2012, Vol. 28
2. 中国科学院大学，北京 100049;
3. 中国地质调查局发展研究中心，北京 100037;
4. 中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 100025
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Development Research Center of China Geological Survey, Beijing 100037, China;
4. Institute of Mineral Resources Research, China Metallurgical Geology Bureau, Beijing 100025, China
在我国，鞍山式铁矿多赋存于前寒武纪变质岩系条带状铁建造(BIF) 中，是一种具有条带状层理构造的变质岩石建造，其条带状矿化一般呈三种类型：单一条带状、复合条带状和束状条带状(刘洪波，1994)。条带状硅铁建造的主要矿物是以铁和硅的氧化物为主，有时含有一些铁的硫化物和碳酸盐岩。在空间上，BIF主要分布在鞍本、冀东、五台-吕梁和舞阳-霍邱地区等，同时经历了不同程度的区域变质作用(从绿片岩相到麻粒岩相) 和变形(Zhai and Windley, 1990)；在时间上，BIF的形成时代跨度较大，但主体形成于新太古代晚期，比较精确的形成时代大多是用变质岩系的锆石年代学进行限定的，如冀东的石人沟铁矿和水厂铁矿的形成时代分别为2.55Ga和2.54G (Zhang et al., 2011; Zhang et al., 2012; 张连昌等, 2011)。同时，前人对太古代与BIF密切共生的片麻岩、斜长角闪岩也进行了较为详细的岩石学成因研究，限定其形成环境、时代以及大地构造背景(Zhai et al., 1990)。
周台子铁矿位于河北省滦平县张百湾镇，西距县城29km，东距承德市40km。在20世纪70年代，河北省地质局第四地质队曾经在该区进行了初步地质勘查工作，认为周台子铁矿为产于前寒武纪单塔子群凤凰咀组变质岩系中的鞍山式铁矿。单塔子群自下而上划分为燕窝铺组、白庙组及不整合面之上的凤凰咀组、刘营组。前人对单塔子群的地层划分有较大的争议，主要有三种观点。第一种观点认为单塔子群为新太古代地层(赵宗溥等，1993)；第二种观点认为单塔子群为古元古代地层(钱祥麟等，1985)；第三种观点将原单塔子群分为上下两个部分，上部地层(凤凰咀组、刘营组) 应被划分到古元古代的红旗营子群中去，下部地层(燕窝铺组、白庙组) 为解体后的单塔子群(王启超，1992；王启超和张少卿，1995)，而新太古代和古元古代之间的界线就是单塔子群与红旗营子群之间的不整合面(胡学文等，1996b)。另一个争论的问题是单塔子群的地质属性问题，传统观点认为单塔子群是一个地层单元，但王仁民等(2002)认为，从构造单元角度将单塔子群划分为古蛇绿岩混杂带、弧前绿岩带、中间地块和弧后拉张带更为合理。李龙等(1996)将单塔子群解体为变质表壳岩和变质侵入体。由于单塔子群主体岩性是高角闪岩相-麻粒岩相变质的英云闪长质、奥长花岗质、花岗闪长质片麻岩(TTG岩套) 和麻粒岩、斜长角闪岩、斜长变粒岩等表壳岩，所以又被称之为单塔子杂岩(刘树文等，2007a)。
前人也做了一些关于单塔子群和红旗营子群年代学方面的工作，王启超等(2002)认为单塔子群(燕窝铺组、白庙组) 的时限为2800~2650Ma，属于新太古代早期。而红旗营子群(凤凰咀组、刘营组) 的时限有两种认识，一种是2650~2560Ma，属于新太古代中期(王启超等，2002)，另一种是2450~2000Ma，属于古元古代(胡学文等，1996a)。红旗营子杂岩中还记录有2026~1978Ma、1859~1848Ma不同年龄的花岗质侵入体(胡学文等，1996a；王启超，1992)。因此，本文希望通过对周台子铁矿年代学的研究，能够限定赋矿地层凤凰咀组的形成时代，进而对单塔子群和红旗营子群的形成提供年代学方面的依据。
前人对周台子铁矿的勘探以及研究工作主要集中于20世纪60~70年代，工作重点主要是找矿勘探以及矿产地质方面，对于矿区的岩石地球化学以及年代学未作研究。因此，本文对周台子铁矿的矿石以及围岩进行了主量元素、微量元素地球化学分析，以及锆石U-Pb定年及Hf同位素的测定，为探讨周台子铁矿的成岩成矿时代及其地质意义提供依据。
2 区域地质与矿床地质特征 2.1 区域地质特征周台子铁矿位于华北克拉通北缘，Zhai (2004)认为太古代末华北克拉通存在6个微陆块(集宁陆块、迁怀陆块、胶辽陆块、阜平陆块、许昌陆块、阿拉善陆块)。在新太古代晚期，华北各微陆块以陆-陆、陆-弧以及弧-弧碰撞的形式拼贴在一起，期间可能还有更小的游离于上述微陆块之间的弧或陆的拼贴。不同微陆块的缝合带为新太古代晚期的绿岩带，其变质火山岩大多具有岛弧、弧后盆地或陆内火山岩的地球化学特征。而周台子铁矿位于迁怀陆块的北部(图 1)，区域地层为早前寒武纪单塔子群和红旗营子群变质杂岩，前寒武纪花岗岩侵入体也有出露。另外还有侏罗系火山岩和燕山期花岗岩侵入体分布。
