遼寧連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖巖石地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境

王慶喜,吳 迪,呂志平,李文輝

(1.核工業(yè)二四〇研究所,沈陽110032; 2.核工業(yè)二〇三研究所,咸陽712000)

遼寧連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖巖石地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境

王慶喜1,吳 迪1,呂志平1,李文輝2

(1.核工業(yè)二四〇研究所,沈陽110032; 2.核工業(yè)二〇三研究所,咸陽712000)

連山關(guān)地區(qū)前寒武系賦存的鈾礦床,是我國為數(shù)不多的不整合型鈾礦床。對連山關(guān)混合花崗巖開展地球化學(xué)研究,通過分析巖石主量、微量元素地球化學(xué)特征,探討巖石成因及形成的構(gòu)造環(huán)境。該區(qū)混合花崗巖屬于富硅,高堿、低鈦的鈣堿性系列巖石,稀土總量較高,輕稀土元素明顯富集,具有中等程度的Eu負(fù)異常;U、La、P相對富集,Ba、Ta、Nb、Sr、Ti相對虧損。該混合花崗巖具有S型花崗巖的特征,其源巖為中、上地殼酸性巖石,可能形成于太古宙克拉通裂陷拉張的構(gòu)造環(huán)境。

混合花崗巖;地球化學(xué)特征;S型花崗巖;構(gòu)造環(huán)境;連山關(guān)

連山關(guān)地區(qū)位于遼寧省本溪縣,在該區(qū)發(fā)現(xiàn)了我國著名的3075鈾礦床,其賦礦圍巖主要為白色混合花崗巖。前人主要圍繞該礦床地質(zhì)特征、成礦條件、成礦模式及礦化特征等開展了相關(guān)研究[1-4]。目前,關(guān)于混合花崗巖巖石地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境的研究較少。本文對連山關(guān)地區(qū)鉆孔巖芯系統(tǒng)采樣,經(jīng)薄片鑒定及地球化學(xué)分析,結(jié)合已有資料分析該區(qū)白色混合花崗巖的地球化學(xué)特征,探討其形成的構(gòu)造環(huán)境,為該區(qū)深部及外圍找礦提供參考。

1 地質(zhì)概況

連山關(guān)混合花崗巖分布于華北地臺邊緣和環(huán)太平洋俯沖帶結(jié)合部位,遼東—吉南早元古代裂谷北緣,產(chǎn)于遼東—吉南多金屬成礦帶內(nèi),連山關(guān)復(fù)背斜南翼西段[5](圖1)。該區(qū)主要出露古元古代遼河群地層,包括浪子山組和里爾峪組。浪子山組可細(xì)分為4個巖性段,自下而上分別為石英巖段(Pt1l1)、片巖段(Pt1l2)、大理巖段(Pt1l3)和含磷千枚巖段(Pt1l4);里爾峪組為浪子山組之上的一套大理巖和變質(zhì)火山巖系,與浪子山組呈連續(xù)沉積(表1)。

研究區(qū)主要有4組斷裂,分別為NWW向斷裂組、NW斷裂組、NE向斷裂組和NNE向斷裂組,其中NWW向斷裂組為礦前構(gòu)造,NE向斷裂組和NW向斷裂組為成礦期構(gòu)造,并以NE向斷裂組為主,NNE向斷裂組為礦后構(gòu)造[6]。

研究區(qū)出露的巖體主要為連山關(guān)混合雜巖體。該混合花崗巖體主體由紅色鉀質(zhì)混合花崗巖組成,其間有少量早期鈉質(zhì)花崗片麻巖殘留體,并大量分布太古宙鞍山群殘留體,邊部分布有在韌性剪切背景下發(fā)生動態(tài)部分熔融形成的白色混合花崗巖[1]。白色混合花崗巖分布在紅色混合花崗巖與遼河群浪子山組之間,與圍巖呈過渡接觸。本文主要以與礦化關(guān)系密切的白色混合花崗巖為研究對象。

