內(nèi)蒙古烏拉特中旗大烏淀石墨礦床石英片巖地球化學(xué)特征與SHRIMP鋯石U-Pb年代學(xué)

楊培奇，劉敬黨，劉淑梅，楊 飛，楊孝偉

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省有色地質(zhì)一○四隊有限責(zé)任公司，遼寧 營口 115007；3.遼寧省化工地質(zhì)勘查院有限責(zé)任公司，遼寧 錦州 121007)

0 引 言

華北地臺北緣中西段是我國重要的石墨成礦區(qū)之一[1-2]，在被動陸緣隆起帶上形成豐富的石墨礦產(chǎn)[3]。目前，許多學(xué)者對烏拉特中旗地區(qū)石墨礦的成礦地質(zhì)特征及找礦前景進(jìn)行了研究[4-8]，但對于該區(qū)石墨礦床的年代學(xué)和地球化學(xué)研究較少。本文采用地球化學(xué)和鋯石SHRIMP U-Pb年代學(xué)方法，對該晶質(zhì)石墨礦床的地球化學(xué)和年代學(xué)進(jìn)行研究，不僅可以提高對晶質(zhì)石墨礦床成礦作用的認(rèn)識，而且對該地區(qū)進(jìn)一步找礦具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位于華北陸塊北緣中部。中元古代進(jìn)入隆起、裂陷為代表的被動大陸邊緣構(gòu)造發(fā)展期，形成了多條、多期裂谷[9-10]。研究區(qū)位于其中之一的霍各乞—白云鄂博陸緣裂陷帶(圖1)，早古生代由于受西伯利亞板塊碰撞拼合的影響，發(fā)生強(qiáng)烈的巖漿侵入和火山作用，形成特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，為石墨成礦提供了有利的成礦條件[11-14]。

研究區(qū)位于大烏淀背斜核部，高勒圖斷裂帶、石崩斷裂帶中間，背斜核部出露厚層石英巖，受兩斷裂帶的擠壓、剪切和多期活動的影響，此套殘留地層發(fā)育一條順層破碎帶，且沿破碎帶普遍發(fā)生了糜棱巖化作用。大烏淀逆斷層在礦區(qū)北部通過，呈近東西向展布，公胡都格南逆斷層斜穿礦區(qū)，呈北東向展布。區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁，侵入巖發(fā)育，主要有新元古代、晚石炭世、早二疊世、晚三疊世4期巖漿活動，其中晚石炭世和早二疊世侵入巖規(guī)模較大。晚石炭世灰色花崗閃長巖分布于研究區(qū)西部，侵入白云鄂博群尖山組，形成數(shù)十米寬的熱接觸變質(zhì)帶，使碳質(zhì)板巖中的碳質(zhì)結(jié)晶形成石墨。該巖體與石墨礦的成礦關(guān)系密切。

2 含礦巖系及礦體地質(zhì)特征

大烏淀石墨礦床含礦巖系為白云鄂博群尖山組一段黑色巖系，原巖為碎屑巖-含炭粉屑巖-泥質(zhì)巖-碳酸鹽巖組合，屬于白云鄂博裂谷下部沉積巖系[15-17]。尖山組一段巖性為深灰色(粉砂質(zhì))絹云母板巖、紅柱石絹云綠泥石英片巖、變質(zhì)微粒長石石英砂巖、變質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖、灰黑色粉砂質(zhì)碳質(zhì)板巖夾微粒石英砂巖透鏡體等。

粉砂質(zhì)絹云母板巖：呈灰黑色，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，礦物成分為絹云母約占18%、石墨15%、斜長石40%、石英25%等。紅柱石絹云綠泥石英片巖：呈灰黑色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英50%～55%，呈拉長粒狀，晶體粒徑0.02 mm×0.06 mm～0.1 mm×0.2 mm；紅柱石15%，呈柱狀，大小0.5 cm×2 cm；絹云母15%～25%；石墨5%～10%，黑色微晶鱗片狀，大小0.001～0.01 mm。變質(zhì)石英砂巖夾石英巖：呈灰白色，變余砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀及層狀構(gòu)造，礦物成分由石英95%、白云母3%及少量斜長石組成。

大烏淀礦區(qū)白云鄂博群尖山組紅柱石絹云綠泥石英片巖是主要的石墨礦化巖層，分布于區(qū)內(nèi)滾呼都格南東部，呈緊密復(fù)式向斜褶皺構(gòu)造，走向NEE，主要礦層傾向NNW。

石墨礦化層與變質(zhì)粉砂巖呈互層條帶構(gòu)造，形成石墨層和夾石的互層，經(jīng)1∶2 000地質(zhì)填圖及槽探工程揭露等詳查工作，礦體嚴(yán)格受地層控制，走向北東—南西向，依據(jù)品位變化可圈定8條層狀礦體，其中Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ礦層厚度大、走向延伸長、品位穩(wěn)定，Ⅳ號礦體局部增厚呈透鏡狀，受勘查程度限制礦層延深沒有控制。

