冀南西石门铁矿金云母Rb-Sr等时线年龄及其地质意义

2021-08-11唐玉莹白富生金雅楠范琳琳王吉中张聚全

河北地质大学学报 2021年3期

唐玉莹，秦超，白富生，金雅楠，范琳琳，王吉中，张聚全

河北地质大学，河北石家庄 050031

邯邢地区的富铁矿是中国重要的铁矿类型，该矿集区目前已发现100多个规模不等的铁矿床[1]，具有高品位、规模大、成矿元素单一等特点。目前，该地区的矿床成因还存在一定争议[1-6]。关于年龄方面的研究，成岩年龄较多，成矿年龄较少。精确地测定成矿年龄，对于正确认识矿床成因、成矿规律、控矿因素以及找矿勘探等具有重要意义。因此，本次研究从冀南邯邢地区最典型的大型西石门铁矿床中选取了含金云母的蚀变岩进行Rb-Sr等时线测年，测了5个样品获得了较好的等时线，目的是确定西石门铁矿的成矿年龄，进而探讨邯邢式铁矿的多期成矿模式。

1 区域地质背景

测区位于华北板块中部（图1a），太行山南部东侧山区向平原过渡区。区域地层、出露岩体自北西向南东发育（如图1b），地层由老到新，岩体呈中偏基性—中性—中偏碱性—碱性过渡。主要岩体的产出受控于三条隐伏的东西向或北西西向的基底断裂带与北北东向或南北向深大断裂的交汇部位[8]。岩浆活动集中在燕山期呈多期侵入，根据前人同位素年龄研究[9]，将岩浆活动主要分为两期134 Ma和127 ～ 131 Ma。岩体侵位机制特征主要为气球膨胀式（如矿山岩体）与顶蚀就位（符山岩体）[10]。岩浆岩的成分特征富Na，产状以层状、似层状、复杂形态的岩株为主。区内铁矿资源丰富，分布在测区中部与西部带（如图1b），与中奥陶世地层和闪长—二长岩侵入岩组合关系密切。而西石门、白涧、中关、北洺河等大型铁矿都分布在中部带，与二长岩联系更加密切[8]。

图1 （a）华北克拉通（据文献[7]修改）；（b）邯邢地区区域地质图（据文献[8]等修改）Fig.1 （a） Tectonic map for the North China Craton；（b） Regional geological map of the HanXing area

2 矿床地质特征

2.1 基本地质特征

西石门铁矿体围岩为中奥陶统峰峰组及马家沟组灰岩，总厚度232 m。其中最佳矿化区出现在马家沟组二段、三段（图2）。铁矿体的产出受NNE-NE向褶皱、NNE向断裂和接触带控制[8]。与成矿相关的侵入岩包括134 ～ 127 Ma碱性正长岩、闪长岩、二长岩和石英二长岩体[9]。岩体呈层状，由南东沿中奥陶统各组灰岩向北西方向侵位。

图2 西石门铁矿床地质图（据文献[13]修改）Fig.2 Geological map of Xishimen iron deposit

2.2 矿体特征

西石门矿床由28个独立矿体组成。矿体形态完全受接触带控制，大型矿体以层状、似层状为主，主要分布在中奥陶统灰岩层与矽卡岩蚀变闪长岩接触带内；其他小型矿体，呈透镜状、扁豆状、囊状和不规则状分布在灰岩层之间或接触带附近的岩浆岩内。

2.3 围岩蚀变

除钠长石化外，邯邢地区广泛发育金云母矽卡岩，后者是强成矿的有利标志[11]。钠长石化强度与成矿规模呈正比，主要包括两个世代，前者以平面层状分布，范围大、面积广，偶有出现在裂缝中，与成矿作用有关；后者以细脉状分布，贯入式叠加于早期钠长石化岩体之中，晚于铁矿化作用。矽卡岩化带主要由金云母和透辉石组成，往往与磁铁矿体重叠。金云母明显存在两个世代，前者呈鳞片状与磁铁矿共生；后者以细脉状出现[12]。

