揚(yáng)子西緣丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖年代學(xué)和巖石成因研究 *

趙鶴森 王慶飛 王彥寧 王廷祎 薛勝超 陳威

1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3. 盛屯礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，廈門 361012

峨眉山大火成巖省產(chǎn)出一大批成巖成礦一體的鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體及黑色和稀有金屬礦床(胡瑞忠等, 2005; Zhouetal., 2008)，如攀西(攀枝花-西昌)地區(qū)的釩鈦磁鐵礦床和銅鎳硫化物及鉑族元素礦床，前者釩、鈦儲(chǔ)量占到世界的一半左右(宋謝炎等, 2018)。此外，區(qū)帶上產(chǎn)出眾多同時(shí)代不成礦的鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體，范圍遍布揚(yáng)子克拉通西緣的攀西到松潘-甘孜地區(qū)(王登紅等, 2007)，其中在攀西地區(qū)研究相對(duì)較多(趙正等, 2012; 劉軍平等, 2020)，在松潘-甘孜地區(qū)報(bào)道較少。上述不成礦巖體同為峨眉山玄武質(zhì)巖漿結(jié)晶分異作用的產(chǎn)物(張招崇等, 2001; 徐義剛和鐘孫霖, 2001; Xuetal., 2003, 2008)。顯然，具有相似巖漿演化過程和緊密時(shí)空聯(lián)系的(超)基性巖體成礦差異性是有關(guān)該區(qū)域黑色和稀有金屬礦床找礦勘查的重要科學(xué)問題。

氧逸度通過控制巖漿熔體中的變價(jià)元素，尤其是鐵的氧化還原態(tài)來改變礦物結(jié)晶順序和成分(Lee and Tang, 2020)。高巖漿氧逸度可以促使Fe-Ti氧化物較早結(jié)晶，可能在攀枝花釩鈦磁鐵礦形成過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用(Ganinoetal., 2008; Baietal., 2019)。羅雕等(2020)報(bào)道了攀枝花釩鈦磁鐵礦巖體苦橄巖和淺色輝長(zhǎng)巖的鋯石微量數(shù)據(jù)，認(rèn)為其估算的較高氧逸度源自揚(yáng)子克拉通西緣不均一的高氧化態(tài)地幔源區(qū)。此外，分離結(jié)晶作用對(duì)釩鈦磁鐵礦成礦有重要影響(宋謝炎等, 2005; 湯慶艷等, 2013)。Fe-Ti氧化物通常與橄欖石和輝石同時(shí)結(jié)晶(Howarth and Prevec, 2013; Baietal., 2019)，因此高結(jié)晶分異程度往往伴隨更徹底的Fe-Ti氧化物沉淀。綜上所述，分離結(jié)晶作用和高氧逸度是釩鈦磁鐵礦形成的重要條件，但根據(jù)鮑文演化序列二者為相互促進(jìn)關(guān)系(Charlieretal., 2015)，哪種因素起主導(dǎo)作用尚不明確。

揚(yáng)子西緣丹巴地區(qū)散布暫無經(jīng)濟(jì)價(jià)值的(超)基性巖體，其中基性巖墻群時(shí)代多為新元古代(Linetal., 2007)。本文選取尚無精確年齡限定的水子鄉(xiāng)輝石巖為研究對(duì)象，其鋯石U-Pb定年結(jié)果為～260Ma。該巖體與攀枝花地區(qū)～260Ma釩鈦磁鐵礦巖體同為揚(yáng)子克拉通西緣峨眉山大火成巖省的產(chǎn)物，均發(fā)育粗晶輝石巖-粗晶輝長(zhǎng)巖-細(xì)粒輝長(zhǎng)巖相變(胡世華等, 2000(1)胡世華, 李云泉, 曾宜君, 楊學(xué)俊, 劉開榜, 劉建清, 李開元. 2000. 1/5萬丹巴幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局; Zhangetal., 2009; Baietal., 2012)，可分別作為不成礦和成礦巖體代表。本文運(yùn)用鋯石微量元素估算二者巖漿氧逸度，并探討二者結(jié)晶分異程度與成礦關(guān)系。

