赣南西华山成矿花岗岩锆石U-Pb年代学和Hf同位素特征及其地质意义

2022-05-31郭小飞王庆龙荆一洪刘云龙

地质与勘探 2022年3期

郭小飞,王庆龙,荆一洪,刘云龙

(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西赣州 341000；3.江西理工大学期刊社，江西赣州 341000)

0 引言

涉及赣南、湘南、粤北和桂北等地的南岭地区，是我国重要的有色金属与稀有稀土元素成矿区。近几十年来，对南岭地区燕山期花岗岩侵入作用所引起的成岩成矿研究，已经积累了大量的地质学、地球化学和地球物理等数据(Deng et al.,2019;Wang et al.,2020;Ni et al.,2021)，基本理清了区内构造-岩浆-成矿作用与演化的格架。南岭地区大多数钨锡矿床与晚侏罗世岩浆作用同时代形成，岩浆作用的年龄峰值为160～150 Ma(Mao et al.,2013)。有学者认为，南岭钨锡矿化形成于约160 Ma的一次独特流体事件，随后的流体事件重新分配之前沉淀的金属并引入了其他金属(Legros et al.,2020)。南岭地区的钨矿化母岩可能来自于燕山运动时期的同一岩浆房，其存在时间超过20 Myr(Wang et al.,2021)。Guo et al.(2021)在赣南铁山垅钨矿中识别出～142 Ma成矿花岗岩，可能预示着早白垩世是南岭东部花岗岩成岩成矿作用的另一个重要阶段。

赣南作为南岭成矿带的重要地区之一，为全球最重要的钨矿集区，素有"世界钨都"的美誉。其中西华山钨矿作为赣南地区代表性钨矿，是中国最早发现钨矿和开采钨矿的矿床之一。矿区地质勘查工作可追溯至20世纪50～60年代，积累了大量的年代学及地球化学数据。前人研究表明，西华山花岗岩地球化学特征显示出S型花岗岩的特征(吕科等,2021)。而另外一些研究者认为西华山花岗岩的强过铝质和高钾钙碱性特征，具有高分异I型花岗岩亲缘属性(Guo et al.,2012;Yang et al.,2012)。对成矿花岗岩成因的争议主要是西华山花岗岩是否存在强烈水岩反应和显著的岩浆分馏。近年来，锆石在揭示复杂岩浆热液过程，以及高度演化的花岗岩伴生成矿系统中可能的成矿潜力方面具有强大作用(Jiang et al.,2019)，甚至锆石矿物化学可作为区域矿产勘探的肥力指标(fertility indicators,Nevolko et al.,2021)。水热蚀变锆石的U-Pb定年和微量元素及Lu-Hf同位素可提供大量有关岩浆分异和流体演化的信息(Li et al.,2019)。

为此，本文选择对西华山矿床成矿花岗岩进行系统的研究，包括锆石LA-ICP-MS U-Pb定年、微量元素和Hf同位素，阐述西华山花岗岩的形成时间并推断岩石成因及其对成矿的贡献，有助于理解南岭地区晚中生代花岗岩岩浆-热液演化过程。

1 地质概况

赣南钨锡成矿区位于华夏地块西部的南岭地区，区域上以NNE-SWW向构造体系为特征。中生代花岗岩及相关的钨多金属矿床大多出现在该组构造带内(Feng et al.,2011)。西华山钨矿床位于江西省南部的大余县内，该地区还发育有多个大型钨锡矿床，如茅坪、漂塘和荡坪等(图1a)。矿区出露地层主要为中上寒武统浅变质砂岩和板岩。区内断裂构造发育并制约了矿体的展布，对成矿规模和矿体形态等有着明显的控制作用。西华山复式花岗岩株与钨成矿关系最为密切，该深成岩体的露头面积约为20 km2，由中粒斑状黑云母花岗岩、中粒黑云母花岗岩和细粒二云母花岗岩等多侵入相组成(Wang et al.,2003;Yang et al.,2012)，具有多旋回、多期次岩浆活动的特点。钨多金属矿化主要与中粒黑云母花岗岩及斑状中粒黑云母花岗岩紧密联系(图1b)。钨多金属资源主要产出在700多条独立矿脉中，总资源量为81300吨WO3，平均矿石品位为1.08% WO3(Yang et al.,2019)。钨矿以石英脉型黑钨矿为主，矿石中伴生有钼、铋、锡、铜、稀土等矿产资源(Giuliani et al.,1988)。

