ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
Study on Granitoid Intrusions Characteristics and Metallogenetic Mechanism of Zhunsujihua Porphyry Mo-cu Deposit
LIU Cong, GUO Hu, LAI Yong†
Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution (MOE), School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; † Corresponding author, E-mail: yonglai@pku.edu.cn
Abstract A precise Re-os isochron age of 297.2±4.3 Ma for the molybdenite and a zircon U-PB age of 301.1±4.0 Ma for the ore-bearing granite porphyry determined that the age of diagenesis and mineralization of Zhunsujihua porphyry Mo-cu Deposit is from Late Carboniferous to Early Permian. The barren granodiorite in this mining area yielded a zircon U-PB age of 301.2±2.2 Ma, which is consistent with that of granite porphyry. Amphibole and biotite in granitic rocks and their geochemical characteristics of high Rb, Th, Ba, and low P, Ti suggest that granite porphyry and granodiorite belong to I-type granites. Relatively low Re, Mg#, Nb/ta, Zr/hf values, coupled with whole-rock Sr-nd isotopes (low ISR and positive εnd(t)) signify that they are mainly originated from a juvenile lower crust source derived from depleted mantle. It can be recognized from the whole-rock major and trace element data that significant fractional crystallization occurs during magmatic evolution, which is beneficial to further enrichment of Mo in the melt. Using the Ce4+/ce3+ ratio in zircons to calculate the oxygen fugacity of magma during fractionation, it is found that the oxygen fugacity of granite porphyry is relatively high (average ΔFMQ is +4.8), and that of the granodiorite is relatively low (average ΔFMQ is +2.2), indicating that magma with high oxygen fugacity is more conducive to mineralization. Key words porphyry Mo-cu deposit; zircon U-PB dating; molybdenite Re-os dating; I-type granite; oxygen fugacity; Zhunsujihua
准苏吉花斑岩型钼铜(Mo-cu)矿床位于内蒙古苏尼特左旗西北部, 属于中蒙边境巨型成矿带的组成部分[1‒2]。该带是我国北方重要的多金属成矿带,晚古生代受古太平洋板块俯冲影响, 发育一系列斑岩型矿床, 如欧玉陶勒盖Cu-au矿床、查干苏布尔加Cu-mo矿床以及准苏吉花Mo-cu矿床等[3‒5]。中新生代以来, 受蒙古‒鄂霍茨克洋闭合及太平洋板块向欧亚大陆俯冲的影响, 岩浆活动强烈, 发育大量高硅、高钾的钙碱性I型花岗岩, 形成一系列斑岩型钼矿、铜矿、矽卡岩型铅锌矿以及热液脉型银矿等多种矿床[6‒11]。矿区在大地构造上位于兴蒙造山带乌里雅苏台活动大陆北缘, 除准苏吉花钼铜矿床外, 该构造区域近年来还陆续发现乌兰德勒、达莱敖包、乌花敖包和宝格达乌拉等多个燕山期钼矿
