内蒙古白音诺尔铅锌矿床成矿时代及其地质意义<br/>——来自侵入岩地球化学及年代学的制约

内蒙古白音诺尔铅锌矿床成矿时代及其地质意义
——来自侵入岩地球化学及年代学的制约

2018-12-06那幅超付俊彧张广宇庞雪娇陈井胜

吉林大学学报（地球科学版） 2018年6期

杨帆，汪岩，那幅超，付俊彧，张广宇，孙巍，庞雪娇，陈井胜，刘淼，李斌

1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳 1100342.吉林大学地球科学学院，长春 130061

0 引言

白音诺尔铅锌矿位于内蒙古赤峰市巴林左旗白音诺尔镇境内，于20世纪70年代被发现，现为东北地区乃至长江以北最大的铅锌矿床。自20世纪90年代起陆续有学者对该矿进行了大量的科研工作[1-11]，取得了一定的成果，但对矿床成因以及成矿时代等方面的认识仍存在一定的分歧。如一部分学者认为该矿床为矽卡岩型矿床[3,11]，一部分学者则提出其为沉积喷流型矿床[11]；一部分学者认为该矿床为燕山期成矿[3]，一部分学者认为是海西期成矿[11]，还有一部分学者认为该矿床形成于印支期[7,11]。为此，本文通过对与成矿有关侵入岩的研究，从而判定其地球化学特征及成矿时代，进而探讨其地质意义。

1 区域地质与矿床地质特征

白音诺尔铅锌矿大地构造属大兴安岭南部古生代增生造山带，其南、北分别以西拉木伦河断裂和二连—贺根山断裂为界，其东以嫩江断裂为界，构造位置较为复杂(图 1)。区内古生代地层经历了强烈的褶皱，黄岗—甘珠尔庙复式背斜呈NE—SW向贯穿本区。区内断裂构造发育，以NE—NNE向和EW向为主，这些断裂近乎等距分布，相互切割成格子状，构成区域基本构造格架。NE向的黄岗—甘珠尔庙断裂带对本区二叠纪和侏罗纪地质发展演化起着重要控制作用[8]。沿着该断裂发育有一系列的金属矿床(点)，如白音诺尔铅锌矿床、浩布高铜锌矿床、黄岗梁铁锡矿床、大井铜多金属矿床等(图 1)。晚古生代以来，区内岩浆活动频繁，表现为强烈的火山喷发作用和岩浆侵入活动[7]。晚侏罗世—早白垩世火山活动表现为一套北东走向的陆相喷发的中—酸性火山岩系，其分布受区域构造的控制，总体上呈北东向展布。

矿区内出露的地层(图 2)主要为下二叠统黄岗梁组和上侏罗统满克头鄂博组。其中：黄岗梁组为一套浅变质的海相泥质碳酸盐岩沉积建造，出露于矿区东南部和中部，是矿区的主要赋矿围岩；满克头鄂博组底部为凝灰质砾岩，上部为熔结凝灰岩及安山岩，以角度不整合覆盖于黄岗梁组之上，分布于矿区中部西段。

矿区内岩浆活动较为强烈，区内侵入岩主要为花岗闪长(斑)岩、闪长玢岩、石英二长岩、正长斑岩、石英斑岩和流纹斑岩。花岗闪长岩的锆石U-Pb年龄为245、244、243、242 Ma，闪长玢岩的锆石U-Pb年龄为242 Ma，石英二长岩的锆石U-Pb年龄为243 Ma，正长斑岩的锆石U-Pb年龄为138、136 Ma[6-7]，石英斑岩的锆石U-Pb年龄为129 Ma，流纹斑岩的锆石U-Pb年龄为134 Ma，暗示矿区内至少存在两期岩浆活动。矿区构造较为复杂，矿体受控于褶皱构造[9-10]以及NE向断裂。

区内已发现160多条矿体，多数矿体沿花岗闪长斑岩与大理岩或结晶灰岩的接触带分布，部分矿体见于石英斑岩与大理岩接触带，少量矿体见于火山岩、粉砂岩与大理岩接触带以及粉砂岩与流纹斑岩接触带(图 2、3)[3,11]。矿石中金属矿物主要为闪锌矿、方铅矿、磁黄铁矿、黄铜矿，其次为黄铁矿、毒砂和磁铁矿；脉石矿物主要为辉石、石榴子石、阳起石、绿泥石、绿帘石、长石、石英和方解石。矿石的结构主要为结晶结构和交代结构，构造主要为浸染状和细脉浸染状构造，其次有脉状构造、角砾状构造和块状构造。成矿阶段可以分为以下4阶段：干矽卡岩阶段(钙铁榴石-钙铝榴石-钙铁辉石-透辉石-硅灰石)；湿矽卡岩阶段(阳起石-绿帘石-斜黝帘石)；

