辽宁连山关地区混合花岗岩岩石地球化学特征及构造环境

王庆喜,吴 迪,吕志平,李文辉

(1.核工业二四〇研究所,沈阳110032; 2.核工业二〇三研究所,咸阳712000)

辽宁连山关地区混合花岗岩岩石地球化学特征及构造环境

王庆喜1,吴 迪1,吕志平1,李文辉2

(1.核工业二四〇研究所,沈阳110032; 2.核工业二〇三研究所,咸阳712000)

连山关地区前寒武系赋存的铀矿床,是我国为数不多的不整合型铀矿床。对连山关混合花岗岩开展地球化学研究,通过分析岩石主量、微量元素地球化学特征,探讨岩石成因及形成的构造环境。该区混合花岗岩属于富硅,高碱、低钛的钙碱性系列岩石,稀土总量较高,轻稀土元素明显富集,具有中等程度的Eu负异常;U、La、P相对富集,Ba、Ta、Nb、Sr、Ti相对亏损。该混合花岗岩具有S型花岗岩的特征,其源岩为中、上地壳酸性岩石,可能形成于太古宙克拉通裂陷拉张的构造环境。

混合花岗岩;地球化学特征;S型花岗岩;构造环境;连山关

连山关地区位于辽宁省本溪县,在该区发现了我国著名的3075铀矿床,其赋矿围岩主要为白色混合花岗岩。前人主要围绕该矿床地质特征、成矿条件、成矿模式及矿化特征等开展了相关研究[1-4]。目前,关于混合花岗岩岩石地球化学特征及构造环境的研究较少。本文对连山关地区钻孔岩芯系统采样,经薄片鉴定及地球化学分析,结合已有资料分析该区白色混合花岗岩的地球化学特征,探讨其形成的构造环境,为该区深部及外围找矿提供参考。

1 地质概况

连山关混合花岗岩分布于华北地台边缘和环太平洋俯冲带结合部位,辽东—吉南早元古代裂谷北缘,产于辽东—吉南多金属成矿带内,连山关复背斜南翼西段[5](图1)。该区主要出露古元古代辽河群地层,包括浪子山组和里尔峪组。浪子山组可细分为4个岩性段,自下而上分别为石英岩段(Pt1l1)、片岩段(Pt1l2)、大理岩段(Pt1l3)和含磷千枚岩段(Pt1l4);里尔峪组为浪子山组之上的一套大理岩和变质火山岩系,与浪子山组呈连续沉积(表1)。

研究区主要有4组断裂,分别为NWW向断裂组、NW断裂组、NE向断裂组和NNE向断裂组,其中NWW向断裂组为矿前构造,NE向断裂组和NW向断裂组为成矿期构造,并以NE向断裂组为主,NNE向断裂组为矿后构造[6]。

研究区出露的岩体主要为连山关混合杂岩体。该混合花岗岩体主体由红色钾质混合花岗岩组成,其间有少量早期钠质花岗片麻岩残留体,并大量分布太古宙鞍山群残留体,边部分布有在韧性剪切背景下发生动态部分熔融形成的白色混合花岗岩[1]。白色混合花岗岩分布在红色混合花岗岩与辽河群浪子山组之间,与围岩呈过渡接触。本文主要以与矿化关系密切的白色混合花岗岩为研究对象。

2 岩石学特征

该区白色混合花岗岩主要为灰白色,具粒状变晶结构,块状构造、条带状构造,岩石主要由石英、斜长石、微斜长石及少量云母组成。其中,斜长石含量约30%,自形—半自形,柱状及板柱状,表面发生绢云母化;石英呈他形,含量约35%;微斜长石呈半自形,含量约25%;云母类矿物含量约10%(图2)。

图1 连山关地区区域地质简图(据文献[5]修编)Fig.1 Regional geological map of the Lianshanguan area1-奥陶系灰岩石;2-寒武系灰岩;3-青白口系石英岩;4-辽河群沉积变质岩;5-燕山期花岗岩;6-白色混合花岗岩;7-红色混合花岗岩;8-地质界线;9-不整合界线;10-渐变地质界线;11-断裂;12铀矿床;13-铀矿点

