四川会东油房沟铜矿床Re-Os同位素年龄及其地质意义

蒋小芳,王生伟,廖震文,周 清,郭 阳,周邦国

(中国地质调查局 成都地质调查中心,四川 成都 610081)

油房沟铜矿(又称为淌塘铜矿),是康滇地区近年发现的一种新的铜矿类型,位于四川省凉山彝族自治州会东县淌塘乡境内。矿区地理坐标为:E102°42′05″~102°45′07″,N26°23′15″~26°27′34″,矿区面积约40 km2,经过四川省地质调查院的勘探工作,最终提交(333+3341)铜金属储量约 15万吨,规模达到中型铜矿,远景储量超过 60万吨(沈和明等,2006)。前人对该铜矿床尚未开展过矿床地球化学研究,其成矿时代、物质来源等尚不清楚。随着分析测试技术的发展,Re-Os同位素测年及示踪日趋成熟,成果不断涌现(Walker et al.,1994;杜安道等,1994;Suzuki et al.,1996;Ruiz et al.,1997;Stein et al.,2000;蒋少涌等,2000;毛景文等,2001,2004;Mathur et al.,2002;李泽琴等,2003;薛春纪等,2003;Morelli et al.,2004,2005,2010;杨刚等,2005;Selby et al.,2009;孙晓明等,2006,2007;石贵勇等,2006,2012;郭维民等,2011;Huang et al.,2013a,2013b;叶现韬等,2013)。本文报道了油房沟铜矿黄铜矿的Re-Os同位素年龄,据此讨论其成矿时代、可能的物质来源、大地构造背景及矿床成因。

1 地质概况

油房沟铜矿位于康滇地区中东部,即近 EW 向的麻塘深大断裂和 SN走向的德干深大断裂的北东侧(图1)。区内元古宙基底地层广泛出露,以近 EW走向的菜子园–踩马水–麻塘深大断裂带为界限,该断裂带南侧为汤丹群(自下而上分别为洒海沟组、望厂组、菜园湾组、平顶山组)和东川群(含因民组、落雪组、黑山组、青龙山组),其中两件汤丹群望厂组凝灰岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄分别为2299 Ma和2285 Ma(朱华平等,2011;周邦国等,2012),表明其沉积时代为古元古代;东川群不整合覆盖于汤丹群之上,最近研究显示其沉积时代为古元古代晚期至中元古代早期(孙志明等,2009;Zhao et al.,2010;王生伟等,2011)。断裂带北侧基底为会理群(自下而上分别为淌塘组、力马河组、凤山营组和天宝山组),主要岩性为一套浅变质的细碎屑岩、变碳酸盐岩夹少量变质火山岩及火山碎屑岩,顶部天宝山组流纹岩锆石的U-Pb年龄为1028 Ma和1036 Ma(耿元生等,2007;尹福光等,2012),表明会理群沉积时代在中元古代晚期。

图1 康滇地区中东部地质简图Fig.1 Geological sketch map of the central-east Kangdian area

矿区构造发育,主要断层有NW走向的F1、NE走向的F2及F3断层,其中F1总体倾向NE50°(图2),倾角 54°~70°,性质为张性逆断层,局部见滑劈理,可见张性构造角砾岩。F1对矿体起破坏作用,水平断距为55 m,倾向上错距为80 m。F2和F3断层,为张性断裂。矿区总体褶皱形态为轴向近南北的紧密复式褶皱,中部为一向斜,东部为一背斜,次级构造为一系列近EW向的次级褶皱叠加近SN向褶皱。向斜核部为淌塘组上亚组地层,两翼为淌塘组中亚组及下亚组地层。背斜核部为淌塘组下亚组地层,两翼为淌塘组中亚组及上亚组地层。

区内岩浆岩不太发育,在矿区北部有一 NE走向石英钠长岩体分布,基性岩脉偶有出露,主要为辉绿辉长岩脉、辉绿岩脉,见于北东部。

2 矿床地质特征

油房沟铜矿赋存于会理群下部的淌塘组内(Pt2t),由凝灰千枚岩、炭质千枚岩、砂质板岩及白云质大理岩、结晶灰岩透镜体组成。与上覆地层力马河组、下伏青龙山组呈整合接触关系,分布范围占矿区80%以上面积。含矿层位于淌塘组第三段,岩性为深灰至灰黑色含炭质(绢云)千枚岩夹凝灰质绢云千枚岩,地层走向总体呈NNE-SSE向,倾向随褶皱变化,在两翼主要呈NE向或SW向,倾角29°~83°不等。此外,矿区还广泛分布第四系,主要分布于低洼沟谷,为冲、洪积堆积物,主要成分为砂砾石、砂质黏土。

