云南个旧锡铜多金属矿区新山和高峰山岩体中高温热演化史及其与成矿的关系

李宝龙, 季建清, 龚俊峰, 周 晶, 毛景文

(1.中国地质科学院 矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037; 2.北京大学 地球与空间科学学院, 造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京 100871; 3.浙江大学地球科学系, 浙江 杭州 310027)

云南个旧锡铜多金属矿区新山和高峰山岩体中高温热演化史及其与成矿的关系

李宝龙1, 季建清2, 龚俊峰3, 周 晶2, 毛景文1

(1.中国地质科学院 矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037; 2.北京大学 地球与空间科学学院, 造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京 100871; 3.浙江大学地球科学系, 浙江 杭州 310027)

云南个旧是全球最大的锡铜多金属矿床, 主要成矿作用是与燕山期花岗岩密切有关的岩浆–热液体系。本文依据锆石 U-Pb测年和40Ar/39Ar年代学对矿区内新山和高峰山花岗岩体进行测试分析, 数据揭示矿区内南部和北部的花岗岩体的高–中温阶段热演化史曲线具有相似的演化趋势, 只是冷却时间存在3～6 Ma的间隔。南部新山岩体于 89～85 Ma形成, 此后岩体经历了快速冷却过程, 冷却速率为58.70～62.08 ℃/Ma。之后进入中温400～250 ℃的缓慢冷却过程, 冷却速率为 17.39～19.32 ℃/Ma, 并持续到 68～69 Ma。北部岩体的热演化史曲线明显滞后于南部岩体, 北部高峰山岩体于83～82 Ma形成, 之后经历快速冷却过程, 冷却速率为295.59 ℃/Ma和103.29 ℃/Ma, 于80 Ma进入400～250 ℃, 此后以冷却速率为7.14～5.69 ℃/Ma, 进入极其缓慢冷却过程并持续至67 Ma。矿区内花岗岩体先遭受快速冷却后进入中温阶段的缓慢长时间冷却作用过程, 为锡铜主期成矿作用提供了持续的热源和流体运移动力学过程, 也与矿区南、北部的成矿作用差异相吻合。

锆石LA-MS-ICP U-Pb定年;40Ar/39Ar年代学; 热演化史; 冷却速率; 锡铜矿床; 个旧

0 引 言

个旧是全球最大的锡铜多金属矿床, 因而备受关注, 其开采历史可以追溯到汉代, 但大规模的地质勘查和开采始于1949年之后。矿区内已探明锡资源储量超过200 吨, Sn、Cu、Pb、Zn、W、Bi、Mo、Ga、Cd、Nb、Ta、Be、Fe、Au、Ag等有色、稀有及贵金属矿产达20余种, 资源总储量超过了1000万吨(庄永秋等, 1996)。研究表明个旧锡铜多金属矿床不仅与燕山期花岗岩活动有关, 还与印支期玄武岩有密切联系(彭张翔, 1992; 贾润幸, 2005; 黎应书, 2005; 黎应书等, 2006; 秦德先等, 2006; 燡张 敏, 2007; 毛景文等, 2008a; 秦德先等, 2008; 徐启东等, 2009; 张娟等, 2012a, 2012b; 方维萱和贾润幸, 2011;方维萱等, 2011; 王丹丹等, 2012; Cheng et al., 2013;张海等, 2014), 但其主要成矿作用是与燕山期花岗岩密切有关的岩浆-热液体系(毛景文等, 2008a; 程彦博等, 2010a; Cheng and Mao, 2010; 张娟等, 2012c; Cheng et al., 2013, 2015)。近年来的研究多侧重于矿床地球化学、矿床预测、成岩成矿时代、区域大地构造背景及花岗岩成因等方面(王新光和朱金初, 1992; 方维萱等, 2002, 2011; 秦德先等, 2006; 莫国培, 2006; 高阳和张寿庭, 2007; 张建东等, 2007; 毛景文等, 2008; 杨宗喜等, 2008, 2009, 2010; 程彦博等, 2010a; Cheng and Mao, 2010; 方维萱和贾润幸, 2011; 李肖龙等, 2011, 2012; 李宝龙等, 2012; 张娟等, 2012a, 2012b, 2012c; Cheng et al., 2013, 2015; 廖时理等, 2014; 张海等, 2014), 而对矿区内新山和高峰山花岗岩体的热演化史和冷却速率等研究尚未有报道, 其与成矿作用的关系亦未深入研究。这在一定程度上制约着矿区的矿床学研究和进一步找矿勘查。

本文选取矿区南部卡房矿田新山花岗岩体和北部隐伏的高峰山花岗岩体作为研究对象, 对其进行锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学和40Ar/39Ar热年代学测试分析, 绘制花岗岩体的热演化史曲线, 揭示花岗岩体的热演化过程并估算岩体冷却速率,最终探讨岩体热演化史和冷却速率与成矿作用之间的关系。