据文献[1]修编。图1 白音诺尔及其邻区地质特征和主要矿床分布图Fig.1 Geologic map and major deposits of the Baiyinnuoer and its adjacent areas

1．第四系；2．满克头鄂博组火山熔岩；3．早二叠世黄岗粱组板岩；4．早二叠世黄岗粱组灰岩、大理岩；5．早二叠世黄岗粱组板岩、粉砂岩；6．燕山期石英斑岩脉；7．背斜轴、向斜轴；8．印支期花岗闪长斑岩；9．燕山期闪长玢岩；10．燕山期辉绿岩；11．矿带；12．断层；13．勘探线及编号。据文献[11]修编。图2 白音诺尔铅锌矿床矿区地质简图Fig.2 Geological sketch map of Baiyinnuoer Pb-Zn deposit

图3 白音诺尔铅锌矿(化)体与侵入岩关系Fig.3 Relationship between the mineralized body and instrusive rock of Baiyinnuoer Pb-Zn deposit

铅-锌硫化物阶段(闪锌矿-方铅矿-石英-斜黝帘石-绿帘石-绿泥石±磁黄铁矿±黄铁矿±黄铜矿)；石英-碳酸盐阶段(石英-方解石)，该矿床是一座较为典型的矽卡岩型矿床。

2 实验样品及分析方法

2.1 样品采集及镜下特征

本文所研究的样品均采自矿区露天采场(图 3)。

花岗闪长斑岩(DY13020-B4)坐标为44°26′52.5″N，118°53′12.7″E。样品为斑状结构，块状构造。斑晶成分有：钾长石，微碎裂呈棱角状，粒径为0.30～0.60 mm，体积分数少于1%；石英，粒状，内部熔蚀孔，充填基质成分，粒径为1.40～1.60 mm，体积分数少于1%；斜长石，宽板状、板柱状，聚片双晶位错、位移、部分双晶弯曲，表面模糊绢云母化，粒径为0.80～3.20 mm，约占35%；角闪石，半自形长柱状部分被碳酸盐堆积交代。基质成分为斜长石与钾长石，钾长石多于斜长石。斜长石，半自形板状、板柱状，聚片双晶带较宽，部分钾化，粒径为0.08～0.20 mm；钾长石，宽板状，粒径为0.05～0.20 mm。岩石发生碳酸盐化、绿泥石化及绿帘石化。

流纹斑岩(DY13020-B1)坐标为44°26′52.4″N，118°53′12.8″E。样品为斑状结构，块状构造。斑晶成分有：石英，他形粒状，粒径为0.30～1.00 mm，体积分数为2%～3%；钾长石，半自形板柱状，成分为条纹长石，体积分数少于1%；斜长石，半自形板柱状，聚片双晶，表面绢云母化，粒径为1.00 mm，体积分数少于1%。基质以钾长石与石英构成的球粒与文象体为主，长英质隐晶集合体充填其间；球粒多呈不规则放射状，无结晶核心，直径为0.30～0.50 mm。

2.2 分析方法

样品的主量元素、微量元素测试分析在沈阳地质矿产研究所实验室完成。主量元素采用XRF方法完成，分析精度一般优于2%。微量元素采用ICP-MS完成，样品溶解在高压溶样弹中进行。

锆石分选在河北省廊坊市区域地质调查所实验室进行。首先用水将样品表面清洗并晾干、粉碎至80目，然后经过用水粗淘、强磁分选、电磁分选和用酒精细淘之后，在实体显微镜下手工挑选出锆石(每个样品所挑锆石数量>1 000粒)。在实体显微镜下挑选裂隙相对少、表面尽量洁净、透明度相对较高的锆石约150粒制作环氧树脂样品靶，经过打磨和抛光后，拍摄反射光(用于查看抛光锆石的表面是否存在裂纹)、透射光(用于查看锆石内部是否存在包裹体和裂纹)和阴极发光(用于察看锆石U、Th等微量元素含量分布特征)图像。样品靶在北京锆年领航科技有限公司制备。锆石U-Th-Pb同位素测定采用激光烧蚀多接收器等离子体质谱法(LA-ICP-MS)在天津地质矿产研究所同位素实验室测定。详细步骤及数据处理方法参见文献 [12]。

