福建上杭单竹坪矿床早白垩世岩浆作用及地质意义*

2022-11-12谢其锋董云鹏蔡元峰翟明国肖爱芳张红包志安

岩石学报 2022年10期

谢其锋董云鹏蔡元峰翟明国,4 肖爱芳张红包志安

福建省在大地构造位置上处于欧亚板块东南缘，紧邻我国南海北部海域，隔台湾海峡与菲律宾板块相连。中生代受古特提斯和太平洋域的多重作用，发育大规模多阶段构造-岩浆活动。福建省西南部广泛发育中生代岩浆岩，形成了与花岗岩密切相关的金属矿产资源，是武夷成矿带的组成部分之一(图1a)。紫金山矿田位于福建省西南部，发育紫金山Cu-Au矿床、单竹坪Cu-Au矿床和悦洋Au-Ag-Mo等矿床，均与早白垩世岩浆活动相关(图1b)。单竹坪矿床位于紫金山矿田西南部，发育Cu、Au和Mo异常，形成了Cu-Au矿床。

图1 单竹坪矿床位置及区域构造简图(a)福建省构造简图(郭令智等, 1998)；(b)紫金山矿田西南部地层和岩体分布图(于波等, 2013)Fig.1 Tectonic sketch and location of Shanzhuping deposit(a) sketch map of Fujian Province (Guo et al., 1998); (b) the distribution of strata and Mesozoic plutons in the southwestern Zijinshan ore field (Yu et al., 2013)

前人对紫金山矿田中生代岩浆和成矿开展过大量研究(张德全等, 2005; 毛建仁等, 2006;赵希林等, 2008; 钟军等, 2011; 肖爱芳等, 2012; 胡春杰等, 2012; 黄文婷等, 2013; 于波等, 2013; 李斌等, 2015; 黎敦朋等, 2016; 谢其锋等, 2017, 2019)。前人提出福建省岩浆活动与古太平洋板块自西南向东北的俯冲(郭令智等, 1998)、地幔柱(毛建仁等, 2006)、大陆伸展和裂谷(任建业和解习农, 1996)等相关，认为岩浆形成于伸展构造环境。前人的研究建立了紫金山矿田各矿床的年代学格架，但缺乏成矿岩体的成因及地球动力学研究。花岗岩记录了大陆形成与演化的全过程，与大陆成矿作用紧密相连(翟明国, 2017)。因此，本文选取单竹坪矿床花岗闪长岩和二长花岗岩，通过全岩地球化学、锆石U-Pb和Lu-Hf同位素研究，约束岩体成因及地球动力学，为认识紫金山矿田的岩浆活动与成矿作用提供证据。

1 区域地质概况及岩石学特征

紫金山矿田处于华夏地块闽西南拗陷带的西南部，构造-岩浆活动频繁，北西向上杭-云霄断裂为主控断裂，具有长期活动性；北东向的次级断裂控制着燕山期侵入岩的分布。燕山早期岩浆以大规模岩基产出，以二长花岗岩为主；燕山晚期岩浆以小规模岩瘤产出，以二长花岗岩、花岗闪长岩和石英斑岩等组成。燕山晚期侵入岩-火山岩受控于区域断裂的规模和产状，北西向的裂隙、节理是容矿构造(陈静等, 2011; 邱检生等, 2012; Chenetal., 2019)。

图2 单竹坪矿床二长花岗岩和花岗闪长岩标本及镜下图(a)中细粒二长花岗岩；(b)中细粒花岗闪长岩；(c)溶蚀的斜长岩；(d)自形-半自形斜长石和钾长石斑晶；(e)半自形角闪石，内嵌少量钾长石；(f)半自形钾长石呈条纹结构，内含磁铁矿. Qtz-石英；Kfs-钾长石；Pl-斜长石；Hbl-角闪石；Bt-黑云母；Zr-锆石；Mag-磁铁矿Fig.2 Photomicrographs and hand specimen of monzogranite and granodiorite from Shanzhuping deposit(a) medium-fine grain monzogranite; (b) medium-fine grain granodiorite; (c) plagioclase dissolution; (d) hedral-subhedral plagioclase, and phenocryst of K-feldspar; (e) subhedral amphibole, containing K-feldspar; (f) subhedral K-feldspar show perthitic texture, containing magnetite. Qtz-quartz; Kfs-K-feldspar; Pl-plagioclase; Hbl-amphibole; Bt-biotite; Zr-zircon; Mag-magnetite

