钨是战略性关键金属,广泛应用于高端制造、航空航天、电子信息等领域。全球钨矿资源分布高度集中,中国以占世界45%的储量稳居首位,其中华南地区是中国钨矿的核心成矿区
[1],形成南岭、钦杭及武夷山三大成矿带。华南钨成矿作用主要集中于中生代3个时期:①230~210 Ma,成矿规模较小,在南岭中段发现了与印支期岩浆作用有关的锡、钨、铀成矿作用,如锡田、川口、荷花坪、合江口等矿床
[2-3];②165~140 Ma,是南岭成矿带东带及中带最重要的钨成矿时期
[4];③100~80 Ma,大多分布在南岭成矿带西带,成矿规模较南岭东带、中带小
[5-6]。南岭地区钨矿以石英脉型和矽卡岩型矿床为主,尽管南岭钨矿研究已取得显著进展,但前人研究多聚焦于南岭成矿带的东带及中带,而对西段成矿作用的关注相对不足。
桂东北珊瑚钨锡矿床是南岭成矿带西段一大型石英脉型钨锡矿床,其已探明三氧化钨资源量达13.75万t、Sn资源量4.04万t。珊瑚钨锡矿床自1958年开展地质工作以来,已有部分学者对其开展了年代学及地球化学方面的研究。在年代学方面,学者通过锆石原位铀-铅定年法(uranium-lead dating method, U-Pb)和绢云母氩-氩定年法(argon-argon dating method, Ar-Ar)限定了盐田岭岩体的形成年龄为(106±13) Ma,热液蚀变年龄为(103.6±1.2) Ma
[7]。珊瑚钨锡矿床含钨石英脉白云母Ar-Ar坪年龄为(100.8±0.7) Ma,认为该矿床的成矿作用主要发生在100 Ma左右的白垩纪
[8]。在地球化学方面,总结出垂向上亲氧和挥发性元素在上部富集,亲硫元素在下部富集的规律;矿石中原生晕显示矿床上部元素异常组合为W、Sn、Be、B、F、Sr等,中部为Zn、W、Cd、Pb等,下部为Pb、Cu、Ni、Mn、Ga等
[9-11]。以往珊瑚钨锡矿床测年研究对象主要选择与黑钨矿共生的非金属矿物(如石英、云母等),而缺乏对黑钨矿的直接测年。虽然前人对珊瑚钨锡矿床地球化学研究总结出部分规律,但对元素迁移机制、复杂交互作用探究不足。黑钨矿在成矿中作用关键,其微量元素研究相对匮乏,对其深入探究可明晰成矿过程,完善矿床地球化学认知体系。
现以珊瑚钨锡矿床黑钨矿为对象,采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, LA-ICP-MS)技术开展原位U-Pb定年与微量元素分析,旨在精确厘定矿床成矿时代,解析成矿流体来源及演化过程,重新评估矿床成因类型,为华南钨矿成矿系统的时空演化提供新视角。研究成果不仅有助于深化对华南晚阶段钨矿成矿机制的认识,还可为区域找矿方向提供理论指导。
1 区域地质背景
珊瑚钨锡矿床隶属于广西壮族自治区贺州市钟山县,地理坐标东经 111°20'26″~111°22'02″、北纬 24°19'27″~24°20'44″;大地构造上处于上扬子古陆块湘桂断陷盆地,属湘桂赣地层分区,位于南岭西段钨锡钼成矿带[
图1(a)]。区域上出露地层有寒武系、泥盆系、石炭系、侏罗系和第四系,泥盆系出露最广,以碳酸盐岩、碎屑岩为主,多组成宽展型褶皱。区域内主要构造为葫芦岭穹窿,表现为近东西向延伸的椭圆环,背斜核部为泥盆系莲花山组、翼部为泥盆系那高岭组至郁江组,葫芦岭背斜穹隆东过渡为珊瑚向斜。主构造为北东向至南北向断裂构造。区域内唯一出露的岩浆岩为西部盐田岭花岗岩株,其位于葫芦岭背斜核部,出露面积约0.16 km