1 地質(zhì)背景

1.1 峨眉山大火成巖省

峨眉山大火成巖省位于揚(yáng)子克拉通西緣(圖1a)，主要由大規(guī)模的大陸溢流玄武巖和少量(超)基性巖侵入體以及同源的正長(zhǎng)巖、花崗巖組成(Shellnutt and Zhou, 2007; Zhongetal., 2007)。溢流玄武巖是峨眉山大火成巖省噴出巖的主體，可分為高鈦和低鈦系列(張招崇等, 2001; 徐義剛等, 2007)。(超)基性巖侵入體主要分布在大火成巖省南部攀西地區(qū)(圖1a)，除超大型攀枝花釩鈦磁鐵礦巖體群外，也零星分布中、小型成礦巖體(葉小春等, 2019)，其余多為不成礦巖體(劉軍平等, 2020)。(超)基性巖侵入體在大火成巖省北端松潘-甘孜地區(qū)分布較少(圖1a)，除形成大型楊柳坪銅鎳硫化物及鉑族元素礦床的巖體外，丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖體為規(guī)模較大的不成礦巖體(胡世華等, 2000)。正長(zhǎng)巖和花崗巖主要分布在攀枝花釩鈦磁鐵礦巖體群范圍內(nèi)(鐘宏等, 2008)。

揚(yáng)子克拉通西緣出現(xiàn)新元古代島弧特征的侵入巖-變質(zhì)巖組合，被認(rèn)為與860～750Ma期間大洋巖石圈俯沖到揚(yáng)子板塊之下有關(guān)(Zhouetal., 2002; Zhao and Zhou, 2008)。這套弧巖漿組合及其變質(zhì)形成的花崗質(zhì)片麻巖、混合巖以及殘留的元古代沉積變質(zhì)巖構(gòu)成了揚(yáng)子西緣基底的主體(圖1a)。基底之上為不整合覆蓋的古生代地層(Rogeretal., 2010)，其中二疊系地層巖石主要為碳酸鹽巖和峨眉山玄武巖。古生代地層之上不整合覆蓋以三疊系復(fù)理石建造為主的中、新生代地層(Yanetal., 2003)。

揚(yáng)子克拉通西緣沿龍門山-錦屏山逆沖推覆帶發(fā)育>1000km的晚古生代-中生代穹窿帶(Heetal., 2003; Zhaoetal., 2019)。南部攀西地區(qū)的南北向巖石圈規(guī)模斷裂控制(超)基性巖體產(chǎn)出，如攀枝花巖體群的產(chǎn)出范圍限定在安寧河斷裂、磨盤山斷裂和攀枝花斷裂之間(圖1a)；北端松潘-甘孜地區(qū)(超)基性巖體產(chǎn)出于鮮水河斷裂的次級(jí)斷裂帶(圖1a)。

攀枝花巖體群為成礦的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)層狀巖體(鄧軍等, 2014; Baietal., 2019)，如攀枝花、紅格、新街、白馬和太和等巖體賦存釩鈦磁鐵礦礦床；力馬河等巖體賦存銅鎳硫化物及鉑族元素礦床(圖1a)。不管賦存何種類型礦床，這些巖體的成巖成礦年齡均集中在～260Ma(Zhangetal., 2009)。其中攀枝花、白馬和太和巖體為輝長(zhǎng)巖相控礦，紅格和新街巖體為輝石巖相控礦(Baietal., 2012; Houetal., 2013)。

圖1 丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖地質(zhì)背景及區(qū)域地質(zhì)圖(a)峨眉山大火成巖省地質(zhì)圖(據(jù)Xu et al., 2007，除本文外的成巖成礦年齡據(jù)Zhang et al., 2009及其中文獻(xiàn))；ANHF-安寧河斷裂；MPSF-磨盤山斷裂；PZHF-攀枝花斷裂；XSHF-鮮水河斷裂；(b)丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖地質(zhì)圖(據(jù)胡世華等, 2000)Fig.1 Geological background and regional geological map of the Shuizi pyroxenite at Danba(a) geological map of the Emeishan Large Igneous Province (modified after Xu et al., 2007). The ages from Zhang et al. (2009) and references therein. ANHF-Anninghe Fault; MPSF-Mopanshan Fault; PZHF-Panzhihua Fault; XSHF-Xianshuihe Fault. (b) geological map of the Danba area containing the Shuizi pyroxenite

