内蒙古曹四夭钼矿花岗斑岩地质地球化学特征及U—Pb同位素测年

李香资，权知心，付恒一，安婧雯，杨位坤

(河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，郑州 450000)



李香资，权知心，付恒一，安婧雯，杨位坤

(河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，郑州 450000)

内蒙古兴和县曹四夭超大型钼矿床的成矿岩体花岗斑岩为微型岩株，岩石为强酸性花岗岩，富含Rb，Li，Be，Nb，Zr和Mo，其中Mo的含量为克拉克值的20倍，岩石稀土总量较低，为轻稀土富集型，Eu严重亏损；U-Pb同位素测年结果显示，加权平均年龄为(133.5±7.4) Ma，时代为中生代白垩纪早期，花岗斑岩的形成年龄基本上代表了钼矿床的成矿年龄；岩体侵入的构造背景为燕山晚期的板内造山环境；花岗斑岩的成因为S型与I型的过渡类型，岩浆物质原始来源于上地幔以浅，岩浆沿深大断裂上侵形成花岗斑岩，揭示出上地壳基底物质与岩浆的同熔过程。

曹四夭钼矿；成矿岩体；花岗斑岩；岩石地球化学；U-Pb同位素测年；成矿时代；内蒙古

0 引言

钼是一种重要的战略资源，是我国的优势矿种之一。20世纪70年代以后，随着斑岩型矿床地质理论的推广与普及，我国对斑岩型矿床的找矿勘查逐步展开，斑岩型钼矿的找矿工作与科学研究取得了显著的发展[1-14]。进入21世纪以来，我国钼矿地质勘查出现飞跃式的发展，2002—2012年间，钼的资源储量增长率为116%，目前超大型规模的钼矿床已有16个，其资源储量占全国钼资源储量的53%[10]。在新发现的钼矿床中，斑岩型钼矿占据主导地位。2010年以来，安徽沙坪沟、黑龙江岔路口、新疆东戈壁和内蒙古曹四夭等4个超大型斑岩型钼矿的相继发现，引起国内外地质学界的极大关注[15-18]。

内蒙古自治区兴和县的曹四夭钼矿是近年发现的超大型斑岩型钼矿床，其资源量巨大引人瞩目[18-25]。钼矿床与早白垩世侵入的花岗斑岩体有成因联系，部分钼矿体产于花岗斑岩体的顶部，而矿体的主体部分则产于岩体外侧的中太古界变质岩系中。本文通过对曹四夭钼矿床的成矿岩体——早白垩世花岗斑岩的地质-地球化学特征及U-Pb年龄的研究，探讨成矿岩体形成的构造环境、侵位机制和成因类型等，以期为该区斑岩型钼矿床的找矿提供科学依据。

图1 曹四夭钼矿区地质图Fig.1 The geological map of Caosiyao Mo deposit1.冲洪积：砂、砾石松散堆积；2.风积：黄土状亚黏土、亚砂土；3.宝格达乌拉组：砂质黏土砂砾石夹泥灰岩；4.汉诺坝组：橄榄玄武岩夹砂砾石、黏土薄层；5.老梁底组：砂砾岩、粉砂岩；6.呼尔井组+乌兰戈楚组：砂岩砂砾岩夹泥岩及褐煤；7.中太古界黄土窑岩组；8.浅肉红色少斑花岗斑岩；9.灰白色多斑花岗斑岩；10.少斑花岗斑岩脉；11.花岗细晶岩脉；12.石英脉；13.辉绿岩脉；14.二辉斜长麻粒岩；15.地质界线；16.不整合界线；17.断裂破碎带；18.地层产状；19.片麻理产状；20.化探综合异常

1 花岗质侵入岩及与钼矿的关系

1.1 花岗岩类岩石的分布特征

晚侏罗世黑云母二长花岗岩。隐伏于曹四夭矿区深部，矿区内仅在距地表1 000 m以下的钻孔岩心中有所见及，岩体与区域大型二长花岗岩岩基相连，侵入时代为晚侏罗世，并被早白垩世的两种花岗斑岩侵入穿插。

