宁芜盆地中段龙王山铜矿点粗安岩类年代学、地球化学及成矿潜力研究

2020-08-05李现锁邓宇峰汪方跃刘光贤

合肥工业大学学报（自然科学版） 2020年7期

李现锁, 袁峰, 邓宇峰, 汪方跃, 刘光贤, 杨迪

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009; 2.合肥工业大学矿床成因与勘查技术研究中心,安徽合肥 230009)

长江中下游地区是我国重要的铜铁金多金属成矿带[1-3],在断凹区自东向西依次有溧水、溧阳、宁芜、繁昌、庐枞、怀宁以及金牛盆地等火山岩盆地[4]。其中，宁芜盆地以发育著名的“玢岩铁矿”为其重要特征[5]。以往对宁芜盆地的研究主要集中在铁矿上[6-8],对盆地内铜金矿床(点)的研究较少。目前,已有研究主要针对盆地北段(江苏境内),如南门头铜矿、谷里铜矿、大平山铜矿、大岭岗铜矿、铜井金铜矿床等[9-12]。

然而,据区域地质资料统计,宁芜盆地内大部分铜金矿床(点)出现在宁芜火山岩断陷盆地中段[13-14],如大安山铜矿点、龙王山铜矿点、连珠山铜矿点、寺山铜矿点等,这些铜矿床(点)成因上与火山岩浆活动密切相关[14],已有研究中仅见对中段个别铜矿床(点)地质特征的基本介绍,对铜矿床(点)赋矿火山岩的研究很少。本文以宁芜盆地中段龙王山铜矿点为研究重点,在详细野外地质工作基础上,对赋矿火山岩开展锆石 U-Pb 定年和岩石地球化学分析,探讨以龙王山铜矿点为代表的宁芜盆地中段铜矿床地质特征、成岩成矿时代、岩浆演化及构造背景分析。

1 区域地质背景

宁芜盆地位于长江中下游成矿带东部,北起南京,南至芜湖,整体呈NNE向展布,是下扬子褶皱带上发育起来的继承式中生代陆相火山盆地[5]。盆地东、西、南、北边界分别为方山—小丹阳断裂(NNE向)、长江深大断裂带(NNE向)、芜湖断裂(NW向)和南京—湖熟断裂(NW向),如图1所示(据文献[9,15]修改)。其中,NNE向断裂控制了盆地内火山岩和次火山岩的分布,NW向断裂稍晚,切割火山岩系地层和NNE向断裂[4]。

图1 宁芜盆地地质简图

盆地内地层可划分沉积岩地层与火山岩地层2类。沉积岩地层为基底地层,主要为三叠系上统黄马青组(T3h)砂页岩、侏罗系下统象山群(J1-2xn)陆相碎屑岩[5,16]。

火山岩地层主要为中生代燕山期形成的大量橄榄安粗岩系组合,由老至新依次为龙王山组、大王山组、姑山组、娘娘山组[5]。其中,龙王山组和大王山组可分3个岩性段,姑山组和娘娘山组可分2个岩性段[17]。各组之间均为喷发不整合接触, 构成4个火山岩旋回,各旋回的火山活动均由爆发相开始, 此后溢流相逐渐增多, 最后以火山沉积相结束[18]。

盆地内侵入岩主要有2类:① 以辉长-闪长岩类为代表的中性岩,与区内铁矿化关系密切[15];② 后期发育以花岗岩类为代表的酸性岩,与区内铜、金矿化有关[5,19]。

2 矿点地质特征

2.1 地层、构造与岩浆岩

龙王山铜矿点矿区主要出露地层为龙王山组一段和二段、大王山组一段和二段、罗岭组下段及黄马青组二段,如图2所示,其中,龙王山组与黄马青组为超覆与断裂接触。矿化主要分布于龙王山组二段,包括粗安岩、粗安质火山角砾岩、凝灰岩等,以粗安岩为主。矿区位于宁芜盆地中段偏东南翼,区内发育一定规模的挤压破碎带和硅化破碎带。断裂在本区比较发育且复杂。矿区内侵入岩不甚发育,且主要分布在矿区北部与西北部,中部有零星出露,主要为安山玢岩、石英闪长岩及石英二长岩。

