太平洋板块俯冲物质再循环对铁铜金矿矿床成矿意义： 以徐淮地区利国铁铜金矿床为例

1．地质背景

徐-淮地区是即徐州-淮北地区简称，横跨江苏-安徽两省北部，大地位于华北克拉通东南部，郯庐断裂带以西地区，它东西宽约150km，南北长约100km，南部边界（宿州）距蚌埠隆起约100km，距大别造山带北缘约250km（图1）。区内存在的新元古代（震旦纪）和古生代地层，均遭受了强烈的褶皱变形，并构成了徐州-宿州弧形构造带，被称为徐淮弧形构造。该构造带在区域上被夹于北部丰沛－兰陵隆起与南部西阳集隆起之间。区内存在许多中生代侵入杂岩体，它们侵位于徐淮弧形构造带中的张性断裂里，岩体侵入的最新地层为已经褶皱变形的二叠系，岩体没有遭受变形的改造，表明这些侵入杂岩体位于弧形构造带形成之后的伸展环境。

图 1 华北陆块徐淮地区地质略图(据Xu et al., 2006）

近年来，徐淮地区找矿获得较大突破，区内先后发现一批铜(金)、铁、铅、锌、银、钨等20多个矿床。各类矿床总体上与区内发育的燕山期中晚期侵入岩关系密切。利国铁矿位于徐州弧形构造的顶端, 区内为次一级的复式短轴背斜, 轴向NEE。燕山期闪长玢岩体则沿背斜轴侵入, 由于风化侵蚀, 闪长玢岩与中下奥陶系灰岩呈半环状接触，向环外倾斜。铁矿体主要赋存在正接触带上, 其次为灰岩俘虏体的接触带及岩体内的裂隙中，规模不等。利国矿区出露地层为奥陶系下统肖县组、马家沟组、中统阁庄组、石碳系中统本溪组。地层走向北西，倾向南西，倾角20°～50°，褶皱构造为利国短轴背斜，背斜轴向由北北转向东西，向东侧伏，背斜长约8km ，宽约5km，此背斜是徐州弧形构造的次级褶皱。断裂构造以北北东向压扭性断裂为主。其次，北西西向张性裂和张扭性裂，区内岩浆岩属中偏基性到中偏酸性的杂岩体，主要沿利国短轴背斜的核部侵入，出露面积约15km²。岩浆岩石类型主要有闪长玢岩、花岗岩、长斑岩、石英长斑岩及煌斑岩(图2)。

图 2 利国铁矿0线地质剖面图（据江苏地质五队）

本研究对徐淮地区的一典型铁铜金矿床(利国矿床)及其中生代侵入岩体(利国岩体)进行了系统研究。通过系统野外观察采样，矿物薄片显微镜鉴定（图3）、地球化学分析（全岩主微量元素），LA-ICP-MS的锆石U-Pb定年，磷灰石电子探针测试和LA-ICP-MS微量元素组成及硫化物矿石S同位素组成测试，以探讨其岩石和矿床成因和地质意义。

图3 利国岩体手标本和显微照片（代号Pl-斜长石，Amp-角闪石，Kf-钾长石，Mt-磁铁矿，Cp-黄铜，Hm-磁铁矿，Py-黄铁矿）

2．岩石地球化学

取自与矿区铁-铜-金矿床相关的主要侵入岩的岩石样品，分析结果显示：利国岩体的岩性为闪长玢岩，属于钙碱性-高钾钙碱性系列，过铝质（图4）。大部分样品具有高SiO₂、富Al、高Sr低Y、高Na低K，其中K₂O/Na₂O为0.46～0.89，高Mg#(平均62)的特征，样品的原始地幔标准化微量配分图解显示富集Rb、Ba、Sr等大离子亲石元素，亏损Nb、Ta、Ti、Th等高场强元素，地球化学的特征。

