岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (7): 2416-2424   PDF    
引用本文
李宁波, 罗勇, 郭双龙, 姜玉航, 曾令君, 牛贺才. 2013. 中条山铜矿峪变石英二长斑岩的锆石U-Pb年龄和Hf同位素特征及其地质意义. 岩石学报, 29(7): 2416-2424  
LI NB, LUO Y, GUO SL, JIANG YH, ZENG LJ and NIU HC. 2013. Zircon U-Pb geochronology and Hf isotope geochemistry of metamorphic quartz-monzonite porphyry from Tongkuangyu area, Zhongtiao Mountain and its geological implications. Acta Petrologica Sinica, 29(7): 2416-2424(in Chinese with English abstract)   
中条山铜矿峪变石英二长斑岩的锆石U-Pb年龄和Hf同位素特征及其地质意义
李宁波1,2, 罗勇3, 郭双龙4, 姜玉航1,2, 曾令君1,2, 牛贺才1     
1. 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;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 南阳师范学院环境科学与旅游学院,南阳 473061;
4. 中条山有色金属集团有限公司，垣曲 043700
2013-02-01 收稿; 2013-05-04 改回.
基金项目: 本文受国家重点基础研究发展计划“973”项目(2012CB416603) 资助
第一作者简介: 李宁波 ，男,1985 年生，博士生，地球化学专业,E-mail: liningbo@gig.ac.cn
通讯作者: 牛贺才，男，1963年生，博士，研究员，地球化学专业,E-mail: niuhc@gig.ac.cn
摘要: 中条山铜矿峪斑岩型矿床的成矿斑岩形成时代一直存在争议。本文通过对铜矿峪矿床中变石英二长斑岩的U-Pb年代学研究发现：铜矿峪变石英二长斑岩的36颗锆石的上交点年龄为2121±10Ma，207Pb/206Pb年龄从2065Ma到2196Ma，加权平均年龄为2117±13Ma，这与铜矿峪矿床的Re-Os同位素年龄(2108Ma)在误差范围内一致，暗示了成岩成矿的一致性。锆石的Hf同位素特征显示，样品的εHf(t)值介于-7.79~0.39，显示出斑岩的形成与古老地壳的部分熔融有关。同时，铜矿峪变石英二长斑岩的形成时代与华北地区的一些A型花岗岩，双峰式火山岩等与伸展有关的火成岩的形成时代大体一致，同时也与中条裂谷的活动一致，说明铜矿峪变石英二长斑岩形成于一个伸展的动力学背景下。因此，本文认为铜矿峪矿床是与大陆伸展环境的斑岩型矿床。
关键词: 中条山     铜矿峪     锆石U-Pb年代学     锆石Hf同位素     陆内环境    
Zircon U-Pb geochronology and Hf isotope geochemistry of metamorphic quartz-monzonite porphyry from Tongkuangyu area, Zhongtiao Mountain and its geological implications
LI NingBo1,2, LUO Yong3, GUO ShuangLong4, JIANG YuHang1,2, ZENG LingJun1,2, NIU HeCai1     
1. CAS Key Laboratory of Minerology and Metallogeny, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. School of Environment Science and Tourism, Nanyang Normal University, Nanyang 473061, China;
4. Zhongtiaoshan Non-ferrous Metals Group Co., Ltd, Yuanqu 043700, China
Abstract: The formation time of the metamorphic quartz-monzonite porphyry associated with the Tongkuangyu porphyry copper deposit is still controversy. A set of zircon U-Pb geochronology and in-stiu Hf isotopic date was presented in this study for the metamorphic quartz-monzonite porphyry. The result show that the discordia upper intercept age 2121±10Ma and 207Pb/206Pb age range from 2065Ma to 2196Ma, have a weighted average age 2117±13Ma. This age (2117±13Ma) is accounted as the formation time of the metamorphic quartz-monzonite porphyry from Tongluangyu porphyry copper deposit, and is approximately consistent with the extension of the North China Craton (NCC), especially the activity of Zhongtiao rift which is located in the southern part of NCC. In addition, zircons Hf isotopic characteristics (εHf(t) range from -7.79 to 0.39) indicate that the old crustal materials played an important role in the petrogenesis. So, we conclude that the Tongkuangyu porphyry Cu deposit is a typical porphyry Cu deposit formed in inner continental settings, which genetic with the large-scale extension of the NCC.
Key words: Zhongtiao Mountain     Tongkuangyu     Zircon U-Pb geochronology     Zircon Hf isotope     Inner continental environment    

