华北克拉通南缘小秦岭地区花岗质片麻岩年代学和地球化学特征及其地质意义

2021-02-16喻光明路英川田光昊

现代地质 2021年6期

谢亘，喻光明，路英川,3，冯欣，田光昊，王然，王建

(1.中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心，河北廊坊 065000；2.中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心，北京 100055;3.中国地质调查局地球物理调查中心，河北廊坊 065000;4.卡迪夫大学地球与海洋科学学院，威尔士卡迪夫 CF10 3AT)

0 引言

A型花岗岩最初由Loiselle和Wones在1979年提出[1]，定义为碱性(alkaline)、无水(anhydrous)和非造山(anorogenic)的“3A”特点花岗岩，具有独特的地球化学特征，形成于特定的地质背景。从化学成分上，它们普遍具有富碱，高Fe/(Fe+Mg)、Ga/Al、Rb/Sr和HFSE，贫Ca、Fe和Mg，强烈亏损Eu、Sr、Ba、P和Ti，且Eu负异常明显的特点，包括幔源、壳源和壳-幔混合等多种源区属性[2-6]。从地质背景上，A型花岗岩的产生通常与伸展的构造背景有关，如与大陆裂谷和与地幔柱有关的板内非造山环境(非造山型)、与陆-陆碰撞后或与俯冲作用有关的环境(后造山型)[7-10]。因此，A型花岗岩的研究对于揭示区域壳幔相互作用及大地构造演化具有非常重要的指示意义。

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，记录了世界上几乎所有主要的前寒武纪地质事件，作为我国出露面积最大和最古老的陆块，华北克拉通早前寒武纪基底的形成及演化备受关注[11]。翟明国等认为华北克拉通分别在2.60～2.53 Ga和1.95～1.82 Ga经两次克拉通化形成现在的规模，可依据重要的古老构造边界的识别将其划分为7个不同的微陆块[12]。Zhao等认为华北克拉通由东部陆块和西部陆块沿中部造山带碰撞贴合而成，西部陆块从新太古代开始向东部陆块持续俯冲，在1.85 Ga左右华北克拉通两陆块沿中部造山带碰撞拼合并最终形成稳定统一的克拉通[13]。沈其韩等2005年统计了华北克拉通早前寒武纪结晶基底中大量锆石的精确同位素定年结果[14]，认为华北克拉通经历了约2.5 Ga和约1.8 Ga两次重大构造-岩浆-热事件，其年龄范围为2.60～2.45 Ga和1.90～1.75 Ga。上述学者的观点反映了古元古代晚期岩浆事件在华北克拉通及其内部广泛存在，但不同学者对于华北克拉通基底的拼合时间和方式存在不同的观点。小秦岭地区位于华北中部造山带南段，是研究华北克拉通南缘演化的关键地区，对其研究不仅有助于深入了解华北克拉通古元古代构造演化特征，同时对于华北克拉通东西陆块碰撞时间的厘定也具有重要意义。

小秦岭地区太华岩群变质岩是该区金矿的主要赋矿围岩，该区累计探明的500多t金资源储量主要赋存于该套岩石中，对太华岩群的研究历来深受重视。而位于小秦岭北侧的大湖金钼矿床围岩-花岗质片麻岩，是研究太华岩群的理想对象，弄清其形成和变质时代以及岩石成因和构造环境，可以为丰富华北克拉通南缘古元古代岩浆事件提供资料，也为探讨华北克拉通南缘古元古代可能经历的构造演化过程提供重要信息。

1 地质背景和样品特征

小秦岭地区位于华北克拉通南缘(图1 (a))，西起陕西华山，东至河南灵宝—朱阳盆地西北边缘，南北两侧分别以小河断裂带和三宝断裂带为界(图1(b))[17]。区内主要出露地层为早前寒武纪(太古宙—古元古代)太华群中深变质火山-沉积岩系[18]，太华群为华北克拉通块体南缘的地质单元，其中豫西小秦岭地区太华杂岩主体是花岗质片麻岩[19]；由于该区各类岩石遭受多期的塑性变形和高级变质作用，导致小秦岭地区的太华杂岩原岩识别和划分非常困难[20]。周汉文等1998年通过分析发现该区片麻岩为正片麻岩，并进一步证明小秦岭地区太华杂岩中花岗质片麻岩的原岩为岩浆侵入岩[19]。区内多期岩浆活动强烈，出露面积较大的有中元古代桂家峪二长花岗岩(全岩Rb-Sr等时线年龄为(1 642±30)Ma[21])和小河花岗岩(锆石U-Pb年龄为(1 748±25)Ma[22])以及若干中生代中酸性侵入岩，包括华山黑云母二长花岗岩、文峪和娘娘山花岗岩体。

