赣南淘锡坑钨矿区花岗岩成因的地球化学研究

赣南淘锡坑钨矿区花岗岩成因的地球化学研究

1936年发现锡矿开采后，徐克勤和周道龙进行了调查。区域工作主要始于解放以后,先后开展了基础地质和物、化、遥等区域性地质工作(1∶50万重力测量、1∶20万水系沉积物测量、1∶5万航磁测量、1∶5万区域地质调查等❶),基本查明了区域内主要矿产种类、基本特征及主要物、化探异常的分布。1955年,长沙勘探公司220队,1958至1960年,江西省地质局钨矿普查大队曾先后两次做过概查工作;1963至1964年,江西省地质局908队四分队,于此区做过初查;1965年908队八小队继续初查。1966至1968年,江西省地质局908队二分队在前人工作基础上对本区进行了详查地质工作❶。该矿的正式开发始于1970年,为崇义县淘锡坑钨矿,1994年改制后为崇义章源钨制品有限公司淘锡坑钨矿,采矿权证1970年至2003年为2.783km2,2004年后扩大至15.212km2。迄今,淘锡坑石英脉型钨多金属矿床已探明保有钨资源量(金属量)12.0627万吨❶,矿石平均品位为WO32.5%,已经成为赣南地区正在开采的一个大型钨矿床(包括宝山、西山、烂埂子、枫林坑四个矿段)之一。根据最近几年钻探的进展和基于钻孔揭露出的新鲜花岗岩和花岗岩体顶部云英岩为标本,本文开展系统地成矿地质特征和岩石学、岩石化学研究。此外,南岭地区中生代钨锡矿床在空间上总是与壳源花岗岩类有着密切的关系,过去普遍认为两者之间有着成因联系。最近几年,关于两者之间形成时代是否具有一致性方面有不同认识,华仁民等(2005b)提出的成岩时代与钨锡矿床成矿作用时间相去甚远,南岭地区几乎所有中生代的成矿作用均远远晚于成岩作用;但是,毛景文等(2007)总结最近的研究资料,提出两者具有很好地吻合性。不过,这些总结结论基于综合性资料,很少有在同一实验室同一时间完成同一矿床的年龄测定。本文针对这一科学问题,本文选择江西淘锡坑钨矿床和相关的花岗岩进行解剖研究。1区域地质背景和矿区地质特征1.1利用成矿强化控制矿带淘锡坑钨矿床位于江西南部赣州市崇义县城西南14.5km处,处于北北东向九龙脑—营前岩浆岩带与东西向古亭—赤土区域构造—岩浆—成矿带的交汇部位。区内广布华南系—奥陶系基底碎屑岩,另有少量泥盆系、石炭系、二叠系、白垩系分布,华南系—奥陶系经加里东运动褶皱隆起而成为本区基底,泥盆系、石炭系、二叠系等角度不整合于基底地层之上,其中基底岩系和泥盆系富含W、Sn、Cu、Pb、Zn、Ag等成矿元素,其中Sn、Pb含量高出地壳克拉克值(黎彤)1.5～3倍,是重熔型花岗岩成矿物质的主要来源之一,也是钨、锡多金属矿床的主要赋矿围岩之一❶;东西向、北北东向隆褶带与断陷带呈网格状分布,构造控岩控矿作用十分明显;燕山期为本区主要成矿时期,特点是隐伏—半隐伏岩浆岩带控制矿带,岩体岩突控制矿床,各条矿带绵延几十千米,钨锡矿床的产出有一定的等距性。如,东侧与九龙脑—营前矿带平行的西华山—荡坪—漂塘—杨梅北北东向矿带。本区所处矿带的成矿母岩在地表为距矿区南8km处的九龙脑岩体,具多期次侵入特征,朱炎龄等(1981)认为它是主体形成于燕山早期的S型花岗岩。该岩体自南向北沿有利构造侵入,南端为粗粒黑云母花岗岩,往北逐渐变为中细粒黑云母花岗岩,在淘锡坑矿区隐伏于深部,围绕岩体产出十余处钨锡矿床,如:天井窝、樟东坑、淘锡坑、柯树岭钨-锡多金属石英脉型矿床,仙鹅塘钨-锡石英脉型矿床,宝山矽卡岩型银铅锌矿床等等。1.2岩体与成矿关系淘锡坑矿区大面积出露的华南系(震旦系)和寒武系是矿区主要的赋矿围岩,华南系为火山质、泥砂质所构成的复理石建造,包括坝里组与老虎塘组;寒武系则以泥砂质为主体,下部含炭、上部夹透镜状碳酸盐岩层;矿区东南也出露少量泥盆系,以磨拉石建造开始,浅海碳酸盐岩建造为主,至陆相沼泽泥砂质含煤建造而终结(图1)。区内断裂发育,规模不大但形式复杂,既有控矿、储矿断裂又有成矿期后破坏性断裂,构成米字状空间展布形式,相应的矿体也成米字状分布。