湘南荷花坪锡多金属矿区花岗质岩石Sm-Nd同位素研究

蔡明海,王显彬,彭振安,刘 虎,郭腾飞,谭泽模,唐龙飞

(广西大学 资源与冶金学院,广西 南宁 530004)

荷花坪锡多金属矿是湘南地区新发现的一个大型矿床,成矿作用主要与区内的王仙岭复式岩体及花岗斑岩脉有关(吴寿宁,2006;蔡明海等,2006)。关于区内岩浆岩前人进行过较多研究,Wei et al.(2007)、章荣清等(2010)、郑佳浩和郭春丽(2012)分别应用SHRIMP锆石U-Pb和LA-MC-ICP-MS 锆石U-Pb法对不同岩性进行了年龄测定;柏道远等(2006)对王仙岭岩体的地球化学特征进行了研究;章荣清等(2010)、郑佳浩和郭春丽等(2012)分别对花岗斑岩脉和王仙岭岩体的 Lu-Hf同位素特征进行了讨论。本文在前人工作基础上,系统开展了荷花坪矿区花岗质岩石Sm-Nd同位素研究,进一步探讨了区内花岗质岩石成因以及成岩与成矿关系。

1 地质背景和岩体地质特征

1.1 地质背景

荷花坪锡多金属矿区位于华南古生代褶皱系湘南-桂东坳陷的东部,向东毗邻赣南-粤北隆起(图1)。

区域出露地层可分为三套:①震旦系-寒武系浅变质碎屑岩;②泥盆系-中三叠统滨、浅海相碳酸盐岩和碎屑岩;③上三叠统-古近系陆相碎屑岩。区域范围内中生代中酸性侵入岩发育,成岩时代以侏罗纪为主,三叠纪次之,白垩纪主要是一些中酸性岩脉和酸性小岩体。钨锡多金属成矿主要与侏罗纪花岗岩关系密切,如骑田岭岩基南北两侧产出有芙蓉锡矿和新田岭钨矿,千里山岩株的周边产出有柿竹园钨多金属矿、红旗岭锡多金属矿等,但与印支期岩体有关的锡矿化目前仅发现有荷花坪锡多金属矿(图1)。

图1 湘南地区地质矿产简图(据毛景文等,2004修改)Fig.1 Geological sketch map of Southern Hunan(after Mao et al.,2004)

荷花坪矿区出露地层主要有中泥盆统跳马涧组(D2t)石英砂岩、泥质砂岩,钙质粉砂岩;中泥盆统棋梓桥组(D2q)炭泥质灰岩、灰岩、白云质灰岩、白云岩。棋梓桥组是区内有利赋矿层位,特别是棋梓桥组与跳马涧组的界面附近对成矿较为有利。矿区构造以 NE向张扭性断裂为主,在跳马涧组砂岩和棋梓桥组灰岩界面附近发育有顺层破碎带。NE向断裂和顺层破碎带分别控制了矿区Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号脉状矿体和Ⅳ号似层状矿体的产出(图2)。

1.2 岩体地质特征

荷花坪锡多金属矿区出露的岩浆岩主要有西北侧呈岩株状产出的王仙岭复式岩体和东南侧 NE向花岗斑岩脉(图1,2)。

王仙岭复式岩体出露面积约 19.7 km2,侵位于泥盆系和石炭系,主要由中粗粒似斑状黑云母花岗岩和中细粒黑云母花岗岩组成。

中粗粒似斑状黑云母花岗岩为王仙岭复式岩体的主体岩性,岩石呈灰-灰白色,似斑状结构、块状构造。主要矿物成分为石英(28%～35%)、钾长石(35%～40%)、斜长石(28%～35%)、黑云母(3%～4%)、电气石<2%、白云母<1%,副矿物有锆石、磷灰石、钛铁矿、独居石等。岩石普遍含少量电气石且产生了不同程度的云英岩化,锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄为235.0±1.3 Ma(郑佳浩和郭春丽,2012)。

中细粒黑云母花岗岩分布在主体岩性周边或呈岩枝、岩脉穿插其中,岩石呈灰-深灰色,等粒花岗结构、块状构造。主要矿物组成为石英(25%～40%)、钾长石(25%～38%)、斜长石(25%～35%)、黑云母(2%～3%),白云母<1%,副矿物有锆石、磷灰石、钛铁矿、磁铁矿、独居石等。Wei et al.(2007)获得其锆石SHRMIP U-Pb年龄为212±4 Ma。