礦石由紅柱石絹云綠泥石英片巖和絹云綠泥石英片巖組成，礦層產(chǎn)狀嚴(yán)格受區(qū)域地層及區(qū)域構(gòu)造影響，呈層狀、似層狀、透鏡狀，北東向展布，礦層頂板為褐色中粗粒石英砂巖夾灰?guī)r，底板被花崗閃長巖侵入。含礦巖石片理發(fā)育，面理密集平行排列，切割巖石呈葉片狀、透鏡塊狀，巖石中柱狀、針狀紅柱石平行片理分布，頁理面上顯示交織狀分布(圖2)。

石墨背散射電子圖像分析是在中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 電子探針實(shí)驗室完成，所用的電子探針型號為 EPMA-1600。從圖3中可看出，在礦石中石墨(含量6%～14%)分布不均，以不同的產(chǎn)狀與其他礦物共生組合存在，被石英(含量30%～35%)、鉀長石(含量18%～23%)、白云母(含量10%～16%)、紅柱石(含量5%～8%)和獨(dú)居石等礦物包裹。石墨礦石主要礦物為石英碎屑、絹云母等黏土礦物，紅柱石、石墨、石英碎屑呈顆粒狀，絹云母等黏土礦物呈鱗片狀圍繞碎屑礦物分布。礦石呈變余碎屑結(jié)構(gòu)，絹云母等黏土礦物及紅柱石等礦物系原膠結(jié)物的變質(zhì)礦物。

3 巖石地球化學(xué)特征

本次研究所采用的樣品均采自大烏淀石墨礦礦區(qū)，樣品新鮮，結(jié)構(gòu)完整。巖石地球化學(xué)分析在中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所完成，主量元素含量通過X-射線熒光光譜法、容量法和重量法測定，微量元素和稀土元素含量采用等離子體質(zhì)譜法測定。

本次測試樣品共12件，巖性為紅柱石絹云綠泥石英片巖(WLT-01、WLT-02、WLT-03、WLT-04、WLT-06、WLT-16、WLT-17)，絹云綠泥石英片巖(WLT-09、WLT-13-2、WLT-07、WLT-21)和石英巖(WLT-11)，樣品分析測試結(jié)果見表1。

紅柱石絹云綠泥石英片巖的SiO2含量比較均勻，分布在54.14%～70.63%之間，平均64.70%；以高鋁富鉀為特征，其中Al2O3含量平均為16.26%，最高19.34%；顯示高鉀低鈉，K2O/Na2O比值平均為158.58。絹云綠泥石英片巖與紅柱石絹云綠泥石英片巖的特征基本一致，只是SiO2含量稍高，平均為70.07%，Al2O3含量較低，平均為10.95%。這種巖石化學(xué)組分特征表明沉積環(huán)境比較穩(wěn)定，沉積物以含鉀礦物為主，分異分選較好，是穩(wěn)定沉積環(huán)境的沉積物；WLT-17為鎂質(zhì)絹云綠泥石英片巖，MgO/CaO比值較高，為6.35，含有鎂碳酸鹽礦物，顯示高鹽度沉積環(huán)境，與裂谷環(huán)境是一致的。石英巖的成分比較純，以SiO2為主，含量95.33%，雖然其他氧化物成分含量較少，但MgO/CaO的比值與紅柱石絹云綠泥石英片巖的樣品比值接近。

樣品微量元素的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖見圖4，表明研究區(qū)含礦巖石較富集大離子親石元素，輕稀土元素富集，而Nb、Sr、P、Ti、Ta元素明顯虧損。Ti 和P 的負(fù)異常反映了沉積巖原巖的特征，由于風(fēng)化作用造成Sr負(fù)異常，樣品Rb和Ba等大離子親石元素含量較高，Rb/Sr比值為0.24～1.53之間，平均值為1.06，高于上地殼值0.32，表明循環(huán)沉積作用較弱；高場強(qiáng)元素Zr和Hf含量相對較高，主要受重礦物控制。

兩種絹云綠泥石英片巖樣品的稀土元素含量較高，稀土元素總量平均為289.43×10-6和264.38×10-6，LREE/HREE平均值分別為9.81和10.06，δCe值略大于1，δEu平均值分別為0.57和0.47；而石英巖稀土元素總量明顯較低，δCe值略小于1，δEu值為0.49。稀土元素配分曲線顯示輕稀土元素富集、重稀土元素虧損，具有明顯負(fù)銪異常，紅柱石絹云綠泥石英片巖和絹云綠泥石英片巖不具有鈰異常，石英巖略具有負(fù)鈰異常(圖5、圖6)。這種稀土元素配分模式顯示了大烏淀石墨礦含礦建造具有濱淺海環(huán)境沉積的特征，石英巖原巖為潮坪相沉積，而絹云綠泥石英片巖原巖為潮下淺海環(huán)境沉積，兩種沉積環(huán)境是連續(xù)過渡環(huán)境。