1 地质概况

云南个旧锡铜多金属矿床地处云南省东南部,是一个以锡为主, 同时蕴藏有Cu、Pb、Zn、W、Ag、Bi、In等20多种有色及稀有金属矿产的聚集地。区域地质构造位置为扬子准地台、华南褶皱系及唐古拉–昌都–兰坪–思茅褶皱系三大地质构造单元汇聚地带之华南褶皱系右江地槽褶皱带西南角(图1)。其北部以弥勒师宗断裂与扬子陆块分界, 西南以红河断裂与哀牢山断块毗邻, 南部为越北古陆(程彦博等, 2009)。

个旧锡铜多金属矿区总面积1700 km2, 以个旧大断裂为界划分为东矿区和西矿区, 其中西矿区1100 km2, 东矿区600 km2。西矿区是岩浆岩的主要分布区, 沿贾沙复向斜轴部出露面积超过 320 km2的岩浆杂岩体, 平面外形轮廓略似肺形, 由基性、酸性和碱性岩组成; 东矿区主要为隐伏岩体, 地表零星出露。目前已发现和开采的矿床主要集中在东矿区。东矿区受五子山复式背斜控制, 自北而南分布马拉格、松树脚、高松、老厂和卡房五大矿田(图2), 汇聚个旧金属总储量的90%。其中, 马拉格矿田主要以云英岩、矽卡岩型锡矿体为主, 也存在大量层间氧化矿体。松树脚矿田主要是以碳酸盐岩为围岩的层间氧化矿体和矽卡岩型Sn/Sn-Cu矿体, 也有少量以玄武岩为围岩的层状铜矿体, 矿种以锡为主,铜及其他多金属矿体也有不同程度的发育。高松矿田与松树脚矿田类似, 层间氧化矿体和接触带矿体均较发育。老厂矿田则锡、铜兼备, 储量较大, 是矿区的主要组成部分, 成矿类型比较复杂, 不仅发育大量产在接触带的 Sn-Cu矿体, 在竹叶山矿段还发育有脉状锡多金属矿体。卡房矿田相对比较复杂, 矿种以铜为主, 锡矿次之, 近年来又查明大量W-Mo-Ag-Au等金属, 矿体形态有三种: 矽卡岩型Sn-Cu矿体、玄武岩为围岩的层状 Cu矿体和以碳酸盐岩为围岩的层状Sn-Cu矿体(程彦博, 2012)。

图1 右江褶皱带内构造、矿床分布及周边构造单元位置示意图(据程彦博等, 2009)Fig.1 Map showing the distribution of structures and deposits in the Youjiang fold belt and locations of surrounding tectonic units

图2 个旧东矿区地质构造略图(据冶金工业部西南冶金地质勘探公司308队, 1984修改)Fig.2 Sketch map of the eastern Gejiu area

个旧矿区在中生代时有频繁而强烈的岩浆活动,形成规模宏大的岩浆岩。西矿区岩浆岩沿贾沙复式向斜轴部大面积出露, 主要有贾沙辉长岩、龙岔河花岗岩、神仙水花岗岩以及白云山碱性岩等, 按其侵入顺序依次为: 龙岔河岩体→白云山岩体→克勒岩体→神仙水岩体; 东矿区花岗岩体主要沿五子山复式背斜核部侵入, 主要有白沙冲、马松、高峰山、老卡、新山等花岗岩体, 多隐伏于地下200～1500 m,地表仅在白沙冲、北炮台及新山等处出露, 成分较单一, 以黑云母花岗岩为主。物探研究表明, 东矿区花岗岩在深部是连在一起的, 其上有多峰式突起。在卡房、麒麟山和老厂等地, 分布有规模较大的印支期基性火山岩系, 呈层状产于个旧组下部, 并伴生锡铜多金属矿化。除花岗岩外, 在个旧东矿区羊坝底等地还有煌斑岩脉出现。个旧矿区岩浆活动主要有印支期和燕山期两大旋回: 印支旋回以基性火山活动为主, 形成了玄武岩、辉绿辉长岩等火山次火山岩; 燕山旋回以酸性–碱性侵入活动为主。整个岩浆活动经历了喷发(喷溢)–侵入的发展过程。

近年来, 随着同位素测试手段的进步和发展, 地质工作者们重新对个旧矿区出露和隐伏的各类岩浆岩进行了详细的同位素测年工作, 准确厘定了岩浆岩的形成时代(表1)。锆石LA-ICP-MS和SHRIMP U-Pb定年表明, 个旧矿区内花岗岩、碱性岩和煌斑岩的年龄集中在 76～86 Ma, 为白垩纪晚期的岩浆活动的产物(程彦博等, 2008a, 2008b, 2009; Cheng and Mao, 2010;李肖龙等, 2012)。此外, 矿区内还有三叠纪玄武岩出露。

表1 个旧矿区岩浆岩类同位素测年统计Table 1 Summary of the ages of magmatic intrusions in the Gejiu area