图2 油房沟铜矿地质简图(据沈和明等,2006)Fig.2 Geological sketch map of the Youfanggou copper deposit

矿化带总体呈近南北向展布,约3.1 km长;在0线以南则随地层转向南西,向北仍继续延伸。矿化带在 0线至 15线一带由工程连续控制(沈和明等,2006),向北在39线、59线稀疏控制。截至2007年,共圈定出K1和K2两个铜矿体(图3),均为隐伏–半隐伏矿体。K2号矿体产于K1号矿体上部,平面上位于K1号矿体西侧10~70 m,两条矿体呈近平行产出,中部相距稍远。另在矿化层下部见沿裂隙充填的不连续透镜状矿体,主矿体特征分述如下:

K1号矿体:为区内最大的工业铜矿体。北起熊家沟,向南经余家小沟至小岩沟一带。矿体呈层状、似层状产出,与岩层产状基本一致。在0线以北,矿体走向近 SN,倾向 270°±,倾角 68°~83°,平均倾角77°;0线以南被F1所截,其走向沿地层转为NE-SW向。矿体长1000 m,厚度从南至北有变薄趋势,向深部则趋于厚大,一般1.88~29.03 m,平均厚11.10 m。Cu品位单样品最高5.40%,最低0.12%,一般0.4%~1.74%;单工程加权平均Cu品位最高为1.46%,最低0.47%;矿体平均Cu品位为1.15%(沈和明等,2006)。

K2号矿体:矿体呈层状、似层状产出,与岩层产状基本一致。矿体倾向SW-NW,倾角75°~83°,平均倾角77°。矿体长达1000 m,厚度从南至北变薄,向深部则趋于厚大,一般1.78~15.46 m,平均厚8.38 m。Cu品位单样品最高 1.69%,最低 0.05%,一般0.43%~1.48%;单工程加权平均 Cu品位最高为1.01%,最低 0.40%,矿体平均 Cu品位为 0.78%(沈和明等,2006)。

图3 油房沟铜矿3号勘探线剖面图(据沈和明等,2006)Fig.3 Profile No.3 exploration line of the Youfanggou copper deposit

浅表矿体显示出明显风化淋滤特征,硫化物被淋滤的空洞由褐铁矿不均匀充填分布,矿石呈蜂窝状、皮壳状,局部见薄膜状孔雀石、蓝铜矿,Cu品位明显降低或不够工业品位。据区内工程控制,大致确定地表以下0~30 m范围内为风化淋滤带。经不同深度矿体与Cu品位变化初步对比表明,随着埋藏深度的增加,矿体品位、厚度亦有增高、增厚趋势。最近,本项目组再次对该铜矿进行了调查,据油房沟铜矿生产技术组介绍,随着勘探程度提高,证实了K1和K2矿体在深部加厚变富,并有合二为一形成一个厚大矿体的趋势,且还在K1和K2矿体北侧新发现近EW走向的K3矿体。

3 样品与测试

3.1 样品特征

油房沟铜矿的原生矿石可分为两种类型,炭质(绢云)凝灰千枚岩型铜矿石(主要类型)和石英-碳酸盐岩型铜矿石(次要类型),前者最主要特点是铜矿物呈细脉浸染状分布(图4a、b、c),后者铜矿物多呈不均匀浸染状、星点状及少量团块状(图4d)。

本次分析测试的样品YFG1和YFG3分别采集自 2435中段 K1和 K2矿体的掌子面,YFG2采自2435中段距坑口约580 m处,YFG5采集自2435中段距坑口约1200 m。矿石类型均为炭质(绢云)凝灰千枚岩型铜矿石,矿石矿物为黄铜矿、斑铜矿、黄铁矿。黄铜矿呈自形–半自形粒状,粒度一般在0.01~0.1 mm之间,以集合体方式呈星散状、浸染状分布于岩石之中。脉石矿物有绢云母、石英、白云石、方解石、白云母、黑云母及长石等。绢云母为细鳞片状,沿千枚理呈条纹状分布。石英为粒状变晶结构,具明显的次生加大现象,后期硅化作用明显。白云石呈细粒变晶结构,局部充填裂隙呈细脉状产出,与后期白云石化关系密切。此外,矿区发育大量炭质,呈尘点状散布于岩石中,分布范围较广,含量小于5%,并在挤压破碎带出现石墨化。

