滇西北羊拉矽卡岩铜矿床石榴子石原位成分、U-Pb测年及其地质意义

孙 滨, 刘 益*, 燕永锋, 孔志岗, 杨光树, 钟军伟, 沈 畯

滇西北羊拉矽卡岩铜矿床石榴子石原位成分、U-Pb测年及其地质意义

孙 滨1, 刘 益1*, 燕永锋1, 孔志岗1, 杨光树1, 钟军伟1, 沈 畯2

(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院, 云南 昆明 650093; 2. 湖北省国土资源研究院, 湖北 武汉 430071)

羊拉铜矿床是三江特提斯构造域金沙江缝合带中段的大型矽卡岩型铜矿床, 其成矿过程划分为3个期次5个阶段: ①矽卡岩期: 矽卡岩阶段和退化蚀变阶段; ②石英硫化物期: 石英‒硫化物阶段和石英‒碳酸盐阶段; ③表生期: 主要是表生氧化阶段。里农矿段揭露矽卡岩期的矽卡岩矿物以石榴子石、透辉石为主, 根据野外观察、镜下鉴定结合LA-ICP-MS原位微区分析, 可将石榴子石分为两个世代: 早期石榴子石(GrtⅠ), 以钙铝榴石为主(And24.81Gro72.40～And57.92Gro30.02); 晚期石榴子石(GrtⅡ), 以钙铁榴石为主(And61.64Gro37.18～And90.96Gro7.81), 发育振荡环带; 二者均属于钙铁榴石‒钙铝榴石系列。石榴子石稀土元素总量总体较低(ΣREE=3.74×10−6～111×10–6), 轻、重稀土元素分异明显(LREE/HREE=0.72～31.7), 多呈现正Eu异常(δEu=0.83～8.40)。GrtⅠ亏损轻稀土元素、富集重稀土元素, 稀土元素配分模式为左倾型; GrtⅡ整体上富集轻稀土元素、亏损重稀土元素, 稀土元素配分模式为右倾型, GrtⅡ中ΣREE、LREE/HREE和δEu值高于GrtⅠ。GrtⅠ、GrtⅡ均呈现出亏损Rb、Ba和Sr等大离子亲石元素, 富集Ta、Th和U等高场强元素, GrtⅡ中Cu、Mo、Sn及Pb等成矿元素含量明显高于GrtⅠ。石榴子石主量和微量元素含量及变化特征表明: GrtⅡ形成时氧逸度较GrtⅠ更高, 且流体更偏中性或碱性; GrtⅠ交代方式以扩散交代为主, GrtⅡ以渗滤交代为主, 与铜钼矿化密切相关。与黄铜矿紧密共生的石榴子石LA-sf-ICP-MS U-Pb 进行年代学研究, 获得年龄为236±5 Ma(MSWD=0.8,=23), 限定羊拉铜矿床的成岩成矿作用时限为晚三叠世早期, 与前人研究的第一期花岗闪长岩锆石U-Pb和辉钼矿Re-Os年龄在误差范围内基本一致, 进一步佐证羊拉铜矿床成矿作用与第一期岩浆事件密切相关。

石榴子石; 原位U-Pb测年; LA-ICP-MS; 羊拉铜矿床; 滇西北

0 引 言

滇西北羊拉铜矿床位于三江特提斯构造域中咋地块与昌都‒思茅地块夹持的金沙江缝合带中段, 为大型矽卡岩型铜矿床(朱经经等, 2009, 2010; 赵江南, 2012; 陈思尧等, 2013; 刘江涛, 2014; 杨镇等, 2014; 孟旭阳, 2016; 解世雄, 2018)。在矽卡岩型矿床成因及找矿勘探研究中, 成矿过程、成矿物理化学条件以及成岩成矿时代精确厘定至关重要(Tang et al., 2016; Lin et al., 2017a, 2017b, 2018)。前人对羊拉铜矿床里农矿段开展了矿床地质、成岩成矿年龄以及流体包裹体的研究(朱俊等, 2009; Zhu et al., 2011; 赵江南, 2012; 孟旭阳, 2016; 解世雄, 2018); 但是对成矿过程及成矿物理化学条件研究的相对薄弱, 成岩成矿年龄存在一定的局限。以往研究多认为羊拉铜矿床与花岗闪长岩体关系密切, 并通过对里农花岗闪长岩中锆石U-Pb同位素测定获取成岩年龄(王彦斌等, 2010; Zhu et al., 2011; 杨喜安, 2012; 孟旭阳, 2016), 对里农矿体中辉钼矿Re-Os同位素测定获取成矿年龄(杨喜安等, 2011; Yang et al., 2012a, 2012c, 2013, 2014; Zhu et al., 2015)。前人研究显示, 羊拉铜矿区岩浆活动主要分为两期, 早期花岗闪长岩形成于239～230 Ma, 晚期二长花岗岩形成于224～214 Ma, 显示矿区存在多期复杂成矿作用, 限定成矿持续时间长达25 Ma(王彦斌等, 2010; Zhu et al., 2011; 孟旭阳, 2016)。由于辉钼矿样品在矿区采集难度大, 且受多期岩浆活动影响呈现多世代性, 其Re-Os定年可能存在争议(谭楚嫣等, 2019)。矽卡岩作为成矿的直接产物, 其时代可以限定成矿年龄。早期由于缺乏获取矽卡岩精确成岩时限的方法(Lü et al., 2011), 使得矽卡岩的形成时限缺乏精确的年代学证据(Zheng et al., 2016)。

