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  中国地质 2019, Vol. 46 Issue (4): 861-877  
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黄文明, 吴才来, 高栋, 吴迪, 刘川云, 曾全. 2019. 安徽铜陵沙滩脚矿田中酸性侵入岩成因及构造意义[J]. 中国地质, 46(4): 861-877.  
Huang Wenming, Wu Cailai, Gao Dong, Wu Di, Liu Chuanyun, Zeng Quan. 2019. Petrogenesis and tectonic implications of the intermediate-acid plutons in Shatanjiao ore-field, Tongling, Anhui[J]. Geology in China, 46(4): 861-877. (in Chinese with English abstract).  

安徽铜陵沙滩脚矿田中酸性侵入岩成因及构造意义
黄文明1, 吴才来2, 高栋2, 吴迪3, 刘川云1, 曾全1    
1. 安徽省地质矿产勘查局321地质队, 安徽 铜陵 244033;
2. 自然资源部深地动力学重点实验室/中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;
3. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
摘要: 安徽省铜陵地区是中国著名的以矽卡岩和斑岩型矿床为主的铜-金多金属矿集区, 区内广泛产出的中酸性侵入岩与成矿关系十分密切。沙滩脚矿田位于该矿集区的东部, 出露沙滩脚、桂花冲和姚家岭岩体及其不同规模、不同矿化类型的铜、金、锌等矿床, 岩体对成矿起了重要的控制作用。本文在前人研究的基础上, 对该矿田内的沙滩脚、姚家岭、桂花冲3个岩体进行了详细的岩石学、地球化学和锆石U-Pb年代学研究, 以期查明沙滩脚矿田中酸性侵入岩的成因及成岩构造环境。岩石地球化学分析表明, 3个岩体具有准铝质特征, 均属于高钾钙碱性I型花岗岩类, 轻稀土富集, 重稀土亏损, 具有弱的负Eu异常, 富集Rb、Th等元素, 亏损Nb、Ta等高场强元素。姚家岭岩体的锆石U-Pb年龄为140.4~140.9 Ma, 沙滩脚岩体形成时代相对较早(141.4~144.1 Ma), 桂花冲岩体形成相对较晚(138.3Ma)。结合区域地质背景, 笔者认为沙滩脚矿田的这些岩体形成于早白垩世伸展环境, 是由来自于富集地幔的分异的碱性玄武质岩浆与地壳易熔组分部分熔融形成的花岗质岩浆混合后分期侵位形成的。
关键词: 中酸性侵入岩    地球化学    锆石U-Pb年代学    沙滩脚矿田    铜陵    
中图分类号:P588.12+1            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2019)04-0861-17
Petrogenesis and tectonic implications of the intermediate-acid plutons in Shatanjiao ore-field, Tongling, Anhui
HUANG Wenming1, WU Cailai2, GAO Dong2, WU Di3, LIU Chuanyun1, ZENG Quan1    
1. 321 Geology Party, Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Tongling 244033, Anhui, China;
2. Key Laboratory of Deep-Earth Dynamics of MNR, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037;
3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing, 100081
Abstract: The Tongling area of Anhui Province is a famous copper-gold polymetallic ore concentration area dominated by skarn and porphyry type deposits in China. The widely exposed intermediate-acid intrusive rocks in the area are closely related to mineralization. The Shatanjiao ore-field is located in the eastern part of the ore concentration area. The Shatanjiao, Guihuachong and Yaojialing rock bodies and their copper, gold and zinc deposits of different scales and mineralization types are exposed. Rock bodies play an important role in controlling mineralization. On the basis of previous studies, a detailed studies on petrography, geochemistry and zircon U-Pb chronology for Shatanjiao, Yaojialing and Guihuachong plutons in the ore-field were carried out in order to find out the petrogenesis of these plutons and their forming tectonic setting. Geochemically, the three plutons have a metaluminous characteristics, all of which belong to high-potassium calc-alkline series Ⅰ-type granites with depletion in HREE, Nb, Ta, and enrichment in LREE, Rb, Th, and slightly negative Eu anomaly. The zircon U-Pb age of the Yaojialing pluton is 140.4-140.9Ma, while the Shatanjiao pluton formed relatively earlier (141.4-144.1 Ma), and the Guihuachong pluton formed later (138.3Ma). Combined with the regional geology, we infer that these plutons in the ore-field were emplaced in the early Cretaceous extended environment, which is crystallized from a mixed magma between a differentiated basaltic magma derived from the enriched mantle and a felsic magma from the partial melting of crustal fusible component.
Key words: intermediate-acid intrusive rock    geochemistry    Zircon U-Pb chronology    Shatanjiao ore-field    Tongling    