2 巖石學(xué)特征

該區(qū)白色混合花崗巖主要為灰白色,具粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造,巖石主要由石英、斜長石、微斜長石及少量云母組成。其中,斜長石含量約30%,自形—半自形,柱狀及板柱狀,表面發(fā)生絹云母化;石英呈他形,含量約35%;微斜長石呈半自形,含量約25%;云母類礦物含量約10%(圖2)。

圖1 連山關(guān)地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻(xiàn)[5]修編)Fig.1 Regional geological map of the Lianshanguan area1-奧陶系灰?guī)r石;2-寒武系灰?guī)r;3-青白口系石英巖;4-遼河群沉積變質(zhì)巖;5-燕山期花崗巖;6-白色混合花崗巖;7-紅色混合花崗巖;8-地質(zhì)界線;9-不整合界線;10-漸變地質(zhì)界線;11-斷裂;12鈾礦床;13-鈾礦點

表1 連山關(guān)地區(qū)前寒武紀(jì)地層表Table1 Precambrian stratigraphy of the Lianshanguan area

3 巖石地球化學(xué)特征

前人研究表明[7],連山關(guān)白色混合花崗巖體屬于鋁過飽和系列,紅色混合花崗巖以富堿,貧Ca、Fe、K2O＞Na2O為特點,屬鉀質(zhì)花崗巖,由堿交代作用形成。紅色混合花崗巖微量元素含量與地殼微量元素含量平均值相當(dāng),與上地幔微量元素平均值相差較大。稀土元素配分曲線微向右傾斜,與巖漿型花崗巖顯著不同,屬于混合成因。

為進(jìn)一步研究白色混合花崗巖的地球化學(xué)特征,系統(tǒng)采集相關(guān)樣品后進(jìn)行主量元素、稀土元素和微量元素分析。分析測試工作在核工業(yè)二四〇研究所實驗室完成,主量元素采用X射線熒光熔片法(XRF)測定,分析精度＜1%,其中FeO和LOI采用濕化學(xué)分析法測定,稀土元素和微量元素分別采用陽離子交換分離—電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)和電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)完成,分析精度＞6%。主量元素及微量元素分析結(jié)果利用地球化學(xué)工具軟件包Geo Kit程序[8]對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖2 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖手標(biāo)本照片及顯微結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Hand specimen and mircoscopic structure of migmatitic granites in the Lianshanguan area Qtz-石英;Pl-斜長石;Mc-微斜長石

3.1 主量元素特征

連山關(guān)白色混合花崗巖主量元素分析結(jié)果見表2。SiO2含量為74.69%～76.11%,均值為75.50%,Al2O3含量為11.64%～13.18%,均值為12.33%,Na2O含量為2.66%～5.08%,均值為3.98%,K2O含量為1.98%～2.96%,均值為2.34%,堿含量偏高,K2O+Na2O含量為5.63%～7.12%,均值為6.32%,樣品里特曼指數(shù)δ＜3.3,屬于鈣堿性系列巖石。分異指數(shù)DI為87.45～92.44,均值為89.43,分異指數(shù)較高,固結(jié)指數(shù)SI為6.11～8.94,均值為7.09,固結(jié)指數(shù)中等。

由SiO2-(K2O+Na2O)圖解(圖3)可知,樣品均投點于花崗巖區(qū)域內(nèi),在QAP圖解(圖4)中,所有樣品也投點于花崗巖區(qū)域內(nèi)。由SiO2-K2O圖解(圖5)可知,樣品投點于鈣堿性系列區(qū)域范圍內(nèi)。在A/CNK-A/NK圖解(圖6)上,樣品投點于準(zhǔn)鋁質(zhì)—過鋁質(zhì)區(qū)域內(nèi)。根據(jù)CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計算結(jié)果,樣品中均含有剛玉分子,為2.39%～2.72%,上述特征表明該巖石具有S型花崗巖的特點。

