鄂东南矿集区铜山口侵入体地球化学特征及其成因研究

刘 坤, 王敏芳*, 李喆明, 魏克涛, 王 帅,郭晓南, 王 伟, 江 兵, 杨晓声

(1.中国地质大学(武汉) 资源学院,湖北 武汉 430074; 2.湖北省地质局 第一地质大队,湖北 黄石 435000;3.大冶有色铜山口公司,湖北 黄石 435000)

鄂东南矿集区铜山口侵入体地球化学特征及其成因研究

刘 坤1, 王敏芳1*, 李喆明2, 魏克涛2, 王 帅1,郭晓南1, 王 伟1, 江 兵3, 杨晓声3

(1.中国地质大学(武汉) 资源学院,湖北 武汉 430074; 2.湖北省地质局 第一地质大队,湖北 黄石 435000;3.大冶有色铜山口公司,湖北 黄石 435000)

铜山口铜(钼)矿床位于长江中下游成矿带鄂东南矿集区,成矿作用与铜山口花岗闪长斑岩体密切相关。对花岗闪长斑岩体进行了详细的地球化学研究,研究显示,岩石富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,为准铝质、高钾钙碱性系列,具有埃达克质岩的地球化学特征:高SiO2和Al2O3,高Sr,低Y、Yb,具有较高的Sr/Y比值和(La/Yb)N比值。富集LREE,具有微弱的Eu负异常。与典型的埃达克岩相比,铜山口侵入体具有较低的Mg#以及MgO、Cr、Ni含量,具有较高的K2O含量。研究认为,铜山口花岗闪长斑岩形成温度较高(985～1 000℃),压力>1.2 GPa,深度>40 km,是富集地幔部分熔融的产物,在成岩过程中可能经历了地壳混染以及铁镁质物质分离结晶作用(AFC),约5%下地壳物质参与岩浆形成。

铜山口侵入体;花岗闪长斑岩;地球化学

铜山口铜(钼)矿床位于鄂东南矿集区,是一个大型的矽卡岩—斑岩型复合型矿床[1-5]。前人对其开展了大量的研究工作,主要集中在岩体成因、矿床地质特征、矿物标型特征、成矿流体、矿床成因以及成矿年代研究等方面[1-3,6-13]。目前,关于该矿床的成矿岩体的成因尚存在争议,王强等[6]认为岩体是拆沉下地壳部分熔融产生的熔体上升过程中与地幔橄榄岩发生交代作用的产物,且不存在AFC过程;而Li等[2]则认为岩浆起源于与俯冲作用有关的富集地幔的部分熔融,少量下地壳物质参与成岩作用;谢桂青等[3,14]通过研究鄂东南地区侵入岩的地球化学特征,认为鄂东南地区侵入岩是富集地幔的部分熔融同化混染下地壳并发生分离结晶作用的产物,且有一定量下地壳物质参与成岩作用。本文在对铜山口矿床花岗闪长斑岩体地球化学特征研究的基础上,进一步探讨了岩体的成因、成岩环境,并且与典型埃达克岩地球化学特征进行对比。研究显示,岩石样品中MgO、Cr、Ni的含量以及K2O/Na2O比值差异否定了拆沉下地壳部分熔融作用的存在;而Harker显示的SiO2含量与铁镁质矿物的相关关系以及岩石固结指数与主量元素含量之间关系证明AFC过程存在。

1 区域地质概况

鄂东南矿集区位于扬子板块北缘,大别山造山带以南,深断裂及次级断裂构造发育,矿集区被三个主要的断裂所围限,即襄樊—广济断裂、麻团断裂以及南部阳新断裂(图1)。区内地层出露较全,从寒武系到第四系均有出露,岩浆活动强烈,区内自北向南依次分布有鄂城、铁山、金山店、灵乡、阳新和殷祖等6个大岩体和铜绿山、铜山口、姜桥、何锡铺、丰山洞等数十个小岩体,侵入岩主体侵位于143—126 Ma,且从早到晚存在由中基性向酸性演化的趋势;火山岩主要分布于保安太和灵乡和花湖一带,火山岩喷发形成于130—125 Ma,在成分上具有双峰式特征。

图1 长江中下游地区大冶Cu-Fe-Au-Mo矿集区地质简图(据文献[4],修改)Fig.1 Geological map of Daye Cu-Fe-Au-Mo district,eastern Yangtze Craton,eastern China1.第四系冲积物;2.白垩系碎屑岩;3.三叠系中统—侏罗系;4.泥盆系—三叠系下统;5.奥陶系—志留系;6.花岗岩、石英闪长岩、闪长岩;7.花岗闪长岩;8.闪长岩、石英闪长岩;9.闪长岩;10.火山岩;11.铁矿;12.铁—铜—金矿;13.铜矿;14.钨—铜—钼矿;15.铜—钼矿;16.金—铜矿;17.城镇。