表1 连山关地区前寒武纪地层表Table1 Precambrian stratigraphy of the Lianshanguan area

3 岩石地球化学特征

前人研究表明[7],连山关白色混合花岗岩体属于铝过饱和系列,红色混合花岗岩以富碱,贫Ca、Fe、K2O＞Na2O为特点,属钾质花岗岩,由碱交代作用形成。红色混合花岗岩微量元素含量与地壳微量元素含量平均值相当,与上地幔微量元素平均值相差较大。稀土元素配分曲线微向右倾斜,与岩浆型花岗岩显著不同,属于混合成因。

为进一步研究白色混合花岗岩的地球化学特征,系统采集相关样品后进行主量元素、稀土元素和微量元素分析。分析测试工作在核工业二四〇研究所实验室完成,主量元素采用X射线荧光熔片法(XRF)测定,分析精度＜1%,其中FeO和LOI采用湿化学分析法测定,稀土元素和微量元素分别采用阳离子交换分离—电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)和电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)完成,分析精度＞6%。主量元素及微量元素分析结果利用地球化学工具软件包Geo Kit程序[8]对数据进行处理。

图2 连山关地区混合花岗岩手标本照片及显微结构特征Fig.2 Hand specimen and mircoscopic structure of migmatitic granites in the Lianshanguan area Qtz-石英;Pl-斜长石;Mc-微斜长石

3.1 主量元素特征

连山关白色混合花岗岩主量元素分析结果见表2。SiO2含量为74.69%～76.11%,均值为75.50%,Al2O3含量为11.64%～13.18%,均值为12.33%,Na2O含量为2.66%～5.08%,均值为3.98%,K2O含量为1.98%～2.96%,均值为2.34%,碱含量偏高,K2O+Na2O含量为5.63%～7.12%,均值为6.32%,样品里特曼指数δ＜3.3,属于钙碱性系列岩石。分异指数DI为87.45～92.44,均值为89.43,分异指数较高,固结指数SI为6.11～8.94,均值为7.09,固结指数中等。

由SiO2-(K2O+Na2O)图解(图3)可知,样品均投点于花岗岩区域内,在QAP图解(图4)中,所有样品也投点于花岗岩区域内。由SiO2-K2O图解(图5)可知,样品投点于钙碱性系列区域范围内。在A/CNK-A/NK图解(图6)上,样品投点于准铝质—过铝质区域内。根据CIPW标准矿物计算结果,样品中均含有刚玉分子,为2.39%～2.72%,上述特征表明该岩石具有S型花岗岩的特点。

3.2 稀土元素特征

图3 连山关地区混合花岗岩SiO2-(K2O+Na2O)图解(底图据文献[9])Fig.3 SiO2vs.(K2O+Na2O)discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan areaIr-Irvine分界线,上方为碱性、下方为亚碱性;1-橄榄辉长岩;2a-碱性辉长岩;2b-亚碱性辉长岩;3-辉长闪长岩;4-闪长岩;5-花岗闪长岩;6-花岗岩;7-硅英岩;8-二长辉长岩; 9-二长闪长岩;10-二长岩;11-石英二长岩;12-正长岩; 13-副长石辉长岩;14-副长石二长闪长岩;15-副长石二长正长岩;16-副长石正长岩;17-副长石深成岩;18-霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩

图4 连山关地区混合花岗岩QAP图解(底图据文献[10])Fig.4 QAP discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area1-富石英花岗岩;2-碱长花岗岩;3a-花岗岩;3b-花岗岩(二长花岗岩);4-花岗闪长岩;5-英云闪长岩、斜长花岗岩; 6*-碱长石英正长岩;7*-石英正长岩;8*-石英二长岩; 9*-石英二长闪长岩;10*-石英闪长岩、石英辉长岩、石英斜长岩;6-碱长正长岩;7-正长岩;8-二长岩;9-二长闪长岩、二长辉岩;10-闪长岩、辉长岩、斜长岩

图5 连山关地区混合花岗岩SiO2-K2O图解(底图据文献[11])Fig.5 SiO2vs.K2O discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

根据稀土元素分析结果(表2)可知,稀土元素总量为(226.83～422.99)×10-6,均值为330.29× 10-6。轻稀土元素含量为(207.48～387.84)×10-6,均值为302.53×10-6,重稀土元素含量为(19.34～35.15)×10-6,均值为27.75×10-6,轻稀土元素相对富集。(La/Yb)N为16.08～16.95,均值为16.45,轻、重稀土元素分异明显。(La/Sm)N为 1.15～1.19,均值为1.17,(Gd/Yb)N为1.80～1.88,均值为1.84,轻、重稀土元素内部分馏程度较低。

