湖南常宁新盟山英安玢岩岩石成因及其与矿化关系研究

2022-05-02赵增霞冯佐海

高校地质学报 2022年2期

赵增霞，冯佐海*，刘磊，肖阳

1. 桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，桂林 541004；

2. 桂林理工大学有色金属矿产勘查与资源高效利用协同创新中心，桂林 541004

中生代是华南地区花岗质岩浆作用集中爆发的关键时期，形成了大规模的花岗岩和与之密切相关的Pb、Zn、W、Sn、Nb、Ta等多金属矿床。位于湖南省常宁市的水口山矿田即是其中的典型代表，矿田内金属矿产资源丰富，盛产有色金属矿产、贵金属矿产等，享有“世界铅都”、“中国铅锌工业摇篮”之美誉，是中国重要的有色金属产地之一。

水口山矿田下辖水口山铅锌矿床、康家湾铅锌矿床、新盟山铅锌矿床、石坳岭铅锌矿床、龙王山金矿床和仙人岩金矿床等多个矿床。近几十年来，众多专家学者前往水口山矿区开展地质研究工作，并在成岩成矿年龄（喻亨祥和刘家远，1997；王岳军等，2001；马丽艳等，2006；甄世民，2012；左昌虎等，2014；Huang et al., 2015; 赵增霞，2017）、成岩成矿物质来源（Wang et al., 2003; Zuo et al.,2014; Yang et al., 2016; 赵增霞，2017）和成矿流体演化（王卿铎等，1992；刘清双，1996；赵增霞，2017）等方面取得了一系列研究成果。但是前人工作主要针对矿田内的水口山铅锌矿床和康家湾铅锌矿床以及相关的花岗闪长岩，而对于矿田内找矿希望较大的新盟山铅锌矿区目前研究程度较低，相关找矿工作效果并不理想，究其原因主要是缺乏对水口山矿田系统的基础地质理论研究，尤其是岩浆作用与成矿关系研究。因此，开展水口山矿田成矿作用与构造—岩浆演化关系研究具有十分重要的科学意义和经济意义。

本文在详细的野外地质工作和显微观察基础上，选取水口山矿田内与新盟山铅锌矿空间关系密切的新盟山英安玢岩为研究对象，通过岩相学、锆石U-Pb定年、全岩岩石地球化学以及矿物化学、矿物温度计等综合研究，参照前人研究成果，探讨新盟山英安玢岩的岩石地球化学性质、形成时代、物质来源及其与成矿作用的关系等，以期为水口山矿田及周边地区矿产勘查评价和深部找矿工作提供理论指导。

1 地质背景和岩相学特征

水口山矿田地处湘桂多金属成矿带北部，构造位置处于华夏板块西北缘、湘桂坳陷带北部（图1a）。矿田内主要出露古生界泥盆系至白垩系（图1b），部分地区覆盖第四系沉积物，沉积总厚度大于3 km。上三叠统以前主要为浅海相碳酸盐建造间夹含铁、煤滨海相砂、页岩建造，上三叠统—白垩系以陆源碎屑磨拉石建造为主（李能强和彭超，1996）。矿田内褶皱、断裂构造比较发育，褶皱主要呈近SN向展布，局部转向NNE向；断裂主要近SN展布，其次为NE、NW和近EW向（图1b），控制了矿田内的岩浆活动和成矿作用。矿田内岩浆岩出露广泛，共发现大小岩体或岩脉72个，总出露面积约4.8 km2（图1b），岩性主要为花岗闪长岩、石英闪长岩、英安玢岩、流纹英安岩等。新盟山铅锌矿位于水口山矿田东侧，属湖南省常宁市松柏镇管辖。北距衡阳市40 km，南距常宁市35 km。有S214公路通过水口山矿田西侧，松柏镇有简易公路纵贯工作区，交通极为方便。

图1 (a) 研究区构造位置图；(b) 水口山矿田地质简图（据李能强和彭超，1996修改）Fig. 1 Tectonic setting (a) and geological sketch map of the Shuikoushan orefield

