地幔流体在滇西富碱斑岩成岩成矿过程中的作用——地质年代学和同位素地球化学制约

地幔流体在滇西富碱斑岩成岩成矿过程中的作用——地质年代学和同位素地球化学制约 地幔流体在滇西富碱斑岩成岩成矿过程中的作用——地质年代学和同位素地球化学 制约 第36卷第4期 2006年7月 吉林大学(地球科学版) JournalofJilinUniversity(EarthScienceEdition) Vo1.36NO.4 July2006 地幔流体在滇西富碱斑岩成岩成矿过程中的作用 —— 地质年代学和同位素地球化学制约 刘显凡,宋祥峰,卢秋霞,陶专,龙训荣 成都理工大学地球科学学院,成都610059 摘要:滇西金沙江一哀牢山断裂以东广泛发育富碱斑岩型多金属矿床,其富碱斑岩体中有多处产出深 源岩石包体.对包体岩石和寄主富碱斑岩及其成矿石英脉的地质年代学研究显示,深源岩石包体的成岩 年龄大于寄主富碱斑岩,而富碱斑岩的成岩与成矿是基本同时的.结合铅硅锶钕同位素地球化学研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在富碱岩浆的成岩过程中,伴随富硅成矿流体对围岩和岩体的交代蚀变,并与地壳岩石一定程度混染 而实现成矿作用.这种富硅成矿流体作用实质上是地幔流体作用在地壳中成矿作用的延续.据此,从地 幔流体交代矿物的结晶年龄(116.0Ma)到富硅成矿流体年龄(51.2Ma),揭示地幔流体作用贯穿于富碱岩 浆成岩成矿的全过程.正是这一地幔流体作用过程,导致si,Al,Na,K及其它硅不相 容元素和成矿元素富 集,进而导致其sr—Nd同位素特征由亏损地幔向富集地幔过渡,并引起从岩体一 围岩对应,从高温一低温 的系列成矿效应.也正是这种流体作用,构成滇西新生代广泛成矿的内在统一制约 因素和大型一超大型 矿床形成的重要地球化学背景. 关键词:地幔流体作用;富碱斑岩;地质年代学;同位素地球化学;成矿作用 中图分类号:P611文献标识码:A文章编号:1671—5888(2006)04—0503—08 MantleFluid'SActionintheProcessesofPetrogenesisofAlkalic PorphyryandAssociatedMineralizations,WesternYunnan,China -- ConstraintofGeOchrOnOlOgyandIsotopeGeochemistry LIUXian—fan,SONGXiang-feng,LUQiu—xia,TAOZhuan,LONGXun—rong CollegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China Abstract:Therearewell—developedalkali— richporphyrypolymetallicdepositsintheeasternJin— shajiang—Ailaoshanfault,westernYunnan.Thealkali— richporphyriesintheregionhavebeendisco— veredcontainingdeepxenoliths.Thestudiesonthegeochronologyfordeepxenoliths,theirho stalkalic porphyriesandmineralizingquartzviensshowthatthediageneticageofthedeepxenolithsare olderthan thatoftheirhostalkalicporphyry,andthealkalicporphyry'Sdiagenesisandassociatedminera lization arealmostsameinage.CombinedwiththestudiesofPb—Si—Sr— Ndisotopicgeochemistry.itisindi— catedthatduringtheperiodofalkalicmagmadiagenisisthealkalicporphyryanditscountryro ckswere