岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (1): 131-145   PDF    
安徽省金寨县沙坪沟钼矿含矿岩体锆石U-Pb年龄和Hf同位素特征及其地质意义
陈红瑾1, 陈衍景1,2, 张静3, 陈秀忠4, 张怀东4     
1. 北京大学 造山带与地壳演化重点实验室,北京 100871;
2. 中国科学院广州地球化学研究所 矿物学与成矿学重点实验室,广州 510640;
3. 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;
4. 安徽省地矿局313地质队, 六安 237010
摘要: 安徽省金寨县沙坪沟斑岩型钼矿位于大别山东段,钼矿化与石英正长斑岩和爆破角砾岩紧密相关。石英正长斑岩和爆破角砾岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为116.1±2.2Ma和112.9±1.2Ma,侵位于早白垩世。两类岩石都显示出高钾、富碱、富铝的特点,属过铝质A型花岗岩,具有较高浓度的大离子亲石元素和相对低含量的高场强元素以及较低的HREE和Y、Yb含量,暗示其源于石榴石作为残留相的较深层次的下地壳物质部分熔融。石英正长斑岩εHf(t) 变化于-14.4~-12.4,分布于亏损地幔演化线之下,tDM2变化于1598~1707Ma,指示岩浆源于古老下地壳物质的部分熔融,古老下地壳可能由宽坪群(1.85~1.4Ga) 组成;爆破角砾岩εHf(t) 为-10.1~-2.7,tDM2为1097~1486Ma,指示物源区比斑岩更年轻,可能来自宽坪群与地幔物质的混合。以上表明,从石英正长斑岩到爆破角砾岩,成岩岩浆来源变深,由地壳为主演变为壳幔混合,形成于碰撞造山加厚地壳的减薄过程;在大地构造上,能够作为源区的地层单元皆分布于矿区以北,因此我们认为在中生代碰撞造山过程中,华北大陆板块向南俯冲到大别山之下。
关键词: 锆石U-Pb年龄     Hf同位素     斑岩矿床     沙坪沟钼矿     大别山    
Zircon U-Pb ages and Hf isotope characteristics of the ore-bearing intrusion from the Shapinggou molybdenum deposit, Jinzhai County, Anhui Province
Chen HongJin1, Chen YanJing1,2, Zhang Jing3, Chen XiuZhong4, Zhang HuaiDong4     
1. Key Laboratory of Orogen and Crust Evolution, Peking University, Beijing 100871, China;
2. Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;
3. State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
4. No. 313 Team, Anhui Bureau of Geology and Mineral Resources, Liu'an 237010, China
Abstract: The Shapingou porphyry molybdenum deposit in Jinzhai County, Anhui Province is located in eastern Dabie Shan. Mo mineralization is closely associated with the Shapinggou quartz-orthophyre and breccia pipes, which yield LA-ICP-MS zircon U-Pb ages 116.1±2.2Ma and 112.9±1.2Ma, respectively. The porphyritic rocks and breccias have high contents of K2O, Al2O3 and alkali, petrochemically resembling the peraluminous A-type granitoids. They are enriched in LILE, depleted in HFSE, HREE, Y and Yb, and have been generated by partial melting of a thickened lower crust with garnet residues. The εHf(t) values of the porphyry range from -14.4 to -12.4, which are below the depleted mantle line, with tDM2(Hf) of 1598Ma to 1707Ma, suggesting that the porphyry was originated from partial melting of the curst mainly composed of the Kuanping Group (1.85~1.4Ga). The explosive breccias yield εHf(t) values of -10.1 to -2.7, and tDM2 of 1097Ma to 1486Ma, indicating that the explosive breccias, compared to the porphyry, were originated from a younger source mixed by the Kuanping Group and the mantle. This suggests that from the porphyry to breccias the parental magma source became deeper, from an old crust-dominated to crust-mantle mixture; and that the tectonic setting involved a crustal thinning from a thickened crust resulted from continental collision orogeny. Moreover, the above mentioned stratigraphic units are tectonically north of the Shapinggou deposit, which leads us to envisage a tectonic model that the North China continent southwardly underthrusted beneath the northern Dabie Shan during Mesozoic continental collision.
Key words: Zircon U-Pb ages     Hf isotope     Porphyry deposit     Shapinggou Mo deposit     Dabie Shan    
1 引言

