内蒙古扎赉特旗神山铁铜矿床成岩成矿年代学及其地质意义

吕骏超，舒广龙，张德宝，赵 岩，刘桂香，毕中伟

1.中国地质调查局沈阳地质调查中心， 沈阳 1100342.内蒙古自治区第六地质矿产勘查开发院，内蒙古 海拉尔 021008

0 引言

大兴安岭成矿带是我国26个重点成矿区带中的优先部署找矿工作的10个重点区带之一[1]，具备大规模成矿的地质条件和找矿潜力，矿床大多与中生代岩浆热液活动关系密切[2]。大兴安岭成矿带也是我国重要的铜矿产地，已探明的铜矿床达30余处，其中包括多宝山、八大关、乌奴格吐山、敖脑达坝、罕达盖、布敦化、莲花山、闹牛山、神山、后六九等大、中、小型铜矿床和众多矿(化)点，主要矿床类型为斑岩型、岩浆热液型及矽卡岩型[3]。神山铁铜矿床是大兴安岭中段具有代表性的矽卡岩型铜矿床。

神山铁铜矿床位于内蒙古扎赉特旗境内，地理坐标为122°15′00″E—122°20′00″E，46°56′00″N—47°00′00″N，发现于20世纪50年代初，2007年进行了详细勘查，属小型矽卡岩型铁铜矿床。目前该矿床的研究工作开展较少，仅限于地质特征的描述，如矽卡岩带特征、矿体特征、围岩蚀变等[4]，对矿床成岩成矿时代和成矿构造环境的研究尚属空白，从而制约了该区地质找矿工作的进一步开展。本文系统采集了神山铁铜矿区与成矿关系密切的伊力特英云闪长岩样品，并进行岩石地球化学分析及锆石LA-ICP-MS U-Pb测年，在准确厘定神山铁铜矿床成岩成矿年龄的基础上，探讨成岩成矿动力学背景，进一步揭示该矿床的形成环境。

1 地质背景

研究区大地构造位于西伯利亚板块南缘活动增生带，兴安地块东部(图1)。该区不仅经历了古生代古亚洲洋构造体系的演化，也经历了中生代蒙古—鄂霍茨克构造域和中、新生代环太平洋构造体系的叠加与改造[5]。古生代古亚洲洋构造体系下，区内发育北东—北东东向的褶皱构造和脆性断裂构造。中、新生代断裂构造形成及基底断裂的继承性活动奠定了区域上以北东、北西向断裂为主体的构造格局。区域北东向构造主要为挤压环境下形成的褶皱和逆冲断层，北西向断层具有张性特征。

2 矿区地质与矿床地质特征

2.1 矿区地质

矿区出露地层主要为下二叠统大石寨组和中二叠统哲斯组，它们呈NE向展布(图1b)，分布于伊力特成矿岩体的周围。

大石寨组：岩性为安山岩(图2a、b)及英安岩，新鲜面呈深灰—灰绿色，斑状结构，块状构造。安山岩斑晶主要为斜长石、角闪石等，体积分数约为15%；英安岩斑晶为斜长石及少量石英，体积分数约为10%。基质为细微晶-隐晶质结构，主要由斜长石及少量角闪石构成，在英安岩中出现少量石英。岩石普遍有绿泥石化、绿帘石化等蚀变现象。在与英云闪长岩侵入接触带附近，岩石绿泥石化、绿帘石化明显增强，并出现黑云母，偶见透辉石及石榴石等。

哲斯组：下部主要为灰黑—灰色粉砂岩，夹粉砂质泥岩、粉—细砂岩及少量中粒砂岩，偶见灰岩透镜体；上部主要为灰岩，夹粉砂岩和砂砾岩。受热动力变质和接触交代作用的影响，岩石遭受大理岩化、矽卡岩化和角岩化等蚀变。外接触带的灰岩普遍大理岩化，大理岩呈白色、浅灰色，少数为灰—灰黑色。靠近岩体接触带灰岩蚀变为砂糖状大理岩，距侵入体渐远结晶程度逐渐降低，或出现大理岩化灰岩。大理岩中夹有的粉砂岩、砂砾岩的透镜体发生角岩化。在英云闪长岩与大理岩接触带断续分布着矽卡岩，其中有矽卡岩型含铜磁铁矿的小矿体。接触带附近的粉砂岩普遍角岩化，因侵入岩烘烤矿物发生重结晶，出现红柱石角岩、黑云母红柱石角岩、堇青石角岩、黑云母长英角岩等。热力变质作用随距离接触带渐远而递减，岩石由角岩渐变为角岩化和轻微角岩化的岩石。