图6 连山关地区混合花岗岩A/CNK-A/NK图解(底图据文献[12])Fig.6 A/CNK vs.A/NK diagram showing alkaline character of migmatitic granites in the Lianshanguan area

稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(图7a)表现为轻稀土元素富集的“右倾”型,各样品稀土元素配分曲线相似,暗示其具有同源演化的特点。具有中等程度的Eu负异常,δEu=0.73～0.75,均值为0.74,具有类似于壳源型花岗岩的特征。Eu/Sm为0.22～0.23,均值为0.23,与壳源花岗岩(0.16)和沉积岩(0.20)相近[14]。Sm/Nd为0.19(＜0.3),说明该区混合花岗岩可能来源于地壳[15]。Ce负异常较弱(δCe为0.95～0.96,均值为0.96),可能是地壳源区部分熔融过程中斜长石作为难熔残余物所致[16-17]。

3.3 微量元素特征

根据微量元素分析结果(表2)可知,大离子亲石元素中Ba含量为(224.3～406.9)×10-6,均值为287.13×10-6,Sr含量为(76.12～103.20)× 10-6,均值为86.64×10-6;U含量为(92.27～ 1 089)×10-6,均值为478.73×10-6,Th含量为(41.89～79.76)×10-6,均值为61.03×10-6;高场强元素Nb、Zr、Hf含量分别为(5.40～6.81)× 10-6、(44.92～61.53)×10-6和(1.34～1.89)× 10-6。(Rb/Yb)N为85.06～155.79,均值为112.82,为强不相容元素富集型。Rb/Sr为3.98～5.70,均值为4.98,判断该区混合花岗岩源岩为壳源物质[18]。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图7b)可知,Ba、Ta、Nb、Sr、Ti等元素强烈亏损,U、P、La等元素相对富集。

图7 连山关地区混合花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(a)及原始地幔标准化微量元素蛛网图(标准化数值据文献[13])Fig.7 Chondrite-normalized rare earth element patterns(a)and primitive mantle-normalized trace element spiderdiagram (b)of migmatitic granites in the Lianshanguan area

表2 连山关地区混合花岗岩主量、稀土及微量元素分析结果Table2 Analysis results of major elements,rare earth elements and trace elements of migmatitic granites in the Lianshanguan area

4 讨 论

4.1 成因及源区

稀土元素及微量元素相关比值参数(Eu/Sm、 Sm/Nd、Rb/Sr)均表明该混合花岗岩源岩为壳源物质。A/CNK＞1.1,刚玉分子＞1%,推断其属于地壳物质部分熔融的S型花岗岩类,在Zr-TiO2判别图解(图8)上,样品均投点于S型花岗岩区域内,与上述推断相符。

图8 连山关地区混合花岗岩Zr-TiO2判别图解(底图据文献[19])Fig.8 Zr vs.TiO2discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

图9 连山关地区混合花岗岩A/MF-C/MF图解(底图据文献[20])Fig.9 A/MF vs.C/MF discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

在A/MF-C/MF图解上(图9),该混合花岗岩样品投点于变质泥岩部分熔融区和变质砂岩部分熔融区的交界部位,表明混合花岗岩主要由地壳成熟度较高的变泥质和变砂质岩石部分熔融形成,即源岩为中、上地壳酸性岩石,并非来源于下地壳中性岩类。在Ca-Fe-Mg判别图解(图10)上,样品投点于壳源区域内,证明白色混合花岗岩源岩为壳源物质。此外,样品CaO/Na2O一般＜0.3,个别Cao/Na2O＞0.3,可以推断其源岩以泥质岩石为主,少量为长英质岩石[22]。

4.2 成岩环境

将连山关白色混合花岗岩标准矿物含量投至Q-Ab-An图解(图11)中,该白色混合花岗岩成岩温度约为800℃,岩石形成的压力基本＜1 000 bar (100 MPa)。

图10 连山关地区混合花岗岩Ca-Fe-Mg判别图解(底图据文献[21])Fig.10 Ca-Fe-Mg discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

图11 连山关地区混合花岗岩Q-Ab-An图解(底图据文献[23])Fig.11 Q-Ab-An discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

