加里曼丹岛西南部Lamandau地区辉石闪长玢岩全岩Sr-Nd和锆石Hf同位素研究

李 双,杨晓勇,孙卫东

(1.桂林理工大学 a.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室;b.地球科学学院,广西 桂林 541006;2.中国科学院壳幔物质与环境重点实验室,中国科学技术大学 地球与空间科学学院,合肥 230026;3.中国科学院海洋研究所 深海研究中心,山东 青岛266071;4.中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心,北京 100101)

0 引 言

加里曼丹岛是东南亚最大的一个岛屿,位于欧亚板块的东南缘,属于西太平洋-特提斯构造-岩浆活动带交汇的地方(图1)。加里曼丹岛属于东南亚陆缘壳体部分,形成时间为中晚三叠世,基底由华夏古陆和冈瓦纳古陆边缘的几个前寒武纪-早古生代的陆块组成[1-3]。近年来,前人在加里曼丹发现了一些金矿床,并对其地球动力学背景作了初步研究[4-6],但是其成因仍然存在争议。一种观点认为,加里曼丹岛同时处于太平洋、欧亚和印度-澳大利亚板块斜向汇聚作用带内,三大板块之间的汇聚、碰撞、俯冲和拆离、扩张等地质作用,以及古特提斯洋消亡产生的陆-陆碰撞和地幔柱活动,制约了该区构造岩浆活动和金矿形成作用[3,6-8]。另一种观点认为,由于南海扩张，推动了加里曼丹岛内卢卡尼亚陆块(Lucaonia)向南运移俯冲碰撞,在这个过程中多个构造转换所形成的多期岩浆活动导致了著名的加里曼丹中部浅成低温热液金矿带的形成[9-10]。

本文选取加里曼丹岛西南部巽他陆块Lamandau地区闪长玢岩进行研究，该地区闪长玢岩与区内发育的铁铜金多金属矿床密切相关,是矿床的主要赋矿围岩[11]。通过对Lamandau地区闪长玢岩进行全岩Sr-Nd和锆石Hf同位素研究,限定岩石的源区和成因,为探讨岩体与该区铁铜金多金属矿床的关系提供新依据,也为区内进一步找矿勘查提供参考。

图1 加里曼丹岛岩浆岩露头分布简图及采样位置(据文献[4]修改)Fig.1 Distribution of volcanic outcrops in Kalimantan Island and sample location

1 区域地质背景及岩体地质概况

1.1 区域地质背景

加里曼丹岛北部与南中国海边缘海盆相邻,东部以菲律宾活动带和菲律宾板块为界,南部以班达(Banda)和巽他(Sunda)岛弧系统为界,西部以巽他(Sunda)大陆架和马来半岛中生代陆壳为界(图1)。加里曼丹岛的西部、中部地区在北部主要为上白垩统至古近系杂砂岩组成的盖层,南部为下白垩统到上白垩统俯冲相关的Schwaner岩体,西部由古近纪火成岩、变质岩和变形的沉积岩组成[12]。在加里曼丹岛燕山期大规模的中酸性岩浆活动主要出现在西部赤道以南,以石英闪长岩和花岗闪长岩为主,在其西南部地区有晚白垩世花岗岩基,并与中-基性火山岩(晚白垩世至古新世初)伴生[13]。

1.2 岩体地质概况

加里曼丹岛Lamandau地区属于巽他陆块(Sundaland),位于加里曼丹岛西南部Adang断裂以南,古晋(Kuching)构造带南部(图1)。 巽他陆块属于亲华夏地块,其基底为中酸性岩浆岩,该区花岗岩基形成于白垩纪,K-Ar年龄为76～115 Ma[3,14]。 Lamandau地区闪长玢岩呈岩株状分布,分布范围约5 km2,并与区内出露的玄武岩岩脉伴生。 该区闪长玢岩侵入到晚三叠世—中白垩世火山岩和沉积岩序列中,其中沉积岩主要由粉砂岩、砂岩组成;火山岩包括基性和酸性火山岩,属于Matan杂岩体的一部分(图2)。 锆石U-Pb定年结果表明,该区闪长玢岩形成于晚白垩世,形成时代约为80 Ma[11]。 Lamandau地区发育的铁铜金矿床位于闪长玢岩侵入体与火山岩和沉积岩序列的接触带,矿石矿物包括磁铁矿、黄铁矿、黄铜矿等。

