湘南長城嶺礦區(qū)塘下壟花崗斑巖地球化學(xué)、 鋯石U-Pb年代學(xué)及Hf同位素特征

朱恩異 , 王 雷, 任 濤 韓潤生 蔣宗和 何 昊 黃亞虎

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院, 云南 昆明 650093; 2.云南省地質(zhì)科學(xué)研究所, 云南 昆明 650051)

南嶺成礦帶位于華南中部, 呈近東西向橫跨揚(yáng)子地塊、江南造山帶以及華夏地塊, 是我國重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源基地。自中生代以來, 該區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造-巖漿活動, 形成了一系列與花崗質(zhì)巖相關(guān)的大型-超大型有色、稀有金屬礦床(毛景文等, 2007; 陳駿等, 2014; 袁順達(dá), 2017)。其中絕大部分的鎢錫稀有金屬礦床均與高分異花崗質(zhì)巖密切相關(guān)(毛景文等, 2008, 2011; 郭春麗等, 2014; Yuan et al., 2018, 2019), 礦床類型以花崗巖型、花崗偉晶巖型為主。大量的年代學(xué)數(shù)據(jù)顯示, 南嶺地區(qū)大規(guī)模鎢錫稀有金屬成礦主要集中在160～150 Ma, 稱之為成礦作用的大爆發(fā)期(華仁民等, 2005, 2010, 2013; 毛景文等, 2007, 2008, 2011; Yuan et al., 2007, 2008, 2011, 2018; 李曉峰等, 2021)。但隨著我國“三稀”礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略調(diào)查開展以來, 在南嶺地區(qū)發(fā)現(xiàn)了越來越多的三疊紀(jì)鎢錫稀有金屬礦床, 該期成巖成礦事件正逐漸受到人們的高度重視(伍靜等, 2012; 郭春麗等, 2012; Mao et al., 2013; 陳駿等, 2014; 謝桂青等, 2021)。

長城嶺銣(鈮、鉭)多金屬礦床位于南嶺成礦帶中段湘南地區(qū), 是近年來在長城嶺銻鉛鋅礦區(qū)開展深邊部找礦過程中新發(fā)現(xiàn)的超大型稀有金屬礦床(王雷等, 2019), 銣(鈮、鉭)礦體賦存于花崗斑巖中。對礦區(qū)出露的花崗斑巖體進(jìn)行野外調(diào)查后, 確定出20余個(gè)花崗斑巖體, 巖體中Rb、Nb、Ta、Li等稀有元素含量較高。已初步圈定7條銣(鈮、鉭)礦體, 長220～ 2000 m, 寬10～200 m不等, Rb2O平均品位達(dá)0.15%。前期研究認(rèn)為, Rb主要以類質(zhì)同象形式賦存于白云母和絹云母中, 且在白云母中Rb2O平均品位高達(dá)1.03%, 為可利用的云母型銣礦床, 具有巨大開采價(jià)值(朱恩異等, 2021)。銣(鈮、鉭)成礦作用與花崗斑巖的成巖作用關(guān)系極為密切, 研究花崗斑巖的成巖時(shí)代及同位素特征, 對長城嶺礦區(qū)銣成礦時(shí)代及成礦物質(zhì)來源具有一定的指示作用, 對區(qū)域上尋找同類型礦床有重要的指導(dǎo)意義。本文在詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上, 選擇長城嶺礦區(qū)蝕變較弱的近SN向塘下壟富銣花崗斑巖開展系統(tǒng)的巖石學(xué)、元素地球化學(xué)、LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年及原位Hf同位素測試等工作, 探討含礦巖體的成巖時(shí)代及成因, 同時(shí)也為進(jìn)一步找礦勘查工作提供依據(jù)。

