遼寧樹基溝銅鋅礦床黑云斜長角閃片麻巖鋯石U-Pb年齡、Hf同位素組成及其地質意義

張 朋，寇林林，趙 巖，畢中偉

中國地質調查局沈陽地質調查中心，沈陽 110034

0 引言

火山成因塊狀硫化物礦床(VMS)因其規模大、金屬含量高等特點備受國內外學者重視。遼寧省撫順市清源地區是我國重要的太古宙塊狀硫化物礦床分布區，該地區分布有著名的紅透山銅鋅礦床、樹基溝銅鋅礦床、稗子溝銅鋅礦床等[1]。長期以來，眾多地質學者在該地區開展了大量成巖成礦年代學研究。伍勤生[2]利用Rb-Sr法和K-Ar法對紅透山和樹基溝地區偉晶巖、變質巖進行年代學研究，在該地區確定了4期區域變質事件和成礦作用。王松山等[3]對榆樹底組斜長角閃巖進行Ar-Ar法定年，獲得角閃石坪年齡29.9 Ga，從而確定該地區銅鋅礦初始成礦年齡可能在30.0 Ga或更早。李俊建等[4]運用全巖Sm-Nd法獲得表殼巖中太古代的成巖年齡，該方法測得的成巖時代與張秋生[5]采用Rb-Sr法獲得的成巖時代一致。近些年，隨著微區測年技術的進步，有關該成礦區成巖成礦年齡逐步更新。萬渝生等[6]利用SHRIMP U-Pb定年技術獲得小萊河地區和湯圖角山變粒巖年齡分別為(2 515±6)和(2 510±7)Ma。錢燁等[7]對紅透山地區黑云斜長片麻巖鋯石進行LA-ICP-MS U-Pb定年，獲得上交點年齡為(2 550±7) Ma，認為紅透山銅鋅礦成礦時代為2 552 Ma，在2 520 Ma發生大規模的變質變形。張增杰等[8]獲得紅透山銅鋅礦賦礦圍巖黑云斜長角閃巖鋯石U-Pb年齡為2 500 Ma，認為此年齡代表紅透山銅鋅礦初始的成礦時代。樹基溝銅鋅礦床作為清源地區另一處重要的VMS銅鋅礦，其研究程度較淺，只有少量學者對其進行過研究[9-10]，而其成巖成礦時代和賦礦圍巖原巖性質以及來源等方面還有待進行系統研究。 筆者擬開展含礦圍巖黑云斜長角閃片麻巖年代學、地球化學和Hf同位素研究，以確定成巖成礦時代、圍巖性質及來源，旨在進一步提升該地區VMS型銅鋅礦研究程度，為區域成礦規律總結和成礦理論研究提供依據。

1 區域成礦地質背景

樹基溝銅鋅礦床大地構造位置位于華北地臺北緣東段太古宙花崗-綠巖帶[11-12]。該太古宙花崗-綠巖帶主要發育清源群，其由斜長角閃巖、變粒巖、淺粒巖和片麻巖和部分磁鐵石英巖組成。

紅透山—樹基溝成礦帶出露的地層主要為紅透山組，進一步分為大荒溝段、紅透山段和樹基溝段。巖石自下而上劃為11個層，即：雞冠砬子層、羊望鼻子層、斜井層、樟木芽溝層、奶牛廠層、火藥庫層、下角閃層、薄層互層帶、含礦巖層、大荒溝含礦層和上角閃層。礦區巖漿巖主要為花崗閃長巖和英云閃長巖，并伴有鉀長花崗巖；區內褶皺、斷裂構造發育(圖1)。

1.綠巖建造；2.英云閃長巖；3.鉀長花崗巖；4.英云閃長巖-花崗閃長巖；5.斷裂；6.VMS礦床。據文獻[1]修編。圖1 樹基溝銅鋅礦床區域地質圖Fig.1 Regional geological map of Shujigou copper-zinc deposit

