寧蕪盆地中段龍王山銅礦點粗安巖類年代學、地球化學及成礦潛力研究

李現(xiàn)鎖, 袁 峰, 鄧宇峰, 汪方躍, 劉光賢, 楊 迪

(1.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學 礦床成因與勘查技術研究中心,安徽 合肥 230009)

長江中下游地區(qū)是我國重要的銅鐵金多金屬成礦帶[1-3],在斷凹區(qū)自東向西依次有溧水、溧陽、寧蕪、繁昌、廬樅、懷寧以及金牛盆地等火山巖盆地[4]。其中，寧蕪盆地以發(fā)育著名的“玢巖鐵礦”為其重要特征[5]。以往對寧蕪盆地的研究主要集中在鐵礦上[6-8],對盆地內銅金礦床(點)的研究較少。目前,已有研究主要針對盆地北段(江蘇境內),如南門頭銅礦、谷里銅礦、大平山銅礦、大嶺崗銅礦、銅井金銅礦床等[9-12]。

然而,據區(qū)域地質資料統(tǒng)計,寧蕪盆地內大部分銅金礦床(點)出現(xiàn)在寧蕪火山巖斷陷盆地中段[13-14],如大安山銅礦點、龍王山銅礦點、連珠山銅礦點、寺山銅礦點等,這些銅礦床(點)成因上與火山巖漿活動密切相關[14],已有研究中僅見對中段個別銅礦床(點)地質特征的基本介紹,對銅礦床(點)賦礦火山巖的研究很少。本文以寧蕪盆地中段龍王山銅礦點為研究重點,在詳細野外地質工作基礎上,對賦礦火山巖開展鋯石 U-Pb 定年和巖石地球化學分析,探討以龍王山銅礦點為代表的寧蕪盆地中段銅礦床地質特征、成巖成礦時代、巖漿演化及構造背景分析。

1 區(qū)域地質背景

寧蕪盆地位于長江中下游成礦帶東部,北起南京,南至蕪湖,整體呈NNE向展布,是下?lián)P子褶皺帶上發(fā)育起來的繼承式中生代陸相火山盆地[5]。盆地東、西、南、北邊界分別為方山—小丹陽斷裂(NNE向)、長江深大斷裂帶(NNE向)、蕪湖斷裂(NW向)和南京—湖熟斷裂(NW向),如圖1所示(據文獻[9,15]修改)。其中,NNE向斷裂控制了盆地內火山巖和次火山巖的分布,NW向斷裂稍晚,切割火山巖系地層和NNE向斷裂[4]。

圖1 寧蕪盆地地質簡圖

盆地內地層可劃分沉積巖地層與火山巖地層2類。沉積巖地層為基底地層,主要為三疊系上統(tǒng)黃馬青組(T3h)砂頁巖、侏羅系下統(tǒng)象山群(J1-2xn)陸相碎屑巖[5,16]。

火山巖地層主要為中生代燕山期形成的大量橄欖安粗巖系組合,由老至新依次為龍王山組、大王山組、姑山組、娘娘山組[5]。其中,龍王山組和大王山組可分3個巖性段,姑山組和娘娘山組可分2個巖性段[17]。各組之間均為噴發(fā)不整合接觸, 構成4個火山巖旋回,各旋回的火山活動均由爆發(fā)相開始, 此后溢流相逐漸增多, 最后以火山沉積相結束[18]。

盆地內侵入巖主要有2類:① 以輝長-閃長巖類為代表的中性巖,與區(qū)內鐵礦化關系密切[15];② 后期發(fā)育以花崗巖類為代表的酸性巖,與區(qū)內銅、金礦化有關[5,19]。

