鲁西潘店铁矿成矿岩体成因： 锆石UPb年代学和地球化学证据

秦杰 朱学强 王丽娟 郝兴中

摘要： 潘店岩体为近年山东省齐河—禹城地区新发现的潘店铁矿的成矿岩体，主要由辉石闪长岩组成。对郭店地区潘店岩体辉石闪长岩进行了SHRIMP锆石U Pb定年，其结果为（124.4±1.4）Ma，表明该岩体形成于早白垩世。潘店岩体SiO2、K2O和Na2O含量分别介于59.68%～62.71%、0.13%～3.30%和6.57%～8.42%，Mg#值为54.23～78.17，A/CNK为0.52～0.71，具有轻稀土富集，重稀土亏损的右倾型稀土配分模式，轻、重稀土分馏明显，具中—弱Eu负异常。富集大离子亲石元素Ba、Sr和高场强元素U、Pb、Zr，与相邻元素相比大离子亲石元素Rb、K和高场强元素Nb、Ce、P、Ti明显亏损。Nb/Ta、Zr/Hf比值及Nb、Ta的亏损等特征暗示原始岩浆可能来源于岩石圈地幔的部分熔融，并在岩浆上升侵位的过程中有地壳物质的同化混染。潘店岩体形成于岩石圈大规模快速减薄期，与燕山晚期太平洋板块俯冲作用密切相关。

关键词： 潘店铁矿；辉石闪长岩；锆石U Pb定年；地球化学；齐河—禹城地区

中图分类号： P618.31;P54     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.003

引文格式： 秦杰，朱学强，王丽娟，等.鲁西潘店铁矿成矿岩体成因：锆石U Pb年代学和地球化学证据［J］.山东国土资源，2023，39（3）：14 22.QIN Jie， ZHU Xueqiang， WANG Lijuan， et al. Ore-forming Origin of Rock Mass Zircon U   Pb Chronology and Geochemical Evidence of Pandian Iron Deposit in Luxi  Area［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：14 22.

0 引言

近年来在山东省齐河—禹城地区的铁矿勘查过程中发现了多个接触交代型铁矿，该区铁矿经勘查显示有集中分布，厚度大、品位高、埋深大的特点［1 2］。主要的控矿要素包括侵入岩、地层、构造等［3］。其中成矿侵入岩主要为燕山晚期的潘店隐伏岩体，岩体侵入寒武 奥陶纪和石炭 二叠纪地层，围岩接触带发生强烈的接触交代作用，为铁矿的形成提供成矿物质［4］。

成矿岩体隐伏于李屯—郭店—大张一带，整体走向近NE向，与东阿断裂近乎平行产出。岩性主要以中性闪长岩类为主，包括中细粒辉石闪长岩、中细粒含黑云角闪闪长岩及细粒角闪石英闪长岩等。参照对比《山东省地层侵入岩构造单元划分对比意见》，潘店闪长岩应归属沂南序列［5］。由北向南成矿岩体分别在李屯［6］、郭店和大张地区表现为3个独立的岩株。该区以往接触交代型铁矿研究工作在成矿背景、物探解译、成矿规律［7］、找矿标志、成矿预测［8］、找矿方法［9］等方面进行了较为系统的研究，但在成矿岩体成因方面尚未开展深入的探讨，本次工作以郭店地区为典型，通过对岩体岩石地球化学、同位素年代学等方面的研究，探讨成矿岩体大地构造属性及形成演化史，为该区今后铁矿勘查工作提供基础资料。

