宁芜和庐枞盆地含矿岩体地球化学特征对比

高守业,王丽娟,陆建军,马东升,宋革文

(1 南京大学地球科学与工程学院内生金属成矿机制研究重点实验室,南京210023;2 江苏省地质调查研究院,南京210018;3 上海梅山矿业有限公司,南京210041)

宁芜和庐枞盆地含矿岩体地球化学特征对比

高守业,王丽娟2*,陆建军1,马东升1,宋革文3

(1 南京大学地球科学与工程学院内生金属成矿机制研究重点实验室,南京210023;2 江苏省地质调查研究院,南京210018;3 上海梅山矿业有限公司,南京210041)

宁芜和庐枞盆地是长江中下游地区重要的铁矿产区,两盆地内含矿岩体的岩石学和地球化学特征既具有一定的相似性又表现出一定的差异性。文章对两个盆地内主要含矿岩体的岩相学、主量元素、微量元素、稀土元素、Sr-Nd同位素和锆石Hf同位素等进行对比研究,以期进一步探讨两盆地中成矿岩体的差异。镜下观察结果显示宁芜和庐枞盆地主要含矿岩体具有相同的矿物组合,主量元素特征表明这些岩体具有中硅、富钾和高镁的特点,均为中—基性火成岩。与宁芜盆地含矿岩体相比,庐枞盆地含矿岩体的∑REE、∑LREE和∑HREE含量均较高,明显富集Th、U等大离子亲石元素,具有明显的Eu负异常,说明庐枞盆地含矿岩体的地壳物质较多。两个盆地含矿岩体的Sr-Nd同位素组成指示岩体均来源于富集地幔,庐枞盆地含矿岩体较低的锆石Hf同位素组成说明在岩浆侵入和演化过程中可能有更多的地壳物质加入,导致岩浆的粘稠度降低,更有利于庐枞盆地铁矿的形成。

含矿岩体;地球化学;宁芜盆地;庐枞盆地

长江中下游成矿带是我国最重要的铜铁多金属资源产地之一,主要包括7个矿集区,自西向东依次为鄂东南、九瑞、安庆—贵池、庐枞、铜陵、宁芜和宁镇矿集区(图1a)。主要包括矽卡岩型、斑岩型以及沉积—改造型等矿化类型[1]，其中,矽卡岩型铁矿包括2种类型,一种是中酸性侵入岩与灰岩接触形成的典型的矽卡岩铁矿,如鄂东南矿集区的程潮和金山店铁矿床[2-6];另一种是中基性侵入岩与火山岩系接触形成的非传统概念的矽卡岩铁矿,如宁芜矿集区的梅山铁矿床和庐枞盆地中的泥河铁矿等。

宁芜和庐枞盆地位于长江中下游成矿带东部,是两个邻近的陆相断陷火山岩盆地,均以产玢岩铁矿闻名[1,7]。值得注意的是,两个盆地内燕山期各旋回火山活动期次几乎相同,侵入岩的分期、岩性和成岩时代也大致可以对比[8]。本文从主要铁矿床成矿岩体的岩相学和地球化学特征入手,探讨宁芜和庐枞盆地成矿岩体的差异。

1 宁芜和庐枞盆地铁矿床概况

宁芜和庐枞盆地均位于长江中下游成矿带东部,为中生代陆相火山岩盆地,是长江中下游多金属成矿带中重要的多金属矿集区[1-2]。宁芜盆地位于江苏省南京市和安徽省芜湖市之间,呈NNE方向展布,受周围4组断裂控制,形状上呈菱形,长约60 km,宽约20 km,总面积约1 200 km2[9](图1b)。庐枞盆地位于安徽省庐江县(庐)和枞阳县(枞)之间,其展布受3组深大断裂控制,形状上呈耳壳状,长约56 km,宽约24 km,面积约为 1 032 km2[10]。

图1 长江中下游成矿带地质简图(a)和宁芜盆地地质简图(b)(据文献[14]修编)Fig. 1 Sketch geologic map (a) of mineralization belt in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River and sketch geologic map (b)of the Ningwu basin

