皖南竹溪岭花岗闪长岩的岩浆源区：来自矿物学、地球化学证据

2019-03-26闫盼盼徐生发孔志岗金修勇

地球科学与环境学报 2019年2期

闫盼盼，梁婷,2*，徐生发，鲁麟，孔志岗,4，金修勇

(1.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710054； 2.长安大学成矿作用及其动力学实验室，陕西西安 710054； 3.安徽省地质矿产勘查局332地质队，安徽黄山 245000；4.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093)

0 引言

与铜铁钼矿有关的岩体年龄为137～156 Ma；与钨矿有关的岩体年龄为135～161 Ma;图件引自文献[1]，有所修改图1 江南古陆东缘及长江中下游成矿带地质简图Fig.1 Geological Sketch Map of the Metallogenic Belt in the Middle-lower Yangtze River Belt and the Eastern Margin of Jiangnan Paleocontinent

近年来，皖南发现了一系列的钨钼银等多金属矿床，并且在江南古陆东缘及邻区发现和探明了一批超大型—大型斑岩-矽卡岩型钨钼矿床，构成了一个与长江中下游铜金铁多金属成矿带近平行的钨钼成矿带[1-2](图1)，如与花岗岩和花岗斑岩相关的朱溪钨(铜)多金属矿床[3]、与花岗斑岩相关的东源钨矿[4]、与花岗岩相关的香炉山矽卡岩型钨矿[5]以及与花岗闪长岩相关的竹溪岭矽卡岩型钨矿等[2]。一系列钨矿的发现改变了以前“中国已探明钨矿主要分布于南岭地区”的认识，使江南古陆东缘及邻区钨成矿带成为全球另一个重要的钨成矿带。

图件引自文献[2]图2 竹溪岭钨多金属矿床地质简图Fig.2 Geological Sketch Map of Zhuxiling W-polymetallic Deposit

竹溪岭钨多金属矿床是近年来发现的一个大型矽卡岩型钨钼银多金属矿床，矿体主要位于花岗闪长岩与兰田组碳酸盐岩地层接触部位。目前对该矿床的研究集中在成岩成矿时代上。陈雪霏等对矿区花岗岩开展锆石U-Pb定年，认为该岩体是燕山晚期早白垩世((140.5±2)Ma)侵入，其形成可能与侏罗纪太平洋板块平俯冲之后的回撤作用有关[6]。孔志岗等认为江南古陆东缘及邻区燕山期花岗质岩体的形成年龄主要为121～161 Ma；钨钼矿床主要成矿年龄为139～152 Ma；其成岩成矿可能与燕山期古太平洋俯冲板块撕裂形成的板片窗有关[2]。花岗质岩石的矿物学特征可以作为研究岩浆结晶作用过程的物理、化学条件和岩浆流体挥发份组成的重要依据[7-9]。因此，在系统的野外调查和岩相学观察基础上，本文拟通过对花岗闪长岩的岩石地球化学和主要造岩矿物黑云母、长石以及其中副矿物的成分分析，从矿物学及地球化学方面讨论皖南竹溪岭岩体岩石成因、岩浆形成环境和物质来源，初步探讨与成矿密切相关的花岗闪长岩的构造背景，为竹溪岭地区成岩作用研究提供参考和依据。

