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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2023, 31(2): 232-251 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2023.02.124

关键金属矿产勘查进展专栏

湘南新田岭矽卡岩型白钨矿床中石榴子石的成分特征及其对钨成矿作用的启示

李博,, 邹少浩,, 许德如,, 陈喜连, 王雪娜, 王华

东华理工大学核资源与环境国家重点实验室,江西 南昌 330013

Composition Characteristics of Garnet in Xintianling Skarn-type Scheelite Deposit,South Hunan Province and Its Implications for the Tungsten Mineralization

LI Bo,, ZOU Shaohao,, XU Deru,, CHEN Xilian, WANG Xuena, WANG Hua

State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment,East China University of Technology,Nanchang 330013,Jiangxi,China

通讯作者: 邹少浩(1990-),男,湖北孝感人,助理研究员,从事矿床学研究工作。shaohaozou@hotmail.com许德如(1966-),男,湖南岳阳人,教授,从事大地构造学与成矿学研究工作。xuderu@gig.ac.cn

收稿日期: 2022-09-20   修回日期: 2022-12-11  

基金资助: 国家自然科学基金项目“江南古陆金(多金属)大规模成矿的机理研究”.  41930428
“胶体金的稳定性及其对金富集成矿的作用:以豫西吉家洼金矿床为例”.  42002089
江西省自然科学基金项目“岩浆热液过程中铌钽差异性富集机理研究——以江西省宜春Ta-Nb矿床和黄山Nb-Ta矿床为例”.  20224BAB203036

Received: 2022-09-20   Revised: 2022-12-11  

作者简介 About authors

李博(1995-),男,河南濮阳人,硕士研究生,从事热液矿床研究工作leebo0813@foxmail.com , E-mail:leebo0813@foxmail.com

摘要

新田岭矿床是典型的矽卡岩型白钨矿床,与侏罗纪花岗岩侵入体有关,查明其成矿流体演化历史,对于探讨新田岭矿床成因和理解钨矿床成矿过程具有重要意义。以新田岭矿床普遍存在的矽卡岩矿物——石榴子石为研究对象,运用扫描电镜、EPMA和LA-ICP-MS等技术对石榴子石的结构、主微量元素和U-Pb年龄进行分析。根据石榴子石在背散射图像下显示的结构特征,可将新田岭矿床中的石榴子石划分为3个世代:早阶段为暗色石榴子石(Grt1);中阶段为具有明显震荡环带的石榴子石(Grt2),可划分为细环带(Grt2-1)和粗环带(Grt2-2);晚阶段为亮色石榴子石(Grt3)。通过对Grt2进行LA-ICP-MS U-Pb定年分析,确定其成岩年龄为(159.5±3.0)Ma,与该地区细粒斑状黑云母花岗岩的成岩时代(164~157 Ma)在分析误差范围内基本一致。Grt1、Grt2-1和Grt3均具有轻稀土亏损、重稀土富集的“左倾型”稀土配分模式,其中Grt1具有较明显的Eu负异常,Grt2-1具有较弱的Eu负异常,Grt3具有微弱的Eu负异常;Grt2-2具有轻重稀土亏损、中稀土富集的“驼峰型”配分模式,具有较弱的Eu正异常。从Grt1到Grt3,石榴子石中Mn、W含量呈现先下降后上升的变化趋势,Grt3中的W含量高于Grt2但低于Grt1。新田岭矿床石榴子石的稀土配分模式与微量元素组成表明,该矿床的成矿作用经历了多阶段热液过程,石榴子石形成过程中流体的氧逸度和温度先升高后降低,压力和pH值先降低后升高。此外,石榴子石中的钨含量变化暗示着新田岭矿床中钨矿化主要发生在退变质阶段,而白钨矿形成后在退变质晚期可能经历了溶解—再沉淀的过程。

关键词: 新田岭钨矿床 ; 矽卡岩 ; 石榴子石 ; 石榴子石U-Pb定年 ; LA-ICP-MS ; EPMA

Abstract

The Xintianling deposit is one of the largest skarn-type scheelite deposits in South China,and its mineralization has undergone complex magmatic and hydrothermal processes.Taking the skarn garnet in the Xintianling deposit as the research object,the U-Pb dating,in-situ major and trace element analysis of garnet were carried out by EPMA and LA-ICP-MS in-situ micro-area testing techniques.The U-Pb dating reveals that the age of ore-related garnet in Xintianling deposit is ca.(159.5±3.0)Ma,which is consistent with that of the fine-grained porphyritic biotite granite(164~157 Ma)of the Qitianling rock mass,indicating that the Xintianling tungsten mineraliztion is closely related to the Qitianling rock mass.Based on the mineral assemblages and backscattering images,it is determined that there are three generations of garnet in the Xintianling tungsten deposit.According to the structural characteristics of garnets in the backscattered images,the garnets in the Xintianling deposit can be divided into three generations,namely,the early stage dark garnet(Grt1),the middle stage garnet with obvious oscillation zone(Grt2) and the late stage bright garnet (Grt3).Among them,Grt2 can be divided into Grt2-1 with oscillatory zones and Grt2-2 with thick oscillatory zones.Grt1,Grt2-1and Grt3 show the left-skewed REE patterns with LREE depleted and HREE enrichment.Grt1 has an obvious negative Eu anomaly,Grt2-1 has a weak Eu negative anomaly,and Grt3 has a weak Eu negative anomaly.In contrast,Grt2-2 has a “hump-type” REE pattern with LREE enrichment and HREE depleted,and the weak Eu positive anomaly.From Grt1 to Grt3,the content of Mn in garnet showes a trend of first decreasing and then rising,and the W content in Grt3 is higher than Grt2 but lower than Grt1.These results suggest that the Xintianling deposit has experienced multiple hydrothermal processes,and the oxygen fugacity and temperature of the ore fluid first increas and then decreases,and the pressure pH value first decreases and then increases during the ore-forming processes.Combined with the variations of W content in garnet from different mineralization stages,it is considered that the mineralization of tungsten in the Xintianling deposit mainly occurs in the retrograde metamorphic stage,and undergoes the process of dissolution-reprecipitation in the late retrograde metamorphic stage.

Keywords: Xintianling tungsten deposit ; skarn ; garnet ; U-Pb dating of garnet ; LA-ICP-MS ; EPMA

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本文引用格式

李博, 邹少浩, 许德如, 陈喜连, 王雪娜, 王华. 湘南新田岭矽卡岩型白钨矿床中石榴子石的成分特征及其对钨成矿作用的启示[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(2): 232-251 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2023.02.124

LI Bo, ZOU Shaohao, XU Deru, CHEN Xilian, WANG Xuena, WANG Hua. Composition Characteristics of Garnet in Xintianling Skarn-type Scheelite Deposit,South Hunan Province and Its Implications for the Tungsten Mineralization[J]. Gold Science and Technology, 2023, 31(2): 232-251 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2023.02.124

华南板块经历了多期次构造—岩浆活动和大规模成矿作用,发育有众多与中生代高分异花岗岩有关的岩浆—热液型矿床,是我国重要的多金属成矿区。湘南地区位于华南板块南岭中段,该区发育有多个大型—超大型矽卡岩型和石英脉型钨矿床,钨资源保有储量达166.69万t,占全国钨资源总储量的28.7%,因此湘南地区是我国重要的钨资源矿集区。

