内蒙古沙章土矿区闪长玢岩成岩时代及岩浆源区探讨：锆石U-Pb年代学、岩石地球化学及Hf同位素约束

吕云鹤, 董国臣, 赵丽玮, 苏 麟, 殷国栋, 汤家辉

(中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083)

0 引 言

二连—东乌旗成矿带位于内蒙古中部，发育有大量晚古生代岩浆活动，是中亚造山带上重要的多金属成矿带。阿巴嘎旗北部是该成矿带的重要组成部分，以往的研究主要侧重于该区域的宝力高庙组地层[1-6]及花岗质侵入体[7-9]，闪长质岩浆岩很少发育因而缺乏研究。已有的年代学研究[6-9]揭示该区宝力高庙组地层及花岗质侵入体受海西期构造作用影响。笔者近期在阿巴嘎旗北部沙章土Cu-Sn矿区大比例填图中识别出隐伏的闪长玢岩，通过查阅资料发现，目前尚无相关闪长玢岩特征及其与成矿作用相关的报道。因此，本文选择该侵入体，利用岩石学、锆石U-Pb年代学、地球化学及 Hf 同位素分析研究其成岩时代、成因、演化及其与Cu-Sn成矿的关系，为区域矿产勘查与找矿提供基础地质资料。

1 区域地质背景

研究区属西伯利亚板块东南缘古生代陆壳增生区，区域地层主要由铜山组、泥鳅河组、宝力高庙组及安格尔音乌拉组组成。柴达木复背斜核部位于本区哈达特陶勒盖—高尔旗—莫若格钦—格勒敖包一线，区域断裂以北东向和北西向为主，其中北东向断裂先于北西向断裂形成，同时北东向断裂具规模较大、多期活动及右行压性断裂的特点；北西向、东西向发育张扭性断裂(图1(a))，为矿体提供赋存空间。这两个方向的断裂构造为本区重要的成矿构造。

沙章土矿区位于内蒙古阿巴嘎旗北部，北距中蒙边界约15 km。构造上位于二连—贺根山板块对接带的西北侧，柴达木复背斜北西翼上，属西伯利亚板块东南大陆边缘古生代陆缘增生带东乌旗—扎兰屯火山型被动陆缘[10]。

矿区内已完成区域地质调查、矿产普查和物化探测量及区域矿产勘查，缺乏有关岩浆作用及相关成矿研究。地层主要为石炭系—二叠系宝力高庙组火山碎屑岩、上更新统阿巴嘎组橄榄玄武岩及全新统第四系冲洪积物(图1(b))。地层北东走向，倾向为北西，倾角62°～65°。

矿区南部见断裂构造，呈北东向展布，多见后期压性裂隙。矿区内无侵入岩露头，钻孔中见闪长玢岩，侵入宝力高庙组，呈现西浅东深且逐渐变薄的趋势。由于断裂构造的破坏、侵入岩侵入以及大面积晚古生代火山-沉积地层覆盖，褶皱构造形迹模糊。

矿区内火山岩局部发育电气石/电英岩化、硅化和褐铁矿化现象，构成蚀变岩。同时，区域地质调查发现矿区内存在大量铜、铅、锌、银和锡综合矿致异常区，说明晚古生代侵入岩沿柴达木复背斜核部和断裂发育部位侵入事件为本区多金属成矿提供了基本的热源和矿液。

图1 沙章土地区区域地质简图(a)及矿区地质图(b)(底图据文献[11]修改)Fig.1 Regional geologic map (a) and geologic map of the Shazhangtu mining area (b)(base map according to reference [11])

2 样品采集及测试方法

2.1 样品信息及岩石学特征

沙章土岩体侵入该区内宝力高庙组地层，无明显露头和接触界线，通过钻孔资料推测其主要分布于矿区的北部，呈北西—南东向延伸。岩石类型较为单一，主体为闪长玢岩，受后期岩浆构造活动影响，见含黄铜矿石英脉侵入，结构不均匀，蚀变现象较发育。

