DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.029

湖南锡田和邓阜仙燕山期花岗岩的源区差异及其意义

邓渲桐，曹荆亚，吴堑虹，孔华，奚小双

(中南大学 地球科学与信息物理学院，

有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083)

摘要：对湖南茶陵锡田和邓阜仙复式岩体燕山期二云母花岗岩进行岩相学、锆石及岩石元素地球化学特征的对比研究，以探讨其源区可能的差异对钨锡多金属成矿的影响。研究结果表明：锡田与邓阜仙二云母花岗岩均显示为高硅、高铝、富碱特征，较高的10 000w(Ga)/w(Al)(分别为3.58~4.20和2.04~4.11，w为质量分数)指示其为A型花岗岩；w(Nd)/w(Th)＜15和w(Th)/w(U)＞1特征指示两者为壳源，但锡田岩体较邓阜仙岩体含磷低，更富稀土元素，其Eu负异常(δ(Eu)=0.03~0.04)较邓阜仙岩体(δ(Eu)=0.24~0.85)更显著，轻重稀土分馏程度更低，其稀土配分曲线呈“对称”型，而邓阜仙岩体为“右倾”型；由锆石组分计算的锡田与邓阜仙岩浆结晶温度分别为823~945 ℃和613~922 ℃，氧逸度lg(fo₂/10⁵ Pa)分别为-14.7和-16.8，表明两岩体均为形成伸展背景下的A型花岗岩，是元古宙地壳部分熔融产物；源区以碎屑岩为主，锡田岩体源区应更富火成岩，这表明同为壳源，且同期、空间相邻岩体仍可存在源区和成岩环境的差异，这种物源背景差异对成矿产生影响。

关键词：燕山期花岗岩；源区；环境；锡田；邓阜仙

中图分类号：P611.1       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)01-0212-11

Difference of sources of the Yanshanian Xitian and Dengfuxian granites in Hunan Province and their implication

DENG Xuantong, CAO Jingya, WU Qianhong, KONG Hua, XI Xiaoshuang

(Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education, School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: In order to explore the effect of different source regions on W and Sn polymetallic mineralization, comparative studies of petrography and geochemistry of element on zircon and rock were conducted on two-mica granites in Yanshanian complex mass from Xitian and Dengfuxian in Hunan Province. The results show that Xitian and Dengfuxian’ two-mica granites are rich in silicon, aluminum and alkali. Relative high values of 10 000w(Ga)/w(Al) (3.58-4.20 and 2.04-4.11, respectively) indicate that both granites are A-type granites，w(Nd)/w(Th)＜15 and w(Th)/w(U)＞1 suggest that both granites originate from crust. However, Xitian granite has lower phosphorus, higher rare earth elements, more negative Eu anomaly, and lower degree of fractionation between light and heavy rare earth elements than that of Dengfuxian granite. The REE distribution pattern of Xitian granite is symmetrical type while that of Dengfuxian granite is right type. Moreover, magma crystallized temperatures in Xitian and Dengfuxian calculated by using components of zircon are 823-945 ℃ and 613-922 ℃, respectively, and lg(fo₂/10⁵ Pa) are -14.7 and -16.8, respectively, which shows that Xitian and Dengfuxian granites are A-type granites formed in an extensional tectonic setting. They are also products

of the partial melting of proterozoic crust, and their source regions mainly contain clastic rock. But there are more igneous rocks in the source region of Xitian granite. As a result, two crust-original granites with spatially adjacency and the same period can still come from different sources and diagenetic environments, which has impact on mineralization.