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图 1 冀北前寒武系变质杂岩地质简图(据刘树文等，2007b修改) 1-中生代火山岩-火山沉积岩；2-中生代闪长岩-花岗岩侵入体；3-晚古生代闪长岩-花岗岩侵入体；4-晚古生代镁铁质-超镁铁质侵入体；5-中元古代-古生代未变质沉积盖层；6-早前寒武纪红旗营子群变质杂岩；7-早前寒武纪单塔子群变质杂岩；8-主要断裂；9-城镇 Fig. 1 Geological sketch map of the Precambrian metamorphic complexes in northern Hebei (after Liu et al., 2007b) 1-Mesozoic volcanic and volcanic-sedimentary rock; 2-Mesozoic diorite and granite intrusions; 3-Neopaleozoic diorite and granite intrusions; 4-Neopaleozoic mafic and ultramafic intrusions; 5-unmetamorphosed sedimentary cover in Mesoproterozoic-Paleozoic; 6-metamorphic complexes of the Hongqiyingzi Group in the Early Precambrian; 7-metamorphic complexes of the Dantazi Group in the Early Precambrian; 8-major faults; 9-cities and towns |
单塔子群位于华北太古宙角闪岩-麻粒岩相带以北的承德、平权一带，由一套高角闪岩相变质和区域重熔型混合岩化片麻岩和斜长角闪岩组成，单塔子群自下而上依次为燕窝铺组、白庙组、凤凰咀组和刘营组。根据前人资料，周台子铁矿主要赋矿地层为凤凰咀组。白庙组下伏地层为燕窝铺组，是一套黑云母化角闪岩夹斜长角闪岩，局部夹黑云斜长质混合岩及层状含角闪石磁铁石英岩。而白庙组可以分为两个岩性段，第一岩性段以绿帘石化蚀变角闪斜长片麻岩、浅粒岩为主，黑云斜长片麻岩、石榴斜长片麻岩次之，夹斜长角闪岩等。底部夹有层状、似层状、透镜状磁铁角闪石英岩，其底部岩性为黑云母斜长片麻岩；第二岩性段以混合岩化黑云斜长片麻岩为主，斜长浅粒岩及浅红色钾长石浅粒岩、二长浅粒岩次之。底部夹角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩以及层状、透镜状磁铁石英岩，上部为钾长浅粒岩夹二长浅粒岩及少量黑云母斜长片麻岩。赋矿地层凤凰咀组为一套低角闪岩相到高绿片岩相的变质岩，可分为三个岩性段，第一岩性段以斜长角闪岩为主，混合岩化黑云斜长片麻岩次之，夹黑云斜长变粒岩，顶部为一层含白云母透闪大理岩标志层；第二岩性段以中细粒斜长角闪岩为主，黑云斜长变粒岩次之，夹黑云母片岩及大理岩，顶部为含透辉石大理岩；第三岩性段以斜长角闪岩为主，夹黑云母斜长变粒岩及少量黑云二长片麻岩。刘营组位于单塔子群最上部，为一套高绿片岩相到低角闪岩相变质岩，主要岩性为黑云斜长变粒岩，黑云角闪斜长变粒岩等。原红旗营子群的标准剖面在崇礼县北部，主要的岩石组合为黑云斜长片麻岩、角闪黑云斜长片麻岩、黑云变粒岩、夕线黑云变粒岩、石榴黑云斜长片麻岩、石榴黑云母片岩和不纯的大理岩等。
2.2 矿床地质特征矿区内地层较为简单，前寒武纪变质岩是矿床的主要围岩，出露黑云母斜长片麻岩、斜长角闪岩和花岗片麻岩(图 2)，局部地段可见薄层黑云母片岩、绿泥石片岩等。上述各片麻岩往往沿走向、倾向方向变化很大。片麻岩的矿物成分主要是长石、角闪石、黑云母以及少量石英和磁铁矿、绿泥石。矿区受到不同程度的混合岩化作用，其中长英质脉体主要呈混入式，有的呈混染或混合状式。
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图 2 周台子铁矿地质图 Fig. 2 Geological map of Zhoutaizi iron deposit |
矿区南部滦河以南出露有较大面积的花岗闪长岩体，在矿区周围的片麻岩中有黑云母闪长岩小岩枝侵入，对东南段矿体有一定破坏作用。矿区北部有较大面积的区域性花岗岩侵入，外观呈淡红色-褐灰色，具不明显的片麻状构造和中粗粒结构，主要成分为长石、石英、黑云母以及少量其他暗色矿物。与上述片麻岩接触处，片麻岩遭受不同程度的花岗岩化作用。矿区各种岩脉广泛发育，常见的岩脉有花岗伟晶岩脉、辉绿岩脉、石英斑岩脉、石英脉等。花岗伟晶岩脉分布虽广，但规模不大，也不够规则，多为断续脉状产出；而辉绿岩脉多呈脉状、切割矿体分布。
矿区构造复杂，其中片理产状有两种，分别为45°∠60°~80°和225°∠60°~80°，从钻孔中发现以39号勘探线为分界线，往西矿层倾向为南西，往东矿层倾向倒转成北东；断裂为压扭性平行断层，断层产状为135°∠60°~80°，有的近于直立，断层走向大体垂直矿体，东南盘向北东推移，将矿体切割成若干矿块，对于矿体有破坏作用(图 2)。
