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    摘要

    内蒙古边家大院锡多金属矿床是大兴安岭南段多金属成矿带的代表性矿床之一,其西矿区主要发育斑岩型Sn-Cu-Mo矿体,矿体发育于石英斑岩体内。文章通过对石英斑岩开展全岩地球化学、锆石Hf同位素以及锆石微量元素地球化学分析研究,确定了该含矿岩体岩浆性质、来源及演化历史,探讨了成岩成矿关系,并进一步评估了该岩体成锡、铜矿潜力。研究表明,边家大院石英斑岩为准铝质-弱过铝质,高钾钙碱性花岗岩。稀土元素具有轻稀土元素富集、重稀土元素亏损,Eu负异常明显的特征。微量元素具有富集大离子亲石元素,亏损高场强元素的特征。结合其较低的Zr/Hf和Nb/Ta比值以及较高的Rb/Sr比值判断其经历了高分异结晶演化。根据锆石微量元素地球化学特征,确定边家大院石英斑岩源于还原性(ΔFMQ-0.15)、高温贫水(>750oC)岩浆。边家大院石英斑岩εHf(t)为-0.86~5.99,TDM2=809~1240 Ma,为中元古代—新元古代年轻地壳部分熔融形成。根据锆石微量元素Ce4+/Ce3+,CeN/CeN*,Ce/Nd和EuN/EuN*指针性比值及岩浆特性判断,该石英斑岩有利于锡金属富集成矿,而成铜钼矿潜力小。

    Abstract

    The Bianjiadayuan deposit is one of the representative polymetallic deposits in the southern Great Xing'an. The western sector of the deposit is distinguished by its development of porphyry-type Sn-Cu-Mo ore bodies, intricately associated with quartz porphyry. Incorporating whole-rock geochemistry, zircon Hf isotopes, and zircon trace element analysis revealed the magmatic properties, origin, and evolution of the ore-bearing quartz porphyry. This study indicates the quartz porphyry, with εHf(t) values ranging from-0.86 to 5.99 andTDM2ages between 809 and 1240 Ma, originated from the partial melting of young Neoproterozoic crust. The rock is aluminous to weakly peraluminous, high-potassium calc-alkaline granite, enriched in light rare earth elements and large ion lithophile elements, but depleted in heavy rare earths and high field strength elements. The geochemical signatures, including low Zr/Hf and Nb/Ta ratios and a high Rb/Sr ratio, suggest the magmatic source underwent significant differentiation during its crystallization process. Zircon trace element characteristics point to a reductive (ΔFMQ-0.15), high-temperature (>750°C), water-poor magmatic source. Based on zircon geochemical indicators and magmatic features, the quartz porphyry is deemed favorable for tin enrichment and mineralization, but less so for copper and molybdenum. This research not only sheds light on the intricate processes governing the mineralization of the Bianjiadayuan deposit but also contributes to the broader understanding of magmatic systems and their mineralization potential in similar geological settings.

    关键词

    还原性岩浆;贫水岩浆;高分异花岗岩;大兴安岭南段;边家大院矿床

    Keywords

    reductive magma, water-deficient magma, highly fractionated granite, southern great Xing an, Bianjiadayuan deposit

  • 锡、铜作为全球战略性金属资源,是全球找矿勘查关注的重点矿种,在中国新一轮找矿突破战略行动中被列为主攻矿种。锡、铜主要来源于花岗质岩浆热液矿床(Heinrich,1990;陈骏等,2008;王汝成等,2017;Audétat,2019;Mao et al., 2019;Lehmann,2021),然而怎样的花岗岩有利于形成以及如何形成锡铜矿床,一直以来都是矿床学界和矿产勘查领域关注的重要科学问题。锡具有亲氧和亲硫性,为强不相容元素,其成矿常与还原性、壳源钛铁矿系列高分异花岗岩有关;而铜(钼)常与氧化性、磁铁矿系列幔源基性岩石有关(Lehmann, 2021;毛景文等,2023),然而这两种地球化学性质截然不同的元素常常形成锡铜共生或复合矿床,如中国南岭、秘鲁安第斯、德国厄尔士等锡、铜成矿带中常发育此类矿床(李欢等,2023)。近年来在中国大兴安岭锡多金属成矿带中,也发现了一批锡-铜矿床,边家大院矿床是其中代表之一(曾庆栋等,2015;Zhai et al., 2017)。前人针对边家大院锡多金属矿床开展了详细的成岩成矿研究(王喜龙等,2014;Zhai et al., 2017;顾玉超等,2017;蒋昊原,2019),确定了石英斑岩是边家大院斑岩型Sn-Cu-Mo矿体的含矿及成矿岩体(Zhai et al., 2017),然而对该岩体成因,岩浆演化对锡、铜成矿机制以及成矿潜力尚不清楚。

    本次研究通过开展边家大院石英斑岩体全岩和锆石地球化学特征研究,揭示了该岩体岩浆氧逸度、含水特征、结晶温度等岩浆性质以及来源和演化历史,同时初步探讨了该成矿岩体与锡多金属成矿关系,并评价了该岩浆岩的成矿潜力。

