幕阜山南緣仁里稀有金屬礦區(qū)7號偉晶巖脈、輝石閃長巖脈特征及地質(zhì)意義

陳劍鋒, 文春華, 黃建中, 張錦煦, 汪 程, 唐 勇, 呂正航, 周芳春, 陳 虎, 曹創(chuàng)華, 陳宇鵬

幕阜山南緣仁里稀有金屬礦區(qū)7號偉晶巖脈、輝石閃長巖脈特征及地質(zhì)意義

陳劍鋒1, 2, 3, 文春華2*, 黃建中2, 張錦煦2, 汪 程3, 唐 勇4, 呂正航4, 周芳春5, 陳 虎5, 曹創(chuàng)華2, 陳宇鵬2

(1. 湖南省煤炭地質(zhì)勘查院, 湖南 長沙 410114; 2. 湖南省地質(zhì)調(diào)查所, 湖南 長沙 410116; 3. 中南大學, 有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室, 湖南 長沙 410083; 4. 中國科學院 地球化學研究所, 貴州 貴陽 550081; 5. 湖南省核工業(yè)地質(zhì)局 三一一大隊, 湖南 長沙 410100)

位于湖南幕阜山南緣的仁里稀有金屬礦床是國內(nèi)近年新發(fā)現(xiàn)的超大型偉晶巖型鈮鉭礦床。針對礦區(qū)內(nèi)二云母偉晶巖的形成年齡、物質(zhì)來源以及偉晶巖與花崗巖之間的關(guān)系等科學問題, 選擇對仁里礦區(qū)最具典型特征的7號偉晶巖脈以及內(nèi)部的輝石閃長巖脈進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年和Hf同位素分析, 以及巖石地球化學測試。結(jié)果顯示, 仁里礦區(qū)7號偉晶巖脈和輝石閃長巖脈的鋯石U-Pb年齡分別為141.5±0.8 Ma和137.2±0.6 Ma, 均形成于早白堊世; 綜合偉晶巖、輝石閃長巖鋯石Hf()值和二階段模式年齡(DM2)相近的特征, 以及輝石閃長巖中稀有金屬元素豐度很高, 且富集不相容元素Rb、U、Nd和明顯虧損Ba、Nb、Sr、P、Ti等特征, 認為礦區(qū)偉晶巖的成巖、成礦物源主要為地殼的部分熔融。偉晶巖與花崗巖在時空上的關(guān)系以及Hf同位素特征等顯示礦區(qū)二云母偉晶巖的母巖為黑云母二長花崗巖。

鋯石U-Pb定年; Hf同位素組成; 地球化學特征; 偉晶巖脈; 輝石閃長巖; 仁里礦區(qū)

0 引 言

花崗巖偉晶巖作為一種賦存Li、Be、Nb、Ta、Rb、Cs、Zr、Hf 等具重要戰(zhàn)略意義稀有金屬的巖石類型(London, 2008, 2018; 張輝等, 2019)而備受地質(zhì)礦產(chǎn)界關(guān)注, 開展偉晶巖的成巖成礦作用研究不但可為其成因及演化提供重要科學依據(jù), 而且對稀有金屬礦床的找礦勘查具有重要指導價值。

位于湖南幕阜山巖體南緣的仁里偉晶巖型稀有金屬礦床是國內(nèi)新發(fā)現(xiàn)的超大型鈮鉭礦床, 湖南省核工業(yè)局311大隊在礦區(qū)普查階段所探獲的Ta2O5和Nb2O5資源量分別為10791 t(平均品位0.036%)和14057 t(平均品位0.047%)(劉翔等, 2018), 使其成為華南目前已知最大規(guī)模的鈮鉭礦床。該礦床被列入中國地調(diào)局2017年的十大找礦成果, 近年來在礦區(qū)內(nèi)開展了一系列的成巖成礦作用研究(李鵬等, 2017; 劉翔等, 2018, 2019; 石威科等, 2020)。研究主要集中圍繞礦區(qū)成礦規(guī)模最大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)分帶良好的仁里5號偉晶巖脈展開, 并從礦物學(李樂廣等, 2019)、年代學(Li et al., 2020; Xiong et al., 2020; 周芳春等, 2020)、成巖成礦機制(周芳春等, 2019a)、巖漿?熱液演化(王臻等, 2019; 楊晗等, 2019; 周芳春等, 2019b)等角度展開了系統(tǒng)工作, 取得了系列認識。

整體上, 仁里礦區(qū)內(nèi)出露的偉晶巖脈在礦物組合、侵入圍巖以及含礦性特征等方面差別迥異, 以往的工作主要聚焦在礦區(qū)含礦性最好的5號偉晶巖脈上, 而礦區(qū)內(nèi)出露的大多數(shù)不含礦偉晶巖脈, 目前尚未對其開展研究工作。

在對礦區(qū)偉晶巖系統(tǒng)的巖石礦物學以及含礦性等特征考察基礎(chǔ)上, 本次選擇與5號偉晶巖脈在成巖成礦特征上迥異, 而最具典型代表的仁里7號偉晶巖脈以及其內(nèi)部的輝石閃長巖脈為研究對象, 對其進行LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年代學、鋯石Hf同位素分析, 以及輝石閃長巖的巖石地球化學特征分析, 以探討偉晶巖脈和輝石閃長巖脈的侵位時限、巖石成因以及成巖成礦作用等問題。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