sufferedmetasomaticalterationbythesilicon— richmineralizingfluidswhichwerecontaminatedwith crustalrocks,meanwhile,theoredepositswereformed.Themineralizingprocessofthesilicon—richflu— idsisessentiallyacontinuationofthemantlefluidmetasomatismduringmineralizingprocessesinthe crust.Themineralcrystallineage(116.0Ma)ofthemantlefluidmetasomatismandtheage(51.2Ma) 收稿日期:2005—08—22 基金项目:国家自然科学基金项目(40473027);中国地质大学地质过程与矿产资源 国家重点实验室基金(GPMR0509) 作者简介:刘显凡(1957一),男,重庆人,博士,教授,主要从事矿物学,岩石学和矿床地 球化学的教学与科研工作,E mail:liuxianfan@vip.sina.com. 占林大学(地球科学版)第36卷 ofthesilicon—— richmineralizingfluidsuggestthatthemantlefluidhadbeenactivethroughthewholepro— — cesseofthealkalicmagmadiagenismandassociatedmineraIization.Themantlefluidresultedinthecon— centrationsofSi,Al,Na,K,Si— incompatibleelementsandoreelements,andthetransitionofSr—Nd isotopicgeochemistryfromdepletedmantletOenrichedmantle.andthehightemperaturemineralization intheporphyryandthelowtemperaturemineralizationinthecountryrocks.Theactionofthemantle fluidisnotonlyaninternalconstrainttOwidespreadCenozoicmineraIizationbutalsoanimportantgeo— chemicalbackgroundfortheformationoflargeandsuper— largedepositsinthewesternYunnan,China. Keywords:mantlefluidprocess;alkalicporphyry;geochronology;isotopegeochemistry;m inerali— zation 0引言1地质年代学特征 滇西三江地区是青藏高原东缘非常活跃的新生 代陆内变形区,构造,深源岩浆和流体活动极为发 育,集中产出多金属矿产,其中于金沙江一哀牢山断 裂以东广泛发育的富碱斑岩型多金属矿床占有重要 地位.以Dt-庆同等和罗君烈等铂为代表的研究者 对该区地质地球化学已有大量研究成果,但在矿床 成因机制的认识上主要倾向矿质来源于地壳热液对 地壳岩石的活化改造.随着研究工作的深入,结合 产于鹤庆县六合乡霓辉正长斑岩中的超镁铁深源岩 石包体,发现来自地幔流体交代作用的富钠微晶玻 璃体].分析和解剖了该类深源岩石包体的矿物学 特征,初步揭示其具有原始上地幔岩在地幔条件下 受到地幔流体交代作用改造的特征,并表现富集地 幔低程度部分熔融属性I!.其他研究者也从不同的 角度初步论证了这种可能的成因机制:毕献武等 认为,哀牢山金矿带中大型和超大型的老王寨,墨江 和大坪金矿,其成矿作用是由与新生代幔源岩石侵 入相联系的富含矿化剂的深源流体统一作用,浸取 不同层位岩石中的矿质富集而实现的;在流体与成 矿关系上,谢荣举等则认为,地幔流体并非总与岩 体相伴,它可以不经过岩浆环节沿裂谷或深断裂上 升直接交代不同岩石形成矿床.显然,对成矿作用 中流体性质和矿质来源的认识是建立矿床成因机制 的关键.