1.第四系；2.二叠系中统哲斯组上段；3.二叠系中统哲斯组下段；4.二叠系下统大石寨组；5.晚侏罗世细粒花岗岩；6.晚侏罗世花岗斑岩；7.晚侏罗世英云闪长岩；8.晚侏罗世斜长花岗岩；9.矽卡岩带；10.钻孔Zk1301；11.地质界线。F1.牡丹江断裂；F2.敦化—密山断裂；F3.伊通—依兰断裂；F4.西拉木伦—长春断裂；F5.贺根山—黑河断裂；F6.得尔布干断裂。a图据文献[6]修编。图1 神山铁铜矿大地构造位置图(a)及矿区地质简图(b)Fig.1 Tectonic locations(a)and geological sketch(b) map of the Shenshan Fe-Cu deposit

矿区侵入岩主要为晚侏罗世，产出状态为岩株状和岩脉状，规模最大者为伊力特岩体。伊力特岩体主要岩石类型为英云闪长岩,可相变为闪长岩或二长闪长岩，呈岩株状出露于伊力特林场，大体呈椭圆状，出露面积约41 km2，长轴大体沿NE方向展布，受NE、NW向断裂共同控制。晚侏罗世侵入岩主要为英云闪长岩、细粒花岗岩、花岗斑岩、斜长花岗岩等。

矿区褶皱构造、断裂构造和接触带构造均较发育。多期次、多组构造交织在一起，还有诸多侵入体对构造的改造作用，使矿区构造变得极为复杂。褶皱构造主要发育于二叠系大石寨组和哲斯组中，常发育于NE向断裂附近，其规模一般不大。接触带构造是矿区最重要的控矿构造，含矿矽卡岩带受接触带控制。伊力特岩体与哲斯组和大石寨组为侵入接触，于岩体周边和岩体内哲斯组残留体周边形成规模较大的接触带构造。北接触带构造和南接触带构造总体沿45°～50°方向展布，北接触带长约12 km，南接触带长约3 km，岩体西边的接触带走向近SN。接触带产状变化较大，主要受接触面形态制约。断裂构造以NW、NE、近SN向为主，次为层间剥离构造，其中NE向断裂是成矿带重要的控矿构造。

2.2 矿床地质特征

矿体产于伊力特岩体与哲斯组接触带及其附近，矿体主要赋存于接触带以绿帘石-石榴子石为主的矽卡岩中，部分分布于外接触带层间剥离断层或断层中。矿区共圈定大小矿体22条，其中主要矿体7条，从属矿体15条。具体类型为铁矿体8条、铁铜矿体4条、钼矿体4条、铜矿体3条、锌矿体3条。

Pl.斜长石；Hb.角闪石。图2 研究区安山岩及其镜下特征Fig.2 Andesite photo and mircro-photo

原生矿中的矿石矿物主要为磁铁矿，另有少量赤铁矿、黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、黝铜矿、辉钼矿。地表氧化矿中的矿石矿物主要为铜蓝和孔雀石等。脉石矿物主要有石榴石、透辉石、阳起石、硅灰石、透闪石及绿帘石等。矿石常见结构为他形晶粒状结构和交代结构，少见放射束状结构。矿物生成顺序为：磁铁矿→赤铁矿→硫化物。硫化物阶段的原生矿物有：辉钼矿-黄铁矿-黄铜矿-闪锌矿-方铅矿-黝铜矿。

矿石构造多为致密块状和浸染状构造。致密块状矿石矿物组成以磁铁矿、赤铁矿为主。矿石类型主要为致密块状、浸染状石榴石型磁铁矿石，常伴有铜矿石、钼矿石、铁铜钼矿石、铁钼矿石、铁锌矿石、钼矿石、铁铜矿石。