2 礦點地質特征

2.1 地層、構造與巖漿巖

龍王山銅礦點礦區(qū)主要出露地層為龍王山組一段和二段、大王山組一段和二段、羅嶺組下段及黃馬青組二段,如圖2所示,其中,龍王山組與黃馬青組為超覆與斷裂接觸。礦化主要分布于龍王山組二段,包括粗安巖、粗安質火山角礫巖、凝灰?guī)r等,以粗安巖為主。礦區(qū)位于寧蕪盆地中段偏東南翼,區(qū)內發(fā)育一定規(guī)模的擠壓破碎帶和硅化破碎帶。斷裂在本區(qū)比較發(fā)育且復雜。礦區(qū)內侵入巖不甚發(fā)育,且主要分布在礦區(qū)北部與西北部,中部有零星出露,主要為安山玢巖、石英閃長巖及石英二長巖。

圖2 龍王山銅礦點地質圖

2.2 礦化與蝕變

龍王山銅礦點礦化發(fā)育,礦石手標本及顯微鏡下照片如圖3所示。金屬礦物主要有黃銅礦、斑銅礦、黃鐵礦、鏡鐵礦及褐鐵礦,脈石礦物主要為石英和方解石。通過手標本觀察和鏡下鑒定發(fā)現(xiàn),礦石構造包括:① 浸染狀,表現(xiàn)為黃銅礦黃鐵礦呈浸染狀發(fā)育在粗安巖中(圖3a);② 脈狀,表現(xiàn)為黃銅礦、黃鐵礦等金屬硫化物與脈石礦物呈脈狀穿插在粗安巖或粗安質火山角礫巖中(圖3b、圖3c)。礦石結構包括:① 脈狀穿插結構,表現(xiàn)為晚期形成的黃銅礦沿黃鐵礦裂隙充填,形成穿插礦物的細脈(圖3d);② 交代殘余結構,表現(xiàn)為晚期的斑銅礦交代黃銅礦(圖3e);③ 包含結構,表現(xiàn)為黃鐵礦顆粒包裹于黃銅礦中(圖3f)。

圖3 龍王山銅礦點礦石手標本及顯微鏡下照片

礦區(qū)蝕變以硅化、綠泥石化為主,高嶺土化、碳酸鹽化次之。其中,硅化、綠泥石化與銅礦化密切相關,單一的硅化與鏡鐵礦化、黃鐵礦化有關。

3 樣品及分析測試方法

3.1 樣品采集

本次研究樣品采自龍王山銅礦點北東側露頭,分為年代學與地球化學樣品以及礦石現(xiàn)象樣品。其中年代學與地球化學樣品為露頭深部較為新鮮的巖石樣品。粗安巖類2件樣品手標本與顯微鏡下照片如圖4所示。粗安巖(LWS-5):巖石呈灰綠色,斑狀結構,塊狀構造；斑晶主要為鈉長石和角閃石,鈉長石呈自形長板柱狀(約占30%),角閃石呈半自形長條狀(約占25%),部分角閃石發(fā)生綠泥石化;其余為鉀長石微晶基質;巖石發(fā)生磁鐵礦化,磁性較強(圖4a、圖4b)。粗安質火山角礫巖(LWS-49):巖石呈淺紅褐色,角礫狀構造;主要成分為隱晶質火山角礫、鈉長石、鉀長石晶屑；角礫磨圓較差,棱角狀,大小為0.2～10 mm,約占20%;鈉長石呈半自形短柱狀,約占25%;其余為鉀長石晶屑和碳酸鹽礦物;巖石發(fā)生碳酸鹽化(圖4c、圖4d)。

圖4 龍王山銅礦點粗安巖類2件樣品手標本及顯微鏡下照片

3.2 分析方法

3.2.1 鋯石年代學

鋯石U-Pb同位素定年在合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院礦床成因與勘查技術研究中心礦物微區(qū)分析實驗室利用激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜儀(laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry,LA-ICP-MS)分析完成。 采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調節(jié)靈敏度。每個分析數(shù)據包括大約20 s的空白信號和40～50 s的樣品信號。詳細的儀器操作和數(shù)據處理方法見文獻[20]。

鋯石微量元素的質量分數(shù)利用多個參考玻璃(NIST610)作為外標、Si 作內標的方法進行定量計算[21]。U-Pb同位素定年中采用標準鋯石91500 作外標進行同位素分餾校正,每分析5個樣品點,分析2 次91500標準鋯石。分析期間,用Pl-1和Plesovice鋯石作為檢測樣。對分析數(shù)據的離線處理采用軟件ICPMSDataCal[21-22]完成。鋯石樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡權重平均計算均采用Isoplot/Ex_ver3[23]完成。