秦岭-桐柏-大别-苏鲁造山带最终形成于华北和扬子大陆之间的碰撞造山作用,被称为中央造山带东段;该成矿带矿产资源丰富,也被誉为中国的金腰带。例如,东秦岭是仅次于美国Climax钼矿带的世界第二大钼矿带(胡受奚等,1988罗铭玖等,1991陈衍景和富士谷,1992Chen et al., 2000)。21世纪初,东秦岭钼矿带又发现了东沟、鱼池岭等超大型钼矿床和一批重要钼矿床,其钼资源量超过美国Climax钼矿带而成为世界第一大钼矿带(李诺等,2007陈衍景等,2009)。不仅如此,大别山作为东秦岭造山带的东延,也取得了找矿突破,相继发现了汤家坪大型钼矿床(王运等,2009; 魏庆国等,2010Chen and Wang, 2011) 和千鹅冲、沙坪沟超大型钼矿床(Yang et al., 2013李毅等, 2013图 1)。然而,秦岭-大别钼矿带与美国Climax钼矿带形成于截然不同的构造背景,前者属于典型的大陆碰撞造山带,后者属于活动大陆边缘的弧后伸展或裂谷带(Li et al., 2012, 2013)。显然,秦岭-大别钼矿带是深入研究大陆碰撞造山带成矿规律、矿床地质特征的良好对象。与秦岭钼矿带相比,大别山区的钼矿床研究薄弱,特别是新近发现的安徽金寨县沙坪沟超大型斑岩钼矿床(图 2)。

图 1 大别山区钼矿床空间分布略图(据王运等,2009修改) Fig. 1 Schematic map showing the geology and distribution of Mo deposits in Dabie Shan (modified after Wang et al., 2009)

图 2 安徽省金寨县沙坪沟钼矿床地质图(据张怀东等, 2010a, 略有修改) Fig. 2 Geological map of the Shapinggou Mo field, Jinzhai County, Anhui Province (modified after Zhang et al., 2010a)

沙坪沟钼矿床位于大别钼矿带的东段(图 1图 2),是目前我国探明钼金属量最大的钼矿床(220×104t Mo)。前人初步研究了矿床地质特征、近矿围岩蚀变(罗铭玖等,2000张怀东等,2010b),获得了成矿年龄和部分岩石地球化学资料(张红等,2011孟祥金等,2012) 以及成因认识。本文通过对沙坪沟钼矿区石英正长斑岩和爆破角砾岩的锆石LA-ICP-MS微区原位U-Pb定年以及Hf同位素研究,揭示含矿岩体的侵入年龄和顺序,探讨成岩岩浆的起源和变化,分析成岩成矿的地球动力学背景和构造模型,为研究大别山成矿规律,完善大陆碰撞成矿理论提供依据。

2 地质背景

大别造山带是华北板块南部活动大陆边缘和扬子板块北部被动大陆边缘经长期演化、地体拼贴和最终大陆碰撞的结果,是长期发育的大陆内部复合型造山带(张国伟等,1995张本仁等,1996邓晋福等,2000谢才富等,2001)。大别造山带东被郯庐断裂所截,西接桐柏山脉,以南阳盆地与秦岭造山带相隔;其南、北边界分别为襄樊-广济断裂和栾川-明港-固始断裂(图 1)。大别造山带内部构造复杂,断裂构造发育,以NW向和NE向断裂最醒目(图 1)。NW向断裂为区域性断裂,由北而南依次为:龟梅(龟山-梅山) 断裂、桐商(桐柏-商城) 断裂和晓天-磨子潭断裂等。其中,龟梅断裂与秦岭地区的商丹断裂相当(胡受奚等,1988陈衍景和富士谷,1992),是华北古板块与扬子古板块的缝合带;晓天-磨子潭断裂以北统称为北淮阳构造带(包括华北古板块最南缘和扬子古板块最北缘的构造地层地体),以南被统称为大别变质杂岩。NE向断裂见大悟-涩港断裂、陡山河断裂、商麻断裂等,以大致50km等间距平行产出,并截切NW向断裂呈棋盘格子状。其中,商麻断裂被视为东大别与西大别的分界线。

大别造山带以大量发育超高压榴辉岩而闻名于世。Zheng et al.(2003, 2005) 根据变质作用的温度-压力条件将大别地区划分为5个单元:北淮阳低温低压绿片岩相变质带(晓天-磨子潭断裂以北)、北大别高温超高压榴辉岩相带、中大别中温超高压榴辉岩相带、南大别低温超高压榴辉岩相带和宿松低温高压蓝片岩相带。大别地区从北向南岀露的主要地层包括:二郎坪群、秦岭群、信阳群、肖家庙组、大别/桐柏变质核杂岩(图 1),未见相当于北秦岭造山带的中元古代宽坪群以及华北克拉通的基底和盖层。其中,秦岭群变质杂岩(主体为新元古代,陈衍景等,2009) 和二郎坪群浅变质火山-沉积岩系(新元古代-早古生代,胡受奚等,1988) 分布于龟梅断裂以北,共同组成了华北古板块南缘的加里东期增生带(陈衍景和富士谷,1992);该增生带局部上覆晚古生代地层,以下石炭统花园墙组最常见,花园墙组主要岩性为铁质绢云石英片岩、绢云石英片岩及炭质石英片岩(杨泽强,2007)。信阳群实为蛇绿混杂岩带(Chen and Wang, 2011; Zhang et al., 2011),主体由泥盆系火山-沉积岩系组成,夹杂异源前寒武纪碎块和三叠纪放射虫硅质岩,其时代长期争议(胡受奚等, 1988)。肖家庙组以白云钠长片岩、白云石英片岩、白云/黑云/二云更长片岩为主,夹大理岩透镜体,原岩为泥砂质碎屑岩夹碳酸盐岩建造,形成于新元古代-古生代。大别/桐柏变质核杂岩由变质深成岩系、表壳岩系和侵入其中的岩浆岩组成,其中变质深成岩系(又称大别群或桐柏群) 岩性以二长花岗质片岩、云英闪长质片麻岩和黑云斜长片麻岩为主,蕴含超高压榴辉岩地体;变质表壳岩系以红安群含磷变质岩系为代表,呈不整合覆盖于大别群之上;侵入其中的岩浆岩则以晋宁期和燕山期花岗岩类为主(Chen and Wang, 2011王运等,2009)。