早白垩世多斑花岗斑岩。分布在曹四夭村南东约1 km处，呈单个小岩枝侵入于中太古界集宁岩群黄土窑岩组(Ar2h)片麻岩及浅粒岩中，平面形态不规则，长轴呈NE向，出露面积约0.06 km2，主体岩性为多斑花岗斑岩，亦有文献将其称为正长花岗斑岩[18]。

早白垩世少斑花岗斑岩。分布在曹四夭村南，地表出露较为零星，呈岩针状及岩脉状，形状为不规则状、椭圆状，长轴呈NNE向。岩体侵入到中太古界集宁岩群黄土窑岩组变质岩中，与多斑花岗斑岩则呈脉动式侵入接触。地表出露面积仅0.02 km2，但其下的隐伏部分岩体面积达1.38 km2。主体岩性为少斑花岗斑岩，岩体中裂隙非常密集，纵横交错，岩石多呈碎裂状，在隐伏的少斑花岗斑岩顶部与围岩接触部位局部发育爆破角砾岩(图2)。

矿区内还发育有岩脉状、岩墙状的花岗斑岩，充填在断裂裂隙中，它们与岩株状的花岗斑岩为同阶段产物，部分为花岗斑岩体的分支，深部是与花岗斑岩岩株相连的，二者仅在地质产状上有所差异。

从野外地质产状和钻孔岩心的观察分析，矿区的少斑状花岗斑岩与多斑花岗斑岩为侵入关系，但成岩时代非常相近，推测为同源、同期、不同次的产物。

图2 横08勘探线矿体剖面图Fig.2 Section of ore body along line Heng-081.新生界；2.中太古界黄土窑岩组；3.早白垩世少斑花岗斑岩；4.早白垩世多斑花岗斑岩；5.晚侏罗世黑云母二长花岗岩(岩基)；6.辉绿岩脉；7.少斑花岗斑岩；8.多斑花岗斑岩；9.粗中粒黑云母二长花岗岩；10.爆破角砾岩；11.工业钼矿体；12.低品位钼矿体；13.铅锌矿体；14.断层；15.围岩裂隙

1.2 花岗斑岩与钼矿体的关系

从图2可以看出，曹四夭钼矿床的工业矿体大部分赋存于花岗斑岩体上部的围岩(中太古界变质岩)中，矿体底板与花岗斑岩的顶界面之间多存在一段无矿相隔，但在花岗斑岩顶部亦有少量钼矿体，东南部的钼矿体则横穿多斑花岗斑岩和少斑花岗斑岩。

矿区共有钼矿体4个，其中以Mo1矿体为主；矿体长1 606.33 m，宽1 307.25 m，平面上呈较为规则的椭圆状；矿体厚度6.00～832.07 m，平均530.00 m，单工程工业矿体最大厚度693.14 m，矿体主要赋存在中太古界黄土窑岩组第三岩段的浅粒岩中，钼矿体的中心部位品位较高，而靠近边缘品位下降，形成矿体边部的环状低品位矿石(图2)。矿区估算钼矿资源储量(122b)+(333) 矿石量13.02×108t，金属量1.33×106t，平均品位w(Mo)=0.102%；其中(122b)矿石量7.94×108t，金属量0.82×106t，平均品位w(Mo)=0.103%，占总资源储量的62%。矿体形态比较简单，产状较平缓，埋藏浅，向四周中等倾斜，倾角一般为20°～45°，北西侧较缓，南东侧较陡。矿体边部的低品位矿石和夹石增多，矿体多有分支，矿体迅速变薄并尖灭。

从图2可以看出，钼矿体主要产于花岗斑岩顶部的围岩中，但有部分矿体穿入斑岩体内，矿区中的多斑花岗斑岩、少斑花岗斑岩、花岗斑岩脉及爆破角砾岩中均有矿化。围岩热液蚀变研究结果表明[23]，由花岗斑岩顶部向上，出现了明显的热液蚀变环状分带现象，依次为钾长石化带、硅化-白云母化带、硅化-黑云母化带、绢云母-绿泥石化带。其中，钾长石化带主要产于岩体顶部及接触带附近，钼矿化主要在硅化带中发育，而绢云母-绿泥石化带主要产于钼矿体的外围围岩中。