宁芜盆地出露的地层主要有三叠系周冲村组(T2z)、黄马青组(T3h)和侏罗系象山群(J1-2xn)。上覆火山岩系从早到晚依次划分为龙王山组、大王山组、姑山组和娘娘山组4个火山岩旋回[7],各个旋回均从爆发相过渡至溢流相,最后发展成火山沉积相。庐枞盆地出露的沉积地层主要为中侏罗统罗岭组(J2l)陆相碎屑沉积岩,与火山岩系呈不整合接触。火山岩由老至新分为龙门院组、砖桥组、双庙组和浮山组。前人较系统得出宁芜盆地4个火山旋回的时间：龙王山组为134.8±1.8 Ma、大王山组为132.2±1.6 Ma、姑山组为129.5±0.8 Ma和娘娘山组为126.8±0.6 Ma[2, 11-13];庐枞盆地4个火山旋回的年龄分别为:龙门院组为134.8±1.8 Ma、砖桥组为134.1±1.6 Ma、双庙组为130.5±0.8 Ma和浮山组为127.1±1.2 Ma[15]。由此可见,宁芜和庐枞盆地4组火山岩在形成时间上相对应,均为白垩纪早期火山活动的产物。宁芜盆地内潜火山岩或浅层侵入岩主要为闪长(玢)岩,多发生在每一火山岩旋回末期,分布于断裂喷发带与火山机构中心,是铁矿床的主要含矿岩体。宁芜盆地与铁矿有关的7个闪长玢岩体的形成时代均为130 Ma左右,属于大王山组时期的火山活动[16]。宁芜盆地内有另一类侵入岩为花岗质岩体,形成时代为129～126 Ma[17]。庐枞盆地15个主要侵入岩体分为早、晚两期,早期侵入岩主要为二长岩和闪长岩类,成岩时代为134～130 Ma;晚期侵入岩为正长岩和A型花岗岩,成岩时代分别为129～123 Ma和126～123 Ma[18]。

宁芜盆地产出三十余处铁矿和数十个矿化点,铁矿石储量约27亿吨[7]，其中较大的铁矿包括位于盆地北段的梅山铁矿、盆地中段的陶村和凹山铁矿以及盆地南段的姑山铁矿、白象山铁矿和太平山铁矿。庐枞盆地铁、硫、铜和铅锌等矿产资源丰富,其中铁矿石储量约10亿吨,代表性的大型铁矿包括泥河铁矿和罗河铁矿[19]。

2 岩相学特征

宁芜盆地梅山铁矿赋矿岩石为闪长玢岩,呈灰黑色。岩石总体为斑状结构,斑晶占39%,主要有普通辉石、角闪石、斜长石;基质为交织结构,钻孔深部可见全晶质结构,斜长石An=58～65,有序度40～70[20]。陶村矿床闪长玢岩为灰绿—灰黑色,块状构造,全晶质斑状结构,斑晶为中长石或更长石,板条状,延长约0.3～2 mm,含量20%～50%,聚片双晶和环带结构均发育,暗色矿物为角闪石,副矿物为榍石和金红石。

泥河铁矿和杨山铁矿是庐枞盆地最具有代表性的铁矿。泥河铁矿床闪长玢岩呈灰绿色、灰黑色,斑状结构为主,深部为斑状—不等粒状结构,块状构造。斑晶为斜长石、辉石和角闪石,含量约占20%～40%。斜长石斑晶呈自形和半自形板条状,大小为1.0～2.0 mm,少量斜长石斑晶局部有碱性长石化环边,粒径可达3.0～5.0 mm。辉石斑晶呈短柱状,粒径以1.0～3.0 mm为主。基质由细小的斜长石、辉石和角闪石组成,细粒结构。副矿物有榍石、磷灰石、磁铁矿。杨山铁矿闪长玢岩具有斑状结构,斑晶一般为0.6 mm,长石占20%～30%,普通辉石、透辉石约为8%～15%;偶见极少量的黑云母。基质约占60%,主要由更长石、角闪石微晶构成,副矿物主要为磁铁矿、磷灰石等[19]。

总体而言,宁芜和庐枞盆地含矿岩体的颜色均较深,呈灰绿或灰黑色,具有斑状结构,块状构造,主要矿物为斜长石、辉石和角闪石等,可见榍石、磷灰石和金红石等副矿物。因此,两个盆地的含矿岩体在岩性特征和矿物组成上类似。

3 分析结果及讨论

3.1 主、微量元素特征

宁芜和庐枞盆地含矿岩体尽管具有相似的岩性特征和矿物组合,但在岩石地球化学方面却具有一定的差异。两个盆地中含矿岩体主要为中—基性火成岩,有中硅(57.10%～46.01%)、富钾(5.23%～0.65%)、高镁(5.24%～1.53%)的特点。宁芜和庐枞盆地含矿岩体的MgO分别为5.24%～1.93%和5.03%～1.62%,平均值分别为3.88%和2.88%,庐枞盆地含矿岩体MgO含量低于宁芜盆地含矿岩体MgO含量。

