廣西龍圍地區(qū)石英脈型銅礦中硫化物Re-Os測年及意義

付 嵩，李社宏，馬文恩，蔣 超，謝卓麟，吳金銘，胡煦闞，張紫桐

(1.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545005)

0 引 言

廣西大瑤山地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，受其控制有大量熱液型金、銀、銅、鉛鋅等金屬礦床產(chǎn)出[1-4]。其中，在大瑤山西北地區(qū)，已發(fā)現(xiàn)近百個(gè)石英脈型銅鉛鋅礦床，它們的礦體形態(tài)簡單，礦石組成相同或相似，主要賦存在中—下泥盆統(tǒng)地層的近SN向斷層內(nèi)[5-8]。關(guān)于這些礦床的形成時(shí)間，存在加里東期、海西—印支期、燕山期和多期演化的認(rèn)識[2,6,9-11]，卻少有相關(guān)礦床測年數(shù)據(jù)的報(bào)道。

大瑤山地區(qū)石英脈型礦床往往與加里東期或燕山期巖漿活動(dòng)有關(guān)[2-3,12-13]。在大瑤山西北，主要出露大進(jìn)、樸全和嶺祖3個(gè)加里東期酸性小巖珠，它們形成于414～446 Ma[7,14-16]，形成時(shí)間早于礦體所在的中—下泥盆統(tǒng)地層(354～410 Ma)，從而有學(xué)者否定了該區(qū)熱液型礦床與加里東期巖漿活動(dòng)的關(guān)系[14-15]。

1 地質(zhì)背景

廣西大瑤山位于揚(yáng)子板塊與華夏板塊碰撞帶的西南段。整個(gè)大瑤山隆起地區(qū)主要發(fā)育寒武紀(jì)、泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)巨厚沉積地層。巖漿巖多在中南部地區(qū)出露，以加里東期和燕山期中酸性侵入巖為主[13,24-26]。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，有NE向、SN向和EW向，研究表明部分?jǐn)鄬釉诩永飽|期已經(jīng)具有雛形，此后經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)[27-28]?？傮w上，大瑤山具有南部金礦、西部鉛鋅礦和西北部銅礦的分布特征[2-3,6,29]。

大瑤山西北部出露寒武系和泥盆系地層，其中泥盆紀(jì)蓮花山組、那高嶺組和東崗嶺組地層是石英脈型銅礦的賦礦地層(圖1)。斷層以SN向、NE向和NW向?yàn)橹?，SN向斷層是主要容礦斷層，向北延伸的部分出現(xiàn)NW、NE分支或偏轉(zhuǎn)。大瑤山西北部沉積地層較厚，僅有大進(jìn)、嶺祖和樸全3個(gè)小巖體出露，巖性為花崗巖和花崗閃長巖，與寒武紀(jì)地層呈侵入接觸關(guān)系。區(qū)內(nèi)典型銅礦床有雅當(dāng)、那馬、大樂、龍圍、寨寶、六定、長樂、三角礦床等，這些礦床均分布在斷層石英脈中，礦體呈串珠狀、豆莢狀，地表常見鉛鋅、重晶石和褐鐵礦化。該地區(qū)銅礦石產(chǎn)出品位較高，平均達(dá)到2%～6%。龍圍地區(qū)的龍圍、雅當(dāng)、寨寶、六定和長樂5個(gè)礦床比較集中，分布在3條東西相距約1.5 km的SN向斷層中。由于礦權(quán)分割，它們被歸為不同礦床，這些礦床地質(zhì)特征、礦體空間展布、礦石結(jié)構(gòu)組成一致，具有相同的成因，成為本次研究的對象。

1.1 礦床特征

龍圍地區(qū)位于廣西大瑤山西北金秀縣三江鄉(xiāng)龍圍至六定一帶，屬于大瑤山隆起的西北部(圖1)。區(qū)內(nèi)僅出露下泥盆統(tǒng)蓮花山組(D1l)碎屑巖。該組下段為紫紅-淺灰色中厚層狀砂巖(633～674 m)，上段紫紅色中薄層狀砂巖、泥質(zhì)砂巖夾少量頁巖、泥灰?guī)r等(610～740 m)。地層主體傾向西，傾角10°～25°。地層受構(gòu)造應(yīng)力和熱液蝕變影響，大部分巖石破碎，多組節(jié)理發(fā)育，可見沿著裂隙和層理蝕變現(xiàn)象。