2 样品采集与研究方法

2.1 采样位置和样品特征

卡房矿田新山花岗岩体的岩性为似斑状花岗岩和等粒花岗岩, 侵入到中三叠统个旧组碳酸盐岩中。似斑状花岗岩呈暗灰色至深灰色, 似斑状结构,斑晶由微斜长石和石英组成, 含量约5%。长石斑晶外形轮廓不完整, 边缘常见石英和斜长石小颗粒,斑晶大小一般(0.7～1.0 cm)×(1.2～3.0 cm); 石英斑晶呈烟灰色, 粒状, 一般 0.5 cm左右。基质由微斜长石、石英、斜长石及黑云母组成。微斜长石晶形完好,颗粒较大, 一般0.7 cm ×0.5 cm, 占基质的20%～30%;黑云母含量较高, 大小为 0.3 cm×0.5 cm, 约占全岩的5%～7%。副矿物有磷灰石、磁铁矿、钛铁矿、榍石和锆石等。等粒花岗岩多隐伏地下, 主要矿物为微斜长石(38%)、斜长石(27%)、石英(30%)和黑云母(3%)。次要矿物为锆石、磷灰石、榍石、磁铁矿、钛铁矿、褐帘石、独居石、电气石和萤石。相比似斑状花岗岩, 热液成因的萤石、电气石、黄玉和白云母含量高很多(程彦博, 2012)。在空间上, 卡房矿田所有矿体都在新山岩体附近, 仅容矿围岩不同。总体来说, 卡房矿田中的矿体都产在花岗岩与碳酸盐岩的接触带附近, 以玄武岩、白云质灰岩和灰岩为容矿围岩, 且矿体都产于距花岗岩2 km以内的范围。

矿区北部花岗岩选择松树脚矿田隐伏高峰山岩体, 岩性为中粒黑云母二长花岗岩, 侵入个旧组灰岩中。岩体边部有细晶岩脉, 接触带有较强烈的矽卡岩化, 并常有锡、铜等矿体产出。详细的野外及镜下观察表明该岩体具花岗结构, 块状构造, 主要矿物为石英(30%左右)、钾长石(35%左右)、斜长石(28%左右)和黑云母(7%左右), 副矿物为锆石、磷灰石、黄铁矿等。其中斜长石呈自形–半自形板状、柱状, 聚片双晶发育, 可见绢云母化; 钾长石呈半自形–它形板状、不规则状, 以微斜长石为主, 格子双晶发育, 亦有条纹长石; 石英呈半自形–它形粒状; 黑云母呈片状或条状, 多色性明显, 解理发育, 可见绿泥石化, 有时转变为白云母及铁质矿物。岩体可见云英岩化、白云母化、绢云母化等(李肖龙等, 2012)。

为揭示矿区内花岗岩体的热演化史和冷却速率,40Ar/39Ar热年代学测试选取个旧矿区南部卡房矿田新山和北部高峰山花岗岩为研究对象。新山花岗岩体共采集4个花岗岩样品(KF-1, KF-3, KF-4和KF-7),高峰山花岗岩体中采集 2个花岗岩样品(SK-2和SK-3), 具体采样地点和挑选矿物见表 2, 手标本和野外照片见图 3。从所采岩石样品中挑选出钾长石(Kfs)、黑云母(Bi)、斜长石(Pl)和白云母(Mus)等矿物作为定年测试对象。

2.2 测试分析方法

本文选择锆石LA-ICP-MS U-Pb法和40Ar/39Ar热年代学方法进行岩体热演化史研究。锆石阴极发光CL图像由北京锆年领航公司的JSM6510扫描电镜和 GATAN阴极荧光探头完成。结合透射光、反射光和阴极发光照片, 选择典型锆石开展U-Pb年龄测试。锆石LA-ICP-MS U-Pb定年测试在中国地质科学院矿产资源研究所LA-ICP-MS实验室完成, 所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的 Newwave UP 213激光剥蚀系统, 详细实验流程和数据处理参见侯可军等(2009)。

常规40Ar/39Ar和激光40Ar/39Ar年代学测试在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室进行。常规40Ar/39Ar数据处理采用实验室编写的40Ar/39Ar Dating软件及Isoplot 3.0软件完成, 详细的操作流程图参见龚俊峰(2009)。激光40Ar/39Ar年龄测试采用全自动全时标高精度激光40Ar/39Ar定年系统, 全自动测样采用Berkley地质年代中心Alan博士编写的Mass spec 5.26程序控制, 并进行数据处理(周晶等, 2008)。

3 年代学测试结果

3.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄

花岗岩样品 KF-3采自卡房矿田前进坑之新山花岗岩体。锆石CL图像(图4)显示晶型好, 自形程度高, 呈长柱状, 颗粒长约 100～180 μm, 宽约 40～70 μm, 具有明显的韵律环带, 少数具有核–边结构。样品共测定20颗锆石, 测点 2、5、19的谐和度较差，将其剔除，不参与计算。其余17个测点的Th、U含量分别为171×10-6～1587×10-6、343×10-6～4301× 10-6， Th/U比值为0.19～1.22, 均大于0.1(表3), 为岩浆结晶锆石。206Pb/238U年龄集中在87.93～91.30 Ma之间, 加权平均年龄为89.76±0.37 Ma (MSWD=0.47, n=17)(图5), 代表花岗岩体的侵位时代为早白垩世。

表2 采样位置和岩性及测试方法统计表Table 2 The sample locations and dating methods of the granites

图3 个旧矿区花岗岩样品手标本照片Fig.3 Photos of the hand specimens of granites in the Gejiu area

图4 卡房矿田新山花岗岩体样品KF-3锆石CL图像Fig.4 Cathodoluminescence (CL) images of zircons from the Xinshan granite in the Kafang orefield