图4 利国岩体岩性判别图解图

通过对其主微量元素的分析，可以发现其地球化学特征与典型的埃达克岩一致，如SiO₂> 56%，高Al₂O₃≥15%，富Sr,Ba和Cr,Ni，具有高的Sr含量(平均1150ppm)，Sr/Y(145-181)和La_N/Yb_N比值≥21，低的Y(7.5-9.1ppm)和Yb(0.68-0.71ppm)含量，无明显Eu异常(δEu=0.90-1.15)，在埃达克岩的判别图解上，研究样品的点全都落在的埃达克岩区域，可以将它们厘定为埃达克岩(图5)。

图5 利国岩体Sr/Y-Y图解

样品的球粒陨石标准化稀土配分曲线为右倾型，富集轻稀土元素(LREE)，亏损重稀土元素(HREE)，其中LREE/HREE为5.91~9.55，La_N/Yb_N为5.78~12.51，无明显负Eu异常，Eu/Eu*比值为0.79~1.08，样品的地球化学特征和典型的埃达克岩基本一致，其高SiO₂表明其为高硅埃达克岩(HSA)。

3．岩浆岩锆石年代学

锆石的U-Pb年代学研究显示：其中两个样品年龄分别为16LG01:131.4± 1.5 Ma (MSWD=0.35, n=12)，16LG02: 130.8 ± 1.8 Ma (MSWD=0.63, n=13)，属于早白垩纪。与当时中国东部大规模岩浆活动相吻合。在锆石样品16LG01中(图6a)，Th、U含量较高，Th含量为300.1~3615.7ppm，U含量为280.7~1816.2ppm，Th/U比值为0.49~3.02>0.4，表明为典型的岩浆锆石。12颗锆石的²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄为131.4± 1.5 Ma (MSWD=0.35, n=12)，显示岩浆岩形成时代为早白垩世。在锆石样品16LG02中(图6b)，Th、U含量较高，Th含量为200.0~2300.5ppm，U含量为257.1~3272.4ppm，Th/U比值为0.43~2.78，表明为典型的岩浆锆石。13颗锆石的²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄为130.8± 1.8 Ma (MSWD=0.63, n=13)，显示岩浆岩形成时代为早白垩世。

图6 利国岩体锆石LA-ICP-MSU-Pb谐和图和平均年龄

4．岩浆岩磷灰石微量元素及矿石的S同位素研究及对成矿指示

徐淮地区利国闪长玢岩中磷灰石电子探针主量元素和LA-ICP-MS微量元素分析结果见附表4。从表中可以看出两个磷灰石样品中的CaO、 P₂O₅和MgO含量分别为53.69%~56.70%，41.64%~43.55%，0.00~0.36%；同时磷灰石中含有较高的F含量，为1.44%~3.80%，其中大部分含量介于沉积岩(2.21%)和火成岩型(4.06%)氟磷灰石氟含量平均值之间(王璞等，1987)，属于氟磷灰石。磷灰石中还含有少量的Cl元素(约0.04%~1.10%)。在磷灰石中，Sr的含量为336.96~981.24 ppm，Y含量为510.47~820.45ppm，La含量为423.57~973.59 ppm，Ce含量为1094.13~2387.77 ppm，Yb含量为23.87~45.76ppm，Lu含量为3.11~9.02ppm，Th含量为0.06~70.60 ppm，U含量为0.22~50.81ppm。稀土元素总量(ƩREE)为3555.67~5369.21ppm，(La/Yb)_N值为7.19-22.61，LREE/HREE比值为4.81~10.90，显示轻重稀土分异明显（图7）。δEu值为0.17~0.0.95，平均值为0.45，具有强烈的Eu负异常。

图7 磷灰石球粒陨石标准化稀土元素配分曲线

本次研究选取的硫同位素测试样品为矿床主成矿阶段形成的黄铁矿和黄铜矿。其分析结果见附表5。十个样品中δ³⁴S的值为−0.2~2.8‰，平均值为1.1‰，属岩浆硫范畴。其中黄铁矿中δ³⁴S值为−0.2~0.3‰，平均值为0.2‰，黄铜矿中δ³⁴S值为0.6~2.8‰，平均值为1.7‰（图8）