石榴子石作为矽卡岩中广泛存在的造岩矿物, 其韵律环带有效记录流体演化过程中的物理化学条件, 通常用来指示矽卡岩型矿床的热液演化过程(Jamtveit et al., 1993), 但是由于电子探针对微量元素分析精度不高制约了前人对成矿过程、成矿物理化学条件的深入研究; 同时石榴子石具有低U、高Pb的特征, 且U主要赋存在包裹体内, 导致早期U-Pb定年并未得到广泛应用。近年来, 随着LA-ICP-MS微区分析技术的蓬勃发展, 已经实现了石榴子石原位成分分析和U-Pb同位素测年方法(Deng et al., 2017, 2019; Seman et al., 2017; Wafforn et al., 2018; Fu et al., 2018; Michelle et al., 2018; Yang et al., 2018; Luo et al., 2019; Li et al., 2019; 杨超等, 2019; Zang et al., 2019; Duan et al., 2020; 林彬等, 2020; 张立中等, 2020;张小波等, 2020; Tang et al., 2021; 刘益等, 2021)。本文基于前人研究基础, 选取羊拉铜矿床含矿矽卡岩中的石榴子石进行原位LA-ICP-MS U-Pb同位素及微量元素分析, 精确限定其成岩年龄, 为里农矿段寻找与岩浆活动有关的矿体提供新的方法; 同时为开展同类型矽卡岩矿床年代学研究提供新的思路, 并结合石榴子石地球化学特征及变化规律, 探讨其形成过程及物理化学条件, 进一步深化对矿床形成过程的理解和认识。

1 区域地质背景

金沙江缝合带中部位于中咋地块与昌都‒思茅地块之间(图1), 是三江特提斯构造域的重要组成单元(Wang et al., 2000a, 2000b; Xiao et al., 2008; 杨德庭等, 2013), 区域内主要出露泥盆纪‒二叠纪地层, 主要岩性为硅质岩、碳酸盐岩及砂板岩等, 超基性岩成群/带状分布, 经历了大陆裂解→洋盆张开和扩展→消减→碰撞闭合4个演化阶段(王立全和潘桂棠, 1999; 张旗等, 2001; 孙晓猛和简平, 2004; Jian et al., 2009a, 2009b)。

图1 西南三江地区构造格架图(据Metcalfe, 2006, 2013; Deng et al., 2014修改)

区域内褶皱、断裂发育, 主要为近SN向褶皱和断裂。区域断裂构造具长期性、继承性活动的特征, 以SN向的金沙江断裂、羊拉断裂为主干断裂, 次一级SN向、NE向、NW向断层较为发育(朱俊等, 2009; 赵江南, 2012; 孟旭阳, 2016)。其中次级SN向断裂及派生“入”字型断层是区内控矿构造; NE向、NW向断层规模小, 形成较晚, 切断了早期发育的断裂及褶皱(图1)。

区域内岩浆岩广泛发育, 岩浆活动从晋宁期持续到喜山期, 超基性‒中酸性岩均有出露, 构成一条SN向的构造‒岩浆岩带, 控制了该区铜多金属矿床(矿化)的展布。区内已发现铜(铅锌)矿床(点) 12个, 铜(金)矿床(点)3个, 铬铁矿点7个(陈思尧, 2013), 是三江地区重要的Cu-Pb-Zn-Ag多金属成矿带。

2 矿床地质特征

2.1 矿区地质概况

羊拉铜矿区出露志留系、泥盆系、石炭系、新近系和第四系(图2), 其中泥盆系是矿区主要的含矿层位, 可分为江边组(D1)和里农组(D2+3)。江边组细分为三段: 下段(D11)为大理岩夹石英片岩、绢云石英片岩; 中段(D12)为变质石英砂岩、石英片岩、绢云砂质板岩; 上段(D13)为大理岩夹砂质板岩、变质石英砂岩。里农组也可细分为三段: 下段(D2+31)是里农矿段主要赋矿层位, 岩性为变质石英砂岩、绢云板岩; 中段(D2+32)以大理岩为主; 上段(D2+33)为变质石英砂岩、绢云粉砂质板岩(朱俊等, 2009)。

图2 羊拉铜矿区地质简图(据朱俊等, 2009; 孟旭阳, 2016; 杨帆等, 2020修改)

矿区构造活动强烈, 发育一系列SN向褶皱、断裂。褶皱主要有里农背斜和江边向斜, 断裂主要有F1和F4(图2a)。其中F4断裂与矿体关系最为密切(孟旭阳, 2016), 为一右行平移断层, 剖面上呈正断层, 沿NE向展布切穿矿区中部, 向东与金沙江断裂交汇, 断裂带内可见角砾岩, 角砾成分多为花岗闪长岩、大理岩、板岩等。羊拉铜矿区处于NNE向鱼波背斜与近SN向羊拉向斜之间的转换部位, 该区域易发生层间滑脱, 发育层间裂隙和破碎带, 为成矿热流提供了运移和储存空间。

