辽宁树基沟铜锌矿成矿时代及矿石再活化机制

张雅静，孙丰月，霍 亮，李碧乐，马 芳，钱 烨，刘哲东

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061

2.中煤地质工程总公司，北京 100161

0 前言

辽宁省清原县树基沟铜锌矿产于华北地台北缘东段的太古宙花岗岩－绿岩地体中，区内发育我国著名的太古宙VMS矿床——红透山铜锌矿，是我国典型的太古宙块状硫化物矿床分布区［1－4］（图1）。清原地区花岗－绿岩带的定年一直都是研究的重点，前人曾运用角闪石40Ar/39Ar法［5］、全岩 Sm-Nd法［6－7］和全岩 Rb-Sr等时 线法［8］测 定表壳 岩的形成时代，得到中太古代的成岩年龄。直到最近几年，随着微区精确定年测试手段的引进，测得清原地区的表壳岩及花岗岩的形成时代更晚一些。孙丰月等①孙丰月，李碧乐，于晓飞，等.辽宁红透山、山西胡家峪铜矿床成矿规律总结研究报告.长春：吉林大学，2012.测得清原红透山地区花岗质岩石的锆石U-Pb年龄分别为（2 590±26）Ma，（2 578±11）Ma以及（2 516±10）Ma。万渝生等［9］应用SHRIMP锆石 UPb定年测得小莱河地区的角闪变粒岩的年龄为（2 515±6）Ma，汤图地区的角闪变粒岩的年龄为（2 510±7）Ma。钱烨等［10］应用锆石 U-Pb定年测得红透山地区黑云斜长片麻岩锆石谐和图上交点年龄为（2 550±7）Ma。本次研究将通过对树基沟矿床含矿围岩——黑云斜长片麻岩的U-Pb定年来进一步确定清原地区表壳岩的形成时代为新太古代，而非前人认为的中太古代，并通过黑云斜长片麻岩的形成时代判定树基沟铜锌矿的成矿时代。

同时，受多期变质变形作用的影响，矿体的形态、结构构造等均发生了改变，张秋生［1］认为硫化物矿体经历了物理变质重就位。笔者将通过对树基沟铜锌矿野外地质观察和室内镜下分析研究树基沟矿区矿体重就位的机制。

图1 研究区位置图（A）和树基沟矿区地质略图（B）（图B据脚注② 辽宁冶金地质勘探101队.红透山式铜锌矿床控矿因素及找矿方向研究报告.沈阳：辽宁冶金地质勘探101队，2006.修编）Fig.1 Location of the study area（A）and simplified geological map of the Shujigou copper-zinc deposit（B modified after reference②）

1 矿区地质和矿床地质

矿区出露的地层为清原群红透山组树基沟段地层，清原群自下而上分为景家沟组、石棚子组、红透山组和南天门组，各组地层之间均呈不整合接触关系。其中：红透山组是一套以镁铁质－长英质火山岩为主，夹火山碎屑岩及少量沉积岩的沉积－火山建造，自下而上又可以分为树基沟段、红透山段和大荒沟段。树基沟段主要由黑云斜长片麻岩和斜长角闪片麻岩组成（图1），其中矿体主要产于黑云斜长片麻岩中，原岩推测为一套中酸性火山凝灰岩［11－12］。

含矿围岩经历了温度条件为600～650℃，压力为0.8～1.6GPa的高角闪岩相变质［13］，岩石片理与岩性界线基本一致。整个树基沟矿区，构成太古宙绿岩带中的一个紧闭倒转向斜构造，两翼倾向均为SSE，倾角50°～60°，两侧岩层基本对称，顺层产出的矿体受褶皱作用的影响随地层发生褶皱，褶皱轴迹走向为NEE。后期叠加轴部走向为NNW的宽缓褶皱构造使紧闭褶皱的轴迹发生弯曲。

矿体主要赋存于条带状黑云斜长片麻岩（图2A）中，具有层控性的特点，局部产于斜长角闪片麻岩中，具有穿层的现象（图1）。矿体产状与片麻理基本一致，呈似层状、脉状、囊状、似筒状等形态产出。当片麻岩片理发生局部小褶皱时，形成以斜切片理为主的裂隙与次要的层间或层内小裂隙，此时形成的矿体往往与片理不一致，分支复合现象明显。当层间裂隙与次一级的小裂隙共存时，在其交叉部位的矿体往往膨胀形成矿囊、矿巢或矿柱等筒状矿体，铜锌元素的品位升高，但是仍沿一定的层位呈似层状分布。

