金厂沟辉绿玢岩的年代学、地球化学及地质意义 [PDF全文]
(1.吉林省有色金属地质勘查局六○二队 地质科, 吉林 白山 134300; 2.吉林大学 地球科学学院, 长春 130061; 3.国检珠宝培训中心, 北京 102628)
为研究金厂沟金矿区辉绿玢岩的锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学和岩石地球化学特征,分析金厂沟金矿区辉绿玢岩的成岩时代、岩石成因以及构造背景。结果表明:辉绿玢岩锆石U-Pb年龄为(220.3±1.2)Ma,属晚三叠世岩浆活动的产物; 地球化学性质显示辉绿玢岩具有较高的碱度率,属碱性岩类; 样品稀土元素配分曲线为右倾型,弱亏损Ti、Y、Nb、P、K,富集Ba、Ta、Pb等元素; La与Nb质量分数比值介于0.96~1.07,Zr与Ba质量分数比值介于0.24~0.26,显示其为软流圈来源的玄武质岩浆,样品较高的TiO2、K2O、P2O5和Zr质量分数显示其具有OIB型玄武岩的亲缘性。金厂沟辉绿玢岩形成于晚三叠纪碰撞造山后板片断离导致的伸展背景下,华北克拉通北缘东段仍受到古亚洲洋构造演化的控制。
Geochronology, petrogeochemistry and geological significance of diabase porphyrite in Jinchanggou
Wang Di1, Zheng Tao2, Zhang Yongsheng3, Sun Jinlei2, Li Jiaxin2
(1. Department of Geology, No.602 Team of Jilin Nonferrous Metal Geological Exploration Bureau, Baishan 134300, China; 2. College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China; 3. National Gemological Training Center, Beijing 102628, China)
This paper is an attempt to identify the zircon LA-ICP-MS U-Pb age and petrogeochemical characteristics of diabaseporphyrites in Jinchanggou gold deposit analyzing the geochronology, prtrogenesis, and tectonic setting of samples The results show that the zircon U-Pb age is(220.3±1.2)Ma, which belongs to the magmatic activity of Late Triassic. Geochemical properties show that diabaseporphyrite has a high basicity ratio and belongs to alkaline rocks. The REE distribution curve of the sample is right-inclined, meaning the weak depletion of Ti, Y, Nb, P, K and enrichment of Ba, Ta, and Pb. The La/Nb(0.96-1.07)and Zr/Ba(0.24-0.26)ratios indicate that basaltic magma originated from asthenosphere. The higher contents of TiO2, K2O, P2O5 and Zr are related to OIB type basalts. The study concludes that the Jinchanggou diabase porphyrite was formed under the extensional setting caused by plate fragmentation after the Late Triassic collision orogeni and the eastern segment of the northern margin of the North China Cratonis still remains controlled by the Paleo-Asian Ocean tectonic setting.
引言

金厂沟金矿是一个造山型金矿床,位于华北克拉通北缘东段,处于古亚洲洋和滨太平洋两大构造与的叠加部位,其构造演化历史较为复杂。早古生代期间,多认为研究区受控于古亚洲洋的构造演化[1],古亚洲洋于晚古生代—早中生代开始闭合。三叠纪期间华北克拉通北缘主要经历了古亚洲洋构造域和滨太平洋构造域的叠加和转换。关于华北板块北缘东段在三叠纪期间的构造背景,以及研究区在中—晚三叠世期间是否还受到古亚洲洋构造域的控制仍存在一定的争议。有学者认为,古亚洲洋构造域于早—中三叠世沿长春—延吉缝合线最终闭合,古亚洲洋彻底消失[2]。也有学者认为,晚二叠世—早三叠世期间滨太平洋已经开始俯冲,三叠纪侵入岩均与滨太平洋的俯冲作用相关[3-4]。此外,还有学者认为,早—中侏罗世期间滨太平洋才开始俯冲,华北克拉通北缘在三叠纪期间仍受到古亚洲洋构造域的制约[5-6]。笔者以金厂沟辉绿玢岩为研究对象,开展精确的锆石U-Pb年代学和详细的岩石地球化学研究,分析其成岩时代、岩石成因以及构造背景,为厘定研究区晚三叠纪动力学背景提供新的证据和数据。

1 地质背景

金厂沟金矿地处华北板块北缘东段,东临太平洋板块,北临西伯利亚板块,构造部位处于天山—兴蒙造山带东端。中生代之前主要受控于古亚洲洋构造体系,中生代之后受滨太平洋板块活动的影响,并构成滨太平洋构造带的重要组成部分。

