桂北一洞錫多金屬礦床LA-MC-ICP-MS錫石U-Pb測年及其地質(zhì)意義

馮 毅，覃小鋒，王宗起，馬收先，宮江華，張 誠

(1. 桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006；2. 桂林理工大學(xué) 廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室，廣西 桂林 541004；3. 中國地質(zhì)科學(xué)院 礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

0 引言

位于揚子板塊東南緣、江南造山帶西段的桂北寶壇地區(qū)，屬于中國著名的南嶺成礦帶西段的重要組成部分，由于長期受揚子板塊和華夏板塊構(gòu)造演化的控制，其內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造演化異常復(fù)雜，構(gòu)造—巖漿作用十分強烈，褶皺、斷裂等構(gòu)造形跡十分發(fā)育，形成了分布廣泛的超基性—基性火山巖和超基性—酸性侵入巖，且與巖漿作用有關(guān)的礦產(chǎn)種類繁多，按成因可分為與四堡期超基性—基性侵入巖有關(guān)的銅鎳成礦系列和與雪峰期中酸性侵入巖有關(guān)的錫多金屬成礦系列兩大系列[1-3]。截至目前，該區(qū)已發(fā)現(xiàn)錫多金屬礦產(chǎn)地20多處，包括大型礦床3個(一洞、沙坪和九毛)和中小型錫礦床6個，使該地區(qū)成為我國南方較重要的錫多金屬礦集區(qū)之一。一洞錫多金屬礦床出露于羅城縣寶壇鄉(xiāng)五地一帶，前人對該礦床已進行了大量的研究工作，并取得了較多的研究成果，但對該礦床成因的認識仍然存在較大分歧：① 認為與本區(qū)的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖有關(guān)[4]；② 屬于層控型錫礦床[5-6]；③ 主要與黑云母花崗巖有密切的成因聯(lián)系[1-2]；④ 與本區(qū)的變質(zhì)沉積巖、鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖和花崗巖均具有密切的成因聯(lián)系，具多成因的特點[7]。對該錫多金屬礦床的成因存在較大爭議的一個重要原因是，由于其成礦年齡主要是通過對花崗巖的成巖年齡[1，8-10]或者對方鉛礦等其他礦物的測年[11]間接獲得的，目前尚缺乏對直接成礦物質(zhì)(錫石)精確的定年數(shù)據(jù)來約束其成礦年齡。此外，前人一般認為平英巖體均為雪峰期一期侵入作用形成的，僅將其劃分出中心相、過渡相和邊緣相3個巖相帶[1，12]；而筆者在參與中國地質(zhì)調(diào)查局項目“重要礦種關(guān)鍵問題調(diào)查與礦產(chǎn)地質(zhì)專題填圖試點(DD20160124)”研究過程中發(fā)現(xiàn)，平英復(fù)式巖體可解體為五期次的侵入巖漿活動，但到底是哪一期次的侵入巖漿活動與本區(qū)的錫多金屬成礦作用有關(guān)目前尚不清楚。由于錫石結(jié)構(gòu)性質(zhì)比較穩(wěn)定，結(jié)晶以后不易受到后期熱液蝕變作用的影響，可以作為U-Pb同位素測年的對象，提供了直接利用礦石礦物測定成礦年代的新途徑[13-14]。近年來，隨著錫石U-Pb定年方法的不斷發(fā)展和進步[15-17]，直接測定錫多金屬礦床的成礦(錫礦化)時代已經(jīng)具備了較為成熟的技術(shù)條件，成為錫礦床成礦年代學(xué)研究最直接和最有效的方法之一。本次工作嘗試采用LA-MC-ICP-MS U-Pb測年方法，對一洞錫多金屬礦床韌性剪切帶內(nèi)礦體中的錫石進行U-Pb年齡分析，以進一步梳理成巖成礦關(guān)系，為該礦床的成巖成礦研究提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 桂北寶壇地區(qū)地質(zhì)簡圖(a圖據(jù)文獻[20]修改；b圖據(jù)文獻[21]修改)Fig.1 Geological sketch map of Baotan area， North Guangxi [20-21]