图1 华北克拉通划分模式图及研究区位置((a),据文献[13]修改)、研究区在小秦岭金矿区位置示意图((b),据文献[15]修改)及大湖金钼矿床地质简图((c),据文献[16]修改)Fig.1 Subdivisions of the North China Craton,showing the study area location ((a),modified from reference [13]),the study area location in the Xiaoqinling gold field ((b),modified from reference [15]),and simplified geological map of the Dahu Au-Mo deposit ((c),modified from reference [16])

本次分析的4件样品采自大湖金钼矿床坑道550中段的F7矿体及其围岩(采样位置见图1 (c),井下照片见图2(a))。其中样品F7-017采自F7矿体的氧化矿体矿石(图2(c))，矿脉呈灰白色，矿石为石英脉型辉钼矿、黄铜矿、黄铁矿型的钼金矿，背散射图像中可见辉钼矿主要以片状赋存在黄铁矿、石英的裂隙中或沿石英颗粒边界分布，片径大小主体约50 μm(图2(d))；样品F7-037、F7-039、F7-040采自F7矿体上盘的花岗质片麻岩(图2(b))，岩石整体呈灰红色，具变余花岗结构、鳞片状粒状变晶结构，片麻状构造，主要由钾长石、石英、斜长石及少量角闪石、绢云母组成，岩石中可见近水平的薄层钼矿化，年龄样DHF7由样品F7-037、F7-039、F7-040合并组成。对这4件样品进行了主量、微量元素测试分析，并对DHF7年龄样进行SIMS锆石U-Pb 定年分析。

图2 大湖金钼矿床F7矿体及围岩照片Fig.2 Photos of F7 orebody and wallrock in the Dahu Au-Mo deposit

2 测试方法

被挑选的锆石与锆石标样Plěsovice被制作成环氧树脂靶，锆石阴极发光图像在中国科学院地质与地球物理研究所LEO1450VP扫描电子显微镜下拍摄完成。锆石U-Pb 定年在中国科学院地质与地球物理研究所离子探针实验室的多接收Cameca IMS 1280二次离子质谱仪完成。详细的分析方法见文献[23]。锆石标样与锆石样品以1∶3 比例交替测定。U-Th-Pb同位素比值用标准锆石 Plěsovice (206Pb/238U年龄337.3 Ma[24])校正获得，U含量采用标准锆石91500 (81×10-6[25])校正获得，以长期监测标准样品获得的标准偏差 (1SD=1.5%[26])和单点测试内部精度共同传递得到样品单点误差，以标准样品 Qinghu (159.5 Ma[23])作为未知样监测数据的精确度。普通Pb校正采用非放射性成因的204Pb值。同位素比值及年龄误差均为1σ。数据结果处理采用Isoplot软件[27]。

全岩主量、微量元素(含稀土元素)的测试分析分别在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室Phillips PW2400 X-ray荧光光谱仪和VG-PQII ICP-MS上完成，主量元素测试精度优于5%，微量和稀土元素精度约5%，详细测试步骤可参见文献[28]。

3 结果分析

3.1 锆石U-Pb年龄

花岗质片麻岩(DHF7)锆石多为浅黄色、无色，半透明，锆石粒径50～200 μm，形态有的较完整有的不完整。阴极发光照片上多具有明显的核边结构，核部具有振荡环带，显示岩浆锆石特征，边部形状不规则，CL图像亮度较高，显示出变质成因的特征(图3)。

图3 大湖金钼矿床围岩锆石阴极发光图片和测点位号、分组及对应的年龄值(Ma)Fig.3 Representative zircon CL images of wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit,their analysis spot number,group type,and U-Pb ages (Ma)

选取13颗锆石进行了20个点的分析(表1)，结合CL图像和U-Pb年龄将锆石分为两组，并分别在U-Pb年龄谐和图上形成上下交点(图4(a))。第Ⅰ组锆石分析了5个数据点，U含量在250×10-6～464×10-6之间，Th含量在93×10-6～146×10-6之间，Th/U值在0.22～0.42之间(>0.1)，显示岩浆锆石的特征[29]，得到的上交点年龄为(2 455±59 Ma)(n=5，MSWD =0.96)(图4 (b))，代表了花岗质片麻岩原岩的形成年龄；第Ⅱ组锆石分析了13个数据点，位于锆石变质成因的边部，U含量在97×10-6～1 418×10-6之间，Th含量在6×10-6～2 623×10-6之间，Th/U值在0.22～1.85之间，变化大，得到的下交点年龄为(1 821±31)Ma(n=13，MSWD=0.33)(图4 (c))，代表了晚期的变质年龄。除了这两组之外，点DHF7-7和DHF7-16落在谐和线上，207Pb/206Pb的年龄分别为(1 955.3±6.4)Ma和(2 180.7±3.5)Ma,可能记录了两期主构造-热事件之间的地质事件。