1 礦床地質(zhì)特征

長城嶺礦區(qū)位于宜章縣北東約30 km 處, 地處贛南-桂東加里東早期后隆起地帶與湘桂海西-印支凹陷區(qū)的過渡帶, 五蓋山倒轉(zhuǎn)背斜與資興向斜之間的南端。礦區(qū)內(nèi)主要出露巖石組合為下侏羅統(tǒng)(J1)石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與砂頁巖, 上泥盆統(tǒng)佘田橋組(D3s)厚層(泥質(zhì)、白云質(zhì))灰?guī)r, 及錫礦山組(D3x)泥質(zhì)粉砂巖、中厚層灰?guī)r, 中泥盆統(tǒng)棋梓橋組(D2q) (泥質(zhì))白云巖、(泥質(zhì)、白云質(zhì))灰?guī)r。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育, 主要為NE向(F101、F102、F103、F104)、NWW向(F201、F202、F203)與近SN向斷裂, 共同組成了長城嶺礦區(qū)“棋盤式”構(gòu)造格架。礦區(qū)巖漿巖發(fā)育, 多呈巖脈狀、巖墻狀、小巖株?duì)町a(chǎn)出, 形態(tài)復(fù)雜, 巖性有花崗斑巖、石英斑巖、輝綠玢巖、輝綠巖以及玄武巖等。其中, 花崗斑巖最發(fā)育, 呈小-中型巖體(脈)分布, 地表出露和坑道揭露隱伏巖體達(dá)二十余個(gè), 受斷裂構(gòu)造控制明顯, 與構(gòu)造方向基本吻合, 總體沿NE向(如烏鴉山花崗斑巖體、羊犄壟花崗斑巖體)、NW向(如長城嶺花崗斑巖體、風(fēng)吹羅帶花崗斑巖體)、及近SN向(如上塘背花崗斑巖體、塘下壟花崗斑巖體)展布(圖1)。

長城嶺礦區(qū)長期以開采銻鉛鋅多金屬礦為主, 隨著礦山銻鉛鋅礦資源的長期消耗, 資源危機(jī)開始顯現(xiàn)。近年來, 項(xiàng)目組在該區(qū)進(jìn)行深邊部找礦勘查, 通過構(gòu)造-蝕變巖相填圖與全巖地球化學(xué)分析, 發(fā)現(xiàn)花崗斑巖中Rb、Nb、Ta等稀有元素均達(dá)到(伴生)工業(yè)品位或者邊界品位, 且以銣為主, 伴生鈮鉭(鋰)等稀有金屬, 具有全巖銣等稀有金屬礦化的特點(diǎn), 其中Rb2O平均品位可達(dá)0.15%(王雷等, 2019)。銣等稀有金屬的成礦與花崗斑巖的巖漿演化、侵位及后期熱液蝕變等有直接聯(lián)系。目前初步圈出7個(gè)稀有金屬礦體, 呈NE向、NW向及近SN向產(chǎn)出。根據(jù)現(xiàn)階段工程控制程度, 長城嶺礦區(qū)新發(fā)現(xiàn)的稀有金屬礦床可達(dá)超大型規(guī)模。其中位于礦區(qū)南部的塘下壟銣礦化花崗斑巖體, 走向近SN, 傾向東, 局部略有變化, 傾角較陡, 由南往北一直延伸至上塘背附近, 呈長帶狀分布, 是礦區(qū)內(nèi)沿走向延伸最長的銣礦體, 地表出露長約2000 m, 寬約10～50 m, 出露標(biāo)高為505～830 m。在南部探礦權(quán)內(nèi)440中段揭露到該巖體(礦體), 控制的寬度為約12 m, 與棋梓橋組灰?guī)r呈斷裂接觸。通過對440中段揭露的塘下壟巖體開展大比例尺構(gòu)造-蝕變地質(zhì)剖面測量(圖2), 根據(jù)巖性及巖體蝕變程度, 劃分為(方解石化)灰?guī)r帶、(花崗斑巖、灰?guī)r)角礫巖帶、強(qiáng)蝕變(硅化、黃鐵礦化、方解石化)花崗斑巖帶、弱蝕變花崗斑巖帶。

圖2 塘下壟巖體440中段實(shí)測構(gòu)造-蝕變剖面圖 Fig.2 Measured structural-alteration sections of the 440 level drift for the Tangxialong granite porphyry

塘下壟富銣花崗斑巖呈灰白色-淺灰綠色, 斑狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造(圖3)。斑晶主要為石英、長石和白云母, 粒徑約2～7 mm, 占巖石總體積的30%～45%。石英、白云母斑晶自形程度高, 長石斑晶部分被后期熱液蝕變?yōu)榻佋颇富蛘吒邘X土; 基質(zhì)以微細(xì)粒結(jié)構(gòu)為主, 由石英、絹云母等礦物構(gòu)成, 占巖石總體積的52%～68%。副礦物包括磷灰石、鋯石、鈮鉭鐵礦等。

