華北克拉通南緣小秦嶺地區(qū)花崗質(zhì)片麻巖年代學和地球化學特征及其地質(zhì)意義

謝 亙，喻光明，路英川,3，馮 欣，田光昊，王 然，王 建

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 廊坊自然資源綜合調(diào)查中心，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 自然資源綜合調(diào)查指揮中心，北京 100055;3.中國地質(zhì)調(diào)查局 地球物理調(diào)查中心，河北 廊坊 065000;4.卡迪夫大學 地球與海洋科學學院，威爾士 卡迪夫 CF10 3AT)

0 引 言

A型花崗巖最初由Loiselle和Wones在1979年提出[1]，定義為堿性(alkaline)、無水(anhydrous)和非造山(anorogenic)的“3A”特點花崗巖，具有獨特的地球化學特征，形成于特定的地質(zhì)背景。從化學成分上，它們普遍具有富堿，高Fe/(Fe+Mg)、Ga/Al、Rb/Sr和HFSE，貧Ca、Fe和Mg，強烈虧損Eu、Sr、Ba、P和Ti，且Eu負異常明顯的特點，包括幔源、殼源和殼-?；旌系榷喾N源區(qū)屬性[2-6]。從地質(zhì)背景上，A型花崗巖的產(chǎn)生通常與伸展的構(gòu)造背景有關，如與大陸裂谷和與地幔柱有關的板內(nèi)非造山環(huán)境(非造山型)、與陸-陸碰撞后或與俯沖作用有關的環(huán)境(后造山型)[7-10]。因此，A型花崗巖的研究對于揭示區(qū)域殼幔相互作用及大地構(gòu)造演化具有非常重要的指示意義。

華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，記錄了世界上幾乎所有主要的前寒武紀地質(zhì)事件，作為我國出露面積最大和最古老的陸塊，華北克拉通早前寒武紀基底的形成及演化備受關注[11]。翟明國等認為華北克拉通分別在2.60～2.53 Ga和1.95～1.82 Ga經(jīng)兩次克拉通化形成現(xiàn)在的規(guī)模，可依據(jù)重要的古老構(gòu)造邊界的識別將其劃分為7個不同的微陸塊[12]。Zhao等認為華北克拉通由東部陸塊和西部陸塊沿中部造山帶碰撞貼合而成，西部陸塊從新太古代開始向東部陸塊持續(xù)俯沖，在1.85 Ga左右華北克拉通兩陸塊沿中部造山帶碰撞拼合并最終形成穩(wěn)定統(tǒng)一的克拉通[13]。沈其韓等2005年統(tǒng)計了華北克拉通早前寒武紀結(jié)晶基底中大量鋯石的精確同位素定年結(jié)果[14]，認為華北克拉通經(jīng)歷了約2.5 Ga和約1.8 Ga兩次重大構(gòu)造-巖漿-熱事件，其年齡范圍為2.60～2.45 Ga和1.90～1.75 Ga。上述學者的觀點反映了古元古代晚期巖漿事件在華北克拉通及其內(nèi)部廣泛存在，但不同學者對于華北克拉通基底的拼合時間和方式存在不同的觀點。小秦嶺地區(qū)位于華北中部造山帶南段，是研究華北克拉通南緣演化的關鍵地區(qū)，對其研究不僅有助于深入了解華北克拉通古元古代構(gòu)造演化特征，同時對于華北克拉通東西陸塊碰撞時間的厘定也具有重要意義。

小秦嶺地區(qū)太華巖群變質(zhì)巖是該區(qū)金礦的主要賦礦圍巖，該區(qū)累計探明的500多t金資源儲量主要賦存于該套巖石中，對太華巖群的研究歷來深受重視。而位于小秦嶺北側(cè)的大湖金鉬礦床圍巖-花崗質(zhì)片麻巖，是研究太華巖群的理想對象，弄清其形成和變質(zhì)時代以及巖石成因和構(gòu)造環(huán)境，可以為豐富華北克拉通南緣古元古代巖漿事件提供資料，也為探討華北克拉通南緣古元古代可能經(jīng)歷的構(gòu)造演化過程提供重要信息。

