广东大宝山火山岩和斑岩铜矿年代学研究及其地质意义*

2022-11-15赵晨辉王成辉赵如意刘武生蒋金昌李挺杰

矿床地质 2022年5期

赵晨辉，王成辉**，赵如意，刘武生，张熊，蒋金昌，李挺杰

（1 中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037；2 东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌 330013；3 广东省大宝山矿业有限公司，广东韶关 512127）

广东大宝山矿床是南岭最大的铜多金属矿床，累计探明铜金属量约140 万吨，共、伴生矿种有铅、锌、钼、钨、铋、银、金、镉、镓、铊、碲等（赵如意等，2019）。2013年在矿区北部九曲岭地段，英安斑岩外接触带钙硅质角岩中探获层状铜硫矿体，新增铜资源量12万吨（w(Cu)为1.15%）；2020年在矿区中南部英安斑岩中探明铜资源储量约30万吨。

关于英安斑岩成岩时代，一种观点认为英安斑岩形成于442～427 Ma，为志留纪产物（毛伟等，2013；伍静等，2014；瞿泓滢等，2019；Su et al.，2019；Wang et al.，2019），另一种观点认为英安斑岩形成于187～175 Ma，为侏罗纪产物（刘姤群等，1985；王磊等，2012；卜建财，2013；赵如意等，2019）。对于铜多金属矿的成矿时代研究存在以下观点：加里东期（伍静等，2014；Su et al.，2019）、海西期（葛朝华等，1987）、燕山期（刘姤群等，1985；Mao et al.，2017；赵如意等，2020；Su et al.，2021）。

岩浆锆石U-Pb 定年是直接获得成岩时代的常用技术工具，但在应用于大宝山英安斑岩定年时却产生了与野外事实不符的结果，所以需要另寻有效方法来探索英安斑岩的真实侵位时间。本文通过对英安斑岩中砂岩捕掳体的碎屑锆石的U-Pb 定年和黄铜矿Re-Os 定年，来查明英安斑岩的成岩时代和新发现铜矿体的成矿时代，为明确下一步找矿方向提供依据。

1 区域地质背景

广东大宝山矿床位于韶关市东南方约30 km处。区域上位于南岭成矿带的中南部，大地构造上属于钦杭结合带东南侧的华夏板块罗霄褶皱带，吴川-四会断裂带的北段。吴川-四会断裂带是区域上一条主要的北东向深大断裂，存在多期次活动的特征。区域上出露的地层可以划分出3 个构造旋回，前泥盆纪变质结晶基底、泥盆纪—晚三叠世盖层、中新生代盆地沉积（陈毓川等，2014）。

该区早古生代及之前为浅海-半深海沉积阶段，导致巨厚砂泥质碎屑岩建造的形成，早古生代强烈的陆内造山事件使早古生代及之前的地层发生强烈褶皱，形成结晶基底。造山事件（如诸广山复式岩体中北段）伴随着区域地壳的隆起，使区内普遍缺失志留系，并延伸到下泥盆统。晚古生代至早三叠世稳定地沉积了广阔的浅海相碳酸盐岩-砂泥质碎屑岩建造，高角度不整合于早期基底之上。

中三叠世伴随着印支期岩浆活动，区域地壳再次抬升为陆地。印支运动结束后，区内地壳再次沉降，以滨海相-陆相砂页岩沉积为主。区内燕山期岩浆活动强烈，表现为大面积的花岗岩侵入，北部发育大东山岩体（159～165 Ma；黄会清等，2008）和贵东复式岩体（151～160 Ma，235～239 Ma；徐夕生等，2003），南部有佛冈岩体出露（159～165 Ma；Li et al.，2007）。此外，区域成矿作用与中生代火山岩或重熔、同熔型中酸性侵入岩有关（王登红等，2016）。