Key words: Yanshanian granite; source region; environmental; Xitian; Dengfuxian

湖南茶陵锡田钨锡多金属矿集区由锡田和邓阜仙矿区组成，矿集区位于扬子板块和华夏板块碰撞结合带(钦杭带)中段及南岭有色金属成矿带交汇处^[1]。区内钨锡多金属矿床成矿与锡田与邓阜仙岩体有着直接关系^[2-5]，两岩体都为由印支期花岗岩和燕山期花岗岩组成的复式岩体，空间相邻，形成时代相近，岩石学特征相似：两者印支期岩体分别为中细粒斑状黑云母花岗岩、中粗粒斑状黑云母花岗岩，其锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄分别为(228.5±2.5) Ma^[3]和(225.7±1.6) Ma^[6]；燕山期岩体分别为细粒二云母花岗岩、中细粒二云母花岗岩和细粒白云母花岗岩，锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄分别为(155.5±1.7)^[3]，(141.6±4.1)^[7]和(154.4±2.2) Ma^[6]；两岩体均具有富碱、富铝特性，印支期的微量、稀土元素配分模式一致，但燕山期岩体在地球化学特征上存在一定差异。锡田和邓阜仙两矿区的成矿主要与燕山期花岗岩有关^[8]，但锡田以锡多金属矿床为主，邓阜仙则以钨矿床为主，这种差异可能暗示与之有关的岩体是岩浆成因或构造背景差异所致，但前人研究未涉及岩体源区^[2-5]。为此，本文选择两复式岩体中的燕山期花岗岩为研究对象，以锆石与岩石地球化学为切入点比较两岩体的特征，采用岩相学、锆石LA-ICP-MS U-Pb确定年龄、元素地球化学方法确立两者物源差异，为两地区成矿的差异提供更精细的源区背景约束。

1  区域地质背景

研究区出露地层包括下古生界、上古生界、中生界和少量新生界，见图1。下古生界出露地层为寒武系和奥陶系浅变质岩系(浅变质砂岩、板岩、砂质板岩)，上古生界泥盆系—二叠系地层主要为浅海相碳酸盐岩、滨海相碎屑岩，其中二叠系还发育少量陆相砂、页岩，中生界侏罗系和白垩系地层主要由陆源砾-砂-泥质岩组成。区内发育印支期NE—NEE向的褶皱和断层，燕山期发育NNW—NEE岩体接触带及断裂。区内均出露印支期和燕山期复式岩体，NNW向展布，两者印支期岩体呈岩株状构成岩体主体，锡田燕山期岩体多呈岩瘤、岩脉状构成补体，邓阜仙岩体多呈岩侏、岩脉侵入主体和补体花岗岩中。锡田矿区主要有多种类型的钨锡多金属矿床，邓阜仙矿区发育石英脉型钨矿床和岩体型铌钽矿床，两者成矿年龄分别为(150±2.7) Ma^[4]和(140.6±3.4) Ma^[8]。

图1  研究区大地构造位置和地质图

Fig. 1  Tectonic location and geological map of study area

2  样品描述

本次研究所采样品均为细粒二云母花岗岩，采样位置见图1，其中点号5~7采集于坑道。锡田细粒二云母花岗岩(样号15-11S9)呈灰白色，细粒花岗结构，块状构造(图2(a))，钾长石(约35%，质量分数，下同)、石英(约30%)、斜长石(约30%)、白云母(约3%)、黑云母(约2%)(图2(b))。钾长石为半自形—他形；石英呈半自形—他形；斜长石主要为自形—半自形。副矿物主要为锆石、榍石、磷灰石及少量金红石等。邓阜仙细粒二云母花岗岩(样号0328-12S1)呈灰白色，细粒花岗结构，块状构造(图2(c))，主要由石英(约35%)、钾长石(约25%)、斜长石(约20%)、白云母(约12%)、黑云母(约8%)组成(图2(d))。石英呈他形；钾长石多为自形—半自形；斜长石呈半自形板状；白云母多呈半自形片状；黑云母呈细粒集合体状；副矿物主要为锆石、榍石、磷灰石等。锡田岩体较邓阜仙岩体多约10%的钾长石和斜长石，少约15%的云母。

