山东省微山县郗山稀土矿同位素年代学、 岩石地球化学及其成因

张 鹏，刘珊珊，兰 君，李衣鑫，邢 楠，杨云涛，刘敬杰，刘袁坤，康志强，杨 锋

(1.山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队，山东 泰安 271000；2.山东省稀土矿成矿作用研究与探测院士工作站，山东 泰安 271000；3.桂林理工大学 a.地球科学学院；b.有色金属矿产勘查与资源高效利用省部共建协同创新中心，广西 桂林 541006)

稀土元素有“工业维生素”之称, 广泛应用于现代高科技产业, 目前已探明稀土总量不能满足未来科技发展的需求[1]。具有开采价值的稀土矿床主要集中在中国、 美国和澳大利亚等国家, 且全球市场上供应的稀土资源只来源于少数几个主要矿床, 如中国的白云鄂博稀土矿、 牦牛坪稀土矿和美国的Iron Hill、 Gallinas Mountain等[2-5]。稀土矿床的主要类型包括碱性岩-碳酸岩型、 碱性伟晶岩型、 砂矿型、 花岗岩风化壳型等[2-3], 其中与碳酸岩杂岩体有关的稀土矿床, 往往具有相对较高的工业品位, 因此在全球范围内稀土勘探和开发的重点越来越多地投入到了与碳酸岩杂岩体相关的稀土矿床上[6-9]。

山东省济宁市微山县境内的郗山稀土矿床位于鲁西隆起区西南部, 苏鲁超高压变质带西部, 属于微山-淄博成矿带[10-13]。前人研究显示该成矿带稀土矿床形成与早白垩世大规模岩浆活动关系密切[14-21]。郗山稀土矿是该矿带中近年来勘探发现的一个大型稀土矿床, 其形成与矿区出露的郗山碱性杂岩体密切相关[22]。对于该岩体的形成时代, 前人大都认为集中在燕山晚期(120～140 Ma)[13, 19, 23-24]; 对其成因和地质构造背景, 多数学者认为与古太平洋板块作用的俯冲密切相关[16, 18-19], 但也有学者认为其与扬子板块向华北板块俯冲导致的弧后拉张环境有关[13]; 对于矿床的形成时代, 不同学者采用不同方法针对不同的矿物得出成矿年龄为110～130 Ma[25], 其确切成矿时代仍然存在一定争议。

为进一步深化郗山稀土矿成岩成矿作用研究, 本文以矿区最新施工的钻孔ZK-11-1、 ZK13-2、 ZK5-2为研究对象, 选取与成岩成矿关系密切的岩石和辉钼矿样品开展成岩成矿年代学、 岩石学、 主微量元素与同位素地球化学研究, 以探讨成岩成矿作用的形成时代、 成因机制及构造背景, 为深化矿床成矿规律认识提供科学依据。

1 区域地质背景

鲁西地块处于华北克拉通东南缘, 郯庐断裂带以西、 聊城-兰考断裂带以东、 齐河-广饶断裂带以南和丰沛断裂带以北, 呈近似平行四边形[26]。郯庐断裂带是中国东部大型断裂带, 以其东段的沂沭断裂为界, 将山东省划分成鲁西和胶东两个地质单元[27]; 聊城-兰考断裂及齐河-广饶断裂将鲁西分为华北坳陷和鲁西隆起两个构造单元。研究区位于鲁西隆起南西部, 苏鲁超高压变质带西部[11](图1a)。

图1 鲁西地区区域地质简图(据文献[25]修改)Fig.1 Regional geological maps of western ShandongCz—新生界; Mz—中生界; Pz—古生界; An∈—前寒武基底