钼矿体空间上受花岗斑岩的控制、围岩蚀变分带与岩体、矿体的关系均表明花岗斑岩与钼矿化的成因联系，证明早白垩世花岗斑岩是曹四夭钼矿床的成矿岩体。2种花岗斑岩中均具有非常发育的构造裂隙，表明岩体固结后受到了强烈的构造应力破坏，使2种花岗斑岩及其围岩(中太古界变质岩)普遍出现裂隙，成为热液蚀变矿化的有利空间，成矿元素在裂隙中富集沉淀，形成金属矿化。

2 花岗斑岩岩石学特征

(1)多斑花岗斑岩。灰白色，斑状结构，基质微粒结构，块状构造。斑晶为钾长石、斜长石和石英。钾长石(多为正长石)粒径2～15 mm，半自形板状，约占20%；斜长石粒径1～2 mm，半自形板状，强绢云母化，污浊状，约占10%；石英粒径1～5 mm，半自形粒状，局部熔蚀呈港湾状，约占15%。基质主要呈显微粒状，由长英质构成，具强绢云母化蚀变；黄铁矿呈微粒状星散-浸染状分布在基质中。岩石中网状裂隙发育，裂隙内充填有石英脉、含黄铁矿辉钼矿石英脉，脉宽1～5 mm，相互交错。沿裂隙两侧围岩具绢云母化、硅化，远离裂隙则蚀变逐渐减弱。岩石中不透明矿物主要为磁铁矿和钛铁矿，其中磁铁矿约占不透明矿物的60%。

(2)少斑花岗斑岩。浅肉红色-浅黄灰色，斑状结构，基质微粒状-霏细状结构，块状构造。主要矿物含量，斑晶为石英(5%)、斜长石少量，基质为微粒状长英质50%、霏细状长英质35%、次生矿物绢云母10%。斑晶中，石英0.3～2 mm熔蚀港湾状、熔蚀半自形晶，斜长石0.5～1 mm半自形板状，绢云母化。基质由微粒状、霏细状长英质构成，多具绢云母化蚀变。岩石中网状裂隙发育，裂隙内充填有石英脉、含黄铁矿辉钼矿石英脉，脉宽1～4.5 mm，相互交错，辉钼矿已全部氧化成钼华。岩石中不透明矿物主要为磁铁矿(0.5%)及钛铁矿(0.2%)，磁铁矿占不透明矿物的71%。

2种花岗斑岩从岩性、矿物成分、结构构造等都很相似，表明它们来自相同的岩浆房，具有类似的结晶成岩环境。二者的区别在于，少斑花岗斑岩的斑晶数量较少，粒度更小一些，反映出岩石结晶环境的细微差别。

3 花岗斑岩岩石地球化学特征

3.1 花岗斑岩主量元素特征

曹四夭钼矿区花岗斑岩主量元素组成见表1。

(1)多斑花岗斑岩。w(SiO2)= 71.83%，与中国东部花岗岩类平均值(71.87%)相当，略高于全国花岗岩类SiO2平均值(71.63%)；w(Al2O3)= 14.18%，过铝指数A/CNK=1.94，属过铝质岩石；w(K2O)=5.8%，高于中国花岗岩K2O平均值(4.09%)；全碱含量ALK=6.32%，w(K2O)/w(Na2O)=11.15，具有显著的富钾贫钠特征；里特曼指数σ=1.38，在图3中投影到钙碱性岩区(CA)；分异指数DI=86.16%，表明经历了较高程度的分异演化作用；固结指数SI=3.92%；氧化指数Fe2O3/(Fe2O3+ FeO)=0.97，显示其侵位深度<3 km；岩石中Mg和Ca的含量很低(w(CaO)=0.095%，w(MgO)=0.4%)。

图3 花岗岩类碱性程度判别图解Fig.3 Discriminant diagram of alkalinity of granitesA.碱性；La.偏碱性；CA.钙碱性

