江西德兴银山中侏罗世火山岩年代学、岩石成因及构造背景

余明刚,洪文涛,刘 凯,段 政,褚平利,陈 荣

(中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016)

江西德兴银山铜多金属矿床位于著名的德兴铜金多金属成矿区,是一个与燕山期中酸性陆相火山-次火山作用有关的岩浆期后中-浅成热液矿床[1-4]。前人主要针对银山火山岩-次火山岩成因及矿床地质特征[5-9]、矿物蚀变和矿化分带[10-12]、成矿流体及成矿机制[13-19]以及矿床的剥蚀程度[20]等进行研究并取得了一系列重要成果,提升了对德兴银山火山-侵入活动与成矿作用的整体认识。

近年来,银山矿区相继发表了许多高精度同位素年龄数据,如英安斑岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄为181 Ma、白云母的Ar-Ar年龄为178.2 Ma[21-22],英安斑岩的锆石U-Pb年龄为181.3 Ma[23],流纹岩的锆石U-Pb年龄为176 Ma,次火山岩的锆石U-Pb年龄为176～166 Ma[24],辉绿岩锆石U-Pb 年龄为152 Ma[25]。以上高精度年龄限定了银山火山活动的时限。目前,前人对银山火山活动时代的研究主要集中于银山矿区与成矿有关的次火山岩-石英斑岩和英安斑岩,对矿区内的火山岩尚缺少足够的关注,且前人测得的银山火山活动年龄范围为181～166 Ma,时代跨度较大,超过了一座大型火山喷发持续的时间尺度(1～10 Ma)[26]。本文对银山火山岩-次火山岩进行系统的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年,进一步厘定了火山岩-次火山岩的形成时代,并通过岩石地球化学特征和锆石Hf同位素特征探讨其形成的大地构造背景,为华南早中生代构造体制演化研究提供新证据。

1 区域地质概况

银山大型-超大型铜多金属矿床位于江南造山带东段、赣东北断裂与乐安江断裂之间的乐华—德兴火山盆地的北东缘[27]。矿区内出露的地层有青白口系双桥山群(Qb2S)浅变质岩系,岩性为绢云母千枚岩、砂质板岩和凝灰质千枚岩;中侏罗世“鹅湖岭组”(J2e)为火山碎屑岩、熔岩,岩性主要为流纹质火山碎屑岩和英安质熔岩,底部为千枚岩质砾岩,不整合覆盖在双桥山群上;早白垩世石溪组(K1s)为一套棕红色砂岩,分布在矿区南部,不整合覆盖于鹅湖岭组之上;次火山岩主要为石英斑岩、英安斑岩和安山玢岩(图1)。

图1 研究区构造位置及地质图(据文献[27]修改)Fig. 1 Simplified map of the tectonic location (a) and the geology (b) of the study area (modified after references [27])

矿区构造样式主要围绕银山背斜,北西翼为系列近 EW 向裂隙,南东翼为系列NW向-NNW向断裂和NE向-NNE向断裂。银山火山机构为破火山口,平面上呈SE向的椭圆形,剖面上呈漏斗状,接触面产状陡立,向SE倾斜。火山口内环状和放射状断裂发育,整个火山机构及放射状断裂系统控制着银山矿床的火山-次火山作用及有关的流体成矿作用[15,27]。

2 火山喷发旋回

矿区内除时代较老的石英闪长岩外,主要火成岩均形成于燕山早期。根据火山岩层序、接触关系、沉积间断和岩性组合、蚀变强弱与矿化关系等特征,前人将德兴银山火山活动分为3个喷发旋回,分别形成流纹质、英安质和安山质火山岩[24](图1),详述如下。

(1)第Ⅰ旋回。岩性为震碎千枚质角砾岩、震碎火山质角砾岩、集块角砾岩、角砾凝灰岩及角闪流纹岩(图2(a)—(f)),厚度120 m,主要分布在九区、仙人架板、西山北部和银山矿区一带,主要沿近EW向断裂和NE向断裂交汇部位产出;伴生的次火山岩为石英斑岩,呈近EW向不规则岩脉侵入于双桥山群,分布于偏北部九龙上天、北山一带。

(2)第Ⅱ旋回。岩性为英安质集块(角砾)岩、凝灰角砾岩、晶屑岩屑凝灰岩及英安质熔岩(图2(g)—(i)),充填于火山通道或溢出地表,或呈舌状覆盖于双桥山群千枚岩之上,主要分布于银山破火山口的中部和南部,厚度达1 100 m。伴生的次火山岩为英安斑岩,呈岩墙、岩脉充填于火山管道或侵入于千枚岩中,产状陡立,分布于西山火山口及南山一带。