大别山区岩浆活动频繁,尤以燕山期最为强烈,表现为大量陆相火山岩、中酸性花岗(斑) 岩和少量基性-超基性岩密切共生(图 1)。燕山期火山岩以英安岩-流纹岩组合为特征,主要沿造山带北麓信阳-商城-霍山一带分布,南不逾晓天-磨子潭断裂。同期的花岗质侵入岩分布最广、规模最大,出露面积约占全区基岩面积的1/5;主要岩体包括灵山、新县和商城三大花岗岩基,沿桐柏-商城断裂自西向东分布。此外,区内见有众多的早白垩世中酸性小斑岩体,多为酸性富碱的花岗斑岩、似斑状花岗岩、石英斑岩、花岗闪长斑岩,其产出明显受网格状构造系统的控制,具有等间距成群成带展布的特点,与斑岩型钼金属矿化关系密切;代表性岩体包括:天目山岩体、肖畈岩体、母山岩体、大银尖岩体、千鹅冲隐伏岩体、宝安寨岩体、戴咀岩体、汤家坪岩体、沙坪沟岩体(杨泽强,2007杨艳等,2008王运等,2009Chen and Wang, 2011Yang et al., 2013)。

沙坪沟斑岩型钼矿床位于晓天-磨子潭深大断裂与商麻断裂交汇处的东北侧(张怀东等,2010a)。矿区断裂以NNE向银山-泗河断裂破碎带最显著,其平行次级断裂显示先压扭后张扭的特征,NW向断裂也较发育,以压扭性为主,且控制了岩浆岩的分布(张怀东等,2010b)。矿区出露地层为新元古界卢镇关岩群,岩性主要是角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、花岗片麻岩和硅质大理岩;由于多期次岩浆侵入,地层被肢解、侵蚀,多呈孤岛状残留体分布。矿区岩浆岩类型多样,包括超基性岩、中酸性岩、碱性岩等,但以中生代岩浆岩为主(图 2),主要岩石类型有中细粒花岗岩、中粗粒花岗岩、花岗斑岩、花岗闪长岩、闪长岩、石英正长岩、石英正长斑岩、爆破角砾岩、角闪石岩等(张怀东等,2010a)。其中,石英正长斑岩和爆破角砾岩与钼矿化关系密切,也是钼矿体赋矿岩石。总体而言,矿区中生代岩浆岩显示出高钾富碱的特征,多属于高钾钙碱性系列。对于矿区岩浆岩侵入时间和序列,前人开展了较多研究(徐晓春等,2009),初步划分为4个侵入期次:第1次侵入形成花岗闪长岩类,其黑云母钾氩年龄为145Ma;第2次侵入体为含斑中粒二长花岗岩和中粒二长花岗岩,但其吴老湾岩体锆石U-Pb表面年龄为122Ma,通城岩体黑云母K-Ar年龄为121Ma;第3次侵入体为中细粒二长花岗岩,锆石U-Pb一致曲线年龄为130Ma;第4次侵入活动主要形成花岗斑岩、石英正长斑岩、爆破角砾岩、正长岩、闪长岩、英安斑岩,伴随中酸性火山喷发作用活动,以蕴含沙坪沟矿床的银山复式岩体为代表。然而,已有同位素年龄显示,第3次侵入事件的年龄反而大于第2次,说明尚待进一步研究。

3 矿床和含矿岩体地质特征

沙坪沟钼矿床矿体主要赋存于银山复式岩体。银山复式岩体由一套多期多相的复杂岩脉、岩株和爆破角砾岩筒组成,总体呈NW向分布(张怀东等,2010b)。石英正长斑岩构成银山复式岩体的主体,呈株状产出,直径500~1500m,长轴为NW向,出露范围自银山顶到沙坪沟,西部侵入于细粒花岗岩(达权店超单元),东部侵位于中粗粒花岗岩(图 2)。石英正长斑岩体内部尚可见正长斑岩、角砾正长斑岩、细粒二长花岗岩和花岗斑岩等岩脉。爆破角砾岩位于复式岩体西部的盖井一带,