2 矿区地质特征

矿区出露地层以古生界为主（图1），西北部出露寒武系浅变质岩，与上覆泥盆系呈角度不整合接触。中-下泥盆统桂头群为砂砾岩、石英砂岩，中泥盆统东岗岭组为块状、厚层状灰岩夹粉砂岩，上泥盆统天子岭组以灰岩为主，泥盆系内地层之间呈整合接触。下侏罗统金鸡组为石英砂岩、粉砂岩和碳质泥岩等。泥盆系沿北北西向被逆冲推覆至下侏罗统之上。矿区出露的英安斑岩沿逆冲推覆构造侵位，后期被花岗闪长斑岩侵入。矿区见少量基性岩脉侵入于斑岩体、矿体和地层中。矿区东部有向斜产出，轴向北北西，核部为泥盆系。早期断层以北北西向为主，后有近东西向和北东向断裂穿切，北北西-北西向弧形构造是矿区的主要控矿构造。2020年发现的铜矿体产出于大宝山英安斑岩岩墙之中（赵如意等，2020）。岩墙走向北北西，南北长约1.3 km，倾向北东，倾角50°～70°，宽度50～260 m。英安斑岩以块状构造为主，局部见流动构造，斑状结构，斑晶含量15%～20%，基质含量80%～85%。斑晶主要有石英、长石，少量黑云母和角闪石。大宝山英安斑岩蚀变强烈，分带明显，由浅到深为绢英岩化、钾硅酸岩化、青磐岩化，局部见强烈高岭土化（赵晨辉等，2020）。

图1 广东大宝山矿区地质图（据广东省地质矿产局705地质队，1961修改）Fig.1 Geological map of the Dabaoshan mining area in Guangdong(modified after No.705 Geological Brigade of Guangdong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources,1961)

东部矿带位于岩墙以东，上部为褐铁矿铁帽，下部为赋存在东岗岭组蚀变灰岩中的层状-似层状铜硫矿体。西部矿带位于岩墙以西，以板状铜硫矿体产出于侏罗系和岩墙之间，矿体规模远不及东部。岩墙中铜矿化细脉产状为305°∠60°，矿物组合为石英±绢云母（或绿泥石）±黄铁矿±磁黄铁矿±黄铜矿±闪锌矿±方铅矿±（白钨矿），铜矿体顶板为泥盆系砂岩、灰岩和受热变质形成的角岩、矽卡岩、大理岩，底板为侏罗系细砂岩、砂质泥岩（图2a、b）。

图2 大宝山矿区B0号（a）和B9号勘探线（b）地质剖面图Fig.2 Cross sections from exploration lines B0(a)and B9(b)from the Dabaoshan deposit

3 样品采集与测试

3.1 砂岩捕掳体样品

砂岩捕掳体产出于大宝山矿区英安斑岩之中（图1，图3a）。英安斑岩在向上侵位时捕获了砂岩，所以英安斑岩的就位时间应晚于砂岩捕掳体中最年轻锆石的年龄，从而利用砂岩捕掳体限定了英安斑岩的形成时代。砂岩捕掳体发育绢云母化和弱黄铁矿化，岩性为泥质粉砂岩，镜下见其颗粒为次棱角状-次圆状，颗粒支撑，碎屑颗粒主要为石英，胶结物为钙质和泥质（图3b、c）。采用磁选方法分离出锆石，然后在双目镜下进行锆石制靶。在光学和电子显微镜下拍摄透射光、反射光图像和阴极发光图像。

图3 砂岩捕掳体野外露头及其矿物学特征a.砂岩捕掳体野外特征；b.黄铁矿化绢云母化细砂岩；c.绢云母化细砂岩Ser—绢云母；Q—石英；Py—黄铁矿Fig.3 The outcrops of sandstone xenolith and mineral characteristics of sandstone xenolith a.The field characteristic of sandstone xenolith;b.Pyrite-sericitized fine-grained sandstone;c.Sericitized fine-grained sandstone Ser—Sericite;Q—Quartz;Py—Pyrite

样品LA-ICP-MS U-Pb 分析在自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。测试仪器为电感耦合等离子体质谱仪（Finnigan Neptune 型MCICP-MS 及与之配套的Newwave UP213 激光剥蚀系统），采用标准流程，每10 个待测锆石与2 个标样交替进行，详细实验测试过程可参见侯可军（2007）。数据处理采用ICPMSDataCal 4.3 程序，进行普通铅校正，锆石年龄谐和图用Isoplot 3.0 程序获得。