1 引言

铜陵地区位于长江中下游铁-铜-金多金属成矿带的中段, 是中国著名的以矽卡岩-斑岩型矿床为主的铜、金多金属矿集区。前人研究表明, 铜陵矿集区铜、金多金属矿床与中生代中酸性岩浆活动密切相关(常印佛等, 1983, 2017; 翟裕生等, 1992; 周珣若等1993; 吴才来等, 1997, 2003, 2008, 2010a, b, 2013; 储国正等, 1999, 2000; Wu et al., 2000, 2014, 2017; 田世洪等, 2001; 王元龙等, 2004; 雷敏等, 2010; 孟祥金等, 2011; 楼金伟等, 2012; 李名则等, 2016)。该矿集区自西向东具有铜官山、狮子山、焦冲、新桥头、舒家店、凤凰山、沙滩脚7个矿田。前6个矿田中的侵入岩前人已做过较多的研究, 而对沙滩脚矿田内的侵入岩研究则相对薄弱。近年来, 随着沙滩脚矿田内姚家岭大型锌金矿和桂花冲中型铜金矿的发现, 矿田内的中酸性侵入岩的成因引起了众多学者的关注, 不少学者对这些侵入岩做了较深入的研究(狄永军等, 2005; 吴星星等, 2011; 韩长生等, 2013; 刘绍锋等, 2013; 刘建敏等, 2014; 岳紫龙等, 2015, 2016; 李晓晖, 2016; 殷延瑞等, 2016; 黄文明等, 2016; 何柳昌等, 2018)。沙难脚矿田内主要岩体有沙滩脚花岗闪长岩、桂花冲花岗闪长斑岩和姚家岭斑状花岗闪长岩。研究表明, 沙滩脚矿田内的姚家岭锌金矿(大型-特大型)主要产在岩体内部灰岩捕虏体的层间破碎带及其与岩体的接触带, 而桂花冲铜金矿(中型)产于岩体接触带及内部, 岩体具有细脉-浸染状矿化特征; 沙滩脚铜矿(小型)却产于岩体与围岩接触带的矽卡岩中(蒋其胜等, 2005; 吴才来等, 2013; 黄文明等, 2016; 殷延端等, 2016)。为什么同一个矿田内成矿特点、成矿规模如此不同?岩体是否起了关键的作用?如果是这样, 那么不同岩体在地质特征、岩石学特征及地球化学特征上有何异同?它们形成的时代及成因是否一致?因此, 本文对矿田内的沙滩脚、姚家岭、桂花冲3个岩体进行了岩石学、地球化学和年代学方面的研究, 结合前人已有的研究成果, 着重探讨它们的成因类型及形成的构造环境, 试图对沙滩脚矿田深部找矿的前景作出判断。

2 岩体地质及岩相学特征

铜陵矿集区位于扬子板块北缘, 长江中下游铁-铜-金多金属成矿带的中部, 自西向东分布着7个矿田。其中的沙滩脚矿田位于铜官山—戴家汇构造岩浆带的东端, 戴公山背斜北东段, 北面与繁昌火山凹陷相邻, 东面与宣南坳陷接壤(图 1a, b)。

图 1 长江中下游成矿带位置及构造单元简图(a、b)及铜陵矿集区地质简图(c, 据Wu et al., 2014) Fig. 1 Location and structural map of the Middle-Lower Yangtze River Valley metallogenic belt (a, b) and geological sketch map of the Tongling ore district (c, after Wu et al., 2014)

区内地层从志留系到白垩系出露较齐全, 仅缺失下、中泥盆统和下石炭统(图 2)。志留系中统至泥盆系上统为半深海相的笔石页岩及陆相碎屑岩沉积; 石炭系黄龙、船山组至三叠系中统东马鞍山组以滨海—浅海相的碳酸盐岩为主, 夹半深海硅质岩及海陆交互相的碎屑岩; 侏罗系上统至白垩系上统宣南组为陆相火山碎屑岩。中生代以来, 沙滩脚矿田所在的区域构造活动频繁, 印支期褶皱构造和燕山期岩浆侵入、火山喷发活动叠加复合, 奠定了区内主要的构造格局。沙滩脚矿田内断裂构造发育, 主要为北东向和北西向2组, 北东向断层为纵断层, 主要有大青涝断层, 北西向断层为横断层, 主要有戴公山破碎带、青山南破碎带和矿田中部被花岗斑岩岩墙所占据的断层。矿田内岩浆岩发育, 主要有沙滩脚岩体、姚家岭岩体以及桂花冲岩体。各岩体地质特征分述如下。

图 2 沙滩脚矿田地质简图 Fig. 2 Geological sketch map of Shatanjiao ore-field

沙滩脚岩体:平面形态不规则, 大致呈北东向产出, 出露面积约5.5 km2, 呈岩株状侵入, 围岩以三叠纪、二叠纪灰岩为主。岩体中发育暗色微粒包体。主要岩性为花岗闪长岩, 呈灰白色, 不等粒粒状结构, 局部为似斑状结构, 块状构造。主要矿物组成为斜长石(50%), 可见环带结构; 钾长石(25%), 以微斜长石为主, 可见格子双晶; 石英(20%), 他形浑圆状; 暗色矿物为角闪石(2%)和黑云母(3%)(图 3a), 副矿物为磷灰石、锆石、磁铁矿等。