另外，分布于树基沟层状矿体附近局部产出的直闪石片麻岩和金云母变粒岩（图2B）可能是海底热 液 蚀 变 带 变 质 后 的 产 物［1，14－15］。 国 外 一 些 学者［16－18］认为，在 VMS矿床的形成过程中，下盘蚀变筒中Mg和Al的相对富集以及Ca和Na的相对亏损导致绿泥石岩的形成。在高级变质作用过程中，这种绿泥石岩就会被一些富Mg矿物如金云母、堇青石、直闪石和富Al矿物如矽线石和刚玉等替代。

矿区产出两种类型的矿石：1）矿物组合简单而稳定，主要金属矿物有黄铁矿，磁黄铁矿、闪锌矿与黄铜矿。脉石矿物有石英、金云母、绿泥石及方解石等。2）金属矿物以黄铁矿为主，其次为黄铜矿，少量闪锌矿，无磁黄铁矿。脉石矿物以石英为主，其次为重晶石，少量绿泥石和绢云母。

2 矿石的显微特征

通过对树基沟矿区光片和薄片进行显微镜下观察，矿石呈现出一系列的变质变形作用下特有的组构特征。

2.1 变质重结晶导致的结构

在树基沟矿区，重结晶作用对硫化物形态的影响主要体现在两个方面：

1）矿物形式的改变，主要以变斑晶结构的出现为特征。

变斑晶结构：由于不同矿物具有不同的生长能力，经历过重结晶的硫化物会形成特殊的结晶形态和交生关系。高能量的矿物——黄铁矿，通常以变斑晶的形式生长，可以与低能量的硫化物（黄铜矿、闪锌矿和磁黄铁矿）形成对比，这些低能量的硫化物很少发育自形晶，通常呈基质硫化物的形式分布在块状矿石中（图2C、D）。基质硫化物矿物中常常包裹球形、椭球形的硅酸盐矿物集合体（图2E、F），例如金云母、角闪石和石英等，这些硅酸盐矿物代表峰期变质作用的产物。

2）矿物颗粒大小的改变，主要以硫化物生长结构的出现为特征。

硫化物的生长结构：Lydon等［19］在研究VMS矿床成矿模式时发现，在块状硫化物矿床中变质程度最弱的矿石通常呈细粒镶嵌结构，随着变质程度的升高，颗粒粒度逐渐增大。有些研究者［20－22］通过对不同矿区黄铁矿颗粒大小的研究中发现，几乎所有产于高级变质地体中的矿石颗粒均为粗粒，而在较低级变质地体中的矿物颗粒一般都较为细小。也有研究者［23－24］注意到黄铁矿颗粒的大小与变质级别是有关的，并且随着变质程度的升高，硫化物矿体中的黄铁矿的颗粒是增大的。

树基沟铜锌矿体中矿石矿物颗粒粗大，部分黄铁矿变斑晶颗粒尤为粗大，颗粒最大可达20mm。这表明在高角闪岩相变质作用过程中，硫化物颗粒经历了生长的过程。

2.2 由变形导致的碎裂结构

在树基沟矿区，碎裂结构类型通常只出现在黄铁矿中（图2D），粗大的黄铁矿颗粒碎裂为粒度不等的角砾，并被后期再活化的磁黄铁矿、闪锌矿、黄铜矿以及硅酸盐等矿物充填或者交代。在较低级变质条件下，黄铁矿往往呈现出碎裂结构，表现出易碎的

特征［22，25］。而柔软的、具有延展性或者塑性的硫化物，例如闪锌矿、磁黄铁矿、黄铜矿等在相同温度和压力条件下容易形成塑性流，而并不发生矿物颗粒的真正破碎［19］。

A.黑云斜长片麻岩，正交偏光；B.金云母变粒岩中大片金云母（Phl）和石英（Qz）颗粒，正交偏光；C、D.自形、半自形的黄铁矿（Py）变斑晶颗粒间充填由黄铜矿（Ccp）和磁黄铁矿（Po）构成的基质硫化物，反射光；E.磁黄铁矿（Po）包裹早期磨圆的石英（Qz）颗粒，反射光；F.黄铜矿（Ccp）包裹浑圆状脉石矿物（Gn）集合体的旋转碎斑结构，反射光；G.含硅酸盐矿物（Gn）的黄铜矿（Ccp）和闪锌矿（Sp）交代半自形黄铁矿（Py），反射光；H.磁黄铁矿（Po）被黄铁矿（Py）交代，反射光。

