寶山花崗閃長斑巖的巖石成因：地球化學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)和Hf同位素制約

全鐵軍，孔 華，費(fèi)利東，王 高，李 歡，吳城明

寶山銅鉛鋅礦床是湘南坪寶礦帶北段重要的礦床之一，其大地構(gòu)造位置處于湘南地洼區(qū)贛桂地洼系湘東地洼列[1]。長期以來，許多研究者從不同角度進(jìn)行礦床的成因、控礦構(gòu)造、巖石地球化學(xué)特征、成巖成礦時(shí)代及找礦預(yù)測研究[2?9]。寶山花崗閃長巖體的年代學(xué)資料豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，對于花崗閃長斑巖獲得的年齡有：全巖銣鍶等時(shí)線年齡182.5 Ma和黑云母鉀氬法年齡165 Ma[9]，認(rèn)為花崗閃長斑巖形成于中侏羅世燕山中期第二階段；單顆粒鋯石溶蝕法(173.3±0.9) Ma[5?6]；金屬礦物黃鐵礦的Rb-Sr等時(shí)線年齡為(174±7) Ma[6]；鋯石SHRIMPU-Pb法(158±2) Ma，輝鉬礦Re-Os等時(shí)線年齡為(160±2) Ma[8]。但是，寶山花崗巖脈十分發(fā)育，可能存在多期巖漿侵入事件，而且關(guān)于寶山礦床的 Hf同位素，至今尚無文獻(xiàn)報(bào)道。為此，本文作者基于井下巖脈的觀察取樣，對不同類型的巖脈進(jìn)行了分析。

1 礦區(qū)地質(zhì)概述

寶山礦區(qū)位于坪寶復(fù)式向斜的北端，耒陽—臨武南北向構(gòu)造帶的中段，南嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶中段北緣，是坪寶礦帶中重要的礦床，寶山礦區(qū)出露地層有泥盆系上統(tǒng)佘田橋組和錫礦山組，石炭系下統(tǒng)孟公坳組、石磴子組、測水組、梓門橋組和中上統(tǒng)壺天群。其中，石磴子組灰?guī)r、測水組砂頁巖為本區(qū)主要的賦礦層位和巖性。礦區(qū)構(gòu)造主要由一系列的倒轉(zhuǎn)背、向斜及背斜和向斜之間的壓扭性逆沖走向斷層組成。礦區(qū)主構(gòu)造線方向?yàn)楸睎|—南西。后期橫斷層F3將礦區(qū)劃分為南北兩區(qū)。礦區(qū)與礦床有關(guān)的褶皺主要有寶嶺倒轉(zhuǎn)傾伏背斜、寶嶺北倒轉(zhuǎn)向斜、牛心倒轉(zhuǎn)復(fù)式背斜、財(cái)神廟倒轉(zhuǎn)背斜、杉木嶺—桂陽—中倒轉(zhuǎn)向斜(見圖1)。

寶山礦區(qū)的巖漿巖均為燕山早期超淺成中酸性小巖體，巖石類型主要有：花崗閃長斑巖、微晶花崗閃長斑巖、石英斑巖、英安質(zhì)凝灰角礫巖和輝綠玢巖。礦區(qū)地表出露巖體26個(gè)，其中以微粒花崗閃長斑巖為主，地表巖體均強(qiáng)烈風(fēng)化，巖體侵入最新地層屬石炭系。在中部銅礦露采坑可見花崗閃長斑巖體的圍巖矽卡巖化、大理巖化較強(qiáng)，出露地表的巖體規(guī)模一般較小，呈巖脈產(chǎn)出，伴有強(qiáng)烈的W、Mo、Cu、Pb和Zn等多金屬礦化。

2 巖體地質(zhì)特征及樣品采集

寶山礦區(qū)代表性巖體為隱伏于寶嶺倒轉(zhuǎn)背斜中的306號花崗閃長斑巖，在193線和165線之間產(chǎn)生。巖體上盤接觸帶具矽卡巖化，巖體中 Cu、Mo、W、Bi、Pb、Zn、Ti、Cr和 Ni等元素含量較高。該巖體與成礦關(guān)系極為密切。

