赣西北花山洞与九岭花岗岩对比及其成矿指示意义

2022-05-09黄旭栋章荣清陆建军吴劲薇

地质学刊 2022年1期

黄迪，黄旭栋，章荣清，陆建军，吴劲薇，黄玉

(1. 内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，江苏南京210023；2. 南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210023)

0 引言

江南造山带是华南乃至世界重要钨锡成矿带之一，由扬子地块和华夏地块在新元古代碰撞拼贴而成(图1a)(王孝磊等，2017)，先后经历了新元古代、早古生代、早中生代、侏罗纪和白垩纪等多期构造-岩浆活动(舒良树，2012；Li et al., 2016)，发育大量多时代花岗岩和钨锡多金属矿床，绝大多数钨锡矿床在时空上与花岗岩密切相关(张迪等，2015；陈文迪等，2016；Xiang et al., 2018；Song et al., 2019；Xie et al., 2019；Zhang et al., 2019)。

九岭岩体位于江南造山带西段(图1a)，出露面积>4 000 km2，是华南最大的花岗质岩基之一，主要由新元古代(约占90%)和晚中生代(约占10%)花岗岩组成(图1b)。九岭复式花岗岩基中发现的大湖塘钨矿是全球最大的钨矿之一，在成因上与晚中生代花岗岩密切相关(Song et al., 2018)，在九岭西缘新发现的花山洞钨矿(图1b)很可能与新元古代花岗岩有成因联系。刘进先等(2015)报道花山洞钨矿的辉钼矿Re-Os年龄为(805±5)Ma，罗刚等(2016)获得的花山洞花岗岩的锆石U-Pb年龄为(807±8)Ma，成岩成矿年龄一致。

图1 九岭地区地质简图(a、b)及花山洞矿区平面地质图(c)(图a、b据Zhao et al.，2013修改；图c据江西省地质工程(集团)公司,2018)Fig. 1 Geological sketch of Jiuling area (a, b) andplanar geological map of Huashandong mining area (c)(figures a, b modified from Zhao et al., 2013; figure c after Jiangxi Geological Engineering (Group) Company, 2018)

前人的研究表明，九岭新元古代花岗岩形成于830～800 Ma，为典型的S型花岗岩，由不同批次的花岗质岩浆累积侵位相互混合而成(Zhao et al., 2013；王迪，2017；Xin et al., 2017；Rong et al., 2018；段政等，2019；张智博等，2019)。花山洞花岗岩的形成年代与九岭花岗岩一致，但在大面积出露的九岭花岗岩中目前并没有发现新元古代钨矿，具体原因有待研究。

通过花山洞与九岭花岗岩的对比分析，包括岩相学观察、扫描电镜能谱分析和岩石地球化学研究，揭示两者岩浆分异演化程度的不同并探讨其钨成矿潜力的差异。

1 地质背景

1.1 区域地质

九岭地区位于江西西北部，区内出露的早新元古代地层(图1b)为双桥山群，厚度巨大(>4 km)，主要由浅变质泥砂质沉积岩夹少量火山碎屑岩组成，自下而上可分为横涌组、计林组、安乐林组和修水组(王迪，2017；段政等，2019)。这些地层普遍具紧闭褶皱，构成下伏基底，上覆盖层为宽缓褶皱的晚新元古代地层，两者以区域性角度不整合为界(周金城等，2014；王孝磊等，2017)。九岭新元古代花岗岩侵入双桥山群安乐林组和修水组中，大致呈近东西—北东东向展布(图1b)，岩性主要为黑云母花岗闪长岩，其中常见暗色包体，并可见典型的过铝质矿物堇青石和石榴子石(Rong et al., 2017；孙克克等，2017)。

1.2 矿床地质

花山洞钨矿位于修水县城西南方向25 km处，为新近发现的一新元古代中型钨矿。矿区出露地层为双桥山群安乐林组第四段和第五段(图1c)，第四段岩性主要为变质砂岩、粉砂岩夹板岩，第五段岩性主要为板岩夹变质砂岩、粉砂岩。矿区内未见岩浆岩出露，但经钻孔揭露，在距地表560 m以下存在隐伏岩体(图2a、b)，其形态大致呈北东向突起，岩性为细粒花岗闪长岩(刘进先等，2015)。

图2 花山洞钨矿303线(a)、300线(b)和204线(c)地质剖面图(据江西省地质工程(集团)公司，2018；勘探线位置见图1c)Fig. 2 Geological profiles of lines 303 (a), 300 (b) and 204 (c) of the Huashandong tungsten mine(after Jiangxi Geological Engineering (Group) Company, 2018; location of the exploration lines seen in figure 1)