图1 (a)赣南地区主要钨多金属矿床地质简图(修改自Feng et al.,2011)和(b)西华山钨矿简要地质图(修改自Yang et al.,2013)

2 样品采集与分析

西华山矿床矿体主要产于花岗岩外接触带变质岩，部分矿化分布于花岗岩体内部。矿体发育部位普遍发育程度不同的云英岩化，越靠近含钨石英脉云英岩化越强(图2a,2e)。金属矿物主要有黑钨矿、辉钼矿、黄铁矿、黄铜矿等，脉石矿物主要为石英、萤石、绿泥石等。硅酸盐-氧化物阶段是钨矿化的主要阶段，黑钨矿作为其中最丰富的矿物存在于黑钨矿-石英脉中，以板状集合体或致密块状形式出现在石英脉边缘或脉中心，有时与辉钼矿和硫化物伴生(图2b,2c)。硫化物阶段形成的矿物存在于石英-硫化物脉，以黄铁矿为主，与毒砂、黄铜矿等伴生(图2d)。

图2 赣南西华山矿床矿化特征及成矿花岗岩特征

代表性样品为斑状中粒黑云母花岗岩(编号XH-11)。采自含钨石英脉旁(图2f,2g)。斑晶包括石英(～20%)、钾长石(～10%)、斜长石(～6%)和黑云母(～4%)。基质由碱性长石(～28%)、石英(～20%)、斜长石(～9%)和黑云母(～3%)组成。斜长石轻微绢云母化，显示多孪晶和化学分带。碱性长石具有细晶结构，局部绢云母化(图2h)。副矿物包括锆石、磷灰石、独居石和钛铁氧化物等。

用于分析测试的样品首先经过粉碎、筛分、磁/重分离，在双目显微镜下进一步手工挑选出晶形较好的锆石，将其安装在环氧树脂圆盘上制靶，研磨抛光以确保暴露表面的平整度。然后进行透射/反射光、阴极发光(CL)图像照相和激光拉曼工作，便于选择最佳的测试点。最后，开展锆石U-Pb定年和原位Lu-Hf同位素分析测试。锆石U-Pb定年及微量元素分析在桂林理工大学多接收电感耦合等离子体质谱实验室完成，利用ArF准分子激光系统(NWR-193)和四极杆ICP-MS(Agilent 7500CX)进行测试。测试数据处理采用ICPMS-DataCal软件，年龄谐和图和加权方法计算采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig,2003)。锆石原位Lu-Hf同位素在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成，利用193 nm准分子ArF激光烧蚀系统，通过Neptune Plus多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)进行测试，详细操作见Zhang et al.(2014)。