(a).震碎角砾岩,角砾成分为千枚岩;(b).流纹质角砾熔岩与震碎千枚岩喷发不完整接触;(c).流纹质角砾凝灰岩,角砾成分为流纹岩、千枚岩等;(d).流纹质集块角砾熔岩,角砾含量>50%,角砾为千枚岩、流纹岩等;(e).流纹质集块角砾熔岩,角砾为流纹岩;(f).流纹岩;(g).英安斑岩侵入流纹质角砾凝灰岩;(h).英安质角砾熔岩,中间为隐爆角砾岩岩脉;(i).英安斑岩;Q.石英;Amp.角闪石;Pl.斜长石;Top.黄玉;Bi.黑云母图2 德兴银山矿区火山岩显微照片Fig. 2 Micrographs of representative volcanic rocks from Yinshan deposit in Dexing County

(3)第Ⅲ旋回。火山活动产物主要为安山质熔岩和角闪安山岩,分布在西山破火山口内。该旋回火山喷发规模很小,隐爆作用不强,成矿作用不明显。至此,银山地区火山活动基本结束。

综上所述,银山火山活动以第Ⅰ旋回、第Ⅱ旋回为主要的火山活动期,每个旋回均以喷发开始,喷溢到侵位最后到隐爆结束。其中,第Ⅰ旋回岩浆活动强度最大,持续时间长,与矿化关系最为密切。

3 样品采集及分析测试方法

本文对矿区主要成矿作用有关的第Ⅰ旋回、第Ⅱ旋回火山岩系统采集了样品并开展了高精度锆石U-Pb年代学研究(表1)。

表1 银山火山岩样品信息

采集的岩石样品均为相对新鲜的岩石,锆石从1 kg岩石样品中挑选,岩石样品经粉碎、淘洗后利用电磁仪和重液进行分选,然后在NiKon双目显微镜下挑选出锆石100多颗,制成的样品靶直径为1.4 cm。在锆石U-Pb分析前,对制靶后的锆石样品进行阴极发光(CL)分析,确定锆石颗粒的内部结构(图3),然后进行锆石U-Pb定年和Hf同位素分析。本次选样工作、锆石CL图像分析均在在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。

(a).PM001-36流纹质角砾熔岩；(b).PM001-31英安质角砾熔岩；(c).YS3英安斑岩；(d).YS4石英斑岩；(e).PM001-37流纹斑岩；(f).D1038流纹斑岩图3 银山火山岩典型锆石样品CL图像Fig. 3 CL images of typical zircons in Yinshan volcanic rocks

LA-ICP-MS锆石U-Pb定年和微量元素分析在合肥工业大学资源与环境工程学院开展,由ICP-MS和激光剥蚀系统联机完成。ICP-MS型号为Agilent 7500 a,激光剥蚀系统为GeoLasPro,波长为193 nm的ComPex102 ArF准分子激光器,样品光斑大小为4～160 μm,能量密度为1～45 J/cm2,单脉冲能量达200 mJ,最高重复频率20 Hz，详细的仪器操作和数据处理方法见文献[28]。U-Pb同位素定年采用标准锆石91500作外标进行同位素分馏校正,用Pl-1和Plesovice锆石作为检测样。对分析数据的离线处理采用ICP-MS DataCal软件完成[29],样品锆石U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均值计算均采用ISOplot/Ex-ver3完成[30]。

在锆石U-Pb定年的基础上,锆石Lu-Hf同位素测试在南京大学内生金属矿床成矿重点实验室利用LA-MC-ICP-MS分析完成,飞秒激光剥蚀系统(fs-LA)为ASI J200, 激光剥蚀过程采用氦气作载气,氩气作补偿气,激光束斑直径为60 μm,采用标准锆石(91500或GJ-1)作监控标样。对分析数据进行离线处理,扣除176Yb和176Lu对176Hf的同质异位素干扰[31]。在计算(176Hf/177Hf)i和εHf值时,176Lu的衰变常数采用1.93×10-11a-1,176Lu/177Hf=0.033 2，176Hf/177Hf=0.282 772[32];Hf模式年龄计算中,亏损地幔176Hf/177Hf的现在值采用0.283 25,176Lu/177Hf的现在值采用0.038 4[33],两阶段模式年龄采用平均地壳的(176Lu/177Hf)C=0.015[34]进行计算。