在深部隐伏花岗岩体的热力作用下,于外接触带的变质岩中形成了较为明显的热力蚀变晕圈,自花岗岩体向外,大致为三个蚀变带:角岩带、强角岩化蚀变带、角岩化—弱角岩化蚀变带;宝山、西山矿段底部揭露出的花岗岩内部与围岩接触处由于后期热液作用发生蚀变,自外向内为伟晶岩化、云英岩化、钾长石化、钠长石化。含矿石英脉地表细小密集,往下脉体变宽变少,再向下至岩体内逐渐尖灭,相应WO3品位也由浅部向深部有变富的趋势。近岩体的矿化类型以石英大脉型为主,脉体倾角75°～80°,局部见黑钨矿赋存于花岗岩基顶部的云英岩化岩石中。矿体产出标高为690～56m,地表出露长度340～682m,倾向延伸250～660m。含矿石英脉中主要矿物组合为石英-黑钨矿-硫化物,主要金属矿物有黑钨矿、锡石、白钨矿、黄铜矿、黄铁矿、毒砂及少量闪锌矿、辉钼矿、辉铋矿。非金属矿物有石英、黄玉、萤石、电气石、铁锂云母、方解石、叶蜡石、绿泥石、绢云母、白云母等。氧化矿物常见的有铜蓝、高岭石、褐铁矿。有用矿物黑钨矿结晶程度好,大部分为自形至半自形板状、柱状晶体;脉石矿物主要为石英。矿石的结构构造主要有交代结构、交代残留结构、乳滴状交代结构;其次是半自形粒状—交代结构和嵌晶结构,致密块状结构;少量的线状—条带状构造,角砾状、扁豆状构造和晶洞构造。根据矿区深部钻孔资料❶,推测区内隐伏花岗岩岩体总体呈北北西向延伸,以北西段(宝山、西山、烂埂子)部分凸起,东部枫林坑凹陷为特征。2岩石岩石学特征花岗岩样品取自枫林坑矿段钻孔(ZK4011)距地表以下686m的位置(如图2),样品新鲜,样品号分别为FLK-ZK4011-1和FLK-ZK4011-2。其中FLK-ZK4011-1为中粒似斑状黑云母花岗岩,块状构造;标本灰白色,微泛肉红色;钾长石自形板状,聚片双晶,长1～2cm;基质为黑云母、石英等。显微镜下见主要造岩矿物为石英、钾长石、斜长石和黑云母,副矿物磁铁矿、锆石、磷灰石、独居石、萤石。石英含量40%～50%,钾长石20%～25%,斜长石15%～20%、黑云母3%～8%。斜长石呈半自形-自形晶,具密集聚片双晶,一般透亮较新鲜;钾长石呈自形板状,表现为条纹结构和格子双晶结构,石英均呈粗晶他形填充于上述长石晶隙之间。黑云母呈自形晶,解理发育。样品FLK-ZK4011-2与FLK-ZK4011-1的区别在于少量矿物有蚀变,部分黑云母沿其解理被蚀变成白云母或绿泥石且析出微晶磁铁矿。云英岩样品均采自淘锡坑矿区坑道底部花岗岩与围岩接触部位,花岗岩体顶部的云英岩化花岗岩,云英岩与花岗岩呈现渐变关系;也可见云英岩穿切花岗岩和围岩,与围岩有明显的界线。BS56-2、BS56-5是从宝山区段56中段采集的样品,其中BS56-5肉眼可见较多黄铜矿等硫化物,BS56-2被11#脉穿切,颜色较深;XS106-2和XS106-7为西山区段106中段细粒花岗岩与围岩接触部位的云英岩,浅色,几乎全部由石英和白云母组成,XS106-2肉眼可见较多黄铜矿等硫化物,XS106-7肉眼几乎见不到硫化物;XS206-3为西山区段206中段采集的样品。显微镜下观察云英岩主要矿物组合为白云母或绢云母和石英,两者的比例变化较大,从以云母为主到以石英为主,个别云英岩中含有一定量的绿泥石,局部可以看到绿泥石含量大于白云母,此外,还有少量萤石、电气石、锡石和黄铁矿。本文中的5件云英岩矿石的主要矿物是白云母(60%～65%)和石英(20%～30%)以及5%～7%的萤石、锡石、黄铁矿和其他暗色矿物,白云母十分新鲜,在显微镜下未见明显的蚀变。3分析技术和测试方法3.1校准曲线的制备主量、微量和稀土元素在中国地质科学院国家地质实验测试中心完成。岩石样品碎成200目以下的粉末。