等作用，使原生重晶石機(jī)械破碎，搬運(yùn)到低洼地區(qū)形成的重晶石礦床。主要形成于含重晶石硅質(zhì)巖中或者是碳酸鹽巖的未固結(jié)殘積物中，礦物成分較為簡(jiǎn)單，主要以重晶石、石英為主，偶見(jiàn)黃鐵礦、方解石等副礦物。礦體呈似層狀、條帶狀及不規(guī)則狀產(chǎn)出（李文光，1994），可分為殘積塊狀、砂土狀和坡積狀重晶石。風(fēng)化（殘積）型重晶石礦的形成主要由于重晶石的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被溶解和化學(xué)風(fēng)化等特征決定的，是典型的外生成因礦床。 風(fēng)化（殘積）型重晶石礦床分布有限，主要分布在環(huán)太平洋成礦域，例如海南儋縣冰嶺重晶石礦床。礦床主要位于武夷—云開—臺(tái)灣造山系，在區(qū)域上形成了北東向白沙坳陷構(gòu)造帶。礦體賦存于二疊系峨查組第四巖性段底部條帶狀含重晶石硅質(zhì)巖之上，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)造可分為殘積塊狀、砂土狀和坡積狀重晶石。巖漿熱液型礦床是指在一定的構(gòu)造作用下，含礦熱液通過(guò)交代和充填作用在一定的地層中形成的礦床。含礦巖系主要為火山角礫巖、凝灰?guī)r和泥巖中（圖4），主要礦物為重晶石，次要礦物為石英、方解石、白云石和黃鐵礦等，具有粒狀、板狀和壓碎等結(jié)構(gòu)構(gòu)造，礦體受到構(gòu)造作用、巖漿活動(dòng)的影響，常以充填和交代的方式賦存于圍巖中，圍巖蝕變顯低溫特征，硅化、碳酸鹽化普遍，成礦時(shí)代為白堊紀(jì)、侏羅紀(jì)以及奧陶紀(jì)、泥盆紀(jì)等，常常形成伴生礦床，成礦物質(zhì)主要來(lái)源于鎂鐵質(zhì)火山巖、鈣堿性流紋質(zhì)火山巖，具有多源性特點(diǎn)，是典型的后生礦床。礦床主要分布于構(gòu)造活動(dòng)帶或者是造山帶附近，如伊朗Chenarvardeh礦床、德國(guó)Schwarzwald礦床和新疆阿爾登可夕重晶石礦床等。伊朗Chenarvardeh礦床位于伊朗西部地區(qū)烏爾米爾-多赫塔爾巖漿帶，形成于新特提斯洋俯沖到伊朗地塊下的大陸弧環(huán)境中。賦礦圍巖為上始新統(tǒng)火山碎屑巖和巖漿巖，主要礦物以重晶石為主，伴生礦物為石英、方解石、錳氧化物、方鉛礦等金屬硫化物。礦體呈透鏡狀、似層狀產(chǎn)出，自形—半自形結(jié)構(gòu)，礦床中Rb、Zr、Y、Ta等微量元素相對(duì)虧損QREE含量較低，具有明顯的Ce負(fù)異常，顯示出典型的巖漿熱液特點(diǎn)。 阿爾登可夕重晶石礦床位于天山興蒙造山活動(dòng)帶，成礦環(huán)境為濱?！妓猁}沉積。賦礦地層為上奧陶統(tǒng)伊南里克組，圍巖巖性為蝕變大理巖、石英脈和灰?guī)r。主要礦物為重晶石，少量的毒重石、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦，次生礦物為孔雀石等。礦體呈脈狀、網(wǎng)脈狀產(chǎn)出，他形粒狀、半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，絹云母化、石墨化、黃鐵礦化和白云母化發(fā)育。