3  分析方法

在廊坊诚信地质服务有限公司挑选锆石，在北京凯德有限公司制靶，其阴极发光(CL)图像在中国科技大学壳幔物质与环境实验室完成；锆石微量元素分析(LA-ICP-MS)在北京燕都中实测试技术有限公司进行，所用仪器为布鲁克M90 ICP-MS和New Wave UP213激光剥蚀系统，采用NIST SRM610为外标，²⁹Si为内标，锆石Plěsovice为监控标样，实验测试过程见文献[9]。岩石主量、微量及稀土元素分析由澳实分析检测(广州)有限公司完成。主量元素质量分数采用荷兰X荧光光谱仪(XRF)进行分析，仪器型号为Panalytical Axios Max，测试误差为1%~5%；微量、稀土元素采用美国电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行分析，仪器型号Perkin Elmer Elan 9000，其精度高于5%。主量元素分析过程见文献[10]，微量、稀土元素实验测试过程见文献[11]。

图2  研究区花岗岩手标本和显微照片

Fig. 2  Hand specimens and orthogonal polarizing micrographs of granite for study area

4  分析结果

4.1  锆石原位微量元素特征

锡田和邓阜仙二云母花岗岩中锆石均呈透明—半透明，呈长柱状，阴极发光图像显示明显的震荡环带(见图3(a)和3(b))；两岩体的锆石w(Th)/w(U)分别为0.37~0.76和0.18~0.61，加权平均年龄分别为(152.5±1.2) Ma(平均标准权重偏差M_SWD=0.16)和(155.9±1.6) Ma(M_SWD=0.39)，二云母花岗岩的形成时代相近，均为燕山早期。

锆石原位微量元素分析结果见表1。结果显示两岩体的锆石富稀土元素，尤其富重稀土元素，并具有相似的“左倾”型稀土配分模式(见图4)，两者的负Eu异常与正Ce异常明显。但两岩体的锆石稀土元素地球化学特征仍存在微小差异：锡田复式岩体内燕山期花岗岩中锆石稀土质量分数(Σw(REE))=1 549×10^-6~11 870×10^-6)为邓阜仙复式岩体内燕山期花岗岩中锆石质量分数的2~8倍(Σw(REE))=650×10^-6~1602× 10^-6)，其Σw(LREE)(28×10^-6~471×10^-6)为邓阜仙岩体锆石(31×10^-6~180×10^-6)的1~3倍，Σw(HREE)(1 491×10^-6~11 736×10^-6)为邓阜仙岩体锆石(569× 10^-6~1 520×10^-6)的3~8倍。两岩体锆石的δw(Eu)负异常相近，分别为0.02~0.13和0.05~0.15。

4.2  全岩主量、微量及稀土元素特征

锡田和邓阜仙燕山期二云母花岗岩样品的主量、微量及稀土元素组成见表2。

数据显示，锡田岩体SiO₂质量分数比邓阜仙岩体的高，但Al₂O₃，Na₂O+K₂O和P₂O₅质量分数略比邓阜岩体的低；两岩体w(SiO₂)质量分数分别为76.10%~ 76.60%(平均为76.27%)和73.15%~75.72%(平均为74.66%)，w(Al₂O)₃质量分数分别为12.85%~13.35% (平均为13.12%)和13.84%~14.45%(平均为14.09%)，w(Na₂O)质量分数分别为3.03%~3.99%(平均为3.63%)和3.06%~4.3%(平均为3.57%)，w(K₂O)的质量分数分别为3.43%~4.88%(平均为4.33%)和3.89%~5.05%(平均为4.50%)，全碱w(Na₂O+K₂O)分别为7.42%~8.56% (平均为7.96%)和7.63%~8.41%(平均为8.07%)，w(P₂O₅)质量分数分别为0.01%和0.19%~0.21%。以上指数表明两岩体均显示高硅、高铝、富碱特征，但锡田岩体较邓阜仙岩体相对更富SiO₂，少Al₂O₃和Na₂O，其分布也较邓阜仙岩体集中，锡田岩体具低磷特征，邓阜仙岩体具高磷特征。两岩体的铝饱和指数n(Al₂O₃)/n(CaO+Na₂O+K₂O)(即A，其中n表示物质的量)分别为1.03~1.30和1.14~1.25(图5(a))，分异指数I_D分别为93~94和92~95，显示两岩体均为过铝质高分异花岗岩，w(SiO₂)-w(K₂O)图解显示两者均为高钾钙碱性岩类(图5(b))。