NE向花岗斑岩脉可分为两类:一类岩脉无明显矿化和蚀变现象,斑晶含量 15%～20%,主要由钾长石、少量石英和斜长石组成,基质由粒径小于0.02 mm的石英、长石、黑云母等组成,锆石SHRIMP U-Pb年龄为159±3 Ma(Wei et al.,2007);另一类岩脉发育有显著的蚀变和矿化,目前仅在矿区西侧的龙潭附近见到。斑晶含量约 25%,主要由石英、钾长石和斜长石组成,岩脉普遍发育有强烈的硅化、绿泥石化、绢云母化,局部地段整个岩脉锡含量达工业品位(吴寿宁,2006)(图2)。Wei et al.(2007)获得强蚀变花岗斑岩脉锆石SHRIMP U-Pb年龄为142±3 Ma。

图2 荷花坪锡多金属矿区地质图(据吴寿宁,2006修改)Fig.2 Geological map of the Hehuaping tin-polymetallic deposit

此外,在王仙岭复式岩体南东边缘偶见有呈脉状产出的细粒黑云母花岗岩小露头,郑佳浩和郭春丽(2012)获得其 MC-LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄为155.9 ±1.0 Ma。

2 样品分析方法

2.1 主量、微量及稀土元素

岩石主量、微量和稀土元素测试在宜昌地质矿产研究所完成,主量元素分析采用 X-荧光光谱仪,Ba、Co、Ni、Sc、Sr的分析采用 ICP-AES,稀土元素等其他元素采用ICP-MS。测试精度:Fe2O3和FeO的 RSD<10%,其他主量元素的 RSD<2%～8%;稀土元素和微量元素的RSD<10%。

2.2 Sr、Nd同位素

全岩 Rb-Sr、Sm-Nd同位素测试在宜昌地质矿产研究所完成。Rb-Sr同位素测定利用(85Rb+84Sr)混合稀释剂、HF-HClO4混合酸进行样品分解,采用AG50×8阳离子交换技术分离杂质,在 MAT-261可调多接收质谱计上进行同位素分析,采用同位素稀释质谱法测定 Rb和Sr含量,利用质谱计测定87Sr/86Sr比值。分析过程中采用NBS987标准物质的87Sr/86Sr同位素组成测定值与标准值的相对偏差小于0.015%,NBS607标准物质的Rb、Sr含量及同位素比值与证书值在测定误差范围内,全流程 Rb、Sr空白本底分别为50 pg和20 pg。

Sm-Nd同位素分析流程:称取两份已碎至 200目的全岩样品。一份样品中加入145Nd+149Nd混合稀释剂,然后用HF-HClO4混合酸将样品分解,总稀土元素分离采用直径6 mm、长100 mm的Dowex50×8阳离子树脂交换柱,HCl作淋洗液,收集含Sm和Nd的一次解析液,用于测定 Sm、Nd浓度。另一份在不加稀释剂的情况下利用上述方面收集含Sm和Nd的一次解析液,并利用 HDEHP交换柱进一步分离Nd,收集含Nd部分的解析液,用于Nd比值测定。将两份解析液在MAT-261可调多接收质谱计上进行质谱测定,计算机自动处理数据,采用国际标准样NBS987和实验室标准 ZkbzNd控制仪器工作状态,国家一级标准物质 GBW04419(Sm-Nd)监控分析流程。Nd的全流程本底为20 pg。

3 地球化学特征

3.1 主量、微量及稀土元素

荷花坪锡多金属矿区不同花岗质岩石的主量、微量和稀土元素测试结果及特征比值见表1。

表1 荷花坪锡多金属矿区花岗质岩石主量(%)、微量及稀土元素(µg/g)组成Table1 Major (%) and trace element (µg/g) compositions of the granitoids from the Hehuaping tin-polymetallic deposit

续表

(1) 主量元素

从表1可以看出,荷花坪锡多金属矿区中粗粒似斑状黑云母花岗岩、中细粒黑云母花岗岩、花岗斑岩和强蚀变花岗斑岩的主量元素含量基本一致,均表现为富Si(SiO2＞70%)、富 Al(Al2O3=11.06%～18.26%),碱质含量变化大(部分样品因云英岩化等蚀变导致 Na流失),K2O+Na2O=3.51%～8.18%,且K2O＞Na2O,贫Ca(CaO=0.09%～1.06%)、Mg(MgO=0.16%～1.84%)、Fe(Fe2O3=0.06%～1.14%;FeO=0.42%～2.45%)、Ti(TiO2=0.04%～0.22%)和P(P2O5=0.02%～0.27%)。里特曼指数δ＜3.3,铝碱指数A/CNK分别为1.17～2.69、1.06～1.77、0.93～1.81和2.85。均属钙碱性过铝质花岗岩。