3.2 黄铜矿样品

采集4 件黄铜矿样品用于Re-Os 同位素测试（图2a、b）。样品来自于含黄铜矿的石英-硫化物脉，脉宽0.1～5 cm（图4a～d）。采样位置分别是ZKB002孔38 m处、ZKB002孔134 m处、ZKB002孔135 m 处和ZKB902孔198 m 处。黄铜矿与黄铁矿、闪锌矿共生，局部见固溶体出溶结构（图4e），偶见黄铜矿和闪锌矿交代早期黄铁矿（图4f）。采用重力和磁浮选进行矿物分离，并在双目镜下挑纯黄铜矿，用于测试的黄铜矿纯度达99%以上。然后用玛瑙乳钵研磨至200目，保证用于Re-Os同位素测试的黄铜矿质纯、无污染。

图4 大宝山英安斑岩中细脉状黄铜矿手标本及镜下光片照片a.黄铜矿-闪锌矿-方铅矿-黄铁矿脉；b，d.黄铜矿-黄铁矿脉产于英安斑岩裂隙中；c.石英-方解石-黄铜矿-闪锌矿-黄铁矿脉；e.黄铜矿与闪锌矿组成固溶体出溶结构；f.黄铜矿与闪锌矿共生，共同交代早期黄铁矿Ca—方解石；Ccp—黄铜矿；Gn—方铅矿；Py—黄铁矿；Sp—闪锌矿；Q—石英Fig.4 Hand specimens and microscopic photos of chalcopyrite in the Dabaoshan dacite porphyry a.Chalcopyrite-sphalerite-galena-pyrite vein;b,d.Chalcopyrite-pyrite vein developed in the fractures of dacite porphyry;c.Quartz-calcitechalcopyrite-sphalerite-pyrite vein;e.The exsolution texture of chalcopyrite-sphalerite solid solution;f.Chalcopyrite was associated with sphalerite and replace early pyrite together Ca—Calcite;Ccp—Chalcopyrite;Gn—Galena;Py—Pyrite;Sp—Sphalerite;Q—Quartz

样品Re-Os 同位素测试在国家地质实验测试中心Re-Os 同位素年代学实验室完成。由于黄铜矿Re、Os 含量低，测试仪器为负离子热表面电离质谱仪（Triton-plus）。硫化物的化学溶解流程参照李超等（2016），称取适量（200 mg）黄铜矿样品，加入到Carius 管底部。将装好样品的Carius 管置于保温瓶内冷冻，调节温度-50～-80℃。采用3 mL 15 mol/L盐酸将185Re 和190Os 混合稀释剂转入用液氮冷冻的Carius 管。待管底溶液冰冻后，用液化石油气和氧化气封闭Carius管，在230℃条件下加热24 h进行溶样（杜安道等，2001；屈文俊等，2003）。加热完成后，向管中加入纯水定容至25 mL，采用Carius管直接蒸馏方法对Os 进行分离富集。Os 蒸馏完成后，将Carius 管蒸馏残液转入150 mL 的Teflon 烧杯中加热近干。在10 mol/L NaOH 碱性介质中，采用丙酮对Re 进行萃取，丙酮蒸干后，加入5 μL 纯水用于点带。然后采用热表面电离质谱仪Triton-plus 对点好的样品带测定同位素比值。

4 测试结果

4.1 砂岩捕掳体碎屑锆石U-Pb测试结果

本次实验共测试分析了120 颗锆石，其中104个数据为谐和年龄（表1）。w(Th)、w(U)分别为6.3×10-6～728.3×10-6和56.1×10-6～1162.3×10-6，Th/U 比值分布在0.01～2，介于0.41～1.48 之间的测点数据占比62.5%（图5）。小于0.1 的测点数据有7 个，大于1.5的测点数据有3 个，对应的CL 图像显示锆石为雾状、斑杂状，分带性差，可能属于快速生长或者变质成因的锆石。碎屑锆石年龄变化于3397～231 Ma，共出现2528 Ma、1897 Ma、1130 Ma、933 Ma、807 Ma 和430 Ma（图6a）6 个峰值。在锆石U-Pb 年龄谐和图上，多数测点位于谐和线附近（图6b）。6 个峰值分别对应五台运动、吕梁运动、四堡运动早期、四堡运动晚期、晋宁运动和加里东运动，可能意味着南岭从新太古代到早古生代经历过多旋回构造运动，并在泥盆纪开始形成沉积盖层。