本次工作从钻孔ⅡZK0301、ⅤZK0001(图1(b))中采集闪长玢岩ⅡML42、ⅡML84、ⅡML88、ⅡML89、ⅡML90共5件代表性岩心样品，进行岩石学、年代学和岩石地球化学分析。

闪长玢岩(图2(a))呈灰绿色、灰黑色，块状构造，具斑状结构，由斑晶和基质组成。斑晶主要为自形斜长石(30%)和角闪石(10%)，斜长石发育聚片双晶和环带结构(图2(b))，绢云母化较强，角闪石蚀变为红色(图2(c))，局部绿泥石化；基质为长英质矿物(52%～55%)及不透明矿物(3%～5%)，副矿物为锆石、磁铁矿等，可见细脉状含硫化物石英脉，脉两侧见浸染状黄铜矿及毒砂(图2(d))。

图2 闪长玢岩岩石手标本及镜下特征Fig.2 Rock hand-specimen and thin-section microscopic photos of the diorite porphyry(a)闪长玢岩手标本；(b)斜长石(Pl)斑晶及其环带结构(+)；(c)绢云母化的斜长石及蚀变为红色的角闪石(Hbl)(+)；(d)岩体内呈细脉状、浸染状分布的黄铜矿(Ccp)、黄铁矿(Py)及毒砂(Apy)(反射光)

2.2 分析方法

2.2.1 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb定年

LA-ICP-MS 锆石 U-Pb年龄测定所需的锆石挑选及透射光、反射光和阴极发光(CL)图像的采集工作均在河北省廊坊市欣航测绘院岩矿实验测试中心完成。先将样品破碎，再用常规重力和磁选方法进行分选获得锆石，在双目镜下挑选晶形和透明度较好的锆石颗粒，置于环氧树脂中制成锆石样靶。同时对其进行抛光处理，使其曝露一半晶面，对锆石进行透射光和反射光显微照相以及阴极发光图像分析，用以检查锆石的内部环带、裂隙、包裹体分布等情况，帮助选择适宜的定年测试点位。

LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄测定在中国地质大学(北京)地质工程与矿产资源国家重点实验室矿床地球化学微区分析室完成，详细的仪器参数和分析流程参见文献[12]。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMS Data Cal[13-14]完成，普通铅校正方法见文献[15]。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot 4.15[16]完成。测试结果见表1。

2.2.2 岩石地球化学分析测试

全岩的主量元素测定于中国地质大学(北京)科学研究院地球化学实验室完成，实验采用X射线荧光光谱法(XRF)分析，分析精度优于5%。全岩微量元素和稀土元素测试在武汉上谱分析科技有限责任公司完成，分析仪器Agilent 7700e ICP-MS，误差小于5%。

2.2.3 锆石Hf同位素测试

锆石Hf 同位素分析在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成。测试样品分析点位置与锆石测年位置基本相同，仪器为Thermo Fisher Neptune型多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)和193 nm氟化氩准分子激光器(NEWWAVE 193nm FX)，仪器运行条件、详细分析流程和数据校正方法见耿建珍等[17]。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年代学

闪长玢岩(ⅡML84)阴极发光图像(CL)(图3)显示，锆石呈自形-半自形粒状，晶形较好，单颗粒长度为100～150 μm，长宽比为1.5∶1.0～2∶1，振荡环带结构发育，属于岩浆成因的锆石[18]。锆石的Th/U比值在0.31～0.59之间,全部大于0.3，亦表明其岩浆成因的特征[19-20]。因此，锆石年龄能代表其形成年龄。

表1 沙章土闪长玢岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb测年分析结果

图3 沙章土矿区闪长玢岩样品锆石阴极发光(CL)图像及年龄Fig.3 Zircon CL images and ages of diorite porphyrite sample in Shazhangtu mining area

