辽宁阜新北部地区早侏罗世花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、地球化学特征及铷矿化

2022-12-03彭游博刘文彬姚玉健赵军谢忠骆念岗

地质论评 2022年6期

彭游博，刘文彬，姚玉健，赵军，谢忠，骆念岗

辽宁省地质矿产调查院有限责任公司，沈阳, 110031

内容提要: 辽宁阜新北部地区的稀有金属铷资源较为丰富，与铷成矿相关的岩体岩性主要为中细粒二长花岗岩，LA-ICP-MS锆石206Pb/238U年龄加权平均值为175.6±2.8 Ma，时代为早侏罗世。岩体富碱、过铝质、分异程度高，富集HREE、Th、U、Hf，亏损Sr、P、Ti。较低的K/Rb值(70.92～82.93)、负铕异常(δEu=0.20～0.40)、稀土总量(ΣREE=56.35～122.23)和轻重稀土比值(LREE/ HREE =3.10～4.73)，Nb/Ta值(7.90～10.18)低于上地壳Nb/Ta值(13.4)，Rb —(Y+Nb)图解与Rb/10—Hf—3Ta图解反映出岩体形成于板内拉张的构造环境。结合区域上对稀有金属铷的研究，认为该地区早侏罗世中细粒二长花岗岩为重要的稀有金属铷矿的找矿标志之一。

辽宁阜新北部地区位于华北克拉通北缘，中生代岩浆活动频繁，主要分布早侏罗世的细粒二长花岗岩、中晚侏罗世中细粒、粗粒二长花岗岩。对于该时期的花岗岩形成构造背景和成矿作用备受国内外地质学者的关注。虽然花岗质岩浆与稀有金属、稀土金属成矿之间的关系是近些年矿床学研究的前沿课题之一，但是对该区域的研究相对较少，资料匮乏(王登红等，2013)。随着稀有金属铷在高新技术及航空国防领域中应用的越来越多，其独特的光电效应和清洁能源方面被人们所熟知(孙艳等，2013)。本次工作通过详实的野外地质调查，对早侏罗世岩体进行了解体，重点研究了与铷矿化相关的中细粒二长花岗岩的岩石学特征、地球化学特征、形成时代，利用电子探针等手段，分析稀有金属铷元素的含量及赋存状态，并结合区域构造背景，探讨中生代岩体与稀有金属成矿的关系。

1 研究区地质背景

研究区位于华北克拉通北缘隆起，旧庙凸起带内。区内存在新太古代结晶基底(辽西古陆块)，由斜长角闪岩、磁铁石英岩、石榴角闪片麻岩岩石组合构成，历经麻粒岩相—角闪岩相变质作用和绿片岩相变质作用，多期次韧性变形作用，原岩为火山—沉积含铁建造。其上有少量古元古界变质沉积岩系(魏家沟岩组)，中生代白垩系义县组火山岩、沙海组沉积岩(图1)。

图1 华北克拉通构造简图及研究区位置(a)、辽宁阜新北部地区地质简图(b)Fig. 1 Simplified tectonic map in the northern margin of the North China Craton and study area location(a), geological sketch map of Northern Fuxin area of Liaoning(b)

侵入岩主要以中生代岩体为主，早期形成的岩浆侵位形成较小规模的细粒二长花岗岩，晚期形成规模较大的细粒—中细粒—粗粒二长花岗岩。

2 岩石学特征

研究区内岩石主要岩性为细粒二长花岗岩和中细粒二长花岗岩。与铷成矿相关的岩性主要为中细粒二长花岗岩，岩石呈半自形粒状结构，块状构造。矿物成分主要由条纹长石(40%)、斜长石(30%)、石英(30%)，黑云母及不透明矿物(少量)组成。条纹长石，半自形晶，板状，黏土化，粒径1～4 mm；斜长石，半自形晶，板状，具聚片双晶，绢云母化，粒径0.5～4 mm；石英，无色、浅灰色，他形，粒状，粒径1～6 mm；黑云母，黑色、鳞片状，片径1 mm±。不透明矿物主要为磁铁矿及赤铁矿(图2)。