幕阜山稀有金屬礦集區(qū)位于揚子陸塊東南緣、江南新元古代造山帶中段北緣的湘東北斷隆帶(湖南省地質(zhì)調(diào)查院, 2017), 大地構(gòu)造位置屬揚子陸塊與華夏陸塊的中間過渡部位(圖1a)。

區(qū)內(nèi)巖漿活動強烈, 形成最早武陵期花崗閃長巖侵入體(鄧奇等, 2016)和以燕山期花崗巖為主體(李樂廣等, 2019)呈北西向展布的幕阜山大型復式花崗巖基。區(qū)域地層上, 除北東部外, 幕阜山巖體周圍大面積分布、或呈孤立殘丘覆蓋在花崗巖基上的地層為新元古界青白口系冷家溪群(圖1b), 其巖性為一套淺變質(zhì)灰?灰綠色絹云母泥板巖、條帶狀板巖、粉砂質(zhì)板巖、巖屑雜砂巖和片巖, 局部夾火山巖, 總厚6700～10127 m(高林志等, 2011; 湖南省地質(zhì)調(diào)查院, 2017; 楊雪等, 2020)。寒武系、奧陶系、志留系以及白堊系僅出露于幕阜山巖體北東部, 第四系分布在區(qū)域內(nèi)溪流兩側(cè)及其階地地帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造總體為北西向?近東西向, 整體表現(xiàn)為以早期北西向為主的褶皺基底構(gòu)造, 經(jīng)印支運動形成統(tǒng)一的近東西向褶皺構(gòu)造, 后期疊加燕山運動, 形成北北東向、北東向斷裂構(gòu)造(劉翔等, 2018)。區(qū)內(nèi)成礦作用強烈, 如在巖體內(nèi)及接觸帶附近分別發(fā)現(xiàn)大型鉛鋅礦、螢石礦及一系列鈾礦床(點)(葉柏莊, 2006; 陜亮等, 2017); 其中巖體北部的斷峰山鈮鉭礦床(李樂廣等, 2019)以及南部的仁里鈮鉭礦床(劉翔等, 2018)為近年國內(nèi)在稀有金屬礦床找礦工作方面的重大突破。此外, 在巖體內(nèi)還分布大量的鈹(鈮鉭)礦床(點), 顯示出了幕阜山地區(qū)優(yōu)越的稀有金屬成礦條件及找礦前景。

圖1 幕阜山稀有金屬礦集區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)簡圖(據(jù)李鵬等, 2017; 周芳春等, 2020修改)

2 礦區(qū)地質(zhì)及巖相學特征

仁里鈮鉭稀有金屬礦區(qū)位于幕阜山巖體南緣(圖1)。礦區(qū)出露地層較單一, 為新元古界青白口系冷家溪群云母片巖, 冷家溪群分布于礦區(qū)南部, 與幕阜山巖體呈侵入接觸關(guān)系; 此外少量第四系砂礫石層呈條帶狀沿礦區(qū)河流階地覆蓋在巖體及冷家溪群片巖之上(圖2)。礦區(qū)斷裂主要呈北北東向?北東向, 主要包括有壓扭性斷裂F12、F84以及張扭性斷裂F75, 次級構(gòu)造發(fā)育(圖2), 在地層內(nèi)可見小型的褶皺及節(jié)理裂隙帶。

礦區(qū)內(nèi)巖漿活動強烈, 其中幕阜山巖體燕山期粗–中粒斑狀黑云母二長花崗巖分布于礦區(qū)北部, 與地層接觸處顯示片麻狀構(gòu)造特征; 二云母二長花崗巖分布于礦區(qū)北東部梅樹灣一帶(圖2); 另礦區(qū)還可見中細粒白云母二長花崗巖呈小巖株侵入(Xiong et al., 2020)。武陵期三墩、鐘洞及梅仙花崗巖體分布于礦區(qū)南部, 主要巖性為中粒黑云母閃長花崗巖(圖2)。

仁里礦區(qū)分布有規(guī)模較大的偉晶巖脈140余條, 根據(jù)其主要礦物云母的類型, 可分為二云母偉晶巖和白云母偉晶巖。具體表現(xiàn)為以幕阜山巖體與地層接觸界線為界, 一組為侵入于巖體內(nèi)部的二云母偉晶巖, 約95條, 巖脈產(chǎn)狀雜亂無序, 二云母偉晶巖中長石以微斜長石為主, 通常不具備稀有金屬礦化或以Be礦化為主, 個別見鈉長石化及白云母化的巖脈中含細小的針狀鈮鉭礦。另一組為侵入于冷家溪群中的白云母偉晶巖脈, 約45條, 大多數(shù)巖脈產(chǎn)狀與礦區(qū)冷家溪群片理產(chǎn)狀一致, 整體走向北西, 傾向南西。白云母偉晶巖中長石包含有微斜長石和鈉長石, 表現(xiàn)為由巖體邊緣向外圍, 長石類型由以微斜長石為主逐漸轉(zhuǎn)為以鈉長石為主(圖2)。礦區(qū)的鈮鉭礦主要分布在白云母偉晶巖脈的2、3、5、6 號礦脈中, 其中5號與2號偉晶巖礦脈的Ta2O5資源量分別占整個礦區(qū)Ta2O5資源量的67%和17%。除鈮鉭礦外, 在西北部的46、47號白云母偉晶巖脈中富含鋰輝石, 5號脈的核部帶中也見有鋰云母和鋰電氣石等礦物。整體上, 從巖體內(nèi)部往南經(jīng)巖體邊緣至稍遠離巖體, 偉晶巖中成礦組合呈Be→Be、Nb、Ta→Li、Be、Nb、Ta過渡演化的特征。