3.2.2 全巖地球化學分析

全巖地球化學分析在廣州澳實實驗室完成。試驗前將樣品粉碎,選取新鮮樣品使用剛玉破碎機粗碎至10 cm大小,選擇無脈體、無風化面顆粒300 g放入無污染瑪瑙碎樣機細碎至200目大小。

主量元素分析采用熒光光譜儀進行X-射線熒光光譜法(X-ray fluorescence,XRF)測定, 大致過程為:稱取0.7 g樣品,加入適量硼酸,高溫熔融至玻璃片,進而在XRF上用外標法測定氧化物質量分數(shù),氧化物總量分析誤差為1%～3%。微量元素分析采用四酸消解法電感耦合等離子質譜儀(ME-MS61)法,稀土元素測定采用熔融法電感耦合等離子體質譜儀(ME-MS81)法。

4 分析結果

4.1 鋯石U-Pb同位素定年

龍王山銅礦點粗安巖與粗安質火山角礫巖鋯石陰極發(fā)光(cathodeluminescence,CL)圖像及測試位置如圖5所示。由CL圖像可以看出,2件火山巖樣品鋯石顆粒均呈長柱狀,內部結構清晰,環(huán)帶發(fā)育,顯示巖漿鋯石特征。鋯石U-Pb年齡測試結果見表1～表3所列。其中,2件樣品均測試鋯石30個點,剔除協(xié)和度小于90%的點。鋯石中的w(Th)/w(U)值可以指示鋯石的成因,巖漿鋯石的w(Th)/w(U)值一般大于0.1,變質鋯石的w(Th)/w(U)值一般小于0.1[24]。

圖5 龍王山銅礦點粗安巖類2件樣品鋯石CL圖像及測試位置

表1 龍王山銅礦點粗安巖(LWS-5)鋯石U-Pb年齡測定結果

表2 龍王山銅礦點粗安質火山角礫巖(LWS-49)鋯石U-Pb年齡測定結果

表3 龍王山銅礦點粗安巖類鋯石Th、U質量分數(shù)及其比值結果

龍王山粗安巖和粗安質火山角礫巖鋯石的w(Th)/w(U)值分別在0.60～0.97之間和0.52～0.95之間,均遠大于0.1,也指示為巖漿成因鋯石。

龍王山銅礦點粗安巖類2件樣品鋯石U-Pb諧和年齡如圖6所示。

圖6中,MSWD為加權平均方差(mean standard weighted deviation)。

粗安巖(LWS-5)鋯石206Pb/238U加權平均年齡為(129.1±2.6) Ma,粗安質火山角礫巖鋯石206Pb/238U加權平均年齡為(131.2±3.6) Ma,均屬早白堊世。

4.2 巖石地球化學特征

4.2.1 主量元素

龍王山銅礦點粗安巖類主量元素分析測試結果見表4所列。

從表4可知,粗安巖w(SiO2)在55.25%～56.68%之間,w(Al2O3)在15.98%～16.33%之間,為中性高鋁系列火山巖;堿含量較高,w(K2O)在4.31%～7.35%之間,w(Na2O)在2.55%～4.05%之間。

表4 龍王山銅礦點粗安巖類主量元素質量分數(shù)分析結果 %

粗安質火山角礫巖w(SiO2)在53.06%～56.52%之間,w(Al2O3)在15.54%～16.89%之間,亦為中性高鋁系列火山巖;堿含量稍高,w(K2O)在3.67%～4.09%之間,w(Na2O)在2.85%～3.86%之間。其中,龍王山粗安質火山角礫巖燒失量較大,可能影響巖石類別的劃分,因此在投圖時須進行燒失量換算。