1 区域地质背景

潘店岩体位于华北板块南缘，鲁西隆起区的西北缘（图 1）。区域地层区划属华北地层区之鲁西地层分区，区域古老基底为新太古界，上覆地层由老至新为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、古近系、新近系及第四系。区域岩浆岩发育新太古代岩浆岩和中生代岩浆岩。新太古代岩浆岩是鲁西地区的主要结晶基底，在研究区隐伏于深部，以中酸性岩为主。区域上，中生代岩浆岩整体沿着淄博金岭—邹平—埠村—济南—潘店这一隆起与坳陷的过渡带构成一条杂岩体带，是鲁西地区重要的铁成矿带；在研究区分布局限，主要为济南岩体和潘店岩体，以中基性岩为主。区域构造以断块发育为主要特征，褶皱次之。断裂构造主要发育NE—NNE向、NW—NNW向、近EW向3组。区域性断裂包括聊考断裂和齐广断裂。规模较大的断裂有NE—NNE向的茌平断裂、东阿断层，NW—NNW向的刘集断层、长清断层和桑梓店断层等。主要褶皱构造均为隐伏构造，通过地质和物探推断可知有潘店背斜、薛官屯穹窿和東阿向斜、后郑向斜。

2 岩体特征

以航空重磁联合反演剖面为基础，综合地面物探、钻孔资料推断岩体深度，整个研究区闪长岩岩体在李屯、郭店、大张地区的浅部凸出明显，表现为3个独立的小岩株。潘店岩体位于中部，面积约59km2，近ＳＮ向展布，整体埋深最大，岩体顶深最浅处埋深大于1300m，东部埋深超过2000m。

根据钻孔岩心观察，郭店地区潘店岩体岩性主要为闪长岩，通过镜下观察，可以细分为辉石闪长岩、辉石二长闪长岩，同时发育有闪长玢岩。

2.1 辉石（二长）闪长岩

辉石（二长）闪长岩，岩石新鲜面呈灰色，多发生蚀变而呈灰白色，中细粒半自形粒状结构，部分具似斑状结构，块状构造。主要矿物为斜长石（65%～75%）、钾长石（5%～10%）、辉石（5%～20%）、角闪石（＜5%），基本不含黑云母。次生矿物以钠长石为主，其次为绿帘石、高岭土及次闪石。副矿物包括磁铁矿、锆石、磷灰石及榍石。斜长石隐约可见环带结构，具钠长石化、轻微高岭土化，局部具绿帘石化。钾长石隐约可见格子双晶，为微斜长石，表面具高岭土化，边缘具钠长石化。辉石呈他形柱、粒状，局部边缘轻微被角闪石交代，形成角闪石反应边，具轻微的次闪石化。

2.2 闪长玢岩

岩石新鲜面呈灰色—灰白色，多斑结构，基质微晶结构，块状构造。岩石由斑晶和基质组成。斑晶由斜长石（25%～30%）、角闪石（20%～25%）及少量黑云母组成，偶见辉石；基质由斜长石（50%～55%）及少量角闪石组成。次生矿物包括高岭土、绢云母、次闪石、绿泥石及黝帘石。副矿物包括磁铁矿、锆石及磷灰石。斑晶粒径0.15～3mm不等，杂乱分布，有的呈聚斑状、联斑状产出。斜长石可见环带结构，牌号An=31～35，为中长石；可见角闪石交代辉石，黑云母交代角闪石。基质由微晶状斜长石、角闪石组成。

3 样品采集与分析方法

3.1 化学分析样品

在PZK1钻孔岩心中采集岩石化学样品7件。样品通过岩心切割的方式采集，所采样品新鲜、纯净（无脉体等混入）。

岩石化学分析在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。样品前期进行200目无污染碎样。主量元素分析采用Axios max X射线荧光光谱仪完成测定，分析精度为0.05%；FeO采用滴定分析完成；灼失量、H2O+和H2O 用重量法完成。微量元素分析采用HF+HClO3+HNO3溶解样品，王水复溶，在线加入Rh内标溶液，采用ICAP Q series 电感耦合等离子体质谱仪完成测定，Cl采用Axios max X射线荧光光谱仪完成测定，F采用PXSJ 216 离子计完成测定。稀土元素分析精度为0.1×10 6，微量元素分析精度≤5×10 6。

