吉林敦化塔东铁矿床赋矿岩石地球化学、锆石U<br/>--Pb年代学及其地质意义

吉林敦化塔东铁矿床赋矿岩石地球化学、锆石U
--Pb年代学及其地质意义

2021-09-24商青青郝宇杰任云生

世界地质 2021年3期

商青青，郝宇杰, 2，任云生, 3

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061；2.吉林大学自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，长春 130061；3.防灾科技学院地球科学学院，河北三河 065201

0 引言

塔东矿床是一个以铁为主，伴生磷、硫、钒、钴的大型铁矿，位于敦化—密山断裂与西拉木伦—长春断裂交汇处(图1a)。近年来关于塔东铁矿的研究不断增加，不同学者对于其成矿地质作用及过程有着不同的观点，但多缺乏准确的同位素证据和系统全面的研究分析[1--5]。李庆武等[1]根据塔东铁矿的含铁岩系为新元古代塔东岩群，认为其成矿时代为新元古代；王枫[2]仅从碎屑锆石的角度将拉拉沟组的原岩沉积时代限定在新元古代中期和晚奥陶世—晚志留世，但并未对原岩进行研究分析；邵建波等[3]根据塔东铁矿变质成因黄铁矿的Re--Os同位素年龄，认为主成矿期为早古生代；武晗[4]认为塔东铁矿热液叠加成矿受矿区西部岩体控制，而将叠加成矿时代限定为华力西期的晚志留世—早泥盆世；孟杰等[5]根据塔东铁矿赋矿岩系的锆石U--Pb年龄，认为塔东铁矿的形成与早寒武世大规模的岩浆--热液活动有关。

本次以塔东铁矿赋矿岩石--黑云钾长片麻岩为研究对象，通过对其岩石地球化学和锆石U--Pb年代学特征进行系统全面的研究，结合前人研究基础，进一步对塔东铁矿的原岩建造类型、成矿构造背景和成矿时代进行判别，从而揭示该矿床的成矿过程及成因类型，为进一步找矿工作提供科学依据，同时也为研究区域内地质演化及成矿规律提供理论支持。

1 成矿地质背景

塔东矿床地处兴蒙造山带东段，敦化—密山断裂与西拉木伦—长春断裂交汇处，松嫩—张广才岭地块东南缘(图1a)。区内出露地层主要为塔东群，总体呈近南北走向的单斜构造，向东倾斜，倾角约70°，局部西倾，内部褶曲构造发育(图1b)，自下而上又可分为拉拉沟组和朱敦店组。其中底部拉拉沟组分布面积较小，主要为斜长角闪岩、磁铁斜长角闪岩、斜长角闪片麻岩、透辉斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩、透辉斜长片麻岩、长英质片麻岩及浅粒岩等，底部被英云闪长岩侵入。顶部朱敦店组分布略广，主要为黑云斜长片麻岩、黑云变粒岩、透辉角闪片麻岩、斜长角闪岩及二云石英片岩夹大理岩等，被花岗闪长岩侵入。区内岩浆活动频繁，主要为大面积出露的古生代花岗岩，局部燕山期花岗岩和闪长岩体呈孤岛状分布其中。拉拉沟组是区内主要的含铁层位，其北段已发现了镜泊湖铁矿床、南段已发现了塔东铁矿床。

2 矿床地质特征

拉拉沟组上段(Pt3l2)是矿区的主要赋矿层位，其东侧被塔东群朱敦店组变质岩覆盖，西侧被加里东晚期英云闪长岩[8]侵入(图1b)，主要岩性为斜长角闪岩、黑云斜长角闪片麻岩、透辉斜长角闪片麻岩、长英质片麻岩和黑云变粒岩，夹磁铁矿层。

图1 塔东铁矿床大地构造位置图(a)(底图据文献[6]修改)及矿区地质图(b)(据文献[7]修改)Fig.1 Tectonic sketch map of location (a) and geological sketch (b) of Tadong iron deposit

