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        冀東高家店和蛇盤兔花崗巖體:年代學(xué)、地球化學(xué)及地質(zhì)意義

        2018-03-29 07:29:12尹業(yè)長郝立波趙玉巖石厚禮張豫華陸繼龍

        尹業(yè)長,郝立波,趙玉巖,石厚禮,田 午,張豫華,陸繼龍

        1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130026 2.山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 泰安 271021 3.云南省有色地質(zhì)局地質(zhì)地球物理化學(xué)勘查院,昆明 650216

        0 引言

        冀東地區(qū)在大地構(gòu)造上屬華北地臺北緣東段,經(jīng)歷了相當(dāng)復(fù)雜的地質(zhì)演化過程, 是我國最古老的地體之一,地殼演化程度較高,構(gòu)造活動強烈,主要構(gòu)造帶的展布有EW向、NE向弧形帶和NNE向構(gòu)造帶等[1]。多種構(gòu)造的相互作用在冀東形成了隆起帶和沉降帶相間排列的格局。隆起帶主要出露太古代、元古代、古生代地層,沉降帶主要為中生代地層。隆起帶巖漿作用以侵入為主,形成大量花崗巖,包括都山、蛇盤兔花崗巖基以及青山口、高家店、賈家山、峪耳崖、牛心山、羅文峪等巖株;沉降帶以火山作用為主,形成大量火山熔巖、火山碎屑巖及次火山巖。

        冀東金礦礦集區(qū)內(nèi),分布著金廠峪金礦、峪耳崖金礦、鏵尖金礦等大中型金礦床,這些金礦床的產(chǎn)出位置分布于花崗巖體的周圍或內(nèi)部[2-4]。前人對研究區(qū)內(nèi)花崗巖的年代學(xué)、巖石地球化學(xué)特征及其與金成礦關(guān)系進(jìn)行了大量研究,并取得了一定的認(rèn)識[5-10]。但作為區(qū)內(nèi)重要的花崗巖體----高家店巖體和蛇盤兔巖體,前人對其研究較少,目前未見或少見相關(guān)巖體的精確報道,現(xiàn)有資料中只有關(guān)于蛇盤兔巖體通過K-Ar全巖法測定的巖體年齡(192.3 Ma)[11]。為了補充這方面的資料,本文采用激光多接收等離子體質(zhì)譜(LA-MC-ICP-MS)鋯石U-Pb定年法,對高家店和蛇盤兔花崗巖體的形成時代進(jìn)行測定。

        1 地質(zhì)背景

        冀東地區(qū)位于華北地臺東部燕山臺褶帶的東段(圖1),是一個古隆起區(qū)。區(qū)內(nèi)分布著馬蘭峪復(fù)背斜,復(fù)背斜的核部分布著太古宙—古元古代結(jié)晶基底,包括太古宇遷西巖群、八道河巖群,古元古界青龍群、雙山子群和同時代的深成巖[13],復(fù)背斜的南北兩翼為中新元古代—古生代的沉積巖蓋層覆蓋;中生代的陸相碎屑巖和火山巖分布在中生代斷陷盆地中。區(qū)內(nèi)從太古宙至中生代構(gòu)造運動強烈,尤其印支、燕山期發(fā)生多期強烈的構(gòu)造運動,產(chǎn)生了強烈的巖漿侵入[14],形成了都山、蛇盤兔花崗巖基和羅文峪、高家店、青山口、賈家山、峪耳崖及牛心山等花崗巖株,巖體出露于太古宇地層的斜長角閃片麻巖中。區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局十分復(fù)雜,褶皺和斷裂相當(dāng)發(fā)育,印支及燕山運動期形成近東西向的壓扭性斷裂帶,燕山運動中期出現(xiàn)了NNE向壓扭性斷裂帶。本區(qū)花崗巖侵入體的空間展布正是受這2組方向的斷裂帶控制。

        高家店巖體:巖體位于高家店鄉(xiāng),出露于太古宇地層的斜長角閃片麻巖中,出露面積約為45 km2,巖性主要為中?;◢弾r、中粒正長巖和中粒黑云母閃長巖。巖樣為中粒黑云母閃長巖,樣號為JD028,巖石新鮮面呈灰黑色,中粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,主要礦物為石英、鉀長石、中性和酸性斜長石、角閃石以及黑云母等。副礦物有磁鐵礦、榍石、鋯石、磷灰石等。

