江西宜黃縣店前花崗巖型高純石英礦獨居石U-Pb同位素年齡及其地質意義

張思遠, 張 勇, 潘家永, 張笑天, 唐春花, 周 渝,袁 晶, 錢正江, 劉小龍, 龐 薇

(1.東華理工大學 核資源與環境國家重點實驗室,江西 南昌 330013; 2.江西省地質調查勘查院基礎地質調查所,江西 南昌 330030;3.江西有色地質礦產勘查開發院,江西 南昌 330030)

高純石英廣泛應用于光纖、光伏、航天航空等領域,是新一代信息產業、新能源、高端制造等戰略產業的關鍵基礎材料。高純石英最初以雜質元素總量為判別標準,目前國際公認標準是美國矽比科公司的IOTA-CG標準,該標準規定高純石英砂是12種雜質元素(Al, K, Na, Li, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni, B)的總含量應小于 20×10-6,其中堿金屬(K, Na, Li)含量均小于1×10-6的高技術產品。在此基礎上,我國將高純石英按SiO2的純度分為三個等級:SiO2含量高于99.9%為低端高純石英,被稱為3N級;SiO2含量高于99.99%為中端高純石英,被稱為4N級;SiO2含量高于99.998%為高端高純石英,被稱為4N8級。目前我國 4N級以上的中-高端高純石英完全依賴進口(顧真安等, 2019),特別是高端高純石英(4N8)完全被美國公司壟斷。

我國是全球石英儲量最豐富的國家之一,已成功開采利用石英礦的區域有江蘇東海、安徽鳳陽、湖北紅安、江西修水、內蒙古烏海等地(趙海波等, 2023),這些石英礦儲量大、品位高、易開采,但大多數石英礦用于生產低檔的石英制品。此外,偉晶巖大部分演化程度較高,鋯石U-Pb同位素定年在厘定其形成年代方面存在局限性,而獨居石則可以有效且精確厘定花崗巖和偉晶巖的成巖時代(Zhang et al., 2022)。東秦嶺盧氏地區4N5級偉晶巖型高純石英礦床的找礦突破,為我國花崗巖型高純石英找礦勘查提供了新信息(趙海波等, 2023)。近期,江西有色地質礦產勘查開發院在江西省宜黃縣店前發現花崗偉晶巖優質石英,具有提純至4N級別高純石英的潛力,該發現為揭示高純石英礦產勘查提供了新的信息。筆者對該地區花崗巖型高純石英礦點開展巖石地球化學、獨居石U-Pb同位素年齡等方面的研究,初步揭示花崗巖型高純石英成礦地質環境等信息,為該區高純石英地質勘探提供巖石化學和年代學依據。

1 區域地質背景

店前高純石英礦點地處江西省宜黃縣棠陰鎮,大地構造位置處于華夏板塊東南造山帶的武功山隆起、雩山隆起與武夷隆起接合部位(圖1a),區域上主要出露地層(1)徐敏林,吳正昌,程愛美,等,2014. 江西宜黃—棠陰地區礦產遠景調查成果報告[R].分為基底(薊縣系-寒武系)、蓋層(泥盆系-石炭系)及三疊系-第四系(內陸盆地河湖相地層)三個構造層。薊縣系-寒武系為一套以變質砂巖、片巖為主的類復理石建造,間夾透鏡狀大理巖。泥盆系-三疊系以碎屑巖為主,間夾碳酸鹽巖、含煤碎屑巖。白堊系為雜色-紅色湖盆沉積,主要分布于調查區中部宜黃盆地。區域晉寧期和加里東期造山運動使前寒武系普遍遭受了不同程度的變質作用,變質巖主要包括區域變質巖、動力變質巖、混合巖三大類,局部疊加接觸變質巖。

圖1 棠陰地區大地構造位置圖

該區域巖漿活動強烈,按時代主要劃分為五期:奧陶紀、志留紀、三疊紀、侏羅紀、白堊紀,分別對應三個巖漿旋回:加里東期(奧陶紀、志留紀)、印支期(三疊紀)、燕山期(侏羅紀、白堊紀)。區域形成主要巖體有:棠陰(S3)、邱坊(T3)、大王山(J3)和相山(K1)。以志留紀巖漿活動最為強烈,侏羅紀次之,巖石類型以酸性花崗巖為主,少量中酸性巖、基性巖(周賢旭等, 2023)。其中,與成礦關系密切的巖體主要形成于侏羅紀,以中小型巖株為主。白堊紀為火山雜巖體(相山)。