圖3 塘下壟花崗斑巖巖相學(xué)照片 Fig.3 Photos of hand specimens and photomicrographs of the Tangxialong granite porphyry

2 樣品采集及分析方法

本次研究的樣品采自長城嶺440中段主巷道新揭露的花崗斑巖體和地表花崗斑巖, 采集新鮮的、弱蝕變的巖石, 采樣位置見圖1、2。其中樣品CCc65-1、CCc65-3、CCc73、CCc74-1、CCc74-2、CCc104進(jìn)行主量、微量及稀土元素測試; 樣品CG-5進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡和Hf同位素測試。

圖1 長城嶺銣多金屬礦區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)黃革非等, 2003修改) Fig.1 Geological map of the Changchengling rubidium polymetallic deposit

主量、微量和稀土元素測試在澳實(shí)分析檢測(廣州)有限公司完成。主量元素采用P61-XRF26s方法, 用PANalytical Axios X熒光光譜分析, 分析精度優(yōu)于5%; 微量和稀土元素分析采用ME-MS61r方法, 測試儀器為Agilent 7900型號的電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS), 分析精度優(yōu)于5%。

測年樣品破碎、鋯石挑選、制靶及透反射光和陰極發(fā)光圖像均在廣州拓巖檢測技術(shù)有限公司完成。通過挑選生長環(huán)帶發(fā)育且無包體及裂隙的鋯石進(jìn)行U-Pb定年和Hf同位素分析。鋯石U-Pb年齡及 Hf同位素測試在國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心LA-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室完成。鋯石定年所用儀器為New Wave esi193nm激光剝蝕系統(tǒng)和Thermo Elment XR質(zhì)譜儀組成。采用單點(diǎn)剝蝕的方式, 激光剝蝕所用斑束直徑為25 μm, 頻率為10 Hz, 能量密度約為2.5 J/cm2, 以He為剝蝕物質(zhì)的載氣, 在每測定10個(gè)樣品前后重復(fù)測鋯石國際標(biāo)樣91500(2點(diǎn))和Plesovice (1點(diǎn)), 詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測試過程見侯可軍等(2009)。數(shù)據(jù)處理采用Glitter(Version 4.0)軟件完成, 鋯石U-Pb諧和圖繪制及年齡加權(quán)平均計(jì)算采用Isoplot 3.0程序完成。

在鋯石U-Pb定年的基礎(chǔ)上運(yùn)用MC-LA-ICP-MS進(jìn)行Hf同位素原位分析, 實(shí)驗(yàn)過程中采用He作為剝蝕物質(zhì)載氣, 激光剝蝕束斑直徑為40 μm, 以鋯石國際標(biāo)樣Plseovice為參考物質(zhì), 激光剝蝕位置靠近U-Pb年齡測定點(diǎn), 詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測試過程見侯可軍等(2007)。

3 測試結(jié)果

3.1 巖石地球化學(xué)特征

長城嶺礦區(qū)塘下壟花崗斑巖的主量和微量元素測試結(jié)果見表1。由于整個(gè)花崗斑巖均發(fā)生銣等稀有金屬礦化, 巖石本身也存在一定的蝕變, 即使選擇了相對新鮮且蝕變程度較弱的樣品進(jìn)行測試, 樣品燒失量仍然較大(LOI=2.76%～5.78%)。通常, 在熱液蝕變過程中, 高場強(qiáng)元素(Zr、Nb、Ta、Hf等)、稀土元素、Th和過渡元素, 相對較穩(wěn)定(Winchester and Floyd, 1977; Hastie et al., 2007; 劉光賢等, 2017; 譚清立等, 2019; Wang et al., 2019; 李治華等, 2021)。部分主量元素如Ti、P、Al、Fe、Mn等在熱液蝕變中不易發(fā)生遷移和丟失, 但是Ca、Na、K、Sr、Ba、Rb等活動性較強(qiáng)的元素通常會發(fā)生遷移和丟失。在燒失量(LOI)與Na2O、CaO、K2O、Rb、Ba、Sr圖解中(圖4), 除CaO具有明顯的相關(guān)性外, Na2O、K2O、Rb、Ba、Sr含量略有變化, 與LOI的相關(guān)性較弱。因此, 本文主要用高場強(qiáng)元素(Zr、Nb、Ta、Hf等)、稀土元素及過渡性元素進(jìn)行討論。6件塘下壟花崗斑巖樣品的SiO2含量為72.38%～79.02% (均為扣除燒失量后歸一化的結(jié)果), 具富硅特征; Al2O3含量較高, 為13.64%～18.47%; 全堿(K2O+Na2O)含量偏低為2.40%～5.65%, K2O含量(2.36%～5.61%)遠(yuǎn)高于Na2O(0.03%～0.05%); Fe2O3T、MgO、CaO含量變化較大, Fe2O3T為 0.87%～1.13%, MgO含量為0.35%～1.10%, CaO含量為0.51%～3.10%; P2O5含量較高, 為0.05%～0.22%; TiO2、MnO含量偏低, 分別為0.01%～0.04%、0.06%～0.14%; 里特曼指數(shù)σ偏低,介于0.16～1.09之間, 屬鈣堿性巖。鋁飽和指數(shù)(A/CNK)為1.75～2.61, 在A/NK-A/CNK圖解(圖5)中, 所有樣品點(diǎn)均落入過鋁質(zhì)區(qū)域, 顯示強(qiáng)過鋁質(zhì)特征。