2 礦床地質(zhì)特征

一洞錫多金屬礦床分布于羅城縣寶壇鄉(xiāng)五地村北部2.5 km的山坡上，地理坐標為東經(jīng)108°45′—108°46′，北緯25°01′—25°02′。該礦床出露于平英復(fù)式巖體東側(cè)外接觸帶中(圖1b)，其圍巖主要為中基性侵入雜巖體，巖性主要為輝長輝綠巖、輝綠(玢)巖和閃長(玢)巖類；部分為四堡群文通組的變質(zhì)(粉)砂巖和絹云(石英)千枚巖類。礦體主要受到近SN—NNE向韌性剪切帶和脆性斷裂帶控制，構(gòu)造帶傾向260°～290°，傾角50°～80°。在露天開采的采礦坑中可見出露一條寬達14 m的韌性剪切帶(圖2)，錫多金屬礦體沿著韌性剪切帶展布，且?guī)?nèi)巖石已發(fā)生強烈韌性變形，形成一系列次級韌性變形強弱帶，巖性已變?yōu)槌趺永鈳r、糜棱巖、超糜棱巖和千糜巖(圖2)；在剖面上可見巖石中“S-C”組構(gòu)發(fā)育，顯示出正滑剪切性質(zhì)(圖3a)，而在顯微鏡下觀察，角閃石旋轉(zhuǎn)碎斑和“S-C”組構(gòu)則顯示出左旋剪切性質(zhì)(圖3b)，表明該韌性剪切帶具正滑—左旋剪切性質(zhì)。

圖2 一洞錫多金屬礦床中韌性剪切帶剖面圖Fig.2 Sectional map of ductile shear zone in Yidong tin polymetallic deposit1—變質(zhì)砂巖 2—絹云(石英)千枚巖 3—中—基性雜巖體 4—初糜棱巖5—糜棱巖 6—超糜棱巖 7—千糜巖 8—錫石測年樣采樣位置

圖3 一洞錫多金屬礦床中韌性剪切帶宏觀(a)與微觀變形特征(b)

巖相學(xué)研究表明，在受韌性變形改造的巖石中可見含有錫石礦物，錫石粒徑在幾十微米至幾百微米之間，多數(shù)晶型呈不規(guī)則狀，部分為短柱狀、柱狀，顏色主要為黑色—棕紅色，正交偏光鏡下，干涉色較高，正高凸起，但有些錫石在正交偏光鏡下顏色為黃褐色—棕紅色。一些錫石賦存于角閃石旋轉(zhuǎn)碎斑內(nèi)發(fā)生綠泥石化并析出鐵質(zhì)部位以及環(huán)繞角閃石旋轉(zhuǎn)碎斑分布的綠泥石+綠簾石集體中(圖4a)，或者分布于沿C面定向分布的綠泥石集合體中(圖4b、4c)，有時還見其與黃銅礦、方鉛礦等礦物伴生(圖4d)。上述錫石分布受變形面理控制的特征表明，可能是后期的構(gòu)造活動使錫多金屬元素從源巖中運移出來，并在韌性剪切帶中富集成礦。

圖4 一洞錫多金屬礦床中錫石顯微鏡下特征Fig.3 Microscopic characteristics of cassiterite in Yidong tin polymetallic deposit光學(xué)條件：(a)透射光—單偏光 (b)透射光—單偏光 (c)透射光—正交偏光 (d)反射光Q—石英 Hb—普通角閃石 Pl—斜長石 Ep—綠簾石 Cst—錫石 Chl—綠泥石 Cp—黃銅礦

3 樣品采集及分析方法

對一洞錫多金屬礦區(qū)進行了系統(tǒng)的野外考察后，在露天開采的采礦坑中，對沿著韌性剪切帶展布的錫多金屬礦體進行錫礦石樣品采集，采樣位置坐標：東經(jīng)108°45'20.69"，北緯25°1'33.25"；具體采樣位置見圖2。錫礦石樣品的圍巖為中基性雜巖體，其與錫礦石一起均遭受到韌性變形的改造，錫石呈侵染狀沿剪切面理方向聚集分布，變形特征見圖4。

錫石樣品分選在河北廊坊宇能公司完成。采用常規(guī)磁選法和重選法挑選出錫石顆粒，然后通過雙目鏡仔細篩選出顆粒破裂少、表面較為干凈、較少后期雜質(zhì)充填、具有良好晶體形態(tài)的錫石，并用雙面膠粘在載玻片上，放上PVC環(huán)，將環(huán)氧樹脂和固化劑按一定比例進行充分混合后注入PVC環(huán)中，待充分固化后將樣品靶從載玻片上剝離；將樣品靶進行打磨和拋光后采用透射光、反射光和電子背散射光三種方式進行顯微照相。由于一洞地區(qū)的錫礦石年齡較老，所以在圈定錫石原位測年打點的標位時，盡量選取背散射圖片下錫石顆粒表面干凈(主要無裂紋、后期礦物充填)的區(qū)域進行測年實驗，以避免后期充填礦物中的元素(主要為U、Pb)對分析測試結(jié)果造成影響[22]。

