延边杜荒岭铜金矿区中酸性火成岩的地球化学特征及成岩机理

门兰静，孙景贵，王好均，薛晓刚，刘城先

(1.长春工程学院，长春 130021； 2.吉林大学地球科学学院，长春 130061)

0 引言

杜荒岭铜金矿是延边地区重要的浅成热液高硫化型矿床。近年来我们对该矿床开展了系统的矿床地质、年代学和成矿流体研究[1-5]，发现与成矿密切相关的热事件可能为矿区内的石英闪长岩、花岗闪长斑岩、花岗斑岩及矿区外围的花岗闪长岩。为了深入揭示这些岩石在成矿中的作用及与成矿关系最密切的岩石类型，我们对这些岩石进行主量、微量元素系统研究，结合相关矿床的研究成果[6-7]，揭示这些岩石的地球化学特征，进而明确成岩机理及岩浆作用对金铜成矿的制约。

1 成矿地质背景和矿床地质概况

1.1 成矿地质背景

延边地区位于中国东北陆缘吉林省东部，地处天山—兴蒙造山带东端，狭于佳木斯地块、兴凯地块、和龙地体(华北板块东端)之间(图1(a))，是一个经历古亚洲洋演化和兴蒙造山对接、中生代古太平洋板块俯冲以及新生代超壳断裂作用叠加的复合构造区。区域出露的地层主要有晚古生代中、浅变质的塔东群、三道沟群、青龙村群、五道沟群以及下二叠系的大蒜沟组、庙岭组、山谷旗组、滩前组，中生代晚三叠世的大兴沟群、早侏罗世中晚期至早白垩世的屯田营组、金沟岭组和泉水村组、晚白垩世的大砬子组、龙井组地层；侵入岩时代主要是晚二叠世(260～245 Ma)、三叠世(225～200 Ma)、早侏罗世(190～180 Ma)、中侏罗世(170～150 Ma)、早白垩世(130 Ma)[8]和早白垩世晚期花岗杂岩(113～105 Ma)。现已勘探开发内生金、金铜和铅锌铜多金属矿床10余座，大型白钨矿、铁矿床各1座、中型铜镍硫化物矿床2座[9]。

1.2 矿床地质概况

杜荒岭铜金矿床位于吉林延边地区东部，分布在汪清中生代火山断陷盆地东侧，大石头—大北城近东西向断裂与北东向断裂交汇处(图1(b))。区内地层出露面积较小，主要有上二叠统开山屯组和下二叠统满河组，其岩性为砂砾岩、砂岩、板岩和变质中酸性火山岩；下白垩统金沟岭组，其岩性为安山质角砾岩、安山岩及少量碎屑岩。矿区内出露的地质体主要是石英闪长岩、花岗闪长斑岩和花岗斑岩脉。

矿床目前已勘探出19条矿化地质体，划分为5个矿化带。矿体类型主要是隐爆角砾岩型(1条)和蚀变岩型(18条)，后者伴生硫化物石英脉。隐爆角砾岩型矿体产在矿区西侧北东向断裂与近东西向断裂交汇部位的近东西向断裂内，赋矿围岩为石英闪长岩和少量花岗闪长斑岩，角砾岩筒地表出露长50 m左右，宽30 m，在平面上呈椭圆形，长轴方向呈北东向，倾向为20°～25°。含金角砾岩由角砾和胶结物两部分组成：角砾含量约50%～70%，呈浑圆状、棱角状，砾径0.2～5 cm，岩性为硅化、绢云母化花岗闪长斑岩和石英闪长岩；胶结物为青磐岩化蚀变岩、硅化、绢英岩化蚀变岩等；矿体Au平均品位在3.00×10-6左右。蚀变岩型矿体位于隐爆角砾岩型矿体的东侧，产于近东西向的断裂内，常伴生花岗斑岩，赋矿围岩为石英闪长岩、少量花岗闪长斑岩，黄铁绢英岩化的花岗斑岩本身就是矿体；矿脉成群近平行产出，间距20～80 m不等，脉群总体倾向330°～350°，倾角65°～80°(局部达85°)；矿体金的品位在3.76×10-6～9.35×10-6之间。矿石矿物以黄铁矿、黄铜矿为主，少量斑铜矿、辉铜矿、辉锑矿、闪锌矿、磁铁矿，可见方铅矿、磁黄铁矿及自然金、银金矿、辉银矿等(图2(a)、(b))；围岩蚀变主要是绢云母化、泥化(高岭土化、迪开石化)、硅化(图2(c))、青磐岩化以及少量碳酸盐化，偶见电气石化。矿石多呈半自形粒状结构和交代侵蚀结构，可见浸染状、角砾状、脉状、晶洞构造。矿化过程可划分为黄铁绢英化阶段、石英—黄铁矿阶段、多金属硫化物阶段和石英—碳酸盐细脉4个成矿阶段。