圖4 塘下壟花崗斑巖的Na2O、CaO、K2O、Rb、Ba、Sr與LOI協(xié)變關(guān)系圖 Fig.4 Na2O, CaO, K2O, Rb, Ba, and Sr vs.LOI plots of the Tangxialong granite porphyry

圖5 塘下壟花崗斑巖的A/NK-A/CNK圖解(底圖據(jù)Maniar and Piccoli, 1989) Fig.5 A/NK vs. A/CNK diagram of the Tangxialong granite porphyry

表1 塘下壟花崗斑巖主量元素(%)和微量元素(×10-6)分析結(jié)果 Table 1 Major (%), trace element (×10-6) concentrations of the Tangxialong granite porphyry

微量元素組成上, 塘下壟花崗斑巖具有較高的Rb(720×10-6～2000×10-6)、Ta(22.3×10-6～73.4×10-6)、Nb(58.7×10-6～87.7×10-6)等稀有金屬元素含量, 其中Rb已達(dá)伴生工業(yè)品位; 同時(shí)W(11.6×10-6～65.7×10-6)、Sn(67.3×10-6～183×10-6)含 量 也 較 高; 低 Zr/Hf (10.4～20.0)、Nb/Ta(1.2～2.6)值。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖6a)上, 所有樣品呈現(xiàn)右傾的趨勢, 巖石相對富集Rb、Th等大離子親石元素和U、Ta、Nd、Hf等高場強(qiáng)元素, 而虧損Ba、K、Sr等大離子親石元素及Zr、Ti等高場強(qiáng)元素。樣品的稀土元素總量較低(ΣREE=20.3×10-6～66.0×10-6), 輕稀土元素(LREE)為 14.2×10-6～53.2×10-6, 重稀土元素(HREE)為5.88×10-6～13.9×10-6, LREE/HREE 值 在2.4～4.8之間, (La/Yb)N=1.3～3.2, 顯示出輕稀土元素相對重稀土元素富集。在稀土元素配分圖解上(圖6b), 配分曲線呈微向右傾斜的“V”字型, 具有強(qiáng)烈的Eu負(fù)異常(δEu=0.03～0.07)和明顯的“W”型四分組效應(yīng)(TE1.3=1.13～1.20)。

圖6 塘下壟花崗斑巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(a)和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(b) Fig.6 Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) of the Tangxialong granite porphyry

3.2 鋯石U-Pb定年

花崗斑巖CG-5中的鋯石大部分為無色, 部分略帶淺黃色, 多為半自形柱狀, 粒徑為70～180 μm, 長寬比介于1∶1～3∶1。CL圖像(圖7)顯示大多數(shù)鋯石具有清晰的振蕩環(huán)帶, 為典型的巖漿鋯石, 大部分鋯石周邊可見較窄的白色透明狀的蝕變邊, 可能是后期遭受了熱液蝕變作用造成的。選取25顆鋯石進(jìn)行U-Pb同位素分析, 獲得諧和度＞90%的數(shù)據(jù)點(diǎn)23個(gè)(表2)。鋯石的Th、U含量分別為81.1×10-6～ 444×10-6、107×10-6～1017×10-6, Th/U值為0.31～0.79, 顯示了典型的巖漿鋯石特征(Hoskin and Schaltegger, 2003)。23顆鋯石的206Pb/228U年齡在217.4～227.2 Ma之間, 加權(quán)平均年齡為222.5±1.8 Ma(MSWD=0.30) (圖8), 代表花崗斑巖成巖年齡, 表明其為印支晚期巖漿侵入活動的產(chǎn)物。