主量元素(Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、P2O5、K2O、CaO、TiO2、MnO、Fe2O3、FeO、H2O+、LOI)采用XRF法在X荧光光谱仪(3080E)上测定,称取4.00g经105℃烘干的样品,用低压聚乙烯镶边(也可采用铝杯或塑料环),并在20kN/m2的压强下压制成样品直径为32mm的圆片。用波长色散X射线荧光光谱仪进行测量。用国家级标准物质制作校准曲线。主、次元素采用经验系数法校正基体效应,微量元素采用靶线的Compton散射线或散射背景做内标校正基体效应,采用回归法计算基体校正系数和谱线重叠校正系数,本方法精密度<10%。稀土元素和除Sr、Ba之外的微量元素采用等离子质谱(Excell)ICP-MS测定;微量Sr、Ba采用等离子光谱(IRIS)ICP-AES法测定。称取样品50.00mg于封闭溶样器的Teflon内罐中,加入1mLHF,0.5mLHNO3,盖上Teflon上盖,装入钢套中,拧紧钢套盖。将溶样器放入烘箱中,于190℃保温24h。取出,冷却后开盖,取出Teflon内罐,在电热板上于200℃蒸发至干。加入0.5mLHNO3蒸发至干,此步骤再重复一次。加入HNO35mL,再次封闭于钢套中,于130℃保温3h,取出,冷却后开盖,移至洁净塑料瓶中,用水定容为50mL,ICP-AES及ICP-MS待测。本两种方法主、微量元素相对误差为2%～5%,痕量元素5%～10%。3.2样品处理和质谱分析该云母定年方法采用的是常规40Ar/39Ar阶段升温测年法。从云英岩中挑选纯的白云母单矿物(纯度>99%)用超声波清洗。超声清洗过程中要注意清洗液的选择和严格控制时间。一般先用经过两次亚沸蒸馏净化的纯净水清洗3次,每次3min,在此过程中矿物表面和解理缝中在天然状态下和碎样过程中吸附的粉末和杂质被清除。然后在丙酮中清洗两次,每次3min,在此过程中,矿物表面吸附的油污等有机物质被清除。此项工作在中国地质科学院地质所Ar-Ar定年实验室完成。清洗后的样品被封进石英瓶中送核反应接受中子照射。照射工作是在中国原子能科学研究院的“游泳池堆”中进行的。使用H8孔道,中子流密度约为6.0×1012n/cm2·s1。照射总时间为3000min,积分中子通量为1.13×1018n/cm2;同期接受中子照射的还有用做监控样的标准样:ZBH-25黑云母国内标样,其标准年龄为132.7Ma,K含量为7.6%。样品的阶段升温加热使用电子轰击炉,每一个阶段加热30min,净化30min。质谱分析是在MM-1200B质谱计上进行的,每个峰值均采集8组数据。所有的数据在回归到时间零点值后再进行质量歧视校正、大气氩校正、空白校正和干扰元素同位素校正。系统空白水平:m/e=40、39、37、36分别小于6×10-15mol、4×10-16mol、8×10-17mol和2×10-17mol。中子照射过程中所产生的干扰同位素校正系数通过分析照射过的K2SO4和CaF2来获得,其值为:(36Ar/37Aro)Ca=0.0002389,(40Ar/39Ar)K=0.004782,(39Ar/37Aro)Ca=0.000806。37Ar经过放射性衰变校正;40K衰变常数λ=5.543×10-10a-1;用ISOPLOT程序计算坪年龄及正、反等时线(Ludwig,V2.49,2001)。坪年龄误差以2σ给出。详细实验流程见有关文章(陈文等,2006;张彦等,2006)。4白云母及其他稀土和微量元素的年龄特征该花岗岩、云英岩类岩石的岩石化学成分见表1。花岗岩的稀土元素总量132.9×10-6～138.7×10-6;轻重稀土总量比值ΣLREE/(ΣHREE+Y)=0.68～0.74,重稀土相对富集((La/Yb)N=1.21～1.45),Eu具强负异常,δEu(δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2)=0.04。云英岩的稀土总量在134×10-6～259.8×10-6之间,平均191×10-6;轻、重稀土总量比值ΣLREE/(ΣHREE+Y)=1.00～1.32,重稀土相对富集((La/Yb)N=1.07～1.72),Eu具强负异常,δEu在0.01～0.04之间。