4 年代學(xué)研究

4.1 測試方法

用于鋯石測年的樣品選自大烏淀礦區(qū)含石墨絹云綠泥石英片巖，在中國地質(zhì)科學(xué)院北京離子探針中心完成測年工作，分析儀器為高靈敏度高分辨率離子探針(SHRIMPⅡ)。將分選出來的鋯石與標(biāo)準(zhǔn)鋯石TEM一起制靶并進(jìn)行陰極發(fā)光(CL)照相，在同位素質(zhì)譜儀SHRIMPⅡ上完成測年。數(shù)據(jù)處理采用SQUIDI 1.0和ISOPLOT程序[19]。普通鉛根據(jù)實(shí)測204Pb進(jìn)行校正，單個數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差均為1σ，所采用的206Pb/238U加權(quán)平均年齡置信度為95%。

碎屑鋯石定年的待測樣品采用3～4組掃描，但標(biāo)準(zhǔn)鋯石仍采用5組掃描。分別獲得206Pb/238U、208Pb/232Th和207Pb/206Pb表面年齡，并且根據(jù)207Pb/235U-206Pb/238U求出諧和曲線與年齡模擬曲線的交點(diǎn)年齡，本次研究主要考慮碎屑鋯石的模擬曲線和交點(diǎn)年齡。

4.2 測試結(jié)果

鋯石在陰極發(fā)光下晶體顯示出圓化晶形，呈橢圓粒狀、渾圓粒狀、長粒狀等形態(tài)(圖7)。大烏淀石墨礦石中分選出的鋯石樣品均為碎屑鋯石，沒有沉積期后變質(zhì)重結(jié)晶環(huán)帶，因此所測的鋯石只能是判別沉積物質(zhì)來源，以最年輕的碎屑鋯石推測最早的沉積年齡。鋯石SHRIMP U-Pb年齡數(shù)據(jù)測試結(jié)果見表2。石墨礦石的碎屑鋯石206Pb/238U表面年齡為(2 590.57±22.62)～(1 792.09±17.12)Ma(表2)，為古元古代鋯石來源，因此可以推測石墨礦石的沉積年齡小于(1 792.09±17.12)Ma(圖8)，這一分析結(jié)果與馬銘株等[20]研究結(jié)果一致。烏拉特中旗大烏淀石墨礦床石墨所表現(xiàn)出來的成礦多期性，與華北陸塊發(fā)展階段基底構(gòu)造-熱事件在時間分布上所表現(xiàn)出來的多峰式特點(diǎn)吻合李江海等[21]2000年的研究成果。

表2 大烏淀石墨礦碎屑鋯石SHRIMP U-Pb年齡數(shù)據(jù)

5 討論與結(jié)論

5.1 源區(qū)性質(zhì)

由表1可以看出，含礦巖石的SiO2含量較高，且較為均勻，隨著混合巖化程度不同，K2O、Na2O、CaO含量起伏變化較大，說明發(fā)生了不同的交代作用；K2O/Na2O比值為5.47～422.00，懸殊較大，表明交代作用比較復(fù)雜，說明該區(qū)巖漿巖與變質(zhì)巖之間存在混合和對流作用，使得物質(zhì)成分發(fā)生交換。該石墨礦的巖石均表現(xiàn)出富Al貧Ca，且 K2O>Na2O，顯示了變質(zhì)沉積巖的特征。根據(jù)Zr/TiO2-Ni圖解(圖9)，樣品全部落在沉積巖區(qū)域，可見該樣品為副變質(zhì)巖，但是具備接近火成巖的趨勢。根據(jù)圖10可見，樣品全部落入沉積巖區(qū)，多數(shù)為基性鈣質(zhì)沉積巖，只有2個樣品顯示為基性泥砂質(zhì)沉積巖。表明該石墨礦的變質(zhì)巖具有以細(xì)碎屑穩(wěn)定沉積為主的特點(diǎn)。

含紅柱石和不含紅柱石的絹云綠泥石英片巖的微量元素含量相對石英巖明顯富集，尤其是具有富含Rb、Ba、F、Th、Zr、Y的特點(diǎn)，特征元素比值Rb/Sr、Th/U均較高，而Sr/Ba值較低，顯示了以陸源碎屑來源為主的特征，海源物質(zhì)較少；V/Ni、V/(Ni+V)比值顯示為缺氧還原沉積環(huán)境；Sr虧損的特征在酸性巖、基性巖類中均普遍存在，砂巖、黏土巖也有出現(xiàn)。