3 分析结果

3.1 锆石特征及测年结果

矿区的花岗闪长斑岩(图 4a)及流纹斑岩(图 4b)样品中的锆石多为长柱状或短柱状，颗粒长100～200 um，宽50～80 um，锆石晶体自形程度较高，亮暗不一，说明其Th、U质量分数不同。锆石多具有核幔结构，核部呈自形、半自形，内部发育带状和振荡环带；幔部一般发育密集的震荡环带，少数锆石出现扇形分带结构。锆石Th、U质量分数较高，花岗闪长斑岩的Th/U为0.25～0.46，流纹斑岩锆石的Th/U为0.36～1.42，Th/U值均大于0.1(表 1)，且Th、U质量分数呈较好的正相关，结合锆石的CL图像特征，判断锆石均属于岩浆成因[13-15]。

3.1.1 花岗闪长斑岩锆石U-Pb年龄

花岗闪长斑岩30颗锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄测定结果列于表1，30个数据点给出年龄值为253～266 Ma。U-Pb年龄谐和图(图 5a)上7和29号测点偏离谐和线，其余分析点均分布在谐和线上或其附近，显示很好的谐和性，表明锆石形成后U-Pb同位素体系是基本封闭的，没有U或Pb同位素的明显丢失或加入，测试结果可信。除去测点7、29，其余28个分析点的加权平均年龄为(253.4±0.9)Ma(MSWD=0.014，n=28)，代表花岗闪长斑岩的结晶年龄。

3.1.2 流纹斑岩锆石U-Pb年龄

流纹斑岩28颗锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄测定结果列于表1，49号测点给出了较大的年龄值(324±3)Ma，为继承的早期锆石；另27个数据点给出年龄值为131～140 Ma。U-Pb年龄谐和图(图 5b)上，分析点均分布在谐和线上或其附近，显示很好的谐和性，表明锆石形成后U-Pb同位素体系是基本封闭的，没有U或Pb同位素的明显丢失或加入，测试结果可信。27个分析点的加权平均年龄为(133.6±0.7)Ma(MSWD=0.71，n=27)，代表流纹斑岩的结晶年龄。

3.2 岩石地球化学特征

3.2.1 主量元素特征

白音诺尔铅锌矿花岗闪长岩、花岗闪长斑岩和流纹斑岩主量元素分析结果见表2。花岗闪长岩w(SiO2)为63.96%～69.60%，平均值为66.53%；w(K2O+Na2O)为4.95%～7.27%，平均值为6.43%；K2O/Na2O为0.68～0.73，平均值为0.70；w(Al2O3)为12.01%～14.39%，平均值为13.28%；A/CNK为0.785～0.857，平均值为0.815，显示铝略不饱和。在w(K2O)-w(Na2O)图(图 6a)上显示为钾质岩石，在w(K2O)-w(SiO2)图(图 6b)上显示主要为高钾钙碱性系列。花岗闪长斑岩w(SiO2)为63.31%和66.37%，平均值为64.84%；w(K2O+Na2O)为7.64%和9.68%，平均值为8.66%；K2O/Na2O为1.16和1.26，平均值为1.21；w(Al2O3)为14.42%和15.44%，平均值为14.93%；A/CNK为0.806和0.896，平均值为0.851，显示铝略不饱和。在w(K2O)-w(Na2O)图(图 6a)上显示为钾质岩石，在w(K2O)-w(SiO2)图(图 6b)上显示为钾玄岩和高钾钙碱性系列。流纹斑岩w(SiO2)为77.27%和77.36%，平均值为77.32%；w(K2O+Na2O)为6.59%和7.19%，平均值为6.89%；K2O/Na2O为1.87和2.69，平均值为2.28；w(Al2O3)为12.20%和12.89%，平均值为12.55%；A/CNK为1.38和1.40，平均值为1.39，显示铝过饱和的特征。在w(K2O)-w(Na2O)图(图 6a)上显示为高钾质岩石，在w(K2O)-w(SiO2)图(图 6b)上显示为高钾钙碱性系列。

图4 白音诺尔铅锌矿花岗闪长斑岩(a)和流纹斑岩(b)锆石CL图像Fig.4 Images of selected zircons of granodiorite porphyry (a) and rhyolite porphyry (b) of Baiyinnuoer Pb-Zn deposit

