文章编号：1004-0609(2014)01-0229-10

湖南新生矿区花岗岩的锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及地质意义

孔  华^{1, 2}，费利东^{1, 2}，钟江临³，王  高^{1, 2}，刘士杰⁴，周伟平³，全铁军^{1, 2, 4}

(1. 中南大学 有色金属成矿预测教育部重点实验室，长沙 410083；

2. 中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083；3. 湖南省有色地质勘查局一总队，郴州 423000；

4. 湖南省有色地质勘查局，长沙 410007)

摘  要：新生矿区花岗岩体岩性为黑云母花岗岩和黑云母二长花岗岩。花岗岩总体上具有富钾、高硅的特征，为钙碱性到弱过铝质花岗岩的过渡(A/CNK为0.93~1.13)。花岗岩具有强烈的Eu负异常(δEu为0.15~0.35)，稀土元素配分曲线呈不对称的“海鸥型”，与典型过铝质A型花岗岩的特征一致。花岗岩的10 000Ga/Al为3.62(3.47~4.00)，与世界A型花岗岩平均值3.75相接近。锆石U-Pb年龄为(147.5±3.5) Ma(MSWD=2.6)，显示岩体形成于燕山早期第二阶段。锆石的ε_Hf(t)为-5.79~-4.15，暗示岩浆来源于均一源区，锆石的Hf同位素两阶段模式年龄(T_DM2)为1.208~1.290 Ga，平均为1.227 Ga，说明岩浆源区有中元古代的古老地壳物质的加入。花岗岩构造环境判别图解显示为造山后(A2)的板内花岗岩。成矿花岗岩是在燕山早期晚阶段板内拉张背景下侵入地壳，并带来成矿物质形成矽卡型铜多金属矿床。

关键词：铜多金属矿床；A型花岗岩；锆石U-Pb定年；Hf同位素

中图分类号：P597　　     文献标志码：A

Zircon U-Pb ages and Hf isotope and their geological significance of granites in Xinsheng deposit, Hunan Province, China

KONG Hua¹, FEI Li-dong¹, ZHONG Jiang-lin², WANG Gao¹, LIU shi-jie³, ZHOU Wei-ping², QUAN Tie-Jun^1,3

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals

Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;

3. First General Geological Team of Hunan Nonferrous Metal Geo-exploration Bureau, Chenzhou 423000, China;

4. Hunan Nonferrous Metal Geo-exploration Bureau, Changsha 410007, China)

Abstract: The Xinsheng granite bodies are distinguished as biotite granite and biotite monzogranite in mining area, the granites can be classified to be calc-alkaline granite and weakly peraluminous granite with K-rich, Si-high (the values of A/CNK are 0.93-1.13). The granites have obvious Eu negative anomaly, the REE distribution patterns be long to the type of “gull”, which are the same as that of typical A-type granite. The average value of 10 000Ga/Al of granites is 3.62 (3.47-4.00), which is close to 3.75, the average value of A-type granite worldwide. The zircon U-Pb age of granite bodies is (147.5±3.5) Ma (MSWD=2.6), which shows that they formed in the second stage of early Yanshan movement. The values of ε_Hf(t) are -5.79- -4.15, indicating that the magma mainly derived from a uniform resource. The model ages of two-stage range of zircon Hf isotope (T_DM2) are 1.208-1.290 Ga (average value is 1.227 Ga). This feature indicates that the granite bodies originated from melting of early crustal materials formed in mesoproterozoic. The discrimination diagrams for tectonic background of granites prove that the granites formed in intra-plate extension environment, and the granites are A2-type, so, the granite body intrusived to lower crust in extension environment, and brought enough mineralizing material to form skarn type copper polymetallic deposit.

Key words: copper polymetallic deposit; A-type granite; zircon U-Pb dating; Hf isotope

湖南省永兴县新生矿床为铜锡多金属矿床，矿区位于南岭中段大义山岩体南东部。南岭地区地质构造复杂，矿产资源丰富。大义山岩体受北西向郴州-邵阳构造带严格控制，呈长条状侵入于印支期构造层之中，总面积约210 km²。大义山岩体为一具有多期次侵入活动的复式岩体，侵入时代为印支晚期(210~278 Ma)至燕山早-中期(156~185 Ma；128~148 Ma)，其中(160±5) Ma期间的岩浆活动与成矿最密切。这与区域上北西向郴州-邵阳构造岩浆成矿带产出锡多金属矿花岗岩的成矿期是一致的^[1]。新生矿区地表为灰岩覆盖，钻探资料显示矿区深部存在隐伏岩体，为大义山岩体南东缘的延伸。前人对该矿区研究较少，本文作者着重对矿区隐伏岩体的成岩年代学、岩石成因及其构造背景进行讨论。