图5 砂岩捕掳体的锆石Th/U比值及其分布特征Fig.5 Th/U ratios of zircon from sandstone xenolith

图6 大宝山英安斑岩砂岩捕掳体的锆石U-Pb年龄组成（a）及其谐和曲线（b）Fig.6 Zircon U-Pb age patterns(a)and concordia plots(b)of zircon from sandstone xenolith in dacite porphyry of the Dabaoshan deposit

表1 大宝山英安斑岩砂岩捕掳体LA-ICP-MS锆石U-Pb测年数据Table 1 LA-ICP-MS U-Pb data of zircons from sandstone xenolith in dacite porphyry of the Dabaoshan deposit

英安斑岩中砂岩捕掳体碎屑锆石年龄跨度大，居多阶段性。最古老的锆石207Pb/235U 值为25，发生Pb 丢失，偏离谐和线。砂岩捕掳体中新太古代锆石有7 颗，占锆石总颗粒数的7.7%。古元古代锆石有17 颗，占锆石总颗粒数的16.3%。中元古代锆石有24 颗，占锆石总颗粒数的23.1%。新元古代锆石有28 颗，占锆石总颗粒数的26.9%。早古生代锆石有22 颗，占锆石总颗粒数的21.2%。晚古生代—早中生代碎屑锆石有5 颗，占锆石总量4.8%，年龄分别是231 Ma、274 Ma、310 Ma、324 Ma和362 Ma。

4.2 黄铜矿Re-Os同位素测试结果

黄铜矿Re-Os 同位素分析及相关计算结果见表2，Re-Os 同位素分析全程空白w(Re)为2.0 pg，w(Os)为0.1 pg，小于测试样品中Re、Os 含量，因此不会影响实验中Re和Os含量的测定。4件黄铜矿样品中，w(Re)变化于0.0059～0.0516 ng/g，平均为0.020 35 ng/g，普通w(Os)变化于0.0005～0.0006 ng/g，平均为0.000 58 ng/g，w(187Os)变化于0.000 04～0.000 13 ng/g，平均0.000 07 ng/g。187Re/188Os 比值变化范围为43.7～425.2，187Os/188Os 比值范围为0.491～1.684。拟合出的黄铜矿Re-Os 等时线年龄为（188±12）Ma（MSWD=2.6）（图7），这表明英安斑岩中细脉状硫化物形成于早侏罗世，即为燕山早期的产物。

图7 大宝山矿区黄铜矿Re-Os同位素等时线图Fig.7 Re-Os isochron diagram of chalcopyrite from the Dabaoshan deposit

表2 大宝山矿区黄铜矿Re-Os同位素测试结果Table 2 Re-Os isotopes data of chalcopyrite from the Dabaoshan deposit

续表 1Continued Table 1

5 讨论

5.1 对英安斑岩成岩时代的限定

大宝山矿区内及周边出露多处英安斑岩，前人对其开展了大量的年代学工作，可分为3 类（图8）：①单颗锆石U-Pb 法206Pb/238U 测试，葛朝华等（1987）和蔡锦辉等（2013）测得英安斑岩锆石表面年龄为419～496 Ma，认为英安斑岩形成在加里东末期；②全岩K-Ar 和Rb-Sr 同位素测试，李华芹等（1993）对新鲜和强蚀变的英安斑岩开展全岩Rb-Sr测试，年龄分别为（195.5±11.0）Ma 和（135.3±5.7）Ma，刘姤群等（1985）和裴太昌等（1994）分别报道了大宝山英安斑岩全岩K-Ar 年龄163～166 Ma 和Rb-Sr 等时线年龄177 Ma，均认为英安斑岩在燕山期侵位；③LA-ICP-MS 和SHRIMP 锆石U-Pb 测试，王磊等（2012）和卜建财（2013）对九曲岭英安斑岩测试，锆石U-Pb 年龄分别为（174.6±1.5）Ma 和（187.2±4.3）Ma，认为英安斑岩是燕山期岩浆活动的产物，而其他学者对矿区及外围英安斑岩进行锆石LA-ICP-MS或SHRIMP 测年，年龄变化于442～427 Ma（图8），认为英安斑岩为加里东期火山岩。