        蛇盤兔巖體:巖體位于青龍大斷裂(近EW向)、喜峰口—冷口斷裂帶(NW向)及青龍河斷裂帶(NE向)交匯處,出露于太古宇地層的斜長角閃片麻巖中,出露面積約230 km2,巖體呈不規(guī)則橢圓狀,NE向展布。樣號為JD050,巖石新鮮面呈淺肉紅色,巖石由鉀長石、斜長石、石英、黑云母等組成,副礦物有磁鐵礦、榍石、鋯石、磷灰石等。

        2 LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡

        冀東金礦集區(qū)作為我國重要的金礦產(chǎn)出地之一,前人對該區(qū)花崗巖進(jìn)行了大量的研究,采用SHRIMP和LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年對青山口巖體((199.1±2.0) Ma)[8]、峪耳崖巖體((175±1) Ma)[9]、牛心山巖體((173.0±2.0) Ma)[6]、羅文峪巖體((196.7±7.0) Ma)[4]進(jìn)行了測年。但前人對高家店巖體和蛇盤兔巖體形成時代的研究較少,所以本文對這2個巖體進(jìn)行了LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年。

        2.1 測試方法

        按照常規(guī)方法進(jìn)行鋯石靶制定,進(jìn)行鋯石陰極發(fā)光成像,并對CL圖像(圖2)進(jìn)行分析。LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年測試分析由中國地質(zhì)科學(xué)院國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室LA-MC-ICP-MS實驗室完成,定年分析所用儀器為Finnigan Neptune型LA-MC-ICP-MS及與之配套的NewwaveUP213激光剝蝕系統(tǒng)。LA-MC-ICP-MS激光剝蝕采用單點剝蝕的方式,數(shù)據(jù)分析前用鋯石GJ-1(為澳大利亞Mac Quarie大學(xué)大陸地球化學(xué)與成礦作用研究中心(GEMOC) 實驗室的U-Pb測定標(biāo)準(zhǔn)[15]) 進(jìn)行調(diào)試儀器,使之達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),鋯石U-Pb定年以鋯石GJ-1為外標(biāo),U、Th質(zhì)量分?jǐn)?shù)以M127 (U:923×10-6;Th:439×10-6;Th/U: 0.475)[16]為外標(biāo)進(jìn)行校正。數(shù)據(jù)處理采用ICP-MS Data Cal程序,鋯石年齡諧和圖用Isoplot(ver3.0)程序獲得[17]。

        2.2 測試結(jié)果

        高家店巖體鋯石樣品共測得11個數(shù)據(jù)點。在樣品測得的同位素比值和年齡數(shù)據(jù)曲線(表1)上可看出,所選樣品的鋯石具有很高的Th/U值(0.98~2.67),大部分Th/U>1.2,因此屬于典型巖漿成因鋯石[18]。同時,Th和U同位素在質(zhì)量分?jǐn)?shù)上呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系,也說明高家店巖體中的鋯石屬于典型巖漿成因類型[19]。實驗測得的樣品有效數(shù)據(jù)點顯示Th的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化于32.2×10-6~284.4×10-6,U的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化于31.0×10-6~106.5×10-6,這些測點多位于明顯的巖漿環(huán)帶上(圖2),也顯示了巖漿成因的鋯石特征。在這些有效數(shù)據(jù)點中207Pb/206Pb值近似一致,為0.050 1~0.062 3(表1)。說明此類鋯石是同期巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物。由于235U的衰變速度比238U快6.3倍,放射成因的207Pb在地球早期歷史中更為豐富,而顯生宙以來的207Pb生成速率低,這種變化使顯生宙的207Pb的計數(shù)速率低,造成207Pb測定誤差較大,這就使得207Pb/206Pb和207Pb/235U的值可信度降低。因此,對于顯生宙鋯石一般采用206Pb/238U年齡。所測鋯石樣品的測試數(shù)據(jù)點中206Pb/238U 年齡集中在196.6~199.9 Ma,樣品中鋯石的206Pb/238U的加權(quán)平均年齡為(198.8±0.8)Ma(圖3)。蛇盤兔巖體鋯石樣品共測得13個數(shù)據(jù)點,同高家店巖中同位素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布、Th/U值等相似(表1),在此不再贅述。因此,蛇盤兔巖體中的鋯石也屬于典型巖漿成因類型。蛇盤兔巖樣的測試點中206Pb/238U年齡集中在182.8~187.9 Ma,樣品中鋯石的206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(184.7±1.0)Ma(圖3)。綜上可推斷,高家店巖體和蛇盤兔巖體形成時代都為燕山期早侏羅世。