1 区域地质背景与岩体特征

1.1 区域地质背景

皖南地区大地构造位置处于扬子板块东北部、江南古陆东缘，横跨下扬子前陆凹陷带、江南造山带及皖浙褶断带[6,10]。研究区位于皖南竹溪岭地区，区域内出露的地层(图2)由老至新依次为南华系(南沱组)、震旦系(兰田组、皮园村组)、寒武系(荷塘组、大陈岭组、杨柳岗组、华严寺组、西阳山组)、奥陶系(印渚埠组)。南沱组为含砾凝灰质砂岩、泥岩、冰碛砾岩。兰田组为矿区主要赋矿地层，可分为4段：第四岩性段为白云岩、钙质泥岩、板岩；第三岩性段为条带状泥质白云质灰岩与条纹状泥晶灰岩互层；第二岩性段为含钙含粉砂碳质板岩、含硅碳质板岩；第一岩性段为含锰白云质灰岩夹硅质白云岩。皮园村组为灰黑色与青灰色相间的含碳硅质板岩与硅质板岩互层。荷塘组为黑灰色含碳硅质板岩(见煤层)。大陈岭组为青灰色白云质灰岩。杨柳岗组上部为灰色泥质灰岩，下部为黑灰色碳质硅质板岩。华严寺组为深灰色泥质条带状灰岩。西阳山组为深灰色条带状灰岩，其中可见饼状灰岩，即灰岩夹灰岩透镜体。印渚埠组为青灰色钙质泥岩。

研究区西北部与绩溪断裂带、宁国—绩溪复背斜相邻，南部为三阳断裂带。矿区构造发育，褶皱为短轴的背斜褶皱构造，核部被竹溪岭花岗闪长岩岩体侵位；断裂构造为形态各异、规模不等的各种层间滑脱构造及断裂构造，主要为NE、NW和近EW向，为不同构造层次多期叠加变形的产物。

该区岩浆岩以新元古代与早中生代侵入岩为主，多为花岗岩类和花岗闪长岩类。岩浆岩主要分为两期：①晋宁期(760～820 Ma)，主要为花岗闪长岩和花岗岩，代表岩体有许村、石耳山、休宁岩体等[11]，分布于江南古陆南缘，沿隆起带边界缝合带分布[12]；②燕山期(120～160 Ma)，花岗(斑)岩和花岗闪长岩广泛分布，代表岩体有竹溪岭、旌德、姚村岩体等[13-14]。

区域内矿产资源分布广泛，主要以钨、钼矿为主，伴生有金、银、铅、锌等多金属。其中，钨、钼矿主要以斑岩型、矽卡岩型矿床为主，分布于朱溪、香炉山、旌德、绩溪等地；铜、铅、锌矿集中分布于长江中下游地区，以斑岩-矽卡岩-层控型矿床为主；金、锑矿则主要位于池州、黄山等地[2]。

1.2 岩体特征

竹溪岭地区中酸性岩浆岩发育，岩性以花岗闪长岩为主，花岗闪长斑岩和花岗斑岩多呈脉状产出。与成矿密切相关的主要为花岗闪长岩，岩体形态为近EW向。根据钻探资料推测，岩体在深部相连为一个整体，总体预测面积约1.5 km2，但出露面积仅1 km2左右。

竹溪岭花岗闪长岩为灰白色至浅灰色[图3(a)、(b)]，具似斑状结构、块状构造，呈半自形粒状结构[图3(c)]，局部可见钾长石化、绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化、高岭土化、黄铁矿化等。斑晶体积分数为20%～30%，主要由石英(体积分数为7%～12%)、斜长石(11%～15%)和少量黑云母(3%)组成[图3(d)～(g)]。依据垂直(010)晶带最大消光角法确定斜长石牌号，An牌号大部分为30～50，少量为25～30，主要为中—拉长石，少量更长石。基质体积分数为70%～80%，粒度一般小于2 mm，主要由石英(体积分数为15%～20%)、斜长石(30%～35%)、钾长石(15%～20%)、黑云母(<7%)和角闪石(<2%)组成。副矿物可见锆石、榍石、磷灰石、金红石等[图3(h)、(i)]。金属矿物有黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等。

2 分析方法

本次研究样品采集于野外和钻孔ZK804(119°14′05″E，30°31′06″N)，用于地球化学分析的样品主要采自野外地表露头，矿物学分析样品采自钻孔。与成矿密切相关的花岗闪长岩均为新鲜样品，将岩石样品磨制成薄片后在显微镜下进行系统鉴定。