在區(qū)域應(yīng)力作用下，產(chǎn)生一系列斷裂構(gòu)造，熱液從圍巖萃取了成礦物質(zhì)形成含礦熱液，并從斷裂通道上移到合適地段交代、充填于石英脈、蝕變大理巖內(nèi)成礦，形成與構(gòu)造巖漿熱液有關(guān)的重晶石礦床。層控（內(nèi)生）型是指受到地層層位的明顯控制，含礦物質(zhì)在某一特定的巖性中富集成礦，具有典型的“層”、“相”、“位”集中的特點(diǎn)，形成于盆地邊緣或臨近控制巖相突變帶的同沉積斷裂帶，受到地層層位控制，呈層狀或者脈狀產(chǎn)出，多產(chǎn)于硅質(zhì)巖、碳酸鹽巖或者碎屑巖中（圖4），圍巖為形成于上寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)沉積地層，沉積環(huán)境為陸內(nèi)裂谷的斷陷碳酸鹽巖盆地。圍巖蝕變以硅化為主，礦體向上蝕變減弱，具有上厚下薄、上富下貧的礦化特征。成礦物質(zhì)主要來(lái)源于礦層圍巖或者深層含礦熱鹵水，形成了一個(gè)礦源層、含礦熱液（熱鹵水）、容礦層和蓋層構(gòu)成的生、儲(chǔ)、蓋組合成礦系統(tǒng)，成礦物質(zhì)具多源性，并且可能與陸源、深源和火山-氣液相關(guān)，導(dǎo)致層控型重晶石礦床具有同生成因和后生成因的復(fù)合成礦體系，礦床主要分布在中國(guó)南秦嶺—大巴山一帶（圖2、圖9）。例如南莊坪重晶石礦床、彭水郎溪重晶石礦床等。圖9 摩洛哥地質(zhì)簡(jiǎn)圖及重晶石礦床的位置圖(據(jù)Azza，1998；Jebrak et al.，2011) 南莊坪礦床形成于準(zhǔn)地臺(tái)褶皺帶，屬于多期次構(gòu)造活動(dòng)間，賦礦圍巖為奧陶系碳酸鹽巖，主要礦物為螢石、重晶石，脈石礦物主要有方解石、褐鐵礦和黃鐵礦等金屬硫化物，圍巖蝕變主要為重晶石化、白云石化、方解石化和絹云母化。鄒灝（2016）等研究發(fā)現(xiàn)重晶石礦床中具有明顯的Eu正異常和Ce負(fù)異常，F(xiàn)REE為7.06x10-6~10.24x10-6，含量較低，HREE相對(duì)于LREE虧損，認(rèn)為重晶石的物質(zhì)來(lái)源主要是下伏沉積巖，巖漿流體并未參與成礦作用，成礦流體主要為蒸發(fā)巖中的熱鹵水。成礦環(huán)境為淺海陸棚沉積，地表水和海水受到了溫度差和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，使下伏地層中的孔隙水和地下水形成了熱鹵水，它們?cè)诹黧w循環(huán)過(guò)程中淋濾礦源層，萃取成礦物質(zhì)并匯聚到成礦熱流體場(chǎng)，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地層溫壓梯度的驅(qū)動(dòng)下，致使富含Ba2+、Ca2+、Na+、F?、Cl?、so42-等離子的成礦熱液沿構(gòu)造帶向上運(yùn)移，運(yùn)移到沉積盆地的構(gòu)造裂隙中，海水和孔隙水中的硫酸鹽充分融合，使Ba2+與硫酸鹽發(fā)生化學(xué)作用并在碳酸鹽巖地層中沉淀成礦。火山-沉積型重晶石礦床主要是指在海底火山活動(dòng)過(guò)程中，含礦熱液在海底環(huán)境中，由于上升流等地質(zhì)作用，使成礦物質(zhì)大陸邊緣海相盆地中進(jìn)行沉淀富集成礦。