大兴安岭南段安乐锡多金属矿床花岗斑岩年代学、岩石成因及成矿意义*

2021-10-26张静俊王玉往管育春

化工矿物与加工 2021年10期

张静俊，王玉往，邹滔，管育春

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.北京矿产地质研究院有限责任公司，北京 100012)

0 引言

大多数大型锡钨矿床在空间、时间和成因上都与高度演化的花岗岩有关[1-3]。大兴安岭南段的岩浆岩发育，出露面积大于3×105km2，包括厚度大于4 km的一系列火山岩和大量花岗质岩体[4-5]，并与区内铜-铅-锌-银-铁-钼-锡-铷-锂多金属成矿作用密切相关[6-7]，其中花岗质岩体主要形成于晚侏罗世-早白垩世。大兴安岭南段Sn矿床广泛发育，成因类型主要为热液脉型和矽卡岩型以及少量云英岩型。近年来该地区找矿勘查成果丰硕，新发现的Sn矿床包括白音查干大型热液脉锡铅锌银多金属矿床、维拉斯托大型热液脉锡锂铷铅锌矿床等，已成为我国重要的Sn矿勘查基地。

安乐锡多金属矿床位于大兴安岭南段的黄岗梁-孟恩陶勒盖锡铁多金属成矿带南西段之北西成矿亚带，是一个中型富Sn矿床， Sn资源量13 649 t(Sn平均品位0.58%)。前人已对安乐矿床开展过矿床地质、流体包裹体等方面的研究[8]，但是关于成矿岩体的成岩时代、岩石成因、成矿指示意义以及地球动力学背景尚不清楚。本文以与安乐Sn多金属矿床相关的花岗斑岩为研究对象，开展锆石U-Pb定年与岩石地球化学研究，探讨成岩时代、岩石成因、成矿指示意义和地球动力学背景，以期为深入研究大兴安岭南段Sn多金属成矿规律提供参考。

1 区域地质

安乐Sn多金属矿床位于华北板块与西伯利亚板块之间的大兴安岭南段晚古生代造山带(见图1a)。区域出露地层主要为上二叠统林西组、上侏罗统满克头鄂博组及第四系。上二叠统林西组为一套陆相碎屑岩建造，上侏罗统满克头鄂博组为一套以流纹岩、流纹质凝灰岩为主的酸性火山岩、火山碎屑岩建造。区域内的主要构造由贯穿大莫古吐铁矿、黄岗梁铁矿、黄岗梁锡矿的北东东向的黄岗梁复背斜和断裂及南侧与其平行的断裂组成。区域内岩浆活动主要发育印支期和燕山期。印支期花岗岩主要为花岗闪长岩，燕山期花岗岩主要为黑云母花岗岩(见图1b)。

图1 大兴安岭南段大地构造位置(a，据文献[9]修改)和Sn多金属矿床分布(b，据区域1∶25万地质图修编)

2 矿床地质

安乐Sn多金属矿床位于内蒙古克什克腾旗天合园乡，处于内蒙古地槽褶皱系南兴安晚华力西地槽褶皱带黄冈-甘珠尔庙复背斜的南西段北西翼。矿区出露的地层主要为上二叠统林西组、上侏罗统满克头鄂博组和第四系(见图2)。其中，上二叠统林西组为矿区的主体地层，走向北西向，主要由出露于矿区西部的灰黑色粉砂质板岩夹粉砂岩及出露于矿区东部的灰色凝灰质粉砂岩夹薄层粉砂质板岩、粉砂岩组成。上侏罗统满克头鄂博组主要出露于矿区东南部，呈角度不整合覆盖于上二叠统林西组地层之上，走向40°～70°，岩性以分布面积较大的流纹质(含角砾)凝灰熔岩、流纹质凝灰角砾岩、流纹岩为主。第四系广泛分布，占全区面积的50%左右，最厚可达数十米，由腐殖土、亚砂土、残积物、坡积物等松散堆积物组成；区内北东向(F4、F5)、北北西向(F2、F3)和北西西向(F1)三组断裂构造控制了矿区内岩体、矿体的产出和延展；岩浆活动频繁，岩浆岩以分布于矿区南西部的印支晚期转山子花岗闪长岩、分布于矿区中部的燕山早期安乐花岗斑岩侵入体为主，分别呈岩基、岩株产出。

图2 安乐Sn多金属矿床地质简图(据文献[10]修改)