图4 沙章土矿区闪长玢岩锆石U-Pb谐和图(a)和 206Pb/238U加权平均年龄图(b)Fig.4 Zircon U-Pb concordia (a) and 206Pb/238U weighted average age diagrams (b) of the diorite porphyrite in Shazhangtu mining area

在谐和年龄图(图4(a))中，20个测年数据点都投影在谐和线及其附近，说明样品自形成以来其U-Pb同位素体系保持相对封闭，锆石中没有发生Pb丢失或较少有Pb丢失。样品ⅡML84的206Pb/238U 谐和年龄为(311.1±1.7) Ma(图4(a))、加权平均年龄为(312.4±1.6) Ma(图4(b))，代表了沙章土矿区闪长玢岩的结晶年龄，属于海西期晚石炭世岩浆活动的产物。

3.2 岩石地球化学特征

3.2.1 主量元素

5件闪长玢岩全岩样品的主量元素分析结果如表2所示。样品的SiO2含量变化范围为56.19%～60.45%，平均为57.27%；Al2O3为16.64%～17.31%，平均16.92%；CaO为2.52%～5.26%，平均4.43%；Na2O为2.29%～2.85%，平均2.63%；K2O为1.94%～3.01%，平均2.57%；K2O+Na2O为4.81%～5.87%，平均5.34%；K2O/Na2O为0.71～1.32，里特曼指数(σ)为1.55～2.31， A/NK为2.18～2.57， A/CNK为1.00～1.43，显示为钙碱性系列岩石。TFe2O3为8.37%～9.46%，平均9.08%；MgO为1.92%～3.58%，平均3.15%；MnO为0.06%～0.15%，平均0.12%；P2O5为0.26%～0.31%，平均0.29%；TiO2为0.87%～1.03%，平均0.98%。可见Al、Fe、Mg、Ca等氧化物含量较高，而P、Ti等氧化物含量较低，显示出贫P贫Ti的特征。

在侵入岩TAS图解中，样品数据投点均落在闪长岩区域(图5(a))，在K2O-Na2O图解(图5(b))中落于钾质区域，在SiO2-K2O图解(图5(c))中均落到高钾钙碱性岩石系列范围内，在A/CNK-A/NK图解(图5(d))中落入过铝质区；因此，沙章土闪长玢岩为高钾钙碱性、过铝质岩石。

3.2.2 稀土及微量元素

沙章土矿区闪长玢岩的稀土和微量元素分析结果见表3。岩石的稀土元素总量(REE)不高，介于139.62×10-6～150.67×10-6之间，平均值为144.72×10-6，低于大陆地壳REE丰度值(146.37×10-6)；其轻、重稀土元素比值LREE/HREE介于6.05～6.60之间，平均6.29，为轻稀土元素相对富集型，岩体的轻、重稀土分馏不明显。稀土元素球粒陨石标准化配分图(图6(a))为右倾平滑曲线，(La/Yb)N值介于5.95～6.96之间，轻稀土元素富集、重稀土元素亏损，轻、重稀土元素分异明显；(La/Sm)N值介于2.49～2.97之间，(Gd/Lu)N值介于1.60～1.93之间，表明稀土元素在岩浆结晶分异过程中发生了分馏,其中轻稀土元素分异显著，重稀土元素分异程度低。δEu值介于0.63～0.98之间，平均值为0.87，显示出较弱的负铕异常。

表2 沙章土矿区闪长玢岩主量元素(%)分析结果

图5 沙章土矿区闪长玢岩岩石类型图解Fig.5 Rock type diagrams of the diorite porphyrite in Shazhangtu mining area(a)TAS图解(底图据文献[21]);(b) K2O-Na2O图解(底图据文献[22]);(c) SiO2-K2O图解(底图据文献[23]);(d) A/CNK-A/NK图解(底图据文献[24])

