宝山花岗闪长斑岩的岩石成因：地球化学、锆石U-Pb年代学和Hf同位素制约

全铁军，孔 华，费利东，王 高，李 欢，吴城明

宝山铜铅锌矿床是湘南坪宝矿带北段重要的矿床之一，其大地构造位置处于湘南地洼区赣桂地洼系湘东地洼列[1]。长期以来，许多研究者从不同角度进行矿床的成因、控矿构造、岩石地球化学特征、成岩成矿时代及找矿预测研究[2−9]。宝山花岗闪长岩体的年代学资料丰富，据统计，对于花岗闪长斑岩获得的年龄有：全岩铷锶等时线年龄182.5 Ma和黑云母钾氩法年龄165 Ma[9]，认为花岗闪长斑岩形成于中侏罗世燕山中期第二阶段；单颗粒锆石溶蚀法(173.3±0.9) Ma[5−6]；金属矿物黄铁矿的Rb-Sr等时线年龄为(174±7) Ma[6]；锆石SHRIMPU-Pb法(158±2) Ma，辉钼矿Re-Os等时线年龄为(160±2) Ma[8]。但是，宝山花岗岩脉十分发育，可能存在多期岩浆侵入事件，而且关于宝山矿床的 Hf同位素，至今尚无文献报道。为此，本文作者基于井下岩脉的观察取样，对不同类型的岩脉进行了分析。

1 矿区地质概述

宝山矿区位于坪宝复式向斜的北端，耒阳—临武南北向构造带的中段，南岭东西向复杂构造带中段北缘，是坪宝矿带中重要的矿床，宝山矿区出露地层有泥盆系上统佘田桥组和锡矿山组，石炭系下统孟公坳组、石磴子组、测水组、梓门桥组和中上统壶天群。其中，石磴子组灰岩、测水组砂页岩为本区主要的赋矿层位和岩性。矿区构造主要由一系列的倒转背、向斜及背斜和向斜之间的压扭性逆冲走向断层组成。矿区主构造线方向为北东—南西。后期横断层F3将矿区划分为南北两区。矿区与矿床有关的褶皱主要有宝岭倒转倾伏背斜、宝岭北倒转向斜、牛心倒转复式背斜、财神庙倒转背斜、杉木岭—桂阳—中倒转向斜(见图1)。

宝山矿区的岩浆岩均为燕山早期超浅成中酸性小岩体，岩石类型主要有：花岗闪长斑岩、微晶花岗闪长斑岩、石英斑岩、英安质凝灰角砾岩和辉绿玢岩。矿区地表出露岩体26个，其中以微粒花岗闪长斑岩为主，地表岩体均强烈风化，岩体侵入最新地层属石炭系。在中部铜矿露采坑可见花岗闪长斑岩体的围岩矽卡岩化、大理岩化较强，出露地表的岩体规模一般较小，呈岩脉产出，伴有强烈的W、Mo、Cu、Pb和Zn等多金属矿化。

2 岩体地质特征及样品采集

宝山矿区代表性岩体为隐伏于宝岭倒转背斜中的306号花岗闪长斑岩，在193线和165线之间产生。岩体上盘接触带具矽卡岩化，岩体中 Cu、Mo、W、Bi、Pb、Zn、Ti、Cr和 Ni等元素含量较高。该岩体与成矿关系极为密切。

图 1 宝山矿区地质图[3]：C2-P1ht—壶天群；C1z—梓门桥组；C1c—测水组；C1sh—石磴子组；C1m—孟公坳组；D3x—锡矿山组；SK—夕卡岩；γδπ—花岗闪长斑岩；γπ—花岗斑岩Fig. 1 Geological map of Baoshan deposit[3]: C2-P1ht—Hutian Gr; C1z—Zimenqiao Fm; C1c—Ceshui Fm; C1sh—Shidengzi Fm;C1m—Menggong’ao Fm; D3x—Xikuangshan Fm; SK—Skarn; γδπ—Granodiorite porphyry; γπ—Granite porphyry

样品均为采自坑道内的新鲜样品，花岗斑岩(917-3、4、5)：采自北部−70 m中段，193线南穿和165线西沿脉，斑状结构，斑晶为石英、钾长石和黑云母，石英斑晶晶形好，2 mm，10%，钾长石2 mm，3%；基质隐晶质结构，占80%，有重结晶现象。

