內(nèi)蒙古沙章土礦區(qū)閃長玢巖成巖時(shí)代及巖漿源區(qū)探討：鋯石U-Pb年代學(xué)、巖石地球化學(xué)及Hf同位素約束

呂云鶴, 董國臣, 趙麗瑋, 蘇 麟, 殷國棟, 湯家輝

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

二連—東烏旗成礦帶位于內(nèi)蒙古中部，發(fā)育有大量晚古生代巖漿活動(dòng)，是中亞造山帶上重要的多金屬成礦帶。阿巴嘎旗北部是該成礦帶的重要組成部分，以往的研究主要側(cè)重于該區(qū)域的寶力高廟組地層[1-6]及花崗質(zhì)侵入體[7-9]，閃長質(zhì)巖漿巖很少發(fā)育因而缺乏研究。已有的年代學(xué)研究[6-9]揭示該區(qū)寶力高廟組地層及花崗質(zhì)侵入體受海西期構(gòu)造作用影響。筆者近期在阿巴嘎旗北部沙章土Cu-Sn礦區(qū)大比例填圖中識(shí)別出隱伏的閃長玢巖，通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，目前尚無相關(guān)閃長玢巖特征及其與成礦作用相關(guān)的報(bào)道。因此，本文選擇該侵入體，利用巖石學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)、地球化學(xué)及 Hf 同位素分析研究其成巖時(shí)代、成因、演化及其與Cu-Sn成礦的關(guān)系，為區(qū)域礦產(chǎn)勘查與找礦提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)屬西伯利亞板塊東南緣古生代陸殼增生區(qū)，區(qū)域地層主要由銅山組、泥鰍河組、寶力高廟組及安格爾音烏拉組組成。柴達(dá)木復(fù)背斜核部位于本區(qū)哈達(dá)特陶勒蓋—高爾旗—莫若格欽—格勒敖包一線，區(qū)域斷裂以北東向和北西向?yàn)橹?，其中北東向斷裂先于北西向斷裂形成，同時(shí)北東向斷裂具規(guī)模較大、多期活動(dòng)及右行壓性斷裂的特點(diǎn)；北西向、東西向發(fā)育張扭性斷裂(圖1(a))，為礦體提供賦存空間。這兩個(gè)方向的斷裂構(gòu)造為本區(qū)重要的成礦構(gòu)造。

沙章土礦區(qū)位于內(nèi)蒙古阿巴嘎旗北部，北距中蒙邊界約15 km。構(gòu)造上位于二連—賀根山板塊對(duì)接帶的西北側(cè)，柴達(dá)木復(fù)背斜北西翼上，屬西伯利亞板塊東南大陸邊緣古生代陸緣增生帶東烏旗—扎蘭屯火山型被動(dòng)陸緣[10]。

礦區(qū)內(nèi)已完成區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)普查和物化探測量及區(qū)域礦產(chǎn)勘查，缺乏有關(guān)巖漿作用及相關(guān)成礦研究。地層主要為石炭系—二疊系寶力高廟組火山碎屑巖、上更新統(tǒng)阿巴嘎組橄欖玄武巖及全新統(tǒng)第四系沖洪積物(圖1(b))。地層北東走向，傾向?yàn)楸蔽?，傾角62°～65°。

礦區(qū)南部見斷裂構(gòu)造，呈北東向展布，多見后期壓性裂隙。礦區(qū)內(nèi)無侵入巖露頭，鉆孔中見閃長玢巖，侵入寶力高廟組，呈現(xiàn)西淺東深且逐漸變薄的趨勢。由于斷裂構(gòu)造的破壞、侵入巖侵入以及大面積晚古生代火山-沉積地層覆蓋，褶皺構(gòu)造形跡模糊。

礦區(qū)內(nèi)火山巖局部發(fā)育電氣石/電英巖化、硅化和褐鐵礦化現(xiàn)象，構(gòu)成蝕變巖。同時(shí)，區(qū)域地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)存在大量銅、鉛、鋅、銀和錫綜合礦致異常區(qū)，說明晚古生代侵入巖沿柴達(dá)木復(fù)背斜核部和斷裂發(fā)育部位侵入事件為本區(qū)多金屬成礦提供了基本的熱源和礦液。

圖1 沙章土地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖(a)及礦區(qū)地質(zhì)圖(b)(底圖據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)Fig.1 Regional geologic map (a) and geologic map of the Shazhangtu mining area (b)(base map according to reference [11])

