河北张三营富铌碱长花岗岩和花岗斑岩锆石U-Pb年代学及其地质意义*

杨瑞，王鹏，孙志辉，胡华斌，魏浩，段站站，李亮**

（1华北地质勘查局五一四地质大队，河北承德067000；2河北省战略性关键矿产资源重点实验室河北地质大学，河北 石家庄050031）

关键金属（Critical metals）涵盖了传统概念中“三稀”矿产（稀有、稀土和稀散），还包括一些稀少贵金属（铂族元素等）。这些关键金属在各类新兴产业中具有广泛用途，其中铌、钽是化工、军火、钢铁等工业的重要原材料，在能源、航天、微电子和医疗领域具有不可替代性，在国际资源战略中占有重要地位（毛景文等，2019；蒋少涌等，2019；李建康等，2019；翟明国等，2019）。中国铌、钽矿床多属内生型（花岗岩型、碱性岩型、碳酸岩型和伟晶岩型），主要分布于华南地区（赣、粤、湘），在内蒙古、新疆、川西和冀北等地也有发现（王汾连等，2012；李建康等，2019；周涛发等，2020）。近年，华北克拉通北缘稀有金属勘查力度逐年加大、勘查成果显著并取得重大突破，探明多个大型稀有金属矿床及多处矿化点（苗群峰等，2018；郭佳磊等，2019），张三营富铌碱长花岗岩就是其中之一。张三营富铌碱长花岗岩矿床位于河北隆化县北部，2017年预查工作圈定3处铌矿化综合异常区（王鹏，2018），铌最高品位达0.10%。该区基础地质研究薄弱，成岩及矿化时代尚不清楚。本文在矿床地质特征研究的基础上，报道了张三营富铌碱长花岗岩及其伴生花岗斑岩（脉）锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄，厘定张三营富铌碱长花岗岩的成岩时代，结合区域已发表的年代学数据探讨，该区稀有金属矿床的成矿动力学背景，并为区域后续稀有金属找矿工作提出了建议。

1 区域地质背景及矿区概况

冀东地区是燕辽金钼铜多金属成矿带和华北克拉通北缘铌钽成矿带的重要组成部分，是中国北方重要的成矿区域之一（代军治，2008；贾三磊，2011；李建康等，2019），其大地构造位置处于华北克拉通北缘中段（图1a），北邻中亚（兴蒙）造山带，是古亚洲洋和古太平洋2个大成矿域叠加复合构造区。研究区（图1b）出露下元古界红旗营子群姜营子组角闪斜长片麻岩、上侏罗统张家口组凝灰岩、下白垩统义县组安山岩、下白垩统九佛堂组粉砂岩、中新统汉诺坝组玄武岩以及全新统砾石和松散沉积物。中、酸性侵入岩有花岗闪长岩，分布在研究区东北部，西部也有零星出露，侵入下元古界或中生界中；碱长花岗岩分布在研究区的中部（图1b），侵入侏罗系中；石英正长斑岩位于碱长花岗岩北部，呈带状分布（图1b），侵入碱长花岗岩和侏罗系中。研究区构造分为褶皱和断裂2种。研究区北部姜营子组片麻岩、中部张家口组和中、酸性侵入岩整体上处于枢纽近NE向的背斜隆起部位，两翼主要为白垩系，皱褶总体走向受区域NE向主断裂控制。区内分布数条近平行的NE向断裂，见于研究区的北部和东部，它们控制着区内红旗营子群片麻岩和中、酸性侵入岩的总体展布方向（图1b）。