(2)少斑花岗斑岩。w(SiO2)=76.35%，酸性程度明显高于多斑花岗斑岩；w(Al2O3)=12.87%，过铝指数A/CNK=1.95，属过铝质岩石；w(K2O)=5.44%，高于中国花岗岩K2O平均值(4.03%～4.76%)；全碱含量ALK=5.78%，w(K2O)/w(Na2O)=16.00，里特曼指数σ=1.00，在图3中投影到钙碱性岩区(CA)，属富钾贫钠的钙碱性系列岩石；分异指数DI=89.52%，反映其经历了较高程度的分异演化作用；固结指数SI=2.47%；氧化指数Fe2O3/(Fe2O3+FeO)=0.80，显示了岩体的浅成特点，侵位深度<3 km；Mg和Ca的含量均很低，w(CaO)仅为0.08%，w(MgO)=0.2%。

对比2种花岗斑岩的主量元素组成可以看出，少斑花岗斑岩的SiO2含量比多斑花岗斑岩明显增高，表现出岩石向超酸性演化的趋势；其他的常量元素略有下降，岩化指数也较为接近，均为钙碱性岩，岩体的侵位深度基本一致，应为同期不同次(阶段)侵入的浅成斑岩体。

3.2 花岗斑岩微量元素特征

曹四夭钼矿区花岗斑岩的微量元素组成见表2，微量元素原始地幔蛛网图见图4。

(1)多斑花岗斑岩。岩石微量元素中富含亲石元素Li，Be，Rb，Sr，Ba，Nb，亲硫元素As，Sn，Sb，Cd和亲铁元素Mo等。其中，成矿元素Mo富集，Mo的浓度克拉克值为5，Mo的指示元素As也富集，其浓度克拉克值为1.8，其余元素则低于泰勒值。与原始地幔值相比较，元素Mo，Sb，Sn，Rb，Ba的质量分数是原始地幔的100～700倍，元素Zn，As，Se，Li，Cs，Be，Nb，Zr的质量分数是原始地幔的10～100倍，元素Co，Cr，Ni的质量分数则远远低于原始地幔值。

(2)少斑花岗斑岩。岩石微量元素中富含亲石元素Rb，Li，Be，Nb，Zr，亲硫元素As，Sn，In，Cd和亲铁元素Mo。其中，成矿元素Mo的含量远远超过量的单位：wB/10-6。

表1 曹四夭钼矿区花岗斑岩主量元素组成及主要参数Table 1 The main chemical composition and parameters of Caosiyao granitic porphyry

表2 曹四夭钼矿区花岗斑岩微量元素组成Table 2 Trace element composition of Caosiyao granitic porphyry

图4 曹四夭花岗斑岩微量元素蛛网图Fig.4 Spider diagram of trace element of Caosiyao granitic porphyry

地壳丰度值，其浓度克拉克值为20，与Mo相关的指示性元素As含量也较高，其泰勒浓度克拉克值为2.22。其余元素含量则均低于泰勒值。与元素原始地幔值相比较，Mo，Rb，Sb，Sn，Cs比较富集，是原始地幔的100～700倍；Ba，As，Be，Nb，Zr，In，Li，Cd略高于原始地幔值，是原始地幔值的10～100倍，其中成矿元素Mo明显高于地幔值。

2种花岗斑岩的微量元素组成比较接近，大部分元素的含量都处在同一个量级范围，在微量元素蛛网图中呈比较一致的曲线形态。2种斑岩中的Mo均呈富集状态，体现了花岗斑岩与钼矿成矿的内在联系。

3.3 花岗斑岩稀土元素特征

曹四夭钼矿区花岗斑岩稀土元素组成见表3，稀土元素球粒陨石模式图见图5。

(1)多斑花岗斑岩。稀土总量ΣREE=231.079×10-6，略低于赫尔曼世界花岗岩稀土平均值(250×10-6)；ΣCe/ΣY=12.95，轻重稀土分馏明显，属显著的轻稀土富集型；La/Sm=7.482，Sm/Nd=0.175；球粒陨石标准化曲线为右倾，δ(Eu)=0.673，有铕的负异常显示。