图3  锡田和邓阜仙二云母花岗岩锆石阴极发光CL图像

Fig. 3  Cathodoluminescence (CL) images of zircon from Xitian and Dengfuxian two mica granites

表1  锡田和邓阜仙二云母花岗岩锆石微量及稀土元素分析结果(质量分数)

Table 1  REE and trace elements concentrations of zircon analysis of two mica granites from Xitian and Dengfuxian

图4  锡田和邓阜仙燕山期花岗岩锆石稀土元素配分图

Fig. 4  Chondrite-normalized REE distribution pattern of Xitian and Dengfuxian two mica granites

稀土元素分析结果显示锡田与邓阜仙岩体的稀土配分曲线均呈“海鸥”型(图6(a))，负Eu异常显著；微量元素原始地幔标准化珠网图显示两者均富集Rb，U，Th和Ta等元素，亏损Ti，Sr，Ba，Nb和K等元素(图6(b))。但两者在微量和稀土元素组成上仍存在一定差异，锡田岩体稀土元素总量(Σw(REE)= 147.23×10^-6~196.65×10^-6)约为邓阜仙岩体(15.09×10^-6~125.11×10^-6)的2~10倍，重稀土总质量分数(Σw(HREE)=52.02×10^-6~78.45×10^-6)约为邓阜仙岩体(3.89×10^-6~10.29×10^-6)的8~13倍。两者的轻重稀土比值Σw(LREE)/Σw(HREE)分别为1.37~1.98和2.88~11.16，[w(La)/w(Yb)]_N分别为0.73~1.37和1.62~ 19.70，δw(Eu)分别为0.03~0.04和0.24~0.28；与邓阜仙岩体比较，锡田二云母花岗岩的稀土较富集，轻重稀土分馏较弱，δw(Eu)也较低，且稀土分布曲线相对集中，并呈对称“海鸥”型；而邓阜仙二云母花岗岩稀土配分曲线呈右倾“海鸥”型。微量元素特征也显示，锡田岩体的w(Rb)/w(Sr)和w(Rb)/w(Ba)较邓阜仙的高，前者w(Rb)/w(Sr)和w(Rb)/w(Ba)分别为88.9~113和40.2~75.0，后者分别为0.1~21.5和1.0~13.3；两者w(Nd)/w(Th)较低，分别为0.7~0.8和0.6~1.2。

图5  锡田和邓阜仙二云母花岗岩A-A′和w(SiO₂)-w(K₂O)判别图

Fig. 5  A-A′ and w(SiO₂)-w(K₂O) diagrams for Xitian and Dengfuxian two mica granites

图6  锡田和邓阜仙二云母花岗岩稀土元素配分图和原始地幔标准化微量元素蛛网图

Fig. 6  Chondrite-normalized REE distribution and primitive mantle-standardized trace element patterns of Xitian and Dengfuxian two mica granites

5  讨论

由以上分析结果可知，锡田和邓阜仙燕山期花岗岩在岩相学、锆石及岩石地球化学特征方面既有相似性又有差异性，以下对其原因进行讨论。

5.1  岩石成因类型

锡田及邓阜仙花岗岩均富Si，Na和K，贫Ca和Mg等主量元素，富Rb，Th和Ta，亏损Sr和Ba等微量元素，具有明显的负Eu异常，显示了A型花岗岩的一般特征^[12-13]。另外，两者10 000 w(Ga)/w(Al)均较高，分别为3.58~4.20和2.04~4.11，两岩体样品点几乎均落入A型花岗岩的区域内^[13](图7)，指示两岩体的燕山期花岗岩应该为A型花岗岩。