2 礦區地質特征

2.1 店前高純石英礦區概況

店前礦區主要出露南華-震旦紀洪山組和志留紀花崗巖體(圖2)。洪山組下段在該區出露不全,主要巖性為石榴石二云母片巖、二云石英片巖和夾瘤狀黑云斜長片麻巖,洪山組下段上部為石榴石二云片巖與黑云斜長片麻巖互層。洪山組上段主要有矽線石黑云片巖、石榴石二云母片巖、矽線黑云石英片巖夾薄-厚層狀矽線黑云斜長變粒巖、黑云斜長變粒巖,以及矽線石二云母片巖、二云母石英片巖夾黑云斜長變粒巖,局部可見變粒巖和二云母片巖中含鈣質包體,?？梢妭ゾr脈無規律貫入,厚度為867.07～1 463.14 m,與下伏萬源巖組呈構造整合接觸。

圖2 棠陰店前地區礦床地質簡圖

店前礦區花崗偉晶巖帶長約650 m,寬近300 m,帶內規模較大的5條花崗偉晶巖脈分布于花崗巖體內接觸帶,呈脈群聚集分布,由南至北依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ(圖2)?；◢弬ゾr侵入中細粒黑云母二長花崗巖中,呈大脈狀、囊狀,長軸呈NEE走向,長265～650 m,寬6～80 m,總體傾向為NNW,局部傾向為SSE(余泉等, 2023),產狀較陡,一般為65°～85°。鉆孔勘探表明,花崗偉晶巖傾向延伸及規模穩定,ZK702(圖3)鉆孔探明傾向延深121 m處,Ⅱ號花崗偉晶巖厚度為15 m,ZK701鉆孔探明傾向延深75 m處,Ⅲ號花崗偉晶巖厚度為14 m,探明傾向延深56 m處,Ⅳ號花崗偉晶巖厚度為17 m。

圖3 棠陰店前地區鉆孔巖芯圖

2.2 店前高純石英礦體地質特征

本次用于分析測試的花崗巖型高純石英礦石樣品采集自ZK702鉆孔,鉆孔內主要分布白云母花崗偉晶巖脈與黑云母花崗巖(圖4)。鉆孔第一部分為浮土,呈褐黃色-褐紅色,主要以黏土為主,含少量砂粒,大小形態不一。

圖4 棠陰礦區典型礦石巖相學特征

白云母花崗偉晶巖脈呈殼狀或脈狀產出,殼狀主要分布于接觸帶中,脈狀主要分布在斷裂帶中,脈體寬11～16 m,延伸約10 m。巖石呈淺灰-灰白色、乳白色,花崗偉晶結構,塊狀構造。主要礦物成分為:長石,灰白色,它形粒狀,大小為1～4 cm;石英,無色-淺煙灰色,透明,它形粒狀,大小為0.3～1.0 cm;白云母,灰白色,片狀集合體,珍珠光澤,大小為0.3～0.6 cm;電氣石,分布不均,呈柱狀,黑色,大小為0.5～0.8 cm,含量為2%;石榴子石少量,局部可達0.5～1.0 cm,一般大小為2～4 mm。ZK702鉆孔深71.00～71.15 m處石英尤為發育,石英集合體呈不規則狀,大者可達5 cm,含量可達90%;電氣石和石英沿裂隙生長,呈柱狀,直徑為0.5～0.8 cm,長達2～4 cm,含量約為10%。局部發育方解石細脈,脈寬約3 cm,發育小方解石晶洞。

黑云母花崗巖脈,巖石多呈灰白色,局部為灰白-淺灰白色,中細?；◢徑Y構,含少量粗粒的斜長石斑晶,塊狀構造。主要礦物成分為鉀長石、斜長石、石英,其他礦物有黑云母,副礦物有石榴石、磷灰石和鋯石,在與圍巖接觸附近,出現較多的石榴石。鉀長石見高嶺土化,局部還可見弱碎裂巖化黑云母花崗巖脈,灰白色-灰色,中粗?；◢徑Y構,塊狀構造,主要礦物成分為:長石,灰白色,粒徑為2～7 mm;石英,無色透明,粒徑為2～5 mm,含量為22%;黑云母占8%;偶見少量綠泥石、黃鐵礦化現象。