图 3 沙滩脚矿田3个岩体镜下照片 a—沙滩脚岩体, 不等粒-似斑状结构; b—姚家岭岩体, 似斑状结构; c—桂花冲岩体, 似斑状结构, 斜长石强烈的绢云母化; Pl—斜长石; Kfs—钾长石; Q—石英 Fig. 3 Microphotographs of the three plutons in Shtanjiao ore-field a- Shatanjiao pluton, inequigranular and porphyritic-like texture; b-Yaojialing pluton, porphyritic-like texture; c-Guihuachong pluton, porphyritic-like texture, strong sericitization for plagioclase; Pl-Plagioclase; Kfs-Potash feldspar; Q-Quartz

姚家岭岩体:位于沙滩脚岩体东部, 地表出露形态呈北西西向的不规则长条状, 围岩主要为志留系坟头组粉砂质页岩至二叠系栖霞组灰岩, 地表出露面积约0.60 km2。经钻孔揭露该岩体呈东西向延伸, 出露面积1.25 km2。主要岩性为斑状花岗闪长岩, 呈浅灰至灰白色, 似斑状结构, 块状、角砾状构造。主要矿物组成为斜长石(55%), 其次为钾长石(20%)、石英(20%)、角闪石(3%)、黑云母(2%)等(图 3b), 部分呈斑晶的石英被熔蚀, 呈圆形港湾状。副矿物为锆石、磷灰石等。

桂花冲岩体:位于沙滩角和姚家岭岩体的北东方向, 距姚家岭岩体约1 km。岩体的围岩主要为三叠系下统南陵湖组及和龙山组石灰岩。地表出露面积约0.05 km2。主要岩性为花岗闪长斑岩, 呈灰色至深灰色, 斑状结构, 角砾状、块状构造。主要矿物组成为斜长石(52%), 钾长石(15%), 石英(18%), 黑云母(6%)和角闪石(9%)。主要副矿物为磁铁矿、磷灰石、锆石等。岩相学特征与姚家岭岩体的相似(图 3c), 但斜长石发育绢云母化。

3 分析测试方法 3.1 锆石U-Pb定年

锆石的分选工作在河北廊坊区调院完成, 将样品破碎至60~80目并用清水淘洗干净, 用磁铁除去磁铁矿等磁性矿物, 再用重液选出锆石, 在双目镜下挑出晶形较好的锆石。然后将锆石和标样一起粘在玻璃板上, 用环氧树胶浇铸, 制成薄片、抛光。锆石阴极发光照片拍摄及最后测试工作在中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学重点实验室完成, 所用仪器采用美国Thermo Fisher公司Neptune Plus型多接收等离子体质谱仪和美国Coherent公司生产的GeoLasPro 193 nm激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS), 使用的激光剥蚀束直径为32 μm, 频率为8 Hz, 使用He作为剥蚀物质的载气, 锆石年龄统一采用91500标准锆石作为外部标样, 选用GJ-1作为辅助标样对数据的准确性进行验证。最后的数据处理采用ICPMSDataCal程序获得(Liu et al., 2010), 锆石年龄谐和图用Isoplot程序获得(Ludwig, 2003)。

3.2 全岩化学分析

在显微镜下对岩石样品薄片进行观察, 挑选出新鲜的样品做全岩化学分析。将样品研磨至200目以下, 用于全岩主微量元素分析, 全岩粉末样制备工作由廊坊诚信地质服务公司完成。样品主量元素、稀土元素和微量元素的测试工作在广州澳实矿物实验室完成, 主量元素分析采用X射线荧光熔片法完成, 分析精度分别为: SiO2: 1.0%; Al2O3%: 0.5%; Fe2O3: 0.4%; MgO: 0.4%;CaO: 0.6%; Na2O: 0.3%;K2O: 0.4%; MnO: 0.7%; TiO2: 0.9%; P2O5: 0.8%。微量元素分析采用HF + HNO3溶解样品, 加入Rh内标溶液后转化为1% HNO3, 用Peelan 6000型ICP MS完成测定, REE含量测试误差7%以下, 其余微量元素的误差低于10%。

4 分析结果 4.1 锆石U-Pb定年

本次研究选择姚家岭岩体的两个样品进行了锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb同位素年代学测试, 分析结果见表 1

表 1 姚家岭岩体锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果 Table 1 LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb isotopic data of the Yaojialing pluton

样品17CL564(样品为斑状花岗闪长岩):锆石呈长柱状, 阴极发光照片显示具有清晰的岩浆振荡环带(图 4a)。共选取了30颗锆石进行U-Pb同位素测试, 其中Th含量为185.2×10-6~590.5×10-6, 平均值为386.3×10-6。U含量为302.6×10-6~644.3×10-6, 平均值为443.8×10-6, 232Th/238U比值为0.61~1.11, 平均值为0.86, 属于典型的岩浆锆石(Corfu, 2003; Wu et al., 2004)。剔除铅丢失严重的数据点后, 剩余24个有效点的U-Pb谐和线年龄为(140.4±0.4)Ma(MSWD=0.07)。将24个有效点的206Pb/238U表面年龄加权平均, 获得平均年龄为(140.4±0.9) Ma (MSWD=0.90), 与谐和线年龄在误差范围内一致, 代表岩体的形成年龄(图 4b)。

