湖北麻城白鴨山鉬礦床輝鉬礦Re-Os同位素年齡測定及其地質意義

陳　煒, 周文平, 陳開旭, 劉明文, 王　彤, 周仁君, 方　明, 賀慧艷, 李隨云

(1.中國地質大學 地球科學學院,湖北 武漢　430074; 2.湖北省地質局 第六地質大隊,湖北 孝感　432000; 3.中國地質調查局 武漢地質調查中心,湖北 武漢　430074)

0　引言

白鴨山鉬礦床位于大別山南麓湖北省麻城市白鴨山,為2012年進行飾面花崗巖勘查時發現產于酸性花崗巖體中的鉬礦床，經初步勘查評價找礦前景較好。輝鉬礦主要以星點狀浸染狀分布于灰白色或淺肉紅色二長花崗巖中。本次工作利用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)對輝鉬礦樣品進行Re-Os同位素年齡測定研究,以精確厘定成礦時代,揭示成礦物質來源,探討成礦過程,為在湖北省境內進一步實現鉬礦床找礦突破提供新依據。

1　成礦地質背景及礦床地質特征

1.1　成礦地質背景

研究區位于桐柏—浠水斷裂與團麻斷裂所交匯的北東部(見圖1-a),屬桐柏—大別中間隆起帶,本區經受多次構造活動,不同方向、不同級別、不同性質的斷裂構造廣泛發育,以桐柏—磨子潭斷裂②為界。北側為北淮陽構造帶,南側為桐柏—大別變質雜巖隆起帶,表現為北西向與北東向斷裂形成網格狀構造系統,北西向斷裂主要有桐柏—磨子潭斷裂、新城—黃陂斷裂、襄樊—廣濟斷裂,北東向斷裂主要有大悟斷裂、商城—麻城斷裂、郯—廬斷裂。

區內出露大別期變質表殼巖系、中元古代紅安巖群、新元古代武當山巖群、白堊系—第三系等。其間巖漿巖分布廣泛,巖漿侵入活動主要以燕山期最為強烈。巖石類型多樣,從超基性、基性到中性、酸性均有出露,超基性、基性巖體受斷裂控制明顯,燕山期酸性巖體規模大,平面上呈圓形或不規則狀,受北東向、北西向兩組斷裂帶聯合控制,巖體多為酸性富堿的花崗斑巖、花崗巖、似斑狀花崗巖、花崗閃長斑巖等。目前大別山北麓與鉬礦有關的巖體有:肖畈巖體、母山巖體、大銀尖巖體、湯家坪巖體、秋樹灣巖體等;大別山南麓與鉬礦有關的有白鴨山巖體、大同巖體、亂泥灘巖體、梅川巖體等。

其中白鴨山巖體面積較小,約28 km2。據1∶5萬麻城縣幅、白果鎮幅區調[1]資料,本區燕山期巖漿以酸性侵入活動為主,基性火山巖噴發次之,并伴隨大量脈巖活動,與酸性巖有關的礦化有鎢、銣、鈮、鉭等。白鴨山巖體根據其礦物組合特征可劃分為三種巖性，按生成先后順序依次為細粒黑云二長花崗巖→中細粒黑云二長花崗巖→斑狀黑云二長花崗巖。另外,在巖體中還發育較小的基性輝長巖脈和花崗巖偉巖脈。其中與鉬礦有關的為中細粒黑云二長花崗巖,巖石呈灰白色、淺肉紅色,具中細?；◢弾r結構、塊狀構造,巖石主要礦物為斜長石、鉀長石、石英、黑云母，另有少量磷灰石、鋯石、褐簾石、鉬礦、黃銅礦、黃鐵礦、磁鐵礦。

1.2　礦床地質特征

1.2.1含礦巖體特征

白鴨山鉬礦主要賦存于白鴨山花崗巖體，共劃分3個期次(圖1-b),第一期次為細粒黑云二長花崗巖,第二期次為中細粒黑云二長花崗巖,第三期次為斑狀黑云二長花崗巖。輝鉬礦主要賦存在第二期巖石之中,屬于酸性巖體中的隱伏斑巖型鉬礦床。

圖1　研究區區域構造單元簡圖(a)及白鴨山巖體地質簡圖(b)Fig.1　Diagram of regional tectonic unit in study area and generalized geologic map of Baiyashan rock mass1.第四系;2.白堊紀—第三紀;3.大別山變質雜巖;4.細粒黑云二長花崗巖;5.中細粒黑云二長花崗巖;6.斑狀中細粒黑云二長花崗巖;7.鉬礦體;8.斷層破碎帶;9.韌性剪切帶;10.鉀化帶;11.MTW3樣品采集點及編號;①.欒川—合肥斷裂;②.桐柏—磨子潭斷裂;③.桐柏—浠水斷裂;④.新城—黃陂斷裂;⑤.襄樊—廣濟斷裂;⑥.澴水斷裂;⑦.團麻斷裂;⑧.郯廬斷裂。