鲁西地层分区从属于一级的柴达木-华北大区以及其下分的华北地层区, 地层出露齐全, 从中太古界至新生界第四系均有发育, 具有较为典型的双层特征, 基底主要出露太古宙TTG(奥长花岗岩、 英云闪长岩、 花岗闪长岩)岩系与新太古界泰山岩群, 盖层主要为古生界(寒武系-奥陶系)碳酸盐岩、 中生界碎屑岩以及第四系冲洪积物等[28-30]。研究区构造活动强烈, 整体以规模较大且发育良好的断裂构造为主, 且具有复杂的交切关系, 常显示出同心环状及放射状分布。断裂规模大小各异, 根据断裂展布特征及其互相切割关系, 可大致将区域内的断裂分为4组: NNE—NEE向(近NE向)、 近EW向、 NW向及近SN向[9, 31-32]。区内岩浆岩类型丰富, 从超基性岩到酸性岩均有分布, 整体以酸性侵入岩为主。区域上侵入岩的形成时间主要有3期, 分别是新太古代、 中元古代以及中生代[9, 33-34]。

2 矿区、 矿体地质和岩石学特征

研究区出露地层主要为新太古界泰山岩群及新生界第四系。泰山岩群分布于郗山村附近, 零星散布于新太古界片麻状中粒花岗闪长岩中, 主要岩性为黑云变粒岩和角闪黑云片岩等。第四系由冲积、 残坡积及湖积砂土、 含砾砂土、 亚黏土和结核层等组成, 厚度一般为0.5～3 m, 滨湖一带厚4～5 m及以上。区内出露燕山期正长岩类(如石英正长岩、 霓辉石英正长岩)和碱性花岗岩, 构成郗山碱性杂岩体, 在郗山村附近出露面积约0.5 km2, 与稀土矿化关系密切。围岩蚀变作用较强, 主要表现为钾长石化和钠长石化, 其他蚀变主要有碳酸盐化、 重晶石化、 萤石化、 稀土矿化等[13, 15-16]。

郗山稀土矿产于中生代燕山晚期含霓辉石石英正长岩内外接触带附近。矿体主要为含稀土石英-重晶石-碳酸盐岩脉, 总体呈单脉、 网脉状的矿脉群产出。围岩为新太古代片麻状中粒花岗闪长岩、 中生代石英正长岩等, 近矿脉的围岩具显著的碱质交代蚀变, 主要为钠长石化、 霓辉石化和钠铁闪石化, 稀土矿物呈浸染状分布, 构成稀土矿化或矿体。含稀土矿物主要为氟碳铈矿、 氟碳钙铈矿、 碳酸铈钠矿、 菱钙锶铈矿、 独居石和钍石等[33]。郗山矿床稀土矿体众多, 仅采矿权内已编号的稀土矿脉就有24条。最新勘查工作在5、 -11、 13线的7个钻孔工程(ZK5-1、 ZK5-2、 ZK-11-1、 ZK-11-2、 ZK-11-3、 ZK13-1、 ZK13-2)共圈定矿体44条, 包含新圈定9条(编号以X开头), 其中主要矿体17条, 次要矿体27条, 主要矿体中达到详查程度的16条, 含稀土石英-重晶石-碳酸盐岩脉型矿体10条, 细脉浸染型矿体6条。本次研究以矿区最新的钻孔资料为依据(ZK-11-1、 ZK13-2、 ZK5-2)(图2), 样品采集深度分别为73.5～695 m、 184.4～786 m和39～873 m, 共采取碱性杂岩体岩心样品9件, 分别编号为ZK-11-1-621 m、 ZK-11-1-616 m、 ZK13-2-200 m、 ZK13-2-510 m、 ZK-11-1-624 m、 ZK-11-1-501 m、 ZK-11-1-531 m、 ZK-11-1-197 m和ZK-11-1-473 m; 辉钼矿定年样品1件(ZK5-2-573 m)。通过野外手标本观察, 岩石样品均为浅肉红色石英正长岩及碱性花岗岩。石英正长岩呈中-细粒结构, 碱性花岗岩呈细粒结构, 块状构造, 主要矿物为正长石、 斜长石和石英等, 可见少量霓辉石和黑云母(图3)。辉钼矿样品取自石英-重晶石-碳酸盐岩网脉状矿石中, 在显微镜下辉钼矿与稀土矿物共生, 以鳞片状和团块状构造为主(图4)。

