岩石学报  2018, Vol. 34 Issue (9): 2703-2715   PDF    
冀东唐杖子金(钼)多金属矿区侵入岩体锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及其地质意义
贺文1 , 叶会寿2 , 曹晶1     
1. 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083;
2. 中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点开放实验室, 北京 100037
摘要:唐杖子金(钼)多金属矿床位于冀东地区,矿区内出露的主要岩性为花岗斑岩、石英二长岩和辉绿岩。本文对矿区主要的侵入岩进行锆石U-Pb定年和Hf同位素研究,探讨成岩-成矿相互关系,获取岩体源区信息。锆石U-Pb定年结果显示,花岗斑岩206Pb/238U加权平均年龄分别是161.2±0.7Ma、173.0±5.5Ma,结合锆石特征、锆石U-Pb定年结果,推测该矿区存在两期花岗质岩浆侵位;辉绿岩206Pb/238U加权平均年龄为166.0±0.9Ma;石英二长岩206Pb/238U加权平均年龄为176.7±3.3Ma。唐杖子矿区辉钼矿Re-Os年龄为170Ma,从时间尺度上来看辉钼矿化与早期花岗斑岩(173Ma)关系密切。花岗斑岩εHft)=-24.4~-14.1,tDMC=2104~2744Ma,表明岩石来源于古老地壳;辉绿岩εHft)=7.8~10.9,tDM=391~523Ma,表明岩石源区为古生代的亏损地幔。唐杖子花岗斑岩和辉绿岩都形成于中侏罗世,成岩时代相近,但源区明显不同,表明冀东地区在中侏罗世既存在下地壳的部分熔融的过程(形成了唐杖子花岗斑岩),又存在亏损地幔物质上涌侵入地壳的过程(形成了唐杖子辉绿岩),暗示了华北克拉通东缘在中侏罗世经历了一次岩石圈减薄的过程。
关键词: 锆石U-Pb定年     Hf同位素组成     岩石圈减薄     唐杖子金(钼)多金属矿床    
The study of zircon U-Pb ages and Hf isotopes of the intrusions of the Tangzhangzi Au (Mo) poly-metallic deposit and the geological implications
HE Wen1, YE HuiShou2, CAO Jing1     
1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, CAGS, Beijing 100037, China
Abstract: The Tangzhangzi Au (Mo) poly-metallic deposit is located at East Hebei Province. The granite porphyry, quartz monzonite and diabase dominantly outcrop in the mine area. Researches of zircon U-Pb dating and Hf isotopes of the intrusive bodies are reported in this paper, which can be used to understand the relationship of the diagenesis and mineralization and acquire the information of source rocks. The weighted mean 206Pb/238U ages of the granite porphyry are 161.2±0.7Ma and 173.0±5.5Ma, respectively. We suggest there are two intrusive activities of granitic magma taking account of the characteristics of zircons, the zircon U-Pb dating results and the previous dating results. The weighted mean 206Pb/238U ages of the diabase and the quartz monzonite are 166.0±0.9Ma and 176.7±3.3Ma, respectively. The molybdenite Re-Os age is 170Ma according to early studies. Thus, the molybdenite mineralization shares an intimate relationship with the granite porphyry in time scale. According to the analytic data, the εHf(t) and tDMC of the granite porphyry are -24.4~-14.1 and 2104~2744Ma, which suggests the source of the intrusion is from the ancient crust; and the εHf(t) and tDMC of diabase are 7.8~10.9 and 391~523Ma, which suggests the intrusion was derived from depleted mantle in Paleozoic. The granite and diabase were formed in middle Jurassic and the results of zircon U-Pb dating exhibit a similar diagenetic age of the intrusions while the magma sources are quite different, which suggests that partial melting of the lower crust and the upwelling of depleted mantle took place in Middle Jurassic in Jidong area. And all this information indicates lithospheric thinning took place in the eastern NCC during Middle Jurassic.
Key words: Zircon U-Pb dating     Hf isotopic compositions     Lithospheric thinning     Tangzhangzi Au (Mo) poly-metallic deposit    

