2017, Vol. 33
2. 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 10008;
3. 国土资源部矿产勘查技术指导中心, 北京 100083;
4. 西乌珠穆沁旗银漫矿业有限责任公司, 西乌珠穆沁旗 026200;
5. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037
, LÜ ZhiCheng1,3
, YE TianZhu1,3, PANG ZhenShan1,3, JIA HongXiang2, ZHANG ZhiHui1,3, WU YunFeng4, LI RuiHua5
2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 10008;
3. Mineral Exploration Technical Guidance Center, Ministry of Land and Resources, Beijing 100083, China;
4. Yinman Mining Co., Ltd, Xi Ujimqin Banner 026200, China;
5. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
研究表明，世界上绝大多数具有重要工业价值的Sn矿床都与花岗岩有关(Hosking, 1988；Lehmann, 1990)。因此，对花岗岩开展年代学、成因、演化和构造背景等方面的研究，一方面可以深入探讨Sn成矿作用过程，另一方面还可以为找矿勘探工作提供指导和依据(Drexler and Munoz, 1985；Kontak and Clark, 1985；Lehmann, 1990；Černý et al., 2005；Romer and Kroner, 2016)。与花岗岩有关的Sn矿床是我国最重要的Sn矿床类型，主要分布于华南地区，具有巨大的经济价值(毛景文等, 2005, 2007；陈骏等，2008；Mao et al., 2011a)。然而，近年来随着我国工业化的快速发展和对Sn矿资源的强力开采，华南地区的Sn资源量已日趋枯竭。因此，如何在华南地区之外寻找新的Sn矿产地，保障我国战略资源储备，已成为亟待解决的现实问题。
大兴安岭南段位于中国东部，是我国最重要的多金属成矿带之一。区内分布有大量的Ag-Pb-Zn-Cu-Sn-Mo多金属矿床，主要与晚中生代岩浆作用关系密切(毛景文等，2013)。长期以来，区内多金属矿床找矿工作主要以Ag、Pb-Zn、Cu矿床为主，而Sn矿床则相对较少。据前人资料统计，大兴安岭南段Sn金属量仅约58万吨(Ouyang et al., 2015)。但是，随着找矿勘查工作的深入，最近在区内相继发现了白音查干和维拉斯托两个具有大型规模的Sn多金属矿床。这些矿床的发现被认为是大兴安岭地区近几十年来Sn矿找矿的重大突破，显示出Sn矿在该地区巨大的找矿潜力(张志辉等，2015；祝新友等，2016)。前人对区内Sn多金属矿床开展了矿床地质、流体包裹体以及同位素等方面的研究(张德全，1993；刘玉强，1996；Wang et al., 2001；王国政，2002；王玉往等，2014；Zhai et al., 2014；Mei et al., 2015；Liu et al., 2016)，但是对成矿岩体的研究却相对较少(祝新友等，2016)。白音查干矿床位于大兴安岭南段西部，是区内新发现的大型Sn矿床，矿体主要产于石英斑岩与二叠系大石寨组凝灰质粉砂岩的接触带附近。然而，由于该矿床属新发现矿床，相关研究十分薄弱，尤其是关于成矿岩体的成岩时代、成因和地球动力学背景尚不清楚。因此，本文选择与白音查干Sn多金属矿床有关的石英斑岩为研究对象，首次系统地开展了锆石U-Pb年代学、岩石地球化学和Nd-Hf同位素研究，并探讨了成岩时代、岩石成因和地球动力学背景，以期为深入探讨大兴安岭南段Sn成矿规律提供依据。
1 区域地质大兴安岭南段地处于中亚造山带东段的兴蒙造山带(图 1a, b)，北部和南部分别以二连-贺根山断裂和西拉木伦断裂为界，东部以嫩江断裂为界(图 1c)。区内出露的地层主要包括：前寒武纪片麻岩及片岩变质基底(肖庆辉等，2009；葛梦春等，2011)；奥陶系浅变质碎屑岩夹火山岩；志留系板岩、砂岩及大理岩；石炭系灰岩、砂岩及碎屑岩；二叠系中酸性火山岩、大理岩、凝灰岩及凝灰质粉砂岩；侏罗系中酸性火山岩及碎屑岩；白垩纪砂岩和泥岩。其中，二叠系火山沉积建造是区内多金属矿床的主要赋矿围岩(赵一鸣等，1994；Wang et al., 2001)。区内构造主要以NE、NW和EW向为主，其中，NE向的林西-甘珠尔庙构造带控制了本区晚中生代岩浆活动和多金属成矿作用(盛继福等，1999)。区内岩浆侵入活动频繁，主要以石炭-二叠纪和三叠纪-白垩纪岩浆岩为主，呈近NE向展布，常侵入于古生界地层中。中生代侵入岩分布最广，形成时代可分为早-中三叠世、早-中侏罗世和晚侏罗-早白垩世三个阶段，岩性主要为花岗闪长岩、二长花岗岩、碱性花岗岩、正长花岗岩、花岗斑岩以及石英斑岩等(Zhou et al., 2012；Ouyang et al., 2015；Wang et al., 2017)。其中，晚侏罗-早白垩世花岗质岩石与区内大多数多金属矿床关系密切(吕志成等，2000)。区内火山活动频繁，尤以中生代火山岩最为发育(吕志成等，2004)，由下至上可分为满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组和梅勒图组(赵国龙等，1989)，岩性主要有玄武岩、玄武安山岩、安山岩、英安岩及火山碎屑岩。