圖 1 寶山礦區(qū)地質(zhì)圖[3]：C2-P1ht—壺天群；C1z—梓門橋組；C1c—測水組；C1sh—石磴子組；C1m—孟公坳組；D3x—錫礦山組；SK—夕卡巖；γδπ—花崗閃長斑巖；γπ—花崗斑巖Fig. 1 Geological map of Baoshan deposit[3]: C2-P1ht—Hutian Gr; C1z—Zimenqiao Fm; C1c—Ceshui Fm; C1sh—Shidengzi Fm;C1m—Menggong’ao Fm; D3x—Xikuangshan Fm; SK—Skarn; γδπ—Granodiorite porphyry; γπ—Granite porphyry

樣品均為采自坑道內(nèi)的新鮮樣品，花崗斑巖(917-3、4、5)：采自北部?70 m中段，193線南穿和165線西沿脈，斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為石英、鉀長石和黑云母，石英斑晶晶形好，2 mm，10%，鉀長石2 mm，3%；基質(zhì)隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，占80%，有重結(jié)晶現(xiàn)象。

花崗閃長斑巖(919-8)，采自西部?70 m中段，158線南穿脈，巖石灰白色，斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為石英、斜長石、角閃石、黑云母，石英斑晶見溶蝕邊，1.2 mm，20%，斜長石斑晶1.5 mm，5%～8%，角閃石1.5 mm，3%～5%，黑云母：0.9 mm，3%；基質(zhì)：顯微細(xì)粒結(jié)構(gòu)，0.02 mm，占視域85%。

3 樣品制備與測試分析

對寶山巖體的 7件樣品進(jìn)行主量(見表 1)、微量(見表 2)和稀土元素(見表 3)的分析測試。主量、微量和稀土元素分析樣品在武漢地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所完成。主量元素使用X熒光光譜儀(1800)加濕法分析，稀土元素分析采用質(zhì)譜儀(ThermoelementalX7)，微量元素采用等離子發(fā)射光譜儀(ICAP6300)和示波極譜儀(JP?2)。

選擇新鮮巖石樣品，通過人工重砂法從樣品中分選出鋯石，樣品靶的制備參考SHRIMP定年鋯石樣品的制備方法[10]，鋯石CL圖像在西北大學(xué)掃描電鏡室完成。

鋯石 U-Pb年齡分析采用西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Agilent 7500a型ICP-MS儀器與193nm的ArF準(zhǔn)分子激光器。分析時(shí)，采用He作為剝蝕物質(zhì)的載氣，用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST610進(jìn)行儀器最佳化，鋯石年齡測定采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石 91500，GJ-1作為外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，外標(biāo)校正方法為每隔5個(gè)樣品分析點(diǎn)測一次標(biāo)準(zhǔn)，保證標(biāo)準(zhǔn)和樣品的儀器條件完全一致。年齡測定時(shí)的激光束斑直徑控制在30 μm，激光剝蝕深度控制在 20～40 μm，普通鉛校正采用ANDERSON[11]的方法，在已確定年齡的鋯石顆粒上進(jìn)行Hf同位素測試，分析時(shí)激光束斑直徑控制在44 μm，激光剝蝕時(shí)間為 120 s。采用標(biāo)準(zhǔn)鋯石 91500，MON-1和 GJ-1作外部標(biāo)樣，具體分析步驟見文獻(xiàn)[12?13]。樣品的同位素比值采用 ICPDATACAL[14]程序計(jì)算，年齡數(shù)據(jù)處理采用Isoplot3.0[15]。分析數(shù)據(jù)列于表4～5中，分析及計(jì)算誤差均為1σ。

表1 寶山巖體的主量元素含量Table 1 Major element contents of Baoshan pluton

表2 寶山巖體的微量元素含量Table 2 Trace element contents of Baoshan pluton

4 測試結(jié)果

4.1 巖石地球化學(xué)特征

分析結(jié)果見表1～3。在TAS圖解中(見圖2(a))，巖石均投入花崗閃長巖區(qū)域，從 w(K2O)—w(SiO2)圖解(見圖2(b))看出，巖石屬于高鉀鈣堿性到鉀玄巖系列，K2O/Na2O=3.02～8.67，SiO2含量為 65.98%～70.99%，A/CNK值為1.14～1.79，均大于1，表現(xiàn)出過鋁鈣堿性巖石系列特征?；◢忛W長巖表現(xiàn)為 Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3、TiO2、P2O5與SiO2明顯的負(fù)相關(guān)。