矿区分南北两个矿带，北矿带矿体较多，南矿带矿体较少，两个矿带的走向都呈北西向。北矿带东起杏树下，西至周台子村老达子沟西，延长约3100m左右。南矿带东起窑岑沟口，沿走向断续延长约800m。铁矿床基本呈层状产出，矿体与围岩界线清楚，且两者有着大体一致的产状。南部矿带经槽探控制地表出露长约380m，经磁法物探方法查明其东段在第四系覆盖层下延长150m左右，西段延长250~300m，总体延长约800m左右，通过深部钻探结果，发现有几个盲矿体。北部矿带东段矿层较薄，一般只见两层主要矿体，局部变为多层，中间夹石一般2~10m不等。中段地表矿体连续，品位较稳定，向下延伸较大。西段地表矿体被第四系覆盖。
矿石具有明显的条带状构造特征，有的呈条纹构造或块状构造。矿区典型的矿石、围岩、野外露头及显微照片如图 3所示。磁铁矿自形到半自形，粒径一般0.5~0.8mm，与脉石矿物石英和角闪石共生，呈镶嵌结构。
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图 3 研究区岩石、矿石、野外露头及显微照片 (a)-条带状矿石; (b)-斜长角闪岩; (c)-花岗片麻岩; (d)-斜长角闪片麻岩; (e)-条带状磁铁矿; (f)-斜长角闪岩 Fig. 3 Photos of rocks, ore rocks, outcrops and microphotographs in the study area (a)-banded ore rock; (b)-amphibolite; (c)-granitic gneiss; (d)-plagioclase hornblende gneiss; (e)-banded magnetite; (f)-amphibolite |
矿石类型主要有两种，一种是石英磁铁矿类型，含铁介于30%~35%，极少数达40%以上；脉石矿物以石英为主，含少量角闪石、黑云母，局部可见暗红色石榴石，石榴石富集部分磁铁矿粒度较粗，这类矿石是本区的主要矿石类型。另一种是黑云母角闪石石英磁铁矿型，含铁20%~30%，脉石矿物以角闪石、石英、黑云母为主，黄铁矿星散分布其中。黄铁矿中有斑铜矿、黄铜矿包体。此类型矿石分布于矿体顶底板，厚约1~20cm不等。此部位上常有热液富集的磁铁矿细条带，表现为磁铁矿变粗变富，石英减少而角闪石和磷灰石变多。
3 分析方法主量元素、微量和稀土元素分析、锆石U-Pb定年及锆石Hf同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究所完成。主量元素采用熔片XRF方法，其中FeO采用容量滴定法，分析精密度RSD为0.1%~1.0%。微量和稀土元素先采用Teflon熔样罐进行熔样，然后采用美国FINNIGAN MAT公司生产的ELEMENT ICP-MS仪器进行测定，仪器RSD＜2.5%。本次研究所涉及到的两件锆石样品的U-Pb定年分别在中国科学院地质与地球物理研究所多接收等离子质谱仪实验室，和中国科学院地质与地球物理研究所离子探针实验室完成。多接收等离子质谱仪实验室采用Neptune多接受电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS) 和193nm激光剥蚀系统进行测试的，激光束斑大小为40~50μm，剥蚀深度为30~50μm，实验中采用氦气作为剥蚀物质的载气，用美国国家标准技术研究院研究的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610进行仪器最佳化，采用91500标准锆石作为外部校正。普通Pb的校正采用Andersen (2002)的方法，样品的同位素比值和元素含量计算采用Glitter (Macquarie University) 程序，年龄计算和年龄谱图的绘制采用ISOPLOT程序完成(Ludwig, 2003)。离子探针实验室采用CAMECA IMS-1280二次离子质谱仪(SIMS) 进行锆石U、Th、Pb的测定，详细分析方法见Li et al. (2009)，锆石标样与锆石样品以1:3比例交替测定，U-Th-Pb同位素比值用标准锆石Plésovice (337Ma, Sláma et al., 2008) 校正获得，U含量采用标准锆石91500 (81×10-6, Wiedenbeck et al., 1995) 校正获得，以长期监测标准样品获得的标准偏差(1SD=1.5%, Li et al., 2010) 和单点测试内部精度共同传递得到样品单点误差，以标准样品Qinghu (159.5 Ma, Li et al., 2009) 作为未知样监测数据的精确度。普通Pb校正采用实测204Pb值。由于测得的普通Pb含量非常低，假定普通Pb主要来源于制样过程中带入的表面Pb污染，以现代地壳的平均Pb同位素组成(Stacey and Kramers, 1975) 作为普通Pb组成进行校正。同位素比值及年龄误差均为1σ。数据结果处理采用ISOPLOT软件(Ludwig, 2003)。锆石Hf同位素锆石原位分析也在多接收等离子质谱仪实验室进行，采用Neptune多接受电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS) 和193nm激光剥蚀系统进行测试的，分析中所用的激光脉冲频率为8Hz，激光束脉冲能量为100mJ。详细的运行条件以及分析过程见Wu et al. (2006)。锆石的阴极发光图像(CL图像) 是在中国科学院地质与地球物理研究所的扫描电镜实验室完成的，所用仪器为德国生产的LEO 1450VP扫描电子显微镜(SEM)。