宁芜盆地含矿岩体的∑REE为(98.18 ～156.8)×10-6,均值为126.7×10-6,δEu为0.78～1.00,均值为0.96;LREE/HREE为5.33～10.6,均值为8.12。庐枞盆地含矿岩体的∑REE为(176.8～310.7)×10-6,均值为227.9×10-6,δEu为0.59～1.18,均值为0.79;LREE/HREE为9.21～11.80,均值为10.04。

在稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图(图2)中,两个盆地含矿岩体的稀土元素配分模式均为右倾型,轻稀土相对富集,重稀土相对亏损,可能与源区存在石榴子石有关。庐枞盆地含矿岩体的∑REE、∑LREE和∑HREE含量均高于宁芜盆地。庐枞盆地含矿岩体具有较明显的Eu负异常,可能与长石的分离结晶有关,宁芜盆地含矿岩体Eu负异常不明显,表明其长石的分离结晶作用不显著。稀土元素的差异说明宁芜和庐枞盆地含矿岩体的演化过程具有一定的差异。

图2 宁芜和庐枞盆地含矿岩体的稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图Fig. 2 Chondrite-normalized REE distribution patterns of the ore-bearing rocks from the Ningwu and Luzong basins

两个盆地含矿岩体的微量元素原始地幔标准化蛛网图(图3)显示,二者皆富集Rb、Th等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、P、Ti、Y等高场强元素，Sr异常不明显。庐枞盆地含矿岩体Th和U含量较宁芜盆地显著富集。在部分熔融和岩浆结晶分异过程中,U、Th浓集于液相并进入富Si产物。结合其较明显的Eu负异常,庐枞盆地含矿岩体地壳物质含量可能更高。

图3 宁芜和庐枞盆地含矿岩体的微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig. 3 Primitive mantel-normalized trace elements patterns of the ore-bearing rocks from the Ningwu and Luzong basins

宁芜盆地含矿岩体Rb/Ba为0.061～0.188,均值为0.122,庐枞盆地含矿岩体Rb/Ba为0.235～1.166,均值为0.700,两个盆地含矿岩体Rb/Ba值均高于原始地幔Rb/Ba值(0.088),显示存在岩浆结晶分异作用。宁芜盆地含矿岩体Nb/U为2.19～7.54,均值为4.24,庐枞盆地含矿岩体Nb/U为0.92～1.12,均值为1.02,两个盆地含矿岩体Nb/U均远低于全球MORB和OIB的Nb/U(≈47)。U主要赋存于陆壳中,较低的Nb/U说明岩浆形成或者演化过程中有陆壳物质加入。上述特征指示两个盆地含矿岩体的岩浆经历一定的结晶分异作用,比较而言,在岩浆形成或演化过程中庐枞盆地的岩浆可能有更多的陆壳物质加入。

3.2 Sr-Nd同位素特征

宁芜盆地含矿岩体Sr-Nd同位素组成见表1。宁芜盆地含矿岩体(87Sr/86Sr)i为0.706～0.707,εNd(t)为-7.28～-3.43;庐枞盆地早、晚两期侵入岩Sr-Nd同位素组成较集中,(87Sr/86Sr)i为0.705～0.709,εNd(t)为-9.7～-4.7[19]。在(87Sr/86Sr)-εNd(t)图解上(图4),宁芜盆地含矿岩体与庐枞盆地侵入岩Sr-Nd同位素位于MORB和扬子克拉通下地壳之间,说明二者具有幔源特征同时又受到一定程度的地壳混染。与宁芜盆地含矿岩体相比,庐枞盆地含矿岩体具有稍高的(87Sr/86Sr)i值和稍低的εNd(t)值,说明庐枞盆地岩体中含有较多的古老下地壳组分,可能与来自于富集岩石圈地幔的幔源基性岩浆受地壳组分混染或幔源基性岩浆同壳源的岩浆混合有关。

3.3 锆石Hf同位素特征

由表2可知,宁芜盆地含矿岩体中锆石的εHf(t)为-1.42～-15.8,平均值为-7.67;庐枞盆地与铁矿有关的闪长岩εHf(t)为-4.05～-16.9,平均值为-10.90[19]。两个盆地含矿岩体的εHf(t)均为负值,与铜陵地区来自富集地幔的白芒山岩体εHf(t)值(-3.3～-14.4)接近[22],说明岩浆主要来自于εHf(t)值较低的富集地幔。含矿岩体的εHf(t)值具有较大的变化范围,封闭体系岩浆演化难以具有这种特征,Hf同位素的变化说明有不同Hf组成的熔体加入到岩浆中,使岩浆Hf同位素发生较大变化。在锆石εHf(t)与U-Pb年龄图解上(图5),宁芜和庐枞盆地含矿岩体均分布于2.5 Ga地壳演化线和球粒陨石演化线之间,显示二者岩浆受一定程度的地壳混染,且庐枞盆地含矿岩体更低的锆石εHf(t)暗示其岩浆中有更多的地壳物质加入。