图8 利国矿床与天然物质中硫同位素组成对比

 对含矿岩浆岩样品中的磷灰石微量元素分析中显示其是由岩浆分异形成的，稀土元素特征也表明受到了幔源岩浆流体活动的影响，而其较高的δEu值(平均0.45)说明岩浆在演化过程中处于相对开放的构造环境并且具有较高的氧逸度条件。对黄铁矿和黄铜矿矿石矿物S同位素分析呈现出较为明显的塔式分布，说明各矿石矿物形成时矿床具有相对均一的硫源，而其较低的δ³⁴S_V-CDT(1.1‰)表明该矿床的矿石硫主体应来自岩浆－热液系统。锆石稀土元素配分型式结合高的Eu/Eu*值以及较高的Ce(IV)/Ce(III)值显示其岩浆具有较高的氧逸度，有利于铜金成矿。

燕山期岩浆岩成因与相关的铁铜金矿床成矿机制可以用洋脊俯冲的模型来解释，古太平洋板块于中生代向中国东部的斜向俯冲，可能伴随洋脊俯冲，在130Ma时到达徐淮地区，洋壳部分熔融形成的岩浆应该具有相对偏高的铜含量，形成富含铁铜金的埃达克质岩浆岩。，同时，俯冲洋壳因具有高的氧逸度，能够氧化并分解地幔硫化物，从而使Cu,Au等亲硫元素能够进入熔体，进一步富集成矿。

4 岩浆岩成因及大地构造环境探讨

利国高硅埃达克岩，可以观察到粗略的((La/Sm)_N与SiO₂的正相关以及(Dy/Yb)_N与SiO₂的负相关关系(图9)。因为角闪石在安山质成分下的角闪石/熔体分配系数Kd_La<1><>_Yb，角闪石分解自然导致Yb含量升高，La/Yb降低，因此我们有理由认为这些趋势是由于地壳深度的角闪石或单斜辉石低压分离结晶所致。尽管如此，然而利国埃达克岩的Y，Yb含量以及La/Yb比值与SiO₂之间并没有明显的正相关或者负相关关系(图5.1b,c, d)，说明角闪石/单斜辉石的分离结晶过程在降低其HREE含量，提升La/Yb比值方面并没有显著作用。其实研究样品中代表利国高硅埃达克岩最初始成分的样品(SiO₂含量最低低至55.5%)中，其Y含量以及Yb含量仍然分别低至7.6ppm以及0.88ppm，完全具备典型埃的达克岩的特征，并不需要分离结晶作用过程降低其HREE含量，提高La/Yb比值来形成埃达克岩特征，综上所述，可以确定利国埃达克岩不是由于分离结晶作用形成的，尽管可能存在地壳深度的角闪石/单斜辉石低压分离结晶作用。

图9 利国埃达克岩微量元素-SiO₂协变图解

在AI₂O₃-K₂O/Na₂O图解上完全落在了洋壳板片熔融来源埃达克岩范围（图10），明显区别于大别山加厚下地壳部分熔融形成的埃达克岩这些特征也与低K洋中脊玄武岩在1-2Gpa,温度≤1100℃的情况下实验部分熔融所产生的熔体相似，因为以洋中脊玄武岩为代表的洋壳具有高的Na₂O含量(2.68wt%)以及低的K含量(884ppm)(Holnnann.1988)，在石榴石稳定斜长石分解的条件下部分熔融形成的熔体因此也具有低的K₂O/Na₂O比值。

