北山地区古元古界北山岩群中长英质脉内锆石U-Pb年龄及其地质意义

付燕刚, 陆桂福, 马德清,王振亮, 段壮,李勇

1) 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊,065000;2) 国家现代地质勘查工程技术研究中心,河北廊坊,065000;3) 内蒙古自治区有色地质勘查局五一一队,内蒙古巴彦淖尔,015000

内容提要:深熔作用是大陆地壳分异、元素迁移富集的重要地质过程。位于中亚造山带南缘的北山地区,笔者等对前寒武系北山岩群进行了研究,结果表明该岩群普遍经历了角闪岩相变质及深熔作用,长英质浅色脉体分布广泛,却鲜有文献报道。绵山地区出露的古元古代北山岩群斜长角闪岩及相关的长英质浅色脉体的野外地质特征、相互关系共同指示了北山岩群变质地层经历了部分熔融,熔体在原地分凝聚积。锆石LA-ICP-MS U-Pb 测定结果表明,顺北山岩群变质地层片理产出的长英质浅色脉体锆石n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄约为370 Ma,表明深熔作用发生时间为晚泥盆世; 一测点的n(207Pb)/n(206Pb)年龄为1623±12 Ma,与前人报道的北山岩群测年结果高度相近,虽此年龄值不足为证,但结合产出特征,可能指示长英质浅色脉体的源岩为北山岩群。此外,北山岩群中深熔作用普遍发育,露头可见大量的石榴子石、电气石、云母类矿物,指示区内部分稀有元素成矿潜力巨大。

深熔作用在前寒武纪高级变质地体和造山带高级变质岩中广泛发育(Patino Douce et al., 1990; 程裕淇等,2004;曾令森等,2017;石强,2020),包括含水矿物的脱水部分熔融和水致部分熔融,两者是混合岩化作用的主要机制,也是壳源花岗质岩浆形成、陆壳分异演化的重要机制和关键过程(Zheng Yongfei and Gao Peng, 2021)。因此,针对深熔作用的熔融反应、温压条件及流体在地壳熔融过程的潜在作用,熔体出溶、分凝聚集、分离及运移开展了广泛研究(Brown, 2007; Bea, 2012; Newton et al., 2014; Clemens and Stevens, 2016; 魏春景,2016a, 2016b; Huang Guangyu et al., 2021),这些研究成果为进一步深入理解地壳深熔作用、陆壳中元素的分异富集规律、深部地壳的物理性质及流变学行为等提供重要依据(刘建辉,2022)。

碰撞造山带存在大量陆壳基底深熔型花岗岩,例如,喜马拉雅新生代淡色花岗岩,澳大利亚Lachlan褶皱带中的S型花岗岩等,值得关注的是,该类花岗岩常与稀有元素成矿密切相关,如藏南喜马拉雅淡色花岗岩稀有金属成矿(吴福元等,2015;王汝成等,2017)。另外,该类花岗岩还与钼 (Mo)成矿有关,例如东秦岭造山带(Li Nuo et al., 2011, 2014;陈衍景等,2020)。中亚造山带在晚古生代发生大规模的陆陆碰撞,随后产生大量具陆壳深熔性质的花岗岩,为研究地质历史时期深熔作用过程提供了物质条件,也为稀有元素矿产提供了找矿远景区。

由于碰撞造山导致隆升剥蚀,北山地区野外可见大量前寒武系变质地层及侵入岩出露于地表,在花岗岩与变质地层的接触带,广泛发育顺片理产出的长英质脉体(部分粒度达到伟晶岩),且围岩片麻岩化、糜棱岩化发育,这些地质现象为研究地质历史时期深熔作用过程提供了条件。因此,笔者对北山地区经历了变质深熔作用的北山岩群斜长角闪岩及顺片理产出的长英质脉体开展了详细的野外地质调查,结合室内岩相学、锆石U-Pb年代学的研究,确定了深熔作用的时间及成因机制,并探讨了北山岩群稀有元素的成矿潜力。