1.石英闪长岩；2.黑云母花岗闪长岩；3.花岗闪长斑岩；4.闪长玢岩；5.断裂破碎带；6.隐爆角砾岩筒；7.矿体；8.矿带号；9.强蚀变带；10.弱蚀变带。(b)杜荒岭矿床地质图图1 延边地区地质图

2 实验样品描述

本次研究所涉及的样品均取自矿区内或外新鲜及弱蚀变的中酸性侵入岩(部分样品因靠近矿化体导致蚀变较强)。岩石类型主要为石英闪长岩(DHL-3-1、DHL-3-2)、花岗闪长斑岩(DHL12-1-1、DHL12-1-2、DHL2-1、DHL2-2)、花岗斑岩(DHL12-6-1、DHL-6、DHL1-1、DHL1-2、DHL12-13)以及花岗闪长岩(Jxnc-2a)，它们的具体特征如下：

(a)黄铁矿中的裂隙金

(b)自形黄铁矿、他形黄铜矿、半自形闪锌矿

(c)含矿蚀变岩

(d)花岗斑岩

(e)花岗闪长斑岩

(f)石英闪长岩

(g)花岗闪长岩

(h)黄铁绢英岩化花岗斑岩

(i)含硫化物石英

石英闪长岩：呈岩株状分布在矿区内，出露面积较大，是矿区内的主体岩性。岩石新鲜面呈灰色，块状构造，中细粒晶质结构，粒径一般为0.2～1.0 mm。主要矿物为斜长石(75%±)、石英(10%)、黑云母(10%±)和角闪石(5%±)，副矿物有磷灰石、锆石、磁铁矿等(图2(f))。

花岗闪长斑岩：主要分布在矿区北部及东北部，呈岩株或单个侵入体产出于石英闪长岩中。岩石新鲜面呈灰绿色，块状构造，斑状结构，基质为霏细结构。斑晶含量20%～30%，粒径一般为0.2～1.0 mm。斑晶主要为斜长石(70%±)和石英(20%±)以及少量角闪石(5%±)和黑云母(5%±)，副矿物有磷灰石、锆石、磁铁矿和榍石等(图2(e))。个别样品可见硅化、绢云母化、高岭土化等蚀变显现。

花岗斑岩：主要分布在矿区北部的2号、3号及5号矿带内，呈单个侵入体产出，并常与矿体伴生。岩石新鲜面呈灰白色，块状构造，斑状结构，基质为霏细结构。斑晶含量20%～30%，粒径一般为0.2～1.5 mm。斑晶主要为斜长石(65%±)和石英(30%±)以及少量黑云母(3%±)和碱性长石(2%±)，副矿物有磷灰石、锆石、磁铁矿和榍石等(图2(d))。个别样品可见硅化、绢云母化、高岭土化及黄铁矿化等蚀变显现。

花岗闪长岩：分布在矿区外围，呈岩株或岩基产出，出露面积较大，在研究区浅成高硫化、斑岩型金铜矿区内常见(锆石U-Pb年龄为111.7±2.8 Ma，孙景贵，2008)。岩石新鲜面呈灰色，块状构造，中细粒晶质结构，粒径一般为0.2～1.0 mm。主要矿物为斜长石(40%±)、石英(30%±)、钾长石(10%±)、普通角闪石(10%～15%)和黑云母(5%～10%)，副矿物有磷灰石、锆石、磁铁矿和榍石等(图2(g))。

3 实验测试方法及分析结果

3.1 测试方法

实验采用无污染常规法碎样至200目粉末，测试分析在吉林大学中心实验室完成。主量元素分析采用玻璃熔片大型X射线荧光光谱法(XRF)分析，元素分析的重现性(准确度)优于3%；痕量元素分析利用Agilent 7500a ICP-MS完成，详细的样品处理过程、分析精密度和准确度见Gao et al.[10]。