3 锆石U-Pb年龄

西华山斑状中粒黑云母花岗岩锆石U-Pb年龄和锆石微量元素分析结果见表1和表2。从CL图像上可以看出，西华山斑状中粒黑云母花岗岩(XH-11)锆石颗粒多呈自形长柱状，长120～200 mm(图3a)。颜色较浅的锆石具有典型的振荡环带，颜色较深锆石隐约能够看到环带，锆石Th/U比值为0.04～1.23。一般认为，岩浆锆石通常表现出振荡或扇形分区，没有继承核，当Th/U比值大于0.1时为岩浆锆石，而变质锆石Th/U比值一般小于0.1(Belousovaet al.,2002)。西华山花岗岩中颜色较深的锆石显示极高的U含量(图3d)，范围从27694×10-6到103110×10-6。XH-11锆石的拉曼光谱可以分为两类：浅色锆石拉曼峰值与标准锆石一样或略有移动；相比之下，深色高铀锆石拉曼通常光滑平坦，或在300～900 cm之间出现宽峰(图3c)。具有浅色核与深色边的锆石颗粒XH-11-5获得677.1±20.1 Ma的LA-ICP-MS206Pb/238U年龄，被认为是继承锆石年龄，其余7个分析测点206Pb/238U年龄值在150.2～161.2 Ma，给出的加权平均年龄为154.8±6.0 Ma(MSWD=0.83；图3b)。

表1 西华山斑状中粒黑云母花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学测试结果

表2 西华山斑状中粒黑云母花岗岩LA-ICP-MS锆石微量元素分析结果(×10-6)

续表2

图3 西华山斑状中粒黑云母花岗岩锆石CL图像(a)、谐和年龄(b)、锆石拉曼图解(c)和206Pb/238U vs. U含量图解(d)

4 锆石Hf同位素

选取西华山斑状中粒黑云母花岗岩进行锆石原位Hf同位素分析，分析结果见表3。样品XH-11锆石的176Lu/177Hf比值变化范围为0.001534～0.011774，平均值0. 004655。176Hf/177Hf比值变化范围为0.282323～0.282378，平均值0.28235。7个测点的εHf(t)值变化范围在-12.8～-10.8，平均值-12.0；单阶段Hf模式年龄(tDM1)介于1299～1741 Ma之间，平均值1422 Ma；二阶段Hf模式年龄(tDM2)介于1509～1607 Ma之间，平均值1566 Ma(图4d)。

表3 西华山斑状中粒黑云母花岗岩LA-ICP-MS锆石Lu-Hf同位素分析结果

5 讨论

5.1 高铀锆石特征

锆石因其高U-Pb体系封闭温度，具有较强的抗风化、蚀变能力，被广泛应用于成岩成矿时代确定。华南板块晚中生代以来受控于太平洋板块向欧亚板块的俯冲，发育大规模岩浆活动并伴随钨锡等多金属成矿作用，与其有关的花岗岩偶有富集U含量的报道(Wang et al.,2016)。本文对前人发表的西华山钨矿成矿花岗岩锆石U-Pb年龄进行收集，发现U含量区别较大(图5a)，从小于1000×10-6到几万×10-6不等。至于造成高U锆石的成因，可能跟花岗岩形成过程中高度岩浆热液演化相关。

例如，最近有学者提出，南岭地区的钨和锡成矿作用是在大约160 Ma的一次独特流体事件中形成的，后期流体的存在重新分配先前沉淀的金属，并引入其他金属，包括Fe-Cu-Zn和Zr-REE-Nb-Ta等(Legros et al.,2020)。这就意味着，赣南含钨花岗岩经历了高度分异并遭受了强烈的流体交代作用(Su and Jiang,2017)。Guo et al.(2012)提到，西华山矿床主要成矿花岗岩具有明显的稀土元素四分组效应，表明其存在强烈水岩反应、岩浆分馏显著。本研究获得的赣南西华山矿床成矿花岗岩(XH-11)为斑状中粒黑云母花岗岩，矿体主要赋存在花岗岩外接触带浅变质砂板岩中。样品的锆石显示极高的铀含量，其微量元素数据落在岩浆和热液区之间(图4a,4b)，表明花岗岩中的锆石经历了岩浆-热液演化阶段，在岩浆演化后期受到了热液交代作用的影响。秦拯纬等(2021)提到在南岭成钨与成锡花岗岩中，经常见到高Th、U含量的“黑锆石”，可能是受分异晚期岩浆气液交代的结果，这也是高分异花岗岩中晚期结晶锆石的一种特有形式。这跟本文研究中西华山成矿花岗岩中深色锆石的特征一致。然而，分析结果的Th/U比值在岩浆锆石范围内，并且锆石具有岩浆振荡环带，锆石微量元素稀土配分图表现为Ce的正异常和Eu的负异常，类似岩浆锆石的稀土配分模式(图4c)。考虑到它们的Th/U比值和CL图像特征，我们认为，虽然西华山花岗岩的锆石受到明显的热液蚀变影响，但其加权平均206Pb/238U年龄154.8±6.0 Ma代表了该花岗岩的结晶年龄。