圖8 塘下壟花崗班巖(CG5)中鋯石U-Pb年齡諧 Fig.8 U-Pb concordia diagram of zicon from the Tangxialong granite porphyry (CG5)

表2 塘下壟花崗斑巖(CG5)LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測試分析結(jié)果 Table 2 LA-ICP-MS U-Pb isotopic results of zircon from the Tangxialong granite porphyry (CG5)

圖7 塘下壟花崗斑巖CG5中鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像 Fig.7 CL images of zircons from the Tangxialong granite porphyry (CG5)

3.3 鋯石Hf同位素

對已完成鋯石U-Pb測年的23個(gè)有效測點(diǎn)進(jìn)行原位Hf同位素分析,εHf(t)和二階段Hf模式年齡均根據(jù)鋯石的測試年齡進(jìn)行回算, 結(jié)果見表3。鋯石的176Lu/177Hf值為0.000557～0.001879, 均小于0.002, 表明在形成以后, 沒有明顯的放射成因Hf積累, 所測得的176Hf/177Hf值(0.282465～0.282565)可以代表鋯石形成時(shí)體系的Hf同位素組成特征(吳福元等, 2007b)。鋯石的fLu/Hf值較低, 為-0.98～-0.94, 明顯小于鎂鐵質(zhì)地殼(-0.34)和硅鋁質(zhì)地殼值(-0.72), 說明二階段模式年齡(tDM2)能夠指示其源區(qū)物質(zhì)在地殼中存留的年限或從地幔中抽離的年限。根據(jù)相對測點(diǎn)鋯石U-Pb年齡計(jì)算得出εHf(t)為-6.13～-2.59 (圖9a), Hf同位素兩階段模式年齡為1414～1639 Ma (圖9b)。

圖9 塘下壟花崗斑巖(CG5)鋯石Hf同位素組成(a)和模式年齡統(tǒng)計(jì)直方圖(b) Fig.9 Histograms of Hf isotopic compositions (a) and Hf model ages (b) of zircon from the Tangxialong granite porphyry (CG5)

表3 塘下壟花崗斑巖(CG5)鋯石Hf同位素結(jié)果 Table 3 Hf isotopic compositons of zircon from the Tangxialong granite porphyry (CG5)

4 討 論

4.1 成巖時(shí)代

本文獲得塘下壟花崗斑巖的成巖年齡為222.5± 1.8 Ma(MSWD=0.30,n=23), 是印支晚期巖漿活動的產(chǎn)物。劉勇等(2012)報(bào)道的上塘背花崗斑巖成巖年齡為153±14 Ma(n=3), 認(rèn)為是燕山期巖漿活動的產(chǎn)物,但是這3顆鋯石與其他鋯石顆粒不同, 年齡數(shù)據(jù)誤差較大, 可能是后期發(fā)生了Pb丟失, 且絕大部分的鋯石U-Pb年齡集中在231～232 Ma(n=21)之間, 加權(quán)平均年齡為231.58±0.67 Ma, 該加權(quán)平均年齡與本次獲得的花崗斑巖成巖年齡也較為相近, 故本文認(rèn)為長城嶺礦區(qū)與銣(鈮鉭)多金屬成礦有關(guān)的花崗斑巖形成于印支晚期, 而不是以往認(rèn)為的燕山期。