2,岩性上部为细中粒花岗岩,中部为钠长花岗岩,深部为白云母(二云母)碱长花岗岩,成岩年龄为(101.0±1.5) Ma
[12]。区域内已查明金属矿产20余种,包括钨、锡、铁、锰、锑等矿产,组成了以珊瑚钨锡矿床为主体的矿化集中区[
图1(b)]。
2 矿床地质特征
珊瑚钨锡矿床分布于长营岭东坡,主要出露泥盆系地层,以泥质粉砂岩、粉砂岩及灰岩为主,矿体切穿地层,矿体倾角呈急倾斜,地层中W、Sn含量相对较高。矿床位于葫芦岭背斜南东翼与珊瑚向斜南端急剧转弯交替地带,由于构造应力高度集中,发育了以剪切裂隙为主的裂隙,构成走向27°的主要控矿剪裂带,地层中构造形成的空间为容矿部位。断裂主构造线方向为北北东向,北西向次之,两者形成的格架断裂体系控制成矿空间,成矿热液充填后形成工业矿体。矿床中热液蚀变较发育,包括萤石化、白云母化、绢云母化、硅化、碳酸盐化、绿泥石化、绿帘石化等,蚀变范围较窄,一般离矿体几厘米至几米。矿石中发现黑钨矿、锡石、白钨矿、黄铜矿、闪锌矿、石英等26种矿物,黑钨矿多呈大板状、小板状和针状晶体,晶体最长达70 cm,一般长10~20 cm,厚1.0~1.5 cm,常由脉壁向脉中心呈放射状产出。矿石有结晶结构、交代结构和压碎结构,以结晶结构最为普遍;矿石构造有对称条带构造、角砾状构造、脉状构造、晶洞构造、梳状构造及浸染状构造等。矿体以石英脉产出,赋存在走向北北东的剪切裂隙中,倾向南东或北西,南东倾的矿体倾角一般60°~89°,主要工业矿体均倾向南东。共发现含矿石英脉800余条,矿化面积约2 km2,矿带延长2.5 km,宽600~1 000 m,最大延深达1 km。圈定工业矿体268个,其中主要矿体53个。工业矿体平面分布宽度约500 m,往倾向上逐渐收拢,至-155中段平面分布宽度200~300 m,矿体间距一般几米至十几米;矿体厚度一般0.05~1.75 m,平均厚0.43 m,WO3平均品位0.12%~9.60%。主要矿体WO3品位0.11%~2.43%,平均1.20%;Sn品位0.043%~3.90%,平均0.54%。
3 样品特征及分析方法
3.1 样品特征
样品采自30号主矿体-105中段2号穿脉,脉宽约0.90 m[
图2(a)]。样品中矿石矿物主要为黑钨矿、白钨矿、锡石和毒砂及少量闪锌矿、黄铜矿,脉石矿物主要为石英、白云母。矿脉两侧泥化和绿泥石化较强烈,黑钨矿呈板状、晶簇状与白钨矿共生,白钨矿呈浸染状分布于石英团块及黑钨矿晶体边缘[
图2(b)],镜下可见黑钨矿与锡石共生[
图2(c)]。
3.2 分析方法
黑钨矿原位U-Pb定年在东华理工大学铀资源探采与核遥感全国重点实验室LA-ICP-MS仪器上完成,所采用的激光剥蚀系统为相干公司生产的GeoLasHD 193 nm准分子激光器,电感耦合等离子体质谱仪为安捷伦公司生产的7900 ICP-MS。测试过程中采用氦气为载气,氩气为补偿气,两者通过一个T形玻璃接口混合进入质谱仪,T形玻璃接口与激光剥蚀系统之间配置有信号平滑装置
[14],以达到平滑的分析信号。激光剥蚀频率和束斑分布为5 Hz和44 μm,激光能量密度为4.0 J/cm
2,以黑钨矿国际标样YGX
[15]为外标校正U-Pb同位素比值,以黑钨矿国际标样MTM
[16]监控分析质量,以玻璃标准物质NIST610作外标校正微量元素分馏。每个分析数据点包括大约20 s背景信号和45 s样品剥蚀信号,对U-Pb同位素年龄数据的离线处理采用软件Isoclock 2.0.1
[17],微量元素数据处理采用ICPMSDataCal 11.0软件