1 地质概况及样品采集

中亚造山带是位于东欧陆块、西伯利亚陆块、塔里木陆块和华北陆块之间的巨型造山拼贴体(图1a)。它西起里海,东临西太平洋北部,横跨俄罗斯、哈萨克斯坦、中国等多个国家,是全球最大的大陆造山带(肖文交等,2019)。

北山地区位于中亚造山带中南缘,处在塔里木陆块、华北陆块的交汇部位,东侧与兴蒙造山带相接,西侧以星星峡断裂为界与东天山造山带分隔,北侧和南侧分别与蒙古造山带和敦煌地块相邻。北山造山带由多个微陆块、岛弧、蛇绿混杂岩带/增生杂岩等构造单元组成(图1)。前人认为,该造山带自北向南依次发育红石山—百合山、石板井—小黄山、月牙山—洗肠井和柳园—帐房山4条蛇绿混杂岩(超基性岩)带,并分割为5个地体,由北向南依次为雀儿山地体、黑鹰山—旱山地体、马鬃山地体、双鹰山—花牛山地体和石板山地体(图1b)(左国朝等,2003;Xiao Wenjiao et al., 2010; Liu Qian et al., 2015; 辛后田等,2020;李皓东等,2022;余吉远等,2023;郑小明等,2023)。

北山造山带属于典型的增生型造山带,经历了从寒武纪延续到二叠纪的漫长俯冲—拼贴造山过程,为我国西北地区的重要成矿带(聂凤军等,2002;Xiao Wenjiao et al., 2010; 江彪等,2022)。北山地区变质基底最远可追溯到太古宇—古元古界敦煌群变质岩系,其上为中新元古界长城系、蓟县系及青白口系浅变质岩。古生界盖层沉积序列较为连续,由早古生代的海相沉积逐渐过渡为二叠系的陆相沉积,中新生界主要为陆相沉积(左国朝等,1990;张二朋等,1998;王浩等,2021)。北山地区岩浆岩分布广泛,其中火山岩主体产于古生界地层,其次为元古界地层;侵入岩以中—酸性岩体最为发育,超基性、基性岩体多沿深大断裂断续分布。从形成时代来看,华力西中期侵入岩体分布最为广泛,且与北山地区部分铜、金、钼、钨及稀有金属矿化有密切的空间分布关系,其次为华力西晚期及加里东晚期,少量的华力西早期、印支期、燕山期岩体亦有发育(聂凤军等,2002;江彪等,2022)。

本文研究对象为北山岩群及顺其片理产出的长英质脉体。区域上北山岩群分布于额济纳旗雅干一带,呈近东西向或北东东向展布,向西延入甘肃境内。北山岩群原岩为一套陆缘滨浅海相碎屑岩建造,可将北山岩群地层划分4个岩组。一岩组(Pt1B1)为一套浅粒岩、变粒岩夹石英岩建造;二岩组(Pt1B2)为一套厚层状石英岩、长石石英岩夹浅粒岩建造;三岩组(Pt1B3)为一套二云片岩、变粒岩及斜长角闪岩组合;四岩组(Pt1B4)以硅化大理岩为主。

笔者等采集了绵山地区顺北山岩群片理产出的长英质岩脉样品(图2a、b)。围岩为北山岩群三岩组变质地层(Pt1B3),由黑云斜长角闪岩组成,呈深灰色,中细粒粒状变晶结构,强面理化,矿物成分主要为斜长石、角闪石、石英、黑云母、白云母等,含少量石榴子石,副矿物有磁铁矿、磷灰石、锆石等(图2c)。顺片理产出的长英质脉体,呈灰白色,半自形粒状结构、交代结构,主要由石英、钾长石、斜长石及少量绢云母组成,副矿物有磁铁矿、锆石等(图2d)。

图2 北山地区古元古界北山岩群中黑云斜长角闪岩及顺片理分布的长英质脉体(a)、(b)和黑云斜长角闪岩(c) 及长英质脉体(d) 的显微照片(正交偏光)Fig.2 Field photos (a), (b) and photomicrographs (c), (d) of the felsic veins and biotite plagioclase amphibolite of the Paleoproterozoic Beishan Group in Beishan Orogenic BeltAmp—角闪石;Bt—黑云母;Kfs—钾长石;Pl—斜长石;Qz—石英;Mus—白云母Amp— amphibole; Bt—biotite; Kfs—K-feldspar; Pl—plagioclase; Qz—quartz; Mus—Muscovite