3.240Ar/39Ar定年结果

个旧矿区南部卡房矿田内新山花岗岩样品KF-1和KF-3, 挑选出其中的钾长石、黑云母、斜长石进行常规40Ar/39Ar定年分析，而花岗岩体KF-4和黑云母花岗岩KF-7中挑选黑云母和斜长石为常规40Ar/39Ar定年分析对象，测试结果见表4。

图5 卡房矿田新山岩体样品KF-3锆石U-Pb年龄谐和图Fig.5 U-Pb concordia diagram for zircons from the Xinshan granite in the Kafang orefield

KF-1-Kfs (钾长石): 分11个温阶逐级加温熔样，2～9温阶的坪年龄为76.83±0.40 Ma(MSWD=0.049),坪年龄温阶中39Ar释放量占39Ar释放总量的95.9% (图 6a)。2～9温阶的36Ar/40Ar-39Ar/40Ar反等时线年龄为76.73±0.54 Ma(MSWD=0.20), 初始40Ar/36Ar比值为305±29, 略高于尼尔值(图6b)，两者在误差范围内相一致，代表岩体的冷却年龄。

KF-1-Bi (黑云母): 分11个温阶逐级加温熔样，3～9温阶的坪年龄为 80.75±0.44 Ma(MSWD=0.45),坪年龄温阶中39Ar释放量占39Ar释放总量的87.1% (图6c)。3～9温阶的反等时线年龄为80.90±0.49 Ma (MSWD=0.52), 初始40Ar/36Ar比值为291.9±8.2, 接近尼尔值(图 6d)，两者在误差范围内相一致，记录岩体经历的冷却年龄信息。

KF-3-Bi(黑云母): 共进行10个温阶的阶步加温测试分析, 4～10温阶的坪年龄为 80.23±0.43 Ma (MSWD=0.114),39Ar释放量占39Ar释放总量的74.6%(图 6e)。4～10温阶的反等时线年龄为 80.39± 0.56 Ma (MSWD=0.12), 初始40Ar/36Ar比值为292.5±7.3,接近尼尔值(图6f)，代表岩体经历的冷却年龄信息。

KF-4-Bi (黑云母): 测试共分13个温阶进行, 4～6温阶的坪年龄为84.04±0.57 Ma(MSWD=0.20), 坪年龄温阶中39Ar释放量占39Ar释放总量的31.8%(图7)，代表岩体经历的冷却年龄信息。

KF-3-Pl (斜长石): 采用激光熔样系统测试，22个测试点的正等时线年龄为 70.8±1.7 Ma(MSWD= 0.7), 初始40Ar/36Ar为294±10, 反等时线年龄为71±3 Ma (MSWD=0.78), 初始40Ar/36Ar为293±19(图8a, c，表5)，代表岩体经历的冷却年龄信息。

表3 卡房矿田新山花岗岩体样品KF-3锆石U-Pb LA-ICP-MS定年结果Table 3 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating result of sample KF-3 from Xinshan granite body in Kafang orefield

表4 常规40Ar/39Ar定年测试结果Table 440Ar/39Ar data of the test samples

续表4:

续表4:

KF-4-Pl (斜长石): 采用激光熔样系统测试，40Ar/36Ar-39Ar/36Ar正等时线年龄为85±3 Ma(MSWD= 0.96), 初始40Ar/36Ar比值为273±19, 略低于尼尔值。而36Ar/40Ar-39Ar/40Ar反等时线年龄为74±3 Ma(MSWD= 0.47), 初始40Ar/36Ar比值为360±30, 明显高于尼尔值(表5, 图8b, d)，其冷却年龄信息仍然是可信的，记录岩体经历的热演化信息。同时，该样品也用常规阶步加热熔样系统进行测试，常规测试共分 10个温阶进行, 3～8温阶的坪年龄为 74.67±0.42 Ma (MSWD= 0.33), 坪年龄温阶中39Ar释放量占39Ar释放总量的87.3%(图6g)。反等时线年龄为74.58±0.52 Ma (MSWD=0.72), 初始40Ar/36Ar比值为294.9±7.3, 接近尼尔值(图 6h)。两种熔样测试的年龄结果基本是一致的，代表岩体经历的热演化状态信息。

图6 卡房矿田新山花岗岩样品常规40Ar/39Ar测试坪年龄和等时线年龄图Fig.6 Conventional40Ar/39Ar plateau ages and isochron ages of granite from the Kafang orefield

图 7 卡房矿田新山花岗岩样品 KF-4-Bi常规40Ar/39Ar测试坪年龄图Fig.7 Conventional40Ar/39Ar plateau age of KF-4-Bi from the Kafang orefield

KF-7-Bi (黑云母): 共分 10个温阶加温熔样, 2～9温阶的坪年龄为 80.37±0.42 Ma (MSWD=1.4),坪年龄温阶中39Ar释放量占39Ar释放总量的91.7% (图 9a, 表 4)。而反等时线年龄为 80.46±0.64 Ma (MSWD=1.9), 初始40Ar/36Ar比值为 294±17, 与尼尔值相当(图9b, 表4)，代表岩体经历的冷却年龄信息。