冀东是我国重要的金矿区,产出超大型金厂峪金矿,大型金矿峪耳崖、尖宝山、洞子沟,中型金矿牛心山、高家店、三家等。该地区的金矿在时空及成因上都与花岗质岩石有密切联系(梅燕雄,1997毛景文和王志良,2000Yang et al., 2003毛景文等, 2003, 2005代军治等,2006牛树银等,2006郭少丰等,2009宋扬等,2013),这些岩体的年代学、成岩成矿动力学背景及构造环境等受到了地质学家的高度关注。近年来的岩石学研究成果表明,在喜山期和燕山期,华北地区岩石圈发生了巨量减薄(邓晋福等,1994吴福元和孙德有,1999),同时华北地区也被认为是“大陆活化”和“燕山运动”最典型的地区(邓晋福等,2003)。燕山期的岩浆活动始于早侏罗世,结束于白垩纪,已发现有4次大规模的火山喷发活动(J1、J2、J3、K11)和5次岩浆侵入活动(J1、J2、J3、K11、K12),这些岩浆活动为研究地球深部过程提供了重要信息(邓晋福等,2003)。

唐杖子花岗斑岩、辉绿岩、石英二长岩产于华北克拉通北缘东段。郭少丰等(2009)对唐杖子花岗斑岩进行定年,获得锆石U-Pb年龄为173±2Ma;李正远等(2014)对矿区内辉钼矿进行Re-Os定年,获得年龄为170Ma。此外,在该矿床的临近地区还产出了同时代的金矿床,峪耳崖金矿。该矿区内红色花岗岩锆石U-Pb年龄为174±3Ma(罗镇宽等,2001),辉钼矿Re-Os等时年龄为171.9±2.9Ma(陈绍聪等,2014)。这些年代学资料表明,冀东地区的中侏罗世酸性岩浆活动与成矿时间具有一致性。进一步的研究表明,该地区的岩浆-热液活动与成矿也具有成因上的联系(梅燕雄,1997Yang et a1.,2003牛树银等,2006宋扬等,2013)。

然而在这些金矿床、矿化点集中的区域内,中侏罗世的辉绿岩脉尚未见研究成果报道,基性岩脉常被作为大陆伸展构造的标志。唐杖子矿区内的花岗斑岩、石英二长岩、辉绿岩的时空关系、岩体源区及所指示的构造环境还值得进一步研究。因此,本文展开了唐杖子矿区主要侵入岩的锆石U-Pb年龄及Hf同位素研究工作,为进一步探讨矿区侵入岩与成矿关系、成矿环境等提供新的信息,也为进一步揭示冀东地区的深部地质过程提供新的制约。

1 地质概况

冀东地区位于华北克拉通北缘,燕山造山带东段(图 1)。该地区金矿多产于古老变质岩中,且大部分金矿床(矿化点)附近有火成岩(金厂峪)或直接产于火成岩中(峪耳崖、牛心山),指示这些金矿与古老基底和火成岩具有密切关系(郭少丰等,2009)。该地区主要出露太古宙、中元古代及中生代的地层,并具有我国最古老的38亿年地壳物质记录(万渝生和刘敦一,1993吴福元等,2005)。其中,太古宙地层主要为一套中-深程度变质的片麻岩系;中元古代为一套以浅海碎屑岩为主的地层;中生代主要为侏罗纪和白垩纪的陆相火山沉积岩。青龙-喜峰口-青龙大断裂是一条近EW走向并贯穿冀东地区的主要大断裂。该断裂被认为形成于中-新元古代之前,在中生代还有活动(石厚礼,2014)。此外,区内发育NE、NNE向断层,并控制了长轴走向为NEE、NE、NNE的花岗质侵入岩。区内有出露面积超过100km2的大岩基,也有小型的岩脉和岩枝。研究表明,该区域燕山期花岗质岩石的成因系列主要是壳源重熔型,成岩物质主要来自于地壳;而印支期都山花岗岩岩基(出露面积达400km2)被认为是壳-幔过渡型同熔花岗岩系列,源区以壳源为主(梅燕雄,1997徐希阳等,2016)。

图 1 华北克拉通北缘区域地质简图(据张拴宏等,2007修改) Fig. 1 Geologic sketch map of the north margin of North China Craton (modified after Zhang et al., 2007)

