岩石学报  2017, Vol. 33 Issue (2): 529-544   PDF    
黑龙江翠宏山铁多金属矿床辉钼矿Re-Os定年及S-Pb同位素特征研究
陈贤1,2, 刘家军1,2, 张德会1, 张琪彬1,2, 杨尚松1,2, 李彦春3, 曹强1,2     
1. 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083;
2. 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 100083;
3. 中国冶金地质总局昆明地质勘查院, 昆明 650201
摘要: 黑龙江翠宏山铁多金属矿床位于小兴安岭-张广才岭成矿带北部,属典型的矽卡岩型矿床。对于该矿床的成矿时代,前人主要通过矿区岩体定年来推测成矿时代,争议较大;对于成矿物源的研究,还缺乏同位素资料的佐证。为精确厘定矿床的形成时代,本文对该矿床两个矿段中的13件辉钼矿样品进行了Re-Os同位素定年研究。其中,翠北矿段7件辉钼矿Re-Os同位素模式年龄为205.6~202.0Ma之间,年龄加权平均值为204.9±1.3Ma,Re-Os等时线年龄为205.1±1.9Ma;翠中矿段6件辉钼矿Re-Os同位素模式年龄为206.7~200.9Ma,年龄加权平均值为204.1±2.4Ma,Re-Os等时线年龄为204.0±3.9Ma;显示翠北、翠中两个矿段的成矿时限一致。结合前人获得的矿区岩体年代学数据以及岩体与矿体之间的关系,认为二长花岗岩的成岩时代与铁多金属矿床的成矿时代一致,均发生于印支末期,二者具有密切时、空联系。矿床中辉钼矿的Re含量主要介于0.03605×10-6~1.9620×10-6之间,高者达17.108×10-6,指示Re主要为壳源特征;矿石硫化物的δ34S值为2.0‰~6.9‰,平均3.8‰,主要显示深源硫的特点,可能有少量地层硫的混入;矿石硫化物的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb值变化范围分别为18.650~19.058、15.584~15.727和38.177~38.650,在铅同位素构造图解中主要落于造山带演化线附近,具有壳幔混源特点,且金属硫化物与二长花岗岩铅同位素组成的投点范围有较大的重叠区,显示矿石硫化物铅来源于印支末期形成的二长花岗岩。结合区域动力学背景分析认为,印支末期,小兴安岭-张广才岭成矿带上金属矿床成矿作用主要受古亚洲洋构造域伸展作用控制,形成如翠宏山、小西林、大西林等矽卡岩型的多金属矿床,随后进入燕山早期的早侏罗世,区域则转化为挤压环境,并受环太平洋构造域控制,形成了诸多斑岩型矿床,如霍吉河、翠玲、徐老九沟、五道岭、杏山、大黑山等矿床。
关键词: 黑龙江翠宏山     铁多金属矿床     辉钼矿Re-Os定年     S-Pb同位素    
Re-Os dating of molybdenites and S-Pb isotopic characteristics of the Cuihongshan iron polymetallic deposit, Heilongjiang Province
CHEN Xian1,2, LIU JiaJun1,2, ZHANG DeHui1, ZHANG QiBin1,2, YANG ShangSong1,2, LI YanChun3, CAO Qiang1,2     
1. School of Earth Science and Resource, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, China University of Geosciences, Beijing 10008;
3. Kunming Geological Prospecting Institute, China Metallurgical Geology Bureau, Kunming 650201, China
Abstract: The Cuihongshan Fe-polymetallic deposit is located in the northern segment of the Lesser Xing'an-Zhangguangcai Range which is an important porphyry-skarn metallogenic belt in China. Recent studies were mainly focused on the deposit geology, and the geochronology of granites in the Cuihongshan mining area. However, mineralization age and source of ore-forming minerals remain unclear. We present detailed Re-Os isotopic dating of molybdenites, S-Pb isotopic analysis, together with geochemistry, U-Pb geochronology data published, to reveal the ore-forming age, source of ore-forming materials of the Cuihongshan deposit and the tectonic setting for magmatism and mineralization in the Lesser Xing'an-Zhangguangcai Range. Seven molybdenite samples from Cuihongshan ore spot yield a Re-Os isochron age of 205.1±1.9Ma, with model ages ranging from 205.6Ma to 202.0Ma and the weighted mean age of 204.9±1.3Ma. Six molybdenite samples in Cuizhong ore spot obtaine a Re-Os isochron age of 204.0±3.9Ma, with the weighted mean age of 204.1±2.4Ma and the model ages of 200.9Ma to 206.7Ma. The ages show that the Cuihongshan Fe-polymetallic deposit occurred in the Late Indo-Chinese epoch. Together with the published ages of granites and the connection relationship between ore bodies and monzogranite in the Cuihongshan mining district, the authors hold that monzogranite (199±3.1Ma) is most related to the Cuihongshan Fe-polymetallic deposit. The content of Re from the molybdenites in the Cuihongshan and Cuizhong ore spot ranges from 0.03605×10-6 to 0.5810×10-6 and 0.2585×10-6 to 1.758×10-6, respectively, suggesting that the ore-forming materials may come from crustal source. The δ34S values of metal sulfide in the Cuihongshan deposit varies from 2.0‰ to 6.9‰, averaging 3.8‰, showing a deep source of magmatic sulfur. The ratios of 206Pb/204Pb, 207Pb/204Pb and 208Pb/204Pb of metal sulfides range from 18.650 to 19.058, 15.584 to 15.727 and 38.177 to 38.65 respectively, showing a mixture source of upper mantle and lower crust, and have similar affinity to that of the monzogranite. It also indicates that the mineralization of the Cuihongshan deposit is related to the monzogranite. Combining with the geochemical characteristics, geochronology of the region, the authors thought that the Lesser Xing'an-Zhangguangcai Range experienced a post-orogenic extensional tectonic setting controlled by the Paleo-Asian oceanic tectonic system in Late Indo-Chinese epoch. And the mineralization of the Cuihongshan, Xiaoxilin, Daxilin skarn deposit are related to the extensional tectonic setting. However, it was transition to a compressional setting constrained by Circum-Pacific tectonic system in the Early Jurassic. The mineralization of contemporaneous porphyry type deposits in the region, such as the Huojihe, Cuiling, Xulaojiugou, Wudaoling, Xingshan, Daheishan, Luming deposit, are related to the tectonic setting.
Key words: Cuihongshan Fe-polymetallic deposit     Molybdenite Re-Os age     S and Pb isotope     Heilongjiang Province    
1 引言