岩石样品的破碎和化学分析在长安大学成矿作用及其动力学实验室完成，氧化物采用X射线荧光光谱仪3080E测定。主量元素测定选择国家标准岩石GSR-1、GSR-3 来校准，在量化过程中使用的校准线来自于36种标准物质数据的二元回归，分析精度为0.01%～0.20%。岩石微量元素及稀土元素(REE)利用等离子质谱(ICP-MS)仪测定，其中含量(质量分数，下同)大于10×10-6的元素测试精度为5%，小于10×10-6的元素测试精度为10%，个别在样品中含量低的元素测试误差大于10%。

选取新鲜的黑云母、斜长石斑晶，及锆石、榍石、磷灰石、金红石等副矿物进行电子探针分析。测试工作在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室电子探针室完成。实验仪器型号为JXA-8100电子探针仪，仪器工作条件为：硅酸盐类矿物测定的加速电压为20 kV，电子束流为10 nA，出射角为40°；副矿物测定的加速电压为15 kV，电流为20 nA，束斑直径低于1 μm。

Ads为中长石;Bt为黑云母；Kfs为钾长石；Mic为微斜长石；Qz为石英；Chl为绿泥石；Ap为磷灰石；Spn为榍石；Zr为锆石图3 竹溪岭花岗闪长岩手标本照片及显微照片Fig.3 Hand Specimen and Micrographs of Zhuxiling Granodiorite

3 结果分析

3.1 岩石地球化学

3.1.1 主量元素

竹溪岭花岗闪长岩主量元素分析结果见表1。花岗闪长岩中SiO2含量为64.67%～67.33%，平均65.89%；Al2O3含量为15.26%～16.26%，平均15.68%；所有样品K2O/Na2O值均大于1.1，反映K多于Na。在TAS图解上，所测样品均落在花岗闪长岩区域内[图4(a)]；在K2O-SiO2图解上，样品落在高钾钙碱性系列区域内[图4(b)]；在A/NK-A/CNK图解上，样品落在准铝质与过铝质过渡区域[图4(c)]。

表1 主量元素分析结果

注：w(·)为元素或化合物含量；wtotal为主量元素总含量。

图(a)中，1为橄榄岩，2a为碱性辉长岩，2b为亚碱性辉长岩，3为辉长闪长岩，4为闪长岩，5为花岗闪长岩，6为花岗岩，8为二长辉长岩，9为二长闪长岩，10为二长岩，11为石英二长岩，12为正长岩，13为副长辉长岩，14为似长二长闪长岩，15为似长二长正长岩，16为似长石正长岩，17为似长石深成岩;图(a)底图引自文献[15]；图(b)、(c)底图引自文献[16]图4 TAS图解、K2O-SiO2图解和A/NK-A/CNK 图解Fig.4 Diagrams of TAS, K2O-SiO2 and A/NK-A/CNK

3.1.2 稀土元素

稀土元素分析结果见表2。岩石中稀土元素总含量为(90.40～166.94)×10-6，平均为128.53×10-6；轻稀土元素(LREE)含量为(79.31～156.61)×10-6，平均为117.91×10-6;重稀土元素(HREE)含量为(10.12～11.09)×10-6，平均为10.62×10-6；LREE/HREE值为7.15～15.16，平均为11.13；(La/Yb)N值为11.60～37.32，平均为22.62；Eu异常为0.73～0.81，平均为0.78；Ce异常为0.95～0.99，平均为0.97。球粒陨石标准化稀土元素配分模式表现为轻稀土元素富集的右倾配分模式(图5)。

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；球粒陨石标准化数据引自文献[17]；同一图中相同线条对应不同样品图5 球粒陨石标准化稀土元素配分模式Fig.5 Chondrite-normalized REE Pattern

3.1.3 微量元素

wp为原始地幔含量；原始地幔标准化数据引自文献[17]；同一图中相同线条对应不同样品图6 原始地幔标准化微量元素蛛网图Fig.6 Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram

底图引自文献[18]图7 Y-SiO2图解Fig.7 Diagram of Y-SiO2

微量元素分析结果见表2。原始地幔标准化微量元素蛛网图表现为整体右倾的特征(图6)。在Y-SiO2图解上，样品落在Ⅰ型花岗岩区域(图7)。岩石富集Rb、K、U、Nd和Hf等元素，亏损Ta、Nb、P和Ti等元素；Nb元素亏损说明岩浆源区有幔源物质的混入[19]。原始地幔标准化微量元素蛛网图显示Ti负异常，说明有Ti-Fe氧化物的分离结晶或者源区有部分残留。

表2 微量和稀土元素分析结果Tab.2 Analysis Results of Trace Elements and REE

3.2 主要造岩矿物和副矿物成分

3.2.1 黑云母

Rt为金红石；Mag为磁铁矿；Ilm为钛铁矿图8 矿物背散射图像Fig.8 Backscattered Photographs of Minerals

3.2.2 斜长石

竹溪岭花岗闪长岩中具有环带结构的斜长石斑晶(图3)背散射图像见图8(c)，电子探针分析结果见表4。其An牌号为27.03～54.88，变化较大，成分为中长石、拉长石。SiO2含量为55.25%～60.96%；Na2O为5.25%～8.92%，平均值为6.74%；CaO为6.09%～11.82%，平均值为9.17%；斜长石普遍含有FeO、MgO、MnO，但含量较低。从斜长石Or-Ab-An图解(图10)得知，样品中斜长石斑晶主要为中长石、拉长石，少量为更长石。

对花岗闪长岩中具有环带结构的斜长石斑晶从核部到边部进行电子探针分析，An牌号变化曲线见图11。由图11可知，相邻环带间An牌号有升降交替变化，但总体上从核到幔呈下降趋势，表现出由基性至酸性的变化，这是由于整体岩浆温度下降时，后晶出的斜长石较先晶出的斜长石Ab牌号高，所以边部较核部酸性强[21]。中途正、反环带的出现可能与构造压力等影响有关。

3.2.3 副矿物

竹溪岭花岗闪长岩中的副矿物主要包括锆石、榍石、磷灰石、金红石(图3)，符合Ⅰ型花岗岩的副矿物组合特点。副矿物分析结果见表5。锆石多呈短柱状，多见于黑云母与长石表面[图8(a)、(b)]；榍石呈淡褐色，通常与黑云母共生，保留完整的信封状外形。通过背散射图像观察，部分榍石见清晰的环带结构[图8(f)]，表明此类榍石是从原始岩浆中结晶出来的[22]，一部分他形榍石充填于矿物颗粒之间，可能为次生榍石[图8(b)]；磷灰石多呈无色柱粒状，常见于黑云母中，长石中可见少量[图8(a)、(d)]；金红石呈放射状、针状，在蚀变黑云母中析出[图8(e)]。

4 讨论

4.1 成岩温压条件与氧逸度

黑云母与部分副矿物的标型和成分特征一定程度上可反映岩浆岩的演化和形成条件、岩浆的物质来源等问题[23-25]。温度是影响岩浆作用过程的重要因素之一。锆石在岩浆演化早期开始结晶，且不易遭到后期流体蚀变的影响，锆石的饱和温度和岩浆的液相线接近[26]，因此，可通过锆石饱和温度计对岩浆的形成温度进行很好地估计。Watson等通过实验得出了花岗岩锆石饱和温度计的计算方法[27]。其表达式为

T=12 900/(2.95+0.85M+ln(496 000/wZr-melt))

M=(N(Na)+N(K)+2N(Ga))/(N(Al)N(Si))

注：n(·)为离子数；以22个O原子为基础计算的阳离子数及相关计算依据路远发开发的GeoKit 软件[28]计算；“-”表示低于检测限。

式中：T为锆石饱和温度；N(·)为元素的摩尔分数，wZr-melt为熔体中的Zr含量；M为中间变量。

竹溪岭花岗闪长岩中可以观察到较多的岩浆锆石，根据全岩Zr含量及主量元素分析结果，计算出花岗闪长岩的初始岩浆温度为741 ℃～780 ℃。同时，从黑云母的Ti-Mg/(Mg+FeT)图解[图12(b)]中获得花岗闪长岩黑云母结晶温度范围为720 ℃～750 ℃，与岩相学观察结果一致，符合矿物结晶顺序。