3.2 主量元素测试结果

上述4类中酸性岩石的SiO2含量为59.84%～75.06%，Al2O3的含量为14.78%～17.44%，MgO的含量为0.18%～4.13%，Na2O+K2O的含量为2.90%～7.39%，Na2O/K2O为0.02～3.18，岩石里特曼指数(δ)为0.3～2.49，均小于3.3，显示亚碱性系列的特征。个别岩石样品因蚀变作用影响，其SiO2、K2O、FeO、Fe2O3含量升高，而Na2O、CaO、MgO出现亏损，其他元素含量基本无变化。在SiO2-K2O图解(图3(a))上，石英闪长岩、花岗闪长岩分布在钙碱性系列区域内，花岗闪长斑岩分布在高钾钙碱性系列区域内，而花岗斑岩则显示钙碱性向高钾钙碱性过渡的特点。此外，岩石的A/CNK值均小于1.1(个别蚀变样品除外)，且A/NK均大于1，属于准铝质—弱过铝质系列岩石，显示了Ⅰ型花岗岩或Ⅰ型中酸性侵入岩的特征(图3(b))。结合邻区小西南岔金铜矿床中与矿体密切伴生的英云闪长岩的地球化学数据[11]，图3(a)和(b)中投点的阴影区域，说明研究区早白垩与成矿有关的中酸性侵入岩均为亚碱性系列中高钾钙碱性或钙碱性系列的岩石，并显示I型花岗岩的特点。

(a)SiO2—K2O图解

(b)ACNK—ANK图解

(c)稀土元素球粒陨石标准化配分图

(d)微量元素原始地幔标准化蛛网图

3.3 微量元素和稀土元素

上述4类中酸性岩石稀土元素总量较低(ΣREE(Rare earth element)=62.86～109.07 μg/g)，轻重稀土之间分异明显，LREE/HREE为5.49～11.42，平均值为7.97，(La/Yb)N为5.41～13.24，平均值为7.92，稀土元素球粒陨石标准化图谱上均呈右倾模式(图3(c))。样品Eu异常不明显(δEu=0.89～1.08)，暗示源区可能有石榴石或角闪石矿物残留。个别岩石样品出现Eu的负异常(δEu=0.46～0.88)则由热液蚀变引起，前人研究表明[14]，有时候Eu亏损或富集常是因为热液蚀变引起的。个别样品的斜长石在发生涓云母化，高岭土化等蚀变时(如DHL-1-1)，会析出部分Na+和Ca2+，同时形成碳酸盐矿物和黏土矿物等，而Eu2+离子半径与Ca2+接近，Eu2+容易与Ca2+发生类质同象置换进入碳酸盐矿物和黏土矿物[15]，从而使蚀变后岩石表现为负的Eu异常。

微量元素组成上，上述岩石富集Cs、Rb、Ba等大离子亲石元素(LILE)和元素化学性质活泼的不相容元素U、Th、Pb，亏损Nb、Ta、P、Zr、Hf和Ti等高场强元素(HFSE)。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图中(图3(d))，显示出大离子亲石元素富集与高场强元素亏损的右倾模式。岩石微量元素含量及其配分型式与大洋板片俯冲有关的玄武质火山岩相似，暗示其成岩环境与大洋板块俯冲作用有关。蚀变岩石Sr严重亏损(Sr=9.24～37.6 μg/g)；因为Sr主要赋存于斜长石中，与Ca呈类质同象，而斜长石遭受热液蚀变使Na、Ca流失，导致Sr含量明显降低[16]。世界范围内许多斑岩型及高硫化型金铜矿床的热液蚀变作用可以降低岩石的Sr含量，而邻区小西南岔金铜矿床中与矿体密切伴生的英云闪长岩的微量元素及稀土元素组成上(图3(c)、(d)中阴影区域)均与上述中酸性岩石具有相同的特点。

4 讨论

4.1 岩浆起源、演化与成岩机理

就主量元素特征而言，研究区内的中酸性侵入岩均属于准铝质—弱过铝质、(高钾)钙碱性系列的岩石，并具有I型花岗岩的地球化学属性。微量元素组成上，上述岩石富集轻稀土(LREE)元素和大离子亲石元素(LILE)和活泼的不相容元素，相对亏损高场强元素(HFSE)和重稀土(HREE)元素。主微量元素均显示出岛弧岩浆岩的地球化学属性。上述岩石具有富集LILE、LREE，亏损HFSE和HREE的地球化学性质一致，反映出岩浆源区具有经过俯冲带流体或熔体改造后富集地幔的性质[17]。

在构造环境判别图解上(图4(a))，上述岩石落入岛弧火山岩的范围内，同样显示了其岩浆源区与岛弧岩浆岩的地球化学亲缘性。在岩石成因类型成因判别图解上(图4(b)、(c))，石英闪长岩、花岗闪长斑岩落在岛弧钙碱性岩区，是正常的弧岩浆岩。而花岗斑岩、花岗闪长岩及小西南岔内的英云闪长岩的成分点落在埃达克质岩区或岛弧钙碱性岩区内，具有埃达克质岩、岛弧钙碱性岩的双重性。