由表3和圖3(a)可知，稀土元素總量在117×10?6～257×10?6，LREE/HREE=7.12～16.23，LaN/YbN=7.01～22.10，δ(Eu)=0.58～0.84，δ(Ce)=0.88～0.91，稀土元素配分曲線右傾，輕稀土富集，輕重稀土分異多數(shù)不強(qiáng)烈，銪弱負(fù)異常。

由表1～2和圖3(b)可知，微量元素顯示總體上大離子親石元素Rb、Th、U、K和La富集(918-10例外)，貧 Ba、Nb、Sr、P 和 Ti，w(Sr)/w(Y)=4.57～9.59。Nb和 Ta虧損，與具島弧特征的鉀質(zhì)巖石相似，P和Ti虧損，可能受到磷灰石和鈦鐵礦的分離結(jié)晶作用影響。Nb、Ta和Ti負(fù)異常表明其源區(qū)或受到了俯沖組分的影響[4]。

4.2 鋯石U-Pb同位素特征

圖 2 巖石分類的 TAS 圖(a)和 w(K2O)—w(SiO2)圖(b)[16?18]Fig. 2 TAS diagram (a) and w(K2O)—w(SiO2) diagram (b) about classification of Baoshan pluton[16?18]

圖3 寶山巖體的稀土元素配分圖解(a)和微量元素蛛網(wǎng)圖(b)[19?20]Fig. 3 Chondrite-normalized REE distribution pattern (a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b) of Baoshan pluton[19?20]

表4 寶山巖體鋯石U-Pb同位素組成及年齡Table 4 Zircon La-ICPMS U-Pb isotopic data and ages of Baoshan pluton

表4所列為寶山巖體鋯石U-Pb同位素組成及年齡。本次研究用于 U-Pb測年鋯石均為具有韻律環(huán)帶的鋯石，顯示為巖漿結(jié)晶形成。917樣品(由917-3、4、5合成)中鋯石的Th/U值較高(0.30～1.09)，表明為典型的巖漿成因。少數(shù)具核幔結(jié)構(gòu)。鋯石外形有長柱狀和短柱狀(917-26，917-29)(見圖 4)。多數(shù)測點(diǎn)選擇在晶體兩端，少部分測點(diǎn)在柱體中部(917-02、917-07)，所測 17顆鋯石的分析點(diǎn)均位于 U-Pb諧和線上或其附近，206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為(165.3±3.3) Ma (1σ，MSWD=6) (見圖5)，代表花崗斑巖的結(jié)晶年齡。

圖4 寶山巖體的鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像(44 μm圓表示鉿同位素測試點(diǎn)，鋯石上方數(shù)字代表εHf(t)值；30 μm圓表示U-Pb年齡分析點(diǎn)，圖像下面數(shù)字為206Pb/238U年齡；分析點(diǎn)號位于鋯石上方；線比例尺長度為100 μm)：(a) 巖體樣品917的CL圖像；(b) 巖體樣品919-8的CL圖像Fig. 4 CL images of zircons from Baoshan pluton (Rounded circles indicate locations of Hf and U-Pb analyses, with εHf(t) values and 206Pb/238 U ages, spot numbers are labeled at top of zircons, line scales are 100 μm): (a) CL images of zircons from sample 917;(b) CL images of zircons from sample 919-8

圖5 寶山巖體的鋯石U-Pb年齡Fig. 5 U-Pb ages of zircons from Baoshan pluton: (a) Sample 917; (b) Sample 919-8