Henry等研究认为，黑云母中的全铝含量同花岗岩的固结压力具有正相关关系，未发生蚀变的黑云母可以用来估算成岩压力[29]。其关系式为

P=3.03n(TAl)-6.53(±0.33)

(1)

表4 斜长石电子探针分析结果Tab.4 Electron Microprobe Analysis Results of Plagioclases

注：斜长石端元组分依据路远发开发的GeoKit 软件[28]计算；“-”表示低于检测限。

底图引自文献[30]图9 黑云母 Mg-AlⅥ+Fe3++Ti-Fe2++Mn图解Fig.9 Diagram of Mg-AlⅥ+Fe3++Ti-Fe2++Mn of Biotites

图10 斜长石Or-Ab-An图解Fig.10 Diagram of Or-Ab-An of Plagioclases

1～6分别为样品斜长石电子探针分析不同位置的点号图11 斜长石成分变化Fig.11 Composition Variations of Plagioclases

式中：P为成岩压力(×100 MPa)。

根据式(1)计算得出，花岗闪长岩中黑云母的结晶压力为73～169 MPa，侵位深度为2.75～6.39 km，平均深度为4.48 km。

氧逸度(f(O2))是影响岩浆作用过程的另一重要因素。花岗闪长岩中存在磁铁矿-榍石-石英矿物组合，因此，可由公式logf(O2)=-30 930/T+14.98+0.142(P-1)/T来估算岩石形成时的氧逸度[31]，根据本文所得的压力、温度计算得出的氧逸度为-17.52～-10.09。此外，Wones等研究提出利用与磁铁矿和钾长石共生的黑云母中的Fe2+、Fe3+、Mg2+对结晶时的氧逸度进行估算，并划分出不同氧逸度的缓冲带[32]。研究区黑云母与钾长石-磁铁矿-石英共生，在黑云母Fe2+-Fe3+-Mg图解[图12(a)]中投点均落在Ni-NiO 与Fe2O3-Fe3O4两条缓冲线之间，属较高氧逸度环境[31]。

表5 副矿物电子探针分析结果Tab.5 Electron Microprobe Analysis Results of Accessory Minerals

注：“-”表示低于检测限。

图(a)底图引自文献[32]；图(b)底图引自文献[29]图12 黑云母Fe2+-Fe3+-Mg图解及Ti-Mg/(Mg+FeT)图解Fig.12 Diagrams of Fe2+-Fe3+-Mg and Ti-Mg/(Mg+FeT) of Biotites

4.2 岩石成因类型

副矿物组合特征对花岗岩类型有一定判断意义。S型花岗岩最基本副矿物组合为石榴石-独居石-钛铁矿，较Ⅰ型含有更多稀有、稀土元素；Ⅰ型花岗岩则为磁铁矿-锆石-磷灰石-榍石，以富含铁钛矿为特征[33]。竹溪岭花岗闪长岩副矿物主要有锆石、榍石、磷灰石、金红石、磁铁矿，并且含有较多磁铁矿、榍石，符合I型花岗岩副矿物组合特点。徐克勤等依据岩石中黑云母的Mg#值划分I型、S型花岗岩，I型花岗岩中黑云母具有较高的Mg#值(0.384～0.626)，而S型花岗岩则较低[34]。研究区花岗闪长岩Mg#值为0.579～0.626，位于I型花岗岩范围内。

Abdel-Rahamn提出造山带钙碱性岩系与过铝质岩系中主要发生3Mg↔2Al替换，过铝质岩系FeOT/MgO平均值约为7.04，而造山带钙碱性岩系FeOT/MgO平均值约为1.76[35]。研究区花岗闪长岩FeOT/MgO平均值为1.75，接近造山带钙碱性岩系。同时，在黑云母MgO-FeOT-Al2O3图解(图13)上，竹溪岭花岗闪长岩中的黑云母主要落在C区域，表明岩体属于造山带钙碱性花岗岩。