近年來, 在南嶺地區(qū)發(fā)現(xiàn)了越來越多的印支期花崗巖(圖10), 如五團(tuán)巖體220.5 Ma(柏道遠(yuǎn)等, 2014)、211 Ma和227 Ma(黃子進(jìn)等, 2017); 五峰仙巖體236.0～233.5 Ma和221.6 Ma(陳迪等, 2017); 瓦屋塘巖體217.7 Ma(李建華等, 2014)、216.4 Ma和215.3 Ma (柏道遠(yuǎn)等, 2016); 塔山復(fù)式巖體213～247 Ma (李勇等, 2015; 馬麗艷等, 2016; 郭愛民等, 2017); 川口巖體群202～223 Ma(彭能立等, 2017); 王仙嶺巖體235 Ma(鄭佳浩和郭春麗, 2012); 柯樹嶺巖體251.5 Ma和202 Ma(郭春麗等, 2011)、231.9 Ma (Zhao et al., 2018)、230 Ma(李偉等, 2021); 清溪巖體229.3 Ma和227 Ma(于揚(yáng)等, 2012)等, 表明南嶺地區(qū)在印支期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的巖漿活動。同時(shí), 也相繼發(fā)現(xiàn)了與印支期花崗巖有關(guān)的鎢錫稀有金屬礦床, 如廣西木栗鈮-鉭-鎢-錫多金屬礦床(楊鋒等, 2009)、李貴福鎢錫多金屬礦床(鄒先武等, 2009)、與貓兒山-越城嶺復(fù)式巖體密切相關(guān)的云頭界中型鎢-鉬礦床(伍靜等, 2012)、油麻嶺鎢礦床(楊振等, 2013)及高嶺石英脈型鎢礦床(李曉峰等, 2012; 張迪等, 2015; 張迪, 2015); 湘南地區(qū)與王仙嶺巖體有關(guān)的水源山和野雞窩鎢礦床(Zhang et al., 2015)、與川口巖體有關(guān)的三角潭鎢礦床(彭能立等, 2017; Qin et al., 2020)、川口鎢礦床(Li et al., 2021)、南灣鎢礦床(Qin et al., 2020)與合江口小型鎢多金屬礦床(Liu et al., 2016)床; 贛南仙鵝塘鎢錫礦床(劉善寶等, 2008)、青山鎢礦床(Zhao et al., 2018)等。這些礦床以W礦床為主, 其次為W-Sn、W-Mo、W-Sn-Nb-Ta、W-Sn-Cu-Zn等多金屬成礦, 成礦年齡多集中于230～210 Ma, 與含礦花崗巖體的成巖時(shí)代大體一致(表4), 指示南嶺地區(qū)存在較廣泛的印支期鎢錫稀有金屬成礦作用。

表4 南嶺地區(qū)印支期鎢錫稀有金屬床形成年齡及相關(guān)巖體年齡 Table 4 Ages of the W-Sn and rare mental deposits and the associated graintes in the Nanling metallogenic belt

圖10 南嶺地區(qū)鎢錫稀有金屬床和花崗巖分布圖(據(jù)陳駿等, 2008修改) Fig.10 Geological map showing the distribution of the W-Sn and rare metal deposits and the associated graintes in the Nanling metallogenic belt

4.2 含礦巖體的成因

花崗巖成因類型可分為S型、I型、A型和M型。當(dāng)巖石經(jīng)歷高度結(jié)晶分異作用后, 還可劃分出F-I (高分異I型)和F-S (高分異S型)(Chappell and White, 1974, 1992; Whalen et al., 1987; Bonin, 2007; 吳福元等, 2007a)。區(qū)分不同類型的花崗巖需要結(jié)合礦物學(xué)和地球化學(xué)特征等進(jìn)行綜合分析, 其中角閃石、堇青石和堿性鐵鎂礦物是判別花崗巖成因類型的直接證據(jù)(吳福元等, 2007a)。在塘下壟花崗斑巖中, 未見上述標(biāo)志性礦物, 因此地球化學(xué)特征則成為了判別巖石成因類型的重要依據(jù)。

塘下壟花崗斑巖主量元素顯示出高硅(SiO2= 72.38%～79.02%), 低鐵、鈦、磷的特征; 微量元素相對富集Rb、Th、U, 虧損Ba、Sr、Zr、Ti, 具有較低的Zr/Hf(10.44～20.00)、Nb/Ta(1.2～2.6)值; 稀土元素總量低, 具有明顯的Eu負(fù)異常和稀土元素四分組效應(yīng), 表明巖體歷經(jīng)了高程度的分異演化(Dostal and Chatterjee, 2000; Breiter et al., 2014; Ballouard et al., 2016; 吳福元等, 2017; Yuan et al., 2018, 2019)。在Nb/Ta-Zr/Hf圖解(圖11a)和10000×Ga/Al-(Zr+Nb+ Ce+Y)圖解(圖11b、c)中也顯示出高分異花崗巖的特點(diǎn)。對于高分異花崗巖, 由于礦物組合和化學(xué)成分都趨近于低共結(jié)的花崗巖, 從而使巖石成因類型判別較困難(吳福元等, 2007a)。