唐杖子金(钼)多金属矿床位于华北克拉通北缘,燕山造山带东段。矿区内出露地层为中元古界长城系的常州沟组和串岭沟组,岩性分别为砾岩、砂岩、石英岩和粉砂岩、泥岩、页岩。主要断裂呈NEE走向,除此之外还发育以隐爆角砾岩筒为中心的密集的环形断裂(图 2)。出露的侵入岩主要为花岗斑岩、辉绿岩(图 3ab),少量流纹斑岩、细粒石英二长岩,流纹斑岩已被强烈风化。在竖井370中段和平硐中(PD34),可见粗粒石英二长岩侵入围岩中(图 3c)。花岗斑岩呈不规则脉状分布于隐爆角砾岩筒内部,岩脉走向NEE,出露规模小于1km2,在空间上紧邻辉绿岩脉产出。隐爆角砾岩筒由内至外,分别是花岗斑岩、花岗质胶结隐爆角砾岩、岩屑胶结隐爆角砾岩。辉绿岩脉贯穿整个矿区,同为NEE走向,岩脉宽几米至几十米,与围岩为断层接触关系。

图 2 唐杖子金(钼)多金属矿区地质简图(据叶会寿等,2013) Fig. 2 Sketch geological map of the Tangzhangzi Au (Mo) poly-metallic deposit

① 叶会寿,王义天,亓峰等. 2013.河北省宽城县唐杖子金矿补充勘查报告

图 3 唐杖子矿床花岗斑岩、辉绿岩、石英二长岩手标本及显微照片 (a)花岗斑岩的斑状结构;(b)辉绿岩被黄铁矿细脉穿切;(c)石英二长岩与石英岩为侵入接触关系;(d)花岗斑岩中钾长石发生强烈绢云母化;(e)花岗斑岩中石英斑晶被溶蚀;(f)辉石的暗化边. Chl-绿泥石;Pl-斜长石;Px-辉石;Qz-石英;Ser-绢云母 Fig. 3 Specimen and microscope photographs of the granite porphyry, diabase and quartz monzonite in the Tangzhangzi deposit (a) the porphyritic texture of granite porphyry; (b) diabase was across cut by pyrite veins; (c) granite porphyry and quartzite show intrusive contact; (d) sericitization of potassium feldspar of granite porphyry; (e) quartz dissolution; (f) the rim of opaeitization of pyroxene. Chl-chlorite; Pl-plagioclase; Px-pyroxene; Qz-quartz; Ser-sericite

花岗斑岩呈肉红色、浅肉红色,似斑状结构,不规则脉状构造。斑晶主要由钾长石、石英组成,约占岩石总体积的35%左右。钾长石斑晶被普遍蚀变成绢云母(图 3d),石英斑晶呈浑圆状、次圆状,有明显的溶蚀现象(图 3e)。基质主要由细粒的他形石英、长石类组成,约占岩石总体积的60%左右。地表出露花岗斑岩常见到石英团块,伴随强烈的黄铁矿化,且黄铁矿自形、结晶粗大(>5mm)。强烈硅化的花岗斑岩中和临近该岩体的钾化带内,都产出了薄膜状的辉钼矿,而石英二长岩中却未见矿化。

辉绿岩呈灰绿色、深灰绿色,辉绿结构。矿物主要为斜长石(约45%)、角闪石(约35%)、辉石(约10%),少量石英(约5%),副矿物为针状磷灰石。斜长石呈半自形-他形板状、板柱状,表面浑浊。角闪石发生绿泥石化。辉石往往呈他形粒状结构,高突起,有暗化边(图 3f)。岩脉局部被碳酸盐岩细脉、黄铁矿细脉穿切(图 3b)。

2 样品采集与分析方法

本次共采集了3种岩性进行锆石U-Pb定年分析。花岗斑岩(B3-370-ym45)采自竖井370中段,在隐爆角砾岩筒内呈不规则的岩枝状。辉绿岩(PD460)采自平硐460,样品标高为460m。石英二长岩TZZ-B1采自隐爆角砾岩筒外的露头。