图2 龙王山铜矿点地质图

2.2 矿化与蚀变

龙王山铜矿点矿化发育,矿石手标本及显微镜下照片如图3所示。金属矿物主要有黄铜矿、斑铜矿、黄铁矿、镜铁矿及褐铁矿,脉石矿物主要为石英和方解石。通过手标本观察和镜下鉴定发现,矿石构造包括:① 浸染状,表现为黄铜矿黄铁矿呈浸染状发育在粗安岩中(图3a);② 脉状,表现为黄铜矿、黄铁矿等金属硫化物与脉石矿物呈脉状穿插在粗安岩或粗安质火山角砾岩中(图3b、图3c)。矿石结构包括:① 脉状穿插结构,表现为晚期形成的黄铜矿沿黄铁矿裂隙充填,形成穿插矿物的细脉(图3d);② 交代残余结构,表现为晚期的斑铜矿交代黄铜矿(图3e);③ 包含结构,表现为黄铁矿颗粒包裹于黄铜矿中(图3f)。

图3 龙王山铜矿点矿石手标本及显微镜下照片

矿区蚀变以硅化、绿泥石化为主,高岭土化、碳酸盐化次之。其中,硅化、绿泥石化与铜矿化密切相关,单一的硅化与镜铁矿化、黄铁矿化有关。

3 样品及分析测试方法

3.1 样品采集

本次研究样品采自龙王山铜矿点北东侧露头,分为年代学与地球化学样品以及矿石现象样品。其中年代学与地球化学样品为露头深部较为新鲜的岩石样品。粗安岩类2件样品手标本与显微镜下照片如图4所示。粗安岩(LWS-5):岩石呈灰绿色,斑状结构,块状构造；斑晶主要为钠长石和角闪石,钠长石呈自形长板柱状(约占30%),角闪石呈半自形长条状(约占25%),部分角闪石发生绿泥石化;其余为钾长石微晶基质;岩石发生磁铁矿化,磁性较强(图4a、图4b)。粗安质火山角砾岩(LWS-49):岩石呈浅红褐色,角砾状构造;主要成分为隐晶质火山角砾、钠长石、钾长石晶屑；角砾磨圆较差,棱角状,大小为0.2～10 mm,约占20%;钠长石呈半自形短柱状,约占25%;其余为钾长石晶屑和碳酸盐矿物;岩石发生碳酸盐化(图4c、图4d)。

图4 龙王山铜矿点粗安岩类2件样品手标本及显微镜下照片

3.2 分析方法

3.2.1 锆石年代学

锆石U-Pb同位素定年在合肥工业大学资源与环境工程学院矿床成因与勘查技术研究中心矿物微区分析实验室利用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪(laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry,LA-ICP-MS)分析完成。采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度。每个分析数据包括大约20 s的空白信号和40～50 s的样品信号。详细的仪器操作和数据处理方法见文献[20]。

锆石微量元素的质量分数利用多个参考玻璃(NIST610)作为外标、Si 作内标的方法进行定量计算[21]。U-Pb同位素定年中采用标准锆石91500 作外标进行同位素分馏校正,每分析5个样品点,分析2 次91500标准锆石。分析期间,用Pl-1和Plesovice锆石作为检测样。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal[21-22]完成。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3[23]完成。

3.2.2 全岩地球化学分析

全岩地球化学分析在广州澳实实验室完成。试验前将样品粉碎,选取新鲜样品使用刚玉破碎机粗碎至10 cm大小,选择无脉体、无风化面颗粒300 g放入无污染玛瑙碎样机细碎至200目大小。

主量元素分析采用荧光光谱仪进行X-射线荧光光谱法(X-ray fluorescence,XRF)测定, 大致过程为:称取0.7 g样品,加入适量硼酸,高温熔融至玻璃片,进而在XRF上用外标法测定氧化物质量分数,氧化物总量分析误差为1%～3%。微量元素分析采用四酸消解法电感耦合等离子质谱仪(ME-MS61)法,稀土元素测定采用熔融法电感耦合等离子体质谱仪(ME-MS81)法。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb同位素定年