矿体围岩以矽卡岩为主，次为大理岩，见有英云闪长岩等。围岩蚀变类型主要为矽卡岩化和大理岩化，与成矿有关的围岩蚀变以矽卡岩为主，硅化、绿帘石化、绿泥石化次之。

依据矿床地质特征和矿物共生组合关系，将成矿期次划分为：①成矿前热接触变质期，哲斯组产生大理岩化和角岩化；②气液交代变质成矿期，早期矽卡岩化及矽卡岩阶段，晚期氧化物阶段(磁铁矿化阶段和赤铁矿化阶段)；③热液成矿期，石英-硫化物阶段；④成矿后热液蚀变期，碳酸盐化、绿泥石化、黄铁矿化等。铁矿体主要产于接触带矽卡岩内，而硫化物矿体似乎更趋向于赋存在外接触带。

3 锆石U-Pb年代学

3.1 样品采集与处理

本文对与成矿有关的伊力特岩体英云闪长岩进行了LA-ICP-MS锆石 U-Pb测年。样品(图3a、b)采自矿区Zk1301孔深161 m处，质量约为10 kg，Zk1301是2013年施工的探矿钻孔。在样品采集过程中，注意到了其代表性。采样位置是经过对多个钻孔岩心详细观察后而确定的，力求采集到较为新鲜的岩石样品。岩石样品新鲜面呈灰白色，具块状构造，花岗结构，主要矿物成分为斜长石，次为钾长石、石英、黑云母和普通角闪石等。石英：他形，粒状，粒度0.4～1.6 mm，体积分数约为20%；斜长石：半自形，板状，粒度0.4～4.0 mm，局部绢云母化，体积分数约为65%；钾长石：半自形，板状，粒度0.4～0.8 mm，见条纹结构，体积分数约为5%；黑云母：绿色，半自形，片状，粒度0.4～2.0 mm，局部绿泥石化，体积分数约为8%；普通角闪石：黄绿—绿色，半自形，柱状，粒度0.8～3.2 mm，体积分数约为2%。

Q.石英；Kf.钾长石；Hb.角闪石。图3 研究区英云闪长岩(岩心)及其镜下特征Fig.3 Tonalite core photo and mircro-photo

锆石单矿物分选在国土资源部东北矿产资源监督检测中心通过标准重矿物分选技术完成，最后在双目镜下手工挑纯。英云闪长岩中的锆石绝大多数结晶较好，多呈浅黄色、无色，透明度良好，金刚光泽。锆石呈长轴状或短柱状的自形—半自形晶型，锆石长短轴比例一般为1.5∶1～3∶1，颗粒晶面完整，平直光滑。锆石制靶及相应阴极发光拍摄由北京锆年领航科技有限公司完成，将锆石样品放在玻璃板上用环氧树脂固定，抛光到锆石的中心面，经反射光与透光照相，后镀金，拍摄阴极发光(CL)图像以反映锆石颗粒内部结构及裂隙分布情况。从样品中挑选出的锆石均为无色半透明状，晶形以长柱状为主。从单矿物中进一步挑选出来用于测试的锆石，矿物颗粒均具有清晰的振荡环带结构，具有岩浆成因特征(图4)。

3.2 测试方法

锆石U-Pb同位素定年LA-ICP-MS分析在国家地质实验测试中心完成。分析使用NWR-193 ArF准分子激光剥蚀系统及Thermo Fisher ELEMENT 2高分辨电感耦合等离子体质谱仪。激光剥蚀斑束直径25 μm，频率10 Hz；以He气作为载气；ICP-MS分析采用低分辨模式，使用NIST612进行仪器信号调谐，La和Th信号大于30 W，监测ThO+/Th+控制氧化物产率<0.2%，同位素信号比值238U/232Th≈1，降低分析过程中动态分馏作用的影响。锆石U-Pb分析检测202Hg、204Pb、206Pb、207Pb、208Pb、232Th、235U、238U，其中232Th、235U、238U检测时间为1 ms，202Hg、204Pb、206Pb、207Pb、208Pb检测时间为2 ms。

