宁夏贺兰山北段构造—岩浆演化与金矿床成因

【摘要】：贺兰山北段位于阴山地块与鄂尔多斯地块陆-陆碰撞缝合带(即孔兹岩带)西段,西邻阿拉善地块,紧邻华北克拉通西北缘金及多金属成矿带,为宁夏回族自治区确定的重点金及多金属成矿区带之一。研究区产有牛头沟-梁根和树龙沟等多个金矿床(点),出露大量的花岗岩和基性脉,和少量超基性岩。本文以贺兰山北段典型金矿床和不同岩浆岩为研究对象,在野外地质调查的基础上,通过高精度年代学对贺兰山北段不同期次成岩事件进行厘定,结合岩石地球化学组成、全岩Sr-Nd同位素和锆石Lu-Hf同位素对其源区性质、成矿过程和构造背景进行探讨。通过对典型金矿床地质特征、流体包裹体和H-O-S-Pb同位素组成研究,对其成矿流体性质和成矿物质来源进行研究,构建贺兰山北段金成矿模式,并将其与华北克拉通西北缘典型矿床进行对比研究。取得的主要认识如下:(1)牛头沟-梁根矿区金矿化类型主要为构造破碎带蚀变岩型和石英脉型两种,后者可进一步细分为低缓石英脉型和陡窄石英脉型2个亚类;树龙沟金矿区矿化类型则以蚀变岩型为主,部分为石英脉型。两矿区所有矿体均赋存在古元古界贺兰山群变质杂岩和混合花岗岩内,但牛头沟-梁根矿区矿体的空间展布受断裂控制明显,主要受北北西-北北东走向主干断裂F1及其上盘次级断裂体系控制;而树龙沟金矿区矿体与构造关系则不明显。综合前人研究成果,本文重点对牛头沟-梁根金矿床破碎带蚀变岩型、低缓石英脉型和陡窄石英脉型等3种矿化类型成矿流体性质和成矿物质来源进行研究。结果表明,破碎带蚀变岩型石英流体包裹体以纯液相水溶液包裹体为主,而低缓石英脉型和陡窄石英脉型则以气液两相水溶液包裹体为主,不同矿化类型成矿流体均为中低温(160~210°C)、中低盐度(6~12 wt.%Na Cl eqv.)的H_2O-Na Cl流体。破碎带蚀变岩型和陡窄石英脉型δD_(H2O)组成相近,分别为-75.2~-89.3‰和-87.0~-93.8‰,而低缓石英脉型则具有较高的δD_(H2O)值(-45.7~-67.7‰);包裹体δ~(18)O_(H2O)值则由破碎带蚀变岩型(3.7~4.4‰)、低缓石英脉型(1.9~3.3‰)至陡窄石英脉型(0.5~0.9‰)依次降低。破碎带蚀变岩型和陡窄石英脉型δ~(34)S组成均为正值,分别为1.3~6.9‰和2.2~5.8‰,而低缓石英脉型则具有较低的δ~(34)S值(-5.1~-2.6‰)。低缓石英脉型矿体具有明显不同的δD_(H2O)和δ~(34)S组成,可能与含矿断裂性质及其距离导矿构造F1断裂较远等因素所共同导致的成矿流体氧逸度升高有关。3种矿化类型对应的矿石均表现出明显富集Th放射成因铅的特点,~(206)Pb/~(204)Pb(16.467~17.994)和~(207)Pb/~(204)Pb(15.382~15.582)组成相对均一,而~(208)Pb/~(204)Pb变化较大(37.413~42.345)。总体上,石英流体包裹体H-O同位素表明成矿流体均为岩浆水和大气降水形成的混合流体,其大气降水比例自破碎带蚀变岩型、低缓石英脉型至陡窄石英脉型依次升高;矿石S-Pb同位素指示成矿物质为深部岩浆和具有高Th/U比的基底围岩双重来源。结合区域构造-岩浆演化,本文将研究区金矿床成矿过程概括为前寒武基底形成阶段、晚古生代裂陷盆地形成阶段、中晚侏罗世区域挤压推覆阶段和晚侏罗世至早白垩世岩浆热液活动阶段等四个阶段。