2 铜山口岩体地质特征

铜山口岩体位于鄂东南矿集区中南部,位于灵乡岩体的南缘中部。其出露形态似上大下小的蘑菇状,略呈北西向椭圆形,中心直径500～600 m,出露面积0.33 km2(图2),分别由东部的铜山口岩株和西部的狮子山岩株组成,是燕山期岩浆多期次侵入的复式岩体。按侵入的先后顺序,依次为花岗闪长斑岩株、花岗闪长斑岩脉、石英二长斑岩筒和花岗细晶斑岩[1]。其中,花岗闪长斑岩株是杂岩体的主体,与成矿作用关系密切。岩体内部向围岩蚀变分带依次为:钾硅化带—绢英岩化带—矽卡岩化带—蛇纹石化带—碳酸盐化带。

本次主要采集花岗闪长斑岩样品,从采样现场观察及镜下鉴定,岩石为斑状结构,块状构造。斑晶含量约为50%～55%,基质含量为45%～50%。斑晶主要为斜长石,次为石英、黑云母、钾长石等。基质粒度为0.01～0.05 mm,主要由长英质矿物组成。副矿物主要为磁铁矿、磷灰石、榍石和锆石。

图2 铜山口铜(钼)矿床区域地质图(据文献[1],修改)Fig.2 Geological map of Tongshankou copper(molybdenum)deposit1-3.三叠系下统大冶群第4～6段;4.三叠系中下统上部燧石灰岩;5.花岗闪长斑岩株;6.花岗闪长斑岩脉;7.石英二长斑岩筒;8.石英钾长石化带;9.绢云母硅化带;10.矽卡岩化带;11.蛇纹石绿泥石化带;12.铁帽;13.岩体界限;14.地层界线;15.蚀变带界限;16.断层;17.铜矿体;18.钼矿体。

3 样品采集及测试方法

本次研究的样品采自于铜山口矿床的露天采场和钻孔岩心,在测试之前进行了详细的室内岩相学观察,选择新鲜未蚀变或者微弱蚀变的岩石样品进行相关测试。测试岩体样品7件,6件来自于露天采场-46 m(样品TSK-18、TSK-20、TSK-24、TSK-1-1、TSK-1-2、TSK-1-3),1件来自ZK2604岩心-504.78 m标高(ZK2604-9)。

岩石样品的主量元素、微量元素、稀土元素采用常规方法磨至200目以下。主量元素含量的测试在澳实(广州)分析检测有限公司完成,采用XRF法(硼酸锂/偏硼酸锂熔融,X射线荧光光谱分析)。微量元素和稀土元素测试在地质过程与矿产资源国家重点实验室采用等离子质谱仪(ICP-MS)法完成。

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素

本次研究的岩石样品共7件,其主量元素测试结果见表1。由表1可知,岩石样品整体具有较高的SiO2(62.86%～68.14%,平均为65.34%)和Al2O3(14.42%～15.55%,平均含量为15.05%);较低的MgO(1.28%～2.64%,平均为1.87%),FeOT(2.63%～5.51%,平均为4.03%),CaO(2.17%～4.56%,平均为3.11%),P2O5(0.214%～0.341%,平均为0.280%),中等的全碱含量(Na2O+K2O=7.18%～8.63%,平均为7.72%)。Mg#为41～56,平均为48。岩浆岩的里特曼指数(σ)为2.03～2.98,平均为2.55,与鄂东南地区平均值(2.89)接近[4]。A/CNK值为0.81～1.04,平均0.94,表明岩石是准铝质的,属于I型花岗岩[15-16]。样品的铝饱和指数(A/CNK)分布在0.80～1.03之间,为准铝质(图3-a)。SiO2-K2O图解(图3-b)显示样品主要为高钾钙碱性系列,少数为钾玄岩系列。

4.2 微量元素

样品的微量元素分析结果见表2,分析结果显示样品中相容元素含量很低(Ni=11.5×10-6～19.62×10-6,平均14.66×10-6;Cr=12×10-6～32.78×10-6,平均23.69×10-6),而不相容元素含量则很高。此外,岩石还富集大离子亲石元素(Sr=538.31×10-6～1 186.33×10-6,平均为860.25×10-6;Ba=763×10-6～960×10-6,平均含量876.47×10-6),亏损高场强元素(Nb=9.85×10-6～10.82×10-6,平均为10.52×10-6;Ta=0.63×10-6～0.64×10-6,平均含量为0.64×10-6)。原始地幔标准化微量元素图解显示(图4-a),各样品的总体分布模式一致,具右倾特征,岩石样品中富集Rb、Sr、Th、U,亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti。