对于确定正确的找矿方向具有重要的理论 和实践意义.本文对该区4个典型矿床及其与成矿 作用相关的特征岩石和矿物从地质年代学和Pb, Si,Sr,Nd稳定同位素地球化学进一步论证:在地幔 流体作用下,该区围岩地层可能提供部分矿质,但不 是主要来源,而沿深大断裂通道上升运移的富碱岩 浆和与之伴随的上地幔富硅成矿流体作用是该区地 壳中与之有关的各类矿床成矿物质的主要来源. 1.1方法原理及测试结果 ESR(电子顺磁共振)地质测年是基于对样品天 然辐射损伤的检测.地质样品可因遭受天然a,B, 及其它射线辐射产生品格缺陷和俘获层被填充,从 而形成可被ESR检测的顺磁中心(E').近年来的 研究发现,a一石英中由辐射作用形成和积累的E' 中心的浓度与天然辐射剂量之间存在着一定的关 系,通过确定一石英中E'中心的浓度,便可达到 测定年龄的目的_7]. ESR测年方法从理论上说,其测年上限可达 200Ma,但一般情况下适用于测定100Ma以内的 年代值,即年代越新,其测定值的精度越高.这是因 为年龄愈老的石英愈难保证其没有构造变形和交代 蚀变. 本文研究用于ESR测年的样品,除HL一79 外,均为采自各矿床主成矿期与金共生的原生硅化 石英(脉).测定结果列于表1.其中HL一79石英 样的产状特征对于研究与金共生的原生硅化石英 (脉)具有重要的对比论证意义. 表1纯石英包体和原生成矿硅化石英ESR法测年结果 Table1F.SRageofprimarymineralizingsilicifiedquartz (veins)andpurequartzenclosure 测试单位:成都理工大学四JII省地学核技术重点实验室(2000)(实验 误差1O) 第4期刘显凡.等:地幔流体在滇西富碱斑岩成岩成矿过程中的作用5O5 1.2测定结果讨论 本研究测定了4个典型斑岩型矿床主成矿期与 原生矿化共生的硅化石英(脉)以及与幔源包体伴生 的纯石英包体的电子顺磁共振(ESR)年龄(表1). 由表1可见,除甭哥金矿成矿年龄明显偏低外,其他 3个矿床的成矿年龄非常一致,为38.3,48.0Ma, 这与黄典豪提供的斑岩铜钼成矿带中辉钼矿的Re — Os同位素年龄(35.8Ma)..'基本一致.而已有研 究l1…显示滇西富碱侵入岩的成岩年龄为38.4, 33.0Ma.表明所测定的原生硅化石英(脉)的年龄 应代表富碱斑岩型矿床的成矿年龄,可见富碱斑岩 的成岩与成矿是基本同吲的.元素地球化学和矿物 学研究""结合硅同位素理论应用表明,霓辉正 长斑岩中的纯石英包体代表深源富硅成矿流体,其 ESR年龄为51.2Ma,与富碱斑岩的成岩和成矿年 龄在误差范围内是一致的,这暗示富碱斑岩的成岩 与成矿受制于深源成矿流体活动;云南小中甸乡甭 哥金矿的成矿年龄明显小于富碱斑岩的成岩年龄, 这与矿体赋存于穿切富碱斑岩的成岩后断裂破碎带 的地质特征吻合,揭示深源流体的成矿作用除伴随 岩浆结晶过程的交代作用外,也可能延至成岩后的 蚀变成矿过程. 此外,值得注意的是,毕献武等采用ESR定 年技术测定了哀牢山金矿带中产于不同时代,不同 岩性围岩地层中的大坪金矿,墨江金矿和老王寨金 矿的成矿石英的年代,得到基本一致的年龄为46.5 , 49.2Ma,这与前述富碱斑岩成岩和成矿的年龄 也是基本一致的,暗示了与富碱岩浆同时活动的幔 源成矿流体可能脱离岩浆并直接交代不同时代不同 岩性的围岩地层而成矿.然而,富碱岩浆和幔源 成矿流体形成于什么背景条件呢? 本研究测定了角闪石化金云石榴透辉岩包体中 的角闪石K—Ar年龄为l16Ma.显然,该年龄值 为地幔流体交代矿物的结晶年龄.根据幔源捕虏体 中顽透辉石退变为绿色角闪石,而绿色角闪石仍保 留顽透辉石席列构造现象I1?,表明包体岩石的成岩 年龄至少大于l16Ma,即为白垩纪以前形成,而地 幔流体作用过程可能在白垩纪前后延续一个相当长 的时期. 2铅同位素地球化学特征 研究区富碱斑岩和特征矿物的铅同位素组成及 有关参数计算列于表2.特征矿物中特别测试和选 用了斑晶长石和方铅矿.由于长石和方铅矿中的 铀,钍含量较低,因而它们自结晶以来基本上没有放 射成因铅增长,可以近似地把它们的铅同位素组成 看作相应样品及其所代表的研究实体的初始铅同位 素组成.J. 