黑龙江翠宏山铁多金属矿床位于兴安岭-内蒙地槽褶皱区的东部,地处小兴安岭-张广才岭成矿带北部。该成矿带是我国东北地区最重要的金属成矿带之一,富含铜、铁、铅、锌、钼等金属矿产资源 (杨言辰等, 2012),产有十余个大、中型的金属矿床。如翠宏山矽卡岩型铁多金属矿床,霍吉河、鹿鸣斑岩型钼矿床,徐老九沟、库滨矽卡岩型铅锌矿床,翠岭斑岩型钼金矿床,高松山、东安浅成低温热液型金矿床等 (陈静, 2011; 韩振哲等, 2010)。翠宏山矽卡岩型铁多金属矿床是该成矿带上一个十分重要的矿床,其中的W、Mo、Zn达大型规模,Fe、Pb达中型规模,Cu为小型规模,同时还伴生Ag、Sn等金属和Se,In,Cd等多种分散元素 (刘志宏, 2009),具有极高的经济价值。

对于翠宏山铁多金属矿床的研究,前人在成岩、成矿时代以及矿床成因方面进行过探讨,尤其是对矿区岩体开展了较多同位素测年工作。如,黑龙江省地质矿产局地质三队 (1984)、黑龙江省地质矿产局 (1993)谭成印 (2009)刘志宏 (2009)邵军等 (2011)Hu et al.(2014)相继对研究区岩体的成岩时代进行了研究,获得了大量岩浆岩年代学的数据。目前矿区植被覆盖严重,仍难以判断岩体与矿体之间的时空关系和成因联系。尽管郝宇杰等 (2013)对该矿床翠北矿段内接触带钨钼矿体中7件辉钼矿样品进行了Re-Os同位素测年,获得等时线年龄为198.9±3.7Ma的数据,但因该矿床矿段多,矿种多样,矿物组合复杂,目前还未精确厘定翠宏山铁多金属矿床的成矿时间。对于翠宏山矿床的成矿物源研究也还较薄弱。杜美艳等 (2011)对矿床中S同位素特征进行了报道,但缺乏对成矿物源分析的深入研究。进一步厘定该矿床的成矿时代,分析成矿物质来源,对于探讨矿床成因和小兴安岭-张广才岭成矿带的成矿构造背景,具有重要的理论意义。

①  黑龙江省地质矿产局地质三队. 1984.黑龙江省逊克县翠宏山铁多金属矿床普查-初勘地质报告. 1-60

本文利用辉钼矿Re-Os同位素法,对黑龙江翠宏山铁多金属矿床翠北、翠中两个矿段进行了精确定年,并结合S-Pb同位素组成的研究,分析成矿物质来源,进一步探讨了矿床成因及其形成的动力学背景。

2 区域地质概况

小兴安岭-张广才岭成矿带位于中亚-兴蒙造山带东段,既经历了古生代古亚洲洋构造体系的演化,又经历了中、新生代环太平洋构造体系的叠加与改造,具有独特构造演化背景 (谭红艳, 2013; 秦克章等, 2017)。该成矿带在晚古生代地处古亚洲洋构造域,以SN向构造体制为主。但自中生代以来,区域经历了古亚洲洋构造域向环太平洋构造域的过渡时期,随后转换为环太平洋构造域,以EW向构造体制为主,并在区域上发育了大量近SN向展布的中生代花岗岩体。因此,在区域上发育NE、NW、EW以及近SN向的断裂构造。黑龙江翠宏山区域构造为一NNE向的复式褶皱——宏川复背斜,矿区处于NNE与NWW向两组共轭断裂的近NNW向的构造带上。

矿区及外围主要发育古生代地层,包括铅山组 (1q)、宏川组 (D2hg)、五道岭组 (P2w)、红山组 (P2hn)。铅山组 (1q) 主要由白云质大理岩、结晶灰岩及炭质板岩等组成,呈近SN向分布,但其被多期形成的花岗岩所包围,形成了矽卡岩和变质蚀变矿化带,为主要的赋矿层位。宏川组 (D2hg) 主要为一套角砾岩 (夹灰岩) 及变质粉砂岩。五道岭组 (P2w) 主要岩石类型为凝灰质火山碎屑岩,角度不整合于铅山组 (1q) 之上。红山组 (P2hn) 主要由板岩、粉砂岩、砂岩及砾岩组成。

