桂北一洞锡多金属矿床LA-MC-ICP-MS锡石U-Pb测年及其地质意义

2020-09-01覃小锋王宗起马收先宫江华

矿产与地质 2020年3期

冯毅，覃小锋，王宗起，马收先，宫江华，张诚

(1. 桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541006；2. 桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，广西桂林 541004；3. 中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037)

0 引言

位于扬子板块东南缘、江南造山带西段的桂北宝坛地区，属于中国著名的南岭成矿带西段的重要组成部分，由于长期受扬子板块和华夏板块构造演化的控制，其内部地质构造演化异常复杂，构造—岩浆作用十分强烈，褶皱、断裂等构造形迹十分发育，形成了分布广泛的超基性—基性火山岩和超基性—酸性侵入岩，且与岩浆作用有关的矿产种类繁多，按成因可分为与四堡期超基性—基性侵入岩有关的铜镍成矿系列和与雪峰期中酸性侵入岩有关的锡多金属成矿系列两大系列[1-3]。截至目前，该区已发现锡多金属矿产地20多处，包括大型矿床3个(一洞、沙坪和九毛)和中小型锡矿床6个，使该地区成为我国南方较重要的锡多金属矿集区之一。一洞锡多金属矿床出露于罗城县宝坛乡五地一带，前人对该矿床已进行了大量的研究工作，并取得了较多的研究成果，但对该矿床成因的认识仍然存在较大分歧：① 认为与本区的镁铁质-超镁铁质岩有关[4]；② 属于层控型锡矿床[5-6]；③ 主要与黑云母花岗岩有密切的成因联系[1-2]；④ 与本区的变质沉积岩、镁铁质—超镁铁质岩和花岗岩均具有密切的成因联系，具多成因的特点[7]。对该锡多金属矿床的成因存在较大争议的一个重要原因是，由于其成矿年龄主要是通过对花岗岩的成岩年龄[1，8-10]或者对方铅矿等其他矿物的测年[11]间接获得的，目前尚缺乏对直接成矿物质(锡石)精确的定年数据来约束其成矿年龄。此外，前人一般认为平英岩体均为雪峰期一期侵入作用形成的，仅将其划分出中心相、过渡相和边缘相3个岩相带[1，12]；而笔者在参与中国地质调查局项目“重要矿种关键问题调查与矿产地质专题填图试点(DD20160124)”研究过程中发现，平英复式岩体可解体为五期次的侵入岩浆活动，但到底是哪一期次的侵入岩浆活动与本区的锡多金属成矿作用有关目前尚不清楚。由于锡石结构性质比较稳定，结晶以后不易受到后期热液蚀变作用的影响，可以作为U-Pb同位素测年的对象，提供了直接利用矿石矿物测定成矿年代的新途径[13-14]。近年来，随着锡石U-Pb定年方法的不断发展和进步[15-17]，直接测定锡多金属矿床的成矿(锡矿化)时代已经具备了较为成熟的技术条件，成为锡矿床成矿年代学研究最直接和最有效的方法之一。本次工作尝试采用LA-MC-ICP-MS U-Pb测年方法，对一洞锡多金属矿床韧性剪切带内矿体中的锡石进行U-Pb年龄分析，以进一步梳理成岩成矿关系，为该矿床的成岩成矿研究提供参考依据。

1 区域地质概况

图1 桂北宝坛地区地质简图(a图据文献[20]修改；b图据文献[21]修改)Fig.1 Geological sketch map of Baotan area， North Guangxi [20-21]

2 矿床地质特征

一洞锡多金属矿床分布于罗城县宝坛乡五地村北部2.5 km的山坡上，地理坐标为东经108°45′—108°46′，北纬25°01′—25°02′。该矿床出露于平英复式岩体东侧外接触带中(图1b)，其围岩主要为中基性侵入杂岩体，岩性主要为辉长辉绿岩、辉绿(玢)岩和闪长(玢)岩类；部分为四堡群文通组的变质(粉)砂岩和绢云(石英)千枚岩类。矿体主要受到近SN—NNE向韧性剪切带和脆性断裂带控制，构造带倾向260°～290°，倾角50°～80°。在露天开采的采矿坑中可见出露一条宽达14 m的韧性剪切带(图2)，锡多金属矿体沿着韧性剪切带展布，且带内岩石已发生强烈韧性变形，形成一系列次级韧性变形强弱带，岩性已变为初糜棱岩、糜棱岩、超糜棱岩和千糜岩(图2)；在剖面上可见岩石中“S-C”组构发育，显示出正滑剪切性质(图3a)，而在显微镜下观察，角闪石旋转碎斑和“S-C”组构则显示出左旋剪切性质(图3b)，表明该韧性剪切带具正滑—左旋剪切性质。