花山洞钨矿存在4种成矿类型，在空间上从岩体接触带向外依次为蚀变花岗岩型、外接触带云英岩型、热液角砾岩型和石英脉型(图1c、图2)：① 蚀变花岗岩型以岩体内接触带中的浸染状白钨矿为特征，蚀变类型包括云英岩化、绢云母化和绿泥石化等；② 外接触带云英岩型以地层中强烈的云英岩化和电气石化为特征，也存在绿泥石化和碳酸盐化，白钨矿呈浸染状产出；③ 矿区自东向西依次发育Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号3个热液角砾岩筒(图1c、图2)，角砾成分即为云英岩化、电气石化地层，胶结物为石英，角砾和胶结物中均有白钨矿产出，少量黑钨矿出现于胶结物中；④ 石英脉主要分布于Ⅱ号角砾岩筒西侧(图2c)和矿区东部(图1c)，脉壁可见云英岩化，矿石矿物主要为白钨矿，其次为黑钨矿。

2 样品采集和分析方法

共采集了10件花岗岩样品，包括九岭4件、花山洞6件。其中,2件九岭花岗岩样品(DHT22、DHT23)采自大湖塘矿区附近下山路上的地表露头，2件(HSD14、HSD27)采自靠近花山洞钨矿的漫江地区；花山洞花岗岩样品全部采自钻孔(ZK12-32、ZK12-40、ZK16-3-17、ZK16-3-18、ZK16-3-19、ZK20-2)岩芯(图1c、图2)。

(1)矿物扫描电镜能谱分析。扫描电镜型号为Carl Zeiss Supra 55，能谱仪型号为Oxford Aztec X-Max 150。分析条件：加速电压15 kV，束流20 nA，工作距离8.0～8.5 mm。

(2)全岩主量元素分析。成分分析使用帕纳科AxiosmAXXRF仪，处理流程：① 将粒径0.076 mm(200目)的粉末样品烘干后置于马弗炉中高温加热，待样品冷却至400 ℃时转移至干燥皿中，待冷却至室温后称量并计算烧失量；② 分别称取6.000 0 g助熔剂和0.600 0 g烘干样品，混匀后倒入铂金坩埚，置于熔样炉中1 100 ℃熔融，待其冷却制成玻璃片以备测试。样品分析的精密度和准确度满足《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定》(GB/T 14506.28—2010)的要求。

(3)微量元素分析。使用Agilent 7700x ICP-MS仪测定成分。处理流程：称取40 mg粉末样品置于聚四氟乙烯溶样罐中，加入0.5 mL浓硝酸与1.0 mL氢氟酸，将溶样罐用钢套密封后放入195 ℃烘箱内加热72 h，待样品被彻底消解后加入稀释剂以备测试。采用美国地质调查局(USGS)标准物质BHVO-2、AGV-2、W-2、GSP-2为质控盲样，分析结果与德国马普学会地质与环境标物数据库(GeoReM)进行比对，固体含量为10～50 g/t的微量元素分析误差在±10%以内，固体含量>50 g/t的微量元素分析误差在±5%以内。

3 结果

3.1 岩相学

3.1.1 九岭花岗岩呈灰白色，暗色矿物较多，具中粗粒结构(图3a、b)。造岩矿物主要为中-更长石(35%～55%)、石英(25%～35%)、钾长石(10%～20%)和黑云母(5%～15%)(图4a)。副矿物包括锆石、磷灰石、榍石、石榴子石(图4b)、堇青石(图4c)和钛铁氧化物等。斜长石可见绢云母化，黑云母较新鲜，部分发生绿泥石化(图4a)。值得注意的是，部分样品(DHT22、DHT23)中存在许多聚合状黑云母团块，其中偶见石榴子石(图4b)。

3.1.2 花山洞花岗岩呈浅灰白色，暗色矿物较少，具细粒结构(图3c、d)。造岩矿物主要为钠长石(40%～60%)、石英(30%～40%)、钾长石(5%～10%)、黑云母(3%～5%，已蚀变为绿泥石)和白云母(3%～5%)(图4d、e)。副矿物包括锆石、氟磷灰石、富F榍石、含W金红石和硫化物等(图4f，矿物成分据扫描电镜能谱分析结果)。花山洞花岗岩普遍经历了热液蚀变，包括云英岩化、绢云母化和绿泥石化等，尽量选择蚀变程度较弱的样品用于全岩地球化学分析。