区域上岩浆活动强烈,具有多期、多阶段的特点。侵入活动可从加里东中期延续至燕山早期,其中加里东中期、印支期形成的侵入岩多呈岩基状产出,少部分呈岩株状;燕山中期形成的侵入岩规模小,多呈岩株或岩枝产出。岩浆岩主要分布在矿区北部、东北部及东部。

3 矿床地质

翠宏山铁多金属矿床从北向南可划分为翠宏山 (翠北)、翠中、翠南和翠岗四个矿段,自2011年以来,黑龙江第六勘察院在翠岗矿段之北约1km的地段取得了找矿的重大突破,新发现4条主矿体和5条从属矿体,并将其单独划分为翠中矿段。四个矿段矿体 (包含隐伏矿体) 及接触蚀变带在空间上相连,并呈反“L”型 (图 1图 2)。据最新资料,整个翠宏山矿区共圈定多金属矿体118条,其中主矿体有14条 (编号为Ⅰ-ⅩⅤ,翠宏山矿段6条,翠中4条,翠南及翠岗矿段共4条)。铁多金属矿体主要产于下寒武统铅山组 (1q) 与晚三叠二长花岗岩 (T3γ) 的内外接触带,少部分产于晚寒武黑云母花岗岩 (3γ)(黑龙江第六勘察院报告称之为白岗岩) 与千山组 (1q) 接触带及黑云母花岗岩体 (3γ) 内部破碎带 (图 1图 2)。矿区黑云母花岗岩 (3γ) 侵入到铅山组 (1q) 中,并捕虏了白云质结晶灰岩及角岩化砂岩,后期二长花岗岩 (T3γ) 又侵入到黑云母花岗岩 (3γ) 及铅山组中,在接触带处形成厚2~4m的花岗正长斑岩 (T3γπ) 相变带 (刘志宏, 2009)。矿体主要受印支末期形成的侵入岩体与地层之间的接触带的控制,部分受NNW和NE向断裂交汇部位的控制。

图 1 黑龙江翠宏山铁多金属矿床地质简图 (a, 据曾维顺等, 2011; b, 据邵军等, 2011; Hu et al., 2014修改) F1-西拉木伦河断裂;F2-延吉断裂;F3-牡丹江断裂;F4-贺根山-黑河断裂;F5-德尔不干断裂;F6-依兰-伊通断裂;F7-敦化-密山断裂;F8-跃进山断裂 Fig. 1 Simplified geologic map of the iron polymetallic deposit from Cuihongshan, Heilongjiang Province (a, after Zeng et al., 2011; b, modified after Shao et al., 2011; Hu et al., 2014) F1-Silas Mulun River fault; F2-Yanji fault; F3-Mudanjiang fault; F4-Hegenshan-Heihe fault; F5-Deerbugan fault; F6-Yilan-Yitong fault; F7-Dunhua-Mishan fault; F8-Yuejinshan fault

图 2 黑龙江翠宏山矿区2号和211号勘探线地质剖面图 (据韩振新等, 2004; Hu et al., 2014修改) 剖面位置见图 1.A-B为翠北矿段2号勘探线剖面;CD为翠中矿段211号勘探线剖面 Fig. 2 Simple profile of No.2 and No.211 exploration line in the iron polymetallic deposit from Cuihongshan, Heilongjiang Province (modified after Han et al., 2004; Hu et al., 2014) The location of the two sections in Fig. 1. A-B section from No.2 exploration of the Cuibei ore spot; C-D section from No.211 of the Cuizhong ore spot

矿石中的主要矿石矿物为磁铁矿、辉钼矿、白钨矿、闪锌矿、方铅矿、黄铜矿、黄铁矿、磁黄铁矿、毒砂等 (图 3a-o);主要脉石矿物为透辉石、石榴石、金云母、黑柱石、符山石、阳起石、绿帘石、透闪石、绿泥石、萤石、蛇纹石、石英、斜长石、方解石、白云石等。

图 3 翠宏山矿床矿石特征 (a) 矽卡岩中浸染状黄铁矿矿石;(b) 矽卡岩中角砾状磁铁矿矿石;(c) 角砾状辉钼矿矿石;(d) 花岗岩中细脉状辉钼矿矿矿石;(e) 矽卡岩中脉状辉钼矿矿石;(f) 浸染状白钨矿矿石;(g) 脉状磁黄铁矿矿石;(h) 块状磁铁矿矿石;(i) 脉状铅锌矿石;(j) 黄铁矿显微脉状构造,单偏光;(k) 充填构造镜下特征;(l) 黄铁矿骸晶结构 (灰色闪锌矿零星分布于黄铁矿中);(m) 磁黄铁矿溶蚀交代结构;(n) 黄铜矿与闪锌矿的固溶体结构;(o) 磁铁矿他形粒状结构.矿物代号简写:Py-黄铁矿;Mo-辉钼矿;Mag-磁铁矿;Sch-白钨矿;Gn-方铅矿;Sp-闪锌矿;Ccp-黄铜矿;Po-磁黄铁矿;Apy-毒砂 Fig. 3 Characteritics of ore composition, textures and structures in the Cuihongshan deposit (a) disseminated pyrite in skarn ores; (b) magnetite of brecciated structure in skarn ores; (c) brecciated molybdenite in breccia ores; (d) dimer vein molybdenite in granite ores; (e) vein molybdenite in skarn ores; (f) disseminated scheelite in skarn ores; (g) vein pyrrhotite in slate ores; (h) massive iron ore in skarn; (i) vein lead-zinc ore in skarn; (j) vein structure of pyrite in skarn ores; (k) filling structure of metalsulfides in skarn ores; (l) skeletal texture of pyrite in skarn ores; (m) dissolution metasomatism texture in skarn ores; (n) separation texture of solid and melt in skarn ores; (o) allotriomorphic granular texture of magnetite in skarn ores. Mineral symbols shorthand: Py-pyrite; Mo-molybdenite; Mag-magnetite; Sch-scheelite; Gn-galena; Sp-sphalerite; Ccp-chalcopyrite; Po-pyrrhotite; Apy-arsenopyrite