本次研究的样品采自新盟山铅锌矿周边的公路两边岩浆岩露头，岩石呈灰白色至肉红色，斑状结构，块状构造。由于遭受风化，常见硅化、绿泥石化、绢云母化以及碳酸盐化等蚀变。新盟山岩体斑晶成分主要为斜长石、黑云母、角闪石、石英和钾长石等（图2）：斜长石（约35%）呈自形—半自形长柱状，聚片双晶发育，部分遭受绢云母化（图2a）；石英（约25%）呈他形粒状，部分被交代溶蚀成港湾状（图2b）；黑云母（约15%）呈褐色，片状，多色性和吸收性明显，部分发生绿泥石化（图2c, d）；钾长石（约15%）半自形—他形粒状，常见有绢云母化、泥化（图2a）；角闪石（约10%）自形长柱状，暗绿或暗褐色，大多已蚀变（图2c, d）。基质为隐晶质，成分与斑晶类似。副矿物主要为磷灰石、榍石、磁铁矿和锆石等。综合岩相学和地质特征，岩石定名为英安玢岩。

图2 新盟山英安玢岩正交显微照片Fig. 2 Microphotos of Xinmengshan dacite porphyry

2 分析测试方法

在详细的野外工作基础上，选取合适的岩石样品磨制成薄片和电探片，电探片用于矿物成分分析。粉碎全岩样品至200目，用于主量元素、微量元素、稀土元素分析，主量元素分析由南京大学现代分析中心完成，微量元素、稀土元素测试和电子探针分析由南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。

主量元素采用X射线荧光光谱法（XRF）分析（FeO的含量通过湿化学方法分析，再计算出Fe2O3的含量），熔融法制得薄片，分析各元素含量，精度优于0.5%。微量元素和稀土元素采用酸溶法(HF+HNO3) 测定，用Finnigan Element II型高分辨等离子质谱(HR-ICP-MS)对样品溶液进行测定，检测限小于0.5×10-9，相对标准偏差小于5%，详细测试流程参见高剑峰等（2003）。

电子探针分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。首先在显微镜下观察探针片，圈出即将分析的绿泥石。然后对探针片进行清洗、喷碳，再装入JEOL JXA-8100 型电子探针进行原位测试。测试过程中，电子束斑直径小于1 μm，加速电压为15 kV，电流约为20 nA 左右。实测了矿物中的Si、Ti、Al、Fetot、Mn、Mg、Ca、Na、K等元素含量，标样采用天然矿物和人工合成的化合物。原始数据通过JEOL 提供的ZAF方法校正。分析误差与元素自身的绝对含量有关，一般介于1%～5%之间。

粉碎后的新鲜岩石样品，经磁分选和重液分离出单颗粒锆石，在双目镜下手工挑选出颗粒较大、晶形完好的锆石制靶，抛光后用于拍摄反射光、透射光、阴极发光（CL）图像以及LA-ICP-MS锆石U-Pb定年。CL图像拍摄在西北大学大陆动力学国家重点实验室JEOL-JXA-8100电子探针仪上完成，工作状态为：加速电压15 kV，束电流2×10-8A，束斑直径1 μm。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室测定，采用的仪器型号为Agilent 7500 a，配备UP213型固体激光剥蚀系统，分析过程激光束斑直径为25 μm，频率为5 Hz。实验原理和详细测试方法可参照Jackson等（2004）。数据处理使用GLITTER4.0程序，计算获得同位素比值、年龄和误差，普通铅校正采用Andersen（2002）的方法进行。年龄计算和图解使用SQUID 1.03 and Isoplot/Ex 2.49程序（Ludwig，2001）。