图 4 姚家岭岩体锆石阴极发光图像和锆石U-Pb谐和年龄及加权平均年龄 Fig. 4 Cathodoluminescence (CL) images of representative zircon grains and zircon U-Pb concordia plot of the Yaojialing pluton

样品17CL566 (样品为斑状花岗闪长岩)。共选取了30颗锆石进行U-Pb同位素年龄测试。阴极发光照片显示锆石呈柱状, 具有清晰的岩浆振荡环带(图 4c)。测定结果表明, 锆石的Th、U含量变化较大, 其中Th的含量为17.8×10-6~733.1×10-6, 平均307.3×10-6, U的含量为32.1×10-6~745.1×10-6, 平均426.3×10-6, 232Th/238U比值为0.31~0.98, 平均0.69, 属于典型的岩浆锆石。剔除铅丢失严重的数据点后, 获得该样品28个有效点U-Pb谐和线年龄为(140.8±0.8) Ma(MSWD=0.66), 将其206Pb/238U表面年龄加权平均, 获得的加权平均年龄为(140.9±0.7) Ma(MSWD=0.6), 与谐和年龄在误差范围内一致, 代表岩体的形成年龄(图 4d)。

4.2 地球化学特征

根据我们的分析数据, 结合前人已有的研究成果, 综合对比了沙滩脚、姚家岭及桂花冲岩体的岩石地球化学特征, 数据如表 2所示。

表 2 沙滩脚矿田3个岩体岩石化学成分 Table 2 Chemical composition of three plutons in Shatanjiao ore-field

(1) 主量元素

沙滩脚岩体SiO2含量为64.6%~65.2%, 平均含量为65.0%。Al2O3含量为15.67%~16.12%, 平均值为15.96%。TFe2O3含量为1.20%~3.48%, 平均值为2.30%。MgO含量为0.50%~1.89%, 平均值为1.14%。全碱含量(ALK)为6.79%~10.11%, 平均值为7.90%。K2O/Na2O为0.42~0.81, 平均值为0.67。里特曼指数为2.07~4.49, 平均值为2.85。铝饱和指数(A/CNK)为0.81~0.87, 平均值为0.85。

与沙滩脚岩体相比, 姚家岭岩体SiO2的含量相似, 为61.71%~67.78%(平均为65.79%); Al2O3、TFe2O3含量变化较大, 分别为13.44%~16.42%(平均: 15.59 %)、0.72%~3.60%(平均: 2.93%); MgO和全碱含量(ALK)含量较低, 分别为0.45%~0.72% (平均: 0.57 %)、6.46%~8.00% (平均: 7.24%); K2O/Na2O除17CL564点大于1外, 其余点为0.19~0.81, 平均值为0.59, 与沙滩脚岩体的相似。里特曼指数较沙滩脚岩体的小, 为1.67~2.96, 平均值为2.28。然而, 我们本次测试的2个样品铝饱和指数(A/CNK)小于1.1, 平均值为0.75, 与前人(刘绍锋等, 2013)的铝饱和指数(1.2~1.4, 平均: 1.3)不同。

桂花冲岩体比沙滩脚、姚家岭岩体的SiO2和Al2O3含量略低, 分别为63.06%~65.96%(平均: 64.72 %)和12.92%~16.34% (平均: 15.14 %); TFe2O3含量略高, 为2.41%~4.14%(平均: 3.11 %); MgO含量(0.54%~1.31%, 平均: 0.84 %)低于沙滩脚岩体而高于姚家岭岩体; 全碱含量(ALK)(2.79%~9.16%, 平均: 6.81%)、K2O/Na2O比值(0.07~0.68, 平均: 0.49)和里特曼指数(0.35~3.54, 平均: 2.23)略低于前两个岩体; 铝饱和指数(A/CNK)(0.93~1.06, 平均: 0.90)低于姚家岭岩体而高于沙滩脚岩体。

3个岩体样品在铝饱和指数分类图解中(Maniar et al., 1989)均落入准铝质区域, 仅有3个样品(刘绍锋等, 2013)落入过铝质区域(图 5a)。在K2O-SiO2岩浆岩系列判别图解中, 样品主要集中在高钾钙碱性区域(Rickwood, 1989)(图 5b), 以上特征表明, 沙滩脚矿田内的中酸性侵入岩主要为准铝质, 属高钾钙碱性系列。