图2 Lamandau地区铁铜金多金属矿床地质简图(据文献[10]及印尼Bupati Lamandau矿产勘察公司资料修改)Fig.2 Geological sketch map of the Fe-Cu-Au polymetallic deposit in Lamandau area1—晚三叠世-中白垩世火山岩;2—晚三叠世-中白垩世砂岩、粉砂岩;3—闪长玢岩;4—玄武岩;5—磁铁矿及硫化物矿体;6—断层;7—河流

1.3 岩石学特征

加里曼丹岛Lamandau 地区的闪长玢岩具有斑状结构,斑晶含量约为40%,主要组成矿物包括斜长石、辉石、角闪石,基质为隐晶质斜长石(图3)。斜长石斑晶含量约为20%,属于拉长石和中长石,大小不一,呈半自形晶或他形晶。 拉长石发育聚片双晶结构,中长石发育环带结构。 辉石和角闪石斑晶含量约为20%,属于辉石闪长玢岩。 该区辉石闪长玢岩中不透明矿物主要为浸染状磁铁矿,含量约为5%。

2 分析方法

2.1 全岩Sr-Nd同位素分析方法

本次挑选了6个具有代表性的岩石样品进行Sr-Nd同位素分析,测试在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成。 采用常规离子交换树脂技术进行样品分离， 实验仪器为美国Thermo Fisher Scientific公司的Neptune Plus型多接收等离子体质谱仪(MC-ICP-MS),利用86Sr/88Sr=0.119 4、146Nd/144Nd=0.721 9进行质量分馏校正， 质量监控样品分别为NBS 987及JNdi-1标准物质。 NBS 987标样的87Sr/86Sr=0.710 290±14 (2σ,n=4),JNdi-1标样的143Nd/144Nd=0.512 100±5 (2σ,n=4)。 Sr-Nd同位素分析过程中,采用87Rb的衰变常数为1.42×10-11/a,147Sm的衰变常数为6.54×10-12/a。 采用的球粒陨石标准值(87Rb/86Sr)CHUR=0.082 7,(87Sr/86Sr)CHUR=0.704 5,(147Sm/144Nd)CHUR=0.196 7,(143Nd/144Nd)CHUR=0.512 6; 亏损地幔标准值为(147Sm/144Nd)DM=0.213 7,(143Nd/144Nd)DM=0.513 2。

图3 加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩露头、手标本和岩相学特征Fig.3 Characteristics of outcrop,hand specimen and microphotograph of pyroxene diorite porphyry in Lamandau area,Kalimantan Islanda—野外露头;b—手标本;c、d—镜下显微照片(+);Hbl—角闪石;Pl—斜长石;Px—辉石;Mag—磁铁矿

2.2 LA-MC-ICP MS锆石Hf分析方法

本文所用锆石样品的U-Pb年龄测试结果见文献[11]。在原来的锆石定年测试完成后,再在原来剥蚀点上用LA-MC-ICP MS进行Lu-Hf同位素分析,测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。实验仪器为配备有Geolas2500激光剥蚀系统,英国Nu Instruments公司的Nu Plasma HR多接收电感耦合等离子体质谱仪。实验过程中采用He作为剥蚀物质载气,激光束斑直径为44 μm,剥蚀频率为10 Hz,用176Lu/175Lu=0.026 69和176Yb/172Yb=0.588 6进行同量异位干扰校正。 本次实验测试的MON-1、GJ-1和91500外部标样的176Hf/177Hf值分别为0.282 712±0.000 007 (2σ,n=7)、0.281 976±0.000 011 (2σ,n=7)和0.282 261±0.000 012 (2σ,n=7); 实验操作方法和原理参见文献[15]。εHf计算采用176Lu的衰变常数为1.867×10-11/a。 Hf同位素分析过程中,采用的球粒陨石标准值为 (176Lu/177Hf)CHUR=0.033 2,(176Hf/177Hf)CHUR,0=0.028 277 2[16]; 亏损地幔标准值为(176Lu/177Hf)DM=0.038 4,(176Hf/177Hf)DM=0.283 25[17]。

3 分析结果

3.1 全岩Sr-Nd同位素

Lamandau地区辉石闪长玢岩Sr、Nd同位素分析结果见表1。6个辉石闪长玢岩样品的87Sr/86Sr值为0.704 563～0.704 618,143Nd/144Nd值为0.512 705～0.512 762。根据U-Pb定年结果获得的辉石闪长玢岩形成时间约为80 Ma[11],计算出(87Sr/86Sr)i值为0.704 230～0.704 296,(143Nd/144Nd)i值为0.512 642～0.512 696,εNd(t)为2.08～3.15,平均值为2.60。 对应的单阶段Nd模式年龄tDM1为0.67～0.74 Ga,二阶段Nd模式年龄tDM2为0.54～0.62 Ga。