礦體與圍巖界線明顯，具有細(xì)粒狀結(jié)構(gòu)和紋層狀構(gòu)造，礦體呈透鏡狀條帶狀和細(xì)-微粒狀產(chǎn)出（圖4）。SO42-來(lái)源主要是海水硫酸鹽中的還原硫，也存在地幔硫的加入，鋇源主要是來(lái)自于地幔，其次為地殼。具有VMS型和SEDEX型成因。例如甘肅肅南樺樹溝鏡鐵山重晶石礦床、伊朗Mishu重晶石礦床和摩洛哥Bouznika重晶石礦床等。Bouznika礦床形成于寒武系Lapetus裂谷邊緣附近(圖9)，賦礦圍巖為寒武系OuedRhebar組鎂鐵質(zhì)斑狀安山巖，礦石礦物為重晶石、石英、黃鐵礦，副礦物有絹云母、磷灰石和綠簾石，可見(jiàn)絹云母化、黃鐵礦化，礦體呈網(wǎng)脈狀、層狀產(chǎn)出，重晶石δ34S值介于31.11‰~32.44‰之間，與下寒武統(tǒng)蒸發(fā)巖的硫同位素組成相近，高于相鄰的其他重晶石礦床，認(rèn)為下寒武統(tǒng)蒸發(fā)巖在重晶石的成礦過(guò)程中起到了一定的作用，硫酸鹽主要來(lái)源于早寒武世海水中，Pb同位素值位于造山帶曲線下部，且206Pb/204Pb中放射成因較少，U-Pb同位素年齡為540~530Ma，沉積環(huán)境為強(qiáng)烈地?！貧そM合的動(dòng)力學(xué)環(huán)境，重晶石礦床為同生成因的火山噴流沉積。鐵鏡山樺樹溝伴生重晶石礦床位于北祁連西段加里東褶皺帶中西部，賦礦圍巖為長(zhǎng)城系朱龍關(guān)群樺樹溝組千枚巖和石英巖，主要礦物為鏡鐵礦和石英，次要礦物為赤鐵礦、磁鐵礦、重晶石、方解石和絹云母等，重晶石在鐵礦層中上部以伴生形式產(chǎn)出。同時(shí)重晶石化是礦床中主要的圍巖蝕變，并且鐵礦石以Fe、Mn、Ba含量高為特征，稀土元素與北美頁(yè)巖組合樣的相近，有相似的REE絕對(duì)豐度及REE分餾特征，δ34S值為19.70‰~33.60‰，具有較高的δ34S值，顯示其為海底噴流沉積與海水硫酸鹽建造共同作用形成的火山-沉積型礦床。綜上，在全球的重晶石礦床分布中，沉積型重晶石礦床主要形成于大陸裂谷和裂陷槽環(huán)境，鋇來(lái)源與大陸裂谷相關(guān)，SO42-來(lái)源主要為硫化環(huán)境的生物、海水和海底氣液，重晶石形成于海底噴發(fā)的氣液活動(dòng)階段，或者是海水-沉積物界面附近。風(fēng)化（殘積）型重晶石礦床主要來(lái)源于原生重晶石礦床，成礦作用較為單一，主要受物理風(fēng)化作用的影響。巖漿熱液型重晶石礦床是在巖漿熱液活動(dòng)帶或者淺海盆地相鹵水蒸發(fā)巖環(huán)境中形成的，與圍巖形成的時(shí)間和空間上相比具有滯后性，物源主要與鎂鐵質(zhì)火山巖鈣堿性流紋質(zhì)火山巖相關(guān)。層控型重晶石礦床的成礦過(guò)程較為復(fù)雜成礦物質(zhì)具有多源性多階段性等特點(diǎn)。火山-沉積型重晶石礦床主要是以伴生礦床為主，其成礦元素多與伴生礦床密切相關(guān)。硫同位素組成能夠有效的提供硫酸鹽來(lái)源及其演化信息，利用硫同位素的組成能夠有效的判斷重晶石礦床的物質(zhì)來(lái)源。