3.2 同位素测年样品

为了确定潘店岩体闪长岩形成时代，在郭店PZK1钻孔选取辉石闪长岩样品进行SHRIMP锆石U Pb测年。

锆石分选在北京科荟测试技术有限公司完成；锆石SHRIMP U Pb测年在北京离子探针中心进行。测试之前对闪长岩中的锆石进行挑选，将原岩样品用洁净水清洗干净后破碎和粉碎，对通过120目筛选的粉末进行淘洗，去除轻矿物部分，保留重砂部分。将所得的重砂矿物经过电磁选，双目镜下挑选晶形好、无裂隙、无包裹体的锆石。将挑选的锆石用环氧树脂制靶，将锆石靶打磨、抛光后，进行反射光、透射光和阴极发光（CL）显微观察（图2）。锆石制靶及阴极发光照相在北京离子探针中心完成。锆石U Pb测年分析使用北京离子探针中心的SHRIMP II二次离子探针质谱计进行。分别采用标准锆石TEM和SL13进行元素间的分馏校正及U含量标定。原始数据的处理和锆石U Pb谐和图的绘制采用Ludwig编写的Isoplot程序。普通铅校正根据实测的204Pb进行。

4 测试结果

岩石全岩主量元素和微量元素地球化学分析结果如表 1、表 2所示。同位素测年结果如表 3所示。

4.1 岩石化学特征

4.1.1 主量元素

样品主量元素最明显特征为富钠、贫钾、低铁和钛（表1）。SiO2含量介于59.68%～62.71%，平均值为61.40%，属中性岩。Na2O含量较高，介于6.57%～8.42%，平均值为7.52%；K2O含量介于0.13%～3.30%，平均值为1.05%，变化较大，部分样品K2O含量较低，可能由于后期钠长石化蚀变所致；全碱含量高（Na2O+K2O）=7.57%～9.88%，平均值为8.57%，K2O/Na2O=0.02～0.50。MgO含量介于2.43%～3.60%，平均值2.96%，TFeO含量为1.62%～4.28%，变化较大，平均值为2.90%。镁指数Mg#为54.23～78.17，平均值为64.86，部分样品可能因钠长石化导致TFeO含量偏低，从而使镁值偏高。样品在TAS图解中主要落入二长岩、石英二长岩区域内，2个样品落入正长岩区域（图3a）。在SiO2 K2O图解中，主要落入低钾（拉斑）系列区域，部分属于高钾钙碱性系列区域，说明可能受后期蚀变作用影响较大（图3b）。Al2O3含量介于14.76%～16.17%，平均值为15.73%，铝饱和指数（A/CNK）=0.52～0.71，平均值为0.62。

4.1.2 微量元素

样品稀土元素含量较低，稀土总量∑REE=88.22×10 6～108.03×10 6，平均值100.53×10 6。轻稀土总量∑LREE=79.57×10 6～99.08×10 6，重稀土总量∑HREE=8.34×10 6～9.54×10 6。∑LREE/∑HREE=9.20～11.88，（La/Yb）N=9.61～13.93，轻重稀土元素分馏明显，呈现出轻稀土元素富集、重稀土元素相对亏损的右倾配分模式（图4a）。其中，轻稀土配分曲线相对较陡，分馏较明显，（La/Sm）N=3.20～4.47；重稀土配分曲线相对较平坦，分馏不明显，（Gd/Yb）N=1.62～1.94。具有较弱的的负Eu异常，δEu=0.60～0.93，平均值0.75，暗示岩石经历了斜长石分离结晶作用或源区有斜长石的残留（表2）。按δEu对花岗岩进行分类属于壳幔型（δEu＞0.7），即由基性岩浆分异或下地壳部分熔融形成。

原始地幔标准化微量元素蛛网图（图4b）整体表现为右倾特征，样品富集大离子亲石元素Ba、Sr和高场强元素U、Pb、Zr，与相邻元素相比大离子亲石元素Rb、K和高场强元素Nb、Ce、P、Ti明显亏损。P和Ti的亏损可能由于磷灰石和钛铁矿的分离结晶作用或岩浆起源于磷灰石和钛铁矿的稳定区导致。Nb的亏损和Pb、U的富集显示出陆壳成分的特征。

