中條山涑水雜巖的同位素年代學(xué)研究及其地質(zhì)意義

趙 斌，王登紅，侯可軍，劉仁亮

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安 710054；2.山西省地球物理化學(xué)勘查院，山西運(yùn)城 044004；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037）

0 引 言

中條山是中國(guó)重要的銅多金屬成礦帶，擁有著名的晚太古代“變斑巖型”銅礦峪大型銅礦床和元古代“層控型”胡家峪—篦子溝銅礦床。而在涑水期形成的巖石建造——涑水雜巖，是中條山地區(qū)的重要含礦建造，主要分布在中條山的北西側(cè)，在涑水河以北呂梁山南端、曲沃以南和聞喜以西亦有零星出露。王植等將這套雜巖劃歸太古界（公雞栓花崗巖）下片巖系［1］，1959年中國(guó)地層會(huì)議將其定為涑水雜巖，之后有不同學(xué)者又提出新的劃分。這套巖石建造準(zhǔn)確歸屬很難確定的原因之一就是缺少充分的地層年代學(xué)數(shù)據(jù)。雖然不少學(xué)者也開展過同位素定年研究，將涑水雜巖劃歸新太古代到古元古代［2］，但仍沒有統(tǒng)一說法［3］。

中條山西南段運(yùn)城桃花洞一帶的涑水雜巖中發(fā)現(xiàn)的以變基性火山巖（斜長(zhǎng)角閃巖）為容礦巖石的桃花洞銅礦，是山西省地球物理化學(xué)勘查院2002年在運(yùn)城解州一帶開展地質(zhì)找礦時(shí)發(fā)現(xiàn)的，研究程度較低［4－5］。通過野外地質(zhì)調(diào)研和室內(nèi)研究，初步認(rèn)為桃花洞銅礦與涑水雜巖中的變質(zhì)基性巖具有明顯的成因聯(lián)系，變質(zhì)基性巖的成巖時(shí)代可以指示銅礦的成礦時(shí)代?；诖?，筆者在涑水雜巖中采集了BT2、BT3、BT4等3個(gè)樣品，利用電感耦合等離子質(zhì)譜（LA－MCICP－MS）方法，開展單顆粒鋯石U－Pb法測(cè)年，目的是通過研究涑水雜巖中變質(zhì)基性巖的成巖時(shí)代，為探討涑水雜巖的成因和地殼演化歷史提供依據(jù)，進(jìn)而為中條山銅礦的成礦時(shí)代研究提供新線索。

1 地質(zhì)背景

中條山位于華北大陸亞板塊南部鄂爾多斯地塊與河淮地塊接合帶的南端，由前寒武紀(jì)變質(zhì)巖穹狀隆起構(gòu)成復(fù)合變質(zhì)雜巖地體［6］。其西部中央變質(zhì)核主要是經(jīng)強(qiáng)烈改造的太古代—古元古代基底巖石——涑水雜巖，東部被中—晚元古代及古生代弱變形或未變形巖石覆蓋，中間是由絳縣群和中條群組成的變形變質(zhì)帶（圖1）。研究區(qū)位于中條山西部至呂梁山南端，區(qū)內(nèi)涑水雜巖廣泛出露，以變質(zhì)深成巖為主，其中殘留有大小不等的變質(zhì)表殼巖包體，并見少量的變質(zhì)基性巖脈，主要分布在中條山的西北側(cè)，在涑水河以北呂梁山南端、曲沃以南和聞喜以西亦有零星出露。大面積覆蓋的第四系之下也是涑水雜巖。

圖1 桃花洞測(cè)年巖石的接觸關(guān)系Fig.1 Contact relations of dating rocks in Taohuadong

本研究的樣品主要采自解州一帶，涑水雜巖可劃分為冷口變質(zhì)表殼巖、寨子—西姚灰色片麻巖、橫嶺關(guān)—?jiǎng)⒓腋G片麻巖、變質(zhì)基性巖脈、柴家窯變質(zhì)表殼巖、煙莊偏堿性花崗巖—解州片麻巖、解州變質(zhì)表殼巖等。