图4 大湖金钼矿床围岩综合锆石U-Pb一致曲线图(a)和SIMS U-Pb谐和年龄图(b)(c)Fig.4 Zircon U-Pb age plots (a)and SIMS zircon U-Pb concordia diagrams (b)(c)of wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit

表1 大湖金钼矿床围岩SIMS锆石U-Pb分析结果Table 1 Results of SIMS zircon U-Pb isotope data of the wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit

3.2 全岩主量和微量元素

4个样品的元素地球化学分析如表2所示，主量元素分析结果显示，围岩总体高硅(SiO2=71.53%～75.99%)，富碱(K2O+Na2O=7.59%～9.53%)，高K2O/Na2O比值(0.89～6.69)、低MgO(0.08%～0.30%)、CaO(0.69%～1.28%)、P2O5(0.01%～0.04%)和MnO(0.01%～0.02%)。变质岩原岩恢复对于认识变质岩的成因，了解变质岩特征具有重要意义。在变质岩SiO2-TiO2图解(图5 (a))中，样品主体落在火成岩区，表明小秦岭地区太华群变质岩的原岩为岩浆岩。

在TAS图解中F7矿脉围岩落于花岗岩区域，其A/CNK值范围为0.83～1.00，A/NK值范围为0.9～1.1，因此F7矿体围岩的原岩为过碱质花岗岩(图5(b))。由于F7-017采自氧化矿体中，受成矿流体影响，与围岩相比其SiO2含量较低，但TFe2O3、MgO、CaO含量明显高于围岩。

图5 F7矿脉围岩原岩恢复图解((a),底图据文献[31])和A/CNK-A/NK图解((b),底图据文献[32])(S35矿脉围岩结果来自笔者未刊数据)Fig.5 Discrimination diagrams of SiO2-TiO2 ((a),from reference [31])and A/CNK versus A/NK ((b),from reference [32])for wallrocks of the F7 vein (wallrock data of the S35 vein from authors’unpubl.data)

这4个样品的微量元素数据见表2，其中过碱质花岗岩(围岩)的稀土元素总量(REE)为218×10-6～287×10-6。在球粒陨石标准化稀土元素分配模式图(图6 (a))中，样品总体上展示出相似的平滑右倾型特征，轻、重稀土分异明显(La/Yb)N平均值为119.8，以及明显的Eu负异常(δEu平均值为0.49)。在微量元素原始地幔标准化蛛网图上(图6 (b))，过碱质花岗岩围岩显示Rb、Th、K等大离子亲石元素富集，以及Sr、Ti、P和Nb等元素的亏损，说明过碱质花岗岩在岩浆演化过程中可能存在长石、磷灰石和Fe-Ti氧化物等矿物的强烈结晶分异作用。F7-017(矿体)的稀土和微量元素配分样式与围岩有很好的相关性，指示矿体的成矿物质可能源于太华群围岩，与前人认为该矿床成矿流体以变质水为主、金及矿质来源为围岩太华群的认识[30]相一致。

图6 大湖金钼矿床围岩球粒陨石标准化稀土元素配分图 ((a),标准化值据文献[34])和原始地幔标准化微量元素蛛网图((b),标准化值据文献[34])Fig.6 Chondrite-normalized REE diagram (a)and primitive mantle-normalized multi-element diagram (b)for wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit (Normalizing values from reference[34])

表2 大湖金钼矿床矿石和围岩全岩主量元素(%)和微量元素(10-6)含量Table 2 Whole-rock major (%)and trace element (10-6)contents for the ores and wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit

4 讨论

4.1 成岩年龄和变质年龄

对F7矿体围岩组合样品DHF7，采用Cameca IMS 1280型离子探针分析技术获得岩浆锆石(I组)的上交点年龄为(2 455±59)Ma，代表了原岩形成的年龄。考虑 Cameca IMS 1280 型离子探针分析数据的可靠性，认为过碱质花岗岩的形成时代为2 450 Ma 左右。获得变质锆石(Ⅱ组)下交点年龄为(1 821±31)Ma，代表了晚期构造-热事件的年龄，可以认为后期的变质事件发生在1 820 Ma左右。

小秦岭地区属于华北克拉通南缘前寒武纪基底重要组成部分，具有与华北其他地方基本相同的基底和盖层[33,35]。华北克拉通广泛发育的2.5 Ga左右和1.8 Ga左右两次重大构造-岩浆-热事件在小秦岭地区也有体现，如小秦岭少华山英云闪长岩侵位年龄约为2.5 Ga，花岗片麻岩变质年龄约为1.8 Ga[36]；草滩英云闪长片麻岩的侵位年龄约为2.5 Ga，其变质年龄约为1.9 Ga[37]；陕西潼关花岗片麻岩侵位年龄约为2.4 Ga[38]；华山的泥质麻粒岩的变质年龄约为1.8 Ga[39]；中条山TTG质片麻岩的原岩活动年龄约为2.5 Ga[40]。