本次分析測試是在中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心完成。錫石測年分析的傳統(tǒng)方法是熱電離質(zhì)譜(TIMS)法，但由于分析測試過程中需要復(fù)雜的化學(xué)處理過程，同時如果遇到U含量很低的礦物，其測試的精度更加低[23]。中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心在2009年就開始進行運用和實踐錫石原位LA-MC-ICP-MS U-Pb測年實驗，并在之后的一系列錫石單礦物測年工作中取得了非常好的進展[24-25]。本次分析測試使用的儀器為美國Thermo Fisher公司生產(chǎn)的NEPUNE型多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，采用的激光剝蝕系統(tǒng)為美國ESI公司生產(chǎn)的NEW WAVE 193 nm FX ArF準分子激光器。實驗過程中利用193 nm FX激光器對錫石進行剝蝕，激光剝蝕物質(zhì)以He為載氣送入MC-ICP-MS，通過Zoom調(diào)節(jié)擴大色使質(zhì)量數(shù)相差很大的U-Pb同位素同時接收從而進行U-Pb測定。激光剝蝕的束斑直徑一般為75 μm，能量密度為10～11 J/cm2，頻率為20 Hz；每測定5個錫石樣品點，交替測定2次標準樣品。采用實驗室內(nèi)部標準AY-4 [206Pb/238U ID-TIMS年齡(158.20.4)Ma] 作為外標，U-Pb分餾校正而導(dǎo)致的誤差通常不大于5%[22]。數(shù)據(jù)處理采用Ludwig的Isoplot程序[26]進行分析和作圖，同時還采用Tera-Wasserburg諧和圖解對普通鉛進行校正，數(shù)據(jù)處理過程進行了嚴格的普通鉛的扣除和元素分流效應(yīng)的矯正，以保證實驗數(shù)據(jù)的準確性[27]。

4 分析結(jié)果

LA-MC-ICP-MS 錫石U-Pb測年結(jié)果見表1。樣品為采自于一洞錫多金屬礦區(qū)露天開采的采礦坑中沿著韌性剪切帶展布的錫多金屬礦體中的礦石。顯微鏡下觀察，錫石顏色多為褐色—棕紅色，而透射光下則以深黑褐色為主(圖5a)。由于受到地質(zhì)構(gòu)造作用的改造，錫石外形上多呈似橢圓狀、似圓狀或不規(guī)則狀，表面具溶蝕現(xiàn)象而出現(xiàn)較多的凹坑，并有其他暗色礦物充填；部分表明相對較干凈的錫石顆粒則具較自形的柱狀晶型(圖5b)。在電子背散射圖像上觀察(圖5c)，錫石存在兩種形態(tài)：一種為晶形較完好，內(nèi)部比較純凈的錫石；另一種為晶體外形呈似橢圓狀、似圓狀或不規(guī)則狀，內(nèi)部含有較多包裹體，并發(fā)育有一組裂隙(變形面)的錫石，表明其受到了變形作用的改造。由于晶形較完好、內(nèi)部比較純凈的錫石只有較低的U、Pb含量，無法獲得其分析結(jié)果；而對另一類錫石共測試了41個測點(表1)。由表1可見，其中238U/206Pb 的比值變化范圍為3.4045～40.5375，238U/207Pb 的比值變化范圍為4.3280～819.0433，207Pb/206Pb 的比值變化范圍為 0.0481～0.7005，206Pb/207Pb 的比值變化范圍為1.4276～20.8008。采用諧和圖法獲得其207Pb/206Pb -238U/206Pb 諧和年齡為(829.0±15.0) Ma(n=41，MSWD=31)(圖6a)；而采用等時線圖法獲得其206Pb/207Pb -238U/207Pb 等時線年齡為(786.8±7.3) Ma(n=41，MSWD=4.5)(圖6b)，初始鉛值206Pb/207Pb = 1.200±0.032。錫石等時線年齡與諧和年齡結(jié)果存在較大的差別。由于隨著錫石樣品年齡的增大，其中放射成因207Pb*的含量也會增大，放射成因207Pb*影響就不能忽略不計，而放射成因207Pb*的影響的增大會導(dǎo)致206Pb/207Pb -238U/207Pb 等時線圖獲得的等時線年齡誤差增大。因此，206Pb/207Pb -238U/207Pb 等時線圖只適用于計算較年輕(如小于400 Ma)的錫石樣品U-Pb同位素年齡，不適用于計算較老(如大于400 Ma)的錫石樣品的U-Pb同位素年齡[28]。由于一洞錫多金屬礦床中的錫石形成年齡較老，諧和年齡更接近于錫石的形成年齡，故本文將(829.0±15.0) Ma諧和年齡認定為錫石的形成年齡，表明一洞錫多金屬礦床中受到變形作用改造錫石的形成時代為新元古代。

