金廠溝輝綠玢巖的年代學(xué)、地球化學(xué)及地質(zhì)意義

王 迪， 鄭 濤， 張永勝， 孫金磊， 李嘉欣

(1.吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局六○二隊(duì) 地質(zhì)科， 吉林 白山 134300； 2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 長春 130061； 3.國檢珠寶培訓(xùn)中心， 北京 102628)

0 引 言

金廠溝金礦是一個(gè)造山型金礦床，位于華北克拉通北緣東段，處于古亞洲洋和濱太平洋兩大構(gòu)造與的疊加部位，其構(gòu)造演化歷史較為復(fù)雜。早古生代期間，多認(rèn)為研究區(qū)受控于古亞洲洋的構(gòu)造演化[1]，古亞洲洋于晚古生代—早中生代開始閉合。三疊紀(jì)期間華北克拉通北緣主要經(jīng)歷了古亞洲洋構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域的疊加和轉(zhuǎn)換。關(guān)于華北板塊北緣東段在三疊紀(jì)期間的構(gòu)造背景，以及研究區(qū)在中—晚三疊世期間是否還受到古亞洲洋構(gòu)造域的控制仍存在一定的爭議。有學(xué)者認(rèn)為，古亞洲洋構(gòu)造域于早—中三疊世沿長春—延吉縫合線最終閉合，古亞洲洋徹底消失[2]。也有學(xué)者認(rèn)為，晚二疊世—早三疊世期間濱太平洋已經(jīng)開始俯沖，三疊紀(jì)侵入巖均與濱太平洋的俯沖作用相關(guān)[3-4]。此外，還有學(xué)者認(rèn)為，早—中侏羅世期間濱太平洋才開始俯沖，華北克拉通北緣在三疊紀(jì)期間仍受到古亞洲洋構(gòu)造域的制約[5-6]。筆者以金廠溝輝綠玢巖為研究對象，開展精確的鋯石U-Pb年代學(xué)和詳細(xì)的巖石地球化學(xué)研究，分析其成巖時(shí)代、巖石成因以及構(gòu)造背景，為厘定研究區(qū)晚三疊紀(jì)動(dòng)力學(xué)背景提供新的證據(jù)和數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)背景

金廠溝金礦地處華北板塊北緣東段，東臨太平洋板塊，北臨西伯利亞板塊，構(gòu)造部位處于天山—興蒙造山帶東端。中生代之前主要受控于古亞洲洋構(gòu)造體系，中生代之后受濱太平洋板塊活動(dòng)的影響，并構(gòu)成濱太平洋構(gòu)造帶的重要組成部分。

金廠溝金礦田分布于復(fù)興屯礦集區(qū)內(nèi)，圍繞燕山期侵入巖周邊產(chǎn)有金廠溝金礦、西岔金(銀)礦、復(fù)興屯銅礦、正岔鉛鋅礦等30多個(gè)貴金屬、有色金屬礦床、礦(化)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦區(qū)內(nèi)金礦脈約105條。礦脈主要為近SN向和NE-NNE向，亦發(fā)育近EW向礦脈。礦石自然類型主要為破碎帶蝕變巖型，其次是石英脈型。主容礦圍巖為古元古代荒岔溝組，主要巖性為含石墨黑云變粒巖，黑云母變粒巖以及含石墨大理巖夾斜長角閃巖等(圖1)。原巖為弧后火山碎屑巖，濱海碳酸鹽建造。

圖1 金廠溝礦區(qū)地質(zhì)圖Fig. 1 Geological map of Jinchanggou deposit

礦區(qū)內(nèi)發(fā)育一組近SN向含礦斷裂構(gòu)造，稱礦脈群。礦脈群位于礦區(qū)東部，呈南北向展布，長1 600 m，寬400 m，主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦脈組成，有主要的8個(gè)礦體，礦脈群中以Ⅰ和Ⅱ礦脈為主。Ⅰ礦脈分布于礦帶北部，主容礦圍巖為變粒巖和元古代片麻狀花崗巖，礦脈呈SN走向，傾向W，傾角60°～80°，礦脈長665 m，控制斜深300 m，最大厚度2.04 m，平均厚0.24 m，平均品位6.23×10-6～33.22×10-6。Ⅱ礦脈位于Ⅰ礦脈東部，南北向展布，長1 600 m，西傾，傾角30° ～60°，礦脈中見有主要的4個(gè)礦體，礦體長50～200 m，延伸80～170 m，平均厚0.65～1.22 m，平均品位5.58×10-6～14.42×10-6。

