华北南缘小秦岭小河岩体锆石U-Pb定年及地质意义

2021-10-20庞绪成韩迪纵瑞段启超张岩张鑫

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年6期

庞绪成，韩迪，纵瑞，段启超，张岩，张鑫

(1.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000；2.河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院，河南郑州 450003)

0 引言

华北南缘小秦岭地区是我国的金银等矿产主要成矿区。大量研究认为，花岗岩与区内的金银成矿关系密切，花岗岩体不仅控制着矿床的规模大小、产出位置，而且提供了成矿所需的成矿流体和物质来源等，直接或间接控制着矿床的成因类型[1-5]。长期以来确定岩体的侵位年龄是研究区域矿床成矿机制及作用的重要方向。小秦岭有娘娘山、文峪、华山、小河等4种主要花岗岩体，其中大部分金银矿形成时间与燕山晚期花岗岩相近：娘娘山岩体Rb-Sr和K-Ar全岩等时线年龄分别为135.3，102.3 Ma，二长花岗岩U-Pb年龄为(141.7±2.5)Ma；文峪岩体二长花岗岩U-Pb年龄为(138.4±2.5)Ma；华山复式岩基中大夫峪岩体粗粒黑云母二长花岗岩U-Pb年龄为(142.6±1.4)Ma[6-11]。

有关小河岩体的年龄目前争议较大，主要有：(1)根据小河岩体与高山河组的关系，对岩体侵位时间有999 Ma和1 463 Ma两种观点。冯明伸等[12]根据岩体侵位于高山河群中，采用999 Ma作为小河岩体的侵位年龄；喻积贤等[13]根据高山河组有该岩体砾石和小河岩体被高山河组覆盖的产状等特征认为，同位素年龄为1 463 Ma。(2)邓亚婷等[14]利用Rb-Sr全岩等时线测得被小河岩体侵入的糜棱片麻岩带同位素测年值为(1 635.9±922)Ma，认为小河岩体为中条晚期(1 400～1 600 Ma)。(3)李春麟等[15]根据小河花岗岩锆石U-Pb定年(2 328±14)Ma(MSWD=0.85)，得出小河岩体形成于古元古代早期。

上述年龄存在的明显问题是：首先，冯明伸等用高山河组是不整合于小河岩体之上的正常接触关系排除999 Ma的小河岩体的成岩年龄；其次，李春麟等测得的(2 328±14)Ma锆石U-Pb年龄与倪志耀等[16]确定太华群基底(2 349.10±46.98)Ma(角闪石40Ar/39Ar等时线)至(2 675±2)Ma(锆石207Pb/206Pb)的年龄十分接近，因此，很大可能该年龄代表的是小河岩体形成过程中俘获的太华群变质岩的锆石年龄；第三，邓亚婷等测得的(1 635.9±922)Ma是被小河岩体侵入的糜棱片麻岩带的年龄，即动力变质年龄，结果误差较大，只能限定小河岩体大致的年龄范围。

小河岩体是区内的主要岩体，精确的年龄有利于对小秦岭地质发展的深入认识，对小秦岭南带的找矿也有重要意义。鉴于此，本文对小河岩体的花岗岩采集了样品，用锆石U-Pb同位素测试技术进行精确测年，重新确定小河岩体的年龄，以期提高小河岩体年龄的精准度。

1 地质背景

小河岩体位于豫陕交界的华北克拉通南缘，小秦岭金银矿田南部。小秦岭金银矿田北以太要断裂为界，南以小河断裂为界。新太古界太华群中深变质岩在区域广泛出露。区内断裂构造发育，呈EW向展布为主，主要褶皱为老鸦岔背斜[17-22]。华山岩体、文峪岩体、娘娘山岩体和小河岩体为小秦岭的主要花岗岩侵入体，前三者均形成于燕山期，后者形成时代有争议。频繁的岩浆侵入和强烈的构造活动，为区内成矿提供了有利条件，金属矿产资源丰富，小秦岭地区已成为我国第二大产金区[23-27](图1)。

图1 小秦岭地区区域地质简图(据文献[15]修改)