    1 区域地质背景

    研究区地处内蒙古东南部,构造位置上属于西伯利亚板块与华北克拉通之间中亚造山带东段,位于贺根山断裂以南,西拉木伦断裂以北以及嫩江断裂西北(图1a)。晚二叠世以来,区域上经历了一系列复杂的构造事件(Li, 2006;Wilde, 2015;Wilde et al., 2015):古亚洲洋于晚二叠世闭合;古太平洋板块于晚二叠世—早三叠世开始俯冲;早侏罗世—早白垩世,古太平洋板块继续向西俯冲;早白垩世以来,古太平洋板块向东撤退,形成伸展构造环境并伴随岩石圈减薄和剥离。复杂的构造演化历史促使区内形成了多种不同类型的矿床,使得中亚造山带成为世界上最重要的多金属矿化区之一。区域内最古老的地层为一套经历了强变形和变质作用的元古宇,被称为“锡林郭勒杂岩”,主要由黑云母斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩以及变粒岩组成(Shi et al., 2003)。二叠系是大兴安岭地区最为发育的地层之一,区内大部分矿床产于二叠系中。其中早二叠世以海相沉积和海陆交互相沉积为主,晚二叠世则以陆相沉积为主并伴有火山岩(黄本宏,1993;李文国等,1996;鲍庆中等,2006)。中生代主要由侏罗纪和白垩纪的中酸性火山岩组成(邵济安等,2007)。区域上断裂构造发育,主要以北东向为主,其次还发育东西向和近东西向断裂。区内晚古生代石炭纪—二叠纪和中生代三叠纪—白垩纪的花岗岩类侵入岩最为发育,其中,中生代侵入岩分布更为广泛,根据岩浆活动时间可分为3个阶段:早三叠世—中三叠世、早侏罗世—中侏罗世和晚侏罗世—早白垩世(Zhou et al., 2012;Ouyang et al., 2015;Wang et al., 2017)。岩性主要包括花岗闪长岩、二长花岗岩、碱性花岗岩、花岗斑岩和石英斑岩。近年来在大兴安岭成矿带开展的大规模找矿勘查工作成功地发现了众多锡多金属矿床及高异常区域(图1b)。据估计,该区已探明锡金属资源量200万t、铜金属资源量500万t、钼金属资源量超过11 400万t、银金属资源量4.5万t和铅锌金属资源量1500万t(Zhai et al., 2017)。该区域矿床类型以斑岩型钼-铜-金-锡-钨矿床(如:敖伦花钼铜矿床、敖脑达坝锡铜矿床 )、矽卡岩型铁-锡-铅-锌矿床(如:白音诺尔铅锌矿、红岭铅锌多金属矿)、浅成低温热液型金-银矿以及贱金属脉状矿床(如:拜仁达坝银铅锌矿床、花敖包特银铅锌矿床 )为主。矿床主要赋存于二叠纪和中生代花岗岩中。

    图1 中国东北及邻区构造分区简图(a)和大兴安岭南段锡多金属矿床分布图(b,据刘瑞麟等,2018)
    EB—额尔古纳地区;XB—兴安地区;SXB—松辽-锡林浩特地区;JB—佳木斯地区
    Fig. 1 A sketch geotectonic unit map of Northeast China and its neighboring areas (a) and locations of Sn-polymetallic deposits in the southern Great Xing'an Range (b, after Liu et al., 2018)
    EB—Erguna Block; XB—Xing'an Block; SXB—Songliao-Xilinhot Block; JB—Jiamusi Block

    2 矿床地质特征

    边家大院矿床(北纬43°31′,东经118°03′)位于大兴安岭南段黄岗-甘珠尔庙亚带西南部,矿区出露地层单一,主要为二叠系哲斯组和第四系,哲斯组主要分布于矿区中、东部,主要由砂质板岩、泥质板岩、碳质板岩和变质粉砂岩组成。矿区发育大量燕山期侵入岩,主要由辉长岩、闪长岩组成的中基性岩体和花岗岩、花岗斑岩、石英斑岩组成的中酸性侵入岩体构成。矿区断裂构造发育,以北西向为主。近年来随着钻探和采矿工作的推进,在边家大院矿区银-铅-锌矿脉附近发现了新的斑岩型锡-铜-钼矿化,目前累计锡矿石量9170 t,平均品位0.33%,铜矿石量8825 t,平均品位0.996%;钼矿石量589 t,平均品位0.107%。

    矿床从西向东发育有斑岩型锡(钼、铜)矿化、脉状充填型银(铅、锌、铜)矿化,以及隐爆角砾岩型锌(铅、银)矿化(图2)。西矿区锡-钼-铜成矿与石英斑岩关系密切,含矿石英斑岩体平面上呈层状展布,剖面上隐伏于隐爆角砾岩下部,钻探资料显示,该石英斑岩体长约1500 m,宽270~750 m,矿化面积约0.7 km3。锡-铜-钼矿化产于石英斑岩上部、边部及内外接触带附近。矿化受结构控制,主要以脉状、细脉状以及浸染状为主。斑岩体核部经历弱钾质蚀变。核部向外,以绢云母蚀变最为发育,发育于钾质蚀变带的侧向外围及上方。最外围则发育青磐岩化蚀变带。总体来说,该矿床蚀变类型及其分带性与世界上其他典型的斑岩铜-钼矿床相似(Sillitoe, 2010)。从斑岩体核部向上发育明显的金属分带特征。锡矿体主要产于多金属石英脉中,或以浸染状产于细脉周围的绢云母蚀变岩中。锡矿体平均厚度3.46 m,平均品位0.35%;铜矿体,平均厚度1.91 m,平均品位1.187%。石英斑岩型矿石中金属矿物主要为锡石、黄铜矿、辉钼矿、磁黄铁矿、毒砂、方铅矿、闪锌矿等,脉状充填型矿石中金属矿物主要为黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、辉银矿等。