2 礦床地質特征

樹基溝銅鋅礦礦區出露地層主要為清源群紅透山組樹基溝段。樹基溝段主要巖性為矽線石黑云斜長片麻巖、黑云斜長角閃片麻巖和斜長角閃片麻巖，原巖為一套中酸性火山沉積巖系，屬于鈣堿性系列巖石[10]。賦礦圍巖巖石片理發育，片理與巖性界線協調一致，整個樹基溝礦區構成太古宙綠巖帶中的一個緊閉倒轉向斜構造，褶皺兩翼傾向均為SSE，傾角為50°～ 60°，兩側巖層基本對稱，順層產出的礦體受褶皺作用的影響隨地層發生褶皺，褶皺軸跡走向為NEE。緊閉褶皺受走向為NNW的寬緩褶皺疊加影響軸跡發生彎曲[9]。礦區地表巖漿巖少見，深部發育輝綠巖、花崗斑巖和煌斑巖等。

礦體主要賦存在黑云斜長角閃片麻巖和斜長角閃片麻巖中(圖2)。樹基溝礦區共發現礦(化)體7條，礦化帶1條，其中前4號礦體平均品位銅為1.3%，鋅為2.0%，探明鋅儲量5.85萬t，銅儲量0.95萬t[13]。礦體呈層狀、脈狀、囊狀，筒狀分布，其中層狀礦體最具工業意義。礦石以致密塊狀為主，浸染狀為輔。礦石金屬礦物主要有黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦(圖3)，藍銅礦和孔雀石次之，非金屬礦主要有石英、黑云母、綠泥石、方解石等。礦石具有共生邊結構(圖3a)、 固溶體分離結構(圖3b)、間隙交代結構(圖3c)和裂隙充填結構(圖3d)。礦物圍巖蝕變發育，蝕變類型有硅化、綠泥石化、絹云母化、碳酸鹽化等。

3 實驗樣品及分析方法

巖石地球化學和定年樣品黑云斜長角閃片麻巖均采自樹基溝開采的平巷中，并對所采的樣品進行了主量元素、微量元素、稀土元素和定年分析。巖石主、微量元素、硫同位素測試均在核工業北京地質研究院分析測試中心完成，主量元素測試儀器為飛利浦PW2404 X射線熒光光譜儀，分析精度優于5%。微量元素 利用HR-ICPMS( ElementⅠ) 電感耦合等離子體質譜儀測試，分析精度: 元素質量分數≥10×10-6時，精度優于5%; 元素質量分數<10×10-6時，精度優于10%。

本文鋯石U-Pb定年樣品采用常規方法進行粉碎，經過淘洗、磁選和重液分離，在雙目鏡下選出晶型和透明度好的單顆粒鋯石，并進行鋯石制靶和陰極發光圖像分析。鋯石U-Pb年代學分析測試工作在中國科學院青藏高原研究所大陸碰撞與高原隆升重點實驗室激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)上完成。LA-ICP-MS激光剝蝕系統為美國NewWave 公司生產的UP193 FX型193 nm ArF 準分子系統，激光器來自于德國ATL公司，ICP-MS為Agilent 7500a。激光器波長為193 nm，脈沖寬度<4 ns，束斑直徑35 μm。激光剝蝕采樣過程以氦氣作為載體。采用Plesovice(年齡為(337.00±0.37)Ma)和SL標準鋯石(TIMS獲得諧和年齡為(572.2±0.4)Ma)作為外標進行基體校正；成分標樣采用NIST SRM 612，其中29Si 作為內標元素。樣品的同位素比值及元素質量分數計算采用GLITTER-ver 4.0 (Macquarie University)程序， U-Pb諧和圖、年齡分布頻率圖繪制和年齡權重平均計算采用Isoplot/Ex_ver 3程序完成。