连山关白色混合花岗岩产于塔里木—华北板块内的华北陆块北缘东段,胶辽隆起带太子河—浑江坳陷、辽东—吉南早元古代裂谷北缘,华北板块和环太平洋板块俯冲带结合部位。北东向深大断裂发育,火山岩浆活动发育,经历了从太古宙至新生代复杂的构造演化,不同演化阶段形成了不同的构造形迹及构造组合反映不同的动力学机制和运动学特征。依据岩石组合、建造与改造反映的地壳演化过程,可划分为鞍山旋回、吕梁旋回、晋宁旋回、加里东—海西旋回、印支旋回、燕山旋回、喜山旋回7个构造旋回。

太古宙时期主要在深层次构造应力作用下,形成一系列塑性流变构造组合,反映这一时期由“小洋板块—陆壳增生—克拉通化”的全部过程。古元古代早期,基性岩浆侵入,代表太古宙克拉通裂陷引张的构造环境[24]。

前人研究[25]表明,特定岩石的化学成分可反演其形成时的构造环境,混合花岗岩形成的构造环境对研究其成因具有指导意义。混合花岗岩可产出于多种构造环境,在不同构造背景下,岩浆物质组成和温压条件不同,导致岩浆在形成机制、分异程度及运移方式等方面表现出不同的特点。

图12 连山关地区混合花岗岩微量元素构造环境判别图解(底图据文献[26])Fig.12 Trace element discrimination diagrams showing the tectonic settings of migmatitic granites in the Lianshanguan area WPG-板内花岗岩;syn-COLG-同碰撞花岗岩;VAG-火山弧花岗岩;ORG-洋脊花岗岩

在微量元素构造环境判别图解(图12)上,样品均投点于同碰撞—火山弧花岗岩区。该组判别图中的区域仅严格反映源区性质,无法反映构造形态[27]。相关研究表明[28],二者之间存在连续的谱系,即后造山构造环境,代表松弛伸展的构造环境,这与古元古代早期连山关地区处于太古宙克拉通裂陷引张的构造环境[24]一致。

5 结 论

(1)连山关地区混合花岗岩具有高硅、高钾、低钛的主量元素地球化学特征,属于钙碱性系列的准铝质—过铝质花岗岩类。稀土元素及微量元素地球化学特征表明该区混合花岗岩具有S型花岗岩特点,其源岩为中上地壳的酸性岩石。

(2)连山关白色混合花岗岩可能形成于太古宙克拉通裂陷引张的构造环境。

(3)本文仅讨论连山关地区混合花岗岩的岩石地球化学特征,初步判断其形成的构造环境,研究方法具有局限性,建议今后开展同位素测年及流体包裹体等相关研究。

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Geochemical characteristics and tectonic environment of migmatitic granites in the Lianshanguan area,Liaoning Province

WANG Qing-xi1,WU Di1,LÜZhi-ping1,LI Wen-hui
(1.NO.240 Research Institute of Nuclear Industry,Shenyang 110032,China; 2.NO.203 Research Institute of Nuclear Industry,Xianyang 712000,China)

The uranium deposit in the Lianshanguan area,which occurs in the Precambrian strata,is one of the few unconformity-type uranium deposits in China.This study carried out geochemical analysis of the Lianshanguan migmatitic granite.The geochemical characteristics of the main elements and trace elements indicate their petrogenesis and tectonic setting.The migmatitic granites belong to high Si and alkali, low Ti calc-alkalic series rocks,characterized by high REE content(enrichment of LREE),moderately negative Eu anomaly,relatively enrichment of U,La and P and depletion of Ba,Ta,Nb,Sr and Ti.The study shows that the migmatitic granites are characteristic of S-type granite.The protolith is the felsic rocks derived from the middle and upper crust and the migmatitic granite may be formed at the tectonic setting of rifting and extension of the Archean craton.

migmatitic granite;goechemical characteristics;S-type granite;tectonic environment; Lianshanguan

P588.12+1

A

2096-1871(2017)02-108-09

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.02.004

2016-05-26

2016-06-28 责任编辑:谭桂丽

中国核工业地质局“辽宁省本溪县连山关—祁家堡铀矿普查(项目编号:201163)”资助。

王庆喜,1988年生,男,工程师,主要从事铀矿地质勘查工作。