矿区自北向南出露贝吾、江边、里农和路农4个花岗闪长岩体(图2a、b), 其中里农岩体主体为花岗闪长岩, 边缘分布有石英二长岩和二长花岗岩, 局部见有围岩顶垂体和捕虏体, 与围岩接触处矽卡岩化、角岩化发育, 主要矽卡岩矿物为石榴子石、透辉石。羊拉铜矿区内包括江边、里农、路农三个主要矿段(图2a), 其中里农矿段是目前规模最大的矿段(云南省地质调查院, 2004)。

2.2 矿体、矿石特征及围岩蚀变

经工程控制, 里农矿段圈定工业矿体20个, 主要矿体为KT2、KT5等(图3), 地表出露标高2870～ 3660 m, 沿走向延伸170～1860 m, 厚1.1～23.0 m, Cu品位0.65%～2.22%, 平均1.03%, 呈SN向展布, 倾向西, 倾角一般为20°～40°, 深部可达50°。本次取样的KT2矿体呈似层状产于一系列层间破碎带内, 沿走向延伸1140 m, 沿倾向延深65～270 m, 倾向北西, 倾角较缓, 一般浅部为12°～22°, 深部为30°～40°。主要矿石类型为矽卡岩型, 矿石组分复杂, 金属矿物主要有黄铜矿、黄铁矿等, 非金属矿物主要有石榴子石、透辉石、阳起石、绿泥石和石英等。矿石多具有半自形‒它形粒状结构, 致密块状、浸染状构造。矿区内近矿围岩蚀变明显, 主要有矽卡岩化、角岩化等; 其中矽卡岩化最常见, 其与矿化关系密切。侵入岩体边缘部位内矽卡岩接触带不发育, 围岩中的外接触带矽卡岩是主要的赋矿层位。

图3 羊拉铜矿床里农矿段7号勘探线剖面图

根据地表工程、坑道和钻孔揭露的地质现象和显微镜下矿物共生组合关系, 羊拉铜矿床成矿过程可划分为3个期次5个阶段(图4): ①矽卡岩期: a)矽卡岩阶段: 主要生成石榴子石、透辉石等无水硅酸盐矿物, 构成简单矽卡岩; b)退化蚀变阶段: 早期的矽卡岩矿物重新交代, 残留石榴子石, 形成透闪石、阳起石和绿泥石等含水硅酸盐矿物, 生成大量细粒磁铁矿并伴随出现大量黄铁矿、黄铜矿等矿物。②石英硫化物期: a)石英‒硫化物阶段: 以石英+黄铜矿+黄铁矿+磁黄铁矿+少量其他硫化物(包括少量菱铁矿、方铅矿、闪锌矿等)组合为特征; b)石英‒碳酸盐阶段: 含矿热液沿构造裂隙、破碎带充填交代早期硅酸盐矿物, 形成石英、方解石等脉石矿物以及黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等金属硫化物。③表生期: 主要是表生氧化阶段, 形成孔雀石、铜蓝和褐铁矿(朱俊等, 2009)。

图4 羊拉铜矿床主要矿物生成顺序(据Zhu et al., 2015修改)

根据野外观察和室内镜下鉴定, 羊拉铜矿里农矿段石榴子石可分为两期: ①早期矽卡岩阶段石榴子石(GrtⅠ), 以钙铝榴石为主, 一般发育在大理岩底部, 呈浅褐色, 自形粒状结构, 正高突起, 无解理, 粒径大小不一, 最大可达1.0 cm, 无环带结构, 正交偏光下具均质性, 一级灰干涉色, 与辉石共生(图5a、d、e), 未见明显矿化; ②晚期矽卡岩阶段石榴子石(GrtⅡ), 以钙铁榴石为主, 一般发育在矽卡岩与变质石英砂岩接触带中, 偶见穿插于早期矽卡岩矿物中, 呈褐色, 自形‒半自形粒状结构, 粒径0.2～2 mm, 广泛发育环带构造, 常见阳起石等退化蚀变阶段矿物, 黄铜矿化、黄铁矿化现象明显(图5b、c、f)。

(a) 石榴子石矽卡岩(CK39-1-14, GrtⅠ, 单偏光); (b) 环带发育石榴子石矽卡岩(CK39-1-5, GrtⅡ, 单偏光); (c) 单个石榴子石环带(CK39-1-4, GrtⅡ, 单偏光); (d) 石榴子石与透辉石紧密共生(CK39-1-14, GrtⅠ, 单偏光); (e) 石榴子石与透辉石紧密共生(CK39-1-14, GrtⅠ, 正交偏光); (f) 石榴子石粒间发育黄铁矿、黄铜矿(CK39-1-8, GrtⅡ, 单偏光)。矿物代号: Grt. 石榴子石; Di. 透辉石; Ccp. 黄铜矿; Py. 黄铁矿。