(2)结合不同岩体侵入穿插关系,本文选取不同期次代表性花岗岩进行锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学研究,结果表明不同花岗岩锆石均具有典型核边结构,其中核部为岩浆成因,边部为变质成因,具体结果为:黑云母二长花岗岩成岩年龄为2037±10 Ma(~(207)Pb/~(206)Pb年龄;下同),变质年龄为1959±48 Ma;似斑状二长花岗岩和似斑状碱性长石花岗岩成岩年龄分别为1951±17 Ma和1953±17Ma,变质年龄约为290~300 Ma;似斑状黑云母花岗岩成岩年龄为1902±22 Ma,变质年龄约为1356±57 Ma。为精确限定似斑状黑云母花岗岩变质年龄,本文运用SIMS深度分析法,将变质年龄进一步限定在1317±18Ma,表明贺兰山北段曾经历了1.32Ga构造-热事件。贺兰山似斑状黑云母花岗岩具有较高的Si O_2、Al_2O_3和K_2O,较低的Na_2O和Ca O,表现出过铝质、高钾钙碱性至钾玄质的特点。花岗岩富集LREE和大离子亲石元素,亏损HREE和高场强元素,与贺兰山群地球化学特征相似。全岩Sm-Nd和锆石Lu-Hf模式年龄也与贺兰山群碎屑锆石Lu-Hf模式年龄分布范围一致,进一步证明两者之间的成因联系。似斑状黑云母花岗岩锆石饱和温度为750~800°C,与贺兰山群峰期后降压变质作用温压条件一致;而且花岗岩明显的Eu负异常和高Rb/Ba和Rb/Sr比值,以及HREE含量和(La/Yb)_N比值变化较大,与峰期降压变质阶段残余相存在碱性长石和斜长石,并伴随黑云母分解和石榴石置换两个过程相吻合,表明贺兰山北段似斑状黑云母花岗岩应为贺兰山群峰期后降压变质阶段部分熔融的产物。另一方面,在物源判别图解中,贺兰山北段S型花岗岩与变质杂砂岩熔体组成一致,结合孔兹岩具有较低的Si O_2/Al_2O_3和La/V比值,以及较年轻的碎屑锆石年龄,表明孔兹岩源岩应为成熟度较低的杂砂岩和少量的泥质岩,暗示鄂尔多斯地块北缘应为活动大陆边缘。(3)对研究区出露的中基性-超基性岩进行锆石或斜锆石U-Pb年龄代学研究表明,研究区有两期基性岩脉,早期辉绿岩侵位年龄为1965±26 Ma,晚期辉绿岩为1867±23 Ma,两者矿物组成和分布范围有差异;辉石岩成岩年龄为1905±10 Ma,与似斑状黑云母花岗岩成岩年龄一致;闪长岩成岩年龄为1786.3±4.3 Ma。辉石岩具有较低的Si O_2、Fe_2O_3~t、Na_2O和K_2O含量,具有较高的Mg O含量,属钙碱性系列。辉石岩具有非常高的Cr、Co和Ni含量,富集LREE、Th、U、Pb,亏损HREE和Nb、Ta、Ti等元素,与板片熔体交代的岩石圈地幔地球化学特征相似;其高Zr/Nb和低Nb/La比值,与岛弧岩浆特征相似。辉石岩具有典型堆晶结构,高Mg O和Fe O,较低的Mg~#值,和Mg/Si比值,与大别造山带内壳幔边界堆晶岩相似。Th、U和Pb等元素的富集,以及均一的Hf同位素组成、年轻的Hf单阶段模式年龄,暗示其源区曾受俯冲流体或熔体的交代。结合全岩Nd模式年龄(2.10~3.18 Ga)和ε_(Nd)(t)值(-2.9~3.8),辉石岩应为受交代的岩石圈地幔部分熔融,并在壳幔边界同化混染部分古老地壳形成的堆晶岩。