四川會東油房溝銅礦床Re-Os同位素年齡及其地質意義

蔣小芳,王生偉,廖震文,周 清,郭 陽,周邦國

(中國地質調查局 成都地質調查中心,四川 成都 610081)

油房溝銅礦(又稱為淌塘銅礦),是康滇地區近年發現的一種新的銅礦類型,位于四川省涼山彝族自治州會東縣淌塘鄉境內。礦區地理坐標為:E102°42′05″~102°45′07″,N26°23′15″~26°27′34″,礦區面積約40 km2,經過四川省地質調查院的勘探工作,最終提交(333+3341)銅金屬儲量約 15萬噸,規模達到中型銅礦,遠景儲量超過 60萬噸(沈和明等,2006)。前人對該銅礦床尚未開展過礦床地球化學研究,其成礦時代、物質來源等尚不清楚。隨著分析測試技術的發展,Re-Os同位素測年及示蹤日趨成熟,成果不斷涌現(Walker et al.,1994;杜安道等,1994;Suzuki et al.,1996;Ruiz et al.,1997;Stein et al.,2000;蔣少涌等,2000;毛景文等,2001,2004;Mathur et al.,2002;李澤琴等,2003;薛春紀等,2003;Morelli et al.,2004,2005,2010;楊剛等,2005;Selby et al.,2009;孫曉明等,2006,2007;石貴勇等,2006,2012;郭維民等,2011;Huang et al.,2013a,2013b;葉現韜等,2013)。本文報道了油房溝銅礦黃銅礦的Re-Os同位素年齡,據此討論其成礦時代、可能的物質來源、大地構造背景及礦床成因。

1 地質概況

油房溝銅礦位于康滇地區中東部,即近 EW 向的麻塘深大斷裂和 SN走向的德干深大斷裂的北東側(圖1)。區內元古宙基底地層廣泛出露,以近 EW走向的菜子園–踩馬水–麻塘深大斷裂帶為界限,該斷裂帶南側為湯丹群(自下而上分別為灑海溝組、望廠組、菜園灣組、平頂山組)和東川群(含因民組、落雪組、黑山組、青龍山組),其中兩件湯丹群望廠組凝灰巖的SHRIMP鋯石U-Pb年齡分別為2299 Ma和2285 Ma(朱華平等,2011;周邦國等,2012),表明其沉積時代為古元古代;東川群不整合覆蓋于湯丹群之上,最近研究顯示其沉積時代為古元古代晚期至中元古代早期(孫志明等,2009;Zhao et al.,2010;王生偉等,2011)。斷裂帶北側基底為會理群(自下而上分別為淌塘組、力馬河組、鳳山營組和天寶山組),主要巖性為一套淺變質的細碎屑巖、變碳酸鹽巖夾少量變質火山巖及火山碎屑巖,頂部天寶山組流紋巖鋯石的U-Pb年齡為1028 Ma和1036 Ma(耿元生等,2007;尹福光等,2012),表明會理群沉積時代在中元古代晚期。

圖1 康滇地區中東部地質簡圖Fig.1 Geological sketch map of the central-east Kangdian area

礦區構造發育,主要斷層有NW走向的F1、NE走向的F2及F3斷層,其中F1總體傾向NE50°(圖2),傾角 54°~70°,性質為張性逆斷層,局部見滑劈理,可見張性構造角礫巖。F1對礦體起破壞作用,水平斷距為55 m,傾向上錯距為80 m。F2和F3斷層,為張性斷裂。礦區總體褶皺形態為軸向近南北的緊密復式褶皺,中部為一向斜,東部為一背斜,次級構造為一系列近EW向的次級褶皺疊加近SN向褶皺。向斜核部為淌塘組上亞組地層,兩翼為淌塘組中亞組及下亞組地層。背斜核部為淌塘組下亞組地層,兩翼為淌塘組中亞組及上亞組地層。

區內巖漿巖不太發育,在礦區北部有一 NE走向石英鈉長巖體分布,基性巖脈偶有出露,主要為輝綠輝長巖脈、輝綠巖脈,見于北東部。

2 礦床地質特征

油房溝銅礦賦存于會理群下部的淌塘組內(Pt2t),由凝灰千枚巖、炭質千枚巖、砂質板巖及白云質大理巖、結晶灰巖透鏡體組成。與上覆地層力馬河組、下伏青龍山組呈整合接觸關系,分布范圍占礦區80%以上面積。含礦層位于淌塘組第三段,巖性為深灰至灰黑色含炭質(絹云)千枚巖夾凝灰質絹云千枚巖,地層走向總體呈NNE-SSE向,傾向隨褶皺變化,在兩翼主要呈NE向或SW向,傾角29°~83°不等。此外,礦區還廣泛分布第四系,主要分布于低洼溝谷,為沖、洪積堆積物,主要成分為砂礫石、砂質黏土。