龙王山铜矿点粗安岩与粗安质火山角砾岩锆石阴极发光(cathodeluminescence,CL)图像及测试位置如图5所示。由CL图像可以看出,2件火山岩样品锆石颗粒均呈长柱状,内部结构清晰,环带发育,显示岩浆锆石特征。锆石U-Pb年龄测试结果见表1～表3所列。其中,2件样品均测试锆石30个点,剔除协和度小于90%的点。锆石中的w(Th)/w(U)值可以指示锆石的成因,岩浆锆石的w(Th)/w(U)值一般大于0.1,变质锆石的w(Th)/w(U)值一般小于0.1[24]。

图5 龙王山铜矿点粗安岩类2件样品锆石CL图像及测试位置

表1 龙王山铜矿点粗安岩(LWS-5)锆石U-Pb年龄测定结果

表2 龙王山铜矿点粗安质火山角砾岩(LWS-49)锆石U-Pb年龄测定结果

表3 龙王山铜矿点粗安岩类锆石Th、U质量分数及其比值结果

龙王山粗安岩和粗安质火山角砾岩锆石的w(Th)/w(U)值分别在0.60～0.97之间和0.52～0.95之间,均远大于0.1,也指示为岩浆成因锆石。

龙王山铜矿点粗安岩类2件样品锆石U-Pb谐和年龄如图6所示。

图6中,MSWD为加权平均方差(mean standard weighted deviation)。

粗安岩(LWS-5)锆石206Pb/238U加权平均年龄为(129.1±2.6) Ma,粗安质火山角砾岩锆石206Pb/238U加权平均年龄为(131.2±3.6) Ma,均属早白垩世。

4.2 岩石地球化学特征

4.2.1 主量元素

龙王山铜矿点粗安岩类主量元素分析测试结果见表4所列。

从表4可知,粗安岩w(SiO2)在55.25%～56.68%之间,w(Al2O3)在15.98%～16.33%之间,为中性高铝系列火山岩;碱含量较高,w(K2O)在4.31%～7.35%之间,w(Na2O)在2.55%～4.05%之间。

表4 龙王山铜矿点粗安岩类主量元素质量分数分析结果 %

粗安质火山角砾岩w(SiO2)在53.06%～56.52%之间,w(Al2O3)在15.54%～16.89%之间,亦为中性高铝系列火山岩;碱含量稍高,w(K2O)在3.67%～4.09%之间,w(Na2O)在2.85%～3.86%之间。其中,龙王山粗安质火山角砾岩烧失量较大,可能影响岩石类别的划分,因此在投图时须进行烧失量换算。

龙王山铜矿点粗安岩类SiO2-(Na2O+K2O)图解和SiO2-K2O图解如图7所示。

从图7可以看出,2种火山岩样品投点均落于粗安岩区域,且主要落在上方碱性系列区域;同时,2种火山岩样品投点均落在钾玄岩系列(橄榄玄粗岩)区域。

图7a中,Ir即Irvine分界线,上方为碱性,下方为亚碱性。

图7 龙王山铜矿点粗安岩类主量元素地球化学图解

4.2.2 稀土及微量元素

龙王山铜矿点粗安岩类稀土及微量元素分析测试结果见表5所列。

从表5可知,龙王山粗安岩稀土元素(rare earth element,REE)总量(∑REE)为(93.44～120.82)×10-6,轻稀土元素(light rare earth element,LREE)和重稀土元素(heavy rare earth element,HREE)比值(∑LREE/∑HREE)为7.08～8.34,(La/Yb)N为7.09～9.59,δEu为0.63～0.78;粗安质火山角砾岩∑REE为(65.94～136.9)×10-6,∑LREE/∑HREE为4.95～9.52,(La/Yb)N为4.45～11.14,δEu为0.73～0.85。

表5 龙王山铜矿点粗安岩类稀土元素和微量元素分析结果

续表

龙王山铜矿点粗安岩类稀土元素配分曲线和微量元素蛛网图如图8所示。

从图8a稀土元素配分曲线可以看出,粗安岩与粗安质火山角砾岩表现出一致的平缓右倾特征,指示两者为同源岩浆;∑LREE/∑HREE及(La/Yb)N值较高,指示轻重稀土分异明显,轻稀土富集,重稀土亏损。粗安岩与粗安质火山角砾岩均具有较弱的δEu负异常,表明斜长石的分离结晶作用较弱。