研究区富铌碱长花岗岩大面积出露，面积约为100 km2，侵入侏罗系中，其内部见侏罗系顶垂体（图1b）。富铌碱长花岗岩以浅红色为主，花岗结构，块状构造，主要矿物为石英和条纹长石，次要矿物为黑云母。依据矿物粒度和是否具有晶洞构造，可将岩体划分为中粗粒晶洞碱长花岗岩、中粗粒碱长花岗岩和中细粒碱长花岗岩3个岩相带，中细粒碱长花岗岩带位于岩体中偏北部，与成矿关系密切（图2a）。数量众多、类型不一的脉岩侵入碱长花岗岩内部，包括花岗斑岩脉、玄武安山岩脉、闪长岩脉、细粒花岗岩脉及伟晶岩脉等，岩脉总体呈NE或NW向展布。研究区断裂构造不发育，但岩体内部见有多条近平行的NW向破碎带，最长一条地表延伸约500 m，破碎带宽6~12 m，倾向NE，倾角60°~70°。碱长花岗岩体整体富铌，在岩体西北部圈定出一处高品位富铌区域（图2a），围岩为低品位的碱长花岗岩，二者呈渐变过渡关系。高品位富铌碱长花岗岩地表呈脉状、透镜状，地表断续出露长度约370 m，厚度为1.33~1.51 m，倾向112°~121°，倾角66°~67°（图2a、b）。高品位富铌碱长花岗岩为中细粒半自形粒状结构，块状构造，主要由石英、条纹长石和少量黑云母组成，含铌矿物主要为铌钽矿物（铌铁锰矿）和铌钽金红石（图3），二者均呈不规则粒状，浸染状分布于岩石中，粒度为0.05~0.10 mm，铌铁锰矿多见于石英和条纹长石粒间，而铌钽金红石多被包裹在黑云母中，常见于黑云母解理缝中。铌（钽）最高品位达0.10%，平均品位为0.07%~0.08%。围岩蚀变见有钾化、硅化、钠长石化和云（绢）英岩化，还发育晚阶段的高岭土化和绿泥石化，铌钽矿化与钠长石化和云（绢）英岩化关系密切。

图1 华北克拉通构造位置简图(a，据Zhu et al.,2015修编）和河北张三营地区区域地质图(b，据王鹏，2018修编）Fig.1 Tectonic sketch of the North China Craton(a，modified after Zhu et al.,2015)and Regional geological map of Zhangsanying area,Hebei Province(b，modified after Wang,2018)

2 样品特征及实验方法

本文用于测年的碱长花岗岩和脉状花岗斑岩均采自研究区野外露头，其中20TS-1和20TS-2两个样品采自岩体边部，距高品位富铌碱长花岗岩较远；20TS-3样品采自B7勘探线处，采样位置见图2a。花岗斑岩（20TS-1），呈灰白色，脉状侵入碱长花岗岩（20TS-2）中（图4a），具斑状结构、块状构造，斑晶矿物包括有石英（10%）、碱性长石（10%）和少量斜长石（5%），呈自形-半自形（1~2 mm），基质显微结构由长英质矿物组成（图4c、f、g）。碱长花岗岩（20TS-2和20TS-3），呈浅红色（图4b、d、e），中粒半自形粒状结构、块状构造，主要矿物为石英（30%~35%）和条纹长石（60%~65%），次要矿物为黑云母（5%），副矿物见有萤石、锆石、磁铁矿、铌钽金红石及铌铁（锰）矿等（图3a、b，图4h、i）。

图2 研究区地质简图（a）和B5勘探线剖面图（b）（据王鹏，2018修编）1—全新统；2—侏罗系凝灰岩；3—粗粒晶洞碱长花岗岩；4—中粗粒碱长花岗岩；5—中细粒碱长花岗岩；6—石英正长斑岩；7—闪长岩；8—花岗斑岩；9—细粒花岗岩；10—高品位富铌碱长花岗岩；11—勘探线及编号；12—采样位置；13—钻孔Fig.2 Geological sketch map（a）and the number B5 exploration line（b）(modified after Wang,2018)1—Holocene;2—Jurassic tuff;3—Medium-to coarse-grained geode alkali feldspar granite;4—Medium-to coarse-grained alkali feldspar granite;5—Fine-to medium-grained alkali feldspar granite;6—Quartz syenite porphyry;7—Diorite;8—Granite porphyry;9—Fine-grained granite;10—High grade Nb-enriched alkali feldspar granite;11—Exploration line and number;12—Sample location;13—Drill hole