安乐花岗斑岩体分布于矿床中部，出露面积约0.04 km2，呈岩株产出。岩体边缘有不同程度的绿泥石化、硅化等蚀变现象。花岗斑岩新鲜面呈浅肉红-灰白色，斑状结构，块状构造。斑晶主要由酸性斜长石、钾长石及石英组成，质量分数为20%～30%。基质具细粒花岗岩结构，质量分数为70%～80%，粒度为0.03～0.2mm，由长石、石英及少量黑云母组成(见图3)。

图3 安乐Sn多金属矿床花岗斑岩手标本及镜下照片

安乐Sn多金属矿床共圈定矿体37个，其中锡矿体19个，铜矿体4个，铅、锌矿体12个，银矿体2个。绝大多数矿体产于北北西向断裂构造带中。主要矿体均集中赋存于F1-F2压扭性剪切带内，矿体呈大致平行的脉状产出，呈等距离分布。安乐Sn多金属矿床存在铅锌和锡铜两种矿化类型。铅锌矿化强度较低，仅形成小规模矿体。锡铜矿化围绕矿区中部花岗斑岩体自内而外在水平方向依次为锡矿化带、锡铜矿化带、铜银矿化带：锡矿化带宽500～700 m，锡矿体规模小，品位低，ω(Sn)=0.15%～0.36%，ω(Cu)<0.10%；锡铜矿化带宽500～800 m，锡矿体规模较大，品位高，ω(Sn)=0.17%～1.63%，ω(Cu)=0.10%～0.30%；铜银矿化带宽800～1 200 m，铜银矿体规模小，品位低，尚无工业意义。矿化带具有上锡下铜中锡铜的逆向垂向分带特征：锡矿化带约在1 500 m标高之上，矿化特征与平面锡带一致；锡铜矿化带标高在1 350～1 500 m，矿化特征与平面锡铜带一致，铜矿化增强，分布较普遍；铜银矿化带约在1 350 m标高之下，基本无锡矿化显示。矿石矿物主要为它形-半自形粒状锡石、黄铜矿、黄铁矿，脉石矿物主要为石英、黑云母、绿泥石等(见图4)。矿体的围岩主要为粉砂质板岩、凝灰质粉砂岩等，碳酸盐化、绿泥石化、硅化为主要围岩蚀变。

图4 安乐Sn多金属矿床典型矿石镜下照片

3 样品与测试方法

在安乐Sn多金属矿区(东经117°36′15″,北纬43°52′00″)选取新鲜、矿化蚀变较弱的花岗斑岩样品，进行LA-ICP-MS 锆石U-Pb法年龄测定以及全岩主微量元素分析。

3.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析

锆石制靶和LA-ICP-MS测试分析分别在北京锆石领航有限责任公司和中国地质大学(北京) 地质过程与矿产资源国家重点实验室进行。测试分析及数据处理的主要流程及仪器主要技术参数为：①激光烧蚀-等离子体质谱(LA-ICP-MS)的剥蚀系统为Coherent GeoLasPro 193， Thermo Fisher X Series 2型四极杆等离子体质谱仪作为ICP-MS；②采用的激光束斑为32 μm，频率6 Hz，选取NIST SRM610、91500和Pleovice为标样，使用NIST610对仪器进行最佳化调试，并用91500作为定年外标，用Pleovice作为监控标样；③使用ICPMS DateCal软件对样品的测试数据进行后期处理[11]；④采用Isoplot 3.0进行年龄计算及谐和图的绘制。

3.2 全岩主量、微量元素分析

在核工业北京地质研究院分析测试研究中心实验室进行全岩主、微量元素的分析试验，以JY/T 0568-2020 《电感耦合等离子体质谱分析方法通则》为测试依据，试验温度为20 ℃，相对湿度为30%，测试仪器为Finnigan MAT生产的HR-ICP-MS(Element I)。

4 测试结果

4.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

安乐Sn多金属矿床花岗斑岩(样品编号GTW0806，采样位置的经度117°36′15"、纬度43°52′00")LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果见表1。

表1 安乐Sn多金属矿床花岗斑岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测试结果

花岗斑岩样品中锆石直径100～250 μm，呈长柱状，晶形较好，阴极发光下的环带结构不清晰，部分为无核捕获锆石。具有高ω(U)、高ω(Th)/ω(U)值(0.38 ～0.48)，高于岩浆锆石。16个测试分析点的数据中除6个误差较大的以外，剩余10个测点的206Pb/238U加权平均年龄为(144±2.6) Ma(MSWD =3.2,n=10)，表明安乐岩体中花岗斑岩的形成时间为早白垩世(见图5)。

图5 安乐岩体花岗斑岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图(a)和年龄直方图(b)

