Petrology and geochemistry of granite in the Pangushan tungsten deposit, south Jiangxi Province
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摘要:
著名的盘古山大型钨矿与深部隐伏花岗岩体具有密切成因关系，但因该岩体隐伏深，相关研究资料较为欠缺，很大程度上影响了对矿床岩浆-热液-成矿作用的深入认识。南岭科学钻探（SP-NLSD-2）揭露该岩体后，本文对其开展了岩石学和元素地球化学研究。结果表明，该岩体具有超酸性、富碱、贫钠富钾等特征，属于准铝-过铝质高钾钙碱性花岗岩。形成该岩体的花岗岩浆为高度分异演化的残浆，W、Bi等元素含量明显高于南岭燕山期花岗岩，为盘古山钨铋矿床的形成提供了丰富的矿质。岩浆演化至云英岩化阶段时，岩浆中的Mo、Bi、Cu、Pb及REE含量增加，而W、Sn含量则因已转移到岩浆期后热液而降低。岩体形成于板内伸展环境。
Abstract:Pangushan granite is genetically related to the well-known Pangushan large-sized tungsten deposit. However, due to great depth, its petrologic and geochemical data had been lacking until it was discovered by the Nanling Scientific Drilling Project (SP-NLSD-2) recently. In this paper, the petrologic and geochemical study conducted by the authors is reported. The granite is found to be ultra-acidic, alkali-rich, Na-poor, K-rich, meta-to weak-peraluminous and K-high calc-alkaline. Its corresponding granitic magma is highly evolved and W and Bi values are significantly higher than their average values in Yanshanian granite in Nanling region, indicating that they were the major ore-forming material source. When the granitic magma was evolved to the greisenization stage, Mo, Bi, Cu, Pb and REE were enriched, while W and Sn were depleted because of their migration into the hydrothermal solution. The intrusion of the Pangushan granite happened during intraplate extension.
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Keywords:
- geochemistry /
- granite /
- tungsten deposit /
- Nanling Scientific Drilling /
- Pangushan
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盘古山钨矿床位于赣南腹地，是赣南四大名山钨矿(西华山、岿美山、盘古山和大吉山钨矿)之一，以规模大、品位高、矿脉厚、纵向延伸长(≥1300 m)、矿化稳定、矿物成分复杂等特点著称。自1918 年被发现以来，不少学者相继从矿床地质特征[1]、控矿构造[2]、流体包裹体[3-4]、矿物组合分带[5]、围岩蚀变[6]、成岩成矿年代学[7-8]、稳定同位素[9]、深部成矿预测[10]等方面开展研究并取得了丰硕成果。但由于与该矿床具有密切成因关系的花岗岩体隐伏很深，有关该岩体的研究资料较为欠缺，这很大程度上影响了对矿床岩浆-热液-成矿作用的深入认识。SPNLSD-2是中国深部探测技术与实验研究专项[11-12]在南岭地区部署的第二口科学钻孔，于2012 年2 月在赣南盘古山钨矿床东南部开钻，2012 年12 月终孔，进尺2006 m。SP-NLSD-2 揭露盘古山隐伏岩体后，本文在详细的钻孔编录和室内矿物鉴定基础上，对其开展了岩石学和元素地球化学研究，以期揭示该矿区岩浆-热液的演变规律和岩浆活动的动力学背景。
1. 矿床地质特征