(2)少斑花岗斑岩。稀土总量ΣREE=122.388×10-6，明显低于赫尔曼世界花岗岩稀土均值；ΣCe/ΣY=7.033，轻重稀土分馏明显，属轻稀土富集型；La/Sm=5.26，Sm/Nd=0.225；球粒陨石标准化曲线呈右倾，δ(Eu)=0.224，有显著的负铕异常。与多斑花岗岩稀土曲线相比，少斑花岗斑岩的稀土元素总量较低，负铕异常更为显著，重稀土相对富集，说明其分异程度更高，显示花岗质岩浆进一步演化的特点。

表3 曹四夭花岗斑岩的稀土元素组成及主要参数Table 3 REE composition and parameters of Caosiyao granitic porphyry

图5 曹四夭花岗斑岩球粒陨石模式图Fig.5 Chondrite-normalized pattern of Caosiyao granitic porphyry

量的单位：wB/10-6。测试单位：核工业北京地质研究院分析测试研究所。球粒陨石标准化根据Herrmann (1971)的22个球粒陨石平均值。

4 花岗斑岩U-Pb同位素年龄测定

为了解曹四夭钼矿区花岗斑岩的形成时代，对矿区的2种花岗斑岩分别采样，挑选锆石样品进行单颗粒锆石U-Pb法测年，测试单位为中科院地科所同位素室。样品分析结果见表4，U-Pb谐和图见图6。

根据12粒多斑花岗斑岩锆石样品测定的结果计算，206Pb/238U的加权平均年龄为(131±7) Ma；将其结果投在谐和图(图6a)上，其谐和年龄为(132.3±3.4) Ma。

根据7粒少斑花岗斑岩锆石样品测定的结果计算，206Pb/238U加权平均年龄为(133.5±7.4) Ma，将其结果投在谐和图(图6b)上，其谐和年龄为(137±12) Ma。

从测试结果来看，2种花岗斑岩的单颗锆石U-Pb年龄分布都处于相同的时限范围内，说明2种花岗斑岩的形成时间非常接近。据野外实地观察，少斑花岗斑岩(脉)侵入到多斑花岗斑岩之中，说明少斑花岗岩的形成略晚于多斑花岗岩，这一接触关系是确定2种花岗斑岩形成先后次序的基础性证据，而单颗锆石U-Pb年龄数据的相似性证明它们都是早白垩世侵入的花岗斑岩，二者有基本相同的形成环境和相似的成岩空间。至于2种花岗斑岩出现同位素年龄值相近并略呈倒置的现象，有待于进一步的研究作出合理的解释。

5 讨论

5.1 花岗斑岩的形成环境

将曹四夭钼矿区2种花岗斑岩的数据投于(Y+Rb)—Rb判别图解(图7)中，数据均位于同碰撞花岗岩区域，但同时也进入了Pearce(1996)划分的后碰撞花岗岩的范围；在SiO2—Al2O3变异图解(图8)中，样品点则落入后造山花岗岩(POG)区域，但由于数据点较少，数据点均落于分界的上方，属于与碰撞作用有关的花岗岩类。据此判断，花岗斑岩形成于碰撞期之后的板内环境，其构造背景是在碰撞之后的地壳减薄伸展期，这与矿区花岗斑岩高钾钙碱性的特点是一致的[26]。

曹四夭钼矿区位于大同—尚义NE向断裂带与商都—蔚县NW向断裂带的交汇部位，NE向的构造-岩浆活动带作为华北地台北缘集宁地体与桑干地体的拼贴带，具有长期活动的历史，燕山期区域NE向断裂的强烈活动，派生出NW向断裂，共扼控制了花岗斑岩岩群的上侵和定位。矿区地表出露的花岗斑岩规模不大且分布零星，但其出露范围与钼矿体的范围大体一致，磁法测量结果显示，矿区中部出现的低值负磁异常区与钼矿体、围岩蚀变的投影范围一致，推断为深部中酸性岩体(成矿岩体)所引起[27]。这一推断亦被钻探工程所证实(图2)。

表4 曹四夭多斑花岗斑岩岩锆石U-Pb年龄测试结果表Table 4 Zircon U-Pb age dating data of Caosiyao granitic porphyry

注：误差值为1б。测试单位：中科院地科所同位素室

图6 曹四夭钼矿区花岗斑岩锆石U-Pb谐和图Fig.6 Concordia of Zircon U-Pb age dating data of Caosiyao granitic porphyrya.多斑花岗斑岩；b.少斑花岗斑岩