上述40Ar/39Ar测试年龄记录了新山花岗岩体经历的隆升构造事件, 代表岩体的冷却年龄信息, 也间接记录了矿区的热演化史变化状态, 反映矿区内锡铜多金属矿体形成时的热状态变化。

图8 卡房矿田新山花岗岩样品KF-3-Pl和KF-4-Pl激光40Ar/39Ar等时线年龄图Fig.840Ar/39Ar isochron ages of samples KF-3-Pl and KF-4-Pl from the Kafang orefield

表5 激光40Ar/39Ar定年测试结果Table 540Ar/39Ar data of the test samples

续表5:

松树脚矿田高峰山花岗岩样品 SK-2和 SK-3,挑选出其中斜长石、黑云母和白云母进行40Ar/39Ar测试。

SK-2-Bi (黑云母): 常规测试共分7个温阶进行(表4), 4～7温阶的坪年龄为67.34±0.37 Ma (MSWD= 0.021), 坪年龄温阶中39Ar释放量占39Ar释放总量的33.1%。4～7温阶的反等时线年龄为67.16±0.57 Ma (MSWD= 0.12), 初始40Ar/36Ar比值为295.4±7.0, 与尼尔值一致(表4, 图9c, d)，代表岩体的冷却年龄信息。

SK-2-Pl (斜长石): 激光测试分析的正等时线年龄为72±3 Ma (MSWD=0.83, n=22), 初始40Ar/36Ar比值为331±15, 明显高于尼尔值; 反等时线年龄为 74±5 Ma (MSWD=0.99, n=22), 初始40Ar/36Ar比值为330±30,明显高于尼尔值(表5, 图10)，两者在误差范围内相一致，记录岩体经历的冷却年龄信息。

SK-3-Bi (黑云母): 分6个温阶进行常规加温熔样测试(表4)。3～6温阶的坪年龄为 69.59±0.47 Ma (MSWD=1.7), 坪年龄温阶中39Ar释放量占39Ar释放总量的 40.6%。3～6温阶的反等时线年龄为 69.9±4.0 Ma (MSWD=6.6), 初始40Ar/36Ar比值为 287±54, 高于尼尔值(图9)，记录岩体抬升过程中经历的热状态信息。

SK-3-Mus (白云母): 进行11个温阶的常规加温熔样测试(表 4)。5～11温阶的坪年龄为 81.30±0.42 Ma (MSWD=0.80), 坪年龄温阶中39Ar释放量占39Ar释放总量的97%。5～11温阶的反等时线年龄为81.21±0.54 Ma (MSWD=0.25), 初始40Ar/36Ar比值为298.3±6.6, 与尼尔值一致(图9)。上述年龄结果代表了高峰山花岗岩体的冷却史年龄信息, 揭示了岩体的冷却作用过程。

4 花岗岩体热演化史和冷却速率估算

4.1 花岗岩体热演化史

图9 卡房新山岩体和高峰山岩体含钾矿物常规40Ar/39Ar测试坪年龄和等时线年龄图Fig.9 Conventional40Ar/39Ar plateau ages and isochron ages of the Xinshan and Gaofengshan granites

图10 松树脚矿田花岗岩样品SK-2-Pl激光40Ar/39Ar等时线年龄图Fig.1040Ar/39Ar isochron ages of samples SK-2-Pl in Songshujiao orefield

Dodson (1973)提出了封闭温度(Tc)的概念, 定义封闭温度为同位素体系不发生有效扩散的临界温度。他认为矿物在其封闭温度以上, 放射性同位素子体将全部丢失; 在封闭温度以下, 同位素子体的丢失量极小, 并且有扩散作用所导致的子体丢失几乎不会对年龄的测定产生影响。不同矿物的封闭体系具有不同的封闭温度。热史研究最有效的方法是地质热年代学, 利用地质体中放射性同位素体系不发生有效扩散的临界温度(封闭温度), 获得不同矿物封闭温度的计时时刻。不同矿物具有不同的封闭温度, 如锆石U-Pb法Pb的封闭温度达900 ℃(Lee et al., 1997; Cherniak and Watson, 2000); 角闪石、白云母、黑云母和钾长石40Ar/39Ar封闭温度分别为500 ℃左右(McDougall and Harrison, 1999)、380 ℃(Hames and Bowring, 1994)、320 ℃(Harrison et al., 1985)和150～250 ℃(Lovera et al., 1989)。对同一样品进行上述不同同位素测年可以得到较为完善的高中低温年龄纵向序列, 对同一地质体不同高程的地质样品进行完整的同位素测年既可以叠加得到一个年龄“柱子”, 又能获得较精细的热演化史曲线。40Ar/39Ar热年代学就是利用40Ar/39Ar法提供了时间和温度的双重信息, 得出矿物在不同温度时的年龄, 探讨地质体的构造热演化历史(Colemn and Hodges, 1998; Reid et al., 2005)。