1 地質(zhì)背景和樣品特征

小秦嶺地區(qū)位于華北克拉通南緣(圖1 (a))，西起陜西華山，東至河南靈寶—朱陽盆地西北邊緣，南北兩側(cè)分別以小河斷裂帶和三寶斷裂帶為界(圖1(b))[17]。區(qū)內(nèi)主要出露地層為早前寒武紀(太古宙—古元古代)太華群中深變質(zhì)火山-沉積巖系[18]，太華群為華北克拉通塊體南緣的地質(zhì)單元，其中豫西小秦嶺地區(qū)太華雜巖主體是花崗質(zhì)片麻巖[19]；由于該區(qū)各類巖石遭受多期的塑性變形和高級變質(zhì)作用，導致小秦嶺地區(qū)的太華雜巖原巖識別和劃分非常困難[20]。周漢文等1998年通過分析發(fā)現(xiàn)該區(qū)片麻巖為正片麻巖，并進一步證明小秦嶺地區(qū)太華雜巖中花崗質(zhì)片麻巖的原巖為巖漿侵入巖[19]。區(qū)內(nèi)多期巖漿活動強烈，出露面積較大的有中元古代桂家峪二長花崗巖(全巖Rb-Sr等時線年齡為(1 642±30)Ma[21])和小河花崗巖(鋯石U-Pb年齡為(1 748±25)Ma[22])以及若干中生代中酸性侵入巖，包括華山黑云母二長花崗巖、文峪和娘娘山花崗巖體。

圖1 華北克拉通劃分模式圖及研究區(qū)位置((a),據(jù)文獻[13]修改)、研究區(qū)在小秦嶺金礦區(qū)位置示意圖((b),據(jù)文獻[15]修改)及大湖金鉬礦床地質(zhì)簡圖((c),據(jù)文獻[16]修改)Fig.1 Subdivisions of the North China Craton,showing the study area location ((a),modified from reference [13]),the study area location in the Xiaoqinling gold field ((b),modified from reference [15]),and simplified geological map of the Dahu Au-Mo deposit ((c),modified from reference [16])

本次分析的4件樣品采自大湖金鉬礦床坑道550中段的F7礦體及其圍巖(采樣位置見圖1 (c),井下照片見圖2(a))。其中樣品F7-017采自F7礦體的氧化礦體礦石(圖2(c))，礦脈呈灰白色，礦石為石英脈型輝鉬礦、黃銅礦、黃鐵礦型的鉬金礦，背散射圖像中可見輝鉬礦主要以片狀賦存在黃鐵礦、石英的裂隙中或沿石英顆粒邊界分布，片徑大小主體約50 μm(圖2(d))；樣品F7-037、F7-039、F7-040采自F7礦體上盤的花崗質(zhì)片麻巖(圖2(b))，巖石整體呈灰紅色，具變余花崗結(jié)構(gòu)、鱗片狀粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，主要由鉀長石、石英、斜長石及少量角閃石、絹云母組成，巖石中可見近水平的薄層鉬礦化，年齡樣DHF7由樣品F7-037、F7-039、F7-040合并組成。對這4件樣品進行了主量、微量元素測試分析，并對DHF7年齡樣進行SIMS鋯石U-Pb 定年分析。

圖2 大湖金鉬礦床F7礦體及圍巖照片F(xiàn)ig.2 Photos of F7 orebody and wallrock in the Dahu Au-Mo deposit