A、C和P分别代表非造山带碱性花岗岩、造山带钙碱性花岗岩和过铝质花岗岩；底图引自文献[35]图13 黑云母 MgO-FeOT -Al2O3图解Fig.13 Diagram of MgO-FeOT-Al2O3 of Biotites

竹溪岭花岗闪长岩具有高Si(SiO2含量为66.11%～68.28%)、富K(K2O/Na2O值均大于1.1)、铝弱饱和(A/CNK值为1.00～1.04)和低MgO(含量为1.06%～1.19%)的特征，CaO/Na2O值为1.08～1.22，Rb/Sr值为0.26～0.32，Rb/Ba值为0.17～0.20。花岗闪长岩富集Rb、K等元素，亏损Nb、Ta、Zr和Ti等元素，地球化学特征暗示原始岩浆以壳源为主，可能有幔源物质的混入[19]。花岗闪长岩呈现出弱Eu负异常，可能是源区有斜长石残留所致，说明岩浆起源的压力较低。丁孝石认为典型的幔源黑云母MgO含量高于15%，壳源黑云母MgO含量低于6%[36]，而本文MgO含量为10.82%～11.56%，具有壳幔混合的特点。同时，孔志岗等测得竹溪岭矿床辉钼矿Re含量为(22.64～68.06)×10-6[2]，也可证明这一点。综上所述，本区成岩物质主要来源于地壳物质部分熔融，并有少量幔源物质的混入。

4.3 构造环境

竹溪岭矿床位于扬子板块东南缘与华夏板块接合部位，属于赣北—皖南—浙西地区的锡钨成矿带。该成矿带成岩成矿时代集中于124～146 Ma，相比位于华夏板块内部的南岭地区晚侏罗世(集中于150～160 Ma)锡钨矿床和滇东南—桂西北地区晚白垩世(集中于76～98 Ma)锡钨矿床，成岩成矿时代有较明显差异[37]。这种矿化的差异可能与晚中生代壳幔作用和构造岩浆活动差异有关[38]。Wu等通过对长江中下游及邻区燕山早期花岗质岩石的年龄分析认为，成岩年龄从西向东有逐步变年轻的趋势，其可能形成于古太平洋俯冲板片因俯冲角度变化产生的板片撕裂构造背景[39]。

竹溪岭花岗闪长岩在Pearce等的构造背景判别图解[40](图14)上位于火山弧花岗岩区；同时，花岗闪长岩富集Rb、K等元素，亏损Nb、Ta、Zr和Ti等元素，与岛弧花岗岩的特征一致，表明竹溪岭花岗闪长岩的形成与晚侏罗世古太平洋板块的俯冲作用密切相关。Abdel-Rahamn认为非造山带碱性花岗岩多形成于高温、无水的环境，其晚期结晶的黑云母以富Fe为特征；造山带钙碱性花岗岩与俯冲作用密切相关，多产于中温、富水的环境，晚期晶出的黑云母有贫Ti，富Mg、Al的特征[35]。因此，岩浆温度的降低会使花岗岩中黑云母发生由富Ti贫Al到富Mg富Al的转变。通过前文可知黑云母为镁质黑云母，在黑云母的MgO-FeOT-Al2O3图解中也得出竹溪岭花岗闪长岩属造山带钙碱性花岗岩(图13)。

综上所述，竹溪岭花岗闪长岩可能形成于中温、富水的环境，与太平洋板块的俯冲作用密切相关。结合皖南地区动力学背景，花岗质岩浆的形成可能与古太平洋俯冲板片撕裂而形成近EW向的板片窗有关，幔源物质上涌和底侵导致地壳物质部分熔融[2]，进而形成该地区中—高温和高氧逸度的熔体。岩浆不断分异演化形成的含矿热液与围岩发生大规模的蚀变作用，成矿物质富集，在岩体的内、外接触带形成了钨多金属矿床。