1 地质概况

新生矿区位于湘南大义山岩体南东部接触带上，即南岭东西向构造带中段北缘与耒阳临武南北向构造带中段的交汇部位，属于大义山-骑田岭-柿竹园-瑶岗仙钨锡多金属成矿带中段。矿区断裂较为发育，依走向可分为两组，一组为近南北向的F₁、F₂、F₃，均为走向逆断层；另一种为近东西向的F₁₁、F₁₂、F₁₃，均为平移断层(见图1)。

图1  新生铜多金属矿区地质简图^[2]

Fig. 1  Geological sketch map of Xinsheng Copper polymetallic deposit^[2]

矿区出露的地层为泥盆系上统锡矿山组上段(D₃x²)、石炭系下统孟公坳组(C₁m¹、C₁m²)、石磴子组下段(C₁sh¹)及第四系(Q)(见图1)。

矿区地表未见岩体出露，但钻孔揭露深部存在隐伏岩体，岩性为黑云母花岗岩和黑云母二长花岗岩，在岩体上部有矽卡岩及云英岩。矿化类型可分为以下3种：1) 产于外接触带中的裂隙充填交代型铜多金属矿床；2) 产于正接触带中的矽卡岩型铜多金属矿床；3) 产于内接触带中的云英岩型铜多金属矿床。

2  样品的采集和分析方法

2.1  样品的采集及岩石矿物学特征

本次研究样品为钻孔样品及坑道样品，主要有两种岩性，分别为黑云母二长花岗岩和黑云母花岗岩。

黑云母二长花岗岩：似斑状结构，块状构造。斑晶成分主要为斜长石和钾长石，基质成分主要为斜长石、钾长石和黑云母。斜长石为自形-半自形板状，部分蚀变为绢云母，斜长石斑晶粒径为2.5~0.3 cm，斜长石基质为0.3~0.2 mm，斜长石含量为32%左右；钾长石为为半自形板状-他形粒状，可见卡巴斯双晶，钾长石斑晶粒径为2.0~0.8 cm，钾长石基质为0.3~0.21 mm，钾长石含量为30%左右；石英为他形粒状，粒径1.0~0.1 mm，含量为30%左右；黑云母为半自形鳞片状，粒径0.3~0.2 mm，含量8%左右。

黑云母花岗岩：花岗结构、块状构造。主要矿物成分为斜长石、钾长石、石英和黑云母。斜长石为自形-半自形板状，粒径2.5~0.3 mm，可见卡-钠复合双晶，部分蚀变为绢云母，含量为30%左右；钾长石为半自形板状-他形粒状，粒径2.0~0.2 mm，可见卡巴斯双晶，以条纹长石(612-14和612-16)为主，部分蚀变为高岭石，含量为35%左右；石英为他形粒状，粒径1.0~0.1 mm，含量为25%左右；黑云母为半自形鳞片状，粒径0.3~0.2 mm，含量为10%左右。

2.2  主量元素、稀土元素和微量元素分析方法

用于测试的样品分别为黑云母二长花岗岩和黑云母花岗岩，样品6件(X725-3、612-3、612-5、612-9、612-14和612-16)，其中X725-3、612-3、612-5为黑云母二长花岗岩， 612-9、612-14和612-16为黑云母花岗岩。与成矿直接相关的是黑云母二长花岗岩，野外观察显示有矿化蚀变现象。样品分析在武汉综合岩矿测试中心用X 荧光光谱仪(XRF)完成，分析误差控制在2%以内。分析数据列于表1~3。

表1  新生矿区花岗岩体常量元素含量及参数

Table 1  Major element contents and some parameters of Xinsheng granites

表2  新生矿区花岗岩体稀土元素含量及参数

Table 2  Rare earth element contents and some parameters of Xinsheng granites

表3  新生矿区花岗岩体微量元素含量

Table 3  Trace element contents of Xinsheng granites

2.3  锆石的分选和分析流程

用于锆石定年和Hf同位素的样品为来自矿区深采坑道揭露的黑云母二长花岗岩(X725-3)。样品处理首先采用常规方法将岩石样品粉碎至150~178 μm，并用浮选和电磁选方法进行分选，再在双目镜下挑选出晶形好、透明度高、无裂纹和包裹体少的锆石晶体进行制靶，并对靶上的待测样品分别进行透射光与发射光照相进而选取锆石微区分析靶位。将锆石颗粒粘在双面胶上，然后用无色透明的环氧树脂固定，待环氧树脂充分固化后，对其表面进行抛光至2/3厚度。在开始锆石U-Pb分析前，先进行阴极发光(CL)图像分析，以确定锆石颗粒的内部结构。锆石的反射光和透射光显微照相以及阴极发光(CL)显微照相在西北大学大陆动力学国家重点实验室扫描电镜实验室完成。