花岗斑岩、花岗闪长岩及英云闪长岩的地球化学组成以及REE分布模式类似埃达克质岩石，但既不具同于俯冲大洋板块部分熔融产生的埃达克质岩浆特征[18]，又不同于大陆内部造山过程产生的埃达克质岩浆[16]，而且与典型的adakite质岩浆熔融源区石榴子石作为主要残留相的特征也存在差别，暗示它们可能不具有独立原始岩浆属性或为混合岩浆。上述岩石较低的Ba/Th(42.8～108.12，均小于300)比值，暗示其成岩过程中存在俯冲沉积物的参与[19]。

在埃达克岩与玄武岩的实验熔体的SiO2—MgO图解上[20-21]，花岗斑岩、花岗闪长岩及英云闪长岩大多数落入俯冲洋壳熔融形成的埃达克岩区，表明形成的岩浆可能起源于俯冲洋壳的部分熔融(图4(d))。上述3类岩石拥有较高SiO2含量(63.18%～75.06%)，类似于Martin[21]提出的高硅埃达克岩(HSA)(被地幔橄榄岩混染的大洋板片熔融体，SiO2含量大于60%)。在Sr/Y—Yb图解(图4(c))及SiO2—MgO图解(图4(d))上，样品均落入HSA范围内，同样表明他们的岩浆起源于俯冲大洋板片的部分熔融。

(a)Y+Yb—Rb图解

(b)La—La/Sm图解

(c)YbN—(La/Yb)N图解

(d)Y—Sr/Y图解

综上所述，研究区中酸性岩浆的形成机理是：石英闪长岩、花岗闪长斑岩是俯冲板片提供的流体交代下地壳而形成的富集地幔源岩浆部分熔融的产物；花岗斑岩、花岗闪长岩及英云闪长岩是有俯冲沉积物贡献的俯冲洋壳部分熔融形成的埃达克质岩浆，其上升过程中与俯冲板片提供的流体交代下地壳而形成的富集地幔源岩浆混合后派生的产物。

4.2 岩浆作用对成矿的制约

相比研究区正常的弧岩浆岩(花岗闪长斑岩、石英闪长岩)，区域内的金铜矿床(小西南岔富金斑岩型铜矿床，杜荒岭、九三沟浅成高硫化型铜金矿床)的成矿作用发生在花岗斑岩、花岗闪长岩及英云闪长岩浅成就位的同时或之后，并且矿体常与其密切伴生，因而金铜矿床在成因、空间和时间上都与埃达克质中酸性侵入岩有密切的联系。

世界上的许多铜金矿床都形成于板块汇聚边界的高氧逸度的环境下[22-25]，因为只有当岩浆源区呈现高氧化态时，S元素才容易进入硅酸盐熔体，Au、Cu等成矿元素才能富集于硅酸盐熔体中。俯冲大洋板片熔融形成的埃达克质熔体通常具有高氧逸度f(O2)，且洋壳中Cu的丰度(60×10-6～125×10-6[24])远比地幔(60×10-6[26])和陆壳(27×10-6[27])高，所以洋壳部分熔融形成的埃达克质岩浆更有利于Au、Cu等成矿元素的富集[23，28-29]。而正常的弧岩浆岩(如本次研究中花岗闪长斑岩、石英闪长岩)的岩浆源区的氧逸度不够高，其母岩浆中的Au、Cu含量也不高，所以不能形成大型Au-Cu矿床[23]。本次研究中具有埃达克质属性的花岗斑岩中岩浆锆石微量元素组成显示较高的Ce正异常[4]，暗示岩浆形成于高氧化的环境[30-31]，因而具备携带大量Au、Cu等成矿元素的前提。综上所述，具有埃达克质成因的中酸性侵入岩是研究区金铜矿床的成矿母岩。

5 结语

1)主量元素特征显示研究的中酸性岩石为亚碱性系列中高钾钙碱性或钙碱性系列，为I型花岗岩的特点；微量元素显示岩石富集Cs、Rb、Ba等大离子亲石元素(LILE)和元素化学性质活泼的不相容元素U、Th、Pb，亏损Nb、Ta、P、Zr、Hf和Ti等高场强元素(HFSE)；

2)地球化学特征表明，石英闪长岩、花岗闪长斑岩是俯冲板片提供的流体及熔体交代下地壳而形成的富集地幔源岩浆部分熔融的产物；花岗斑岩、花岗闪长岩及英云闪长岩是有俯冲沉积物贡献的俯冲洋壳部分熔融形成的埃达克质岩浆，其上升过程中与俯冲板片提供的流体交代下地壳而形成的富集地幔源岩浆混合后派生的产物。

3)与杜荒岭金铜成矿关系最密切的不是围岩花岗闪长斑岩、石英闪长岩，而是花岗斑岩、花岗闪长岩。

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