上述主量元素特别是SiO2、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、TiO2和P2O5等含量与华南壳源改造型花岗岩(SiO2=72.82%、CaO=1.20%、MgO=0.72%、Fe2O3=0.83%、FeO=2.12%、TiO2=0.26%、P2O5=0.11%)相似,明显有别于华南同熔型花岗岩(SiO2=64.85%、CaO=3.83%、MgO=1.79%、Fe2O3=1.77%、FeO=3.14%、TiO2=0.57%、P2O5=0.19%)(刘昌实等,1990a)。铝过饱和度 Al′(Al′=Al－Na－K－2Ca,原子数)除两个花岗斑岩样品外,其他均＞0,在 Al′-SiO2图解上均落在改造型花岗岩范围内(图3)。

图3 荷花坪锡多金属矿区花岗岩质岩石Al′-SiO2图解(底图据刘昌实等,1989)Fig.3 Al'-SiO2 diagram of the granitoids from the Hehuaping tin-polymetallic deposit (after Liu et al.,1989)

(2) 微量元素

在微量元素蛛网图(图4a)上,荷花坪锡多金属矿区花岗质岩石均出现Ba、K、Sr、P和Ti亏损,Rb、Ta、La、Zr、Hf富集。不同岩性的 Ta含量均较高,介于3.04～22.0 µg/g,Nb/Ta比值较低,介于1.06 ～7.22之间,具有高演化花岗岩特点(赵振华等,2008)。此外,早期中粗粒似斑状黑云母花岗岩中 B含量高,为1120～1460 µg/g,与其含电气石有关。

(3) 稀土元素

中粗粒似斑状黑云母花岗岩 ΣREE=110.56～149.32 µg/g、LREE/HREE=8.14～15.07、Eu/Eu*=0.31～0.34;中细粒黑云母花岗岩 ΣREE=为 12.81～143.45µg/g、LREE/HREE=3.69～8.81、Eu/Eu*=0.18～0.26;花岗斑岩 ΣREE=297.71～382.29 µg/g、LREE/HREE=4.57～8.45,Eu/Eu*=0.06～0.26;强蚀变花岗斑岩ΣREE=153.67 µg/g、LREE/HREE=3.83、Eu/Eu*=0.11(表1)。不同岩性均表现为轻稀土富集型且Eu负异常显著,稀土配分模式基本一致,均为向右倾斜的“V 型”(图4b)。

3.2 Sm-Nd同位素

区内不同花岗质岩石Sm-Nd同位素组成见表2。

从表2可以看出,中粗粒似斑状黑云母花岗岩、中细粒黑云母花岗岩、花岗斑岩和强蚀变花岗斑岩Sm/Nd比值分别为 0.18～0.20、0.21～0.22、0.16～0.20和0.24,均属地壳岩石正常值(0.16～0.24)范围,且不同岩性的比值接近,暗示不同期成岩物质均匀和成岩过程中Sm-Nd体系比较封闭。由于Rb-Sr比Sm-Nd的活动性强,因此岩石中87Rb/86Sr比值的变化范围(36.27～217.4)远比Sm/Nd(以147Sm/144Nd表示)的变化范围(0.0967 ～0.1332)大得多。计算得出,不同岩石的εNd(t) 介于-7.1～-11.2之间,t2DM介于1509～1903 Ma之间。

图4 花岗岩微量元素蛛网图和稀土元素配分图(标准化值据Sun and McDonough,1989)Fig.4 Primitive mantle-normalized spider diagram(a) and REE distribution patterns(b) of the granites (normalization values after Sun and McDonough,1989)

表2 荷花坪锡多金属矿区花岗质岩石Sm-Nd同位素组成Table2 Sm-Nd isotopic compositions of the granitoids from the Hehuaping tin-polymetallic deposit

4 讨 论

4.1 花岗质岩石成因

区内四种花岗质岩石均为钙碱性过铝质花岗岩,具有富Si、富Al和中等碱质,K2O＞Na2O,贫 Ca、Mg、Fe;微量元素 Ba、K、Sr、P 和Ti亏损,Rb、Ta、La、Zr、Hf出现富集;富轻稀土、Eu亏损强烈、稀土配分模式为向右倾斜的“V”型。主量、微量和稀土元素特点表明,矿区内花岗岩类岩石与华南地区陆壳改造型(或S型)花岗岩特征基本一致,属S型花岗岩。