區(qū)內(nèi)發(fā)育3條近SN向的容礦斷層。F1羅蘿—金龍河斷裂SN向延伸，全長約35 km，區(qū)內(nèi)出露其北段，寬1.5～8 m，向北延伸略偏東，傾向265°～285°，傾角65°～82°，控制了長樂、寨寶等礦山的部分礦體。F2為金秀—六定斷裂，全長約26 km，區(qū)內(nèi)出露其北段部分，主體走向近SN，有明顯的東西向波動(dòng)，破碎帶寬0.5～3 m，傾向255°～290°，傾角67°～85°。F3位于F1和F2之間，長4.5 km，寬0.5～2.5 m，傾向85°～105°，傾角76°～87°，主體走向近SN，傾向東，南部呈NNW向，北部呈NNE向延伸，發(fā)育羽狀小斷裂F3-1。此外，區(qū)內(nèi)有少量順層逆斷層，規(guī)模小，右行錯(cuò)斷礦體，斷距5～30 m，屬于破礦構(gòu)造(圖2)。

區(qū)內(nèi)存在10余段礦體，分別賦存在F1、F2、F3和F3-1斷裂帶中(圖2)。礦體呈脈狀或串珠狀，單礦塊一般長50～780 m，水平面上有較顯著的等間距(1.5 m)分布的規(guī)律性。垂向上，礦體在地表10～50 m為氧化礦，具有重晶石化、鉛鋅礦化和褐鐵礦化特征；深部為原生硫化物礦體，嚴(yán)格受斷層控制，控制礦體標(biāo)高為216～750 m。F3與F3-1斷層內(nèi)礦體向深部延伸具有匯合趨勢(圖3)。礦體厚度一般在0.2～1.8 m，平均0.85 m，傾角67°～78°，銅品位0.4%～6.83%，平均2.35%，伴生少量鉛鋅，區(qū)內(nèi)銅金屬資源量超過1×105t。

工業(yè)礦石主要是充填在斷裂帶和裂隙內(nèi)石英脈中的硫化物(圖4a)。礦石有塊狀構(gòu)造、細(xì)脈-網(wǎng)脈狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造、角礫狀構(gòu)造、斑點(diǎn)-斑雜狀構(gòu)造等，具有半自形-它形粒狀結(jié)構(gòu)(圖4b、e、f)、交代結(jié)構(gòu)(圖4b、c)、交代殘余結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)(圖4b、c、d)、反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)和海綿隕鐵結(jié)構(gòu)等。礦石礦物主要有黃鐵礦、黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦、方鉛礦、閃鋅礦等，脈石礦物主要有石英、重晶石、方解石、螢石、云母等礦物。根據(jù)礦石礦物的共生組合關(guān)系可以劃分礦石中主要礦物的結(jié)晶順序?yàn)椋狐S鐵礦、石英→黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦→方鉛礦、閃鋅礦→石英、重晶石→銅藍(lán)、褐鐵礦(氧化蝕變)。

研發(fā)投入強(qiáng)度(RD)：創(chuàng)新與制造業(yè)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，本文使用研發(fā)投入占GDP的比重衡量創(chuàng)新程度，記為RD。

黃鐵礦的碎裂結(jié)構(gòu)和交代結(jié)構(gòu)表明：黃鐵礦結(jié)晶后受應(yīng)力作用發(fā)生了碎裂，然后含銅熱液充填交代黃鐵礦固結(jié)形成礦石。因此，黃鐵礦可能受到構(gòu)造和熱液的干擾，其Re-Os測年數(shù)據(jù)可靠性相對較差。然而，已有一些論文利用碎裂交代結(jié)構(gòu)的黃鐵礦Re-Os測年，來解決多期次金屬礦物的結(jié)晶問題[22-23]。本文采用同一礦石中的黃鐵礦和黃銅礦分別開展Re-Os測年，并結(jié)合巖石礦物特征綜合分析。

2 采樣和測試分析

2.1 采樣及測試

本次在龍圍地區(qū)F1、F2和F3含礦斷層內(nèi)的平硐和鉆孔采集5件石英脈內(nèi)原生硫化物礦石。HY-2位于F2內(nèi)320中段，HY-3位于F2內(nèi)275中段，HY-4位于F2內(nèi)鉆孔海拔206 m處，HY-5位于F3內(nèi)鉆孔海拔247 m處，HY-6位于F1內(nèi)300中段。礦石內(nèi)主要礦物為黃銅礦、黃鐵礦、斑銅礦、輝銅礦和石英等。樣品采集后送北京領(lǐng)航測試中心挑選黃銅礦和黃鐵礦，選擇粒度大于0.1 mm的礦物顆粒進(jìn)行測試。