花岗闪长斑岩(919-8)，采自西部−70 m中段，158线南穿脉，岩石灰白色，斑状结构，斑晶为石英、斜长石、角闪石、黑云母，石英斑晶见溶蚀边，1.2 mm，20%，斜长石斑晶1.5 mm，5%～8%，角闪石1.5 mm，3%～5%，黑云母：0.9 mm，3%；基质：显微细粒结构，0.02 mm，占视域85%。

3 样品制备与测试分析

对宝山岩体的 7件样品进行主量(见表 1)、微量(见表 2)和稀土元素(见表 3)的分析测试。主量、微量和稀土元素分析样品在武汉地质实验研究所完成。主量元素使用X荧光光谱仪(1800)加湿法分析，稀土元素分析采用质谱仪(ThermoelementalX7)，微量元素采用等离子发射光谱仪(ICAP6300)和示波极谱仪(JP−2)。

选择新鲜岩石样品，通过人工重砂法从样品中分选出锆石，样品靶的制备参考SHRIMP定年锆石样品的制备方法[10]，锆石CL图像在西北大学扫描电镜室完成。

锆石 U-Pb年龄分析采用西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室Agilent 7500a型ICP-MS仪器与193nm的ArF准分子激光器。分析时，采用He作为剥蚀物质的载气，用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610进行仪器最佳化，锆石年龄测定采用国际标准锆石 91500，GJ-1作为外标标准物质，外标校正方法为每隔5个样品分析点测一次标准，保证标准和样品的仪器条件完全一致。年龄测定时的激光束斑直径控制在30 μm，激光剥蚀深度控制在 20～40 μm，普通铅校正采用ANDERSON[11]的方法，在已确定年龄的锆石颗粒上进行Hf同位素测试，分析时激光束斑直径控制在44 μm，激光剥蚀时间为 120 s。采用标准锆石 91500，MON-1和 GJ-1作外部标样，具体分析步骤见文献[12−13]。样品的同位素比值采用 ICPDATACAL[14]程序计算，年龄数据处理采用Isoplot3.0[15]。分析数据列于表4～5中，分析及计算误差均为1σ。

表1 宝山岩体的主量元素含量Table 1 Major element contents of Baoshan pluton

表2 宝山岩体的微量元素含量Table 2 Trace element contents of Baoshan pluton

4 测试结果

4.1 岩石地球化学特征

分析结果见表1～3。在TAS图解中(见图2(a))，岩石均投入花岗闪长岩区域，从 w(K2O)—w(SiO2)图解(见图2(b))看出，岩石属于高钾钙碱性到钾玄岩系列，K2O/Na2O=3.02～8.67，SiO2含量为 65.98%～70.99%，A/CNK值为1.14～1.79，均大于1，表现出过铝钙碱性岩石系列特征。花岗闪长岩表现为 Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3、TiO2、P2O5与SiO2明显的负相关。

由表3和图3(a)可知，稀土元素总量在117×10−6～257×10−6，LREE/HREE=7.12～16.23，LaN/YbN=7.01～22.10，δ(Eu)=0.58～0.84，δ(Ce)=0.88～0.91，稀土元素配分曲线右倾，轻稀土富集，轻重稀土分异多数不强烈，铕弱负异常。

由表1～2和图3(b)可知，微量元素显示总体上大离子亲石元素Rb、Th、U、K和La富集(918-10例外)，贫 Ba、Nb、Sr、P 和 Ti，w(Sr)/w(Y)=4.57～9.59。Nb和 Ta亏损，与具岛弧特征的钾质岩石相似，P和Ti亏损，可能受到磷灰石和钛铁矿的分离结晶作用影响。Nb、Ta和Ti负异常表明其源区或受到了俯冲组分的影响[4]。

4.2 锆石U-Pb同位素特征

图 2 岩石分类的 TAS 图(a)和 w(K2O)—w(SiO2)图(b)[16−18]Fig. 2 TAS diagram (a) and w(K2O)—w(SiO2) diagram (b) about classification of Baoshan pluton[16−18]

图3 宝山岩体的稀土元素配分图解(a)和微量元素蛛网图(b)[19−20]Fig. 3 Chondrite-normalized REE distribution pattern (a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b) of Baoshan pluton[19−20]

表4 宝山岩体锆石U-Pb同位素组成及年龄Table 4 Zircon La-ICPMS U-Pb isotopic data and ages of Baoshan pluton