图2 郗山稀土矿床平面地质图(据文献[25]修改)Fig.2 Geological map of Chishan REE deposit1—第四系含砾砂质黏土; 2—白垩纪沙沟序列郗山单元细粒霓辉石英正长岩; 3—新太古代峄山序列太平顶单元片麻状中-细粒含黑云花岗闪长岩; 4—工业矿体及编号; 5—构造破碎带及主断裂面产状; 6—推断断层及编号; 7—正断层; 8—压性断层; 9—压扭性断层; 10—片麻理产状; 11—见矿钻孔及编号

图3 郗山稀土矿床岩心样品(a, b)和光学显微照片(c—f, +)Fig.3 Drill core samples(a, b) and micrographs (c-f) of Chishan REE depositAgt—霓辉石; Bt—黑云母; Cal—方解石; Pl—斜长石; Qr—正长石; Qz—石英

图4 郗山稀土矿床辉钼矿岩心(a)及显微镜反射光照片(b)Fig.4 Molybdenite in drill core samples(a) and its micrograph (b)of Chishan REE depositBsn—氟碳铈矿; Mo—辉钼矿

3 样品处理及分析测试方法

辉钼矿Re-Os同位素测试在中国科学院地质与地球物理研究所完成。分析流程: 首先将辉钼矿样品研磨至200目(74 μm), 称取0.015 g移入Carius管, 进行逆王水溶样操作, 在电热蒸气系统下利用Carius管蒸馏分离Os(原位), 随后选取蒸馏残液通过丙酮萃取分离Re, 用ICP-MS测定出对应的同位素结果, 进而得到模式年龄[40]。

主微量元素测试在廊坊市中铁物探勘察有限公司完成。主量元素采用碱熔玻璃片XRF法, 微量元素采用酸溶法, 用Agilent 7500 Series型ICP-MS分析。主量元素分析精度优于5%, 微量元素分析精度优于10%, 相关分析方法和程序参见文献[41]。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb定年

该杂岩体石英正长岩(ZK-11-1-473 m)中的锆石多为短柱状,个别不规则状, 长50～140 μm,宽50～130 μm,发育环带结构(图5a)。锆石U含量(3 074.2～11 583.5)×10-6,Th含量(3 204.1～7 065.3)×10-6,Th/U值为0.51～1.04(表1),均大于0.4,具有典型的中酸性岩浆锆石特征[13]。去除6个谐和度不好的分析点后,26个测点位于U-Pb年龄谐和线附近,使用Isoplot求出加权平均年龄为119.9±0.9 Ma(图5b),表明郗山碱性杂岩体为早白垩世岩浆作用的产物。

图5 锆石CL图像(a)和U-Pb年龄谐和图(b)Fig.5 CL images(a) and U-Pb age concordia diagrams(b) of zircons红色圆圈为U-Pb激光剥蚀区, 黄色圆圈为Hf同位素激光剥蚀区

表1 郗山碱性杂岩体石英正长岩(ZK-11-1-473)锆石U-Pb同位素分析结果

4.2 辉钼矿Re-Os 定年

测试结果(表2): Re含量28 859×10-9, 普通Os含量0.03×10-9,187Re为18 139×10-9,187Os为36.3×10-9。样品中普通Os含量极低, 接近于零, 说明辉钼矿测试样中187Os全部由187Re经β衰变而来[42-43], 因此可以直接用对应同位素测试结果进行Re-Os同位素模式年龄计算[44-45]。经计算, 辉钼矿的Re-Os同位素模式年龄为120.0±1.8 Ma, 与锆石U-Pb定年结果(119.9 ± 0.9 Ma)相近, 反映了郗山稀土矿床成岩和成矿时代较为一致。

表2 郗山稀土矿床辉钼矿Re-Os同位素测试结果

4.3 Rb-Sr-Nd同位素

Rb-Sr-Nd同位素分析结果显示(表3),样品的87Rb/86Sr值为0.044 02～0.624 72,143Nd/144Nd值为0.512 04～0.512 10。通过计算,(143Nd/144Nd)i值为0.511 99～0.512 04, (87Sr/86Sr)i值为0.706 36～0.711 68,εNd(t)值为-9.70～-8.82; Nd同位素模式年龄TDM为1.09 ～1.26 Ga。在(87Sr/86Sr)i-εNd(t)图解(图6)中, 样品投点总体落在EMⅠ型富集地幔附近。