锆石挑选是在河北廊坊诚信服务有限公司进行的。首先对岩石进行破碎、淘洗、重液分选,然后在双目镜下挑纯锆石。将挑出的锆石粘贴在环氧树脂柱上,进行打磨、抛光。再将样品送到中国地质科学院矿产资源研究所的电子探针实验室,获取纯锆石的阴极发光(CL)和背散射(BSE)图像。阴极发光和背散射图像能清楚的呈现出锆石的显微结构(微裂隙、环带构造等),便于我们选择出完全封闭不受外界干扰锆石来进行U-Pb测年。锆石U、Th、Pb同位素组成分析是在中国地质科学院矿产资源研究所同位素实验室进行的。实验选择了标样91500、GJ-1对同位素比值漂移和分馏进行矫正,选择了NIST 610对微量元素分析值进行监控。激光束直径为30μm,每个测点的剥蚀时间约40~45s,每完成6个点,加测一次91500标样。原始数据通过GLITTER(ver4.0)软件处理获得,年龄计算及谐和图通过Isoplot(ver3.0)软件获得。详细的流程、原理见参考文献(Compston et al., 1984; Williams, 1992宋彪等,2002)。

花岗斑岩及辉绿岩的锆石Hf同位素测定在实验在国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。实验仪器为Thermo Finnigan Neptune MC-ICP-MS,并配备New wave UP213激光剥蚀系统。激光斑束直径为50μm,剥蚀时间约27s。实验采用的外标为GJ1,在实验过程中每测10个点加测一次GJ1标样。标样的176Hf/177Hf变化范围及平均值分别为0.281943~0.282057和0.282004±0.000015(2σ),与标准结果在误差范围内是一致的。

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb同位素定年 3.1.1 花岗斑岩的锆石分析结果

花岗斑岩中的锆石呈短柱状-长柱状,自形-半自形,长径约50~150μm。阴极发光图像(CL)呈浅灰色(图 4)。一般情况下,锆石中U、REE、Th等含量越低,CL图像颜色越浅(周剑雄和陈振宇,2001)。大多数锆石的震荡环带比较细密,少量锆石有扇形分带结构,个别锆石呈现云雾状的核部和环带状的边缘(如12、13号测点对应的锆石)。

图 4 唐杖子矿区花岗斑岩、辉绿岩和石英二长岩锆石阴极发光图 Fig. 4 Zircon CL images of the granite porphyry, diabase and quartz monzonite in the Tangzhangzi mine area

所有测点的U=50.9×10-6~645.7×10-6,Th=57.3×10-6~981.3×10-6,Th/U=0.6~3.2(表 1)。Th/U比值具有岩浆岩锆石的特征(谢桂青等,2002)。绝大部分测点显示t206 < t207 < t206/207的顺序,可能存在铅丢失(周剑雄和陈振宇,2001韩吟文和马振东,2003赖冬梅,2004)。放射成因的206Pb在锆石中含量比207Pb高出大约20倍,使206Pb测得精度较高,因此较年轻的锆石一般采用t206来代表成岩年龄(赖冬梅,2004)。因此,根据t206的差异,将27个有效测点分成两组:A组24个测点,年龄集中在158.0~163.9Ma,加权平均年龄为161.2±0.7Ma (MSWD=1.2)(图 5a);B组共3个数据,t206分别为170.1Ma、174.2Ma、174.2Ma,加权平均年龄为173.0±5.5Ma (MSWD=1.3)(图 5b)。

表 1 唐杖子矿区花岗斑岩、辉绿岩及石英二长岩锆石U-Pb数据 Table 1 Zircon U-Pb data of the granite porphyry, diabase and quartz monzonite in the Tangzhangzi mine area

图 5 唐杖子矿区花岗斑岩、辉绿岩、石英二长岩锆石U-Pb年龄图 Fig. 5 U-Pb ages of the granite porphyry, diabase and quartz monzonite in the Tangzhangzi ore mine area