表3 沙章土矿区闪长玢岩稀土元素(10-6)和微量元素(10-6)分析结果

根据岩石的微量元素分析结果(表3)绘制出微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6(b))，可以看出，5件样品均呈现出相对富集大离子亲石元素K、Rb及高场强元素Zr、Th、U，显著亏损Nb、Ta、P、Hf和Ti等高场强元素的特征。

3.3 Hf同位素地球化学特征

取测年样品(IIML84)20颗锆石中的11颗锆石进行Hf同位素测试，测试数据(表4)表明大多数锆石的176Lu/177Hf 小于0.002，说明锆石在形成以后没有积累明显的放射性成因Hf，因此岩浆形成时 Hf 同位素的组成可用176Hf/177Hf比值来代表[27]。

图6 沙章土矿区闪长玢岩稀土元素球粒陨石标准化配分图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(球粒陨石标准化值据文献[25]，原始地幔标准化值据文献[26])Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized multi-element spider diagram (b) of the diorite porphyrite in Shazhangtu mining area(chondrite normalizing values after reference [25] and primitive mantle-normalizing values after reference [26])

表4 沙章土矿区闪长玢岩 LA-ICP-MS 锆石Hf同位素分析结果

图7 沙章土矿区闪长玢岩锆石εHf(t)-t图解(a)和176Hf/177Hf-t图解(b)(底图据文献[32])Fig.7 Zircon εHf(t)-t (a) and 176Hf/177Hf-t (b) diagrams of the diorite porphyrite in Shazhangtu mining area(base map according to reference [32])

4 讨 论

4.1 成岩时代

本次研究选取沙章土矿区的闪长玢岩样品(ⅡML84)进行锆石U-Pb定年工作，样品锆石颗粒结晶较好，振荡环带清晰，具有清晰的岩浆锆石特征。结合锆石U-Pb谐和图和206Pb/238U年龄加权平均图(图4)，最终获得LA-ICP-MS锆石U-Pb谐和年龄为(311.1±1.7) Ma、206Pb/238U加权平均年龄为(312.4±1.6) Ma，可代表闪长玢岩的侵位年龄，测试结果表明沙章土矿区闪长玢岩属于晚石炭世岩浆作用的产物。

前人曾对兴蒙造山带中段岩浆活动进行研究，认为兴蒙造山带中段在晚古生代发育的两期岩浆活动与二连—东乌旗成矿带上多金属矿床的形成具有密切关系[33-36]，成岩时代分别为石炭纪(340～300 Ma)和二叠纪(298～257 Ma)[37-38]。沙章土矿区闪长玢岩测得的成岩时代与前人测得的区域成矿岩浆活动时代[39-40]保持一致，说明沙章土闪长玢岩具有成矿的地质基础；同时，石炭系—二叠系宝力高庙组火山碎屑岩未见成矿，闪长玢岩中发育脉状及浸染状黄铜矿，亦表明研究区成矿作用与海西期岩浆侵入活动关系密切。综上所述，故推测沙章土矿区闪长玢岩可能与沙章土锡铜矿成矿具有相关性。

4.2 岩浆源区

沙章土闪长玢岩具有高钾过铝、贫磷贫钛的地球化学特征，其中Al2O3的含量为16.64%～17.31%，平均含量为16.92%，Al2O3>16% 的高铝特征是岛弧岩浆岩的重要标志之一[41]。在Y-Sr/Y图解(图8(a))中，所有样品数据投点均落于经典岛弧岩浆岩区域;在Ba/La-Th/Yb图解(图8(b))中，显示其成因与俯冲板片携带的流体有关。地球化学分析结果也显示该闪长玢岩具有与板块俯冲环境有关的岛弧岩浆岩的亲缘性。