2.3 再活化形成的结构

任何块状硫化物矿床在遭受了高于绿片岩相变质作用的温度和压力之后都会发育一定程度的再活化［20］。再活化作用对于矿体的形态和分布的影响是很大的：一方面，再活化过程可以形成品位更高的矿体；另一方面，再活化过程可以将无经济价值的矿床转化为有经济价值的矿床［26］。

Vokes等［27］认为矿石的再活化迁移有3种表现形式：固态、液态和混合态形式的迁移。固态再活化通常表现在硫化物呈塑性流或者碎屑流的形式进行迁移，矿物的迁移受到矿物再活化迁移能力的影响，迁移速度也不相同，活动性越大的矿物，迁移的速度越快，迁移的距离也就越远，硫化物活动性顺序（按照由小到大）为黄铁矿－磁黄铁矿－闪锌矿－黄铜矿［19］。液态再活化作用主要表现在再活化充填的脉体对矿石矿物或者脉石矿物的充填和交代作用。而混合态再活化则呈现出上述两种特征。矿石的再活化具有3种迁移机制：

1）化学再活化，包括溶液、熔体和湿扩散等所有的液态流迁移过程。

2）机械再活化，包含塑性流和碎屑流在内的所有的固态流迁移过程。

3）复合再活化，同时发生化学迁移和机械迁移。

树基沟矿区矿石的再活化作用使矿体局部富集膨胀形成囊状、筒状矿体，并导致一系列特殊地质现象的出现，例如矿体的分支复合现象，流动构造的形成，充填和交代结构的形成，同时矿石产生了特有的结构构造——旋转碎斑结构（durchbewegung）。

2.3.1 旋转碎斑结构

在树基沟矿区的矿石中，显微镜下随处可见球形的石英和其他硅酸盐矿物集合体分布于黄铁矿或者其他基质硫化物（图2E、F）中，同时也可见发生膝折的金云母分布于其中。对于这种结构的解释，国外许多学者［20－21，28－31］进行了研究，Vokes［20－21］最早引进了德语术语“durchbewegung”，用来定义矿石内部以旋转为主要运动方式所引起的变形，具体解释为：分布于非能干硫化物中的能干硅酸盐矿物（或矿物组合）和矿石矿物一系列破碎、剥离、揉捏、磨压和旋转的运动。最后形成的岩石应该包含能干组分的无根碎屑和球形碎屑镶嵌在非能干的矿物中，并指出上述过程和结构通常形成于褶皱作用和剪切作用形成的过程中［28－31］。这里需要指出的是，相对于能干的硅酸盐矿物来说，金属硫化物都为非能干组分，在较高的温度压力条件下，可以发生固态流动，但是运动的方式不同，黄铜矿、闪锌矿和磁黄铁矿等硫化物通常以塑性流的形式迁移，而黄铁矿通常以碎屑流的形式进行迁移，最终形成重结晶的黄铁矿变斑晶和基质硫化物中包裹球形硅酸盐矿物的结构。

2.3.2 充填和交代结构

在树基沟块状矿石中，经常可以见到黄铜矿、闪锌矿、磁黄铁矿和硅酸盐矿物或者它们的组合从基质硫化物中进入碎裂状黄铁矿变斑晶中，并不同程度交代黄铁矿的现象（图2C、D、G），这种交代作用不仅出现在碎裂状黄铁矿颗粒的内部，在黄铁矿颗粒的外部边缘也可以发生交代。通常情况下，充填于高度破碎的黄铁矿颗粒之间的矿物是黄铜矿，而闪锌矿和磁黄铁矿则通常与基质硫化物相连，这与矿物再活化的能力有关，体现了固态迁移的特点。并且矿石中常见到硅酸盐矿物或者硅酸盐细脉与硫化物脉一起充填交代黄铁矿（图2G），而硅酸盐矿物通常不会以固态形式进行迁移，表明流体相的存在。在一些磁黄铁矿含量较高的矿石中还可以见到黄铁矿裂隙中完全被黄铜矿充填，而在黄铁矿变斑晶的外部黄铜矿含量却很少的现象（图2D）。顾连兴等［12］认为这种现象很难用机械注入来解释，而应为再活化流体充填和交代的产物。Vokes等［27］也提到黄铁矿中黄铜矿愈合黄铁矿的结构，并将这种现象解释为流体相的再活化。