新田岭矿床是华南地区乃至全国最大的矽卡岩型白钨矿床之一,在空间上与侏罗纪花岗岩侵入体有关,其成矿过程经历了复杂的岩浆和热液过程(Zhang et al.,20112014双燕等,2016)。通过开展新田岭矿床成矿过程研究,有助于理解成矿机制和厘定矿床成因,从而指导该区进一步找矿勘探。前人对新田岭矿床成因的研究主要基于花岗岩体地球化学和年代学研究(蔡明海等,2008Zhang et al.,2011胡加斌,2012袁顺达等,2012Shuang et al.,2014章荣清,2015),而对矽卡岩矿物的研究相对较少,仅有郁凡等(2022)讨论了石榴子石成分特征对成矿环境和矿化金属类型的指示作用,缺乏对石榴子石微量元素替代机制、石榴子石生长过程中热液流体演化的系统研究。石榴子石是矽卡岩矿床中普遍存在的热液矿物,其成分和同位素特征记录着丰富的成岩成矿信息,因此石榴子石记录的地球化学信息通常被用来示踪成矿流体来源、反演流体演化特征和成岩成矿过程,为分析矿床成因和反演成矿过程提供了重要依据(Zhai et al.,2014双燕等,2016Ding et al.,2018赵盼捞等,2018Fei et al.,2019)。本研究通过对新田岭矿床的石榴子石开展电子探针EPMA和LA-ICP-MS原位微区成分测试,并进行石榴子石LA-ICP-MS U-Pb年代学分析,根据获得的石榴子石主微量元素特征并结合前人研究结果,限定了新田岭矿床的成矿时代,揭示了石榴子石形成过程中的物理化学条件变化,为刻画该矿床的成矿过程提供科学依据,有助于建立该地区成矿模型和开展进一步找矿勘查。

1 区域地质概况

华南板块毗邻西太平洋,北部以秦岭—大别造山带,西部以松潘—甘孜造山带,西南部以三江造山带为界(胡瑞忠等,2010舒良树,2012)。华南板块由西部的扬子板块和东部的华夏板块在新元古代碰撞拼贴而成,拼贴部位被称为“江南造山带”(Li et al.,2009舒良树,2012张国伟等,2013Sun et al.,2017Zou et al.,2018)。华南板块自形成后经历了复杂的多阶段构造—岩浆—热液活动,其区域大地构造演化可总结为以下阶段:(1)新元古代早期板块俯冲—碰撞事件,形成沟弧盆构造(舒良树,2012王静强,2017);(2)晚新元古代裂解事件,广泛的深海沉积物沉积和区域中等变质作用(舒良树,2012张国伟等,2013);(3)晚新元古代—早古生代稳定的陆内沉积环境(王静强,2017);(4)早古生代陆内褶皱—造山事件,华夏块体发生了强烈的陆内褶皱隆升、变质作用和岩浆活动(舒良树,2012张国伟等,2013);(5)晚古生代—早中生代稳定的滨海—浅海沉积环境;(6)早中生代陆内褶皱—逆冲推覆—过铝质岩浆事件,陆相河湖沉积环境(舒良树,2012Wang et al.,2013);(7)晚中生代古太平洋板块俯冲和弧后伸展事件,广泛的地壳减薄作用、岩浆活动、变质作用和矿化作用,形成盆岭构造(张旗等,2009Wang et al.,20112013Zhao et al.,2016)。经历了上述构造演化,华南板块形成了独特的盆岭构造以及大规模铜、锌、铌、钼、银、锡、钽、钨、金、铅、铋和稀土等金属矿产(Sun et al.,2017)。

湘南地区位于华南板块南岭中段[图1(a)],受多阶段构造运动的影响,湘南地区广泛发育有褶皱和断裂(舒良树等,2006柏道远等,2008章荣清,2015许德如等,2016Li et al.,2018):该地区的断裂主要为NNE和NE向,茶陵—郴州—临武断裂和郴州—邵阳断裂控制着该区域的构造框架。早古生代加里东运动导致湘南地区寒武—震旦系沉积岩变质,基底褶皱和隆起;早中生代板内造山运动导致湘南地区NWW-SEE向挤压构造体制背景,晚古生界碳酸盐岩在晚二叠—三叠纪强烈褶皱,形成大量NNE向逆冲断裂和褶皱;晚中生代后造山和陆内裂谷伸展环境,侏罗—白垩纪构造活动叠加在前期构造事件上,导致NNE向断裂相关盆地和深大断裂的形成。

图1

图1   中国大地构造简图及研究区位置(a)[审图号:GS(2019)1652号](修改自Sun et al.,2017)与湘东南钨锡矿床地质图(b)(修改自Peng et al.,2006

Fig.1   Schematic map of geotectonics of China and the location of the study area(a)(modified after Sun et al.,2017)and geological map of tungsten-tin deposits in southeast Hunan(b)(modified after Peng et al.,2006


湘南地区大部分被泥盆—三叠纪浅海碎屑沉积物覆盖,震旦系和寒武系露头主要出现在东部和中南部,二叠系主要出露于西部,侏罗系零星分布于西北部,而第四纪沉积物分布受水系流域的控制。该区岩浆岩主要为加里东期花岗岩、印支期花岗岩和燕山期花岗岩,其中燕山期花岗岩最为发育,促成了湘南地区大规模成矿作用,在这些岩体周围形成了大量岩浆热液型矿床,包括新田岭钨矿床、柿竹园钨锡铋钼矿床、芙蓉锡多金属矿床、黄沙坪铜铅锌矿床、瑶岗仙钨银矿床和香花岭锡多金属矿床等[图1(b)](Sun et al.,2017Li et al.,2018)。

2 矿床地质特征

新田岭矽卡岩型矿床位于湘南地区东部,骑田岭复式花岗岩体东北缘[图1(b)](袁顺达等,2012)。矿区出露地层主要为石炭系和二叠系碳酸盐岩,上覆不均匀的第四纪沉积层(殷顺生等,1994双燕等,2016)。区内主要发育有4个不同方向的断层组,走向分别为SN、NE、EW和NW,其中SN向复式背斜与矿化之间的关系密切,为侵入体侵位和后续矿化提供了空间(章荣清,2015Wu et al.,2016)。前人对骑田岭岩体和新田岭矿床进行了大量年代学研究,获得了丰富的年代学资料(表1)(毛景文等,2004蔡明海等,2008朱金初等,2009刘勇等,2011章荣清,2015)。骑田岭花岗岩岩体按粒度由早期至晚期可划分为3个岩相,依次为粗—中粒斑状黑云母花岗岩(165~164 Ma)、细粒斑状黑云母花岗岩(164~157 Ma)和花岗斑岩(149.4~142.6 Ma)(朱金初等,2009刘勇等,2011章荣清,2015)。以往研究表明,新田岭矿床含白钨矿石英脉中的石英流体包裹体Rb-Sr定年结果显示成矿年龄为(157.4±3.2)Ma(蔡明海等,2008),退化蚀变矽卡岩中的云母40Ar-39Ar定年结果显示成矿年龄为(157.1±0.2)Ma(毛景文等,2004),矽卡岩中辉钼矿Re-Os等时线将新田岭成矿年龄限定为(161.8±2.2)Ma(章荣清,2015)。

表1   骑田岭岩体和新田岭矿床成岩成矿定年结果

Table 1  Dating results of the plutons and mineralization in Qitianling rock mass and Xintianling deposit