表3 郗山碱性杂岩体Rb-Sr-Nd同位素分析结果

图6 郗山碱性杂岩体(87Sr/86Sr)i-εNd(t)图解(底图据文献[46], 前人数据引自文献[15, 23])Fig.6 (87Sr/86Sr)i vs. εNd(t) diagram from Chishan alkaline complexUCC—上地壳; LCC—下地壳; MORB—洋中脊玄武岩

4.4 Hf同位素

锆石Hf同位素分析结果见表4。176Hf/177Hf值为0.282 355～0.282 509, 平均值0.282 454, 对应二阶段模式年龄TDM2为1.61～1.95 Ga, 平均1.73 Ga;εHf(t)值为-6.75～-12.22, 平均值-8.71;176Lu/177Hf值为0.001 028～0.001 898, 均小于0.002, 测试结果相对准确[47]。在t-(176Hf/177Hf)图解(图7a)中, 所有测试点均落入球粒陨石与上地壳演化线之间。在t-εHf(t)图解(图7b)中, 测试点大部分落入球粒陨石与1.8 Ga地壳演化线之间, 少数样品落入1.8 Ga 与2.5 Ga 地壳演化线之间。

图7 郗山碱性杂岩体锆石t-(176Hf/177Hf)(a)和t-εHf(t)图解(b)(底图据文献[47-48], 前人数据引自文献[19, 24])Fig.7 t vs.(176Hf/177Hf) (a) and t vs. εHf(t)(b) diagrams of Chishan alkaline complex

表4 郗山碱性杂岩体石英正长岩(ZK-11-1-473)锆石Hf同位素测试结果

4.5 主量元素

郗山碱性杂岩体样品整体具有相似的主量元素地球化学特征(表5), SiO2含量为62.53%～73.23%, 平均68.43%, 属酸性岩类。在TAS分类图解上主要落入正长岩、 石英二长岩、 花岗岩及花岗闪长岩范围(图8a), 与野外及镜下岩石特征一致, 具有石英正长岩和碱性花岗岩特征。Al2O3含量较高(12.94%～17.45%, 平均15.36%), 此外, K2O为0.62%～5.30%, Na2O为4.17%～7.81%, CaO为0.84%～3.32%, P2O5为0.03%～0.21%, MgO为0.14%～1.62%, Mg#值为24.79～46.29, 铝饱和指数(A/CNK)为1.23～1.66, 平均1.37。在A/CNK-A/NK图解上, 主要落入亚碱过铝质、 准铝质区域(图8b), K2O/Na2O值除了1个为1.02, 其余均小于1, 里特曼指数σ为2.17～5.81, 平均3.57, 为碱性系列。在AR-SiO2图解(图8c)上, 样品投点主要落入碱性和钙碱性系列岩石范围。

图8 郗山碱性杂岩体TAS分类图解(a)、 A/CNK-A/NK图解(b)和AR-SiO2判别图解(c)(底图引自文献[49-51], 前人数据引自文献[13, 16, 18-19, 22, 52])Fig.8 TAS(a), A/CNK vs. A/NK(b) and AR vs.SiO2(c) diagrams of Chishan alkaline complex

表5 郗山碱性杂岩体主量(wB/%)、 微量和稀土元素(wB/10-6)分析结果

续表5

4.6 稀土及微量元素

在球粒陨石标准化稀土元素配分图(图9a)中, 分布曲线整体呈现出轻稀土富集的右倾特征。稀土总量变化较大(ΣREE=111.63×10-6～1 265.64×10-6), 轻重稀土分馏程度较高, LREE/HREE值为9.28～36.23, (La/Yb)N值为11.06～308.69。从整体看, 9件样品均具有较为类似的稀土演化特征, 应为同源岩浆演化的产物。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图9b)上, 样品整体富集大离子亲石元素(Ba、 Th、 U)及轻稀土元素(La、 Ce、 Nd等), 亏损高场强元素(Nb、 Ta、 P、 Ti)。

