安徽宣城地区昆山岩体LA-ICP-MSCP-MS锆石U-PbU-Pbb年代学和岩石地球化学特征及地质意义

2020-07-31周宇章金敏赵丽丽陆三明亓华胜谢祖军

安徽地质 2020年2期

周宇章，金敏，赵丽丽，陆三明，亓华胜，谢祖军

（1.安徽省公益性地质调查管理中心，安徽合肥 230091； 2.中国科学技术大学，安徽合肥 230026；3.安徽省地质矿产勘查局322地质队，安徽马鞍山 243000）

0 引言

长江中下游成矿带为我国东部重要铁铜金成矿带，呈开口向东的喇叭状展布，自西向东可分为鄂东南、九瑞、安庆—贵池、庐枞、铜陵、宁芜和宁镇7个矿集区，包含铜铁金金属矿床200多处。宣城地区位于长江中下游成矿带喇叭状开口的东南部，近年来随着麻姑山铜钼矿、茶亭铜金矿、长山铅锌矿等大中型矿床的发现，宣城地区已构成长江中下游成矿带第8个矿集区[1]，该地区也渐渐成为成岩成矿研究的关注对象，茶亭[2]、马山埠[3]、麻姑山[4]等成矿岩体的研究陆续取得进展。昆山岩体位于宣城矿集区东北部，自上世纪80年代以来，围绕该岩体已发现狮子山铜矿、刘家山硫铁矿、茶山铅锌矿、长山铅锌矿等中小内生金属矿床10余处（图1），其中长山铅锌矿已达中型规模。勘查工作表明，各矿床的成因与昆山岩体密切相关，但目前该岩体的研究工作尚缺乏，尤其在岩石成因机制、成岩成矿时代等方面缺少研究，从而阻碍了该区域岩浆活动成矿作用的综合分析。本文在系统分析前人资料的基础上，通过野外详细考察，对昆山岩体进行系统采样，开展岩石地球化学和LA-ICP-MS锆石U-Pb定年工作，精确厘定了昆山岩体的形成时代，探讨其岩石成因，为区域成矿作用背景分析提供依据。

1 岩体地质特征

昆山岩体位于宣城云山至昆山一带，大地构造位置上处于扬子板块北缘下扬子凹陷与江南隆起带结合部位。岩体出露于以早三叠世和龙山组为核的昆山复式向斜核部，呈北东向分布，出露面积12km2，岩体内多见围岩捕虏体和残留顶盖。主要岩性为黑云母辉石闪长岩，呈灰黑色，中细粒半自形粒状结构，矿物粒度一般在0.6～0.81mm，大的可达2～3mm，块状构造。矿物成分主要以斜长石（55%）、辉石（15%）、角闪石（10%）、黑云母（5%）为主，另含有少量磁铁矿、榍石、磷灰石、锆石和黄铁矿等副矿物。斜长石呈半自形-自形长柱状，发育聚片双晶，可见钾长石化和钠长石化；辉石呈半自形短柱状，局部蚀变为绿泥石。

2 分析测试方法

2.1 锆石U-Pb测年

样品采自昆山辉石闪长岩体，岩石样品新鲜。单颗粒锆石分选工作在廊坊诚信地质服务公司完成，其利用常规重力和磁选方法分离，通过双目镜鉴别选出晶形完好的锆石颗粒，将其粘贴在双面胶上，灌入环氧树脂，待其冷凝后进行打磨抛光，露出锆石表面，完成制靶工作。阴极发光照相（CL）在中国科学院地质与地球物理研究所扫描电镜室完成，所采用工作电压15kV，电流4nA。

锆石U-Pb同位素定年在合肥工业大学资源与环境工程学院矿床成因与勘查技术研究中心（OEDC）矿物微区分析实验室完成，采用激光探针等离子体质谱法（LA-ICP-MS），由ICP-MS和激光剥蚀系统联机完成，具体测试方法可见周宇章等[3]。

2.2 岩石地球化学

岩石地球化学分析在自然资源部合肥市矿产资源监督检测中心完成。首先通过薄片鉴定，选取出合适的新鲜样品，然后使用玛瑙研磨机将样品粉碎，并用200目的筛网过筛，用于全岩主、微量元素分析工作。主量元素分析使用XRF光谱法测定，稀土、微量元素分析采用Elan DRC-II仪器（Element，Finnigan MAT）溶液的电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定，具体分析测试方法前人已有具体叙述[5]。主量、稀土、微量元素分析结果在标准偏差5%以内。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年代学