全球代表性重晶石礦床中硫酸鹽的δ34S值顯示，硫酸鹽與同時(shí)期海水的硫酸鹽相關(guān)，且強(qiáng)烈富集重硫(表2，圖10)，這表明重晶石在形成礦床的過(guò)程中發(fā)生了強(qiáng)烈的硫同位素分餾。能引起硫同位素分餾的2個(gè)過(guò)程是：一是生物作用引起的硫酸鹽氧化還原形成有機(jī)硫、硫化物和揮發(fā)性含硫氣體的過(guò)程；其次是硫酸鹽無(wú)機(jī)還原為硫化物的過(guò)程。前者是重晶石形成過(guò)程中最主要的分餾方式，在重晶石形成期間硫酸鹽還原細(xì)菌對(duì)親硫同位素的新陳代謝速度要快于重硫，導(dǎo)致重硫同位素富集，當(dāng)富鋇流體通過(guò)擴(kuò)散或者平流向沉積物中富含硫酸鹽的部分遷移時(shí)，富鋇流體與硫酸鹽在一定層位發(fā)生富集并沉淀。對(duì)于后者來(lái)講，主要形成過(guò)程溫度需要在250℃以上才能引起硫同位素分餾，因此更多的硫同位素分餾是由生物作用引起的硫酸鹽異化還原過(guò)程形成的，在墨西哥、摩洛哥、秘魯?shù)却笮蛯訝钪鼐V床中，重晶石在形成過(guò)程中主要經(jīng)歷了此類分餾，硫酸鹽在還原過(guò)程中，重晶石通過(guò)將富含甲烷的鋇和流體與微生物還原殘余硫酸鹽的孔隙水混合形成，繼而在硫酸鹽-甲烷過(guò)渡帶(SMTZ)上發(fā)生沉淀和富集，成巖作用和冷泉成因相互作用形成重晶石礦床。生物作用引起的硫酸鹽異化還原形成有機(jī)硫、硫化物和揮發(fā)性含硫氣體的過(guò)程是沉積型重晶石形成過(guò)程中硫同位素主要的分餾過(guò)程。巖漿熱液型重晶石礦床中的硫同位素值要普遍低于沉積型礦床中硫同位素的值(表2，圖10)，主要是含礦熱液通過(guò)構(gòu)造活動(dòng)帶裂隙和斷裂帶通道向上運(yùn)移到容礦地層中，受到后期的壓實(shí)作用或含礦鹵水的蒸發(fā)等地質(zhì)作用的影響，含礦熱液與海水中的硫酸鹽或圍巖萃取的硫酸鹽混合沉積，最后富集成礦，硫同位素值要低于同時(shí)期的海水中硫酸鹽的硫同位素值，表明礦床的富集和物源主要與鎂鐵質(zhì)火山巖、鈣堿性流紋質(zhì)火山巖相關(guān)，并且成礦時(shí)間要晚于賦礦圍巖形成的時(shí)間，屬于后生成因礦床。風(fēng)化(殘積)型重晶石中硫同位素值的大小主要取決于原生重晶石礦床中硫酸鹽的來(lái)源。在火山-沉積型和層控型礦床中，硫同位素值具有一定的差異性，反映出不完整的地層覆蓋、地層不相連，海水硫酸鹽的硫同位素值的區(qū)域變化性、成巖作用及物質(zhì)來(lái)源的不同而形成的。 表2 全球代表性重晶石礦床87Sr/86Sr和δ34S值 圖10 全球代表性重晶石礦床與同時(shí)期海水的硫同位素組成(數(shù)據(jù)來(lái)源于表2) 1—沉積型重晶石硫同位素；2—熱液型重晶石硫同位素；3—層控型重晶石硫同位素；4—火山-沉積型重晶石硫同位素；5—同時(shí)期海水硫同位素 在鋇的物質(zhì)來(lái)源研究中，目前普遍是根據(jù)Sr同位素來(lái)進(jìn)行示蹤，因?yàn)橹鼐械?/span>Ba與Sr具有較高的親和力，使得Sr在化學(xué)性質(zhì)上與Ba具有相似性，因此放射性87Sr與非放射性86Sr的比值可用于確定重晶石礦床中Ba的來(lái)源。同樣地，Sr同位素會(huì)根據(jù)物質(zhì)來(lái)源表現(xiàn)出不同的地球化學(xué)特征。