3.2 稀土元素特征

圖3 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖SiO2-(K2O+Na2O)圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[9])Fig.3 SiO2vs.(K2O+Na2O)discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan areaIr-Irvine分界線,上方為堿性、下方為亞堿性;1-橄欖輝長巖;2a-堿性輝長巖;2b-亞堿性輝長巖;3-輝長閃長巖;4-閃長巖;5-花崗閃長巖;6-花崗巖;7-硅英巖;8-二長輝長巖; 9-二長閃長巖;10-二長巖;11-石英二長巖;12-正長巖; 13-副長石輝長巖;14-副長石二長閃長巖;15-副長石二長正長巖;16-副長石正長巖;17-副長石深成巖;18-霓方鈉巖/磷霞巖/粗白榴巖

圖4 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖QAP圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[10])Fig.4 QAP discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area1-富石英花崗巖;2-堿長花崗巖;3a-花崗巖;3b-花崗巖(二長花崗巖);4-花崗閃長巖;5-英云閃長巖、斜長花崗巖; 6*-堿長石英正長巖;7*-石英正長巖;8*-石英二長巖; 9*-石英二長閃長巖;10*-石英閃長巖、石英輝長巖、石英斜長巖;6-堿長正長巖;7-正長巖;8-二長巖;9-二長閃長巖、二長輝巖;10-閃長巖、輝長巖、斜長巖

圖5 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖SiO2-K2O圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[11])Fig.5 SiO2vs.K2O discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

根據(jù)稀土元素分析結(jié)果(表2)可知,稀土元素總量為(226.83～422.99)×10-6,均值為330.29× 10-6。輕稀土元素含量為(207.48～387.84)×10-6,均值為302.53×10-6,重稀土元素含量為(19.34～35.15)×10-6,均值為27.75×10-6,輕稀土元素相對富集。(La/Yb)N為16.08～16.95,均值為16.45,輕、重稀土元素分異明顯。(La/Sm)N為 1.15～1.19,均值為1.17,(Gd/Yb)N為1.80～1.88,均值為1.84,輕、重稀土元素內(nèi)部分餾程度較低。

圖6 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖A/CNK-A/NK圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[12])Fig.6 A/CNK vs.A/NK diagram showing alkaline character of migmatitic granites in the Lianshanguan area

稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(圖7a)表現(xiàn)為輕稀土元素富集的“右傾”型,各樣品稀土元素配分曲線相似,暗示其具有同源演化的特點。具有中等程度的Eu負(fù)異常,δEu=0.73～0.75,均值為0.74,具有類似于殼源型花崗巖的特征。Eu/Sm為0.22～0.23,均值為0.23,與殼源花崗巖(0.16)和沉積巖(0.20)相近[14]。Sm/Nd為0.19(＜0.3),說明該區(qū)混合花崗巖可能來源于地殼[15]。Ce負(fù)異常較弱(δCe為0.95～0.96,均值為0.96),可能是地殼源區(qū)部分熔融過程中斜長石作為難熔殘余物所致[16-17]。

3.3 微量元素特征

根據(jù)微量元素分析結(jié)果(表2)可知,大離子親石元素中Ba含量為(224.3～406.9)×10-6,均值為287.13×10-6,Sr含量為(76.12～103.20)× 10-6,均值為86.64×10-6;U含量為(92.27～ 1 089)×10-6,均值為478.73×10-6,Th含量為(41.89～79.76)×10-6,均值為61.03×10-6;高場強(qiáng)元素Nb、Zr、Hf含量分別為(5.40～6.81)× 10-6、(44.92～61.53)×10-6和(1.34～1.89)× 10-6。(Rb/Yb)N為85.06～155.79,均值為112.82,為強(qiáng)不相容元素富集型。Rb/Sr為3.98～5.70,均值為4.98,判斷該區(qū)混合花崗巖源巖為殼源物質(zhì)[18]。微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖7b)可知,Ba、Ta、Nb、Sr、Ti等元素強(qiáng)烈虧損,U、P、La等元素相對富集。