从数据结果来看,大部分锆石(24个点)获得的加权平均年龄为161.1±0.8Ma,只有少量锆石(3个点)的加权平均年龄为172.6 ±4.2 Ma。值得注意的是,12、13号测点分别代表了一粒锆石的核部和边部,t206分别为174.2Ma和160.1Ma,且核部为云雾状,边部环带清晰。从其核、边年龄及阴极发光图像来看,岩浆极有可能捕获了早期锆石,并将其保存在岩浆中,随着岩浆的冷凝结晶,新生长的锆石以老锆石为核心,形成了具有震荡环带的边部。此外,该锆石的核部年龄与郭少丰等(2009)获得的唐杖子及花岗斑岩成岩年龄(173±2Ma)在误差范围内一致。因此,综合锆石核幔结构特征及前人所获数据来看,推测唐杖子矿区存在173Ma的较老一期花岗质岩浆活动。

3.1.2 辉绿岩的锆石分析结果

辉绿岩的锆石主要呈短柱状,半自形-自形,长径为35~100μm,粒度小。CL图像暗,但在BSE图像上都可见到震荡环带(图 4)。

实验获得了11个测点数据,所有测点的U为184.4×10-6~823.8×10-6,Th/U=0.5~1.9,10个测点(A组)Th为316.2×10-6~601.1×10-6,1个测点(B组)获得最小的Th值(115.5×10-6)(表 1)。11个有效数据被分为2组。A组共10个测点,除16号测点获得t206(174.9Ma)相对较大,其他9个点t206都集中在164.5~170.5Ma,其加权平均年龄为166.0±0.9Ma,MSWD=0.9(图 5c, d)。B组数据只有一个,t206/207为1836.7Ma。

从辉绿岩锆石U-Pb测年结果来看,A组锆石的加权平均年龄(166.0±0.9Ma)代表了基性岩浆结晶年龄。B组老锆石(1836.7Ma)在BSE图像上显示不清晰但较宽的震荡环带,透射光照片上无裂隙和包裹体,数据谐和度为97%。因此,排除锆石自身和仪器操作对数据的影响,老锆石的存在表明岩浆在侵位过程中捕获了中元古代地层的锆石,与矿区存在中元古代长城系的地质背景相符。

3.1.3 石英二长岩的锆石分析结果

石英二长岩的锆石呈长柱状,自形程度高,长径介于60~200μm。锆石在CL图像中一般呈浅灰色,震荡环带比较宽,有扇形分带结构,具有明显的岩浆岩锆石特征(图 4)。所有测点的U=16.26×10-6~264.9×10-6,Th=1.65×10-6~235.5×10-6,Th/U=0.03~2.02,数值变化范围大(表 1)。实验一共获得23个有效数据,根据t206的差异将其分为3组。A组共15个测点,t206集中于202.0~208.6Ma,加权平均年龄为206.4±1.4 Ma (MSWD=0.59)(图 5e)。B组共6个测点,t206集中于174.4~179.1Ma,加权平均年龄为176.7±3.3 Ma (MSWD=0.2)(图 5f)。C组锆石年龄大,t207/t206分别为2179.1Ma、2270.0Ma,表明岩石源区可能存在古老基底。唐杖子矿区的石英二长岩中的锆石年龄较复杂。在地表露头和坑道中不见后期岩脉侵入石英闪长岩,排除了混合年龄的可能。并且,A、B两组锆石具有明显的岩浆锆石特征,因此较老的年龄(206.4±4.1Ma)应是早期岩浆活动的结果,最小的一组年龄(176.7±3.3Ma)应代表了岩浆侵位和结晶的年龄。而老锆石的存在,表明岩浆在侵位过程中捕获了早元古代地层的锆石,与研究区内存在古元古代的古老地壳的地质背景相符。

3.2 锆石Hf同位素分析结果

为获得中侏罗世侵入岩的源区信息,我们选择了花岗斑岩和辉绿岩中的部分锆石进行了Hf同位素组成分析。由于Hf常以类质同象的方式进入锆石,该过程会造成176Lu/177Hf比值产生一定变化,如表 2

表 2 唐杖子矿床花岗斑岩和辉绿岩锆石Hf同位素组成 Table 2 The compositions of zircon Hf isotopes of the granite porphyry and diabase of the Tangzhangzi deposit