2 分析方法

锆石分选由河北省地质测绘院岩矿实验测试中心完成,将挑选出的锆石粘贴制成环氧树脂样品靶,经过打磨抛光使锆石露出中心后进行透射光、反射光和阴极发光(CL)显微照相,阴极发光显微照相在核工业北京地质研究院采用扫描电镜完成,加速电压为15 kV。

锆石U-Pb同位素定年在核工业北京地质研究院利用LA-ICP-MS分析完成,使用的仪器是英国生产的Nu Plasma II型多接收电感耦合等离子体质谱仪,激光波长为193 nm。剥蚀实验选取的激光束斑大小为32 μm,分析过程中,测试样品每个样点的背景采集时间为20 s,信号采集时间为50 s;每测定5次样品点后,测定2次锆石标样91500,用来校正U-Pb、Th-Pb同位素分馏和仪器质量误差。数据采集完成后,利用ICPMSDataCal(Liu et al., 2008)软件进行数据离线处理,采用Andersen (2002)提出的ComPbCorr3.17校正程序进行普通铅校正,年龄谐和图的绘制采用Isoplot(Ludwig, 2003)软件。

3 分析结果

本次采集了顺北山岩群斜长角闪岩片理产出的长英质脉体样品(编号:SBJ9),进行了锆石U-Pb定年分析。锆石长度约100～200 μm,无色至浅褐色,透明,短柱状、次圆状晶体颗粒,CL图像显示清晰的振荡环带结构,为岩浆结晶成因(图3)。

图3 北山地区古元古界北山岩群中顺黑云斜长角闪岩片理分布的长英质脉体中锆石代表性CL图像Fig.3 Representative CL images of the zircons from the felsic veins within biotite plagioclase amphibolite of the Paleoproterozoic Beishan Group in Beishan Orogenic Belt

样品共进行了24个点的U-Pb年龄,分析结果分为两类,一类为长英质脉体结晶年龄,另一类为继承锆石年龄(图4a)。其中第一类包括13个分析点,这些分析点的Th含量为76×10-6～521×10-6,U含量为148×10-6～903 ×10-6,Th/U比值为0.45～0.86(表1),具有典型岩浆锆石的特征,n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为370.7±2.0 Ma(n=13,MSWD=0.59)(图4b),代表长英质脉体的结晶年龄;第二类为继承锆石,特别值得注意的是SBJ9-17号分析点,n(207Pb)/n(206Pb)年龄为1623±12 Ma(1σ)(表1),与前人报道的北山岩群测年结果一致(张正平等,2017)。

图4 北山地区古元古界北山岩群内顺黑云斜长角闪岩片理分布的长英质脉体中锆石U-Pb谐和年龄图Fig.4 U-Pb concordia diagrams of zircons from the felsic veins within biotite plagioclase amphibolite of the Paleoproterozoic Beishan Group in Beishan Orogenic Belt

4 讨论

4.1 深熔作用时间及地球动力学背景

微区锆石U-Pb定年技术目前已经十分成熟,前人对不同岩石类型中不同成因锆石的形态、内部结构及Th/U比值等都进行过研究和总结(吴元保和郑永飞,2004)。顺北山岩群变质地层片理产出的长英质脉体(样品SBJ9)中锆石13个分析点的n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为370.7±2.0 Ma,表明深熔作用发生时间为晚泥盆世。 另外,一颗继承锆石(SBJ9-17号分析点)的n(207Pb)/n(206Pb)年龄为1623±12 Ma,与前人报道的北山岩群测年结果(张正平等,2017)高度相近,虽此年龄值不足为证,但结合产出特征,可能指示长英质浅色脉体的源岩为北山岩群。