图 5 A/NK-A/CNK图解(a)(据Maniar et al., 1989)和K2O-SiO2图解(b)(据Rickwood, 1989) (图中浅灰色区域代表长江中下游地区J3-K1侵入岩, 据Wu et al., 2018)) Fig. 5 Diagrams of A/NK-A/CNK (a) (after Maniar et al., 1989) and K2O-SiO2 (b)(after Rickwood, 1989) (The gray area in the Figure represents the J3-K1 granitoicl rocks in the middle and lower reaches of the Yangtze River, after Wu et al., 2018)

(2) 稀土微量元素

沙滩脚岩体的稀土总量(ΣREE)为85.99×10-6~205.15×10-6, 平均为155.97×10-6; 轻重稀土比值(LREE/HREE)为11.63~14.82, 平均为13.38; (La/Yb)N为16.74~24.13, 平均为20.27, 说明该岩体稀土富集而重稀土亏损, 轻重稀土分馏明显。δEu值为0.78~0.90, 呈弱的负Eu异常。

姚家岭岩体的稀土总量(123.21×10-6~182.2×10-6, 平均: 159.44×10-6)与沙滩脚岩体的相似, 轻重稀土比值(11.67~17.99, 平均: 15.5)、(La/Yb)N值(14.41~30.76, 平均: 23.52)的变化范围和平均值比沙滩脚岩体的大; 但δEu值(0.74~0.86, 平均: 0.79)略小于沙滩脚岩体。

桂花冲岩体的稀土总量(127.26×10-6~209.19×10-6, 平均: 175.02×10-6)、轻重稀土比值(=12.97~18.01, 平均: 15.72)、(La/Yb)N值(19.54~38.94, 平均: 26.72)和δEu值(0.75~0.96, 平均:0.84)均高于沙滩脚、姚家岭岩体。

总体上, 3个岩体的稀土元素球粒陨石标准化配分模式呈右倾型, 轻稀土富集而重稀土亏损, 具有较弱的负Eu异常(图 6a), 表现出相似的稀土元素配分特征。微量元素原始地幔标准化图解上, 3个岩体均表现出相对富集Rb、Th、U、La, 亏损Nb、Ta等元素的特征(图 6b), 微量元素特征较为相似, 但也存在一些差别。3个岩体中, 沙滩脚岩体Sr含量变化较大, 为652×10-6~2393×10-6, 平均为1147×10-6; 姚家岭岩体Sr含量则相对低一些, 为161.2×10-6~575.8×10-6, 平均412.1×10-6; 桂花冲岩体的Sr含量最高, 为299×10-6~4083×10-6, 平均1438×10-6。三者的Y含量则较为接近, 沙滩脚岩体Y含量为8.26×10-6~21.4×10-6, 姚家岭岩体Y含量为9.0×10-6~20.7×10-6, 桂花冲岩体Y含量为7.3×10-6~15.1×10-6。由于上述3个岩体中Sr含量的差别, 所以它们的Sr/Y比值也呈现出明显的差别, 桂花冲岩体Sr/Y比值最高(20.98~270.4, 平均108.09), 其次为沙滩脚岩体(47.5~137.5, 平均80.0), 姚家岭岩体Sr/Y含量最低(7.78~63.84, 平均35.71)。沙滩脚Rb/Sr比值(0.03~0.19, 平均0.11)与桂花冲(0.016~0.244, 平均0.102)相近, 而姚家岭的则相对较高(0.16~2.88, 平均0.73)。

图 6 稀土元素球粒陨石标准化配分模式(a)和微量元素蛛网图(b)(据Sun and McDonough, 1989) Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and trace elements spider diagram (b) (after Sun and McDonough, 1989)

沙滩脚岩体Nb含量(10.5×10-6~16.1×10-6, 平均13.8×10-6)与桂花冲岩体(9.9×10-6~16.6×10-6, 平均13.7×10-6)比较接近, 低于姚家岭岩体Nb含量(14.4×10-6~16.9×10-6, 平均15.3×10-6)。3个岩体的Ta含量则非常接近, 沙滩脚岩体为0.6×10-6~1.1×10-6, 平均0.9×10-6; 桂花冲岩体为0.58×10-6~1.17×10-6, 平均0.89×10-6; 姚家岭岩体为0.8×10-6~1.0×10-6, 平均0.91×10-6。受Nb含量的影响, 沙滩脚岩体Nb/Ta比值(14.77~17.03, 平均16.18)与桂花冲岩体比较接近(14.19~18.79, 平均15.77), 低于姚家岭岩体(15.63~18.63, 平均16.85)。