3.2 分析测试

样品单矿物挑选由河北省区域地质调查研究院实验室挑选,常规碎样 20目后手工挑选,每个样品各挑出约10 g黄铜矿单矿物。分析和测试在国家地质实验测试中心Re-Os分析实验室完成。样品中的Re和Os含量均采用同位素稀释法(ID-ICP-MS)分析(Shirey and Walker,1995;Du et al.,2004)。准确称黄铜矿0.3 g,通过长细颈漏斗加入到Carius管底部。缓慢加液氮到有半杯乙醇的保温杯中,调节温度到–50 ℃至–80 ℃,将 Carius放置于到该保温杯中,通过长细颈漏斗把准确称取的185Re和190Os混合稀释剂加入到 Carius管底部,再加入 4 mL 10 mol/L HCI和 4 mL 16 mol/L HNO3;当管底溶液冰冻后,用丙烷氧气火焰加热封好Carius管的细颈部分。放入不锈钢套管内,轻轻放套管入鼓风烘箱内,待回到室温后,逐渐升温到 230 ℃,保温12 h。在底部冷冻的情况下,打开Carius管,并用40 mL水将管中溶液转入蒸馏瓶中进行蒸馏。

将蒸馏残液置于电热板上,加热近干。加少量水,加热近干。重复两次以降低酸度。加入10 mL 5 mol/L NaOH,稍微加热,转为碱性介质。转入50 mL聚丙烯离心管中,离心,取上清液转入120 mL Teflon分液漏斗中。加入10 mL丙酮,振荡5 min,萃取Re。静止分相,弃去水相。加2 mL 5 mol/L NaOH溶液到分液漏斗中,振荡5 min,洗去丙酮相中的杂质。弃去水相,排丙酮到150 mL已加有2 mL水的Teflon烧杯中。在电热板上 50 ℃加热以蒸发丙酮。加热溶液至干。加数滴浓硝酸和30% H2O2,加热蒸干以除去残存的 Os。用数毫升稀 HNO3溶解残渣,稀释到硝酸浓度为2%,待ICP-MS测试。

图4 油房沟铜矿矿石照片Fig.4 Field photos of ores from the Youfanggou copper deposit

采用美国TJA公司生产的TJA X-series ICP-MS测定同位素比值。对于 Re:选择质量数 185、187进行测定,用190监测残余Os,对于Os:选择质量数为186、187、188、189、190、192。用185监测残余Re。Re同位素分馏可采用193Ir/191Ir校正(梁细荣等,2005)或采用普通 Re 外标校正。用 TJA X-series ICP-MS测试的Re、Os和187Os的空白流程值分别为(0.0157±0.0008)×10–9、(0.0001±0.0002)×10–9和(0.0001±0.0001)×10–9。

4 结果与讨论

4.1 成矿时代

油房沟铜矿4件黄铜矿样品的Re-Os分析结果见表 1。Re最高含量为 2.727×10–9,最低含量仅0.2656×10–9,根据以上测试结果计算四件原生黄铜矿样品的模式年龄,计算公式为:

公式中的 λ为187Re 的衰变常数,λ=1.666×10–11a–1(Smoliar et al.,1996)。

计算结果表明,模式年龄最小值为 815.6 Ma,最大值为876.0 Ma。利用ISOPLOT3.0对4件样品进行等时线加权拟合,得到一条相关性好的等时线(图5),其中相关系数r=0.99,等时线年龄为881±65 Ma(MSWD=1.08,n=4),初 始 值 (187Os/188Os)0=0.588±0.077,该等时线年龄与含 Cu石英脉的 Ar-Ar年龄(875±16 Ma,n=8,MSWD=1.2,王生伟等,2011)基本一致,代表了油房沟铜矿矿石矿物黄铜矿的结晶时代,即油房沟铜矿床的成矿年龄,为新元古代中期,但明显要晚于赋矿围岩淌塘组。