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图 1 大兴安岭南段大地构造位置(a、b)及地质矿产简图(c)(据Ouyang et al., 2015修改) Fig. 1 Sketch map showing the location of southern Great Xing'an Range (a, b) and main types of mineral deposits (c) (modified after Ouyang et al., 2015) |
大兴安岭南段是我国重要的多金属成矿带之一。区内矿床类型主要有斑岩型、矽卡岩型以及岩浆热液脉型等，矿化类型以Ag、Cu、Pb-Zn、Sn为主，主要产于二叠系火山-沉积建造以及中生代地层和花岗质岩石中(图 1c；赵一鸣等，1994；Zhai et al., 2014；Ouyang et al., 2015)。前人根据成矿元素组合特点，将大兴安岭南段划分为4个成矿带：锡林浩特-霍林郭勒Ag多金属成矿带、林西-甘珠尔庙Sn-Cu多金属成矿带、天山Mo多金属成矿带和突泉Cu多金属成矿带(图 1c)。区内以往发现的多金属矿床中，Sn储量达到中型及以上的矿床主要分布于林西-甘珠尔庙Sn-Cu多金属成矿带及外围(图 1c)，包括：黄岗Fe-Sn矿床、毛登Sn-Cu矿床、安乐Sn-Cu-Zn-Pb-Ag矿床、大井Cu-Sn-Pb-Zn-Ag矿床和道伦达坝Cu-W-Sn-Ag矿床等。最近，随着找矿勘查工作的深入，在锡林浩特-霍林郭勒Ag多金属成矿带内的白音查干和维拉斯托相继发现了大规模的Sn矿化(图 1c)，累计查明Sn矿资源储量已超过30万吨。
2 矿床地质白音查干矿床位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗巴拉嘎尔高勒镇西90km处，是大兴安岭南段新发现的一处大型Sn多金属矿床。矿区分为Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅳ区，其中，Ⅰ区和Ⅳ区主要以Pb-Zn-Ag矿化为主；Ⅲ区主要以Sn-Cu-Zn-Ag矿化为主。目前，已查明Sn金属量22.34万吨，平均品位0.755%；Zn金属量75.29万吨，平均品位3.22%；Pb金属量15.08万吨，平均品位1.60%；Ag金属量9446吨，平均品位187.46×10-6；Cu金属量2.8万吨，平均品位0.521%(山东地质矿产勘查开发局第六地质大队, 2014①)。Sn和Zn金属量均已达到大型规模。
① 山东地质矿产勘查开发局第六地质大队. 2014.内蒙古自治区西乌珠穆沁旗白音查干东山矿区铜铅锡银锌矿补充勘探报告(内部资料)
矿区出露的地层主要为二叠系下统大石寨组、白垩系下统大磨拐河组和第四系(图 2a)。其中，二叠系下统大石寨组在矿区分布较广，走向NE，倾向NW，倾角40°~70°，主要由凝灰质粉砂岩、安山质凝灰岩、安山岩、玄武岩和流纹岩等组成，是矿床的主要赋矿围岩。白垩系下统大磨拐河组主要分布于矿区西南部，呈角度不整合覆盖于二叠系下统大石寨组地层之上，岩性为砾岩和砂岩。矿区NE向断裂构造(图 2a；F1、F3和F4) 控制了矿区内岩体、矿体的产出和分布。石英斑岩是矿区最主要的侵入岩，与成矿关系密切，多分布于矿区南部，呈岩株、岩枝状产出，侵位于二叠系下统大石寨组地层中(图 2b)，常被白垩系大磨拐河组和第四系覆盖。
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图 2 白音查干矿床矿区地质图(a)及钻孔剖面图(b)(据山东地质矿产勘查开发局第六地质大队，2014修改) Fig. 2 Geological sketch map (a) and cross-section (b) of the Baiyinchagan deposit |
目前，矿床Ⅲ区共圈定具有工业价值的Sn-Cu-Zn-Ag矿体109个，主要受F3断裂控制，呈近EW向展布。矿体主要产于二叠系下统大石寨组凝灰质粉砂岩与石英斑岩的接触带及其附近(图 2b)，倾向一般为350°~360°，倾角为50°~80°。从矿石品位特征来看，以Sn矿化为主的矿体往往与以Zn矿化为主的矿体呈相对独立产出或相伴产出的关系(图 2b)。矿石中的金属矿物主要包括：锡石、闪锌矿、黄铁矿和黄铜矿等；非金属矿物有萤石、电气石、石英、方解石、绿泥石、绢云母和高岭石等。矿石矿物主要以半自形-他形结构和中-细粒结构为主；矿石构造主要为浸染状、脉状和角砾状构造等(图 3a-f)。隐爆角砾岩在Ⅲ区十分发育，主要分布于石英斑岩及其与凝灰质粉砂岩的接触带附近。隐爆角砾岩中的胶结物主要包括：萤石、石英、电气石、锡石、黄铜矿以及黄铁矿等。角砾主要为凝灰质粉砂岩和石英斑岩，直径范围在几毫米至几十厘米之间，多数表现出不可拼合性(图 3a)。总体上看，由石英斑岩至凝灰质粉砂岩，角砾岩化逐渐变弱，即表现出角砾含量逐渐增高而胶结物含量逐渐减少的现象。钻孔编录显示，隐爆角砾岩与Sn多金属成矿作用关系密切(图 3a, b)，含Sn的角砾岩多位于距离石英斑岩体100~200m范围内的凝灰质粉砂岩中。此外，Ⅲ区热液矿物脉亦十分发育，多产于石英斑岩和凝灰质粉砂岩的接触带及其附近。根据脉中的矿物组合，可将这些热液脉划分为：萤石(浅绿)+石英±电气石脉、萤石(浅绿-深绿)+石英±电气石±黄铜矿±黄铁矿脉、萤石(浅绿)+石英+锡石±电气石脉(图 3c, g)、黄铜矿+萤石+石英±电气石±黄铁矿(图 3d, e)以及黄铜矿+电气石脉(图 3f)等。其中，萤石(浅绿)+石英+锡石±电气石脉是矿区最主要的含Sn矿脉，在石英斑岩和凝灰质粉砂岩中皆有分布(图 3c)，脉体一般宽0.5~1cm，大者可宽达几十厘米。