3 分析结果

3.1 LA-ICP-MS锆石 U-Pb年龄

新盟山英安玢岩（样号X04）中锆石多呈无色至浅黄色，半透明至透明，晶体呈柱状，长轴约100～200 μm，长短轴之比约1:1～3:1，阴极发光图像（图3）显示新盟山英安玢岩中的锆石发育较清晰的震荡环带，显示出岩浆成因锆石的特征。LAICP-MS 锆石U-Pb年龄测试结果列于表1，由表1可看出锆石的Th/U比值介于0.19～0.74之间，与岩浆锆石具高Th/U值的特征一致（Corfu et al., 2003;吴元保和郑永飞，2004）。

表1 新盟山英安玢岩LA-ICP-MS锆石 U-Pb定年分析结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb analytical data for Xinmengshan dacite porphyry

图3 新盟山英安玢岩锆石CL照片（图中白色圆圈为LA-ICP-MS U-Pb定年点位）Fig. 3 Cathodoluminescence images of zircons for Xinmengshan dacite porphyry (The white circles are spots for LA-ICP-MS U-Pb dating)

在U-Pb年龄谐和图上（图4a），17个分析点全部投影于谐和线上或附近，获得206Pb/238U加权平均年龄为152.9±1.2 Ma（MSWD=0.27，2σ，图4b），可以代表新盟山英安玢岩的结晶年龄，表明其为燕山早期（晚侏罗世）产物。

图4 新盟山英安玢岩LA-ICP-MS锆石 U-Pb定年结果Fig. 4 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia plots and calculated weighted mean 206Pb/238U ages for Xinmengshan dacite porphyry

3.2 岩石地球化学

新盟山英安玢岩岩石地球化学分析结果见表2。新盟山英安玢岩的烧失量（LOI）介于5.52%～7.55%之间，均值为6.47%，说明岩石普遍遭受了不同程度的蚀变，这与该岩体的岩相学特征一致；岩体SiO2含量变化范围介于66.26%～71.90%之间，均值为68.79%； TiO2含量介于0.61%～0.78%之间，均值为0.67%；Al2O3含量为13.14%～17.58%之间，均值为15.80%；全铁含量Fe2O3T含量变化于5.30%～9.14%之间，均值为6.96%；MgO含量介于0.24%～0.64%之间，均值为0.41%；CaO含量变化范围较大，介于0.06%～2.38%之间，均值为0.57%；Na、K含量很低，部分样品的Na2O含量甚至低于检测限，说明这些元素由于在热液作用中具有较强的活动性，在蚀变过程中发生了大量的淋滤流失。

表2 新盟山英安玢岩主量元素（%）和微量元素（×10-6）分析结果Table 2 Major element content (%) and trace element content(×10-6) of Xinmengshan dacite porphyry

注：LOI为烧失量。FeOT=FeO+0.9×Fe2O3。δEu=EuN/(SmN× GdN)0.5，N为球粒陨石标准化

在球粒陨石标准化稀土配分图（图5a）中，新盟山英安玢岩相对富集轻稀土（LREEs），亏损重稀土（HREEs），呈右倾配分模式，轻、重稀土均显示出一定程度的分馏。(La/Sm)N比值介于3.72～8.11之间，均值为6.00；(Gd/Yb)N比值介于1.53～3.79之间，均值为2.99；(La/Yb)N比值介于10.52～50.93之间，均值为35.20。Eu显示出轻微的负异常，δEu=0.59～0.70，均值为0.64。在原始地幔标准化蛛网图（图5b）中，新盟山英安玢岩总体呈右倾模式，整体而言，富集Rb、Th、U、La、Pb、Nd、Zr和Hf等元素，亏损Nb、Ta、Ba、Sr、P等元素。

图5 新盟山英安玢岩(a) 球粒陨石标准化稀土配分图和 (b)原始地幔标准化蛛网图（阴影部分为水口山岩体，数据引自赵增霞，2017；球粒陨石和原始地幔数据引自McDonough and Sun，1995)Fig. 5 (a) Chondrite-normalized REE patterns and (b) mantle-normalized spidergrams of Xinmengshan dacite porphyry.(The dash area were samples from Shuikoushan granite (Zhao, 2017). The chondrite data and the primitive mantle data from McDonough and Sun,1995)