919樣品鋯石的Th/U值較高(0.30～0.67，詳細(xì)數(shù)據(jù)略)，表明為典型的巖漿成因。鋯石外形有長柱狀和短柱狀(919-8-06、919-8-20)，均具有明顯的成分韻律環(huán)帶。打點(diǎn)位置多數(shù)選擇在柱狀晶體的兩端，少數(shù)在中心部位(919-8-13、919-8-17)(見圖4)，在CL圖像上為均勻灰白色，其206Pb/238U年齡與柱體端部一致，顯示為巖漿結(jié)晶鋯石。所測 15 顆鋯石的分析點(diǎn)均位于U-Pb諧和線上或其附近，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(180.5± 2.0) Ma (1σ，MSWD=1.02)(見圖 5)，代表花崗閃長斑巖的結(jié)晶年齡。

4.3 鋯石Hf同位素

鋯石Hf同位素測定點(diǎn)選在鋯石U-Pb測試的同位點(diǎn)。選取年齡諧和性好的點(diǎn)。917樣品中鋯石(8個(gè)點(diǎn))的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值變化范圍較大，分別為0.013 774～0.033 307 和 0.000 624～0.001 402 (表 5)；初始176Hf/177Hf值和 εHf(t)值分別為 0.282 408～ 0.282 501和?5.87～?9.42(見圖 6)，模式年齡為 1 065～1 178 Ma，平均值為1 136 Ma；平均地殼模式年齡為1 709 Ma。

圖6 寶山巖體鋯石鉿同位素εHf(t)—t圖解Fig. 6 εHf(t)—t diagram of zircon of Baoshan pluton

919樣品中鋯石(5個(gè)點(diǎn))的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值變化范圍較大，分別為 0.022 333～0.038 398和0.001 022～0.001 611(見表 5)；初始176Hf/177Hf值和εHf(t)值分別為 0.282 336～0.282 379 和?9.86～?11.48(見圖6)，模式年齡為1 229～1 302 Ma，平均為1 270 Ma；平均地殼模式年齡為1 951 Ma(見表5)。

鋯石極強(qiáng)的穩(wěn)定性使其Hf同位素組成比較穩(wěn)定，較少受到后期地質(zhì)事件的影響，不像鉛同位素易受到鉛丟失的影響，而極低的 Lu含量有利于獲得鋯石形成時(shí)的準(zhǔn)確同位素組成，所以，目前鋯石 Hf同位素示蹤成為探討地殼演化和示蹤巖石源區(qū)的有效手段。模式年齡顯示源區(qū)地殼年齡為 1 065～1 178 Ma和1 229～1 302 Ma，而平均地殼模式年齡更老，表明有古老地殼物質(zhì)的加入，主要是古元古界地殼物質(zhì)。

在εHf(t)—t圖解中，鋯石點(diǎn)投在2.5 Ga下地殼演化線附近(176Lu/177Hf=0.022，fLu/Hf=?0.34)，表明巖石源區(qū)為古老下地殼[21?22]。

5 構(gòu)造環(huán)境和巖石成因分析

在 w(Rb)—w(Y+Nb)和 w(Nb)—w(Y)構(gòu)造環(huán)境判別圖解[23](見圖 7)中樣品投點(diǎn)顯示寶山巖體為碰撞環(huán)境下的產(chǎn)物；在花崗閃長巖的Sr/Y—Y和(La/Yb)N—YbN判別圖解中巖石投入經(jīng)典島弧區(qū)域，反映了擠壓環(huán)境。但是有研究認(rèn)為揚(yáng)子板塊與華夏板塊的全面焊接拼合則是在中三疊世，所以印支運(yùn)動(dòng)后，華南地區(qū)已經(jīng)由海洋環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榇箨懎h(huán)境[24]。165～180 Ma間，華夏板塊與揚(yáng)子板塊已經(jīng)完成拼貼，不具備島弧形成

圖 7 w(Rb)—w(Y+Nb)(a)和 w(Nb)—w(Y)(b)構(gòu)造環(huán)境判別圖[23]：VAG—火山弧花崗巖；Syn-COLG—同碰撞花崗巖；WPG—板內(nèi)花崗巖；ORG—大洋脊花崗巖Fig. 7 w(Rb)— w(Y+Nb) (a) and w(Nb)— w(Y) (b)discrimination diagrams for tectonic settings[23]