昆山黑云母辉石闪长岩中多为新生锆石，自形程度较好，多为短柱状，少数呈长柱状，无色透明。大部分锆石可见两层结构，内层因中基性岩浆温度较高，锆石结晶速度慢，造成CL图像中锆石颗粒环带较宽，部分可见扇形分带结构（图2），这是由于锆石结晶时外部环境的变化导致各晶面的生长速率不一致造成的[6]。外层震荡环带较窄，表明岩浆温度已降到一定程度以下，锆石快速结晶的结果。部分锆石发育继承核，为早期锆石的残留晶核，有明显核边结构，核部继承锆石自形程度较差，浑圆-次浑圆状，边部发育岩浆振荡韵律环带，代表着本岩浆期活动中的锆石结晶作用。

图2 昆山黑云母辉石闪长岩锆石阴极发光照片及激光剥蚀位置Figure 2.Cathodoluminescence photo and laser denudation location of zircon from the Kunshan biotite pyroxene diorite

本次针对反映岩浆成岩时代的锆石边部相对振荡环带较显著位置测定13个有效测点，其Th含量123～837(×10-6)，U含量138～816(×10-6)，没有“高U”效应，表明锆石颗粒完好，未发生蜕晶化以及晶态SiO2、ZrSiO2和无定形SiO2的混合状态等现象，Th/U比值为0.82～1.86，均大于0.4，指示锆石为明显的岩浆成因[7～8]。206Pb/238U～207Pb/235U协和度均在87%以上，测定的年龄可代表岩浆活动的结晶年龄(表1)。

根据测试结果，13个测点投点主体落于和谐线及其附近，给出206Pb/238U年龄为(131.1±3.9)～(140.2±3.8)Ma的年龄范围，加权平均值为(131.8±2.1)Ma(MSWD=0.25)，代表了昆山辉石闪长岩体的结晶年龄，为早白垩世（图3）。

图3 昆山岩体辉石闪长岩U-Pb定年结果Figure 3.U-Pb dating results of pyroxene diorite in the Kunshan rock mass

3.2 岩石地球化学特征

昆山辉石闪长岩岩体的主量元素、微量元素分析结果见表2。岩石SiO2含量相对较低，在52.68%～57.78%之间，平均为54.8%；岩浆岩全碱（Na2O+K2O）含量在4.38%～5.95%，平均5.27%，具有富碱特征；K2O/Na2O 为 0.45～1.27，平均值 0.71；Al2O3为 14.67%～17.30%，平均16.44%；MgO较高，为3.72%～4.44%，平均为4.2%，Mg#平均为50.6；CaO为5.99%～7.75%，平均为6.55%。

主量元素分析结果在TAS图解上投点主要落在碱性系列及碱性与亚碱性系列的过渡带上（图4），说明为偏碱性岩石类型。从岩石分类上看，落点于二长岩和二长闪长岩范围内，显示岩性为中性偏基性的特征，与显微岩相学观察研究得出的结果基本一致。

图4 昆山岩体TAS图解Figure 4.TAS diagram of the Kunshan rock mass

表1 昆山黑云母辉石闪长岩体U-Pb同位素分析结果Table 1.U-Pb isotope analysis results of the Kunshan biotite pyroxene diorite

表2 昆山辉石闪长岩主量元素（%）、稀土元素与微量元素（×10-6）分析结果Table 2.Analysis results of major elements(%)，rare earth elements and trace elements(×10-6)of the Kunshan pyroxene diorite

续表2

从SiO2-K2O图(图5)中看到，昆山岩体样品的点落在高钾钙碱性系列，个别点落在钾玄岩系列及高钾钙碱性—钾玄岩系列的过渡带上，可能样品受钾化影响。

昆山岩体的铝饱和指数(A/CNK值)在0.70～0.83之间，平均0.75；A/NK值在1.40～1.80之间，平均1.63。在A/CNK-A/NK图解（图6）上样品投点落在准铝质岩石范围内，显示为准铝质岩石。

昆山岩体稀土元素含量ΣREE=127.46～176.45（×10-6），平均153.00×10-6；轻稀土元素富集，ΣLREE/ΣHREE=9.32～10.66，平均9.91；（La/Yb）N=11.42～14.84，平均13.04；轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，稀土配分曲线为右倾型；δEu平均值为0.91，具有轻微的Eu负异常(图7)。图8为基于数据分析绘制的原始地幔标准化微量元素蛛网图，岩石富集大离子亲石元素K、Rb、Sr，亏损高场强元素Nb、Ta、Th、Ti。