锆石分选及制靶工作由廊坊拓轩岩矿检测服务有限公司完成；锆石阴极发光（CL）和矿物背散射图像采集工作在河北地质大学实验中心完成，仪器为日本JEOL公司JXA-8230电子探针；锆石测年在河北地质大学区域地质与成矿作用重点实验完成，LAICP-MS分析仪器为THERMO-ICAP RQ型等离子质谱仪（ICP-MS）和RESOlution S-155激光剥蚀系统。激光波长193 nm；激光剥蚀频率：8 Hz；激光能量密度：3 J/cm2；激光束斑直径：29 mm。剥蚀前采集10 s的空白，每测试8个点进行2次国际标准锆石91500标样校正，国际标准锆石GJ-1和Plešovice作为监控盲样，标样数据已参照相关文献（Jackson et al.,2004；Sláma et al.,2008），数据可靠；测试数据处理采用Iolite v3.1软件进行同位素比值及元素含量计算（Paton et al.,2010），测试精度以1σ表示，锆石年龄计算及相关图解采用Isoplot/Ex_ver 3完成（Ludwig,2003）。

3 实验结果

花岗斑岩和碱长花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb测年数据见表1，锆石CL图像见图5a、b。

表1 张三营花岗斑岩和碱长花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb测年结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the Zhangsanying granite porphyry and alkali-feldspar granite

花岗斑岩（20TS-1）中锆石内部见有清晰的扇形分带结构或岩浆振荡环带结构（图3a，20TS-1-09除外），这些锆石具岩浆锆石特点（Vavra et al.,1996;Rubatto et al.,2000；吴元保等，2004）。依据锆石UPb年龄（图4a）、岩相学特征和Th/U比值，将样品20TS-1锆石划分为3组：第Ⅰ组锆石自形粒状（60~120 μm），长宽比2∶1~2.5∶1，CL图像颜色较暗，内部见清晰的扇形分带结构（20TS-1-12为岩浆振荡环带结构），Th/U比值为1.42~2.42，加权平均年龄为（141.5±2.3）Ma（n=8）；第Ⅱ组锆石自形、半自形粒状（50~95 μm），长宽比1.5：1~2：1，CL图像颜色较暗，内部见清晰的扇形分带结构（20TS-1-17为岩浆振荡环带结构），Th/U比值为1.61~2.47，加权平均年龄为（132.4±1.2）Ma（n=12）；第Ⅲ组锆石仅有1颗为20TS-1-09，锆石自形粒状，长约80 μm，长宽比1.5∶1，CL图像中显示亮白色，内部结构不清晰，206Pb/238U年龄为（90.0±4.6）Ma，该年龄可能记录了晚白垩世的一次岩浆-构造热事件。

20TS-2样品中锆石CL图像（图3b，20TS-2-7除外）显示，样品中锆石自形-半自形，部分锆石不完整但多数可见清晰的岩浆振荡环带结构，这些锆石具岩浆锆石特点。依据锆石U-Pb年龄（图4b）、岩相学特征和Th/U比值，将样品20TS-2锆石划分为3组：第Ⅰ组锆石自形粒状（80~135 μm），长宽比1.3∶1~2∶1，CL图像颜色偏暗，部分锆石核部显示扇形分带，但锆石边部均可见振荡环带结构，Th/U比值为0.48~1.93，加权平均年龄为（141.4±1.8）Ma（n=11）；第Ⅱ组锆石自形半自形粒状（80~120 μm），长宽比1.2∶1~2∶1，CL图像表明该组锆石内部结构与第Ⅰ组锆石相同，Th/U比值为0.59~2.14，加权平均年龄为（126.5±1.5）Ma（n=8）；第Ⅲ组锆石仅有1颗为20TS-1-07，锆石他形粒状，长约80 μm，长宽比1.2∶1，CL图像为亮白色，内部结构不清晰，206Pb/238U年龄为（1215.2±245.1）Ma，该年龄谐和度低，可能是锆石铅丢失所至，不具地质意义。