锆石原位U-Pb同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室的LA-ICPMS仪器上按标准测定程序进行。激光剥蚀系统为备有193 nm ArF-excimer激光器的Geolas200M(Mierolas Gottingen Germany)，激光剥蚀斑束直径为30 μm，剥蚀样品的深度为20~40 μm。分析时采用He作为剥蚀物质的载气，用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610进行仪器最佳化，锆石年龄测定采用国际标准锆石91500、GJ-1作为外标标准物质，外标校正方法为每隔5个个样品分析点测一次标准，保证标准和样品的仪器条件完全一致。样品的同位素比值和元素含量数据采用ICPDATACAL^[3]程序计算，并采用Andersen(2002)^[4]软件对测试数据进行普通铅校正，年龄计算和成图采用年采用Isoplot3.0软件^[5]完成。分析数据列于表4，分析及计算误差为1σ。

在锆石U-Pb定年分析的基础上对已定年的锆石颗粒，参照锆石CL图像和U-Pb定年的位置(即激光剥蚀的位置)选择Lu-Hf同位素测定点，点位与U-Pb的位置一致。实验在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。分析时激光束斑直径控制在44 μm。采用标准锆石91500，MON-1和GJ-1作外部标样。分析过程和数据处理及校正参数见文献^[6]。分析数据列于表5。

表4  新生矿区花岗岩锆石U-Pb同位素组成及年龄

Table 4  Zircon U-Pb isotope compositions and ages of Xinsheng granites

表5  新生矿区花岗岩锆石Hf同位素组成

Table 5  Zircon Hf isotope compositions of Xinsheng granites

3  结果与讨论

3.1  岩石地球化学特征

3.1.1  常量元素特征

从表1可以看出，矿区隐伏岩体SiO₂含量为70.40%~77.03%，平均含量为73.50%， K₂O含量为5.20%~6.56%，平均含量为5.58%；Na₂O含量为1.76%~2.88%，平均含量为2.33%；过碱指数NK/A为0.74~0.80，均小于1，平均0.78。岩体总体上具高钾(w(K₂O)＞w(Na₂O))、高硅、低钛(TiO₂平均含量为0.32%)的特征。

在SiO₂—K₂O图解(见图2(a))中，样品全部落入高钾钙碱性系列；在铝质-准铝质A/NK-A/CNK判别图解(图2(b))中，样品落入区域可分为两组：第1组为黑云母二长花岗岩，其A/CNK小于1(0.93~0.98，平均0.96)而A/NK大于1(1.25~1.36，平均1.31)，显示矿区的黑云母二长花岗岩为钙碱性花岗岩类，第2组为黑云母花岗岩，其A/CNK大于1(1.03~1.13，平均1.08)，显示矿区的黑云母花岗岩为过铝质，且属弱过铝质范畴(1＜A/CNK＜1.1)。

3.1.2  稀土元素特征

图2  w(SiO₂)—w(K₂O)图(a)和A/NK—A/CNK图解(b) ^[7]

Fig. 2  w(SiO₂)—w(K₂O) diagram (a) and A/NK—A/CNK diagram (b)^[7]

如表1所列，新生矿区岩体的稀土总量(不包括Y)在199.20×10^-6~571.30×10^-6之间，轻重稀土比值(LREE/HREE)为4.09~11.14，(La/Yb)_N为3.05~12.88，平均9.30，具有轻稀土中等富集特征。岩体具强烈的Eu负异常(δEu为0.15~0.35，平均0.22)；从稀土元素球粒陨石标准化分布型式图(见图3(a))看，轻稀土部分相对较陡，重稀土部分趋于平缓，曲线呈“V”字形，整体呈“海鸥”型分布，显示源区部分熔融岩浆经历了较强的斜长石分离结晶作用。岩体稀土配分型式呈现非对称性型(右倾斜型)四分组效应，该效应通常是岩浆-流体间的反应所致，岩浆-流体间的反应不是一定产生四分组效应，非高度演化的岩石即便遭受过热液蚀变也不会出现稀土元素的四分组效应。如千里山岩体及其组成矿物如成岩矿物(如钾长石、黑云母等)和富稀土副矿物(黄玉、独居石等)均有四分组效应，它们是由已经产生四分组效应的熔体结晶而来，而不可能是由岩浆期后的水-岩反应形成，该特征具有鲜明的岩浆属性^[8]。近年来的研究表明，四分组效应仅见于高度演化的火成岩中且富H₂O、CO₂、Li、B、Cl、F等元素，主要为与热液发生有强烈相互作用的晚期岩浆分异物，包括高度演化的淡色花岗岩、伟晶岩和矿化的花岗岩等^[9]。