花岗斑岩中锆石176Hf/177Hf介于0.281997~0.282281,根据不同测点的年龄值,计算得到εHf(0)=-24.4~-17.4,平均为-20.0,εHf(t)=-24.4~-14.1,平均-16.8,tDM=1413~1951Ma,平均年龄为1553Ma,tDMC=2104~2744Ma,平均年龄为2270Ma。

辉绿岩中锆石176Hf/177Hf为0.282896~0.282983,根据不同测点的年龄值,计算得到εHf(0)=4.4~7.4,平均为6.4,εHf(t)=7.8~10.9,平均9.9,tDM=391~523Ma,平均值为435Ma,tDMC=512~716Ma,平均值为582Ma。

4 讨论 4.1 成岩-成矿时代

唐杖子花岗斑岩、辉绿岩及石英二长岩均为中侏罗世岩浆活动的产物,冀东其他地区也产出了该时期的侵入岩,并伴随不同程度的矿化,如:峪耳崖金矿红色花岗斑岩锆石U-Pb年龄为174±3Ma(罗镇宽等,2001),辉钼矿Re-Os等时年龄为171.9±2.9Ma(陈绍聪等,2014);牛心山金矿花岗斑岩锆石U-Pb年龄为173±2Ma(郭少丰等,2009);百家店花岗岩锆石U-Pb年龄为170.5±2.0Ma(徐希阳等,2016);金宝沟金矿花岗岩的锆石U-Pb年龄为169.9±1.0Ma和170.4±2.0Ma(李曼等,2016)。

在唐杖子矿床的花岗斑岩中,获得了A、B两组锆石U-Pb年龄,分别为161.2±0.7Ma(24个测点)、173.0±5.5Ma(3个测点)。值得关注的是本次研究发现了花岗斑岩中的1颗锆石具有核幔结构,其核、幔部的t206年龄分别为174.2Ma和160.1Ma。其中,核部年龄与本次获得的B组加权平均年龄(173.0±5.5Ma)及郭少丰等(2009)获得的年龄(173Ma)在误差范围内一致;而其幔部年龄(160.1Ma)明显晚于核部年龄,且与本次获得的A组年龄(161.2±0.7Ma)在误差范围内一致。由此,我们推断唐杖子矿区存在早晚两期花岗质岩浆活动。

李正远等(2014)通过对唐杖子金、钼矿体的地质特征研究、辉钼矿Re-Os测年(170.0±1.0Ma)及矿物质来源研究,认为该矿床的矿化与花岗斑岩密切相关。而本次获得的较老的花岗斑岩年龄(173.0±5.5Ma)与辉钼矿矿化年龄具有一致性,因此,较早的花岗斑岩年龄应当是隐爆角砾岩筒的形成时间及唐杖子金(钼)多金属矿的形成时间下限。

石英二长岩锆石U-Pb年龄为176.7±3.3Ma,成岩时间略早于花岗斑岩,并且在岩石中几乎不见金属矿化。因此,从成矿时空角度上看,石英二长岩可能不是直接导致矿化的岩体。辉绿岩成岩年龄为166.0±0.9Ma,略晚于辉钼矿Re-Os等时线年龄,因此,辉绿岩脉应当是辉钼矿化后的产物,而不是直接成矿的岩体。综上所述,唐杖子金(钼)多金属矿床是华北地区早侏罗世与花岗斑岩关系密切的一次成矿事件。

4.2 锆石Hf同位素意义

锆石中的Hf同位素比值不会因为部分熔融或者分离结晶的过程发生改变,而幔源物质比壳源物质具有更高的放射性成因Hf,因而可以通过锆石Hf同位素有效的区分岩石的源区,进而为岩浆岩的物质来源提供新的制约。

整个冀东地区在中生代都存在强烈的岩浆活动。例如,晚三叠世产出了冀东地区最大的都山花岗岩基。该岩基受到了极大关注,其研究程度也非常高,获得锆石U-Pb年龄有215Ma(王季亮等,1994)、223Ma(苗来成,2000罗镇宽等,2003)、221Ma(叶浩等,2014)、215.7Ma(徐希阳等,2016)。岩基中绝大多数锆石εHf(t)具有高负值,集中在-17.6~-13.0,tDMC集中分布在2100~2400Ma(徐希阳等,2016),接近2.5Ga平均地壳演化线,且区内出露了2.6~2.5Ga的古老基底(Nutman et al., 2011Lv et al., 2012),表明都山花岗岩基主要通过晚太古代地壳部分熔融而来。