矿石结构主要有他形-半自形、叶片状、侵蚀交代以及乳滴状等;矿石构造有块状、细脉状、网脉状、浸染状、角砾状等 (图 3a-o)。

按原岩性质可将矿石类型划分为矽卡岩型、花岗岩型和碎裂岩型。不同矿段矿石类型虽有一定的差异,但矿石矿物组成均较类似。矿石中除主要元素含量有差别外,矿石中尚富含Se、In、Cd等分散元素,它们主要以类质同象形式赋存于矿石中的金属硫化物内。

围岩蚀变有矽卡岩化、绿帘石化、绿泥石化、硅化、绢云母化、碳酸盐化、萤石化及黄铁矿化等。根据蚀变矿物组合及其与矿化类型之间的关系,可划分为早矽卡岩化带和四个叠加矿化蚀变带,早期矽卡岩化主要分布于近岩体一侧的内带,无矿化,矿物主要包括钙铁榴石和透辉石;磁铁矿-透闪石-阳起石-蛇纹石化带以及白钨矿-锡石-辉钼矿矿-阳起石-硅化带叠加于早期矽卡岩化带之上也分布于内带;晚期方铅矿-闪锌矿-绿泥石-绢云母化带叠加于黄铁矿-毒砂-石英-绿泥石-绢云母化带之上,二者均主要分布于近铅山组 (1q) 的外带。

翠宏山铁多金属矿床成矿作用可划分为矽卡岩期和石英-硫化物期。矽卡岩期包括早期矽卡岩阶段、晚期矽卡岩阶段 (磁铁矿阶段) 和白钨矿-锡石-辉钼矿阶段 (氧化物阶段);石英-硫化物期包括黄铁矿-石英阶段,以及方铅矿-闪锌矿-石英-方解石阶段。其中成矿主阶段为磁铁矿阶段、白钨矿-锡石-辉钼矿阶段和方铅矿-闪锌矿-石英-方解石阶段。早期矽卡岩阶段矿物主要有石榴石和透辉石;磁铁矿阶段主要矿物包括磁铁矿、阳起石、绿帘石、透闪石和蛇纹石;白钨矿-锡石-辉钼矿阶段矿物主要包括白钨矿、锡石、辉钼矿、萤石和石英,该阶段常出现细粒状锡石和白钨矿共生于叶片状辉钼矿中的现象;黄铁矿-石英阶段矿物主要有黄铁矿、毒砂和石英;方铅矿-闪锌矿-石英-方解石阶段主要矿物包括方铅矿、闪锌矿、磁黄铁矿、黄铜矿、方解石、石英、绿泥石和绢云母等。

4 样品采集及测试方法 4.1 辉钼矿Re-Os同位素

本次进行Re-Os同位素定年测试的13件辉钼矿样品,其中7件采自翠北矿段 (翠宏山老矿区,样品以CHS编号),6件采自翠中矿段 (样品以CZ编号)。辉钼矿在矽卡岩型矿石中主要呈团块状、浸染状和脉状,个别呈角砾状产出;赋存于二长花岗岩中的辉钼矿则呈网脉状、细脉状 (图 3d)。辉钼矿单矿物多呈板片状、他形-半自形粒状结构。辉钼矿单矿物经室内无污染粉碎及选矿后,在双目镜下进行挑纯,最终获得纯度达标的辉钼矿备测样品。

辉钼矿样品Re-Os含量的测定在中国地质科学院国家测试中心Re-Os同位素实验室完成。测试仪器为美国TJA公司生产的电感耦合等离子体质谱仪 (TJAX-series ICP-MS)。采用Cariustube熔样法,所用190Os和185Re稀释剂来自美国橡树岭国家实验室。测试具体流程及操作详见相关文献 (杜安道等, 1994, 2001)。辉钼矿的Re-Os同位素分析结果见表 1

表 1 黑龙江翠宏山铁多金属矿床辉钼矿Re-Os同位素测试结果 Table 1 Re-Os isotopic data of the molybdenite in the Cuihongshan Fe-polymetallic deposit
4.2 S-Pb同位素