1.混合花崗巖；2. 黑云斜長角閃片麻巖；3.矽線石黑云斜長片麻巖；4.斜長角閃片麻巖；5.礦體。據文獻[9]修編。圖2 樹基溝礦區地質略圖Fig.2 Simplified geological map of Shujigou deposit

a.黃銅礦與磁黃鐵礦共生；b.閃鋅礦與黃銅礦固溶體分離結構以及閃鋅礦、黃銅礦、磁黃鐵礦兩兩共生邊結構；c.黃銅礦沿磁黃鐵礦顆粒間隙交代；d.黃銅礦沿黃鐵礦裂隙充填。Ccp.黃銅礦；Po.磁黃鐵礦；Sp.閃鋅礦；Py.黃鐵礦。圖3 樹基溝銅鋅礦床礦石組構照片Fig.3 Pictures of teztures of ores of Shijigou copper-zinc deposit

鋯石完成U-Pb定年后，在原位用LA-ICP-MS進行Lu-Hf同位素測定。測試工作在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室進行，實驗過程中采用He作為剝蝕物質載體，剝蝕直徑為55 μm，測定時使用鋯石國際標樣MT作為參考物質，分析點與鋯石U-Pb定年分析點相同。分析過程中鋯石標準MT的176Hf/177Hf測試加權平均值為0.282 008±0.000 025(2δ，n=24)，具體方法見文獻[14]。

4 實驗結果

4.1 主量元素

樹基溝銅鋅礦床賦礦圍巖黑云斜長角閃片麻巖主量元素測試結果見表1。其中黑云斜長角閃片麻巖SiO2質量分數為50.89%～53.27%，(Na2O+K2O)質量分數為2.18%～2.63%，MgO質量分數為6.46%～7.70%，Al2O3質量分數為16.18%～16.44%。在Harker圖解(圖4)中，w(Al2O3)與w(SiO2)相關關系不明顯，w(MgO)、w(TFeO)與w(SiO2)呈明顯的負相關關系， TFeO/MgO與w(SiO2)大體上呈正相關關系。與典型的鈣堿性火山巖分異演化趨勢相符[10]?？赡苁窃紟r漿結晶分異過程中斜長石和鎂鐵質礦物晶出所致。在AFM圖解(圖5)中，4件樣品均落入拉斑玄武巖系列，具有拉斑玄武巖的特點。

表1 樹基溝礦區黑云斜長角閃片麻巖地球化學分析結果

注:主量元素質量分數單位為%；微量、稀土元素質量分數單位為10-6。

w(TFe2O3)=w(FeO)/ 0.764 8；w(TFeO)=0.899 8 w(TFe2O3)。圖4 樹基溝銅鋅礦床黑云斜長角閃片麻巖Harker 圖解Fig.4 Harker diagrams of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

底圖據文獻[15]。圖5 樹基溝銅鋅礦床黑云斜長角閃片麻巖AFM圖解Fig.5 AFM diagram of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

4.2稀土、微量元素

樹基溝銅鋅礦賦礦圍巖黑云斜長角閃片麻巖稀土、微量元素測試結果見表1。黑云斜長角閃片麻巖稀土總量w(∑REE)為31.37×10-6～37.87×10-6，平均值為34.27×10-6，w(LREE)為27.90×10-6～34.00×10-6，w(HREE)為3.47×10-6～4.08×10-6。在稀土元素配分曲線圖(圖6a)中，表現為輕稀土富集、重稀土相對虧損的形式，弱正銪異常，表明在巖漿部分熔融過程中源區存在斜長石殘留或者斜長石在巖漿演化過程中從巖漿分離結晶出來。在微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖6b)中，表現出與鈣堿性島弧玄武巖相似的富集K、Rb、Th，虧損Zr、Ti的特點；同時也表現出島弧火山巖即富集大離子親石元素(LILE)和虧損高場強元素特點。

4.3 鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡

鋯石CL圖像(圖7a)顯示，鋯石呈長柱狀、卵狀，具有明顯的核幔邊結構，核部具有明顯的環帶結構，顯示巖漿鋯石的特征，幔部圍繞核部生長，顯示明顯的暗色，鋯石粒徑為100～120 μm(圖7a)。測試共分析24顆鋯石，分析結果如表2。24顆鋯石核部的加權平均年齡為(2 549.4±5.6)Ma(圖7b，c)。由于幔部小于鋯石測定儀器的最小束斑，無法獲取有效年齡，因此本次獲得的(2 549.4±5.6)Ma年齡為其原巖結晶年齡。