2 測試方法

被挑選的鋯石與鋯石標樣Plěsovice被制作成環(huán)氧樹脂靶，鋯石陰極發(fā)光圖像在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所LEO1450VP掃描電子顯微鏡下拍攝完成。鋯石U-Pb 定年在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所離子探針實驗室的多接收Cameca IMS 1280二次離子質(zhì)譜儀完成。詳細的分析方法見文獻[23]。鋯石標樣與鋯石樣品以1∶3 比例交替測定。U-Th-Pb同位素比值用標準鋯石 Plěsovice (206Pb/238U年齡337.3 Ma[24])校正獲得，U含量采用標準鋯石91500 (81×10-6[25])校正獲得，以長期監(jiān)測標準樣品獲得的標準偏差 (1SD=1.5%[26])和單點測試內(nèi)部精度共同傳遞得到樣品單點誤差，以標準樣品 Qinghu (159.5 Ma[23])作為未知樣監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確度。普通Pb校正采用非放射性成因的204Pb值。同位素比值及年齡誤差均為1σ。數(shù)據(jù)結(jié)果處理采用Isoplot軟件[27]。

全巖主量、微量元素(含稀土元素)的測試分析分別在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室Phillips PW2400 X-ray熒光光譜儀和VG-PQII ICP-MS上完成，主量元素測試精度優(yōu)于5%，微量和稀土元素精度約5%，詳細測試步驟可參見文獻[28]。

3 結(jié)果分析

3.1 鋯石U-Pb年齡

花崗質(zhì)片麻巖(DHF7)鋯石多為淺黃色、無色，半透明，鋯石粒徑50～200 μm，形態(tài)有的較完整有的不完整。陰極發(fā)光照片上多具有明顯的核邊結(jié)構(gòu)，核部具有振蕩環(huán)帶，顯示巖漿鋯石特征，邊部形狀不規(guī)則，CL圖像亮度較高，顯示出變質(zhì)成因的特征(圖3)。

圖3 大湖金鉬礦床圍巖鋯石陰極發(fā)光圖片和測點位號、分組及對應的年齡值(Ma)Fig.3 Representative zircon CL images of wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit,their analysis spot number,group type,and U-Pb ages (Ma)

選取13顆鋯石進行了20個點的分析(表1)，結(jié)合CL圖像和U-Pb年齡將鋯石分為兩組，并分別在U-Pb年齡諧和圖上形成上下交點(圖4(a))。第Ⅰ組鋯石分析了5個數(shù)據(jù)點，U含量在250×10-6～464×10-6之間，Th含量在93×10-6～146×10-6之間，Th/U值在0.22～0.42之間(>0.1)，顯示巖漿鋯石的特征[29]，得到的上交點年齡為(2 455±59 Ma)(n=5，MSWD =0.96)(圖4 (b))，代表了花崗質(zhì)片麻巖原巖的形成年齡；第Ⅱ組鋯石分析了13個數(shù)據(jù)點，位于鋯石變質(zhì)成因的邊部，U含量在97×10-6～1 418×10-6之間，Th含量在6×10-6～2 623×10-6之間，Th/U值在0.22～1.85之間，變化大，得到的下交點年齡為(1 821±31)Ma(n=13，MSWD=0.33)(圖4 (c))，代表了晚期的變質(zhì)年齡。除了這兩組之外，點DHF7-7和DHF7-16落在諧和線上，207Pb/206Pb的年齡分別為(1 955.3±6.4)Ma和(2 180.7±3.5)Ma,可能記錄了兩期主構(gòu)造-熱事件之間的地質(zhì)事件。

圖4 大湖金鉬礦床圍巖綜合鋯石U-Pb一致曲線圖(a)和SIMS U-Pb諧和年齡圖(b)(c)Fig.4 Zircon U-Pb age plots (a)and SIMS zircon U-Pb concordia diagrams (b)(c)of wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit

表1 大湖金鉬礦床圍巖SIMS鋯石U-Pb分析結(jié)果Table 1 Results of SIMS zircon U-Pb isotope data of the wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit

3.2 全巖主量和微量元素

4個樣品的元素地球化學分析如表2所示，主量元素分析結(jié)果顯示，圍巖總體高硅(SiO2=71.53%～75.99%)，富堿(K2O+Na2O=7.59%～9.53%)，高K2O/Na2O比值(0.89～6.69)、低MgO(0.08%～0.30%)、CaO(0.69%～1.28%)、P2O5(0.01%～0.04%)和MnO(0.01%～0.02%)。變質(zhì)巖原巖恢復對于認識變質(zhì)巖的成因，了解變質(zhì)巖特征具有重要意義。在變質(zhì)巖SiO2-TiO2圖解(圖5 (a))中，樣品主體落在火成巖區(qū)，表明小秦嶺地區(qū)太華群變質(zhì)巖的原巖為巖漿巖。

在TAS圖解中F7礦脈圍巖落于花崗巖區(qū)域，其A/CNK值范圍為0.83～1.00，A/NK值范圍為0.9～1.1，因此F7礦體圍巖的原巖為過堿質(zhì)花崗巖(圖5(b))。由于F7-017采自氧化礦體中，受成礦流體影響，與圍巖相比其SiO2含量較低，但TFe2O3、MgO、CaO含量明顯高于圍巖。

圖5 F7礦脈圍巖原巖恢復圖解((a),底圖據(jù)文獻[31])和A/CNK-A/NK圖解((b),底圖據(jù)文獻[32])(S35礦脈圍巖結(jié)果來自筆者未刊數(shù)據(jù))Fig.5 Discrimination diagrams of SiO2-TiO2 ((a),from reference [31])and A/CNK versus A/NK ((b),from reference [32])for wallrocks of the F7 vein (wallrock data of the S35 vein from authors’unpubl.data)

這4個樣品的微量元素數(shù)據(jù)見表2，其中過堿質(zhì)花崗巖(圍巖)的稀土元素總量(REE)為218×10-6～287×10-6。在球粒隕石標準化稀土元素分配模式圖(圖6 (a))中，樣品總體上展示出相似的平滑右傾型特征，輕、重稀土分異明顯(La/Yb)N平均值為119.8，以及明顯的Eu負異常(δEu平均值為0.49)。在微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖上(圖6 (b))，過堿質(zhì)花崗巖圍巖顯示Rb、Th、K等大離子親石元素富集，以及Sr、Ti、P和Nb等元素的虧損，說明過堿質(zhì)花崗巖在巖漿演化過程中可能存在長石、磷灰石和Fe-Ti氧化物等礦物的強烈結(jié)晶分異作用。F7-017(礦體)的稀土和微量元素配分樣式與圍巖有很好的相關性，指示礦體的成礦物質(zhì)可能源于太華群圍巖，與前人認為該礦床成礦流體以變質(zhì)水為主、金及礦質(zhì)來源為圍巖太華群的認識[30]相一致。

圖6 大湖金鉬礦床圍巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖 ((a),標準化值據(jù)文獻[34])和原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖((b),標準化值據(jù)文獻[34])Fig.6 Chondrite-normalized REE diagram (a)and primitive mantle-normalized multi-element diagram (b)for wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit (Normalizing values from reference[34])

表2 大湖金鉬礦床礦石和圍巖全巖主量元素(%)和微量元素(10-6)含量Table 2 Whole-rock major (%)and trace element (10-6)contents for the ores and wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit

4 討 論

4.1 成巖年齡和變質(zhì)年齡

對F7礦體圍巖組合樣品DHF7，采用Cameca IMS 1280型離子探針分析技術(shù)獲得巖漿鋯石(I組)的上交點年齡為(2 455±59)Ma，代表了原巖形成的年齡?？紤] Cameca IMS 1280 型離子探針分析數(shù)據(jù)的可靠性，認為過堿質(zhì)花崗巖的形成時代為2 450 Ma 左右。獲得變質(zhì)鋯石(Ⅱ組)下交點年齡為(1 821±31)Ma，代表了晚期構(gòu)造-熱事件的年齡，可以認為后期的變質(zhì)事件發(fā)生在1 820 Ma左右。