圖2 油房溝銅礦地質簡圖(據沈和明等,2006)Fig.2 Geological sketch map of the Youfanggou copper deposit

礦化帶總體呈近南北向展布,約3.1 km長;在0線以南則隨地層轉向南西,向北仍繼續延伸。礦化帶在 0線至 15線一帶由工程連續控制(沈和明等,2006),向北在39線、59線稀疏控制。截至2007年,共圈定出K1和K2兩個銅礦體(圖3),均為隱伏–半隱伏礦體。K2號礦體產于K1號礦體上部,平面上位于K1號礦體西側10~70 m,兩條礦體呈近平行產出,中部相距稍遠。另在礦化層下部見沿裂隙充填的不連續透鏡狀礦體,主礦體特征分述如下:

K1號礦體:為區內最大的工業銅礦體。北起熊家溝,向南經余家小溝至小巖溝一帶。礦體呈層狀、似層狀產出,與巖層產狀基本一致。在0線以北,礦體走向近 SN,傾向 270°±,傾角 68°~83°,平均傾角77°;0線以南被F1所截,其走向沿地層轉為NE-SW向。礦體長1000 m,厚度從南至北有變薄趨勢,向深部則趨于厚大,一般1.88~29.03 m,平均厚11.10 m。Cu品位單樣品最高5.40%,最低0.12%,一般0.4%~1.74%;單工程加權平均Cu品位最高為1.46%,最低0.47%;礦體平均Cu品位為1.15%(沈和明等,2006)。

K2號礦體:礦體呈層狀、似層狀產出,與巖層產狀基本一致。礦體傾向SW-NW,傾角75°~83°,平均傾角77°。礦體長達1000 m,厚度從南至北變薄,向深部則趨于厚大,一般1.78~15.46 m,平均厚8.38 m。Cu品位單樣品最高 1.69%,最低 0.05%,一般0.43%~1.48%;單工程加權平均 Cu品位最高為1.01%,最低 0.40%,礦體平均 Cu品位為 0.78%(沈和明等,2006)。

圖3 油房溝銅礦3號勘探線剖面圖(據沈和明等,2006)Fig.3 Profile No.3 exploration line of the Youfanggou copper deposit

淺表礦體顯示出明顯風化淋濾特征,硫化物被淋濾的空洞由褐鐵礦不均勻充填分布,礦石呈蜂窩狀、皮殼狀,局部見薄膜狀孔雀石、藍銅礦,Cu品位明顯降低或不夠工業品位。據區內工程控制,大致確定地表以下0~30 m范圍內為風化淋濾帶。經不同深度礦體與Cu品位變化初步對比表明,隨著埋藏深度的增加,礦體品位、厚度亦有增高、增厚趨勢。最近,本項目組再次對該銅礦進行了調查,據油房溝銅礦生產技術組介紹,隨著勘探程度提高,證實了K1和K2礦體在深部加厚變富,并有合二為一形成一個厚大礦體的趨勢,且還在K1和K2礦體北側新發現近EW走向的K3礦體。

3 樣品與測試

3.1 樣品特征

油房溝銅礦的原生礦石可分為兩種類型,炭質(絹云)凝灰千枚巖型銅礦石(主要類型)和石英-碳酸鹽巖型銅礦石(次要類型),前者最主要特點是銅礦物呈細脈浸染狀分布(圖4a、b、c),后者銅礦物多呈不均勻浸染狀、星點狀及少量團塊狀(圖4d)。

本次分析測試的樣品YFG1和YFG3分別采集自 2435中段 K1和 K2礦體的掌子面,YFG2采自2435中段距坑口約580 m處,YFG5采集自2435中段距坑口約1200 m。礦石類型均為炭質(絹云)凝灰千枚巖型銅礦石,礦石礦物為黃銅礦、斑銅礦、黃鐵礦。黃銅礦呈自形–半自形粒狀,粒度一般在0.01~0.1 mm之間,以集合體方式呈星散狀、浸染狀分布于巖石之中。脈石礦物有絹云母、石英、白云石、方解石、白云母、黑云母及長石等。絹云母為細鱗片狀,沿千枚理呈條紋狀分布。石英為粒狀變晶結構,具明顯的次生加大現象,后期硅化作用明顯。白云石呈細粒變晶結構,局部充填裂隙呈細脈狀產出,與后期白云石化關系密切。此外,礦區發育大量炭質,呈塵點狀散布于巖石中,分布范圍較廣,含量小于5%,并在擠壓破碎帶出現石墨化。