主要呈柱状或筒状产出,地表出露面积约500m2(张红等,2011)。角砾呈肉红色-灰褐色等杂色,成分复杂,大小不等,无分选性,个别角砾内部可见角砾,说明爆破作用至少发生两次(张怀东等,2010b)。

地质勘查、前人研究(王玉贤,2006张怀东等, 2010a, b孟祥金等,2012) 和我们的现场考察表明,沙坪沟钼矿床产于银山石英正长斑岩-爆破角砾岩复式岩体,赋矿岩石主要为石英正长斑岩、爆破角砾岩,次为石英正长斑岩和爆破角砾岩附近的花岗岩围岩。沙坪沟钼矿床地表风化较强、钼矿化较弱,富矿体埋深均在200m以下,在海拔100m至-800m之间连续矿化,构成Mo含量大于0.06%的筒状富矿体(图 3),属于隐伏超大型矿床。由于矿权设置和转让问题,银山复式岩体被分割为西半部分的盖井和东半部分的沙坪沟两个勘查区,文献中常见盖井和沙坪沟两个矿床的报道。盖井勘查区主要发育爆破角砾岩筒,次为石英正长斑岩,工程控制最大矿化深度为570m,辉钼矿主要赋存在胶结物内,构成斑点状浸染型矿石(王玉贤,2006)。沙坪沟勘查区基本不发育爆破角砾岩,只发育石英正长斑岩,全岩发生网脉浸染状矿化,但顶部和底部网脉稀疏,钼品位低于0.06%;中部网脉密集,钼品位一般大于0.1%,构成连续厚度>800m的富矿体。总体而言,沙坪沟-盖井矿田的金属矿物组合简单,主要为辉钼矿、黄铁矿,次为方铅矿、黄铜矿、闪锌矿和磁铁矿;脉石矿物主要为钾长石、石英、斜长石和黑云母、绢云母。围岩蚀变强烈,主要为钾长石化、黑云母化、硅化、绢英岩化、绿泥石化、黄铁矿化、萤石化、碳酸盐化、高岭土化等,蚀变类型与东秦岭、大别山地区的其它斑岩钼矿床一致(参见:Chen and Wang, 2011; Li et al., 2012; Yang et al., 2012, 2013杨永飞等, 2009, 2011)。

图 3 沙坪沟钼矿床No.0线地质勘探剖面图 Fig. 3 Geological section of prospecting line zero at Shapinggou Mo deposit
4 样品和测试

本文研究样品石英正长斑岩采自沙坪沟矿区地表,爆破角砾岩采自盖井矿区。石英正长斑岩为似斑状结构(图 4b),块状构造,斑晶含量约60%,基质含量约40%。斑晶成分主要为,条纹长石和微斜长石(45%),自形程度好,粒度大;次为斜长石,约10%,可见卡氏双晶;少量石英(3%) 和黑云母(2%)。基质矿物成分与斑晶类似,但石英和斜长石矿物含量相对增多,钾长石含量减少。副矿物主要为锆石,锆石晶形非常好,为典型的岩浆锆石(图 4c);基质为长英质的显晶和微晶成分。爆破角砾岩的角砾成分复杂,主要有斜长片麻岩、钾长花岗岩以及石英、长石碎斑等。斜长片麻岩角砾(图 4f) 的主要矿物有石英(20%),斜长石(70%),钾长石(10%),以及少量黑云母等;石英呈他形粒状,波状消光明显。爆破角砾岩的基质或胶结物主要成分是石英(30%)、斜长石(20%)、钾长石(10%)、黑云母(2%) 和绿帘石(7%)、绿泥石(1%) 等蚀变矿物,以及一些微晶和隐晶质成分(图 4e)。

图 4 石英正长斑岩和爆破角砾岩岩相学特征 (a)-弱风化石英正长斑岩标本;(b)-石英正长斑岩的显微斑状结构;(c)-石英正长斑岩中的粗粒锆石;(d)-爆破角砾岩标本;(e)-斜长片麻岩角砾;(f)-斜长片麻岩角砾的矿物成分和结构.矿物缩写:Qtz-石英;Bi-黑云母;Pl-斜长石;Kfs-钾长石;Mc-微斜长石;Pth-条纹长石;Zrn-锆石 Fig. 4 Petrography of the quartz-orthophyre and the explosive breccia (a)-specimen of the weakly weathered quartz-orthophyre; (b)-the porphyritic texture of the quartz-orthophyre; (c)-coarse zircon crystal in the quartz orthophyre; (d)-specimen of the explosive breccia; (e)-plagioclase gneiss breccia; (f)-mineral components and texture of the plagioclase gneiss breccia. Mineral abbreviation: Qtz-quartz; Bi-biotite; Kfs-K-feldspar; Mc-microcline; Pth-perthite; Zrn-zircon