盘古山钨矿床处于南岭EW向构造-成矿带与武夷山NNE向构造-成矿带的交接部位(图 1)。矿区地层主要有震旦系(Z)、上泥盆统(D3)和下石炭统(C1)，在震旦系中发育一系列紧密线状褶皱，轴向近南北，地层倾角55°~70°；泥盆系和石炭系形成平缓开阔的褶皱，轴向北西，地层倾角一般25°~50°。矿区断裂发育，有NEE 向、NNW向、NWW向、近EW向和NW向等，长者达8 km以上，短者不足200 m，多数断层具有左行平移性质。矿床中有花岗岩体、闪长玢岩脉和玄武玢岩脉3 类岩浆岩侵入，发育石英脉型钨矿、云英岩型钼矿和破碎带型Pb-Zn-W矿3 种类型矿体。其中，石英脉型钨矿规模最大，形成南、中、北3 组矿脉带，3 组矿脉带均自NNE 向SSW方向侧伏，南组最陡，中组次之，北组最缓，自上而下、自北向南、自西向东呈收敛之势，形似帚状；云英岩型钼矿以含粗晶辉钼矿的石英脉形式产于岩体顶部的云英岩化花岗岩带中；破碎带型Pb-Zn-W矿产于震旦系的破碎带中，以发育粗晶白钨矿、方铅矿、闪锌矿、磁黄铁矿、黄铁矿等中低温金属矿物为特征。
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图 1 盘古山钨矿床地质图(a)❶及SP-NLSD-2 钻孔柱状图(b)1—上泥盆统砂岩; 2—震旦系浅变质砂岩; 3—燕山早期花岗岩; 4—正断层; 5—平移断层; 6—矿化石英脉; 7—破碎带型Pb-Zn-W矿; 8—长石石英砂岩; 9—浅变质砂岩; 10—钾长花岗岩Figure 1. Geological map of the Pangushan tungsten deposit (a) and profile of Drilling SP-NLSD-2(b)1-Upper Devonian sandstone; 2-Sinian epi-metamorphic sandstone; 3-Early Yanshanian granitoid; 4-Normal fault; 5-Transcurrent fault; 6-Mineralized quartz vein; 7-Fractured zone type Pb-Zn-Worebody; 8-Feldspathic quartz sandstone; 9-Epi-metamorphic sandstone; 10-K-feldspar granite❶江西盘古山钨业有限公司. 江西省于都县盘古山钨矿资源潜力调查报告[R]. 2005.
盘古山花岗岩体呈穹隆状隐伏于震旦系之下，早期钻探工程和近期SP-NLSD-2 科学钻孔分别在矿区中西部和矿区东南部揭露岩体（图 2-a~f），揭露标高分别为-115 m和-341 m，表明岩体中西部侵位高于东南部。岩体的新鲜岩石见于孔深1874~1925 m，呈灰白色，中细粒结构，块状构造，矿物组成主要为长石(50%~55%)、石英(40%~45%)和少量云母(1%~3%)，长石以钾长石为主，占长石总量70%~80%，斜长石仅20%~30%，钾长石又以微斜长石和正长石居多，少量条纹长石和透长石（图 2-e、f），按邱家骧[13]对酸性侵入岩的种属划分方案，将其定为钾长花岗岩。其中的微斜长石为他形粒状或板状，负低凸起，两组完全节理，格子状双晶明显；正长石呈不规则状，常见卡斯巴双晶；条纹长石一般呈条状或板状，发育明显的条纹结构；透长石呈自形板状或柱状，表面较清洁干净；斜长石呈自形板状晶体，聚片双晶发育；石英呈他形粒状与长石镶嵌在一起，有的呈蠕虫状分布于长石中；黑云母呈叶片状，发育一组完全节理。由于岩浆期后热液自变质作用，岩体发生明显的钾长石化和云英岩化，仅局部见到较新鲜岩石。
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图 2 盘古山花岗岩体的云英岩化花岗岩(a、b)、钾长石化花岗岩(c、d)和新鲜钾长花岗岩(e、f)Pl—斜长石; Kfs—钾长石; Mi—微斜长石; Ms—白云母; Qtz—石英; Or—正长石; Sa—透长石Figure 2. Greisenized granite (a,b),potash feldspathized granite (c,d) and fresh K-feldspar granite (e,f) of Pangushan granitic plutonPl-Plagioclase; Kfs-Potash feldspar; Mi-Microcline; Ms-Muscovite; Qtz-Quartz; Or-Orthoclase; Sa-Sanidine钾长石化见于孔深1325~1873 m及1926~2006m，最显著的特征是岩石呈肉红色，钾长石由斜长石边部向内部交代，或沿斜长石的聚片双晶纹进行交代(图 2-c、d)，导致原生斜长石晶形残缺或聚片双晶模糊不清甚至消失，部分被交代较严重的斜长石只能隐约看到聚片双晶的假象；钾长石交代钾长石的现象也偶能见到，但不易识别，一般被交代部分和原生部分常具有不同消光位；石英化学性质比较稳定，被钾长石交代的现象较少见，当岩石中长石含量较少，石英含量较多时，偶尔见到钾长石沿石英颗粒间的空隙进行充填。