3.3 绿泥石矿物成分及矿物温度计

3.3.1 绿泥石矿物成分

绿泥石是新盟山英安玢岩中最主要的蚀变矿物，主要由角闪石、黑云母等暗色矿物蚀变而成。绿泥石的电子探针分析数据及主要参数计算结果列于表3。从表中可以看出：绿泥石的SiO2含量介于27.78%～28.87%之间，均值为28.17%；TiO2含量为0.07%～0.19%，均值为0.13%；Al2O3含量为17.42%～18.48%，均值为17.85%；FeO含量为22.97%～25.54%，均值为24.75%；MnO含量为0.87%～1.39%，均值为1.02%；MgO含量为15.59%～16.44%，均值为16.17%；Fe/(Fe+Mg)比值介于0.44～0.48之间，均值为0.46；FM比值（(Fe+Mn)/(Fe+Mn+Mg)）为0.45～0.49，均值为0.47。

表3 新盟山英安玢岩绿泥石电子探针数据（%）和主要参数计算结果Table 3 Electron microprobe analyses and major parameters of chlorite in Xinmengshan dacite porphyry

在绿泥石分类图解中（图6），根据绿泥石结构式中Si原子数与FM比值对绿泥石进行分类，从图中可以看出，新盟山英安玢岩中绿泥石主要为斜绿泥石。

图6 新盟山英安玢岩绿泥石分类图解（据Melka, 1965修改）Fig. 6 Classification diagram for chlorite in Xinmengshan dacite porphyry

3.3.2 绿泥石成分温度计

Cathelineau（1985）在研究墨西哥LosAzufres地热系统时发现该地区绿泥石四次配位的铝（AlⅣ）与绿泥石形成温度存在正相关关系，而岩石中的其它热力学参数均无明显关系，因此Cathelineau用线性回归的方法得出AlⅣ与温度之间的温度方程：

后来，Cathelineau在最初研究的基础上，增加了SaltonSea地热系统的数据，对之前的公式进行了校正（Cathelineau, 1988），校正之后的表达式为：

Kranidiotis和 MacLean （1987）和Jowett （1991）考虑到Fe/(Fe+Mg)对绿泥石成分温度计的影响，分别对公式（1）、（2）进行了如下修正：

T=212(AlⅣ+0.35(Fe/(Fe+Mg)))+18 (Kranidiotis and

其中AlⅣ为绿泥石中基于氧原子数14四次配位的Al原子数，T为摄氏温度。

本次研究选用公式（3）、（4），对绿泥石进行Fe/(Fe+Mg)校正后，再计算绿泥石的形成温度，所得温度分别为T1、T2，计算结果列于表3。计算可得，基于公式（3）得到的绿泥石蚀变温度T1介于269～283℃之间，均值为276℃；基于公式（4）获得的温度T2介于272～291℃之间，均值为282℃。两个公式计算结果误差不大，表明新盟山英安玢岩的绿泥石形成温度应该在280℃左右。

4 讨论

4.1 成岩时代

水口山矿田内岩浆岩分布广泛，前人对此已开展过一些同位素年代学研究工作，获取了一些年龄数据，如喻亨祥和刘家远（1997）运用黑云母K-Ar法，获取老鸦巢、鸭公塘、中区及麂牯岭的花岗闪长岩的年龄为161～143 Ma、矿田内火山岩年龄为129～128 Ma；王岳军等（2001）运用同位素稀释法获得水口山花岗闪长岩单颗粒锆石U-Pb年龄为172.3±1.6 Ma；马丽艳等（2006）通过锆石SHRIMP U-Pb定年，获得水口山矿田内四号花岗闪长岩体年龄为163±2 Ma；甄世民等（2012）运用锆石LAICP-MS定年法，获取仙人岩花岗斑岩锆石U-Pb年龄为156±1.2 Ma；左昌虎等（2014）通过LA-ICPMS锆石U-Pb定年获得水口山四号岩体成岩年龄为156.0±1.0 Ma；Zuo 等（2014）通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年获得水口山矿田内老盟山流纹英安岩成岩年龄为156.7±1.6 Ma；Yang 等（2016）通过SIMS锆石U-Pb定年获得水口山四号岩体年龄为158.3±1.2 Ma；赵增霞（2017）通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，获得矿田内石英闪长岩、花岗闪长岩的年龄分别为158～157 Ma、154～152 Ma。