对采自翠中矿段8件矿石中金属硫化物的单矿物样品 (CZ编号) 进行了S、Pb同位素测试,其中方铅矿3件,闪锌矿3件、黄铁矿1件、磁黄铁矿1件。首先将富含金属硫化物的矿石样品破碎至40~60目,然后在双目显微镜下对金属硫化物进行挑纯,使每一单矿物的纯度大于99%,再次将挑纯样品在玛瑙研钵体中进行研磨,使其达到200目,最后将挑纯处理的样品送至核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行S、Pb同位素分析。S同位素分析是在MAT-251同位素质谱仪上完成的,其采用VCDT国际标准,分析精度为±0.2‰;Pb同位素组成分析是在ISOTOPE-T热电离质谱仪上完成的,测试Pb同位素比值的误差均小于0.05%。S、Pb同位素测试操作流程参见文献 (刘忠法等, 2014)。S、Pb同位素测试结果分别见表 2表 3

表 2 黑龙江翠宏山多金属矿床主要金属硫化物硫同位素数据 Table 2 Sulfur isotope data of the Cuihongshan Fe-polymetallic deposit

表 3 翠宏山矿床各类岩石和硫化物铅同位素特征 Table 3 Lead isotope data of the rocks and sulfides from the Cuihongshan Fe-polymetallic deposit
5 测试结果 5.1 辉钼矿Re-Os定年

黑龙江翠宏山铁多金属矿床的辉钼矿Re-Os同位素组成及模式年龄列于表 1中。从中看出,翠中矿段6件样品Re含量较高,为258.5×10-9~17108×10-9187Re含量为162.5×10-9~10753×10-9187Os含量为0.5447×10-9~36.28×10-9。模式年龄为206.7~200.9Ma,年龄分布集中,加权平均值为204.1±2.4Ma,Re-Os等时线年龄为204.0±3.9Ma (图 4a, b)。辉钼矿中普通Os含量较低,远低于187Os含量,该年龄代表辉钼矿的成矿年龄 (Stein et al., 2001)。翠北矿段7件样品的Re含量为36.05×10-9~581.0×10-9187Re含量为22.6×10-9~365.2×10-9187Os含量为0.0776×10-9~1.2532×10-9。模式年龄为205.6~202.0Ma,年龄分布集中,加权平均值为204.9±1.3Ma,Re-Os等时线年龄为205.1±1.9Ma (图 4c, d),辉钼矿普通Os含量极低,该年龄也代表了辉钼矿的形成年龄。其与翠中矿段辉钼矿Re-Os同位素年龄结果基本一致,表明它们为同一成矿阶段的产物。

图 4 翠宏山铁多金属矿床辉钼矿Re-Os等时线图 (a、c) 和加权平均年龄图 (b、d) (a、b) 翠中矿段辉钼矿样品Re-Os定年;(c、d) 翠北矿段辉钼矿样品Re-Os定年 Fig. 4 Re-Os isotopic isochron diagram ages (a, c) and weighted mean ages (b, d) of molybdenite in the iron polymetallic deposit from Cuihongshan area, Heilongjiang Province (a, b) samples from Cuizhong ore spot; (c, d) samples from Cuibei ore spot
5.2 S同位素

结合前人研究的结果,20件金属硫化物样品的δ34S值的变化范围为2.0‰~6.9‰(表 2),平均为3.785‰;方铅矿δ34S值介于2.3‰~6.9‰之间,平均4.24‰(n=8);闪锌矿δ34S值为3.4‰~4.9‰,平均3.93(n=3);黄铁矿δ34S值为3‰(n=1),磁黄铁矿δ34S值为5.1‰(n=1)。辉钼矿δ34S值介于2.6‰~4.4‰之间,平均3.11‰(n=7)(图 5a)。

图 5 翠宏山矿床矿石硫化物硫同位素特征图 (b, 据韩世炯, 2013修改) Fig. 5 Sulfur isotopic compositions of the Cuihongshan Fe-polymetallic deposit (b, modified after Han, 2013)
5.3 Pb同位素

结合前人研究的结果,31件岩 (矿) 石及矿物Pb同位素数据见表 3。8件金属硫化物206Pb/204Pb值介于18.65~19.058之间,平均值为18.775,207Pb/204Pb值介于15.584~15.727之间,平均值为15.632,208Pb/204Pb为38.177~38.65,平均值为38.334。其中除1件氧化型的铁多金属矿石样中黄铁矿206Pb/204Pb值 (19.058±0.003) 较高,208Pb/204Pb值 (38.195±0.006) 和207Pb/204Pb值较低 (15.602±0.002) 外,其他硫化物206Pb/204Pb值均小于19,且206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb值都比较均一集中,暗示矿石铅具有相同来源。在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb和208Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解上,金属硫化物投点构成一条直线 (图 6a, b)。

图 6 铅同位素207Pb/204Pb-206Pb/204Pb和208Pb/204Pb-206Pb/204Pb增长曲线 (a、b) 与构造环境判别图 (c、d)(底图据Zartman and Doe, 1981) (a、b):A-地幔; B-造山带; C-上地壳; D-下地壳;(c、d):LC-下地壳; UC-上地壳; OR-造山带; OIV-洋岛火山岩; A、B、C、D分别为理论值样品集中区 Fig. 6 Evolution curve (a, b) and tectonic environment discriminaton diagrams (c, d) of 207Pb/204Pb vs. 206Pb/204Pb and 208Pb/204Pb vs. 206Pb/204Pb (base map after Zartman and Doe, 1981) In Fig. 6a, b: A-Mantle; B-Orogenic belt; C-upper crust; D-lower crust; in Fig. 6c, d: LC-lower crust; UC-upper crust; OR-Orogenic belt; OIV-volcanic rocks from Oceanic island

