辽宁树基沟铜锌矿床黑云斜长角闪片麻岩锆石U-Pb年龄、Hf同位素组成及其地质意义

张 朋，寇林林，赵 岩，毕中伟

中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳 110034

0 引言

火山成因块状硫化物矿床(VMS)因其规模大、金属含量高等特点备受国内外学者重视。辽宁省抚顺市清源地区是我国重要的太古宙块状硫化物矿床分布区，该地区分布有著名的红透山铜锌矿床、树基沟铜锌矿床、稗子沟铜锌矿床等[1]。长期以来，众多地质学者在该地区开展了大量成岩成矿年代学研究。伍勤生[2]利用Rb-Sr法和K-Ar法对红透山和树基沟地区伟晶岩、变质岩进行年代学研究，在该地区确定了4期区域变质事件和成矿作用。王松山等[3]对榆树底组斜长角闪岩进行Ar-Ar法定年，获得角闪石坪年龄29.9 Ga，从而确定该地区铜锌矿初始成矿年龄可能在30.0 Ga或更早。李俊建等[4]运用全岩Sm-Nd法获得表壳岩中太古代的成岩年龄，该方法测得的成岩时代与张秋生[5]采用Rb-Sr法获得的成岩时代一致。近些年，随着微区测年技术的进步，有关该成矿区成岩成矿年龄逐步更新。万渝生等[6]利用SHRIMP U-Pb定年技术获得小莱河地区和汤图角山变粒岩年龄分别为(2 515±6)和(2 510±7)Ma。钱烨等[7]对红透山地区黑云斜长片麻岩锆石进行LA-ICP-MS U-Pb定年，获得上交点年龄为(2 550±7) Ma，认为红透山铜锌矿成矿时代为2 552 Ma，在2 520 Ma发生大规模的变质变形。张增杰等[8]获得红透山铜锌矿赋矿围岩黑云斜长角闪岩锆石U-Pb年龄为2 500 Ma，认为此年龄代表红透山铜锌矿初始的成矿时代。树基沟铜锌矿床作为清源地区另一处重要的VMS铜锌矿，其研究程度较浅，只有少量学者对其进行过研究[9-10]，而其成岩成矿时代和赋矿围岩原岩性质以及来源等方面还有待进行系统研究。 笔者拟开展含矿围岩黑云斜长角闪片麻岩年代学、地球化学和Hf同位素研究，以确定成岩成矿时代、围岩性质及来源，旨在进一步提升该地区VMS型铜锌矿研究程度，为区域成矿规律总结和成矿理论研究提供依据。

1 区域成矿地质背景

树基沟铜锌矿床大地构造位置位于华北地台北缘东段太古宙花岗-绿岩带[11-12]。该太古宙花岗-绿岩带主要发育清源群，其由斜长角闪岩、变粒岩、浅粒岩和片麻岩和部分磁铁石英岩组成。

红透山—树基沟成矿带出露的地层主要为红透山组，进一步分为大荒沟段、红透山段和树基沟段。岩石自下而上划为11个层，即：鸡冠砬子层、羊望鼻子层、斜井层、樟木芽沟层、奶牛厂层、火药库层、下角闪层、薄层互层带、含矿岩层、大荒沟含矿层和上角闪层。矿区岩浆岩主要为花岗闪长岩和英云闪长岩，并伴有钾长花岗岩；区内褶皱、断裂构造发育(图1)。

1.绿岩建造；2.英云闪长岩；3.钾长花岗岩；4.英云闪长岩-花岗闪长岩；5.断裂；6.VMS矿床。据文献[1]修编。图1 树基沟铜锌矿床区域地质图Fig.1 Regional geological map of Shujigou copper-zinc deposit

2 矿床地质特征

树基沟铜锌矿矿区出露地层主要为清源群红透山组树基沟段。树基沟段主要岩性为矽线石黑云斜长片麻岩、黑云斜长角闪片麻岩和斜长角闪片麻岩，原岩为一套中酸性火山沉积岩系，属于钙碱性系列岩石[10]。赋矿围岩岩石片理发育，片理与岩性界线协调一致，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，褶皱两翼倾向均为SSE，倾角为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。紧闭褶皱受走向为NNW的宽缓褶皱叠加影响轴迹发生弯曲[9]。矿区地表岩浆岩少见，深部发育辉绿岩、花岗斑岩和煌斑岩等。