在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，采用N-TIMS法，完成黃銅礦Re-Os 同位素組成測定。用AG1X8陰離子樹脂對Re進(jìn)行分離和純化，Triton型熱電離質(zhì)譜儀(美國 Thermo-Fiser儀器公司)對Os同位素組成進(jìn)行測定，二次電子倍增器(SEM)動(dòng)態(tài)跳峰方式測定OsO3-(質(zhì)量數(shù)分別為233、235、236、237、238、240)。在Xseries-2型電感耦合等離子體質(zhì)譜(美國Thermo-Fiser儀器公司)上對Re含量進(jìn)行測量。全流程的Os空白為0.3～0.8 pg，Re為5～14 pg，對測量結(jié)果的影響可以忽略，具體流程見文獻(xiàn)[20]。

2.2 測試結(jié)果

本次5件黃銅礦、黃鐵礦樣品測試結(jié)果分別見表1、表2。黃銅礦Re含量為(23.87±6.9)×10-12～(318.41±21.96)×10-12，Os含量為(0.255±0.025)×10-12～(2.964±0.057)×10-12，187Re/188Os范圍在227.58～3 313.98，187Os/188Os的范圍在9.42～22.83。采用衰變系數(shù)1.66×10-11a-1,運(yùn)用Isoplot軟件進(jìn)行回歸處理，黃鐵礦Re和Os含量分別為(115.16±11.7)×10-12～(262.9±13.29)×10-12和(0.467±0.019)×10-12～(1.487±0.021)×10-12，擬合出等時(shí)線年齡(417±25) Ma，187Os/188Os初始值(2.37±0.68)，MSWD=0.92(圖5)。黃銅礦樣品的Re-Os等時(shí)線年齡為(243±18) Ma，權(quán)重均方差MSWD=0.45，初始值為(8.5±0.24)(圖5)。

表1 黃銅礦Re-Os同位素?cái)?shù)據(jù)

表2 黃鐵礦Re-Os同位素?cái)?shù)據(jù)

黃銅礦和黃鐵礦中Re和Os含量均比較低，易引起等時(shí)線年齡較大范圍的波動(dòng)。國內(nèi)外關(guān)于黃銅礦、黃鐵礦和磁黃鐵礦Re-Os測年時(shí)，等時(shí)線數(shù)據(jù)范圍較大的情況在許多礦床中均有報(bào)道。如廣東大寶山硫化物中磁黃鐵礦(410±16) Ma，黃銅礦(243±41) Ma[30]；新疆阿舍勒銅鉛礦中黃銅礦為(342±11) Ma[31]；大紅山黃銅礦為(1 115±28) Ma[32]，西藏當(dāng)雄磁黃鐵礦(309±31) Ma[33]。青海駝路溝鈷(金)礦床中黃鐵礦測得(432±23) Ma和(442±17) Ma[19]；西藏拉烏銅礦床中磁黃鐵礦為(309±31) Ma[33]。大瑤山地區(qū)巖漿、構(gòu)造和熱液活動(dòng)具有多期性，導(dǎo)致對黃銅礦和黃鐵礦的Re-Os同位素測年有影響，不能僅憑數(shù)據(jù)進(jìn)行推演，因此我們結(jié)合巖石礦物和區(qū)域巖漿成礦規(guī)律進(jìn)行討論。

3 討 論

3.1 黃鐵礦結(jié)晶時(shí)間

本次獲得黃鐵礦Re-Os 等時(shí)線年齡為(417±25) Ma，屬于加里東期，但黃鐵礦受到后期構(gòu)造和熱液疊加作用，加里東期是否存在黃鐵礦結(jié)晶事件還需要結(jié)合地質(zhì)和成礦等因素進(jìn)一步分析討論。華夏-揚(yáng)子板塊的俯沖或碰撞作用，使大瑤山地區(qū)加里東期巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈[7,34]。研究認(rèn)為該期構(gòu)造作用是引起華南地區(qū)在印支期、燕山期發(fā)生大規(guī)模金屬成礦作用的關(guān)鍵原因之一[25,29]。