表1 铜山口岩体主量元素分析结果(wt%)

注:“<0.01”表示含量低于检出限;Mg#=100×Mg2+/(Mg2++Fe2+(全铁))。

图3 铜山口花岗闪长斑岩A/CNK-A/NK图解(a)(底图据Maniar[17])和K2O-SiO2图解(b)(底图据Taylor [18]和Middlemost [19])Fig.3 A/CNK vs A/NK diagram (a)and K2O vs SiO2 diagram (b) of Tongshankou granodiorite porphyries

4.3 稀土元素

样品的稀土元素含量分析结果见表3,分析结果显示稀土总量为145.95×10-6～219.89×10-6,平均为184.77×10-6;轻稀土总量为137.83×10-6～207.56×10-6,平均为174.99×10-6;重稀土总量为8.12×10-6～11.67×10-6,平均为9.77×10-6。稀土元素配分模式图(图4-b)显示,铜山口岩体呈现右倾的稀土配分模式,富集LREE,亏损HREE。轻重稀土分异明显(LaN/YbN为24.33～36.42,平均为27.98),具有微弱的Eu负异常(Eu/*Eu=0.87～1.01,平均为0.94),Ce异常不明显。

表2 铜山口岩体微量元素分析结果(10-6)

图4 铜山口侵入体原始地幔标准化微量元素图解(a)(原始地幔数据据Sun and McDonough[20])和稀土元素分布模式图解(b)(球粒陨石数据据Boynton[21])Fig.4 Primitive mantle-normalized trace elements diagram (a) and rare earth elements patterns diagram (b) of Tongshankou intrusion

5 铜山口侵入体与埃达克岩的元素地球化学特征对比

埃达克岩是具有特定地球化学特征的一套中酸性火山岩和侵入岩组合。其地球化学标志是:SiO2≥ 56%,Al2O3≥15%,MgO < 3%,贫Y和Yb( Y < 18×10-6,Yb≤ 1.9×10-6),Sr> 400×10-6,LREE富集,无Eu异常或有轻微的负Eu异常[22-24]。具有埃达克岩地球化学特征的岩石存在四种成因模式:①俯冲洋壳的部分熔融[22];②玄武质岩浆的地壳混染与分离结晶过程(AFC)[25];③增厚玄武质下地壳的熔融[26-29];④拆沉下地壳的熔融[30]。

元素地球化学特征分析表明,铜山口侵入体具有埃达克质岩属性:高SiO2和Al2O3,高Sr,低Y、Yb,具有较高的Sr/Y比值和(La/Yb)N比值;岩石富集轻稀土,Eu异常不明显。在Sr/Y-Y图解(图5-a)和(La/Yb)N-YbN(图5-b)图解中所有样品均落入埃达克岩区域。铜山口侵入体与产于辽西地区和Adak岛的埃达克岩对比(表5),产于辽西地区和Adak岛的埃达克岩均具有较高的Mg#和MgO、Cr、Ni含量,三者Al2O3、Na2O、Y、Yb含量以及δEu 、Sr/Y比值接近;铜山口侵入体中K2O含量高于其他两种埃达克岩,这与张旗等[27]的研究成果一致。

表3 铜山口岩体稀土元素分析结果(10-6)

注:Eu/*Eu=EuN/(SmN×GdN)1/2,EuN、SmN、GdN为球粒陨石标准化值。

图5 铜山口侵入体Sr/Y-Y图解(a)和(La/Yb)N-(Yb)N图解(b)(底图据Defant and Drummond[22])Fig.5 Sr/Y versus Y diagram (a) and (La/Yb)N versus (Yb)N diagram (b)of Tongshankou intrusion