[18-19]处理。样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot/Ex_ver3
[20]完成。
4 结果
4.1 黑钨矿 U-Pb 定年
LA-ICP-MS黑钨矿原位U-Pb定年结果如
表1和
图3、
图4所示,选择表面光滑平整、裂隙不发育、矿物包裹体不发育的区域开展激光剥蚀,以保证分析数据的可靠性。分析的激光剥蚀信号相对平整(
图3),表明测试过程中未受矿物包裹体、微裂隙等的影响。黑钨矿样品中18个有效测点U含量均较高(1.81×10
-6~4.86×10
-6,平均3.49×10
-6),下交点年龄为(100.5±3.0) Ma [
n=18,加权偏差均方根(mean square of weighted deviates,MSWD)=2.7](
图4)。
4.2 黑钨矿微量元素
黑钨矿原位微量元素分析有效测定了18个测点,分析结果如
表2所示,测试过程选点与前述原位U-Pb定年一样,以保证测点剥蚀信号曲线平坦光滑(
图5)。黑钨矿中稀土元素总量(rare earth elements, REE)为10.54×10
-6~38.49×10
-6,平均为21.35×10
-6,稀土元素整体相对富集,配分模式均为重稀土富集型。Nb、Ta含量相对较高,Nb含量为162.50×10
-6~343.95×10
-6,Ta含量3.00×10
-6~14.41×10
-6。黑钨矿中铕异常值(
δEu)为1.14~1.85,平均1.55。Zr/Hf比值为31.19~94.48,平均53.68,显示出Zr相对于Hf的富集趋势。Y/Ho比值为5.04~8.30,平均6.18,表明Y相对于Ho的富集程度较高。
5 讨论
5.1 成矿构造背景
通过LA-ICP-MS技术对珊瑚钨锡矿床黑钨矿进行原位U-Pb定年,获得黑钨矿的形成年龄为(100.5±3.0) Ma,与含黑钨矿石英脉内共生的白云母Ar-Ar定年获得的年龄[(102.2±2.4) Ma、(100.2±1.3) Ma]
[8]以及共生锡石U-Pb年龄[(100.2±1.0) Ma、 (100.5±1.1) Ma)]
[12]在误差范围内一致,共同表明珊瑚钨锡矿床形成于早白垩世晚期。这一结果显著晚于南岭地区典型石英脉型钨矿的成矿时代,如江西大吉山钨矿床(161.0±1.3) Ma
[21]、粤北红岭钨矿(159.1±1.5) Ma
[22]、福建行洛坑钨矿床(151.3±5.8) Ma
[23]、湖南瑶岗仙钨矿床(156±3) Ma
[24],也明显晚于南岭地区大面积高强度形成钨锡矿的爆发期中晚侏罗世150~165 Ma及130~140 Ma
[25]。区域地质资料显示,珊瑚钨锡矿床西部燕山晚期盐田岭花岗岩株锆石U-Pb年龄为(101.0±1.5) Ma,获得的珊瑚钨锡矿床成矿年龄与盐田岭花岗岩株侵位时间在误差范围内一致,表明珊瑚钨锡矿床成矿作用与盐田岭花岗岩关系密切。这一发现与华南中晚侏罗世大规模钨成矿作用150~156 Ma及早白垩世钨成矿作用130~140 Ma存在显著差异,提示珊瑚钨锡矿床属于燕山晚期构造-岩浆活动的产物,与新特提斯洋俯冲后撤引发的伸展环境相关,华南地区位于欧亚大陆东南部,新特提斯洋俯冲后撤在华南地区引发了大规模的伸展构造环境,这种伸展环境为岩浆活动和成矿作用提供了有利的构造空间和动力学条件
[26]。珊瑚钨锡矿床成矿年龄与南岭地区典型石英脉型钨矿存在50~65 Ma的时差,这反映了华南地区钨成矿作用的多阶段性,可能与区域构造应力场的转变或岩浆源区的不同有关。晚侏罗世成矿事件与太平洋板块大角度旋转俯冲相关