小秦嶺地區(qū)屬于華北克拉通南緣前寒武紀基底重要組成部分，具有與華北其他地方基本相同的基底和蓋層[33,35]。華北克拉通廣泛發(fā)育的2.5 Ga左右和1.8 Ga左右兩次重大構(gòu)造-巖漿-熱事件在小秦嶺地區(qū)也有體現(xiàn)，如小秦嶺少華山英云閃長巖侵位年齡約為2.5 Ga，花崗片麻巖變質(zhì)年齡約為1.8 Ga[36]；草灘英云閃長片麻巖的侵位年齡約為2.5 Ga，其變質(zhì)年齡約為1.9 Ga[37]；陜西潼關花崗片麻巖侵位年齡約為2.4 Ga[38]；華山的泥質(zhì)麻粒巖的變質(zhì)年齡約為1.8 Ga[39]；中條山TTG質(zhì)片麻巖的原巖活動年齡約為2.5 Ga[40]。

本文同時獲得的過堿質(zhì)花崗巖成巖和變質(zhì)年齡，與華北克拉通南緣廣泛存在的2.5 Ga和1.8 Ga巖漿活動的時間較為一致，在小秦嶺北礦帶屬于首次報道。根據(jù)對于全球花崗巖和碎屑鋯石U-Pb年齡統(tǒng)計結(jié)果顯示，全球巖漿活動在 2.45～2.20 Ga 存在明顯的間斷[41]，據(jù)此稱之為全球陸殼演化的“沉寂期”。隨著近年來研究工作的深入，在華北克拉通南緣小秦嶺太華雜巖在所謂的全球陸殼“沉寂期”的巖漿活動異常發(fā)育[42]，本文提到的過堿質(zhì)花崗巖的成巖年齡可能就是“沉寂期”不寂靜的巖漿活動。

4.2 巖石成因

過堿質(zhì)花崗巖以高 SiO2、富堿以及低 Al2O3、CaO、MgO 和 P2O5為特征，富集 LILEs，虧損 HFSEs 和具有強烈的 Sr、P、Ti虧損，不同于 I 型花崗巖和 S 型花崗巖的地球化學特征(圖6)；大湖礦床圍巖-花崗質(zhì)片麻巖在A/CNK-A/NK圖解上投在過堿質(zhì)區(qū)域(圖5)，具有傳統(tǒng)意義A型花崗巖的典型特征，同時具有較高的Ga(15.2×10-6～18.2×10-6)含量以及相對低的Rb含量(139×10-6～227×10-6)，這些特征均明顯區(qū)別于高分異I型花崗巖，后者通常表現(xiàn)為Rb含量>270×10-6以及低的Ga含量，指示樣品為A型花崗巖[43]。在花崗巖成因類型判別圖解 (圖7 (a)和(b))上，過堿質(zhì)花崗巖樣品均落入A 型花崗巖區(qū)域。上述研究表明，大湖金鉬礦體花崗質(zhì)片麻巖原巖為A型花崗巖。

圖7 大湖金鉬礦床圍巖10000Ga/Al對(K2O+Na2O)、K2O/MgO圖解((a)(b)，底圖據(jù)文獻[7])以及Nb-Y-Ce和Nb-Y-3Ga圖解((c)(d)，底圖據(jù)文獻[3])(S35礦脈圍巖結(jié)果來自筆者未刊數(shù)據(jù))Fig.7 Granite discrimination plots of 10000Ga/Al vs.(K2O+Na2O)and K2O/MgO ((a)(b),from reference [7]),ternary Nb-Y-Ce and Nb-Y-3Ga ((c)(d),from reference [3])from wallrocks in the Dahu Au-Mo deposit (wallrock data of the S35 vein from authors’unpubl.data)A.A型花崗巖;I.I型花崗巖；S.S型花崗巖；A1.非造山型花崗巖；A2.后造山型花崗巖。圖(a)中，另有一個S35礦脈圍巖樣品投于A型花崗巖區(qū)域，因其K2O+Na2O>13，未顯示