铜矿峪矿床位于山西省垣曲县北部(图 1a), 产于华北克拉通南缘的中条山“人”字型古裂谷带中, 是我国大型铜矿床之一, 有人认为它是世界上最古老的斑岩型铜矿床(Chen et al., 1998)。虽然有学者认为铜矿峪矿床为铁氧化物型铜矿床(周雄, 2007), 但是更多的学者倾向于该矿床为斑岩型铜矿(陈文明和李树屏, 1998; Chen et al., 1998; 王植和闻广, 1957; 许庆林, 2010; 真允庆, 1999)。自从Emmons(1918)定义“ 斑岩型铜矿床”以来, 该类矿床由于其储量大、易开采等特点而备受关注。斑岩型铜矿床的形成与岩浆活动关系密切, 因此确定有关斑岩体的形成时代和机制对揭示矿床的成因和指导勘探开发至关重要。

图 1 铜矿峪地区地质简图(a)、铜矿峪矿区地质简图(b)和铜矿峪铜矿剖面图(c)(据孙大中和胡维兴, 1993) Fig. 1 Geological map of the Zhongtiao area(a), briefly geological map of Tongkuangyu mining area(b)and geological section map of Tongkuangyu mineral deposit(c)(after Sun and Hu, 1993)

铜矿峪矿床的主要含矿岩石为变质石英晶屑凝灰岩和变质石英二长斑岩等(胡维兴和孙大中, 1987)。对于上述岩石, 不同的测年方法得到的年龄数据不尽相同：陈文明和李树屏(1998)对铜矿峪铜矿中的金属硫化物进行了Re-Os同位素定年, 得到了绢英片岩中辉钼矿的Re-Os等时线年龄2947±28Ma；变石英二长斑岩、绢英片岩中辉钼矿Re-Os等时线年龄为2108±32Ma, 由此认为铜矿峪矿床的形成经历了多期地质事件, 但是2108Ma左右为其主要成矿阶段；此外, 陈文明等(1996)得到变二长花岗斑岩的Re-Os模式年龄为2076~2140Ma；孙大中等(1991)通过锆石U-Pb稀释法得到变石英晶屑凝灰岩的年龄为2182±15Ma；孙海田和葛朝华(1990)得到变石英二长斑岩和变石英晶屑凝灰岩的Rb-Sr等时线年龄为1778±27Ma。尽管人们试图从多角度限定铜矿峪矿床的形成时代, 但到目前为止还没有一个统一的认识。

本文拟通过对产于铜矿峪铜矿体中变石英二长斑岩进行了单颗粒锆石的U-Pb定年和原位Hf同位素的研究, 旨在确定与矿化有关岩浆岩的形成年龄, 从而对矿床的形成时代和动力学背景进行初步的探讨。

1 地质背景和样品特征

中条山地区是华北克拉通前寒武系地层主要发育地区之一, 也是我国重要铜矿产地之一(胡维兴和孙大中, 1987)。该地区主要分布有三种类型的铜矿床, 它们分别是以铜矿峪矿床为代表的斑岩型铜矿, 以胡家峪和篦子沟矿床为代表的内源沉积再造型铜矿和以落家河矿床为代表的变质火山热液型铜矿(图 1a)。其中以铜矿峪矿床储量最大, 已探明的金属铜储量超过了200万吨。区域地层至下而上主要分为五个岩性带(图 1a)：Ⅰ.涑水杂岩带, 主要为一套变质杂岩体；Ⅱ.绛县群, 其下部为变质泥岩, 中上部主要为变质高钾火山岩(铜矿峪矿床和落家河矿床的赋矿围岩)；Ⅲ. 中条群, 主要为一套陆缘-碳酸盐沉积变质岩系(胡家峪和篦子沟铜矿床的赋矿围岩)；Ⅳ. 担山石群, 主要由变砾岩等变质岩组成, 其代表了华北克拉通最终克拉通化的构造事件；Ⅴ.西阳河群, 由双峰式火山夹沉积岩构造, 为华北克拉通的盖层(孙大中等, 1991; 孙大中和胡维兴, 1993)。铜矿峪矿床位于铜矿峪复向斜中, 该向斜的北翼为倒转层位, 而南翼地层则为正常产状, 矿床主要位于复向斜的正常翼(图 1b)。矿体的围岩主要为绛县群上部的变质高钾火山岩和绢英岩。铜矿峪矿床拥有大小超过300个矿体, 但以4号和5号矿体为主(图 1c), 这两个矿体金属储量超过了矿床总储量的90%, 而且这两个矿体具有典型的斑岩型铜矿的矿化特征。