3 样品采集与测试方法

3.1 样品采集

里农矿段3150 m中段坑内CK39-1钻孔主要揭露中上泥盆统里农组中段(D2+32)和下段(D2+31)。本次采集第一期石榴子石样品(CK39-1-14)采自靠近大理岩段的矽卡岩, 第二期样品(CK39-1-4、CK39-1-5、CK39-1-8)采自靠近变质石英砂岩的矽卡岩(图6), 样品新鲜, 未见明显退化蚀变, 将4块样品制成薄片进行详细的镜下观察鉴定, 利用激光剥蚀等离子质谱仪(LA-ICP-MS)测定其主量、微量元素含量, 并选取与黄铜矿紧密共生的CK39-1-8样品进行石榴子石原位U-Pb定年。

3.2 测试方法

石榴子石主量、微量元素测试在中国科学院海洋研究所大洋岩石圈与地幔动力学超净实验室完成, 所用仪器型号为193 nm ArF准分子激光器和Agilent 7900电感耦合等离子体质谱仪。激光束斑直径40 μm、能量密度4.72 J/cm2, 每个测试点先进行25 s的背景信号采集、然后进行45 s的样品信号采集, 选取国际标样GSE-1G、SRM 610、BIR-1G、BCG-2G以及BHVO-2G采用无内标‒多外标法进行校正, 大部分微量元素检出限为0.001×10−6, 分析精度优于10%。详细分析流程和数据处理方法见Liu et al. (2008)、Lin et al. (2016)、Xiao et al. (2020)。

Liu et al. (2008)基于将全部金属氧化物归一化到100%原则, 建立了以多个天然硅酸盐玻璃为外标, 无需内标准确测定无水硅酸盐矿物中主量、微量元素含量的方法, 主量元素分析结果与电子探针分析数据相对标准偏差在5%以内。

石榴子石LA-sf-ICP-MS U-Pb同位素测年在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成。所用仪器型号为GeoLasPro 193 nm准分子激光剥蚀系统和Thermo Element XR型HR-ICP-MS。激光束斑直径32 μm, 能量密度为5 J/cm2, 剥蚀频率为5 Hz, 采用He作为剥蚀物质的载气, Ar为辅助气, 每个测试点先进行20 s的背景信号采集, 激光剥蚀时间45 s。样品测试前, 先按NIST SRM 612、91500、Willsboro、QC04顺序对标样进行2次测试; 样品测试过程中, 采用标准锆石91500(1062 Ma)为主标样, 插入石榴子石标样QC04为质量控制样品进行年龄值监控, 每分析10～15个点后再对标样进行1次测试。分析流程及详细步骤参考Tang et al. (2020, 2021)。利用ICPMSDataCal软件对测试结果进行处理(Liu et al., 2010), U-Pb年龄反谐和曲线图利用Isoplot 4.15软件绘制完成, 同位素比值和年龄的误差为1σ。

4 分析结果

4.1 主量元素

对羊拉铜矿床里农矿段采样的4件石榴子石样品进行LA-ICP-MS元素分析, 结果见表1。通过与前人电子探针分析结果对比(图7a), 表明两期石榴子石均属钙铁榴石‒钙铝榴石固溶体系列, GrtⅠ以钙铝榴石为主, GrtⅡ以钙铁榴石为主。在石榴子石三角分类图中, GrtⅡ均落入全球铜矽卡岩型矿床范围, 而GrtⅠ未在其范围之内(图7b)。

表1 羊拉铜矿床石榴子石LA-ICP-MS主量元素测试结果(%)

矿物代号: Gro. 钙铝榴石; And. 钙铁榴石; Alm. 铁铝榴石; Pyr. 镁铝榴石; Spe. 锰铝榴石; W. 钨矽卡岩; Zn. 锌矽卡岩; Cu. 铜矽卡岩。

4.1.1 早期石榴子石

CK39-1-14样品代表早期石榴子石(GrtⅠ), 其SiO2、CaO和MgO含量分别为36.84%～38.16%、31.88%～ 36.32%和0.04%～0.86%, Al2O3、TiO2、FeOT和MnO含量分别为15.37%～16.62%、0.28%～0.65%、8.21%～ 12.68%和0.67%～0.77%。化学成分计算表明, GrtⅠ以钙铝榴石为主(And24.81Gro72.40～And57.92Gro30.02), 含铁铝榴石(1.18%～7.28%)、锰铝榴石(1.43%～1.65%)和镁铝榴石(0.16%～3.29%)(表1), Al2O3和FeOT含量与端元成分变化无明显对应关系(图8d)。

图8 羊拉铜矿床石榴子成分变化示意图

4.1.2 晚期石榴子石

CK39-1-4、CK39-1-5、CK39-1-8样品代表晚期石榴子石(GrtⅡ)。与GrtⅠ样品相比, GrtⅡ样品中Al2O3(0.19%～7.31%)明显偏低, FeOT含量(19.11%～ 27.71%)明显偏高; SiO2(34.23%～36.16%)、MgO(<0.2%)、TiO2(<0.2%)和MnO(0.20%～0.36%)的含量相对偏低, 而CaO(34.36%～37.20%)相对偏高。计算表明, 3件样品中的GrtⅡ以钙铁榴石为主(And61.64Gro37.18～ And90.96Gro7.81), 另有锰铝榴石(0.43%～0.79%)和镁铝榴石(0.09%～0.71%)(表1)。