单竹坪矿床位于紫金山矿田西南部，出露地层包括：新元古界楼子坝群(Z1l)浅变质千枚岩；上泥盆统天瓦岽组(D3t)和桃子坑组(D3tz)碎屑岩沉积；下石炭统林地组(C1l)石英砂砾岩、砂岩和粉砂岩；中石炭统黄龙组(C2h)白云质灰岩；上石炭统船山组(C3c)大理岩、大理岩化灰岩；白垩系石帽山群(K1-2sh)沉积岩和酸性火山岩(图1b)。

样品采集于单竹坪矿床钻孔岩芯的336.9m和889.8m处，分别为灰白色中细粒二长花岗岩和浅灰色中细粒花岗闪长岩(图2a, b)。灰白色中细粒二长花岗岩，中细粒半自形斑状结构，由斜长石(35%～40%，An=37)、钾长石(30%～35%)和石英(30%～35%)组成，可见斜长石受热液作用形成的溶蚀现象(图2c)，斜长石有聚片双晶、钾长石有卡式双晶(图2d)；副矿物有锆石、榍石和磷灰石等，锆石自形程度高，长柱状，少数为粒状，晶形完整，长轴大小介于120～180μm，长宽比为2.5:1～1.5:1，发育韵律环带结构，具岩浆锆石特征(Corfuetal., 2003)(图3a)。浅灰色中细粒花岗闪长岩，半自形-自形结构，由斜长石(40%～45%)、钾长石(20%～25%)和石英(15%～20%)，角闪石(10%～15%)组成，角闪石两组解理，交角为124°(图2e)；副矿物有锆石、榍石和磁铁矿等(图2f)；锆石自形程度高，大部分为长柱状，晶形完整，粒度中等，长轴在150～200μm之间，长宽比为3.0:1～2.0:1，发育韵律环带结构，具有岩浆锆石的特征(Corfuetal., 2003)(图3b)。

2 测试分析方法

对单竹坪矿床钻孔岩芯进行详细观察和描述，采集4个二长花岗岩和5个花岗闪长岩样品用于全岩地球化学分析，分别挑选各其中的1件样品开展锆石U-Pb和Lu-Hf同位素测试。

全岩地球化学测试在广州澳实分析测试有限公司完成，主量元素测试仪为XRF(型号为Rikagu RIX 2100)，采用美国地质调查局(USGS)和国家岩石分析标准(BCR-2、GSR-1和GSR-3)，精度优于5%。微量元素测试仪为ICP-MS(Bruker Aurora M90)，精度介于±5%～10%，详细操作步骤和流程见Qietal.(2000)。

图3 单竹坪矿床二长花岗岩和花岗闪长岩锆石CL图、U-Pb和Lu-Hf测点位置和数值实线圆圈为U-Pb测点，直径为32μm，示206Pb/238U值，单位为Ma；虚线圆圈为Lu-Hf测点，直径为43μmFig.3 Typical zircon CL image, U-Pb and Lu-Hf isotope analysis location and value of monzogranite and granodiorite from Shanzhuping depositSolid circle shows U-Pb analyses spots and value of 206Pb/238U, with a diameter of 32μm; dashed circle shows Lu-Hf isotope analyses spots, with a diameter of 43μm

图4 单竹坪矿床二长花岗岩和花岗闪长岩锆石U-Pb谐和图与206U/238Pb加权年龄Fig.4 Zircon U-Pb concorddia diagram and weighed mean 206U/238Pb ages of monzogranite and granodiorite in Shanzhuping deposit