1.2 攀枝花釩鈦磁鐵礦巖體

攀枝花層狀巖體侵位于新元古代燈影組白云質(zhì)灰?guī)r/大理巖中，賦存的釩鈦磁鐵礦床礦石儲(chǔ)量為1.333Mt，平均品位為TFe=33%、TiO2=12%、V2O5=0.3%(馬玉孝等, 2003)。攀枝花巖體自下而上分為：含輝石橄欖石邊緣相帶、含大量釩鈦磁鐵礦礦層的輝長(zhǎng)巖相帶、含少量釩鈦磁鐵礦礦層的輝長(zhǎng)巖相帶、淺色輝長(zhǎng)巖相帶(Zhangetal., 2009)?？嚅蠋r產(chǎn)出于邊緣相帶，其全巖Ti含量為0.7×10-6～1.4×10-6，鋯石U-Pb年齡為261.4±4.6Ma(Houetal., 2013)。淺色輝長(zhǎng)巖含大量粗粒斜長(zhǎng)石，鋯石U-Pb年齡為259.8±0.8Ma(Houetal., 2012)。巖體上部出露晚期分異形成的斜長(zhǎng)巖(Houetal., 2012)。此外，攀枝花地區(qū)二灘和龍帚山玄武巖全巖Ti含量分別為～2.8×10-6和～3.5×10-6(Baietal., 2014)。

2 水子鄉(xiāng)輝石巖巖體

水子鄉(xiāng)輝石巖巖體位于丹巴縣城南西(圖1b)，侵位于志留系通化組角閃巖相變質(zhì)地層，圍巖為二云石英片巖和石英巖等(圖2a)。巖體有弱的相變分帶，由巨晶輝石巖-粗晶輝石輝長(zhǎng)巖-中粒輝長(zhǎng)巖組成，其主體為粗晶輝石巖(胡世華等, 2000)。粗晶輝石巖為深灰色到墨綠色(圖2b)，略具堆晶特征(圖2c)，主要礦物為單斜輝石(普通輝石)，受風(fēng)化蝕變影響，其部分晶體邊緣或全部轉(zhuǎn)變?yōu)榻情W石和黑云母(圖2d)。水子鄉(xiāng)輝石巖體南南西約15km為楊柳坪超基性巖體，產(chǎn)出銅鎳硫化物鉑族元素礦床(王登紅等, 2007)；巖體以東區(qū)域上的二疊系大石包(變)玄武巖全巖Ti含量為1.4×10-6～3.2×10-6(平均2.2×10-6；胡世華等, 2000)。

圖2 丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖野外及鏡下照片(a)輝石巖侵入志留系變質(zhì)巖；(b)輝石巖手標(biāo)本照片；(c)略具堆晶特征的粗粒輝石巖；(d)輝石多蝕變?yōu)榻情W石及黑云母Fig.2 Field, hand specimen and microscopic photos of the Shuizi pyroxenite in the Danba area(a) the pyroxenite emplaced into the high-grade metamorphic Silurian rocks; (b) hand specimen photograph of the pyroxenite; (c) the coarse-grained pyroxenite with mild cumulate structures; (d) clinopyroxene (Cpx) replaced by amphibole (Amp) and biotite (Bt)

圖3 丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb協(xié)和圖(a)及陰極發(fā)光照片(b)Fig.3 Zircon LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram (a) and cathodoluminesence (CL) images (b) of the Shuizi pyroxenite in the Danba area

3 樣品及分析方法

本次研究使用的單顆粒鋯石樣品挑選自丹巴水子鄉(xiāng)粗晶單斜輝石巖(圖2b)，其與對(duì)比對(duì)象攀枝花巖體苦橄巖和淺色輝長(zhǎng)巖的特征見表1。鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年及微量元素分析在北京中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所完成，使用的儀器為Agilent 7900 ICP-MS及配套的NWR 193UC激光剝蝕系統(tǒng)，束斑直徑為25μm，剝蝕速率為5Hz，激光能量為2J/cm2。鋯石91500和NIST610作為標(biāo)樣，鋯石GJ-1和Ple?ovice用于數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估。數(shù)據(jù)處理使用Iolite軟件(Patonetal., 2010)，206Pb/238U加權(quán)平均年齡計(jì)算使用Isoplot 3.0(Ludwig, 2003)。