礦石礦物中，金屬礦物主要有黃鐵礦和磁黃鐵礦，其次有黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、白鐵礦、針碲金礦和葉碲鉍礦。Au最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)280.5×10-6，金主要賦存在磁黃鐵礦邊緣及黃鐵礦裂隙中，方解石中亦含金?？梢娽橅诮鸬V與自然金連晶，葉碲鉍礦與磁黃鐵礦、黃銅礦和自然金構(gòu)成連晶。礦石結(jié)構(gòu)為半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)等，礦石構(gòu)造為脈狀構(gòu)造、細(xì)脈狀構(gòu)造、角礫狀構(gòu)造、團(tuán)塊狀構(gòu)造和浸染狀構(gòu)造等。礦石類型有石英脈型、矽卡巖型和變質(zhì)條帶型。

2 樣品描述及分析方法

2.1 樣品描述

金廠溝輝綠玢巖樣品具有斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。其斑晶為半自形-他形長板狀斜長石(15%)，粒徑約0.5～2.0 mm，部分斜長石斑晶可見聚片雙晶?；|(zhì)粒度多小于0.5 mm，主要由斜長石(40%)和輝石(40%)組成。其中斜長石呈灰白色自形-半自形長柱狀，輝石呈半自形-他形粒狀狀(圖2)。

圖2 金廠溝輝綠玢巖鏡下照片F(xiàn)ig. 2 Photomicrograghs of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

2.2 分析方法

2.2.1 鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年

樣品鋯石的挑選工作是在河北省廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成的，樣品經(jīng)人工粉碎后，利用標(biāo)準(zhǔn)重礦物分離技術(shù)進(jìn)行分選。鋯石U-Pb年齡測定在自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。在測試前，通過透反射圖像和鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像圈選合適的測試位置。實(shí)驗(yàn)采用激光剝蝕等離子體分析技術(shù)(LA-ICP-MS)，采用高純氦氣作為剝蝕物質(zhì)的載氣，每個(gè)分析點(diǎn)的氣體背景采集時(shí)間為30 s，信號(hào)采集時(shí)間為40 s。鋯石年齡采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)標(biāo)志物質(zhì)。在20次鋯石的分析前后各測2次SRM610。29Si作為內(nèi)標(biāo)元素(鋯石中w(SiO2)為32.8%)來測定鋯石中U、Th和Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。具體的實(shí)驗(yàn)過程詳見文獻(xiàn)[7]。樣品同位素比值及元素含量計(jì)算采用ICP-MS-DATECAL程序測定，年齡計(jì)算及繪制圖件采用國際標(biāo)準(zhǔn)Isoplot程序。

2.2.2 全巖地球化學(xué)特征

樣品主量元素、微量元素測試在自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。將巖石粉碎至74 μm以備測試使用。主量元素測試：首先將粉末樣品稱量后加Li2B4O7(1∶8)助熔劑混合，使用融樣機(jī)加熱至1 150 ℃，使其在金鉑坩堝中熔融成均一玻璃片體后使用XRF(Zetium, PANalytical)測試，測試結(jié)果保證數(shù)據(jù)誤差小于1%。微量元素測試:將74 μm粉末樣品稱量，放入聚四氟乙烯溶樣罐并加入HF+HNO3，在干燥箱中將高壓消解罐保持在190 ℃溫度72 h后取出，將溶液定容為稀溶液上機(jī)測試。測試使用Agilent 7500a ICP-MS完成，所測數(shù)據(jù)根據(jù)監(jiān)控標(biāo)樣GSR-2顯示誤差小于5%，部分揮發(fā)性元素及極低含量元素的分析誤差小于10%。

3 結(jié)果分析

3.1 鋯石U-Pb定年

金廠溝輝綠玢巖鋯石多呈長板柱狀，自形程度較差，粒徑多為100～200 μm，長寬比一般介于1∶1～3∶1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較均勻。其Th與U質(zhì)量比k為0.83～1.36(表1)，與基性巖漿鋯石特點(diǎn)相符。從圖3b、c可以看出，21個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本都位于諧和線上，記206Pb與238U同位素原子比為λ(206Pb)/λ(308U)鋯石年齡在219.1～211.9 Ma之間，加權(quán)平均年齡為(220.3±1.2) Ma(MSWD=0.11)。

圖3 金廠溝輝綠玢巖鋯石U-Pb年齡Fig. 3 Zircon U-Pb dating of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