1. 第四系; 2. 冷家溪群片巖; 3. 細粒二云母二長花崗巖; 4. 中粒二云母二長花崗巖; 5. 粗–中粒似斑狀黑云母二長花崗巖; 6. 粗–中粒片麻狀黑云母二長花崗巖; 7. 新元古代二云母斜長花崗巖; 8. 白云母偉晶巖脈及其編號; 9. 二云母偉晶巖脈及編號; 10. 斷裂; 11. 偉晶巖類型分帶界線; 12. 采樣位置及編號。偉晶巖分帶類型: Ⅰ. 微斜長石型; Ⅱ. 微斜長石鈉長石型; Ⅲ. 鈉長石型; Ⅳ. 鈉長石鋰輝石型。

仁里7號偉晶巖脈(以下簡稱7號脈)位于仁里稀有金屬礦區(qū)北部(圖2), 與幕阜山巖體粗?中粒斑狀黑云母二長花崗巖呈侵入接觸關(guān)系。7號脈走向北西, 在地表沿走向長約2～3 km, 寬80～140 m, 傾向190°～200°, 傾角50°～80°, 為礦區(qū)巖體內(nèi)出露規(guī)模最大的一條偉晶巖脈, 具有很強的代表性(3a)。偉晶巖內(nèi)部見有明顯的結(jié)構(gòu)分帶, 主要以文象結(jié)構(gòu)帶和石英?云母帶為主, 局部可見塊體微斜長石帶, 巖石礦物組成主要有微斜長石、石英、黑云母、白云母(圖3b、c)等, 副礦物有石榴子石、電氣石等。對垂直其走向的百余件刻槽樣分析結(jié)果顯示, 7號脈中的Nb含量為0～15′10?6, Ta含量<2′10?6(周芳春等, 2017), 因此, 該脈不具備鈮鉭礦化。

輝石閃長巖脈侵入于7號脈內(nèi)部(圖3a), 兩者接觸界線呈波形彎曲狀(圖3b), 局部見兩者有相間穿插的現(xiàn)象, 表明兩者為塑性侵入關(guān)系。巖脈呈深綠色, 傾向南西(～250°), 傾角65°～80°; 寬約1 m, 上部見尖滅于偉晶巖脈中(圖3a); 其礦物組成主要為斜長石、角閃石、黑云母、輝石和石英。顯微鏡下顯示斜長石具有明顯的聚片雙晶(圖3d), 自形?半自形板狀, 含量約占50%; 輝石為單斜輝石, 呈半自形粒狀、板狀結(jié)構(gòu), 含量約5%～10%; 黑云母呈自形片狀, 含量約10%～15%; 角閃石為普通角閃石, 半自形粒狀、長柱狀結(jié)構(gòu), 含量約15%～20%; 石英粒度較小, 半自形粒狀, 含量約5%; 巖石不具明顯輝長結(jié)構(gòu)(圖3d)。巖脈兩側(cè)與7號脈接觸部位可見有較強的綠泥石化、綠簾石化等, 而巖脈中心部位除輕微的綠泥石化外(圖3d), 未見其他蝕變作用。

礦物代號: Bt. 黑云母; Chl. 綠泥石化; Cpx. 單斜輝石; Mc. 微斜長石; Mu. 白云母; Or. 角閃石; Pl. 斜長石; Qtz. 石英。

3 樣品采集和分析測試方法

本次用于年代學研究的樣品(20-RL7-1、20-RL7-2)采于新開基公路陡坎壁, 其中樣品20-RL7-2采于7號偉晶巖脈中部, 樣品20-RL7-1采于輝石閃長巖脈中; 用于主量、微量元素分析的樣品(RL-01～04)采集于輝石閃長巖內(nèi)部(中心部位)未受蝕變的部位。具體采樣位置見圖2。

主量、微量元素分析在中國科學院地球化學研究所礦床國家重點實驗室完成。主量元素測試采用Axios(PW4400)型X射線熒光光譜儀, 測試精度優(yōu)于3%; 微量元素測試采用Finnigan MAT公司生產(chǎn)的ELEMENT型高分辨等離子質(zhì)譜儀。

鋯石單礦物在無污染環(huán)境下用人工重砂方法分離(包括手工碎樣、水洗、磁選), 然后在雙目鏡下挑選出晶形較好、具代表性的鋯石, 用環(huán)氧樹脂充分固定顆粒、拋光, 制成樣品靶。鋯石CL圖像、U-Pb定年以及Hf同位素分析均在中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室完成。

鋯石U-Pb測試分析儀器為Perkinelmer 生產(chǎn)的ELAN DRC-e型等離子質(zhì)譜儀, 配套GeoLasPro 193 nm型準分子激光剝蝕系統(tǒng), 束斑直徑為32 μm。原始測試數(shù)據(jù)采用ICPMSDataCal軟件處理(Liu et al., 2008, 2010)。普通Pb校正方法參照Andersen (2002),206Pb/238U加權(quán)平均年齡計算和諧和圖繪制采用ISOPLOT軟件(Ludwig et al., 2003)。