续表1

注：1—30测点编号为样品DY13020-B4；31—58测点编号为样品DY13020-B1。

图5 白音诺尔铅锌矿侵入岩锆石U-Pb谐和年龄图谱Fig.5 U-Pb Concordia diagrams for zircons from the instrusive rocks of Baiyinnuoer Pb-Zn deposit

图6 白音诺尔矿区侵入岩w(K2O)-w(Na2O)和w(K2O)-w(SiO2)岩石系列分类图解Fig.6 Instrusive rocks w(K2O)-w(Na2O) and w(K2O)-w(SiO2)diagrams of Baiyinnuoer Pb-Zn deposit

3.2.2 微量元素特征

白音诺尔铅锌矿花岗闪长岩、花岗闪长斑岩和流纹斑岩的稀土和微量元素分析结果(表2)显示，稀土总量w(∑REE)分别为105.19×10-6～123.40×10-6(平均为114.30×10-6)、118.51×10-6和114.60×10-6(平均为116.56×10-6)和75.30×10-6和157.53×10-6(平均为146.39×10-6)，较地壳岩浆岩平均值(116.42×10-6)低。三者具有较为相似的稀土球粒陨石标准化配分模式(图 7 a)，总体呈右倾，LREE相对富集，HREE相对亏损，LREE/HREE分别为7.07～8.25(平均为7.47)、10.33和17.00(平均为13.67)及6.45和10.29(平均为7.94)，说明轻重稀土分馏较强烈；(La/Yb)N值为6.80～8.45(平均为7.37)、10.68和33.41(平均为22.05)及4.87和11.78(平均为8.33)；花岗闪长岩及花岗闪长斑岩弱负Eu异常，流纹斑岩强烈负Eu异常，δEu值分别为0.67～0.92(平均为0.79)、0.58和1.24(平均为0.91)和0.07和0.13(平均为0.10)，表明花岗闪长岩及花岗闪长斑岩中斜长石未发生明显的分离结晶作用，而流纹斑岩中斜长石已发生分离结晶作用。

在微量元素蛛网图(图 7b)上，花岗闪长岩及花岗闪长斑岩富集大离子亲石元素(LILE),其中Rb、Th、K、Nd相对富集，相对亏损高场强元素(HFSE)，如Nb、P、Ti等元素相对亏损；流纹斑岩同样富集大离子亲石元素(LILE)，其中Rb、Th、K、Nd相对富集，相对亏损高场强元素(HFSE)，如Nb、P、Ti、Ta等元素相对亏损。

4 讨论

4.1 白音诺尔铅锌矿床的成矿时代

白音诺尔铅锌矿床自发现以来，已有学者对其赋矿围岩进行过不同方法的同位素年龄测试和成矿年龄分析：张德全等[3]获得了与成矿关系密切的花岗闪长斑岩和矿区火山岩的Rb-Sr等时线年龄分别为171和160 Ma；江思宏等[11]对与成矿有关的花岗闪长岩和石英斑岩以及矿区外围的花岗岩基开展了LA-MC-ICP-MS锆石测年，获得锆石U-Pb年龄分别为(244.5±0.9)、(129±1.4)、(134.8±1.2)Ma。本文对白音诺尔铅锌矿区与成矿关系密切的花岗闪长斑岩以及流纹斑岩展开了锆石LA-ICP-MS U-Pb定年工作，获得206Pb/238U加权平均年龄分别为(253.4±0.9)和(133.6±0.7)Ma，其中花岗闪长斑岩的定年结果与测得的花岗闪长岩的年龄(244.5±0.9)Ma[11]基本一致。由于铅锌矿体主要产于花岗闪长斑岩与碳酸盐岩的接触带(图 2)，因此认为白音诺尔铅锌矿的形成主要与花岗闪长斑岩有关，结合前人研究成果及野外观察，可以认定：白音诺尔铅锌矿与成矿关系密切的花岗闪长斑岩的结晶年龄可以代表其成矿年龄，可被限定在253.4 Ma；与此同时，少数矿(化)体产于流纹斑岩与粉砂岩的接触带(图 3)，流纹斑岩的结晶年龄也可以代表其成矿年龄，即133.6 Ma。鉴于此，笔者认为白音诺尔矿区存在两期明显的矿化事件，即晚二叠世(253.4 Ma)和早白垩世(133.6 Ma)。