冷口變質(zhì)表殼巖的主要巖石包括斜長(zhǎng)角閃巖、黑云變粒巖、長(zhǎng)石石英巖、磁鐵石英巖、角閃巖和變質(zhì)超基性巖，往往呈大小不等的包體產(chǎn)出。解州變質(zhì)表殼巖包括斜長(zhǎng)角閃巖、淺粒巖、長(zhǎng)石石英巖、石英巖和具有深熔特征的二長(zhǎng)片麻巖和黑云二長(zhǎng)片麻巖。在變基性火山巖底部和頂部，有兩條花崗巖化帶。寨子—西姚灰色片麻巖（花崗巖）的主體為黑云斜長(zhǎng)片麻巖，具英云閃長(zhǎng)巖—奧長(zhǎng)花崗巖的巖石化學(xué)特征。山西省地質(zhì)勘查局213地質(zhì)隊(duì)稱中條山西段的片麻巖為西姚片麻巖，并曾獲得（2 457±14） Ma的單顆粒鋯石U－Pb年齡［7］；孫大中等則將東段的片麻巖稱為寨子—英云閃長(zhǎng)片麻巖，并獲得（2 321±2）Ma的鋯石U－Pb一致線年齡［8］；對(duì)于后者，郭麗爽等也曾獲得（2 536±8）Ma和（2 559.6± 5.9）Ma的單顆粒鋯石U－Pb年齡［9］。橫嶺關(guān)—?jiǎng)⒓腋G片麻巖的原巖為黑云二長(zhǎng)花崗巖，其中可見寨子—西姚灰色片麻巖的包體；其單顆鋯石U－Pb年齡為（2 435.9±12.0）Ma［9］。變質(zhì)基性巖脈現(xiàn)已變質(zhì)成斜長(zhǎng)角閃巖，在中條山西段可以見到穿過寨子—西姚灰色片麻巖的現(xiàn)象。柴家窯變質(zhì)表殼巖分布于中條山西段，主要巖石為蛇紋石化大理巖、白云石大理巖、石英大理巖和鈣質(zhì)片巖，呈包體狀分布于煙莊—解州片麻巖中。煙莊偏堿性花崗巖—解州片麻巖，可呈巖枝狀侵入寨子—西姚灰色片麻巖。在解州一帶伴隨有強(qiáng)烈的花崗巖化。山西省地質(zhì)勘查局213地質(zhì)隊(duì)曾經(jīng)在中條山西段獲得（2 453±74）Ma、（2 507±26）Ma和（2 618±26）Ma的單顆粒鋯石U－Pb年齡［7］。孫大中等在中條山東段煙莊附近，也以相同方法獲得了2 500Ma和2 640Ma的年齡數(shù)據(jù)［8］。

2 樣品特征與測(cè)試方法

筆者共采集到BT2、BT3、BT4測(cè)年樣品3件（圖1），其巖性分別為寨子—西姚灰色片麻巖（BT2）、二長(zhǎng)花崗巖（BT3）和斜長(zhǎng)角閃巖（BT4）。從3種巖石中分別挑選鋯石，原巖樣品質(zhì)量約22.6kg，從中選出1 053顆鋯石，共測(cè)定了46個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，其陰極發(fā)光（CL）圖像見圖2。由圖2可見，鋯石的晶體形態(tài)多為半自形—自形短柱狀、柱狀，形態(tài)規(guī)整，部分鋯石呈長(zhǎng)條狀、它形粒狀。粒徑為60～150μm，長(zhǎng)度為100～250μm，長(zhǎng)寬比變化較大。其CL圖像顯示絕大部分鋯石具有明顯的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，只有個(gè)別顆粒環(huán)帶結(jié)構(gòu)不明顯。

鋯石樣品的LA－MC－ICP－MS方法U－Pb定年工作是在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所MCICP－MS實(shí)驗(yàn)室完成的，所用儀器為Finnigan Neptune型MC－ICP－MS及與之配套的New wave UP 213激光剝蝕系統(tǒng)。激光剝蝕所用斑束直徑為25μm，頻率為10Hz，能量密度約為2.5J／cm2，以He為載氣。信號(hào)較小的207Pb、206Pb、204Pb（＋204Hg）和202Hg用離子計(jì)數(shù)器（multi－ion－counters）接收，208Pb、232Th和238U用法拉第杯接收。均勻鋯石顆粒N（207Pb）／N（206Pb），n（206Pb）／n（238U），n（207Pb）／n（235U）的測(cè)試精度（2σ）均為2%左右。詳細(xì)測(cè)試過程參見文獻(xiàn)［10－12］。