铅山组大理岩206Pb/204Pb值较高,介于19.278~20.897之间,207Pb/204Pb和208Pb/204Pb值范围变化较小,分别介于15.694~15.916和37.920~38.767之间;加里东期黑云母花岗岩206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb值分别为18.314~20.792、15.617~15.761与37.671~38.512;而印支末期二长花岗岩的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb值分别为17.39~18.978、15.506~15.621与37.23~38.498。其中张琳琳等 (2014)文献中铅同位素数据引自邻区同期二长花岗岩 (U-Pb,201±4Ma,邵军等,2014)。在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb和208Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解上,铅山组大理岩、黑云母花岗岩及二长花岗岩投点均近乎在一条直线上 (图 6a, b)。

6 讨论 6.1 成矿时代

由于黑龙江翠宏山铁多金属矿床为一典型矽卡岩矿床,其成矿与岩体关系密切。故对于该矿床成矿时代的厘定,前人主要是对矿区岩体进行了年代学的研究。如龙江省地质矿产局地质三队 (1984)报道与成矿关系密切的碎裂二长花岗岩黑云母K-Ar法测得年龄为198Ma,碱长花岗岩全岩Rb-Sr等时线年龄为324±15Ma;黑龙江省地质矿产局 (1993)获得碱长花岗岩黑云母K-Ar等时线年龄为203.0Ma、196.3Ma,Rb-Sr等时线年龄为190±40Ma;谭成印 (2009)获得黑云母二长花岗岩多个单颗粒锆石U-Pb年龄分别为199±3Ma、194±2Ma、194±3Ma;刘志宏 (2009)获得花岗斑岩锆石U-Pb年龄为172.3±1.6Ma,石英二长岩锆石U-Pb年龄为177.5±2.1Ma;邵军等 (2011)获得与成矿关系密切的深部二长花岗岩锆石U-Pb年龄为199±3.1Ma,地表二长花岗岩锆U-Pb年龄为192.8±2.5Ma;陈静 (2011)获得似斑状含矿碱长花岗岩锆石U-Pb年龄为227±14Ma。Hu et al. (2014)获得碱长花岗岩锆石U-Pb年龄为491±2.4Ma,正长花岗岩锆石U-Pb年龄为199.8±1.8Ma。由此对翠宏山铁多金属矿床的成矿时代众说纷纭,认为有加里东中期 (~490Ma) 成矿 (韩振新等, 2004)、印支末期-燕山早期 (~200Ma) 成矿 (邵军等, 2011)、燕山期 (~170Ma) 成矿 (刘志宏, 2009) 等多种观点,甚至还有加里东中期与燕山早期两期叠加成矿的认识 (Hu et al., 2014)。但上述观点都是基于矿区岩浆岩形成年龄推断的,缺乏精确的矿石定年数据,仅郝宇杰对翠北7件辉钼矿样品进行了Re-Os同位素年龄的分析。本文进一步采用辉钼矿的Re-Os同位素年龄分析为成矿年龄的厘定提供可靠的依据。

一般认为全岩K-Ar、Rb-Sr等时线年龄存在较大不确定性 (周珣若和任进, 1994),而锆石U-Pb同位素体系封闭温度较高,不易受后期构造、岩浆热事件影响,其年龄值可代表锆石结晶时代。辉钼矿Re-Os同位素体系的封闭温度也相对较高 (~500℃)(Suzuki et al., 2000),它受后期热液事件影响亦较小,因此其年龄值可信度较高,但误差范围内其可能会比锆石U-Pb年龄略微偏大 (Stein et al., 2001)。本文对翠北矿段7件辉钼矿样品、翠中矿段6件辉钼矿样品进行的Re-Os同位素等时线测年结果 (204.0±3.9Ma、205.1±1.9Ma) 与本文通过U-Pb锆石定年获取的二长花岗岩成岩年龄 (199±3.1Ma) 在误差范围内一致。结合岩体与矿体的产出地质关系,认为研究区二长花岗岩与成矿关系密切,成矿作用大致发生于印支末期。

6.2 成矿物质来源

Re是极度分散元素,在自然界不易形成独立矿物。它具有高度亲铁,中等亲铜的属性,为中等不相容元素。相对地核而言,Re在地壳和地幔中均表现亏损特征,尤其在地壳中强烈亏损 (涂光炽等, 2004)。在地球不同圈层中Re含量差别较大,地核中丰度非常高,而地幔、地壳中丰度较低 (毛景文等, 1999)。辉钼矿中Re的含量,对于确定成矿物质来源也具有重要指示意义。毛景文等 (1999)Mao et al. (1999)研究认为,从幔源、壳幔混源到壳源,辉钼矿中Re含量依次降低一个数量级,从100n×10-6→10n×10-6n×10-6

翠宏山铁多金属矿床翠北矿段7件辉钼矿Re含量介于0.03605×10-9~0.5810×10-9,翠中矿段6件辉钼矿Re含量介于0.2585×10-9~17.108×10-9之间,主要集中于0.2585×10-9~1.962×10-9,有一件样品高达17.108×10-9,可能与矿石中富黄铁矿、磁黄铁矿有关,表现出Re的亲铁性特征 (杨宗锋等, 2011)。辉钼矿Re含量特点暗示翠宏山铁多金属矿床成矿物质主要源于地壳,可能有少量幔源特征的新生地壳物质加入。