云英岩白云母40Ar/39Ar定年结果见表4。花岗岩SiO2含量为75.59%～75.61%,属酸性岩范畴。MgO含量0.06%～0.08%;FeO+Fe2O3含量1.07%～1.20%;K2O+Na2O含量8.48%～8.60%,Na2O<K2O;K2O含量4.64%～4.67%;Na2O含量3.84%～3.93%。云英岩的SiO2含量在72.56%～77.51%之间,平均75.10%;MgO含量在0.05%～0.20%之间,平均0.106%;FeO+Fe2O3在2.04%～4.23%之间,平均3.30%;K2O+Na2O含量在4.09%～6.84%之间,平均5.01%,Na2O<K2O;K2O含量3.98%～5.11%,平均4.46%;Na2O含量0.10%～2.32%,平均0.55%。该矿区花岗岩、云英岩中的稀土元素、微量元素分析结果见表2、表3。由于白云母中Ar对后期地质作用很敏感,因此即使部分受到后期叠加改造作用的影响,白云母也会形成明显的扩散丢失图谱(Hansonetal.,1975),而未受扰动的白云母则形成平坦的年龄谱。从表3和图4可以发现,本次测定的5个白云母样品都呈正常的平坦型年龄谱,不存在任何异常的坪年龄谱图,这表明白云母形成以后未受到后期热事件的扰动;而且绝大部分加热阶段析出的39Ar都符合成坪条件,相关性很好。样品BS56-5的坪年龄为155.0±1.4Ma,等时线年龄155.1±2.6Ma;样品XS106-2的坪年龄为153.4±1.3Ma,等时线年龄154.0±2.2Ma;样品XS206-3的坪年龄为152.7±1.5Ma,等时线年龄152.7±2.6Ma。三个样品的坪年龄与其对应的等时线年龄均吻合很好,说明本次得到的白云母的坪年龄和等时线年龄数据真实可靠,反映了所测样品的真实形成时间。5讨论5.1云英岩阶段由以上分析数据可以看出花岗岩和云英岩的SiO2含量一致;花岗岩的MgO平均含量低于云英岩,但其MgO变化范围小于云英岩。但花岗岩的FeO+Fe2O3含量低于云英岩;花岗岩和云英岩的K2O含量基本一致,而云英岩的Na2O含量较花岗岩降低,由花岗岩的平均3.84%～3.93%降低到云英岩平均0.55%。总之,从花岗岩过渡到云英岩化蚀变,全铁含量增高,而Na2O含量降低。另外,云英岩中的吸附水H2O+和挥发份(LOI)增加,H2O+含量由平均0.57增加到1.716,LOI含量由平均0.57增加到1.744,表明富挥发分的流体在云英岩化阶段增高。在稀土配分模式图(图3)上,总体来说两者的重稀土差别不大,而云英岩的轻稀土稍高于花岗岩。花岗岩和云英岩的配分曲线均显示稀土元素的M型四分组效应(MasudaAetal.,1987),其中第一组La-Ce-Pr-Nd、第三组Gd-Tb-Dy-Ho和第四组Er-Tm-Yb-Lu四分组效应十分明显,第二组Pm-Sm-Eu-Gd因Eu亏损而偏离上凸曲线。5.2成矿流体的演化和变形对淘锡坑的隐伏岩体和岩体顶部云英岩全岩稀土组成研究发现,该岩体具有M型稀土四分组效应,并均具有强烈的Eu亏损。与有典型稀土元素四分组效应的千里山岩体全岩相比(图3),两者的稀土元素特征是一致的。这些特征表明淘锡坑、千里山花岗岩的稀土元素四分组效应和Eu异常行为反映的是花岗质母岩浆的性质,即该源岩具有稀土元素M型四分组效应和强烈的Eu亏损特征。尤其是,淘锡坑花岗岩与岩体顶部云英岩的稀土元素配分特征一致,而其他元素(MnO、Fe2O3、FeO、H2O+、LOI、Li、Rb、Cs、Ba、Sr、Nb、Ta、W、Sn、Bi、Pb、Co、Cu、Zn升高,Na2O值降低)表明云英岩虽然受到后期成矿流体交代,但本质特征与花岗岩是一致的。许多研究表明,高程度演化的晚阶段花岗质岩石(包括浅色花岗岩和伟晶岩)均具有M型的元素四分组效应(Masudaetal.,1987;赵振华等,1992)。