云英岩化主要发育在岩体顶部，孔深1288~1324m处，岩石呈灰白色(图 2-a、b)，细粒结构，块状构造，成分主要为石英(50%~60%)、长石(30%~35%)和白云母(5%~7%)。石英有过半为蚀变产物，呈蠕虫状交代长石和早期石英；长石主要有正长石、微斜长石、斜长石等，因云英岩化强烈而面目全非，只保留长石假象(图 2-b)，斜长石含量较钾长花岗岩明显减少，约占长石总量的10%~15%；白云母呈细粒片状散布在长石中，多是云英岩化的产物。云英岩化花岗岩与钾长花岗岩之间没有明显界限，呈渐变过渡关系，反映了花岗岩浆的渐变演化特征。
2. 样品采集及测试方法
用于主微量元素分析的样品共7 件，其中NLSD2-1287、NLSD2-1293、NLSD2-1321 为云英岩化花岗岩，NLSD2-1348、NLSD2-1522 为明显钾长石化花岗岩，NLSD2-1880、NLSD2-1882 为新鲜的钾长花岗岩，样品编号的后4 位数字为SPNLSD-2的采样孔深。
全岩主量、微量和稀土元素测试分析在中国地质科学院国家地质实验测试中心完成。测试过程中3 个标准样品GSR1、GSR2 和GSR3 一同被测试，用于控制实验分析误差和精度。主量元素利用X荧光光谱仪(PW4400)测试，烧失量(LOI)通过对样品加热至1000℃后1 h 称量其重量变化获得，FeO采用容量滴定法测定。微量元素和稀土元素采用等离子体质谱仪(ICP-MS)来测定。主量元素检测限＜0.01%(TiO2 和MnO＜0.001%)，分析结果精度＜10%。微量、稀土元素检测限为1×10-6~0.05×10-6，分析结果精度2%~10%。盘古山花岗岩体的主微量分析结果列于表 1和表 2。
表 1 盘古山花岗岩体主量元素分析结果(%)Table 1. Major chemical composition (%) of Pangushan granite
表 2 盘古山花岗岩体微量元素和稀土元素分析结果(10-6)Table 2. Trace element and REE content (10-6) of Pangushan granite
3. 分析与讨论
3.1 主量元素特征
新鲜样品NLSD2-1880 和NLSD2-1882 的测试结果（表 1）显示，盘古山花岗岩体的新鲜钾长花岗岩SiO2较高，为75.56%~76.14%，平均75.85%，属于超酸性岩；Al2O3为12.8%~12.95%，平均12.88%；全碱含量Na2O+K2O为7.98%~8.03%，平均8.01%，反映岩体的富碱特征；K2O/Na2O 介于1.3~1.31，平均1.31，反映岩体相对贫钠富钾的特点。在TAS图解中，两件样品均落于花岗岩区域(图 3-a)；里特曼指数(σ )为1.95~1.96，在岩石系列分类图解中显示为高钾钙碱性岩(图 3-b)；铝饱和指数A/CNK为1.02，属准铝-过铝质花岗岩(图 3-c)。
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图 3 盘古山钾长花岗岩的SiO2-(Na2O+K2O)、SiO2-K2O和A/CNK-A/NK图解Figure 3. SiO2-(Na2O+K2O),SiO2-K2O and A/CNK-A/NK diagrams of Pangushan granite与钨、锡、铍、铌、钽有关的花岗岩浆成矿作用过程中，交代蚀变在时间上的演变过程为钾质交代阶段→钾-钠质交代阶段→钠质交代阶段→云英岩化阶段，花岗岩体自下而上形成钾化带→钠化带→云英岩化带”[14]。表 1 和图 4 显示，盘古山花岗岩体由深至浅，由新鲜钾长花岗岩→钾长石化花岗岩→云英岩化花岗岩，SiO2呈跳跃式波动，未显示明显的变化趋势(图 4-a)，说明云英岩化作用虽然导致岩石的石英含量增多，但硅质含量并没有明显增加，可能只是重新分配于不同的矿物相中，也表明岩石SiO2含量不能光靠石英的多寡判断；Al2O3含量总体降低(图 4-b)，是长石和云母陆续结晶的结果；碱质含量(Na2O+K2O)总体升高(图 4-c)，反映岩浆-热液向富碱方向演化的特征，这可能是由于钙质斜长石结晶早于碱质斜长石和钾长石，导致残浆逐渐富碱；K2O/Na2O呈鲜明的降低趋势(图 4-d)，反映了岩浆向相对富钾而贫钠方向演化的特征，主要是由于斜长石结晶早于钾长石，残浆中的钠质较早被带出；H2O+和烧失量LOI 总体升高(图 4-e、f)，反映云英岩化阶段岩浆-热液的富挥发分特征；Fe2O3、FeO 、CaO、MgO、MnO、P2O5和TiO2的含量总体上均有所降低(表 1)，与斜长石、磷灰石、钛铁矿等矿物的结晶有关。可见，在花岗岩浆演化过程中，从正岩浆阶段至云英岩化阶段，花岗岩浆-热液是向钾质和挥发分增加，铝、钠、钙、镁、锰和磷减少的方向演化的。