3.2 锆石Lu-Hf同位素

Lamandau地区辉石闪长玢岩中锆石Lu-Hf同位素分析结果见表2。3个锆石样品的176Lu/177Hf值为0.000 715～0.003 679,大都小于0.002(少量样品值略大于0.002),平均值为0.001 888。因此，在锆石形成后由176Lu衰变形成了极少量的子体176Hf同位素[18]。本次测试所获得的176Hf/177Hf值即代表锆石形成时岩浆的Hf同位素组成,锆石样品的初始176Hf/177Hf值为0.282 678～0.282 812,平均为0.282 741,εHf(t)为-2.80～2.20,平均值为-0.42,单阶段Hf模式年龄(tDM1)为695～934 Ma,二阶段Hf模式年龄(tDM2)为869～1 118 Ma。

4 讨 论

4.1 岩浆源区与岩石成因

Sm、Nd元素具有相似的地球化学性质,在风化、蚀变和变质等地质过程中岩石中的Sm、Nd同位素基本保持不变,因此Nd同位素可用于岩浆岩源区性质的判别。锆石是中酸性岩浆岩中的常见副矿物,其化学性质稳定,封闭温度高,并且Lu/Hf值很低,因此通过测试锆石中的Hf同位素组成可以反映其结晶时岩浆中的Hf同位素组成[18-19]。因此本文将全岩Sr-Nd同位素与锆石Hf同位素结合起来进行示踪,能更准确地反映Lamandau地区辉石闪长玢岩岩浆源区的性质。

表1 加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩Sr-Nd同位素组成 Table 1 Sr-Nd isotopic compositions of the pyroxene diorite porphyry from Lamandau area,Kalimantan Island

表2 加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩LA-MC-ICP MS锆石Hf同位素原位分析测试结果 Table 2 LA-MC-ICP MS zircon Hf isotopic compositions of the pyroxene diorite porphyry from Lamandau area,Kalimantan Island

加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩具有正的εNd(t)值(2.08～3.15)和较低的(87Sr/86Sr)i值(0.704 230～0.704 296) (表1)。 在εNd(t)-t关系图上(图4a),样品投点于亏损地幔和球粒陨石演化线之间,说明其岩浆源区可能为亏损地幔[20-22]。前期的全岩元素地球化学研究结果表明,Lamandau地区辉石闪长玢岩和共生的玄武岩在微量元素蛛网图和稀土元素配分模式图上具有相似的趋势,均具有富集大离子亲石元素(LILE)和轻稀土元素(LREEs),亏损高场强元素(HFSE)和重稀土元素(HREEs)的特征,属于典型的岛弧岩石,而非埃达克质岩石[11]。 全岩Harker图解分析结果表明,Lamandau地区辉石闪长玢岩形成时发生富镁铁质矿物、斜长石的分离结晶[11]。 笔者在前期研究中对Lamandau地区闪长玢岩中的磷灰石稀土元素作了分析,其特征与以幔源物质为主的长江系列花岗岩中的磷灰石相似,这也表明该区辉石闪长玢岩岩浆来源于幔源物质[11]。 Tangse Cu-Mo矿床和Batu Hijau Cu-Au矿床是发育在巽他(Sunda)岛弧上的两个斑岩型矿床。 两个矿床中与成矿相关的斑岩均属于埃达克质岩石,具有相似的成岩源区,以及较低的(87Sr/86Sr)i、(143Nd/144Nd)i值,其形成与印度洋板块向北俯冲密切相关[23-24](表3、图4b)。 从图4b可看出,Lamandau地区辉石闪长玢岩与上述两个矿区埃达克质斑岩相比,具有更低的(143Nd/144Nd)i值,且未投点在巽他(Sunda)岛弧区域,而是落在洋岛玄武岩与印度洋和大西洋洋壳相交的区域,说明该区岩石成因复杂,不同于受印度洋俯冲而形成的巽他岛弧岩浆岩。因为加里曼丹岛同时处于太平洋、欧亚和印度-澳大利亚板块斜向汇聚作用带内,在板块运动过程中还与特提斯构造域变革密切相关,因此Lamandau地区辉石闪长玢岩的形成可能受到多种构造活动的影响。

Lamandau地区位于加里曼丹岛西南部,该区域是一个稳定的地块,在中-晚侏罗世从澳大利亚西北缘裂开向北运动,早白垩世加入到巽他大陆克拉通[25]。与其他地盾或者克拉通不同,巽他大陆克拉通并不是由前寒武纪厚而冷的岩石圈组成[26]。巽他大陆克拉通内部具有高于80 mW/m2的高热流,同时上地幔地震波呈现低速特征,这表明该区岩石圈呈薄而脆弱的状态[26]。Lamandau地区辉石闪长玢岩具有相对年轻的单阶段Nd模式年龄(0.67～0.74 Ga) (表1),指示其成岩源区应为新生的年轻岩石圈地幔。