塔东矿床现发现矿体42条，均赋存于塔东群拉拉沟组，呈近南北向展布、倾向东的厚薄不等的层状、似层状或透镜状。矿体底板围岩岩性较为复杂，以斜长角闪岩为主，次为斜长角闪片麻岩、长英质片麻岩和变粒岩等。其中，赋存于拉拉沟组上段的Ⅱ号矿组主矿体较多且规模较大，延长550 ～1 000 m，延深255～1 020 m，厚度2.14～23.39 m，一般为5～15 m。矿体全铁品位20.43%～29.52%，平均25.35%。矿体走向近南北向，具舒缓波状特征，倾向50°～100°，倾角50°～88°，均呈单斜产出。

塔东铁矿的赋矿岩石类型主要有斜长角闪岩、透辉斜长片麻岩、黑云钾长片麻岩及黑云角闪二长变粒岩等，主要矿石类型为磁铁角闪岩型。矿石构造以条带状、块状构造为主，次为片麻状构造(图2a)；结构以细粒变晶结构为主。

矿石中金属矿物以磁铁矿为主，次为黄铁矿(分为早、晚期)、钛铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿和闪锌矿等(图2b～d)；非金属矿物以普通角闪石为主，其次为黑云母、斜长石、钾长石、绿泥石、透辉石、透闪石和绿帘石等。

磁铁矿以两种状态赋存于矿石中，一种主要与早期黄铁矿、磁黄铁矿一起呈块状、条带状或片麻状产出(图2a、b)，部分与钛铁矿一起呈块状产出(图2c)；另一种主要以细脉状或星点状分布于岩石裂隙中。早期黄铁矿主要呈条带状或片麻状与磁铁矿接触连生；晚期自形黄铁矿主要呈脉状、稀疏浸染状或星点状产于蚀变强烈部位，周围未见磁铁矿(图2d)。热液蚀变类型主要包括绿泥石化、绿帘石化、硅化、碳酸盐化、绢云母化和泥化等。

根据野外地质调查和岩矿石显微镜下分析，塔东铁矿形成过程可初步分为沉积变质期和热液期，早期主要为磁铁矿、钛铁矿、早期黄铁矿和磁黄铁矿，晚期主要为晚期黄铁矿、黄铜矿和闪锌矿。

3 样品描述及测试方法

对矿区内拉拉沟组上段赋矿岩系中的黑云钾长片麻岩(样品号为TD--29)进行主微量元素和LA--ICP--MS锆石U--Pb测年分析，样品的取样位置为128°33′52.3″E，43°54′04.3″N(图1)。

黑云钾长片麻岩：片麻状构造，细粒变晶结构，主要由40%条纹长石、25%石英、20%斜长石、8%黑云母、5%微斜长石、2%金属矿物和少量的绿泥石组成。其中金属矿物为钛铁矿、磁铁矿、针铁矿和少量的黄铁矿，部分钛铁矿与磁铁矿共生，局部发生绢云母化和高岭土化(图2e～f)。

黑云钾长片麻岩的主微量元素测试在中国地质大学(北京)科学研究院实验中心完成。主量元素测试分析采用Leeman Prodigy ICP--OES(美国)等离子体质谱仪分析完成，大部分检测精度优于1%；微量元素测试分析采用美国Agilent 7500a型等离子体质谱仪完成，分析精度优于5%。

锆石单矿物的挑选、制靶、透射光照相以及阴极发光(CL)图像均由河北省廊坊市诚信地质服务有限公司完成。锆石U--Th--Pb同位素测试及微量元素分析在吉林大学自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室完成，采用COMPExPro型193 nm ArF准分子激光器和Agilent 7900型等离子体质谱仪完成，束斑直径32 μm，每测定5个样品点测定一个锆石91500和一个NIST 610，年龄计算以标准锆石91500为外标进行同位素比值分馏校正，元素浓度计算采用NIST 610作外标，Si作内标[9]，同位素比值及年龄误差均为1σ。其具体试验测定过程见文献[10]。锆石同位素数据相关处理用Glitter 4.0完成，运用Anderson进行普通铅校正[11]，运用Isoplot 3.0计算锆石加权平均值[12]，并绘制锆石U--Pb年龄谐和图。