原岩样品新鲜，重约5kg，锆石单矿物分选、挑选由河北省区域地质矿产调查研究所完成。锆石的透射光、散射光和阴极发光拍照在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。锆石U-Pb、Lu-Hf测试在大陆动力学国家重点实验室完成。锆石U-Pb测试仪器为第二代LA-ICP-MS，ICP-MS系统为Agilent 7500a，New Wave UP213固体激光剥蚀系统。详细的实验步骤和流程、同位素含量、年龄计算和使用软件见文献Yuanetal.(2004)。锆石Lu-Hf同位素测试使用New wave UP213激光剥蚀系统和Neptune Plus MC-ICP-MS联机测试，激光束斑直径为43μm，He为载气，剥蚀物与Ar形成混合气，然后传送到MC-ICP-MS测试，详细流程见徐平等(2004)。测试样品获得GJ-1的176Lu/177Hf值为0.282015±0.000009(N=9，2σ)，与报道的176Lu/177Hf=0.282013±0.000019(2σ)接近(Chuetal., 2002; Elhlouetal., 2006)。εHf(t)值与两阶段模式年龄(tDM2)计算依据吴福元等(2007)。

3 测试分析结果

3.1 锆石U-Pb年代学

通过详细对比分析两个样品的锆石透射光、散射光和阴极发光图，挑选晶形相似且形态完整、内部结构清晰、无裂隙，振荡环带发育的自形-半自形长柱状锆石，在无包裹体和杂质部位进行U-Pb同位素测试。

分别选取二长花岗岩(样品CL17-1)和花岗闪长岩(样品CL17-2)中20颗和16颗锆石进行U-Pb同位素测试，测试点位于锆石边部的振荡环带，阴极发光图像、测点位置和数值见图3和表1。二长花岗岩锆石Th和U含量分别处于246×10-6～722×10-6和645×10-6～1635×10-6，Th/U值介于0.2～0.8；测试数据均处于谐和线上，具有一致的谐和年龄，206Pb/238U年龄介于103.3～108.0Ma，加权平均年龄为105.2±0.6Ma(MSWD=1.4)(图4a)。花岗闪长岩锆石具有低Th和U含量，分别处于174×10-6～639×10-6和415×10-6～1246×10-6，Th/U值处于0.4～05；测试数据均处于谐和线上，具有较好的谐和年龄，206Pb/238U值介于112.0～115.4Ma，加权平均年龄为113.4±0.5Ma(MSWD=1.1)(图4b)。

表1 单竹坪矿床二长花岗岩和花岗闪长岩U-Pb年龄数据表Table 1 The U-Th-Pb isotope of monzogranite and granodiorite in Shanzhuping deposit

表2 单竹坪矿床二长花岗岩和花岗闪长岩Lu-Hf同位素数据表Table 2 The Lu-Hf isotope of monzogranite and granodiorite in Shanzhuping deposit

3.2 锆石Hf同位素特征

对花岗闪长岩和二长花岗岩锆石开展Lu-Hf同位素分析，测点位于U-Pb测点上，测点位置、εHf(t)值见图3，数值见表2。两个样品的176Lu/177Hf平均值分别为0.0012和0.0010，均小于0.002，揭示锆石在生成后仅有少量放射性成因Hf积累，176Hf/177Hf值可代表锆石形成的初始值(杨进辉等, 2007; Liuetal., 2009; 耿元生和周喜文, 2011)。锆石fLu/Hf值分别处于-0.95～-0.98和-0.94～-0.98，低于镁铁质地壳fLu/Hf(-0.34, Amelinetal., 2002)和硅铝质地壳fLu/Hf(-0.72, Vervoort and Patchett, 1996)。因此，Hf同位素两阶段模式年龄能够代表源区物质在地壳中的平均留存年龄，或从亏损地幔中被抽取的时间(吴福元等, 2007; 郑永飞和赵子福, 2011)。

二长花岗岩锆石(176Hf/177Hf)i值介于0.282626～0.282744，Hf同位素成分均一，加权平均值为0.282702，对应的εHf(t)值介于-4.47～+2.38，以负值为主，少数正值，峰值处于-2～-1；地壳两阶段模式年龄tDM2处于0.84～1.19Ga，具有单峰特征，峰值处于1.05～1.10Ga(图5a, b、表2)。在tDM2-εHf(t)图解，部分εHf(t)值投到华夏基底岩石(图6)。因此，二长花岗岩主要来源于中元古界基底地壳熔融而成，少部分为华夏基底岩石。