个旧矿区南部新山花岗岩体高温–中温阶段热演化史曲线如图 11a所示。新山岩体遭受的隆升作用过程比较简单, 花岗岩体经历了高温阶段快速冷却和中温阶段的缓慢冷却过程。新山花岗岩体在89～85 Ma形成, 此后岩体经历了快速冷却作用过程, 84 Ma之后进入中温阶段(400～250 ℃)的缓慢冷却作用过程, 并一直持续到68～69 Ma。矿区北部高峰山花岗岩体的热演化曲线明显滞后于南部岩体, 高峰山岩体形成于83～82 Ma, 之后经历快速冷却过程,于 80 Ma进入中温阶段(400～250 ℃), 此后进入缓慢冷却作用过程, 且中温阶段一直持续到67 Ma。这种南、北部岩体热演化史的明显差异, 说明南部岩体先于北部岩体6～3 Ma经历了构造抬升事件。但是,南、北部岩体热演化史曲线整体趋势基本一致。

4.2 花岗岩体冷却速率估算

本研究利用不同同位素体系封闭温度进行岩体冷却速率计算, 计算过程中采用的封闭温度值如下:锆石U-Pb体系封闭温度为850 ℃, 白云母40Ar/39Ar体系封闭温度为380 ℃, 黑云母40Ar/39Ar体系封闭温度为 300 ℃, 斜长石40Ar/39Ar体系封闭温度为230 ℃, 钾长石40Ar/39Ar体系封闭温度为220 ℃。依据封闭温度和年龄值的对应关系对矿区南部和北部花岗岩体进行冷却速率计算, 为避免重复测试，同一岩体内已有年龄数据的，则采用其他研究者的年龄值进行计算。详细的岩体冷却速率计算依据的样品年龄和冷却速率参见表6和图11b。

个旧矿区南部新山花岗岩体的形成年龄为89.7±0.4 Ma(样品KF-3)。新山花岗岩体从锆石U-Pb封闭温度850 ℃到黑云母40Ar/39Ar封闭温度300 ℃的冷却速率为58.70 ℃/Ma(KF-3)、96.15 ℃/Ma(KF-4)、62.08 ℃/Ma(KF-2)和 59.98 ℃/Ma(KF-7), 此过程为一快速冷却作用过程, 揭示矿区南部经历了快速的构造抬升作用, KF-4因有产状为125°∠72°的北东向断裂的存在, 故由此揭示的冷却速率与其他样品相比较要大一些, 其他样品揭示的冷却速率基本相当。新山岩体从黑云母的封闭温度300 ℃到斜长石封闭温度230 ℃的冷却速率计算分别为7.40 ℃/Ma (KF-4)和 7.3 ℃/Ma(KF-3), 为一缓慢的冷却作用过程; 新山岩体从黑云母的封闭温度 300 ℃到钾长石的封闭温度 220 ℃的冷却速率为 17.39 ℃/Ma (KF-1)同样为一缓慢的冷却作用过程。

图11 个旧矿区南、北部岩体热演化史曲线和冷却速率图Fig.11 Thermal evolutional history and cooling rate of the South and North granite bodies in the Gejiu area

表6 个旧矿区岩体冷却速率表Table 6 Cooling rate of granites in the Gejiu area

矿区北部高峰山花岗岩体从锆石 U-Pb封闭温度850 ℃到白云母40Ar/39Ar封闭温度380 ℃的冷却速率为295.59 ℃/Ma(锆石年龄来源于程彦博等, 2009)和 103.29 ℃/Ma(锆石年龄来源于李肖龙等, 2012),因锆石年龄采用其他研究者获得的高峰山岩体的年龄数值(两者采样位置差距较大)数据参见高峰山岩体的已获得年龄数据, 故差异较大, 但均反映该岩体在这一过程中所经历的快速冷却作用过程, 揭示该地区遭受一期快速的构造抬升事件; 该岩体从白云母的封闭温度380 ℃到黑云母的封闭温度300 ℃的冷却速率为 7.14 ℃/Ma(SK-3)和 5.69 ℃/Ma(样品SK-2, 因SK-2未获得白云母的40Ar/39Ar年龄, 冷却速率计算采用 SK-3-Mus的年龄数值), 二者基本一致,反映该岩体经历的较缓慢的冷却作用过程, 揭示高峰山地区遭受的缓慢的构造抬升作用。

5 讨 论

与岩浆岩有关的热液矿床的成矿持续时间变化很大, “长寿命”的热液系统能够持续几个到十几个百万年(如智利的La Escondida、 Chuquicamata、 El Teniente; 墨西哥的Río Blanco、Fresnillo、Laramide;阿根廷的Bajo de la Alumbrera等)。个旧花岗岩基面积 800 km2, 包含多个成矿阶段(冶金工业部西南冶金地质勘探公司 308地质队, 1984), 因此对应长寿命岩浆房和相关的多阶段矿化与蚀变是可能的。