5.2  岩体成因

5.2.1  成岩温度及氧逸度

利用FERRY等^[14-15]提出的公式计算的锡田和邓阜仙燕山期花岗岩结晶温度见表2。结果显示两岩体的锆石Ti温度分别为823~945 ℃(均值为856 ℃)及613~922 ℃(均值为756 ℃)。

表2  锡田和邓阜仙二云母花岗岩主量元素(%)、微量及稀土元素(10^-6)分析结果(质量分数)

Table 2  Major, REE and trace element of Xitian and Dengfuxian two mica granites

图7  A型花岗岩判别图

Fig. 7  Discrimination diagrams of A-type granite

利用TRAIL的模型^[15]计算锡田和邓阜仙花岗岩熔体的氧逸度lg(fo₂/10⁵ Pa)，结果见表2。从表2可见：两者lg(fo₂/10⁵ Pa)偏低，分别为-14.7和-16.8。t-lg(fo₂/10⁵ Pa)图解见图8。从图8可见：数据点均落于氧逸度缓冲剂IW(Fe-FeO)与FMQ(Fe₂SiO₄-Fe₂O₃+SiO₂)趋势线之间，但锡田燕山期花岗岩数据点较邓阜仙燕山期花岗岩更接近IW(Fe-FeO)趋势线，这说明锡田燕山期花岗岩结晶温度高于邓阜仙燕山期花岗岩温度，而氧逸度比邓阜仙燕山期花岗岩的低，说明锡田燕山期岩浆形成深度比邓阜仙岩浆的形成深度大。

5.2.2  岩浆源区

目前对A型花岗岩的源区及成因主要有以下4种观点：1) 幔源岩浆的结晶分异，同时混染了部分壳源物质^[16]；2) 深部地壳(主要为下地壳)麻粒岩的部分或者全部熔融^[12]；3) 钙碱性交代地幔部分或全部熔融^[17]；4) 先前存在的I型花岗岩(花岗闪长岩等)熔融^[18]。张旗等^[19]则强调A型花岗岩是低压环境下地壳部分熔融的结果。

锡田和邓阜仙燕山期花岗岩均具富Si，K，Na，U和Th特征，其w(Nd)/w(Th)(0.6~1.2)明显低于壳源岩石的平均值(约为3.0)及地幔的平均值(＞15.0)，两者锆石的Σw(REE)质量分数处于壳源岩浆锆石稀土总质量分数(250×10^-6~5 000×10^-6)范围内，高于幔源岩浆锆石的质量分数(＜300×10^-6)^[20]，指示两者源岩主要源于华南中元古代地壳，但锡田岩体的源岩时代值较邓阜仙岩体集中；另外，两者都具明显负Eu异常，表明其不大可能来源于中下地壳物质的重熔^[21]，而应源于上地壳物质的重熔。锡田燕山期花岗岩较邓阜仙燕山期花岗岩的Eu异常和P₂O₅质量分数均较低，w(Eu)/w(Eu*)-w(P₂O₅)图解(图9(a))显示两岩体明显分布于不同区域；锡田岩体的w(Rb)/w(Sr)和w(Rb)/w(Ba)明显比邓阜仙岩体的高，虽然在w(Rb)/w(Sr)-w(Rb)/ w(Ba)图解中，两岩体花岗岩样品均落入富黏土区域，但仍有一定分离，邓阜仙岩体源岩更靠近富黏土区(图9(b))。因此，可以认为锡田岩体与邓阜仙岩体的源区存在一定差异，这种差异可能反映了上地壳物质组成的不均一性；邓阜仙岩体源岩较锡田岩体更富沉积岩，而锡田虽也以沉积岩为主，但很有可能有火成岩类或变质岩类参与。

图8  锡田和邓阜仙二云母花岗岩锆石t-lg(fo₂/10⁵ Pa)关系

Fig. 8  Relationship between t and lg(fo₂/10⁵ Pa) for zircon grains of Xitian and Dengfuxian two mica granites