4 测试结果 4.1 主量元素周台子铁矿有10件样品进行了主量元素，稀土元素和微量元素分析，分析结果见表 1。主量元素分析显示，斜长角闪岩(Z-1-7、Z-1-8) 的SiO2含量较低，分别为47.08%和48.76%，Na2O含量大于K2O含量，且K2O含量偏低，分别为1.03%和0.30%，Al2O3含量小于15%。角闪斜长片麻岩(Z-1-5和Z-1-6) 的SiO2含量介于56%~70%之间，Na2O含量大于3.5%，K2O含量2.0%。花岗片麻岩(Z-1-1、Z-1-2、Z-2-9) 的SiO2含量在62.46%~63.48%之间，Na2O含量(3.45%~3.74%) 稍大于K2O含量(2.25%~2.47%)，Na2O/K2O比值在1.5左右，Al2O3含量大于15%，Ti2O含量低于0.7%。矿石(Z-2-2, Z-2-3, Z-2-8) SiO2含量相对较低，在48.05%~55.61%之间，Na2O和K2O含量较低，分别为0.12%~0.14%，0.02%~1.70%，Al2O3含量在0.16%~5.21%之间，FeO和Fe2O3含量较高，分别为17.40%~18.15%，33.89%~38.53%。
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表 1 周台子铁矿主量元素(wt%) 和铁矿微量元素(×10-6) 含量 Table 1 Major elements (wt%) and trace element (×10-6) contents of Zhoutaizi iron deposit |
周台子铁矿样品微量元素含量见表 1。花岗片麻岩(Z-1-1, Z-1-2, Z-2-9) ∑REE含量整体偏低，且主要集中于93.28×10-6~98.63×10-6，LREE/HREE比值为12.21~13.05，(La/Yb)N值21.2~23.7，说明轻重稀土元素分异明显，δEu变化范围不大，集中在1.18~1.25，Eu正异常不明显，说明源区无或仅有微量斜长石残留。从微量元素蛛网图(图 4a) 中可见，大离子亲石元素(LILE) 相对富集，高场强元素(HFSE) 相对亏损，其中元素Ta和Nb呈现负异常，Sr含量均大于500×10-6，Yb含量均小于1.9×10-6，Y含量均小于9×10-6，MgO含量小于3%，SiO2含量大于60%。从稀土元素球粒陨石标准化图解(图 4a) 可见，配分图呈现轻稀土轻微富集，重稀土轻微亏损的型式，轻重稀土元素的分异明显，除Eu出现轻微正异常以外，其他元素未见明显的异常，同时稀土元素配分型式与TTG岩石相比具有很大的相似性(图 4a中TTG数据据万渝生等，2005)，由此表明周台子铁矿花岗片麻岩具有TTG特征。
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图 4 周台子铁矿变质岩微量元素原始地幔标准化蛛网图解(原始地幔标准化值据Thompson, 1982) (a)-花岗片麻岩；(b)-斜长角闪岩 Fig. 4 Primitive mantle-normalized spidergram pattern of metamorphic rocks in Zhoutaizi iron deposit (primitive mantle values after Thompson, 1982) (a)-granitic gneiss; (b)-amphibolite |
斜长角闪岩和斜长角闪片麻岩(Z-1-5, Z-1-6, Z-1-7, Z-1-8) 的∑REE含量变化很大，根据变质原岩恢复，Z-1-5的原岩为偏中性的安山岩，Z-1-6的原岩为偏酸性的英安岩，Z-1-7和Z-1-8的原岩为偏基性的玄武岩。因此，微量元素蛛网图(图 5b) 和稀土元素球粒陨石标准化图(图 5b) 中各微量元素未见一致的分布规律，反映斜长角闪岩原岩的不一致性和复杂性。
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图 5 周台子铁矿变质岩稀土元素球粒陨石标准化图解(球粒陨石标准化值据Sun and McDonough, 1989) (a)-花岗片麻岩；(b)-斜长角闪岩 Fig. 5 Chondrite-normalized REE pattern of metamorphic rocks in Zhoutaizi iron deposit (chondrite values after Sun and McDonough, 1989) (a)-granitic gneiss; (b)-amphibolite |