在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6(b))中，大离子亲石元素K、Rb和高场强元素Zr、Th、U等明显富集，显著亏损Nb、Ta、P、Hf、Ti 等高场强元素，显示了俯冲带岩浆岩的地球化学特征[44-45]。Ta、Nb、Ti 的明显亏损，同样也反映岩浆可能受到了地壳物质的混染或者与俯冲有关的流体交代作用[46]。同时高场强元素一般难溶，这与消减带的岩浆作用有关。据此可推断沙章土闪长玢岩是形成于汇聚板块边缘的火成岩。

图8 沙章土矿区闪长玢岩Y-Sr/Y图解((a),底图据文献[42])和Ba/La-Th/Yb图解((b),底图据文献[43])Fig.8 Y-Sr/Y diagram ((a),base map according to reference [42]) and Ba/La-Th/Yb diagram ((b),base map according to reference [43]) of the diorite porphyry in Shazhangtu mining area

图9 沙章土矿区闪长玢岩 Rb/Y-Nb/Y图解和 Nb/Zr-Th/Zr图解(底图据文献[48])Fig.9 Rb/Y-Nb/Y diagram and Nb/Zr-Th/Zr diagram of the diorite porphyry in Shazhangt mining area (base map according to reference [48])

闪长玢岩的Nb/Ta值为13.08～14.19，平均为13.82，明显高于壳源岩浆的Nb/Ta值(11～12)，低于幔源岩浆的Nb/Ta值(17.5)[47]，反映成岩物质具有壳幔混合的特征；Zr/Hf值为39.06～44.80，平均为42.59，远高于大陆地壳值(11)，接近原始地幔值(37)，指示岩浆的形成与地幔有关。在 Rb/Y-Nb/Y和Nb/Zr-Th/Zr 图解(图9(a)和(b))中可以看出，闪长玢岩表现出流体交代富集的趋势。

在样品的锆石εHf(t) -t图解(图7(a))及176Hf/177Hf-t(图7(b))中，数据投点全部位于球粒陨石和亏损地幔演化线之间，显示其岩浆源区具幔源物质组成的特性。锆石的 εHf(t)值均为正值，εHf(t)>0反映岩浆起源于地幔，而εHf(t)<0则反映岩浆起源于地壳物质[49]，因此推断沙章土闪长玢岩岩浆源区与地幔有关。

综合上述分析，笔者认为沙章土矿区闪长玢岩是与板块俯冲环境有关的岛弧岩浆岩，其岩浆源区可能是由俯冲板片脱水交代上覆地幔楔，熔融体上升发生底侵作用，加热并诱发新生基性下地壳部分熔融，上升演化形成的壳幔混源岩浆。

5 结 论

(1)沙章土矿区闪长玢岩成岩年龄为(311.1±1.7)Ma，属晚石炭世海西期，与区域成矿岩浆活动时代保持一致，推测其与沙章土锡铜矿成矿相关。

(2)沙章土矿区闪长玢岩具低SiO2、高钾过铝和富铁、镁、钙，以及贫磷贫钛的特征，属于高钾钙碱性、过铝质中性岩石；富集轻稀土元素和大离子亲石元素K、Rb及高场强元素Zr、Th、U，相对亏损重稀土元素和高场强元素Nb、Ta、P、Hf、Ti，显示了板片俯冲带岛弧岩浆岩的地球化学特征。

(3)根据沙章土矿区闪长玢岩锆石Hf同位素模式年龄及εHf(t)值特征，推断闪长玢岩岩浆源区来自壳幔混源区，可能是由俯冲板片脱水交代上覆地幔楔，熔融体上升而发生底侵作用，加热并诱发新生基性下地壳部分熔融，上升演化而形成的壳幔混源岩浆。

致谢：野外工作得到了内蒙古自治区一一五地质队郭军和孙乾坤等同志的大力支持，在测试分析和数据解释过程中得到了中国地质大学(北京)王宇菲和常泽光等的帮助，审稿人对本文也提出了宝贵意见，在此一并表示感谢。