图3 九岭花岗岩(a、b)和花山洞花岗岩(c、d)标本Fig. 3 Photographs of the hand specimens of the Jiuling granite (a，b) and the Huashandong granite (c，d)

图4 九岭花岗岩和花山洞花岗岩岩相学显微照片(a) 九岭花岗岩(正交偏光)，主要由中-更长石、石英、钾长石和黑云母组成；(b) 九岭花岗岩中的聚合状黑云母团块(单偏光)，其中可见石榴子石；(c) 九岭花岗岩中的堇青石(正交偏光)；(d)、(e) 花山洞花岗岩(正交偏光)，主要由钠长石、石英、钾长石、黑云母(已绿泥石化) 和白云母组成；(f) 花山洞花岗岩中的富F榍石、含W金红石和磁黄铁矿(扫描电镜能谱分析结果)，BSE图像Ap-磷灰石；Bt-黑云母；Chl-绿泥石；Crd-堇青石；Grt-石榴子石；Kfs-钾长石；Ms-白云母；Pl-斜长石；Po-磁黄铁矿；Qz-石英；Rt-金红石；Ttn-榍石Fig. 4 Lithographic micrographs of the Jiuling granite and the Huashandong granite(a) Jiuling granite (orthogonal polarization), mainly composed of andesine-oligoclase, quartz, potash feldspar and biotite; (b) Polymeric biotite masses in the Jiuling granite (single polarization), in which garnet is visible; (c) Cordierite from the Jiuling granite (orthogonal polarization); (d) and (e) Huashandong granite (orthogonal polarization), mainly composed of albite, quartz, potash feldspar, biotite (chlorinated) and muscovite; (f) F-rich titanite, W-bearing rutile and pyrrhotite in the Huashandong granite (according to SEM energy spectrum analysis), BSE image

3.2 斜长石牌号

对九岭、花山洞花岗岩样品(各3件)中的斜长石进行扫描电镜能谱分析，结果(图5)显示：① 九岭花岗岩中的斜长石具有中-更长石成分(An12—An47)，从核部到边部，斜长石牌号逐渐降低，核部为中长石(An27—An47)，边部为更长石(An12—An29)；② 花山洞花岗岩中的斜长石主要为钠长石，不存在明显的成分分带，其中ZK16-3-17和ZK16-3-18孔的斜长石牌号绝大多数<5，ZK20-2孔的斜长石牌号相对较高，大多数<10，最高为17。

图5 九岭花岗岩和花山洞花岗岩斜长石牌号Fig. 5 Mass fraction of An in the Jiuling and Huashandong granites

3.3 全岩主微量元素

九岭和花山洞花岗岩的主微量元素分析结果(表1)显示，相对于九岭花岗岩，花山洞花岗岩中质量分数较高的为SiO2(分别为65.45%～68.44%、68.37%～71.11%)和Na2O(分别为1.88%～3.31%、3.29%～5.30%)，质量分数较低的为Al2O3(分别为14.97%～17.34%、14.02%～15.60%)、FeOT(分别为3.41%～5.30%、2.70%～3.76%)、MgO(分别为1.77%～1.94%、1.01%～1.23%)和TiO2(分别为0.48%～0.76%、0.35%～0.61%)(图6)。TAS分类图解(图7a)显示，二者均落于花岗闪长岩区域，属于强过铝质花岗岩，九岭花岗岩比花山洞花岗岩具有更高的铝饱和指数(ACNK值分别为1.23～1.57、1.08～1.23)(图7b)。

图6 九岭花岗岩和花山洞花岗岩主量元素哈克图解Fig. 6 Haker diagram of major elements in the Jiuling and Huashandong granites

微量元素蛛网图(图8a)显示，九岭和花山洞花岗岩均表现出明显的Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti亏损。相对于九岭花岗岩，花山洞花岗岩具有更低的Zr+Nb+Ce+Y含量(分别为268～576、187～269 g/t)和Th/U比值(分别为5.06～6.73、3.55～4.47)(图9a、表1)。在稀土元素配分图(图8b)上，两者呈现轻稀土相对富集、重稀土相对亏损的特征，花山洞花岗岩比九岭花岗岩具有更低的稀土元素含量和更弱的Eu负异常(ZK20-2孔的Eu负异常明显)(图9b)。