矿石样品(Z-2-2, Z-2-3, Z-2-8) 的稀土元素PAAS (Post Archean Average Shale) 标准化图(图 6)，其特征为：具轻稀土相对亏损、重稀土相对富集的配分型式，相对明显的Eu正异常(Eu/Eu*=1.02~2.54，见表 1)，无明显的Ce负异常(Ce/Ce*=0.95~0.94)，Pr无明显异常(Pr/Pr*=0.99~1.09)，Gd/Gd*介于1~2之间，这些稀土元素特征与典型BIF具有很大的相似性，说明周台子铁矿的BIF与典型BIF具有相同成因，都是海相沉积的产物(Derry and Jacobsen, 1990; Horstmann and Hälbich, 1995; Frei and Polat, 2007)。
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图 6 周台子铁矿矿石稀土元素PAAS标准化图解(PAAS值据McLennan, 1989) Fig. 6 PAAS-normalized REE pattern of metamorphic rocks in Zhoutaizi iron deposit (PAAS data after McLennan, 1989) |
周台子铁矿斜长角闪岩(Z-1-7) 和花岗片麻岩(Z-1-2) 锆石U-Pb定年结果见表 2、表 3。锆石的阴极发光图(CL图) 能够很好的反映出锆石的内部结构特征，不同成因的锆石具有不同的结构特征(图 7、图 8)。
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表 2 周台子铁矿斜长角闪岩(Z-1-7) 锆石U-Th-Pb分析数据(SIMS法) Table 2 Zircon U-Th-Pb data of amphibolite (Z-1-7) in Zhoutaizi iron deposit |
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表 3 周台子铁矿花岗片麻岩(Z-1-2) 锆石U-Th-Pb分析数据(LA-MC-ICPMS法) Table 3 Zircon U-Th-Pb data of granitic gneiss (Z-1-2) in Zhoutaizi iron deposit |
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图 7 周台子铁矿斜长角闪岩(Z-1-7) 锆石阴极发光图 以01~2482.3Ma为例，其中01代表分析点号，2482.3Ma代表锆石年龄 Fig. 7 CL images of zircon grains for amphibolite (Z-1-7) in Zhoutaizi iron deposit Take 01~2482.3Ma as an example. 01 represents the analyzed data; 2482.3Ma represents the zircon age |
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图 8 周台子铁矿花岗片麻岩(Z-1-2) 锆石阴极发光图 以13~2454Ma/+0.9为例，其中13代表分析点号，2454Ma代表锆石年龄，+0.9代表εHf(t) Fig. 8 CL images of zircon grains for granitic gneiss (Z-1-2) in Zhoutaizi iron deposit Take 13~2454Ma/+0.9 as an example. 13 represents the analyzed data; 2454Ma represents the zircon age; +0.9 represents εHf(t) |
周台子铁矿斜长角闪岩Z-1-7锆石样品CL图(图 7)，可以看到锆石颗粒长约50~120μm，宽约25~75μm，长宽比都大于1，多为长柱状或短柱状，形态以半自形为主，锆石的棱角不鲜明。其内部结构多为弱环带结构、面状分带结构，环带结构的连续性不明显，大多数锆石存在明显的核部，有些锆石核部呈深色，而有些锆石核部呈浅色，个别锆石核部具有弱的振荡环带特征(如Z-1-7 05号分析点)，边部特征不明显或不均匀。锆石的Th含量16×10-6~644×10-6，U含量31×10-6~1062×10-6，Th/U比值变化很大，在0.03~1.47之间，大部分锆石集中在0.48~1.47之间，还有一些集中在0.03~0.12之间。从以上这些特征，可见样品Z-1-7锆石的结构比较复杂，既有岩浆成因的锆石，也有变质成因的锆石。