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图 4 盘古山花岗岩体的化学成分变化趋势(除图d 的数值为比值外，其余为%)Figure 4. Variation tendency of chemical composition of Pangushan granite(The value on Fig.4d is ratio, and the unit of the value in the rest figures is percentage)岩体的氧化系数明显较低，为0.15~0.4(表 1)，反映了花岗岩结晶时化学氧化势不高，是在深度较大、相对较封闭的条件下形成的。
3.2 微量与稀土元素特征
盘古山花岗岩体的新鲜样品NLSD2-1880 和NLSD2-1882 富集Rb、Th、U、K、Ta 等高度不相容元素，而亏损高度相容元素Ti 及中等相容性元素Sr、P(图 5-a)，Rb/Sr 值较高(9.76~12.75)，Sr/Ba 值较低(0.59~0.77)(表 2)，表明形成该岩体的花岗岩浆为高度分异演化的残浆。其中的钨元素含量为8. 67×10-6~82×10-6，明显高于南岭燕山期花岗岩的平均含量2.42×10-6[15]，其Bi 平均含量高达5.35×10-6~7.7×10-6(表 2)，也是很多花岗岩体少见的，为该钨铋多金属矿床提供了丰富的矿质来源。
盘古山花岗岩体稀土元素球粒陨石标准化分布型式呈平缓的海鸥型(图 5-b)，Eu 负异常较显著(δ Eu=0.17~0.50)，Ce 异常则不明显(δ Ce=0.94~1.03)。显著的Eu 负异常主要是斜长石分离结晶的结果，反映了岩浆较高程度的分异演化。
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由深至浅，由新鲜钾长花岗岩→钾长石化花岗岩→云英岩化花岗岩，W和Sn 含量趋于降低，Mo、Bi、Cu、Pb 含量则总体升高(图 6)，尤其在云英岩化花岗岩含量较高，这可能与元素在岩浆-热液演化过程中的沉淀先后有关。这些元素在岩浆演化过程中趋于富集在岩浆期后热液中，但Mo、Bi、Cu 和Pb 较早地沉淀和结晶在云英岩化带及矿脉的底部，W和Sn 继续残留在热液中运移至矿脉的中上部成矿，这也一定程度上解释了钨多金属矿床常见的逆向分带特征。稀土总量（ΣREE）由82.5 × 10-6→112.6×10-6→131.7×10-6，呈逐渐增加趋势。可见，从正岩浆阶段至云英岩化阶段，岩浆的Mo、Bi、Cu、Pb及REE含量增加，而W、Sn 则因转移到热液中而在岩浆中的含量降低。
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图 6 盘古山花岗岩体的矿化元素含量变化趋势(图中数值以10-6为单位)Figure 6. Variation tendency of metallogenic element content of Pangushan granite (unit of the value is 10-6)3.3 成岩构造环境
不同构造环境中的物质组成、物理化学条件及化学动力作用存在差异，因此不同构造环境形成的岩石具有不同的化学成分和微量元素组成特征。本文用新鲜的钾长花岗岩数据投图发现，在SiO2-Al2O3和SiO2-TFe2O3/(TFe2O3+MgO)图解(图 7-a、b)中，盘古山花岗岩体的新鲜样品主要落在POG(后造山花岗岩)区域，在SiO2-lg[CaO/(K2O+Na2O)]图解(图 7-c)中位于挤压型与伸展型重叠区域，但明显偏向伸展型一方而即将跳出挤压型区域，在（Yb+Ta）-Rb、（Y+Nb）-Rb、Yb-Ta、Y-Nb 图解(图 8)主要落在WPG(板内花岗岩)区域内或附近。
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IAG—岛弧花岗岩; RRG—与裂谷有关的花岗岩; CAG—大陆弧花岗岩类; CEUG—大陆的造陆抬升花岗岩类; CCG—大陆碰撞花岗岩类; POG—后造山花岗岩类Figure 7. Diagenetic setting diagram of Pangushan granite according to its major chemical composition (Fig. 7-a and Fig. 7-b after reference [17],and Fig. 7-c after reference [18])IAG-Island arc granitoids; RRG-Rift-type granitoids; CAG-Continental arc granitoids; CEUG-Continental epeirogenic uplift granite; CCG-Continental collision granite; POG-Post-orogenic granitoid![]()