小河岩体位于小秦岭南缘，小河断裂南侧，呈近EW向带状展布。小河岩体的北、东部为太华群变质基底，西南部与官道口群高山河组相接触。小河岩体为一复杂深成复合岩体，具有I型、S型特征。岩石的稀土元素含量较高，轻稀土富集，Eu亏损，与地壳花岗岩基本一致,也接近于东秦岭I型花岗岩。岩体内见有以变闪长岩脉为主不同时代的脉岩，还有少量的辉绿岩脉、石英脉和花岗伟晶岩脉，且见较多的黑云角闪斜长片麻岩捕掳体，说明岩体具有边缘相和顶部相特征。岩石平均原子量20.66，小于区内产于台穹区的各时代花岗岩序列，与其所处的台凹构造岩区一致。岩石成分富硅碱、贫钙镁，岩浆逐渐趋向偏酸偏碱[28-33]。小河花岗岩呈细粒花岗结构，块状构造，以二长花岗岩为主。

二长花岗岩：灰黄色-肉红色，中粒花岗结构，块状构造，局部具弱片麻状构造。矿物粒径多为2～5 mm，晶粒间紧密接触，杂乱排列。主要矿物为钾长石(35%～40%)、斜长石(30%～35%)、石英(约25%)，黑云母(小于5%)，副矿物为磷灰石、锆石和黄铁矿，区内二长花岗岩普遍具弱绢云母化蚀变，交代较为明显。次生绢云母含量1%～5%。局部岩石达到钾长花岗岩的程度。长石以他形板状为主，极少许呈半自形板状，大小不等，晶粒间局部紧密接触，杂乱排列，极个别微隙发育，成分有斜长石和钾长石，其中斜长石可见聚片双晶，但不甚明显，双晶纹略显弯曲变形，具轻微黏土矿物化、绢云母化等略显浑浊，常被钾长石、石英交代；钾长石主要为微斜长石和条纹长石，前者具格子双晶，后者见有条纹结构，极个别可见简单双晶，波状消光，个别颗粒内部见有斜长石交代残留,具轻微黏土矿物化等蚀变而显得干净。石英呈不规则粒状，大小不等，呈聚集状或分散状填隙分布于长石间隙中，杂乱排列，极个别微隙发育，常常交代长石，交代方式多呈穿孔状或呈蠕虫状，个别颗粒内部见有长石交代残留，无色透明，波状消光。黑云母褐黄色，多色性明显，分布于长英质间隙中或岩石微隙中，局部稍稍明显，常常被绢云母、金属矿物细粒交代。金属矿物，他形-半自形粒状，较为细小，局部偶见。岩体中可见较多的黑云角闪斜长片麻岩捕掳体，显示边缘相和顶部相特征(图2)。

图2 小河岩体的二长花岗岩

1-花岗岩；2-地层界限；3-断裂构造；4-背斜；5-金矿床；6-锆石采样位置及编号；7-研究区位置

2 锆石LA-ICP-MS测试

2.1 测试方法

3件测年样品分别采自小河花岗岩体中的二长花岗岩(XH-1、γ-1)和钾长花岗岩(DJN003)(图1)。样品经破碎、筛选、重选及磁选后，在双目镜下挑纯，锆石颗粒达到晶形完整、无明显裂隙、透明度较好的标准,制成样品靶，通过扫描电镜的阴极荧光谱仪，显微观察以及拍摄锆石CL图像，最终完成锆石的U-Pb同位素测定[34-35]。

LA-ICP-MS锆石U-Pb定年样品测试在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成，使用仪器为ELANDRC-e型等离子质谱仪和GeoLasPro 195 nm型准分子激光剥蚀系统。利用ICP-MS DataCal软件进行初始测试数据处理。对普通Pb按照Andersen Tom方法校正，锆石U-Pb定年谐和图及加权平均年龄图由ISOPLOT3.0软件计算绘制[36-37]。单个数据点误差为±1σ(表1)。