1.2.2礦區構造

礦區以北北東麻城—商城斷裂及北東向大坳崗斷裂為主,其中規模最大的為白鴨山以西的團風—麻城斷裂,該斷裂為一條北北東向區域性斷裂,北起豫鄂邊境松子關,向南經麻城、團風、咸寧、通山后進入湖南省。為環太平洋構造陸內裂谷系斷裂,控制麻城—新洲斷陷盆地及白鴨山花崗巖體及鉬礦床的形成,其中鉬礦主要賦存于白鴨山巖體中細粒黑云二長花崗巖中，部分呈薄膜狀產于北東向斷裂或節理裂隙面。

1.2.3礦體地質特征

礦區內共圈定3個鉬礦體和4個鉬礦化體,其中最大礦體主要分布于白鴨山山頂及其周圍300～400 m范圍內,出露標高為220～700 m,呈條帶狀展布,總體走向為100°～116°,寬度為1～44 m,有兩個深采坑(CK1、CK2)工程控制,控制長度為370 m(見圖1-b),鉬礦體分布于灰白、淺肉紅色中細粒二長花崗巖石中,鉬礦體圍巖為灰白色中細粒黑云二長花崗巖，鉬礦體寬>44 m,長>370 m,礦體呈似層狀、透鏡體狀、樹枝狀,礦石具上貧下富特征,富礦往往賦存于淺肉紅色二長花崗巖與灰白色二長花崗巖接觸帶附近及兩側花崗巖節理、裂隙、石英脈與偉晶脈中。輝鉬礦大多成細如針尖、芝麻點及黃豆等不同大小的片狀集合體分布(見照片1-照片4),輝鉬礦呈浸染狀、斑點狀、薄膜狀、細脈狀等主要分布于花崗巖中,伴生少量銅礦化和黃鐵礦化。

照片1　輝鉬礦化中細粒黑云二長花崗巖Photo 1　Medium-fine grained biotite adamellite of molybdenite

照片2　輝鉬礦化中細粒黑云二長花崗巖Photo 2　Medium-fine grained biotite adamellite of molybdenite

照片3　灰白色鉬礦化黑云二長花崗巖Photo 3　Offwhite biotite adamellite of molybdenum mineralization

照片4　淺肉紅色鉬礦化黑云二長花崗巖Photo 4　Pale redbiotite adamellite of molybdenum mineralization

礦石結構主要有自形片狀、半自形—形片狀、星點狀、稀疏浸染狀、粒狀結構。礦石構造有薄膜狀、團塊狀、稠密浸染狀、稀疏浸染狀、細脈狀構造。輝鉬礦呈聚晶體、集合體、團塊狀、細芝麻點狀,大小不等,從礦體到圍巖,輝鉬礦從分布均勻到分布不均勻。礦石自然類型有:浸染狀型、石英脈型、裂隙面型,以浸染狀為主要礦石類型;節理裂隙中充填的薄膜狀輝鉬礦或石英脈型輝鉬礦及偉晶巖脈型輝鉬礦,一般鉬礦含量較高，但規模較小;灰白色、淺肉紅色二長花崗巖輝鉬礦,礦石品位最富,是最主要的礦石類型。在礦體邊部,含輝鉬礦石英細脈通常寬2～5 mm,最寬可達3～6 cm,輝鉬礦多沿石英脈壁分布,有些也呈不連續細條帶狀或浸染狀分布,為典型的斑巖型礦床的礦化特征[2-3]。礦石中金屬礦物主要有輝鉬礦、黃鐵礦、黃銅礦、磁鐵礦、褐鐵礦等,脈石礦物有石英、鉀長石、斜長石、黑云母、白云母、綠簾石、綠石泥、方解石、絹云母、螢石、高嶺土等。

成礦圍巖蝕變主要有鉀長石化、硅化、絹云母化、黃鐵礦化、綠泥石化、高嶺石化、螢石化、方解石化等。礦區圍巖蝕變類型有硅化、鉀化、綠泥石化、螢石化。隨硅化、鉀化增強,鉬礦化逐漸增強,而暗色礦物相對減少,硅化在區內較普遍,鉀化成帶分布,綠泥石化和螢石化主要出現在淺表,在白鴨山山頂見少量紫紅色螢石化。