矿体主要赋存在黑云斜长角闪片麻岩和斜长角闪片麻岩中(图2)。树基沟矿区共发现矿(化)体7条，矿化带1条，其中前4号矿体平均品位铜为1.3%，锌为2.0%，探明锌储量5.85万t，铜储量0.95万t[13]。矿体呈层状、脉状、囊状，筒状分布，其中层状矿体最具工业意义。矿石以致密块状为主，浸染状为辅。矿石金属矿物主要有黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿(图3)，蓝铜矿和孔雀石次之，非金属矿主要有石英、黑云母、绿泥石、方解石等。矿石具有共生边结构(图3a)、 固溶体分离结构(图3b)、间隙交代结构(图3c)和裂隙充填结构(图3d)。矿物围岩蚀变发育，蚀变类型有硅化、绿泥石化、绢云母化、碳酸盐化等。

3 实验样品及分析方法

岩石地球化学和定年样品黑云斜长角闪片麻岩均采自树基沟开采的平巷中，并对所采的样品进行了主量元素、微量元素、稀土元素和定年分析。岩石主、微量元素、硫同位素测试均在核工业北京地质研究院分析测试中心完成，主量元素测试仪器为飞利浦PW2404 X射线荧光光谱仪，分析精度优于5%。微量元素 利用HR-ICPMS( ElementⅠ) 电感耦合等离子体质谱仪测试，分析精度: 元素质量分数≥10×10-6时，精度优于5%; 元素质量分数<10×10-6时，精度优于10%。

本文锆石U-Pb定年样品采用常规方法进行粉碎，经过淘洗、磁选和重液分离，在双目镜下选出晶型和透明度好的单颗粒锆石，并进行锆石制靶和阴极发光图像分析。锆石U-Pb年代学分析测试工作在中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞与高原隆升重点实验室激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)上完成。LA-ICP-MS激光剥蚀系统为美国NewWave 公司生产的UP193 FX型193 nm ArF 准分子系统，激光器来自于德国ATL公司，ICP-MS为Agilent 7500a。激光器波长为193 nm，脉冲宽度<4 ns，束斑直径35 μm。激光剥蚀采样过程以氦气作为载体。采用Plesovice(年龄为(337.00±0.37)Ma)和SL标准锆石(TIMS获得谐和年龄为(572.2±0.4)Ma)作为外标进行基体校正；成分标样采用NIST SRM 612，其中29Si 作为内标元素。样品的同位素比值及元素质量分数计算采用GLITTER-ver 4.0 (Macquarie University)程序， U-Pb谐和图、年龄分布频率图绘制和年龄权重平均计算采用Isoplot/Ex_ver 3程序完成。

1.混合花岗岩；2. 黑云斜长角闪片麻岩；3.矽线石黑云斜长片麻岩；4.斜长角闪片麻岩；5.矿体。据文献[9]修编。图2 树基沟矿区地质略图Fig.2 Simplified geological map of Shujigou deposit

a.黄铜矿与磁黄铁矿共生；b.闪锌矿与黄铜矿固溶体分离结构以及闪锌矿、黄铜矿、磁黄铁矿两两共生边结构；c.黄铜矿沿磁黄铁矿颗粒间隙交代；d.黄铜矿沿黄铁矿裂隙充填。Ccp.黄铜矿；Po.磁黄铁矿；Sp.闪锌矿；Py.黄铁矿。图3 树基沟铜锌矿床矿石组构照片Fig.3 Pictures of teztures of ores of Shijigou copper-zinc deposit

锆石完成U-Pb定年后，在原位用LA-ICP-MS进行Lu-Hf同位素测定。测试工作在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室进行，实验过程中采用He作为剥蚀物质载体，剥蚀直径为55 μm，测定时使用锆石国际标样MT作为参考物质，分析点与锆石U-Pb定年分析点相同。分析过程中锆石标准MT的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.282 008±0.000 025(2δ，n=24)，具体方法见文献[14]。

4 实验结果

4.1 主量元素

树基沟铜锌矿床赋矿围岩黑云斜长角闪片麻岩主量元素测试结果见表1。其中黑云斜长角闪片麻岩SiO2质量分数为50.89%～53.27%，(Na2O+K2O)质量分数为2.18%～2.63%，MgO质量分数为6.46%～7.70%，Al2O3质量分数为16.18%～16.44%。在Harker图解(图4)中，w(Al2O3)与w(SiO2)相关关系不明显，w(MgO)、w(TFeO)与w(SiO2)呈明显的负相关关系， TFeO/MgO与w(SiO2)大体上呈正相关关系。与典型的钙碱性火山岩分异演化趋势相符[10]。可能是原始岩浆结晶分异过程中斜长石和镁铁质矿物晶出所致。在AFM图解(图5)中，4件样品均落入拉斑玄武岩系列，具有拉斑玄武岩的特点。