表1 小河花岗岩体锆石U-Pb定年测试结果

2.2 测试样品特征

3件测年样品的手标本、镜下特征，锆石CL图像如图3所示。

图3 小河花岗岩体锆石CL图像

样品XH-1：岩性为二长花岗岩，肉红色，花岗结构，块状构造，主要矿物成分为钾长石、斜长石、石英，含有少量角闪石、黑云母。镜下斜长石见聚片双晶，但特征不明显，双晶纹稍有弯曲变形，有轻微黏土矿物化以及绢云母化；钾长石，主要是微斜长石(具格子双晶)和条纹长石，少数见简单双晶，波状消光特征；石英呈不规则粒状，大小不等，呈聚集状或分散状填隙分布于长石间隙中，杂乱排列；金属矿物呈他形-半自形粒状，较细小，局部偶见。CL图像中锆石晶体形态四方双锥状，金刚光泽，大部分浅黄色-无色透明，长柱状为主，少数不规则状，大小不一，粒径长轴为60～120 μm，宽轴为25～50 μm，长宽比为1∶1～4∶1。自形程度较好，具有明暗相间的条带状结构和较为清晰的韵律震荡环带。

样品γ-1：岩性为二长花岗岩，灰白-浅肉红色，似斑状或花岗结构，块状构造，主要矿物成分为钾长石、斜长石、石英，角闪石和少量黑云母。镜下的斜长石隐约可见聚片双晶，具弯曲变形特征，因被钾长石交代，具绢云母化及轻微碳酸盐矿物化等蚀变；钾长石主要为微斜长石和少部分正长石，前者见有不甚明显的格子状双晶，波状消光，内部见有斜长石交代残留；石英呈不规则粒状，大小不等，聚集状或分散状填隙分布于长石间隙中，杂乱排列；金属矿物呈细粒状，填隙分布于岩石微隙中，局部偶见。CL图像中锆石晶体无色，透明-半透明-不透明，自形-半自形长柱状为主，少数球状、不规则状，粒径长轴为75～325 μm，宽轴为50～125 μm，长宽比为1∶1～4∶1。自形程度较好，扇形分带结构，环带清晰，有部分存在黑色包裹体和裂纹。

样品DJN003：岩性为钾长花岗岩，肉红色，主要矿物成分为钾长石、斜长石、石英，角闪石和少量黑云母。镜下的钾长石主要是微斜长石和正长石，半自形板状，晶面上发生了泥化，杂乱分布；斜长石成分为半自形板状更长石，具有绢云母化；石英呈不规则粒状，聚集状或分散状填隙分布于长石间隙中。CL图像中锆石晶体无色透明，多数为浑圆状、滴状、球状等，大小不一，粒径长轴为60～120 μm，宽轴为30～85 μm，长宽比为1∶1～3∶1。环带清晰，但晶形大多不完整，部分锆石边缘发育较窄蚀变边，即有二次生长的亮边，被强烈熔蚀。

整体而言，测年样品中的锆石CL图像显示，颗粒大部分为无色透明，有部分存在黑色包裹体和裂纹。锆石晶形大部分比较完整，多数为长柱状，少部分为不规则状，内部韵律震荡环带结构清晰，具备典型岩浆结晶锆石特征。同时有少量锆石边缘圆化，具有残留的核部结构，为继承锆石。

2.3 测试结果

3件测年样品每件均测点20个，锆石U-Pb定年谐和图及加权平均年龄图见图4。

图4 小河花岗岩体锆石U-Pb谐和图及加权平均年龄图

样品XH-1二长花岗岩样品总的铅丢失较多，在20个测点中，有180-5-01，03，04，07，09，10，11，13，15，16，17，18等12个测点的谐和度低于85%，从年龄计算中剔除。其余8个测点均位于或接近207Pb/235U-206Pb/238U一致线，测得U-Pb年龄为(2 114±120)～(917±240)Ma，加权平均年龄值为(1 530±240)Ma(n=8，MSWD=66)(图4(a))。

样品γ-1二长花岗岩的20个测点中，有180-6-01，10，15，19，20等5点的谐和度低于90%，另有180-6-02，08，09，10等3个测点明显偏离207Pb/235U-206Pb/238U一致线，将其除去。有12个测点的测定值位于或接近一致线，测得U-Pb年龄为(582±180)～(1 865±89)Ma，根据这12测点计算的加权平均年龄为(1 361±100)Ma(n=12，MSWD=192)(图4(b))。

样品DJN003钾长花岗岩，20个测点中的180-4-10测点谐和度低于90%，另有180-6-11,20,等2个测点明显偏离207Pb/235U-206Pb/238U一致线，在年龄计算中剔除。有17个测点的测定值位于一致线上，其206Pb/238U年龄为(391±470)～(1 795±29)Ma，这17测点的加权平均年龄为(1 769±70)Ma(n=17，MSWD=6.8)(图4(c))。