图 8 盘古山花岗岩体的微量元素含量构造环境判别图解(底图据[19])VAG—火山弧花岗岩; WPG—板内花岗岩; syn-COLG—同碰撞花岗岩; ORG—洋中脊花岗岩; A-ORG—异常洋中脊花岗岩Figure 8. Diagenetic setting diagram of Pangushan granite according to its trace element values (after reference [19])VAG-Volcanic arc granite; WPG-Intraplate granite; syn-COLG-Syn-collisional granite; ORG-Mid-ocean ridge granite; A-ORG-Abnormal mid-ocean ridge granite对于南岭地区燕山早期的大地构造环境，不少学者进行了研究、概括和总结。陈培荣等[20]指出，该区双峰式火山-侵入杂岩和A 型花岗岩类及其有关的碱性杂岩是软流圈上升、岩石圈减薄、大陆地壳开始拉张裂陷的最直接证据，南岭地区燕山早期应是一种后造山的大陆裂解的地球动力学背景，所谓后造山是指发生在造山的威尔逊旋回结束以后的构造-岩浆过程，完全是一种板内的地球动力学行为。Sun et al.[21]通过南岭东段中生代强过铝花岗岩的研究认为，燕山早期的南岭地区处于由古太平洋构造域制约的弧后伸展环境。华仁民[22]指出，南岭地区从燕山期进入后造山地球动力学环境，170~140 Ma期间南岭地区岩石圈全面拉张-减薄，地幔上涌-玄武质岩浆底侵引发大规模的地壳熔融，导致大范围陆壳重熔型花岗岩的生成及侵位，并在160 Ma前后形成高潮。柏道远等[23]认为，湘东南及湘粤赣边区中侏罗世早期—晚侏罗世为后造山阶段，主要形成大量后造山花岗岩以及与花岗岩相关的大量有色金属矿床。毛景文等[24]基于近些年的高精度成岩成矿测年资料和地球动力学研究进展，提出南岭地区165~150 Ma相应的构造背景是古太平洋板块向大陆俯冲，在大陆边缘弧后地区出现一系列NE 向壳慢相互作用强烈的伸展带,这些伸展带与东西向古断裂的交汇部位是岩装活动和成矿作用中心区，Mao et al.[25-26]进一步论述了这一观点。Feng et al.[27]综合赣南地区钨多金属矿床的成岩成矿年代学数据，认为该区大规模的岩浆和成矿作用发生在板内岩石圈伸展的构造环境。陈毓川和王登红[28]指出，华南地区中生代的岩浆和成矿作用均形成于陆块内的大地构造环境，具有诸多共性。可见，尽管各学者对燕山早期构造-岩浆活动机制尚存在异议，但板内伸展环境基本达成共识。
盘古山花岗岩体形成于161.7 Ma[8]，综合构造环境判别图解及前人的动力学研究成果，笔者认为该岩体形成于板内伸展环境。
4. 结论
（1） 盘古山隐伏岩体的新鲜钾长花岗岩具有超酸性、富碱、贫钠富钾等特征，属于高钾钙碱性系列，为准铝-过铝质花岗岩。
（2）形成该岩体的花岗岩浆为高度分异演化的残浆，W、Bi 等元素含量明显高于南岭燕山期花岗岩，为盘古山钨铋矿床的形成提供了丰富的矿质。岩浆演化至云英岩化阶段时，岩浆中的Mo、Bi、Cu、Pb 及REE含量增加，而W、Sn 含量则因已转移到热液而降低。
（3）盘古山花岗岩体形成于板内伸展构造环境。
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图 1 盘古山钨矿床地质图(a)❶及SP-NLSD-2 钻孔柱状图(b)
1—上泥盆统砂岩; 2—震旦系浅变质砂岩; 3—燕山早期花岗岩; 4—正断层; 5—平移断层; 6—矿化石英脉; 7—破碎带型Pb-Zn-W矿; 8—长石石英砂岩; 9—浅变质砂岩; 10—钾长花岗岩
Figure 1. Geological map of the Pangushan tungsten deposit (a) and profile of Drilling SP-NLSD-2(b)
1-Upper Devonian sandstone; 2-Sinian epi-metamorphic sandstone; 3-Early Yanshanian granitoid; 4-Normal fault; 5-Transcurrent fault; 6-Mineralized quartz vein; 7-Fractured zone type Pb-Zn-Worebody; 8-Feldspathic quartz sandstone; 9-Epi-metamorphic sandstone; 10-K-feldspar granite
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图 2 盘古山花岗岩体的云英岩化花岗岩(a、b)、钾长石化花岗岩(c、d)和新鲜钾长花岗岩(e、f)