表2研究区富碱斑岩和特征矿物铅同位素组成及有关参数计算 Table2CompositionandparametersofPbisotopesfromalkali-richporphyriesanditscharact eristicmineralsinWesternYun' nanProvince 5O6吉林大学(地球科学版)第36卷 HB一54一l正长斑岩18.599 A一328—2斑晶长石l8.58l HB一55—2北方铅矿18.636 BY一2衙正长斑岩l8.62l BY一3正长斑岩l8.637 YN20正长斑岩18.605 HL一8l YN28A YAJ一8 YA一2 TD7 YAJ一27 B082一l B082—2 F—l F一2 YAJ—l3 /, 姚 安 正长斑岩 正长斑岩 正长斑岩 正长斑岩 正长斑岩 黄铁矿 黄铁矿 镜铁矿 方铅矿 方铅矿 蚀变斑岩 l8.570 18.538 l8.443 l8.109 l7.498 l8.3l0 l8.13l l8.553 l8.348 l8.368 l8.410 15.624 l5.598 l5.667 l5.709 l5.728 l5.636 15.590 15.618 15.613 l5.544 l5.410 l5.586 l5.510 15.563 l5.667 15.544 l5.539 38.847 38.754 38.988 39.038 39.094 38.899 38.632 38.787 39.065 38.692 38.096 39.008 38.421 38.937 39.052 38.618 38.871 0.5736 0.5719 0.5759 0.5814 0.5824 0.5745 0.57S7 0.5740 0.5822 0.5965 0.6246 0.5878 0.5911 0.5699 0.5943 0.5794 0.5762 55 35 83 l46 l58 66 79 59 l55 3l3 598 2l9 255 l0 290 l23 85 9.14 9.09 9.2l 9.29 9.33 9.16 9.08 9.13 9.13 9.02 8.83 9.09 8.96 9.03 9.23 9.00 8.99 l9.2 l7.5 22.0 24.7 26.0 20.0 17.0 18.8 18.5 l4.0 5.22 l6.7 l1.7 l5.2 22.0 l4.0 l3.6 36.8 34.3 40.5 41.8 43.3 38.2 31.0 35.2 42.6 32.6 16.7 41.1 25.4 39.2 42.2 30.6 37.4 本文 本文 本文 [16] [163 [173 本文 [:73 本文 ? [163 本文 ? ? ? ? 本文 计算值所用的ao和bo值据Tatsumoto,eta1.1973;据值查表计算模式年龄用Doe,1974提供的单阶段模式铅年龄计算表;计算值所 用常数:~,238—1.55125×10一./a;地球年龄T一4.55×10.a;?p=(卢一/)×1000;AT=(7--7M/XM)×1000;卢一样品的.Pb/.Pb;y =样品的.Pb/Pb;一地幔的.Pb/Pb=15.33;7M一地幔的Pb/Pb=37.47;本文数据由宜昌地质矿产研究所分析,2000;?李 文桦t彭省临,胡祥昭,等.扬子地台西缘富碱斑岩铜多金属矿床成矿条件及找矿远景.科研 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ,1995;?引自云南地矿局.姚安金矿地质特 征及其区域找矿意义研究.科研报告,1990;?谭雪春,等.滇西东部斑岩和斑岩铜矿.云南地矿局专报(46),1985 由表2看出,不同样品的铅同位素组成比较稳 定,其不同同位素质量分数比如下:Pb/Pb= 18.109,18.636;Pb/Pb=15.410,15.739; Pb/Pb=38.096,39.094,变化率ql~d,;若将样 品投影在Cannon铅同位素演化图中,基本落入正 常铅的小三角形范围内(图略);计算出的Doe模式 年龄均为正值,值均为低于9.58的低值铅口: 这些特征表明,铅的最初和主要来源为上地幔,但在 岩浆和成矿流体上升运移过程中,不同程度地加入 了一定量的地壳或地层铅,因而导致铅同位素组成 表现出一定的变化率.