造山作用过程中,深熔作用往往发生在地壳增厚向伸展过渡的减压阶段,即减压部分熔融(Hinchey and Carr, 2006)。前人研究表明,该区于晚志留世发生碰撞(公婆泉岛弧与明水旱山地块),并于早泥盆世发现A型花岗岩及3个井组双峰式火山岩,代表了后碰撞伸展阶段的产物,随后于晚泥盆世进入陆内伸展阶段(辛后田等,2020)。如前所述,本次深熔作用发生时间为晚泥盆世(370 Ma左右),与陆内伸展作用有关。

4.2 深熔作用过程

深熔作用多与高级变质作用相联系,是处于地壳深部的变质岩,在温度升高、压力降低或流体加入的情况下,使物质发生部分熔融,即深熔,通常产生长英质成分的熔体,如果这个体系保持封闭,则会在其内部发生混合岩化作用,并形成一些长英质脉体,这个过程就是变质作用向岩浆作用的过渡(程裕淇等,2004;石强,2020;董汉文,2022)。

一般认为,深熔作用是壳源花岗岩形成的主要方式。北山岩群变质地层中,长英质脉体与斜长角闪岩空间上密切共生,渐变过渡,显示出脉体与这些围岩密切的成因关系(图2a、b,图5)。绵山地区能够看到由长英质脉体与斜长角闪岩基体组成的混合岩化及相关花岗岩体等深熔作用各阶段的产物,这些野外地质现象为研究深熔熔体的形成、运移以及成岩过程提供了重要的证据。其中在斜长角闪岩中分布有大量新生成的石英、长石晶体,靠近长英质脉体的位置,晶体数量明显增多(图5c,d),暗示长英质脉体是由这些石英、长石等矿物晶体汇聚形成,同时长英质脉体中往往存在大小不一,形状各异的斜长角闪岩源岩包体(图5a)。随着深熔程度的加强,深熔源岩中长英质晶体含量逐渐增多,直到形成长英质脉体,残留体与熔浆未发生完全分离,形成绵山地区不同混合程度的混合岩及花岗岩等多种岩石类型,具有近源地熔融成因的花岗岩特征,类似于石强等(2021)报道的包头地区深熔花岗岩。另外,在北山岩群变质地层中见糜棱岩化斜长角闪岩,其内部夹有大小不均一的长英质透镜体(图5b),糜棱岩内部有定向长石、石英斑晶(图5c),暗示其结晶于韧性状态下,可能是在剪切热作用下(不排除有深部热),古老基底原地熔融所致。

图5 北山的绵山地区古元古界北山岩群中的混合岩化及深熔作用现象Fig.5 Outcrop observations of the migmatization and anataxis within the Paleoproterozoic Beishan Group in Mianshan area, Beishan Orogenic Belt

从岩浆岩的角度出发,过铝质、强过铝质花岗岩均来自深部地壳陆源物质的部分熔融,在侵位过程中,熔体与残留体分离。在大多数花岗岩中都有残留矿物的存在,其中最常见的就是残留锆石(石强等,2021)。在CL图像上,长英质脉体样品部分锆石具有核—幔—边结构(图3),核部锆石(SBJ9-17号分析点)n(207Pb)/n(206Pb)年龄为1623±12 Ma(1σ),与文献中报道的北山岩群斜长角闪岩岩浆锆石年龄一致(张正平等,2017)。结合两者之间紧密的地质产出关系,暗示长英质脉体中～1.6 Ga继承锆石捕获自北山岩群变质地层。进一步指示长英质脉体来自于北山岩群斜长角闪岩的重熔。

4.3 稀有金属成矿潜力

以稀土、稀有和稀散金属等为代表的战略性新兴产业矿产资源虽然用量不大,却是引领新兴产业发展的关键性原材料,国际上高度重视。我国在《全国矿产资源规划(2016～2020年)》中,首次在全国103个能源资源基地中设立了14个战略性新兴产业矿产基地,并与能源矿产、黑色金属、有色金属和非金属矿产并列(王登红等,2019)。中国是稀有金属资源大国,特别是南岭和新疆阿尔泰地区是中国两个重要的稀有金属成矿带,近年来的工作表明,喜马拉雅成矿带、北山成矿带也显示出良好的稀有金属成矿潜力,很可能成为继华南、新疆阿尔泰之后中国又一个重要的稀有金属成矿带,在北山地区,该类矿床以钨矿床(红尖兵山、玉山、国庆、鹰嘴红山)、铷矿床(东七一山、国宝山)为代表(王勇等,2009;周会武等,2015a,王汝成等,2017;孙艳等,2019;江彪等,2022)。