金厂沟金矿田分布于复兴屯矿集区内,围绕燕山期侵入岩周边产有金厂沟金矿、西岔金(银)矿、复兴屯铜矿、正岔铅锌矿等30多个贵金属、有色金属矿床、矿(化)点。据统计,矿区内金矿脉约105条。矿脉主要为近SN向和NE-NNE向,亦发育近EW向矿脉。矿石自然类型主要为破碎带蚀变岩型,其次是石英脉型。主容矿围岩为古元古代荒岔沟组,主要岩性为含石墨黑云变粒岩,黑云母变粒岩以及含石墨大理岩夹斜长角闪岩等(图1)。原岩为弧后火山碎屑岩,滨海碳酸盐建造。

矿区内发育一组近SN向含矿断裂构造,称矿脉群。矿脉群位于矿区东部,呈南北向展布,长1 600 m,宽400 m,主要由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ矿脉组成,有主要的8个矿体,矿脉群中以Ⅰ和Ⅱ矿脉为主。Ⅰ矿脉分布于矿带北部,主容矿围岩为变粒岩和元古代片麻状花岗岩,矿脉呈SN走向,倾向W,倾角60°~80°,矿脉长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矿脉位于Ⅰ矿脉东部,南北向展布,长1 600 m,西倾,倾角30° ~60°,矿脉中见有主要的4个矿体,矿体长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

图1 金厂沟矿区地质图<br/>Fig.1 Geological map of Jinchanggou deposit

图1 金厂沟矿区地质图
Fig.1 Geological map of Jinchanggou deposit

矿石矿物中,金属矿物主要有黄铁矿和磁黄铁矿,其次有黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、白铁矿、针碲金矿和叶碲铋矿。Au最高质量分数达280.5×10-6,金主要赋存在磁黄铁矿边缘及黄铁矿裂隙中,方解石中亦含金。可见针碲金矿与自然金连晶,叶碲铋矿与磁黄铁矿、黄铜矿和自然金构成连晶。矿石结构为半自形-他形粒状结构、交代结构、碎裂结构等,矿石构造为脉状构造、细脉状构造、角砾状构造、团块状构造和浸染状构造等。矿石类型有石英脉型、矽卡岩型和变质条带型。

2 样品描述及分析方法2.1 样品描述

金厂沟辉绿玢岩样品具有斑状结构,块状构造。其斑晶为半自形-他形长板状斜长石(15%),粒径约0.5~2.0 mm,部分斜长石斑晶可见聚片双晶。基质粒度多小于0.5 mm,主要由斜长石(40%)和辉石(40%)组成。其中斜长石呈灰白色自形-半自形长柱状,辉石呈半自形-他形粒状状(图2)。

图2 金厂沟辉绿玢岩镜下照片<br/>Fig.2 Photomicrograghs of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

图2 金厂沟辉绿玢岩镜下照片
Fig.2 Photomicrograghs of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

2.2 分析方法2.2.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb定年

样品锆石的挑选工作是在河北省廊坊区域地质调查研究所实验室完成的,样品经人工粉碎后,利用标准重矿物分离技术进行分选。锆石U-Pb年龄测定在自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室完成。在测试前,通过透反射图像和锆石阴极发光(CL)图像圈选合适的测试位置。实验采用激光剥蚀等离子体分析技术(LA-ICP-MS),采用高纯氦气作为剥蚀物质的载气,每个分析点的气体背景采集时间为30 s,信号采集时间为40 s。锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标志物质。在20次锆石的分析前后各测2次SRM610。29Si作为内标元素(锆石中w(SiO2)为32.8%)来测定锆石中U、Th和Pb的质量分数。具体的实验过程详见文献[7]。样品同位素比值及元素含量计算采用ICP-MS-DATECAL程序测定,年龄计算及绘制图件采用国际标准Isoplot程序。

2.2.2 全岩地球化学特征

样品主量元素、微量元素测试在自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室完成。将岩石粉碎至74 μm以备测试使用。主量元素测试:首先将粉末样品称量后加Li2B4O7(1:8)助熔剂混合,使用融样机加热至1 150 ℃,使其在金铂坩埚中熔融成均一玻璃片体后使用XRF(Zetium, PANalytical)测试,测试结果保证数据误差小于1%。微量元素测试:将74 μm粉末样品称量,放入聚四氟乙烯溶样罐并加入HF+HNO3,在干燥箱中将高压消解罐保持在190 ℃温度72 h后取出,将溶液定容为稀溶液上机测试。测试使用Agilent 7500a ICP-MS完成,所测数据根据监控标样GSR-2显示误差小于5%,部分挥发性元素及极低含量元素的分析误差小于10%。