4 锆石U-Pb定年结果

德兴银山地区火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果见表2。

表2 银山火山岩LA-CP-MS锆石 U-Pb定年结果

图4 银山火山岩锆石U-Pb年龄谐和图Fig. 4 Zircon U-Pb concordia diagrams of Yinshan volcanic rocks

(1)第Ⅰ旋回。所有测年锆石的Th/U值为0.15～0.75,CL图像具明显的振荡环带,说明均为岩浆锆石(图3(a),图3(b))。流纹质角砾熔岩(PM001-36)的25个测点年龄值相对集中于167～170 Ma,其加权年龄平均值为(168.6±0.72) Ma(MSWD=0.29),代表了成岩年龄;另外3个测点年龄为176～198 Ma,为捕获锆石年龄,暗示该地区可能存在早侏罗世岩浆活动(图4(a))。石英斑岩(YS4)的19个测点年龄为162～174 Ma,加权年龄平均值为(169.9±1.5) Ma(MSWD=3.2),代表了成岩年龄;另外3个测点年龄为176～185 Ma,为捕获锆石年龄(图4(b))。

(2)第Ⅱ旋回。所有锆石Th/U值为0.26～0.79,CL图像具明显的振荡环带,说明均为岩浆锆石(图3(c),图3(d))。英安质角砾熔岩(PM001-31)的25个测点加权平均年龄为(171.4±0.81) Ma(MSWD=0.25),代表了成岩年龄;另外3个测点加权年龄为178～188 Ma,可能是捕获锆石(图4(c))。英安斑岩(YS3)的30个测点加权年龄均落在或靠近谐和线上,其中26个测点加权年龄为164～172 Ma,其加权年龄平均值为(168.5±0.71) Ma(MSWD=0.61),代表了成岩年龄;另外4个测点加权年龄为174～179 Ma,为捕获锆石年龄(图4(d))。

(3)第Ⅲ旋回。安山玢岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb加权年龄平均值为(166±1) Ma(n=22,MSWD=0.61)[24]。

以上年代学结果表明,银山第Ⅰ旋回至第Ⅲ旋回火山-次火山岩的形成时代分别为168.6～169.9 Ma、168.5～171.4 Ma、166 Ma,火山活动时代为166～171 Ma,与德兴斑岩铜矿含矿斑岩的时代(165～172) Ma基本一致[35-37],均形成于中侏罗世。

5 岩石地球化学特征

德兴银山火山岩全岩地球化学分析结果见表3。样品的烧失量(LOI)变化较大,显示不同程度的热液蚀变活动(例如黄铁绢英岩化和碳酸盐岩化)。从第Ⅰ旋回至第Ⅲ旋回,火山岩的SiO2含量分别为69.31%～74.33%、67.82%～71.60%、62.17%～63.16%,次火山岩(石英斑岩和英安斑岩)的SiO2含量分别为65.56%～67.62%和64.76%～70.51%(数据均为扣除烧失量后重新计算的百分含量)。从第Ⅰ旋回至第Ⅲ旋回,SiO2含量由高变低,显示岩浆成分从“偏酸性—中酸性—中性”的变化规律,反映岩浆房中存在成分分带[5]。此外,它们的CaO和Na2O含量偏低,K2O、Al2O3含量偏高。其中,第Ⅰ旋回、第Ⅱ旋回火山岩K2O/Na2O值分别为23.47～53.33和3.35～40.44,而与成矿作用关系密切的石英斑岩和英安斑岩的K2O/Na2O值分别为21.5～30.4和21.3～38.0,可能是蚀变过程中富钙和富钠斜长石、黑云母和钾长石易转变为富钾的绢云母、方解石和黏土物质,从而导致CaO和Na2O含量的降低和K2O含量的升高。第Ⅲ旋回安山岩的K2O/Na2O值为0.90～1.28,A/CNK值为0.85。在蚀变火山岩Zr/Ti-Nb/Y分类命名图解(图5(a))和Th-Co岩石系列划分图解(图5(b))上,银山火山岩样品投点靠近流纹英安岩、英安岩、安山岩范围,所有火山岩样品投点落入高钾钙碱性系列范围。

表3 银山火山岩主量、微量及稀土元素含量表

图5 银山火山岩Zr/Ti-Nb/Y分类命名图解(a)和Th-Co岩石系列划分图解(b)[38-39]Fig. 5 Zr/Ti vs. Nb/Y diagram (a) and Th vs. Co diagram (b) of Yinshan volcanic rocks[38-39]