    3 样品采集和分析方法
    3.1 样品位置和特征

    为了研究矿区岩浆活动和成矿关系,并评估其成矿潜力,本研究采集8件石英斑岩用于全岩地球化学分析及锆石微量元素分析。石英斑岩采自矿区西部(图2),手标本呈灰白色,斑状结构,块状构造。主要由钾长石(~40%)、斜长石(~20%)、石英(~38%)及少量黑云母组成,钾长石多为条纹长石,斜长石为具有聚片双晶特征的更长石,黑云母常发育于长石、石英颗粒边界处,含量少于2%(图3)。

    3.2 全岩主量、稀土及微量元素分析

    全岩主量元素,微量元素及稀土元素于中国地质调查局国家地质实验测试中心进行分析。选取新鲜未蚀变岩石样品将其打碎至厘米大小,挑选新鲜的岩石碎片用去离子水清洗并干燥,然后粉碎至200目以下备用。

    主量元素分析于X射线荧光光谱仪完成,分析时将样品粉末与Li2B4O7按1∶10比例混合,使用V8C自动熔融机在1150°C下制成均匀透明无气泡的玻璃盘,使用标准样品GSR1、GSR8、GSR9和GSR15进行监测校准,误差控制在1%以内。稀土元素和微量元素采用离子质谱仪测(ICP-MS)Excell分析测试。将样品粉末在HF+HNO3中溶解于190°C下静置3天使样品充分溶解。用蒸馏水清洗容样器皿后,加入1 mL 1μgmL-1Rh内标溶液,将样品溶液稀释后利用ICP-MS仪器测试,监测采用国家标准样品GSR1、GSR2和GSR4进行,误差通常控制在5%以内。

    3.3 锆石微量元素分析

    锆石微量元素分析于中国科学院地质与地球物理研究所进行分析。通过电磁法、浮选以及人工挑选等方法分选出锆石颗粒。在双目镜下对锆石进一步挑纯,挑选时尽量选择晶体形态较好,且颜色、晶形、透明度等有代表性的锆石。将所选锆石制成环氧树脂靶样,并进一步清洗、打磨、抛光至锆石内部结构暴露。为了更好地了解锆石内部结构并选定适宜的测定位置,对所选锆石进行透反射及阴极发光图像分析,尽量选择无裂纹及包体,干净透明且环带发育的锆石进行测试。锆石原位微量元素测试由激光剥蚀等离子质谱仪(LA-ICP-MS)完成,仪器型号为Thermo ElementⅡ等离子质谱仪,激光剥蚀系统为New Wave UP-213。采用He作为载气,激光波长213 nm、束斑40 μm、脉冲频率10 Hz、能量0.176 mJ、密度23~25 J/cm2。数据采集及测试过程如下:首先对空白背景采集15 s,然后对样品单点连续剥蚀采集45 s,停止剥蚀后对进样系统吹扫15 s,测试分析时间75 s。测试参数设置为:冷却气流速(Ar)15.55 L/min、辅助气流速(Ar)0.67 L/min、载气流速(He) 0.58 L/min、样品气流速0.819 L/min,射频发生器功率1205 W。数据测试标样使用NIST610作元素外标,应用锆石标样91500进行元素分馏校正,锆石标样Mud Tank作为同位素监控样。

    图2 边家大院矿区代表性剖面图(据Zhai et al.,2017修改)
    Fig. 2 Reprehensive cross section of Bianjiadayuan deposit (modified from Zhai et al., 2017)


    图3 边家大院石英斑岩代表性样品手标本照片(a)和镜下照片(b)
    Fig. 3 Representative hand specimen photo (a) and microscopic photo (b) of Bianjiadayuan quartz porphyry

    3.4 锆石Hf同位素分析

    锆石Hf同位素测试分析在中国科学院地质与地球物理研究所完成。采用激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICP-MS)测试。实验过程中激光剥蚀时间为26 s,激光束斑大小为50 μm,实验分析过程和校正参见文献(侯可军等,2009)。标准样品采用锆石国际标样GJ-1。176Lu衰变常数采用1.867×10-11a计算(吴福元等,2007)。球粒陨石的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf的比值分别采用0.0332和0.282 772(Blichert and Albarede, 1997),亏损地幔的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf的比值分别为0.0384和0.282 772(Blichert et al., 1997),平均地壳176Lu/177Hf值为0.0093(Vervoort and Blichert, 1999)。

    4 分析结果
    4.1 全岩地球化学特征

    石英斑岩具有富w(SiO2)(72.83%~75.01%),高w(Al2O3)(12.55%~13.42%),高钾钠(w(Na2O+K2O)=8.22%~9.21%),贫w(MgO)(0.12%~0.26%)、贫w(CaO)(0.46%~1.43%)和贫w(TiO2)(0.13%~0.17%)的特征(表1)。样品中w(K2O)(4.76%~6.15%)明显高于w(Na2O)(2.66%~3.61%)。铝饱和指数(A/CNK)介于0.93~1.14,A/NK在1.11~1.23。