样品破碎、锆石挑选等前处理工作和主量元素测试均在在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。首先,在严格避免污染的条件下破碎样品,将用于全岩成分测试的石英正长斑岩和爆破角砾岩研磨至200目以下;用于挑选锆石的石英正长斑岩和爆破角砾岩样品破碎至60~80目大小,然后经筛选和淘洗,在双目镜下挑选测试用锆石。

主元素分析采用XRF法。准确称取0.5g岩石粉末样品,加入3.6g Li2B4O7溶剂和3~4滴NH4Br,置于乳钵中混合均匀,然后移入铂金坩埚内,置入熔样机内在1050℃条件下熔样10min,测试仪器为Shinadzu XRF-1500荧光分析仪,精度优于2%~3%。

微量和稀土元素分析采用ICP-MS方法,在中国科学院地质与地球物理研究所完成。称取40mg岩石粉末样品,置于洗净并烘干的Teflon溶样胆中,加入HF和HNO3,于200℃恒温条件下溶样5d,样品溶液制备好以后,在Finnigan Element型ICP-MS质谱仪上测试。

锆石LA-ICP-MS U-Pb定年及锆石原位Lu-Hf同位素测定均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。锆石阴极发光(CL) 分析在FEI公司的场发射扫描电镜MomoCL3+系统上进行。锆石原位定年采用Agilient公司最新一代带有Shield Torch的Agilient 7500a型LA-ICP-MS系统;锆石原位Lu-Hf同位素测定采用Nu Plasma HR (Wrexham,UK) 多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)。锆石U-Pb定年分析程序见Yuan et al. (2008)Ludwig (2003)。样品分析过程中,91500标样分析结果为1064±3.2Ma,GJ-1标样的分析结果为603.1±3.0Ma,与推荐值在误差范围内一致(Wiedenbeck et al., 1995; Jackson at al., 2004)。单点分析年龄误差为1σ,加权平均年龄结果用2σ表示。

锆石原位Lu-Hf同位素测定用176Lu/175Hf=0.02669和176Yb/172Yb=0.5886进行同量异位干扰校正,计算样品176Lu/177Hf和176Hf/177Hf比值。分析过程中,获得标准锆石91500的176Hf/177Hf=0.282300±0.000009(n=26,2σ),GJ-1的176Hf/177Hf=0.282014±0.000008(n=26,2σ),分别与推荐值0.2823075±58(2σ)(Wu et al., 2006) 和0.282015±0.00019(2σ)(Elhlou et al., 2006) 吻合。εHf计算采用176Lu衰变常数1.867×10-11a (Söderlund et al., 2004),球粒陨石176Hf/177Hf=0.282772,176Lu/177Hf=0.0332(Blichert-Toft and Albarede, 1997),Hf亏损地幔二阶段模式年龄(tDM2) 的计算采用上地壳176Lu/177Hf=0.0093,fLu/Hf=-0.72 (Vervoort et al., 1996)。

5 测试结果 5.1 元素地球化学

表 1可见,本次获得石英正长斑岩(前人称石英正长岩或正长岩) 主要氧化物成分与前人获得的数据基本一致,共同显示了富碱过铝(图 5) 特征,里特曼指数δ>4.0,应为碱性岩或钾玄岩系列花岗岩类;爆破角砾岩同样具有富碱、过铝的碱性花岗岩特征(表 1图 5)。两种岩石的主地球化学特征给出了壳源信息。本文分析的爆破角砾岩SiO2含量高达75.24%,可能是硅化影响。

表 1 沙坪沟钼矿区石英正长斑岩和爆破角砾岩岩石化学成分(wt%) Table 1 Petrochemical composition of the quartz-orthophyre and explosive breccia at Shapinggou deposit (wt%)

图 5 沙坪沟钼矿区石英正长斑岩和爆破角砾岩K2O-Na2O图解和ACNK-ANK图解 Fig. 5 K2O-Na2O and ACNK-ANK diagrams for the quartz-orthophyre and explosive breccia at Shapinggou Mo deposit

石英正长斑岩和爆破角砾岩都富集大离子亲石元素(LILE: Rb、Ba、Sr等),相对亏损高场强元素(HFSE: Nb、Ta等)(表 2图 6b);特别是亏损Nb、Ce、Sr、Ti等元素,富集U、Th、Pb、Zr、Hf等元素,显示了加厚地壳部分熔融或经历了壳内结晶分异作用。两种岩石的稀土元素配分曲线相似(图 6a),(La/Yb)N>1,(La/Sm)N>1,轻稀土富集;(Gd/Yb)N>1,重稀土亏损;(La/Sm)N比值分别为11.4和11.7,(Gd/Lu)N比值分别为1.09和0.96,说明轻稀土分异显著,重稀土分异较弱。石英正长斑岩未显示铕异常,指示岩浆起源深度大于33km,且上侵过程中没有发生明显的壳内结晶分异作用(Taylor and McLennan, 1985);爆破角砾岩铕负异常显著,指示斜长石发生分离,或来源深度浅于33km,或壳内结晶分异。石英正长斑岩稀土总量(231×10-6) 明显高于爆破角砾岩(103×10-6),指示后者富含稀土元素的镁铁质矿物或副矿物含量降低,可能缘于壳内分异作用,或后者经历了较强的硅化等热液蚀变,载体矿物含量降低,清洁矿物含量增高。