因此，在讨论锆石U-Pb年龄的时候，将这些锆石根据不同的结构特征、Th和U含量及比值进行分组讨论更加合理。从大约200粒锆石中，按照不同的颜色、形态等特征，挑选了24粒锆石进行SIMS测试，这24个锆石分析点的207Pb/206Pb年龄范围2292.1±18.6Ma~2577.1±12.7Ma，从锆石U-Pb谐和图上可以看出所有锆石分析点均落在谐和线上或谐和线以下。从CL图像看出，大概有2类锆石：第一类是锆石整体颜色较暗，核边结构不明显，个别年龄较老的锆石具有浅色的核和深色的幔或边(如Z-1-7, 10和16号分析点)，这些锆石的207Pb/206Pb年龄介于2449.8±10.8Ma~2577.1±12.7Ma之间，其上交点年龄为2512±21Ma，MSWD=6.8 (图 9)；第二类锆石整体颜色较浅，具有长柱状特征，锆石的核边结构相对明显，一般具有深色的核和浅色的幔或边，这些锆石的207Pb/206Pb年龄介于2292.1±18.6Ma~2474.7±8.1Ma之间，其加权平均值为2394±55Ma，MSWD=0.54 (图 9)。
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图 9 周台子铁矿斜长角闪岩(Z-1-7) 锆石U-Pb年龄协和曲线图 Fig. 9 U-Pb concordia diagram of zircons for amphibolite (Z-1-7) in Zhoutaizi iron deposit |
周台子铁矿花岗片麻岩Z-1-2锆石样品CL图(见图 8)，锆石颗粒长约100~400μm，宽约100~200μm，长宽比大于1，锆石形态为不规则柱状，棱角不突出，半自形到他形。其内部结构比较一致，均可见弱环带特征，未见变质锆石特征的云雾状和斑杂状等结构，Th/U比值较大，介于0.47~0.86之间，具有岩浆锆石的特征。从大约200粒锆石中，按照不同的颜色、形态等特征，挑选了15粒锆石进行LA-MC-ICPMS测试，锆石的207Pb/206Pb年龄集中于2423~2483Ma之间，所有15个分析点的U-Pb谐和图(图 10) 可见，年龄分布比较集中，15粒锆石的207Pb/206Pb年龄，加权平均值为2452±9.6Ma，MSWD=1.4。
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图 10 周台子铁矿花岗片麻岩(Z-1-2) 锆石U-Pb年龄协和曲线图 Fig. 10 U-Pb concordia diagram of zircons for granitic gneiss (Z-1-2) in Zhoutaizi iron deposit |
斜长角闪岩(Z-1-7) 锆石样品的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf比值相对较低，分布范围分别是0.004685~0.041070和0.000189~0.001579(表 4)，176Hf/177Hf比值也很低，分布范围是0.281068~0.281312。计算εHf(t) 和平均地壳模式年龄tDMc所取的t为Z-1-7锆石207Pb/206Pb年龄的加权平均值2462Ma，为-1.5~+2.4，平均值为+0.47，大部分εHf(t) 为正值，分布在+0.6~+2.4之间，亏损地幔模式年龄tDM在3013~2693Ma之间，平均地壳模式年龄tDMc在3347~2825Ma之间，可见tDM和tDMc都明显大于锆石的207Pb/206Pb年龄。
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表 4 周台子铁矿斜长角闪岩(Z-1-7) 和花岗片麻岩(Z-1-2) Hf同位素分析数据 Table 4 Hf isotope data of amphibolite (Z-1-7) and granitic gneiss (Z-1-2) in Zhoutaizi iron deposit |
花岗片麻岩(Z-1-2) 锆石样品的176Yb/177Hf、176Lu/177Hf和176Hf/177Hf比值相对较低，分布范围分别是0.009635~0.024021，0.000352~0.000862和0.281247~0.281325(表 4)，εHf(t) 值在+0.1~+2.2之间，平均值为+1.3，主要集中在两个范围内：+0.4~+1.0和+1.6~+2.1，亏损地幔模式年龄tDM分布在2762~2674Ma之间，平均地壳模式年龄tDMc分布在3164~2983Ma之间，同样品Z-1-7类似，样品Z-1-2的tDM和tDMc都明显大于锆石的207Pb/206Pb年龄。