此外,冀东地区也已发现了几处具有代表性的中侏罗世花岗岩,如:牛心山花岗岩、峪耳崖花岗岩、唐杖子花岗岩、百家店花岗岩、金宝沟花岗岩(苗来成,2000罗镇宽等,2003李承东等,2004Miao et al., 2008郭少丰等,2009李曼等,2016徐希阳等,2016)。在这些岩体中,目前只在百家店花岗岩中发现了镁铁质暗色包体(MME)。MME的εHf(t)为-3.7~3.4,表明亏损地幔中混入了壳源物质;百家店花岗岩εHf(t)为-11.8~-8.2,结合Sr-Nd同位素特征,认为岩石源区以壳源物质为主并伴有幔源物质的明显加入(徐希阳等,2016)。

相比之下,唐杖子矿区花岗斑岩的源区与百家店花岗岩有很大不同。唐杖子矿区的花岗斑岩εHf(t)=-24.4~-14.1,平均-16.8(图 6),具有很高负值,表明岩石主要来源于地壳物质的部分熔融。锆石Hf平均地壳模式年龄tDMC集中在2104~2744Ma,主要介于2104~2316Ma之间,表明岩石主要来自于早元古代地壳,有少量来自于晚太古代地壳。前人对华北克拉通早元古代及晚太古代的锆石Hf同位素进行了大量的收集和总结(Geng et al., 2012),发现新太古代早期的(2.8~2.7Ga)锆石εHf(t)出现了极多正直,表明有大量幔源物质加入地壳,是陆壳形成和增生的主要时期。万渝生等(2015)指出,在幔源物质加入地壳的时期,也存在壳内物质的再循环作用,并且随着时间演化,壳内再循环变得更为重要。相比之下,早元古代(2.3~2.1Ga)的构造热事件并不十分突出,但在华北中部、孔兹岩带和华北南缘都有记录(Du et al., 2013; Yin et al., 2009)。

图 6 唐杖子矿床岩体锆石Hf同位素特征 Fig. 6 Zircon Hf isotope characteristics of the intrusions of Tangzhangzi deposit

通过区域背景对比,发现唐杖子花岗斑岩与都山花岗岩基的源岩有很大相似之处,主要来自于古老地壳的部分熔融,而与含有MME的百家店花岗岩的源岩有很大不同(有大量幔源物质的加入)。

唐杖子矿区的辉绿岩εHf(t)=7.8 ~10.9,平均9.9(图 6),投点落于亏损地幔与球粒陨石演化线之间。锆石tDM=391~523Ma,平均年龄为435Ma,表明岩石可能来源于早古生代的亏损地幔。岩石地球化学特征表明,唐杖子辉绿岩具有板内玄武岩和碱性玄武岩的特征,是局部拉张环境下的产物(贺文,2015)。因此,推测唐杖子辉绿岩脉应是板块内局部拉张环境下,亏损地幔源区上涌的产物。

4.3 构造环境启示

毛景文等(毛景文和王志良,2000毛景文等, 2003, 2005)从大规模成矿事件的角度,对华北中生代地球动力学进行了研究。研究认为华北及邻区有3个主要成矿时期,即:200~160Ma、~140Ma和130~110Ma,这三个成矿时期分别对应了华北板块与扬子板块及西伯利亚板块碰撞造山后的陆内造山、伸展过程和岩石圈大规模减薄。在160Ma之前的后碰撞陆内造山过程中的松弛期间,一方面伸展垮塌作用可形成较高温度使深部岩石发生部分熔融(Thompson, 1990),另一方面玄武质岩浆底侵,下地壳岩石多次重熔,形成高度富硅、钾的花岗岩,并沿着EW、NE向的深大断裂上升,伴随发生大规模的成矿事件(代军治等,2006)。华北板块北缘唐杖子矿区的富钾富硅的花岗斑岩、金多金属硫化物矿化及辉绿岩脉的侵位,正好是对此次事件的响应。