本文同时获得的过碱质花岗岩成岩和变质年龄，与华北克拉通南缘广泛存在的2.5 Ga和1.8 Ga岩浆活动的时间较为一致，在小秦岭北矿带属于首次报道。根据对于全球花岗岩和碎屑锆石U-Pb年龄统计结果显示，全球岩浆活动在 2.45～2.20 Ga 存在明显的间断[41]，据此称之为全球陆壳演化的“沉寂期”。随着近年来研究工作的深入，在华北克拉通南缘小秦岭太华杂岩在所谓的全球陆壳“沉寂期”的岩浆活动异常发育[42]，本文提到的过碱质花岗岩的成岩年龄可能就是“沉寂期”不寂静的岩浆活动。

4.2 岩石成因

过碱质花岗岩以高 SiO2、富碱以及低 Al2O3、CaO、MgO 和 P2O5为特征，富集 LILEs，亏损 HFSEs 和具有强烈的 Sr、P、Ti亏损，不同于 I 型花岗岩和 S 型花岗岩的地球化学特征(图6)；大湖矿床围岩-花岗质片麻岩在A/CNK-A/NK图解上投在过碱质区域(图5)，具有传统意义A型花岗岩的典型特征，同时具有较高的Ga(15.2×10-6～18.2×10-6)含量以及相对低的Rb含量(139×10-6～227×10-6)，这些特征均明显区别于高分异I型花岗岩，后者通常表现为Rb含量>270×10-6以及低的Ga含量，指示样品为A型花岗岩[43]。在花岗岩成因类型判别图解 (图7 (a)和(b))上，过碱质花岗岩样品均落入A 型花岗岩区域。上述研究表明，大湖金钼矿体花岗质片麻岩原岩为A型花岗岩。

图7 大湖金钼矿床围岩10000Ga/Al对(K2O+Na2O)、K2O/MgO图解((a)(b)，底图据文献[7])以及Nb-Y-Ce和Nb-Y-3Ga图解((c)(d)，底图据文献[3])(S35矿脉围岩结果来自笔者未刊数据)Fig.7 Granite discrimination plots of 10000Ga/Al vs.(K2O+Na2O)and K2O/MgO ((a)(b),from reference [7]),ternary Nb-Y-Ce and Nb-Y-3Ga ((c)(d),from reference [3])from wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit (wallrock data of the S35 vein from authors’unpubl.data)A.A型花岗岩;I.I型花岗岩；S.S型花岗岩；A1.非造山型花岗岩；A2.后造山型花岗岩。图(a)中，另有一个S35矿脉围岩样品投于A型花岗岩区域，因其K2O+Na2O>13，未显示

4.3 构造背景

F7矿体围岩-花岗质片麻岩原岩为A型花岗岩，指示其与伸展构造背景密切相关，形成于造山后或非造山的大陆裂谷环境[10]。Eby在1992年基于不同A型花岗岩在微量元素组成特征上的差异将其进一步划分为A1和A2型花岗岩[3]，前者代表幔源熔体的分离结晶成因，通常形成于非造山的大陆裂谷或大陆板内构造环境；后者则反映地壳部分熔融的成因模式，通常形成于造山后的构造环境。F7矿体围岩的原岩在A型花岗岩判别图解(图7 (c)和(d))上，均投点在A1型花岗岩的区域内，表明其形成于非造山的大陆裂谷或大陆板内构造环境。结合年代学证据，推测大湖金钼矿体花岗质片麻岩的原岩(A型花岗岩)的形成与稳定大陆形成后的裂解有关，可能指示了华北南缘在新太古代晚期(约2.5 Ga)克拉通化后经历了一次重要的陆壳生长。由于在华北克拉通南缘广泛出露中—新太古代结晶基底，如太华群和登封群，其锆石U-Pb年龄主要介于3.0～2.5 Ga之间[36]，这些中—新太古代古老基底物质的部分熔融可能是大湖金钼矿床花岗质片麻岩的源区组成。推测约2.45 Ga时在华北克拉通南缘已经进入板内演化阶段，幔源岩浆可能主要提供了热源，2.5 Ga时强烈的碰撞-造山-伸展过程在2.45 Ga左右已经结束。

1.85 Ga的变质作用事件是华北克拉通西部陆块和东部陆块沿华北中部造山带最终碰撞形成统一基底的结果，目前已取得一致的认识[13]。大湖金钼矿床花岗质片麻岩位于华北克拉通中部带内，本次测定的约1.82 Ga变质年龄便是对本次古元古代晚期造山后伸展事件的响应。