5 讨论 5.1 矿区变质岩原岩恢复及成岩与变质时代原岩恢复是研究变质岩原岩类型的重要手段之一，但任何一种原岩恢复方法都有其局限性，加之各种不同原岩本身的化学成分存在重叠，所以只有针对研究对象选择合适的原岩恢复方法，并结合岩石学、岩相学及元素的地球化学性质等进行综合判断，才能得到合理可靠的结果。对斜长角闪岩和斜长角闪片麻岩原岩恢复(图 11)，从图 11a中可以看出，矿区变质岩大部分投影在火成岩区；从图 11b中可以看出，变质岩主要落于安山岩或石英闪长岩附近，另有2个样品稍微有些偏离，但仍然在火成岩范围内。同时，这2个样品与其他样品相比，在主量元素特征上，具有明显偏高的TFe2O3、MgO、CaO含量，Na2O、K2O含量也高于其他样品；在微量元素特征上，大离子亲石元素(LILE) Ba、Rb、Sr含量明显偏低，∑REE也明显低于其他样品，可能受到了后期变质作用的影响。从图 11c中，主要落于正斜长角闪岩范围内，副斜长角闪岩(变质沉积岩) 比正斜长角闪岩(变质火山岩) 具有较大的Zr/MgO比值，说明矿区的斜长角闪岩和斜长角闪片麻岩主要是变质火山岩。
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图 11 周台子铁矿变质岩原岩恢复图 (a)-SiO2-TiO2图(据Tarney, 1977); (b)-(Na2O+K2O)-Al2O3图(据Предопский, 1980): 1-安山岩；2-英安岩；3-石英闪长岩；4-流纹英安岩；5-石英粗安岩；6-流纹岩；7, 8-碱性花岗岩; 箭头方向表示亚杂砂岩和长石砂岩中石英含量降低的方向；纵横坐标为计算出的分子数乘以1000; (c)-MgO-Zr图(据Geringer, 1979); (d)-Zr/TiO2-Nb/Y图(据Pearce and Cann, 1973) Fig. 11 Protolith restoration diagrams of metamorphic rocks in Zhoutaizi iron deposit (a)-SiO2-TiO2diagram (after Tarney, 1977); (b)-(Na2O+K2O)-Al2O3 diagram (after Предопский, 1980): 1-andesite; 2-dacite; 3-quartz diorite; 4-rhyodacite; 5-quartz trachyandesite; 6-rhyolite; 7, 8-alkaline granite. The direction of arrowhead represents the direction of lower concentration of sub-greywacke and feldspar sandstone. The molecular number calculated by coordinates multiplied by 1000; (c)-MgO-Zr diagram (after Geringer, 1979); (d)-Zr/TiO2-Nb/Y diagram (after Pearce and Cann, 1973) |
根据以上分析，将原岩为火山岩的变质岩进行火山岩分类，由于在变质作用过程中，主量元素易受影响而发生迁移，故选择不易迁移的微量元素投影到Zr/TiO2-Nb/Y图中(图 11d)，可以看到斜长角闪岩(Z-1-7、Z-1-8) 的原岩是玄武岩，斜长角闪片麻岩(Z-1-5和Z-1-6) 的原岩是英安岩或安山岩。
通过对周台子铁矿斜长角闪岩和花岗片麻岩的锆石U-Pb定年结果的分析，结合锆石的形态、结构以及Th/U比值等特征，可以得到几组不同的年龄，分别是2512±21Ma、2452±9.6Ma和2394±55Ma。综合斜长角闪岩和花岗片麻岩的野外产状和岩石地化特征，及其锆石的外观形态、内部结构、Th/U比值、U-Pb谐和图等，2512Ma锆石年龄代表了原岩为玄武岩的斜长角闪岩的形成年龄，同时也代表了火山喷发和周台子铁矿BIF沉积年龄；2452Ma锆石年龄可能代表周台子铁矿具有TTG特征花岗片麻岩的侵位结晶年龄；2394Ma锆石年龄可能是变质重结晶作用导致Pb丢失引起年龄降低，代表了后期变质改造的年龄，表明周台子铁矿在2394Ma左右经历了一次变质作用，并对原有的岩石和矿石进行了改造。
刘树文等(2007a)总结了单塔子杂岩的形成主要分7个阶段。2600~2530Ma之间形成了镁铁质表壳岩，即单塔子杂岩的围岩；2516~2505Ma和2494~2473Ma为TTG岩浆侵位结晶；2417~2404Ma之间发生了麻粒岩相变质作用和深熔混合岩化作用；1859Ma为镁铁质岩浆侵位，形成了镁铁质岩株和岩脉；1834~1793Ma和1730Ma经历了强烈的变质作用改造和流体作用。根据本文获得的锆石年龄数据看，本区的大部分锆石的年龄范围在2577~2292Ma之间，本文认为研究区TTG质花岗岩的侵位时间为2452Ma左右，同时研究区与成矿有关的火山喷发的时限为2512Ma左右，与刘树文等(2007a)对镁铁质表壳岩和TTG岩浆侵位结晶阶段的划分，在误差范围内基本一致；而研究区2394Ma左右的变质事件与刘树文等(2007a)对单塔子杂岩在2417~2404Ma发生变质作用的时限划分基本一致。