        圖2 高家店、蛇盤兔巖體鋯石CL圖像及年齡Fig.2 Cathodoluminescence and age of zircons from Gaojiadian & Shepantu granite

        圖3 高家店、蛇盤兔花崗巖LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡諧和圖及加權(quán)平均年齡圖Fig.3 LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams and histograms of weighted average ages of the Gaojiadian & Shepantu granite

        3 巖石地球化學(xué)特征

        3.1 常量元素地球化學(xué)

        本研究區(qū)內(nèi)的巖石類型主要以花崗巖和二長花崗巖為主。從表2中可以看出:主量元素SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.00%~75.36%,大部分集中于64.48%~75.36%;Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.78%~16.12%,大部分集中于13.23%~16.12%;A/CNK大部分集中于1.02~1.25,主要為弱過鋁質(zhì);Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.91%~5.84%,大部分集中于3.80%~5.84%;K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.99%~5.64%,大部分集中于3.58%~5.64%。整體上K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù),表明巖石具有相對富鉀貧鈉的特性,在w(K2O)-w(SiO2)判別圖解(圖4)中可以看出高家店巖體和蛇盤兔巖體均與其他巖體巖性相一致,為高鉀鈣堿性系列。

        底圖據(jù)文獻(xiàn)[20]。圖4 冀東研究區(qū)花崗巖w(K2O)-w(SiO2)判別圖解Fig.4 w(K2O)-w(SiO2) discriminant diagrams for the granites in eastern Hebei Province

        研究區(qū)內(nèi)巖石里特曼指數(shù)(δ)為1.90~4.90,大部分集中于2.04~3.78,因此,巖石屬于鈣堿性系列,又稱為太平洋型?;◢弾r巖石分異指數(shù)(ID)為77.99~97.82(除1個巖樣為52.34),說明巖石的結(jié)晶分異程度較高。巖石氧化度(OX)為0.41~0.58,巖石具較高的氧化系數(shù), 反映了巖石成巖部位相對較淺、氧分壓高的特性。在w(SiO2)相同的條件下,堿度率(AR)越大則表示巖石或巖系越偏堿性。研究區(qū)內(nèi)花崗巖類巖石AR值為1.82~5.74,平均值為3.68,顯示巖性為堿性系列。固結(jié)指數(shù)(IS)是反映巖漿分異程度和巖石基性程度的重要巖石化學(xué)參數(shù)。該研究區(qū)域巖石樣品中花崗巖的IS值一般為1.00~13.60,平均值為3.83,說明該地區(qū)的巖漿分異程度較低,且?guī)r石的酸性程度也相對較低。

        表2 冀東地區(qū)花崗巖常量元素分析表

        注:常量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位為%。

        CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算結(jié)果表明,巖石礦物組合以石英、鈣長石、鈉長石、正長石為主,含少量剛玉、紫蘇輝石、磁鐵礦等。石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為 17.36%~37.47%。在Q-A-P圖解上巖石定名為堿長花崗巖和花崗巖(圖5);花崗巖類TAS分類圖中巖石為花崗巖和石英閃長巖,主要以花崗巖為主(圖6)。

        Q.石英;A.堿性長石;P.斜長石。1.富石英花崗巖類;2.堿長花崗巖;3a.花崗巖(鉀長花崗巖);3b.花崗巖(二長花崗巖);4.花崗閃長巖;5.英云閃長巖;6*.石英堿長正長巖;6.堿長正長巖;7*.石英正長巖;7.正長巖;8*.石英二長巖;8.二長巖;9*.石英二長閃長巖、石英二長輝長巖;9.二長閃長巖、二長輝巖;10*.石英閃長巖、石英輝長巖、石英斜長巖;10.閃長巖、輝長巖、斜長巖。圖5 侵入巖石分類Q-A-P 圖解Fig.5 Rocks discrimination diagram