岩体(矿床)名称岩性定年方法年龄/Ma文献来源
骑田岭花岗岩中粒黑云母二长花岗岩锆石U-Pb定年165.0±3.1章荣清,2015
骑田岭花岗岩细粒黑云母花岗岩锆石U-Pb定年164.0±0.6章荣清,2015
骑田岭花岗岩花岗斑岩锆石U-Pb定年147.5±0.5章荣清,2015
骑田岭花岗岩中粒斑状角闪石黑云母二长花岗岩锆石U-Pb定年167.5±1.7刘勇等,2011
骑田岭花岗岩中粒斑状角闪石黑云母二长花岗岩锆石U-Pb定年155.4±4.3刘勇等,2011
骑田岭花岗岩角闪石黑云母二长花岗岩锆石U-Pb定年163~160朱金初等,2009
骑田岭花岗岩黑云母花岗岩锆石U-Pb定年157~156朱金初等,2009
骑田岭花岗岩细粒(有时含斑)黑云母花岗岩锆石U-Pb定年150~146朱金初等,2009
骑田岭花岗岩角闪黑云母花岗岩黑云母40Ar-39Ar定年157.5±0.3毛景文等,2004
新田岭钨矿退化蚀变岩黑云母40Ar-39Ar定年157.1±0.2毛景文等,2004
新田岭钨矿退化蚀变岩辉钼矿Re-Os定年161.8±2.2章荣清,2015
新田岭钨矿石英脉辉钼矿Re-Os定年159.1±2.6袁顺达等,2012
新田岭钨矿石英脉石英流体包裹体Rb-Sr定年157.4±3.2蔡明海等,2008

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矿体主要赋存于花岗岩与碳酸盐岩的接触带或花岗岩内部,接触带矿体多呈透镜状产出。截至目前,新田岭矿床已探明矿脉80余条,WO3储量约为30万t,平均品位为0.36%,并伴生有Bi、Mo元素以及少量的Cu、Pb、Zn等元素(Zhang et al.,2011方芳,2020)。新田岭矿床的主要矿石矿物为白钨矿和辉钼矿,主要脉石矿物为石榴子石、透辉石、阳起石、云母铁、绿泥石和石英等。根据野外穿插关系和矿物共生组合,可将新田岭成矿作用划分为4个阶段(章荣清,2015双燕等,2016):(1)进变质阶段,主要发育石榴子石和透辉石,透辉石矽卡岩发育在靠近围岩的一侧[图2(a)];(2)早期退变质阶段,主要发育角闪石、阳起石和白钨矿,该阶段为白钨矿的主要成矿阶段[图2(b)];(3)晚期退变质阶段,主要发育石英、方解石和萤石,白钨矿总量较少但能够在石英脉中形成较大的颗粒[图2(c)];(4)硫化物阶段,主要发育石英、方解石、黄铁矿、辉钼矿、方铅矿和闪锌矿。围岩蚀变主要为矽卡岩化、硅化、云英岩化和大理岩化(殷顺生等,1994韦宁,2019),其中,矽卡岩化与矿化最为密切。

图2

图2   新田岭矿床矽卡岩矿石手标本照片

(a)进变质阶段晚期,白钨矿分布于石榴子石矽卡岩与透辉石矽卡岩之间;(b)早期退变质阶段,大量白钨矿与石英、石榴子石共生;(c)晚期退变质阶段,白钨矿总量较少但可在石英脉中形成较大的颗粒Grt-石榴子石;Sch-白钨矿;Qtz-石英;Act-阳起石;Di-透辉石;Sulfide-硫化物

Fig.2   Photographs of hand samples of skarn ore from Xintianling deposit


3 样品与分析测试方法

本研究样品采自新田岭矿区小板垅矿段坑道(图3)。选取不同类型的矽卡岩矿石磨制薄片,在野外地质调查的基础上,结合显微镜下观察,分析不同石榴子石的结构特征。基于此,针对不同类型的石榴子石开展了一系列电子探针(EMPA)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)分析,以获得石榴子石的主微量元素信息,从而探讨成矿流体特征。

图3

图3   新田岭矽卡岩型白钨矿床地质图(修改自章荣清,2015

1.中—上石炭统壶天群白云质灰岩;2.下石炭统梓门桥组砂岩;3.下石炭统测水组砂岩;4.下石炭统石磴子组灰岩;5.下石炭统岩关阶上段钙质页岩白云质灰岩和砂页岩;6.下石炭统岩关阶下段钙质页岩;7.细粒黑云母花岗岩;8.中粒黑云母二长花岗岩;9.花岗斑岩;10.矽卡岩矿体;11.断层

Fig.3   Geological map of the Xintianling skarn-type scheelite deposit(modified after Zhang,2015


3.1 扫描电镜分析

所有薄片均经过镜下观察,进行精细抛光和镀碳。在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室铀多金属中心使用Zeiss Gemini Sigma 300场发射扫描电子显微镜拍摄石榴子石背散射(BSE)照片和白钨矿阴极发光(CL)照片,束流为20 nA,加速电压为15 kV。根据背散射照片中的环带结构,选择合适的石榴子石颗粒进行分析测试。

3.2 电子探针EPMA测试

石榴子石主量元素测试在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成,使用JEOL JXA-8530F Plus电子探针仪器进行原位矿物成分分析。石榴子石测试的主要成分有MgO、Al2O3、SiO2、TiO2、CaO、WO3、FeO、MnO、Na2O、SnO2和MoO3,以美国SPI提供的天然矿物为标样。石榴子石的标样矿物、分析元素和X射线谱线为橄榄石(Mg-Kα)、硬玉(Al-Kα)、橄榄石(Si-Kα)、金红石(Ti-Kα)、钙蔷薇辉石(Ca-Kα)、白钨矿(W-Lα)、磁铁矿(Fe-Kα)、钙蔷薇辉石(Mn-Kα)、硬玉(Na-Kα)、锡石(Sn-Lα)和辉钼矿(Mo-Lα)。选择束流为20 nA,加速电压为15 kV,电子束直径为3 μm,对Mg、Al、Si、Ti、Ca、Fe、Mn、Na元素的信号采集10 s,背景计数时间为5 s,W、Sn、Mo元素的信号采集20 s,背景计数时间为10 s。Ti元素的检出限为0.02%,其他元素的检出限为0.01%。

3.3 LA-ICP-MS测试

利用LA-ICP-MS方法对样品中的石榴子石进行了原位U-Pb同位素定年和微量元素分析,试验测试在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室铀多金属中心完成,仪器型号为配备NWR 193 He纳秒激光剥蚀器(LA)的PE NexION 1000电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。实验采用氦气作为载气,氩气作为补偿气,通过混合器与载气混合后进入ICP系统。对薄片进行重新抛光后圈定与EPMA试验相同的点位进行LA-ICP-MS测试,试验条件选择激光光斑直径为50 μm,激光能量密度为7.5 mJ/cm2,脉冲频率为6 Hz。

石榴子石测试的基本同位素有:29Si、45Sc、49Ti、55Mn、85Rb、88Sr、89Y、93Nb、97Mo、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu、177Hf、181Ta、182W、204Pb、206Pb、207Pb、208Pb、232Th、235U和238U。使用EPMA方法测得的各点SiO2含量作为内标,选取标样NIST 610校准石榴子石的微量元素,每分析5~8个样品,使用NIST 610进行校准。选择锆石91500作为校正U-Pb同位素比值的外标,实验室内部石榴子石标样FC01作为检测标样。测试过程中对空白背景采集30 s,之后进行45 s单点剥蚀,停止剥蚀后进行30 s吹扫冲洗。测试数据均采用Iolite 4软件进行离线处理,具体分析方案可参考Paton et al.(2011)

4 分析结果

4.1 岩相学特征

根据演化阶段可将新田岭矿化过程划分为4个主要阶段:岩浆阶段、热液阶段、矽卡岩阶段和后期岩浆阶段。白钨矿赋存于围岩与花岗岩之间的石榴子石矽卡岩中,石榴子石为主要脉石矿物。