4.2 全岩主量、微量元素

安乐Sn多金属矿床花岗斑岩的主量和微量元素分析结果见表2。

表2 安乐花岗斑岩主量(%)和微量元素(10-6)分析结果

(续表)QTW0806-1aQTW0806-1bQTW0806-1cQTW0806-1dLa4.8113.5010.205.31Ce18.0031.8026.1019.80Pr2.305.934.544.45Nd10.4026.0019.5016.62Sm3.687.995.687.36Eu0.020.020.020.03Gd3.656.655.544.52Tb1.011.531.351.25Dy7.139.287.158.64Ho1.501.761.691.58Er4.484.934.624.66Tm0.860.930.870.78Yb5.606.175.775.62Lu0.750.810.740.77ΣREE64.19117.3093.7681.39LREE/HREE2.013.623.232.49(La/Yb)N0.061.571.270.68δEu0.020.010.010.01Rb/Sr6.958.665.537.24104Ga/Al4.614.573.364.29T(Zr)/℃815.52808.69810.09813.29

由表2可知，SiO2质量分数较高，为75.76%～76.67%，TiO2质量分数为0.05%～0.06%，MgO质量分数为0.06%～0.07%, A12O3质量分数为12.57%～12.81%，全碱(K2O+Na2O) 质量分数为8.51%～8.62%,ω(Na2O)/ω(K2O)值为0.81～0.88；ω(A)/ω(CNK)值为1.04～1.07，ω(A)/ω(NK)变化范围为1.09～1.12。在TAS图解中，投影点落入花岗岩区，在A/CNK-A/NK图解中，样品落入过铝质系列(见图6)。

图6 安乐花岗斑岩A/CNK-A/NK图(a)和侵入岩TAS图(b)(底图据文献[12])

微量稀土元素分析结果显示，稀土元素总量(ΣREE)为64.19×10-6～117.30×10-6，轻稀土元素与重稀土元素的比值(LREE/HREE)为2.01～3.62，(La/Yb)N为0.06～1.57，δEu为0.01～0.02，稀土元素配分曲线(见图7a)表明，岩石中明显负δEu异常，具有四分组效应特点。微量元素原始地幔标准化蛛网图(见图7b)显示，样品富集Rb、U、Th、Nd、Hf等元素，亏损Ba、K、Sr、P、Ti等元素。

图7 安乐花岗斑岩稀土元素配分曲线(a)和微量元素蛛网图(b)(标准化值据文献[13])

5 讨论

5.1 矿床年代学、成因及构造背景

大兴安岭南段Sn多金属矿床与成矿相关的岩体形成年龄集中在129～149 Ma，如维拉斯托矿床北大山岩体花岗岩锆石U-Pb年龄为(140±2.0) Ma[14]；黄岗梁矿床花岗岩锆石U-Pb年龄为(140.0±0.87) Ma[15]；白音诺尔矿床石英斑岩锆石U-Pb年龄为(129.2±1.4) Ma[16]；边家大院矿床黑云母花岗斑岩锆石U-Pb年龄为(143.2±1.5) Ma[17]；白音查干矿床石英斑岩锆石U-Pb年龄为(141.7±0.8) Ma[18]。该矿床成矿岩体为花岗斑岩，与成矿有关的花岗斑岩所代表的岩浆活动年龄可以间接反映该矿床的形成时代。本文通过试验所获得的安乐花岗斑岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(144±2.6) Ma，形成时代为早白垩世，证明该矿床属于大兴安岭南段Sn多金属成矿系列。

花岗岩的成因类型可根据地球化学和岩相学特征划分为I型、S型和A型[19]。其中，I型和S型花岗岩的地球化学特征可用来判断源区成分，而A型花岗岩则形成于高温和拉张环境，是具有高Si、贫水、富碱特征的非造山型花岗岩[20]。由于在矿物组成和地球化学特征上相似，所以A型花岗岩与高分异I型、S型花岗岩不易区分[21]。较高的P2O5质量分数(平均为0.14%)、较低的Na2O质量分数(平均为2.81%)是高分异S型花岗岩的特征[22]。而安乐花岗斑岩的Na2O质量分数为3.87%～3.98%，P2O5质量分数约为 0.01%。关于A型花岗岩与高分异I型花岗岩的区分至今仍是一个难题，王强等[23]在研究桐柏-大别造山带燕山晚期A型花岗岩时，提出了A型花岗岩的FeOT质量分数高，通常大于1.00%，而高分异 I 花岗岩通常小于1.00%。本次研究的安乐花岗斑岩样品FeOT质量分数为1.20%～1.24%，均大于1.00%。根据KING等[24]提出的锆石饱和温度可以近似代表花岗岩浆液相线温度，并利用WATSON等[25]的锆石饱和温度计算方法，计算得出安乐花岗斑岩的锆石饱和温度为808.69～815.52 ℃，表明安乐花岗斑岩具有高温特征。A型花岗岩因具有低Al、高Ga和Zr的特点，故将ω(Ga)×104/ω(Al)>2.6、ω(Zr)>250×10-6作为A型花岗岩地区化学判别标准[20]。A型花岗岩在微量元素方面相对富集高场强元素，如Zr、Nb、Y、REE和Ga。在(Na2O+K2O)-104Ga/Al、(FeOT/MgO)-104Ga/Al、Nb-104Ga/Al、Zr-104Ga/Al判别图解中，安乐花岗斑岩样品均落在A型花岗岩范围内(见图8a-图8d)。