2.4 矿石特征

矿石主要矿物为磁铁矿，副矿物为黄铁矿、黄铜矿、假象赤铁矿、少量的磁黄铁矿、斑铜矿和辉铜矿。脉石矿物包括矽卡岩矿物（透辉石，透闪石，金云母，阳起石，绿泥石，绿帘石）、方解石和硅酸盐矿物（长石和石英）。矿石构造以致密块状、浸染状、条带状为主[7]，其中块状矿石品味最高，其次为侵染状、条带状矿石，磁铁矿含量分别为80%、60%、55%，TFe分别为68.26% ～ 45%、50% ～ 45%、45% ～ 30%[13]。

3 样品特征及测试方法

3.1 样品特征

本次研究对冀南邯邢地区西石门铁矿区金云母矽卡岩进行显微镜下特征分析（图3），可见样品呈不等粒粒状变晶结构，主要矿物组合为金云母、斜长石、透辉石、磁铁矿等。单偏光镜下特征显示（图3a），金云母呈浅绿—浅黄白色、具自形—半自形片状、一组极完全解理、闪突起较明显、弱多色性。斜长石呈无色板状、两组完全解理、正低突起。透辉石呈无色短柱状、横截面多为四边形和八边形，两组近正交完全解理，纵切面长方形，一组完全解理，正高突起、常见裂理。矿石矿物磁铁矿呈他形粒状、浅灰微带浅褐色、具蚀变或交代残余结构、无解理。正交偏光显微镜下特征（图3b），金云母干涉色为二—三级，且鲜艳，部分蚀变为靛蓝异常干涉色的叶绿泥石，平行消光、正延性。斜长石具有明显的聚片双晶、斜消光、干涉色为一级灰。透辉石干涉色最高为二级蓝绿—橙黄、横截面多对称消光。磁铁矿为均质矿物，全消光。总体来看，斜长石被金云母、磁铁矿等交代；磁铁矿与透辉石接触处显不规则。磁铁矿以侵染状分布在以金云母为主的矽卡岩中，绿泥石交代金云母分解出许多粉末状铁氧、钛氧（粉末状和毛松状金红石等）。

图3 西石门铁矿金云母矽卡岩样品的显微照片Fig.3 Microscopics of phlogopite skarn samples in Xishimen iron deposit

3.2 测试方法

对与磁铁矿伴生的金云母进行了Rb-Sr等时线测年的研究。为了达到Rb-Sr测年要求，样品测试前需进行金云母的挑纯与草测，具体步骤如下：（1）对矽卡岩样品进行了破碎，双目镜下挑选金云母单颗粒至纯度（>99%）；（2）将挑纯的金云母用蒸馏水清洗和低温烘干后待测；（3）对纯净的金云母单矿物在ICP-MS上完成草测，以挑选Rb、Sr含量均较高的金云母样品。最终结果表明，有5件金云母样品满足Rb-Sr测年要求。

Rb、Sr含量和同位素测试工作在天津地质调查中心的Triton上完成，测试方法采用ID（Isotope Dilution）与IC（Isotope Concentration）双流程分析测试程序。具体流程参考文献廖震文等2015[14]。标样NBS987：87Sr/86Sr = 0.710245 ± 0.000035，BCR-2：87Sr/86Sr = 0.704958 ± 0.000030。等时线拟合计算用Isoplot[15]，87Sr/86Sr比值误差给定0.00025，87Rb/86Sr年龄误差为0.2，置信度95%。

4 结果

对邯邢地区西石门铁矿金云母Rb-Sr测试分析结果见表1。w（Rb）为383.2156 ～ 490.9537 µg / g，w（Sr）为8.8124 ～ 76.3707 µg / g。实验结果如图4，选取的金云母矽卡岩中与磁铁矿伴生的5个金云母样品在87Rb/86Sr -87Sr/86Sr图上具有良好的线性关系（图4），拟合的直线方程为y = 0.0018x + 0.68964，相关系数R2= 1，计算得到（87Sr/86Sr）i值为0.68964 ±0.00028，等时线年龄为126.12 ± 0.44 Ma（n = 5，MSWD = 0.75）。测年结果精确厘定了西石门铁矿的主成矿年龄为126.12 ± 0.44 Ma，即为早白垩世。