新田岭主要有2类石榴子石:(1)自形程度较好,具有明显的震荡环带,粒径较大(3~5 mm),主要与石英、白钨矿、方解石和黄铁矿等共生[图4(a)~4(c)];(2)自形程度较差,相对均匀,粒径较小(0.5~2.0 mm),主要与石英、阳起石、绿帘石、萤石等共生[图4(d)]。根据矿物组合及石榴子石颗粒微观结构,能够区分出3代不同的石榴子石:一是进变质阶段至早退变质阶段过渡的核部暗色石榴子石(Grt1)[图4(e)~4(g)];二是退变质阶段具有明显震荡环带的石榴子石(Grt2),可划分为围绕Grt1外侧生长的自形—半自形的细环带(Grt2-1)[图4(e),4(g)]和自形程度较高的粗环带(Grt2-2)[图4(h)];三是晚退变质阶段至硫化物阶段的亮色石榴子石(Grt3)[图4(e)~4(g)],通常为均质或有细环带,围绕早期的Grt-1和Grt2外侧生长,或呈脉状交代早期形成的石榴子石。

图4

图4   新田岭矿床矿物组合特征及石榴子石种类与结构

(a)石榴子石矽卡岩与石英脉薄片;(b)蚀变花岗斑岩薄片,白钨矿与石榴子石、石英、方解石共存;(c)富白钨矿矽卡岩与石英脉薄片;(d)石榴子石矽卡岩薄片,石榴子石与石英、绿帘石、阳起石和萤石共存,方解石脉切穿石榴子石和石英;(e)与石英共生的3代石榴子石;(f)含白钨矿石英脉中的2代石榴子石,石英脉中见黄铁矿;(g)与石英、绿帘石共生的3代石榴子石被含磁铁矿的方解石脉切穿;(h)自形的石榴子石颗粒被含磁铁矿的方解石脉部分取代;(i)石榴子石矽卡岩薄片;(j)与石榴子石共生的白钨矿颗粒,被方解石部分取代;(k)阴极发光下的3代白钨矿;Grt-石榴子石;Sch-白钨矿;Qtz-石英;Cal-方解石;Py-黄铁矿;Mag-磁铁矿;Ep-绿帘石;Fl-萤石;Act-阳起石;(a),(b),(c),(d),(i)为超景深照片;(e)~(h)为石榴子石BSE照片;(j)为正交偏光照片;(k)为白钨矿CL照片

Fig.4   Textural and optical characteristics of the garnets and mineral paragenetic assemblage of the Xintianling deposit


4.2 石榴子石主量元素组成

通过电子探针EPMA对石榴子石样品进行了原位主量元素分析,结果见表2。由表2可知,新田岭矿床的3代石榴子石均属于钙铝榴石—钙铁榴石固溶体系列,与世界范围内的矽卡岩型钨矿床中的石榴子石组成特征基本一致(图5)(Meinert et al.,2005)。

表2   新田岭矿床石榴子石主量元素电子探针(EPMA)分析结果

Table 2  Major elements analysis results of the garnet in Xintianling deposit by EPMA(%)

测试点位岩石类型成分总计
MgOAl2O3SiO2TiO2CaOWO3FeOTMnONa2OSnO2MoO3
24a-1B-2-006(A6)Grt10.0114.6635.070.7233.23BDL10.742.77BDLBDL0.0297.22
25c-2B-1-003(A3)Grt10.019.0635.000.1432.95BDL18.002.47BDLBDLBDL97.63
25c-2B-1-005(A4)Grt10.0412.8334.740.6131.090.0513.194.240.01BDL0.0196.80
25c-2B-1-006(A6)Grt10.0310.4534.150.7031.60BDL16.433.69BDLBDLBDL97.04
33-4B-1-009(A5)Grt10.0514.3935.990.8632.69BDL11.352.950.03BDLBDL98.31
24a-1B-1-003(A3)Grt2-10.039.2633.720.6132.880.0717.682.370.01BDL0.0296.65
24a-1B-1-004(A4)Grt2-10.0311.9934.520.5232.71BDL14.422.740.04BDLBDL96.97
24a-1B-1-005(A5)Grt2-10.0611.5634.270.4028.59BDL15.716.030.02BDLBDL96.62
24a-1B-2-002(A2)Grt2-10.0311.4434.520.5233.080.0715.022.32BDLBDL0.0297.02
24a-1B-2-003(A3)Grt2-10.039.9734.030.5832.020.0917.442.74BDLBDLBDL96.91
24a-1B-2-004(A4)Grt2-10.0311.2134.600.5032.920.0315.382.440.01BDLBDL97.11
24a-1B-2-005(A5)Grt2-10.0211.2834.440.4232.210.0415.182.70BDLBDL0.0396.31
06b-1B-1-004(A4)Grt2-10.0510.9535.450.1032.940.1115.702.510.01BDLBDL97.80
06b-1B-1-005(A5)Grt2-10.0311.1635.610.1233.650.0415.611.95BDLBDLBDL98.18
06b-1B-1-007(A7)Grt2-10.034.9934.820.0233.91BDL23.131.030.01BDLBDL97.93
06b-1B-2-004(A4)Grt2-10.018.2834.400.0832.660.0118.872.32BDLBDLBDL96.63
06b-1B-2-005(A5)Grt2-10.019.9935.150.0932.86BDL16.772.400.01BDLBDL97.27
06b-1B-2-006(A6)Grt2-10.0311.2335.230.2433.10BDL15.302.280.01BDLBDL97.41
06b-1B-2-007(A7)Grt2-10.0410.0535.140.2933.220.0216.752.14BDLBDLBDL97.65
06b-1B-2-008(A8)Grt2-10.0110.0035.350.0633.59BDL16.681.81BDLBDLBDL97.48
06b-1B-2-009(A9)Grt2-10.027.6834.760.0633.53BDL19.911.42BDLBDL0.0297.40
33-4B-1-001(A1)Grt30.0612.6635.380.5731.15BDL13.793.850.01BDLBDL97.46
33-4B-1-004(A2)Grt30.0612.0535.620.5229.88BDL15.804.52BDLBDL0.0298.46
33-4B-1-005(A3)Grt30.0512.0435.920.6031.21BDL14.823.700.02BDLBDL98.36
33-4B-1-007(A4)Grt30.0112.1035.310.6731.49BDL14.243.60BDLBDL0.0197.43
24a-1B-1-006(A6)Grt30.0610.2834.250.6030.51BDL17.653.81BDLBDL0.0497.20
24a-1B-1-007(A7)Grt30.0110.5933.940.3832.48BDL16.432.92BDLBDLBDL96.74

注:“BDL”表示含量低于检出限

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图5

图5   新田岭石榴子石端元成分三元相图(底图据Meinert et al.,2005

注:Adr=Ca3Fe2Si3O12(钙铁榴石);Gro=Ca3Al2Si3O12(钙铝榴石);Sps=Mn3Al2Si3O12(锰铝榴石);Bly=Mn3Mn2Si3O12(锰榴石);Pyr=Mg3Al2Si3O12(镁铝榴石);Scr(Al)=Ca3Ti2SiAl2O12(铝钛榴石);图中浅红色区域代表世界范围内矽卡岩型钨矿床

Fig.5   Endmember component ternary diagram of the garnets from the Xintianling deposit(base map after Meinert et al.,2005


新田岭石榴子石中SiO2含量为33.72%~35.99%,平均值为34.87%;CaO含量为28.59%~33.91%,平均值为32.30%;Al2O3含量为4.99%~14.66%,平均值为10.82%;FeOT含量为10.74%~23.13%,平均值为16.00%;MnO含量为1.03%~6.03%,平均值为2.88%。此外还含有少量的TiO2(平均值为0.41%)、MgO(平均值为0.03%)、WO3(平均值为0.05%)和MoO3(平均值为0.02%),所有样品中SnO2均低于检出限。