球粒隕石和原始地幔數據據文獻[16-17]。圖6 樹基溝銅鋅礦床賦礦圍巖球粒隕石標準化稀土配分曲線圖(a)和原始地幔標準化微量蛛網圖(b)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive - mantle normalized spider diagram of trace element(b) of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

圖7 樹基溝銅鋅礦床黑云斜長角閃片麻巖典型鋯石陰極發光圖像(a)、鋯石U-Pb年齡諧和圖(b)和加權平均年齡(c)Fig.7 Cathodoluminescence images of zircons (a), zircons U-Pb concordia (b) and weighted average age (c) of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

樣品號wB/10-6同位素比值年齡/MaPbU206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σSJG143810.479 2 0.002 6 11.188 5 0.060 3 0.169 3 0.000 8 2 524 142 539 142 551 8SJG247900.479 3 0.002 4 11.132 3 0.056 7 0.168 5 0.000 8 2 524 132 534 132 542 8SJG3591110.483 4 0.002 6 11.155 6 0.060 5 0.167 4 0.000 8 2 542 142 536 142 531 8SJG4871600.478 1 0.002 6 11.329 3 0.060 9 0.171 9 0.000 8 2 519 142 551 142 576 8SJG530570.479 9 0.002 6 11.270 4 0.062 0 0.170 3 0.000 9 2 527 132 546 142 561 8SJG645830.479 8 0.003 0 11.342 3 0.068 9 0.171 4 0.000 8 2 527 162 552 162 572 8SJG742780.483 4 0.002 5 11.283 8 0.058 8 0.169 3 0.000 8 2 542 132 547 132 551 8SJG852950.481 5 0.002 7 11.340 6 0.065 0 0.170 8 0.000 8 2 534 142 552 152 566 8SJG933600.480 3 0.004 7 11.305 8 0.101 5 0.170 7 0.000 9 2 529 252 549 232 565 9SJG1029560.479 3 0.002 8 11.194 2 0.069 8 0.169 4 0.000 8 2 524 152 539 162 551 8SJG1152950.479 9 0.002 8 11.190 5 0.066 0 0.169 1 0.000 8 2 527 152 539 152 549 8SJG1240720.482 4 0.003 1 11.330 1 0.072 9 0.170 4 0.000 9 2 538 172 551 162 561 9SJG13771440.479 9 0.002 7 11.126 1 0.064 1 0.168 1 0.000 8 2 527 142 534 152 539 8SJG14581140.481 6 0.002 5 11.197 9 0.058 1 0.168 6 0.000 8 2 534 132 540 132 544 8SJG15601100.487 0 0.002 5 11.198 8 0.059 1 0.166 8 0.000 8 2 558 132 540 132 526 8SJG1637710.480 1 0.002 5 11.179 2 0.080 1 0.168 9 0.001 1 2 528 132 538 182 546 11SJG1743780.483 4 0.002 6 11.227 6 0.066 8 0.168 4 0.000 8 2 542 142 542 152 542 8SJG1825470.485 1 0.002 7 11.333 0 0.115 7 0.169 4 0.001 8 2 549 142 551 262 552 18SJG1930550.487 7 0.002 5 11.264 7 0.063 4 0.167 5 0.000 9 2 561 132 545 142 533 9SJG20631150.482 3 0.002 7 11.210 6 0.067 7 0.168 6 0.000 8 2 537 142 541 152 544 8SJG2128530.480 2 0.002 6 11.253 1 0.065 2 0.170 0 0.000 9 2 528 142 544 152 557 9SJG2229540.483 3 0.002 7 11.184 4 0.074 7 0.167 8 0.001 0 2 542 142 539 172 536 10SJG2337690.481 7 0.002 4 11.158 1 0.057 9 0.168 0 0.000 8 2 534 132 536 132 538 8SJG2419350.483 4 0.002 7 11.300 1 0.077 8 0.169 5 0.001 2 2 542 142 548 182 553 12