    稀土元素分配模式图(图4a)中,配分曲线总体呈海鸥型。稀土元素总量介于236.46×10-6~323.74×10-6之间,平均283.28×10-6;轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损,LREE/HREE值介于6.92~9.72之间;Eu负异常明显(Eu/Eu*=0.10~0.15)。微量元素蛛网图中石英斑岩原始地幔标准化分布模式具右倾趋势,(La/Yb)N值为6.45~11.6,平均9.45,具有大离子亲石元素(如Rb、Th、U元素)相对富集,高场强元素(如Nb、P、Ti元素)相对亏损的特征(表2,图4b)。

    4.2 锆石微量元素组成

    边家大院石英斑岩样品锆石微量元素分析结果见表3,稀土元素配分模式图见图5。锆石的稀土元素总量介于2520×10-6~8101×10-6,其w(LREE)和w(HREE)分别为65.07×10-6~562.44×10-6和2455×10-6~7800×10-6。在稀土元素球粒陨石标准化图解(图5)中,锆石亏损LREE而富集HREE,轻、重稀土元素比值变化较大(LREE/HREE=0.02~0.15),具有不同程度的Ce正异常(Ce/Ce*=1.41~72.93)和Eu负异常(Eu/Eu*=0.01~0.09)。

    表1 边家大院石英斑岩主量元素(w(B)/%)组成
    Table 1 Composition major elements(w(B)/%) of Bianjiadayuan quartz porphyry

    组分

    BJ-1-1

    BJ-1-2

    BJ-1-3

    BJ-1-4

    BJ-1-5

    BJ-1-6

    BJ-1-7

    BJ-1-8

    SiO2

    72.85

    72.83

    73.06

    74.43

    74.35

    74.06

    73.83

    75.01

    TiO2

    0.16

    0.17

    0.14

    0.14

    0.13

    0.15

    0.13

    0.14

    Al2O3

    12.55

    13.11

    13.01

    12.89

    13.34

    13.42

    13.40

    13.34

    FeOT

    2.20

    2.18

    1.45

    0.92

    1.09

    0.63

    1.02

    0.56

    MnO

    0.03

    0.02

    0.03

    0.02

    0.05

    0.02

    0.05

    0.02

    MgO

    0.26

    0.20

    0.19

    0.17

    0.21

    0.16

    0.24

    0.13

    CaO

    1.43

    0.92

    1.01

    0.86

    0.48

    0.75

    0.63

    0.46

    Na2O

    3.46

    3.55

    3.27

    3.61

    2.67

    3.38

    2.66

    3.42

    K2O

    4.76

    5.12

    5.85

    5.15

    5.97

    5.83

    6.15

    5.67

    P2O5

    0.03

    0.03

    0.03

    0.03

    0.02

    0.02

    0.02

    0.02

    LOI

    1.98

    1.61

    1.80

    1.67

    1.55

    1.48

    1.72

    1.17

    总和

    99.71

    99.74

    99.84

    99.89

    99.86

    99.90

    99.85

    99.94

    Mg#

    0.17

    0.14

    0.19

    0.25

    0.26

    0.32

    0.30

    0.29

    K2O+Na2O

    8.22

    8.67

    9.12

    8.76

    8.64

    9.21

    8.81

    9.09

    K2O/Na2O

    0.01

    0.01

    0.00

    0.00

    0.00

    0.00

    0.00

    0.00

    A/CNK

    0.93

    1.00

    0.96

    0.98

    1.14

    1.01

    1.10

    1.06

    A/NK

    1.16

    1.15

    1.11

    1.12

    1.23

    1.13

    1.21

    1.13

    FeOT/(FeOT+MgO)