        1.苦橄巖;2.輝長巖;3.輝長閃長巖;4.閃長巖;5.花崗閃長巖;6.花崗巖;7.石英閃長巖;8.二長巖;9.二長閃長巖;10.粗面玄武巖;11.碧玄巖和堿玄巖;12.響巖質(zhì)堿玄巖;13.堿玄質(zhì)響巖;14.響巖;15.似長石巖。底圖據(jù)文獻(xiàn)[21]。圖6 冀東花崗巖類TAS分類圖Fig.6 TAS classification diagram for the granite of eastern Hebei Province

        3.2 微量元素和稀土元素地球化學(xué)

        從微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖7)中可以看出,微量元素分配型式不規(guī)則,虧損和富集元素相間排列使得蛛網(wǎng)圖的分配型式呈鋸齒狀,巖石富集Th、U、K等大離子親石元素,虧損Ti高場強元素。其Ti偏低可能與磷灰石、鈦鐵氧化物和斜長石的結(jié)晶分異有關(guān)。

        稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的分布圖(圖8)及表3顯示出輕重稀土強烈分異的特征,其中w(∑LREE)為28.38×10-6~359.05×10-6,w(∑HREE)為7.62×10-6~59.24×10-6,∑LREE/∑HREE為1.55~23.86,為輕稀土富集型,δEu變化范圍為0.14~1.01,具有負(fù)銪異常的特性。(La/Sm)N值為0.82~7.83,大多數(shù)≥3.02;(Gd/Yb)N值為0.50~3.87,大多數(shù)≥0.96;(La/Yb)N值為1.10~45.48,大多數(shù)≥9.59;說明輕重稀土元素分餾明顯。

        4 討論

        4.1 巖石成因類型

        本區(qū)巖石總體上Fe、Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中于0.56%~2.49%,Na2O+K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.27%~9.53%,具有I-A型花崗巖的特性[25],A/CNK值主要為1.02~1.25。

        在微量元素中,出現(xiàn)Nb、Sr、Ti虧損,尤其是Ti虧損顯著,Rb、K、Hf等元素相對富集,微量元素的這些特性具有I型花崗巖的特性; Sr、Ti的強烈虧損,Rb、K、Hf等元素相對富集,具有A型花崗巖的特點。稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,輕、重稀土比重較大,為輕稀土富集型,在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖中可以看出,巖石負(fù)銪異常明顯。綜上可知,所測巖體巖石類型為I-A過渡型花崗巖。

        4.2 巖石構(gòu)造環(huán)境判別

        對于花崗巖構(gòu)造環(huán)境的判別,利用多種判別圖解和區(qū)域地質(zhì)環(huán)境分析相結(jié)合,在一定程度上可以厘定花崗巖形成的構(gòu)造背景。

        在研究碰撞帶巖漿作用的元素地球化學(xué)特征時,將碰撞帶巖漿侵入體劃分為火山弧侵入體、同碰撞侵入體、后碰撞侵入體及板內(nèi)侵入體。后碰撞環(huán)境形成的高鉀鈣堿性侵入體的地球化學(xué)特征與火山弧環(huán)境所形成的高鉀鈣堿性侵入體的地球化學(xué)特征極為相似。從Rb-Hf-Ta構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖9)可看出,巖石樣品點都落于后碰撞構(gòu)造環(huán)境區(qū)域內(nèi),表明冀東主要金礦集區(qū)內(nèi)的花崗巖為后碰撞構(gòu)造環(huán)境形成的高鉀鈣堿性花崗巖;同時,研究區(qū)內(nèi)花崗巖體Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分為36.62×10-6~197.00×10-6,也反映了其為后造山階段的產(chǎn)物[26-27]。

        底圖據(jù)文獻(xiàn)[23]。圖7 微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.7 Primitive mantle-normalized trace elements spider diagram