3.2 分析測試

樣品單礦物挑選由河北省區域地質調查研究院實驗室挑選,常規碎樣 20目后手工挑選,每個樣品各挑出約10 g黃銅礦單礦物。分析和測試在國家地質實驗測試中心Re-Os分析實驗室完成。樣品中的Re和Os含量均采用同位素稀釋法(ID-ICP-MS)分析(Shirey and Walker,1995;Du et al.,2004)。準確稱黃銅礦0.3 g,通過長細頸漏斗加入到Carius管底部。緩慢加液氮到有半杯乙醇的保溫杯中,調節溫度到–50 ℃至–80 ℃,將 Carius放置于到該保溫杯中,通過長細頸漏斗把準確稱取的185Re和190Os混合稀釋劑加入到 Carius管底部,再加入 4 mL 10 mol/L HCI和 4 mL 16 mol/L HNO3;當管底溶液冰凍后,用丙烷氧氣火焰加熱封好Carius管的細頸部分。放入不銹鋼套管內,輕輕放套管入鼓風烘箱內,待回到室溫后,逐漸升溫到 230 ℃,保溫12 h。在底部冷凍的情況下,打開Carius管,并用40 mL水將管中溶液轉入蒸餾瓶中進行蒸餾。

將蒸餾殘液置于電熱板上,加熱近干。加少量水,加熱近干。重復兩次以降低酸度。加入10 mL 5 mol/L NaOH,稍微加熱,轉為堿性介質。轉入50 mL聚丙烯離心管中,離心,取上清液轉入120 mL Teflon分液漏斗中。加入10 mL丙酮,振蕩5 min,萃取Re。靜止分相,棄去水相。加2 mL 5 mol/L NaOH溶液到分液漏斗中,振蕩5 min,洗去丙酮相中的雜質。棄去水相,排丙酮到150 mL已加有2 mL水的Teflon燒杯中。在電熱板上 50 ℃加熱以蒸發丙酮。加熱溶液至干。加數滴濃硝酸和30% H2O2,加熱蒸干以除去殘存的 Os。用數毫升稀 HNO3溶解殘渣,稀釋到硝酸濃度為2%,待ICP-MS測試。

圖4 油房溝銅礦礦石照片Fig.4 Field photos of ores from the Youfanggou copper deposit

采用美國TJA公司生產的TJA X-series ICP-MS測定同位素比值。對于 Re:選擇質量數 185、187進行測定,用190監測殘余Os,對于Os:選擇質量數為186、187、188、189、190、192。用185監測殘余Re。Re同位素分餾可采用193Ir/191Ir校正(梁細榮等,2005)或采用普通 Re 外標校正。用 TJA X-series ICP-MS測試的Re、Os和187Os的空白流程值分別為(0.0157±0.0008)×10–9、(0.0001±0.0002)×10–9和(0.0001±0.0001)×10–9。

4 結果與討論

4.1 成礦時代

油房溝銅礦4件黃銅礦樣品的Re-Os分析結果見表 1。Re最高含量為 2.727×10–9,最低含量僅0.2656×10–9,根據以上測試結果計算四件原生黃銅礦樣品的模式年齡,計算公式為:

公式中的 λ為187Re 的衰變常數,λ=1.666×10–11a–1(Smoliar et al.,1996)。

計算結果表明,模式年齡最小值為 815.6 Ma,最大值為876.0 Ma。利用ISOPLOT3.0對4件樣品進行等時線加權擬合,得到一條相關性好的等時線(圖5),其中相關系數r=0.99,等時線年齡為881±65 Ma(MSWD=1.08,n=4),初 始 值 (187Os/188Os)0=0.588±0.077,該等時線年齡與含 Cu石英脈的 Ar-Ar年齡(875±16 Ma,n=8,MSWD=1.2,王生偉等,2011)基本一致,代表了油房溝銅礦礦石礦物黃銅礦的結晶時代,即油房溝銅礦床的成礦年齡,為新元古代中期,但明顯要晚于賦礦圍巖淌塘組。