图10 利国埃达克岩AI₂O₃-K₂O/Na₂O图解

利国岩体具有比实验熔体更高的MgO含量与Mg#[Mg/(Mg+Fe)]（图11），结合其脱耦的Sr/Y-(La/Yb)_N特点及其Sr-Nd同位素特征说明该岩石样品形成于俯冲板片以及少量沉积物的部分熔融，这与俯冲洋壳的部分熔融形成的埃达克岩地球化学特征相似。测的样品中MgO含量为2.67~7%，平均值为4.91%，Mg#为48~72，平均值为62。相对长江中下游埃达克岩来说，在同一SiO₂条件下，MgO含量和Mg#更高。造成MgO含量与Mg#差异主要有四种可能的原因：(1) 初始岩浆的MgO与Mg#不同；(2)与地幔反应的程度不同 (在与地幔不同阶段的反应中，硅质熔体可显著提高其MgO含量与Mg#，不同程度地与地幔相互作用可能显著地改变熔体的MgO含量和Mg#，而SiO₂含量没有大的变化(Rapp et al., 1999 ) ；(3)岩浆分异的程度不同；(4)地壳混染的程度不同。由于利国岩体埃达克质岩石都是侵入到华北陆块，所以更高程度的地壳混染将导致更高的不相容元素(如K)含量(DePaolo, 1981)，在上文中我们看到，利国岩体样品都具有低的K含量，可以排除地壳混染对MgO与Mg#造成影响的可能。同时也存在岩浆分异的程度不同的可能性，因为具有相似化学组成的岩浆在经历不同程度的岩浆分异后，尽管MgO含量可能存在显著差异，但这一差异将伴随SiO₂含量的改变，图5.3中MgO和SiO₂含量均存在负相关，说明岩浆发生过结晶分异，可能会由于程度不同而导致MgO含量的差异。另外与地幔反应的程度不同也可能是造成这种现象的一个重要因素。

图 11 利国埃达克岩MgO-SiO₂图解(a)与Mg#-SiO₂图解(b)

依据Pearce et al. (1984)的构造判别图解同样印证了前述结论(图12 )，在Y Nb与Yb-Ta图解中，利国岩体样品均落入火山弧花岗岩(VAG) 区域（实际上是大洋型埃达克岩），与板内花岗岩(WPG)及同碰撞花岗岩(CSyn-COLG)有明显区别，说明其大地构造环境不是板内或同碰撞环境。

图12 利国埃达克质岩微量元素Y-Nb(a) 与Yb-Ta(b) 图解

    总结区域同位素数据显示，在(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i对ε_Nd(t)图解中，徐淮地区埃达克岩的Sr-Nd同位素特征与加厚下地壳成因的埃达克岩的特征差别比较大，比较接近长江中下游埃达克岩。它具有较高的ε_Nd(t)值，落入了大陆边缘岛弧区，表现出一定的洋壳特征。

图13 徐淮及周边地区埃达克质岩石初始Sr-Nd同位素组成

此外徐-淮地区高镁埃达克质岩含有大量镁铁质包体（见许文良等，2002），很显然，下地壳拆沉不能携带源区熔融残留的岩石上升至地表。而且，徐-淮镁铁质包体均经历了强烈的角闪岩相退变质叠加，大多变为石榴角闪岩，不可能是寄主岩浆快速抬升过程中降压分解的结果，因此包体不能代表寄主岩浆携带的源区岩石（榴辉岩），更不可能是源区部分熔融残留的岩石（如刘盛遨等，2012）。

5 结论

该区闪长岩成因与燕山晚期西太平洋板块俯冲至华北地块深部所导致的洋壳板片熔融作用有关。俯冲过程的大量流体参与，高氧逸度板片与地幔反应富集的铜金物质在岩浆形成过程带入浅部地壳是该区铜金矿床的主要成因机制。据此预示着徐淮地区燕山期岩浆活动十分剧烈，该区具有很大的铜金多金属成矿潜力。

该研究成果发表在今年最新一期International Geology Review上，第一作者为中国科学技术大学杨晓勇教授课题组张喜硕士。 本研究成果受国家重点研发计划“深地资源勘查开采”专项“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”等资助。

论文信息：Zhang, X., Yang,X.Y.*, Pirajno, F., 2018. Recycling of paleo-Pacific subducted oceanic crust related to a Fe-Cu-Au mineralization in the Xu-Huai region of North Anhui-Jiangsu, East China : Geochronological and geochemical constraints. International Geology Review, v. 60, p. 1621-1643.

全文链接：https://doi.org/10.1080/00206814.2017.1392904