表3 单竹平矿床二长花岗岩和花岗闪长岩的主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)含量Table 3 The content of major element (wt%) and trace element (×10-6) of monzogranite and granodiorite from Shanzhuping deposit

续表3Continued Table 3

图5 单竹坪矿床二长花岗岩(a、b)和花岗闪长岩(c、d)锆石tDM2和εHf(t)柱状图Fig.5 Histogram of tDM2 and εHf(t) for zircons from the monzogranite (a, b) and granodiorite (c, d) of Shanzhuping deposit

图6 单竹坪矿床花岗闪长岩和二长花岗岩Hf同位素特征(吴福元等, 2007)Fig.6 Plot of εHf(t) vs. crystallization age from monzogranite and granodiorite zircons of Shanzhuping deposit (after Wu et al., 2007)

花岗闪长岩锆石(176Hf/177Hf)i值介于0.282581～0.282776，Hf同位素成分比较均一，加权平均值为0.282657，对应的εHf(t)值介于-2.73～1.47，正负值数量相当，两个峰值分别为-1～0和1～2；地壳两阶段模式年龄tDM2处于0.89～1.11Ga，峰值处于0.95～1.0Ga(图5c, d、表2)。在tDM2-εHf(t)图中，极少的εHf(t)投到华夏基底岩石(图6)。因此，花岗闪长岩来源于新元古界地壳物质，经历了幔源岩浆与地壳熔体的混合作用。

3.3 全岩地球化学特征

单竹坪花岗闪长岩和二长花岗岩的主量、微量元素分析结果见表3。从成分上看，花岗闪长岩具有高SiO2(65.95%～67.94%)、Al2O3(14.86%～16.31%)含量，CaO(1.13%～2.33%)和MgO(2.80%～2.84%)含量较低；二长花岗岩具有相对低的SiO2(63.95%～65.56%)、CaO(1.09%～1.81%)和MgO(2.62%～2.86%)含量，相对高的钠值(Na2O/K2O介于1.19～1.34)，Al2O3(15.50%～16.72%)含量(表3)。在R1-R2图上，二者投到花岗闪长岩和二长花岗岩区域(图7a)；A/CNK处于1.38～1.68和1.19～1.45，为铝过饱和系列；在A/CNK-A/NK图上，投到过铝质区域(图7b)；在SiO2-K2O和Na2O-K2O图，分别投到高钾钙碱性系列(图7c)和钾质区域(图7d)。因此，二者为高钾钙碱性过铝质岩石系列。

花岗闪长岩和二长花岗岩的稀土总量处于167.1×10-6～184.8×10-6和182.3×10-6～190.7×10-6，均富集轻稀土、亏损重稀土；花岗闪长岩具有较高的(La/Yb)N值，δEu弱负异常和不显著δCe正异常(表3)。球粒陨石标准化模式图Eu弱负异常，样品配分曲线与上地壳成分曲线相似(图8a)。

在原始地幔标准化微量元素蛛网图上，花岗闪长岩和二长花岗岩呈现富集大离子亲石元素(LILE，Rb、Ba、K)，Th、U和Pb等元素，亏损高场强元素(Nb、Ta和Ti)(图8b)，微量元素显示出与岛弧亲缘性；样品配分曲线与上地壳成分曲线相似(图8b)。流体的交代过程中金红石和榍石部分熔融形成残留相，Ti、Nb和Ta保留在残留相使它们在岩浆中亏损，因此，岩浆熔体中亏损其它元素(Patchettetal., 1982; Ringwood, 1990)。在(Yb)N-(La/Yb)N图，样品投到岛弧花岗岩(图9a)；花岗闪长岩和二长花岗岩Y含量分别处于17.3×10-6～19.8×10-6和19.7×10-6～20.7×10-6，具有中等Sr/Y比值(23.3～28.3和33.1～34.1)；在Y-Sr/Y图，样品也投到岛弧花岗岩(图9b)，与(Yb)N-(La/Yb)N图解结果一致。