石英單偏光鏡下呈無色透明,顆粒內部有明顯的裂紋發育,正交偏光鏡下呈它形粒狀,以集合體形式產出,可見波狀消光,粒徑總體為0.5～6.0 mm。斜長石單偏光鏡下呈半自形-它形板狀結構,正低突起。白云母單偏光鏡下呈白色,顆粒內部有暗色解理,多色性較弱,正交偏光鏡下近平行消光,多分布于石英與長石之間。黑云母單偏光鏡下呈黑色,吸收性明顯,中正突起,正交偏光鏡下近平行消光。

3 樣品采集和分析方法

3.1 樣品采集

本次研究采取了地表露頭和鉆孔巖芯一共24件樣品,巖性主要有花崗偉晶巖、黑云母花崗巖、黑云母二長花崗巖,選取典型樣品并對其進行分析測試。

3.2 分析測試方法

3.2.1 全巖主微量元素測試

選取典型巖石樣品,送南京聚譜檢測科技有限公司,完成全巖主量和微量元素分析。原地質礦產部巖石類GSR、水系沉積物GSD 標物作為主量元素的質控盲樣;美國地質調查局USGS巖石類標物(玄武巖BHVO-2、BCR-2、安山巖AGV-2、流紋巖RGM-2、花崗閃長巖GSP-2)作為微量元素的質控盲樣。這些地質標物的實測值與德國馬普學會地質與環境標物數據庫 GeoReM 進行對比 (Jochum et al., 2008)。

3.2.2 獨居石U-Pb同位素測試

獨居石U-Pb同位素定年在東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室LA-ICP-MS儀器上完成。實驗過程中每個分析點位大約20 s背景信號和40 s樣品剝蝕信號,對分析數據的離線處理(對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計算)采用軟件ICPMSDataCal 11.0 完成(Liu et al., 2008,2010)。樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡加權平均值計算采用Isoplot/Ex_ver 3完成(Ludwig,2012)。

4 分析測試結果

4.1 主量元素特征

花崗巖與花崗偉晶巖全巖主微量分析結果見表1。黑云母花崗巖富SiO2(68.47%),富K2O(2.87%),富Na2O(4.01%);白云母花崗偉晶巖富SiO2(71.35%),富K2O(7.99%),富Na2O(2.12%),但其TiO2含量比黑云母花崗巖少;黑云母二長花崗巖富SiO2(73.15%～73.95%),K2O含量為3.29%～6.02%,TiO2含量為0.04%～0.12%,黑云母二長花崗巖SiO2含量明顯高于黑云母花崗巖,TiO2含量明顯低于黑云母花崗巖;白云母花崗偉晶巖中K2O中含量很高;弱碎裂巖化黑云母二長花崗巖K2O含量明顯高于普通的黑云母二長花崗巖,TiO2含量稍微小于普通的黑云母二長花崗巖。對花崗巖與花崗偉晶巖體進行SiO2-(Na2O+K2O)圖解(圖5a)、A/CNK-A/NK 圖解(圖5b)投圖,所有樣品位于花崗巖區域,并且A/CNK的比值均大于1,表現過鋁質特性。

表1 棠陰店前花崗巖與偉晶巖主量元素分析測試結果

圖5 棠陰店前花崗巖和偉晶巖體SiO2-(Na2O+K2O)分類圖(a, 底圖據 Middlemost, 1994)及A/CNK-A/NK圖解(b, 底圖據 Maniar等, 1989)

4.2 微量和稀土元素特征

黑云母花崗巖(22DQZ01)的稀土元素ΣREE為144.71×10-6(表2),LREE/HREE值為11.16,LaN/YbN值為17.40,δEu為0.48,表現為輕稀土富集,輕重稀土分異高度明顯(圖6a),銪呈現虧損型。

表2 棠陰店前花崗巖與偉晶巖微量元素分析測試結果

白云母花崗偉晶巖(22DQ01)ΣREE為16.02×10-6,LREE/HREE值為3.58,LaN/YbN值為2.86,δEu為1.28,表現為輕稀土富集,輕重稀土分異明顯(圖6a),銪呈現弱富集型。