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图 3 白音查干矿床典型矿石手标本(a、c、d、f、h、i)及镜下特征(b、e、g) (a、b)含锡石的隐爆角砾岩手标本及镜下特征；(c)石英斑岩中的萤石+石英+锡石脉；(d、e)凝灰质粉砂岩中的萤石+黄铜矿+石英脉及镜下特征；(f)石英斑岩中的黄铜矿+电气石脉；(g)石英斑岩中的萤石+石英+锡石+电气石脉；(h)含闪锌矿+黄铁矿+石英的隐爆角砾岩；(i)闪锌矿+石英脉被晚期黄铁矿脉穿切 Fig. 3 Representative photographs (a, c, d, f, h, i) and photomicrographs (b, e, g) of ores from the Baiyinchagan deposit (a, b) cassiterite-bearing breccia; (c) fluorite + quartz + cassiterite veinlet cross-cutting quartz porphyry; (d, e) tuffaceous siltstone cross-cut by fluorite + chalcopyrite + quartz veinlet; (f) chalcopyrite + tourmaline veinlet in quartz porphyry; (g) fluorite + quartz + cassiterite + tourmaline veinlet in quartz porphyry; (h) sphalerite + pyrite + quartz in breccia; (i) sphalerite +quartz veinlet cross-cut by pyrite veinlet |
Ⅰ区和Ⅳ区共圈定Pb-Zn-Ag矿体105个，主要分布于矿区中西部，受F1和F4号断裂控制，呈NEE向展布。其中，Ⅰ区矿体多呈脉状产出于二叠系下统大石寨组凝灰质粉砂岩中，倾向一般为340°~350°，倾角在45°~80°之间。矿石中的矿石矿物主要以闪锌矿为主，其次为方铅矿、黄铁矿、辉锑矿等；脉石矿物有石英、萤石、绢云母、绿泥石、方解石及高岭石等。矿石矿物具中-粗粒结构、自形-半自形晶粒状结构等；矿石构造主要为块状、脉状和角砾状构造等。Ⅰ区隐爆角砾岩规模相对较小，主要产于凝灰质粉砂岩中，少部分产于石英斑岩与凝灰质粉砂岩的接触带，胶结物主要为闪锌矿、黄铁矿、石英、黄铜矿及萤石；角砾以凝灰质粉砂岩为主，直径一般在几毫米至十几厘米之间，拼合性相对较好(图 3h)。区内热液脉相对发育，主要分布于凝灰质粉砂岩中，其次为石英斑岩。根据矿物组合可将这些热液脉划分为萤石(紫)+黄铁矿脉、闪锌矿+石英±萤石±黄铁矿±方铅矿脉、黄铁矿脉、石英±辉锑矿±黄铁矿脉、石英脉和高岭石脉等。其中，闪锌矿+石英±萤石±黄铁矿±方铅矿脉是Ⅰ区最主要的含Pb-Zn-Ag矿脉。可见黄铁矿脉切穿闪锌矿+石英±萤石±黄铁矿±方铅矿脉的现象(图 3i)。
矿床近矿蚀变普遍发育，主要有电气石化、萤石化、硅化、绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化及高岭石化等。石英斑岩中主要发育电气石化、萤石化、硅化、绿泥石化和绢云母化等，凝灰质粉砂岩中主要发育硅化、绢云母化、碳酸盐化及高岭石化等，但蚀变强度相对较弱。总体来看，Pb-Zn-Ag矿化往往与硅化关系密切，而Sn-Cu-Zn-Ag矿化与硅化、绢云母化、电气石化和萤石化等关系密切。
3 样品特征及分析方法 3.1 样品特征石英斑岩样品均采自矿体附近。其中，BY-246采自Ⅰ区钻孔3ZK7(图 2a)；BY-72、BY-74、BY-76、BY-88采自Ⅲ区钻孔4ZK06-7(图 2)；BY-20采自Ⅲ区3中段13号穿脉。
石英斑岩主要由石英、碱性长石和黑云母等组成，副矿物主要为锆石等(图 4)。斑晶含量约占15%~20%，主要以石英为主，其次为黑云母；基质主要为石英和碱性长石等。其中，石英斑晶多呈圆形，可见熔蚀结构；黑云母斑晶大多发育较强烈的绿泥石化、碳酸盐化以及电气石化。基质可见零星的绢云母化、碳酸盐化以及电气石化等。
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图 4 白音查干矿床石英斑岩手标本(a)及镜下特征(b) Fig. 4 Photograph (a) and photomicrograph (b) of the quartz porphyry in the Baiyinchagan deposit |