选取晚期环带发育的3颗石榴子石, 由核部向边部进行分析测试, 分别标记为G1(样品CK39-1-4)、G2(样品CK39-1-5)、G3(样品CK39-1-8)。结果显示: 石榴子石SiO2、CaO含量由核部到边部环带成分基本不变, FeOT与MgO含量呈正相关关系, 与Al2O3含量呈负相关, G1和G3中Al2O3和FeOT含量由核部到边部呈明显韵律型变化, G2中相对不明显,根据样品中FeOT、Al2O3的含量, 可分富Al榴石和富Fe榴石组成的环带(图8a、b、c)。

4.2 稀土元素

石榴子石LA-ICP-MS微量元素分析结果见表2。两期石榴子石样品35个点稀土元素总量总体较低, ΣREE=3.74×10–6～111×10–6, LREE/HREE值在0.72～31.7之间, (La/Yb)N=0.03～97.47, δEu=0.83～8.40。在稀土元素配分图中, GrtⅠ呈现出亏损轻稀土元素、富集重稀土元素, 配分曲线为左倾型, 且具明显的Eu正异常特征(图9a); GrtⅡ整体上呈现轻稀土元素富集、重稀土元素相对亏损, 配分曲线为右倾型, 具明显的Eu正异常特征, 个别GrtⅡ的轻、重稀土元素分异不明显, 显示平坦型的配分模式, Eu呈负异常或无异常(图9b～d)。因此, 相对GrtⅡ, GrtⅠ稀土元素配分曲线变化明显, 显示出更高Eu正异常; 且GrtⅡ从核部到边部其δEu值呈明显韵律型变化, 富Fe榴石相对于富Al榴石表现出明显的Eu正异常(图9)。

总体来讲, GrtⅡ的ΣREE、LREE/HREE和δEu值高于GrtⅠ。

4.3 微量元素

石榴子石中Rb含量在0.002×10–6～1.78×10–6之间, 平均含量0.41×10–6; Ba含量在0.003×10–6～6.99× 10–6之间, 平均含量0.88×10–6; Cs含量在0.01×10–6～ 5.17×10–6之间, 平均含量0.77×10–6; Sr含量在0.02×10–6～11.8×10–6之间, 平均含量1.48×10–6(表2); 总体上, Rb、Ba和Sr等大离子亲石元素(LILE)出现明显的亏损, 同时富集Ta、Th和U等高场强元素(HFSE)(表2、图10)。微量元素的含量与端元组分之间无明显的相关性, 部分样品含量低于检出限, 并在石榴子石中检测到较高含量的Cu、Zn、Mo、Sn及Pb等元素, 且GrtⅡ中Cu、Mo、Sn及Pb元素含量明显高于GrtⅠ(表2、图11)。

图10 羊拉铜矿床石榴子石原始地幔标准化微量元素蛛网图(标准化值据Sun and McDonough, 1989)

图11 羊拉铜矿床石榴子石微量元素组成图解

4.4 石榴子石U-Pb年龄

通过LA-sf-ICP-MS获取238U、206Pb、207Pb、202Hg、204Pb、232Th等主要同位素信号, 在仪器数据采集区间, 数据整体平稳(图12a)。对CK39-1-8(GrtⅡ)样品进行28个U-Pb同位素测点, 除去一些信号差、不稳定数据外, 获取了23个有效数据点(表3),其Th含量为0.03×10–6～1.40×10–6, 平均值1.05×10–6; U含量为0.45×10–6～4.07×10–6, 平均值1.01×10–6; Pb含量为0.12×10–6～1.47×10–6, 平均值0.52×10–6,207Pb/206Pb值为0.2786～0.8143,207Pb/235U值为1.5327～30.3070,206Pb/238U值为0.0460～0.2914。采用T-W反谐和图法进行普通铅校正(Yuan et al., 2008; 崔玉荣等, 2012; 郝爽等, 2016; Tang et al., 2020, 2021), 利用Isopolt软件进行图件绘制, 获得石榴子石T-W图下交点年龄为236±5 Ma(MSWD=0.8,=23; 图12b), 即其成岩时代为晚三叠世早期。

表3 羊拉铜矿床石榴子石LA-sf-ICP-MS U-Pb定年分析结果

图12 羊拉铜矿床石榴子石LA-sf-ICP-MS U-Pb定年数据谱线(a)和定年结果(b)

5 讨 论

5.1 石榴子石形成的物理化学条件

5.1.1 氧逸度

在矽卡岩形成早期, 岩浆与围岩发生接触交代作用形成钙铝榴石、钙铁榴石和透辉石等无水硅酸盐矿物。实验研究表明: 钙铝榴石形成于弱氧化‒弱还原的流体中; 而钙铁榴石因为需要更多Fe3+来占据Y3+(X3Y2[SiO4]3)的三价位, 更易在氧化‒弱氧化的溶液中析出(艾永富和金玲年, 1981; 赵斌等, 1983; 梁祥济, 1994), 因此可以用Fe3+的含量高低指示流体的氧逸度。从表1中可见, 羊拉铜矿床两个世代的石榴子石都比较富Fe, 且GrtⅡ中Fe3+平均含量(1.70%)明显高于GrtⅠ(0.56%), 表明羊拉铜矿床GrtⅡ形成时比GrtⅠ具有更高的氧逸度。