表4所列为宝山岩体锆石U-Pb同位素组成及年龄。本次研究用于 U-Pb测年锆石均为具有韵律环带的锆石，显示为岩浆结晶形成。917样品(由917-3、4、5合成)中锆石的Th/U值较高(0.30～1.09)，表明为典型的岩浆成因。少数具核幔结构。锆石外形有长柱状和短柱状(917-26，917-29)(见图 4)。多数测点选择在晶体两端，少部分测点在柱体中部(917-02、917-07)，所测 17颗锆石的分析点均位于 U-Pb谐和线上或其附近，206Pb/238U 加权平均年龄为(165.3±3.3) Ma (1σ，MSWD=6) (见图5)，代表花岗斑岩的结晶年龄。

图4 宝山岩体的锆石阴极发光(CL)图像(44 μm圆表示铪同位素测试点，锆石上方数字代表εHf(t)值；30 μm圆表示U-Pb年龄分析点，图像下面数字为206Pb/238U年龄；分析点号位于锆石上方；线比例尺长度为100 μm)：(a) 岩体样品917的CL图像；(b) 岩体样品919-8的CL图像Fig. 4 CL images of zircons from Baoshan pluton (Rounded circles indicate locations of Hf and U-Pb analyses, with εHf(t) values and 206Pb/238 U ages, spot numbers are labeled at top of zircons, line scales are 100 μm): (a) CL images of zircons from sample 917;(b) CL images of zircons from sample 919-8

图5 宝山岩体的锆石U-Pb年龄Fig. 5 U-Pb ages of zircons from Baoshan pluton: (a) Sample 917; (b) Sample 919-8

919样品锆石的Th/U值较高(0.30～0.67，详细数据略)，表明为典型的岩浆成因。锆石外形有长柱状和短柱状(919-8-06、919-8-20)，均具有明显的成分韵律环带。打点位置多数选择在柱状晶体的两端，少数在中心部位(919-8-13、919-8-17)(见图4)，在CL图像上为均匀灰白色，其206Pb/238U年龄与柱体端部一致，显示为岩浆结晶锆石。所测 15 颗锆石的分析点均位于U-Pb谐和线上或其附近，206Pb/238U加权平均年龄为(180.5± 2.0) Ma (1σ，MSWD=1.02)(见图 5)，代表花岗闪长斑岩的结晶年龄。

4.3 锆石Hf同位素

锆石Hf同位素测定点选在锆石U-Pb测试的同位点。选取年龄谐和性好的点。917样品中锆石(8个点)的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值变化范围较大，分别为0.013 774～0.033 307 和 0.000 624～0.001 402 (表 5)；初始176Hf/177Hf值和 εHf(t)值分别为 0.282 408～ 0.282 501和−5.87～−9.42(见图 6)，模式年龄为 1 065～1 178 Ma，平均值为1 136 Ma；平均地壳模式年龄为1 709 Ma。

图6 宝山岩体锆石铪同位素εHf(t)—t图解Fig. 6 εHf(t)—t diagram of zircon of Baoshan pluton

919样品中锆石(5个点)的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值变化范围较大，分别为 0.022 333～0.038 398和0.001 022～0.001 611(见表 5)；初始176Hf/177Hf值和εHf(t)值分别为 0.282 336～0.282 379 和−9.86～−11.48(见图6)，模式年龄为1 229～1 302 Ma，平均为1 270 Ma；平均地壳模式年龄为1 951 Ma(见表5)。

锆石极强的稳定性使其Hf同位素组成比较稳定，较少受到后期地质事件的影响，不像铅同位素易受到铅丢失的影响，而极低的 Lu含量有利于获得锆石形成时的准确同位素组成，所以，目前锆石 Hf同位素示踪成为探讨地壳演化和示踪岩石源区的有效手段。模式年龄显示源区地壳年龄为 1 065～1 178 Ma和1 229～1 302 Ma，而平均地壳模式年龄更老，表明有古老地壳物质的加入，主要是古元古界地壳物质。

在εHf(t)—t图解中，锆石点投在2.5 Ga下地壳演化线附近(176Lu/177Hf=0.022，fLu/Hf=−0.34)，表明岩石源区为古老下地壳[21−22]。