        巖體樣號YBaHfRbScSrGaNbTa高家店JD02822.3021841.0557.005.11600.0021.000.77羅文峪JD02980.801777.64171.0011.6543.0084.303.06賈家山JD03412.909400.6632.0021.32669.006.100.24青山口JD03513.006072.34136.002.53158.0022.801.57青山口Q1[22]16.684322.17130.641.90128.1416.4428.783.93青山口Q2[22]12.657173.84144.422.00156.6416.2225.384.08峪耳崖JDY00918.103906.23138.003.56191.0021.801.93蛇盤兔JD05027.607032.3286.005.10197.0031.802.83都山JD10712.7014212.1462.007.22945.0021.201.76牛心山JDH01537.502289.41289.005.1646.0080.4017.96牛心山H2[12]35.281904.02277.804.6536.6222.20102.2017.33巖體樣號ThULaCePrNdSmEuGd高家店JD0287.4010.7372.56207.0015.0654.588.181.676.81羅文峪JD02949.306.2125.9793.678.1233.5710.040.429.89賈家山JD0344.60156.3017.2738.155.0420.193.581.033.15青山口JD03512.909.1724.7162.464.8915.912.700.432.66青山口Q1[22]4.765.1125.9049.525.4018.283.270.432.88青山口Q2[22]6.447.9333.8258.525.6418.032.700.472.30峪耳崖JDY00924.0015.5827.2959.556.3521.604.050.693.72蛇盤兔JD05013.8025.6176.12155.7016.9359.579.311.408.19都山JD10712.8063.7565.88128.7013.2344.326.231.455.43牛心山JDH01536.401.938.6121.923.0312.284.690.394.53牛心山H2[12]31.700.534.4811.301.607.333.430.244.66巖體樣號TbDyHoErTmYbLu∑LREE∑HREE高家店JD0280.894.320.782.230.311.910.29359.0517.54羅文峪JD0292.4317.123.5510.541.8512.081.78171.7959.24賈家山JD0340.442.080.391.160.171.000.1585.268.54青山口JD0350.402.350.461.350.241.530.21111.109.20青山口Q1[22]0.412.630.511.570.231.590.22102.8110.05青山口Q2[22]0.311.880.371.150.171.260.18119.187.62峪耳崖JDY0090.563.120.632.030.342.370.39119.5313.16蛇盤兔JD0501.166.061.133.270.523.380.49319.0324.20都山JD1070.562.230.381.160.140.860.13259.8110.89牛心山JDH0151.016.301.173.240.533.610.5850.9220.97牛心山H2[12]0.855.330.962.770.412.930.4128.3818.32

        續(xù)表3

        注:微量、稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位為10- 6。

        圖9 Rb-Hf-Ta花崗巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.9 Rb-Hf-Ta tectonic setting discrimination diagrams of granite

        4.3 花崗巖體的地質(zhì)意義

        冀東地區(qū)金礦是在多期次疊加成礦作用基礎(chǔ)上形成的,礦集區(qū)內(nèi)疊加成礦作用的時代為燕山早期,該時期是冀東地區(qū)金礦的主要成礦期,其主要成礦年齡為181.1~110.0 Ma。在冀東主要金礦集區(qū)內(nèi),眾多金礦床與花崗巖在空間上的關(guān)系非常密切,金廠峪、峪耳崖、牛心山等大中型金礦床或產(chǎn)在花崗巖體的周圍或產(chǎn)在花崗巖體的內(nèi)部,金礦床分布在距花崗巖體0~5 km范圍內(nèi)。采用LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年測得的高家店巖體((198.8±0.75) Ma)和蛇盤兔巖體年齡((184.7±1.0) Ma)與青山口巖體((199.1±2.0) Ma)、峪耳崖巖體 ((175.0±1.0) Ma)、牛心山巖體((173.0±2.0) Ma)、羅文峪巖體年齡((196.7±7.0) Ma)都處于為燕山期早侏羅世;并且由青山口巖體、峪耳崖巖體、牛心山巖體等花崗巖體的成巖年齡和冀東金礦的成礦年齡可以看出,在冀東地區(qū)花崗巖體的形成時代與金的成礦時代一致。

        5 結(jié)論

        1)通過LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年測得高家店巖體的形成時代為(198.8±0.8)Ma,蛇盤兔巖體的形成時代為(184.7±1.0)Ma。

        2)結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造背景和巖石地球化學(xué)分析,巖石類型為I-A過渡型高鉀鈣堿性系列花崗巖,巖體的構(gòu)造環(huán)境為后碰撞構(gòu)造環(huán)境。

        致謝:中國地質(zhì)科學(xué)院國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室LA-MC-ICP-MS實驗室相關(guān)人員對樣品的LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析給與了悉心指導(dǎo)和大力支持,在此表示衷心的感謝。

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