表 2 沙坪沟钼矿区石英正长斑岩和爆破角砾岩微量和稀土元素分析结果(×10-6) Table 2 Rare earth and trace elements of the quartz-orthophyre and explosive breccia at Shapinggou Mo deposit (×10-6)

图 6 沙坪沟钼矿区石英正长斑岩和爆破角砾岩稀土(a) 及微量元素(b) 配分曲线(球粒陨石与原始地幔标准化数值据Sun and McDnough, 1989) Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normolized trace elements diagrams (b) of the quartz-orthophyre and explosive breccia at Shapinggou Mo deposit (normalization values of chondrite and primitive mantle after Sun and McDonough, 1989)
5.2 锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄

本文测试获得了石英正长斑岩(JZ-5) 和爆破角砾岩(JZ-6) 中69粒锆石的U-Pb同位素年龄(表 3)。石英正长斑岩中的锆石多无色透明,短柱状,自形到半自形,平均长度100μm左右(图 7a)。全部分析点的Th含量为147×10-6~1355×10-6,平均606×10-6;U含量84×10-6~702×10-6,平均417×10-6;Th/U比值为1.11~2.32,平均1.49,具岩浆锆石特征。29个分析点的206Pb/238U表面年龄110~125Ma,一致曲线年龄为116.1±2.2Ma (MSWD=2.7)(图 8a)。

表 3 石英正长斑岩(样品JZ-5) 和爆破角砾岩(样品JZ-6) 锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果 Table 3 LA-ICP-MS zircon U-Pb data for the quartz-orthophyre (Sample JZ-5) and explosive breccia (Sample JZ-6)

图 7 石英正长斑岩和爆破角砾岩锆石阴极发光(CL) 图像 (a)-石英正长斑岩;(b)-爆破角砾岩的角砾;(c)-爆破角砾岩的基质岩浆 Fig. 7 CL images of zircon grains from quartz-orthophyre and explosive breccia (a)-quartz-orthophyre; (b)-breccia in explosive breccia; (c)-matrix in explosive breccia

图 8 石英正长斑岩和爆破角砾岩锆石U-Pb协和图(a、c、e) 及加权平均图(b、d、f) (a、b) 为石英正长斑岩中锆石年龄;(c、d) 为爆破角砾岩角砾中锆石年龄;(e、f) 为爆破角砾岩基质岩浆中锆石年龄 Fig. 8 The zircon U-Pb concordian and weighted mean ages of the quartz-orthophyre and explosive breccia (a, b) showing the zircon U-Pb ages of the quartz-orthophyre; (c, d) showing the zircon U-Pb ages of the breccia in the explosive breccia; (e, f) showing the zircon U-Pb ages of the magmatic matirx in the explosive breccia

爆破角砾岩角砾中的锆石颗粒长100μm左右,多为长柱状,个别颗粒为短柱状,自形程度较好(图 7b)。锆石的206Pb/238U加权平均年龄为131.6±2.6Ma (MSWD=1.9)(图 8d),Th含量为94×10-6~4790×10-6,平均1202×10-6;U含量67×10-6~1517×10-6,平均576×10-6;Th/U比值1.13~3.33,平均1.83。爆破角砾岩基质岩浆成分中的锆石多无色透明,长柱状,自形程度较好(图 7c)。锆石的206Pb/238U加权平均年龄为112.9±1.2Ma (MSWD=1.8)(图 8f);Th含量为293×10-6~2004×10-6,平均685×10-6;U含量166×10-6~1986×10-6,平均491×10-6;Th/U比值0.97~2.47,平均1.55。

5.3 Hf同位素特征

表 4为锆石Hf同位素分析结果。所有颗粒锆石的176Lu/177Hf比值均小于0.002,说明锆石在形成以后具有较低的放射性成因Hf积累,因而176Hf/177Hf测值可以代表锆石形成时的176Hf/177Hf比值(吴福元等,2007)。石英正长斑岩和爆破角砾岩fLu/Hf平均值皆为-0.96,明显小于镁铁质地壳的fLu/Hf(-0.34) 和硅铝质地壳的fLu/Hf(-0.72)(Vervoort et al., 1996),故二阶段模式年龄能反映其源区物质从亏损地幔被抽取的时间。根据Hf同位素相关计算公式(吴福元等,2007),采用硅铝质大陆地壳fLu/Hf计算了两个岩体的初始εHf(t), tDM1tDM2(表 4)。