图7 白音诺尔铅锌矿侵入岩稀土元素配分曲线图(a)及原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)Fig.7 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a) and primitive mantle-normalized trace elements distribution patterns of instrusive rocks of Baiyinnuoer Pb-Zn deposit(b)

大兴安岭南段不但是我国北方重要的铜多金属成矿带，还是我国北方最重要的锡多金属成矿集中区[16]，然而研究区具体存在几期成矿事件一直存在争议。一部分学者认为本区成矿事件为燕山期[17-25]，成矿作用集中在150～140、140～120和115～100 Ma 3个时期；一部分学者认为本区存在海西期和燕山期两期矿化事件[26-28]，海西期以早二叠世成矿为主，部分也有晚二叠世、石炭纪和泥盆纪，燕山期则主要产出与陆相火山侵入杂岩有关的浅成热液型-斑岩型-矽卡岩型铅锌-铜-钼-锡-银-金矿床，许多矿床具有两期成矿叠加改造的复杂特征；近年来，还有一部分学者认为本区存在印支期成矿事件[11,29-32]，成矿作用主要集中在260～220、180～150 Ma两个时期。综合前人的研究结果，笔者认为大兴安岭南段存在三期成矿事件，即海西期、印支期以及燕山期成矿。

4.2 白音诺尔铅锌矿床的区域成矿动力学背景

研究区在古生代经历了古亚洲洋的发生、发展和消亡，并于石炭纪—二叠纪晚期闭合[33]，形成了华北—蒙古(额尔古纳)板块，相当于三叠纪华北—蒙古板块与西伯利亚板块南缘之间被蒙古—鄂霍茨克洋分割。区域上海西—燕山中期中酸性侵入岩分布广泛，在 255～200 Ma期间本区发生了一次构造热事件作用，该期岩浆活动虽然规模较小，但遍布全区[34]。近年来，在内蒙古东部，从大兴安岭到华北板块发现了一系列早中生代镁铁质--超镁铁质侵入岩、堆晶岩[35]、辉长岩和碱性玄武岩[34,36]、基性—超基性侵入岩[37]，同位素测年表明，这些岩石成岩年龄集中在250～200 Ma，上述基性岩浆活动显示该时期研究区处于古亚洲洋闭合后造山伸展环境[38-39]。在微量元素构造环境判别图(图 8)上，文中花岗闪长(斑)岩样品点落于火山弧和同碰撞区域，这可能揭示了该时期后造山板内的大地构造背景的信息，与该区内同期花岗岩的特性也是一致的[40]。本文确定的花岗闪长斑岩、花岗闪长岩、流纹斑岩均具有高钾钙碱性特征，一般而言，高钾钙碱性系列花岗岩发育在陆弧环境或后碰撞环境[41]。同时依据区域后造山伸展背景[42]，确定晚二叠世研究区为后碰撞伸展环境。此时，研究区处于活化的华北克拉通北缘造山晚期到后造山环境，由于局部伸展应力作用，下地壳发生了局部地区的拆沉作用，热的玄武质岩浆使下地壳发生部分熔融，在晚二叠世—早三叠世发生早期矿化事件，形成白音诺尔铅锌矿床。

图8 白音诺尔铅锌矿侵入岩的w(Rb)-w(Y+Nb)图解(a)和w(Nb)-w(Y)图解(b)Fig.8 w(Rb)-w(Y+Nb) diagram(a) and w(Nb)-w(Y) diagram(b) of of instrusive rocks of Baiyinnuoer Pb-Zn deposit

140～120 Ma是中国东北A型花岗岩产出的一个重要时期[43]，同时，本时期还是变质核杂岩形成的高峰时期[44]。上述特征表明，140～120 Ma的中国东北整体处于伸展背景下的构造域中，兴蒙造山带岩浆作用的高峰期[45-46]与本时间段相吻合，本文所述的流纹斑岩即在此阶段形成。在微量元素构造环境判别图 (图 8) 上，文中流纹斑岩数据点落于火山弧和同碰撞区，反映的大地构造背景信息与该时间段吻合。这可能与蒙古—鄂霍茨克洋俯冲板片在深部断离以及由此引发软流圈物质上涌和岩石圈地幔的拆沉[47]导致研究区大规模岩浆作用有关，该作用形成了白音诺尔矿区内流纹斑岩，与此同时，伴随着白音诺尔铅锌矿晚期成矿事件的发生。