图9 郗山碱性杂岩体球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(a和b中前人数据分别引自文献[13, 16, 18-19]和[18-19])Fig.9 Chondrite-normalized REEs distribution(a) and primitive mantle-normalized trace elements(b) of Chishan alkaline complex

5 讨 论

5.1 成岩成矿时代

关于郗山碱性杂岩体的形成时代, 田京祥等[22]对碱性杂岩体运用白云母K-Ar定年, 结果为140 Ma; 阎国翰等[23]对霓辉正长岩进行锆石U-Pb定年, 结果为131.1 Ma; 闫志娇[24]对正长岩进行锆石U-Pb定年, 结果为125.3±1.3 Ma; 梁雨薇等[13]获得石英正长岩和霓辉石英正长岩的锆石U-Pb年龄分别为122.4±2.0 Ma和130.1±1.4 Ma; Wei等[19]分别对石英正长岩和碱性花岗岩进行锆石U-Pb定年, 结果为125.8±1.2 Ma和127.3±1.0 Ma。因此, 前人采用不同研究手段, 证明郗山碱性杂岩体成岩年龄范围为122.4～140 Ma, 集中于125～130 Ma, 说明早白垩世研究区存在与碱性岩有关的岩浆活动。本次工作对山东微山郗山碱性杂岩体石英正长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年, 结果为119.9±0.9 Ma, 较前人所测结果稍晚, 可能表明郗山碱性杂岩体的形成时间一直持续到119 Ma前后。

前人研究表明郗山稀土矿床形成时代集中在110～130 Ma(表6)[15, 18, 22, 25, 53]。本研究对与稀土矿物密切共生的辉钼矿进行了Re-Os同位素定年, 得到其模式年龄为120.0±1.8 Ma, 与此次锆石U-Pb定年结果相近, 从侧面反映了矿床形成时代与成岩时代一致, 均为早白垩世。张鹏等[25]对5件稀土矿物氟碳铈矿Th-Pb同位素测年结果分别集中于(122.2±0.5)～(125.5±0.5)Ma和112.3±0.6 Ma。通过综合前人测定和本次工作的成矿年龄(表6)表明, 郗山稀土矿床主成矿期为120～125 Ma, 与郗山碱性杂岩体形成时代一致或稍晚, 符合碱性岩-碳酸岩型岩浆热液稀土矿床成矿规律[9, 14], 进一步说明成岩与成矿作用密切相关。

表6 郗山稀土矿床成矿年龄

5.2 成因机制及构造环境

郗山碱性杂岩体富集大离子亲石元素而亏损高场强元素, 轻重稀土分馏明显, (La/Yb)N、 LREE/HREE平均值分别为133.93、 25.86, 具有高的Nb/Yb值(平均54.14)和低的TiO2/Yb值(平均0.14), 与幔源岩浆相类似的Lu/Yb值(平均0.14, 幔源岩浆通常为0.14～0.15), 靠近幔源的Rb/Sr值(平均0.07, 幔源岩浆通常小于0.05, 壳源岩浆通常大于0.5[54]), 以及远高于地壳平均值的Sr含量(平均2 170.23×10-6, 地壳平均值为320×10-6), 测试结果与富集地幔特征较为相符。在Ta/Yb-Th/Yb图解(图10a)和Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb图解(图10b)上, 绝大部分样品落在富集地幔区及其附近, 表明郗山碱性岩的物质来源与富集地幔密切相关。此外, 在t-176Hf/177Hf图解(图7a)中, 样品均落于地壳演化线与球粒陨石附近; 在(87Sr/86Sr)i-εNd(t)图解(图6)中, 碱性杂岩体样品与EM Ⅰ型富集地幔较吻合, 富集特征明显。EM Ⅰ型富集地幔为再循环下地壳或者地幔交代作用而成, 郗山碱性杂岩体多数样品显示出较为稳定的主微量元素以及放射性同位素特征((87Sr/86Sr)i=0.706 36～0.711 68,εNd(t)=-8.82～-9.70,εHf(t)=-6.75～-12.22), 说明其未经历过岩浆混合作用, 结合Hf较为古老的二阶段模式年龄(TDM2=1.61～1.95 Ga, 古老地壳物质特征明显)以及较小的Th/La值, 说明碱性杂岩体的富集特征主要来自于源区而非后期岩浆作用。在La-La/Sm图解(图11)中, 样品显示出部分熔融特征, 表明其应为EM Ⅰ型富集地幔部分熔融的产物。

