冀東高家店和蛇盤兔花崗巖體：年代學、地球化學及地質意義

尹業長,郝立波,趙玉巖,石厚禮,田 午,張豫華,陸繼龍

1.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 2.山東省第五地質礦產勘查院，山東 泰安 271021 3.云南省有色地質局地質地球物理化學勘查院,昆明 650216

0 引言

冀東地區在大地構造上屬華北地臺北緣東段，經歷了相當復雜的地質演化過程， 是我國最古老的地體之一，地殼演化程度較高，構造活動強烈，主要構造帶的展布有EW向、NE向弧形帶和NNE向構造帶等[1]。多種構造的相互作用在冀東形成了隆起帶和沉降帶相間排列的格局。隆起帶主要出露太古代、元古代、古生代地層，沉降帶主要為中生代地層。隆起帶巖漿作用以侵入為主，形成大量花崗巖，包括都山、蛇盤兔花崗巖基以及青山口、高家店、賈家山、峪耳崖、牛心山、羅文峪等巖株；沉降帶以火山作用為主，形成大量火山熔巖、火山碎屑巖及次火山巖。

冀東金礦礦集區內，分布著金廠峪金礦、峪耳崖金礦、鏵尖金礦等大中型金礦床，這些金礦床的產出位置分布于花崗巖體的周圍或內部[2-4]。前人對研究區內花崗巖的年代學、巖石地球化學特征及其與金成礦關系進行了大量研究，并取得了一定的認識[5-10]。但作為區內重要的花崗巖體----高家店巖體和蛇盤兔巖體，前人對其研究較少，目前未見或少見相關巖體的精確報道，現有資料中只有關于蛇盤兔巖體通過K-Ar全巖法測定的巖體年齡(192.3 Ma)[11]。為了補充這方面的資料，本文采用激光多接收等離子體質譜(LA-MC-ICP-MS)鋯石U-Pb定年法，對高家店和蛇盤兔花崗巖體的形成時代進行測定。

1 地質背景

冀東地區位于華北地臺東部燕山臺褶帶的東段(圖1)，是一個古隆起區。區內分布著馬蘭峪復背斜，復背斜的核部分布著太古宙—古元古代結晶基底，包括太古宇遷西巖群、八道河巖群，古元古界青龍群、雙山子群和同時代的深成巖[13]，復背斜的南北兩翼為中新元古代—古生代的沉積巖蓋層覆蓋；中生代的陸相碎屑巖和火山巖分布在中生代斷陷盆地中。區內從太古宙至中生代構造運動強烈，尤其印支、燕山期發生多期強烈的構造運動，產生了強烈的巖漿侵入[14]，形成了都山、蛇盤兔花崗巖基和羅文峪、高家店、青山口、賈家山、峪耳崖及牛心山等花崗巖株，巖體出露于太古宇地層的斜長角閃片麻巖中。區內構造格局十分復雜，褶皺和斷裂相當發育，印支及燕山運動期形成近東西向的壓扭性斷裂帶，燕山運動中期出現了NNE向壓扭性斷裂帶。本區花崗巖侵入體的空間展布正是受這2組方向的斷裂帶控制。

高家店巖體：巖體位于高家店鄉，出露于太古宇地層的斜長角閃片麻巖中，出露面積約為45 km2，巖性主要為中粒花崗巖、中粒正長巖和中粒黑云母閃長巖。巖樣為中粒黑云母閃長巖，樣號為JD028，巖石新鮮面呈灰黑色，中粒結構，塊狀構造，主要礦物為石英、鉀長石、中性和酸性斜長石、角閃石以及黑云母等。副礦物有磁鐵礦、榍石、鋯石、磷灰石等。

蛇盤兔巖體：巖體位于青龍大斷裂(近EW向)、喜峰口—冷口斷裂帶(NW向)及青龍河斷裂帶(NE向)交匯處，出露于太古宇地層的斜長角閃片麻巖中，出露面積約230 km2，巖體呈不規則橢圓狀，NE向展布。樣號為JD050，巖石新鮮面呈淺肉紅色，巖石由鉀長石、斜長石、石英、黑云母等組成，副礦物有磁鐵礦、榍石、鋯石、磷灰石等。

2 LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡

冀東金礦集區作為我國重要的金礦產出地之一，前人對該區花崗巖進行了大量的研究，采用SHRIMP和LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年對青山口巖體((199.1±2.0) Ma)[8]、峪耳崖巖體((175±1) Ma)[9]、牛心山巖體((173.0±2.0) Ma)[6]、羅文峪巖體((196.7±7.0) Ma)[4]進行了測年。但前人對高家店巖體和蛇盤兔巖體形成時代的研究較少，所以本文對這2個巖體進行了LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年。