塘下壟花崗斑巖樣品的10000×Ga/Al值(4.2～4.8)較高, 滿足 A型花崗巖(100000×Ga/Al＞2.6)的特征(Whalen et al., 1987), 但是I型和S型花崗巖經(jīng)歷了斜長石的高程度分離結(jié)晶作用后, 晚期結(jié)晶的花崗巖中Ga/Al值也會升高(馮尚杰等, 2020)。塘下壟花崗斑巖樣品Zr(平均值為35×10-6)和Zr+Nb+Ce+Y (平均值為135.93×10-6)含量明顯低于A型花崗巖的下限值(Zr=250×10-6, Zr+Nb+Ce+Y=350×10-6, Whalen et al., 1987), 且隨分異程度增強(qiáng), 表現(xiàn)出與I/S分異型花崗巖相同的演化趨勢(圖11d)。鋯飽和溫度為705～738 ℃(表1), 也明顯低于典型A型花崗巖的溫度值(833 ℃)(劉昌實(shí)等, 2003); 在Fe2O3T/MgO-SiO2圖解(圖11e)中, 樣品點(diǎn)全部落入I＆S型花崗巖區(qū)域。因此, 認(rèn)為塘下壟花崗斑巖應(yīng)該為高分異I型或S型花崗巖而不是A型花崗巖。

塘下壟花崗斑巖具有強(qiáng)過鋁質(zhì)特征(A/CNK平均值為2.19), 顯著的Eu負(fù)異常, P2O5平均含量為0.13%, 明顯不同于I型花崗巖。在TiO2-Zr圖解(圖11f)中, 樣品點(diǎn)全部落入S型花崗巖區(qū)域。在手標(biāo)本巖性觀察及顯微鏡下鑒定時(shí), 可見鋁質(zhì)礦物, 如以斑晶形式產(chǎn)出的自形-半自形原生白云母。綜上分析認(rèn)為塘下壟花崗斑巖屬于高分異的強(qiáng)過鋁質(zhì)S型花崗質(zhì)巖石。

圖11 塘下壟花崗斑巖成因類型判別圖解 Fig.11 Diagrams of genetic type discrimination for the Tangxialong granite porphyry

塘下壟花崗斑巖具有高硅、富鋁、低Co(0.20×10-6～ 0.50×10-6)、Cr(1.00×10-6～14.0×10-6)和Ni(0.70×10-6～ 1.20×10-6)的特征, 暗示其形成與地殼物質(zhì)的部分熔融有關(guān)。鋯石的εHf(t)為-6.13～-2.59, 表明其物質(zhì)來源以殼源為主, 在εHf(t)-t、176Hf/177Hf-t圖解(圖12)上, 樣品均分布于球粒隕石與平均地殼Hf同位素分異演化線之間,tDM2為1417～1642 Ma, 指示源巖來自于中元古代古老地殼物質(zhì)的部分熔融。

圖12 塘下壟花崗斑巖鋯石U-Pb年齡與Hf同位素演化圖 Fig.12 Plots of zircon U-Pb ages vs.εHf(t) and 176Hf/177Hf of the Tangxialong granite porphyry