总体看，本区花岗岩稀土元素特征与典型高分异A型花岗岩类似。

图3  稀土元素球粒陨石标准化分布型式图和岩体原始地幔标准化微量元素蛛网图

Fig. 3  Diagram show chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and Spider diagram show primitive mantle- normalized trace elements(b) (After Ref. [10-11])

3.1.3  微量元素特征

从表3可以看出，矿区岩浆岩类岩石具有较高的大离子亲石元素含量(Rb为363.4×10^-6~491.8×10^-6；前3个样品Ba为356.00×10^-6~545.00×10^-6；U为13.60×10^-6~20.70×10^-6)，但Sr含量则出现亏损(31.40×10^-6~101.50×10^-6)；高场强元素Ta(1.20×10^-6~4.80×10^-6)和Hf(5.40×10^-6~9.90×10^-6)含量较低，Zr(149.10×10^-6~285.90×10^-6)、Nb(11.20×10^-6~40.40×10^-6)和Th(41.30×10^-6~ 83.50×10^-6)含量则较高。

从原始地幔标准化图(见图3(b))可以看出，Rb和Th为正异常，Ba、Nb、Sr则为负异常，另外P和Ti也出现负异常，Zr和Hf则无明显异常。这些特征与大陆地壳的特征(富大离子亲石元素Rb、Ba、U、Th，富高场强元素Zr、Hf，富Pb、K，亏损Nb和Ti)相接近但不完全一致，说明源区可能以壳源为主，亦混有幔源物质。

3.2  锆石U-Pb同位素特征

本次测试所选新生矿区样品(X725-3)，剔除部分普通铅丢失严重及谐和度低(＜90%)的测试数据，有效锆石为11颗(表4)。锆石CL图像(见图4)显示锆石结晶均较好，呈长柱状晶形，具典型的岩浆震荡环带，为岩浆成因锆石。锆石的²³²Th/²³⁸U值分布比较均衡，为0.38~0.43，平均为0.40(见表4)。

样品X725-3锆石U-Pb年龄谐和图(见图5)显示锆石平均年龄为(147.5±3.5) Ma(MSWD=2.6)，为黑云母二长花岗岩的成岩年龄，对应于燕山早期的第二阶段。锆石年龄与大义山北部泥板田黑云母花岗岩体的年龄(128~148 Ma)一致^[1]，岩体岩石化学特征与大义山岩体一致^[2]，这表明新生岩体在深部可能与大义山岩体相连，是大义山复式岩体的有机组成部分。

3.3  锆石Lu-Hf同位素特征

从表5可以看出，所有锆石的¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf为0.000 471~0.000 623，平均为0.000 556，远小于0.002，说明锆石形成以后具有较低的放射性Hf的积累。¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf为0.282 518~0.282 564，平均为0.282 553，说明Hf同位素组成均一。ε_Hf(t)值为-5.79~-4.15，平均为-4.57，均小于0，这说明研究区无新生地壳生长，岩浆主要源自单一地壳源区^[12]。

可以看出，在ε_Hf(t)—t图解中(见图6(a))，所有样品分析点均远离亏损地幔线，而位于球粒陨石线和2.5 Ga下地壳线之间，锆石的Hf两阶段模式年龄分布较均一，为1.208~1.290 Ga，平均为1.227 Ga。说明岩体源区有古老地壳物质的加入，主要是中元古地壳物质。

图4  新生矿区花岗岩样品(X725-3)中锆石CL图像

Fig. 4  CL images and ²⁰⁶Pb/²³⁸U ages of zircons (sample X725-3) from Xinsheng granite

图5  锆石U-Pb年龄谐和图

Fig. 5  Zircon U-Pb concordia diagram

4  构造环境探讨

花岗岩构造环境判别图解(见图6(b))显示，本区为板内花岗岩(WPG)，反映拉张环境。矿区地处华南腹地，该区域(200~180 Ma)处于相对平静时期，目前没有发现该时间段有大规模岩浆活动的活动记录。在经历了这个岩浆活动相对沉寂期之后，从180 Ma开始，华南内部逐渐进入一个岩石圈“伸展-减薄”的地球动力学环境，而从160 Ma左右开始，贯穿整个晚侏罗世(J₃)，华南全面进入岩石圈“伸展-减薄”的地球动力学环境^[13]。岩石圈伸展-拉张-减薄，为地幔物质的上涌提供了有利条件，地幔上涌造成玄武岩浆发生底侵作用，造成下地壳温度升高，加热和软化了岩石圈下地壳，这有利于A型花岗岩的形成。其中部分花岗岩质岩浆在演化后期能够发生强烈的岩体-熔体相互作用，导致出现与高分异花岗岩有关的W、Sn矿床的形成。