4.2 成礦物質來源

作者由 Re-Os等時線得到樣品的187Os/188Os初始值為0.588,高于881 Ma時地幔值0.121,低于 881 Ma時地殼值 2.586,反映了油房溝銅礦的成礦物質為殼–幔混合來源。圖6較清晰的反映了地幔–地殼–礦石中187Os-188Os隨時間的演化關系,地幔初始演化時間為地球形成時間,即 4.558 Ga,其初始值為0.09531,當地球演化至2.7 Ga時,原始地幔分異形成原始地殼,此時二者187Os/188Os值均為 0.10825,此后二者各自演化。由于 Re為不相容元素,導致 Re在地殼富集,而在地幔則相對虧損,因此地殼中有187Re衰變產生的187Os更多,導致地殼的187Os/188Os值隨著時間的增加而快速增長,而地幔的187Re含量較低,因此其187Os/188Os值則增長緩慢。當演化至 881 Ma,即油房溝銅礦形成時,地殼和地幔的187Os/188Os值分別為 2.586和 0.121,油房溝銅礦黃銅礦的187Os/188Os值為 0.588,介于地幔和地殼之間,但更接近地幔值,因此,表明 Os同位素為殼–幔混合的特征,但以幔源為主,這也可以從 Re/Os-Os圖解中得到進一步證實(圖7)。

4.3 成礦背景及礦床成因

油房溝銅礦成礦時代為 881±65 Ma,新元古代中期,揚子地臺西南緣巖漿活動極為頻繁,區內發育大量的基性和中酸性巖漿巖,如自北向南延伸數百千米的新元古代酸性巖漿巖帶。研究顯示,巖漿巖的時代集中在約880~800 Ma(徐士進等,1996;郭建強等,1998;沈渭洲等,2000;李獻華等,2001,2002a,2002b;Zhou et al.,2002;Li et al.,2003a;Li et al.,2003;陳岳龍等,2004;杜利林等,2006;林廣春等,2010);此外,還出露少量的基性–超基性巖漿活動,時代約936~782 Ma(徐士進等,1998;沈渭洲等,2002a,2002b;2003;朱維光等,2004;杜利林等,2009)。盡管前人對巖漿巖形成的大地構造背景有很大爭議,主要有島弧環境(顏丹平等,2002;Zhou et al.,2002;沈渭洲等,2003;杜利林等,2009)與地幔柱導致的裂谷拉張環境(李獻華等,2001,2002b,2002c;Li et al.,2002,2003a,2003b;Li et al.,2003;朱維光等,2004)兩種不同意見,但都表明在880~800 Ma,整個揚子地臺西緣存在一次重要的構造巖漿事件。在油房溝銅礦區,也發育石英鈉長巖體和輝綠巖體,其時代尚不清楚,但在其北西側的會理益門鎮及北東部云南巧家縣境內,鄰近菜子園–麻塘斷裂帶,均存在鋯石 U-Pb年齡為 872±11 Ma(MSWD=3.0,n=11)和 875±5 Ma(MSWD=1.4,n=20)的酸性巖體(內部交流),與油房溝銅礦成礦時代基本一致。

表1 油房溝銅礦中黃銅礦的Re-Os分析結果Table 1 Re-Os analysis data of chalcopyrite from the Youfanggou copper deposit

圖5 油房溝銅礦中黃銅礦的Re-Os等時線年齡圖Fig.5 Re-Os isochron age of chalcopyrite from the Youfanggou copper deposit

圖6 油房溝銅礦的t-187Os/188Os圖解(據石貴勇等,2012)Fig.6 t vs.187Os/188Os diagram of the Youfanggou copper deposit

圖7 油房溝銅礦的 Re/Os-Os圖解(據 Lambert et al.,1999)Fig.7 Re/Os vs.Os diagram of the Youfanggou copper deposit

盡管新元古代揚子地臺西緣巖漿活動強烈,但從目前來看,康滇地區與該期大規模的酸性巖漿活動本身帶來Cu的成礦作用并不明顯,到目前為止沒有新元古代成規模的斑巖型銅礦報道,僅有零星的銅礦化點,但在鹽邊地區發現有與基性侵入巖有關的冷水箐銅鎳硫化物礦床(張成江等,1999;沈渭洲等,2003;朱維光等,2004;呂林素等2007;茍體忠等,2010),上述特征可能與大地構造背景有關。油房溝銅礦位于康滇地區中部麻塘斷裂北側,王生偉等(2013a,2013b)分別從花崗巖和蛇綠巖角度證實,近EW 走向的麻塘–踩馬水–菜子園斷裂帶是一條中元古代末期的縫合帶,即溝通地幔的深大斷裂帶。該斷裂帶南側即為我國著名的東川式銅礦礦集區(見圖1),邱華寧等(1997,2000,2001,2002a,2002b)對東川式銅礦伴生石英脈進行了較為詳細的 Ar-Ar年代學研究,獲得了 810~770 Ma以及 794±33 Ma和712±33 Ma等年齡,與油房溝銅礦成礦時代接近,并認為東川銅礦主成礦期為新元古代晉寧期,或澄江期,與巖漿熱液密切相關,但黃小文等(2011)的Re-Os同位素地質年代學研究也不支持該觀點,本項目組也對東川銅礦原生黃銅礦進行的Re-Os同位素研究表明,其原生的馬尾絲狀黃銅礦的時代為1765±57 Ma(MSWD=0.36,n=3)(王生偉等,2012);后期塊狀富黃銅礦的 Re-Os同位素等時線年齡和187Os/188Os初始值(≈0.8)也與油房溝銅礦時代基本一致(未發表數據)。