在現(xiàn)代海水中Sr的輸入主要受到2個(gè)主要來(lái)源控制：①殼源，主要來(lái)源于大陸地表風(fēng)化，由河流輸送到海洋，其87Sr/86Sr比值較高，全球平均值為0.7119；②幔源，來(lái)自于大洋中脊熱液循環(huán)系統(tǒng)中，主要從洋中脊進(jìn)入海洋之中，87Sr/86Sr值較低，全球平均值為0.7035。重晶石的87Sr/86Sr值統(tǒng)計(jì)表明(圖11)，沉積型重晶石礦床的87Sr/86Sr值介于幔源和殼源之間。對(duì)鋇源的認(rèn)識(shí)存在以下觀點(diǎn)：劉家軍等(2010；2014)認(rèn)為Ba主要源自海底熱液噴發(fā)；Xu等(2016)、Fernandes等(2017)認(rèn)為鋇源主要是海水和有機(jī)質(zhì)降解在沉積物-海水界面或者硫酸鹽-甲烷界面之上，并與海水硫酸鹽富集成礦；Valenza等(2000)、陳憲等(2020b)認(rèn)為Ba源主要是下伏地層的貢獻(xiàn)，基底巖石屬于大陸地殼；韓楚善等(2014)認(rèn)為Ba源是熱液噴流-生物作用復(fù)合成因形成的。因此，沉積型重晶石礦床中鋇源主要來(lái)源于一個(gè)富鋇的混合流體，沉積型重晶石礦床的物質(zhì)來(lái)源具有多樣性、差異復(fù)雜性等特點(diǎn)。圖11 全球代表性重晶石礦床與同時(shí)期海水的87Sr/86Sr組成(數(shù)據(jù)來(lái)源于表2) 1一沉積型重晶石Sr同位素；2—熱液型重晶石Sr同位素；3—層控型重晶石Sr同位素；4一火山-沉積型重晶石Sr同位素；5—同時(shí)期海水Sr同位素 全球代表性的重晶石礦床的Sr同位素組成表明，熱液型重晶石礦床中87Sr/86Sr值均要高于同時(shí)期圍巖中的87Sr/86Sr值，Ba主要與酸性侵入體和海水硫酸鹽相關(guān)，與硫的來(lái)源基本一致。火山-沉積型重晶石礦床的鋇源與巖漿熱液型的鋇源具有相似性，目前沒(méi)有詳細(xì)的研究。層控型重晶石礦床鋇源可能與下伏地層和沉積期的火山-氣液相關(guān)，并在一定的海相盆地環(huán)境進(jìn)行沉淀和富集形成的，具有后生成因和同生成因共存的特點(diǎn)。重晶石的礦床類型較為復(fù)雜，具有多種礦床成因類型，根據(jù)不同礦床成因特征，總結(jié)出了以下重晶石礦床成礦機(jī)制(圖12)。圖12 重晶石礦床主要成礦機(jī)制模型 a.沉積型(據(jù)周錫強(qiáng)等，2016)；b.層控型；c.熱液型；d.火山-沉積型(據(jù)Yang et al.，2017)；e.風(fēng)化型 （1）沉積型重晶石礦床：根據(jù)構(gòu)造背景和產(chǎn)出特征可分為大陸邊緣型和克拉通裂谷型，其中前者為純重晶石礦床，后者常與金屬硫化物礦床伴生產(chǎn)出。根據(jù)重晶石礦床的產(chǎn)出形式、物質(zhì)來(lái)源和成礦機(jī)制可分為以下4種：生物重晶石、海底熱液重晶石、成巖重晶石、冷泉重晶石。同時(shí)，近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，古生代沉積層狀重晶石礦床的形成與海水硫酸鹽在時(shí)間和空間上的不均勻分布和氧化還原的動(dòng)態(tài)變化相關(guān)，即富Ba2+、Zn2+和Pb2+等金屬離子的熱液流體遇到海洋中富SO42-和H2S水體時(shí)，表現(xiàn)出差異性的地球化學(xué)行為。 