根據礦脈穿插關系和礦物共生組合特點,將成礦過程劃分熱液期和表生期。熱液期可劃分為4個成礦階段:①輝鉬礦—鉀長石化階段,主要形成鉀長石、黃鐵礦、少量黃銅礦,形成淺肉紅色鉀化二長花崗巖輝鉬礦石;②石英—黃鐵礦—輝鉬礦化階段,是成礦的主要階段,主要有石英、黑云母、輝鉬礦、黃鐵礦等;輝鉬礦呈星點狀形成灰白色硅化二長花崗巖輝鉬礦石;③巖漿結晶晚期的偉晶巖脈階段,主要有黃鐵礦、輝鉬礦呈點狀、浸染狀等;④巖漿結晶晚期的石英脈階段,本階段礦化較弱,輝鉬礦呈點狀分布于石英脈中,形成石英脈輝鉬礦石或細脈礦石輝鉬礦石。

表生期分為2個階段：①沸石—硫酸鹽階段，主要礦物有方解石、螢石、絹云母、石英及少量黃鐵礦;②次生孔雀石—褐鐵礦化階段，主要有褐鐵礦、孔雀石、鉬華。

2　輝鉬礦樣品采樣及分析方法

2.1　樣品采樣

樣品采自白鴨山鉬礦床,坐標點為115°05′12″、31°05′20″;4件輝鉬礦樣品(MTW1、MTW2、MTW3、MTW4)采自白鴨山鉬礦床不同位置,輝鉬礦多呈鱗片狀集合體產出,樣品位置見圖1-b。其中MTW1和MTW2采自淺肉紅色鉬礦化黑云二長花崗巖,MTW4采自灰白色鉬礦化黑云二長花崗巖,MTW3采自灰白色鉬礦化石英脈。采樣重點考慮樣品的代表性。將采集的礦石樣品經鏡下鑒定并確認樣品名稱,在顯微鏡下手工挑選出輝鉬礦單礦物,測試的輝鉬礦樣品純度>99%,晶體新鮮,無氧化、無污染。

2.2　分析方法

樣品輝鉬礦Re-Os同位素測試在中國科學院廣州地球化學研究所進行,采用同位素稀釋ICP-MS質譜法測定;Re-Os化學分離步驟和質譜測定主要包括分解樣品、蒸餾分離Re、萃取分離Os、質譜測定四個步驟,詳細流程參見有關文獻[4-7]。

本次實驗采用國家標準物質GBW04436(JDC)為標樣,保證監控化學流程和分析數據的可靠性。輝鉬礦Re-Os定年實驗中Re、Os含量的不確定度包括樣品和稀釋劑的稱量誤差、稀釋劑的標定誤差、質譜測量的分餾校正誤差、分析樣品同位素比值測量誤差,置信水平95%。模式年齡的不確定度還包括衰變常數的不確定度(1.02%),置信水平95%。

2.3　測試結果

4件輝鉬礦樣品Re-Os同位素測試結果見表1。給出的4件模式年齡介于(109.3±0.6)～(110.00±1.0)Ma之間,加權平均值為(109.8±0.8)Ma(MSWD=0.8)。采用187Re衰變常數值λ=1.666×10-11/a[8]利用ISOPLOT軟件[9]將4件數據回歸成一條直線,求得等時線年齡為(110.7±2.8)Ma(MSWD=1.04)圖2)。本次對礦石中輝鉬礦進行直接定年,代表白鴨山鉬礦床的形成時代。表1中Re-Os同位素測定結果表明:不同位置的輝鉬礦樣品Re-Os年齡大致相同,4件輝鉬礦Re-Os同位素數據的等時線年齡(圖2)MSWD值較小,說明等時線年齡可靠。187Os初始值為-0.09±0.26×10-9,接近于0,表明輝鉬礦形成時幾乎不含187Os,輝鉬礦中的187OS是由187Re衰變形成,符合Re-Os同位素體系模式年齡計算條件。而且模式年齡的加權平均值(109.8±0.8)Ma和等時線年齡為(110.7±2.8)Ma吻合較好,說明所獲等時線年齡代表輝鉬礦的結晶時間。

表1　白鴨山鉬礦床中輝鉬礦Re-Os同位素測定結果Table 1　Re-Os isotopic analyese of molybdenite separates from the Baiyashan molybdenum deposit

注：中國科學院廣州地球化學研究所,分析者:孫亞莉,孫勝玲。

圖2　白鴨山鉬礦床中輝鉬礦Re-Os同位素等時線圖Fig.2　Re-Os isochron of molybdenum in the Baiyashan molybdenum deposit