图2 阜新北部地区中细粒二长花岗岩野外照片及镜下结构特征: (a) 中细粒二长花岗岩岩貌；(b)黝帘石化中细粒二长花岗岩；(c)—(f)中细粒二长花岗岩薄片显微照片；(g)、(h)中细粒二长花岗岩光片显微照片Fig. 2 Field photos and microscopical structural features of fine-grained monzogranit in Nouthern Fuxin area: (a) petrography of medium—fine-grained monzogranite；(b) tetrahedral epidotization medium—fine-grained monzogranite；(c)—(f) medium—fine-grained monzogranite thin section micrograph；(g), (h)medium—fine-grained monzogranite optical micrographPl—斜长石；Pth—条纹长石；Qz—石英；Bt—黑云母；Mt—磁铁矿；Hm—赤铁矿Pl—plagioclase；Pth—perthite；Qz—quartz；Bt—biotite；Mt—magnetite；Hm—hematite

岩石普遍具碎裂化，斜长石普遍具绢云母化及黝帘石化，条纹长石具黏土化，黑云母部分蚀变为白云母，析出铁质。副矿物有锆石、磷灰石、黄铁矿、金红石、独居石、石榴子石、赤褐铁矿、磁铁矿等，这些副矿物的存在，也反映出岩石的高铀、富含稀土元素的一些性质(赵振华,2010)。

3 锆石U-Pb与Lu—Hf测定

本次工作用于LA-ICP-MS锆石U-Pb测定的原样品为：中细粒二长花岗岩样品采自122°42′47″E、42°25′51″N，编号TC1301-RZ1。

3.1 测试方法

锆石挑选在河北省区域地质矿产调查所地质实验室完成，将待测年样品经过手工破碎、室内淘洗、筛分、缩分、磁选，在双目镜下挑选，得到含包裹体少、无明显裂隙且晶型完好的锆石；然后将锆石置于环氧树脂内研磨，再抛光清洗制成激光样品靶。阴极发光图像的拍摄及LA-ICP-MS锆石U—Th—Pb同位素分析由北京燕都中实测试技术有限公司完成，锆石的阴极发光( CL) 图像主要是查明锆石内部结构(图3) ，以便准确选点。

图3 阜新北部地区中细粒二长花岗岩锆石CL图像Fig. 3 CL images of the zircon from medium—fine-grained monzogranite in Nouthern Fuxin area

本次测试锆石微量元素含量和U-Pb同位素定年利用LA-Q-ICP-MS同时分析完成。激光剥蚀系统为New Wave UP213，ICP-MS为布鲁克M90。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度，二者在进入ICP之前通过一个Y型接头混合。每个时间分辨分析数据包括大约20～30 s的空白信号和50 s的样品信号。

U—Th—Pb同位素测定中采用锆石标准GJ-1为外标进行同位素分馏校正，每分析5～10个样品点，分析2次GJ-1。锆石微量元素含量利用SRM610作为多外标、Si作内标的方法进行定量计算。剥蚀光斑直径根据实际情况选择25 μm。

对于与分析时间有关的U—Th—Pb同位素比值漂移，利用GJ-1的变化采用线性内插的方式进行了校正。标准锆石GJ-1的U—Th—Pb 同位素比值推荐值据Wiedenbeck等(1995)。锆石U-Pb谐和图绘制和权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3 (Ludwig, 2003)完成。

锆石原位Lu—Hf同位素测定由北京燕都中实测试技术有限公司美国热电Neptune-plus MC-ICP-MS与NWR193激光烧蚀进样系统完成测试。测试步骤与校准方法参照(Wu Fuyuan et al., 2006)。锆石剥蚀使用频率为8 Hz，能量为16 J/cm2的激光剥蚀31 s，剥蚀出直径约35 μm的剥蚀坑。测试时，由于锆石中的n(176Lu)/n(177Hf)值极其低(小于0.002)，176Lu对176Hf的同位素干扰可以忽略不计。每个测试点的173Yb/172Yb平均值用于计算Yb的分馏系数，然后再扣除176Yb对176Hf的同质异位素干扰。n(176Lu)/n(177Hf)的同位素比值为1.35274 (Chu Nanchin et al., 2002)。

3.2 分析结果

TC1301-RZ1样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年同位素分析数据见表2。样品PM10-RZ1中所分析的锆石颗粒度为10～100 μm，长宽比多为1.1～1.8，半自形—自形长柱状、短柱状，表面干净，振荡环带结构特征明显。在阴极发光图像(图3)中可以看出，锆石均具较清晰的岩浆环带，锆石普遍存在高U现象(明添学等，2002；张佳明等，2021)，由于该岩石经历了高分异作用，放射成因的Pb进入了SiO2，而U进入了ZrO2,导致了一些测点出现不谐和的情况。10个锆石数据点U、Th质量分数分别为344×10-6～ 2962×10-6、348×10-6～ 2043×10-6，Th/U值为0.55～1.28，显示岩浆锆石特点(表1)。10个测试数据点分布相对集中(图4)。206Pb/238U年龄为171.4～181.1 Ma，加权平均值为(175.6±2.8) Ma，MSWD为2.0。结果表明，中细粒二长花岗岩形成于早侏罗世。