图4 (a)Ce异常(Ce/Ce*)与(Sm/La)N、(b)(Sm/La)N与La图解，据Hoskin(2005)、(c)西华山花岗岩锆石球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(底图据Sun and McDonough，1989)；(d)西华山花岗岩锆石206Pb/238U年龄与εHf(t)关系图

图5 (a)赣南西华山花岗岩锆石206Pb/238U vs. U含量图解、(b)钨多金属矿床成岩成矿地质年代学格架(数据来源于表4)

5.2 形成时代

西华山钨矿床的形成与燕山晚期多阶段花岗岩的侵入有关。早期学者获得的西华山矿床年龄资料主要采用Rb-Sr、Sm-Nd和K-Ar同位素测年，年龄范围集中在184～106 Ma(李亿斗等,1986;McKee et al.,1987;叶瑛,1989;李华芹等,1992;赫英,1994;刘家齐等,2002)。最近，对西华山-荡坪复式花岗岩体各类不同花岗岩开展的锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学测试结果表明，这些岩体是基本同时期侵位的产物，其加权平均值为157.0±1.0 Ma(MSWD=2.8)(杨競红等,2009)。Wang et al.(2011)报道了西华山岩体的LA-ICP-MS锆石结晶年龄为155.7±2.2 Ma。Yang et al.(2012)获得了西华山花岗岩体的三种不同类型花岗岩如中粒斑状黑云母花岗岩、中粒黑云母花岗岩和细粒云母花岗岩，其LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为155.5±0.4 Ma、153.0±0.6 Ma和152.8±0.9 Ma。Guo et al.(2012)利用SIMS锆石U-Pb定年法获得了各阶段代表性花岗岩年龄范围从161.0±3.1 Ma到157.5±1.6 Ma。应用SHRIMP锆石U-Pb测年方法，张敏和肖剑(2017)厘清了与西华山钨矿成矿关系密切的中粒黑云母花岗岩和斑状中粒黑云母花岗岩年龄分别为150.3±2.2 Ma和152.6±2.1 Ma。笔者从西华山成矿花岗岩中获得了一个新的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄146.3±2.9 Ma(Guo et al.,2020)，是目前西华山复式花岗岩体中最年轻的数据。除了报道的锆石U-Pb年龄数据，西华山花岗岩体的磷钇矿和独石U-Pb测年结果范围从160.0±1.8 Ma到156.9±0.7 Ma(Li et al.,2013)。近期的高精度岩体年龄表明西华山岩体的大规模侵入约在161～146 Ma。

西华山矿床与黑钨矿共生的辉钼矿Re-Os同位素年龄157.0±2.5 Ma和157.8±0.9 Ma被认为是西华山矿床钨矿化的确切年龄(Wang et al.,2011;Hu et al.,2012)。Hu et al.(2012)还获得了白云母的Ar-Ar坪年龄152.8±1.6 Ma，比Re-Os年龄年轻约5 Ma，认为可能是热液长期活动的结果。近年来，利用黑钨矿进行W和W-Sn矿床的直接年代测定比脉石矿物更可靠，Tang et al.(2020)采用改进的校准方法对黑钨矿进行LA-ICP-MS U-Pb定年，确定了西华山矿床钨矿化的确切年龄为160.9±1.9 Ma。以上对西华山矿床成矿时代的年龄数据表明，矿化持续年龄约在161～153 Ma。矿床钨矿化阶段与西华山花岗岩侵入阶段无明显时间差异，表明赣南西华山花岗岩岩浆作用与成矿作用之间存在着密切的成因联系。西华山矿床是南岭地区160～150 Ma侏罗纪区域尺度钨锡成矿事件中非常典型的一个实例(图5b；表4)。