羊拉铜矿床石榴子成分变化特征(图8)显示, GrtⅡ环带结构明显, 从核部到边部总体上呈现核部为富Al榴石, 且富Fe榴石和富Al榴石含量交替变化的特征, 对应石榴子石中FeOT和Al2O3含量具有相反的变化趋势特征(图8), 表明石榴子石在形成过程中物理化学条件等呈韵律式变化, 可能是流体迁移速率改变造成的(Jamtveit et al., 1993; 杨光树等, 2019), 也有可能是流体化学成分自身再平衡导致的(Holten et al., 2000)。

石榴子石微量元素含量也可以用来指示其形成时的氧逸度。氧化条件下Eu呈Eu3+, 相对还原条件下Eu2+离子半径与Ca2+离子半径相近, 更容易与石榴子石中的Ca2+发生置换而进入到石榴石中。羊拉铜矿床石榴子石球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(图9)显示, GrtⅡ(δEu=0.83～8.40, 平均值2.65)总体上比GrtⅠ(δEu=1.21～4.05, 平均值2.41)具有更为明显的正Eu异常。而且石榴子石中Fe与Sn含量呈正相关, 钙铁榴石比钙铝榴石更有利于Sn的类质同象(赵一鸣和李大新, 1987; 赵江南, 2012), 因此在较高的氧逸度条件下, 钙铁榴石能富集大量的Sn。羊拉铜矿床GrtⅡ中Sn含量比GrtⅠ更高, 综合表明GrtⅡ形成时的氧逸度高于GrtⅠ。

5.1.2 酸碱度

钙铝榴石一般形成于550～700 ℃的中酸性流体中, 而钙铁榴石形成于450～600 ℃的中碱性溶液中(艾永富和金玲年, 1981; 赵斌等, 1983; 梁祥济, 1994)。低温条件下Eu以Eu3+离子形式存在, 而在250 ℃以上Eu2+占据主导地位(Sverjensky, 1984), 同时在酸性条件下, 稀土配分模式受Cl−的控制较为显著(Bau, 1991), 主要是Cl−可以与Eu2+结合形成稳定的EuCl42−络合物, 增强Eu2+在流体中的稳定性, 造成矿物中Eu含量变低, 表现出Eu负异常(Mayanovic et al., 2002, 2007; Gaspar et al., 2008; 高雪等, 2014)。

羊拉铜矿区石榴子石包裹体均一温度集中在300～593 ℃之间(赵江南, 2012; 陈思尧, 2013), 且除个别GrtⅡ的轻、重稀土元素分异不明显、显示Eu负异常或无异常之外, 绝大部分GrtⅡ和GrtⅠ轻、重稀土分异明显, 均具有强烈的正Eu异常; 且相对于GrtⅠ, GrtⅡ表现出明显的Eu正异常(图9)。因此, 推测其可能形成于中性或碱性条件下, 且相对于GrtⅠ, GrtⅡ正异常更明显, 说明形成条件更偏中性或碱性。

5.1.3 交代方式

矽卡岩主要通过扩散和渗滤两种交代作用形成的。前人研究发现, 在封闭系统下, 水/岩值较低, 流体为酸性‒弱酸性时, 交代方式主要为扩散, 矿物结晶速度较慢; 而在开放系统下, 水/岩值较高, 流体主要以氯化物络合物形式迁移(Bau, 1991; Smith et al., 2004; Gaspar et al., 2008; 边晓龙等, 2019), 交代方式主要为渗滤, 矿物结晶速度较快, 石榴子石容易发育明显的振荡环带。

羊拉铜矿床早期石榴子石(GrtⅠ)不发育振荡环带, 表明其生成于相对稳定和封闭的系统, 水/岩值较低, 交代方式为扩散交代, 结晶速度缓慢; 而晚期石榴子石(GrtⅡ)具有明显的振荡环带, 表明其生成于开放、振荡的系统, 水/岩值较高, 交代方式为渗滤交代, 结晶速度快。结合羊拉铜矿床里农矿段矽卡岩与岩体的空间分布特征, 早期岩浆热液与大理岩通过扩散交代相互作用, 为相对封闭的环境, 形成无环带的早期石榴子石; 随着成矿流体沿大理岩与变质石英砂岩的层间破碎带或者滑脱面等运移, 环境趋向开放, 水/岩值相应增大, 接触交代方式由扩散交代转为渗滤交代, 形成了晚期具有振荡环带的石榴子石。