3 结果分析3.1 锆石U-Pb定年

金厂沟辉绿玢岩锆石多呈长板柱状,自形程度较差,粒径多为100~200 μm,长宽比一般介于1:1~3:1,内部结构较均匀。其Th与U质量比k为0.83~1.36(表1),与基性岩浆锆石特点相符。从图3b、c可以看出,21个数据点基本都位于谐和线上,记206Pb与238U同位素原子比为λ(206Pb)/λ(308U)锆石年龄在219.1~211.9 Ma之间,加权平均年龄为(220.3±1.2)Ma(MSWD=0.11)。

图3 金厂沟辉绿玢岩锆石U-Pb年龄<br/>Fig.3 Zircon U-Pb dating of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

图3 金厂沟辉绿玢岩锆石U-Pb年龄
Fig.3 Zircon U-Pb dating of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

表1 金厂沟辉绿玢岩锆石U-Pb同位素测年结果<br/>Table 1 Result of zircon U-Pb of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

表1 金厂沟辉绿玢岩锆石U-Pb同位素测年结果
Table 1 Result of zircon U-Pb of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

3.2 主、微量元素地球化学特征

金厂沟辉绿玢岩主量元素分析结果见表2,微量元素分析结果见表3,主量元素质量分数单位为%; 微量及稀土元素单位为10-6

样品SiO2质量分数介于47.81%~50.43%,属基性岩类。Al2O3质量分数介于15.33%~15.96%,Fe2O3质量分数介于6.34%~7.04%,FeO质量分数介于4.00%~4.31%,CaO质量分数介于7.88%~8.57%,镁铁指数镁值为48.03~50.67,全碱质量分数(K2O+Na2O)较高,介于5.51%~5.80%。在TAS图解(图4a)中,金厂沟辉绿玢岩样品投点位于二长辉长岩的范围内。样品碱度率(kAR=w(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)/w(Al2O3+CaO-Na2O-K2O))介于1.62~1.63,在kAR-SiO2图解(图4b)中,样品位于碱性岩的范围内。

表2 金厂沟辉绿玢岩主量元素分析结果<br/>Table 2 Results of major elements composition of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

表2 金厂沟辉绿玢岩主量元素分析结果
Table 2 Results of major elements composition of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

表3 金厂沟辉绿玢岩微量、稀土元素分析结果<br/>Table 3 Results of trace elements, rare elements composition of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

表3 金厂沟辉绿玢岩微量、稀土元素分析结果
Table 3 Results of trace elements, rare elements composition of diabase porphyrite from Jinchanggou deposit

辉绿玢岩样品稀土总量为225.89×10-6~464.13×10-6(平均332.98×10-6),w(La)与w(Yb)的标准比值为19.12~21.22(平均20.42),w(LREE)/w(HREE)为12.18~12.63(平均12.42),δEu为0.98~1.01。在稀土元素球粒陨石标准化配分曲线上(图5a)[8],辉绿玢岩样品呈轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的右倾配分模式,且轻重稀土元素分异较大。在微量元素原始地幔标准化图解中(图5b),样品弱亏损Ti、Y、Nb、P、K,富集Ba、Ta、Pb等元素。

图4 金厂沟辉绿玢岩主量元素图解<br/>Fig.4 Diagram of main and trace elements of diabase porphyrite from Jinchanggou

图4 金厂沟辉绿玢岩主量元素图解
Fig.4 Diagram of main and trace elements of diabase porphyrite from Jinchanggou

图5 金厂沟辉绿玢岩微量元素图解<br/>Fig.5 Diagram of trace elements of diabase porphyrite from Jinchanggou

图5 金厂沟辉绿玢岩微量元素图解
Fig.5 Diagram of trace elements of diabase porphyrite from Jinchanggou

4 讨 论4.1 形成时代

近年来,关于本研究区岩浆岩年代学数据有大量报道,包括华北克拉通北缘东段开原地区闪长岩锆石U-Pb年龄为(224±1.9)Ma[9],白云金矿载金黄铁矿Re-Os年龄为(225.3±7.0)Ma[10],福洞地区似斑状二长花岗岩U-Pb年龄为(224.6±2.5)Ma[1],辽西台里地区斑状花岗质片麻岩U-Pb年龄约为220 Ma[11]等。文中获得金厂沟辉绿玢岩锆石U-Pb年龄数据谐和度较高,MSWD小于1,即数据可信度较高,加权平均年龄为(220.3±1.2)Ma,与区域内前人所测年龄相近。因此,笔者认为金厂沟辉绿玢岩形成于晚三叠纪的岩浆活动。