    0.89

    0.92

    0.89

    0.84

    0.84

    0.79

    0.81

    0.82

    K2O+Na2O-CaO

    6.79

    7.75

    8.11

    7.90

    8.17

    8.46

    8.18

    8.63

    组分

    BJ-1-1

    BJ-1-2

    BJ-1-3

    BJ-1-4

    BJ-1-5

    BJ-1-6

    BJ-1-7

    BJ-1-8

    La

    53.80

    59.80

    54.20

    49.80

    67.80

    67.00

    65.60

    58.10

    Ce

    108.00

    106.00

    106.00

    99.80

    127.00

    124.00

    122.00

    109.00

    Pr

    12.50

    13.80

    13.00

    11.50

    17.00

    16.40

    15.90

    14.60

    Nd

    49.20

    52.30

    49.90

    44.40

    67.60

    64.00

    62.50

    58.40

    Sm

    9.90

    9.97

    9.48

    8.12

    13.40

    12.30

    12.20

    11.70

    Eu

    0.37

    0.37

    0.37

    0.37

    0.41

    0.42

    0.41

    0.41

    Gd

    8.24

    8.19

    7.24

    6.34

    9.89

    9.56

    9.17

    8.64

    Tb

    1.61

    1.55

    1.25

    1.12

    1.63

    1.73

    1.52

    1.48

    Dy

    9.06

    8.65

    6.48

    5.84

    8.04

    9.53

    7.57

    7.35

    Ho

    1.83

    1.66

    1.17

    1.17

    1.43

    1.80

    1.37

    1.32

    Er

    5.28

    4.75

    3.37

    3.23

    3.99

    5.18

    3.78

    3.80

    Tm

    0.94

    0.85

    0.58

    0.56

    0.68

    0.91

    0.62

    0.64

    Yb

    5.98

    5.54

    3.88

    3.68

    4.26

    5.86

    4.05

    3.98

    Lu

    0.86

    0.80

    0.53

    0.52

    0.61

    0.82

    0.57

    0.57

    Eu/Eu*

    0.12

    0.12

    0.13

    0.15

    0.10

    0.12

    0.11

    0.12

    Ce/Ce*

    0.98

    0.87

    0.95

    0.98

    0.89

    0.89

    0.90

    0.89

    LaN/YbN

    6.45

    7.74

    10.02

    9.71

    11.42

    8.20

    11.62

    10.47

    LaN/SmN

    3.51

    3.87

    3.69

    3.96

    3.27

    3.52

    3.47

    3.21

    SmN/YbN

    1.84

    2.00

    2.71

    2.45

    3.50

    2.33

    3.35

    3.27

    DyN/YbN

    1.01

    1.05

    1.12

    1.06

    1.26

    1.09

    1.25

    1.24

    ΣREE

    267.57

    274.24

    257.45

    236.46

    323.74

    319.51

    307.26

    279.99

    LREE

    233.77

    242.24

    232.95

    213.99

    293.21

    284.12

    278.61

    252.21

    HREE

    33.79

    32.00

    24.51

    22.47

    30.53

    35.39

    28.65

    27.78

    LREE/HREE

    6.92

    7.57

    9.51

    9.52

    9.61

    8.03

    9.72

    9.08

    Sr/Y

    1.33

    1.16

    1.64

    1.77

    0.93

    0.77

    1.11

    1.19

    Hf

    3.02

    3.53

    2.84

    3.52

    4.79

    4.16

    4.60

    5.01

    Pb

    41.70

    44.70

    24.00

    20.60

    279.00

    35.10

    205.00

    46.90

    Ta

    1.99

    2.25

    1.84

    2.30

    2.22

    1.97

    2.17

    2.56

    Th

    22.20

    21.90

    20.80

    21.40

    28.90

    23.00

    26.90

    28.80

    U

    6.90

    6.83

    6.69

    7.70

    9.61

    11.30

    9.08

    6.04

    Sc

    2.21

    2.30

    1.78

    1.92

    1.99

    2.12

    1.93

    1.93

    V

    5.09

    4.70

    5.13

    5.42

    2.81

    3.22

    2.98

    2.31

    Cr

    1.83

    2.21

    1.85

    2.00

    1.66

    1.63

    1.37

    1.43

    Co

    1.12

    1.09

    0.529

    0.43

    0.99

    0.77

    0.75

    0.43

    Ni

    0.88

    0.802

    0.809

    0.66

    0.73

    1.28

    0.52

    0.51

    Ga

    20.50

    21.90

    19.20

    21.00

    22.60

    21.40

    22.00

    22.20

    Rb

    216.00

    235.00

    314.00

    251.00

    288.00

    241.00

    284.00

    249.00

    Sr

    71.30

    58

    57

    57.80

    35.90

    39.30

    40.50

    41.00

    Ba

    146.00

    159

    218

    201.00

    251.00

    219.00

    254.00

    236.00

    Y

    53.70

    50.00

    35.00

    32.60

    38.60

    51.10

    36.50

    34.50

    Zr

    59.20

    70

    58

    70.50

    101.00

    88.60

    97.80

    102.00

    Nb

    20.90

    22.70

    20.30

    22.40

    23.80

    21.60

    23.10

    26.00

    Cs

    6.17

    6.32

    8.15

    6.79

    8.90

    7.11

    8.91

    7.27

    注:比值单位为1。


    图4 边家大院石英斑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蜘蛛网图(b)(标准化值据Sun et al., 1989)
    Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns diagram (a) and primitive mantle-normalized spider diagram from the Bianjiadayuan quartz porphyry (b) (the normalization parameters are after Sun et al., 1989)

    4.3 锆石Hf同位素组成

    Hf同位素分析结果见表4。石英斑岩176Lu/177Hf比值范围为0.000 84~0.002 81,表明这些锆石在形成以后,仅具有较少放射成因Hf积累,因而可以用初始 176Hf/177Hf比值来代表锆石形成时的176Hf/177Hf比值(吴福元等,2007)。石英斑岩fLu/Hf的平均值为-0.95,明显小于铁镁质地壳和硅铝质地壳的fLu/Hf(分别为-0.34和-0.72,Ameilin et al., 1999;Vervoort et al., 1996),因此,其二阶段模式年龄更能反映其源区物质从亏损地幔抽取的时间。石英斑岩初始176Hf/177Hf比值范围为0.282 67~0.282 85,平均值为0.2873,εHf(t)值为-0.86~5.99(t=(136.9±0.8)Ma),平均值为1.51,二阶段模式年龄TDM2=809~1240 Ma。


    注:比值单位为1。


    表3 边家大院石英斑岩锆石微量元素(w(B)/10-6)组成
    Table 3 Composition of trace elements(w(B)/10-6)of zircon from Bianjiadayuan quartz porphyry