4 讨论

4.1 岩石成因与源区性质

单竹坪矿床花岗闪长岩和二长花岗岩富钠(Na2O/K2O介于0.98～1.26和1.19～1.34)、过铝质(A/CNK处于1.38～1.68和1.19～1.45)(表3)，属于高钾钙碱性过铝质岩石(图7)。二者富集轻稀土元素(LREE)、大离子亲石元素(LILE，如Ba、K)和U、Th和Pb等，亏损高场强元素(Nb、Ta、Hf和Ti)，主量、微量元素特征揭示岛弧岩浆岩的地球化学属性。在(Yb)N-(La/Yb)N和Y-Sr/Y图解，投到岛弧花岗岩区域(Belousovaetal., 2010)(图9)。

在Zr+Nb+Ce+Y-(Na2O+K2O)/CaO、1000×Ga/Al-Nb图解，均投到I、S、M型花岗岩区域(图10a, b)；在La-La/Sm图解，揭示二者经历了部分熔融过程(图10c)。同时，二者具有高Mg#值(分别处于46.77～47.93，45.89～48.53)，反映岩浆不能单独来源地壳熔融，有地幔物质的参与。地壳两阶段模式年龄tDM2方面，二长花岗岩具有较低的εHf(t)值(-4.47～2.38，以负值为主)和高的tDM2(峰值为1.05～1.1Ga)；而花岗岩闪长岩为高εHf(t)值(-2.73～1.47)和低tDM2(峰值为0.95～1.0Ga)。综合元素、εHf(t)和tDM2特征，揭示二者分别来源于古元古代和新元古代下地壳物质部分熔融(图10c)，后者经历了后期地幔物质的加入(Gagnevinetal., 2011; Laumonieretal., 2014; Ubideetal., 2014; Jiangetal., 2017)。

在SiO2-P2O5图，二者具有弱的I型花岗岩演化趋势(图10d)，但是又具有高的铝饱和度指数，考虑到偏光显微镜下可见角闪石矿物(图2)，综合判断为I型花岗岩，进一步的研究工作可能有更有利的证据。在(Al2O3+FeOT+MgO+TiO2)-Al2O3/(FeOT+MgO+TiO2)图，揭示二者来源于角闪石熔融(图10e)；Zr-Nb/Zr图解，揭示二者均与板块俯冲相关(图10f)，与前人研究结果有较好的一致性(Zhou and Li, 2000; Zhengetal., 2011; Lietal., 2012; 王森等, 2015; 潘天望等, 2019)。

4.2 成岩与成矿条件探讨

单竹坪矿床花岗闪长岩和二长花岗岩锆石U-Pb同位素测年，揭示其形成于燕山晚期(105Ma和113Ma;图4)；主量、微量元素特征揭示二者与上地壳物质来源的亲缘性(图8)；二者富钠，富集大离子亲石元素(Th、U、K和Pb等)，亏损高场强元素Nb、Ta、Hf和Ti等特征，揭示岛弧岩浆特征(Wilson, 1989)。在Ta-Yb、Rb-(Yb+Ta)、Nb-Y和(Y+Nb)-Rb图解，样品投到火山弧花岗岩区(图11a-d)，揭示其形成于岛弧或活动大陆边缘构造环境。

图7 单竹坪矿床二长花岗岩和花岗闪长岩的主量元素特征图(a)R1-R2图解(Batchelor and Bowden, 1985)，R1=1000×[4Si-11(Na+K)-2(Fe+Ti)]，R2=1000×(6Ca+2Mg+Al)；(b)A/CNK-A/NK判别图(Kemp and Hawkesworth, 2003)；(c)SiO2-K2O判别图(Peccerillo and Taylor, 1976)；(d)Na2O-K2O判别图(Middlemost, 1972)Fig.7 Major element diagrams of monzogranite and granodiorite from Shanzhuping deposit(a) R1 vs. R2 plot (Batchelor and Bowden, 1985), R1=1000×[4Si-11(Na+K)-2(Fe+Ti)], R2=1000×(6Ca+2Mg+Al); (b) A/CNK vs. A/NK plot (Kemp and Hawkerworth, 2003); (c) SiO2 vs. K2O plot (Peccerillo and Taylor, 1976); (d) Na2O and K2O plot (Middlemost, 1972)