图3 张三营铌（钽）矿物背散射图像a.铌钽金红石赋存于黑云母中；b.铌铁锰矿赋存于石英颗粒之间Fig.3 Nb(Ta)mineral backscattered electron image from Zhangsanyinga.Nb-Ta rutile occurred in biotite;b.adelpholite occurred among quartzs

20TS-3样品中的锆石粒度（85~140 μm）明显大于前2个样品，内部结构复杂，部分锆石不完整（图3c），依据锆石U-Pb年龄（图4c）、岩相学特征及Th/U比值，将锆石划分成2组：第Ⅰ组锆石自形半自形粒状或板柱状，长宽比1.5∶1~2∶1，多数锆石CL图像颜色偏亮，内部结构以振荡环带结构为主，也存在扇形结构（20TS-3-11和20TS-3-13）和核边结构（20TS-3-03/04、20TS-3-17和20TS-3-20），除此之外，20TS-3-18的CL图像颜色偏亮，内部结构不清晰，该组锆石Th/U比值1.07~2.28，加权平均年龄为（124.2±1.5）Ma（n=19）。锆石20TS-3-03/04的核部Th/U比值为0.17，206Pb/207Pb年龄为（1820±20.7）Ma，应属继承锆石残留核；第Ⅱ组锆石仅有2颗，自形板柱状，CL图像上颜色偏暗，见有明显振荡环带结构，Th/U比值分别为0.94和0.23，对应的206Pb/207Pb年龄分别为（2469±21.3）Ma和（2628±66.7）Ma。

图4 张三营铌花岗斑岩和碱长花岗岩野外露头、手标本及显微照片a.花岗斑岩（20TS-1）野外露头；b.碱长花岗岩（20TS-3）野外露头；c.花岗斑岩手标本（20TS-1）；d.碱长花岗岩手标本（20TS-2）；e.碱长花岗岩手标本（20TS-3），见紫色半自形萤石；f、g.花岗斑岩（20TS-1）斑状结构（＋）；h.碱长花岗岩（20TS-2）半自形粒状结构（-）；i.碱长花岗岩（20TS-3）半自形粒状结构（-）Fig.4 The Zhangsanying granite porphyry and alkali feldspar granite field outcrop and petrographic picturesa.Field outcrop picture of the granite porphyry(sample 20TS-1);b.Field outcrop picture of the alkali feldspar granite(sample 20TS-3);c.Hand specimen picture of the granite porphyry(sample 20TS-1);d.Hand specimen pictures of the granite porphyry(sample 20TS-2);e.Hand specimen pictures of the granite porphyry(sample 20TS-3)showing purple subhedral fluorite;f，g.Porphyritic texture of the granite porphyry(sample 20TS-1)(+);h.Granitic texture of the alkali feldspar granite(sample 20TS-2)(-);i.Granitic texture of the alkali feldspar granite(sample 20TS-3)(-)

4 讨论与结论

4.1 成岩时代

本次研究的花岗斑岩和碱长花岗岩3个样品锆石U-Pb年龄给出了早白垩世约141 Ma和132~124 Ma两组年龄（图6），表明张三营花岗斑岩和富铌碱长花岗岩形成于早白垩世。结合野外观察，花岗斑岩侵入碱长花岗岩中，且它们具有相似的过铝质花岗岩地球化学特征（数据待发表），说明二者具有成因上的联系，推测花岗斑岩（脉）为碱长花岗岩浆晚期分异形成。