[3,11]床(点), 有着巨大的资源前景 。作为我国东北地区古亚洲洋成矿体系中的典型矿床, 准苏吉花矿床与区域内大多数形成于环太平洋构造体系的斑岩型铜钼矿有明显的区别。对该矿床进行详细的岩石学和成矿机制研究, 有助于认识中亚造山带不同构造背景下斑岩型矿床成矿机制的异同, 并对探讨和解释我国东北地区多钼少铜的现象具有重要意义。
目前, 准苏吉花矿床已探明的Mo总矿石量为1961.17 万吨, 平均品位为0.138 %; Cu总矿石量为67.58万吨, 平均品位为0.793%[4,12‒13]。前人对矿区地质、年代学和同位素地球化学特征进行初步研究, 获得与成矿相关岩体的形成年龄(花岗斑岩锆石U-PB年龄: 298.3±3.1 Ma[2]; 花岗闪长岩锆石UPB年龄: 299.7±1.9 Ma[1], 300.0±2.0 Ma[12])和成矿年龄(辉钼矿Re-os等时线年龄: 298.3±3.6 Ma[2])。但是, 有关与成矿相关花岗岩的成因以及花岗岩与钼铜矿成因联系的研究相对薄弱[1,12‒14], 在一定程度上制约了对该矿床及区域成矿规律的认识。
本文在前人工作的基础上, 通过对花岗斑岩和花岗闪长岩的年代学、岩石地球化学、同位素地球化学及岩浆氧逸度等特征的分析, 进一步论证矿区岩体的形成时代及辉钼矿的成矿时代、花岗岩岩浆源区、岩浆演化及岩浆氧逸度对成矿的指示意义。
1 地质背景和样品测试方法
准苏吉花斑岩型Mo-cu矿床位于内蒙古自治区东部苏尼特左旗境内, 所处构造部位属于中亚造山带东段西伯利亚板块南缘俯冲增生带。该构造带古生代到中生代经历明显的碰撞造山、碰撞后伸展作用及构造转换过程[4]。矿区出露的地层主要有古生界奥陶系巴彦呼舒组变质碎屑岩, 石炭‒二叠系宝力高庙组变质碎屑岩以及第四系沉积层。区域内海西期、印支期和燕山期均有岩浆活动, 海西期主要发育花岗闪长岩、花岗斑岩和一些闪长岩脉, 印支期和燕山期主要发育花岗质岩体[2], 燕山期花岗岩体侵入接触海西期花岗闪长岩。研究区内断裂构造主体呈北东向展布, 控制地层及岩浆岩的分布,并发育次一级北西向断裂构造[5](图1)。
准苏吉花矿区出露的岩浆岩主要有花岗斑岩、花岗闪长岩及少量闪长玢岩脉(图2(a)~(c))。花岗斑岩体呈舌状侵入石炭‒二叠系宝力高庙组碎屑岩,具斑状或似斑状结构, 块状构造, 斑晶以石英和长石为主, 含量为10%~15%, 粒径为1~3 mm, 基质主要为石英、斜长石、钾长石、角闪石和云母类矿
物。花岗闪长岩具有典型的花岗结构, 块状构造,主要矿物组合为石英、斜长石、角闪石、黑云母和钾长石等。矿体主要赋存在花岗斑岩或花岗斑岩与围岩的接触带(图1)。矿区东西长约2 km, 南北宽约1 km, 矿体呈北西向展布。共有273条矿体, 其中含145条工业矿体和128 条低品位矿体。
矿体呈网脉状、浸染状和团簇状等, 主要矿石矿物有黄铜矿、辉钼矿、磁铁矿、斑铜矿、铜蓝和闪锌矿等, 脉石矿物有石英、黄铁矿、斜长石、钾长石、黑云母、绢云母、绿帘石、绿泥石、石膏和方解石等。辉钼矿为半自形晶片状, 呈不等粒状、弯曲状、树枝状、放射状或菱片状集合体(图2(d)~ (j)), 黄铜矿和黄铁矿以半自形‒它形粒状分布在石英脉中。矿体围岩蚀变由内向外可划分为钾化带、硅化带、绢英岩化带和青磐岩化带。矿化作用可以划分为4个阶段: 1) 钾化阶段, 无矿化, 以出现大量钾长石或黑云母为特征; 2) 硅化阶段, 为辉钼矿沉淀的主要阶段; 3) 石英绢云母化阶段, 主要形成黄铜矿、黄铁矿和闪锌矿等; 4) 碳酸盐阶段, 主要形成无矿石英脉和方解石脉等。
将矿区花岗斑岩(ZK-1, ZK-2和ZK-3)和花岗闪长岩(PG-1, PG-2和PG-3)样品破碎至粒径约为100 μm, 先用重液和磁法分选, 然后在双目显微镜下人工挑选锆石。锆石阴极发光图像(CL)、U-PB 同位素及微量元素分析均在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成, 质谱系统为美国 Agilent公司生产的7500 ce/cs型四级杆电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS), 激光束斑直径为32 μm, 剥蚀时间控制在40秒。用 Andersen[15]的方法进行普通铅扣除, 使用 Isoplot/ex 3.0版本软件计算谐和年龄并