单个样品点数据分析包括20 s仪器背景信号及40 s样品信号采集；每10个未知样品点分析插入锆石标准样品GJ-1及Plesovice各2次[7-8]，以监测仪器状态和分析数据质量，本次测试分析质量监控样品Plesovice锆石共计6点，测定谐和年龄为((336.0±3.6)Ma)，数据处理采用GLITTER(Version 4.0)完成。

3.3 测试结果

对锆石靶进行了17个有效点位的测试(图4)，根据软件GLITTER(Version 4.0)对测试数据进行了处理，处理过程中对204Pb质量分数明显高于背景值的2组数据进行了剔除，原始锆石测试数据见表1，处理后图件见图5。锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄测试结果(谐和年龄)为(155.3±0.6)Ma，表明伊力特英云闪长岩岩体侵位时代为晚侏罗世。

4 地球化学特征

4.1 分析方法

英云闪长岩8件样品均采自钻孔岩心，其主量、稀土、微量元素分析均在国土资源部东北矿产资源监督检测中心完成。主量元素分析采用X射线荧光光谱法(XRF)，分析精度优于5%。稀土元素和微量元素分析采用等离子质谱(ICP-MS)分析方法，测试分析精度优于10%。分析结果分别见表2。

4.2 主量元素

表2显示，英云闪长岩岩石中：w(SiO2)为60.60%～63.33%，平均为61.92%，属中性岩浆岩；w(Al2O3)为15.84 %～17.01 %，平均为16.45%；w(TiO2)为0.68 %～0.78 %；w(K2O+Na2O)为6.03 %～6.72 %，平均为6.43%；K2O/Na2O一般为0.35～0.56，平均为0.50；w(CaO)为4.24 %～4.82 %；w(MgO)为1.88 %～4.34 %。A/CNK= 1.41～1.54，属于强过铝质岩。在R2-R1成分因子判别图上，岩石样品多落入英云闪长岩和闪长岩区域(图6a)，利特曼指数σ为1.99～2.56，属钙碱性花岗岩类。在 Fe2O3/FeO-w(SiO2)图上，所有样品落入磁铁矿区域，显示成矿岩体氧化程度较高，也反映岩浆分异程度高(图6b)。在w(Na2O+K2O)-w(SiO2)图解中，样品绝大部分落入高钾钙碱性系列区域(图7a)。在A/NK-A/CNK图解中样品均落入过铝质花岗岩类区域(图7b)。

表1 伊力特英云闪长岩体锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果表

图5 伊力特英云闪长岩体锆石U-Pb谐和曲线年龄图Fig.5 Zircon U-Pb condordia diagrams from the Yilite tonalite

表2 神山铁铜矿床英云闪长岩主量元素、稀土元素及微量元素分析结果

续表2

注：主量元素质量分数单位为%；稀土及微量元素质量分数单位为10-6。

图6 伊力特英云闪长岩R2-R1成分因子判别图(a)和 Fe2O3/FeO-w(SiO2)图解(b)Fig.6 R2-R1diagram(a) and Fe2O3/FeO-w(SiO2) diagram of the Yilite tonalite(b)

4.3 稀土元素

表2显示：英云闪长岩岩石稀土总量w(∑REE)为107.16×10-6～132.01×10-6，平均为118.33×10-6。LREE/HREE为5.28～6.05，(La/Yb)N为14.76～19.40，曲线为右倾型(图8a)，轻稀土富集。根据曲线形态显示，(La/Sm)N值较高，轻稀土分馏明显，(Gd/Yb)N值较低，重稀土分馏不显著。δEu为0.97～1.17，铕异常不明显，具幔源I型花岗岩特征。δCe值为0.87～0.92，存在弱铈异常。

4.4 微量元素

在微量元素蛛网图上，岩石相对亏损Zr、Nb及Lu等高场强元素(HFSE)(图8b)，相对富集Rb、Ba、Sr和Pb等大离子亲石元素(LILE)。大离子亲石元素的富集，可能与岩浆演化及热液作用有密切关系。负的Nb异常和正的U、Sr、Ba、Hf异常显示大陆地壳的特征，可能指示地壳物质参与了岩浆过程[9]。