2 樣品采集及測試方法

2.1 樣品信息及巖石學(xué)特征

沙章土巖體侵入該區(qū)內(nèi)寶力高廟組地層，無明顯露頭和接觸界線，通過鉆孔資料推測其主要分布于礦區(qū)的北部，呈北西—南東向延伸。巖石類型較為單一，主體為閃長玢巖，受后期巖漿構(gòu)造活動(dòng)影響，見含黃銅礦石英脈侵入，結(jié)構(gòu)不均勻，蝕變現(xiàn)象較發(fā)育。

本次工作從鉆孔ⅡZK0301、ⅤZK0001(圖1(b))中采集閃長玢巖ⅡML42、ⅡML84、ⅡML88、ⅡML89、ⅡML90共5件代表性巖心樣品，進(jìn)行巖石學(xué)、年代學(xué)和巖石地球化學(xué)分析。

閃長玢巖(圖2(a))呈灰綠色、灰黑色，塊狀構(gòu)造，具斑狀結(jié)構(gòu)，由斑晶和基質(zhì)組成。斑晶主要為自形斜長石(30%)和角閃石(10%)，斜長石發(fā)育聚片雙晶和環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖2(b))，絹云母化較強(qiáng)，角閃石蝕變?yōu)榧t色(圖2(c))，局部綠泥石化；基質(zhì)為長英質(zhì)礦物(52%～55%)及不透明礦物(3%～5%)，副礦物為鋯石、磁鐵礦等，可見細(xì)脈狀含硫化物石英脈，脈兩側(cè)見浸染狀黃銅礦及毒砂(圖2(d))。

圖2 閃長玢巖巖石手標(biāo)本及鏡下特征Fig.2 Rock hand-specimen and thin-section microscopic photos of the diorite porphyry(a)閃長玢巖手標(biāo)本；(b)斜長石(Pl)斑晶及其環(huán)帶結(jié)構(gòu)(+)；(c)絹云母化的斜長石及蝕變?yōu)榧t色的角閃石(Hbl)(+)；(d)巖體內(nèi)呈細(xì)脈狀、浸染狀分布的黃銅礦(Ccp)、黃鐵礦(Py)及毒砂(Apy)(反射光)

2.2 分析方法

2.2.1 LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb定年

LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb年齡測定所需的鋯石挑選及透射光、反射光和陰極發(fā)光(CL)圖像的采集工作均在河北省廊坊市欣航測繪院巖礦實(shí)驗(yàn)測試中心完成。先將樣品破碎，再用常規(guī)重力和磁選方法進(jìn)行分選獲得鋯石，在雙目鏡下挑選晶形和透明度較好的鋯石顆粒，置于環(huán)氧樹脂中制成鋯石樣靶。同時(shí)對(duì)其進(jìn)行拋光處理，使其曝露一半晶面，對(duì)鋯石進(jìn)行透射光和反射光顯微照相以及陰極發(fā)光圖像分析，用以檢查鋯石的內(nèi)部環(huán)帶、裂隙、包裹體分布等情況，幫助選擇適宜的定年測試點(diǎn)位。

LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡測定在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)工程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室礦床地球化學(xué)微區(qū)分析室完成，詳細(xì)的儀器參數(shù)和分析流程參見文獻(xiàn)[12]。對(duì)分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對(duì)樣品和空白信號(hào)的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Pb同位素比值和年齡計(jì)算)采用軟件ICPMS Data Cal[13-14]完成，普通鉛校正方法見文獻(xiàn)[15]。鋯石樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡加權(quán)平均計(jì)算采用Isoplot 4.15[16]完成。測試結(jié)果見表1。

2.2.2 巖石地球化學(xué)分析測試

全巖的主量元素測定于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，實(shí)驗(yàn)采用X射線熒光光譜法(XRF)分析，分析精度優(yōu)于5%。全巖微量元素和稀土元素測試在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，分析儀器Agilent 7700e ICP-MS，誤差小于5%。

2.2.3 鋯石Hf同位素測試

鋯石Hf 同位素分析在中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)測試室完成。測試樣品分析點(diǎn)位置與鋯石測年位置基本相同，儀器為Thermo Fisher Neptune型多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)和193 nm氟化氬準(zhǔn)分子激光器(NEWWAVE 193nm FX)，儀器運(yùn)行條件、詳細(xì)分析流程和數(shù)據(jù)校正方法見耿建珍等[17]。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb年代學(xué)

閃長玢巖(ⅡML84)陰極發(fā)光圖像(CL)(圖3)顯示，鋯石呈自形-半自形粒狀，晶形較好，單顆粒長度為100～150 μm，長寬比為1.5∶1.0～2∶1，振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)發(fā)育，屬于巖漿成因的鋯石[18]。鋯石的Th/U比值在0.31～0.59之間,全部大于0.3，亦表明其巖漿成因的特征[19-20]。因此，鋯石年齡能代表其形成年齡。