不同类型石榴子石的端元成分存在差异。其中,Grt1成分为Adr30.11~50.89Gro35.93~60.03,平均成分为Adr41.65 Gro49.66,含少量锰榴石(2.14%)、铝钛榴石(1.84%)和锰铝榴石(0.11%);Grt2-1成分为Adr40.80~58.18 Gro33.59~47.26,平均成分为Adr49.01Gro42.19,含少量锰榴石(0.91%)、铝钛榴石(1.56%)、锰铝榴石(0.69%)和铁铝榴石(0.13%);Grt2-2成分为Adr48.73~78.09Gro17.18~45.89,平均成分为Adr57.40Gro37.49,含少量锰榴石(0.04%)、铝钛榴石(0.36%)和镁铝榴石(0.10%);Grt3成分为Adr37.53~52.23Gro39.81~50.63,平均成分为Adr44.10Gro44.05,含少量锰榴石(2.42%)、铝钛榴石(1.70%)、锰铝榴石(3.36%)和镁铝榴石(0.17%)。

石榴子石主量元素(以apfu计,即单位化学式中的原子数)散点图(图6)显示,Grt1的Fe含量较低,而Grt2和Grt3的Fe含量较高[图6(a)],同时Grt1、Grt2-1、Grt2-2和Grt3中表现出Ti含量先下降后上升的趋势[图6(b)],在Grt1、Grt2和Grt3中Si与Ti元素呈负相关。3代石榴子石中的Fe、Ti成分有一定的变化,但Si含量变化范围很小。3代石榴子石中Ca与Mn元素的含量呈明显负相关[图6(c)]。Al与Mn元素之间存在较弱的正相关[图6(d)];Grt1和Grt2中Si与Ca+Mn+Mg存在正相关,而Grt3中Si与Ca+Mn+Mg呈负相关[图6(e)];Si与Al+Fe,Al+Fe与Ca+Mn+Mg,Al与Mg之间无明显的线性关系[图6(f)~6(h)]。

图6

图6   新田岭矿床石榴子石的主量元素电子探针分析(以apfu计数)

注:apfu为单位化学式中的原子数

Fig.6   Major elements compositions of garnets from Xintianling deposit by EPMA(calculated in apfu)


4.3 石榴子石微量元素组成

完成EPMA试验之后,利用LA-ICP-MS对新田岭石榴子石样品进行了原位微量元素分析,LA-ICP-MS与EPMA测试点位一一对应,试验采取点剥蚀的方法,光斑直径为50 μm,因此测试结果代表剥蚀区域的平均成分。新田岭石榴子石的微量元素测试数据见表3。LA-ICP-MS分析结果表明,新田岭矿床中的石榴子石Rb、Sr、Mo、Nb、Sc和Ta等元素含量很低,有些甚至低于检出限(BDL),而Ti和Mn元素含量相对较高。∑REE与Na2O之间、∑REE与CaO之间没有明显的线性相关性[图7(a),7(b)]。U与Al2O3+Fe2O3存在正相关关系[图7(c)],∑REE与Al2O3之间存在一定程度的正相关,而相对富铝的Grt1中∑REE含量高于相对富铁的Grt2和Grt3[图7(d)]。

表3   新田岭矿床石榴子石微量元素LA-ICP-MS分析结果

Table 3  LA-ICP-MS analysis results of trace elements of garnet from the Xintianling deposit(×10-6

测试点位岩石类型元素
ScTiMnRbSrYNbMoLaCePrNdSm
24a-1B-2-A6Grt160.503 17325 700BDLBDL272.0049.5BDL0.090.400.243.098
25c-2B-1A3Grt1101.002 83335 6170.14BDL313.0032.7BDLBDL0.180.121.834.67
25c-2B-1A4Grt164.403 34653 1531.560.19418.0018.1BDLBDL0.070.101.333.77
25c-2B-1A6Grt172.403 90648 6421.593.08599.0021.3BDL0.070.200.131.745.64
33-4B-1-A5Grt196.404 61031 400BDLBDL547.0052.9BDLBDL0.150.051.214.02
24a-1B-1-A3Grt2-132.603 50626 100BDLBDL141.0021.9BDLBDL0.380.182.423.51
24a-1B-1-A4Grt2-125.602 41721 700BDLBDL101.0022.3BDLBDL0.400.193.315.08
24a-1B-1-A5Grt2-125.302 11549 400BDLBDL97.3018.8BDLBDL0.350.101.832.58
24a-1B-2-A2Grt2-152.202 68119 840BDL0.68198.0020.9BDLBDL0.610.354.755.59
24a-1B-2-A3Grt2-126.602 94228 600BDLBDL134.0017.8BDLBDL0.440.242.583.51
24a-1B-2-A4Grt2-127.202 70718 180BDLBDL78.3017.3BDLBDL0.300.242.362.9
24a-1B-2-A5Grt2-127.102 51127 800BDLBDL114.0018.2BDLBDL0.400.161.983.05
06b-1B-1-B4Grt2-21.3046215 7520.050.061.3819.5BDL0.061.630.696.134.09
06b-1B-1-B5Grt2-23.341 16216 2340.070.044.1712.8BDL0.051.100.677.635.9
06b-1B-1-B7Grt2-20.6852610 240BDL0.120.6020.80.520.112.701.008.344.01
06b-1B-2-B4Grt2-22.3362116 1490.060.071.9631.2BDL0.081.830.815.893.52
06b-1B-2-B5Grt2-25.0788917 449BDL0.072.1722.6BDL0.061.040.597.584.84
06b-1B-2-B6Grt2-23.681 26416 326BDL0.095.0317.4BDL0.051.200.537.185.87
06b-1B-2-B7Grt2-23.431 31714 629BDL0.204.8323.3BDL0.081.530.757.045.64
06b-1B-2-B8Grt2-21.4258411 7000.040.170.9717.1BDL0.052.110.857.733.84
06b-1B-2-B9Grt2-21.2756410 3880.120.121.3918.00.590.152.601.026.733.21
24a-1B-1-A6Grt328.802 78451 400BDLBDL151.0017.4BDLBDL0.220.131.191.68
24a-1B-1-A7Grt328.02 30330 3000.480.56115.0012.5BDLBDL0.240.192.044.39
33-4B-1-A1Grt334.33 24039 6000.310.17150.0020.6BDLBDL0.110.061.232.58
33-4B-1-A2Grt328.22 77947 600BDLBDL144.0015.0BDLBDLBDLBDL0.581.34
33-4B-1-A3Grt353.13 41741 7000.69BDL219.0023.7BDLBDLBDLBDLBDL1.26
33-4B-1-A4Grt350.13 55040 300BDLBDL187.0024.3BDLBDL0.07BDL0.631.02
测试点位岩石类型元素
EuGdTbDyHoErTmYbLuHfTaWTh
24a-1B-2-A6Grt11.6826.106.3444.809.5528.704.5933.205.217.8923.700.75BDL
25c-2B-1A3Grt11.5417.205.1642.9010.0036.506.2247.907.982.694.730.65BDL
25c-2B-1A4Grt11.0615.905.0553.3014.2051.908.8971.2011.402.814.681.16BDL
25c-2B-1A6Grt11.4923.907.8179.2021.8083.5014.90116.1018.103.135.111.47BDL
33-4B-1-A5Grt10.8018.306.4566.7019.9076.7014.50112.8019.306.1333.202.340.04
24a-1B-1-A3Grt2-11.268.482.3720.005.4817.602.8321.503.534.064.811.630.03
24a-1B-1-A4Grt2-11.6811.702.1716.603.5010.401.7412.602.063.242.271.250.04
24a-1B-1-A5Grt2-10.906.511.6713.703.6712.802.3618.102.903.272.811.250.04
24a-1B-2-A2Grt2-11.6013.903.1728.507.3927.404.7437.506.324.905.611.280.05
24a-1B-2-A3Grt2-11.447.832.1019.804.9417.703.0223.903.943.495.331.110.04
24a-1B-2-A4Grt2-11.377.581.5911.502.589.021.4111.101.814.193.161.23BDL
24a-1B-2-A5Grt2-10.957.601.9115.604.0516.102.9720.403.603.735.561.12BDL
06b-1B-1-B4Grt2-21.701.870.120.380.02BDLBDLBDLBDL0.123.160.740.23
06b-1B-1-B5Grt2-21.684.560.391.110.130.110.020.150.010.484.000.770.09
06b-1B-1-B7Grt2-21.661.900.080.320.02BDLBDLBDLBDL0.185.151.000.09
06b-1B-2-B4Grt2-21.431.800.140.560.030.070.010.07BDL0.144.211.060.15
06b-1B-2-B5Grt2-21.622.450.190.280.020.100.020.010.01BDL5.081.220.10
06b-1B-2-B6Grt2-21.745.050.441.230.060.11BDL0.08BDL0.395.070.970.08
06b-1B-2-B7Grt2-21.874.070.401.010.070.130.01BDLBDL0.618.560.970.08
06b-1B-2-B8Grt2-21.421.360.160.170.01BDLBDLBDLBDL0.123.790.480.10
06b-1B-2-B9Grt2-21.191.430.090.390.030.01BDL0.09BDL0.185.021.000.13
24a-1B-1-A6Grt30.585.891.8918.705.7523.704.4536.306.413.024.611.02BDL
24a-1B-1-A7Grt31.839.902.1416.703.8013.502.1616.402.532.381.771.34BDL
33-4B-1-A1Grt30.977.922.2820.705.1818.803.2225.204.253.063.811.20BDL
33-4B-1-A2Grt30.765.141.5418.404.8118.903.5028.004.782.582.500.81BDL
33-4B-1-A3Grt30.664.902.3023.907.3931.405.9752.409.464.187.411.05BDL
33-4B-1-A4Grt30.695.722.1122.006.5925.804.4940.207.053.505.321.24BDL