LA-MC-ICP-MS 鋯石Hf同位素分析測試在中國科學院地球化學研究所礦床國家重點實驗室激光微區(qū)分析實驗室完成。多接收器型號電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)為英國Nu Instruments公司制造的Nu Plas Ma Ⅲ。剝蝕系統(tǒng)為Australian Scientific Instruments制造的RESOlution-S155 193 nm ArF 準分子激光, 準分子能量密度約為6.0 J/cm2, 束斑直徑為60mm, 頻率為6 Hz, 共剝蝕40 s, 剝蝕氣溶膠由氦氣送入MC-ICP-MS完成測試。測試過程中每隔30顆樣品鋯石, 測試5種標準鋯石(包括GJ-1、91500、Ple?ovice、Mud Tank、Penglai),同時每5顆樣品測試1顆Penglai鋯石標樣, 以檢驗鋯石Hf同位素比值數(shù)據(jù)質(zhì)量。采用176Yb/173Yb=0.7962以及176Lu/175Lu=0.02655(Vervoort et al., 2004)扣除176Yb和176Lu對176Hf的同量異位干擾, 采用173Yb/171Yb=1.13017和179Hf/177Hf=0.7325分別對Yb 同位素和Hf 同位素進行指數(shù)歸一化質(zhì)量歧視校正(Segal et al., 2003)。

4 分析結(jié)果

4.1 鋯石U-Pb定年結(jié)果

4.1.1 偉晶巖(20-RL7-2)

偉晶巖中大多數(shù)鋯石呈自形, 長柱狀, 透明?半透明, 粒徑較大, 在200～500 μm 之間。陰極發(fā)光圖像顯示, 大多數(shù)鋯石發(fā)育微弱的環(huán)帶結(jié)構(gòu)或者可見巖漿環(huán)帶殘留(圖4a); 少數(shù)鋯石顆粒內(nèi)部局部孔隙發(fā)育, 呈海綿狀, 不具分帶現(xiàn)象。由于高U含量或殘余流體的作用, 一些鋯石具弱蛻晶質(zhì)化。根據(jù)透射光、反射光以及陰極發(fā)光特征, 本次研究選擇了環(huán)帶部位、無裂紋、表面清晰或者不發(fā)光但是反射光均一的鋯石進行U-Pb年齡分析, 共獲18個年齡數(shù)據(jù)(表1)。結(jié)果顯示, 鋯石Th含量為(82.2～620)×10?6, U含量為(5354～21886)×10?6, Th/U值為0.02～0.03。其中測點09和18的206Pb/238U年齡較老, 均為150±1 Ma, 推測其應為捕獲鋯石。其余16顆鋯石206Pb/238U年齡相近, 為140±2 Ma～142±2 Ma,且這些點均位于諧和線上或附近(圖5a), 獲得其加權(quán)平均年齡為141.5±0.8 Ma(MSWD=0.22)(圖5b), 代表了偉晶巖的形成年齡。

4.1.2 輝石閃長巖(20-RL7-1)

輝石閃長巖中鋯石呈自形、短軸狀(圖4b), 半透明?不透明, 粒徑相對較小, 為60～120 μm。陰極發(fā)光圖像中, 多數(shù)鋯石幔部或邊部具模糊的分帶結(jié)構(gòu), 部分鋯石顆粒核部見有空隙發(fā)育, 基本無分帶現(xiàn)象。由于高U含量, 輝石閃長巖鋯石內(nèi)部經(jīng)歷較明顯的蛻晶質(zhì)化。

選擇輝石閃長巖中無裂紋、表面清晰、具環(huán)帶特征的鋯石進行U-Pb年齡分析, 獲得17個年齡數(shù)據(jù)(表1)。其Th含量為(1148～94754)×10?6, U含量為(14936～77327)×10?6, Th/U值介于0.08～1.24之間,206Pb/238U年齡為136±1 Ma～139±1 Ma, 加權(quán)平均值137.2±0.6 Ma(MSWD=0.26)(圖5d)。

圖4 仁里7號偉晶巖和輝石閃長巖鋯石陰極發(fā)光圖像(實線圓圈為U-Pb測試位置, 虛線圓圈為Hf同位素測試部位)

表1 仁里礦區(qū)7號偉晶巖和輝石閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結(jié)果

續(xù)表1:

圖5 仁里7號偉晶巖和輝石閃長巖鋯石U-Pb年齡諧和圖(a、c)和加權(quán)平均年齡圖(b、d)

4.2 鋯石Hf同位素特征

4.2.1 偉晶巖(20-RL7-2)

對偉晶巖中的18顆鋯石進行了Hf同位素測試, 獲得其176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值分別為0.014481～ 0.082928和0.000487～0.002803(表2), 其中除點11和17外, 其他測點176Lu/177Hf值均小于0.002, 表明鋯石形成以后, 具較少放射成因Hf的積累, 因而初始176Hf/177Hf值代表鋯石形成時的176Hf/177Hf值(吳福元等, 2007), 可以用于示蹤巖漿源區(qū)特征。