表1 沙章土閃長玢巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb測年分析結(jié)果

圖3 沙章土礦區(qū)閃長玢巖樣品鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像及年齡Fig.3 Zircon CL images and ages of diorite porphyrite sample in Shazhangtu mining area

圖4 沙章土礦區(qū)閃長玢巖鋯石U-Pb諧和圖(a)和 206Pb/238U加權(quán)平均年齡圖(b)Fig.4 Zircon U-Pb concordia (a) and 206Pb/238U weighted average age diagrams (b) of the diorite porphyrite in Shazhangtu mining area

在諧和年齡圖(圖4(a))中，20個(gè)測年數(shù)據(jù)點(diǎn)都投影在諧和線及其附近，說明樣品自形成以來其U-Pb同位素體系保持相對(duì)封閉，鋯石中沒有發(fā)生Pb丟失或較少有Pb丟失。樣品ⅡML84的206Pb/238U 諧和年齡為(311.1±1.7) Ma(圖4(a))、加權(quán)平均年齡為(312.4±1.6) Ma(圖4(b))，代表了沙章土礦區(qū)閃長玢巖的結(jié)晶年齡，屬于海西期晚石炭世巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

3.2 巖石地球化學(xué)特征

3.2.1 主量元素

5件閃長玢巖全巖樣品的主量元素分析結(jié)果如表2所示。樣品的SiO2含量變化范圍為56.19%～60.45%，平均為57.27%；Al2O3為16.64%～17.31%，平均16.92%；CaO為2.52%～5.26%，平均4.43%；Na2O為2.29%～2.85%，平均2.63%；K2O為1.94%～3.01%，平均2.57%；K2O+Na2O為4.81%～5.87%，平均5.34%；K2O/Na2O為0.71～1.32，里特曼指數(shù)(σ)為1.55～2.31， A/NK為2.18～2.57， A/CNK為1.00～1.43，顯示為鈣堿性系列巖石。TFe2O3為8.37%～9.46%，平均9.08%；MgO為1.92%～3.58%，平均3.15%；MnO為0.06%～0.15%，平均0.12%；P2O5為0.26%～0.31%，平均0.29%；TiO2為0.87%～1.03%，平均0.98%。可見Al、Fe、Mg、Ca等氧化物含量較高，而P、Ti等氧化物含量較低，顯示出貧P貧Ti的特征。

在侵入巖TAS圖解中，樣品數(shù)據(jù)投點(diǎn)均落在閃長巖區(qū)域(圖5(a))，在K2O-Na2O圖解(圖5(b))中落于鉀質(zhì)區(qū)域，在SiO2-K2O圖解(圖5(c))中均落到高鉀鈣堿性巖石系列范圍內(nèi)，在A/CNK-A/NK圖解(圖5(d))中落入過鋁質(zhì)區(qū)；因此，沙章土閃長玢巖為高鉀鈣堿性、過鋁質(zhì)巖石。

3.2.2 稀土及微量元素

沙章土礦區(qū)閃長玢巖的稀土和微量元素分析結(jié)果見表3。巖石的稀土元素總量(REE)不高，介于139.62×10-6～150.67×10-6之間，平均值為144.72×10-6，低于大陸地殼REE豐度值(146.37×10-6)；其輕、重稀土元素比值LREE/HREE介于6.05～6.60之間，平均6.29，為輕稀土元素相對(duì)富集型，巖體的輕、重稀土分餾不明顯。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖(圖6(a))為右傾平滑曲線，(La/Yb)N值介于5.95～6.96之間，輕稀土元素富集、重稀土元素虧損，輕、重稀土元素分異明顯；(La/Sm)N值介于2.49～2.97之間，(Gd/Lu)N值介于1.60～1.93之間，表明稀土元素在巖漿結(jié)晶分異過程中發(fā)生了分餾,其中輕稀土元素分異顯著，重稀土元素分異程度低。δEu值介于0.63～0.98之間，平均值為0.87，顯示出較弱的負(fù)銪異常。

表2 沙章土礦區(qū)閃長玢巖主量元素(%)分析結(jié)果

圖5 沙章土礦區(qū)閃長玢巖巖石類型圖解Fig.5 Rock type diagrams of the diorite porphyrite in Shazhangtu mining area(a)TAS圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[21]);(b) K2O-Na2O圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[22]);(c) SiO2-K2O圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[23]);(d) A/CNK-A/NK圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[24])