圖5 一洞錫多金屬礦床錫石透射光(a)和反射光(b)和電子背散射光(c)圖像Fig.5 Transmitted (a)， reflected (b) and electronic backscattered (c) images of cassiterite in Yidong tin polymetallic deposit

圖6 一洞錫多金屬礦床錫石LA-MC-ICP-MS U-Pb年齡諧和圖(Tera-Wasserburg)(a)和U-Pb年齡等時線圖(b)Fig.6 LA-MC-ICP-MS U-Pb concordia diagram (Tera-Wasserburg) (a) andU-Pb isochron diagram (b) of cassiterite in Yidong tin polymetallic deposit

表1 一洞錫多金屬礦床LA-MC-ICP-MS錫石U-Pb測年結(jié)果Table 1 LA-MC-ICP-MS U-Pb dating result of cassiterite in Yidong tin polymetallic deposit

5 討論

前述已提及，關(guān)于一洞錫多金屬礦床成因的認識仍然存在較大分歧。較大爭議的一個重要原因是缺乏對直接成礦物質(zhì)(錫石)精確的定年數(shù)據(jù)來約束其成礦年齡。多數(shù)地質(zhì)學(xué)者認為桂北寶壇地區(qū)錫多金屬礦的形成主要與雪峰期花崗巖有關(guān)，本區(qū)所有的錫多金屬礦都是新元古代形成的[1-3，10，12]。而筆者的研究結(jié)果表明，一洞錫多金屬礦床中沿著韌性剪切帶展布的錫多金屬礦體存在晶形較完好、內(nèi)部比較純凈和受到變形作用改造而呈似橢圓狀、似圓狀或不規(guī)則狀，內(nèi)部發(fā)育有一組裂隙(變形面)兩種形態(tài)的錫石。

前人研究及筆者等近年來研究發(fā)現(xiàn)，一些錫多金屬礦體的控礦、賦礦構(gòu)造是近SN—NNE向的脆性斷裂或韌性剪切帶，40Ar -39Ar 法構(gòu)造年代學(xué)測試獲得這些韌性剪切帶的變形變質(zhì)年齡為393～425 Ma，是廣西運動(加里東期)形成的[29-30]，暗示本區(qū)錫多金屬礦床可能存在有多期成因性質(zhì)，后期的構(gòu)造活動除了形成晶形較完好且只含有較低的U、Pb含量的錫石外，構(gòu)造熱液可能還使新元古代形成的錫多金屬元素從源巖中運移出來，并在韌性剪切帶或脆性斷裂帶中富集成礦。

6 結(jié)論

通過以上對桂北一洞錫多金屬礦床的地質(zhì)特征和成礦年代學(xué)的研究，得出以下幾點認識：

1)一洞錫多金屬礦區(qū)的礦體往往沿著近SN—NNE向的加里東期韌性剪切帶展布，且存在有晶形較完好、內(nèi)部比較純凈和受到變形作用改造而呈似橢圓狀、似圓狀或不規(guī)則狀，內(nèi)部發(fā)育有一組裂隙(變形面)兩種形態(tài)的錫石，暗示本區(qū)錫多金屬礦床可能存在有多期成因特點。

3)上述一洞錫多金屬礦床成礦年齡的厘定，并結(jié)合區(qū)域上的研究結(jié)果表明，本區(qū)錫多金屬礦的成礦物質(zhì)可能主要來源于平英復(fù)式巖體的第四期巖漿作用，而后期的構(gòu)造活動使錫多金屬元素從源巖中運移出來，并在韌性剪切帶中富集成礦。