单点的Doe模式年龄变化 幅度大,无法用以确定岩体或成矿的年龄,然而混染 可能达到较高程度的均一化,所以仍表现正常铅性 质. 将表2数据投入图1中,可以看出: (1)各样品的投点分布混杂,不分群,表明富碱 岩浆和蚀变流体是统一的,即它们的最初和主要铅 源具有相似性; 0 孟 0 是 .Pb/Pb 图1富碱斑岩,深源岩石包体和特征矿物铅同位素组 成图解 Fig.1Leadisotopeinalkali-richporphyries,deepxeno- lithsandcharacteristicminerals 1.斑岩;2.斑晶长石;3.硅化石英;4.黄铁矿;5.方铅矿;6.镜铁 矿;7.蚀变斑岩;8.富碱斑岩中的深源包体;UC:上地壳;OR:造 山带;M:地幔;LC;下地壳(底图据文献Ez03) (2)投点主要分布于M线附近及其与()R线之间 ,其中长石斑晶和流体蚀变矿物主要偏重于M u?H"捣 第4期刘显凡,等:地幔流体在滇西富碱斑岩成岩成矿过程中的作用5O7 线,而少数富碱斑岩和个别硅化石英可分散于LC 线与M线之间和UC线与OR线之间,表明富碱斑 岩和成矿蚀变流体的最初和主要铅源应来自地幔, 但是,富碱岩浆和成矿蚀变流体在沿深大断裂通道 向上运移过程中,不可避免地混染了部分地壳或地 层铅,而造山作用和与之伴随的成矿作用象搅拌机 一 样把不同来源的铅充分混合,使之形成具有均一 U/Pb和Th/Pb的不同程度的混合铅,进而使最终 的铅同位素组成由地幔线向造山带线甚至向上地壳 线过渡. 在图2中,绝大多数投点集中分布于朱炳泉 圈定的壳幔均一混合俯冲带型铅范围内,进一步证 明了前述推论.而且,富碱斑岩和成矿蚀变矿物中 幔源铅的减少和壳源铅的增加大致具有线性正相关 关系,从而也进一步揭示了富碱斑岩受富硅流体成 矿蚀变的自交代性质. 3硅同位素地球化学特征 3.1测试方法,结果与精度 本文较系统地分析了区内典型矿床中与成矿作 用相关的特征岩石和矿物的硅同位素组成,如表3 和图3所示.硅同位素样品制备和测量方法已由丁 悌平等?作了阐述.表3显示不同部位和不同类 型样品的硅同位素组成有明显差别. 图2富碱斑岩,深源岩石包体和特征矿物铅同位素A7 一 ?图解 Fig.2Ay一ofleadisotopeinalkali-richporphyries. deepxenolithsandcharacteristicminerals 图例1,8同图1;=(卢一卢M)/pM×1000;?y=(7--yM)/TM× 1000;一样品的.Pb/.Pb;y一样品的.Pb/"Pb;pM一地幔 的207pb/zO4Pb一15.33;yM=地幔的.Pb/.Pb一37.47;圈定范 围据文献[191,为壳幔均一混合铅 表3富碱斑岩和深源岩石包体及其相关围岩和特征矿物的硅同位素组成 Table3Compositionofsiliconisotopeofthealkali.richporphyry.deepxenoliths.stratacount ryrocksandcharacteristic mineralsfromtherepresentativedepositsinthestudyarea 注:样品分析由中国地质科学院矿床研究所万德芳完成,分析精度>0.1‰ 5O8吉林大学f地球科学版)第36卷 3.2分析与讨论 据丁悌平等?.研究认为:由于硅在自然界中没 有化学价态变化,主要以硅氧四面体形式存在,因 此.硅同位素的热力学分馏较小,由此引起的硅同位 素变化范围不如S,C,O大.但是,流体或溶液中 SiO沉淀过程的硅同位素动力学分馏则是产生其 明显变化的主要原因.他们通过实验研究,发现硅 质流体或溶液在运移演化阶段沉淀过程中的动力学 分馏表现为:首先沉淀的硅,其SiN.值最低,随着 沉淀所占份额的增加,沉淀硅的SiXr值不断升 高,最后沉淀硅的Si.值为一大正值.此外,硅 的沉淀速度越快,其动力学分馏越小;反之,在温度 较低.流体或溶液中硅的沉淀速度非常缓慢的条件 下,其分馏效应可明显增大;而且,硅从流体或溶液 中沉淀出来之后,就不再与熔体或溶液中的硅交换 同位素. 5I Il —— l—一 卜——2.