4 分析结果

4.1 岩石地球化学特征

黑云钾长片麻岩的主量元素中SiO2>70%，Al2O3>10%，Na2O+K2O<8%，TFe2O3>2%，CaO≥1%，MgO<1%，MnO≤0.05%，P2O5≤0.05%(表1)。微量元素原始地幔标准化蛛网图表明(图3a)，其在微量元素组成上具有富集Th、K、La、Nd、Sm、Zr、Gd，而亏损U、Nb、Ta、Sr、P、Hf、Ti的特征。稀土总量(∑REE)含量较大，介于(404.59～485.70)×10-6，LREE/HREE为7.84～9.70，(La/Yb)N为5.08～8.35，表明其轻重稀土分馏明显，轻稀土元素相对富集；Ce异常不明显(δCe=1.00～1.03)，而Eu负异常明显(δEu=0.29～0.34)，表明成矿物理化学条件为还原环境。从稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(图3b)上，也可以看出其稀土配分模式为右倾型(轻稀土富集型)。

表1 塔东铁矿黑云钾长片麻岩主量元素(10-2)和微量元素(10-6)分析结果

图3 塔东铁矿黑云钾长片麻岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)和稀土元素球粒陨石标准化配分图(b)[13,16]Fig.3 Primitive-mantle-normalized trace element patterns (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) of biotite k-feldspar gneiss from Tadong iron deposit

图4 塔东铁矿黑云钾长片麻岩锆石U--Pb谐和年龄图以及CL图像Fig.4 Concordia U--Pb ages and cathodoluminescence (CL) images of zircon grains from biotite k-feldspar gneiss in Tadong iron deposit

4.2 锆石U--Pb测年结果

黑云钾长片麻岩锆石颗粒较大，多呈自形长柱状，长约110～165 μm，长宽比为1.20～2.75，阴极发光下呈灰黑色，具有明显的岩浆震荡环带，为典型的岩浆锆石[15]；少量锆石具有残留核，残留核阴极发光较强，呈亮灰白色，具岩浆环带，也应为岩浆成因(图4a)。

结合锆石CL图像和U--Pb谐和年龄图，除去个别较不和谐的年龄数据，可将锆石测年数据分成两组，分别为核部继承锆石年龄和岩浆锆石年龄。

黑云钾长片麻岩中4个核部继承锆石年龄分别为(2 023±22)Ma、(1 085±23)Ma、(1 024±26)Ma和(868±19)Ma；稀土总量(∑REE)、Th和U的质量分数分别为(1 365.49～4 137.76)×10-6、(48.93～206.58)×10-6和(91.69～511.55)×10-6，Th/U值为0.38～0.83，Ce正异常(δCe=2.21～12.29)及Eu负异常(δEu=0.02～0.27)明显(表2，图4a)。19个岩浆锆石测点206Pb/238U年龄范围为713～732 Ma，较为集中，206Pb/238U加权平均年龄为(725.6±7.4) Ma(MSWD=0.062)；稀土总量(∑REE)、Th和U的质量分数分别为(2 832.38～6 021.73)×10-6、(68.01～228.13)×10-6和(328.65～1 083.82)×10-6，Th/U值为0.08～0.41，Ce正异常(δCe=1.32～64.20)及Eu负异常(δEu=0.00～0.14)明显(表2，图4b)。

5 讨论

5.1 赋矿岩石原岩建造类型

黑云钾长片麻岩中以钾长石、石英和斜长石为主，长石多呈板柱状沿解理方向生长，为典型的岩浆成因特征，表明其原岩很可能为中酸性岩浆岩；黑云母多呈绿色，且未见特征变质矿物，表明其变质程度不高。黑云钾长片麻岩中SiO2>70%，Na2O+K2O<8%，TFe2O3>2%，CaO≥1%，MgO<1%，可以看出其主量元素含量与中酸性岩浆岩基本一致。