通常认为一个简单的花岗岩体（非复式花岗岩体）形成时间应在1 Myr以内（Petford et al.,2000；王孝磊，2017）；对于规模较大的花岗质岩体来说，岩浆作用深部及演化过程更加复杂，多期次的岩浆注入形成的复式岩体从岩浆形成至结晶成岩的持续时间可达10 Myr以上（Cottam et al.,2010;Davis et al.,2012;王孝磊，2017）。刘祥等（2019）报导了藏东晚三叠世东措花岗岩基年龄在235~200 Ma，数十余百万年的演化与岩浆的多期次聚集作用相关。本文研究的张三营富铌碱长花岗岩体锆石记录了约141 Ma和132~124 Ma两组年龄年龄，其跨度近10 Myr，虽然张三营花岗岩体为非复式岩体，但笔者还是倾向于将其形成过程解释为岩浆多期次聚集作用。张三营碱长花岗岩整体具富铌（钽）的特征，是分异程度较高的过铝质花岗岩，即初始岩浆可能已经是演化程度较高的花岗质岩浆，这类花岗质岩浆即使再历经较长时间的演化，早期结晶与晚期结晶形成的花岗岩相比，他们岩性相同，在传统花岗岩分类方案下均属于碱长花岗岩，这可能是张三营岩体为非复式的原因。

野外地质特征显示，花岗斑岩（20TS-1）侵入碱长花岗岩（20TS-2）中，其形成年龄应晚于碱长花岗岩，然而单一样品锆石数据却显示花岗斑岩的形成年龄（（132.4±1.2）Ma；图6a）略早于周围的碱长花岗岩最终形成年龄（（126.5±1.5）Ma，图6b）。锆石CL图像表明20TS-1和20TS-2样品第Ⅱ组锆石的形态、粒度及内部结构相近（图5），笔者认为花岗斑岩和碱长花岗岩锆石数据给出的132~126 Ma年龄均指示岩浆晚期结晶分异这一地质事件。本文采用锆石LA-ICP-MS技术进行U-Pb测年，误差约为1%或更高（李献华等，2015），考虑锆石U-Pb年龄数据的误差值，锆石记录的年龄可以看作是一个连续变化的过程，部分锆石可能不是在侵位深度结晶的，而是在上升和侵位过程中发生了循环和重组（刘祥等，2019）。因此，样品20TS-1和20TS-2采自岩体边部（图2a），测得的约为141 Ma年龄可代表碱长花岗岩的结晶年龄，花岗斑岩与其周围的碱长花岗岩形成于132~126 Ma；样品20TS-3中的锆石只记录了（124.2±1.5）Ma年龄，该样品采自岩体西北部（图2a），紫色粒状萤石普遍存在于岩石中，且可见钠长石化及云（绢）英岩化围岩蚀变和数条伟晶岩脉，20TS-3碱长花岗岩的地质特征表明其为岩浆演化最晚阶段的产物，（124.2±1.5）Ma为碱长花岗岩的最终形成年龄。

图5 张三营花岗斑岩和碱长花岗岩锆石阴极发光图像a.样品20TS-1；b.样品20TS-2；c.样品20TS-3Fig.5 Zircon cathodoluminescence images of the Zhangsanying granite porphyry and alkali feldspar granitea.Sample 20TS-1；b.Sample 20TS-2；c.Sample 20TS-3

图6 张三营花岗斑岩和碱长花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图Fig.6 Zircon U-Pb concordia diagrams of the Zhangsanying granite porphyry and alkali feldspar granite

续表1Continued Table 1

样品20TS-3第Ⅱ组锆石206Pb/207Pb年龄分别为（2469±21.3）Ma和（2628±66.7）Ma，该年龄与区域内红旗营子群时代吻合（胡学文等，1996；王惠初等，2012；陶光活等，2020），推测岩浆侵位过程中同化混染了红旗营子群。此外，20TS-3样品中20TS-3-04早元古代继承锆石核的206Pb/207Pb年龄为（1820±20.7）Ma，该年龄的地质意义目前不详，依据锆石岩相学和Th/U比值特征，笔者推测该年龄可能代表碱长花岗岩源区年龄或该年龄为混合年龄不具有实际意义，后续锆石Hf同位素研究工作将进一步讨论。