5 讨论

5.1 神山铁铜矿床成矿成岩时代

伊力特岩体英云闪长岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄测试结果(加权平均年龄)为(155.3±1.3)Ma，这一年龄应为伊力特成矿岩体英云闪长岩的结晶年龄，反映岩体侵位于晚侏罗世。神山铁铜矿床成矿稍晚于成岩，但成岩与成矿年龄相近。因此，可以认为成岩年龄大致代表了成矿年龄，即矿床成矿年龄大致为156 Ma，成矿时代为晚侏罗世。

图7 伊力特英云闪长岩ALK vs w(SiO2)图解(a)及A/NK vs A/CNK 图解(b)Fig.7 ALK vs w(SiO2) diagram (a) and A/NK vs A/CNK diagram(b) of the Yilite tonalite

图8 伊力特英云闪长岩稀土元素配分图解(a)与微量元素蛛网图(b)Fig.8 REE patterns(a)and trace elements diagrams(b)of the Yilite tonalite

周广志等[10]认为，伊力特岩体与黑龙江省龙江县后六九铜钼矿成矿岩体为同源同期产物，并根据测得的后六九铜钼矿成矿岩体的年龄推断伊力特岩体年龄。采用LA-ICP-MS测试方法，周志广等[10]获得后六九花岗闪长岩的锆石U-Pb同位素年龄为(155.5±1.0)Ma，测得区域闪长岩的锆石U-Pb同位素年龄为(156.8±1.2)Ma。乌兰浩特南与神山铁铜矿床处于同一地质构造单元的布敦化铜矿床，与成矿相关的黑云母花岗闪长岩和英云闪长斑岩同位素年龄分别为(165.0±2.0)和160.0 Ma[11-13]，这些年龄值与上述神山矿床成矿岩体英云闪长岩年龄相近，反映出中晚侏罗世构造-岩浆活动与该区成矿密切相关，这些相关侵入岩和相应矿床应为同期的产物。

5.2 岩石成因类型及构造环境判别

Castillo[14-15]认为埃达克岩主要是根据岩石的地球化学特点来定义的，以高Sr/Y和La/Yb值及低Y和Yb质量分数定义，并用Sr/Y-w(Y)和La/Yb-w(Yb)图解来判别。在Sr/Y-w(Y)(图9a)和La/Yb-w(Yb)(图9b)判别图上，伊力特英云闪长岩8件样品均落入埃达克岩区域。英云闪长岩具埃达克型特征，Sr/Y为65.6～92.0，La/Yb为21.9～28.8，w(Sr)为698.00×10-6～864.00×10-6，w(Y)为9.04×10-6～10.60×10-6，w(Yb)为0.82×10-6～1.01×10-6，LREE富集，轻重稀土元素分异显著，δEu为0.97～1.17，几乎无铕异常；Yb亏损和Sr富集及弱铕异常表明，岩浆源区可能有石榴石+辉石±角闪石±斜长石存在，形成深度大于50 km，压力通常大于1.2 GPa[16]。岩石几乎无负铕异常，显示源区未残留斜长石，重稀土亏损与源区残留石榴子石有关[17]。

按照ISMA型分类，在TFeO/MgO-104Ga/Al和(Na2O+K2O)/CaO-w(Zr+Nb+Ce+Y)判别图(图10a、b)上，样品均落在I和S型花岗岩区域内。通过岩相学观察，伊力特英云闪长岩具有少量普通角闪石，8%的黑云母，其A/CNK虽大于1.1但属于过铝质岩，由于镜下薄片观察中并没有发现S型花岗岩的特征过铝质矿物，如堇青石等，故推测伊力特英云闪长岩属I型花岗岩。

在w(Nb)-w(Y)和w(Rb)-w(Y+Nb)构造环境判别图解(图11a、b)中，样品均落入火山弧和同碰撞花岗岩区域。这些特征显示，神山矿床的赋矿英云闪长岩形成于同碰撞或火山弧的构造环境。