5 讨论 5.1 岩体形成时代及岩石成因类型

根据前人研究结果, 铜陵矿集区七大矿田中, 铜官山矿田内中酸性岩体的形成时代为137.5~141.8 Ma(徐夕生等, 2004; 吴才来等, 2010b); 狮子山矿田内中酸性侵入岩的形成时代为132.4~140.9 Ma(吴才来等, 2008; 徐晓春等, 2008); 新桥头中酸性岩体的形成时代为141.6~147.2 Ma(吴才来等, 2013; 宋扬等, 2017); 凤凰山矿田内中酸性侵入岩的形成时代为132.2~144.2 Ma(瞿泓滢等, 2010; 吴才来等, 2013), 可见, 铜陵地区中酸性侵入岩的形成时代为132.2~147.2 Ma。在本文研究区内, 前人获得沙滩脚岩体的形成时代为141.4~144.1 Ma (吴星星等, 2011; 吴才来等, 2013), 姚家岭岩体的形成时代为140.7~141.0 Ma(刘绍锋等, 2013; 钟国雄等, 2014; 刘建敏等, 2014), 桂花冲岩体的形成时代约为138.3 Ma(岳紫龙等, 2015), 而本次研究获得姚家岭岩体的年龄为140.4~140.9 Ma, 与前人的研究结果一致。结合区域上中酸性侵入岩的形成时代, 我们认为, 沙滩脚矿田内3个岩体的形成时代均为早白垩世, 并且沙滩脚岩体的形成时代相对较早, 其次为姚家岭岩体, 桂花冲岩体的形成时代相对较晚。因此, 它们可能是同一期岩浆活动先后侵位的产物。

研究表明, S型花岗岩中常含有白云母、堇青石、石榴子石等富铝矿物, A/CNK常大于1.1, 呈过铝质, K2O常大于Na2O(Sylvester, 1998)。I型花岗岩中常含有角闪石、磷灰石、榍石等矿物, A/CNK通常小于1.1。沙滩脚、姚家岭及桂花冲岩体的矿物组成相似, 主要由斜长石、钾长石、石英、黑云母及角闪石等矿物组成, 副矿物为磷灰石、锆石及磁铁矿, 均不含白云母、堇青石、钛铁矿等矿物, 具有I型花岗岩的矿物组合特征。研究区3个岩体地球化学样品中除姚家岭岩体15CL264样品及桂花冲岩体15CL533样品由于钾化导致K2O含量大于Na2O含量外, 其余样品K2O/Na2O为0.19~0.81, 平均值为0.62, 均小于1, 显示出富Na2O的特征。3个岩体的里特曼指数小于3 (平均值为2.5), 属于钙碱性系列; 在SiO2-K2O判别图解上, 样品点主要集中在高钾钙碱性区域, 大部分样品的铝饱和指数A/CNK (平均为0.9)均小于1.1, 属于准铝质岩石。另外, 岩体的SiO2和P2O5呈负相关关系, 也表现出I型花岗岩的地球化学特征。从稀土微量元素地球化学特征来看, 沙滩脚、姚家岭和桂花冲岩体富集大离子亲石元素, 亏损高场强元素, 表现出I型弧岩浆的地球化学特征。上述岩相学及地球化学特征表明, 沙滩脚矿田内的3个中酸性侵入体属于I型花岗岩。

5.2 物质来源及成因机制

根据Sr的地球化学属性, Sr主要在岩浆结晶分异的早期富集。岩石地球化学特征显示, 沙滩脚、姚家岭和桂花冲岩体的Sr平均含量分别为1147×10-6、412.06×10-6和1438×10-6, 显示高Sr的特点(Sr>400×10-6), 大于上、下陆壳Sr含量的平均值(300×10-6), 说明形成研究区3个中酸性侵入体的岩浆物质可能与幔源岩浆有关。根据Nb、Ta的地球化学属性, 在岩浆演化过程中虽然Nb和Ta的含量均会增加但Ta比Nb增加的速度快, 因此随着岩浆分异演化的进行, 早期岩浆具有更高的Nb/Ta比值。研究区3个岩体的Nb/Ta平均值分别为16.18、16.85和15.77, 略低于幔源岩石的平均值(17.5± 2), 远高于陆壳岩石的平均值(约为11), 也说明研究区3个岩体的岩浆物质来源于幔源岩浆, 同时可能有少量壳源物质的加入, 这与前人对整个铜陵地区侵入岩的研究结果一致(岳元珍等, 1986; 吴才来等, 2003, 2008, 2013; 谢建成等, 2008)。