本次研究运用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年法，获得水口山矿田内新盟山英安玢岩206Pb/238U加权平均年龄为152.9±1.2 Ma，这与矿田内最近几年获得的较新的岩浆岩年龄数据一致（甄世民等, 2012;左昌虎等, 2014; Zuo et al., 2014; Yang et al., 2016; 赵增霞, 2017）, 表明水口山矿田内岩浆岩主要形成于158～152 Ma之间，属于燕山早期晚侏罗世，与南岭及湘南地区165～150 Ma大规模岩浆活动相一致（华仁民等，2003，2005；毛景文等，2004；Li et al., 2007；Wang et al., 2011），印证了晚侏罗世水口山地区曾发生过强烈的构造—岩浆事件。

赵增霞（2017）通过辉钼矿Re-Os同位素定年和闪锌矿Rb-Sr同位素定年，获得水口山铅锌矿床成矿年龄约157～154 Ma。本次研究获得的新盟山英安玢岩成岩年龄与矿田内铅锌成矿时间大致相近，表明矿田内成矿作用与周边岩浆活动关系密切，晚侏罗世研究区内岩浆活动和成矿作用非常活跃。

4.2 岩浆来源

关于水口山矿田内岩浆岩的成岩物质来源，目前主要有以下几种观点：Wang等（2003）通过全岩地球化学及Sr-Nd同位素理论模拟，认为水口山花岗闪长岩源区为15%～30%的中下地壳物质和70%～85%的亏损地幔物质；Zuo 等（2014）认为水口山矿田内老盟山流纹英安岩主要起源于古元古代地壳基底的部分熔融，并受到少量地幔物质的混染；Yang 等（2016）基于全岩主微量元素和Sr-Nd同位素研究，认为水口山四号岩体的形成与中下地壳镁铁质源区角闪石的脱水熔融有关；赵增霞（2017）认为水口山矿田内的花岗闪长岩和石英闪长岩均起源于元古界地壳物质的部分熔融，并混有部分地幔物质，且石英闪长岩比花岗闪长岩源区混有更多的地幔物质。

热液蚀变会影响岩石主微量元素的含量，但一般认为稀土元素和过渡元素在表生作用、热液作用和低级变质作用中具有相对稳定的地球化学性质，能更有效地排除各种岩浆期后作用的影响，它们的含量在热液蚀变过程中变化微弱（Humphris and Thompsonk, 1978; Rollinson, 1993; Jiang et al.,2005）。新盟山英安玢岩大部分主量元素如SiO2、Al2O3、MgO、MnO、CaO、K2O等元素含量与烧失量（LOI）具有非常明显的线性关系（图7b，d，e，f，h，i），Fe2O3T虽然与LOI没有明显的线性关系，其含量随着LOI的增加亦发生了非常明显的变化（图7c），表明它们在蚀变过程中含量变化较大，不能代表原始样品的元素含量，无法提供岩石成因的真实信息。而TiO2、P2O5含量随着LOI增加没有明显变化（图7a，g），说明Ti、P元素在蚀变过程中性质比较稳定，可能基本保持了原始样品的元素含量。相较于主量元素，稀土元素和部分微量元素如U、Ta、Cr、Ni、Ga、V、W、Yb、Sn等，它们的含量随着LOI增大能够基本保持恒定（图8a-i），因此，本文主要依据稀土元素和部分微量元素含量进行新盟山英安玢岩岩浆来源的讨论。

图7 新盟山英安玢岩LOI与主量元素（%）协变图解Fig. 7 Diagrams of major elements vs. loss of ignition (LOI) for Xinmengshan dacite porphyry