[27],而早白垩世成矿可能与古太平洋板块的远程效应或地幔柱活动有关
[1]。
5.2 成矿流体特征
Y、Ho在热液中常呈Y
3+、Ho
3+离子形式,Y
3+的离子半径约为0.089 nm,Ho
3+的离子半径约为0.089 4 nm;Zr、Hf 在热液中常呈Zr
4+、Hf
4+离子形式,Zr
4+的离子半径约为0.072 nm、Hf
4+的离子半径约为0.071 nm。Y、Ho与Zr、Hf分别具有相同的电价和相似的离子半径,Y/Ho 和Zr/Hf 比值在热液体系中一般不会产生分异
[28]。珊瑚黑钨矿Y/Ho比值为5.04~8.30,远低于电荷-半径控制(charge-radius control, CHARAC)Y/Ho比值范围24~34;珊瑚黑钨矿Zr/Hf比值为31.19~94.48,比值显著高于电荷-半径控制(CHARAC)Zr/Hf比值范围26~46
[28]。这种特征表明,黑钨矿中Y、Ho、Zr、Hf 等价元素的含量除了受其本身化学性质影响外,还受流体中络合物影响,F、Cl的络合作用主导了流体中元素的迁移行为。结合盐田岭花岗岩具有高挥发分的特点
[7],且高挥发分主要体现为富F(F含量高达106×10
-4)
[29],推测F通过形成稳定的W-F络合物(如WO
3F
-、WO
2${\mathrm{F}}_{4}^{2-}$)促进了钨的迁移与富集。
δEu值能反映成矿流体体系的相对氧化还原程度
[30],珊瑚黑钨矿δEu值1.14~1.85,Eu呈正异常,Eu
3+离子半径0.095 nm,Eu
2+离子半径9.5 nm,Eu
3+离子半径更接近Fe
2+(0.078 nm)、Mn
2+(0.083 nm)离子半径,黑钨矿结晶过程中,Eu
3+更容易参与结晶,表明成矿流体在成矿过程中为相对氧化环境,从而导致其在黑钨矿中相对富集Eu
3+为主。黑钨矿中δ
18O值为+5.3‰~+6.1‰,δ
18${\mathrm{O}}_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}$值为+6.2‰~+10.2‰;石英中δ
18O值为+11.5‰~+17‰,δ
18${\mathrm{O}}_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}$值为+6.13‰~+10.2‰,
δ${\mathrm{D}}_{{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}}$值为-47‰~-98‰
[31];显示成矿流体属于“再平衡岩浆水”类型,主要来自深部的岩浆
[32]成矿流体从岩浆水分异出来后,在运移过程中与围岩发生水-岩反应,导致同位素组成发生“再平衡”,同时流体中Eu
2+被氧化为Eu
3+,促进其在黑钨矿中富集。
5.3 对矿床成因的约束
珊瑚钨锡矿床黑钨矿原位LA-ICP-MS微量元素分析结果显示,黑钨矿中稀土含量10.54×10
-6~38.49×10
-6,平均21.35×10
-6,稀土总量低于多数石英脉型矿床中的黑钨矿REE总量(ΣREE大部分在40×10
-6~80×10
-6)
[30]。轻稀土元素含量(light rare earth elements, LREE)含量0.03×10
-6~3.97×10
-6,平均0.71×10
-6;重稀土元素含量(heavy rare earth elements, HREE)含量7.1×10