华北克拉通在早白垩世由于古太平洋板块俯冲的影响, 构造体制从挤压到拉张转变, 导致岩石圈减薄、 郯庐断裂带活化及大规模软流圈上涌进而导致壳幔相互作用, 形成了早白垩世大规模的成岩成矿活动[58-59]。此时的鲁西地区与整个华北具有相同的演化背景, 处于强烈拉张伸展环境[9, 13]。在SiO2-lg(CaO/(Na2O+K2O))判别图解上, 郗山碱性杂岩体多数投点落在引张背景下(图12a)。在(Y+Nb)-Rb判别图解(图12b)上, 样品多位于后碰撞花岗岩区域, 而后碰撞花岗岩源区通常为地幔混染了部分地壳物质后形成, 岩石出现Nb、 Ta、 Ti 负异常, 类似于岛弧构造环境的特点[60], 与中国东部中生代大规模的岩石圈拆沉、 减薄作用的构造背景一致[61-64]。以上研究表明, 郗山碱性杂岩体的形成可能与华北克拉通的破坏特别是岩石圈减薄具有相同的深部地球动力学背景[16], 早白垩世鲁西地区应处于强烈拉张伸展背景下, 富钾富碱的岩石圈地幔部分熔融上涌从而形成包括郗山碱性杂岩体在内的鲁西地区大规模碱性岩浆活动[26]。

图10 郗山碱性杂岩体Ta/Yb-Th/Yb图解(a)和Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb图解(b)(a和b底图分别引自文献[55]、[56], 前人数据引自文献[13, 16, 18-19])Fig.10 Ta/Yb vs.Th/Yb(a) and Zr/Nb vs.Zr/Y vs.Y/Nb(b) diagrams of Chishan alkaline complex

图11 郗山碱性杂岩体La-La/Sm图解(底图据文献[57], 前人数据引自文献[13, 16, 18-19])Fig.11 La vs. La/Sm diagram of Chishan alkaline complex

图12 郗山碱性杂岩体SiO2-lg(CaO/(Na2O+K2O))(a)和(Y+Nb)-Rb图解(b)(a和b底图分别据文献[13]和[19], 前人数据分别引自文献[13, 16, 18-19, 22, 52]和[13, 16, 18-19])Fig.12 SiO2 vs. lg(CaO/(Na2O+K2O))(a) and (Y+Nb) vs. Rb(b) diagrams of Chishan alkaline complex

6 结 论

(1)山东省微山县郗山碱性杂岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果为119.9±0.9 Ma, 辉钼矿Re-Os同位素定年结果为120.0 ± 1.8 Ma, 表明成岩成矿年代均为早白垩世, 是同时代岩浆矿化作用产物。

(2)郗山碱性杂岩体样品总体上具有高硅、 富碱、 贫钙、 铁、 镁的特征, 为准铝质碱性系列酸性侵入岩。稀土元素总量高, 轻稀土强烈富集, 重稀土亏损, 轻重稀土分馏程度较高, 富集Ba、 Th、 U、 Nd等大离子亲石元素与轻稀土元素, 亏损Nb、 Ta、 Zr、 Hf等高场强元素。Sr、 Nd、 Hf同位素显示较为明显的富集特征, 源区可能为EMⅠ型富集地幔, 并在上升侵位过程中经历了一定程度地壳物质混染。

(3)郗山稀土矿成岩成矿作用形成于引张型构造背景, 为造山期后岩浆活动的产物, 与中生代华北克拉通岩石圈的破坏与减薄具有相似的地球动力学背景。