近年来对矿区内的中生代岩浆岩进行了较为详细的岩性、岩相、地球化学和同位素年代学的研究。个旧矿区除了二叠纪和三叠纪两次基性火山活动外,在白垩纪也发生了大规模的岩浆事件。个旧东矿区花岗岩和单矿物的年代学测定结果为: 马拉格斑状花岗岩和老厂等粒花岗岩分别为 90.4±6.3 Ma 和81.0±4.9 Ma(程彦博等, 2008a); 老厂–卡房等粒花岗岩和马拉格–松树脚斑状花岗岩的40Ar/39Ar年龄分别为81.6±0.3 Ma和82.3±0.3 Ma(程彦博等, 2008a)。运用锆石 LA-ICP-MS对老厂矿区的老卡等粒花岗岩和新山花岗岩体进行测年分析, 获得年龄结果分别为85±0.85 Ma和83.1±0.42 Ma(杨宗喜等, 2008; 程彦博等, 2008b, 2009; Cheng and Mao, 2010); 卡房矽卡岩型矿体中辉钼矿 Re-Os同位素年龄为 82.95± 1.16～83.54±1.31 Ma(杨宗喜等, 2008); 老厂细脉带型锡矿白云母40Ar/39Ar坪年龄为82.7± 0.7 Ma (杨宗喜等, 2009)。此外, 矿区内不同成矿环境的13个代表性金云母/白云母的40Ar/39Ar测试分析, 得到坪年龄为77.4±0.6～95.3±0.7 Ma, 认为是云母样品的结晶年龄(程彦博, 2012)。花岗岩锆石LA-ICP-MS或SHRIMP U-Pb定年测试揭示花岗岩的结晶年龄为 78～85 Ma,即晚白垩世(Cheng and Mao, 2010)。

本文对新山花岗岩体进行了锆石 LA-ICP-MS U-Pb测试, 获得年龄加权平均值为89.76± 0.37 Ma (MSWD=1.5, n=17), 代表了新山花岗岩体的形成年龄。综合研究认为个旧矿区所有的侵入岩近于同时形成(78～85 Ma), 主要集中在 80～84 Ma, 云母40Ar/39Ar年龄77.4～95.3 Ma和锡石LA-ICP-MS U-Pb年龄78～84 Ma, 认为成矿成岩时代基本一致, 个旧矿区的主成矿期为80～85 Ma(程彦博, 2012)。

Cheng and Mao (2010)根据个旧矿区岩浆岩锆石年龄和Sr-Nd-Hf同位素测试分析, 认为个旧地区在晚白垩世为板内伸展构造环境。最近岩浆岩和矿床地球化学、同位素年代学研究, 共同揭示个旧地区晚白垩世成岩成矿动力学背景具有以下特征: (1)成岩时代基本一致, 为同一岩浆作用的产物; (2)成矿能量、物质来源均与花岗岩存在成因联系; (3)成岩成矿作用发生于岩石圈伸展的环境, 壳幔间相互作用十分明显(程彦博, 2012)。总体而言, 个旧矿区中生代岩浆活动频繁, 基性、酸性、碱性岩均发育,其成岩时代为 77～85 Ma(程彦博等, 2008a, 2008b, 2009), 研究揭示燕山晚期包括个旧地区在内的整个华南西部地区均表现为岩石圈伸展的构造环境(蔡明海等, 2004a, 2004b; 黎应书, 2005; 毛景文等, 2008a, 2008b; 杨宗喜等, 2008, 2009; 程彦博等, 2008b, 2009, 2010a, 2010b; 陈懋弘等, 2009; Wong et al., 2009; Cheng and Mao, 2010; )。此外, 区域上华南西部中生代大范围岩浆作用和成矿事件的时代为80～100 Ma(毛景文等, 2008b; 程彦博等, 2010a)。

此外, 同位素体系测年所利用的封闭温度扩散理论(40Ar/39Ar同位素封闭温度为中低温150～380 ℃)与矿区内流体包裹体均一温度具有很好的可对比性。流体包裹体研究表明锡铜矿是中偏低温矿床(杨宗喜等, 2010), 老厂矿田原生包裹体均一温度为190～288 ℃(薛传东, 2002; 黎应书, 2005; 黎应书等, 2006; 谈树成等, 2006; 薛传东等, 2006), 卡房铜矿床石英流体包裹体均一温度为 104～416 ℃, 方解石流体包裹体均一温度为 112～304 ℃, 包裹体和氢、氧同位素测试显示从主成矿期到后成矿期, 流体温度显著降低(从 260～360 ℃到 160～280 ℃)(杨宗喜, 2009; 杨宗喜等, 2010); 卡房锡铜矿床石英-磁黄铁矿-黄铜矿阶段的原生包裹体(I型)均一温度为245.7～452.0 ℃, 峰值为350～450 ℃, 平均为363.9 ℃(张娟等, 2012c)。此外, 笔者所在项目组研究获得卡房花岗岩体内、边部、接触带铜矿体及矽卡岩、层状矿体中四类流体包裹体均一温度为 175.2～346.6 ℃(程彦博, 2012)。