从较新鲜的典型样品中挑选自形、半自形锆石进行制靶工作。制靶完成后，使用偏光显微镜和阴极发光扫描电镜拍摄锆石透射光、反射光和背散射照片。根据照片选择出具环带、无裂隙和包裹体较少的锆石，在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室进行锆石U-Pb-Hf同位素分析。
LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试所使用的仪器为德国Micro Las公司生产的GeoLas2005激光剥蚀系统和美国Agilent公司生产的Agilent7500a型ICP-MS，能在32μm的范围内对单颗粒锆石直接进行同位素测定。实验采用国际标样91500为外标进行同位素分馏校正，锆石微量元素含量校正的内标和外标分别为29Si和NIST610。详细分析流程和仪器参数见Liu et al. (2010)。数据处理采用ICPMSDataCal软件(Liu et al., 2010)完成。同位素年龄计算及谐和图的绘制采用Isoplot3.0完成(Ludwig, 2003)。在完成上述锆石U-Pb同位素分析之后，对所测试锆石进行原位Hf同位素分析。实验在多接收等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)上进行。具体实验原理和流程参见Hu et al. (2012)。
3.2.2 全岩主量、微量和稀土元素分析选择典型的石英斑岩样品进行清洗并粉碎至200目之后，进行岩石的主量和微量元素分析测试。实验在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。主量元素分析所采用的方法为XRF法，仪器为扫描型波长色散X射线荧光光谱仪(XRF)，分析偏差为5%。在微量和稀土元素分析前，将样品放入高压特氟龙熔样罐中，并用混合酸(HF、HNO3和HClO4)进行溶解。之后在Agilent7500ac型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)上进行分析。分析过程中采用国内标样GSR-1和GSR-2进行分析质量监控，分析偏差控制在5%~10%之间。具体实验方法和操作流程详见Li et al. (2008)。
3.2.3 全岩Sr-Nd同位素分析全岩Sr-Nd同位素分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。所用仪器为Finnigan Triton TI thermal ionization mass spectrometer (TIMS)。在质谱测定过程中Sr和Nd的同位素分馏分别采用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd=0.7219校正。实验室对Sr标样NBS987和Nd标样Jndi-1的测定结果分别为86Sr/88Sr=0.710245±5和143Nd/144Nd=0.512104±8。Rb-Sr全流程空白本底约1×10-10g；Sm-Nd全流程空白本底约5×10-11g。
4 分析结果 4.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄锆石阴极发光图像(图 5a)显示：样品BY-246中的锆石多呈自形-半自形结构，短柱状或粒状晶形，单颗粒锆石长约100~200μm，宽约40~100μm，大部分具有清晰的震荡环带。本次共对21颗锆石进行了分析测试，结果显示(表 1；图 5b)：Th含量为114×10-6~1431×10-6，U含量为236×10-6~2387×10-6；Th/U的值为0.30~0.75，属岩浆成因(Hoskin and Black, 2000)。21个分析点的206Pb/238U加权平均年龄为141.7±0.8Ma (MSWD=0.59；n=21)，代表了岩浆结晶的时间。
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图 5 白音查干矿床石英斑岩锆石阴极发光图像(a、c)和锆石U-Pb谐和图(b、d) Fig. 5 Cathode luminescence images of zircons (a, c) and zircon U-Pb concordia diagrams (b, d) of the quartz porphyry at Baiyinchagan |
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表 1 白音查干矿床石英斑岩LA-ICP-MS锆石U-Pb数据 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the Baiyinchagan quartz porphyry |
样品BY-20的锆石阴极发光图像(图 5c)表明：所分选的锆石呈自形-半自形结构，短柱状或粒状晶形，单颗粒锆石长约50~190μm，宽约40~80μm，大部分具有清晰的震荡环带。本次共对10颗锆石进行了分析测试，结果显示(表 1；图 5d)：Th含量为91.3×10-6~493×10-6，U含量范围在211×10-6~1364×10-6之间；Th/U的值为0.33~0.44。这些特征表明，锆石为岩浆成因(Hoskin and Black, 2000)。本次共对10颗锆石进行了10个点的分析，获得206Pb/238U加权平均年龄为140.2±1.1Ma (MSWD=0.53；n=10)，代表了石英斑岩的成岩年龄。