    组分

    BJ-1-1

    BJ-1-2

    BJ-1-3

    BJ-1-4

    BJ-1-5

    BJ-1-6

    BJ-1-7

    BJ-1-8

    BJ-1-9

    BJ-1-10

    BJ-1-11

    BJ-1-12

    BJ-1-13

    BJ-1-14

    BJ-1-15

    La

    0.2

    18.5

    0

    43.9

    1.0

    5.5

    0

    0

    0.1

    0.1

    62.3

    0.4

    18.4

    0

    0

    Ce

    42

    109

    36

    172

    59

    107

    48

    43

    78

    39

    250

    54

    102

    57

    74

    Pr

    0.3

    8.6

    0.5

    16.5

    1.0

    3.1

    0.2

    0.7

    0.4

    0.4

    30.1

    0.5

    7.2

    0.4

    0.5

    Nd

    6

    71

    11

    88

    18

    24

    5

    14

    10

    6

    162

    10

    44

    8

    9

    Sm

    16

    87

    31

    39

    39

    30

    15

    33

    22

    19

    57

    25

    24

    16

    22

    Eu

    0.6

    6.4

    0.9

    1.1

    0.8

    0.3

    0.3

    0.5

    0.4

    0.8

    0.8

    0.6

    0.5

    0.6

    0.6

    Gd

    81

    390

    169

    144

    229

    157

    92

    184

    135

    112

    151

    149

    109

    105

    135

    Tb

    29

    119

    56

    44

    80

    53

    31

    63

    47

    37

    46

    52

    38

    37

    46

    Dy

    336

    1294

    622

    501

    953

    638

    367

    736

    560

    450

    524

    619

    435

    437

    536

    Ho

    131

    441

    231

    184

    360

    236

    143

    273

    210

    170

    196

    235

    169

    170

    204

    Er

    556

    1761

    949

    756

    1494

    981

    610

    1131

    896

    734

    835

    994

    728

    720

    873

    Tm

    115

    346

    187

    150

    298

    201

    126

    224

    182

    147

    168

    200

    144

    146

    173

    Yb

    1013

    2906

    1593

    1315

    2533

    1732

    1098

    1867

    1570

    1292

    1458

    1693

    1260

    1274

    1507

    Lu

    195

    544

    295

    246

    473

    323

    206

    339

    294

    244

    271

    315

    232

    239

    282

    Y

    3581

    11785

    6177

    4953

    9685

    6418

    3847

    7337

    5735

    4698

    5389

    6432

    4589

    4580

    5569

    Ti

    10

    10

    9

    13

    8

    13

    12

    10

    9

    5

    10

    8

    10

    10

    14

    Zr

    477015

    471150

    475456

    476314

    469451

    472355

    476728

    474408

    473726

    476613

    472062

    472274

    475081

    474113

    474329

    Hf

    27311

    21404

    25665

    24478

    27695

    29170

    27143

    24676

    28411

    26364

    29967

    29894

    28250

    29726

    26566

    Th

    528

    1293

    522

    1204

    1205

    853

    551

    789

    740

    436

    1154

    749

    710

    851

    1241

    U

    1057

    1887

    976

    1731

    2335

    1822

    1151

    1460

    1537

    932

    2478

    1466

    1366

    1495

    2124

    Eu/Eu*

    0

    0.1

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    Ce/Ce*

    34.5

    2.1

    22.2

    1.6

    12.9

    6.2

    72.9

    18.6

    52.6

    30.6

    1.4

    26.0

    2.2

    39.5

    45.1

    ΣREE

    2520

    8101

    4181

    3702

    6538

    4491

    2741

    4909

    4005

    3252

    4212

    4349

    3311

    3211

    3862

    LREE

    65.1

    300.8

    78.9

    361.0

    118.8

    169.4

    67.9

    90.9

    110.0

    65.7

    562.4

    90.9

    196.7

    82.4

    105.7

    HREE

    2455

    7801

    4103

    3341

    6419

    4321

    2674

    4818

    3895

    3187

    3649

    4258

    3114

    3129

    3756

    LREE/

    HREE

    0

    0

    0

    0.1

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    0.2

    0

    0.1

    0

    0

    Th/U

    0.5

    0.7

    0.5

    0.7

    0.5

    0.5

    0.5

    0.5

    0.5

    0.5

    0.5

    0.5

    0.5

    0.6

    0.6

    注:比值单位为1。


    图5 边家大院石英斑岩锆石球粒陨石标准化稀土元素配分模式曲线(标准化值据Sun et al.,1989)
    Fig. 5 Chondrite-normalized REE diagram for zircons from the Bianjiadayuan quartz porphyry (chondrite normalization values are from Sun et al.,1989)

    5 讨 论
    5.1 岩浆演化

    在A/NK-A/CNK分类图解(图6a)中,样品落于准铝质-弱过铝质区域,在K2O-SiO2和Th-SiO2图解(图6b、c)中,投点均落于高钾钙碱性-钾玄岩系列区域范围,显示高钾钙碱性特征;在稀土元素球粒陨石标准化图解(图4a)中,其配分曲线总体呈海鸥型,具有轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的特征,且具有明显的Eu负异常;在微量元素蛛网图(图4b)中,石英斑岩原始地幔标准化分布模式具右倾趋势,富集K、Rb、Th、U等大离子亲石元素,亏损Ba、Sr、P、Ti等元素,且(La/Yb)N值为6.45~11.6,平均9.45。以上主量元素、微量元素、稀土元素特征显示,石英斑岩在成岩过程中经历了分异结晶过程。

    Zr/Hf和Nb/Ta等“双胞胎元素”的比值在岩浆分异过程中会显著变小(Green,1995;吴福元等,2007),常用于指示岩浆分异演化程度(吴福元等,2017)。在Nb/Ta-Zr/Hf图解(图7a)中,石英斑岩样品均落在高分异花岗岩区,指示其经历了高度分异结晶演化。同时,石英斑岩具有较高的Rb/Sr比值,在Rb/Sr-w(SiO2)图解(图7b)中,样品点落于个旧成锡花岗岩统计区,显示其具有与个旧岩成锡花岗岩类似的分异程度(解世熊,2021)。