4.2 成矿物质来源

作者由 Re-Os等时线得到样品的187Os/188Os初始值为0.588,高于881 Ma时地幔值0.121,低于 881 Ma时地壳值 2.586,反映了油房沟铜矿的成矿物质为壳–幔混合来源。图6较清晰的反映了地幔–地壳–矿石中187Os-188Os随时间的演化关系,地幔初始演化时间为地球形成时间,即 4.558 Ga,其初始值为0.09531,当地球演化至2.7 Ga时,原始地幔分异形成原始地壳,此时二者187Os/188Os值均为 0.10825,此后二者各自演化。由于 Re为不相容元素,导致 Re在地壳富集,而在地幔则相对亏损,因此地壳中有187Re衰变产生的187Os更多,导致地壳的187Os/188Os值随着时间的增加而快速增长,而地幔的187Re含量较低,因此其187Os/188Os值则增长缓慢。当演化至 881 Ma,即油房沟铜矿形成时,地壳和地幔的187Os/188Os值分别为 2.586和 0.121,油房沟铜矿黄铜矿的187Os/188Os值为 0.588,介于地幔和地壳之间,但更接近地幔值,因此,表明 Os同位素为壳–幔混合的特征,但以幔源为主,这也可以从 Re/Os-Os图解中得到进一步证实(图7)。

4.3 成矿背景及矿床成因

油房沟铜矿成矿时代为 881±65 Ma,新元古代中期,扬子地台西南缘岩浆活动极为频繁,区内发育大量的基性和中酸性岩浆岩,如自北向南延伸数百千米的新元古代酸性岩浆岩带。研究显示,岩浆岩的时代集中在约880~800 Ma(徐士进等,1996;郭建强等,1998;沈渭洲等,2000;李献华等,2001,2002a,2002b;Zhou et al.,2002;Li et al.,2003a;Li et al.,2003;陈岳龙等,2004;杜利林等,2006;林广春等,2010);此外,还出露少量的基性–超基性岩浆活动,时代约936~782 Ma(徐士进等,1998;沈渭洲等,2002a,2002b;2003;朱维光等,2004;杜利林等,2009)。尽管前人对岩浆岩形成的大地构造背景有很大争议,主要有岛弧环境(颜丹平等,2002;Zhou et al.,2002;沈渭洲等,2003;杜利林等,2009)与地幔柱导致的裂谷拉张环境(李献华等,2001,2002b,2002c;Li et al.,2002,2003a,2003b;Li et al.,2003;朱维光等,2004)两种不同意见,但都表明在880~800 Ma,整个扬子地台西缘存在一次重要的构造岩浆事件。在油房沟铜矿区,也发育石英钠长岩体和辉绿岩体,其时代尚不清楚,但在其北西侧的会理益门镇及北东部云南巧家县境内,邻近菜子园–麻塘断裂带,均存在锆石 U-Pb年龄为 872±11 Ma(MSWD=3.0,n=11)和 875±5 Ma(MSWD=1.4,n=20)的酸性岩体(内部交流),与油房沟铜矿成矿时代基本一致。

表1 油房沟铜矿中黄铜矿的Re-Os分析结果Table 1 Re-Os analysis data of chalcopyrite from the Youfanggou copper deposit

图5 油房沟铜矿中黄铜矿的Re-Os等时线年龄图Fig.5 Re-Os isochron age of chalcopyrite from the Youfanggou copper deposit

图6 油房沟铜矿的t-187Os/188Os图解(据石贵勇等,2012)Fig.6 t vs.187Os/188Os diagram of the Youfanggou copper deposit

图7 油房沟铜矿的 Re/Os-Os图解(据 Lambert et al.,1999)Fig.7 Re/Os vs.Os diagram of the Youfanggou copper deposit

尽管新元古代扬子地台西缘岩浆活动强烈,但从目前来看,康滇地区与该期大规模的酸性岩浆活动本身带来Cu的成矿作用并不明显,到目前为止没有新元古代成规模的斑岩型铜矿报道,仅有零星的铜矿化点,但在盐边地区发现有与基性侵入岩有关的冷水箐铜镍硫化物矿床(张成江等,1999;沈渭洲等,2003;朱维光等,2004;吕林素等2007;苟体忠等,2010),上述特征可能与大地构造背景有关。油房沟铜矿位于康滇地区中部麻塘断裂北侧,王生伟等(2013a,2013b)分别从花岗岩和蛇绿岩角度证实,近EW 走向的麻塘–踩马水–菜子园断裂带是一条中元古代末期的缝合带,即沟通地幔的深大断裂带。该断裂带南侧即为我国著名的东川式铜矿矿集区(见图1),邱华宁等(1997,2000,2001,2002a,2002b)对东川式铜矿伴生石英脉进行了较为详细的 Ar-Ar年代学研究,获得了 810~770 Ma以及 794±33 Ma和712±33 Ma等年龄,与油房沟铜矿成矿时代接近,并认为东川铜矿主成矿期为新元古代晋宁期,或澄江期,与岩浆热液密切相关,但黄小文等(2011)的Re-Os同位素地质年代学研究也不支持该观点,本项目组也对东川铜矿原生黄铜矿进行的Re-Os同位素研究表明,其原生的马尾丝状黄铜矿的时代为1765±57 Ma(MSWD=0.36,n=3)(王生伟等,2012);后期块状富黄铜矿的 Re-Os同位素等时线年龄和187Os/188Os初始值(≈0.8)也与油房沟铜矿时代基本一致(未发表数据)。