2.4 退变质过程中形成的结构

像正常的硅酸盐岩石一样，矿石在退变质作用过程中可以产生新的矿物来适应低温条件。但是，通常这种效果非常微弱，不容易被识别［20］。在树基沟矿区矿石中的磁黄铁矿裂隙中磁黄铁矿转变形成黄铁矿的结构（图2H），通常被认为是在退变质作用过程中形成的［20］。

2.5 讨论

树基沟矿区矿石成分及组构特征显示，树基沟铜锌矿体共经历了两期成矿物质再活化迁移，对应两期变质变形作用。

第一期变质变形作用：在中压高角闪岩相的变质条件下，原蚀变带中的绿泥石化、绢云母化、硅化带转变为直闪石片麻岩和金云母变粒岩。矿体在变形过程中发生机械再活化迁移，按照硫化物活动性顺序（按照由小到大）为黄铁矿－磁黄铁矿－闪锌矿－黄铜矿；黄铁矿相对于黄铜矿、闪锌矿和磁黄铁矿来说活动性最小，最不容易迁移，所以在原地或者在经过小距离的迁移之后发生重结晶作用；而黄铜矿迁移的距离最远，并在压力小的位置重结晶生长，形成局部“铜矿囊”。

1.4统计分析方法采用SpSS20.0统计学软件进行分析,计数资料采用百分比率(%)表示,计数资料用χ2检验,P<0.05差异显著具有统计学意义。

微观上，在块状矿体内部，在硫化物再活化迁移的过程中，金云母、石英、斜长石等脉石矿物在活化迁移的金属硫化物的“揉捏”、“磨压”条件下发生旋转，最终使角砾状的硅酸盐矿物或者矿物集合体向磨圆较好的球形发展。

峰期变质变形作用之后，硫化物矿物按照矿物结晶能力顺序（由高到低为黄铁矿－磁黄铁矿－闪锌矿－黄铜矿），发生退火重结晶作用，形成包裹球形或者椭球形脉石矿物的变斑晶。黄铁矿结晶能力最好，通常先结晶，并发育自形晶或者半自形晶，而黄铜矿、闪锌矿和磁黄铁矿则在黄铁矿颗粒的周围结晶，形成复杂的交生关系。在温度降低的过程中，局部出现磁黄铁矿退变质形成黄铁矿的现象。

第二期变质变形作用：在温度和压力条件相对较低的情况下，黄铁矿变斑晶发生大面积碎裂变形，而基质硫化物在含矿流体的润滑作用下发生迁移活化，充填黄铁矿裂隙并发生一定程度的交代，形成黄铜矿病毒结构等交代结构。流体携带再活化的金属矿物，充填在围岩和矿体裂隙中，形成石英－硫化物脉，穿切围岩和矿体。

局部位置再活化迁移的物质进入碎裂状黄铁矿中，推开碎裂状黄铁矿，将破碎的黄铁矿壁上镶嵌的硅酸盐矿物剥离，并携带硅酸盐矿物和黄铁矿碎斑向前运移，使其遭受再一次的“揉捏”和“磨压”的运动。

3 LA-ICP-MS锆石 U-Pb定年

3.1 样品的岩石学特征

样品采自于树基沟矿区，岩性为黑云斜长片麻岩，岩石具有中细粒柱状片状变晶结构，成分主要为黑云母和斜长石，次要矿物有石英和少量硫化物。黑云母体积分数约为60%，粒度0.50～2.50mm，多数光性清楚，具膝折现象；斜长石体积分数约为35%，多呈自形－半自形粒状，粒径0.25～1.00 mm，多具聚片双晶，斜长石表面绢云母化强烈；石英质量分数约为3%，具有波状消光；金属矿物体积分数约为2%。

3.2 结果分析

树基沟矿区黑云斜长片麻岩锆石的分选由河北省廊坊市区域地质矿产调查研究所实验室完成。锆石样品靶的制备首先将待测锆石样品粘在载玻片上，然后将环氧树脂和固化剂混合固化，随后抛光至样品出露横截面（为防止击穿，磨掉的锆石部分均小于整体的1/2），抛光后将待测锆石进行透射光、反射光显微照相及阴极发光（CL）图像分析，以确定合适的测试点位。