区内不同花岗质岩石Sm/Nd比值介于0.16～0.22之间(表2),与华南地区基底副变质岩层(0.15～0.24)基本一致(沈渭洲等,1993),εNd(t)=-7.1～-11.2,均为较大的负值,t2DM介于 1509～1903 Ma之间,相当于中元古代。Nd同位素特点表明,区内花岗质岩石主要为中元古代基底部分熔融产物。同时也可以看出,尽管区内不同岩性εNd(t)以较大负值为特点,但其均高于华南上地壳端元典型代表广西大容山堇青石花岗岩(εNd(t)=-12.1)和四堡群变质砂岩(εNd(t)=-12.8)(刘昌实等,1990b),暗示可能有部分地幔物质参与了岩浆作用过程。Hf同位素研究表明,印支期中粗粒似斑状黑云母花岗岩εHf(t)为-7.92～＋4.61(郑佳浩和郭春丽,2012),燕山期花岗斑岩εHf(t)为-2.84～-10.14,峰值为-6.5(章荣清等,2010),明显高于印支期壳源大容山-十万大山花岗岩的εHf(t)值(-9～-11)(祁昌实等,2007),以及十万大山旧州麻粒岩包体εHf(t)值(-6.5～-14.6)(赵亮等,2010),也表明王仙岭岩体及晚期花岗斑岩在成岩过程中有幔源物质参与。对比可以看出,印支期花岗质岩石εNd(t)= -8.9～-11.2,t2DM=1736～1903 Ma,燕山期花岗质岩石εNd(t)=-7.1～-7.8,t2DM=1509～1584 Ma,表明随着时代变新,岩体中来自地壳再循环的组分相对减少,而来自幔源岩浆组分相对增加。

综上所述,荷花坪锡多金属矿区四种不同岩性的花岗质岩石主要为中元古代基底部分熔融产物,总体显示出 S型花岗岩特征,但在成岩过程中可能有少量幔源物质参与。

4.2 华南印支晚期花岗岩形成的地球动力学背景

华南地区印支晚期花岗岩具有面型分布特点,成岩年龄主要集中在 235～205 Ma之间(周新民,2003),比主碰撞期258～243 Ma (Carter et al.,2001)明显滞后,形成于“后碰撞”动力学环境。华南地区印支晚期已有小规模的镁铁质岩浆活动产物,如湖南道县辉长岩包体Sm-Nd等时线年龄为224±24 Ma(郭锋等,1997)、锆石SHRIMP U-Pb年龄为225 Ma(范蔚茗等,2003),虎子岩基性岩中捕虏体的U-Pb年龄为220 Ma ( Dai et al.,2008)等,均暗示了华南印支晚期存在拉张构造环境。Nd和Hf同位素研究表明,印支期王仙岭岩体成岩过程中有少量幔源物质参与。

综上所述,华南印支晚期花岗岩形成的构造动力学背景为区域拉张伸展,且开始出现了地幔上涌和基性岩浆底侵。

4.3 成岩对成矿的制约

(1) 成岩与成矿关系

荷花坪锡多金属矿区岩浆岩主要有中粗粒似斑状黑云母花岗岩、中细粒黑云母花岗岩、花岗斑岩和强蚀变花岗斑岩等,其成岩时代分别为235 Ma、212 Ma、159 Ma和142 Ma(Wei et al.,2007;郑佳浩和郭春丽,2012)。区内矿化可分为矽卡岩型和蚀变碎裂岩型,矽卡岩型矿化主要分布在王仙岭岩体内外接触带,蚀变碎裂岩型矿化则叠加在早期矽卡岩型矿化边部或独立产出(吴寿宁,2006;蔡明海等,2006)。蔡明海等(2006)获得早期矽卡岩型矿石辉钼矿 Re-Os等时线年龄为 224.0±1.9 Ma,表明区内早期成矿与王仙岭早期中粗粒黑云母花岗岩有关。在晚期成矿作用中,部分强蚀变花岗斑岩脉为矿体的组成部分,因此强蚀变花岗斑岩成岩年龄值 142±3 Ma应代表了区内晚期成矿作用的下限,表明晚期成矿作用与强蚀变花岗斑岩脉同期或在其之后,可能与邻区柿竹园矿床的第二期成矿作用 134.0±1.6 Ma(毛景文等,2004),以及红旗岭矿床的形成时代143.1± 8.7 Ma(马丽艳等,2010)相近。