大瑤山中南部發(fā)育大量的加里東期酸性侵入巖和與之有關(guān)的金、鉬和銅礦床[10-11,13,26,34-35]，而大瑤山西北加里東期礦床測年數(shù)據(jù)匱乏。盡管前人總結(jié)出加里東期是斑巖-夕卡巖-石英巖脈型鎢鉬銅礦成礦期[2]，是多期成礦中含礦熱液初次活動(dòng)期[12,27]。但是有關(guān)礦床年齡的報(bào)道相對較少，精確定年更少。羅永恩[5]2009年在桂西北銅鉛鋅礦床的硫化物礦石中，計(jì)算出方鉛礦Pb同位素模式年齡：3件樣品為429～452 Ma，9件樣品為329～378 Ma，1件樣品為202 Ma。龍華鎳鈷礦床賦存在大進(jìn)巖體附近的NE向斷層中，其中砷鎳礦Re-Os精確定年為(462.6±8.5) Ma[4]。大進(jìn)巖體內(nèi)存在含鉛鋅礦化的細(xì)石英脈，采用云母Ar-Ar定年法獲得熱液活動(dòng)時(shí)間為(399.3±3.6) Ma[13]，見圖7。本次獲得的黃鐵礦年齡數(shù)據(jù)，為黃鐵礦結(jié)晶時(shí)間提供了依據(jù)。

華南加里東運(yùn)動(dòng)可以分為460～440 Ma的華南洋俯沖云開陸塊和440～400 Ma的揚(yáng)子板塊與云開陸塊碰撞及拉張階段[24]。大進(jìn)、樸全和嶺祖巖漿巖年齡集中在414～446 Ma，地球化學(xué)分析顯示其為I型或A型，有地幔物質(zhì)的加入[7,14-16]，這為硫化物結(jié)晶提供了良好的物質(zhì)條件。我們對研究區(qū)黃鐵礦進(jìn)行電子探針測試，獲得40組數(shù)據(jù)，Co/Ni比值變化范圍較大，投影Co-Ni圖(圖8)，具有地層和巖漿共同成因的特征。黃鐵礦的187Os/188Os初始值為(2.37±0.68)，明顯高于地幔比值范圍(1.2～1.3)，低于平均大陸殼的比值(3.63)[36]。綜合以上分析，黃鐵礦結(jié)晶可能是在加里東晚期碰撞后拉張環(huán)境下，巖漿作用地層形成的，但該年齡還需要進(jìn)一步工作驗(yàn)證。

3.2 黃銅礦結(jié)晶時(shí)間

實(shí)驗(yàn)獲得黃銅礦Re-Os 等時(shí)線年齡為(243±18) Ma，屬于印支期早期。大瑤山地區(qū)關(guān)于印支期的巖漿和礦床報(bào)道很少。然而從構(gòu)造和成礦規(guī)律分析入手，一些學(xué)者認(rèn)為印支期具有成礦潛力[5,9,12]。在1∶5萬和1∶20萬地質(zhì)圖中可以判別出近SN向容礦斷層活化的相對時(shí)間是晚泥盆世—中三疊世，SN向斷層切穿寒武紀(jì)、泥盆紀(jì)和早—中石炭世地層，被少量出露的三疊紀(jì)地層覆蓋。古應(yīng)力場和構(gòu)造分析認(rèn)為晚二疊世—中三疊世，NW—SE向的區(qū)域擠壓作用造成SN向容礦斷層的左行走滑[37]。作者前期采集斷層F3中礦體附近的斷層泥，挑選粒度1 μm以下的伊利石，使用Ar-Ar法測年失敗。之后用一份副樣品進(jìn)行K-Ar法測年，獲得年齡(242.4±5.1) Ma，與黃銅礦年齡基本一致。因此我們認(rèn)為，印支期容礦斷層活化和含銅熱液沿著斷層充填交代是同期的，是該區(qū)銅礦床形成的關(guān)鍵。

廣西南部十萬大山—大容山一帶，有大量240～260 Ma的酸性侵入巖群和部分鐵鎂質(zhì)巖漿出露[37-38]，其東北延伸通過大瑤山南部。這在人和—南安、古里腦金礦和龍頭山地區(qū)出現(xiàn)了243～264.4 Ma的花崗巖和長英質(zhì)巖脈可以印證[2,27,39]。大瑤山西側(cè)象州到武宣地區(qū)沿?cái)嗔亚秩氲亩鄺l酸性巖脈，全巖K-Ar測年獲得了243.8 Ma[6]。研究區(qū)南側(cè)馬練地區(qū)煌斑巖脈K-Ar測年獲得了257 Ma的數(shù)據(jù)[40]。由此可見，印支期巖漿和熱液活動(dòng)在大瑤山西北地區(qū)有存在痕跡，由于地表巨厚的古生代泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)地層覆蓋，出露較少。地球物理也證實(shí)在大瑤山西北深部存在一個(gè)較大的隱伏巖體[5]。