海底熱液重晶石是指深部富鋇熱液流體通過(guò)斷裂構(gòu)造帶向海底運(yùn)移或噴發(fā)，與海水硫酸鹽混合并發(fā)生沉積形成(圖12a)。在深海環(huán)境中，含鋇流體在大地構(gòu)造作用下從深海環(huán)境中通過(guò)斷裂構(gòu)造帶向上運(yùn)移，與海水中硫酸鹽富集成礦。礦床呈片狀、柱狀和放射狀產(chǎn)出，指示了熱液活動(dòng)和古環(huán)境構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)規(guī)律。例如在阿拉斯加地區(qū)RedDog礦床、東太平洋Blanco斷裂成礦帶等地。生物重晶石主要是指在生物作用下形成的重晶石礦床，在表層海水環(huán)境中，浮游生物繁殖，上升流帶來(lái)豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和鋇礦物，由于生物的大量死亡，在大陸邊緣沉積堆積，富含生物鋇與海水中的硫酸鹽混合接觸，并發(fā)生沉淀和富集，在后期的成巖過(guò)程中，大陸邊緣地帶形成了生物成因的重晶石礦床(圖12a)。成巖重晶石是指在沉積物-水界面下，原生重晶石在硫酸鹽虧損帶溶解后形成富鋇孔隙水，遷移到硫酸鹽-甲烷轉(zhuǎn)換帶(SMTZ)附近，與孔隙水殘余硫酸鹽相互作用沉淀富集形成的重晶石礦床(圖12a)。在大陸邊緣附近，由于沉積物的不斷沉積和埋深，細(xì)菌硫酸鹽還原作用消耗大量的硫酸鹽根離子，使其在沉積物-水界面下還原了大量的SO42-，形成了硫酸鹽還原帶，隨著深度的增加，孔隙水中的硫酸鹽濃度逐漸減少，形成了硫酸鹽-甲烷轉(zhuǎn)換帶，在SMTZ以下，富含有機(jī)質(zhì)的沉積物在甲烷細(xì)菌的作用下發(fā)酵了大量的甲烷，原生重晶石開始溶解鋇，并且在孔隙水中甲烷和鋇離子向上濃度逐漸較少，在SMTZ附近與硫酸鹽還原帶向下擴(kuò)散的孔隙水中SO42-相結(jié)合，在硫酸鹽還原菌(BSR)和消耗溶解硫酸鹽的甲烷厭氧氧化(AOM)的同時(shí)，使重晶石在前緣帶附近進(jìn)行沉淀和富集。在重晶石的形成過(guò)程中，常常伴隨大量的氧化還原過(guò)程，因此伴生黃鐵礦、黃銅礦等金屬硫化物和碳酸鹽礦物。冷泉重晶石主要是指富鋇孔隙水沿裂隙運(yùn)移到沉積物-水界面附近，與硫酸鹽孔隙水和海水相互作用而形成的重晶石礦床，礦床的硫酸鹽來(lái)源和鋇的來(lái)源與成巖重晶石類似，本文不再贅述。主要是在高生產(chǎn)力的背景下富有機(jī)質(zhì)沉積的環(huán)境中，成巖重晶石的重晶石前緣帶遷移到沉積物-水界面附近，轉(zhuǎn)化為冷泉體系(圖12a)。在目前的研究中，冷泉重晶石主要分布在環(huán)太平洋成礦域，例如墨西哥西部索諾拉重晶石礦床，秘魯大陸邊緣的洋流上升區(qū)，墨西哥東北部的Coahuila Muzquick重晶石礦以及美國(guó)內(nèi)華達(dá)成礦帶等，同時(shí)在中國(guó)的揚(yáng)子地塊泥盆系重晶石成礦區(qū)也存在與冷泉活動(dòng)有關(guān)的重晶石礦床。