绘制谐和图。全岩主量和微量元素分析在澳实矿物实验室(广州)完成。主量元素分析采用X荧光光谱仪(Xrf)(panalytical PW2424, 荷兰), FEO分析采用容量滴定法, 烧失量分析采用重量法, 检出精度均为0.01%。微量和稀土元素分析采用等离子质谱法(Icp-ms)(agilent 7900, 美国), 检出精度均≤0.5 μg/g。辉钼矿样品的Re-os同位素分析在中国地质科学院国家地质实验测试中心铼‒锇同位素年代学实验室完成, 采用美国 TJA 公司的 TJA X-series ICP-MS测定同位素比值。对含Os的HBR溶液反复蒸馏纯化(两次常量蒸馏和一次微量蒸馏), 将蒸馏残液倒入150 ml的 Teflon烧杯中, 用 ICP-MS测定Os同位素比值。Re的测定采取丙酮萃取分离和阴离子交换纯化两步措施, 最后经强酸型阳离子交换树脂除掉钠盐后, 流出液用于 ICP-MS 测试。
2 样品分析结果2.1 锆石 U-PB年龄和辉钼矿Re-os等时线年龄
大部分锆石为自形晶, 具有明显的震荡环带,
[16]具典型岩浆锆石特征 。花岗斑岩中锆石获得14个测点的数据, TH/U值的变化范围在0.31~1.1之间,平均值为0.58 (表 1), 14组数据的 206PB/238U 加权平均年龄为 301.1±4.0 Ma (图3)。花岗闪长岩中锆石获得18个测点的数据, TH/U值的变化范围在0.34~ 0.72 之间, 平均值为0.47 (表 1), 18组数据的 206Pb/ 238U加权平均年龄为301.2±2.2 Ma (图 3), 成岩时代与花岗斑岩相近。
表2显示, 5件辉钼矿样品的187Re含量在6140~ 17581 ng/g之间, 187Os含量在30.95~87.66 ng/g之间,初始Os含量接近零, 可以判定辉钼矿中的Os均为放射性成因。拟合的Re-os同位素等时线年龄为297.2±4.3 Ma, Os模式年龄加权平均值为300.3±1.9 Ma (图 4), 两个年龄值接近, 表明准苏吉花斑岩型矿床成矿时代为晚石炭世至早二叠世。岩体的锆石U-PB年龄与辉钼矿Re-os年龄接近, 成岩时代与成矿时代一致。
2.2 锆石微量元素和稀土元素组成特征
花岗斑岩中锆石的∑REE值为 928~2067 μg/g,平均 1505 μg/g, 花岗闪长岩中锆石的∑REE值为486~1499 μg/g, 平均854 μg/g, 花岗斑岩中锆石的稀土总量明显高于花岗闪长岩(表3)。稀土球粒陨石标准化曲线均呈现轻稀土亏损、重稀土富集的左倾形态(图5)。花岗斑岩中锆石δeu值为 0.24~0.41,平均0.29, 花岗闪长岩中锆石的δeu值为 0.21~0.45,平均 0.34, 二者均存在明显的Eu负异常, 花岗斑岩的Eu负异常程度比花岗闪长岩更高。
2.3 岩体主量和微量元素组成特征
从表4看出, 矿区花岗闪长岩和花岗斑岩均具有高硅(SIO2含量分别为69.26%~71.39%和 70.27%~ 70.38%)、高铝(AL2O3 含量分别为 14.36%~15.51%和15.18%~15.49%)、富碱(K2O+N2O的含量分别为7.33%~7.76%和 7.17%~7.40%)、贫钙(CAO 含量分别为 1.74%~2.03%和 2.08%~2.13%)、低镁铁(MGO含量分别为0.72%~0.87%和 0.74%~0.79%, FEOT 含量分别为2.12%~2.52%和2.11%~2.17%)的特点。花岗闪长岩位于高钾钙碱性系列区域(图 6(a)), 铝饱和指数(A/CNK)在1.09~1.19之间, 落在过铝质区域(图 6(b)), 属于过铝质高钾钙碱性系列岩石; 花岗斑岩位于钙碱性系列区域(图 6(a)), A/CNK 在 1.08~ 1.09之间, 也落在过铝质区域(图6(b)), 属于弱过铝质钙碱性系列岩石。
从表4看出, 花岗斑岩的全岩∑REE值为 97~ 106 μg/g, 平均102 μg/g, 轻稀土相对富集, 重稀土亏损, 稀土球粒陨石标准化曲线呈现右倾形态(图7(a)); LREE/HREE值为8.3~8.7, 平均8.5; (La/yb)
N值为 9.53~9.69, 平均 9.61; δeu 值为 0.69~0.74, 平均 0.72, 显示较强的Eu的负异常。花岗闪长岩的全岩∑REE值为83~145 μg/g, 平均111 μg/g, 轻稀土相对富集, 重稀土亏损, 稀土球粒陨石标准化曲线呈右倾形态(图7(a)); LREE/HREE值为 5.2~7.2, 平均6.0; (LA/YB)N 值为 4.40~6.39, 平均 5.31; δeu 值为0.49~0.77, 平均 0.67, 显示较强的Eu的负异常。花岗闪长岩与花岗斑岩的稀土分布总体上相近, 但花岗斑岩稀土总量的平均值低, 重稀土含量偏低,轻重稀土分馏更明显。
样品原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图7 (b))显示, 花岗闪长岩与花岗斑岩具有相似的分布形态, 二者均表现出Th, U, La, Ce, Zr, Hf和Sr等元素的正异常以及Ba, Ta, Nb, P和Ti的负异常, 差别在于花岗斑岩的Y, Yb和Lu的含量明显偏低。
3 讨论3.1 矿区花岗岩类型
准苏吉花矿区花岗斑岩和花岗闪长岩具过铝质特征, 既有S型花岗岩的特点, 又有I型花岗岩富钠