表1 宁芜盆地含矿岩体Sr-Nd同位素组成

图4 宁芜盆地含矿岩体与庐枞盆地侵入岩(87Sr/86Sr)i-εNd(t)图解(底图据文献[21];庐枞盆地侵入岩Sr-Nd同位素数据引自文献[19])Fig. 4 (87Sr/86Sr)I vs.εNd(t) diagram of the ore-bearing rocks in the Ningwu basin and intrusive rocks in the Luzong basin

综上,结合岩体的主量元素、微量元素、稀土元素、Sr-Nd同位素及锆石Hf同位素特征认为,庐枞盆地和宁芜盆地含矿岩体由来自富集岩石圈地幔的幔源岩浆与下地壳部分熔融形成的壳源熔体混合形成,且庐枞盆地受壳源物质混染程度较高。起源于富集地幔的岩浆中富含大量成矿元素,在岩浆演化和侵入过程中混染的地壳物质富含K、Li等元素,降低了岩浆的粘稠度,有利于降低岩浆的结晶温度,延长岩浆的结晶和演化时间,使岩浆分异作用更充分,利于成矿流体析出。因此,壳源物质的混入比例越多对成矿作用越有利,这可能是引起盆地中含矿岩体成矿作用存在差异的原因之一。

表2 宁芜盆地含矿岩体的锆石Hf同位素组成

图5 宁芜和庐枞盆地含矿岩体锆石εHf(t)值与U-Pb年龄关系图(庐枞盆地含矿岩体锆石U-Pb年龄和εHf(t)值引自文献[19])Fig. 5 εHf(t) vs. U-Pb age diagrams of the ore-bearing rocks from the Ningwu and Luzong basins

4 结 论

(1)宁芜和庐枞盆地含矿岩体具有相似矿物组合。岩石均呈灰绿或灰黑色,具有斑状结构,块状构造,主要矿物均为斜长石、辉石和角闪石等。

(2) 宁芜和庐枞盆地含矿岩体地球化学特征表明,二者岩浆均来源于富集地幔,且庐枞盆地岩浆演化程度更高,受更多壳源物质的混染,这可能是引起两个盆地铁矿化差异的主要原因之一。

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Geochemical comparison of ore-bearing rocks associated with iron mineralization in the Ningwu and Luzong basins

GAO Shou-ye1, WANG Li-juan2, LU Jian-jun1*, MA Dong-sheng1, SONG Ge-wen3

(1StateKeyLaboratoryforMineralDepositsResearch,SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing210023,China；2GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018,China；3ShanghaiMeishanMiningco.,LTD,Nanjing210041,China)

The Ningwu and Luzong basins in the Yangtze River region are characterized by the occurrence of extensive iron ore deposits. The igneous rocks associated with iron deposits in the two basins share similar petrologic features, although they differ in geochemical and isotopic signatures. To further reveal the differences of ore-bearing rocks in two basins, this paper conducted comparative study on petrography, major and trace elements, rare earth elements, Sr-Nd and zircon Hf isotopic compositions of the main ore-bearing igneous rocks from the two basins. The observation results under microscope show that two basins have the same mineral assemblages. Analyses of major elements indicate that the rocks are characterized by medium Si,and high K and Mg, suggestive of intermediate-mafic igneous rocks. Compared with the ore-bearing strata in the Ningwu basin, the strata in the Luzong basin contain relatively high ∑REE, ∑LREE and ∑HREE, especially with enrichment in Th and U and obvious negative Eu anomaly, suggesting that the ore-bearing rocks of the Luzhong basin contain much crust material. The Sr-Nd isotopic compositions indicate that the igneous rocks in the two basins were derived from enriched mantle. The lower zircon Hf isotopic compositions of the Luzong basin suggest that during the process of intrusion and evolution of magma, more crustal materials were added and this process resulted in the reduction of magma viscosity. Therefore it was more favorable for the iron mineralization in the Luzong basin.

ore-bearing igneous rocks; geochemistry;Ningwu basin; Luzong basin

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.01.003

2016-05-28

2016-06-09 责任编辑：谭桂丽

国家自然科学基金青年基金项目(项目编号：41102123)、中国地质调查局项目“宁芜溧水火山岩盆地岩浆构造演化与成矿作用关系研究(项目编号：1212011120864)”、“江苏省(含上海市)矿产资源调查成果综合集成与服务产品开发”联合资助。

高守业，1989年生，男，硕士，矿床地球化学专业。

王丽娟，1983年生，女，博士，岩石学专业。

P59

A

2096-1871(2017)01-021-07