本次研究所取的样品(BF6)属于5号矿体内部的发生了强烈的蚀变小型变石英二长斑岩岩体(1c), 而岩体本身也是矿体一部分。变石英二长斑岩具有典型的斑状结构, 斑晶主要为石英、钾长石和斜长石, 基质主要由石英、长石以及蚀变矿物组成, 此外岩石中还含有磷灰石、锆石等副矿物, 次生矿物以绢云母和高岭土为主。斑晶中的钾长石和斜长石均发生了强烈蚀变, 而石英则受到了动力变质作用的影响, 显示出明显的波状消光和亚颗粒化结构(图 2b, c)。岩石中所选出的锆石呈柱面发育的长柱状, 具有浅紫红色, 常含有熔体包裹体, CL图像显示出明显的震荡环带(图 3a), 说明其具有岩浆锆石的特征(吴元保和郑永飞, 2004)。

图 2 铜矿峪变石英二长斑岩显微照片 Fig. 2 Microphotographs of the metamorphic quartz-monzonite porphyry from Tongkuangyu area

图 3 铜矿峪变石英二长斑岩的锆石年龄谐和图(a)和加权平均图(b) Fig. 3 U-Pb concordia diagrams(a)and weighted average diagrams(b)for the samples of the BF6
2 分析方法

锆石样品完全由人工挑选, 未用使用任何化学试剂。首先将岩石破碎至60目以下, 用常规的人工淘洗和电磁选方法分选出比重大、无磁性的重砂矿物, 再通过双目镜用手工方法逐个精选出锆石颗粒, 同时观察并记录锆石颗粒的晶体形态和颜色等。最后将精选出来的锆石颗粒固定在环氧树脂靶上, 通过打磨、抛光露出锆石的内部结构, 然后在光学显微镜下详细观察锆石的形态内部结构, 并拍摄透射光和反射光的显微照片。

锆石的阴极发光图像在中国科学院广州地球化学研究所利用JXA-8100电子探针完成。U-Pb年龄测定在西北大学大陆动力学国家重点实验室利用采用Agilent 7500型ICP-MS和ComPex 102 ArF准分子激光器(波长193nm)以及MicroLas公司的GeoLas 200M光学系统联机进行。激光束斑直径为30μm, 载气为He。元素比值以91500作为外部标样进行校正, 微量元素含量以NIST610为外标。元素的比率和元素的含量用GLITTER 4.0来处理(Griffin et al., 2008), 年龄的计算和谐和图用ISOPLOT 4.15(Ludwig, 2008)完成。详细实验过程、U-Pb年龄和元素含量计算可参见文献(Yuan et al., 2004), 分析结果见表 1。

表 1 铜矿峪变石英二长斑岩(BF6)的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb results for the Tongkuangyu metamorphic quartz-monzonite porphyry

锆石的原位Hf同位素是在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成。利用Neptune Plus多接收质谱与RESOlution M-50激光器进行联机。激光束斑直径为45μm, 剥蚀频率8Hz, 来自中国科学院地质与地球物理研究所的Penglai锆石作为标样(Li et al., 2010), 具体分析过程可参见(Wu et al., 2006)。计算εHf(t)和模式年龄采用的参数如下：(176Lu/177Hf)DM=0.0384, (176Hf/177Hf)DM=0.28325(Griffin et al., 2000), (176Lu/177Hf)CHUR=0.0332, (176Hf/177Hf)CHUR(0)=0.282772(Blichert-Toft and Albarède, 1997), (176Lu/177Hf)CC=0.015(Veevers et al., 2005), λ(176Lu)=1.867×10-11a-1(Söderlund et al., 2004), 分析结果见表 2。

图 4 变石英二长斑岩锆石的稀土配分曲线(球粒陨石值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 4 Zircon chondrite-normalized REE diagram(chondritic values are after Sun and McDonough, 1989)
3 分析结果

CL图像显示锆石具有清晰的生长环带并含有熔融包裹体(图 3a), 锆石的Th含量从24×10-6~409 ×10-6, U含量从73×10-6~703×10-6, Th/U比值0.24~0.77(表 1), 大部分锆石颗粒的Th/U比值接近或者大于0.4, 说明锆石应该为岩浆成因(吴元保和郑永飞, 2004)。锆石的稀土配分图解显示锆石具有明显的Ce正异常和轻微的Eu负异常, 且重稀土明显富集(图 4), 也显示出典型岩浆锆石的特征。36个测点结果显示, 铜矿峪矿床中变石英二长斑岩锆石的207Pb/206Pb年龄在2065Ma到2196Ma之间变化(表 1), 在谐和图上大部分分析数据靠近或者在一致曲线上, 上交点年龄为2121±10Ma(图 3a), 加权平均年龄为2117±13Ma(图 3b), 二者在误差范围内一致。