表1 丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖與攀枝花巖體(超)基性巖特征對(duì)比表

圖4 丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖及攀枝花巖體鋯石球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分形式(a,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)和原始地幔值標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)McDonough and Sun, 1995)Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns (a, normalization values after Sun and McDonough, 1989) and primitive mantle-normalized trace element diagram (b, normalization values after McDonough and Sun, 1995) for zircons from the Shuizi pyroxenite in the Danba area and those from the Panzhihua intrusion

4 鋯石U-Pb定年及微量元素分析結(jié)果

圖5 丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖及攀枝花巖體鋯石微量元素估算巖漿氧逸度及其與鋯石Hf含量關(guān)系圖Fig.5 Estimation of the oxygen fugacity of the Shuizi pyroxenite in the Danba area and those from the Panzhihua intrusion based on zircon trace element contents and their evolution trends relative to Hf contents

5 討論

5.1 水子鄉(xiāng)輝石巖

盡管丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖體早已發(fā)現(xiàn)，但尚無年齡報(bào)道(胡世華等, 2000)。本次鋯石LA-ICP-MS U-Pb測(cè)年結(jié)果為260.7±3.3Ma(圖3a)。鋯石應(yīng)用于超基性巖研究相對(duì)較少，主要原因是(超)基性巖大多數(shù)情況下硅、鋯不飽和，因而鋯石較為稀少(吳元保和鄭永飛, 2004)。此外，超基性巖中挑選出的鋯石是否為原生巖漿鋯石存疑(宮江華等, 2020)。這類巖石事實(shí)上很難挑選出鋯石用于測(cè)年，其鋯石在形成過程、野外采樣和挑選單礦物過程中容易混入其它來源鋯石，造成混亂的年齡結(jié)果(宮江華等, 2020)。然而鎂鐵質(zhì)巖漿經(jīng)歷一定程度演化，結(jié)晶出來的巖相仍是(超)基性巖(如本文略具堆晶特征的單斜輝石巖；圖2c)，但是硅、鋯可以飽和并生成鋯石(Xueetal., 2016, 2019; Wangetal., 2018, 2020b, 2021)。攀西地區(qū)近年也有較高精度鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖鋯石U-Pb年齡報(bào)道(葉小春等, 2019; 劉軍平等, 2020；代堰锫等，2021)。

丹巴輝石巖鋯石Th/U比為0.4～4.5(表2)，不發(fā)育環(huán)帶或環(huán)帶很寬(圖3b)，為典型的(超)基性巖漿鋯石，反映微量元素在高溫條件下的快速擴(kuò)散(吳元保和鄭永飛, 2004)。部分鋯石邊緣發(fā)育少量淺色的變質(zhì)增生邊(圖3b)。然而所有鋯石核部測(cè)得年齡非常均一，在誤差范圍內(nèi)一致(圖3a)，測(cè)得的微量元素也相對(duì)均一(圖4)，〗表明所測(cè)鋯石核部U-Pb同位素體系和微量元素未明顯受到后期變質(zhì)影響(Liuetal., 2010)?？偟膩碚f，丹巴輝石巖鋯石為原生巖漿鋯石，261±3Ma的年齡表明其為～260Ma峨眉山大火成巖省北端松潘-甘孜巖區(qū)鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖的組成部分(王登紅等, 2007)。

5.2 水子鄉(xiāng)輝石巖高氧逸度

表3 丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖鋯石微量元素含量(×10-6)、Th/U比值及氧逸度估算值

續(xù)表3

圖6 丹巴水子鄉(xiāng)輝石巖及攀枝花巖體分離結(jié)晶程度差異Fig.6 Difference of fractional crystallization degrees for the Shuizi pyroxenite in the Danba area and those for the Panzhihua intrusion