表1 树基沟矿区黑云斜长角闪片麻岩地球化学分析结果

注:主量元素质量分数单位为%；微量、稀土元素质量分数单位为10-6。

w(TFe2O3)=w(FeO)/ 0.764 8；w(TFeO)=0.899 8 w(TFe2O3)。图4 树基沟铜锌矿床黑云斜长角闪片麻岩Harker 图解Fig.4 Harker diagrams of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

底图据文献[15]。图5 树基沟铜锌矿床黑云斜长角闪片麻岩AFM图解Fig.5 AFM diagram of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

4.2稀土、微量元素

树基沟铜锌矿赋矿围岩黑云斜长角闪片麻岩稀土、微量元素测试结果见表1。黑云斜长角闪片麻岩稀土总量w(∑REE)为31.37×10-6～37.87×10-6，平均值为34.27×10-6，w(LREE)为27.90×10-6～34.00×10-6，w(HREE)为3.47×10-6～4.08×10-6。在稀土元素配分曲线图(图6a)中，表现为轻稀土富集、重稀土相对亏损的形式，弱正铕异常，表明在岩浆部分熔融过程中源区存在斜长石残留或者斜长石在岩浆演化过程中从岩浆分离结晶出来。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6b)中，表现出与钙碱性岛弧玄武岩相似的富集K、Rb、Th，亏损Zr、Ti的特点；同时也表现出岛弧火山岩即富集大离子亲石元素(LILE)和亏损高场强元素特点。

4.3 锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄

锆石CL图像(图7a)显示，锆石呈长柱状、卵状，具有明显的核幔边结构，核部具有明显的环带结构，显示岩浆锆石的特征，幔部围绕核部生长，显示明显的暗色，锆石粒径为100～120 μm(图7a)。测试共分析24颗锆石，分析结果如表2。24颗锆石核部的加权平均年龄为(2 549.4±5.6)Ma(图7b，c)。由于幔部小于锆石测定仪器的最小束斑，无法获取有效年龄，因此本次获得的(2 549.4±5.6)Ma年龄为其原岩结晶年龄。

球粒陨石和原始地幔数据据文献[16-17]。图6 树基沟铜锌矿床赋矿围岩球粒陨石标准化稀土配分曲线图(a)和原始地幔标准化微量蛛网图(b)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive - mantle normalized spider diagram of trace element(b) of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

图7 树基沟铜锌矿床黑云斜长角闪片麻岩典型锆石阴极发光图像(a)、锆石U-Pb年龄谐和图(b)和加权平均年龄(c)Fig.7 Cathodoluminescence images of zircons (a), zircons U-Pb concordia (b) and weighted average age (c) of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

样品号wB/10-6同位素比值年龄/MaPbU206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σSJG143810.479 2 0.002 6 11.188 5 0.060 3 0.169 3 0.000 8 2 524 142 539 142 551 8SJG247900.479 3 0.002 4 11.132 3 0.056 7 0.168 5 0.000 8 2 524 132 534 132 542 8SJG3591110.483 4 0.002 6 11.155 6 0.060 5 0.167 4 0.000 8 2 542 142 536 142 531 8SJG4871600.478 1 0.002 6 11.329 3 0.060 9 0.171 9 0.000 8 2 519 142 551 142 576 8SJG530570.479 9 0.002 6 11.270 4 0.062 0 0.170 3 0.000 9 2 527 132 546 142 561 8SJG645830.479 8 0.003 0 11.342 3 0.068 9 0.171 4 0.000 8 2 527 162 552 162 572 8SJG742780.483 4 0.002 5 11.283 8 0.058 8 0.169 3 0.000 8 2 542 132 547 132 551 8SJG852950.481 5 0.002 7 11.340 6 0.065 0 0.170 8 0.000 8 2 534 142 552 152 566 8SJG933600.480 3 0.004 7 11.305 8 0.101 5 0.170 7 0.000 9 2 529 252 549 232 565 9SJG1029560.479 3 0.002 8 11.194 2 0.069 8 0.169 4 0.000 8 2 524 152 539 162 551 8SJG1152950.479 9 0.002 8 11.190 5 0.066 0 0.169 1 0.000 8 2 527 152 539 152 549 8SJG1240720.482 4 0.003 1 11.330 1 0.072 9 0.170 4 0.000 9 2 538 172 551 162 561 9SJG13771440.479 9 0.002 7 11.126 1 0.064 1 0.168 1 0.000 8 2 527 142 534 152 539 8SJG14581140.481 6 0.002 5 11.197 9 0.058 1 0.168 6 0.000 8 2 534 132 540 132 544 8SJG15601100.487 0 0.002 5 11.198 8 0.059 1 0.166 8 0.000 8 2 558 132 540 132 526 8SJG1637710.480 1 0.002 5 11.179 2 0.080 1 0.168 9 0.001 1 2 528 132 538 182 546 11SJG1743780.483 4 0.002 6 11.227 6 0.066 8 0.168 4 0.000 8 2 542 142 542 152 542 8SJG1825470.485 1 0.002 7 11.333 0 0.115 7 0.169 4 0.001 8 2 549 142 551 262 552 18SJG1930550.487 7 0.002 5 11.264 7 0.063 4 0.167 5 0.000 9 2 561 132 545 142 533 9SJG20631150.482 3 0.002 7 11.210 6 0.067 7 0.168 6 0.000 8 2 537 142 541 152 544 8SJG2128530.480 2 0.002 6 11.253 1 0.065 2 0.170 0 0.000 9 2 528 142 544 152 557 9SJG2229540.483 3 0.002 7 11.184 4 0.074 7 0.167 8 0.001 0 2 542 142 539 172 536 10SJG2337690.481 7 0.002 4 11.158 1 0.057 9 0.168 0 0.000 8 2 534 132 536 132 538 8SJG2419350.483 4 0.002 7 11.300 1 0.077 8 0.169 5 0.001 2 2 542 142 548 182 553 12