5.2 岩浆源区性质斜长角闪岩Z-1-7的锆石εHf(t) 值为-1.5~+2.4，平均值为+0.47，大部分εHf(t) 为正值，分布在+0.6~+2.4之间。Hf同位素亏损地幔模式年龄tDM在3013~2693Ma之间，平均地壳模式年龄tDMc在3347~2825Ma之间，而其锆石207Pb/206Pb年龄在2577~2292Ma范围内，可以看出其亏损地幔模式年龄和平均地壳模式年龄均大于锆石的形成年龄，说明其岩浆源区受到过古老地壳物质的混染。花岗片麻岩Z-1-2的锆石εHf(t) 值在+0.1~+2.2之间，平均值为+1.3，落在3.0Ga和2.8Ga平均地壳演化线范围内(图 12)。Hf同位素亏损地幔模式年龄tDM在2762~2674Ma之间，平均地壳模式年龄tDMc分布在3164~2983Ma之间，其锆石207Pb/206Pb年龄在2483~2423Ma范围内，同样其亏损地幔模式年龄和平均地壳模式年龄均大于锆石形成年龄，表明其岩浆源区受到过古老地壳物质的混染。
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图 12 周台子铁矿斜长角闪岩(Z-1-7) 和花岗片麻岩(Z-1-2) 锆石Hf同位素特征 DM-亏损地幔；CHUR-球粒陨石；CC-平均地壳 Fig. 12 Zircon Hf isotope features of amphibolite (Z-1-7) and granitic gneiss (Z-1-2) in Zhoutaizi iron deposit DM-depleted mantle; CHUR-chondrite uniform reservoir; CC-mean crustal value of 176Lu/177Hf |
TTG质花岗片麻岩样品的SiO2含量大于56%，MgO含量小于3%，Al2O3含量大于15%，Sr含量均大于500×10-6，Yb含量均小于1.9×10-6，大部分样品Y含量低于9×10-6，轻重稀土元素分异明显，重稀土元素强烈亏损，并且Eu负异常不明显，表明研究区花岗片麻岩与埃达克岩在地球化学特征上(Defant and Drunmmond, 1990; Castillo, 2006)，具有一定的相似性。
5.3 构造环境很多学者认为太古代TTG岩石与埃达克岩关系密切，一些学者认为太古代TTG的地球化学特征与埃达克岩相似，可以用岛弧埃达克岩来解释太古代TTG的形成(Drummond and Defant, 1990; Martin, 1999)；此外，大多数学者认为太古代TTG与板片熔融的埃达克岩明显不同，是加厚下地壳熔融形成的(Simithies and Champion, 2000; Condie, 2005)。周台子铁矿中与TTG岩石具有地球化学亲和性的花岗片麻岩形成时代为2452Ma，而研究区的变质岩原岩以玄武质、安山质、英安质等火山(沉积) 岩为主，并发育少量超基性岩(脉) 和不同成熟度的陆源碎屑沉积岩，岩石组合、地球化学组成以及锆石Hf同位素特征揭示其岩浆源区为新生的加厚下地壳熔融形成，并受到过古老地壳物质的混染。前人对华北克拉通大地构造时空演化和华北克拉通北缘BIF型铁矿的研究(李铁胜，1999；翟明国等，2001；刘富等，2009) 颇为成熟，结合本文的研究结果，研究区所属的构造环境可能是与裂谷有关的张性环境。
6 结论(1) 周台子铁矿是产于前寒武纪单塔子群变质岩系中的鞍山式铁矿。该矿区花岗片麻岩的岩石学属性是太古代单塔子杂岩中的TTG岩系，地球化学属性与埃达克岩相似。变质岩原岩为一套中基性火山岩(英安岩，安山岩和玄武岩)。同时，周台子条带状铁建造的稀土元素特征与典型BIF相似，具有海底火山喷发-喷流沉积成矿的特征。
(2) 锆石定年结果显示出几组年龄：2512±21Ma, 2452±9.6Ma，2394±55Ma。2512Ma锆石年龄代表了原岩为玄武岩的斜长角闪岩的形成年龄，同时也代表了火山喷发和周台子铁矿BIF沉淀年龄；2452Ma锆石年龄可能代表周台子铁矿具有TTG特征花岗片麻岩的侵位结晶年龄；2394Ma锆石年龄代表了后期变质改造的年龄，表明周台子铁矿在2394Ma左右经历了一次变质作用，并对原有的岩石和矿石进行了改造。
(3) 锆石Hf同位素特征显示2452~2512Ma期间的岩浆活动具有陆壳增生的特征，TTG花岗片麻岩具有埃达克岩的地球化学特征，岩浆源区为新生的加厚下地壳熔融形成，但其岩浆源区受到过古老地壳物质的混染。
(4) 周台子铁矿构造环境可能是与裂谷有关的张性环境。
致谢 感谢审稿专家给本文提出宝贵意见；文中主量元素、微量元素以及锆石U-Pb年龄和Hf同位素数据的准确测定离不开实验人员的辛勤劳动，表示感谢。| [] | Andersen T. 2002. Correction of common lead in U-Pb analyses that do not report 204Pb. Chemical Geology, 192(1-2): 59–79. DOI:10.1016/S0009-2541(02)00195-X |
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