圖7 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線圖(a)及原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值據(jù)文獻(xiàn)[13])Fig.7 Chondrite-normalized rare earth element patterns(a)and primitive mantle-normalized trace element spiderdiagram (b)of migmatitic granites in the Lianshanguan area

表2 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖主量、稀土及微量元素分析結(jié)果Table2 Analysis results of major elements,rare earth elements and trace elements of migmatitic granites in the Lianshanguan area

4 討 論

4.1 成因及源區(qū)

稀土元素及微量元素相關(guān)比值參數(shù)(Eu/Sm、 Sm/Nd、Rb/Sr)均表明該混合花崗巖源巖為殼源物質(zhì)。A/CNK＞1.1,剛玉分子＞1%,推斷其屬于地殼物質(zhì)部分熔融的S型花崗巖類,在Zr-TiO2判別圖解(圖8)上,樣品均投點于S型花崗巖區(qū)域內(nèi),與上述推斷相符。

圖8 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖Zr-TiO2判別圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[19])Fig.8 Zr vs.TiO2discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

圖9 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖A/MF-C/MF圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[20])Fig.9 A/MF vs.C/MF discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

在A/MF-C/MF圖解上(圖9),該混合花崗巖樣品投點于變質(zhì)泥巖部分熔融區(qū)和變質(zhì)砂巖部分熔融區(qū)的交界部位,表明混合花崗巖主要由地殼成熟度較高的變泥質(zhì)和變砂質(zhì)巖石部分熔融形成,即源巖為中、上地殼酸性巖石,并非來源于下地殼中性巖類。在Ca-Fe-Mg判別圖解(圖10)上,樣品投點于殼源區(qū)域內(nèi),證明白色混合花崗巖源巖為殼源物質(zhì)。此外,樣品CaO/Na2O一般＜0.3,個別Cao/Na2O＞0.3,可以推斷其源巖以泥質(zhì)巖石為主,少量為長英質(zhì)巖石[22]。

4.2 成巖環(huán)境

將連山關(guān)白色混合花崗巖標(biāo)準(zhǔn)礦物含量投至Q-Ab-An圖解(圖11)中,該白色混合花崗巖成巖溫度約為800℃,巖石形成的壓力基本＜1 000 bar (100 MPa)。

圖10 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖Ca-Fe-Mg判別圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[21])Fig.10 Ca-Fe-Mg discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

圖11 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖Q-Ab-An圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[23])Fig.11 Q-Ab-An discrimination diagram for migmatitic granites in the Lianshanguan area

連山關(guān)白色混合花崗巖產(chǎn)于塔里木—華北板塊內(nèi)的華北陸塊北緣東段,膠遼隆起帶太子河—渾江坳陷、遼東—吉南早元古代裂谷北緣,華北板塊和環(huán)太平洋板塊俯沖帶結(jié)合部位。北東向深大斷裂發(fā)育,火山巖漿活動發(fā)育,經(jīng)歷了從太古宙至新生代復(fù)雜的構(gòu)造演化,不同演化階段形成了不同的構(gòu)造形跡及構(gòu)造組合反映不同的動力學(xué)機(jī)制和運(yùn)動學(xué)特征。依據(jù)巖石組合、建造與改造反映的地殼演化過程,可劃分為鞍山旋回、呂梁旋回、晉寧旋回、加里東—海西旋回、印支旋回、燕山旋回、喜山旋回7個構(gòu)造旋回。

太古宙時期主要在深層次構(gòu)造應(yīng)力作用下,形成一系列塑性流變構(gòu)造組合,反映這一時期由“小洋板塊—陸殼增生—克拉通化”的全部過程。古元古代早期,基性巖漿侵入,代表太古宙克拉通裂陷引張的構(gòu)造環(huán)境[24]。