由于黑云钾长片麻岩变质程度不高，且高场强元素稳定性好，基本不受蚀变或变质作用影响，故运用主量元素与高场强元素相结合的方式对其进行原岩恢复和构造判别分析可信度较高。前人多利用尼格里值及其他数值、造岩元素含量及比例关系、微量稀土元素的相关判别图解以及相应的函数判别式来进行正副变质岩的区分和原岩类型的恢复判断[17]。本次采用多种判别图解和判别式相结合的方式，对黑云钾长片麻岩进行原岩恢复与分析，以达到相互验证的目的，从而确保结果的准确性。所用判别图解和判别式主要为DF函数判别式[14]、si--mg图解[17]、P2O5/TiO2--MgO/CaO图解[17]和Zr/TiO2×0.0001--Nb/Y图解[18]。

根据针对SiO2>53.5%的变质岩所建立的DF函数判别式[14]，5个样品的DF3值有正有负，且正值居多(表1)。在原岩恢复图解上，5个样品依次落在火成岩与沉积岩边界附近且趋向沉积(图5a)、正副片麻岩界限附近且正片麻岩区域居多(图5b)和流纹英安岩/英安岩区域(图5c)。

图5 塔东铁矿黑云钾长片麻岩原岩恢复图解(a～c)和构造判别图解(d)Fig.5 Diagrams of protolith restoration (a～c) and tectonic environment discrimination (d) of biotite k-feldspar gneiss from Tadong iron deposit

塔东铁矿拉拉沟组的原岩建造类型较为复杂，普遍存在“基性火山喷发--火山碎屑岩--钙质页岩沉积建造”和“中基性凝灰岩--凝灰质粉砂岩--钙质页岩沉积建造”两种认识[1，3--4]。结合本文研究，可以推断黑云钾长片麻岩的原岩类型很可能为流纹质--英安质火山凝灰岩。此外，黑云钾长片麻岩中的锆石形态特征与凝灰岩[19--20]中的锆石相吻合，这进一步表明其原岩恢复的准确性。

5.2 赋矿岩石形成时限

黑云钾长片麻岩中锆石多呈自形长柱状，阴极发光下呈灰黑色，具明显的岩浆环带；少量锆石具有残留核，核部阴极发光较强，呈亮灰白色，具岩浆环带，均为典型的岩浆成因锆石[15]。两者在稀土元素含量上相差不大，主要表现为稀土元素球粒陨石标准化配分图基本一致。

锆石U--Pb测年结果显示，4个核部岩浆成因继承锆石测点年龄分别为(2 023±22)Ma、(1 085±23)Ma、(1 024±26)Ma和(868±19)Ma，与前人对塔东群变质岩石中的锆石U--Pb测年结果中较老的岩浆成因锆石年龄相对应[2,5]，表明该地区在元古宙(2 045～850 Ma)曾发生过多次岩浆事件。19个岩浆锆石测点206Pb/238U年龄为713～732 Ma，加权平均年龄为(725.6±7.4)Ma，代表了该地区塔东群拉拉沟组上段黑云钾长片麻岩的原岩形成时间，同时也表明该区在新元古代中期(～725 Ma)发生过一次岩浆活动，且塔东铁矿的形成与该期岩浆事件有着密切的联系。前人对塔东群拉拉沟组的锆石年代学研究中，也曾得到～725 Ma的原岩形成年龄[2，8]，这进一步佐证了此次锆石测年结果的可信性。

5.3 成矿构造背景

运用花岗岩的Hf--Rb/30--Ta×3判别图解[21]对黑云钾长片麻岩进行投图分析，发现样品落于火山弧花岗岩区域(图5d)，表明其原岩形成于以拉斑玄武岩为主的大洋岛弧或以钙碱性玄武岩为主的大洋岛弧或活动大陆边缘构造背景下。结合其在微量元素组成上具有明显亏损Ti、Nb、Ta的特征(TNT异常)，符合典型的岛弧岩浆特征，故黑云钾长片麻岩的原岩很可能形成于以拉斑玄武岩为主或以钙碱性玄武岩为主的大洋岛弧构造背景下。