龍王山銅礦點粗安巖類SiO2-(Na2O+K2O)圖解和SiO2-K2O圖解如圖7所示。

從圖7可以看出,2種火山巖樣品投點均落于粗安巖區(qū)域,且主要落在上方堿性系列區(qū)域;同時,2種火山巖樣品投點均落在鉀玄巖系列(橄欖玄粗巖)區(qū)域。

圖7a中,Ir即Irvine分界線,上方為堿性,下方為亞堿性。

圖7 龍王山銅礦點粗安巖類主量元素地球化學圖解

4.2.2 稀土及微量元素

龍王山銅礦點粗安巖類稀土及微量元素分析測試結果見表5所列。

從表5可知,龍王山粗安巖稀土元素(rare earth element,REE)總量(∑REE)為(93.44～120.82)×10-6,輕稀土元素(light rare earth element,LREE)和重稀土元素(heavy rare earth element,HREE)比值(∑LREE/∑HREE)為7.08～8.34,(La/Yb)N為7.09～9.59,δEu為0.63～0.78;粗安質火山角礫巖∑REE為(65.94～136.9)×10-6,∑LREE/∑HREE為4.95～9.52,(La/Yb)N為4.45～11.14,δEu為0.73～0.85。

表5 龍王山銅礦點粗安巖類稀土元素和微量元素分析結果

續(xù)表

龍王山銅礦點粗安巖類稀土元素配分曲線和微量元素蛛網圖如圖8所示。

從圖8a稀土元素配分曲線可以看出,粗安巖與粗安質火山角礫巖表現(xiàn)出一致的平緩右傾特征,指示兩者為同源巖漿;∑LREE/∑HREE及(La/Yb)N值較高,指示輕重稀土分異明顯,輕稀土富集,重稀土虧損。粗安巖與粗安質火山角礫巖均具有較弱的δEu負異常,表明斜長石的分離結晶作用較弱。

圖8 龍王山銅礦點粗安巖類稀土、微量元素圖解

從圖8b微量元素蛛網圖可以看出,粗安巖與粗安質火山角礫巖表現(xiàn)出相似的不相容元素右傾變化趨勢特點。大離子親石元素Rb、Ba、K富集,Sr虧損;高場強元素Ta、Nb、Ti虧損。其中Sr的虧損一方面顯示出地幔交代作用的影響,另一方面顯示出可能存在斜長石的分離結晶作用[25]；Ti的虧損可能是由于鈦鐵礦的分離結晶。

5 討 論

5.1 成巖成礦時代

根據已有的火山巖同位素定年資料,龍王山組在136～125 Ma之間,大王山組在125～120 Ma之間,姑山組在117～110 Ma之間,娘娘山組在106～91 Ma之間[5,26]。近年來,研究人員采用各種高精度測年方法對盆地內火山巖開展了較多工作。文獻[27]得出龍王山和大王山火山巖的年齡分別為(131±3)、(127±3) Ma;文獻[28-29]運用2種方法分別測得娘娘山組火山巖年齡為(133.1±3.2)、(130.6±1.1) Ma;文獻[30]測得大王山組火山巖年齡為(130.3±0.9) Ma,姑山組2件火山巖年齡分別為(128.5±1.8)、(128.2±1.3) Ma;文獻[31]測得龍王山組、大王山組、姑山組火山巖年齡為(134～127) Ma,娘娘山組火山巖形成時代稍晚((118.8±1.6) Ma);文獻[32]得出大王山組火山巖2件樣品年齡分別為(130.6±1.6)、(132.6±1.8) Ma,姑山組火山巖年齡為(131.7±1.1) Ma;文獻[18]得到各組火山巖年齡分別為:龍王山組(134.8±1.3) Ma、大王山組(132.2±1.6) Ma、姑山組(129.5±0.8) Ma、娘娘山組(126.6±1.1) Ma。具體測試對象及方法見表6所列。