锆石外部形态呈卵状、浑圆状，CL图像显示锆石具有明显的核幔边结构（图3），具有变质锆石的特点［35－37］，核部锆石在CL图像中显示明亮的白色，震荡环带明显，并且具有较高的Th/U值（大于0.6）。幔部锆石围绕核部生长，形态以卵状为主，具有一定的扇形分带，具有较低的Th/U值，CL图像呈现暗色，并且可以看到幔部锆石溶蚀交代核部锆石，呈现出骸晶结构。边部锆石仅在图3中点位为③和⑤所在的锆石中清晰可见，具有非常狭小但明亮的CL图像特点，因其宽度小于最小光斑直径，无法获得有效的同位素信息。

锆石U-Pb测定的数据见表1，其中幔部锆石定年数据所做的U-Pb谐和年龄如图4所示。从图4中可以看出：大部分的年龄集中在2 565Ma谐和线附近。12个有效数据点的上交点年龄约为2 565 Ma，加权平均年龄为（2 564±4）Ma，两者在误差范围内一致。得到3个幔部锆石的年龄为2 517～2 529Ma。在锆石重结晶的过程中，重结晶锆石交代溶蚀岩浆锆石，由于交代作用不完全，得到的重结晶锆石的U-Pb年龄往往是混合年龄，所以锆石重结晶的年龄应该小于（2 517±4）Ma。

图3 树基沟铜锌矿黑云斜长片麻岩中锆石阴极发光图像Fig.3 Cathodoluminescence images of zircons from biotite gneiss of the Shujigou copper-zinc deposit

图4 树基沟黑云斜长片麻岩中锆石的U-Pb年龄谐和图（A）和加权平均年龄（B）Fig.4 Zircons U-Pb concordia diagram（A）and weighted avergae ages diagram（B）from biotite gneiss of the Shujigou copper-zinc deposit

3.3 讨论

锆石成因 核部锆石的CL图像显示其有明显的震荡环带，并且具有较高的Th/U值，均呈现岩浆锆石的特征，表明其为岩浆成因。幔部锆石围绕核部生长，形态以卵状为主，具有一定的扇形分带，较低的Th/U值，并且可以看到幔部锆石溶蚀交代核部锆石，呈现出变质重结晶的特点，表明其为变质成因。边部锆石围绕幔部重结晶锆石生长，应为后期形成，但由于并未获得有效数据，在此不作详细研究。

成矿时代 树基沟铜锌矿为与火山岩有关的块状硫化物（VMS）矿床［3，8］。矿体形成于火山喷发的间歇期，成岩作用与成矿作用近于同时发生，矿体的产出严格受到黑云斜长片麻岩的控制，矿体的形成时代与容矿火山岩的形成时代接近。此次研究得到矿体的形成时代，即黑云斜长片麻岩原岩的结晶年龄约为2 565Ma。幔部重结晶锆石的年龄则代表了成岩之后一次强烈的变质作用，并且这期变质作用的 时 间 晚 于 （2 517±4）Ma。 前 人［9，38－39］通 过对华北地台北部的表壳岩和TTG花岗岩的研究认为，约2.5Ga华北地台遭受了广泛的变质变形作用，与之相伴的是同时代的花岗质岩石的侵入活动，表壳岩发生了麻粒岩相至高角闪岩相的变质作用。结合此次研究认为，树基沟铜锌矿矿石发生再活化迁移的时间应该晚于（2 517±4）Ma。

表1 树基沟黑云斜长片麻岩的锆石U-Pb同位素定年结果Table 1 Zircon U-Pb dating of biotite gneiss in the Shujigou copper-zinc deposit

4 结论

1）辽宁树基沟铜锌矿的赋矿岩石——黑云斜长片麻岩的锆石具有核幔边结构，核部锆石呈现出岩浆锆石的特征。幔部锆石和边部锆石为变质重结晶的产物。

2）黑云斜长片麻岩中的核部锆石U-Pb年龄代表了片麻岩原岩的结晶年龄，约为2 565Ma，大致代表了树基沟铜锌矿的形成时代。

3）树基沟矿体受到两期变质再活化作用的影响：第一期变质变形强烈，矿石以机械再活化为主，局部形成“铜矿囊”；第二期变质变形作用相对较弱，黄铁矿变斑晶发生大面积碎裂变形，成矿物质的迁移以复合再活化为主，基质硫化物在流体润滑的作用下发生迁移，充填黄铁矿裂隙并发生一定程度的交代。

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