表5 寶山巖體的鉿同位素組成Table 5 Zircon Hf isotope compositions of Baoshan pluton

環(huán)境。所以，巖石地球化學(xué)所顯示的火山弧特征的唯一的解釋是早期俯沖碰撞的產(chǎn)物在燕山期重新活化了，雖然在揚(yáng)子與華夏板塊之間的南華洋已經(jīng)閉合，但兩者之間閉合過程中擠壓效應(yīng)在燕山期持續(xù)發(fā)酵。該區(qū)確定的年齡顯示224 Ma前后地殼處于拉張階段，產(chǎn)生巖漿底侵形成層狀輝長巖，底侵巖漿同時(shí)加熱和軟化了下地殼巖石層[25]。220～180 Ma處于相對平靜期，目前沒有發(fā)現(xiàn)該時(shí)間段有大規(guī)模的巖漿活動(dòng)記錄。180 Ma以來地殼顯示重新活躍的跡象，湘南的花崗閃長巖侵入活動(dòng)多發(fā)生在(172±5) Ma[6]，150 Ma前后湘南出現(xiàn)局部火山噴發(fā)活動(dòng)，顯示地殼活動(dòng)又到了劇烈期。

寶山花崗閃長斑巖和水口山、銅山嶺花崗閃長巖具有一致的巖石地球化學(xué)特征[6?7]，且均為銅鉛鋅礦床，與黃沙坪、柿竹園花崗巖及成礦系列有顯著差異。前人獲得寶山巖體的成巖年齡為173 Ma和160 Ma，并分別確定成巖時(shí)代為中侏羅世燕山早期二、三階段。本文作者完成的鋯石年齡測試結(jié)果同時(shí)包含了上述文獻(xiàn)中出現(xiàn)的年齡值，本研究揭示寶山巖漿巖侵入活動(dòng)有多次，既有180 Ma左右的花崗閃長斑巖，又有165 Ma的花崗斑巖。前面分析本區(qū)在中生代為陸相板內(nèi)環(huán)境，鋯石 Hf同位素示蹤結(jié)果顯示來源于古老地殼，可以認(rèn)為220 Ma前后地殼的拉張?jiān)斐舍Ｔ磶r漿的底侵，對下地殼起了預(yù)熱作用，180 Ma前后，本區(qū)構(gòu)造體制發(fā)生了轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)為擠壓體制，增厚的下地殼發(fā)生局部熔融形成花崗閃長斑巖。

6 結(jié)論

1) 寶山礦區(qū)地區(qū)出露的花崗閃長巖脈為多次侵入的產(chǎn)物，既有180 Ma左右的基質(zhì)呈細(xì)粒結(jié)構(gòu)的花崗閃長斑巖，又有165 Ma左右侵入的基質(zhì)呈隱晶質(zhì)的花崗斑巖，顯示晚期巖漿侵入深度更淺。

2) 花崗閃長斑巖的Hf同位素特征顯示鋯石來源于古老地殼，其地殼平均模式年齡為1 709～1 951 Ma，巖石地球化學(xué)圖解判別指示巖石形成于碰撞環(huán)境，巖石的綜合成因應(yīng)是燕山早期擠壓構(gòu)造體制下，該區(qū)中下地殼發(fā)生加厚熔融，巖漿沿有利的構(gòu)造部位上升到淺部形成各期淺成巖脈(體)。

3) 本研究所獲得的兩期巖脈年齡180 Ma和165 Ma分別對應(yīng)于前人所獲得的兩期成礦年齡，說明寶山礦區(qū)成巖成礦時(shí)間跨越20 Ma左右，在此期間，深部巖漿的持續(xù)多期活動(dòng)帶來了豐富的成礦物質(zhì)，最終形成寶山銅鉬鉛鋅銀多金屬礦床。

致謝：

野外工作得到郴州有色一總隊(duì)鐘江臨高級工程師、周偉平工程師、礦山地質(zhì)科彭昭喜工程師及李茂平工程師的熱情幫助；鋯石測試得到西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室袁洪林教授、柳小明高級工程師、弓虎軍博士和戴夢寧博士的支持，數(shù)據(jù)處理得到陽杰華博士的幫助，謹(jǐn)此一并致以誠摯謝意！

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