黑云母二長花崗巖(22DQZ02、22DQZ03)中∑REE變化范圍不大(12.70×10-6～17.23×10-6),LREE/HREE值為2.98～5.63,平均值為4.31,LaN/YbN值為2.59～6.67,平均值為4.63,δEu為0.55～0.78,平均值為0.67,表現為輕稀土富集,輕重稀土分異明顯(圖6a),銪呈現虧損型。

弱碎裂巖化黑云母二長花崗巖(22DQZ32)ΣREE為8.47×10-6,較一般樣品稀土元素含量明顯偏小。LREE/HREE值為2.15,LaN/YbN值為1.09,δEu為4.49,表現為輕稀土弱富集,輕重稀土分異不明顯(圖6a),銪呈現富集型。

在微量元素原始地幔標準化蛛網圖中(圖6b),花崗巖、花崗偉晶巖都表現出一定的相似性,具有明顯的Rb、U、La、Pb的正異常和Th、K、P、Ti的負異常。

4.3 獨居石U-Pb年齡

黑云母花崗巖樣品(22DQZ01)30個測試點中有效點有13個,多數顆粒飽滿結晶較好,呈現自形-半自形,礦物顆粒大小為50～140 μm,多數獨居石含有微弱的環帶,Pb含量為8 274×10-6～12 217×10-6,Th、U含量分別為193 877×10-6～232 766×10-6和5 145×10-6～23 394×10-6,Th/U值為8.3～45.2,平均值為29.5。

黑云母花崗巖獨居石U-Pb年齡數據見表3,在諧和圖中,樣品22DQZ01的點落在諧和線上或靠近諧和線,206Pb/238U年齡分布在429.8～457.74 Ma,計算得到206Pb/238U加權平均值年齡為(444.97±1.41) Ma(MSWD=2.8,n=13)(圖7a,b)。

表3 棠陰店前花崗巖與偉晶巖LA-ICP-MS獨居石U-Pb定年分析結果

圖7 棠陰礦區花崗巖與偉晶巖獨居石U-Pb諧和圖和加權平均年齡圖

白云母花崗偉晶巖樣品(22DQ01)30個測試點中有效點有22個,獨居石呈透明、淺黃色,為自行-半自行棱柱狀、粒狀,顆粒大小為45～150 μm,背散射圖像里獨居石內部結構相對均勻,部分表面具有熔蝕特征,邊緣出現晶棱圓化、港灣狀結構。Pb含量為18 427×10-6～40 272×10-6,Th、U含量分別為37 963×10-6～262 673×10-6和64 490×10-6～129 284×10-6,Th/U值為0.6～3.0,平均值為2.2。

白云母花崗偉晶巖的獨居石U-Pb年齡數據見表3,在諧和圖中,樣品22DQ01的點落在諧和線上或靠近諧和線,206Pb/238U年齡分布在409.2～422.4 Ma,計算得到206Pb/238U加權平均值年齡為(412.99±0.88) Ma(MSWD=0.74,n=22),形成晚于黑云母花崗巖(圖7c,d)。

5 討論

5.1 花崗偉晶巖成因與構造環境

店前礦區花崗巖和偉晶巖與東秦嶺偉晶巖(趙海波等,2023)對比都表現為過鋁質(圖5),與A型花崗巖的過堿性特性不符合(馬鴻文,1992)。礦區巖石內部未見到基性捕虜體,巖體類型不符合M型花崗巖定義的輝長巖與斜長花崗巖,并且花崗巖與偉晶巖樣品A/CNK均大于1.1,符合S型花崗巖定義要求(Pitcher,1997)。故店前礦區花崗巖屬于S型花崗巖。

對花崗巖同一巖類或同一巖體,隨著時間的推移,巖石演化階段相對增高,DI(分異指數)值增大。隨著DI值的增大,多數巖體從斜長石空間(有時經堿性長石空間)向石英空間演化(張為鸝, 1988)。從超基性巖到酸性巖,DI值由小到大有規律地變化。對于某一原生巖漿演化形成的巖石,DI值越大,表明巖漿分異演化越徹底,酸性程度越高;DI值越小,表明分異程度低,基性程度相對高(邱家驥等, 1993)。店前礦區花崗巖DI值為83.44～96.23(表1),與東秦嶺5號、10號花崗偉晶巖分異指數(DI為96.0～99.2)接近,均表現出高分異演化特性?；◢弬ゾr樣品SiO2含量很高、富堿和 FeOT/MgO值為4.50～7.88,也說明它們經歷了高程度結晶分異。