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图7

图7   新田岭矿床石榴子石微量元素LA-ICP-MS分析结果

Fig.7   LA-ICP-MS analysis results of trace elements of garnet in Xintianling deposit


石榴子石轻重稀土元素分异明显(LREE/HREE=0.01~9.41,多数比值小于1),除Grt2-2之外总体显示出轻稀土相对亏损、重稀土相对富集的特征(图8)。球粒陨石标准化稀土模式表明:核部深色的石榴子石Grt1轻稀土亏损、重稀土富集,具有明显的Eu负异常[图8(a)],ΣREE很高;震荡环带的石榴子石Grt2轻稀土亏损,总体上表现出2种明显的区分,细环带的Grt2-1重稀土富集,具有较弱的Eu负异常,粗环带的Grt2-2重稀土亏损,Eu正异常且ΣREE相对较低[图8(b)];边部浅色的石榴子石Grt3显示出轻稀土亏损、重稀土富集,具有较弱的Eu负异常,总体趋势与Grt1相似[图8(c)]。

图8

图8   新田岭矿床石榴子石球粒陨石标准化稀土模式图(球粒陨石数据源自Sun et al.,1989

Fig.8   Chondrite-normalized REE patterns of garnet in Xintianling deposit(chondrite data after Sun et al.,1989


4.4 石榴子石U-Pb定年

定年选取的石榴子石是与白钨矿共生的Grt2[图4(i)](包括Grt2-1和Grt2-2)。选择直径为50 μm的光斑对样品进行点分析,排除包裹体或裂隙等产生的较差信号外,共获得38个有效数据点,结果见表4。样品的U含量较高(3.05×10-6~16.89×10-6),平均值为6.46×10-6;Pb含量较低(0.03×10-6~1.95×10-6),平均值为0.27×10-6。使用IsoplotR软件(Vermeesch,2021)绘制出石榴子石的Tera-Wasserburg曲线图以降低普通Pb对年龄结果的影响,得到样品的206Pb/238U协和年龄为(159.5±3.0)Ma(n=38;NSWD=2.4)(图9)。

表4   新田岭矿床石榴子石LA-ICP-MS U-Pb定年分析结果

Table 4  LA-ICP-MS U-Pb dating results of garnet in Xintianling deposit

测试点位w(Pb)/(×10-6w(U)/(×10-6同位素比值同位素年龄/Ma
207Pb/235U1s/%206Pb/238U1s/%Rho206Pb/238U2s(abs)
06b-1B-01-A10.076.450.304016.20.025576.2-0.0516220
06b-1B-01-A20.147.440.334518.20.028144.1-0.0217915
06b-1B-01-A30.1610.230.385417.70.026805.60.1517019
06b-1B-01-A4BDL10.400.311619.60.024514.00.0415612
06b-1B-01-A50.3911.470.270322.30.025845.5-0.3616418
06b-1B-01-A60.4113.480.219523.00.023174.90.2114814
06b-1B-01-A70.6816.890.421316.60.024795.10.2815816
06b-1B-01-A81.9515.480.768212.90.025243.90.0516112
06b-1B-01-A90.214.990.323922.30.023835.70.0715217
06b-1B-01-A110.166.080.314919.50.027745.10.4417618
06b-1B-01-A120.317.000.380424.00.027647.5-0.0717526
06b-1B-01-A130.257.490.344925.30.026315.50.2016718
06b-1B-01-A140.138.390.264022.70.026645.00.1516917
06b-1B-01-A150.889.530.473921.30.028537.00.1718125
06b-1B-01-A160.518.750.497720.90.024764.30.3215813
06b-1B-01-A170.056.560.578116.80.026878.00.1417127
06b-1B-01-A180.075.960.285119.40.023325.3-0.0314816
06b-1B-01-A190.055.170.469224.30.024607.2-0.0815622
06b-1B-01-A200.115.230.322426.90.021666.90.2213819
06b-1B-01-A21BDL5.090.166447.60.026246.60.3716722
06b-1B-01-A220.194.150.724719.90.025817.50.0116424
06b-1B-01-A230.15.400.302336.50.026847.8-0.3517026
06b-1B-01-A240.145.210.398529.10.022357.2-0.3714220
06b-1B-01-A250.145.150.282124.00.025416.8-0.1216122
06b-1B-01-A270.213.670.890120.50.028928.20.3618330
06b-1B-01-A280.083.170.635522.50.027199.60.4717233
06b-1B-01-A290.113.050.226243.90.025728.30.0016327
06b-1B-01-A300.163.440.089090.30.027956.90.1117724
06b-1B-01-A310.126.370.175035.10.026085.3-0.1716617
06b-1B-01-A320.334.700.531119.50.021167.90.0013521
06b-1B-01-A330.033.860.198931.80.021486.00.1213716
06b-1B-01-A34BDL3.200.198545.80.020806.8-0.0513218
06b-1B-01-A35BDL3.540.242736.60.024467.4-0.2015523
06b-1B-01-A36BDL3.550.070495.20.023857.50.0115122
06b-1B-01-A370.063.840.189747.60.026228.3-0.1516627
06b-1B-01-A38BDL3.680.204542.00.026206.20.1716621
06b-1B-01-A39BDL3.860.239436.00.022808.30.0714524
06b-1B-01-A400.033.670.295830.30.021588.80.0413724