4.2 岩石成因

通常认为玄武质岩浆是地幔橄榄岩在上地幔部分熔融的产物,运用w(La)/w(Nb)和w(Zr)/w(Ba)来区分软流圈和岩石圈地幔来源的玄武质岩浆。当样品w(La)/w(Nb)<1.5、w(Zr)/w(Ba)>0.2时被认为是软流圈来源的玄武质岩浆,而岩石圈地幔来源的岩浆则与之相反[12]。金厂沟辉绿玢岩样品的w(La)/w(Nb)比值均小于1.5,介于0.96~1.07之间,w(Zr)/w(Ba)比值均大于0.2,介于0.24~0.26之间,显示为软流圈来源的玄武质岩浆。样品w(Sm)/w(Yb)比值较高,介于3.90~4.12,与起源于含石榴石的软流圈地幔玄武质岩浆特征相符[13],且与前人研究的起源于含石榴石软流圈地幔的铁木里钨铁矿区辉绿玢岩以及宁远—新田碱性玄武岩的w(Sm)/w(Yb)比值相近[12,14]图6为金厂沟辉绿玢岩成因判别图解。样品均靠近石榴石橄榄岩部分熔融的趋势线。

图6 金厂沟成因判别<br/>Fig.6 Discrimination for genetic type of diabase porphyrite from Jinchanggou

图6 金厂沟成因判别
Fig.6 Discrimination for genetic type of diabase porphyrite from Jinchanggou

此外,样品w(Tb)与w(Yb)的标准化比值均大于1.80(2.04~2.11),显示其部分熔融发生在石榴石稳定区域[15]。而金厂沟辉绿玢岩样品强烈亏损重稀土元素的特征也表明其源于石榴石稳定的源区。因此,笔者认为辉绿玢岩源于软流圈地幔石榴石稳定区域。

在微量元素原始地幔标准化图解中(图5b),样品显示一定程度Ti和P的亏损,可能指示钛铁氧化物和磷灰石的分离结晶作用。而磷灰石的分离结晶作用通常会使Ca的质量分数降低,而样品较高的CaO质量分数(7.88%~8.57%)可能与斜长石、角闪石和单斜辉石等含Ca矿物分离结晶有关。样品Al2O3与SiO2之间无明显的线性关系,表明无角闪石的分离结晶作用。样品未显示Eu异常(δEu为0.98~1.01),则表明斜长石的分离结晶作用不明显。辉绿玢岩样品的镁值、MgO和Cr质量分数(分别为48.03~50.67、5.05%~5.98%、88.08×10-6~164.4×10-6)均不同于原始岩浆的标准值(分别为65、10%~12%、250×10-6)[16-17],表明原始岩浆经历了橄榄石和单斜辉石的分离结晶作用。单斜辉石的分离结晶作用会导致岩石的MgO与SiO2呈正相关,而样品MgO与SiO2之间呈负相关,可能是辉石分子中存在Mg置换Ca的现象[12]。因此,笔者认为金厂沟辉绿玢岩经历了钛铁氧化物、磷灰石、橄榄石和单斜辉石的分离结晶作用。

地壳混染在岩浆结晶分异过程中常和结晶分异同时出现,即AFC过程[18-19]。地壳混染通常会使岩浆强烈亏损Nb、Ta、Ti和Zr等高场强元素[20]。在微量元素原始地幔标准化图解中(图5b),辉绿玢岩样品Nb、Ta、Ti和Zr异常并不明显,表明地壳混染不显著。而样品变化较小的w(La)/w(Sm)比值(7.27~7.78)与地壳混染作用后的岩浆特征不符[21]。此外,金厂沟辉绿玢岩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)均大于地壳比值(分别为12、33、4)[22-23],而接近于地幔比值(分别为30、36.3、9)[8,23-24]。因此,辉绿玢岩没有遭受明显的地壳物质的混染。

4.3 构造背景

自古生代以来,华北克拉通北缘经历了古生代—早中生代和中生代两期重要的构造演化事件,分别对应古亚洲洋和滨太平洋的构造演化。已有研究显示,古亚洲洋构造演化于早古生代开始,并于晚古生代—早中生代开始闭合。三叠纪期间华北克拉通主要经历了古亚洲洋构造域和滨太平洋构造域的叠加和转换。关于华北板块北缘东段在三叠纪期间的构造背景,以及研究区在中—晚三叠世期间是否还受到古亚洲洋构造域的控制仍存在一定的争议。有学者认为,古亚洲洋构造域碰撞造山作用在233 Ma之前达到顶峰[25],并于早—中三叠世沿长春—延吉缝合线最终闭合,古亚洲洋彻底消失[2]。也有学者认为,滨太平洋俯冲开始于晚二叠世—早三叠世期间[3-4]。此外,还有学者认为,滨太平洋俯冲开始于早—中侏罗世[4-5]