4.2 全岩主量、微量和稀土元素石英斑岩的全岩主量、微量和稀土元素分析结果见表 2。
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表 2 白音查干石英斑岩主量(wt%)、微量和稀土(×10-6)元素分析结果 Table 2 Major (wt%), trace and rare earth (×10-6) element analyses of the Baiyinchagan quartz porphyry |
石英斑岩具有相对富SiO2(70.99%~76.98%)、Al2O3(13.46%~15.16%)，贫CaO (0.05%~0.63%)、Na2O (0.09%~0.13%)、TiO2(0.10%~0.12%)和P2O5(0.02%~0.03%)的特点。
样品的稀土总量∑REE较低，在184.7×10-6~223.2×10-6之间，LREE/HREE为2.02~2.77，δEu值为0.05~0.19，(La/Yb)N为1.41~1.95，(Dy/Yb)N为0.86~0.92，表现出轻稀土元素富集和明显负δEu异常的特点(图 6a)。在微量元素蛛网图中，样品富集Rb、U、Ta、Nd、Hf等元素，亏损Ba、K、Sr、P、Ti等元素(图 6b)。此外，样品还具有较低的V (0.01×10-6~0.43×10-6)、Co (0.73×10-6~2.40×10-6)、Ni (0.88×10-6~25.76×10-6)含量和较高的Zn (86.53×10-6~2909×10-6)、Sn (30.53×10-6~89.19×10-6)、Pb (42.1×10-6~907.1×10-6)含量。
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图 6 白音查干矿床石英斑岩球粒陨石标准化稀土元素分布模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据McDonough and Sun, 1995) Fig. 6 Chondrite-normalized REE pattern and primitive mantle-normailzed element spider diagrams of the quartz porphyry in the Baiyinchagan deposit (normalization values after McDonough and Sun, 1995) |
石英斑岩样品的Sr-Nd同位素分析及计算结果见表 3。(86Sr/88Sr)i和εNd(t)值等分别在本次所获得的锆石U-Pb年龄(按140Ma)基础上进行计算。由表 2可知，白音查干石英斑岩普遍含有较高含量的Rb (219×10-6~299×10-6)和较低含量的Sr (8.95×10-6~14.78×10-6)，而且所测的2件样品均具有较高的87Rb/86Sr值(43.2~72.8)，说明石英斑岩在形成后可能受到某些因素的影响，导致Sr同位素体系变为开放体系。因此，所测得的Sr同位素初始值数据不可使用。所测得的Nd同位素初始值(146Nd/144Nd)i为0.512644~0.512654，εNd(t)为+3.6~+3.8，二阶段Nd同位素模式年龄tNdDM2为0.63~0.62Ga。
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表 3 白音查干矿床石英斑岩的全岩Sr-Nd同位素数据 Table 3 Sr-Nd isotopes of the Baiyinchagan quartz porphyry |
2件石英斑岩样品的锆石Hf同位素测试结果见表 4。
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表 4 白音查干矿床石英斑岩的锆石Hf同位素数据 Table 4 Zircon Hf isotopes of the Baiyinchagan quartz porphyry |
样品BY-246的Hf同位素分析共测试21个点，结果显示：样品初始(176Hf/177Hf)i为0.282917~0.283013，fLu/Hf为-0.97~-0.91，比值变化不大，显示出较为均一的特征；计算得出的εHf(t)值为+8.2~+11.6；一阶段Hf模式年龄(tHfDM1)为0.48~0.34Ga，二阶段Hf模式年龄(tHfDM2)为0.67~0.45Ga。
样品BY-20的Hf同位素分析结果显示：10个分析点的初始(176Hf/177Hf)i为0.282942~0.282991，fLu/Hf为-0.98~-0.95，显示出较为均一的特征；将相应的年龄值进行计算得出εHf(t)值为+9.1~+10.8；一阶段Hf模式年龄(tHfDM1)为0.37~0.44Ga，二阶段Hf模式年龄(tHfDM2)为0.61~0.50Ga。