前人对加拿大Somerset岛金伯利岩中的橄榄岩包体进行Hf同位素研究,结果表明低温橄榄岩具有高的176Lu/177Hf、176Hf/177Hf值,而高温橄榄岩则具有相对低的176Lu/177Hf、176Hf/177Hf值[27](图5a)。 低温橄榄岩代表古老的岩石圈地幔,而高温橄榄岩则代表新生的年轻岩石圈地幔[18]。 Lamandau地区辉石闪长玢岩在εHf(t)-176Lu/177Hf关系图上的投点靠近高温橄榄岩区域,所以进一步表明其成岩源区应为新生的年轻岩石圈地幔。

4.2 Nd-Hf同位素解耦及其成因

加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩中锆石具有较低的εHf(t)值(-2.80～2.20),明显低于全岩εNd(t)值(2.08～3.15) (表2)。 根据地壳Nd-Hf同位素的相关性阵列(εHf(t)=1.34×εNd(t)+2.82)计算[28],全岩样品的εNd(t)值为2.60,对应耦合的εHf(t)值应为6.30,明显高于锆石中的εHf(t)值(-2.80～2.20),表明Nd-Hf同位素出现明显的解耦。 在εHf(t)-εNd(t)图解上,Lamandau地区辉石闪长玢岩的样品投点在地球演化线之下,呈现出明显的Nd-Hf解耦现象(图5b)。 Lamandau地区辉石闪长玢岩的Hf-Nd同位素组成与Tangse石英闪长玢岩、Sunda岛弧、Banda岛弧和Mariana岛弧岩石均不同(图5b),表明其具有独特的成因。目前关于Nd-Hf同位素解耦的研究相对较少,对于其成因仍然存在争议[18,29-30]。

图4 加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩εHf(t)-年龄关系图(a)和(143Nd/144Nd)i-(87Sr/86Sr)i图(b)(a.Batu Hijau斑岩数据来自文献[23],Tangse石英闪长玢岩数据来自文献[24];b.据文献[24]修改)Fig.4 εHf(t)-age diagram(a) and (143Nd/144Nd)i-(87Sr/86Sr)i diagram(b) of the pyroxene diorite porphyry in Lamandau area,Kalimantan Island

表3 收集的Batu Hijau Cu-Au和Tangse Cu-Mo矿床成矿斑岩全岩Sr-Nd位素组成 Table 3 Collected whole rock Sr-Nd isotopes of the host porphyry from the Batu Hijau Cu-Au and Tangse Cu-Mo deposits

注：Batu Hijau Cu-Au矿区数据引自文献[23]; Tangse Cu-Mo矿区数据引自文献[24]。

图5 加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩εHf(t)-176Lu/177Hf图(a)和εHf(t)-εNd(t)图(b)(a.据文献[27]修改;b.地球演化线据文献[28-29],Tangse石英闪长玢岩数据据文献[24],岛弧相关岩石数据来自Georoc数据库(http://georoc.mpchmainz.gwdg.de/georoc/))Fig.5 εHf(t)-176Lu/177Hf diagram(a) and εHf(t)-εNd(t) diagram(b) of the pyroxene diorite porphyry in Lamandau area,Kalimantan Island

在Sm-Nd同位素体系中,Sm和Nd均为轻稀土元素,具有相似的地球化学性质;而在Lu-Hf同位素体系中,Lu属于重稀土元素,Hf属于高强场元素,这两种元素的性质不同。前人认为Nd-Hf同位素发生解耦的一种主要方式是“锆石效应”[18,30-31]。这是由于源区岩石经历风化后其产物Sm/Nd值基本保持不变,而Lu/Hf值会发生较大的变化。因为Hf主要富集在锆石中,在风化过程中,锆石更容易赋存在粗粒的碎屑沉积物中,而不是细粒的沉积物中[18,32]。Nd-Hf同位素发生解耦的其他方式包括: 非锆石组分差异风化效应、早期残余地幔成分的加入、俯冲带流体或者溶体的交代作用等[22,30,33-34]。