矿区南部和北部花岗岩体的高-中温阶段热演化史曲线具有相同的演化趋势, 只是冷却时间有3～6 Ma的间隔(图11, 表6)。

需要指出的是北部高峰山岩体为隐伏岩体, 南部新山岩体出露地表。南部岩体在规模、抬升幅度和冷却速率等方面分别比北部岩体大、高和缓慢,这也在一定程度上与矿床规模、成矿作用强度相一致。此外, 个旧矿区金属元素分带特点在远离花岗岩体的垂直方向和水平方向上都有表现(高阳和张寿庭, 2007; 程彦博, 2012)。这种分带性反映了岩浆起源的热液流体向外运移过程是一个逐渐冷却、可能伴随有流体-岩石相互作用或者流体-流体的混合(程彦博, 2012)。同时岩浆岩侵位形成(78～85 Ma或89 Ma)之后所遭受的缓慢冷却作用过程(直到约70～67 Ma才降至300 ℃, 冷却速率为5.69～7.40 ℃/Ma)持续为成矿物质或流体运移与碳酸盐岩发生矿化反应提供能量和动力来源。形成于不同区域应力场中的构造相互叠加改造, 致使远离花岗岩体的浅部三叠纪碳酸盐岩中裂隙或层间滑脱及破裂极其发育,沿中小型断裂上升的成矿流体得以运移至浅部纵横交错的成矿空间, 在地表大气降水下渗作用下最终沉淀形成脉状锡多金属矿体。此外, 卡房和老厂矿田内晚期玄武岩型铜矿和接触带矽卡岩型铜锡矿的玄武岩的 K-Ar年龄为 68.8～66.8 Ma(王丹丹等, 2012), 与安尼期玄武岩喷发先后期次和顶板西高南低的地质事实吻合(贾润幸, 2005)。玄武岩和岩浆岩体的共同持续缓慢冷却作用亦为这种长时间成矿提供了热源和动力学过程, 使这个类型矿化得以发生。

6 结 论

(1) 矿区南部和北部的花岗岩体的高-中温阶段热演化史曲线具有相同的演化趋势, 只是冷却时间有3～6 Ma的间隔。南部岩体于89～85 Ma形成, 此后岩体经历了快速冷却, 84 Ma之后进入中温400～250 ℃的缓慢冷却过程, 并持续到68～69 Ma。北部岩体的热演化曲线明显滞后于南部岩体, 高峰山岩体于 83～82 Ma形成, 之后经历快速冷却过程,于80 Ma进入400～250 ℃的缓慢冷却过程, 此后极其缓慢冷却至67 Ma。

(2) 南部新山花岗岩体 850～300 ℃的冷却速率为 58.70～62.08 ℃/Ma, 此为一快速冷却作用过程; 300～230 ℃的冷却速率为 7.40～7.30 ℃/Ma, 为一缓慢的冷却作用过程。北部高峰山花岗岩体从850 ℃到380 ℃的冷却速率为295.59 ℃/Ma和103.29 ℃/Ma, 揭示该地区遭受了一期快速的构造抬升事件; 该岩体从380 ℃到300 ℃的冷却速率为7.14～5.69 ℃/Ma, 揭示高峰山地区遭受的缓慢的构造抬升作用过程。

(3) 矿区内花岗岩体先遭受快速冷却后进入中温阶段的缓慢长时间冷却作用过程, 为锡铜主期成矿作用提供了持续的热源和流体运移动力学过程。

致谢: 野外工作得到云锡集团莫国培和陈兴寿处长以及各矿山地质工程师的大力支持和配合, 在此一并表示感谢！

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LI Baolong1, JI Jianqing2, GONG Junfeng3, ZHOU Jing2and MAO Jingwen1
(1. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2. MOE Key Laboratory of Orogenic and Crustal Evolution, School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China; 3. Department of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China)

Gejiu is one of the largest polymetallic tin ore-concentrating districts over the world, which is a granite-related magmatic-hydrothermal system. In this paper, the high-middle thermal evolutional history of granites was drew based on zircon U-Pb dating and40Ar/39Ar geochronology. The analytical results revealed that the high-middle temperature phase thermal evolution history curves of south granite body and north granite body have the same trend, except a temporal lapse of 3-6 Ma. The Xinshan granite body in the south region of the Gejiu deposit has undergone rapid cooling with cooling rate of 58.70-62.08 ℃/Ma immediately subsequent to its formation at 85 Ma to 89 Ma, and then slowed down to temperature range of 400-250 ℃ with cooling rate of 17.39-19.32 ℃/Ma, this slow cooling process continued until 68-69 Ma; And the thermal evolution history of the Gaofengshan granite body in the north region of the Gejiu lags behind that of the south granite body. The Gaofengshan granite body formed at 83-82 Ma experienced rapid cooling with cooling rate of 295.59 ℃/Ma and 103.29 ℃/Ma, and the temperature dropped into 400-250 ℃ at 80 Ma, thereafter it fell into the extremely slow cooling process with rate of 7.14-5.69 ℃/Ma which continued into 67 Ma. The cooling mode of granite body that is rapid cooling at the beginning and then slow down and persists for a long period at middle temperature range plays a very important role in the formation of the Gejiu tin-copper polymetallic district. It provided a continuous source of heat and geodynamic drives for the regional mineralization, and this is also consistent with the temporal difference of the mineralization between the north and south parts of the Gejiu area.

zircon LA-ICP-MS U-Pb dating;40Ar/39Ar geochronology; thermal evolutional history; cooling rate; copper-tin deposit; Gejiu

P611; P597

A

1001-1552(2016)06-1154-020

2014-12-29; 改回日期: 2015-03-19

项目资助: 中国地质调查局地质调查项目(12120114034301)和中央级科研院所基本科研业务专项(K1309)联合资助。

李宝龙(1982–), 男, 副研究员, 主要从事矿田构造、热年代学研究。Email: xinzhongguolong@163.com