6 铜山口侵入体的物源成因和成岩环境探讨

6.1 铜山口侵入体物源成因

Harker图解显示(图6):SiO2与MgO、FeOT、MnO、TiO2、P2O5、CaO呈现负相关关系,与K2O呈正相关关系,指示了侵入岩经历了铁镁质矿物分离结晶作用。与辽西地区由拆沉下地壳产生的熔体上升过程中同地幔橄榄岩发生交代作用产生的埃达克岩相比(表4)(MgO平均为3.87%,最高可达5.68%;Cr=130×10-6～402×10-6;Ni=85×10-6～311×10-6)[32],铜山口侵入体具有较低的相容元素含量(例如,MgO=1.28%～2.64%,平均为1.87%;Cr=12×10-6～32.8×10-6,平均23.69×10-6;Ni=8.7×10-6～19.62 ×10-6,平均14.66×10-6),说明铜山口侵入体不可能由拆沉下地壳部分熔融并随后交代地幔橄榄岩而产生。其次研究的样品K2O/Na2O(0.79%～2.12%,平均为1.19%)变化较大,明显与拆沉下地壳部分熔融形成的C型埃达克岩(K2O/Na2O比值稳定且K2O/Na2O≈1)[33]不同。实验岩石学表明玄武质下地壳部分熔融所形成的岩浆通常具有较高的Na2O(>4.3%)[34],而本文研究的铜山口侵入岩Na2O变化较大(2.30%～4.19%,平均为3.65%)。

吴利仁认为lgSI{SI为岩石固结指数,SI=100*w(MgO)/(w(MgO)+w(Fe2O3) +w(FeO)+w(Na2O)+w(K2O))}对岩石主量元素含量关系能更好地反应岩石同化特征[35]。如果它们之间呈直线相关关系时不显示同化作用的存在,相反则表明受到同化作用。在铜山口岩体中,lgSI-MgO显示直线相关关系(图7-a),表明MgO未曾受到同化作用,而SiO2、CaO、Al2O3、Na2O、K2O、FeOT都曾受到地壳同化或混合作用影响(图7-b,f)。通过收集前人数据,并结合本文实际测试数据,笔者总结了不同成岩成矿系列花岗岩的稀土元素组成特征(表5)。结果表明,铜山口侵入体稀土元素分配特征与以幔源为主的同熔型花岗岩系列相似,Sr-Nd同位素模拟计算显示约5%下地壳物质参与岩浆形成(图8),并且根据La/Sm-La图解,显示其岩浆经历了部分熔融作用(图9-a)。同时,结合前人关于铜山口侵入体的Sr-Nd-Hf同位素数据,通过分析笔者认为铜山口侵入体源于富集地幔的部分熔融,成岩过程中有少量的地壳物质混入并发生铁镁质物质分离结晶作用。

表4 铜山口侵入体与典型埃达克岩地球化学特征对比

注:常量元素单位为%,微量元素单位为10-6;括号内数据为平均数,俯冲洋壳部分熔融成因的埃达克岩数值为平均值。

图6 铜山口侵入岩Harker图解Fig.6 Haker diagram of the Tongshankou intrusion

6.2 成岩环境探讨

目前对于花岗岩岩浆起源温度的认识主要是通过实验岩石学研究获得的。同时利用花岗岩的矿物学和地球化学资料,也可以间接地推断花岗岩的形成温度条件。Sylvester[37]提出利用花岗岩的Al2O3/TiO2比值可作为源区部分熔融温度的指示剂。当岩石的Al2O3/TiO2>100时,部分熔融温度<875℃;当岩石的Al2O3/TiO2<100,部分熔融温度>875℃。由表1可知,铜山口侵入体的Al2O3/TiO2比值为24.76～34.09,结合前人[38]熔融包裹体测温数据,铜山口侵入体形成温度为985～1 000℃。

表5 不同成岩成矿系列花岗岩的稀土元素特征表

注:据杨超群[36]进行综合;铜山口数据7个来自本文,其余来自Li等[2]。

图7 铜山口岩体岩石固结指数和主量元素含量(wt%)关系图Fig.7 Diagram of solidification index (SI) versus major elements from Tongshankou intrusion

图8 铜山口侵入体Sr-Nd同位素模拟计算图解(底图据文献[14],Sr-Nd同位素数据据文献[2])Fig.8 Sr-Nd isotope simulation diagram of Tongshankou intrusive rocks

前人研究表明,花岗岩的源岩以中基性岩石为主,它们在熔融时主要受斜长石、石榴子石、角闪石、金红石等矿物的制约[39-41]。玄武岩熔融实验结果表明,当岩浆源区存在斜长石时,岩浆起源的压力较低(<0.8 GPa),若源区中出现石榴子石和角闪石而斜长石消失,则形成压力较高(>1.2 GPa);当源区出现石榴子石和金红石而角闪石消失时,则压力可高达1.8～2.2 GPa以上[39]。张旗等[42]提出,根据花岗岩的Sr、Yb地球化学特征,可用于判别花岗岩形成时的压力,认为具有高Sr、低Yb特征的花岗岩形成压力较大,源区中有石榴子石残留。本次将铜山口花岗闪长斑岩数据投入张旗[18]的Yb-Sr图解(图9-b),数据投点落在Ⅰ区域内,说明岩石具有高Sr、低Yb特征,因此说明其形成压力较高。