图4 阜新北部地区中细粒二长花岗岩锆石U-Pb谐和图Fig. 4 U-Pb concordia diagram of the zircons from medium—fine-grained monzogranite in northeern Fuxin

中细粒二长花岗岩样品锆石的n(176Yb)/n(177Hf)范围为0.032 158～0.283 131，n(176Yb)/n(177Hf)值全部大于0.002，表明锆石在形成后，有较多的放射性成因Hf的积累，因而不能用初始n(176Yb)/n(177Hf)值代表锆石形成时的n(176Yb)/n(177Hf)值。样品fLu/Hf值在-0.96～-0.61之间，明显小于镁铁质地壳的fLu/Hf值(-0.34)，在硅铝质地壳fLu/Hf值(-0.72)附近，因此二阶段模式年龄更能反映其源区物质从亏损地幔被抽取的时间(或其源区物质在地壳的平均存留年龄)(吴福元等，2007)。样品共10颗锆石εHf(t)值显示较大的变化范围，为3.5～8.8，表明应由新生地壳形成，两阶段模式年龄tDM1集中在510～700 Ma。tDM2值集中在659～992 Ma之间。与区域上魏家沟岩组的沉积年龄(1036±60)Ma较为相符。

4 地球化学特征

本次工作共采集5件地球化学分析样品。岩石样品化学分析测试由国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心完成，常量元素采用原子吸收分光光度计等分析，稀土、微量元素分析采用等离子体质谱仪完成，分析结果见表3。

4.1 常量元素

研究区中细粒二长花岗岩主量元素化学成分及质量分数列入表1之中。在TAS图解(图5a)中，3个样品落于碱性花岗岩区，2个样品落于亚碱性岩区；在铝饱和指数A/NK—A/CNK图解(图5b)中，样品均落于过铝质区域(邓晋福等，2015)。

中细粒黑云母二长花岗岩的常量元素SiO2含量较高70.93%～73.65%，Al2O3含量14.47%～15.92%，K2O+Na2O含量为8.81%～10.22%，K2O/Na2O为0.93～1.14，均值1.03，说明其为富碱花岗岩。A/CNK为1.05～1.15，弱过铝质—强过铝质岩石，分异指数(DI)91.07～92.72，为高分异，岩体烧失值为0.86～1.08，说明该花岗岩岩体受到后期蚀变的影响(郭春丽等，2017)。

4.2 微量元素和稀土元素特征

微量元素标准化蛛网图解(图6a)可以看出，中细粒二长花岗岩富集HREE、Th、U、Hf、亏损Sr、P、Ti，Sm/Nd值为0.19～0.21，接近于地壳标准值。稀土元素地球化学特征，岩体呈“海鸥型”分布，(La/ Yb)N=1.39～2.74，轻重稀土分异不明显，但具有较高的负Eu异常(δEu=0.2～0.4)，岩体Rb/Sr值13.57～17.91，比值非常高，Nb/Ta值为7.9～10.18，Zr/Hf值为17.02～23.43，比值相对较低，说明其具备高分异花岗岩的一些特征。Nb/Ta为7.9～10.18，略低于球粒陨石(迟清华等，2007)；K/Rb为70.92～82.93，明显低于正常的基性岩浆分异、地壳重熔型花岗岩。K/Rb亦为稀有金属元素矿化指示剂，在其比值显著降低时，往往形成稀有金属元素的矿化或矿床(赵建华,2007)。

表2 中细粒二长花岗岩锆石Lu—Hf同位素分析结果Table 2 Zircon Lu—Hf isotope analytical data of the medium fine-grained monzogranite

5 电子探针分析

5.1 测试方法

电子探针样品在南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成，将待测样品经过制片，圈点后采用日本电子JXA-8530F Plus型号的电子探针完成。黑云母、长石电子探针测试过程中采用的加速电压为15 kV，电流为10 nA，束斑直径为10 μm。Si、Ti、Al、Cr、Fe、Mn、Ni、Mg、Ca、Na、K、Rb、F和Cl峰位的测试时间为10s，上下背景的测试时间为峰位的一半。采用ZAF法对数据进行基体校正(赵海军等，2018)。