表4 西华山矿床成岩成矿年龄数据汇编

续表4

5.3 岩浆源区

华南板块大陆地壳经历了强烈的中生代晚期的再加工，形成了广泛的中生代晚期花岗岩岩浆作用与成矿作用(蔡永丰等,2018;李岩等,2020;刘伯乐等,2021)。这些中生代花岗岩的露头面积约为135300 km2，是世界上最大的花岗岩地球化学省之一(He et al.,2010;Huang et al.,2015)。学者普遍认为，这些花岗岩类涉及重要的地壳物质改造(李晓峰等,2013;Gan et al.,2022)。大规模的地壳熔融需要下地壳的基性岩浆底侵或区域再循环地壳物质的贡献(Wei et al.,2020;Wu et al.,2020)。然而，除了与加厚地壳有关的原位辐射加热以外，底侵的高温幔源岩浆是否会诱发变质沉积岩的改造仍然不确定，也尚不清楚华南板块大陆地壳的再加工是否涉及添加地幔衍生材料(Liu et al.,2020)。锆石的Lu-Hf同位素组成是非常灵敏的地球化学示踪剂，可用于讨论地壳演化、壳幔相互作用等。在部分熔融过程中，Hf比Lu更强烈地分配在熔体中，地壳的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf比值普遍低于地幔。因此，εHf(t)值为正的花岗岩可能来自于新生地壳物质的部分熔融，εHf(t)值为负的花岗岩可能来自于古地壳(Geng et al.,2017)。

本次研究获得的西华山斑状中粒黑云母花岗岩锆石εHf(t)变化范围较小，均呈明显负值(-12.8～-10.8)，Lu-Hf二阶段模式年龄主要聚集在1509～1607 Ma。这指示赣南地区可能存在过古-中元古代的古老基底。锆石206Pb/238U年龄与εHf(t)关系图显示(图4d)，其熔融源区主要为相对古老的地壳物质，来自华夏地块古老基底的贡献较多，可能是古-中元古代变质岩部分熔融的产物，并无明显地幔物质的加入。前人研究也表明，西华山钨矿床辉钼矿具较低的Re含量暗示成矿物质为地壳成因(Wang et al.,2011)。Zhang et al.(2017)对赣南地区含钨花岗岩体的全岩地球化学、Sr-Nd-Hf同位素、锆石U-Pb年龄和Hf-O同位素的研究表明，含钨花岗岩的母岩浆来源于古老下地壳岩石的部分熔融，并在其上升过程中被沉积物质所同化。本研究中锆石颗粒XH-11-05(206Pb/238U年龄为677.1±20.1 Ma)显示的新元古代继承锆石特征也支持这一结论。Yang et al.(2018)根据磷灰石Sr-Nd同位素和锆石Hf-O-Li原位同位素组成，认为西华山花岗岩体可能来源于中上地壳变泥质岩和少量角闪岩的部分熔融。然而，有学者通过对西华山钨矿床黑云母花岗岩He、Ar稀有气体同位素组成的研究表明，其成矿流体为壳源流体和含幔源组分流体的混合，伴生的同时代西华山花岗岩类可能不是纯地壳熔体的产物，幔源挥发分和热也参与了寄主花岗岩的形成(Wei et al.,2019)。综合本文研究数据结果以及前人研究资料，本文认为西华山花岗岩来源于晚中生代幔源岩浆底侵条件下古老地壳物质的部分熔融，在上升侵位过程中受到同化作用影响。西华山矿床晚中生代岩浆作用及其钨多金属矿化与岩浆-热液系统有关。