铜山口侵入体强烈亏损HREE和Y,并且富集Sr,暗示其源区有石榴石残余,而斜长石很少或没有[22,26]。玄武质岩石熔融实验表明,>1.0 GPa的条件下熔融残留体中将出现石榴石,但只有>1.2 GPa(相当于40 km)的条件下熔体才能够与残留石榴石平衡,并且熔体强烈亏损HREE与Y[43-45]。结合上述玄武岩熔融实验数据,铜山口岩浆源区形成压力>1.2 GPa,对应深度>40 km[39,42]。

7 结论

(1) 铜山口侵入体为准铝质,高钾钙碱性系列,具有埃达克质岩地球化学特征。高SiO2和Al2O3,高Sr,低Y、Yb,具有较高的Sr/Y比值和(La/Yb)N比值。岩石富集轻稀土,Eu异常不明显,富集大离子亲石元素,亏损高场强元素。与典型的埃达克岩相比,具有较低的Mg#以及MgO、Cr、Ni含量,具有较高的K2O含量。

图9 铜山口花岗闪长斑岩La/Sm-La图解(a)和Yb-Sr图解(底图据张旗等[42])(b)Fig.9 La/Sm versus La diagram (a) and Yb versus Sr diagram (b) of Tongshankou intrusionⅠ.高Sr低Yb型;Ⅱ.低Sr低Yb型;Ⅲ.高Sr高Yb型;Ⅳ.低Sr高Yb型;Ⅴ.非常低Sr高Yb型。

(2) 铜山口侵入体可能是富集地幔部分熔融进入下地壳经历同化混染作用并发生铁镁质物质分离结晶作用的产物,约5%的下地壳物质参与岩浆形成。经历了SiO2、CaO、Al2O3、Na2O、K2O、FeOT同化或混合作用,MgO同化作用不明显。形成铜山口侵入体的岩浆来源较深(>40 km),形成压力>1.2 GPa,形成温度较高(985～1 000℃)。

致谢:野外地质工作得到了鄂东南地质大队的大力支持和帮助;审稿专家给论文提出了许多建设性的意见,在此一并致以谢忱！

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(责任编辑：于继红)

Study on Geochemical Characteristics and Genesis ofTongshankou Intrusion,Southeastern Hubei Province

LIU Kun1, WANG Minfang1*, LI Zheming2, WEI Ketao2, WANG Shuai1,GUO Xiaonan1, WANG Wei1, JIANG Bing3, YANG Xiaosheng3

(1.FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074; 2.FirstGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Huangshi,Hubei435000;3.TongshankouCompanyofDayeNonferrous,Huangshi,Hubei435000)

The Tongshankou Cu(Mo) deposit,located in southeastern Hubei district of metallogenic belt along the middle-lower reaches of Yangtze River,eastern China,is a typical skarn-porphyry composite deposit. Mineralization is closely associated with Tongshankou granodiorite and Lower Triassic marine carbonates. In this paper,the authors report major,trace and rare earth elements of the ore-relate Tongshankou granodiorite. The trace elements are characterized by enrichment of LILE,depletion of HFSE.The study shows that the rocks are metaluminous and high-K calc-alkaline,and have geochemical characteristics of adakitic affinity:with high SiO2,Al2O3and Sr contents,low Y and Yb contents,high Sr/Y and(La/Yb)Nratios. The REE characteristics are LREE enriched,and lack any significant negative Eu anomaly. Compared with typical adakites,Tongshankou intrusive rocks had lower Mg#,MgO、Cr、Ni content and higher K2O content. These data suggested that Tongshankou granodiorite was formed at higher temperature(985～1 000℃)and pressure(>1.2 GPa),which were mainly derived from partial melting of an enriched mantle source that possibly experienced significant contamination of lower crust materials and fractional crystallization of mafic minerals in the course of the diagenesis(AFC),nearly 5 percent lower crust materials participated in the forming of magma.

Tongshankou intrusion; granodiorite; geochemistry

2015-03-16;改回日期:2015-05-25

国家自然科学基金面上基金项目(编号:41272097)和中国地质大学(武汉)教学实验室开放基金项目(SKJ2015010)资助。

刘坤(1988-),男,硕士研究生,矿产普查与勘探专业，从事矿床学教学及地球化学研究工作。E-mail:lk102217@163.com

*通讯作者:王敏芳(1980-),女,副教授,矿床学专业,从事矿床学教学和研究工作。E-mail:wang_minfang@163.com

P59; P588.12+1

A

1671-1211(2016)01-0025-09

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601005

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.0912.002.html 数字出版日期:2015-12-17 09:12