图8 微量元素蛛网图Figure 8.Spider diagram of trace elements

4 讨论

4.1 成岩时代

昆山岩体主体岩性为黑云母辉石闪长岩，通过系统采样，其锆石U-Pb LA-ICP-MS年龄为(131.8±2.1)Ma(MSWD=0.25)，代表了昆山岩体侵位时代。江峰等(2017)在茶亭地区测得茶亭杂岩体锆石U-Pb年龄(137.8±1.3)Ma[2]，Qi等(2019)在麻姑山地区测得麻姑山石英闪长岩体锆石U-Pb年龄(135.7±1.5)Ma[4]，周宇章(2019)在马山埠岩体测得锆石U-Pb年龄135.1Ma[3]，这表明宣城地区岩浆活动主要集中于早白垩世。

前人研究表明，长江中下游构造-岩浆-成矿带中生代岩浆活动主要分为三个阶段：①145～135Ma岩浆活动以侵入作用为主，形成高钾钙碱性岩系侵入岩，主要分布于铜陵、安庆-池州等断隆区；②135～127Ma岩浆活动以喷发作用为主，形成橄榄安粗岩系火山岩，主要分布于庐枞、宁芜盆地等断坳区；③127～123Ma岩浆活动主要形成碱性花岗岩系，沿长江断裂带两侧带状分布[1，9～10]。受太平洋板块后撤式俯冲影响，长江中下游成矿带乃至华南地区，中生代岩浆活动时代自西向东逐步变新[11～12]。研究区位于长江中下游成矿带东南部，虽其侵位时代略晚，结合年龄分布趋势和研究区其他研究成果，本区该岩浆作用仍可类比于长江中下游地区第一阶段的岩浆活动特征。

4.2 成岩机制

由于长江中下游成矿带成矿作用与中生代岩浆作用密切相关，多年来，众多研究者对该带岩浆岩的成岩时代、地球化学、成因机制等方面做了大量研究，并取得了丰硕成果。但关于岩浆来源及成岩机制尚存争论，主要有以下几点认识：①上地幔碱性玄武质岩浆同化混染壳源岩石，经 AFC 过程而成[11，13～15]；②古老扬子板块的下地壳部分熔融而成[16～17]；③洋壳俯冲交代上地幔形成的玄武质岩浆演化而来[18～21]，初始岩浆具埃达克岩特征；④上地幔和下地壳部分熔融形成的岩浆发生岩浆混合而成[22～23]；⑤幔源玄武岩岩浆、下地壳正长岩岩浆和上地壳花岗岩岩浆三者混合形成[24]；⑥底侵幔源玄武质岩浆与下地壳长英质岩浆混合形成的埃达克质岩浆[25]。总体上认为原始岩浆来自上地幔，并与下地壳部分熔融岩浆发生混合作用而形成区域岩浆岩系，不过不同研究者对具体混合演化过程的认识存在差异。

前人研究表明，岩石Mg#对岩浆来源具有一定的指示作用，一般壳源岩浆作用Mg#较小，通常低于40，典型MORB的Mg#在60左右[26]，而宣城地区昆山岩体Mg#较高，介于46.36～62.19之间(表2)，平均50.6，显示其岩浆源区有地幔物质的参与。

昆山岩体原始地幔标准化微量元素蛛网图显示岩石富集大离子亲石元素K、Rb、Sr，指示成岩物质可能与富集上地幔的部分熔融有关，而亏损高场强元素Nb、Ta、Th、Ti暗示存在壳源物质的混染[27]。显著Nb负异常通常用于指示俯冲带火山岩或典型陆壳岩石的标志，并可能与幔源岩浆上升侵位过程中有壳源物质混染参与其中，这表明昆山辉石闪长岩体具有壳幔混合特征。同时Nb/Ta为14.14～20.67之间，明显高于陆壳[28]，表明有幔源物质的混染。而岩体中明显的Ti负异常也暗示了岩浆可能源于地壳或是混染了地壳物质。