注:“BDL”表示含量低于检出限, “abs”表示绝对误差

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图9

图9   新田岭矿床石榴子石U-Pb年龄T-W图解

Fig.9   Tera-Wasserburg diagram of U-Pb dating of garnet in Xintianling deposit


5 讨论

5.1 石榴子石的晶体化学

石榴子石的理想化学式为X3Y2Z3O12,其中X为八配位的2价阳离子(Ca2+、Mn2+、Mg2+、Fe2+和Co2+),Y为六配位的3价阳离子(Fe3+、Al3+、Ga3+、Mn3+、Sc3+和Cr3+),Z在石榴子石中主要为Si4+Gaspar et al.,2008Antao et al.,2014赵盼捞等,2018)。新田岭矿床中石榴子石属于钙铝榴石—钙铁榴石固溶体系列,其一般化学式为Ca3(Al,Fe)2Si3O12,石榴子石中通常存在微量元素,半径相近电荷数相同的离子可以通过类质同象的替换机制进入石榴子石矿物晶格中,晶体化学条件是主要的控制因素(Rubatto et al.,2007张宏飞等,2012)。Ca2+和Mn2+之间存在明显的负相关关系[图6(c)],二者的电荷数相同,离子半径相近(rCa2+=1.12Å,rMn2+=0.99Å),由此认为Mn2+等价替换了石榴子石中的Ca2+Shannon,1976)。

受晶体化学条件的影响,稀土元素主要通过替代石榴子石中的Ca2+进入矿物晶格中,具体的替代机制分为以下5种:

(1)由于Eu2+和Ca2+半径相近(rCa2+=1.12Å,rEu2+=1.25Å)且电荷数相同,Eu可以直接类质同象替换Ca进入石榴子石的晶格中(Gaspar et al.,2008Yang et al.,2013Zhai et al.,2014),其替代方程式为

Ca2+ = Eu2+

(2)REE3+和Y3+半径与Ca2+相近(rCa2+=1.12Å,rREE3+=0.98~1.16Å)但电荷不等,需要与其他元素耦合替代石榴子石中的某些元素(Smith et al.,2004Gaspar et al.,2008Yang et al.,2013),其替代方程式为

2Ca2+ = (REE3+,Y3+)+Na+
Ca2++Si4+ = (REE3+,Y3+)+(Al3+,Fe3+

(3)REE3+直接取代Ca2+无法维持静电中性,在贫Na+环境中,Ca空位(□Ca)的存在可以使2个REE3+与3个Ca2+之间保持电荷平衡(van Westrenen et al.,2003Gaspar et al.,2008Dragovic et al.,2012),其替代方程式为

3Ca2+ = 2(REE3+,Y3+) +□Ca

根据LA-ICP-MS分析结果,石榴子石Grt1和Grt3中稀土总量与CaO的含量呈现负相关[图7(b)],符合稀土元素通过替换Ca2+进入石榴子石的替代机制。受稀土元素在流体与石榴子石之间分配系数的影响,一般而言石榴子石晶体更倾向于结合半径较小的HREE(Gaspar et al.,2008Yang et al.,2013),这解释了配分曲线中存在的重稀土富集(图8)。由于新田岭矿床石榴子石中Na含量很低,在许多样品中低于检测限(表2),且Na与ΣREE之间并不满足线性相关[图7(a)],由此可以排除式(2)的替代机制。根据电子探针分析结果,在Grt3石榴子石中,Si和Al+Fe呈负相关趋势[图6(f)],且Al+Fe和Ca+Mn+Mg呈现类似的负相关[图6(g)],符合式(3)的替代机制。由于Eu3+的半径比Eu2+更接近Ca2+,受晶体化学的影响Eu3+对Ca2+的替代更优先,式(1)的替代机制多在相对还原的条件下发生(Shannon,1976Ding et al.,2018)。钙铁—钙铝榴石固溶体端元组成可以反映石榴子石形成时的氧化还原条件,钙铁榴石的形成需要流体中的Fe3+,通常在氧化环境下形成,相应的钙铝榴石的形成环境更倾向于还原环境(赵斌等,1983张银平等,2022)。大部分石榴子石Grt1中钙铝榴石组分大于钙铁榴石(图5),指示相对还原环境,因此Grt1中的Eu负异常很可能由于受氧化还原条件的影响从而发生式(1)替代机制导致的。而Grt2-1中Eu异常的减弱和Grt2-2中的Eu正异常指示了流体氧逸度的升高。退变质阶段的Grt2-2具有中间隆起的“驼峰状”配分曲线[图8(b)],而其Si和Al+Fe、Al+Fe和Ca+Mn+Mg之间也无明显的关系[图6(f),6(g)],高水/岩比条件下快速生长的石榴子石中微量元素的组成主要受流体成分而非晶体化学的制约(Fan et al.,2019),式(4)机制中Ca空位的存在可以继承流体中的稀土组成。Grt2-2具有较低的ΣREE含量,结合岩相学观察到的Grt2-2粗环带特征[图4(h)],认为石榴子石Grt2-2在高水/岩比流体中快速沉淀,因此可能继承了流体的稀土特征。

新田岭矿床石榴子石中含有一定量的U元素和较低含量的普通铅(表4),这是可以选择其作为定年矿物的基础(Deng et al.,2017)。U进入石榴子石中主要有4种途径(Smith et al.,2004Gaspar et al.,2008Dziggel et al.,2009;Rak et al.,2011):(1)石榴子石晶体生长过程中的表面吸附作用;(2)以含U矿物包裹体的形式存在;(3)耦合替代八配位点中的二价阳离子(Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe2+),主要的替代方程式为

Ca2++2Si4+=2(Al3+,Fe3+)+U4+

(4)替代石榴子石中的稀土元素,由于半径相近,更优先替代HREE。

(5)Sn可以存在于石榴子石中的六配位点,对于含Sn的石榴子石,U可以直接替代Sn元素。

含U矿物包裹体的存在会影响石榴子石定年结果的准确性(Lima et al.,2012),因此根据背散射照片选择不含包裹体的石榴子石颗粒来避免式(2)替换机制的发生。新田岭石榴子石中,U与ΣREE无明显相关性[图7(e)],且并未发现U与HREE的正相关性[图7(f)],表明石榴子石的替换机制与式(4)机制相关性很弱。由于表面吸附作用通常导致U与LREE和HREE均呈正相关(Smith et al.,2004),因此也可以排除式(1)机制的影响。而石榴子石中U与LREE有正相关性[图7(g)],且U与Al2O3+Fe2O3呈正相关[图7(c)],这暗示新田岭石榴子石中主要发生了式(3)机制的替代作用,U元素通过替代Ca2+进入矿物晶格中。新田岭矿床石榴子石中Sn含量很低(表2),因此可以排除式(5)机制。综上所述,新田岭石榴子石中U元素主要通过式(5)的方式进入矿物晶格中。

5.2 新田岭矿床成矿时代

前人证实了热液矿床中石榴子石U-Pb同位素体系的可靠性(Deng et al.,2017Gevedon et al.,2018),因此可以应用U-Pb年龄来限定石榴子石的生长年代,由此推断接触交代作用发生的时间。石榴子石样品中的U元素主要通过类质同象替代机制进入矿物晶格,因此U-Pb定年结果可以很好地指示石榴子石的形成时间。选择与主成矿期白钨矿共生的Grt2[图4(i),4(j)]进行石榴子石定年,因此石榴子石的年龄也可用来反映白钨矿的形成时间,从而指示新田岭矿床的矿化时代。