图8 龙王山铜矿点粗安岩类稀土、微量元素图解

从图8b微量元素蛛网图可以看出,粗安岩与粗安质火山角砾岩表现出相似的不相容元素右倾变化趋势特点。大离子亲石元素Rb、Ba、K富集,Sr亏损;高场强元素Ta、Nb、Ti亏损。其中Sr的亏损一方面显示出地幔交代作用的影响,另一方面显示出可能存在斜长石的分离结晶作用[25]；Ti的亏损可能是由于钛铁矿的分离结晶。

5 讨论

5.1 成岩成矿时代

根据已有的火山岩同位素定年资料,龙王山组在136～125 Ma之间,大王山组在125～120 Ma之间,姑山组在117～110 Ma之间,娘娘山组在106～91 Ma之间[5,26]。近年来,研究人员采用各种高精度测年方法对盆地内火山岩开展了较多工作。文献[27]得出龙王山和大王山火山岩的年龄分别为(131±3)、(127±3) Ma;文献[28-29]运用2种方法分别测得娘娘山组火山岩年龄为(133.1±3.2)、(130.6±1.1) Ma;文献[30]测得大王山组火山岩年龄为(130.3±0.9) Ma,姑山组2件火山岩年龄分别为(128.5±1.8)、(128.2±1.3) Ma;文献[31]测得龙王山组、大王山组、姑山组火山岩年龄为(134～127) Ma,娘娘山组火山岩形成时代稍晚((118.8±1.6) Ma);文献[32]得出大王山组火山岩2件样品年龄分别为(130.6±1.6)、(132.6±1.8) Ma,姑山组火山岩年龄为(131.7±1.1) Ma;文献[18]得到各组火山岩年龄分别为:龙王山组(134.8±1.3) Ma、大王山组(132.2±1.6) Ma、姑山组(129.5±0.8) Ma、娘娘山组(126.6±1.1) Ma。具体测试对象及方法见表6所列。

表6 宁芜盆地火山岩年龄研究数据汇总

本次研究测得龙王山铜矿点2件含矿粗安岩类锆石U-Pb年龄分别为(129.1±2.6)、(131.2±3.6) Ma,推测龙王山铜矿点的成矿时代约为130 Ma,与文献[4]报道的包括宁芜盆地在内的长江中下游成矿带断凹区以铁为主的成矿时间集中在130 Ma左右相吻合,两者在误差范围内接近一致,均属于早白垩世岩浆活动产物。

5.2 岩浆源区特征

关于宁芜盆地火山岩岩浆源区,文献[16]通过主、微量元素和Nd-Sr同位素分析后认为,宁芜盆地火山岩为交代地幔部分熔融的产物,龙王山组可能受到陆壳混染;文献[31]将全岩主、微量元素和锆石Lu-Hf同位素测试数据结合分析后认为，岩浆源区为由壳源熔体/流体交代的富集地幔;文献[32]在前人岩石地球化学数据基础上,结合锆石Lu-Hf同位素分析后认为源区可能为一富集地幔,受少量壳源物质混染;文献[33]通过全岩成分、Sm-Nd以及Rb-Sr同位素分析后认为，包括宁芜盆地在内的长江中下游地区橄榄玄粗岩的母岩浆由富集的岩石圈地幔部分熔融形成,受到不同程度的地壳物质混染;文献[34]通过全岩主、微量元素以及全岩Rb-Sr及Sm-Nd同位素分析后认为，其地幔源区可能是由中元古代俯冲板块释放出流体发生交代作用后形成的富集地幔;文献[35]通过主、微量元素即稀土元素测试分析后认为其原始岩浆形成于富集地幔部分熔融。

龙王山铜矿点粗安岩类总体富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,具有明显的Nb、Ta及Ti负异常,表现出富集地幔特征[36]。通常认为,碱性富钾质岩石的岩浆源区是含有角闪石或金云母等富钾矿物相的交代富集地幔。龙王山铜矿点粗安岩类Th/Y-Sm/Th图解投图如图9所示[37]。