4.2 同位素测年

辉石闪长岩锆石阴极发光图像显示锆石粒度在60～150μm之间，形态主要分为三类：第一类锆石呈板状，长短轴比为1.5～2，环带不发育，发育数量较少；第二类锆石呈锥柱状，长短轴比为1.2～1.5，发育完好的晶棱和晶面，核部环带不发育，边部环带发育；第三类锆石呈柱粒状，长短轴比为1～1.2，近于等轴粒状，震荡环带发育明显，部分锆石核部发育明显的古老核心。锆石中普遍发育后期热液作用形成的孔洞现象。

对34颗锆石进行了34个测点分析测试（表3），结果显示Th含量介于75×10 6～1146×10 6，U含量介于96×10 6～580×10 6，Th/U=0.69～2.53，均大于0.4，具有岩浆锆石的特征。其中32颗锆石具有相似的206Pb/238U年龄，其加权平均值为（124.4±1.4）Ma。

5 讨论

5.1 形成时代

以往工作对潘店岩体两侧的大张岩体和李屯岩体中的锆石进行了LA ICP MS定年分析，大张岩体闪长岩锆石加权平均年龄为（131.6±1.7）Ma，李屯闪长岩锆石加权平均年龄为（130.0±2.3）Ma。二者中均有大量年龄为2.44～2.45Ga的古老锆石，可能为岩浆上升过程中捕获的锆石  北京矿产地质研究院，山东省齐河 禹城地区接触交代型富铁矿綜合信息找矿预测地质模型成果报告，2017年。  。捕获锆石的存在，可能导致了平均年龄值的偏大。

本次工作在郭店钻孔（PZK1）中选取辉石闪长岩进行SHRIMP锆石U Pb测年。样品的加权平均年龄为（124.4±1.4）Ma。锆石的阴极发光图像（图5）和Th/U值显示其具有典型的岩浆成因，所测得的年龄可以代表岩体的形成时代（图6）。潘店闪长岩体侵位时代为早白垩世，与鲁西济南［10］、莱芜［19］、金岭［11 12］地区的大面积分布的中基性岩浆活动时间基本一致。

5.2 岩石成因

潘店岩体闪长岩、闪长玢岩矿物组成主要为斜长石、钾长石和辉石以及少量的角闪石、黑云母等，具有中性侵入岩的矿物组成特征。地球化学分析表明，不同样品具有相似的微量和稀土元素特征，暗示这些闪长岩和闪长玢岩是由相同的母岩浆演化形成的。

鲁西高Mg闪长岩以高Mg#、富钠、富含轻稀土元素、贫重稀土元素及高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf的明显亏损为特征，具有埃达克岩的特征［13］。潘店岩体Mg#值介于54.23～78.17（平均值64.86），MgO含量为2.43%～3.60%（平均值2.96%），Y含量为14.05×10 6～18.23×10 6（平均值16.73×10 6），Yb含量为1.20×10 6～1.50×10 6（平均值1.38×10 6），Sr含量为228.95×10 6～510.30×10 6（平均值384.84×10 6），∑LREE/∑HREE=9.20～11.88（平均值10.05），δEu为0.60～0.93（平均值0.75），这些地球化学特征与埃达克岩高硅（SiO2≥56%）、低镁（MgO多小于3%），贫Y（≤18×10 6）和Yb（≤1.9×10 6），Sr含量高（＞400×10 6），LREE富集、轻微Eu负异常的地球化学标志存在一定的差别［14］。潘店岩体样品的Nb/Ta=8.61～19.59，仅有2个样品值小于11，平均值为14.78，接近于亏损地幔（15.1±1）。Zr/Hf=35.14～39.22，平均值为37.24，远高于大陆地壳平均值（11.00），更接近于原始地幔的平均值（36.27）。这些岩石地球化学特征均暗示潘店岩体闪长岩并非埃达克岩［15］，原始岩浆可能为上地幔部分熔融的产物。

通常认为高La/Sm值（＞4.5）指示了地壳物质的混染［20］，样品La/Sm=5.08～7.10，平均值为6.33，表明在岩浆演化过程发生了地壳混染作用。样品Nb、Ta的亏损也暗示着有大陆地壳物质的混染，或源区存在俯冲的洋壳物质。另外，潘店岩体北侧的李屯岩体中存在与华北克拉通基底物质年龄相近的继承锆石（2.44～2.45Ga），也证明了闪长岩岩浆演化过程中受到古老下地壳物质的混染作用。