在原始地幔标准化微量元素蛛网图上(图6(a)),除安山岩外,其余样品具有一致的曲线形态,表现为大离子亲石元素(LILE)K、Cs、Rb相对富集,高场强元素(HFS)相对亏损,元素Ba、Ti、P相对亏损,Th、U和Pb相对富集,Nb-Ta槽明显。同时,安山岩具有高Sr含量(高达1 174×10-6)及Sr/Y值(高达125×10-6),低的Y(<13×10-6)和Yb含量(<1.2×10-6)的特征。银山火山岩表现为低Ti、低Na、高K、相对富Al、Nb-Ta槽以及高Sr低Y的特征,反映银山火成岩具有类“弧”岩浆的地球化学特征。

在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图上(图6(b)),银山火山岩所有样品具有一致的配分形式,稀土元素总量(ΣREE)中等,从第Ⅰ旋回到第Ⅲ旋回火山岩稀土元素总量分别为(98.1～140.5)×10-6、(113.3～156.2)×10-6及(168.9～224.0)×10-6，逐渐增高;LREE/HREE=12.4～19.8,(La/Yb)N=17.5～36.2,δEu=0.83～1.35,无明显的铕负异常,表明岩浆演化过程中不存在明显的斜长石分离结晶作用。

图6 银山火山岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)和球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(b)[40]Fig. 6 Primitive mantle normalized trace element spider diagram (a) and chondrite normalized REE distribution patterns (b) of Yinshan volcanic rocks [40]

6 锆石Lu-Hf同位素特征

(1)第Ⅰ旋回火山岩。流纹质英安质集块角砾熔岩(PM001-36)的εHf(t)值为-9.07～5.49,TDM2为0.84～1.74 Ga;石英斑岩(YS4)的εHf(t)值为-1.98～4.07,TDM2为0.93～1.31 Ga。

(2)第Ⅱ旋回火山岩。英安质集块角砾熔岩(PM001-31)的εHf(t)值为1.28～5.44,TDM2为0.85～1.10 Ga;英安斑岩(YS03)的εHf(t)值为1.35～5.48,TDM2为0.84～1.10 Ga。

(3)第Ⅲ旋回火山岩(YS250)。安山玢岩εHf(t)值为0.6～3.9,TDM2为0.96～1.17 Ga[19,24,36]。

表4 银山火山岩锆石Hf同位素分析结果

7 岩石成因及构造背景

银山火山作用一个明显的特点是从第Ⅰ旋回到第Ⅲ旋回岩浆的SiO2含量逐渐降低,火山岩成分由流纹质向英安质-安山质变化,可能是岩浆房中成分分带的结果。研究表明,岩浆房并不是一个均匀的体系,而具有分带性,即存在各种物理化学梯度[5]。在火山的喷发过程中,岩浆房中的岩浆被自上而下地逐层抽取喷发,因而在喷发产物中保留了与岩浆房中成分变化梯度相反的火山岩层序。因此,推断这种岩石组合特征主要受控于岩浆房在喷出前的成分分带,即岩浆房自上部至下部,SiO2含量不断降低的趋势。第Ⅰ旋回流纹岩中高SiO2具有及富集角闪石斑晶的特征,暗示其岩浆具有相对较高的分异程度以及挥发分含量,可能代表了该岩浆房顶部富挥发份及高分异部分。相对而言,偏中酸性和中性的第Ⅱ旋回和第Ⅲ旋回可能代表了岩浆房中部和下部分的物质组成,这3个旋回火山岩共同反映了一个带状岩浆房的成分特征。

银山地区3个旋回火山岩均有相似的锆石Hf同位素组成,表明不同旋回火山岩可能均起源于同一源区。它们的锆石两阶段Hf模式年龄为0.84～1.31 Ga,在εHf(t)-t图解(图7)中,均位于双溪坞岩群和双桥山群为代表的中元古代—新元古代岛弧火山岩范围内,与德兴斑岩铜矿含矿斑岩的模式年龄基本一致,明显不同于江西冷水坑160 Ma火山岩(锆石Hf模式年龄为1.47～1.84 Ga),德兴地区不存在中侏罗世岛弧火山岩,表明岩浆可能来源于双溪坞岩群或与双桥山群相当层位的古老岛弧物质的再循环过程,可能是继承于中元古代—新元古代江南造山带形成时期的洋-陆俯冲作用产生的初生地壳物质。