在岩石学和矿相学研究过程中,翠宏山矿床各主成矿阶段中并未发现硫酸盐矿物,因此这些金属硫化物的硫同位素特征可以代表翠宏山矿床的热液硫同位素组成。一般而言,成矿流体中硫同位素分馏达平衡的情况下,硫化物对34S的富集能力从高到低依次为:辉钼矿→黄铁矿→闪锌矿→磁黄铁矿→方铅矿,硫化物δ34S值遵循如下规律:辉钼矿>黄铁矿>闪锌矿>磁黄铁矿>方铅矿 (Ohmoto and Rye, 1979)。然而翠宏山矿区两个矿段的矿石硫化物硫同位素组成均不遵循上述规律,反映翠宏山矿床成矿流体硫同位素分馏未达到平衡,这与翠宏山矿床发生流体沸腾作用有关 (陈静, 2011; Liu et al., 2015)。

矿床中金属硫化物δ34S值集中于2.0‰~6.9‰之间,平均为3.785‰,变化范围窄,接近幔源硫 (±2),偏离地层沉积岩硫较远 (图 5)(杜美艳等, 2011),指示成矿流体硫源单一,总体显示岩浆来源的特征。赵华雷 (2014)对翠宏山矿床中白钨矿进行稀土元素特征研究后认为,矿床形成时成矿流体与地层发生过水岩反应,暗示反应过程中有少量地层硫的混入,使得流体中δ34S值比幔源硫δ34S值略为偏高。

铅同位素构造模式图能够区分不同构造环境中铅的来源。由于造山带铅是一种短期存在环境,其被看作为地壳和地幔铅以不同比例混合作用的结果。在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb和208Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解 (图 6a-d) 中看出,翠宏山矿床金属硫化物Pb同位素投点主要落在造山带附近,且其铅同位素演化线斜率较大,与壳幔铅同位素演化线高角度相交,表明翠宏山矿床铅物源应具有壳幔混合特征。同时,金属硫化物Pb同位素组成投点与二长花岗岩的投点有较大的重叠区 (图 6a-d),结合成岩成矿时代及岩体与矿体的接触关系特征,说明金属硫化物Pb可能主要与二长花岗岩有关。

6.3 成矿动力学背景

小兴安岭-张广才岭地区地质构造复杂,岩浆活动具有多旋回发展的特点,区内广泛分布近SN向花岗岩带,它们的形成时间主要集中于晚三叠-早侏罗世 (210~170Ma)(孙德有等, 2001; 苗来成等, 2003; 隋振民等, 2007; 陈静, 2011; 谭红艳, 2013)。同位素年代学资料显示 (表 4),小兴安岭-张广才岭成矿带金属矿床成矿主要集中在印支末期-燕山早期,成矿时间主要集中于210~170Ma和120~100Ma,与岩体主体成岩时间比较一致。

表 4 小兴安岭-张广才岭成矿带部分金属矿床的成矿时代 Table 4 Mineralization ages of the metal deposits in the Lesser Xing'an-Zhangguangcai Range metallogenic belt

研究显示,额尔古纳-兴安地块与松嫩地块沿贺根山-黑河断裂带碰撞拼合,碰撞拼贴发生于古生代晚期,缝合线两侧广泛分布290~260Ma的A型花岗岩带,被认为是两地块碰撞拼合后进入伸展阶段的产物 (Wu et al., 2002, 2011);晚二叠世-早三叠世 (~250Ma) 西伯利亚克拉通复合块体 (西伯利亚克拉通-额尔古纳-兴安-松嫩地块) 与华北克拉通沿索伦-西拉木伦构造带碰撞拼合 (孙德有等, 2004; 陈志广等, 2006; 李明, 2010)。该缝合线上的大玉山花岗岩体形成时代为248±4Ma,具高钾钙碱性I型花岗岩特征,属同碰撞产物 (孙德有等, 2004),指示了二者拼合时间在250Ma左右。Wu et al. (2002)孙德有等 (2005)在松嫩地块东部的小兴安岭-张广才岭地区识别出较多的晚三叠A型花岗岩,如,小兴安岭东部的清水岩体 (222±5Ma)、毛家屯岩体 (213±4Ma)、大王折子岩体 (229±12Ma)、至石硅子 (210±1Ma)、密林岩体 (197±2Ma) 等,上述A型花岗岩大多属A2型造山后花岗岩,反映了古亚洲洋构造域的造山后伸展作用 (孙德有等, 2004; 吴福元等, 1999; 葛文春等, 2005),也暗示区内在该时间段可能已开始从古亚洲洋构造域向环太平洋构造域过渡转化。

佳木斯地块属外来地块,其与中亚造山带的作用是环太平洋构造域增生的结果,而与中亚造山带无关,其在中生代期间就与中亚造山带东缘沿嘉荫-牡丹江断裂拼合完成,沿该断裂带分布的变质年龄为180~165Ma的黑龙江群构造混杂岩即被认为是佳木斯地块与松嫩地块碰撞拼合的直接证据 (Wu et al., 2007; 李明, 2010)。上述证据表明197~180Ma之间的某个时间点,区内进入滨太平洋构造域的演化阶段 (Wu et al., 2007; 李明, 2010),之后一直到165Ma这段时间为环太平洋构造域挤压阶段,且该时间段内,佳木斯地块与松嫩地块完成了两者之间洋壳的消亡和两地块的碰撞对接,并控制着区内印支末-燕山早期的大规模成岩成矿作用。