3 測(cè)試結(jié)果

圖2 樣品BT2、BT3、BT4的鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.2 CL images of zircons from samples BT2，BT3and BT4

根據(jù)鋯石形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測(cè)年結(jié)果（表1、圖3），可將BT2、BT3、BT4樣品中組成不一致年齡線的鋯石劃分為3類。

第Ⅰ類鋯石：該類鋯石包括樣品BT2的1、9、10、13號(hào)，樣品BT3的4、6、8、15號(hào)以及樣品BT4的4、11～16號(hào)，共計(jì)15個(gè)鋯石顆粒。該群鋯石顆粒多呈短柱狀—柱狀、半自形—自形，但外觀均顯渾圓狀。環(huán)帶結(jié)構(gòu)發(fā)育，可見較明顯的核邊結(jié)構(gòu)，環(huán)帶寬窄不一，內(nèi)部模糊，但核外界線清楚。長(zhǎng)寬比1.3∶1～2.5∶1；樣品BT2除1號(hào)鋯顆粒石晶形完整外，9、10、13號(hào)鋯石顆粒均呈渾圓狀；樣品BT3除4號(hào)呈帶裂隙的長(zhǎng)柱狀外，其余6、8、15號(hào)鋯石顆粒都呈碎塊狀，外形渾圓。樣品BT4的11、14號(hào)鋯石顆粒呈長(zhǎng)柱狀，有裂隙，其余4、12、13、15、16號(hào)鋯石顆粒均呈渾圓狀?？傊?，第Ⅰ類鋯石的最大特征是外形多呈渾圓狀，可能經(jīng)過一定程度磨損，具繼承性特征；另一個(gè)特點(diǎn)是核部色深，有溶蝕現(xiàn)象，環(huán)帶結(jié)構(gòu)比較模糊，淺色帶寬，深色帶窄，環(huán)帶形狀不規(guī)則。其放射鉛含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）平均為226.115×10－6，w（Th）／w（U）平均為0.635 5。推斷這類鋯石可能受后期地質(zhì)事件影響，為巖漿作用過程捕獲的巖漿成因鋯石。

表1 寨子—西姚灰色片麻巖、二長(zhǎng)花崗巖和斜長(zhǎng)角閃巖中鋯石U－Pb定年分析Tab.1 Zircon U－Pb dating results of Zhaizi－Xiyao grey gneiss，monzogranite and amphibolite

圖3 樣品BT2、BT3、BT4中鋯石U－Pb同位素諧和線圖Fig.3 Concordand diagrams of zircon U－Pb isotopes of samples BT2，BT3and BT4

第Ⅱ類鋯石：該類鋯石包括樣品BT2的2～8、11、12、14號(hào)，樣品BT3的1、3、5、7、9、14、16號(hào)，共計(jì)17顆鋯石顆粒。樣品BT2中，除8、12、14號(hào)鋯石顆粒顯示不完整晶形呈渾圓狀、短柱狀外，其余7顆晶形完好，粒徑為75～120μm，長(zhǎng)寬比為1.6～2.3。陰極發(fā)光圖像顯示其震蕩環(huán)帶清晰，平直對(duì)稱，具有巖漿成因特征。樣品BT3中，除14、16號(hào)鋯石顆粒呈規(guī)則長(zhǎng)柱外，其余5顆鋯顆粒石均呈它形粒狀，可能受到后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞所致。其放射鉛含量平均為184.153 4×10－6，w（Th）／w（U）平均為0.698 8。