在花崗巖熔體的巖漿分化過程中,Nb/Ta值將降低,Nb/Ta<5的花崗巖多數與流體作用有關,Nb/Ta值的降低是部分結晶和亞固相體熱液變化的結果(Christophe et al., 2016;陳茂松等, 2020)。店前礦區的花崗巖體Nb/Ta值為3.10～13.89,說明其中有部分花崗巖可能與流體作用有關;相比于正常的花崗巖,弱碎裂巖化花崗巖的Nb/Ta值也明顯降低,也說明了弱碎裂巖化花崗巖內部發生了結晶或者熱液變化。巖石的Mg#是用來判斷幔源組分有沒有參與殼源巖漿成巖的重要指標。當Mg#<40時,只有基性下地殼發生部分熔融,且只有地幔物質參與了成巖,才會造成巖石的Mg#>40。店前礦區的Mg#值均小于40(表1),與東秦嶺5號、10號礦點Mg#(49.81～71.27)相比,店前礦區花崗巖成巖過程中可能沒有幔源巖漿的參與。

通過和東秦嶺礦區對比研究,認為兩者具有相似的成因與地質特征。

5.2 花崗偉晶巖型高純石英成礦時代

店前礦區花崗巖獨居石U-Pb年齡為(444.97±1.41) Ma,歸屬于晚奧陶世,花崗偉晶巖獨居石U-Pb年齡為(412.99±0.88) Ma,歸屬于晚志留世,與東秦嶺5號和10號花崗偉晶巖的成巖時代(420～406 Ma, Zhang et al., 2022; 趙海波等, 2023)和灰池子花崗巖體的成巖時代(462.8～421 Ma)接近(王濤等, 2009;劉丙祥, 2014),并且花崗偉晶巖與花崗巖具有同源演化的關系。店前地區在加里東期經過強烈的變質作用,發生了混合花崗巖化和深成花崗巖的侵入和重熔交代作用,同時發生塑性流變(周先軍等, 2018),并伴隨著巖漿的結晶和不同程度的巖漿流動。這些巖漿富含二氧化硅,為高純石英的形成提供了物質來源。

通過巖石學、礦物學、地球化學的分析,研究區的花崗巖為過鋁質S型花崗巖,歸屬于加里東期(主要為奧陶紀、志留紀)。前人研究表明,江西中、南部加里東期巖漿活動強烈,花崗巖分布廣泛,巖體多侵入于震旦-寒武系之中,少數侵入到中、下奧陶統(江西省地質礦產勘查開發院, 2017)。相關研究表明,花崗偉晶巖型高純石英可能和發生在早古生代后期的構造-巖漿作用有關(張芳榮等, 2010)。在這一時期,店前地區經歷了多期的構造和巖漿活動,為高純石英的形成提供了有利條件。早古生代后期華南地區經歷了陸內弧前緣的構造演化,包括構造的擠壓和伸展等。這些構造活動引發了地殼的變形和破裂,形成了構造裂隙和斷裂帶,為后續的巖漿活動和礦化作用提供了通道和空間。這些巖漿活動主要表現為花崗巖和閃長巖的侵入和結晶。巖漿中的矽酸鹽礦物逐漸結晶形成高純石英,并伴隨著巖漿的結晶和不同程度的巖漿流動,使高純石英在巖石中得以富集。其定年多在400～444 Ma(張芳榮, 2011),這和筆者測得的年代吻合(圖7b,d),也和前文所說巖漿活動一致。

6 結論

(1)店前礦區花崗巖型高純石英巖體均屬于經歷過高程度結晶分異的過鋁質S型花崗巖,源區物質只有下地殼,沒有幔源物質。

(2)店前礦區花崗巖形成于晚奧陶世,獨居石U-Pb年齡為(444.97±1.41) Ma,花崗偉晶巖形成于晚志留世,獨居石U-Pb年齡為(412.99±0.88) Ma,花崗偉晶巖與花崗巖具有同源演化的關系?；◢弬ゾr型高純石英的形成可能與早古生代后期的構造-巖漿作用有關。