由此可见,荷花坪锡多金属矿区与成矿关系密切的主要是印支期的中粗粒似斑状黑云母花岗岩和燕山期的强蚀变花岗斑岩,而印支期的中细粒黑云母花岗岩和燕山期花岗斑岩则与成矿关系不明显。

(2) 成矿与非成矿花岗质岩石的差异性

岩石地球化学特征表明,荷花坪锡多金属矿区四种不同花岗质岩石的主量、微量以及稀土元素含量并无明显差异,均显示了地壳改造型(或 S型)花岗岩特征。野外观察表明,区内与早期成矿有关的中粗粒似斑状黑云母花岗岩普遍产生了云英岩化,与晚期成矿有关的花岗斑岩则产生了强烈的硅化、绢云母化和绿泥石化,而与成矿关系不明显的中细粒黑云母花岗岩和花岗斑岩则无明显蚀变现象,说明与成矿有关的岩体所伴随的流体作用要强于非成矿岩体。此外,印支期中粗粒似斑状黑云母花岗岩、中细粒黑云母花岗岩和燕山期花岗斑岩、强蚀变花岗斑岩 Sn平均含量分别 79.4 µg/g、22.0 µg/g、18.6µg/g和20.8 µg/g,同期花岗质岩石中与成矿有关的岩性其Sn含量要高于不成矿岩性。

华南地区钨锡矿与陆壳改造型花岗岩有关,但并非所有的花岗岩都成矿。近年来研究表明,与钨锡成矿有关的花岗岩如骑田岭(蒋少涌等,2006)、千里山(赵振华等,2000)、姑婆山(朱金初等,2006)等大多具有壳幔作用特征,荷花坪锡多金属矿区花岗质岩石Nd、Hf同位素特征也显示成岩过程中可能有少量地幔物质参与。荷花坪锡多金属矿区中粗粒似斑状黑云母花岗岩、中细粒黑云母花岗岩、花岗斑岩脉和强蚀变花岗斑岩脉的εNd(t)均值分别为-9.7、-11.1、-7.4和-7.1,t2DM均值分别 1797 Ma、1889 Ma、1554 Ma和1509 Ma,尽管这些特征值的差别不是很大,但仍然显示出同期花岗质岩石中与成矿有关的花岗质岩石εNd(t)均要高于不成矿岩石,而t2DM则刚好相反,反映出与成矿有关的花岗质岩石在成岩过程中幔源物质参与强度要高于不成矿岩石。陈斌等(2011)研究认为,千里山岩体主要由粗粒似斑状黑云母花岗岩和中细粒等粒二云母花岗岩组成,其εNd(t)分别为-7.8～-8.2 和-5.9～-7.3,后者的εNd(t)值高于前者,也显示出与成矿关系密切的中细粒等粒二云母花岗岩有较大比例的幔源物质贡献。上述特征有可能反映出花岗质岩石的成矿能力与成岩过程中壳-幔作用强度相关联。

5 结 论

(1) 区内花岗岩质岩石富Si(SiO2＞70%)、富Al(Al2O3=11.06%～18.26%),K2O+Na2O=3.51%～8.18%,且 K2O＞Na2O,贫 Ca、Mg、Fe,δ＜3.3,A/CNK=0.93～2.85,微量元素Ba、K、Sr、P和Ti亏损,Rb、Ta、La、Zr、Hf出现富集,Eu/Eu*=0.06～0.34,均属钙碱性过铝质花岗岩,具S型花岗岩特点。岩石的εNd(t)=-7.1～-11.2,t2DM=1509～1903 Ma,主要为中元古代基底部分熔融产物,形成于区域拉张伸展和基性岩浆底侵的构造环境。

(2) 区内花岗质岩石的εNd(t)高于华南地壳端元的相应值-12.1、锆石εHf(t)变化于-10.14～＋4.61,显示成岩过程中应有少量地幔物质参与。

(3) 成矿花岗质岩石εNd(t)高于同期不成矿的花岗质岩石,而t2DM则刚好相反,表明区内花岗质岩石的成矿能力可能与其成岩过程中地幔物质的参与强度有关。

致谢:野外工作得到了湖南有色地质勘查一总队领导和同行的大力支持,两位审稿人对本文的修改提出了宝贵意见,在此一并表示感谢！

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