第Ⅲ類鋯石：該類鋯石包括樣品BT3的2、10～13號(hào)和樣品BT4的1、2、3、5～10號(hào)，共計(jì)14顆鋯石顆粒。樣品BT3中，除13號(hào)呈單柱狀體外，其余4顆均呈碎屑不規(guī)則粒狀，有些色調(diào)深暗，特別是核部。其粒徑84～134μm，長(zhǎng)寬比為1.14～1.27，個(gè)別達(dá)1.8。該群鋯石以碎塊狀為特征，中心部分顏色深暗，可能受過構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響。有次生加大現(xiàn)象，中心黑暗，邊部帶寬厚。樣品BT4的這群鋯石顆粒除9號(hào)晶體不完整外，其余8顆晶形均較完好，震蕩環(huán)帶清晰，顯示巖漿成因特征。鋯石單顆粒徑60～100μm，長(zhǎng)寬比1.75～2.50。其放射鉛含量平均為148.630 8×10－6，w（Th）／w（U）平均為0.618 8。

綜上所述，測(cè)年所用的鋯石均具有如下特征：①大多具有明顯的震蕩環(huán)帶，測(cè)點(diǎn)位置均在環(huán)帶之內(nèi)，w（Th）／w（U）較高，顯示火成成因特征；②鋯石陰極發(fā)光較弱，顯示U、Th含量較高，色調(diào)較黑，表明普通鉛含量較高；③環(huán)帶形狀不規(guī)則，可能遭受后期地質(zhì)事件的影響，樣品BT3中鋯石顆粒多呈碎塊狀，有裂隙，可能受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響；④由老到新放射鉛含量明顯減少，N（207Pb）／N（206Pb）也明顯減少（圖4），表明在區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和變質(zhì)過程中，發(fā)生了一定程度的Pb丟失（或U加入）。

圖4 不同類型鋯石中N（207Pb）／N（206Pb）隨年齡的變化趨勢(shì)Fig.4 Age profile of N（207Pb）／N（206Pb）in different types of zircons

4 同位素年齡的地質(zhì)意義

測(cè)定結(jié)果顯示，3個(gè)樣品（BT2、BT3、BT4）中都有繼承性鋯石，繼承性鋯石的年齡均大于2 700Ma。野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上述樣品代表的3種巖石均以侵入接觸形式切穿于變基性火山巖層中，表明本區(qū)可能存在涑水期生成的古老地體，或者說解州變質(zhì)表殼巖可作為涑水雜巖中最古老的表殼巖，形成于中太古代。

斜長(zhǎng)角閃巖（恢復(fù)原巖為輝長(zhǎng)輝綠巖）在區(qū)內(nèi)分布較廣，雖然規(guī)模不大（一般長(zhǎng)幾十至幾百米，少數(shù)長(zhǎng)上千米，寬幾米至幾十米），但明顯呈脈狀形式侵入于解州變質(zhì)表殼巖和寨子—西姚灰色片麻巖中。本次測(cè)定的寨子—西姚灰色片麻巖中的黑云斜長(zhǎng)片麻巖鋯石結(jié)晶年齡為（2 625±11）Ma，斜長(zhǎng)角閃巖脈中鋯石結(jié)晶年齡為（2 592±16）Ma，正好與野外地質(zhì)現(xiàn)象吻合（斜長(zhǎng)角閃巖侵入片麻巖），表明鋯石年齡數(shù)據(jù)是合理的。對(duì)于二長(zhǎng)花崗巖（與銅礦化有密切關(guān)系），本次測(cè)得的結(jié)果為（2 548±15）Ma，與薛克勤用SHRIMP方法測(cè)得的菜子疙瘩鉀長(zhǎng)花崗巖鋯石結(jié)晶年齡（2 551±9）Ma基本一致。