岩体的球粒陨石标准化稀土配分曲线为右倾型，轻稀土元素富集，重稀土元素强烈亏损，具有弱的Eu负异常(图7)，说明岩浆源区缺乏显著斜长石的残留，在岩浆演化过程中也未发生明显的斜长石的分离结晶。同时Eu呈现负异常是形成时陆壳物质混染的反映[29]，因此同化混染作用可能是昆山辉石闪长岩的主要成岩作用。幔源岩浆稀土配分曲线主要表现为轻稀土富集-重稀土亏损的右倾型[30]，昆山岩体稀土配分曲线均表现为明显右倾特征，且LaN/YbN=11.42～14.84，平均13.04，说明其原始岩浆来源于上地幔碱性玄武质岩浆，后期伴有地壳物质混染。

图9 昆山岩体δEu-(La/Yb)N图解Figure 9.Eu-(La/Yb)N diagram of the Kunshan rock mass

在δEu-(La/Yb)N图解(图9)中，均落点于壳幔型岩浆区域，这些特征反映原始岩浆来源于岩石圈地幔的部分熔融，且岩石圈地幔源区可能受到了板片俯冲作用的改造，也可能反映出岩浆上升过程中经受了地壳物质的混染[31]。

在宣城矿集区茶亭等其他岩体的研究工作中，也得出了类似的结论[2]。因此从岩浆岩的成岩过程认识中，笔者认为宣城矿集区作为长江中下游成矿带的组成部分，其岩浆活动与长江中下游成矿带具有可对比性，岩浆来源于上地幔碱性玄武质岩浆与下地壳物质通过岩浆混合作用而成，而碱性玄武质岩浆则来自于交代的上地幔部分熔融作用，这可能与古太平洋板块的低角度俯冲卷入的大量壳源物质有关[12，32]。

4.3 构造环境讨论

长江中下游中生代岩浆岩是中国东部火山岩省的重要组成部分，其形成受中生代中国东部地球动力学背景的制约[33～34]。该时期内区域构造可分为挤压、挤压-拉张、拉张三个阶段：三叠纪时期，扬子板块和华北板块通过大陆深俯冲和碰撞造山作用实现拼接；早中侏罗世开始，古太平洋板块呈北西向俯冲挤压造山；晚侏罗世—早白垩世时期该俯冲作用结束进入挤压-拉张阶段，实现东西向古特提斯构造域向北东—北北东向的环太平洋构造域的转换[32，35～36]，早白垩世晚期开始，进入全面拉张阶段，形成区内广泛发育的断陷盆地。

图10 埃达克岩判别图Figure 10.Discrimination diagram of adakite

通过Sr/Y-Y图对成岩环境进行了判别，发现昆山岩体均落点于典型岛弧岩石范围(图10)，暗示着岩浆成岩过程中有岛弧型物质参与。在(Y+Nb)-Rb和(Yb+Ta)-Rb图解[37]中，昆山岩体均落在火山弧花岗岩区(图11、12)，显示侵入岩形成的构造背景类似于火山弧花岗岩的形成环境。表明侵入岩形成的构造背景属于俯冲带岛弧环境，或者岩浆混染过程中有岛弧型火山物质参与其中。

图11 昆山岩体(Y+Nb)-Rb图解Figure 11.(Y+Nb)-Rb diagram of the Kunshan rock mass

图12 昆山岩体(Yb+Ta)-Rb图解Figure 12.(Yb+Ta)-Rb diagram of the Kunshan rock mass

研究表明，岩浆弧与海沟的距离在150～350km之间变化[38]，长江中下游成矿带位于扬子板块被动大陆边缘，距离古太平洋俯冲带(台湾中央山脉)达500km以上，而中国东部岩浆岩的成因研究也印证了晚中生代其所处的构造环境是弧后盆地，而不是岛弧[12，39]。长江中下游中生代岩浆壳幔混合作用中反映的岛弧性质，一般被解释为下地壳古老残留岛弧岩浆物质，并非反映岩浆形成的岛弧环境，这种物质的形成可能与晋宁期扬子、华夏板块的碰撞拼合有关[40～41]。但也有学者认为成岩于大陆边缘岩浆弧环境，距离海沟较远的原因是后期拉张作用的结果[32，42]。

早白垩世时期，由于古太平洋板块通过较小的俯冲角度进行斜向俯冲，板片进入地幔造成熔融上涌，俯冲流体或者熔体交代上覆地幔楔形成富集岩石圈地幔。随着俯冲角度的变化，软流圈物质上涌提供大量的热能，使富集地幔部分熔融形成玄武质岩浆。之后，底侵的玄武质岩浆使下地壳重熔形成长英质岩浆，在下地壳层面幔源玄武质与壳源长英质岩浆发生岩浆混合作用，形成该地区中生代大规模岩浆与成矿。