表2 仁里礦區(qū)7號偉晶巖和輝石閃長巖鋯石Lu-Hf同位素分析結(jié)果

注:Hf()=10000×{[(176Hf/177Hf)S?(176Lu/177Hf)S×(e?1)]/[(176Hf/177Hf)CHUR, 0?(176Lu/177Hf)CHUR×(e?1)]?1};DM1=1/×ln{1+[(176Hf/177Hf)S?(176Hf/177Hf)DM]/[(176Hf/177Hf)S?(176Hf/177Hf)DM]};DM2=DM1?(DM1?)×[(cc?s)/(cc?DM)];Lu/Hf=(176Lu/177Hf)S/(176Lu/177Hf)CHUR?1, 其中=1.867×10?11a?1(Soderlund et al., 2004); (176Lu/177Hf)S和(176Hf/177Hf)S為樣品同位素組成; (176Lu/177Hf)CHUR=0.0332, (176Hf/177Hf)CHUR, 0=0.282772(Blichert-Toft and Albarède, 1997); (176Lu/177Hf)DM=0.0384, (176Hf/177Hf)DM=0.28325(Griffin et al., 2000); (176Lu/177Hf)mean crust=0.015;cc=[(176Lu/177Hf)mean crust/(176Lu/177Hf)CHUR]?1;s=Lu/Hf;DM=[(176Lu/177Hf)DM/(176Lu/177Hf)CHUR]?1;=鋯石結(jié)晶年齡。

樣品的Lu/Hf值介于?0.99～?0.92之間, 明顯小于鐵鎂質(zhì)地殼的Lu/Hf值(?0.34; Amelin et al., 1999)和硅鋁質(zhì)地殼的Lu/Hf值(?0.72; Vervoot et al., 1996), 因此其二階段模式年齡更能反映源區(qū)物質(zhì)從虧損地幔抽取的時間(或其源區(qū)物質(zhì)在地殼的平均存留年齡)。

176Hf/177Hf值為0.282443～0.282530(表2), 平均值為0.282486, 顯示Hf同位素成分較均一; 對應Hf()變化范圍為?8.69～?5.34, 平均值?7.1; 地殼模式年齡DM2變化范圍在1535～1740 Ma之間(表2), 平均值為1640 Ma。

4.2.2 輝石閃長巖(20-RL7-1)

對輝石閃長巖中14顆粒徑稍大的鋯石進行Hf同位素測試, 其中僅測點1、5、6中的176Lu/177Hf值小于0.002, 可以有效反映巖漿源區(qū)信息。這3顆鋯石的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值分別為0.029803～0.51760和0.001145～0.001920,176Hf/177Hf集中在0.282458～0.282472之間, 得到Hf()與DM2變化范圍分別為?8.25～?7.74與1677～1909 Ma(表2)。而其余11個測點的176Lu/177Hf值均大于0.002, 顯示鋯石內(nèi)部存有放射成因Hf的積累(吳福元等, 2007), 不能準確反映巖漿源區(qū)特征。

4.3 輝石閃長巖主量、微量元素特征

仁里礦區(qū)輝石閃長巖主量、微量元素組成見表3。結(jié)果顯示, 仁里礦區(qū)輝石閃長巖具較低的SiO2(50.09%～52.89%)和Na2O(0.87%～2.15%)含量, 而K2O(2.49%～3.34%)、CaO(8.66%～12.56%)、Fe2O3T(6.83%～7.88%)、MgO(12.07%～15.92%)含量較高, Mg#值(78.05～80.31)高; 全堿(Na2O+K2O)含量為4.19%～ 4.64%。在TAS圖解(圖6a)上, 所有樣品點均落入輝石閃長巖區(qū)域, 其里特曼指數(shù)(σ)為2.18～2.38, Na2O/K2O值小于1, 表現(xiàn)為富K的特征。在K2O-SiO2圖解(圖6b)中, 樣品均落在高鉀鈣堿性系列與鉀玄巖系列內(nèi)。樣品燒失量(LOI=1.53%～2.20%)較低, 表明巖石未經(jīng)歷明顯的后期蝕變作用, 因此, 其地球化學特征可以反映巖漿源區(qū)性質(zhì)(Karsli et al., 2017)。

表3 仁里礦區(qū)輝石閃長巖主量(%)和微量元素(′10?6)組成

續(xù)表3:

圖6 仁里礦區(qū)輝石閃長巖TAS(a;底圖據(jù)Irvine and Baragar, 1971; Middlemost, 1994)及K2O-SiO2圖解(b;底圖據(jù)Peccerillo and Taylor, 1976)

輝石閃長巖的稀土總量相對較低(ΣREE= 106×10?6～156×10?6, LREE/HREE值為27.0～33.7, 具較強的輕、重稀土元素分異和微弱Eu負異常(δEu=0.77～0.84)。在球粒隕石標準化稀土元素配分曲線圖上, 樣品整體呈右傾配分模式(圖7a)。

輝石閃長巖Co(26.6′10?6～35.7′10?6)、Ni (75.2′10?6～179′10?6)、Cr(620′10?6～1268′10?6)含量較高。在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖7b)中, 樣品明顯富集不相容元素Rb、U、Nd等, 相對虧損高場強元素Nb、Ta、P、Ti和堿土金屬元素Ba、Sr。