4.4 鋯石Hf同位素

樹基溝銅鋅礦床黑云斜長角閃片麻巖24個測點測定結果見表3，所選測試點均在已經做過定年的鋯石顆粒之上(圖7a)。樹基溝黑云斜長角閃片麻巖176Yb/177Hf值變化范圍為0.011 542～0.130 496，計算εHf(t)值范圍為5.0～8.7，TDM1值變化范圍為2 527～2 649 Ma?；久款w測試的鋯石TDM1都大于鋯石形成年齡，在Hf同位素演化線(圖8)中，樣品點多數落在虧損地幔和球粒隕石演化線之間，少數落在虧損地幔演化線之上。

5 討論

5.1 原巖性質

本次通過巖石地球化學分析對樹基溝銅鋅礦床賦礦圍巖原巖性質進行了研究(圖9)。西蒙(al+fm)-(c+alk)-Si變質巖原巖恢復圖解具有既考慮了al、fm、c和alk在不同變質巖變化，又考慮Si值的變化，適用范圍廣、誤差相對小的優點，因此本次采用西蒙圖解對賦礦圍巖進行原巖恢復。在(al+fm)-(c+alk)-Si原巖恢復圖解中，黑云斜長角閃片麻巖樣品均落入火山巖區域(圖9)，說明樹基溝賦礦圍巖原巖為一套火山沉積巖系。樹基溝礦區的4件樣品w(SiO2)為50.89%～53.27%，w(Na2O+K2O)為2.18%～2.63%，屬于亞堿性系列；在Th-Hf/3-Nb/16判別圖(圖10)中，4個樣品均落入島弧玄武巖區域內，因此，認為這套火山沉積巖系形成于島弧環境。在原始地幔蛛網圖(圖6b)中，樣品呈現相對富集大離子親石元素和虧損高場強元素的特點，導致大離子親石元素富集可能是俯沖流體影響所致，而高場強元素虧損可能為高場強元素保留在俯沖板片的殘留礦物中[22]。稀土元素配分圖(圖6a)中呈現輕稀土富集、重稀土虧損的特點，具有島弧玄武巖的特征。結合Th-Hf/3-Nb/16判別圖，二者共同驗證賦礦圍巖形成于島弧環境。

表3 樹基溝銅鋅礦床黑云斜長角閃片麻巖的鋯石Hf同位素定年結果

底圖據文獻[18-19]。圖8 樹基溝銅鋅礦床黑云斜長角閃片麻巖鋯石εHf(t) -年齡圖Fig.8 εHf(t)-age plot zircons diagram of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

底圖據文獻[20]。圖9 樹基溝銅鋅礦床賦礦圍巖(al+fm)-(c+alk)-Si 圖Fig.9 (al+fm))-( c+alk)-Si diagram of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

底圖據文獻[21]。圖10 樹基溝銅鋅礦床黑云斜長角閃片麻巖Hf/3-Th-Nb/16判別圖Fig.10 Hf/3-Th-Nb/16 diagram of the biotite plagioclase hornblende gneiss of Shujigou copper-zinc deposit

5.2 原巖物質來源

樹基溝黑云斜長角閃片麻巖原巖為玄武質火山巖，對于地幔來源的玄武質巖石，如果Hf模式年齡與其形成年齡相近，表明其來源于虧損地幔；如果Hf模式年齡大于其形成年齡，則表明其巖漿源區受到地殼物質的混染或來自于富集地幔[18, 23]。

黑云斜長角閃片麻巖鋯石Hf同位素測試結果顯示εHf(t)值為5.0～8.7，指示其源區主要為虧損地幔物質，單階段模式年齡TDM1除3個點之外均大于鋯石的形成年齡(2 549 Ma)，表明巖漿源區受到地殼的混染作用，黑云斜長角閃片麻巖輕稀土元素富集的特征同樣證明地殼混染的存在。如果鋯石εHf(t) 值大于虧損地幔εHf(t)值乘以0.75，表示其具有最大εHf(t)值；具有最大εHf(t)值，并且Hf的模式年齡與鋯石形成年齡相近，則說明存在地殼增生事件[24]。在Hf同位素演化圖中，虛線為0.75倍虧損地幔εHf(t)值，在該演化線之上說明具有最大εHf(t)值。從圖8中可以看出，黑云斜長角閃片麻巖有眾多點位于演化線之上，其中SJG-16(207Pb/206Pb=2 546 Ma,TDM1=2 553 Ma)模式年齡與鋯石形成年齡相近，表明樹基溝地區可能存在新太古代地殼增生事件。