由于Hf4+、Zr4+具有相似的离子半径(分别为0.071、0.072 nm),因此Hf4+可以通过类质同象替代Zr4+的方式进入到锆石中使其富集Hf元素,并降低锆石中Lu/Hf值和放射性成因Hf同位素比例。当岩石源区中存在残留老锆石时,则会使得体系中放射性成因Hf同位素含量偏低,εHf(t)值向负值方向演化,而εNd(t)值则不发生变化,形成Nd-Hf同位素解耦,即“锆石效应”[30-31]。 在俯冲带残留老锆石是赋存Zr、Hf元素的主要矿物,因而如果岩石源区发生“锆石效应”,则176Hf/177Hf值与Zr/Hf值将呈现出负相关关系[31]。 在176Hf/177Hf-Zr/Hf图解中(图6a),Lamandau地区辉石闪长玢岩的3个锆石样品没有明显的相关关系,因而该区岩石中Nd-Hf同位素发生解耦不是受制于“锆石效应”。

Lu元素在石榴子石分配系数大于Sm、Nd和Hf元素,因此在部分熔融过程中,如果源区存在残留的石榴子石,则进入到熔体中的Lu元素会相对减少,熔体中的Lu/Hf值会相应的偏低,随着时间演化将使得εHf(t)向负值方向演化,形成Nd-Hf同位素解耦的现象,即“石榴子石效应”[30,35];“石榴子石效应”对Nd同位素没有影响。 前期研究结果表明，Lamandau地区辉石闪长玢岩和共生玄武岩的形成与俯冲的太平洋板块有关,玄武岩元素地球化学组成指示俯冲的太平洋板片在到达石榴子石、角闪岩相时开始熔融[11],因而Lamandau地区辉石闪长玢岩Nd-Hf同位素解耦应该与“石榴子石效应”有关。

对于单个岩石样品来说,通过全岩Nd同位素测试只能得到一个Nd模式年龄,但是通过锆石Hf同位素测试可以得到一组Hf模式年龄,能更精确地反映岩石源区的信息。选自Lamandau地区辉石闪长玢岩3个锆石样品的Hf单阶段模式年龄(tDM1)为695～934 Ma,部分年龄比全岩单阶段Nd模式年龄(0.67～0.74 Ga)偏老,但两类模式年龄均属于新元古代,大于其结晶年龄80 Ma[11](图6b)。这说明虽然该区岩石形成时受到“石榴子石效应”的影响,但其Nd-Hf模式年龄仍具有一定的地质意义。Lamandau地区辉石闪长玢岩的Nd-Hf模式年龄可能意味着其岩浆源区除了新生的岩石圈地幔物质,可能还有俯冲再循环的大洋沉积物加入。

图6 加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩锆石176Hf/177Hf-Zr/Hf图(a)和Hf同位素模式年龄分布图(b)Fig.6 176Hf/177Hf-Zr/Hf diagram(a) and probability diagram of Hf model ages(b) of zircons from the pyroxene diorite porphyry in Lamandau area,Kalimantan Island

4.3 成岩成矿背景

5 结 论

(1)加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩具有正的εNd(t)值、较低的(87Sr/86Sr)i值、相对年轻的单阶段Nd模式年龄(0.67～0.74 Ga),表明其成岩源区应为新生的年轻岩石圈地幔。

(2)加里曼丹岛Lamandau地区辉石闪长玢岩锆石Hf同位素组成与高温橄榄岩接近,进一步表明其成岩源区应为新生的年轻岩石圈地幔。岩石Nd-Hf模式年龄属于新元古代表明成岩源区可能有俯冲再循环的大洋沉积物加入。

(3)Lamandau地区辉石闪长玢岩中锆石具有较低的εHf(t)值,低于全岩εNd(t)值,Nd-Hf同位素出现明显的解耦,表明源区存在残留的石榴子石,具有“石榴子石效应”。

图7 晚侏罗世-早白垩世加里曼丹岛西南部(Banda微陆块)运动示意图(据文献[1]修改)Fig.7 Movement sketch map of southwest Kalimantan Island (Banda microcontinent) from Late Jurassic to Late Cretaceousa—160 Ma,加里曼丹岛西南部(Banda微陆块)从澳大利亚西北缘裂开; b—150 Ma,加里曼丹岛西南部(Banda微陆块)向北运动,同时新特提斯洋开启; c—90 Ma,加里曼丹岛西南部(Banda微陆块)到达亚洲板块边缘,位于中特提斯洋、新特提斯洋和古太平洋的交汇位置; d—80 Ma,由于印度亚板块快速向北运动,古太平洋俯冲带向大洋方向后撤,加里曼丹岛西南部产生与张裂作用相关的中酸性岩浆活动,并伴随有大量多金属矿床的形成

(4)Lamandau地区辉石闪长玢岩形成于活动大陆边缘,具有高氧逸度,有利于铁铜金矿床的形成。