图7 不同类型花岗岩的Rb—(Y+Rb)图解Fig.7 Rb vs (Y+Rb) diagram of various granites(据Pearce，1996)

图8 SiO2—Al2O3变异图解Fig.8 SiO2-Al2O3 vriation diagramLA+LAG+CCG. 岛弧花岗岩+大陆岛弧花岗岩+大陆碰撞花岗岩；POG. 后造山花岗岩；RRG+CEUG. 与裂谷有关的花岗岩+与造陆抬升有关的花岗岩

5.2 花岗斑岩的成因

图9 S型与I型花岗岩判别图解Fig.9 Discriminant diagram of S, I type graniteS.S型花岗岩；I.I型花岗岩

图10 同熔型与改造型花岗岩判别图解Fig.10 Discriminant diagram of syntactic granite and reworked granite

曹四夭钼矿区2种花岗斑岩w(SiO2)=71.83%～76.35%，A/CNK比值均>1.05，岩体以小岩株状产出，侵入于中太古界变质岩中；岩石中副矿物以磁铁矿为主，属于磁铁矿型花岗岩，表明花岗斑岩形成于高氧逸度环境和深源的特点；在花岗岩类成因类型ACF图解(图9)中，2种花岗斑岩均落在S型与I型花岗岩过渡带附近，由于岩石中CaO含量较低，使投点向S型花岗岩区偏移，岩石兼具S型与I型的特征；在同熔型与改造型花岗岩判别图解(图10)中，2种花岗斑岩均投在同熔型花岗岩区域中，反映出其源岩的壳源特点。

6 结语

曹四夭钼矿区的2种花岗斑岩为同源、同期、不同阶段(次)的浅成侵入岩。二者在岩石学和岩石地球化学方面既能反映出许多相同或相似的特征，也可觅得某些时空演化上的痕迹。岩体的U-Pb同位素年龄极为接近((133.5±7.4)～(131±7) Ma)，没有显著的时间间隔；而钼的成矿发生于(131.9±2.3)～(128.6±2.4) Ma[21]。岩体形成和钼成矿两个地质事件为连续发生，也印证了花岗斑岩与成矿的成因联系。因此，矿区的2种花岗斑岩是同阶段侵入的“孪生型”岩体，均作为斑岩钼矿的成矿岩体。这一认识有助于人们从整体上认识早白垩世构造-岩浆-成矿作用的过程，也有利于今后区域钼多金属矿的找矿预测。

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Geological-geochemical characteristics and U-Pb isotopic dating of Caosiyao Mo-granitic porphyry body in Xinghe County,Ulanqab Banner of Inner Mongolia

LI Xiangzi, QUAN Zhixin, FU Hengyi, AN Jingwen, YANG Weikun

(No. 2Geo-explorationInstitute,HenanProvincialBureauofGeo-explorationandMineralDevelopment,Zhengzhou461000,China)

The super-large Mo deposit-hosted granitic porphyry body is the stronger acidic granite occurring in mini stock with less porphyritic crystals. It is rich in Rb，Li，Be，Nb，Zr and Mo. Its Mo content is as 20 times as clarke value.∑REE is low (122.388×10-6) belonging to LREE enrichment type with Eu depletion. The weighted U-Pb isotopic average age is 133.5±7.4 Ma corresponding to Early Cretaceous epoch. Rock-forming age of the granitic porphyry represents the ore-forming age. The intrusion occurred under intra-plate orogenic background during Late Yanshanian Period. It is a transitional type of S and I-type granite. The material source of magma is derived above the upper mantle and intrudes up along huge fault as syntactic granitic porphyry.

Caosiyao Mo deposit; the ore-hosted rock body; granitic porphyry; petrogeochemistry; U-Pb isotopic dating; the ore-forming age; Inner Mongolia

2015-11-12； 责任编辑： 余和勇

李香资(1973—)，男，高级工程师，从事地质矿产勘查及研究工作。地址：郑州市郑东新区郑开大道康庄路地矿大厦地勘二院811室；邮政编码：450000

10.6053/j.issn.1001—1412. 2016. 03. 002

P613；P597

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