由于在變質(zhì)過程中稀土元素并不活動，沉積原巖在變質(zhì)作用過程中稀土特征得以保留，為確定沉積巖的物源區(qū)提供了重要信息，并且為穩(wěn)定沉積的構(gòu)造環(huán)境提供了有效的信息。稀土元素配分圖(圖5、圖6)均呈輕稀土元素富集、重稀土元素平坦的趨勢，具有以長英質(zhì)組分為主物源區(qū)的特征。樣品具有明顯的Eu負(fù)異常特征，分析可能有兩種原因：一種是繼承了物源區(qū)的Eu負(fù)異常；另一種情況是物源區(qū)處于還原環(huán)境和化學(xué)風(fēng)化環(huán)境，因為Eu2+在沉積體系中與其他稀土元素相比，更容易被含水溶液帶走，導(dǎo)致了Eu負(fù)異常。根據(jù)樣品的長英質(zhì)組分特征，第一種可能性較小，根據(jù)其具有弱Eu負(fù)異常的特征，且原巖為沉積巖，推斷為淺海相沉積環(huán)境。

5.2 成巖時代

前人工作一般認(rèn)為含礦地層白云鄂博群尖山巖組的地層時代屬于中元古代，也有資料認(rèn)為是古元古代。馬銘株等[20]采集了寬溝背斜東段腮林忽洞群和白云鄂博群底部礫巖樣品，采用鋯石SHRIMP U-Pb法進(jìn)行系統(tǒng)測年。測得樣品表面年齡集中在晚太古代(3 037±120)～(2 449±14)Ma和古元古代晚期(2 243±38)～(1 785±10)Ma兩個年齡段。本文采用同樣方法測得樣品的表面年齡為(2 590.57±22.62)～(1 792.09±17.12)Ma，表明鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)可靠，屬古元古代。

5.3 成礦機(jī)制

從礦床地球化學(xué)和年代學(xué)分析，結(jié)合野外石墨礦化的特征，本文取得如下認(rèn)識：研究區(qū)古元古代處于淺海相沉積環(huán)境，接受剝蝕區(qū)大量富鋁質(zhì)黏土物質(zhì)沉積，初步形成大烏淀石墨礦含礦建造。該含礦建造石英巖的原巖為潮坪相沉積，絹云綠泥石英片巖的原巖為潮下淺海環(huán)境沉積，兩種沉積環(huán)境是連續(xù)過渡環(huán)境。中元古代研究區(qū)進(jìn)入隆起、裂陷為代表的被動大陸邊緣構(gòu)造發(fā)展期，研究區(qū)所處的霍各乞—白云鄂博陸緣裂陷帶，受早古生代西伯利亞板塊碰撞的影響，遭受多期次強(qiáng)烈?guī)r漿侵入活動，尤其以晚石炭世巖漿活動對研究區(qū)石墨礦床的成礦貢獻(xiàn)作用最大，中酸性巖漿巖侵入中元古代白云鄂博群尖山組地層中的富鋁質(zhì)含碳質(zhì)板巖，在巖漿熱液的熱力作用下碳質(zhì)再次富集，最終形成接觸變質(zhì)型晶質(zhì)石墨礦床。

6 結(jié) 論

通過對內(nèi)蒙古烏拉特中旗大烏淀石墨礦含礦巖石地球化學(xué)和年代學(xué)的研究，獲得以下認(rèn)識：

(1)大烏淀石墨礦床產(chǎn)于華北地臺北緣中元古代白云鄂博群黑色片巖中，為沉積巖在侵入巖熱接觸作用下形成的變質(zhì)微晶石墨礦床，其礦床礦化特征與深變質(zhì)巖型石墨礦床有明顯不同。

(2)大烏淀礦區(qū)含石墨絹云綠泥石英片巖的鋯石通過SHRIMP U-Pb測年法測定石墨礦石沉積年齡應(yīng)小于(1 792.09±17.12) Ma。

(3)大烏淀礦區(qū)絹云綠泥石英片巖、紅柱石絹云綠泥石英片巖和石英巖的特征基本一致，反映為穩(wěn)定沉積環(huán)境的沉積物，具有砂巖、片巖的特征；絹云綠泥石英片巖明顯富集Rb、Ba、F、Th、Zr、Y等元素，顯示了以陸源碎屑來源為主的特征，為缺氧還原沉積環(huán)境；輕稀土元素富集、重稀土元素虧損，表現(xiàn)出明顯的負(fù)銪異常，石英巖略具有負(fù)鈰異常，顯示大烏淀石墨礦具有濱淺海環(huán)境沉積的特征。