图9  锡田和邓阜仙二云母花岗岩w(Eu)/w(Eu*)-w(P₂O₅)和w(Rb)/w(Sr)-w(Rb)/w(Ba)图解

Fig. 9  Diagrams of w(Eu)/w(Eu*)-w(P₂O₅) and w(Rb)/w(Sr)-w(Rb)/w(Ba) for Xitian and Dengfuxian two mica granites (Symbols are the same as those in Fig. 7)

5.3  构造环境

对华南燕山期花岗质岩浆的成因一直存在争议。童航寿等^[22-23]认为华南存在地幔柱活动，壳-幔相互作用导致地壳重熔；JIANG等^[24]认为古太平洋板块向华南板块的俯冲消减引起软流圈上涌，底侵导致地壳物质部分熔融；LI等^[20]则认为华南大陆在燕山早期处于古太平洋板块裂解所导致的拉张背景之下；蒋少涌等^[25]提出郴州—临武断裂带发育的燕山早期A型花岗岩带，是在该时期存在岩石圈拉张、软流圈上涌的证据。上述观点均认为华南在燕山早期处于伸展背景，其伸展原因为下地壳重融。

锡田和邓阜仙燕山期花岗岩都属于A型花岗岩，虽然人们将A型花岗岩的形成背景归于板内裂谷、地幔柱、弧后拉张以及后碰撞伸展等环境，但这些认识均表明其均为拉张背景^[26]。锡田和邓阜仙燕山期花岗岩大部分样品均落入后造山背景的区域内，指示燕山早期该区处于伸展的构造环境^[27](图10)。

图10  锡田及邓阜仙二云母花岗岩构造背景判别图解 (图例同图7)

Fig. 10  Discrimination diagrams of tectonic setting for Xitian and Dengfuxian two mica granites (Symbols are the same as those in Fig. 7)

5.4  对成矿背景的约束

锡田和邓阜仙燕山期花岗岩具有相同的构造环境，源区不同导致环境地化特征岩浆深度氧逸度分异导致对成矿有影响，元古代地壳不均匀。但两者的岩石地球化学特征也存在一定差异，特别是稀土元素分布特征关系表明两者源区存在一定差异，加之熔体结晶温度及氧逸度、源区地壳年龄的差异，表明两者可能是在相同地球动力学机制下的产物，伸展大地构造背景有利于岩浆进入地壳浅部或地壳重熔，促进岩浆中含矿流体向浅部集中，为成矿提供基本条件。在过铝质条件下，Sn的溶解度主要受碱性控制，富碱时Sn的溶解度增大；在氧逸度低、岩浆分异高的酸性条件下富W^[28-29]。两岩体均为偏酸性的过铝质岩浆岩，锡田岩体较邓阜仙岩体具有低碱、高铝、低分异以及低氧逸度特征，其岩浆分异及氧逸度的差别造成两岩体在W和Sn成矿上具有一定差异，两者虽均富W和Sn，但锡田岩体以Sn矿为主，邓阜仙岩体富W和Sn矿。两岩体的源区的差异对矿种的形成产生成矿物质来源背景影响，邓阜仙岩体更富沉积岩的源区特点及更浅的成岩环境，有利于邓阜仙地区钨锡矿的形成，而锡田地区相对少沉积岩而多岩浆岩的源区则可是其以锡多金属矿为主的背景因素之一。

6  结论

锡田和邓阜仙燕山期二云母花岗岩均为高硅、高钾、过铝质的高分异A型花岗岩，两者源区同为华南元古代上地壳重熔，侵位于伸展背景值下，应是太平洋板块向华南板块俯冲消减引起的岩浆活动的产物，但其地球化学特征和形成温度及氧逸度的差异指示两者源区有岩性差异，锡田岩体的源区可能更富火成岩而少沉积岩，而这种差异可能对两地区矿种差异产生背景性影响。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-03-10；修回日期：2016-05-15

基金项目(Foundation item)：中国地质调查局整装勘查项目(12120114052101) (Project(12120114052101) supported by Integrated Exploration Program of the China Geological Survey)

通信作者：曹荆亚，博士研究生，从事岩石地球化学研究；E-mail: jingyacao@csu .edu.cn