表1 金廠溝輝綠玢巖鋯石U-Pb同位素測年結(jié)果

3.2 主、微量元素地球化學(xué)特征

金廠溝輝綠玢巖主量元素分析結(jié)果見表2，微量元素分析結(jié)果見表3，主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位為%；微量及稀土元素單位為10-6。

表2 金廠溝輝綠玢巖主量元素分析結(jié)果

表3 金廠溝輝綠玢巖微量、稀土元素分析結(jié)果

樣品SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于47.81%～50.43%，屬基性巖類。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于15.33%～15.96%，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于6.34%～7.04%，F(xiàn)eO質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于4.00%～4.31%，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于7.88%～8.57%，鎂鐵指數(shù)鎂值為48.03～50.67，全堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)(K2O+Na2O)較高，介于5.51%～5.80%。在TAS圖解(圖4a)中，金廠溝輝綠玢巖樣品投點(diǎn)位于二長輝長巖的范圍內(nèi)。樣品堿度率(kAR=w(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)/w(Al2O3+CaO-Na2O-K2O))介于1.62～1.63，在kAR-SiO2圖解(圖4b)中，樣品位于堿性巖的范圍內(nèi)。

圖4 金廠溝輝綠玢巖主量元素圖解Fig. 4 Diagram of main and trace elements of diabase porphyrite from Jinchanggou

輝綠玢巖樣品稀土總量為225.89×10-6～464.13×10-6(平均332.98×10-6)，w(La)與w(Yb)的標(biāo)準(zhǔn)比值為19.12～21.22(平均20.42)，w(LREE)/w(HREE)為12.18～12.63(平均12.42)，δEu為0.98～1.01。在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線上(圖5a)[8]，輝綠玢巖樣品呈輕稀土元素富集、重稀土元素虧損的右傾配分模式，且輕重稀土元素分異較大。在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解中(圖5b)，樣品弱虧損Ti、Y、Nb、P、K，富集Ba、Ta、Pb等元素。

圖5 金廠溝輝綠玢巖微量元素圖解Fig. 5 Diagram of trace elements of diabase porphyrite from Jinchanggou

4 討 論

4.1 形成時(shí)代

近年來，關(guān)于本研究區(qū)巖漿巖年代學(xué)數(shù)據(jù)有大量報(bào)道，包括華北克拉通北緣東段開原地區(qū)閃長巖鋯石U-Pb年齡為(224±1.9) Ma[9]，白云金礦載金黃鐵礦Re-Os年齡為(225.3±7.0) Ma[10]，福洞地區(qū)似斑狀二長花崗巖U-Pb年齡為(224.6±2.5) Ma[1]，遼西臺(tái)里地區(qū)斑狀花崗質(zhì)片麻巖U-Pb年齡約為220 Ma[11]等。文中獲得金廠溝輝綠玢巖鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)諧和度較高，MSWD小于1，即數(shù)據(jù)可信度較高，加權(quán)平均年齡為(220.3±1.2) Ma，與區(qū)域內(nèi)前人所測年齡相近。因此，筆者認(rèn)為金廠溝輝綠玢巖形成于晚三疊紀(jì)的巖漿活動(dòng)。

4.2 巖石成因

通常認(rèn)為玄武質(zhì)巖漿是地幔橄欖巖在上地幔部分熔融的產(chǎn)物，運(yùn)用w(La)/w(Nb)和w(Zr)/w(Ba)來區(qū)分軟流圈和巖石圈地幔來源的玄武質(zhì)巖漿。當(dāng)樣品w(La)/w(Nb)<1.5、w(Zr)/w(Ba)>0.2時(shí)被認(rèn)為是軟流圈來源的玄武質(zhì)巖漿，而巖石圈地幔來源的巖漿則與之相反[12]。金廠溝輝綠玢巖樣品的w(La)/w(Nb)比值均小于1.5，介于0.96～1.07之間，w(Zr)/w(Ba)比值均大于0.2，介于0.24～0.26之間，顯示為軟流圈來源的玄武質(zhì)巖漿。樣品w(Sm)/w(Yb)比值較高，介于3.90～4.12，與起源于含石榴石的軟流圈地幔玄武質(zhì)巖漿特征相符[13]，且與前人研究的起源于含石榴石軟流圈地幔的鐵木里鎢鐵礦區(qū)輝綠玢巖以及寧遠(yuǎn)—新田堿性玄武巖的w(Sm)/w(Yb)比值相近[12,14]。圖6為金廠溝輝綠玢巖成因判別圖解。樣品均靠近石榴石橄欖巖部分熔融的趨勢線。