稀有金属主要包括锂、铷、铍、铌、钽、锆、铪、钨、锡等(矿产资源工业要求手册编委会,2010),主要为大离子亲石元素和高场强元素。相较于陨石和地幔来讲,陆壳中稀有元素明显富集,稀有金属成矿与花岗岩关系最为密切,花岗岩浆的结晶分异作用导致亲花岗岩的金属元素从岩浆中伴随着气水溶液分泌出来(即成矿过程三部曲“源—运—储”之“源”),并在“运与储”的有利条件下,形成这些金属元素的岩浆热液矿床(汪相和楼法生,2022)。在S型花岗质和A型花岗质岩石中稀有金属含量富集倍数是陆壳1～2个数量级以上(Linnen and Cuney, 2005;王汝成等,2021),因此,陆壳深熔成因的花岗岩(特别是伟晶岩脉)找矿潜力巨大。北山岩群深熔现象普遍存在,深熔花岗岩较为发育,意味着稀有金属矿化的前景很好。

在北山地区,铷(Rb)、锂(Li)、铍(Be)元素异常呈三条带状自北向南沿近东西向弧形构造岩浆岩带分布,与之对应的岩性主要为碱性花岗岩、伟晶岩,以铷矿化为主。稀有金属成矿构造位置多处在古老地块边缘,与变质基底关系密切。成矿时代大多数为华力西期,次为印支—燕山期,个别为加里东期。野外工作过程中,发现了大量的稀有金属矿化痕迹,例如,可能富含重稀土(HREE)石英—石榴子石脉(图6a),富铷(Rb)的钾长花岗岩(图6b),富硼(B)、锂(Li)的电气石—石英脉(图6c、d),可能富锂(Li)、铷(Rb)的浅色长英质脉体(图6e、f)。显示出铷(Rb)、锂(Li)巨大的找矿潜力,与王学求等(2020)报道的北山地区锂(Li)地球化学异常、孙艳等(2019)综述的北山地区铷(Rb)成矿带相一致。北山地区已公开发表的稀有金属矿床(点)地质特征与研究区极为类似,包括国宝山铷矿床、刘家河铷矿床、白头山铷矿床等,这些矿床均与前寒武系变质地层有空间、成因上的密切关系,矿物组合均与浅色的长英质矿物有关,包括钾长石、白云母、石英、斜长石及少量黑云母、石榴子石、电气石等(周会武等,2015b;于俊博,2015;王乔林等,2021)。目前,北山地区公开发表的稀有金属矿床(点)的资料相对较少,研究相对薄弱,后续还需加大勘查研究力度,争取获得稀有金属找矿重大突破,成为北山地区的优势矿种。

5 结论

在中亚造山带南缘北山地区,前寒武系北山岩群普遍经历了角闪岩相变质及深熔作用,长英质浅色脉体分布广泛。

(1)长英质脉体中岩浆锆石的U-Pb年龄为370.7±2.0 Ma, 表明深熔作用发生时间为晚泥盆世。

(2)绵山地区深熔作用过程如下:在高级变质作用下,当温度升高(或压力降低、挥发分加入,或三者皆满足)到一定程度时,北山岩群的某些区域发生部分熔融,产生长英质熔体。这些熔体起初并未流通汇聚,便在形成它们的地质体内部结晶。随着深熔程度的加强,深熔源岩中长英质晶体含量逐渐增多,直到形成长英质脉体,残留体与熔浆未发生完全分离,形成绵山地区不同混合程度的混合岩及花岗岩等多种岩石类型,具有近源地熔融成因的花岗岩特征。

(3)北山岩群中深熔作用普遍发育,露头可见大量的石榴子石、电气石、云母类矿物,指示区内稀有元素成矿潜力巨大。