結(jié)合前人資料，將具有核邊結(jié)構(gòu)、顯示渾圓形態(tài)的鋯石和晶形完整、沒有核邊結(jié)構(gòu)、具有清晰震蕩環(huán)帶的鋯石分別歸屬于繼承性鋯石和巖漿鋯石，所獲得年齡也相應(yīng)歸屬于繼承性鋯石年齡和巖漿結(jié)晶年齡（表2）。寨子—西姚灰色片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖和二長(zhǎng)花崗巖中古老繼承性鋯石年齡分別為（2 790± 15）、（2 773±24）、（2 782±34）Ma。由此可見，從解州變質(zhì)表殼巖（＞2.7Ga）→寨子—西姚灰色片麻巖（2.6Ga）→解州變二長(zhǎng)花崗巖煙莊偏堿性花崗巖（2.5Ga）及斜長(zhǎng)角閃巖（2.5Ga）→橫嶺關(guān)—?jiǎng)⒓腋G片麻巖（2.4Ga）→冷口變質(zhì)表殼巖（2.3Ga），越來越年輕。也就是說，涑水雜巖實(shí)質(zhì)上是由中太古代—古元古代形成的以及由變質(zhì)表殼巖和深成侵入巖組成的不同類型的雜巖體，其中主要巖類的形成時(shí)間與山西地塊太古宙—古元古宙構(gòu)造運(yùn)動(dòng)序列存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 中條山巖石中單顆鋯石U－Pb年齡及離子探針質(zhì)譜年齡Tab.2 Single zircon U－Pb ages and ion microprobe mass spectrometry ages of rocks in Zhongtiao Mountains

中條山地區(qū)是中國(guó)銅礦的重要產(chǎn)地［13］，但對(duì)于中國(guó)最古老的銅礦究竟是遼寧的紅透山還是山西的中條山，一直沒有定論［14－15］。本次測(cè)定的涑水雜巖是桃花洞銅礦的直接容礦圍巖，其礦體產(chǎn)出特征顯示，礦石具有明顯的順層條帶狀構(gòu)造和受變質(zhì)特征。銅礦層中黃銅礦總是與暗色礦物（角閃石）相伴生，暗色礦物與黃銅礦組成條帶細(xì)脈與區(qū)域片麻理產(chǎn)狀相一致，含礦變基性巖中片理構(gòu)造與區(qū)域片麻理及褶皺構(gòu)造產(chǎn)狀變化一致。野外觀察證據(jù)表明，銅礦物質(zhì)來源與基性巖漿是同源，而且主成礦期在區(qū)域片麻理和區(qū)域褶皺形成之前，即與含礦層（巖石）形成于同一地質(zhì)時(shí)期，成礦后的變質(zhì)作用雖有改造，但未能改變礦床（層）的基本特征，桃花洞銅礦床成因上屬于“古火山及火山沉積型的含礦原巖建造”銅礦。筆者認(rèn)為雖然還沒有直接確定桃花洞銅礦的成礦年齡，但涑水雜巖作為其容礦圍巖，形成時(shí)代可以間接指示成礦年齡。由表2可見，賦存在變基性火山巖層中的古火山含礦原巖建造型銅礦有可能是中國(guó)最古老的銅礦之一。

5 結(jié) 語

（1）涑水雜巖是由中太古代—古元古代形成的由變質(zhì)表殼巖和深成侵入巖組成的不同類型雜巖體。對(duì)桃花洞銅礦容礦圍巖—涑水雜巖系中的寨子—西姚灰色片麻巖和斜長(zhǎng)角閃巖及二長(zhǎng)花崗巖進(jìn)行了同位素年代學(xué)研究，獲得寨子—西姚灰色片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖和二長(zhǎng)花崗巖中鋯石的巖漿結(jié)晶年齡分別為（2 625±11）、（2 592±16）、（2 548±15）Ma，同時(shí)也獲得了巖石中古老繼承性鋯石的年齡分別為（2 790±15）、（2 773±24）、（2 782±34）Ma。這證明涑水雜巖的最初成巖時(shí)代在太古代。

（2）涑水雜巖作為與成礦關(guān)系密切的容礦圍巖，其成巖時(shí)代可以間接指示成礦時(shí)代，由此提出賦存在變基性火山巖層中的古火山含礦原巖建造型銅礦有可能是中國(guó)最古老的銅礦之一。

（3）中條山區(qū)已發(fā)現(xiàn)有中、晚古元代銅礦—古元古代銅礦—晚太古代銅礦—中太古代銅礦，而且多類銅礦都與基性火山（次火山）—侵入巖有密切關(guān)系，說明中條山銅礦具有一個(gè)由老到新的成礦時(shí)間序列，已查明的上涌地?？赡芫褪且粋€(gè)“銅庫(kù)”，從而說明中條山區(qū)深部及已知礦帶外圍具有很大的找礦潛力。

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