5.3 成矿地球动力学背景

古生代该区处于古亚洲洋，主要接受海相沉积，形成火山-碎屑岩夹碳酸盐建造。古生代末期—中生代初期，西伯利亚板块和华北板块沿西拉木伦—长春—延吉一线拼合成一个整体[18-19]。古亚洲洋构造演化为区域矿床的形成奠定了物质基础和地质构造格架。

晚二叠世—三叠纪西伯利亚板块与华北板块拼合后，古亚洲洋闭合，兴安地块造山隆起，由古亚洲洋构造域转换为蒙古—鄂霍茨克洋和滨太平洋构造域发展阶段。蒙古—鄂霍茨克洋始于泥盆纪，闭合于早白垩世[20]。神山铁铜矿床形成于西伯利亚板块与华北板块拼合后与蒙古—鄂霍茨克洋闭合前之间的晚侏罗世，成岩成矿作用受古亚洲构造域和蒙古—鄂霍茨克洋构造域的制约。如上所述，与成矿关系密切的英云闪长岩为Ⅰ型花岗岩，高Sr低Y，具埃达克岩特征，形成于同碰撞或火山弧的构造环境。埃达克岩岩浆成因起源于玄武质岩石的部分熔融，且源区部分残留相含有石榴子石和角闪石的矿物组合。底侵玄武岩部分熔融能够形成的富钠岩形成于较厚的地壳[21-23]，表明下地壳玄武质岩部分熔融应发生在较高的湿度条件下，这意味着高Sr低Y型岩浆起源于厚的地壳[24]。大兴安岭北段晚侏罗世吉祥峰组中酸性火山岩中存在高Sr低Y型火山岩，被认为其岩浆起源于下地壳玄武质岩浆，为玄武质岩浆底辟上侵引起下地壳岩石部分熔融之混合岩浆，与古太平洋板块向西伯利亚板块斜向俯冲有关[17]。

图9 伊力特英云闪长岩Sr/Y-w(Y)判别图(a)和La/Yb-w(Yb)判别图(b)Fig.9 Sr/Y vs w(Y)diagram (a) and La/Yb vs w(Yb) diagram (b) of the Yilite tonalite

图10 伊力特英云闪长岩TFeO/MgO-104Ga/Al判别图(a)和(Na2O+K2O)/CaO-w(Zr+Nb+Ce+Y)判别图(b)Fig.10 TFeO/MgO vs 104Ga/Al diagram(a) and (Na2O+K2O)/CaO vs w(Zr+Nb+Ce+Y) diagram (b) of the Yilite tonalite

图11 伊力特英云闪长岩w(Nb)-w(Y)(a)和w(Rb)-w(Y+Nb)(b)构造环境判别图Fig.11 w(Nb) vs w(Y) diagram (a)and w(Rb) vs w(Y+Nb)diagram (b)of the Yilite tonalite

6 结论

1)通过LA-ICP-MS锆石 U-Pb测年，获得伊力特岩体英云闪长岩加权平均年龄为(155.3±1.3)Ma，表明伊力特英云闪长岩岩体侵位时代为晚侏罗世，成岩与成矿年龄相近，认为成岩年龄大致代表了成矿年龄，即矿床成矿年龄大致为156 Ma，成矿时代为晚侏罗世。这与区域上一些矿床成矿年龄基本一致，反映出中、晚侏罗世构造-岩浆活动与该区成矿密切相关，与成矿相关侵入岩和相应矿床应为同源同期的产物。

2)地球化学特征显示，神山铁铜矿床成矿侵入岩为英云闪长岩，属中性岩类，I型花岗岩类，铝过饱和，为高钾钙碱性系列和磁铁矿系列。岩石高Sr低Yb，具埃达克型岩特征，形成于同碰撞或火山弧的构造环境。

3)神山铁铜矿床的形成受古亚洲洋构造体制和蒙古—鄂霍茨克洋构造体制的共同制约，与板块间和微地块间的相互作用密切相关。在两个构造体制作用下，晚侏罗世研究区处于地壳加厚和构造活化的构造环境，即成岩成矿于地壳加厚和构造活化的构造环境。