    表4 边家大院石英斑岩锆石Hf同位素组成
    Table 4 Zircon Lu-Hf isotopic compositions of the Bianjiadayuan quartz porphyry

    样品编号

    年龄

    /Ma

    176Yb/177Hf

    2SE

    176Lu/177Hf

    2SE

    176Hf/177Hf

    2SE

    (176Hf/177Hf)i

    fLu/Hf

    εHf(0)

    εHf(t)

    2SE

    TDM1

    /Ma

    TDM2

    /Ma

    BJ-1-01

    139

    0.040603

    0.000309

    0.001342

    0.000018

    0.282701

    0.000050

    0.282697

    -0.96

    -2.53

    0.40

    1.78

    789

    1164

    BJ-1-02

    142

    0.028788

    0.000203

    0.001023

    0.000009

    0.282742

    0.000046

    0.282739

    -0.97

    -1.07

    1.95

    1.62

    724

    1068

    BJ-1-03

    140

    0.090699

    0.003501

    0.002812

    0.000108

    0.282862

    0.000056

    0.282855

    -0.92

    3.18

    5.99

    2.00

    581

    809

    BJ-1-04

    139

    0.072102

    0.004383

    0.002310

    0.000123

    0.282803

    0.000047

    0.282797

    -0.93

    1.09

    3.93

    1.67

    660

    940

    BJ-1-05

    140

    0.036333

    0.000373

    0.001237

    0.000017

    0.282690

    0.000048

    0.282687

    -0.96

    -2.90

    0.06

    1.69

    802

    1187

    BJ-1-06

    140

    0.100474

    0.009069

    0.002806

    0.000221

    0.282746

    0.000047

    0.282739

    -0.92

    -0.91

    1.90

    1.67

    754

    1069

    BJ-1-07

    134

    0.031437

    0.000151

    0.001072

    0.000008

    0.282672

    0.000047

    0.282669

    -0.97

    -3.53

    -0.69

    1.68

    824

    1229

    BJ-1-08

    135

    0.027944

    0.000348

    0.000925

    0.000007

    0.282715

    0.000057

    0.282713

    -0.97

    -2.00

    0.87

    2.02

    760

    1131

    BJ-1-09

    133

    0.025385

    0.000203

    0.000840

    0.000001

    0.282667

    0.000053

    0.282665

    -0.97

    -3.71

    -0.86

    1.87

    826

    1240

    注:比值单位为1。


    图6 A/NK-A/CNK判别图解(a,底图据Frost et al., 2001)、w(K2O)-w(SiO2)图解(b,底图据Peccerillo et al., 1976)和w(Th)-w(SiO2)图解(c,底图据Hastie et al., 2007)
    Fig. 6 TAS granitoids classification diagrams (a, after Frost et al., 2001),w(K2O)-w(SiO2) diagram (b, after Peccerillo et al, 1976 )andw(Th)-w(SiO2) diagram (c, base map after Hastie et al., 2007 )


    图7 Nb/Ta-Zr/Hf判别图解(a,根据吴福元等,2017修改)和Rb/Sr-w(SiO2)判别图解(b,根据解世雄,2021修改)
    Fig. 7 Nb/Ta-Zr/Hf discrimination diagrams (a, modified after Wu et al., 2017) and Rb/Sr-w(SiO2) discrimination diagrams (b, modified after Xie, 2021)


    图8 εHf(t)-结晶年龄图解(a)和176Hf/177Hf-结晶年龄图解(b)
    Fig. 8 Diagram of εHf(t) vs. crystallization age (a) and 176Hf/177Hf vs. crystallization age (b)

    5.2 岩浆来源

    边家大院石英斑岩锆石Hf同位素以正εHf(t)值(-0.86~5.99)和相对年轻的模型年龄(TDM2=809~1240 Ma)为特征。在εHf(t)-年龄图(图8)中,样品落入中亚中央造山带火成岩区域(Xiao et al., 2004;Chen et al., 2009)。近年来对大兴安岭南段一系列早白垩世成矿侵入岩的Hf同位素研究表明,与大兴安岭南段锡-银多金属矿床相关的花岗质侵入岩具有类似的Hf同位素组成(姚磊等,2017;Mi et al., 2020;Chen et al., 2021;Ji et al., 2023),前人研究一致认为这些花岗岩是新元古代—中元古代年轻下地壳部分熔融的产物(吴福元,2007)。

    5.3 岩浆氧逸度和结晶温度

    基于锆石中变价元素Ce和Eu在锆石和熔体间分配系数与氧逸度的关系,可有效计算岩浆氧逸度(Ballard et al., 2002;Shen et al., 2015;郑伟等,2018)。相较于Ce3+,Ce4+的离子半径与Zr4+的离子半径更相近,更易替换Zr4+进入锆石。同时Ce3+和Ce4+对岩浆的氧化还原状态具有很高的敏感度且其分异能力强,因此常通过Ce4+/Ce3+比值判断岩浆氧逸度(Ballard et al., 2002)。Eu元素在岩浆中地球行为与Ce元素具有紧密相关性,实验表明,Eu异常与Ce异常通常呈正相关关系,因而也常通过δEu来指示熔体的氧逸度(Burnham et al., 2014)。基于Ce在锆石和全岩中的含量,应用Geo-fO2软件(Li et al., 2019)可计算获得锆石Ce4+/Ce3+比值,计算结果显示石英斑岩Ce4+/Ce3+比值为4.6~32.3,平均值为14.9。基于Ce在锆石和硅酸盐熔体中的分配行为,可计算岩浆绝对氧逸度(Smythe et al., 2016),计算结果显示,石英斑岩logf(O2)平均值为-14.5,△FMQ-0.15。在锆石稀土元素蛛网图(图5)中,样品表现出明显的Eu负异常。岩浆氧逸度-结晶温度图解(图9)中,边家大院石英斑岩样品大部分投点于FMQ氧逸度缓冲线以下。以上结果指示边家大院石英斑岩源于氧逸度较低的还原性岩浆。