表6 寧蕪盆地火山巖年齡研究數(shù)據匯總

本次研究測得龍王山銅礦點2件含礦粗安巖類鋯石U-Pb年齡分別為(129.1±2.6)、(131.2±3.6) Ma,推測龍王山銅礦點的成礦時代約為130 Ma,與文獻[4]報道的包括寧蕪盆地在內的長江中下游成礦帶斷凹區(qū)以鐵為主的成礦時間集中在130 Ma左右相吻合,兩者在誤差范圍內接近一致,均屬于早白堊世巖漿活動產物。

5.2 巖漿源區(qū)特征

關于寧蕪盆地火山巖巖漿源區(qū),文獻[16]通過主、微量元素和Nd-Sr同位素分析后認為,寧蕪盆地火山巖為交代地幔部分熔融的產物,龍王山組可能受到陸殼混染;文獻[31]將全巖主、微量元素和鋯石Lu-Hf同位素測試數(shù)據結合分析后認為，巖漿源區(qū)為由殼源熔體/流體交代的富集地幔;文獻[32]在前人巖石地球化學數(shù)據基礎上,結合鋯石Lu-Hf同位素分析后認為源區(qū)可能為一富集地幔,受少量殼源物質混染;文獻[33]通過全巖成分、Sm-Nd以及Rb-Sr同位素分析后認為，包括寧蕪盆地在內的長江中下游地區(qū)橄欖玄粗巖的母巖漿由富集的巖石圈地幔部分熔融形成,受到不同程度的地殼物質混染;文獻[34]通過全巖主、微量元素以及全巖Rb-Sr及Sm-Nd同位素分析后認為，其地幔源區(qū)可能是由中元古代俯沖板塊釋放出流體發(fā)生交代作用后形成的富集地幔;文獻[35]通過主、微量元素即稀土元素測試分析后認為其原始巖漿形成于富集地幔部分熔融。

龍王山銅礦點粗安巖類總體富集大離子親石元素,虧損高場強元素,具有明顯的Nb、Ta及Ti負異常,表現(xiàn)出富集地幔特征[36]。通常認為,堿性富鉀質巖石的巖漿源區(qū)是含有角閃石或金云母等富鉀礦物相的交代富集地幔。龍王山銅礦點粗安巖類Th/Y-Sm/Th圖解投圖如圖9所示[37]。

圖9 龍王山銅礦點粗安巖類Th/Y-Sm/Th圖解

圖9結果亦顯示富集地幔特征。一般地,與大洋俯沖相關的交代作用主要表現(xiàn)出Nb、Ta虧損,而Zr、Hf則相對于REE虧損不明顯[38-39],因而龍王山銅礦點粗安巖類巖漿源區(qū)可能為受古太平洋板塊俯沖交代的富集地幔。對于有無地殼混染,通常幔源巖漿侵入地殼過程中會不同程度受地殼物質影響[40]。龍王山銅礦點粗安巖類樣品的w(Nb)/w(Ta)值為14.25～18.25,平均值為15.45;w(Zr)/w(Hf)值為35.0～38.67,平均值為37.0；其w(Nb)/w(Ta)和w(Zr)/w(Hf)值均較接近大陸地殼值(w(Nb)/w(Ta)=11,w(Zr)/w(Hf)=33),說明該礦點粗安巖類巖漿存在地殼混染;同時,w(Nb)/w(U)值常作為判斷殼源物質混染的有效手段,龍王山銅礦點粗安巖類w(Nb)/w(U)值在2.82～3.33之間,平均值為3.15,明顯遠低于洋中脊玄武巖和洋島玄武巖的w(Nb)/w(U)值(47±10)和大陸地殼w(Nb)/w(U)值(12)[41],而U主要存在于地殼中,低的w(Nb)/w(U)值指示巖漿在上升和演化過程中有地殼物質的混入[42]。

綜上所述,寧蕪盆地龍王山銅礦點粗安巖類巖漿源區(qū)可能為受古太平洋板塊俯沖交代的富集地幔,巖漿在上升和演化過程中受到一定程度的地殼物質混染[4-16,33]。