表3 沙章土礦區(qū)閃長玢巖稀土元素(10-6)和微量元素(10-6)分析結(jié)果

根據(jù)巖石的微量元素分析結(jié)果(表3)繪制出微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖6(b))，可以看出，5件樣品均呈現(xiàn)出相對(duì)富集大離子親石元素K、Rb及高場強(qiáng)元素Zr、Th、U，顯著虧損Nb、Ta、P、Hf和Ti等高場強(qiáng)元素的特征。

3.3 Hf同位素地球化學(xué)特征

取測年樣品(IIML84)20顆鋯石中的11顆鋯石進(jìn)行Hf同位素測試，測試數(shù)據(jù)(表4)表明大多數(shù)鋯石的176Lu/177Hf 小于0.002，說明鋯石在形成以后沒有積累明顯的放射性成因Hf，因此巖漿形成時(shí) Hf 同位素的組成可用176Hf/177Hf比值來代表[27]。

圖6 沙章土礦區(qū)閃長玢巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖(a)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b)(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)文獻(xiàn)[25]，原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)文獻(xiàn)[26])Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized multi-element spider diagram (b) of the diorite porphyrite in Shazhangtu mining area(chondrite normalizing values after reference [25] and primitive mantle-normalizing values after reference [26])

表4 沙章土礦區(qū)閃長玢巖 LA-ICP-MS 鋯石Hf同位素分析結(jié)果

圖7 沙章土礦區(qū)閃長玢巖鋯石εHf(t)-t圖解(a)和176Hf/177Hf-t圖解(b)(底圖據(jù)文獻(xiàn)[32])Fig.7 Zircon εHf(t)-t (a) and 176Hf/177Hf-t (b) diagrams of the diorite porphyrite in Shazhangtu mining area(base map according to reference [32])

4 討 論

4.1 成巖時(shí)代

本次研究選取沙章土礦區(qū)的閃長玢巖樣品(ⅡML84)進(jìn)行鋯石U-Pb定年工作，樣品鋯石顆粒結(jié)晶較好，振蕩環(huán)帶清晰，具有清晰的巖漿鋯石特征。結(jié)合鋯石U-Pb諧和圖和206Pb/238U年齡加權(quán)平均圖(圖4)，最終獲得LA-ICP-MS鋯石U-Pb諧和年齡為(311.1±1.7) Ma、206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(312.4±1.6) Ma，可代表閃長玢巖的侵位年齡，測試結(jié)果表明沙章土礦區(qū)閃長玢巖屬于晚石炭世巖漿作用的產(chǎn)物。

前人曾對(duì)興蒙造山帶中段巖漿活動(dòng)進(jìn)行研究，認(rèn)為興蒙造山帶中段在晚古生代發(fā)育的兩期巖漿活動(dòng)與二連—東烏旗成礦帶上多金屬礦床的形成具有密切關(guān)系[33-36]，成巖時(shí)代分別為石炭紀(jì)(340～300 Ma)和二疊紀(jì)(298～257 Ma)[37-38]。沙章土礦區(qū)閃長玢巖測得的成巖時(shí)代與前人測得的區(qū)域成礦巖漿活動(dòng)時(shí)代[39-40]保持一致，說明沙章土閃長玢巖具有成礦的地質(zhì)基礎(chǔ)；同時(shí)，石炭系—二疊系寶力高廟組火山碎屑巖未見成礦，閃長玢巖中發(fā)育脈狀及浸染狀黃銅礦，亦表明研究區(qū)成礦作用與海西期巖漿侵入活動(dòng)關(guān)系密切。綜上所述，故推測沙章土礦區(qū)閃長玢巖可能與沙章土錫銅礦成礦具有相關(guān)性。

4.2 巖漿源區(qū)

沙章土閃長玢巖具有高鉀過鋁、貧磷貧鈦的地球化學(xué)特征，其中Al2O3的含量為16.64%～17.31%，平均含量為16.92%，Al2O3>16% 的高鋁特征是島弧巖漿巖的重要標(biāo)志之一[41]。在Y-Sr/Y圖解(圖8(a))中，所有樣品數(shù)據(jù)投點(diǎn)均落于經(jīng)典島弧巖漿巖區(qū)域;在Ba/La-Th/Yb圖解(圖8(b))中，顯示其成因與俯沖板片攜帶的流體有關(guān)。地球化學(xué)分析結(jié)果也顯示該閃長玢巖具有與板塊俯沖環(huán)境有關(guān)的島弧巖漿巖的親緣性。