5 討 論

5.1 偉晶巖的形成年齡

幕阜山巖體外圍的5號偉晶巖脈侵入于冷家溪群淺變質(zhì)片巖中, 是礦區(qū)成礦規(guī)模最大的一條偉晶巖脈, 為白云母偉晶巖的典型代表。近年關(guān)于礦區(qū)內(nèi)偉晶巖脈成巖成礦年齡的研究工作也主要集中在5號偉晶巖上, 如Li et al. (2020)獲得5號脈中鋯石的U-Pb年齡為131.2±2.4 Ma; 周芳春等(2020)獲得礦區(qū)5號偉晶巖脈的輝鉬礦Re-Os年齡為130.5±1.1 Ma; Xiong et al. (2020)和Li et al. (2020)分別獲得5號脈鉭鐵礦和鈮鐵礦的U-Pb年齡為141.0±2.3 Ma和133.0±2.6 Ma。綜上, 仁里5號脈的成巖成礦年齡應介于140～130 Ma之間。

本次研究的7號脈位于幕阜山花崗巖體的內(nèi)部, 為礦區(qū)內(nèi)不含礦的二云母偉晶巖脈。鋯石U-Pb定年分析獲得7號脈的年齡為141.5±0.8 Ma; 而與7號巖脈呈塑性侵入關(guān)系的輝石閃長巖脈形成年齡為137.2±0.6 Ma。結(jié)果表明, 輝石閃長巖侵位年齡與礦區(qū)內(nèi)含礦偉晶巖的形成年齡相近, 稍晚于其圍巖7號脈的形成年齡, 但均為早白堊世。與礦區(qū)內(nèi)5號偉晶巖脈(131.2±2.4 Ma; Li et al., 2020)以及礦區(qū)2號脈、3號脈、47號脈形成年齡(均為含礦偉晶巖, 135～137 Ma, 本課題組未發(fā)表數(shù)據(jù))相比, 7號脈的形成年齡更早, 暗示了礦區(qū)存在兩期偉晶巖侵位, 即幕阜山巖體內(nèi)部早期不含礦的二云母偉晶巖脈和巖體外圍侵位于片巖中的晚期含礦偉晶巖脈。

圖7 仁里輝石閃長巖球粒隕石標準化圖稀土元素配分圖(a; 標準化值據(jù)Sun and McDonough et al., 1995)和原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(b;標準化值據(jù)Boynton, 1984)

5.2 成巖成礦的物質(zhì)來源及構(gòu)造背景

Hf同位素研究顯示, 7號脈中鋯石Hf同位素組成較均一,Hf()變化范圍較窄, 主要集中于?8.7～?5.9之間(表2; 圖8a、c); 其二階段模式年齡為1535～ 1740 Ma, 暗示巖石為中元古代古老地殼的部分熔融形成(Vervoort et al., 2000; Griffin et al., 2002, 2006)。Li et al. (2020)獲得Nb-Ta礦化的5號脈鋯石Hf()和DM2分別為?8.3～?6.6(平均為?7.2)和1.61～1.72 Ga(圖8c、d), 表明礦區(qū)7號脈與5號脈具有相似的鋯石Hf同位素組成, 指示兩者為同源。進一步對比發(fā)現(xiàn), 礦區(qū)偉晶巖鋯石Hf同位素組成與礦區(qū)內(nèi)燕山期(146.2～138.3 Ma)黑云母二長花崗巖、二云母二長花崗巖特征相似(圖8b、c、d), 顯示它們之間具有相同物源的特征, 即礦區(qū)巖漿巖主要起源于元古代地殼的部分熔融, 并且可以推斷偉晶巖與黑云母二長花崗巖、二云母二長花崗巖之間具有成因聯(lián)系。

輝石閃長巖鋯石Hf同位素特征顯示, 盡管多顆鋯石的176Lu/177Hf值均大于0.002, 顯示其內(nèi)部可能存有放射性Hf同位素的積累, 但仍有少量鋯石保留了源區(qū)的Hf同位素信息, 這些鋯石具有與7號脈中鋯石Hf同位素相類似的特征, 其Hf()與DM2值變化范圍分別為?8.3～?7.7與1677～1709 Ma, 同樣也指示了殼源的特征。

Y、Ho具有相似的地球化學行為, 可有效指示成礦流體的來源(Atanasova et al., 2020), 礦區(qū)輝石閃長巖Y/Ho值介于27.41～30.91之間(表 3), 與球粒隕石Y/Ho值(28±3; Jochum et al., 1989)相當, 表明研究樣品未受后期流體的改造。Nb/Ta值可指示巖漿形成時地殼組分的參與程度(白宜娜等, 2016; 蔣昊原等, 2020), 仁里礦區(qū)輝石閃長巖Nb/Ta 值為11.68～27.17, 平均值為19.4, 具有與地幔Nb/Ta值(17.5±2)相似的特征(Green, 1995)。此外, 輝石閃長巖Mg#值為78.05～80.31, Na2O含量為0.87%～ 2.15%(表3), TiO2和Fe2O3T含量高, 這些特征都有別于殼源物質(zhì)(Atherton and Petford, 1993; Wolf and Wyllie, 1994; Rapp, 1995; Rapp et al., 1995; Pati?o, 1995, 1997; Rudnick et al., 2004)。雖然筆者曾在礦區(qū)外圍的黃柏山采石場見過與輝石閃長巖脈巖性類似的巖石(接觸關(guān)系顯示其產(chǎn)于黑云母二長花崗巖內(nèi)), 但在該處未發(fā)現(xiàn)原生露頭, 故未對其開展進一步的研究工作; 且在仁里礦區(qū)及周圍也未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)于7號脈內(nèi)部的輝石閃長巖脈相類似的同時代基性巖體(脈), 因此, 輝石閃長巖脈不太可能是由地幔物質(zhì)部分熔融產(chǎn)生的。實驗巖石學研究結(jié)果顯示, 類似于輝石閃長巖這種低SiO2、弱或無Eu負異常等特征的基性熔體也可由地殼部分熔融產(chǎn)生(Wolf and Wyllie, 1994; Rapp, 1995)。因此, 輝石閃長巖脈物源可能以殼源為主, 并混有小比例幔源物質(zhì)。