此外,华北克拉通构造体制的研究成果中也提出了三个重要时期:178~157Ma(中侏罗世)、150~140Ma和130~110Ma。三个时期分别对应了板块运动的不同起始点和转折点,依次是:克拉通东部古太平洋板块开始向亚洲大陆俯冲(Davis et al., 2002; Wu et al., 2005),北缘燕山运动启动(168Ma; Li et al., 2014);中生代构造体制转折峰值开始(翟明国等,2004);克拉通的破坏和岩石圈的减薄达到了峰期(杨进辉和吴福元,2009)。这三次构造体制的变化时限,与毛景文等(毛景文和王志良2000毛景文等, 2003, 2005)所归纳的大规模金属成矿时期相互叠加,有很多不谋而合之处。而唐杖子花岗斑岩、石英二长岩及辉绿岩的成岩时代都略早于中生代构造体制开始转折的时期(150~140Ma),因此,这几期岩浆活动也可能是该构造事件发生之前(初)的构造-热表现。

综合前人对华北地区大规模成矿事件和华北克拉通的构造体制的研究成果来看(毛景文和王志良,2000毛景文等, 2003, 2005翟明国等, 2003, 2004谢桂青等,2012Xie et al., 2015, 2017),中侏罗世爆发的岩浆活动,都早于华北克拉通严重破坏和岩石圈减薄峰期之前。华北克拉通不同部位减薄时限不一致,但普遍认为华北克拉通岩石圈减薄始于其东缘和北缘(杨进辉和吴福元,2009Zhang et al., 2014)。位于华北克拉通北缘东段的冀东地区,产出了牛心山花岗岩(173Ma;郭少丰等,2009)、峪耳崖花岗岩(174Ma;罗镇宽等,2001)、金厂峪花岗岩(174~175Ma; Guan et al., 2000),处于燕山早期岩浆集中爆发的时期(毛景文等,2003杨进辉等,2008),是太平洋板块向亚洲大陆的俯冲、引张带隆起区地幔上涌、下地壳低熔组分发生重熔的产物(曲以秀和刘志国,1995梅燕雄等,1997康显桂等,1998)。随后又发现了冀东地区中侏罗世的百家店花岗斑岩及其中的MME(表明有壳幔混合的岩浆作用)和唐杖子壳源部分熔融的花岗斑岩和亏损地幔源区的辉绿岩脉。以上的研究成果都暗示了冀东在中侏罗世经历了大范围的地壳重熔和一定程度的岩石圈减薄。

5 结论

(1) 锆石U-Pb定年结果显示,唐杖子石英二长岩、辉绿岩、花岗斑岩年龄分别为176.7±3.3Ma、166.0±0.9Ma和161.2±0.7Ma,分别指示了中侏罗世的三期岩浆活动。此外,根据本次研究和前人所获的花岗斑岩锆石U-Pb年龄,很可能存在173Ma的花岗质岩浆活动,并且该期花岗斑岩与辉钼矿化存在紧密的时空联系,是华北地区中生代大规模花岗岩成矿事件的响应。

(2) 通过花岗斑岩和辉绿岩的锆石Hf同位素研究,发现花岗斑岩的源区主要是壳源物质部分熔融的产物,辉绿岩来源于亏损的地幔物质。

(3) 唐杖子花岗斑岩和辉绿岩成岩时代相近,但源区明显不同。表明冀东地区在中侏罗世既存在下地壳的部分熔融的过程(形成了唐杖子花岗斑岩),又存在亏损地幔物质上涌侵入地壳的过程(形成了唐杖子辉绿岩)。综合冀东地区的构造背景及该地区侵入岩的年代学及其源区的研究成果来看,我们推测华北克拉通东部在中侏罗世发生了一次岩石圈的减薄。

致谢      感谢中国地质科学院矿产资源研究所的侯可军、郭春丽研究员在样品测试过程中提供的帮助和指导;感谢胡古月、刘鹏、王鹏等在数据分析过程中给予的帮助和建议;感谢谢桂青老师在行文过程中的指导、帮助和支持。

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