近来一些研究者对该成矿带的研究显示,成矿带上的岩体一部分显示A型花岗岩特征,如翠宏山矿区二长花岗岩 (199.8±1.8Ma)、碱长花岗岩 (491.1±2.4Ma)(Hu et al., 2014)、黑云母花岗岩 (496±1.5)(陈贤, 2015) 均属于A2型花岗岩 (表 5图 7),形成于造山后伸展阶段。一部分矿区的岩体显示I型花岗岩特征,如东安碱长花岗岩 (178.2±1.4Ma)(陈静, 2011),鹿鸣二长花岗岩 (176±2.2Ma)、翠岭黑云角闪石英二长岩 (178±0.7Ma)(杨言辰等, 2012),形成于挤压构造背景;说明小兴安岭-张广才岭成矿带成矿先受古亚洲洋构造域伸展作用控制,后过渡为受太平洋构造域的挤压作用控制 (即受佳木斯地块向松嫩地块俯冲挤压作用的控制),而以往将整个成矿带的成矿作用笼统归并为一种动力学背景的认识可能有失偏颇。翠宏山铁多金属矿床的成矿时间约为200Ma,矿区二长花岗岩显示A2型花岗岩特征,因此该矿床成矿作用受古亚洲洋构造域控制、形成于伸展构造环境,同期同一个成矿系统中形成的矿床还包括大西林、小西林等矽卡岩金属矿床。而成矿带上稍晚期 (180~165Ma,与佳木斯地块向松嫩地块俯冲挤压相对应) 的成矿作用则可能主要受环太平洋构造域挤压作用的控制 (祁进平等, 2005; 毛景文等, 2003, 2005; 代军治等, 2006; Zeng et al., 2012, 2013; Zhou et al., 2013, 2014),即是我们熟知的中国东部燕山期成矿作用之一部分 (秦克章等, 2017),如鹿鸣、翠岭、徐老九沟、二股东山、大黑山、杏山和五道岭等金属矿床。同时统计区域上典型矿床成矿时代可以发现,矽卡岩型金属矿床比斑岩型金属矿床成矿时代普遍偏早,可能反映这两类矿床是不同成矿背景和成矿系统演化的产物,以翠宏山矿床为代表的矽卡岩矿床形成于印支末期伸展构造背景,岩浆体系朝酸性深成侵入岩组分端元演化,侵位于碳酸盐岩地层,在接触带形成矽卡岩型矿床。而以鹿鸣、霍吉河矿床为代表的斑岩型矿床则受控于环太平洋构造域的挤压作用,形成于燕山早期,这一时期的富成矿物质岩浆体系主要朝中酸性斑岩端元组分演化,并在地壳浅部形成斑岩型矿床。

表 5 翠宏山矿区花岗岩体部分主量 (wt%)、微量元素 (×10-6) 数据特征 Table 5 Major (wt%) and trace elements (×10-6) data for the granitoids in the Cuihongshan deposits NE China

图 7 花岗岩10000×Ga/Al-Ce、10000×Ga/Al-(Na2O+K2O) (a、b, 底图据Whalen et al., 1987) 和Nb-Y-Ce、Y/Nb-Rb/Nb (c、d, 底图据Eby, 1992) A型花岗岩判别图解 Fig. 7 10000×Ga/Al vs. Ce, 10000×Ga/Al vs. (Na2O+K2O) (a, b, after Whalen et al., 1987) and Nb-Y-Ce, Y/Nb vs. Rb/Nb (c, d, after Eby, 1992) discriminant diagrams, showing the A2-type nature of the alkali-feldspar granite, biotie granite and the syenogranite
7 结论

(1) 翠北矿段7件辉钼矿Re-Os模式年龄介于206.7~200.9Ma之间,等时线年龄为205.1±1.9Ma;翠中矿段6件辉钼矿Re-Os模式年龄介于为205.6~202.0Ma之间,等时线年龄为204.0±3.9Ma。表明翠北矿段与翠中矿段成矿时限一致,矿区二长花岗岩成岩年龄为199±3Ma,结合岩体与矿体的接触地质关系,暗示二长花岗岩与成矿关系最密切,成矿作用大致发生于印支末期。

(2) 矿体中辉钼矿Re-Os同位素特征表明翠宏山铁多金属矿床成矿物物源主要为壳源岩浆。矿体金属硫化物S-Pb同位素特征显示,翠宏山矿床主要具有深源硫特征,并有少量地层硫的混入;矿石铅具有壳幔混源特征,且成矿物源与印支末期二长花岗岩关系密切。

(3) 成矿动力学背景分析表明,印支末期,小兴安岭-张广才岭成矿带上金属矿床成矿作用主要受古亚洲洋构造域伸展作用控制,形成如翠宏山、小西林、大西林等矽卡岩型金属矿床;随后进入燕山期早侏罗世 (约180~165Ma) 则主要受控于环太平洋构造域的挤压作用,即受佳木斯地块与松嫩地块的俯冲挤压作用控制,形成如鹿鸣、翠玲、徐老九沟、杏山、五道岭和大黑山等斑岩型金属矿床。

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