在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖6(b))中，大離子親石元素K、Rb和高場強(qiáng)元素Zr、Th、U等明顯富集，顯著虧損Nb、Ta、P、Hf、Ti 等高場強(qiáng)元素，顯示了俯沖帶巖漿巖的地球化學(xué)特征[44-45]。Ta、Nb、Ti 的明顯虧損，同樣也反映巖漿可能受到了地殼物質(zhì)的混染或者與俯沖有關(guān)的流體交代作用[46]。同時(shí)高場強(qiáng)元素一般難溶，這與消減帶的巖漿作用有關(guān)。據(jù)此可推斷沙章土閃長玢巖是形成于匯聚板塊邊緣的火成巖。

圖8 沙章土礦區(qū)閃長玢巖Y-Sr/Y圖解((a),底圖據(jù)文獻(xiàn)[42])和Ba/La-Th/Yb圖解((b),底圖據(jù)文獻(xiàn)[43])Fig.8 Y-Sr/Y diagram ((a),base map according to reference [42]) and Ba/La-Th/Yb diagram ((b),base map according to reference [43]) of the diorite porphyry in Shazhangtu mining area

圖9 沙章土礦區(qū)閃長玢巖 Rb/Y-Nb/Y圖解和 Nb/Zr-Th/Zr圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[48])Fig.9 Rb/Y-Nb/Y diagram and Nb/Zr-Th/Zr diagram of the diorite porphyry in Shazhangt mining area (base map according to reference [48])

閃長玢巖的Nb/Ta值為13.08～14.19，平均為13.82，明顯高于殼源巖漿的Nb/Ta值(11～12)，低于幔源巖漿的Nb/Ta值(17.5)[47]，反映成巖物質(zhì)具有殼?；旌系奶卣?；Zr/Hf值為39.06～44.80，平均為42.59，遠(yuǎn)高于大陸地殼值(11)，接近原始地幔值(37)，指示巖漿的形成與地幔有關(guān)。在 Rb/Y-Nb/Y和Nb/Zr-Th/Zr 圖解(圖9(a)和(b))中可以看出，閃長玢巖表現(xiàn)出流體交代富集的趨勢。

在樣品的鋯石εHf(t) -t圖解(圖7(a))及176Hf/177Hf-t(圖7(b))中，數(shù)據(jù)投點(diǎn)全部位于球粒隕石和虧損地幔演化線之間，顯示其巖漿源區(qū)具幔源物質(zhì)組成的特性。鋯石的 εHf(t)值均為正值，εHf(t)>0反映巖漿起源于地幔，而εHf(t)<0則反映巖漿起源于地殼物質(zhì)[49]，因此推斷沙章土閃長玢巖巖漿源區(qū)與地幔有關(guān)。

綜合上述分析，筆者認(rèn)為沙章土礦區(qū)閃長玢巖是與板塊俯沖環(huán)境有關(guān)的島弧巖漿巖，其巖漿源區(qū)可能是由俯沖板片脫水交代上覆地幔楔，熔融體上升發(fā)生底侵作用，加熱并誘發(fā)新生基性下地殼部分熔融，上升演化形成的殼?；煸磶r漿。

5 結(jié) 論

(1)沙章土礦區(qū)閃長玢巖成巖年齡為(311.1±1.7)Ma，屬晚石炭世海西期，與區(qū)域成礦巖漿活動(dòng)時(shí)代保持一致，推測其與沙章土錫銅礦成礦相關(guān)。

(2)沙章土礦區(qū)閃長玢巖具低SiO2、高鉀過鋁和富鐵、鎂、鈣，以及貧磷貧鈦的特征，屬于高鉀鈣堿性、過鋁質(zhì)中性巖石；富集輕稀土元素和大離子親石元素K、Rb及高場強(qiáng)元素Zr、Th、U，相對(duì)虧損重稀土元素和高場強(qiáng)元素Nb、Ta、P、Hf、Ti，顯示了板片俯沖帶島弧巖漿巖的地球化學(xué)特征。

(3)根據(jù)沙章土礦區(qū)閃長玢巖鋯石Hf同位素模式年齡及εHf(t)值特征，推斷閃長玢巖巖漿源區(qū)來自殼幔混源區(qū)，可能是由俯沖板片脫水交代上覆地幔楔，熔融體上升而發(fā)生底侵作用，加熱并誘發(fā)新生基性下地殼部分熔融，上升演化而形成的殼?；煸磶r漿。

致謝：野外工作得到了內(nèi)蒙古自治區(qū)一一五地質(zhì)隊(duì)郭軍和孫乾坤等同志的大力支持，在測試分析和數(shù)據(jù)解釋過程中得到了中國地質(zhì)大學(xué)(北京)王宇菲和常澤光等的幫助，審稿人對(duì)本文也提出了寶貴意見，在此一并表示感謝。