3个岩体均具有高硅, 高铝, 亏损Y及重稀土的特征, 3个岩体的Sr/Y比值分别为47.53~137.53(平均值79.93)、7.79~39.96(35.69)和20.92~270.40(平均值107.96), 显示出埃达克岩的特征, 但所有样品的MgO含量极低, 分别为0.50%~1.89%、0.48%~0.70%与0.50%~1.00%, 又与埃达克岩具有很大的不同。埃达克岩可以形成于多种构造环境, 只不过在不同构造环境下, 埃达克岩形成的深度不同。岛弧环境下俯冲的大洋中脊拉斑玄武岩板片部分熔融可以形成埃达克岩, 加厚的基性下地壳熔融也可以形成埃达克岩, 既可以产生于板块消减带环境, 也可以产生于陆内环境。近年来, 众多学者对铜陵地区埃达克质岩的成因进行了研究。有人认为这些埃达克质岩石是由经历蚀变的洋壳部分熔融形成的(Ling et al., 2009, 2011; Sun et al., 2010), 另有学者认为铜陵埃达克质岩是由下地壳减薄或拆沉作用引起的部分熔融而形成的(张旗等, 2001; Xu et al., 2002; 王彦斌等, 2004a, 2004b, 2004c; Wang et al., 2006, 2007)。根据王强等(2008)的研究, 火山弧环境中常出现埃达克质岩-高镁安山岩-富Nb玄武质岩组合, 它的形成可能与板片熔融以及熔体-地幔橄榄岩的相互作用有关, 而造山带伸展垮塌环境(如大别山)中埃达克质岩会伴随有镁铁质-超镁铁质岩浆出露。根据Wu et al. (2017)对铜陵地区侵入岩的研究结果, 高镁安山岩常与地幔橄榄岩受到板片熔融混染后部分熔融形成的埃达克岩有关, 由于铜陵地区缺少这类安山岩, 因此, 该地区侵入岩不是板片熔融形成的。同时, 根据前人研究, 扬子克拉通中的基底变质岩(Gao et al., 1999)以及大别造山带源于下地壳的埃达克质花岗岩(Liu et al., 2010; Li et al., 2013), 显著亏损Nd同位素组成, 这也与铜陵地区侵入岩体具有富集的Nd同位素特征完全不同(Wu et al., 2017)。此外, 本文3个岩体的Th/U比值分别为2.59~4.40 (平均值3.60)、3.09~4.66 (平均值3.83)和3.44~5.29 (平均值4.10), 明显低于下地壳和大别造山带由下地壳熔融形成的埃达克质岩石(3~50) (Ling et al., 2011)。因此, 这3个岩体可能不是直接由下地壳减薄或板片熔融引起的岩浆作用形成, 这些岩体的岩浆物质属于地幔和地壳物质的混合。

3个岩体的地球化学特征表明, 它们均具有富SiO2、Al2O3、Na2O的特点, 均属于高钾钙碱性岩石系列; 富集大离子亲石元素, 亏损高场强元素; 三者的微量及稀土元素配分模式图基本一致, 说明它们可能具有相似的成因, 可能是同源岩浆分异演化的产物。因此结合前人的研究成果, 笔者认为研究区3个岩体的形成过程是:受到古太平洋板块向欧亚板块俯冲作用的影响, 中国东部上地幔发生部分熔融而形成了大量来源于富集地幔的碱性玄武质岩浆, 岩浆上升至莫霍面附近(40~50 km)富集形成深位岩浆房, 其中的岩浆发生结晶分异作用, 形成堆积岩, 由于岩浆房本身的热量和结晶潜热, 导致岩浆房上部的低熔点组分部分熔融, 形成的岩浆在浅部形成长英质岩浆房, 来自深位岩浆房分异后的岩浆上升到浅位岩浆房发生岩浆混合, 形成一系列的高钾钙碱性中酸性侵入岩(Wu et al., 2014, 2017)。随着区域构造应力的减弱, 研究区构造环境进一步伸展, 中酸性岩浆分期侵位, 在138~144 Ma内, 依次侵位形成沙滩脚、姚家岭、桂花冲中酸性侵入岩体。

5.3 构造环境及地质意义

研究区内沙滩脚、姚家岭、桂花冲岩体均富集Rb、Th、U、La等元素, 亏损Nb、Ta等元素, 显示出弧岩浆的特征, 然而在广泛使用的Pearce(1984)构造环境判别图解上, 3个岩体集中在火山弧花岗岩区域(图 7)。根据Roberts等(1993)的研究, Pearce等(1984)提出的基于花岗岩类微量元素含量判别花岗岩构造环境的图解只能判别原岩形成的大地构造背景, 并不能判断产生这些花岗岩类岩浆时的大地构造背景, 也就是说时代较老的原岩形成时的构造背景与原岩部分熔融产生花岗质岩浆时的构造环境并不相同。因此, 虽然研究区3个岩体在Pearce构造环境图解中均位于火山弧花岗岩区域内, 但这3个岩体可能并不是火山弧花岗岩。

图 7 沙滩脚、姚家岭与桂花冲岩体构造环境判别图解(据Pearce et al., 1984) Fig. 7 Nb VS. Y、Rb VS.(Y+Nb)、Ta VS. Y discrimination diagrams (after Pearce et al., 1984)