本文20颗锆石进行了原位Hf同位素分析, 结果显示其176Yb/177Hf和176Lu/177Hf比值范围分别为0.017926~0.052115和0.281305~0.281451。176Lu/177Hf比值均小于0.002(表 2), 表明这些锆石在形成以后具有极少的放射成因Hf的积累, 因而可以用初始176Hf/177Hf比值代表锆石形成时的176Hf/177Hf比值(吴福元等, 2007)。锆石的Hf同位素测试结果见表 2, εHf(t)值为-5.71~0.39, 平均值为-2.37, tDM2从2722~3091Ma, 平均值为2855Ma。

表 2 铜矿峪变石英二长斑岩(BF6)的LA-MC-ICP-MS锆石Hf同位素分析结果 Table 2 LA-MC-ICP-MS Hf composition of zircons from Tongkuangyu metamorphic quartz-monzonite porphyry
4 讨论 4.1 变石英二长斑岩的形成时代及性质

铜矿峪矿床五号矿体中的变石英二长斑岩的年龄前人进行的讨论较少, 孙海田和葛朝华(1990)利用锆石U-Pb稀释法得到的上交点年龄为2087±15Ma, 孙大中和胡维兴(1993)同样利用锆石的U-Pb稀释法得到了上交点年龄为2195±64Ma, 但是由于锆石的U-Pb稀释法本身的缺陷(在测试过程中会有继承核或者捕虏晶)可能会导致测试的年龄偏大, 而利用LA-ICPMS可以有效的避免上述缺陷。孙海田和葛朝华(1990)还报道了变石英二长斑岩和变石英晶屑凝灰岩的Rb-Sr等时线年龄为1778±27Ma, Rb-Sr年龄与锆石U-Pb年龄差距如此之大可能是由于后期地质作用(变质或(和)蚀变)使岩石的Rb-Sr体系遭到破坏所致。

锆石作为中酸性岩石中常见的副矿物, 具有高达900℃的同位素封闭温度(Cherniak and Watson 2001; Lee et al., 1997), 同时锆石富含U和Th, 普通Pb含量低而且具有非常高的矿物稳定性, 使得锆石U-Pb定年成为同位素年代学研究中最常用和最有效的方法之一(吴元保和郑永飞, 2004)。铜矿峪变石英二长斑岩的锆石颗粒显示出的上交点年龄为2121±10Ma(图 3a), 加权平均年龄为2117±13Ma(图 3b), 二者在误差范围内一致, 也与陈文明和李树屏(1998)得到的变石英二长斑岩、绢英片岩中辉钼矿Re-Os等时线年龄(2108±32Ma)基本一致, 暗示了成岩成矿的一致性。

利用Watson et al.(2006)修订的锆石Ti温度的计算公式估算出铜矿峪矿床变石英二长斑岩的形成温度介于590~723℃之间, 平均值为650℃。耿元生和周喜文(2011)报道阿拉善地区新元古代早期A型花岗岩形成温度为815℃；笔者曾对西天山阿吾拉勒地区A型花岗岩锆石的Ti饱和温度进行了估算, 其温度均大于780℃(作者未刊数据), 而且变石英二长斑岩中锆石密集的环带则可能是由于温度较低导致微量元素扩散慢导致的(雷玮琰等, 2013), 这说明铜矿峪变石英二长斑岩不具有A型花岗岩的高温特征。

铜矿峪变石英二长斑岩中锆石的εHf(t)值介于-7.79~0.39, 平均值为-2.44, 二阶段模式年龄(tDM2)从2922~3091Ma, 平均值为2855Ma。在εHf(t)-t图解中(图 5)样品落在了3.0Ga地壳演化线与2.5Ga演化线之间, 而且明显靠近3.0Ga线, 说明其具有明显壳源特征, 因此可以推断石英斑岩的形成于古老地壳的熔融有关。

图 5 变石英二长斑岩的锆石Hf同位素特征 Fig. 5 Hf isotopic characteristics of the zircons from Tongkuangyu metamorphic quartz-monzonite porphyry
4.2 铜矿峪矿床形成的地球动力学背景