4.4 锆石Hf同位素

树基沟铜锌矿床黑云斜长角闪片麻岩24个测点测定结果见表3，所选测试点均在已经做过定年的锆石颗粒之上(图7a)。树基沟黑云斜长角闪片麻岩176Yb/177Hf值变化范围为0.011 542～0.130 496，计算εHf(t)值范围为5.0～8.7，TDM1值变化范围为2 527～2 649 Ma。基本每颗测试的锆石TDM1都大于锆石形成年龄，在Hf同位素演化线(图8)中，样品点多数落在亏损地幔和球粒陨石演化线之间，少数落在亏损地幔演化线之上。

5 讨论

5.1 原岩性质

本次通过岩石地球化学分析对树基沟铜锌矿床赋矿围岩原岩性质进行了研究(图9)。西蒙(al+fm)-(c+alk)-Si变质岩原岩恢复图解具有既考虑了al、fm、c和alk在不同变质岩变化，又考虑Si值的变化，适用范围广、误差相对小的优点，因此本次采用西蒙图解对赋矿围岩进行原岩恢复。在(al+fm)-(c+alk)-Si原岩恢复图解中，黑云斜长角闪片麻岩样品均落入火山岩区域(图9)，说明树基沟赋矿围岩原岩为一套火山沉积岩系。树基沟矿区的4件样品w(SiO2)为50.89%～53.27%，w(Na2O+K2O)为2.18%～2.63%，属于亚碱性系列；在Th-Hf/3-Nb/16判别图(图10)中，4个样品均落入岛弧玄武岩区域内，因此，认为这套火山沉积岩系形成于岛弧环境。在原始地幔蛛网图(图6b)中，样品呈现相对富集大离子亲石元素和亏损高场强元素的特点，导致大离子亲石元素富集可能是俯冲流体影响所致，而高场强元素亏损可能为高场强元素保留在俯冲板片的残留矿物中[22]。稀土元素配分图(图6a)中呈现轻稀土富集、重稀土亏损的特点，具有岛弧玄武岩的特征。结合Th-Hf/3-Nb/16判别图，二者共同验证赋矿围岩形成于岛弧环境。

表3 树基沟铜锌矿床黑云斜长角闪片麻岩的锆石Hf同位素定年结果

底图据文献[18-19]。图8 树基沟铜锌矿床黑云斜长角闪片麻岩锆石εHf(t) -年龄图Fig.8 εHf(t)-age plot zircons diagram of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

底图据文献[20]。图9 树基沟铜锌矿床赋矿围岩(al+fm)-(c+alk)-Si 图Fig.9 (al+fm))-( c+alk)-Si diagram of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

底图据文献[21]。图10 树基沟铜锌矿床黑云斜长角闪片麻岩Hf/3-Th-Nb/16判别图Fig.10 Hf/3-Th-Nb/16 diagram of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

5.2 原岩物质来源

树基沟黑云斜长角闪片麻岩原岩为玄武质火山岩，对于地幔来源的玄武质岩石，如果Hf模式年龄与其形成年龄相近，表明其来源于亏损地幔；如果Hf模式年龄大于其形成年龄，则表明其岩浆源区受到地壳物质的混染或来自于富集地幔[18, 23]。