与千里山花岗岩相同,淘锡坑隐伏岩体的另一个非常突出的特点是它们均具有一致的Eu强烈亏损,这种情况只可能是由于Eu在花岗岩浆的演化晚阶段,Eu优先进入与之共存的水相之故,而不是由于长石分馏导致δEu如此之低,反映了花岗质熔体经历了高程度的分离结晶作用,最可能是长石从熔体中的分离导致了Eu强烈负异常。淘锡坑花岗岩中的全岩δEu=0.04,千里山岩体全岩δEu=0.03,如此强烈的的负Eu异常的花岗质熔体显然是经历了长石的高程度分离结晶作用后的残留熔体,具有稀土元素四分组效应的浅色花岗岩和伟晶岩毫无例外都是花岗岩浆作用最晚阶段残余熔体结晶的产物,强烈的分离结晶作用可以导致挥发分H2O、F、Cl、B、P和碱金属Na、K及REE、Nb、Ta、Zr、Be等成矿元素在残余熔体中高度富集,为最终产生岩浆-热液共存过渡体系和流体/熔体相互作用以及稀有、稀土矿床的形成提供了必要的物质基础。特别是千里山岩体与超大型钨、铋多金属矿床相关,可见,淘锡坑极有可能是一个具有超大型钨多金属矿床潜力的矿区。5.3成岩作用及成矿作用本次研究获得不同中段坪年龄值206中段为152.7±1.5Ma,106中段为153.4±1.3Ma,56中段为155.0±1.4Ma,代表了的花岗质岩浆结晶晚期流体/熔体相互作用时间。这与以往所获得的成岩成矿年龄基本一致。郭春丽等(2007)用锆石SHRIMPU-Pb法测得花岗岩的成岩年龄为158.7±3.9和157.6±3.5Ma,用Rb-Sr法测得含矿石英脉石英中流体包裹体的年龄为161～153Ma。陈郑辉等人(2006)用Re-Os法测得含矿石英脉中辉钼矿的Re-Os等时线年龄为154Ma。可见该矿区花岗岩体的形成、云英岩化蚀变、含矿石英脉形成以及成矿均形成于中-晚侏罗世,在误差范围内有8Ma间隔。推测该花岗质岩浆在160Ma以前开始侵位、分异演化,同时在富含矿化剂元素和成矿元素流体的作用下在岩体顶部发生云英岩化等蚀变作用,并形成含钨等多金属矿化石英脉,到大约150Ma的时候成岩成矿作用结束。推测在这段时间内构造条件相对稳定,没有发生显著的构造环境的差异,并且在这一时段内花岗岩岩浆的结晶分异作用是持续进行的,成矿物质不断补给,从而保证了淘锡坑石英脉型钨多金属矿床的形成尤其是富矿大矿的形成。近年来精确的年代学资料表明南岭地区晚侏罗世花岗岩类成岩作用与成矿作用时间差异不大。除了淘锡坑岩外,赣西南地区张天堂岩体锆石SHRIMPU-Pb年龄为156.9±1.7Ma,与其相关的岩体型摇篮寨钨矿床中浸染状辉钼矿Re-Os模式年龄为155.2±2.3～156.5±2.1Ma(丰成友,2007a);天门山—红桃岭钨锡矿田中天门山岩体锆石SHRIMPU-Pb年龄为151.8±2.9Ma,红桃岭岩体为151.4±3.1Ma,利用辉钼矿Re-Os同位素测得与之相关的牛岭内带石英脉型钨矿辉钼矿Re-Os模式年龄为154.9±4.1～154.6±9.7Ma,樟斗外带石英脉型钨矿为149.1±7.1Ma(丰成友,2007b);湖南骑田岭花岗岩体黑云母40Ar-39Ar坪年龄为157.5±0.3Ma,与之相关的芙蓉锡矿床云英岩型锡矿石的坪年龄为156.1±0.4Ma和160.1±0.9Ma(毛景文,2004a);彭建堂等(2007)以金云母、角闪石和白云母为测试对象,利用40Ar-39Ar同位素定年方法测得芙蓉矿床形成时间为151～160Ma,认为与骑田岭主体花岗岩的侵入时间(151～162Ma)相吻合;千里山岩体花岗岩中黑云母40Ar-39Ar坪年龄为162.5±3.3～158.1±3.2Ma,与之相关的柿竹园钨矿矽卡岩矿物Sm-Nd等时线年龄160.8±2.4Ma(刘义茂等,1997),辉钼矿Re-Os等时线151±3.5Ma(李红艳等,1996),黑云母40Ar/39Ar坪年龄153.4±0.2Ma(毛景文等,2004b)。可见,成岩成矿作用几乎同