吴淦国等(2008)认为, 铜陵地区在中三叠世至晚三叠世时期处于挤压的构造环境, 在侏罗纪处于松弛的构造环境, 在早白垩世处于碰撞后的伸展环境。笔者认为, 中国东南部在晚侏罗世至早白垩世完成了由古特提斯构造域向环太平洋构造域的转换, 这一时期, 古太平洋板块开始向欧亚板块俯冲并引发了大规模构造-岩浆活动(Ames et al., 1996; 毛景文等, 2005; 窦志娟等, 2015)。根据地球物理研究成果, 扬子板块(31~33 km)比大别造山带(41 km)和江南造山带(37 km)薄5~10 km (Wang et al., 2000; Zhang et al., 2000a, 2000b), 也说明这一地区至少发生了地幔物质的上涌(吕庆田等, 2003)。根据吕庆田等(2015)的研究, 从中侏罗世开始长江中下游地区的构造体制逐渐受控于古太平洋板块向华南大陆NW向低角度俯冲的应力体系, 整个华南地区处于陆内造山阶段。由于华北板块和大别地块的阻挡, 长江中下游地区地壳强烈变形, 岩石圈增厚。从晚侏罗世至早白垩世, 由于古太平洋板块俯冲应力减弱, 区域构造环境转换为伸展环境, 增厚岩石圈拆沉, 软流圈物质上涌, 引起长江中下游地区发生大规模岩浆活动, 正是由于岩石圈拆沉引起的岩浆活动, 可能形成了长江中下游矿集区一系列矿床的形成。

由于中国东部地区在晚侏罗世至早白垩世属于太平洋构造域, 环太平洋板块在这一时期对欧亚板块的俯冲作用导致华南板块和扬子板块向北西方向位移, 这一时期的大规模构造运动, 形成了大量的断裂带, 如郯庐断裂等(Li et al., 2014)。与此同时, 这些构造带下面的岩石圈可能也发生了多次拆沉作用(Wu et al., 2014, 2017)。Wu et al. (2017)认为在152 Ma之前, 岩石圈发生了第一次拆沉作用, 造成了岩石圈地幔的部分熔融并形成基性岩浆, 基性岩浆上升到壳幔过渡带形成深部岩浆房。同时, 由于深部岩浆房带有巨大的热量, 导致上覆地壳低熔点组分发生部分熔融形成花岗质浅位岩浆房。伴随着断裂构造的切割加深, 深位岩浆房中分异的中基性岩浆上升到浅位岩浆房, 发生强烈的岩浆混合作用, 形成了140 Ma左右的中酸性侵入岩。第二次岩石圈拆沉发生在135 Ma, 华南地区岩石圈持续减薄, 深部壳幔过渡带深位岩浆房向上迁移, 其中基性岩浆直接喷出地表形成火山盆地, 随着晚期岩浆喷发强度减弱, 迁移到浅部的深部岩浆房诱发浅部地壳部分熔融, 形成A型花岗岩(Zhao et al., 2007, 2015; Li et al., 2008, 颜代蓉等, 2012; Huang et al., 2013; 吴才来等, 2016; Wang et al., 2016)。第三次拆沉作用可能发生在114 Ma左右, 规模小于前两次, 形成一些浅成侵入岩体。因此, 根据本文研究的3个侵入岩体的年代学和地球化学数据, 笔者认为, 沙滩脚矿田侵入岩和铜陵地区其他侵入岩一样, 都是对古特提斯构造域向环太平洋构造域转换的响应, 形成于碰撞后的伸展环境。

如前所述, 本文研究的3个岩体形成时代略有不同, 岩体的规模、矿化特征均存在较大的差别。其中沙滩脚岩体规模较大, 不同部位采集的样品定年结果不同, 可能反映了岩体由多次脉动式侵位形成, 形成的矿体产于岩体与围岩接触带的矽卡岩中; 姚家岭岩体地表出露面积较小, 但深部范围较大, 岩体中包裹了巨大的下二叠统栖霞组碳酸盐岩捕虏体, 矿体产在捕虏体中的层间破碎带及捕虏体与岩体的接触带上; 而桂花冲岩体规模更小, 可能是与沙滩脚、姚家岭岩体同源的岩浆最后侵入形成的, 铜金矿体部分产于岩体内部, 具有典型的斑岩型细脉-浸染状矿化特征, 反映岩浆分异作用的晚期产生了大量的成矿流体(常印佛等, 2017), 导致了这种矿化特征。因此, 笔者认为沙滩脚矿田深部仍具有较大的找矿潜力, 特别是要注意寻找姚家岭式和桂花冲矽卡岩-斑岩型的矿床。

6 结论

(1) 锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb定年结果显示, 姚家岭岩体的形成年龄为140.4~140.9 Ma。沙滩脚、姚家岭及桂花冲岩体是幔壳源混合岩浆分期侵位的产物, 其中沙滩脚岩体侵位相对较早, 姚家岭岩体次之, 桂花冲岩体侵位相对较晚。

(2) 沙滩脚矿田内3个岩体均属于高钾钙碱性、准铝质岩石, 均富集Rb、Th、U、La、LREEs等元素, 亏损Nb、Ta、HREEs等元素, 稀土配分模式为右倾式, 具有弱的负Eu异常, 是幔源与壳源岩浆混合后的岩浆分异演化形成的I型中酸性侵入岩。

(3) 3个岩体是中国东部由古特提斯构造域向环太平洋构造域转换的产物, 形成于早白垩世的伸展环境, 是源于富集地幔的碱性玄武质岩浆与地壳易熔组分部分熔融形成的长英质岩浆混合后分期侵位形成。

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