黑云斜长角闪片麻岩锆石Hf同位素测试结果显示εHf(t)值为5.0～8.7，指示其源区主要为亏损地幔物质，单阶段模式年龄TDM1除3个点之外均大于锆石的形成年龄(2 549 Ma)，表明岩浆源区受到地壳的混染作用，黑云斜长角闪片麻岩轻稀土元素富集的特征同样证明地壳混染的存在。如果锆石εHf(t) 值大于亏损地幔εHf(t)值乘以0.75，表示其具有最大εHf(t)值；具有最大εHf(t)值，并且Hf的模式年龄与锆石形成年龄相近，则说明存在地壳增生事件[24]。在Hf同位素演化图中，虚线为0.75倍亏损地幔εHf(t)值，在该演化线之上说明具有最大εHf(t)值。从图8中可以看出，黑云斜长角闪片麻岩有众多点位于演化线之上，其中SJG-16(207Pb/206Pb=2 546 Ma,TDM1=2 553 Ma)模式年龄与锆石形成年龄相近，表明树基沟地区可能存在新太古代地壳增生事件。

5.3 成岩、成矿时代

树基沟铜锌矿床为与火山岩有关的诺兰达型块状硫化物矿床(VMS)[5, 9-10, 24]。该类矿床成矿特点为成岩与成矿作用近于同时发生，形成于火山喷发间歇期。因此，可以通过测定赋矿围岩黑云斜长角闪片麻岩的原岩年龄来限定其成矿年龄。本次获得黑云斜长角闪片麻岩原岩结晶年龄为(2 549.4±5.6)Ma，代表树基沟铜锌矿成矿年龄。矿相学研究表明，树基沟铜锌矿床存在变质变形特征，张雅静等[9]获得树基沟黑云斜长片麻岩幔部锆石U-Pb年龄为2 517～2 529 Ma，此年龄应代表一期变质变形作用时间，并且这期变质变形作用时间下限为2 517 Ma。前人通过华北地台北部表壳岩和TTG花岗岩研究[6, 25]，认为约2 500 Ma华北地台遭受鞍山运动，该运动引起表壳岩发生广泛的变质变形，表壳岩发生麻粒岩相--角闪岩相的变质作用，同时引起同期花岗质岩石侵入。综合上述分析，树基沟铜锌矿床成矿时代为(2 549.4±5.6)Ma，并在后期鞍山运动期间发生变质变形活化迁移。

5.4 成矿构造背景

树基沟铜锌矿床赋矿围岩黑云斜长角闪片麻岩原岩为典型的火山弧岩浆作用产物。形成的构造背景大致为在俯冲带板块俯冲到地幔，在强烈的温度和压力作用下，俯冲板块发生脱水形成俯冲流体，导致地幔部分熔融形成岩浆，岩浆在海底构造薄弱地带向上运移、汇聚、喷发、固结成岩，并形成富含贱金属的岛弧火山岩[22]。同时海水在补给处向下渗透，淋滤富含贱金属的火山岩中的成矿元素，在下部热的岩浆作用下(地幔柱？)向渗透性差的部位运移富集，富集的含矿流体沿着深渗透性的断裂构造喷出地表，热的含矿流体与冷的海水作用在喷流口形成块状硫化物矿床。在鞍山运动期间，发生大规模火山活动，同时伴有同期碰撞花岗岩侵入，混合岩化和区域变质作用使最初形成的火山岩进一步变质变形形成片麻岩，同时也使块状硫化物矿床富集并发生变质变形[7, 25]。

6 结论

1)树基沟铜锌矿床赋矿围岩黑云斜长角闪片麻岩富集大离子亲石元素(LILE)、亏损高场强元素(HFSE)、轻稀土富集、重稀土亏损，原岩为一套岛弧环境的火山沉积岩系。

2)黑云斜长角闪片麻岩锆石U-Pb年龄为(2 549.4±5.6)Ma，代表其原岩的结晶年龄，大致代表了树基沟铜锌矿床最初成矿年龄，结合幔部锆石U-Pb年龄(2 517～2 529 Ma)，推测树基沟铜锌矿经受后期鞍山运动发生变质变形活化迁移。

3)树基沟黑云斜长角闪片麻岩锆石Hf同位素研究指示其源区主要为亏损地幔物质，树基沟地区可能存在新太古代地壳增生事件。

4)树基沟铜锌矿床成矿于板块俯冲环境，地幔部分熔融形成富含贱金属岩浆向上运移、汇聚、喷发、固结成岩，后经海水淋滤下渗成矿元素富集二次喷发成矿，并经后期变质变形作用的产物。