    图9 lgf(O2)-T图解(氧逸度缓冲对曲线根据Eugster et al., 1962绘制)
    Fig. 9 lgf(O2)-Tdiagram (The oxygen fugacity buffer data are after Eugster et al., 1962)

    锆石中Zr分配行为对温度极度敏感,可以用来计算岩浆初始结晶温度(Miller et al., 2003)。基于Ti在锆石中与Si的类质同象,可计算获得锆石Ti温度(Ferry et al., 2007)。计算结果显示,石英斑岩T(Zr)温度为754℃,T(Ti)温度为728~826℃,平均温度为790℃。已有研究显示,大部分高温条件下形成的花岗岩(>750℃),其锆石T(Ti)温度落在湿花岗岩固相线以上(Harrison et al., 2007)。据此可以判断石英斑岩来源于缺水条件下发生的部分熔融。锆石微量元素特征也可以指示岩浆是否富水(Lu et al., 2015),锆石10000×(Eu/Eu*)/Y和(Ce/Nd)/Y比值是指示岩浆含水量的重要指标。边家大院石英斑岩10000×(Eu/Eu*)/Y比值为0.23~1.12(平均值0.24),(Ce/Nd)/Y比值为0.000 13~0.003 37(平均值0.000 76),为贫水岩浆岩(图10a)。在(Eu/Eu*)-(Ce/Nd)/Y图解(图10b)中大部分点也位于贫水岩浆区域。以上结果指示边家大院石英斑岩为贫水岩浆岩。

    5.4 岩浆成矿潜力评价

    边家大院锡多金属矿床勘探发现石英斑岩岩体内同时发育有锡矿体和铜钼矿体。锆石微量元素特征,特别是Ce4+/Ce3+、CeN/CeN*、Ce/Nd和EuN/EuN*比值是判断岩浆成矿属性,评价斑岩体成矿潜力的有力指针(Shu et al., 2019)。在Ce/Ce*以及(Ce/Nd)N与Eu/Eu*关系图解(图11a、b)中,石英斑岩主要投点在成锡侵入岩范围内。同时根据锆石微量元素比值与矿床规模关系统计研究结果(Shu et al., 2019),相关指标Ce4+/Ce3+、CeN/CeN*、Ce/Nd和EuN/EuN*均指示石英斑岩成铜钼矿潜力≤0.3 Mt,指示其铜-钼成矿潜力有限。

    如前所述,边家大院石英斑岩形成于还原性岩浆。由于Sn2+在花岗岩岩浆中较Sn4+表现出更为不相容的特征(Lehmann, 1989),在还原性花岗岩岩浆中更容易在残余熔体中富集形成锡矿床,因此边家大院石英斑岩低氧逸度特征指示其具有较好的成锡矿潜力。但低氧逸度会导致Cu2+与S2-形成沉淀,不利于铜在后期熔体中富集。同时,上述研究表明石英斑岩为贫水岩浆岩。缺水条件下发生部分熔融常会导致熔融温度较高,高温条件有利于黑云母脱水主导部分熔融过程,进而有利于熔体中锡的富集。同时岩浆水含量低,可以延迟岩浆达到水饱和流体出溶过程,也有利于锡在残余熔体中富集(袁顺达等,2020)。因此,边家大院石英斑岩具有良好的锡成矿潜力,而成铜钼矿潜力有限。

    图10 锆石10000×(Eu/Eu*)/Y-(Ce/Nd)/Y图解(a)和锆石Eu/Eu*-(Ce/Nd)/Y图解(b)(根据Lu et al., 2015;解世雄,2021修改)
    Fig. 10 Plot of 10000×(Eu/Eu*)/Y-(Ce/Nd)/Y for zircons (a) and plot of Eu/Eu*-(Ce/Nd)/Y for zircons (b) (modified after Lu et al., 2015; Xie, 2021)


    图11 锆石(Ce/Ce*)-(Eu/Eu*)图解(a)和锆石(Ce/Nd)N-(Eu/Eu*)图解(b)(据Sun et al., 2023修改)
    Fig. 11 Plot of (Ce/Ce*)-(Eu/Eu*) for zircons (a) and plot of (Ce/Nd)N-(Eu/Eu*) for zircons (b) (modified after Sun et al., 2023)

    6 结 论

    本次研究基于内蒙古边家大院锡多金属矿床成矿岩体岩石地球化学、锆石Hf同位和微量地球化学特征,获得以下结论:

    (1) 边家大院石英斑岩为新元古代年轻地壳部分熔融形成,且经历了高分异结晶演化。

    (2) 边家大院石英斑岩源于还原性、贫水岩浆。

    (3) 边家大院石英斑岩有利于锡金属富集成矿,但成铜钼矿潜力小。

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