5.3 構造背景分析

包括寧蕪盆地在內的長江中下游成礦帶中生代火山巖是中國東部火成巖省的重要組成部分,其形成受中國東部中生代燕山期的地球動力學背景制約[15]。而有關寧蕪盆地火山巖形成的構造環(huán)境,目前主要有2種觀點:① 板內拉張環(huán)境[16,28,43];② 與古太平洋板塊俯沖作用有關的活動大陸邊緣的構造背景[44-47]。

龍王山銅礦點粗安巖類構造環(huán)境判別圖解如圖10所示。

圖10 龍王山銅礦點粗安巖類構造環(huán)境La/Yb-Th判別圖

從圖10可以看出,龍王山銅礦點粗安巖類樣品投點主要落入大陸邊緣弧,指示寧蕪盆地多旋回的火山活動可能是古太平洋板塊發(fā)生俯沖作用下的產物,并形成了與火山巖有關的銅鐵金等多金屬礦。

5.4 成礦潛力分析

文獻[48]將寧蕪火山巖銅金礦劃分為3種類型:① 大平山式(細脈浸染型),賦存于龍王山組粗安質火山巖中,與龍王山組小型火山穹窿有關,礦石建造為“堿性長石-絹云母-碳酸鹽-黃銅礦”,以銅為主,伴生Bi、As、Au、Ag、Mo、Zn等;② 馬山式(含銅黃鐵礦型),分布于大王山組火山穹窿邊緣,以黃鐵礦為主,含銅低且變化大,礦石礦物組合為“磁鐵礦-黃鐵礦-黃銅礦”,伴生金和銀為痕量或不含;③ 脈狀銅金礦,伴生金、銀,或以金、銀為主。

龍王山銅礦點地處龍王山古火山口中心邊緣,銅礦體富集受古火山口、斷裂構造、火山巖巖性等因素制約。龍王山銅礦點與大平山銅礦床、大安山鐵銅礦床地質特征對比見表7所列。通過控礦因素、賦礦圍巖和礦石結構構造等礦床地質特征對比分析發(fā)現(xiàn),本次開展工作的龍王山銅礦點與鄰近的大安山銅鐵礦床以及寧蕪盆地北段的大平山銅礦床,在成巖成礦等地質特征上較為一致,故本文認為龍王山銅礦點亦為大平山式銅礦,屬火山巖型,銅的生成與火山巖有關。文獻[14]通過對大安山鐵銅礦床鉆孔剖面、巖礦石等資料詳細研究后發(fā)現(xiàn),大安山礦區(qū)在空間上呈“上銅下鐵”特征,上部銅礦與大平山式銅礦類似,下部鐵礦與白象山式鐵礦類似。

表7 龍王山銅礦點與大平山銅礦床、大安山鐵銅礦床地質特征對比

綜合上述分析,本文認為,龍王山銅礦點具有大平山式銅礦床找礦潛力,空間上亦可能類似大安山鐵銅礦床,具有“上銅下鐵”成礦特征。

6 結 論

(1) 龍王山銅礦點含礦粗安巖類加權平均年齡在(129.1±2.6)～(131.2±3.6) Ma之間,推測龍王山銅礦點的成礦時代約為130 Ma,與包括寧蕪盆地在內的長江中下游成礦帶斷凹區(qū)鐵礦成礦時間130 Ma基本一致,均屬于早白堊世巖漿活動產物。

(2) 寧蕪盆地龍王山銅礦點粗安巖類富堿、高鉀,屬橄欖玄粗巖類;大離子親石元素Rb、Ba、K富集,高場強元素Nb、Ta及Ti虧損,巖漿源區(qū)可能為受古太平洋板塊俯沖交代的富集地幔,巖漿在上升和演化過程中受到一定程度的地殼物質混染。

(3) 包括龍王山銅礦點在內的寧蕪盆地早白堊世可能形成于與古太平洋板塊俯沖作用有關的活動大陸邊緣的構造背景,寧蕪盆地多旋回的火山活動是古太平洋板塊發(fā)生俯沖作用下的產物,并形成了與火山巖有關的銅鐵金等多金屬礦。

(4) 與地質特征較為一致的其他銅礦床綜合對比后認為,龍王山銅礦點具大平山式銅礦床找礦潛力。