5 讨论 5.1 成岩时代研究表明，大兴安岭南段晚中生代花岗质岩石与区内多金属矿床关系密切(毛景文等, 2005, 2013)。因此，对该地区多金属矿床成岩成矿时代的研究一直是探讨大兴安岭南段成矿规律的重要手段。近年来，虽然有学者利用SHRIMP和LA-ICP-MS锆石U-Pb等方法对区内岩体开展了年代学研究(Zhou et al., 2012；Liu et al., 2016)，但总体上精确的成岩成矿年龄仍相对较少(毛景文等，2005；王玉往等，2014；祝新友等，2016)。
对于与Sn成矿作用有关的花岗质岩石来说，前人多采用全岩K-Ar、Rb-Sr以及传统的锆石U-Pb法进行成岩年龄测定，得出的成岩年龄具有较宽的范围(149~133Ma；赵一鸣和张德全，1997；Wang et al., 2001；王玉往等，2014)。白音查干Sn多金属矿床是大兴安岭南段最大的与石英斑岩有关的Sn矿床，但是关于石英斑岩精确的成岩年代学研究却尚未开展。本文利用LA-ICP-MS锆石U-Pb法首次获得了白音查干矿床与成矿有关的两件石英斑岩样品的成岩年龄分别为141.7±0.8Ma和140.2±1.1Ma，均为早白垩世。这一年龄范围与维拉斯托Sn多金属矿床石英斑岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄(140±3Ma~139.5±1.2Ma；Liu et al., 2016；祝新友等，2016)、大井Sn多金属矿床与成矿有关的侵入岩LA-ICP-MS和SHRIMP锆石U-Pb年龄(146~133Ma；刘伟等，2007；江思宏等，2012)和黄岗梁Fe-Sn矿床花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄(140±0.9Ma~137±1.1Ma；周振华等，2010；翟德高等，2012)在误差范围内基本一致。这说明，大兴安岭南段与Sn多金属成矿作用有关的花岗质岩石主要形成于早白垩世(140Ma左右)。
5.2 岩石成因白音查干石英斑岩样品主要采于矿区钻孔，发育有不同程度的绢云母化、绿泥石化、电气石化、高岭土化、萤石化及碳酸盐化等蚀变，而且具有较低的CaO (0.05%~0.63%)和Na2O (0.09%~0.13%)含量，说明石英斑岩可能经历了一定程度的岩浆期后热液改造作用。一般来说，岩浆期后热液改造作用对Na、K、Ca和大离子亲石元素等影响较大，而对于其他主量元素(Si、Al、Ti、Fe、P)、高场强元素和稀土元素的影响则相对较小(Rollinson, 1993；Hawkesworth et al., 1997)。热液蚀变对Na、K、Ca和大离子亲石元素的影响一般表现为较大的K2O/Na2O值变化范围以及大离子亲石元素的去耦作用，如K和Rb相对于Ba更亏损(Altherr et al., 2008；Yan et al., 2015)。白音查干石英斑岩的K2O/Na2O值变化范围较大(20.2~51.4)，而且Ba相对于K和Rb更加亏损(图 6b)，说明热液蚀变对Na、K的影响可能相对较大，而对大离子亲石元素的影响则相对较小。此外，石英斑岩发育萤石化蚀变，而且其与凝灰质粉砂岩的接触带及其附近还发育有大量的萤石脉和以萤石为主要胶结物的隐爆角砾岩(图 3a-c)，暗示样品中较低的Ca含量很可能与大规模的萤石化有关。因此，本次获得的Si、Al、Ti、Fe、P等主量元素、微量和稀土元素可以最大程度地反映石英斑岩的地球化学组成。
根据地球化学和岩相学特征，可将花岗岩的成因类型划分为I、S、M和A型(Chappell and White, 1974；Chappell et al., 1987)。其中，A型花岗岩一般具有较高含量的SiO2、K2O、Na2O+K2O、Zr、Y、Nb、Ce、Ga等，较低含量的CaO、Ba、Sr等以及较高的FeOT/(FeOT+MgO)、FeOT/MgO和Ga/Al值(Whalen et al., 1987；Frost and Frost, 2011)。由岩相学和元素地球化学特征可知，白音查干石英斑岩以石英、碱性长石以及黑云母等为主要造岩矿物，具有较高的SiO2含量(70.99%~76.98%)、FeOT/(FeOT+MgO)值(0.90~0.97)、FeOT/MgO值(9.45~36.3)、10000×Ga/Al值(5.9~8.2) 和较低的MgO (0.13%~0.18%)、TiO2(0.10%~0.12%)、Ba (32.1×10-6~74.5×10-6)、Sr (8.95×10-6~14.78×10-6)含量(表 2)。微量和稀土元素特征显示(图 6)，岩石富集Rb、U、Ta、Nd、Zr、Hf等元素，亏损Ba、K、Sr、P、Ti等元素，同时具备轻稀土元素富集和明显负δEu异常的特点。这些特征均与A型花岗岩相似(Whalen et al., 1987；Eby, 1992；Frost and Frost, 2011)。此外，与具有相似SiO2含量的高分异I型花岗岩相比，石英斑岩相对富集Zr、Nb、Y和Ce (图 6b；Zhao et al., 2008)，而与S型花岗岩相比，石英斑岩具有更低的P2O5含量(0.02%~0.03%)(King et al., 1997；Bonin, 2007)，并且P2O5与SiO2未表现出明显的相关性(表 2)。在花岗岩判别图解中，石英斑岩样品皆投点于A型花岗岩区域(图 7a-c)和板内花岗岩区域(图 7d)。以上这些均说明，白音查干石英斑岩具备A型花岗岩的特征。