——上—— ——L,,??' 24.03—0l00l030507 6'Si/%0 图3富碱斑岩和深源岩石包体及其相关围岩和特征矿 物的.si分布图 Fig.3Diagramshowingthedistributionofsiliconisotope compositionsofthealkali—richporphyryIhypo- xenoliths,stratacountryrocksandcharacteristic mineralsfromthetypicaldeposi~inthestudyarea 1.富碱斑岩,煌斑岩,深源包体岩石;2原生成矿硅化石英,异极 矿,纯石英包体;3.蚀变矿化斑岩和砂岩;4.矿化蚀变有关的 钙铬铝樯石;5.地层围岩(()l,Ti,K2) 需要特别说明的是:岩相学研究表明,与超 镁铁深源岩石包体共生的纯石英包体是富硅成矿流 体贯入交代深源岩石包体过程中的结晶产物;野外 研究表明,异极矿为产出于经硅质流体蚀变的铅锌 矿体中的锌的次生矿物,它是由富硅成矿流体直接 改造原生闪锌矿或其它锌的原生矿物而形成的含水 的锌的硅酸盐矿物.因此,纯石英包体和异极矿的 形成机制与硅化石英类似,只是作用的对象和结晶 途径有所差异而已,它们均可代表富硅成矿流体在 成岩成矿过程中的行迹特征;富碱岩浆不是一般意 义上的超基性,酸性岩浆,而是来自于地幔交代作 用形成的富集地幔源区"的碱性岩浆. 据此,本文研究中各样品的代表意义和数据特 征表现为: (1)硅化石英,异极矿和纯石英包体代表富硅成 矿流体;煌斑岩,富碱斑岩和其中的深源岩石包体, 斑晶长石,斑晶石英代表富碱岩浆流体.两者具有 明显不同的..Si值范围,且不随产出层位或岩体的 不同而变化,前者为一0.1%.,一2.4‰.后者为 0.O‰,0.4. (2)与深源岩石包体有关的钙铬铝榴石和相关 蚀变岩石(蚀变斑岩和蚀变砂岩),代表富硅成矿流 体与地壳岩石相互作用的产物,其si值为0.3/u. , 0.7‰. (3)地层围岩(砂岩和粉砂岩)的.Si值随层位 和岩性的不同而出现较大范围的变化(一0.2‰, 0.7‰). 由此分布特征初步揭示:富硅成矿流体因其硅 同位素特征表现为几乎未经动力分馏的低负值 (一0.1‰,一2.4‰)而具有原始地幔流体性质.值 得注意的是,硅化石英(脉)与原生成矿紧密共生,其 脉体特征和产状明显不同于矿后石英脉和表生石英 脉.后两者石英脉被公认是流体与围岩相互作用之 后的产物,而硅化石英(脉)以其由流体直接沉淀结 晶的机理,不仅自身特征明显区别于矿后和表生石 英(脉,而且与自身硅同位素组成特征相吻合;对于 深源岩石包体,虽然其岩石类型和岩性不同于富碱 斑岩,且来源深度不一,有地幔的,下地壳的和上 地壳的,但它们在被富碱岩浆捕虏并运移的过程中, 受到地幔流体和富碱岩浆的交代作用而具有与富碱 斑岩相似的同位素组成;对深源岩石包体的岩相学 研究证实了其中地幔流体作用的存在口].然而,富 碱岩浆的起源又被认为是来自于地幔交代作用形成 的富集地幔源区_1IlI,因而富碱斑岩与深源岩石包体 在经历交代作用方面具有共性,也正因为这一共性, 使它们的硅同位素组成表现为经历明显动力分馏的 正值(0.O,一0.tl‰). (4)矿化蚀变岩石和相关特征矿物由于流体与 岩石相互作用而较之富碱岩浆流体的硅同位素组成 表现为经历强烈动力分馏的更高正值(0.3‰, 0.7‰).在这一流体与岩石的系列作用过程中,硅质 的性质由富硅成矿流体一斑岩一围岩转移和变化, 而富硅成矿流体作用的实质则是地幔流体作用在地 51O吉林大学(地球科学版)第36卷 ICS,2000,29:141—147. [4]LiuXian-fan,YangZheng—xi,LiuJia—duo,eta1.Mi— neralogicalfeaturesofultramafichypoxenolithsinal— kali—richporphyry[J].GeotectonicaetMetallogenia, 2003,27(1,2):81—9O. 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