华北克拉通在2300~1950Ma之间经历了一次基底陆块拉伸-破裂事件(翟明国, 2010; 翟明国和彭澎, 2008), 并导致了2200~2100Ma之间华北克拉通在此期间整体上处于一个伸展环境(Du et al., 2012; Zhai and Santosh, 2011; Zhai et al., 2010)。因此在古元古代早期华北克拉通广泛存在着与伸展作用有关的岩浆活动, 在华北地台中部尤为明显。Du et al.(2012)在五台地区厘定出了一套年龄为2137Ma的A型花岗岩, 而且该地区还分布着同时代的镁铁质岩墙(Peng et al., 2005), 说明该地区在2100Ma左右经历了一次较强烈的伸展作用；杜利林等(2009)通过对滹沱群变质玄武岩的地球化学特征研究, 认为该类玄武岩形成于板内裂谷环境, 并且明确指出它的形成与2200~2100Ma之间的伸展事件有关(Du et al., 2010)；杜利林等(2012)对吕梁地区吕梁群杜家沟组长石斑岩进行了系统研究, 认为它是造山后伸展环境形成的A型花岗岩, 其单颗粒锆石U-Pb年龄为2186~2189Ma；耿元生等(2003)对吕梁山中部的古元古代吕梁群(2300Ma)和野鸡山群(2100Ma)的沉积环境和火山岩的地球化学特征进行了研究, 认为吕梁群和野鸡山群火山岩形成于陆内或大陆边缘裂谷环境；赵瑞幅等(2011)通过对恒山片麻岩地体中分布的钾质花岗岩侵入岩群的研究, 认为恒山地区在2100Ma左右处于伸展环境。

郭红党(2010)将中条裂谷的演化过程分为三个主要期次, 分别为2700~2500Ma的扩张期, 2500~1800Ma的沉陷期和1800Ma之后的封闭期。崔小军等(2007)指出中条山陆缘裂谷的活动时限为2500~1900Ma。在中条山地区绛县群上部铜矿峪亚群中分布着一套双峰式火山岩, 其形成时代介于2200~2100Ma之间(孙大中等, 1991; 张晗等, 2013), 而双峰式火山岩通常作为指示拉张环境的直接证据(Leat et al., 1986; Li et al., 2002; Suneson and Lucchitta, 1983)。上述已有的研究显示, 包括中条山地区在内, 华北克拉通中部在2100Ma左右经历了一次伸展过程, 并发育了较强的岩浆活动。铜矿峪变石英二长斑岩的207Pb/206Pb上交点年龄为2121±10Ma, 说明变石英二长斑岩的原岩形成于伸展构造背景, 它更可能是伸展过程地热异常导致地壳部分熔融的产物。

最早王植和闻广(1957)通过对铜矿峪矿床的围岩蚀变特征、矿石类型以及矿体与斑岩体的关系的研究, 认为铜矿峪矿床属于斑岩型铜矿, 此后绝大部分研究者均倾向于该矿床为斑岩型铜矿或变斑岩型铜矿(陈文明和李树屏, 1998;许庆林, 2010; 真允庆, 1999; Chen et al., 1998; 胡永胜, 2000)。传统观点认为斑岩型矿床与板片俯冲形成的岛弧岩浆岩有密切的成因关系(Mitchell, 1973; Sillitoe, 1972, 2010), 但侯增谦等(2007)基于对中国大陆斑岩型铜矿的研究, 认为在大陆伸展环境也可以形成斑岩型铜矿。王强等(2004)认为我国著名德兴斑岩型铜矿的形成可能与赣-杭裂谷活动有关, 而与成矿有关的斑岩体则是拆沉的下地壳部分熔融的产物(王强等, 2004;Wang et al., 2006)。鉴于铜矿峪矿床的形成构造环境及形成的时代, 作者认为该矿床是一个与古元古代华北克拉通伸展作用有关的斑岩型矿床。

5 结论

(1) 铜矿峪矿床的成矿与成岩时代上具有一致性。变石英二长斑岩较低的形成温度说明其并非A型花岗岩, 同时, 锆石的Hf同位素特征可以得出变石英二长斑岩的形成与古老地壳的部分熔融有关；

(2) 铜矿峪矿床的形成与华北克拉通的大规模伸展, 尤其是中条裂谷的活动导致的地热异常有关, 因此铜矿峪斑岩型铜矿属于典型的大陆伸展环境斑岩型矿床。

致谢 野外工作得到了山西省地质调查院李德胜院长, 中条山有色金属集团有限公司王智军、赵凤春高级工程师的热心帮助；室内分析工作得到了西北大学大陆动力学国家重点实验室张红、第五春荣和广州地化所同位素国家重点实验室涂湘林, 任钟元等老师的帮助；同时, 审稿人张成立教授和祝禧艳博士对稿件修改并提出了宝贵意见, 在此一并表示谢忱。
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