综上所述，安乐花岗斑岩具有A型花岗岩特征。A 型花岗岩原先是指出现于非造山环境的、碱性和无水特征的花岗质岩石[26]，后来研究发现A 型花岗岩也可以形成于造山后环境[19, 27]。区域上早白垩世早期表现为岩石圈伸展环境，而安乐花岗斑岩则正是形成于该时期[4, 28-32]，安乐花岗斑岩样品落在(Y+Nb)-Rb和Yb-Ta构造环境判别图解中的板内花岗岩区域(见图8e—图8f)，揭示了晚侏罗世-早白垩世期间研究区处于造山期后伸展的大地构造背景中。

图8 安乐花岗斑岩微量元素构造环境判别图解(底图据文献[20, 33])

5.2 成矿意义

安乐锡铜矿床为大兴安岭南段典型Sn多金属矿床之一，其成矿岩体花岗斑岩具有较高Sn质量分数 (13.7×10-6～23.7×10-6)，高于平均上地壳(5.5×10-6)以及下地壳值(1.5×10-6)[34]，表明安乐花岗斑岩为含Sn花岗岩，为安乐Sn多金属矿床提供了成矿物质。岩浆结晶分异过程中，Sn具有中等不相容性质[13]，尤其是在还原性岩浆中，Sn的晶体-熔体分配系数小于1，易富集于晚期熔体中。并且，随着岩浆的分异演化，熔体中利于成矿的F、B、Cl和H2O等挥发分也迅速增加[35]。所以，在富挥发分的促进作用和金属元素自身不相容性质的影响下，岩浆分异作用越强烈，岩浆中成矿元素越富集。并且随着岩浆演化，岩浆体积越来越小，使成矿元素进一步富集，最终在高分异岩浆低温残留体中富集成矿[36-37]。安乐花岗斑岩具有高Si、高Rb/Sr，稀土元素具有四分组效应(TE1,3>1.1)，锆石高U、Cl图像呈黑色，以上均表明安乐含Sn花岗斑岩具有高分异特征。这与世界上大部分Sn成矿相关花岗岩显示出的高分异特征相似，所以岩浆强烈的结晶分异作用是形成Sn矿化的重要条件[38-44]。

岩浆氧逸度(fO2)是Sn富集的另一个重要因素。在还原条件下，Sn主要以Sn2+的形式存在，并集中在残余熔体中，而在氧化条件下，Sn主要以Sn4+的形式存在，并倾向于进入早期结晶矿物(磁铁矿、角闪石和黑云母)[45]。因此，在低氧逸度条件下形成的花岗岩更有利于Sn矿化。若全岩ω(Fe2O3)/ω(FeO)值为0.15～0.25，则说明花岗斑岩具有还原性特征。锆石中的ω(Ce4+)/ω(Ce3+)值是氧逸度的重要指标[46-49]。在氧化条件下，Ce可以Ce4+和Ce3+存在。一般来说，Ce4+比Ce3+在锆石中更易溶解，因为Zr4+与Ce4+具有相同的电荷和相似的半径。安乐花岗斑岩锆石中ω(Ce4+)/ω(Ce3+)值较低，为1.0～29.3，与南岭含Sn花岗岩相似，如骑田岭岩体[ω(Ce4+)/ω(Ce3+)=2.1～66.2，平均值29.9；Eu/Eu*=0.02～0.11，平均值0.07]和姑婆山岩体[ω(Ce4+)/ω(Ce3+)= 12.9～49.1，平均值36.9；Eu/Eu*=0.04～0.29，平均值0.09][50]。这些特征表明安乐花岗斑岩的形成条件具有低氧逸度的特征，岩浆的低氧逸度促进了Sn的富集，最终形成Sn矿床。