冷泉重晶石的發(fā)育反映出了富鋇流體在海洋中的鋇和碳的循環(huán)過(guò)程。（2）巖漿熱液型重晶石礦床主要形成于構(gòu)造活動(dòng)帶，含礦熱液沿構(gòu)造破碎帶向上運(yùn)移，在一定的成礦空間里，隨著溫度、壓力的改變，含礦熱液萃取圍巖中的含礦物質(zhì)發(fā)生沉積成礦。同時(shí)含礦熱液不斷與圍巖發(fā)生蝕變作用，使方解石、石英、重晶石和硫化物等礦物析出，形成了明顯的重晶石化、絹云母化和黃鐵礦化等礦化現(xiàn)象(圖12c)，礦體以脈狀、網(wǎng)脈狀的形式產(chǎn)出，重晶石礦體的包裹體測(cè)溫顯示，重晶石礦床成礦溫度約為100~200℃。 （3）層控型重晶石礦床形成于大地構(gòu)造活動(dòng)帶附近，在大氣降水滲入地下，含礦熱液及成礦物質(zhì)滲溶過(guò)程中，由于下滲過(guò)程中的溫度逐漸增高，使成礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為含礦熱鹵水并與層位孔隙水混合。含礦熱鹵水受到化學(xué)垂直分帶的約束，使富含硫酸鹽熱鹵水富集在淺層，而富含氯化物熱鹵水富集在深地層中。在深地層中，氯化物熱鹵水和鋇源層中的Ba元素形成了富含BaCl2的熱鹵水，由于地溫梯度和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等作用，富含BaCl2熱鹵水在上升流的驅(qū)動(dòng)下，沿構(gòu)造斷裂帶運(yùn)移上升到淺層層位，與富含硫酸鹽熱鹵水進(jìn)行混合，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和沉淀，又由于上覆泥質(zhì)類巖層的覆蓋，形成了很好的密閉空間，使以上作用能夠有序不間斷地富集成礦，直到重晶石礦床的形成(圖12b)。因此重晶石礦體重δ34S值與區(qū)域上的蒸發(fā)巖具有一定的相似性，Ba元素的含量呈現(xiàn)自下而上逐漸增加的趨勢(shì)，礦體向上蝕變減弱，具有上厚下薄、上富下貧的礦化特征。 （4）火山-沉積型重晶石礦床多與火山噴發(fā)活動(dòng)有關(guān)，在火山活動(dòng)噴發(fā)過(guò)程中，沉積了一系列的火山-沉積巖，當(dāng)巖漿活動(dòng)結(jié)束后，在火山口附近的構(gòu)造裂隙里形成了噴氣熱液活動(dòng)，隨著熱液活動(dòng)，形成了多期次的圍巖蝕變和成礦作用。在早-中期，含有大量的氯質(zhì)、硫質(zhì)揮發(fā)分物質(zhì)，隨著巖漿活動(dòng)，噴出地表或者在構(gòu)造裂隙帶向上移動(dòng)，當(dāng)運(yùn)移到一定距離時(shí)，在空氣中的巖漿揮發(fā)分因?yàn)橹亓ψ饔玫纫蛩匕l(fā)生沉降至富含硫酸鹽的海水中，與海水中大量的硫酸鹽混合后富集成礦。在圍巖里揮發(fā)分由于溫度、壓力等的減弱，與圍巖里富含成礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并富集成礦(圖12d)。礦床中Fe、Mn、Ba超強(qiáng)富集，Cu、Pb、Zn含量明顯高于圍巖，重晶石主要以伴生礦體產(chǎn)出，表明礦床具有典型的SEDEX型礦床的特點(diǎn)。 （5）風(fēng)化(殘積)型重晶石礦床是原生重晶石礦床遭受到了強(qiáng)烈的物理化學(xué)作用，使其發(fā)生破碎而形成。在風(fēng)化作用下，搬運(yùn)到離原生礦床不遠(yuǎn)的第四紀(jì)殘積物中進(jìn)行沉積和二次富集成礦。因此，風(fēng)化(殘積)型礦床的元素地球化學(xué)特征主要取決于原生礦床，后期作用的改造不明顯(圖12e)。 通過(guò)對(duì)全球的重晶石礦床類型和成礦規(guī)律的綜述研究，文章得出以下幾方面的結(jié)論和認(rèn)識(shí)：(1)重晶石全球范圍內(nèi)廣泛分布，具有成礦時(shí)代多、元素來(lái)源復(fù)雜、成礦作用多樣等特點(diǎn)；（2）重晶石礦床可分為沉積型、巖漿熱液型、層控型、火山-沉積型和風(fēng)化(殘積)型，主要分布在特提斯成礦域和勞亞成礦域，其他地區(qū)主要是岡瓦納成礦域和環(huán)太平洋成礦域，其中沉積型是最主要的成礦類型；（3）重晶石的成礦時(shí)代主要為古生代和中生代，賦礦巖系以沉積巖為主，其次為巖漿巖；（4）全球典型重晶石礦床中的S同位素和Sr同位素顯示，成礦物質(zhì)來(lái)源具有多源性、多樣性、差異復(fù)合性等特點(diǎn)；（5）成礦機(jī)制方面，重晶石的成礦機(jī)理復(fù)雜，具有多階段性、多因素等特點(diǎn)。同時(shí)，重晶石礦床的成礦富集機(jī)制與各類地質(zhì)作用過(guò)程和成巖成礦體系的物理化學(xué)條件息息相關(guān)，如超大陸聚合和裂解、物質(zhì)來(lái)源、巖漿結(jié)晶分異、表生作用等地質(zhì)過(guò)程和揮發(fā)分、溫度、壓力、氧逸度、流體交代以及溶解度等條件。但是，究竟是什么樣的地質(zhì)作用和成礦過(guò)程起主導(dǎo)作用，目前依舊存在異議，并且不同類型的重晶石礦床之間成礦機(jī)理也有許多異同之處。比如沉積型重晶石礦床和層控型重晶石礦床的物質(zhì)來(lái)源都具有多源性、多樣性和差異性特點(diǎn)，但是兩種礦床類型的成礦機(jī)理沒(méi)有明確的劃分。熱液型重晶石礦床和火山-沉積型重晶石礦床中成礦元素具有同源性，目前僅對(duì)礦床的賦存狀態(tài)和礦化作用進(jìn)行了區(qū)分，并沒(méi)有對(duì)成礦元素進(jìn)行更加準(zhǔn)確的示蹤和賦存形式進(jìn)行研究。近年來(lái)在大規(guī)模沉積型重晶石礦床與金屬硫化物礦床之間的協(xié)同關(guān)系，重晶石礦床與海水還原演化和硫酸鹽濃度長(zhǎng)期變化的耦合關(guān)系等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，但是重晶石礦床的精細(xì)化成礦過(guò)程和成礦元素遷移方式仍未得到更好的約束。因此，目前亟需從微觀尺度上對(duì)重晶石礦床的成礦過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化的厘定，并與重晶石礦床的大地構(gòu)造地質(zhì)特征相結(jié)合，才能夠準(zhǔn)確客觀地解決重晶石礦床中成礦元素賦存狀態(tài)和成礦規(guī)律等科學(xué)問(wèn)題。
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