图2 一洞锡多金属矿床中韧性剪切带剖面图Fig.2 Sectional map of ductile shear zone in Yidong tin polymetallic deposit1—变质砂岩 2—绢云(石英)千枚岩 3—中—基性杂岩体 4—初糜棱岩5—糜棱岩 6—超糜棱岩 7—千糜岩 8—锡石测年样采样位置

图3 一洞锡多金属矿床中韧性剪切带宏观(a)与微观变形特征(b)

岩相学研究表明，在受韧性变形改造的岩石中可见含有锡石矿物，锡石粒径在几十微米至几百微米之间，多数晶型呈不规则状，部分为短柱状、柱状，颜色主要为黑色—棕红色，正交偏光镜下，干涉色较高，正高凸起，但有些锡石在正交偏光镜下颜色为黄褐色—棕红色。一些锡石赋存于角闪石旋转碎斑内发生绿泥石化并析出铁质部位以及环绕角闪石旋转碎斑分布的绿泥石+绿帘石集体中(图4a)，或者分布于沿C面定向分布的绿泥石集合体中(图4b、4c)，有时还见其与黄铜矿、方铅矿等矿物伴生(图4d)。上述锡石分布受变形面理控制的特征表明，可能是后期的构造活动使锡多金属元素从源岩中运移出来，并在韧性剪切带中富集成矿。

图4 一洞锡多金属矿床中锡石显微镜下特征Fig.3 Microscopic characteristics of cassiterite in Yidong tin polymetallic deposit光学条件：(a)透射光—单偏光 (b)透射光—单偏光 (c)透射光—正交偏光 (d)反射光Q—石英 Hb—普通角闪石 Pl—斜长石 Ep—绿帘石 Cst—锡石 Chl—绿泥石 Cp—黄铜矿

3 样品采集及分析方法

对一洞锡多金属矿区进行了系统的野外考察后，在露天开采的采矿坑中，对沿着韧性剪切带展布的锡多金属矿体进行锡矿石样品采集，采样位置坐标：东经108°45'20.69"，北纬25°1'33.25"；具体采样位置见图2。锡矿石样品的围岩为中基性杂岩体，其与锡矿石一起均遭受到韧性变形的改造，锡石呈侵染状沿剪切面理方向聚集分布，变形特征见图4。

锡石样品分选在河北廊坊宇能公司完成。采用常规磁选法和重选法挑选出锡石颗粒，然后通过双目镜仔细筛选出颗粒破裂少、表面较为干净、较少后期杂质充填、具有良好晶体形态的锡石，并用双面胶粘在载玻片上，放上PVC环，将环氧树脂和固化剂按一定比例进行充分混合后注入PVC环中，待充分固化后将样品靶从载玻片上剥离；将样品靶进行打磨和抛光后采用透射光、反射光和电子背散射光三种方式进行显微照相。由于一洞地区的锡矿石年龄较老，所以在圈定锡石原位测年打点的标位时，尽量选取背散射图片下锡石颗粒表面干净(主要无裂纹、后期矿物充填)的区域进行测年实验，以避免后期充填矿物中的元素(主要为U、Pb)对分析测试结果造成影响[22]。

本次分析测试是在中国地质调查局天津地质调查中心完成。锡石测年分析的传统方法是热电离质谱(TIMS)法，但由于分析测试过程中需要复杂的化学处理过程，同时如果遇到U含量很低的矿物，其测试的精度更加低[23]。中国地质调查局天津地质调查中心在2009年就开始进行运用和实践锡石原位LA-MC-ICP-MS U-Pb测年实验，并在之后的一系列锡石单矿物测年工作中取得了非常好的进展[24-25]。本次分析测试使用的仪器为美国Thermo Fisher公司生产的NEPUNE型多接收器电感耦合等离子体质谱仪，采用的激光剥蚀系统为美国ESI公司生产的NEW WAVE 193 nm FX ArF准分子激光器。实验过程中利用193 nm FX激光器对锡石进行剥蚀，激光剥蚀物质以He为载气送入MC-ICP-MS，通过Zoom调节扩大色使质量数相差很大的U-Pb同位素同时接收从而进行U-Pb测定。激光剥蚀的束斑直径一般为75 μm，能量密度为10～11 J/cm2，频率为20 Hz；每测定5个锡石样品点，交替测定2次标准样品。采用实验室内部标准AY-4 [206Pb/238U ID-TIMS年龄(158.20.4)Ma] 作为外标，U-Pb分馏校正而导致的误差通常不大于5%[22]。数据处理采用Ludwig的Isoplot程序[26]进行分析和作图，同时还采用Tera-Wasserburg谐和图解对普通铅进行校正，数据处理过程进行了严格的普通铅的扣除和元素分流效应的矫正，以保证实验数据的准确性[27]。