表 4 石英正长斑岩(样品JZ-5) 和爆破角砾岩基质(样品JZ-6) 的锆石Hf同位素组成 Table 4 Zircon Hf isotope compositions of quartz-orthophyre (Sample JZ-5) and magmatic matrix in explosive breccia (Sample JZ-6)

石英正长斑岩锆石176Lu/177Hf和176Hf/177Hf分别为0.001206~0.001606和0.282293~0.282354。计算出εHf(t) 为-14.4~-12.4,fLu/Hf变化范围在-0.96~-0.95之间,tDM2变化范围在1598~1707Ma之间。爆破角砾岩基质锆石176Lu/177Hf和176Hf/177Hf分别为0.000952~0.001705和0.282415~0.282633。计算出εHf(t) 变化于-10.1~-2.7,fLu/Hf变化于-0.97~-0.95,tDM2变化于1097~1486Ma。

6 讨论 6.1 岩浆源区及成因

石英正长斑岩和爆破角砾岩具有相似的地球化学特征,指示二者在成因上有相似之处。两种岩石皆高钾、富碱、富铝,在ACNK-ANK图解中落在过铝质岩石系列范围内(图 5b),在K2O-Na2O图中落在A型花岗岩范围(图 5a),具有过铝质A型花岗岩的特点,表明石英正长斑岩和爆破角砾岩的成岩岩浆可能源于大陆岩石圈板块汇聚所致的加厚下地壳(Barbarin, 1999)。两种岩石Rb和U明显富集,Ti强烈亏损,Sr负异常明显,具有后碰撞花岗岩的特点(Pearce, 1996)。

与下地壳相比,两种岩石的Y相对亏损,(La/Yb)N偏高,反映岩体来源较深(Taylor and McLennan, 1985; Pearce, 1996)。但总体而言,岩石富集大离子亲石元素(LILE),亏损高场强元素(HFSE),壳源特征清楚;岩石的REE、HREE和Y、Yb含量较低,指示斜长石等长英质矿物进入熔体,石榴子石残留于源区,岩浆起源深度较大(>33km)。而且,石英正长斑岩δEu=0.99,表明岩浆上侵过程中未发生斜长石分离结晶作用;相反,爆破角砾岩铕负异常明显,指示成岩岩浆在上侵过程中经历了较强的斜长石分离结晶作用,属高分异岩浆形成的爆破角砾岩,此与所测试样品具有高达75%的SiO2含量相一致。爆破角砾岩的REE总量低于石英正长斑岩,似显幔源物质混入较多。

石英正长斑岩锆石εHf(t) 具有明显的负值(-14.4~-12.4),tDM2变化范围在1598~1707Ma之间,分布于亏损地幔演化线之下(图 9),说明岩浆源于古老地壳物质(Griffin et al., 2004; Vervoort et al., 2000)。古老地壳初始形成时间为1.6~1.7Ga,在秦岭-大别造山带的构造地层地体中,只有宽坪地体(主体是宽坪群) 被认为形成于1.85~1.45Ga (胡受奚等,1988陈衍景和富士谷,1992Li et al., 2011; Deng et al., 2013a, 2013b),其角闪岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为1753±14Ma (何世平等, 2007),是沙坪沟石英正长斑岩的理想源区。然而,宽坪地体及其北部更古老地质体在大别山区并未岀露,可能被掩埋在栾川-明港-固始断裂与龟梅断裂之间的第四系沉积物之下。

图 9 石英正长斑岩(a) 和爆破角砾岩基质(b) 的锆石εHf(t)-t图解 Fig. 9 Zircon εHf(t) vs. t plot for the orthophyre (a) and magma compositions in the explosive breccia (b)

爆破角砾岩之岩浆基质中的锆石εHf(t) 变化范围在-10.1~-2.7之间,tDM2变化范围在1097~1486Ma之间,同样应源于古老地壳物质(Griffin et al., 2004Vervoort et al., 2000)。与石英正长斑岩相比,爆破角砾岩的εHf(t) 明显增高,tDM2明显降低,指示岩浆源区性质的显著变化,幔源组分混入增多。如此以来,我们有理由认为爆破角砾岩成岩岩浆源于壳幔物质的混合熔融,即:岩浆源区由宽坪群和亏损地幔物质共同组成。据此,我们尚可考虑石英正长斑岩也起源于宽坪群和地幔物质的部分熔融,只是地幔重熔组分加入量较少而已。事实上,石英正长斑岩的tDM2tDM1之间相差300~400Ma,而爆破角砾岩的tDM2tDM1之间相差200~300Ma (表 5),也说明了地幔物质参与了部分熔融,而且混入量增加。依据这一分析,我们认为壳源端元物质的年龄不小于1.7Ga,而亏损地幔物质端元的总体形成年龄不大于0.9Ga。