图8 九岭花岗岩和花山洞花岗岩微量元素蛛网图(a)和稀土元素配分图(b)(原始地幔标准值据Sun et al., 1989;球粒陨石标准值据Boynton，1984)Fig. 8 Spider web of trace elements (a) and distribution diagram of rare earth elements (b) in the Jiuling and Huashandong granites(primitive mantle standard value after Sun et al., 1989; chondrite standard value after Boynton, 1984)

图9 九岭花岗岩和花山洞花岗岩Th/U-(Zr+Nb+Ce+Y)图解(a)、δEu-ΣREE图解(b)Fig. 9 Th/U-(Zr+Nb+Ce+Y) diagram (a) and δEu-ΣREE diagram (b) in the Jiuling and Huashandong granites

九岭和花山洞花岗岩的稀土含量ΣREE分别为142～250、95.3～121 g/t。含聚合状黑云母团块的2件九岭花岗岩样品(DHT22、DHT23)比其他样品具明显更高的Zr+Nb+Ce+Y和ΣREE含量(表1)。

4 讨论

4.1 岩浆分异演化程度

相对于九岭花岗岩，花山洞花岗岩的暗色矿物含量明显更低，斜长石牌号明显更小，SiO2、Na2O含量更高，FeOT、MgO、TiO2含量更低，Zr+Nb+Ce+Y和ΣREE含量以及Th/U比值更低。以上特征都表明，花山洞花岗岩比九岭花岗岩具有更高的岩浆分异演化程度，经历了更强烈的镁铁质矿物、斜长石和锆石等副矿物的分离结晶作用。

通常情况下，花岗岩的ACNK值随着岩浆分异演化程度的加强而增大(蔡杨，2013)，然而，相对于花山洞花岗岩，分异演化程度更低的九岭花岗岩却具有明显更大的ACNK值(图7b),这是由于九岭花岗岩中存在一定量的强过铝质矿物堇青石和石榴子石(ACNK值无穷大)(Zen，1988)。另外，部分九岭花岗岩样品中可见许多聚合状黑云母团块，偶见石榴子石(图4b)。Rong等(2017)研究表明，九岭花岗岩中的黑云母团块是由来自源区的转熔石榴子石在岩浆结晶晚期通过与含水熔体进行逆反应而成。黑云母团块的存在说明花岗岩中含有较多的源区残留物质，如难熔的副矿物等。因此，含黑云母团块的2件九岭花岗岩样品具有很高的Zr+Nb+Ce+Y和ΣREE含量(表1)。同时，源区残留物质较多也说明九岭花岗岩的岩浆分异演化程度较低(Chappell et al., 1987)。

表1 九岭和花山洞花岗岩主量元素和微量元素分析结果Table 1 Analysis results of major elements and trace elements of the Jiuling and Huashandong granites

表1(续)

图7 九岭花岗岩和花山洞花岗岩TAS分类图解(a)和ANK-ACNK图解(b)(图a底图据Middlemost，1994)Fig. 7 TAS classification diagram (a) and ANK-ACNK diagram (b) in the Jiuling and Huashandong granites(base graph of figure a after Middlemost, 1994)

4.2 钨成矿潜力的差异

花山洞花岗岩含有氟磷灰石和富F榍石，九岭花岗岩中的磷灰石和榍石并不富含F，表明花山洞花岗岩由相对富F的花岗质岩浆形成。F的存在可以显著降低硅酸盐熔体的黏度和最低液相线温度(Manning, 1981)，从而延长岩浆分异演化的过程，促进残余熔体中W的富集(Audétat et al., 2000)，有利于钨矿的形成。大多数钨矿与富F花岗岩有关(Wang et al., 2021)。此外，不同于九岭花岗岩，花山洞花岗岩中还存在含W金红石(图4f)。这些矿物学特征都指示花山洞花岗岩更容易形成钨矿。

虽然黑钨矿和白钨矿可在岩浆阶段结晶(Che et al., 2013；Wang et al., 2020)，但绝大多数钨矿形成于热液阶段，与矽卡岩化、云英岩化和绢云母化等热液蚀变密切相关，说明岩浆-热液流体对W的富集和迁移发挥着重要作用(Hulsbosch et al., 2016；Wang et al., 2020)。花山洞花岗岩普遍经历了云英岩化、绢云母化和绿泥石化等蚀变，蚀变程度明显强于九岭花岗岩，说明相对于九岭花岗岩，花山洞花岗岩岩浆的含水量明显更高，岩浆-热液流体的活动更加强烈，钨成矿潜力更大。