4.3 成巖成礦地質(zhì)背景及找礦啟示

華南板塊中生代以來處于構(gòu)造活躍階段, 先后經(jīng)歷了早中生代印支運(yùn)動、晚中生代燕山運(yùn)動, 并伴隨著多期次大規(guī)模的巖漿活動。其中, 印支運(yùn)動不僅導(dǎo)致印支、華南板塊在258～243 Ma發(fā)生碰撞拼接(Nam, 1998; Carter et al., 2001; 梁新權(quán)等, 2005), 還使得華南板塊與華北板塊碰撞對接形成秦嶺-大別碰撞造山帶。華南板塊受到印支板塊向北的擠壓, 形成一系列褶皺、大型沖斷構(gòu)造, 并最終導(dǎo)致地殼加厚(王岳軍等, 2002; 孫濤等, 2003; 周新民, 2003)。由于華南印支期構(gòu)造演化歷史極為復(fù)雜, 對于華南印支期花崗巖形成的構(gòu)造背景也存在不同認(rèn)識。王岳軍等(2002)通過數(shù)值模擬研究, 認(rèn)為陸殼變形加厚作用可能是湖南印支期過鋁質(zhì)花崗巖形成的主導(dǎo)因素。一般而言, 地殼在加厚在10～20 Ma的間隔內(nèi)會發(fā)生熱-應(yīng)力的松弛作用, 進(jìn)入伸展構(gòu)造環(huán)境, 地殼減壓熔融, 從而形成花崗質(zhì)巖漿(Patio Dounce et al., 1990; Sylvester, 1998)。孫濤等(2003)對南嶺東段強(qiáng)過鋁質(zhì)花崗巖研究, 表明印支期花崗巖(228～225 Ma)形成于印支運(yùn)動主碰撞期后約20 Ma的伸展環(huán)境, 屬于后碰撞花崗巖; 梁新權(quán)等(2005)對十萬大山地區(qū)的盆地研究也表明華南從晚三疊世開始進(jìn)入應(yīng)力伸展期。前人通過對華南印支期花崗巖深入研究, 認(rèn)為印支早期花崗巖(251～234 Ma)為擠壓環(huán)境下的同碰撞花崗巖, 晚期(234～205 Ma)則轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺弓h(huán)境下的后碰撞花崗巖(Zhou et al., 2006; 于津海等, 2007; Wang et al., 2007)。長城嶺礦區(qū)塘下壟強(qiáng)過鋁質(zhì)花崗斑巖侵位時(shí)間為222.5±1.8 Ma, 與華南印支晚期花崗巖侵位時(shí)間一致, 處在印支主造山運(yùn)動后的伸展階段, 表明其形成于碰撞后伸展環(huán)境。

在南嶺地區(qū), 由于印支期成礦規(guī)模和成礦數(shù)量相對較低, 又受到燕山期成礦作用的疊加改造, 因此常被忽視。但近年來, 隨著南嶺地區(qū)越來越多的印支期成巖成礦事件被報(bào)道, 進(jìn)一步表明該區(qū)存在一次區(qū)域性的、與印支期花崗巖有關(guān)的成礦作用, 具有很好的找礦前景。長城嶺銣(鈮、鉭)礦是在老礦山深邊部找礦過程中新發(fā)現(xiàn)的稀有金屬礦床, 以銣礦化為主, 伴生鈮-鉭, 成礦元素的富集與巖漿高分異演化有關(guān), 是同一成礦系統(tǒng)演化至晚期的結(jié)果。含礦花崗斑巖的成巖年齡與區(qū)域上印支期成巖成礦時(shí)代基本一致, 推斷該礦床成礦作用屬于印支期。長城嶺銣(鈮、鉭)多金屬礦的發(fā)現(xiàn)不僅拓寬了南嶺地區(qū)中生代多金屬成礦的研究視野, 也為區(qū)域新一輪關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)找礦預(yù)測指明了方向。

5 結(jié) 論

(1) 長城嶺礦區(qū)塘下壟花崗斑巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為222.5±1.8 Ma, 表明形成于印支晚期。同時(shí)花崗斑巖為銣(鈮、鉭)礦的成礦母巖, 該成巖年齡基本上可以代表長城嶺礦區(qū)銣(鈮、鉭)礦的形成時(shí)代。

(2) 長城嶺礦區(qū)塘下壟花崗斑巖具有高硅、富鋁的特點(diǎn), 富集Rb、Th、U、Ta、Nd、Hf等元素, 虧損Ba、K、Sr、Zr、Ti等元素; 全巖稀土元素總量較低, 稀土元素配分曲線呈微向右傾斜的“V”字型, 具有明顯的Eu負(fù)異常和四分組效應(yīng); 屬于高分異強(qiáng)過鋁質(zhì)S型花崗巖。

(3) 塘下壟花崗斑巖的鋯石εHf(t)值為-6.13～ -2.59,tDM2為1417～1642 Ma, 指示源巖來自中元古代古老地殼物質(zhì)的部分熔融。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景, 認(rèn)為其形成于碰撞后伸展構(gòu)造環(huán)境。

致謝:野外工作得到宜章縣鑫聯(lián)礦業(yè)有限公司各級領(lǐng)導(dǎo)的大力支持; 兩位匿名審稿專家提出了寶貴的修改意見和建議, 在此一并致以最誠摯的感謝。