5.3 高氧逸度與釩鈦磁鐵礦成礦

前人研究表明鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖漿在高氧逸度環(huán)境下，F(xiàn)e-Ti氧化物(磁鐵礦-鈦鐵尖晶石、鈦鐵礦-赤鐵礦固溶體)較早飽和沉淀(Toplis and Carroll, 1995; Jugo, 2009; Jugoetal., 2010)。較高氧逸度使得水子鄉(xiāng)輝石巖具備成礦條件之一，暗示含鈦磁鐵礦可能在其深部巖漿房已經(jīng)飽和卸載。然而水子鄉(xiāng)輝石巖鋯石高Ti含量(圖6a)及其對(duì)應(yīng)的全巖Ti含量，明顯高于區(qū)域上玄武巖全巖Ti含量(1.4×10-6～3.2×10-6；胡世華等, 2000)，暗示水子鄉(xiāng)輝石巖巖漿演化過程中并未明顯抽提過Ti，即大量Fe-Ti氧化物的分離結(jié)晶，在此氧逸度可能是次要影響因素。由于鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖漿演化過程中Fe-Ti氧化物基本與硅酸鹽礦物同時(shí)結(jié)晶(Howarth and Prevec, 2013; Baietal., 2019)，而水子鄉(xiāng)輝石巖只發(fā)育弱的巖相分帶(胡世華等, 2000)，其較低的結(jié)晶分異程度不利于含鈦磁鐵礦沉淀，在此可能是主要影響因素。前人研究認(rèn)為巖漿高度演化/高結(jié)晶分異造就共結(jié)硅酸鹽礦物被移出而Fe-Ti氧化物遺留巖漿房對(duì)攀枝花釩鈦磁鐵礦礦床形成至關(guān)重要(Baietal., 2019)。

攀枝花苦橄巖和淺色輝長(zhǎng)巖鋯石Ti不飽和，并隨巖漿結(jié)晶分異程度增加進(jìn)一步虧損(圖6a)，其低Ti含量對(duì)應(yīng)全巖低Ti含量(0.75×10-6～1.39×10-6；Houetal., 2012)，后者遠(yuǎn)低于區(qū)域上玄武巖全巖Ti含量(2.8×10-6～3.5×10-6；Baietal., 2014)，表明攀枝花巖體經(jīng)歷過Ti的抽提，即Fe-Ti氧化物的分離結(jié)晶(Houetal., 2011)，與大規(guī)模釩鈦磁鐵礦成礦現(xiàn)象一致。Nb、Ta對(duì)于暗色礦物輝石是不相容元素，且一般進(jìn)入金紅石等Ti-Fe氧化物(Stepanovaetal., 2014)，因此Nb、Ta在水子鄉(xiāng)巖體輝石分離結(jié)晶過程中富集到殘留熔體，但在攀枝花巖體鈦磁鐵礦分離結(jié)晶過程中虧損(圖6b)。上文已述及，隨斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶進(jìn)行，殘余巖漿Eu負(fù)異常加劇(圖6c)，這與攀枝花淺色輝長(zhǎng)巖含大量粗粒斜長(zhǎng)石、巖體上部有晚期結(jié)晶分異產(chǎn)物斜長(zhǎng)巖以及礦區(qū)有同源正長(zhǎng)巖和花崗巖的地質(zhì)現(xiàn)象一致(Shellnutt and Zhou, 2007; 鐘宏等, 2008)?？偟膩碚f，攀枝花巖體經(jīng)歷了比水子鄉(xiāng)輝石巖體更高程度的Fe-Ti 氧化物和斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶作用(圖5、圖6)，這是除高氧逸度外釩鈦磁鐵礦礦床形成的關(guān)鍵條件之一(宋謝炎等, 2005; 湯慶艷等, 2013)。

6 結(jié)論

(1)揚(yáng)子西緣丹巴地區(qū)水子鄉(xiāng)～260Ma輝石巖為峨眉山大火成巖省北端松潘-甘孜巖區(qū)鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖的組成部分。

(2)水子鄉(xiāng)單斜輝石巖具有與攀枝花釩鈦磁鐵礦巖體苦橄巖和淺色輝長(zhǎng)巖近似的高巖漿氧逸度，較高氧逸度是釩鈦磁鐵礦成礦的重要條件。

(3)水子鄉(xiāng)輝石巖巖體經(jīng)歷了相對(duì)低程度的結(jié)晶分異，不利于鈦磁鐵礦飽和結(jié)晶；攀枝花巖體經(jīng)歷了更高程度的鈦磁鐵礦和斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶，對(duì)應(yīng)大規(guī)模釩鈦磁鐵礦成礦。

致謝兩位審稿專家對(duì)論文提出了許多寶貴的建設(shè)性意見和建議，在此致以衷心感謝。感謝中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)張靜老師和《巖石學(xué)報(bào)》編輯部俞良軍老師等對(duì)論文提出的修改意見和建議。