油房溝銅礦中發育大量的白云石、石英脈,厚度可達數十厘米,延伸較好,表明熱液活動非常強烈,強度遠遠超過麻塘斷裂以南東川式銅礦后期的熱液活動。油房溝銅礦中石英脈的 Ar-Ar年齡為875±16 Ma(MSWD=1.2,n=8,王生偉等,2011),與本文報道的黃銅礦Re-Os等時線年齡相當。黃銅礦的187Os/188Os初始值(0.588)介于881 Ma時的地殼值(2.586)和地幔值(0.121)之間(圖6),更接近地幔值;且在 Re/Os-Os圖解中(圖7),油房溝銅礦的樣品均位于地幔熔巖和 Lewisian地殼范圍內,因此,推測該礦的成礦物質屬殼–幔混合來源,但以幔源為主。幔源物質只有通過深大斷裂才能到達賦礦地層,在接近地表溫度、壓力等物理、化學條件發生改變時沉淀,形成礦床。本項目組對油房溝銅礦附近大約2000 km2進行了1/5萬化探工作,沿NEE-SWW向麻塘深大斷裂,形成明顯的帶狀 Cu正異常(周邦國等,2011),在該斷裂鄰近的老青山、后山溝、黃坪等地形成一系列小型銅礦床及礦化點,顯示出深大斷裂對油房溝銅礦床的重要控制作用。油房溝銅礦賦礦圍巖為淌塘組(Pt2t)凝灰質板巖、千枚巖,其Cu的背景值較高,為 60×10-6~1520×10-6(沈和明等,2006),Cu含量雖低于東川式銅礦原始貧礦體,但也可能是油房溝銅礦重要物質來源之一。強烈的熱液活動,顯示新元古代本區深部較高的熱流值,可能與巖漿活動有關并提供大量的成礦物質,反映了麻塘–踩馬水–菜子園縫合帶在新元古代構造–巖漿事件過程中進一步活動,深部含礦熱液沿深大斷裂向上運移,并萃取淌塘組(Pt2t)凝灰質碎屑巖中的成礦物質,在有利的構造部位一起沉淀,形成油房溝銅礦床,早期富銅地層中物質的加入可能導致油房溝銅礦中較高的 Os值主要原因。因此,我們傾向于將油房溝銅礦歸入熱液脈型銅礦,成礦物質主要來源于深部地幔,其次為淌塘組富 Cu凝灰質碎屑巖和(或)東川群富銅的因民組、落雪組,揚子地臺西緣新元古代大規模巖漿事件過程中強烈的熱液活動是導致二者 Cu沉淀富集并最終形成油房溝銅礦床最關鍵的因素。

5 結論

對油房溝銅礦中黃銅礦的Re-Os同位素地質年代學研究,結果顯示,四件樣品的等時線年齡為881±65 Ma(MSWD=1.08,n=4),表明其成礦時代為新元古代,晚于賦礦圍巖會理群淌塘組。黃銅礦的187Os/188Os初始值為0.588,介于881 Ma時地殼和地幔的187Os/188Os值之間(分別為2.586和0.121),顯示殼幔混合特征,但更接近地幔值。油房溝銅礦屬熱液脈型銅礦,其成礦物質主要來源于深部地幔,其次為淌塘組富Cu凝灰質碎屑巖。新元古代揚子地臺西緣大規模巖漿事件過程中強烈的熱液活動是導致兩者 Cu富集并最終沉淀形成油房溝銅礦最關鍵的因素。

致謝:野外工作過程中得到油房溝銅礦生產技術組以及四川省地勘局403地質大隊彭中山、朱應海等同行的大力支持,在審稿過程中,中國科學院地球化學研究所漆亮研究員和中山大學石貴勇博士提出了詳細的修改意見,謹致謝忱！

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