5.2 成岩成矿时代

羊拉铜矿床作为三江特提斯成矿域内矽卡岩型铜矿床的典型代表, 其成岩成矿时限对成矿作用机理研究至关重要(Lin et al., 2016), 科学划分成矿时代, 研究成矿时代与成矿区域之间的关系, 对认识成矿规律、开展成矿预测有着重要的意义。在矽卡岩型矿床中, 传统的年代学测试手段是采用岩体中锆石U-Pb年龄来限定成岩年代, 采用辉钼矿Re-Os年龄来限定成矿时代, 而对矽卡岩的形成时代缺乏精确的年代学测定方法。

20世纪末学者开始对羊拉铜矿床里农矿段开展年代学研究。魏君奇等(1997, 2000)测得全岩黑云母‒长石Rb-Sr年龄为227±1 Ma, 全岩含矿斑岩Rb-Sr年龄为202±21 Ma; 王彦斌等(2010)测得花岗闪长岩锆石U-Pb年龄为239±5.7 Ma, 辉绿岩锆石U-Pb年龄为222.0±1.0 Ma; Zhu et al. (2011, 2015)测得花岗闪长岩锆石U-Pb年龄为233.1±1.4 Ma, 辉钼矿Re-Os年龄为231.8±1.3 Ma、232.0±1.5 Ma; 杨喜安(2012)和Yang et al. (2012a, 2012b, 2012c, 2013, 2014)分别测得花岗闪长岩锆石U-Pb年龄为234.1±1.2 Ma、235.6±1.2 Ma, 辉钼矿Re-Os年龄为229.7±3.3 Ma、230.9±3.2 Ma、233.0±3.4 Ma、233.3±3.0 Ma; 孟旭阳(2016)测得细粒二长花岗岩锆石U-Pb年龄为223± 0.9 Ma, 石英二长斑岩锆石U-Pb年龄为234±1.2 Ma。因此, 羊拉铜矿床里农矿段成岩时代集中在222～239 Ma之间, 岩浆活动可分为两期: 222～224 Ma和231～239 Ma;辉钼矿Re-Os年龄约在230～233 Ma之间(图2)。

本次对里农矿段GrtⅡ进行U-Pb同位素测年, 获得成岩年龄为236±5 Ma(MSWD=0.8,=23), 与第一期花岗闪长岩体结晶时代、矽卡岩形成时代和辉钼矿成矿时代在误差范围内一致, 进一步明确羊拉铜矿床的成岩成矿作用时限为晚三叠世早期, 矽卡岩是由岩浆热液交代围岩形成的。

5.3 成矿指示意义

大量的石榴子石单矿物成分分析结果显示, 矽卡岩矿床中石榴子石成分与矿化之间存在一定的联系(林文蔚等, 1990; 赵一鸣和林文蔚, 1990)。据统计, 世界上大型铜矽卡岩矿床中石榴子石成分均属于钙铁榴石‒钙铝榴石固溶体系列, 且在含量上钙铁榴石要略高于钙铝榴石(Meinert, 1992; Meinert et al., 2005), 而且石榴子石的形成可以为成矿流体提供运移通道, 为后期矿体沉淀提供有利场所, 因此石榴子石的形成通常被认为是矿化准备阶段(Karimzadeh, 2010)。羊拉铜矿床中石榴子石属于钙铁榴石‒钙铝榴石固溶体系列, GrtⅠ以钙铝榴石为主, GrtⅡ以钙铁榴石为主; GrtⅠ未见明显矿化或无矿化, GrtⅡ见明显的黄铜矿化、黄铁矿化(图6), 其成分变化范围与世界典型含铜矽卡岩中石榴子石一致, 与钨、锌矽卡岩中石榴子石有所重叠, 石榴子石中普遍含有一定量的Cu(表1, 图11), 进一步佐证了初始岩浆中富含Cu, 同时GrtⅡ中Cu、Mo、Sn及Pb等金属元素含量明显高于GrtⅠ, 因此认为羊拉铜矿床里农矿段晚期石榴子石(GrtⅡ)与铜钼矿化密切相关, GrtⅡ发育振荡环带显示成矿流体物理化学条件(温度、PH、氧逸度和盐度等)不断发生变化, 暗示成矿流体存在多期活动并发生多次周期性沸腾作用(Yardley et al., 1991), 有利于成矿元素的富集; 同时晚期石榴子石(GrtⅡ)大量形成使氧逸度降低, 成矿环境转为相对还原, 有利于金属硫化物的沉淀, 因此在进一步勘探过程中应综合考虑铜钼多金属矿化。

6 结 论

(1) 羊拉铜矿床中石榴子石属于钙铁榴石‒钙铝榴石系列, 可分为两个世代: 早期石榴子石(GrtⅠ)以钙铝榴石为主(And24.81Gro72.40～And57.92Gro30.02); 晚期石榴子石(GrtⅡ)以钙铁榴石为主(And61.64Gro37.18～ And90.96Gro7.81), 发育振荡环带。

(2) 石榴子石亏损Rb、Ba和Sr等大离子亲石元素, 富集Ta、Th和U等高场强元素, GrtⅡ比GrtⅠ明显富集Nb、Zr、Hf。GrtⅠ呈现出亏损轻稀土元素、富集重稀土元素, GrtⅡ呈现出富集轻稀土元素、亏损重稀土元素, 多呈Eu正异常, GrtⅡ中ΣREE、LREE/HREE和δEu值高于GrtⅠ。