5 构造环境和岩石成因分析

在 w(Rb)—w(Y+Nb)和 w(Nb)—w(Y)构造环境判别图解[23](见图 7)中样品投点显示宝山岩体为碰撞环境下的产物；在花岗闪长岩的Sr/Y—Y和(La/Yb)N—YbN判别图解中岩石投入经典岛弧区域，反映了挤压环境。但是有研究认为扬子板块与华夏板块的全面焊接拼合则是在中三叠世，所以印支运动后，华南地区已经由海洋环境转变为大陆环境[24]。165～180 Ma间，华夏板块与扬子板块已经完成拼贴，不具备岛弧形成

图 7 w(Rb)—w(Y+Nb)(a)和 w(Nb)—w(Y)(b)构造环境判别图[23]：VAG—火山弧花岗岩；Syn-COLG—同碰撞花岗岩；WPG—板内花岗岩；ORG—大洋脊花岗岩Fig. 7 w(Rb)— w(Y+Nb) (a) and w(Nb)— w(Y) (b)discrimination diagrams for tectonic settings[23]

表5 宝山岩体的铪同位素组成Table 5 Zircon Hf isotope compositions of Baoshan pluton

环境。所以，岩石地球化学所显示的火山弧特征的唯一的解释是早期俯冲碰撞的产物在燕山期重新活化了，虽然在扬子与华夏板块之间的南华洋已经闭合，但两者之间闭合过程中挤压效应在燕山期持续发酵。该区确定的年龄显示224 Ma前后地壳处于拉张阶段，产生岩浆底侵形成层状辉长岩，底侵岩浆同时加热和软化了下地壳岩石层[25]。220～180 Ma处于相对平静期，目前没有发现该时间段有大规模的岩浆活动记录。180 Ma以来地壳显示重新活跃的迹象，湘南的花岗闪长岩侵入活动多发生在(172±5) Ma[6]，150 Ma前后湘南出现局部火山喷发活动，显示地壳活动又到了剧烈期。

宝山花岗闪长斑岩和水口山、铜山岭花岗闪长岩具有一致的岩石地球化学特征[6−7]，且均为铜铅锌矿床，与黄沙坪、柿竹园花岗岩及成矿系列有显著差异。前人获得宝山岩体的成岩年龄为173 Ma和160 Ma，并分别确定成岩时代为中侏罗世燕山早期二、三阶段。本文作者完成的锆石年龄测试结果同时包含了上述文献中出现的年龄值，本研究揭示宝山岩浆岩侵入活动有多次，既有180 Ma左右的花岗闪长斑岩，又有165 Ma的花岗斑岩。前面分析本区在中生代为陆相板内环境，锆石 Hf同位素示踪结果显示来源于古老地壳，可以认为220 Ma前后地壳的拉张造成幔源岩浆的底侵，对下地壳起了预热作用，180 Ma前后，本区构造体制发生了转换，表现为挤压体制，增厚的下地壳发生局部熔融形成花岗闪长斑岩。

6 结论

1) 宝山矿区地区出露的花岗闪长岩脉为多次侵入的产物，既有180 Ma左右的基质呈细粒结构的花岗闪长斑岩，又有165 Ma左右侵入的基质呈隐晶质的花岗斑岩，显示晚期岩浆侵入深度更浅。

2) 花岗闪长斑岩的Hf同位素特征显示锆石来源于古老地壳，其地壳平均模式年龄为1 709～1 951 Ma，岩石地球化学图解判别指示岩石形成于碰撞环境，岩石的综合成因应是燕山早期挤压构造体制下，该区中下地壳发生加厚熔融，岩浆沿有利的构造部位上升到浅部形成各期浅成岩脉(体)。

3) 本研究所获得的两期岩脉年龄180 Ma和165 Ma分别对应于前人所获得的两期成矿年龄，说明宝山矿区成岩成矿时间跨越20 Ma左右，在此期间，深部岩浆的持续多期活动带来了丰富的成矿物质，最终形成宝山铜钼铅锌银多金属矿床。

致谢：

野外工作得到郴州有色一总队钟江临高级工程师、周伟平工程师、矿山地质科彭昭喜工程师及李茂平工程师的热情帮助；锆石测试得到西北大学大陆动力学国家重点实验室袁洪林教授、柳小明高级工程师、弓虎军博士和戴梦宁博士的支持，数据处理得到阳杰华博士的帮助，谨此一并致以诚挚谢意！

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