油房沟铜矿中发育大量的白云石、石英脉,厚度可达数十厘米,延伸较好,表明热液活动非常强烈,强度远远超过麻塘断裂以南东川式铜矿后期的热液活动。油房沟铜矿中石英脉的 Ar-Ar年龄为875±16 Ma(MSWD=1.2,n=8,王生伟等,2011),与本文报道的黄铜矿Re-Os等时线年龄相当。黄铜矿的187Os/188Os初始值(0.588)介于881 Ma时的地壳值(2.586)和地幔值(0.121)之间(图6),更接近地幔值;且在 Re/Os-Os图解中(图7),油房沟铜矿的样品均位于地幔熔岩和 Lewisian地壳范围内,因此,推测该矿的成矿物质属壳–幔混合来源,但以幔源为主。幔源物质只有通过深大断裂才能到达赋矿地层,在接近地表温度、压力等物理、化学条件发生改变时沉淀,形成矿床。本项目组对油房沟铜矿附近大约2000 km2进行了1/5万化探工作,沿NEE-SWW向麻塘深大断裂,形成明显的带状 Cu正异常(周邦国等,2011),在该断裂邻近的老青山、后山沟、黄坪等地形成一系列小型铜矿床及矿化点,显示出深大断裂对油房沟铜矿床的重要控制作用。油房沟铜矿赋矿围岩为淌塘组(Pt2t)凝灰质板岩、千枚岩,其Cu的背景值较高,为 60×10-6~1520×10-6(沈和明等,2006),Cu含量虽低于东川式铜矿原始贫矿体,但也可能是油房沟铜矿重要物质来源之一。强烈的热液活动,显示新元古代本区深部较高的热流值,可能与岩浆活动有关并提供大量的成矿物质,反映了麻塘–踩马水–菜子园缝合带在新元古代构造–岩浆事件过程中进一步活动,深部含矿热液沿深大断裂向上运移,并萃取淌塘组(Pt2t)凝灰质碎屑岩中的成矿物质,在有利的构造部位一起沉淀,形成油房沟铜矿床,早期富铜地层中物质的加入可能导致油房沟铜矿中较高的 Os值主要原因。因此,我们倾向于将油房沟铜矿归入热液脉型铜矿,成矿物质主要来源于深部地幔,其次为淌塘组富 Cu凝灰质碎屑岩和(或)东川群富铜的因民组、落雪组,扬子地台西缘新元古代大规模岩浆事件过程中强烈的热液活动是导致二者 Cu沉淀富集并最终形成油房沟铜矿床最关键的因素。

5 结论

对油房沟铜矿中黄铜矿的Re-Os同位素地质年代学研究,结果显示,四件样品的等时线年龄为881±65 Ma(MSWD=1.08,n=4),表明其成矿时代为新元古代,晚于赋矿围岩会理群淌塘组。黄铜矿的187Os/188Os初始值为0.588,介于881 Ma时地壳和地幔的187Os/188Os值之间(分别为2.586和0.121),显示壳幔混合特征,但更接近地幔值。油房沟铜矿属热液脉型铜矿,其成矿物质主要来源于深部地幔,其次为淌塘组富Cu凝灰质碎屑岩。新元古代扬子地台西缘大规模岩浆事件过程中强烈的热液活动是导致两者 Cu富集并最终沉淀形成油房沟铜矿最关键的因素。

致谢:野外工作过程中得到油房沟铜矿生产技术组以及四川省地勘局403地质大队彭中山、朱应海等同行的大力支持,在审稿过程中,中国科学院地球化学研究所漆亮研究员和中山大学石贵勇博士提出了详细的修改意见,谨致谢忱！

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