图8 大宝山矿区及外围英安斑岩年龄统计图数据来源（上角标数字）：1—赵如意等，2019；2—李华芹等，1993；3—蔡锦辉等，2013；4—伍静等，2014；5—Su et al.，2019；6—Wang et al.，2019；7—卜建财，2013；8—王磊等，2012；9—葛朝华等，1987；10—刘姤群等，1985；11—裴太昌等，1994；12—瞿泓滢等，2019；13—毛伟等，2013；14—潘会彬等，2014Fig 8 Summary diagram showing the ages of dacite porphyry in the Dabaoshan mining area and surrounding region Data Sources:1—Zhao et al.,2019;2—Li et al.,1993;3—Cai et al.,2013;4—Wu et al.,2014;5—Su et al.,2019;6—Wang et al.,2019;7—Bu,2013;8—Wang et al.,2012;9—Ge et al.,1987;10—Liu et al.,1985;11—Pei et al.,1994;12—Qu et al.,2019;13—Mao et al.,2013;14—Pan et al.,2014

对矿区英安斑岩铜多金属矿化进行勘查时，发现英安斑岩侵入导致泥盆纪地层受热变质后形成长英质角岩（图9a）；钻孔ZKB505-1 中223 m（图9b）和ZKB705 中442 m（图9c）处见英安斑岩侵入桂头群砂岩，泥盆系发生硅化，英安斑岩发生绢云母-绿泥石化；镜下发现英安斑岩中存在泥盆系的残留物（图9d），以上野外证据均表明英安斑岩的侵位应晚于泥盆纪（图9a），这与卜建财（2013）和王磊等（2012）获得的九曲岭英安斑岩中锆石年龄187 Ma 和175 Ma一致。砂岩捕掳体中5 颗年轻锆石（231 Ma、274 Ma、310 Ma、324 Ma 和362 Ma）的存在同样证明了英安斑岩侵位不是发生在早古生代，而442～427 Ma 这一组年龄刚好与砂岩捕掳体碎屑锆石的最显著峰值430 Ma（图6a）相对应，应该是残留老锆石的年龄。

图9 大宝山矿区英安斑岩与泥盆系接触关系a.英安斑岩侵入泥盆系，导致泥盆统粉砂岩发生角岩化；b～d.英安斑岩侵入泥盆系，中-下泥盆统石英砂岩发生硅化，英安斑岩发生绢云母-绿泥石化Fig.9 The contact relations between dacite porphyry and Devonian strata in the Dabaoshan mining area a.Dacite porphyry emplaced in Devonian strata,Devonian siltstone had hornfelnization which is observed in open pit;b～d.Dacite porphyry emplaced in Devonian strata,Mid-Lower Devonian quartz sandstone was silicificationlized,dacite porphyry had sericite-chlorite alteration

本次取自英安斑岩中的砂岩捕掳体距离英安斑岩下部外接触带较近，其岩性特征与下部侏罗系金鸡组砂岩一致。测试样品中含有231 Ma 和274 Ma的锆石，也证明其来自侏罗系的可能性较大。所以，大宝山矿区英安斑岩的侵位时间更可能是早侏罗世晚期。在粤北—赣南地区深部可能存在一个加里东期岩基（陈毓川等，2014），为晚期物质重熔提供物质，大宝山英安斑岩中出现大量加里东期锆石可能是由于英安斑岩源区岩石富水，源岩熔融时温度未能达到锆石溶解线，在侵位后快速冷凝过程中几乎没有新的岩浆锆石产出。

5.2 对成矿时代的限定

同位素定年的结果与同位素体系的封闭温度密切相关，Rb-Sr、K-Ar 和Ar-Ar 同位素体系封闭温度较低，易受后期构造变形或热事件的影响。相比之下，Re-Os 同位素体系的封闭温度较高（500～600℃），不易受外界条件的影响。