圖6 金廠溝成因判別Fig. 6 Discrimination for genetic type of diabase porphyrite from Jinchanggou

此外，樣品w(Tb)與w(Yb)的標(biāo)準(zhǔn)化比值均大于1.80(2.04～2.11)，顯示其部分熔融發(fā)生在石榴石穩(wěn)定區(qū)域[15]。而金廠溝輝綠玢巖樣品強(qiáng)烈虧損重稀土元素的特征也表明其源于石榴石穩(wěn)定的源區(qū)。因此，筆者認(rèn)為輝綠玢巖源于軟流圈地幔石榴石穩(wěn)定區(qū)域。

在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解中(圖5b)，樣品顯示一定程度Ti和P的虧損，可能指示鈦鐵氧化物和磷灰石的分離結(jié)晶作用。而磷灰石的分離結(jié)晶作用通常會(huì)使Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，而樣品較高的CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(7.88%～8.57%)可能與斜長石、角閃石和單斜輝石等含Ca礦物分離結(jié)晶有關(guān)。樣品Al2O3與SiO2之間無明顯的線性關(guān)系，表明無角閃石的分離結(jié)晶作用。樣品未顯示Eu異常(δEu為0.98～1.01)，則表明斜長石的分離結(jié)晶作用不明顯。輝綠玢巖樣品的鎂值、MgO和Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)(分別為48.03～50.67、5.05%～5.98%、88.08×10-6～164.4×10-6)均不同于原始巖漿的標(biāo)準(zhǔn)值(分別為65、10%～12%、250×10-6)[16-17]，表明原始巖漿經(jīng)歷了橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶作用。單斜輝石的分離結(jié)晶作用會(huì)導(dǎo)致巖石的MgO與SiO2呈正相關(guān)，而樣品MgO與SiO2之間呈負(fù)相關(guān)，可能是輝石分子中存在Mg置換Ca的現(xiàn)象[12]。因此，筆者認(rèn)為金廠溝輝綠玢巖經(jīng)歷了鈦鐵氧化物、磷灰石、橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶作用。

地殼混染在巖漿結(jié)晶分異過程中常和結(jié)晶分異同時(shí)出現(xiàn)，即AFC過程[18-19]。地殼混染通常會(huì)使巖漿強(qiáng)烈虧損Nb、Ta、Ti和Zr等高場強(qiáng)元素[20]。在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解中(圖5b)，輝綠玢巖樣品Nb、Ta、Ti和Zr異常并不明顯，表明地殼混染不顯著。而樣品變化較小的w(La)/w(Sm)比值(7.27～7.78)與地殼混染作用后的巖漿特征不符[21]。此外，金廠溝輝綠玢巖w(Nb)/w(U)比值(20.72～23.54)、w(Zr)/w(Hf)比值(35.36～39.17)和w(Ce)/w(Pb)比值(9.76～10.84)均大于地殼比值(分別為12、33、4)[22-23]，而接近于地幔比值(分別為30、36.3、9)[8,23-24]。因此，輝綠玢巖沒有遭受明顯的地殼物質(zhì)的混染。

4.3 構(gòu)造背景

自古生代以來，華北克拉通北緣經(jīng)歷了古生代—早中生代和中生代兩期重要的構(gòu)造演化事件，分別對應(yīng)古亞洲洋和濱太平洋的構(gòu)造演化。已有研究顯示，古亞洲洋構(gòu)造演化于早古生代開始，并于晚古生代—早中生代開始閉合。三疊紀(jì)期間華北克拉通主要經(jīng)歷了古亞洲洋構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域的疊加和轉(zhuǎn)換。關(guān)于華北板塊北緣東段在三疊紀(jì)期間的構(gòu)造背景，以及研究區(qū)在中—晚三疊世期間是否還受到古亞洲洋構(gòu)造域的控制仍存在一定的爭議。有學(xué)者認(rèn)為，古亞洲洋構(gòu)造域碰撞造山作用在233 Ma之前達(dá)到頂峰[25]，并于早—中三疊世沿長春—延吉縫合線最終閉合，古亞洲洋徹底消失[2]。也有學(xué)者認(rèn)為，濱太平洋俯沖開始于晚二疊世—早三疊世期間[3-4]。此外，還有學(xué)者認(rèn)為，濱太平洋俯沖開始于早—中侏羅世[4-5]。