图8 单竹坪矿床二长花岗岩和花岗闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.8 Chondirite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace elements spider pattern (b) of monzogranite and granodiorite from Shanzhuping deposit (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

图9 单竹坪矿床二长花岗岩和花岗闪长岩成因判别图(a)(Yb)N-(La/Yb)N判别图(据Castillo et al., 1999)；(b)Y-Sr/Y判别图(据Defant and Drummond, 1990)Fig.9 Diagrams of (Yb)N vs. (La/Yb)N (a, after Castillo et al., 1999) and Sr/Y vs. Y (b, after Defant and Drummond, 1990) of monzogranite and granodiorite from Shanzhuping deposit

图10 单竹坪矿床二长花岗岩和花岗闪长岩成因判别图(a) (Zr+Nb+Ce+Y)-(Na2O+K2O)/CaO图解(Pearce et al., 1984)；(b) (1000×Ga/Al)-Nb图解(Whalen et al., 1987)；(c) La-La/Sm图解(Pearce et al., 1984)；(d) SiO2-P2O5图解(Chappell and White, 1992)；(e) (Al2O3+FeOT+MgO+TiO2)-Al2O3/(FeOT+MgO+TiO2)图解(Douce, 1999)；(f) Zr-Nb/Zr图解(Xie et al., 2021)Fig.10 Discrimination diagrams for the genetic types of monzogranite and granodiorite in Shanzhuping deposit(a) diagram of Zr+Nb+Ce+Y vs. (Na2O+K2O)/CaO (Pearce et al., 1984); (b) diagram of 1000×Ga/Al vs. Nb (Whalen et al., 1987); (c) diagram of La vs. La/Sm (Pearce et al., 1984); (d) diagram of SiO2 vs. P2O5 (Chappell and White, 1992); (e) diagram of Al2O3+FeOT+MgO+TiO2 vs. Al2O3/(FeOT+MgO+TiO2) (Douce, 1999); (f) diagram of Zr vs. Nb/Zr (Xie et al., 2021)

图11 单竹坪矿床Yb-Ta (a)、(Y+Nb)-Rb (b)、Y-Nb (c)和(Y+Ta)-Rb (d)构造环境判别图(据Pearce et al., 1984)COLG-碰撞花岗岩；WPG-板内花岗岩；ORG-洋中脊花岗岩；syn-CLOG-同碰撞花岗岩；VAG-火山弧花岗岩Fig.11 Tectonic diagrams of Yb vs. Ta (a), (Y+Nb) vs. Rb (b), Y vs. Nb (c) and (Y+Ta) vs. Rb (d) for granodiorite and monzogranite from Shanzhuping deposit (after Pearce et al., 1984)COLG-collision granites; WPG-within-plate granites; ORG-ocean ridge granites; syn-COLG-syn-collisional granites; VAG-volcanic arc granites

区域上来看，紫金山矿田经历了中-晚侏罗世、早白垩世多期复杂且频繁的岩浆作用。综合前人研究成果，结合本次对岩石成因、源区性质和构造环境的综合研究，认为单竹坪矿床成岩与成矿岩浆与古太平洋板块向欧亚板块俯冲作用相关，研究结果与前人的观点具有较好的一致性(Zhou and Li, 2000; Zhouetal., 2006; Clemens and Stevens, 2016; Jiangetal., 2017; Liuetal., 2017)。大规模岩浆作用形成了沿广东-福建-江西一带近北东向展布的大规模花岗岩带，并且岩浆活动时间具有自东南向西北逐渐变老的趋势(Zhouetal., 2006; Luoetal., 2015)。

紫金山矿田早白垩世岩浆作用与成矿活动密切相关，其成岩和成矿时代基本同期。单竹坪矿床的岩浆与成矿活动有地幔物质的参与和后期热液的协同作用，岩浆萃取、搬运、聚集成矿元素(如Au、Cu和Mo)，最终形成矿床(Panetal., 2019; Chietal., 2020; Zhaoetal., 2020)。多期次岩浆活动、热液作用和地幔物质加入可能是形成单竹坪矿床的主控因素。综合研究表明，单竹坪矿床西南部或南部可能是有利勘查区(Zhongetal., 2018; Panetal., 2019)。