前人研究[25]表明,特定巖石的化學(xué)成分可反演其形成時的構(gòu)造環(huán)境,混合花崗巖形成的構(gòu)造環(huán)境對研究其成因具有指導(dǎo)意義?；旌匣◢弾r可產(chǎn)出于多種構(gòu)造環(huán)境,在不同構(gòu)造背景下,巖漿物質(zhì)組成和溫壓條件不同,導(dǎo)致巖漿在形成機(jī)制、分異程度及運(yùn)移方式等方面表現(xiàn)出不同的特點。

圖12 連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[26])Fig.12 Trace element discrimination diagrams showing the tectonic settings of migmatitic granites in the Lianshanguan area WPG-板內(nèi)花崗巖;syn-COLG-同碰撞花崗巖;VAG-火山弧花崗巖;ORG-洋脊花崗巖

在微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖12)上,樣品均投點于同碰撞—火山弧花崗巖區(qū)。該組判別圖中的區(qū)域僅嚴(yán)格反映源區(qū)性質(zhì),無法反映構(gòu)造形態(tài)[27]。相關(guān)研究表明[28],二者之間存在連續(xù)的譜系,即后造山構(gòu)造環(huán)境,代表松弛伸展的構(gòu)造環(huán)境,這與古元古代早期連山關(guān)地區(qū)處于太古宙克拉通裂陷引張的構(gòu)造環(huán)境[24]一致。

5 結(jié) 論

(1)連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖具有高硅、高鉀、低鈦的主量元素地球化學(xué)特征,屬于鈣堿性系列的準(zhǔn)鋁質(zhì)—過鋁質(zhì)花崗巖類。稀土元素及微量元素地球化學(xué)特征表明該區(qū)混合花崗巖具有S型花崗巖特點,其源巖為中上地殼的酸性巖石。

(2)連山關(guān)白色混合花崗巖可能形成于太古宙克拉通裂陷引張的構(gòu)造環(huán)境。

(3)本文僅討論連山關(guān)地區(qū)混合花崗巖的巖石地球化學(xué)特征,初步判斷其形成的構(gòu)造環(huán)境,研究方法具有局限性,建議今后開展同位素測年及流體包裹體等相關(guān)研究。

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Geochemical characteristics and tectonic environment of migmatitic granites in the Lianshanguan area,Liaoning Province

WANG Qing-xi1,WU Di1,LüZhi-ping1,LI Wen-hui
(1.NO.240 Research Institute of Nuclear Industry,Shenyang 110032,China; 2.NO.203 Research Institute of Nuclear Industry,Xianyang 712000,China)

The uranium deposit in the Lianshanguan area,which occurs in the Precambrian strata,is one of the few unconformity-type uranium deposits in China.This study carried out geochemical analysis of the Lianshanguan migmatitic granite.The geochemical characteristics of the main elements and trace elements indicate their petrogenesis and tectonic setting.The migmatitic granites belong to high Si and alkali, low Ti calc-alkalic series rocks,characterized by high REE content(enrichment of LREE),moderately negative Eu anomaly,relatively enrichment of U,La and P and depletion of Ba,Ta,Nb,Sr and Ti.The study shows that the migmatitic granites are characteristic of S-type granite.The protolith is the felsic rocks derived from the middle and upper crust and the migmatitic granite may be formed at the tectonic setting of rifting and extension of the Archean craton.

migmatitic granite;goechemical characteristics;S-type granite;tectonic environment; Lianshanguan

P588.12+1

A

2096-1871(2017)02-108-09

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.02.004

2016-05-26

2016-06-28 責(zé)任編輯:譚桂麗

中國核工業(yè)地質(zhì)局“遼寧省本溪縣連山關(guān)—祁家堡鈾礦普查(項目編號:201163)”資助。

王慶喜,1988年生,男,工程師,主要從事鈾礦地質(zhì)勘查工作。