图4 西石门铁矿金云母的Rb-Sr等时线年龄Fig.4 Rb-Sr isochron age for phlogopite from the Xishimen iron deposit

表1 邯邢地区西石门铁矿Rb-Sr同位素分析结果Table 1 Rb-Sr isotopic analysis results of Xishimen iron deposit in Hanxing area

5 讨论

5.1 成矿时代

本次研究得出的西石门铁矿的蚀变岩中金云母Rb-Sr年龄与魏宏飞等[16]测得武安杂岩体中二长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄127.0 ± 1.1 Ma相接近。根据前人的前期工作表明，与铁矿有关的武安杂岩体主要形成于127 ～ 134 Ma（二长岩127 ～ 131 Ma、闪长岩U-Pb年龄为134 Ma）[9]。武安岩体中闪长岩体的成岩时代与西石门铁矿石中金云母的40Ar-39Ar测年确定的133.1 ± 1.3 Ma成矿年龄一致[12]。除分析误差外，西石门铁矿的成矿作用时间基本约为126 Ma和133 Ma，与两期岩浆作用高峰时间一致。与野外地质现象中铁矿体存在穿插关系[17]的宏观证据相吻合。

重要的是，本研究报告的年龄数据与华北陆块边缘、甚至与中国东部的岩浆成矿高峰时间一致。年龄也与NCC岩石圈减薄或破坏的峰值时间一致[9,18]。表明126 Ma可能是该矿床的主要成矿时代，发生在岩浆热液演化的晚期，而133 Ma可能为此次大规模成矿作用发生的前奏，在岩浆热液演化早期发生了小规模的成矿作用。

5.2 成矿模式

西石门铁矿位于板块内部，远离俯冲带，由于岩浆岩、围岩蚀变、矿化类型、岩体和矿体产状方面的特点被归类为邯邢式铁矿。典型的邯邢式铁矿成矿模型[1-6,11]为构造背景、成矿作用的时空关系和岩浆热液演化关系提供了有力的解释。根据本文对西石门铁矿的研究，邯邢地区铁矿的形成多与碱性—钙碱性中酸性侵入岩有关，大型的成矿多形成于二长—闪长质岩浆系统。结合前人对邯邢式铁矿成矿模型的研究，笔者试图通过成矿年代学研究，建立NCC减薄或破坏背景下邯邢式铁矿两期岩浆—热液成矿模型（图5）。

图5 西石门铁矿成矿模式图Fig.5 Metallogenic model of Xishimen iron deposit

本文研究获得的年龄数据表明岩浆-热液成矿期为126 Ma和133 Ma。这与NCC破坏高峰一致[19]。在133 Ma成矿期：（1）岩石圈减薄导致地幔岩石圈部分熔融形成基性岩浆。[6，18-19]（2）基性岩浆一部分通过底侵作用熔融加厚下地壳底部形成酸性岩浆，并定位于10 ～ 20 km形成中性闪长质岩浆房，该过程经历了岩浆的混合、同化、存储、均一；另一部分通过深大断裂被动侵位至地壳变质基底形成基性岩浆房或与闪长质岩浆房混合被同化。（3）由于角闪石的结晶分异作用或外来碱性流体注入[20]，地壳深部岩浆房活化开始快速上升侵位，于134 Ma最终定位在地壳下约2.1 km[21]，出溶成矿流体与碳酸盐地层发生交代，经过约1 Ma，形成铁矿体。

在126 Ma成矿期：由于早期角闪石的大量结晶，深部闪长质岩浆房内变为二长质岩浆。由岩浆到热液成矿：（1）岩石圈减薄导致深部岩浆房经历了快速上升侵位。（2）于127 Ma最终侵位在约5 km[21]处形成二长岩，与早期闪长岩组成杂岩体。出溶的成矿流体交代早期岩体发生“钠化去铁”，继承了岩浆高氧逸度特征的成矿流体与碳酸盐发生矽卡岩化，经过约1 Ma，形成大规模磁铁矿床。