前人对拉拉沟组上部赋矿岩性段的岩石地球化学特征研究表明，塔东铁矿赋矿岩系具有海底中基性火山喷发--火山碎屑交替沉积的特征，形成于与板块俯冲体系有关的岛弧或活动大陆边缘构造背景下[22]。

综上所述，黑云钾长片麻岩的原岩很可能形成于与板块俯冲有关的大洋岛弧构造背景下，这也间接指示了塔东铁矿沉积时的构造背景。

塔东铁矿东临佳木斯地块，北接松嫩--张广才岭地块(图1a)，所在区域内新元古代地质体出露较少，导致关于区域内前寒武纪地质演化的研究程度极低[2]，此次对塔东铁矿成矿构造背景的研究对于探讨区域内前寒武纪地质演化具有重要意义。

5.4 塔东铁矿成因类型

通过对塔东铁矿的野外地质调查和岩矿石显微镜下观察研究，发现塔东铁矿形成过程大致可分为沉积变质期和热液期，早期主要为磁铁矿、钛铁矿、早期黄铁矿和磁黄铁矿，晚期主要为晚期黄铁矿、黄铜矿和闪锌矿。

对塔东铁矿主成矿期矿石中的磁铁矿和黄铁矿的电子探针分析结果显示，磁铁矿成因类型有岩浆岩型、火山岩型及沉积变质型，黄铁矿具有火山热液和变质热液的特点，说明主成矿期的磁铁矿和黄铁矿都是火山沉积变质作用的产物[3]。塔东铁矿的变质成因黄铁矿Re--Os年龄为(401±41)Ma[3]，而侵入到塔东铁矿赋矿层位--拉拉沟组的未经变质的英云闪长岩形成于(426±6)Ma[2，8]，表明区内拉拉沟组在早志留世—晚志留世期间发生过一次重要的变质作用，且该期变质事件与塔东铁矿的形成有着密切的联系。

结合本文及前人研究工作[2--3,8]，新元古代中期以来，塔东地区发生多次基性--中酸性火山事件，形成原始的含铁沉积建造层；早志留世—晚志留世，受区域变质作用影响，区内沉积建造层遭受变质改造，形成变质赋矿层；古生代以来，随着岩浆的不断侵入，使区内部分岩层遭受热液作用，生成晚期金属硫化物。

通过与位于华北板块边缘的和龙地区官地铁矿、鞍山地区弓长岭铁矿以及朝鲜茂山铁矿等国内外典型BIF型铁矿(图1a)的对比研究表明(表3)，塔东铁矿与它们的相同点主要表现为：赋矿变质岩系的原岩以基性--中酸性火山岩--火山碎屑岩为主，变质程度均为角闪岩相--绿片岩相的中级或中低级区域变质，矿体均主要呈层状产出，矿石矿物均主要以磁铁矿为主，构造背景为弧后盆地、岛弧或活动大陆边缘环境，成因类型均以火山沉积变质型为主；而不同点主要表现为：塔东铁矿的矿石类型为条带状磁铁角闪岩，而非磁铁石英岩；成矿时代为新元古代中期，而非新太古代。

表3 塔东铁矿与相邻地区BIF型铁矿对比

塔东铁矿沉积成矿时代为新元古代中期，比邻区BIF型铁矿晚约18亿a，时间上相差较远；同时其矿石类型为条带状磁铁角闪岩，未见磁铁石英岩，与邻区BIF型铁矿相差较大。故塔东铁矿与邻区BIF型铁矿虽然在成矿地质条件、矿床地质特征、成矿构造背景和成因类型等方面基本相似，但因其成矿时代较晚、矿石类型特殊，而并不能将其归属于传统意义上的BIF。综上，塔东铁矿矿床成因类型应为火山沉积变质型。