-6~30.6×10
-6,平均16.7×10
-6,HREE/LREE平均109.2,HREE相较于LREE富集。如
图6所示,黑钨矿中REE总量和球粒陨石标准化后的REE配分曲线呈明显的“左倾形”,重稀土含量明显高于轻稀土含量,Eu呈正异常;盐田岭花岗岩株稀土元素呈明显的Eu负异常;黑钨矿主要成分为钨酸亚铁锰,其晶体结构和化学成分对稀土元素的容纳和分异作用相对较弱,在黑钨矿形成过程中,稀土元素在其中的分配相对均匀,因此未出现明显的 Eu 负异常。而盐田岭花岗岩株中斜长石对 Eu
3+有较强的亲和力,在岩浆演化早期,斜长石结晶优先捕获岩浆中Eu
3+,使得残余岩浆中Eu含量降低,导致最终形成的花岗岩株呈现明显的Eu负异常。黑钨矿中重稀土元素含量与盐田岭花岗岩株稀土元素含量基本一致,这是由于轻稀土元素活动性相对较强,在成岩成矿熔体分异过程中,优先进入成岩熔体中,而活动性相对较弱的重稀土元素则趋向在成矿流体中富集
[30],同时重稀土元素离子半径0.094~0.086 nm相对轻稀土元素离子半径0.094~0.103 nm更接近Fe
2+半径0.078 nm和 Mn
2+半径0.083 nm
[33],表明在“黑钨矿-流体”体系中重稀土元素具有更高的分配系数。结合黑钨矿定年结果指示成矿时代为早白垩世晚期,认为珊瑚钨锡矿床的形成与盐田岭花岗岩株密切相关。
前人研究表明,黑钨矿中Ta、Nb含量受成矿流体成分影响大,与流体的温度、压力及锰、铁成分关系较小
[35-36]。珊瑚钨锡矿床黑钨矿中Ta
2O
5含量为3.66×10
-6~17.60×10
-6、平均8.69×10
-6,Nb
2O
5含量为231.95×10
-6~490.94×10
-6、平均349.41×10
-6,Ta
2O
5/Nb
2O
5比值0.02,三者均明显低于华南石英脉型钨矿床平均值520×10
-6、2 069×10
-6、0.17,表明成矿流体经历了多阶段分异或远端迁移。黑钨矿中Ta、Nb含量低,表明岩浆期后气成热液和热液阶段成矿流体中Ta、Nb含量低,也表明黑钨矿中Ta、Nb主要呈类质同象的分散状态,没有形成独立矿物。同时珊瑚矿床黑钨矿中Ta
2O
5及Nb
2O
5的含量均与远离母岩的石英脉型矿床含量在同一数量级
[35],表明珊瑚钨锡矿床与成矿母岩距离较远
[23]。实验研究表明,Nb和Ta在热液体系中的行为受pH影响较大和氧逸度控制
[37],低pH和高氧化还原电位(oxidation-reduction potential, Eh)环境有利于Nb的富集,而高pH和低Eh则促进Ta的沉淀。珊瑚钨锡矿床的Nb/Ta比值介于两者之间,反映其成矿流体条件较为复杂,或经历了多阶段演化。
综上可知,珊瑚钨锡矿床黑钨矿微量元素特征指示其形成于富F、低pH、高Eh的岩浆热液环境,与盐田岭花岗岩的演化密切相关。
珊瑚钨锡矿床黑钨矿原位分析确定的成矿时代与流体富F、氧化性特征,为南岭地区早白垩世晚期钨锡成矿提供了关键年代学证据,确立以同期花岗岩为找矿目标。黑钨矿富F、低pH、高氧化的地球化学特征,可作为区域有效的矿物学与地球化学找矿标志,指导深部及外围勘查。
6 结论
(1)通过LA-ICP-MS黑钨矿U-Pb定年限定了珊瑚钨锡矿床成矿时代为(100.5±3.0) Ma,与西部盐田岭花岗岩侵位年龄一致,表明矿床与燕山晚期花岗岩浆活动有成因联系。
(2)黑钨矿的微量元素特征指示珊瑚钨锡矿床成矿流体具有富F、低pH、高Eh的特征,是早白垩世岩浆热液活动产物。