图7 银山火山岩εHf(t)-t(Ga)图解(德兴斑岩、双溪坞岩群和双桥山群数据文献[36])Fig. 7 εHf(t) vs. t diagram of Yinshan volcanic rocks(The data of Dexing,Shuangxiwu Group and Shuangqiaoshan Group sourced from references[36])

银山地区火山岩富集轻稀土元素、亏损重稀土元素,具有高的Sr、Sr/Y和(La/Yb)N值,缺少Eu异常。在埃达克质岩的判别图解(图8)上,银山火山岩及燕山早期早阶段与Cu多金属矿化有关的I型花岗岩(180～160 Ma)均落在埃达克岩区域(图8(a)),而明显不同于燕山早期晚阶段具弧岩浆特征的I型花岗岩(160～145 Ma)(图8(b))[37]。大陆内部埃达克岩被认为是在挤压的背景下,(拆沉)加厚铁镁质下地壳部分熔融的产物[41-44],因此,德兴花岗斑岩和银山埃达克质岩石可能均形成于加厚地壳背景下,它们可能是受到俯冲作用远程效应,新元古代富铜金新生地壳部分熔融的结果[45-46]。

值得注意的是,华南早侏罗世(180～168 Ma)火山-侵入杂岩主要沿南岭纬向构造带近EW向展布,包括湘南宁远—新田、湘东南宜章、粤东北梅州兴宁与大埔、赣南龙南—寻坞菖蒲组、赣中地区安塘组、浙东毛弄组、闽西南永定藩坑组,为一套玄武安山质与流纹英安质双峰式岩石组合,并与A型花岗岩、钙碱性花岗岩、碱性正长岩等共生,广东梅州兴宁等地区还可见层状基性超基性岩体产出[47-53]。其中,毛弄组火山岩锆石U-Pb年龄为169～180 Ma[54-55];藩坑组火山岩锆石U-Pb年龄为170～175 Ma[56-58];菖蒲组玄武岩年龄为172～180 Ma[58];安塘组橄榄玄武岩39Ar-40Ar法测得的年龄为168 Ma[59]。这套火山岩组合的地球化学特征明显不同于德兴银山火山岩,主要表现为具有较富集的同位素组成，缺少埃达克质岩特征,被认为形成于后造山的裂陷环境[60]。

中侏罗世晚期后,受古太平洋板块西向俯冲的影响,中国东南部整体处于挤压隆升构造背景,造成大范围中侏罗世—晚侏罗世地层的缺失。由此可见,早侏罗世—中侏罗世,华南岩浆活动可能形成于明显不同的两种构造背景,暗示该时段可能是华南构造体制转折的关键时期[61-65],构造体制的转折开始于165 Ma左右[66],主要受古太平洋板块俯冲挤压作用影响。至早白垩世早期,全区进入古太平洋构造域,其构造背景由挤压向伸展转变,形成大面积的活动陆缘型火山-侵入杂岩[67-73],俯冲的表现方式为深部挤压，浅部伸展[74]。

图8 银山火山岩(La/Yb)N-YbN(a)和Sr/Y-Y(b)图解(数据引自文献[35])Fig. 8 Diagrams of (La/Yb)N vs YbN (a) and Sr/Y-Y (b) of Yinshan volcanic rocks(data sourced from references[35])

8 结论

(1)德兴银山火山从第Ⅰ旋回至第Ⅲ旋回,火山岩成分具有从流纹英安岩向英安岩-安山岩变化的趋势,这可能反映了岩浆房存在成分分带。

(2)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明,银山第Ⅰ旋回至第Ⅲ旋回火山岩-次火山岩形成时代分别为164.0～169.9 Ma、168.5～171.4 Ma、166 Ma,与德兴斑岩铜矿含矿斑岩的时代基本一致。

(3)德兴银山火山岩总体属于高钾钙碱性系列,大离子亲石元素元素相对富集,高场强元素相对亏损,富集轻稀土元素，亏损重稀土元素,具有高的Sr、Sr/Y和(La/Yb)N值,与同时期德兴铜矿含矿斑岩均具有埃达克岩石的特征。

(4)德兴银山中侏罗世埃达克质岩石是古太平洋板块俯冲作用远程效应挤压背景下新元古代富铜金新生地壳部分熔融的结果,南岭地区EW向展布的早侏罗世双峰式火山岩组合形成于后造山伸展环境,暗示早侏罗世—中侏罗世是华南构造体制转折的关键时期。