5.2 分析结果

黑云母12个点中，Rb2O最低含量0.15%，最高含量0.4%，平均品位0.33%。钾长石23个点中，仅有一个样品Rb2O含量为0，其他22个点最低含量0.05%，最高含量0.16%，平均含量0.1%。斜长石25个点中，只有4个点测试出Rb2O品位，其他21个点均未见Rb2O，出现Rb2O的样品最低含量0.01%，最高含量0.04%。由此推断斜长石可能与岩浆中气水化合物在高温的作用下发生了蚀变，导致测试中出现了少量铷元素。石英12个点中，也只有两个点测试出Rb2O含量，分别为0.02%，0.03%(表4～表7)。

表3 阜新北部二长花岗岩常量元素、微量元素、稀土元素分析结果Table 3 The analysis results of major, trace and rare earth elements of monzogranite in Nouthern Fuxin area

表4 辽宁阜新北部地区早侏罗世中细粒二长花岗岩中黑云母电子探针分析结果Table 4 The electron probe analysis results of biotite in the Early Jurassic medium—fine-grained monzogranit in northern Fuxin, Liaoning

图5 阜新北部二长花岗岩TAS图解(a) (据Irvine and Baragar,1971)和铝饱和指数图解(b) (据 Maniar and Piccoli,1989)Fig. 5 TAS(a) (after Irvine and Baragar,1971) and aluminum saturation index diagram(b) (after Maniar and Piccoli,1989)of monzogranite in Nouthern Fuxin area

表5 中细粒二长花岗岩中钾长石电子探针分析结果Table 5 The electron probe analysis results of K-feldspar in medium fine-grained monzogranit

图6 阜新北部二长花岗岩微量元素原始地幔标准化图(a)(据黎彤,1994)和稀土元素球粒陨石标准化图解(b)(据Sun and McDonough,1989)Fig. 6 Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (a)( after Li Tong,1994&)and chondrite-normalized REE patterns(b) (after Sun and McDonough,1989)of monzogranite in Nouthern Fuxin area

综上所述， Rb2O主要赋存在黑云母和钾长石中，斜长石与石英中基本没有，其中黑云母中的Rb2O有较好的富集，平均品位为钾长石的3.3倍。

6 讨论

6.1 成因类型

通过之前的岩石学，岩石地球化学及同位素分析可以得知，岩浆高硅富碱，岩石为过铝质，大部分样品铝饱和指数大于1.1，指示来源可能为上地壳源区，高Rb/Sr值相当于长石砂岩的Rb、Sr比值，也表明岩浆形成过程中有上部地壳具有较高Rb/Sr的长石石英源区物质的加入(杨智荔,2021; 苗群峰,2018)。岩浆中特定矿物的微量元素，也可能指示岩浆结晶分异的过程。较低的K/Rb(70.92～82.93)值和负铕异常(δEu=0.20～0.40)，表明了存在显著的长石分离结晶，而较低的稀土总量(ΣREE=56.35～122.23)和轻重稀土比值(LREE/ HREE =3.10～4.73)指示富含稀土元素的独居石等矿物的分离(王汝成,2019) 。这与人工重砂中的重矿物分析存在一部分的独居石矿物结果一致。岩石低于花岗岩岩浆—热液分界(Zr/Hf =26)的全岩(Zr/Hf =17.02～23.43)值，指示锆石的分离结晶，也暗示岩浆演化后期存在有流体的影响，较低的Nb/Ta(Nb/Ta =7.90～10.18)值低于上地壳(Nb/Ta =13.4)，体现出存在黑云母的分离结晶作用与岩浆—流体相互作用的双重作用影响(王臻,2019)。根据FeOT/ MgO—(Zr+Nb+Ce+Y)图解可以看出样品落于分异花岗岩中的高分异“I”型花岗岩区(孟德磊,2019)，(K2O+Na2O)/CaO—(Zr+Nb+Ce+Y)图解也可以看出岩石落于高分异区(周红智,2020)。因此结合岩石学特征初步推断，早侏罗世中细粒二长花岗岩应属高分异“I”型花岗岩。

图7 阜新北部地区中细粒二长花岗岩电子探针镜下结构特征Fig. 7 The electron probe photos and microscopical structural features of the medium—fine-grained monzogranite in northern Fuxin area

表6 中细粒二长花岗中岩石英电子探针分析结果Table 6 The electron probe analysis results of Quartz in medium fine-grained monzogranit