综上所述，推断潘店岩体原始岩浆来源于岩石圈地幔部分熔融产生的岩浆熔体，在上侵过程中经历了地壳混染。

5.3 构造背景

早白垩世为华北克拉通岩石圈减薄的高峰期［16］。潘店闪长岩锆石年龄为（124.4±1.4）Ma，与华北克拉通减薄破坏的峰期相一致。据朱日祥等［17］研究，华北克拉通减薄和破坏是太平洋板块的俯冲引起的［17 18］。Pierce构造环境判别图解中潘店岩体样品均落于火山弧花岗岩范围内（图 7），表明它们具有火山弧岩浆岩的地球化学属性，岩浆的形成可能与太平洋板块向欧亚板块的俯冲构造背景有关。利用全岩锆饱和温度计算岩浆结晶温度介于654.67～770.29℃，属于低温闪长岩。研究认为低温闪长岩形成主要与流体加入有关［19 22］，反映了一种与俯冲作用有关的构造背景［19］，说明其应该受到冷的太平洋板块的俯冲作用的影响。综上，潘店岩体应形成于太平洋板块的俯冲引起岩石圈大规模快速减薄环境。

6 结论

（1）潘店岩体位于华北克拉通东南部，主要由辉石闪长岩组成，SHRIMP锆石U Pb测年表明潘店闪长岩结晶年龄为（124.4±1.4）Ma，为早白垩世晚期岩浆活动的产物。

（2）岩石地球化学表明潘店岩体具有富硅、铝，富碱，富集大离子亲石元素Ba、Sr和高场强元素U、Pb、Zr，亏损大离子亲石元素Rb、K和高场强元素Nb、Ce、P、Ti，轻稀土富集，重稀土亏损，δEu为中—弱负异常等地球化学特征，其源岩可能是上地幔物质发生部分熔融，并在岩浆上升侵位的过程中与下地壳物质发生了同化混染。

（3）潘店岩体形成于岩石圈大规模快速减薄期，与燕山晚期太平洋板块俯冲作用密切相关。

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Ore-forming Origin of Rock Mass Zircon U   Pb Chronology and   Geochemical Evidence of Pandian Iron Deposit in Luxi  Area

QIN Jie， ZHU Xueqiang， WANG Lijuan， HAO Xingzhong

（Shandong Institute of Geological Surveying， Shandong Ji'nan 250014，China）

Abstract： Pandian rock mass is a newly discovered ore-forming body of Pandian iron deposit in Qihe-Yucheng area in Shandong province. It is mainly composed of pyroxene diorite. SHRIMP zircon U   Pb dating of pyroxene diorite in Pandian pluton has been carried out. The result is （124.4±1.4） Ma， indicating that the pluton was formed in the early Cretaceous. The contents of SiO2， K2O and Na2O in Pandian rock mass are 59.68%～62.71%， 0.13%～3.30% and 6.57%～8.42% respectively. The Mg# value is 54.23～78.17， and the A/CNK value is 0.52～0.71，It has a right-dip rare earth distribution pattern of light rare earth enrichment and heavy rare earth depletion. Comparing the light and heavy rare earth fractionation is obvious， with a medium-weak Eu negative anomaly. Enrichment of large ion lithophile elements Ba， Sr and high field strong elements U，Pb， Zr with adjacent elements， large ion lithophile elements Rb， K and high field strong elements Nb，Ce，P，Ti are obviously depleted. The characteristics of Nb/Ta， Zr/Hf ratios and Nb/Ta depletion indicate that the original magma may come from the partial melting of lithospheric mantle， and there is assimilation and contamination of crustal materials in the process of magma ascending and emplacement. The Pandian intrusion was formed during the large scale and rapid thinning of the lithosphere， which is closely related to the subduction of Paleo-Pacific plate in late Yanshan period.

Key words： Pandian iron deposit; augite diorite;zircon U Pb dating；geochemistry；Qihe Yucheng area