辉钼矿Re-Os 定年作为一种有效的技术工具用于解决铜钼矿的成矿时代问题，如前人在大宝山矿区通过辉钼矿Re-Os 测年将成矿时代限定在163～168 Ma（王磊等，2012；Li et al.，2012；Wang et al.，2011）。然而，辉钼矿Re-Os 年龄仅能够代表钼矿的形成时代，而无法直接代表铜矿的形成时代。同样，英安斑岩赋存的铜矿体没有辉钼矿产出，所以上述辉钼矿Re-Os 年龄不能代表铜矿的形成时代。应立娟等（2017）对东部矿带层状矿体磁黄铁矿和黄铜矿开展Re-Os 测年，结果是3 件黄铜矿样品的Re-Os 等时线年龄为（234±41）Ma，6件磁黄铁矿样品的Re-Os等时线年龄为（410±16）Ma，认为年龄数据仅代表磁黄铁矿早于黄铜矿形成，但并不代表矿区存在加里东期和印支期成矿事件。

尽管w(Re)小于1×10-9的硫化物Re-Os 定年很难取得成功，但仍有成功的定年结果报道（李超等，2016；王冉等，2016；应立娟等，2017）。本次黄铜矿样品Re-Os 含量偏低，部分样品w(Re)低至0.0059 ng/g，但远远大于流程空白的w(Re)2.0 pg。Re 含量低导致放射性Os 含量低，但Os 含量同样远超过流程空白Os 含量0.1 pg。本次采用Carius 管溶样法进行Re-Os 含量及同位素的测定，并在负离子热表面电离质谱仪（Triton-plus）上完成，提高了Re-Os 同位素的测定精度，获得的数据较可靠。脉状矿石中黄铜矿的Re-Os 等时线年龄为188 Ma，可直接代表黄铜矿的形成时代，而黄铜矿又是新探明铜矿体中的主要矿石矿物，因此该年龄可代表铜矿的形成时代。因为成矿不能发生在赋矿围岩形成之前，可能同时形成或之后形成，所以作为铜矿体的赋矿围岩，英安斑岩的侵位时间应早于188 Ma。

从区域成矿角度来说，成矿作用往往与区域地质事件相对应。尽管区域上未有同时代的成矿年龄报道，但黄铜矿Re-Os 等时线年龄与英安斑岩侵位于早侏罗世的认识一致。此时（185～175 Ma），华南内部尤其是南岭地区进入一个以岩石圈“伸展—减薄”为主的地球动力学环境（华仁民等，2005）。在上涌地幔物质的作用下，地壳深部物质重熔、上侵，形成了分布于闽西—粤北—赣南—湘南地区侏罗纪盆地中的双峰式火山岩、辉长岩、正长岩和A 型花岗岩（徐先兵等，2009；张岳桥等，2012），这也为大宝山矿区英安斑岩的侵位和铜矿体的形成提供了契机。

5.3 对找矿方向的指示

构造作用使英安斑岩及其围岩破裂，形成具优选性的裂隙，产状为305°∠60°。深部岩浆房的排气作用形成富含Cu、Pb、Zn 和Ag 的成矿流体，沿这组北西向陡倾裂隙贯入，结晶沉淀形成含铅锌的铜矿体（赵如意等，2020）。这一组产状同样指示热液来源于采区的北西方向。英安斑岩作为次火山岩，是高侵位岩体，又沿逆冲推覆构造上侵，其本身携带的热液可能不够多，携带的矿质并不足以形成如此大体量的矿床。真正的成矿热液可能来自燕山早期的花岗斑岩，隐伏在采区北西方向的深部。换言之，燕山早期英安斑岩在推覆上侵的过程中侵入到泥盆纪和三叠纪乃至于侏罗纪的地层中，捕获了侏罗系砂岩，随后又被燕山早期花岗斑岩侵入期间的流体所交代，进而充填成矿。

通过上述分析，本文认为下一步找矿方向应继续在矿区及外围寻找斑岩-矽卡岩型铜矿。目前钻孔控制的岩墙中矿物组合为低温矿物组合，高温条件下形成的富矿往往更靠近成矿岩体，共同隐伏在北西方向的深部。值得注意的是，大型矿床一般不会单独产出，矿床成矿系列“全位成矿，缺位找矿”理念指出矿床是成群或成列出现（王登红等，2020），大宝山矿作为一个独特的大型斑岩-矽卡岩型矿床产出于南岭成矿带，显得十分重要。