4 分析结果

LA-MC-ICP-MS 锡石U-Pb测年结果见表1。样品为采自于一洞锡多金属矿区露天开采的采矿坑中沿着韧性剪切带展布的锡多金属矿体中的矿石。显微镜下观察，锡石颜色多为褐色—棕红色，而透射光下则以深黑褐色为主(图5a)。由于受到地质构造作用的改造，锡石外形上多呈似椭圆状、似圆状或不规则状，表面具溶蚀现象而出现较多的凹坑，并有其他暗色矿物充填；部分表明相对较干净的锡石颗粒则具较自形的柱状晶型(图5b)。在电子背散射图像上观察(图5c)，锡石存在两种形态：一种为晶形较完好，内部比较纯净的锡石；另一种为晶体外形呈似椭圆状、似圆状或不规则状，内部含有较多包裹体，并发育有一组裂隙(变形面)的锡石，表明其受到了变形作用的改造。由于晶形较完好、内部比较纯净的锡石只有较低的U、Pb含量，无法获得其分析结果；而对另一类锡石共测试了41个测点(表1)。由表1可见，其中238U/206Pb 的比值变化范围为3.4045～40.5375，238U/207Pb 的比值变化范围为4.3280～819.0433，207Pb/206Pb 的比值变化范围为 0.0481～0.7005，206Pb/207Pb 的比值变化范围为1.4276～20.8008。采用谐和图法获得其207Pb/206Pb -238U/206Pb 谐和年龄为(829.0±15.0) Ma(n=41，MSWD=31)(图6a)；而采用等时线图法获得其206Pb/207Pb -238U/207Pb 等时线年龄为(786.8±7.3) Ma(n=41，MSWD=4.5)(图6b)，初始铅值206Pb/207Pb = 1.200±0.032。锡石等时线年龄与谐和年龄结果存在较大的差别。由于随着锡石样品年龄的增大，其中放射成因207Pb*的含量也会增大，放射成因207Pb*影响就不能忽略不计，而放射成因207Pb*的影响的增大会导致206Pb/207Pb -238U/207Pb 等时线图获得的等时线年龄误差增大。因此，206Pb/207Pb -238U/207Pb 等时线图只适用于计算较年轻(如小于400 Ma)的锡石样品U-Pb同位素年龄，不适用于计算较老(如大于400 Ma)的锡石样品的U-Pb同位素年龄[28]。由于一洞锡多金属矿床中的锡石形成年龄较老，谐和年龄更接近于锡石的形成年龄，故本文将(829.0±15.0) Ma谐和年龄认定为锡石的形成年龄，表明一洞锡多金属矿床中受到变形作用改造锡石的形成时代为新元古代。

图5 一洞锡多金属矿床锡石透射光(a)和反射光(b)和电子背散射光(c)图像Fig.5 Transmitted (a)， reflected (b) and electronic backscattered (c) images of cassiterite in Yidong tin polymetallic deposit

图6 一洞锡多金属矿床锡石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄谐和图(Tera-Wasserburg)(a)和U-Pb年龄等时线图(b)Fig.6 LA-MC-ICP-MS U-Pb concordia diagram (Tera-Wasserburg) (a) andU-Pb isochron diagram (b) of cassiterite in Yidong tin polymetallic deposit

表1 一洞锡多金属矿床LA-MC-ICP-MS锡石U-Pb测年结果Table 1 LA-MC-ICP-MS U-Pb dating result of cassiterite in Yidong tin polymetallic deposit

5 讨论

前述已提及，关于一洞锡多金属矿床成因的认识仍然存在较大分歧。较大争议的一个重要原因是缺乏对直接成矿物质(锡石)精确的定年数据来约束其成矿年龄。多数地质学者认为桂北宝坛地区锡多金属矿的形成主要与雪峰期花岗岩有关，本区所有的锡多金属矿都是新元古代形成的[1-3，10，12]。而笔者的研究结果表明，一洞锡多金属矿床中沿着韧性剪切带展布的锡多金属矿体存在晶形较完好、内部比较纯净和受到变形作用改造而呈似椭圆状、似圆状或不规则状，内部发育有一组裂隙(变形面)两种形态的锡石。

前人研究及笔者等近年来研究发现，一些锡多金属矿体的控矿、赋矿构造是近SN—NNE向的脆性断裂或韧性剪切带，40Ar -39Ar 法构造年代学测试获得这些韧性剪切带的变形变质年龄为393～425 Ma，是广西运动(加里东期)形成的[29-30]，暗示本区锡多金属矿床可能存在有多期成因性质，后期的构造活动除了形成晶形较完好且只含有较低的U、Pb含量的锡石外，构造热液可能还使新元古代形成的锡多金属元素从源岩中运移出来，并在韧性剪切带或脆性断裂带中富集成矿。