2.4 小河花岗岩年龄

从以上样品测试结果看，XH-1样品的精度最低，20个测点中，有16个谐和度低于90%，谐和度大于85%的8个测点数据也不集中；γ-1和DJN003分别有5个和3个样品的谐和度低于90%，样品总体质量较高，尤其是DJN003样品，多数集中在U-Pb一致线附近，MSWD值最低，质量最好，具有代表性。造成样品测点谐和度低的原因很复杂，很可能与岩体形成时间长、区域经历多期次的构造运动和热变质事件有关。构造运动使岩体遭受了不同程度的变质、变形，导致铅丢失，影响了样品的质量和代表性，尤其是XH-1，这从样品的计算误差可以看出来。

从3个样品的年龄区间看，上限为1 769～2 114 Ma，为古元古代(晚期)；下限为391～917 Ma，自中元古代到早古生代，跨度较大，γ-1的年龄为(582±180)～(1 865±89)Ma，年龄区间最大，加权平均年龄(1 361±100)Ma(n=12，MSWD=192)；XH-1的年龄为(917±240)～(2 114±120)Ma，年龄区间次之，加权平均年龄(1 530±240)Ma(n=8，MSWD=66)；DJN003的年龄为(391±470)～(1 769±29)Ma，加权平均年龄为(1 795±70)Ma(n=17，MSWD=6.8)。

3 地质意义

3.1 样品精度的地质意义

DJN003样品的20个测点中有17个谐和度大于90%，且集中在U-Pb一致线附近，17个测点的加权平均年龄(1 795±70)Ma，MSWD=6.8，在3个样品中最好，与平均值的偏离最小。结合其他2个样品的上限值(1 865±89)Ma和(2 114±120)Ma，该年龄基本可以代表小河岩体的侵位时间，即古元古代末期，相当中条运动晚期。

从样品测试结果看，XH-1样品的精度最低，20个测点中，有16个谐和度低于90%，可能是样品受到了后期强烈的地质事件改造，锆石铅丢失严重，MSWD=66也可作为辅助证明；γ-1有5个样品的谐和度低于90%，另有3个偏离谐和线较大，MSWD=192。样品年龄的高MSWD值，可能暗示测试的锆石不是同一环境下形成的，或被后期地质事件强烈改造过，即锆石中铅的丢失很可能与岩体形成时间长、区域经历了多期次的构造运动和热变质事件有关。

γ-1样品的加权平均年龄(1 361±100)Ma(n=12，MSWD=192)，XH-1的加权平均年龄(1 530±240)Ma(n=8，MSWD=66)，暗示小河岩体在熊耳期的中晚期可能经受过多次强烈的变质作用。

3.2 对区域地质事件的联系

测年结果表明，小河岩体形成于古元古代末中条造山运动晚期，在中元古代早期的熊耳期岩浆喷发背景下，受到强烈的变质作用。

从测年数据看，小河岩浆侵入时间在(1 795±70)Ma前后，即古元古代造山纪(2 050～1 800)Ma的末期，岩浆侵入活动随着造山纪末中条运动的结束和夷平面形成，华北陆块东、南部持续隆升进入尾声[38]。随之而来的是小秦岭南东的崤山-熊耳山-外方山一带的大范围、大规模、强烈、多期次、长期的中基-中酸性岩浆喷发活动，形成了熊耳群火山岩(1 400～1 900 Ma)[16]，在熊耳晚期盖层纪(1 600～1 400 Ma)时期，小河岩体受到了较强烈的构造岩浆作用影响，岩石发生轻度变质和岩脉侵入。狭带纪后，虽有多期岩脉穿插到岩体中，但规模有限。换言之，小河花岗岩的侵入为大规模熊耳期岩浆喷发的能量预备，止于熊耳期岩浆喷发，同时受到熊耳中晚期大规模的岩浆喷发作用影响，产生了程度不同的变质作用和脉岩侵入，此后虽有多项脉岩侵入，但规模有限，显示区域岩浆活动方式为孕育侵入-强力喷发-能量减弱的侵入历程。