5.3 成巖、成礦時代

樹基溝銅鋅礦床為與火山巖有關的諾蘭達型塊狀硫化物礦床(VMS)[5, 9-10, 24]。該類礦床成礦特點為成巖與成礦作用近于同時發生，形成于火山噴發間歇期。因此，可以通過測定賦礦圍巖黑云斜長角閃片麻巖的原巖年齡來限定其成礦年齡。本次獲得黑云斜長角閃片麻巖原巖結晶年齡為(2 549.4±5.6)Ma，代表樹基溝銅鋅礦成礦年齡。礦相學研究表明，樹基溝銅鋅礦床存在變質變形特征，張雅靜等[9]獲得樹基溝黑云斜長片麻巖幔部鋯石U-Pb年齡為2 517～2 529 Ma，此年齡應代表一期變質變形作用時間，并且這期變質變形作用時間下限為2 517 Ma。前人通過華北地臺北部表殼巖和TTG花崗巖研究[6, 25]，認為約2 500 Ma華北地臺遭受鞍山運動，該運動引起表殼巖發生廣泛的變質變形，表殼巖發生麻粒巖相--角閃巖相的變質作用，同時引起同期花崗質巖石侵入。綜合上述分析，樹基溝銅鋅礦床成礦時代為(2 549.4±5.6)Ma，并在后期鞍山運動期間發生變質變形活化遷移。

5.4 成礦構造背景

樹基溝銅鋅礦床賦礦圍巖黑云斜長角閃片麻巖原巖為典型的火山弧巖漿作用產物。形成的構造背景大致為在俯沖帶板塊俯沖到地幔，在強烈的溫度和壓力作用下，俯沖板塊發生脫水形成俯沖流體，導致地幔部分熔融形成巖漿，巖漿在海底構造薄弱地帶向上運移、匯聚、噴發、固結成巖，并形成富含賤金屬的島弧火山巖[22]。同時海水在補給處向下滲透，淋濾富含賤金屬的火山巖中的成礦元素，在下部熱的巖漿作用下(地幔柱？)向滲透性差的部位運移富集，富集的含礦流體沿著深滲透性的斷裂構造噴出地表，熱的含礦流體與冷的海水作用在噴流口形成塊狀硫化物礦床。在鞍山運動期間，發生大規?；鹕交顒?，同時伴有同期碰撞花崗巖侵入，混合巖化和區域變質作用使最初形成的火山巖進一步變質變形形成片麻巖，同時也使塊狀硫化物礦床富集并發生變質變形[7, 25]。

6 結論

1)樹基溝銅鋅礦床賦礦圍巖黑云斜長角閃片麻巖富集大離子親石元素(LILE)、虧損高場強元素(HFSE)、輕稀土富集、重稀土虧損，原巖為一套島弧環境的火山沉積巖系。

2)黑云斜長角閃片麻巖鋯石U-Pb年齡為(2 549.4±5.6)Ma，代表其原巖的結晶年齡，大致代表了樹基溝銅鋅礦床最初成礦年齡，結合幔部鋯石U-Pb年齡(2 517～2 529 Ma)，推測樹基溝銅鋅礦經受后期鞍山運動發生變質變形活化遷移。

3)樹基溝黑云斜長角閃片麻巖鋯石Hf同位素研究指示其源區主要為虧損地幔物質，樹基溝地區可能存在新太古代地殼增生事件。

4)樹基溝銅鋅礦床成礦于板塊俯沖環境，地幔部分熔融形成富含賤金屬巖漿向上運移、匯聚、噴發、固結成巖，后經海水淋濾下滲成礦元素富集二次噴發成礦，并經后期變質變形作用的產物。