4.3 構(gòu)造背景

F7礦體圍巖-花崗質(zhì)片麻巖原巖為A型花崗巖，指示其與伸展構(gòu)造背景密切相關，形成于造山后或非造山的大陸裂谷環(huán)境[10]。Eby在1992年基于不同A型花崗巖在微量元素組成特征上的差異將其進一步劃分為A1和A2型花崗巖[3]，前者代表幔源熔體的分離結(jié)晶成因，通常形成于非造山的大陸裂谷或大陸板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境；后者則反映地殼部分熔融的成因模式，通常形成于造山后的構(gòu)造環(huán)境。F7礦體圍巖的原巖在A型花崗巖判別圖解(圖7 (c)和(d))上，均投點在A1型花崗巖的區(qū)域內(nèi)，表明其形成于非造山的大陸裂谷或大陸板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境。結(jié)合年代學證據(jù)，推測大湖金鉬礦體花崗質(zhì)片麻巖的原巖(A型花崗巖)的形成與穩(wěn)定大陸形成后的裂解有關，可能指示了華北南緣在新太古代晚期(約2.5 Ga)克拉通化后經(jīng)歷了一次重要的陸殼生長。由于在華北克拉通南緣廣泛出露中—新太古代結(jié)晶基底，如太華群和登封群，其鋯石U-Pb年齡主要介于3.0～2.5 Ga之間[36]，這些中—新太古代古老基底物質(zhì)的部分熔融可能是大湖金鉬礦床花崗質(zhì)片麻巖的源區(qū)組成。推測約2.45 Ga時在華北克拉通南緣已經(jīng)進入板內(nèi)演化階段，幔源巖漿可能主要提供了熱源，2.5 Ga時強烈的碰撞-造山-伸展過程在2.45 Ga左右已經(jīng)結(jié)束。

1.85 Ga的變質(zhì)作用事件是華北克拉通西部陸塊和東部陸塊沿華北中部造山帶最終碰撞形成統(tǒng)一基底的結(jié)果，目前已取得一致的認識[13]。大湖金鉬礦床花崗質(zhì)片麻巖位于華北克拉通中部帶內(nèi)，本次測定的約1.82 Ga變質(zhì)年齡便是對本次古元古代晚期造山后伸展事件的響應。

5 結(jié) 論

通過對華北克拉通中部南緣小秦嶺地區(qū)大湖金鉬礦床圍巖-花崗質(zhì)片麻巖的SIMS鋯石 U-Pb 年代學、巖石地球化學研究，可以得出如下結(jié)論:

(1)大湖金鉬礦床圍巖中鋯石可分為兩組，其中巖漿鋯石的諧和年齡為(2 455±59)Ma，表明其形成于古元古代早期；變質(zhì)鋯石的諧和年齡為(1 821±31)Ma，代表了古元古代晚期的變質(zhì)事件；進一步支持了華北克拉通南緣古元古代早期和晚期構(gòu)造熱事件十分發(fā)育的認識。

(2)大湖金鉬礦床花崗質(zhì)片麻巖以高SiO2、富堿以及低 Al2O3、CaO、MgO 和 P2O5為特征，富集 LILEs(Rb、Th、K)，虧損 HFSEs(Nb)和Sr、P、Ti等元素，結(jié)合A/CNK-A/NK圖解和Ga、Rb等微量元素特征，認為其原巖為A型花崗巖，具有非造山A1型花崗巖特征。

(3)大湖金鉬礦床A型花崗巖在古元古代早期源于基性巖漿(提供熱源)底侵作用下的中—新太古代結(jié)晶基底物質(zhì)的部分熔融，為陸內(nèi)裂谷環(huán)境，并在古元古代晚期受到華北克拉通東部和西部陸塊碰撞造山后伸展作用的影響。

致謝：中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所李秋立研究員在實驗測試時給予幫助，審稿人和中國科學院青藏高原研究所張丁丁博士后等對論文修改提出寶貴意見，謹致謝忱。