4.2 区域成矿特点与成矿动力学背景

李建康等（2019）系统总结了中国主要铌钽矿床时、空分布特征，除松潘-甘孜铌钽成矿带和藏南-滇西铌钽成矿带外，其他铌钽成矿带均具有成矿时间跨度大特点；并提出与过铝质花岗岩有关的铌钽矿床主要形成于褶皱造山带，矿床的形成是造山过程某一阶段的产物，往往经历了多期次造山活动（Thompson，1999）。华北克拉通北缘及周边地区具有独特的地质演化历史和成矿条件（任继舜等，1990；沈保丰等，2001；翟明国，2010），该铌钽成矿带内与碱性岩和碳酸岩密切相关的稀有金属矿床长期以来倍受关注，如内蒙古白云鄂博（Liu et al.,2020;Ni et al.,2020）、辽宁赛马（鞠楠等，2019；邬斌等，2020）、内蒙古巴尔哲（杨武斌等，2011；Yang et al.,2020）等，近些年又新探明了内蒙古石灰窑（孙艳等，2015；段先哲等，2016）、内蒙古赵井沟（Wei et al.,2020；Wu et al.,2020）等与碱性岩有关的稀有金属矿床。此外，河北花市铷锂铌矿床（苗群峰等，2018）和河北窟窿山铌钽矿（点）床（郭佳磊等，2019）均为过铝质花岗岩型稀有金属矿床，说明华北克拉通北缘铌钽成矿带内除碱性岩和碳酸岩型外，也存在过铝质花岗岩型稀有金属矿床。由此可见，本区铌钽等稀有金属矿床种类多样、成矿过程复杂。

毛景文等（2003）提出华北克拉通北缘及周边地区中生代金属矿床大规模成矿作用发生在200~160 Ma、约140 Ma和130~110 Ma三个时期。研究表明，早白垩世以来华北克拉通北缘及周边地区已由碰撞造山构造背景逐渐转为伸展松弛阶段，伸展背景下岩石圈减薄和克拉通破坏过程利于壳幔物质再循环及下地壳岩石部分熔融形成富硅、富钾的高分异花岗岩及相关成矿作用发生（任继舜等，1990；沈保丰等，2001；翟明国，2010）。本文锆石U-Pb定年结果表明，张三营富铌碱长花岗岩形成时代为早白垩世（（124.2±1.5）Ma），即与上文提及的河北窟窿山铌钽矿床（复式碱长花岗岩体锆石U-Pb年龄为（129.4±1.5）Ma和（134.0±1.7）Ma，郭佳磊等，2019）均形成于伸展松弛阶段构造背景下，这种构造体制可能与古太平洋板块俯冲折返作用有关（毛景文等，2003）。

华北克拉通北缘铌钽成矿带（或向西延伸至塔里木克拉通）内分布的碱性岩和碳酸岩型铌钽矿床的成矿时代主要是海西期和印支期（290~220 Ma，李建康等，2019），如辽宁赛马成矿时代为晚三叠世（黑云母40Ar/39Ar坪年龄为（222.5±1.1）Ma，钟军等，2020）、新疆波孜果尔成矿时代为早二叠世（锆石U-Pb年龄为290~279 Ma，刘春花等，2014；Huang et al.,2014）等。随着精确测年数据的报道，燕山期伸展构造背景下形成的碱性岩型铌钽等稀有金属矿床也是华北克拉通北缘铌钽成矿带不可忽视的，如内蒙古巴尔哲稀土稀有金属矿床成矿年龄为123~122 Ma（王一先等，1997；John et al.,2001;丘志力等，2014；Yang et al.,2014;陈金勇等，2019）；内蒙古赵井沟铌钽矿床成矿年龄为127~126 Ma（Wu et al.,2020）和134~131 Ma（Wei et al.,2020）。综上所述，本文的研究成果不仅为华北克拉通北缘铌钽成矿带内燕山期铌钽成矿动力学背景提供了重要年代学制约，也为该成矿带今后的稀有金属矿产找矿提供了新方向。

致谢锆石测年工作得到河北地质大学区域地质与成矿作用重点实验张焱杰的帮助；成稿过程中得到李建康研究员、邹思远博士、李超博士及两位匿名审稿专家的建设性修改意见，在此表示诚挚的谢意。