而辉绿岩具有相对较高的Si O_2、Na_2O、K_2O和Fe_2O_3~T含量,较低的Mg O含量,介于钙碱性和拉斑质之间;富集LREE、La和Pb,亏损HREE和Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素,与陆弧玄武岩相似。此外,辉绿岩具有高Zr/Nb和低Nb/La比值,也指示岛弧环境。较高的(Hf/Sm)_(PM)和中低的(Ta/La)_(PM)比值表明辉绿岩很可能为俯冲流体交代的岩石圈地幔部分熔融的产物。辉绿岩全岩ε_(Nd)(t)值(-3.6~2.1)和锆石εHf(t)值(-5.1~7.1)变化较大,暗示其侵位过程中可能混染部分年轻壳源物质,并随后经历了以橄榄石、单斜辉石和斜长石为主要结晶相的结晶分异过程。(4)贺兰山及邻区古元古代岩浆活动期次可分为2.3~2.0 Ga、1.96~1.94 Ga、1.92~1.90 Ga、1.87~1.84 Ga和1.78Ga等阶段,分别对应碰撞前、大陆碰撞、陆壳折返、碰撞后和造山后等大陆造山演化阶段。在2.3~2.0 Ga期间,古洋壳南向俯冲,引起的岩浆作用主要为中酸性岛弧岩浆,锆石Hf同位素组成揭示其源区应为亏损地幔或新生地壳;在1.96~1.94 Ga期间,古洋壳闭合,阴山地块与鄂尔多斯地块发生陆陆碰撞,期间形成的岩浆作用主要为壳源花岗岩和部分基性脉岩,其中S型花岗岩为幔源岩浆上涌引起孔兹岩部分熔融的产物;在1.92~1.90Ga期间,可能受俯冲板片断离作用影响,俯冲陆壳折返,该阶段岩浆活动强度较弱,以S型花岗岩为主,为孔兹岩峰期后降压变质阶段产生的熔体;在1.87~1.84 Ga期间,岩浆活动强烈、规模较大,大量基性脉岩侵位,该阶段很可能为造山带垮塌阶段,标志着阴山与鄂尔多斯地块碰撞造山作用的结束,形成统一的西部陆块。自大陆碰撞至碰撞后造山带去根,岩浆作用持续了约100 Myr,与我国柴北缘(约75 Myr)、大别-苏鲁(约85 Myr)以及欧洲华力西(约85 Myr)造山作用时限相当。随后,西部陆块进入造山后陆内演化阶段,经历了中-新元古代多期次裂谷伸展事件。(5)自古生代至中生代,受北部古亚洲洋扩展、闭合及随后的碰撞伸展等构造过程影响,华北克拉通西北缘记录了复杂的构造-岩浆演化过程,并伴有多期次成矿作用,包括哈达门沟(386Ma)、朱拉扎嘎(282 Ma)、长山壕(246~256Ma)和赛因乌苏(249±5 Ma)等金矿床的形成。通过牛头沟-梁根金矿与哈达门沟和朱拉扎嘎两个区域典型金矿床的对比研究发现,近来在成矿地质特征和成矿物质来源等方面有一定的差异,但是三者在赋矿围岩(均为前寒武基底)、控矿构造(基底边界断裂发育,其次级断裂为重要控矿构造)和成矿流体性质(以岩浆水为主)等方面相似。结合不同矿床地质特征和矿石同位素组成,本文认为前寒武基底在克拉通西北缘金成矿作用过程中扮演着重要作用,一方面因其具有较高的Au背景值,前寒武基底通常作为重要的物源层之一,在金成矿过程中提供部分成矿物质;另一方面,受早期变质作用过程中经历脱水反应等因素影响,结晶基底岩石力学性质偏刚性,受多期构造活动影响,更容易发生破裂,为金成矿作用提供理想的导矿或容矿空间。以岩浆热液为主的成矿流体,表明同期深部岩浆活动也对金成矿过程重要贡献。