表 5 沙坪沟钼矿床和银山复式岩体同位素年龄 Table 5 Isotope ages for the Shapinggou Mo system and the Yinshan granitic complex
6.2 成岩成矿时代和构造背景

本研究获得银山复式岩体石英正长斑岩锆石U-Pb一致曲线年龄为116.1±2.2Ma,爆破角砾岩之岩浆基质中锆石U-Pb加权平均年龄为112.9±1.2Ma,指示成矿作用应尾随或不早于113Ma。事实上,张红等(2011)获得沙坪沟矿床辉钼矿Re-Os年龄为111.1±1.2Ma,含矿斑岩锆石U-Pb年龄为111.5±1.5Ma和111.7±1.9Ma (表 5),均与我们的年龄结果和认识相吻合。总之,沙坪沟斑岩成矿系统形成于116~110Ma之间,最终导致矿床形成的岩浆事件以发育爆破角砾岩为标志,发生在113~111Ma。

大别山碰撞造山带经历了漫长而复杂的地质演化。三叠纪华北和扬子板块相互碰撞(李曙光等,1989Ames et al., 1993),晚三叠世末-早中侏罗世经历了强烈的挤压和陆内俯冲,造山带地壳和岩石圈缩短增厚(任纪舜等,1992Li et al., 2001)。晚侏罗世开始,构造体制由挤压向伸展转变(邓晋福等, 2004),早白垩世末期伸展作用深入地幔,碰撞造山作用结束(Chen et al., 2000Li et al., 2001)。统计显示(李永峰等, 2004, 2005李诺等,2007李毅等,2013),东秦岭-大别钼矿带的钼矿床及其岩浆作用主要发生于侏罗纪-白垩纪之交,同位素年龄集中于160~110Ma (李诺等,2007李毅等,2013)。

就位于大别造山带东段的研究区而言,116~111Ma显然属于后碰撞构造体制,期间的伸展构造背景早被共识(Li et al., 2001及其引文)。尽管如此,本文所研究的石英正长斑岩的岩浆来源深度大于33km,但源区物质以古老陆壳为主导(见前述),证明116Ma时研究区仍然存在碰撞加厚的造山带地壳。而且,铪同位素特征显示堆叠加厚的陆壳物质来自研究区北部的宽坪地体或者更北更老的地体-华北克拉通南缘。为解释这一现象,我们提出如下认识:

(1) 华北古板块曾俯冲在大别造山带之下,至少发生在大别山北部或北淮阳构造带。而且,华北古板块南缘宽坪地体至少在116Ma之前就已经俯冲到沙坪沟矿区之下。

(2) 华北古板块俯冲到大别造山带之下,为大别山北麓斑岩钼矿带的形成提供了成岩成矿物质,造成大别地区的钼矿床主要分布于龟梅断裂(相当于东秦岭的商丹断裂) 以南,而不同于东秦岭钼矿带,后者钼矿床分布在商丹断裂以北,特别是栾川-明港-固始断裂以北。

(3) 正是由于华北板块向南俯冲到大别山之下,导致大别地区主要岀露扬子古板块北缘的构造单元,华北古板块南缘的构造单元基本被第四系覆盖。

(4) 从116Ma的石英正长斑岩到113Ma爆破角砾岩铪同位素的显著差异表明,研究区岩石圈地球动力学性质发生了剧烈变化,可能是来自软流圈地幔的物质突然加入到下地壳中,或者含有下地壳的岩石圈根部发生了拆沉作用。

7 结论

(1) 沙坪沟斑岩矿区含矿的石英正长斑岩和爆破角砾岩锆石U-Pb年龄为116.1±2.2Ma和112.9±1.2Ma,略早于辉钼矿Re-Os年龄,显示出成矿岩体特征,表明成矿作用发生于早白垩世。

(2) 岩石元素及锆石Hf同位素地球化学特征表明,石英正长斑岩岩浆源于宽坪群等组成的古老地壳物质的部分重熔,而爆破角砾岩的岩浆则源于老地壳与年轻亏损地幔混合物的部分熔融,研究区岩石圈地球动力学性质在116~113Ma期间发生剧烈变化,碰撞加厚地壳突然减薄。

(3) 在中生代华北与扬子古板块碰撞造山过程中,华北古板块南缘陆内俯冲到大别山之下,为形成沙坪沟斑岩钼矿系统提供了成岩成矿物质。沙坪沟钼矿床形成于后碰撞伸展构造体制的加厚下地壳物质的部分熔融,期间伴随NW向构造向NE向构造的转化。

致谢 包志伟研究员和张成博士参加了野外工作;样品测试得到西北大学大陆动力学国家重点实验室弓虎军、弓化栋、戴梦宁等老师,中国地质科学院张增杰博士以及北京大学李建、杨斌等老师的帮助;数据处理和论文撰写得到李诺博士、邓小华博士的帮助;两位评审专家对本文提出了宝贵的修改意见;在此一并表示感谢。
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