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图 7 白音查干石英斑岩成因类型判别图解(a, b, 据Whalen et al., 1987；c，据Frost and Frost, 2011；d，据Pearce et al., 1984) Fig. 7 Discrimination diagrams for the quartz porphyry in the Baiyinchagan deposit (a, b, after Whalen et al., 1987; c, after Frost and Frost, 2011; d, after Pearce et al., 1984) |
石英斑岩的锆石Hf同位素和全岩Nd同位素组成较均一，而且岩体中未见镁铁质暗色包体和继承锆石(图 5a, c；表 1)，说明石英斑岩岩浆在演化过程中可能没有发生壳幔源物质的混染作用。地球化学特征显示(图 6b)，样品具有富集轻稀土元素、明显的负δEu异常以及亏损Ba、Sr、Eu的特点，说明在岩浆演化过程中可能发生了长石的结晶分异作用。此外，钛铁矿一般含有较低的Nd和Ta以及较高的Ti (Cole and Stewart, 2009)，所以石英斑岩亏损Ti和富集Nb、Ta的特点(图 6b)暗示在岩浆演化过程中可能发生了钛铁矿的结晶分异。以上这些均说明，石英斑岩岩浆在演化过程中可能主要经历了结晶分异作用，而样品的Nd-Hf同位素组成可以作为反映岩浆源区性质的重要依据。
全岩Nd同位素组成显示，石英斑岩具有较高的εNd(t)值，在+3.6~+3.8之间(表 3)，与大兴安岭南段中-晚侏罗世和早白垩世花岗质岩石的εNd(t)值范围基本一致(Ouyang et al., 2015)，说明其源区含有大量的地幔物质。样品的锆石εHf(t)值为+8.2~+11.6(表 4；图 8a)，在大兴安岭南段早白垩世花岗质岩石的锆石εHf(t)值范围内(图 8b)，明显不同于长江中下游地区和华南地区中生代花岗岩的锆石εHf(t)值范围(如Xie et al., 2008, 2011a, b；Mao et al., 2011b；Shu et al., 2011, 2013；Wang et al., 2016)，亦表现出地幔来源的特征。由上文可知，石英斑岩岩浆在演化过程中主要经历了结晶分异作用，然而幔源岩浆的直接结晶分异却很难形成花岗岩(吴福元等，2007)。大量研究表明，大兴安岭地区所处的中亚造山带是地球上显生宙新生陆壳增长最为显著的地区(Şengör et al., 1993；Jahn et al., 2000)。大兴安岭地区从新元古代至晚古生代经历了古亚洲洋的开启-俯冲和闭合作用过程(Dobretsov et al., 1995)，发生了大规模幔源物质底侵作用并形成了新生地壳(林强等，2004)。该地区大部分中生代岩石普遍具有较低的初始(87Sr/86Sr)i值、较高的εNd(t)、εHf(t)值以及年轻的Nd、Hf同位素模式年龄，常被认为是新元古代-早古生代地壳生长的反映(如洪大卫等，2000；Wu et al., 2003；Guo et al., 2009；周振华等，2011)。白音查干石英斑岩的全岩Nd同位素二阶段模式年龄范围为0.63~0.62Ga (表 3)，在锆石Hf同位素二阶段模式年龄范围内(0.67~0.45Ga；表 4)，为新元古代-早古生代。因此，综合Nd-Hf同位素特征可知，白音查干石英斑岩很可能是新元古代-早古生代幔源新生地壳物质部分熔融的产物。
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图 8 白音查干矿床石英斑岩锆石εHf(t)直方图(a)和εHf(t)-年龄图解(b；底图据Ouyang et al., 2015) 红色为样品BY-246，蓝色为样品BY-20 Fig. 8 Histogram of zircon εHf(t) (a) and diagram of εHf(t) vs. Age (b; after Ouyang et al., 2015) of the quartz porphyry at Baiyinchagan |
一般认为，与Sn成矿作用有关的花岗岩往往属高分异花岗岩，具有富集Sn、W、Be、Cs、F、B、Li、Rb、Ta，亏损Fe、Ti、Mg、Ca、Sr、Eu、Ba、Zr等特点(如Lehmann, 1990；Heinrich, 1990；Breiter et al., 2005；Romer and Kroner, 2016)，成因类型包括S型、A型和I型。白音查干矿床石英斑岩属A型花岗岩，其地球化学特征与上述典型与Sn成矿作用有关花岗岩的地球化学特征基本一致。在大兴安岭南段，白音查干石英斑岩与黄岗Fe-Sn矿花岗岩皆属A型花岗岩，具有相对较高的εHf(t)(+1.9~+18.3) 和εNd(t)值(-0.8~+3.8) 以及年轻的Nd、Hf同位素模式年龄，源区主要为新元古代-早古生代幔源新生地壳物质(本文；周振华等，2010；Zhou et al., 2012)。维拉斯托Sn多金属矿床石英斑岩属I型花岗岩，具有相对较低的εNd(t)值(-4.27~+0.28)，但其源区地幔物质含量高达51%~73%，属幔源新生地壳物质和古老地壳物质部分熔融的产物(Wang et al., 2017)。