數(shù)據(jù)來源: 5號偉晶巖脈和花崗巖數(shù)據(jù)引自李鵬等(2019); Li et al., (2020)。

微量元素蛛網(wǎng)圖(圖7b)也顯示, 輝石閃長巖明顯富集不相容元素Rb、U、Nd等, 而相對虧損Nb、Ba、Sr、P、Ti等特征, 指示其為地殼來源(Bea et al., 2011; Dong et al., 2013)。另輝石閃長巖中Li 元素高度富集(330′10?6～582′10?6, 平均440′10?6), 也暗示成礦物質(zhì)源自地殼的特征; 且Be(22.9′10?6～39.7′10?6, 平均35′10?6)、Nb(12.5′10?6～33.1′10?6, 平均25.8′10?6)含量遠高于礦區(qū)內(nèi)各類型花崗巖(Li et al., 2020; 李鵬等, 2020; Xiong et al., 2020); Li、Nb、Ta含量也明顯高于7號脈(周芳春等, 2017), 因此, 礦區(qū)存在有源自地殼部分熔融的富含稀有金屬元素的巖漿活動, 且該巖漿活動時間與礦區(qū)含礦5號偉晶巖脈的成礦年齡相近。

幕阜山地區(qū)北部區(qū)域154 Ma發(fā)生的幔源巖漿上涌事件可能為湘東北中生代巖石圈伸展的啟動時間(王連訓等, 2009), 而區(qū)域內(nèi)中侏羅世?晚白堊世花崗巖形成于古太平洋板塊向西北俯沖有關(guān)的伸展構(gòu)造環(huán)境(Wang et al., 2014)。近年關(guān)于仁里礦區(qū)燕山期花崗巖以及與稀有金屬礦化相關(guān)的偉晶巖, 前人研究認為它們形成于碰撞造山后的伸展拉張環(huán)境(劉翔等, 2018; 周芳春等, 2019a; 李鵬等, 2020; 石威科等, 2020)。本文獲得7號脈及輝石閃長巖脈侵位年齡與礦區(qū)花崗巖的形成年齡十分相近(圖8b), 而輝石閃長巖(中基性巖脈)往往代表的是后碰撞構(gòu)造背景下的伸展環(huán)境(Ernst et al., 1995; Headman, 1997), 為礦區(qū)花崗巖/偉晶巖形成于拉張環(huán)境提供了進一步佐證。

5.3 花崗巖與偉晶巖的關(guān)系

長期以來, 偉晶巖常被認為是花崗質(zhì)巖漿(母巖)分異演化晚期固結(jié)的產(chǎn)物(?erny and Ercit, 2005; ?erny et al., 2012; Roda-Robles et al., 2018; Fei et al., 2020), 也可以由變質(zhì)沉積巖小比例部分熔融(深融)形成(Dill, 2018; Knoll et al., 2018; 張輝等, 2019; Lü et al., 2018, 2019)。

仁里礦區(qū)的偉晶巖位于幕阜山燕山期花崗巖體內(nèi)及巖體與地層接觸帶附近, 時空分布暗示兩者可能存在有親緣關(guān)系。李鵬等(2019)和Li et al. (2020)通過仁里礦區(qū)含稀有金屬偉晶巖與礦區(qū)廣泛出露的燕山期二云母二長花崗巖或黑云母二長花崗巖地球化學特征上存在斷崖式突變, 指出含稀有金屬偉晶巖不是二云母二長花崗巖或黑云母二長花崗巖直接分異結(jié)晶的產(chǎn)物。Xiong et al. (2020)根據(jù)礦區(qū)出露花崗巖體與含稀有金屬偉晶巖脈(5號脈)的時空關(guān)系、礦物與巖體的地球化學組成等, 指出相對礦區(qū)其他類型花崗巖, 早白堊世高分異的白云母花崗巖更可能是稀有金屬偉晶巖的母巖。

本次獲得巖體內(nèi)7號偉晶巖脈年齡為141.5±0.8 Ma, 稍早于礦區(qū)內(nèi)白云母二長花崗巖(140.7 Ma; Xiong et al., 2020)及二云母二長花崗巖(139.3 Ma; 劉翔等, 2019)的年齡。對比礦區(qū)內(nèi)三種花崗巖主量元素特征可發(fā)現(xiàn), 黑云母二長花崗巖→二云母二長花崗巖→白云母二長花崗巖, 其K2O平均含量逐步降低而Na2O含量逐漸升高(李鵬等, 2019; 劉翔等, 2019; Xiong et al., 2020), 特別是相對黑云母二長花崗巖中Na2O平均含量(3.34%)較低, 二云母二長花崗巖與白云母二長花崗巖中的Na2O平均含量則高達5%以上(劉翔等, 2019; Xiong et al., 2020)。而且以7號脈為代表的二云母偉晶巖中長石主要為微斜長石, 各結(jié)構(gòu)帶中肉眼均未見有鈉長石的產(chǎn)出, 因此礦區(qū)內(nèi)的白云母二長花崗巖和二云母二長花崗巖不可能是二云母偉晶巖的母巖。