Pl—斜长石; Kfs—钾长石; Mi—微斜长石; Ms—白云母; Qtz—石英; Or—正长石; Sa—透长石
Figure 2. Greisenized granite (a,b),potash feldspathized granite (c,d) and fresh K-feldspar granite (e,f) of Pangushan granitic pluton
Pl-Plagioclase; Kfs-Potash feldspar; Mi-Microcline; Ms-Muscovite; Qtz-Quartz; Or-Orthoclase; Sa-Sanidine
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图 3 盘古山钾长花岗岩的SiO2-(Na2O+K2O)、SiO2-K2O和A/CNK-A/NK图解
Figure 3. SiO2-(Na2O+K2O),SiO2-K2O and A/CNK-A/NK diagrams of Pangushan granite
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图 4 盘古山花岗岩体的化学成分变化趋势
(除图d 的数值为比值外，其余为%)
Figure 4. Variation tendency of chemical composition of Pangushan granite
(The value on Fig.4d is ratio, and the unit of the value in the rest figures is percentage)
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图 6 盘古山花岗岩体的矿化元素含量变化趋势(图中数值以10-6为单位)
Figure 6. Variation tendency of metallogenic element content of Pangushan granite (unit of the value is 10-6)
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图 7 盘古山花岗岩体的主要化学成分构造环境判别图解(a和b底图据[17]，c底图据[18])
IAG—岛弧花岗岩; RRG—与裂谷有关的花岗岩; CAG—大陆弧花岗岩类; CEUG—大陆的造陆抬升花岗岩类; CCG—大陆碰撞花岗岩类; POG—后造山花岗岩类
Figure 7. Diagenetic setting diagram of Pangushan granite according to its major chemical composition (Fig. 7-a and Fig. 7-b after reference [17],and Fig. 7-c after reference [18])
IAG-Island arc granitoids; RRG-Rift-type granitoids; CAG-Continental arc granitoids; CEUG-Continental epeirogenic uplift granite; CCG-Continental collision granite; POG-Post-orogenic granitoid
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图 8 盘古山花岗岩体的微量元素含量构造环境判别图解(底图据[19])
VAG—火山弧花岗岩; WPG—板内花岗岩; syn-COLG—同碰撞花岗岩; ORG—洋中脊花岗岩; A-ORG—异常洋中脊花岗岩
Figure 8. Diagenetic setting diagram of Pangushan granite according to its trace element values (after reference [19])
VAG-Volcanic arc granite; WPG-Intraplate granite; syn-COLG-Syn-collisional granite; ORG-Mid-ocean ridge granite; A-ORG-Abnormal mid-ocean ridge granite
表 2 盘古山花岗岩体微量元素和稀土元素分析结果(10-6)
Table 2 Trace element and REE content (10-6) of Pangushan granite
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