图9 龙王山铜矿点粗安岩类Th/Y-Sm/Th图解

图9结果亦显示富集地幔特征。一般地,与大洋俯冲相关的交代作用主要表现出Nb、Ta亏损,而Zr、Hf则相对于REE亏损不明显[38-39],因而龙王山铜矿点粗安岩类岩浆源区可能为受古太平洋板块俯冲交代的富集地幔。对于有无地壳混染,通常幔源岩浆侵入地壳过程中会不同程度受地壳物质影响[40]。龙王山铜矿点粗安岩类样品的w(Nb)/w(Ta)值为14.25～18.25,平均值为15.45;w(Zr)/w(Hf)值为35.0～38.67,平均值为37.0；其w(Nb)/w(Ta)和w(Zr)/w(Hf)值均较接近大陆地壳值(w(Nb)/w(Ta)=11,w(Zr)/w(Hf)=33),说明该矿点粗安岩类岩浆存在地壳混染;同时,w(Nb)/w(U)值常作为判断壳源物质混染的有效手段,龙王山铜矿点粗安岩类w(Nb)/w(U)值在2.82～3.33之间,平均值为3.15,明显远低于洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩的w(Nb)/w(U)值(47±10)和大陆地壳w(Nb)/w(U)值(12)[41],而U主要存在于地壳中,低的w(Nb)/w(U)值指示岩浆在上升和演化过程中有地壳物质的混入[42]。

综上所述,宁芜盆地龙王山铜矿点粗安岩类岩浆源区可能为受古太平洋板块俯冲交代的富集地幔,岩浆在上升和演化过程中受到一定程度的地壳物质混染[4-16,33]。

5.3 构造背景分析

包括宁芜盆地在内的长江中下游成矿带中生代火山岩是中国东部火成岩省的重要组成部分,其形成受中国东部中生代燕山期的地球动力学背景制约[15]。而有关宁芜盆地火山岩形成的构造环境,目前主要有2种观点:① 板内拉张环境[16,28,43];② 与古太平洋板块俯冲作用有关的活动大陆边缘的构造背景[44-47]。

龙王山铜矿点粗安岩类构造环境判别图解如图10所示。

图10 龙王山铜矿点粗安岩类构造环境La/Yb-Th判别图

从图10可以看出,龙王山铜矿点粗安岩类样品投点主要落入大陆边缘弧,指示宁芜盆地多旋回的火山活动可能是古太平洋板块发生俯冲作用下的产物,并形成了与火山岩有关的铜铁金等多金属矿。

5.4 成矿潜力分析

文献[48]将宁芜火山岩铜金矿划分为3种类型:① 大平山式(细脉浸染型),赋存于龙王山组粗安质火山岩中,与龙王山组小型火山穹窿有关,矿石建造为“碱性长石-绢云母-碳酸盐-黄铜矿”,以铜为主,伴生Bi、As、Au、Ag、Mo、Zn等;② 马山式(含铜黄铁矿型),分布于大王山组火山穹窿边缘,以黄铁矿为主,含铜低且变化大,矿石矿物组合为“磁铁矿-黄铁矿-黄铜矿”,伴生金和银为痕量或不含;③ 脉状铜金矿,伴生金、银,或以金、银为主。

龙王山铜矿点地处龙王山古火山口中心边缘,铜矿体富集受古火山口、断裂构造、火山岩岩性等因素制约。龙王山铜矿点与大平山铜矿床、大安山铁铜矿床地质特征对比见表7所列。通过控矿因素、赋矿围岩和矿石结构构造等矿床地质特征对比分析发现,本次开展工作的龙王山铜矿点与邻近的大安山铜铁矿床以及宁芜盆地北段的大平山铜矿床,在成岩成矿等地质特征上较为一致,故本文认为龙王山铜矿点亦为大平山式铜矿,属火山岩型,铜的生成与火山岩有关。文献[14]通过对大安山铁铜矿床钻孔剖面、岩矿石等资料详细研究后发现,大安山矿区在空间上呈“上铜下铁”特征,上部铜矿与大平山式铜矿类似,下部铁矿与白象山式铁矿类似。