本次试验利用LA-ICP-MS原位测试获得石榴子石的U-Pb协和年龄为(159.5±3.0)Ma(图9),说明绝大多数钨矿化发生在该年代。试验定年结果与袁顺达等(2012)通过辉钼矿Re-Os法测得的年龄[(159.1±2.6)Ma]在误差范围内基本吻合。前人通过对与成矿相关的石英开展流体包裹体Rb-Sr定年、云母Ar-Ar定年和辉钼矿Re-Os定年,将新田岭成矿年龄限定为161.7~157.1 Ma(毛景文等,2004蔡明海等,2008袁顺达等,2012),本文定年结果与之基本相符。这一年龄与骑田岭细粒斑状黑云母花岗岩的侵入年龄(164~157 Ma)基本一致(朱金初等,2009刘勇等,2011冯佳伟,2020),表明新田岭钨成矿作用与同期花岗岩具有密切的成因联系。

5.3 石榴子石微量元素对成矿过程的启示

石榴子石的微量元素组成受成矿流体物理化学条件的影响,是示踪成矿流体来源和记录流体变化的良好载体(Yang et al.,2013)。前人研究表明,还原环境中形成的富铝石榴子石通常具有LREE亏损和HREE富集的稀土模式;而氧化条件下形成的富铁石榴子石通常具有LREE富集和HREE亏损的稀土模式,ΣREE较低(Gaspar et al.,2008Fan et al.,2019)。受晶格半径的影响(rCa2+=1.12Å,rEu3+=1.066Å,rEu2+=1.25Å),Eu3+比Eu2+更容易替换Ca2+进入石榴子石晶格(Gaspar et al.,2008Yang et al.,2013),因此变价元素Eu可以反映成矿热液的氧化还原条件,还原环境中形成的石榴子石多存在微弱的Eu正或负异常,氧化环境中形成的石榴子石多数存在明显的Eu正异常(van Westrenen et al.,2000Gaspar et al.,2008)。石榴子石中的稀土分馏不仅受氧化还原条件影响,还受压力和温度等因素的影响,其中压力对石榴子石中的稀土元素分馏影响较小,而温度不仅影响稀土元素分馏,还影响石榴子石的稀土元素整体成分(Moretti et al.,1998),温度对Eu元素价态的影响明显大于pH值和压力,高温条件下(250 ℃以上)Eu倾向以Eu2+的形式存在并与Cl-形成络合物(EuCl42-)存在于热液中(Bau,1991Gaspar et al.,2008Zhai et al.,2014)。

前人研究表明,石榴子石中Mn含量与流体的温度呈负相关,而与流体压力呈正相关(Carswell et al.,2000Yang et al.,2013)。研究发现,Grt2中的Mn含量明显低于Grt1和Grt3[图6(d)],表明成矿流体经历了温度先升高后下降而压力先降低后上升的变化过程,这与前人对流体包裹体显微测温的结果基本一致(双燕等,2016)。前人研究表明,pH值对Eu化合价的影响高于氧逸度(Haas,1995),弱酸性流体通常具有LREE富集和HREE亏损的稀土模式,Eu正异常(Bau,1991Tian et al.,2019),而接近中性的流体稀土模式呈LREE亏损、HREE富集,Eu负异常或无Eu异常(Zhang et al.,2017)。Grt1富钙铝榴石组分(图5)表明Grt1形成于低氧逸度环境,其稀土配分曲线[图8(a)]也与还原环境中常见的LREE亏损、HREE富集特征相一致(Gaspar et al.,2008Zhai et al.,2014),Grt1阶段温度相对较低,因此中性流体和还原环境是导致Grt1的稀土标准化曲线有明显Eu负异常的原因[图8(a)]。Grt2-1的稀土配分曲线呈LREE亏损、HREE富集,因此该阶段pH值未发生明显变化,而Grt2-1中钙铁榴石组分较Grt1升高(图5),表明该阶段较前一阶段氧逸度升高,而该阶段温度相对较高,因此氧逸度的升高是导致Grt2-1稀土配分曲线中Eu负异常程度减小的原因[图8(b)]。Grt2-2的稀土配分模式呈LREE、HREE亏损,MREE富集特征[图8(b)],Eu正异常,表明Grt2-2可能是从弱酸性流体中结晶出来的。Grt2-2富钙铁榴石组分(图5),表明该阶段氧逸度相对较高,且该阶段温度相对较高,因此pH值降低和氧逸度升高是Grt2-2中Eu正异常产生的原因。相对于Grt1和Grt2,Grt3的MnO含量增多,倾向于向锰铝榴石和锰榴石端元分布(图5),且Grt3的稀土配分曲线为LREE亏损、HREE富集[图8(c)],这些元素变化的信息指示流体为接近中性且氧逸度相对较低的条件,而Eu负异常程度很弱可能受到温度降低的影响。

W6+rW6+=0.68Å)与Fe3+rFe3+=0.645Å)和Al3+rAl3+=0.535Å)半径相近,因此W可以替换Fe和Al的位置进入石榴子石中的六配位点(Shannon,1976Fei et al.,2019)。前人研究表明,pH值降低时钨在流体中的溶解度升高(Wood et al.,2000)。进变质阶段仅观察到少量小颗粒的白钨矿,该阶段绝大多数W元素赋存于流体中,因此Grt1中有较高的W含量[图7(h)],早期退变质阶段石榴子石与大量白钨矿共生[图3(b)],白钨矿的沉淀导致流体中W含量减少,因此Grt2中W含量较低[图7(h)];Grt2-2阶段弱酸性条件下部分白钨矿溶解,导致流体中W含量增加,因此Grt3中W含量总体较低,但比前一阶段略有上升[图7(h)]。石榴子石中W含量的变化表明早期白钨矿形成后可能在晚期退变质阶段经历了溶解—再沉淀的过程,这与CL照片中观察到晚期白钨矿对早期形成的白钨矿的交代现象基本一致[图4(k)]。

综上所述,新田岭矿床的成矿过程可能经历了复杂的过程,其成矿过程中的物理化学条件经历了较复杂的演化过程,主要表现在:从进变质阶段到退变质阶段,由相对较低氧逸度、低温高压中性的条件变为相对较高氧逸度、高温低压弱酸性的条件,至硫化物阶段转变为相对较低氧逸度、低温高压中性的条件,白钨矿主要形成于退变质阶段,并在退变质阶段晚期经历了溶解—再沉淀的过程。

6 结论

(1)新田岭矿床石榴子石可划分为3个世代:进变质阶段至早退变质阶段的核部暗色石榴子石Grt1,退变质阶段的震荡环带石榴子石Grt2和晚退变质阶段至硫化物阶段的亮色石榴子石Grt3。

(2)通过对新田岭矿床中与白钨矿共生的石榴子石进行原位U-Pb定年,得到新田岭钨矿的成矿年龄为(159.5±3.0)Ma,与前人通过辉钼矿Re-Os法测得的结果[(159.1±2.6)Ma]相一致,且与骑田岭细粒斑状黑云母花岗岩的侵入年龄(164~157 Ma)一致,表明新田岭钨成矿与该期花岗岩相关。

(3)通过对新田岭白钨矿中的石榴子石进行元素地球化学分析,发现其成矿流体从早期到晚期经历了多阶段演化,成矿过程中的氧逸度和温度先升高后降低,压力和pH值先降低后升高,流体pH值的变化可能导致了白钨矿的溶解—再沉淀的过程。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2023/1005-2518/1005-2518-2023-31-2-232.shtml

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