以上这些均说明，大兴安岭南段晚中生代与Sn成矿作用有关的花岗岩源区皆含有大量幔源新生地壳物质。然而，这一特征却与我国其他地区晚中生代与Sn矿床有关的花岗岩明显不同。例如，南岭地区与Sn矿床有关的花岗岩多具有负的εNd(t)值和εHf(t)值(-8~-2；陈骏等，2014)，其源区主要为古老地壳物质，并有地幔物质的加入(蒋少涌等，2008；Zhao et al., 2012；Mao et al., 2013；陈骏等，2014)。又如，滇东南-贵西地区个旧超大型Sn矿床花岗岩的εNd(t)值和εHf(t)值范围分别为-9.3~-6.9和-10~-5，亦表现出源区含有大量古老地壳物质的特点(程彦博，2012)。由此可知，源区富含大量幔源新生地壳物质是大兴安岭南段晚中生代与Sn成矿作用有关花岗岩的重要特点，与国内其他Sn成矿带的成矿花岗岩相比表现出明显的特殊性。
5.3 地球动力学背景及意义年代学和地球化学研究表明，大兴安岭地区中生代岩浆活动最为强烈，形成了大量具有明显地幔来源特征的A花岗岩及双峰式火山岩(吕志成等，2004；Ouyang et al., 2015)。此外，区内还发育有大量与晚中生代斑岩有关的多金属矿床(如白音查干、哈什吐、海苏沟等；图 1c)和与碱性侵入体有关的稀有金属矿床(如巴尔哲)。以上这些均说明，大兴安岭南段晚中生代处于岩石圈伸展减薄的背景下，而这被认为与晚中生代蒙古-鄂霍茨克洋板片深部折断以及古太平洋板块俯冲而导致的软流圈上涌有关(Ouyang et al., 2015)。白音查干矿床与成矿有关的石英斑岩属A型花岗岩，其成岩年龄为141.7±0.8Ma~140.2±1.1Ma，与区内其他Sn多金属矿床成矿岩体的年龄范围基本一致，说明与大兴安岭南段Sn多金属矿床有关的花岗质岩石形成于早白垩世岩石圈伸展的背景下。
前人根据成矿元素组合特点，将大兴安岭南段划分为4个成矿带(图 1c)。其中，区内Sn成矿作用主要集中于林西-甘珠尔庙Sn-Cu多金属成矿带，Ag-Pb-Zn成矿作用则主要分布于锡林浩特-霍林郭勒Ag多金属成矿带。然而，最近取得重大突破的白音查干和维拉斯托两个大型Sn多金属矿床却产于锡林浩特-霍林郭勒Ag多金属成矿带内(图 1c)。就目前大兴安岭南段已发现的Sn多金属矿床分布特征来看，这些矿床总体呈NW向展布，明显与前人划定的林西-甘珠尔庙Sn-Cu多金属成矿带NE向展布的情况不同(图 1c)。这说明，白音查干等大型矿床的发现很可能在一定程度上改变了大兴安岭南段现有的成矿带分布格局。研究表明，晚中生代软流圈上涌导致大兴安岭早白垩世发生了整体隆升和两侧断陷盆地沉降(松辽盆地和二连盆地)，并在盆地与隆起之间发育了一系列背向隆起带的正断层(邵济安等，2005)。大兴安岭的隆升和两侧盆地的拉张在剩余重力异常特征上亦有反映，即林西-甘珠尔庙-乌兰浩特一线为明显的负异常带，代表了大兴安岭花岗岩主体的展布方向(NE向)，而两侧的盆地地区则表现出明显的正异常(牛树银等，2011)。区域地质和地球物理特征显示，区内绝大多数Sn多金属矿床(白音查干、毛登、维拉斯托、道伦达坝、宝盖沟以及大井)主要分布于大兴安岭隆起与两侧盆地的过渡地带和大兴安岭花岗岩主体两侧附近的正重力异常带上(牛树银等，2011)，暗示大兴安岭南段Sn多金属矿床的分布特征很可能与早白垩世软流圈上涌所导致的盆岭格局有关。
6 结论(1) LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素数据显示，白音查干矿床与成矿有关的两件石英斑岩样品的成岩年龄分别为141.7±0.8Ma和140.2±1.1Ma。结合成岩成矿年龄可知，大兴安岭南段与Sn多金属成矿作用有关的花岗质岩石主要形成于早白垩世(140Ma左右)。
(2) 岩石元素地球化学和Nd-Hf同位素特征表明，白音查干石英斑岩具备A型花岗岩的特点，可能是新元古代-早古生代新生地壳物质部分熔融的产物，并在岩浆演化过程中发生了结晶分异作用。
(3) 结合区域地质特征可知，大兴安岭南段含Sn花岗岩的源区以富含大量幔源新生地壳物质为特点，主要形成于晚中生代软流圈上涌所导致的岩石圈伸展的背景下。
致谢 论文撰写过程中得到了中国地质科学院矿产资源研究所谢桂青研究员和欧阳荷根博士、中国地质调查局发展研究中心耿林、薛建玲、贾儒雅、陈辉和张明超博士、西乌珠穆沁旗银漫矿业有限责任公司葛万波和宋玉池等工程师、中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室蒋少涌教授和赵葵东教授、中国地质大学(北京)朱晓强和林鲁军同学的指导和帮助。审稿专家对论文提出了许多宝贵的意见和建议。在此一并致以衷心的感谢！| [] | Altherr R, Topuz G, Siebel W, Çen C, Meyer HP, Satir M, Lahaye Y. 2008. Geochemical and Sr-Nd-Pb isotopic characteristics of Paleocene plagioleucitites from the eastern pontides (NE Turkey). Lithos, 105(1-2): 149–161. DOI:10.1016/j.lithos.2008.03.001 |
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