黃銅礦的187Os/188Os初始值為(8.5±0.24)，與元古宙變質(zhì)沉積巖的187Os/188Os 9.68接近[41]，說明黃銅礦物質(zhì)來源與深部古老沉積基底有關(guān)。巖石地球化學(xué)特征表明大容山附近該時(shí)段的酸性漿巖，為元古宙殼源物質(zhì)重熔產(chǎn)物[37-38]。因此我們認(rèn)為，龍圍銅礦的含銅熱液形成與印支期隱伏的巖漿和熱液活動(dòng)有關(guān)。

本次獲得黃銅礦結(jié)晶年齡(243±18) Ma，首次厘定了龍圍地區(qū)石英脈型銅礦的成礦年齡，也為大瑤山西北地區(qū)存在印支期成礦熱液活動(dòng)提供了證據(jù)。

3.3 礦床成因認(rèn)識

從黃鐵礦和黃銅礦的測年數(shù)據(jù)顯示，龍圍地區(qū)銅礦床的礦石形成從加里東期黃鐵礦結(jié)晶開始，到印支期主要含銅礦物結(jié)晶充填，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)歷史時(shí)間。在大瑤山西北，有加里東期巖漿和含礦熱液活動(dòng)，形成了少量鉛、鋅等礦化線索，在寒武紀(jì)地層的斷層中形成鈷鎳銅等石英脈型礦體，但數(shù)量比較少，礦體規(guī)模不大[4,7]。研究區(qū)處于碰撞后拉張環(huán)境[24]，利于含礦熱液從地層和巖漿中分離出金屬元素，進(jìn)行初次富集。但黃鐵礦的年齡(417±25) Ma還有待進(jìn)一步研究確定。

礦石中黃鐵礦的碎裂和黃銅礦的交代現(xiàn)象，在大瑤山西北地區(qū)妙皇、那馬、雅當(dāng)和三角等銅礦床中均有明顯表現(xiàn)。黃鐵礦發(fā)育剪切裂隙、穿晶裂隙和碎裂流動(dòng)等現(xiàn)象，表明黃鐵礦受到外動(dòng)力作用破碎。印支期區(qū)域上NW向的擠壓作用，造成了寒武紀(jì)、泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)地層的普遍破碎[39]，同時(shí)活化了近SN向斷層，為熱液充填提供了空間。

伴隨含礦斷層的活化，含銅熱液沿容礦斷層貫入，充填交代碎裂的黃鐵礦，黃銅礦在(243±18) Ma結(jié)晶形成礦石。此后，礦體未經(jīng)受較大的應(yīng)力作用，黃銅礦和石英晶體形態(tài)保持完整。目前龍圍地區(qū)礦體揭露深度有限，本次采集60件包裹體樣品，溫度集中在108～256 ℃之間，與前人關(guān)于該區(qū)的包裹體溫度基本一致[5-6]，屬于中低熱液礦床。

綜合分析，我們認(rèn)為大瑤山西北地區(qū)石英脈型銅礦的形成，可能與加里東期和印支期巖漿和熱液活動(dòng)有關(guān)，本次研究為其提供了Re-Os測年數(shù)據(jù)，可靠的結(jié)論還有待更多證據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

(1)對大瑤山西北龍圍地區(qū)石英脈型銅礦石中黃鐵礦和黃銅礦展開Re-Os同位素測年，獲得黃鐵礦等時(shí)線年齡(417±25) Ma(MSWD=0.92)，黃銅礦等時(shí)線年齡(243±18) Ma(MSWD=0.45)，由于兩件樣品Re和Os含量低，可能受到后期構(gòu)造熱液活動(dòng)疊加影響，加里東期是否存在成礦事件，還需要進(jìn)一步研究。

(2)龍圍地區(qū)銅礦石形成，經(jīng)歷了黃鐵礦結(jié)晶、黃鐵礦碎裂和含銅熱液充填交代等過程，最終在印支期固結(jié)成礦。本次研究為大瑤山西北地區(qū)存在印支期成礦熱液活動(dòng)提供了證據(jù)。

致謝：感謝龍圍銅礦、寨寶銅礦、六定銅礦和長樂銅礦業(yè)主和技術(shù)人員的支持和幫助，感謝審稿老師提出的意見，感謝編輯老師的辛勤付出。