金廠溝輝綠玢巖樣品MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于5.05%～5.98%，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.74%～0.90%，明顯不同于N-MORB的元素特征(分別為9.67%、0.47%)[8,26]，而與文獻(xiàn)[27]中所報(bào)道的仁布OIB玄武巖(分別為3.28%～8.13%，0.47%～1.17%)和文獻(xiàn)[28]中所報(bào)道的東波OIB型玄武巖(分別為3.29%～4.81%，0.24%～1.06%)元素特征相符合。而樣品TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2.13%～2.26%)與文獻(xiàn)[29]中所報(bào)道的仲巴OIB型輝綠巖TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2.8%～3.4%)相近。此外，文獻(xiàn)[30]中還采用K2O(0.5%)和Zr(130×10-6)兩個(gè)參數(shù)來區(qū)分MORB和OIB，MORB的K2O和Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于OIB的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。輝綠玢巖樣品較高的K2O和Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)(分別為1.64%～1.91%，184.6×10-6～400.3×10-6)傾向于OIB型火山巖的特征，而不同于MORB的特征。在TiO2-MnO×10-P2O5×10圖解和Nb×2-Zr/4-Y圖解(圖7a)中，金廠溝輝綠玢巖樣品分別位于洋島玄武巖和板內(nèi)堿性玄武巖的區(qū)域范圍內(nèi)，具有OIB的親緣性。

圖7 金廠溝輝綠玢巖構(gòu)造判別圖解Fig. 7 Discrimination diagrams for the tectonic setting of diabase porphyrite from Jinchanggou

多認(rèn)為OIB型基性巖的成因與地幔柱、巖石圈拆沉、板片回撤和板片斷離等深部動(dòng)力學(xué)背景有關(guān)[31]。華北克拉通北緣東段暫未見地幔柱活動(dòng)的相關(guān)報(bào)道，金廠溝輝綠玢巖的成因應(yīng)與地幔柱無關(guān)。巖石圈拆沉?xí)沟蒯ｉ蠙鞄r的部分熔融發(fā)生在較淺的位置[31]，這與前文所述輝綠玢巖成因不符。而輝綠玢巖未見線性或帶狀分布的特征，與板片回撤形成的巖漿巖特征不同。因此，金廠溝輝綠玢巖可能形成于板片斷離的后碰撞伸展環(huán)境。前人報(bào)道了華北克拉通北緣東段及鄰近地區(qū)晚三疊紀(jì)與板片斷離及后碰撞伸展相關(guān)的巖石，如：遼寧賽馬地區(qū)霓霞正長巖(222 Ma)[32]，吉林東部和龍地區(qū)似斑狀二長花崗巖(224.6±2.5) Ma[1]、河北礬山雜巖體(224.9±4.7) Ma[33]，內(nèi)蒙古爆頭東雜巖體(214.7±1.1) Ma[34]以及金廠溝黑云母閃長巖(221.5±1.1) Ma和正長花崗巖(227.4±1.9) Ma[35]等也表明研究區(qū)晚三疊紀(jì)構(gòu)造背景與碰撞后伸展相關(guān)。該區(qū)普遍發(fā)育的磨拉石建造沉積地層進(jìn)一步說明晚三疊紀(jì)華北克拉通北緣東段構(gòu)造環(huán)境由碰撞階段向碰撞后伸展階段的轉(zhuǎn)變。

綜上所述，金廠溝輝綠玢巖形成于晚三疊紀(jì)碰撞造山后板片斷離導(dǎo)致的伸展背景下，由軟流圈地幔石榴石穩(wěn)定區(qū)域的原始巖漿部分熔融并經(jīng)歷了鈦鐵氧化物、磷灰石、橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶作用而形成，且金廠溝輝綠玢巖所處的華北克拉通北緣東段在晚三疊世仍受到古亞洲洋構(gòu)造演化的控制。

5 結(jié) 論

(1)金廠溝輝綠玢巖鋯石U-Pb加權(quán)平均年齡為(220.3±1.2) Ma，屬晚三疊紀(jì)巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

(2)金廠溝輝綠玢巖由軟流圈地幔石榴石穩(wěn)定區(qū)域的原始巖漿部分熔融并經(jīng)歷了鈦鐵氧化物、磷灰石、橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶作用而形成，在巖漿演化過程中沒有遭受明顯的地殼物質(zhì)的混染。

(3)輝綠玢巖具有OIB型玄武巖的地球化學(xué)特征，形成于碰撞造山后板片斷離導(dǎo)致的伸展背景下。華北克拉通北緣東段在晚三疊世仍受到古亞洲洋構(gòu)造演化的控制。