金厂沟辉绿玢岩样品MgO质量分数介于5.05%~5.98%,P2O5质量分数介于0.74%~0.90%,明显不同于N-MORB的元素特征(分别为9.67%、0.47%)[8,26],而与文献[27]中所报道的仁布OIB玄武岩(分别为3.28%~8.13%,0.47%~1.17%)和文献[28]中所报道的东波OIB型玄武岩(分别为3.29%~4.81%,0.24%~1.06%)元素特征相符合。而样品TiO2质量分数(2.13%~2.26%)与文献[29]中所报道的仲巴OIB型辉绿岩TiO2质量分数(2.8%~3.4%)相近。此外,文献[30]中还采用K2O(0.5%)和Zr(130×10-6)两个参数来区分MORB和OIB,MORB的K2O和Zr质量分数明显低于OIB的元素质量分数。辉绿玢岩样品较高的K2O和Zr质量分数(分别为1.64%~1.91%,184.6×10-6~400.3×10-6)倾向于OIB型火山岩的特征,而不同于MORB的特征。在TiO2-MnO×10-P2O5×10图解和Nb×2-Zr/4-Y图解(图7a)中,金厂沟辉绿玢岩样品分别位于洋岛玄武岩和板内碱性玄武岩的区域范围内,具有OIB的亲缘性。

多认为OIB型基性岩的成因与地幔柱、岩石圈拆沉、板片回撤和板片断离等深部动力学背景有关[31]。华北克拉通北缘东段暂未见地幔柱活动的相关报道,金厂沟辉绿玢岩的成因应与地幔柱无关。岩石圈拆沉会使地幔橄榄岩的部分熔融发生在较浅的位置[31],这与前文所述辉绿玢岩成因不符。而辉绿玢岩未见线性或带状分布的特征,与板片回撤形成的岩浆岩特征不同。因此,金厂沟辉绿玢岩可能形成于板片断离的后碰撞伸展环境。前人报道了华北克拉通北缘东段及邻近地区晚三叠纪与板片断离及后碰撞伸展相关的岩石,如:辽宁赛马地区霓霞正长岩(222 Ma)[32],吉林东部和龙地区似斑状二长花岗岩(224.6±2.5)Ma[1]、河北矾山杂岩体(224.9±4.7)Ma[33],内蒙古爆头东杂岩体(214.7±1.1)Ma[34]以及金厂沟黑云母闪长岩(221.5±1.1)Ma和正长花岗岩(227.4±1.9)Ma[35]等也表明研究区晚三叠纪构造背景与碰撞后伸展相关。该区普遍发育的磨拉石建造沉积地层进一步说明晚三叠纪华北克拉通北缘东段构造环境由碰撞阶段向碰撞后伸展阶段的转变。

图7 金厂沟辉绿玢岩构造判别图解<br/>Fig.7 Discrimination diagrams for the tectonic setting of diabase porphyrite from Jinchanggou

图7 金厂沟辉绿玢岩构造判别图解
Fig.7 Discrimination diagrams for the tectonic setting of diabase porphyrite from Jinchanggou

综上所述,金厂沟辉绿玢岩形成于晚三叠纪碰撞造山后板片断离导致的伸展背景下,由软流圈地幔石榴石稳定区域的原始岩浆部分熔融并经历了钛铁氧化物、磷灰石、橄榄石和单斜辉石的分离结晶作用而形成,且金厂沟辉绿玢岩所处的华北克拉通北缘东段在晚三叠世仍受到古亚洲洋构造演化的控制。

5 结 论

(1)金厂沟辉绿玢岩锆石U-Pb加权平均年龄为(220.3±1.2)Ma,属晚三叠纪岩浆活动的产物。

(2)金厂沟辉绿玢岩由软流圈地幔石榴石稳定区域的原始岩浆部分熔融并经历了钛铁氧化物、磷灰石、橄榄石和单斜辉石的分离结晶作用而形成,在岩浆演化过程中没有遭受明显的地壳物质的混染。

(3)辉绿玢岩具有OIB型玄武岩的地球化学特征,形成于碰撞造山后板片断离导致的伸展背景下。华北克拉通北缘东段在晚三叠世仍受到古亚洲洋构造演化的控制。

参考文献