(3) 羊拉铜矿床石榴子石T-W下交点年龄为236±5 Ma, 精确限定羊拉铜矿床成岩成矿作用时限为晚三叠世早期, 与第一期花岗闪长岩锆石U-Pb和辉钼矿Re-Os年龄在误差范围内基本一致, 说明矽卡岩是由岩浆热液交代围岩形成的。

(4) 与GrtⅠ相比, GrtⅡ形成时氧逸度更高, 流体更偏中性或碱性。GrtⅠ交代方式以扩散交代为主, GrtⅡ以渗滤交代为主; GrtⅡ与铜钼矿化密切相关。

致谢:野外工作得到了云南迪庆矿业开发有限责任公司地质人员、昆明理工大学董有浦老师、张东越硕士、王丹硕士的大力支持与帮助; 中国科学院地球化学研究所唐燕文老师对石榴子石U-Pb定年实验进行指导; 中国科学院海洋研究所王晓红、孙普老师对石榴子石微量元素分析实验进行指导; 成文过程中昆明理工大学朱俊老师、王雷老师、任涛老师对论文修改提出的意见; 审稿人对文章进行指导和帮助, 在此一并表示感谢！

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Chemical and U-Pb Dating Analyses of Garnet from the Yangla Skarn Copper Deposit in Northwest Yunnan Province, and its Geological Implications

SUN Bin1, LIU Yi1*, YAN Yongfeng1, KONG Zhigang1, YANG Guangshu1, ZHONG Junwei1, SHEN Jun2

(1. Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, Yunnan, China; 2. Hubei Institute of Land Resources, Wuhan 430071, Hubei, China)

The Yangla copper deposit is a large skarn copper deposit in the Jinsha River suture line in the Sanjiang tectonic domain. The mineralization process can be divided into 3 stages and 5 sub-stages: (1) the skarn stage can be further divided into skarn and degeneration alteration sub-stages; (2) the quartz sulfide stage includes the quartz-sulfide and the quartz-carbonate sub-stages; (3) the supergene stage is mainly the supergene oxidation sub-stage. The skarn minerals are mainly garnet and diopside in the Linong section. According to field observation, microscopic identification and LA-ICP-MSmicroanalysis, garnet in the deposit can be divided into two generations. The early-stage garnet (GrtⅠ) is mainly calcium aluminum garnet (And24.81Gro72.40–And57.92Gro30.02), and the late-stage garnet (GrtⅡ), which has oscillatory rings, is mainly calcium iron garnet (And61.64Gro37.18–And90.96Gro7.81). Both of them belong to the andradite- grossularite series. The garnet has relatively low REE contents (ΣREE=3.74×10−6–111×10−6), high LREE/HREE ratios (LREE/HREE=0.72–31.72), and dominantly positive Eu anomalies (δEu=0.83–8.40). GrtⅠshows depletion of light rare earth elements (LREE) and enrichment of heavy rare earth elements (HREE), showing left inclined REE patterns. GrtⅡ shows enrichment of LREE and depletion of HREE as a whole, and right inclined REE patterns. In comparison, the ΣREE, LREE/HREE ratios and δEu of GrtⅡ are generally higher than those of GrtⅠ, the ratio of LREE/HREE has a clear positive correlation with δEu, the ΣREE has a weakly positive correlation with U and Y, but GrtⅠ has no significant correlation. Both GrtⅠandGrtⅡare strongly depleted in large ion lithophile elements including Rb, Ba, and Sr, and enriched in high field strength elements such as Ta, Th and U. The contents of Cu, Mo, Sn and Pb in GrtⅡ are significantly higher than those in GrtⅠ. The contents and variations of major and trace elements in garnet indicate that the oxygen fugacity of GrtⅠ is higher than that of GrtⅠ, and the fluids are more neutral or alkaline, which suggest that GrtⅠ was formed through diffusion metasomatism, whereas GrtⅡclosely related to Cu-Mo mineralization was formed via percolation metasomatism. TheLA-sf-ICP-MS U-Pb dating of garnet closely associated with chalcopyriteyielded an age of 236±5 Ma (MSWD=0.8,=23), which accurately determined that the Yangla copper deposit was formed in the early Late Triassic. This age is consistent with the zircon U-Pb age from the first-stage granodiorite and molybdenite Re-Os ages within the error ranges, forming a reliable time frame for the Yangla copper deposit which supports a genetic link with the first magmatic event.

garnet;U-Pb dating; LA-ICP-MS; Yangla copper deposit; Northwest Yunnan province

10.16539/j.ddgzyckx.2023.05.006

2021-10-25;

2022-01-28

国家自然科学基金项目(41862007)和云南省地球系统科学重点实验室开放课题(ESS2021004)联合资助。

孙滨(1987–), 男, 博士研究生, 矿产普查与勘探专业。E-mail: sunbin0627@163.com

刘益(1979–), 男, 讲师, 从事矿床地球化学研究。E-mail: yiliu168@foxmail.com

P611; P597

A

1001-1552(2023)05-1018-022