图6  新生矿区隐伏岩体锆石的ε_Hf(t)—t图解和花岗岩构造环境判别图解^[14-16]

Fig. 6  ε_Hf(t)—t diagram of zircon of Xinsheng granite (a) and diagrams for discrimination of tectonic background of granite (b)^[14-16]

本区花岗岩的10 000Ga/Al值在3.47~4.00之间，平均3.62，明显高于世界M、I和S型花岗岩的相应值，而与世界上的一些A型花岗岩接近(世界A、M、I和S型花岗岩的10000Ga/Al平均值分别为3.75、1.87、2.28和2.25^[17])。在A型花岗岩的Zr-10 000Ga/Al判别图解(见图7(a))样品全部落入A型花岗岩区域内。在A型花岗岩的分类图(见图7(b))中，样品全部落入A2(造山后的A型花岗岩)区域内，代表造山作用的结束，其地球动力学环境由挤压转变为拉张。

矿区位于大义山岩体的东南端，而离大义山不远的千里山复式岩体其主要岩性为黑云母二长花岗岩，长久以来一直被认为是S型花岗岩，尽管岩体有黑云母等含水矿物的存在，但有学者指出千里山复式岩体实际上更符合A型花岗岩的特征^[20]。同样，前人一般认为大义山岩体为S型花岗岩，但根据前文及本文分析，矿区及大义山岩体实际上应该为A型花岗岩。据勘探资料表明，本区以铜矿为主，另有一定量的锡产出。另外，整个大义山地区均有锡矿(多与铜矿相伴生)产出，而锡矿床以往被认为只与S型花岗岩或陆壳改造型(南岭型)花岗岩密切相关。近年来的研究表明，锡矿床与A型花岗岩也密切相关，如湖南芙蓉锡矿田就是与A型花岗岩有关的一个超大型锡矿田^[21-22]。另外，有学者指出南岭地区的A型花岗岩常伴随有锡矿化^[23]。

图7  A型花岗岩Zr-10000Ga/Al关系图A型花岗岩的A1亚类和A2亚类判别图^[18-19]

Fig. 7  Diagram of A-type granites of Zr-10000Ga/Al (a) and Sub-class of A-type granites of A1 and A2 subclass discriminant diagram (b)^[18-19]

5  结论

1) 矿区隐伏花岗岩体为黑云母花岗岩和黑云母二长花岗岩，岩石地球化学特征显示为钙碱性-弱过铝质花岗岩，岩石稀土元素分布具有非对称四分组效应，具有过铝质A型花岗岩的特征。

2) 与成矿直接相关的黑云母二长花岗岩的锆石U-Pb年龄为(147.5±3.5) Ma(MSWD=2.6)，其形成时代为晚侏罗世(J₃)，属燕山早期运动的第二阶段。

3) 微量元素地球化学判别图解显示燕山早期本区为板内构造环境，花岗岩为造山后(A2型)花岗岩，其地球动力学环境为板内拉张背景。锆石的Hf同位素测试结果显示ε_Hf(t)值为-5.79~-4.15，计算的两阶段模式年龄T_DM2为1.208~1.290 Ga，平均1.227 Ga，反映岩浆源区有中元古代的古老地壳物质。花岗岩是早期增厚的中下地壳在燕山早期发生熔融上侵到浅部地壳冷凝结晶形成，岩浆经过充分分异，晚期热液中富含挥发份及成矿物质，在与灰岩的接触带形成矽卡岩型矿体。

致谢：锆石测试得到西北大学大陆动力学国家重点实验室袁洪林教授、柳小明高工、弓虎军博士、戴梦宁博士的支持，数据处理得到阳杰华博士的协助。承蒙匿名审稿人提出的宝贵修改意见，谨此一并致以诚挚谢意！

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(编辑  李艳红)

基金项目：中国地质调查局地质矿产调查评价专项资助项目(1212011121116，1212011085372)

收稿日期：2012-12-25；修订日期：2013-08-20

通信作者：孔  华，教授，博士；电话：0731-88830616；E-mail：konghua2006@126.com