表7 阜新北部早侏罗世中细粒二长花岗岩中斜长石电子探针分析结果Table 7 The electron probe analysis results of albite in the Early Jurassic medium—fine-grained monzogranite in northern Fuxin, Liaoning

6.2 构造环境

中细粒二长花岗岩岩体虽受赤峰—开原构造影响，但变形较弱。岩石虽局部较为破碎但矿物定向组构不发育，具有清晰的花岗结构、块状构造(董美玲,2013)。说明岩浆形成环境相对稳定。

相关元素地球化学成因图解表明，在 Rb —(Y+Nb)图解(图9a)上，样品均落于同碰撞花岗岩与板内花岗岩区中。Ta— Yb图解(图9b)中样品落于板内花岗岩区。在Rb/10—Hf—3Ta图解(图10)中，样品全部落于板内花岗岩区，结合其构造位置隶属于华北克拉通北缘，可以推断该二长花岗岩形成于板内拉张环境。

图8 阜新北部二长花岗岩FeOT/MgO—(Zr+Nb+Ce+Y)图解(a)(据Whalen et al.,1987)及(K2O+Na2O)/CaO—(Zr+Nb+Ce+Y)图解(b)(据Whalen et al.,1987)Fig. 8 The FeOT/MgO —(Zr+Nb+Ce+Y)diagram(a) (after Whalen et al.,1987)and (K2O+Na2O)/CaO—(Zr+Nb+Ce+Y)diagram(b) (after Whalen et al.,1987)of monzogranite in Nouthern Fuxin areaFG—分异的花岗岩; OGT—未分异的花岗岩; HFS—高分异S型花岗岩; HFI—高分异I型花岗岩FG—:fractionated granites; OGT—non fractionated granite; HFS—highly fractionated S-type granites; HFI—highly fractionated I-type granites

6.3 岩体与铷矿化的关系

研究区的低品位铷矿化与早侏罗世二长花岗岩关系密切，铷矿化存在于黑云母及钾长石中。

在岩浆分异过程中，花岗质熔体往往产生氟、钾、铷、钽、铌等元素的集聚，这从不同期岩石或矿物中上述元素平均含量的变化研究方面，已有很多矿区实例可以说明(文春华,2017;陈雪锋,2018)。

图9 阜新北部二长花岗岩Rb —(Y+Nb)图解(a)据Pearce et al.,1984)及Ta—Yb图解(b)据Pearce et al.,1984)Fig. 9 The Rb —(Y+Nb)diagram(a) (after Pearce et al.,1984)and Ta—Yb) diagram(b) (after Pearce et al.,1984)of monzogranite in Nouthern Fuxin areaVAG—火山弧花岗岩；WPG—板内花岗岩；ORG—洋脊花岗岩；Syn-COLG—同碰撞花岗岩VAG—volcanic arc granite；WPG—within plate granite；ORG—oceanic ridge granite；Syn-COLG—syn-collisional granite

图10 阜新北部二长花岗岩Rb/10—Hf—3Ta图解(据Harris et al.,1986)Fig. 10 The Rb/10—Hf—3Ta diagram of monzogranite in Nouthern Fuxin area(after Harris et al.,1986)

全岩的这些地球化学特征，显示花岗岩岩浆是部分熔融析出的原始酸性岩浆经历结晶分异形成高硅花岗岩。也就是说成矿岩石来源地壳的长石砂岩源区是一个重要的补充源，熔融过程中随着SiO2含量的升高，K2O和不相容元素Rb、Th、U会增加很多倍，因此可以推断燕山期华北板块构造运动作用与大量富H2O流体参与下，上部地壳的长石砂岩区发生部分熔融，形成部分熔融的岩浆，在不断的熔融和分异过程下形成大规模的二长花岗岩岩浆房，并沿构造裂隙分别侵位中细粒—中粗粒二长花岗岩。而这些与成矿有关花岗岩(中细粒二长花岗岩)即为高分异花岗岩演化最彻底的端元，也就是稀有金属元素花岗岩，从早到晚成矿金属元素和碱质、挥发分高度富集，高硅富碱，铷在中—晚期阶段形成的侵入体中富集，并伴随热液蚀变出现碱性长石化、云英岩化、硅化等现象(孙艳,2019)。因此结合区域上对稀有金属及稀土元素的研究，认为在阜新北部地区早侏罗世二长花岗岩为稀有金属找矿的重要标志之一。