London的模擬實驗(London, 2014, 2018; London et al., 2020)研究表明, 偉晶巖形成的關(guān)鍵主要取決于巖漿液相線的過冷程度, 因此, 巖漿的分異程度并非偉晶巖形成的必要條件。前人在探討不同類型花崗偉晶巖與花崗巖之間的繼承發(fā)展關(guān)系中指出, 二云母微斜長石型偉晶巖的母巖來源于黑云母花崗巖(鄒天人和徐建國, 1975)。李鵬等(2019)獲得礦區(qū)內(nèi)隱伏的黑云母二長花崗巖的鋯石U-Pb年齡為146.2±0.2 Ma, 稍早于7號偉晶巖脈的形成年齡; 而且黑云母二長花崗巖的鋯石Hf()和DM2值(范圍為?10.8～?5.3和1.54～1.88 Ma)也與7號脈特征十分接近(圖8c、d), 因此, 礦區(qū)內(nèi)的黑云母二長花崗巖可能是7號偉晶巖脈所代表的二云母偉晶巖的母巖。

6 結(jié) 論

(1) 仁里礦區(qū)7號偉晶巖脈及輝石閃長巖脈的鋯石U-Pb定年結(jié)果分別為141.5±0.8 Ma和137.2± 0.6 Ma, 表明兩者均形成于早白堊世。結(jié)合前人研究, 幕阜山巖體內(nèi)部二云母偉晶巖脈(以7號脈為代表)的侵位年齡稍早于巖體外圍的白云母偉晶巖脈(以5號脈為代表)。

(2) 偉晶巖、輝石閃長巖鋯石Hf同位素特征以及輝石閃長巖地球化學特征顯示, 礦區(qū)偉晶巖的成巖、成礦物質(zhì)均以殼源為主。

(3) 偉晶巖與花崗巖的時空關(guān)系、鋯石的U-Pb年齡、Hf同位素特征顯示, 礦區(qū)內(nèi)的黑云母二長花崗巖很可能為7號脈的母巖。

致謝:衷心感謝中國科學院地球化學研究所張輝研究員與中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所李建康研究員對本文細致的審查并提出寶貴意見。

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Characteristics of No.7 Pegmatite Vein and Pyroxene Diorite in Renli Rare Metal Deposit, South Margin of Mufushan Batholiths and its Geological Implications

CHEN Jianfeng1, 2, 3, WEN Chunhua2*, HUANG Jianzhong2, ZHANG Jinxu2, WANG Cheng3, TANG Yong4, Lü Zhenghang4, ZHOU Fangchun5, CHEN Hu5, CAO Chuanghua2, CHEN Yupeng2

(1. Academy of Coal Geological Survey of Hunan Province, Changsha 410114, Hunan, China; 2. Hunan Institute of Geological Survey, Changsha 410116, Hunan, China; 3. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China; 4. Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550081, Guizhou, China; 5. 311 Brigade of Hunan Nuclear Geological Bureau, Changsha 410100, Hunan, China)

The Renli rare metal deposit, located at the southern margin of Mufushan batholith, is a newly discovered super-large sized granitic pegmatite type Nb-Ta deposit. In this study, we report the LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results and Hf isotope compositions of the No.7 pegmatite vein and the pyroxene diorite, as well as the major and trace element concentrations of the pyroxene diorite, and discuss the formation age and magma source of the two-mica pegmatite veins as well as the relationship between the pegmatite and the granite. The LA-ICP-MS zircon U-Pb analysis yielded206Pb/238U ages of 141.5±0.8 Ma and 137.2±0.6 Ma for the No.7 pegmatite vein and the pyroxene diorite respectively, suggesting that both of them formed in the Early Cretaceous. The No.7 pegmatite vein and the pyroxene diorite have similarHf() values and two-stage model ages (DM2). Geochemically, the pyroxene diorite is characterized by high rare metal element concentrations, depleted in Ba, Nb, Sr, P, Ti and enriched in Rb, U, Nd, which indicates that the primary magma of the pegmatite and ore-forming materials in the Renli deposit are likely derived from the Proterozoic crust. The close spatio-temporal relationship between the pegmatite and the granites, as well as their similar zircon Hf isotope compositions show that the two mica pegmatite veins and the biotite monzogranite in Renli are co-magmatic in origin.

zircon U-Pb age; Hf isotopes; geochemical; pegmatite; pyroxene diorite; Renli

2021-01-28;

2021-05-17;

2021-11-17

湖南省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃資助項目(2019SK2261)、國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFC0601402)、湖南省自然科學基金(2021JJ30387)、湖南省專項科普專題(2020ZK4082)和有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室基金(2021YSJS04)聯(lián)合資助。

陳劍鋒(1985–), 男, 博士, 高級工程師, 從事地質(zhì)找礦及礦床研究工作。E-mail: chenjianfeng021041@163.com

文春華(1982–), 男, 博士, 高級工程師, 從事稀有金屬礦床成礦作用研究。E-mail: herowch2004@163.com

P595; P597

A

1001-1552(2022)05-0951-017

10.16539/j.ddgzyckx.2021.05.018