图8 新盟山英安玢岩LOI与部分微量元素（×10-6）协变图解Fig. 8 Diagrams of trace elements vs. loss of ignition (LOI) for Xinmengshan dacite porphyry

新盟山英安玢岩富集轻稀土元素，亏损重稀土元素，同时富集Rb、Th、U、La、Pb、Nd、Zr和Hf等元素，亏损Nb、Ta、Ba、Sr、P等元素，具有类似壳源的地球化学特征（Taylor and Mclennan,1985; Jochum et al., 1997）。同时，该岩体的Zr/Hf、Sm/Nd、Nb/Ta和Zr/Nb等比值也与陆壳比值类似（Hergt et al., 1991; Miller et al., 1999; Gao et al.,2004），指示了新盟山英安玢岩的壳源属性。

新盟山英安玢岩与同一矿田内的水口山岩体（岩性为花岗闪长岩和石英闪长岩）显示出类似的稀土元素配分模式（图5a），且在原始地幔标准化蛛网图上，二者也表现出类似的特征，如都具有类似的Nb/Ta比值、Pb富集峰、都亏损Ba、P、U等（图5b），表明二者的岩浆来源有一定相似之处。前人研究表明，水口山岩体主要起源于元古界地壳物质的部分熔融，并混有部分地幔物质（赵增霞，2017）。新盟山英安玢岩与水口山岩体成岩时代一致，且空间关系密切（图1b），相似的稀土元素和微量元素特征表明新盟山英安玢岩主要起源于地壳，可能混入部分地幔物质。新盟山英安玢岩具有轻微的Eu负异常和明显的P负异常，表明其形成过程中可能经历了斜长石、磷灰石等矿物的分离结晶。

4.3 成岩成矿关系

矿物温压计是利用矿物特征来估测矿物平衡温度和压力的方法，对于研究成岩成矿的温度、压力、深度具有十分重要的地质意义（Zhao et al., 2005;薛志远, 2009; 雷敏等，2010）。绿泥石的形成过程是一个由反应动力学控制的水岩反应过程，与流体活动息息相关。研究区绿泥石含大量的二价铁，说明绿泥石主要形成于还原环境且与流体的沸腾作用密切相关（Inoue, 1995）。笔者曾对矿田内水口山铅锌矿进行了系统的流体包裹体研究，获得水口山铅锌矿床铜钼矿化温度峰值为270～290℃，且该阶段可能存在局部的流体沸腾作用；铅锌矿化温度峰值为130～150℃，该阶段流体演化以混合作用为主（赵增霞，2017）。

前人研究表明，水口山矿床铅锌矿化发生于浅成低温环境，成矿作用与矿田内岩浆活动关系密切，成矿物质主要来源于岩浆（赵增霞，2017）。新盟山英安玢岩的绿泥石蚀变温度（约280℃）与矿田内同时期的铜钼矿化温度大致相近，表明矿田内的铜钼矿化与岩浆岩的绿泥石化可能属于同一期热液流体作用，在岩浆作用晚期，富含成矿元素的中高温岩浆热液不断交代早先形成的英安玢岩，产生了广泛的绿泥石化，这个过程同时伴随着水口山铅锌矿床Cu、Mo等成矿元素的沉淀。新盟山英安玢岩绿泥石化蚀变广泛，指示周边的新盟山铅锌矿可能也存在一定的Cu、Mo矿化。

晚侏罗世（J3，约160～150 Ma），俯冲的古太平洋板块后撤，使华南地区处于全面拉张—伸展的构造背景下（图9；Zhou et al., 2006），引起岩石圈拉张减薄，软流圈上涌并导致玄武质岩浆底侵。水口山矿田内的岩浆活动和成矿作用分别发生于158～152 Ma和157～154 Ma之间，恰好处于古太平洋后撤时期，地壳物质部分熔融（可能混有少量地幔物质）形成的花岗质岩浆沿深大断裂上侵或喷出地表，形成水口山矿田内的花岗质侵入岩和新盟山英安玢岩等岩浆岩（左昌虎等，2014）。