3　討論

3.1　成礦時代

Chen L,Ma C Q,She Z B et al．2009[10]認為白鴨山巖體巖石為鋁質A型花崗巖,鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡為120 Ma,Sr/Y比值為2.3,代表白鴨山巖體早期侵入巖的年齡。而白鴨山巖體中輝長巖脈Chen L,Ma C Q,Zhang J Y et al．2010[11]鋯石SHRIMP U-Pb年齡為110 Ma,Sr-Nd同位素顯示虧損地幔的特點。并且綜合中國東部基性巖研究成果,認為該基性巖漿可能代表中國東部地幔屬性從富集地幔向虧損地幔的轉變。本次測定的白鴨山鉬礦床成礦時代為(110.7±2.8) Ma,與白鴨山巖體(120.4±1.2)Ma相差約10 Ma,推測白鴨山鉬礦床與其晚期巖漿侵入有關,屬早白堊世晚期構造—巖漿作用及相關流體活動的產物。

3.2　成礦動力學背景探討

毛景文等(2003)[12]認為:在華北克拉通及其鄰區(包括長江中下游地區),中生代金屬礦大規模的成礦作用出現在200～160 Ma、140 Ma左右及130～110 Ma三個時期,它們對應的地球動力學背景分別為碰撞造山過程、構造體制大轉換和巖石圈大規模拆沉作用。大別山北麓鉬礦成礦年齡大約在(112.1±2.4)Ma～(113.1±7.9)Ma之間,而本次大別山南麓白鴨山鉬礦床形成年齡為(110.7±2.8)Ma;相當于第三成礦期,與燕山晚期大別造山帶在伸展機制下巖石圈減薄,深部巖漿底劈侵位密切相關。

任紀舜(1991)[13]認為在早白堊世,受太平洋構造域的影響,中國中東部從印支期以近EW向構造為主,NNE至近SN向構造為次,進入以NNE近SN向構造為主,近EW向構造為次的區域構造—動力體制大轉換。

大別山南緣麻城、團風、蘄春一帶發育一系列斷陷盆地,是造山帶邊緣斷裂走滑的結果,代表擠壓階段末期,造山帶區域應力場即將處于伸展環境,導致大別山地殼開始減薄,地殼增溫,激發了主造山期后的深源巖漿活動,NNE或近SN與北西向深大斷裂構造大別山區格子狀構造系統。北西的團風—麻城—商城斷裂深切至下地殼。

熊繼浩、馬昌前等[14]從巖體中暗色包體微粒研究認為,白鴨山巖體來源于上富集巖石圈地幔,主巖體的物質來源為大別山雜巖,與巖石圈伸展減薄有關,巖石圈伸展導致富集地幔上涌,底侵并誘發古老下地殼熔融,同時發生巖漿混合作用。

據李石等1991年[15]對該巖體進行分析,其(Sr87/Sr86)初始值為0.712 4,>0.710分界值,表明巖體源巖來源于地殼。

白鴨山巖體中石英氫氧穩定同位素結果為δ18O=+8.9‰～+10‰,δD=-65‰～-103‰,接近于原生水及巖漿水,屬鎢錫系列原始巖漿水范圍,巖體中輝鉬礦的穩定硫同位素δ34S為5.32‰～6.97‰,為殼源重熔型花崗巖范圍。

4　結論

(1) 首次對白鴨山鉬礦床中輝鉬礦樣進行了Re-Os同位素分析,所獲等時線年齡為(110.7±2.8)Ma,代表流體成礦時間,屬于早白堊紀晚期構造—巖漿作用及相關流體活動的產物,與大別山湯家坪鉬礦床形成時間較接近,晚于東秦嶺鉬礦帶,為建立大別山南緣鉬多金屬成礦時—空演化提供重要的年代學信息,對指導大別山南緣鉬礦找礦有著重要的參考意義。

(2) 結合已有年代學數據,認為白鴨山鉬礦床形成與燕山晚期伸展機制下巖石圈減薄,中國中東部區域構造動力體制由近EW向轉換為近SN或NNE向構造為主的地球動力學背景相對應。巖體中氫氧硫穩定同位素及(Sr87/Sr86)初始值為0.712 4等特征表明巖體源巖來源于地殼,同時有地幔物質的參與。

致謝:本文得到中國地質大學李艷青碩士的幫助,Re-Os同位素實驗得到中國科學院廣州地球化學研究所孫亞莉、孫勝玲等人員的幫助和大力支持,謹表衷心地感謝！

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