2.1 測試方法

按照常規方法進行鋯石靶制定，進行鋯石陰極發光成像，并對CL圖像(圖2)進行分析。LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年測試分析由中國地質科學院國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室LA-MC-ICP-MS實驗室完成，定年分析所用儀器為Finnigan Neptune型LA-MC-ICP-MS及與之配套的NewwaveUP213激光剝蝕系統。LA-MC-ICP-MS激光剝蝕采用單點剝蝕的方式，數據分析前用鋯石GJ-1(為澳大利亞Mac Quarie大學大陸地球化學與成礦作用研究中心(GEMOC) 實驗室的U-Pb測定標準[15]) 進行調試儀器，使之達到最優狀態，鋯石U-Pb定年以鋯石GJ-1為外標，U、Th質量分數以M127 (U：923×10-6；Th：439×10-6；Th/U: 0.475)[16]為外標進行校正。數據處理采用ICP-MS Data Cal程序，鋯石年齡諧和圖用Isoplot(ver3.0)程序獲得[17]。

2.2 測試結果

高家店巖體鋯石樣品共測得11個數據點。在樣品測得的同位素比值和年齡數據曲線(表1)上可看出，所選樣品的鋯石具有很高的Th/U值(0.98～2.67)，大部分Th/U>1.2，因此屬于典型巖漿成因鋯石[18]。同時，Th和U同位素在質量分數上呈現較好的正相關關系，也說明高家店巖體中的鋯石屬于典型巖漿成因類型[19]。實驗測得的樣品有效數據點顯示Th的質量分數變化于32.2×10-6～284.4×10-6，U的質量分數變化于31.0×10-6～106.5×10-6，這些測點多位于明顯的巖漿環帶上(圖2)，也顯示了巖漿成因的鋯石特征。在這些有效數據點中207Pb/206Pb值近似一致，為0.050 1～0.062 3(表1)。說明此類鋯石是同期巖漿結晶的產物。由于235U的衰變速度比238U快6.3倍，放射成因的207Pb在地球早期歷史中更為豐富，而顯生宙以來的207Pb生成速率低，這種變化使顯生宙的207Pb的計數速率低，造成207Pb測定誤差較大，這就使得207Pb/206Pb和207Pb/235U的值可信度降低。因此，對于顯生宙鋯石一般采用206Pb/238U年齡。所測鋯石樣品的測試數據點中206Pb/238U 年齡集中在196.6～199.9 Ma，樣品中鋯石的206Pb/238U的加權平均年齡為(198.8±0.8)Ma(圖3)。蛇盤兔巖體鋯石樣品共測得13個數據點，同高家店巖中同位素質量分數分布、Th/U值等相似(表1)，在此不再贅述。因此，蛇盤兔巖體中的鋯石也屬于典型巖漿成因類型。蛇盤兔巖樣的測試點中206Pb/238U年齡集中在182.8～187.9 Ma，樣品中鋯石的206Pb/238U加權平均年齡為(184.7±1.0)Ma(圖3)。綜上可推斷，高家店巖體和蛇盤兔巖體形成時代都為燕山期早侏羅世。

圖2 高家店、蛇盤兔巖體鋯石CL圖像及年齡Fig.2 Cathodoluminescence and age of zircons from Gaojiadian & Shepantu granite

圖3 高家店、蛇盤兔花崗巖LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡諧和圖及加權平均年齡圖Fig.3 LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams and histograms of weighted average ages of the Gaojiadian & Shepantu granite

3 巖石地球化學特征

3.1 常量元素地球化學

本研究區內的巖石類型主要以花崗巖和二長花崗巖為主。從表2中可以看出：主量元素SiO2的質量分數為56.00%～75.36%，大部分集中于64.48%～75.36%；Al2O3質量分數為12.78%～16.12%，大部分集中于13.23%～16.12%；A/CNK大部分集中于1.02～1.25，主要為弱過鋁質；Na2O質量分數為1.91%～5.84%，大部分集中于3.80%～5.84%；K2O質量分數為1.99%～5.64%，大部分集中于3.58%～5.64%。整體上K2O的質量分數大于Na2O的質量分數，表明巖石具有相對富鉀貧鈉的特性，在w(K2O)-w(SiO2)判別圖解(圖4)中可以看出高家店巖體和蛇盤兔巖體均與其他巖體巖性相一致，為高鉀鈣堿性系列。

底圖據文獻[20]。圖4 冀東研究區花崗巖w(K2O)-w(SiO2)判別圖解Fig.4 w(K2O)-w(SiO2) discriminant diagrams for the granites in eastern Hebei Province

研究區內巖石里特曼指數(δ)為1.90～4.90，大部分集中于2.04～3.78，因此，巖石屬于鈣堿性系列，又稱為太平洋型。花崗巖巖石分異指數(ID)為77.99～97.82(除1個巖樣為52.34)，說明巖石的結晶分異程度較高。巖石氧化度(OX)為0.41～0.58，巖石具較高的氧化系數, 反映了巖石成巖部位相對較淺、氧分壓高的特性。在w(SiO2)相同的條件下，堿度率(AR)越大則表示巖石或巖系越偏堿性。研究區內花崗巖類巖石AR值為1.82～5.74，平均值為3.68，顯示巖性為堿性系列。固結指數(IS)是反映巖漿分異程度和巖石基性程度的重要巖石化學參數。該研究區域巖石樣品中花崗巖的IS值一般為1.00～13.60，平均值為3.83，說明該地區的巖漿分異程度較低，且巖石的酸性程度也相對較低。

表2 冀東地區花崗巖常量元素分析表

注：常量元素質量分數單位為%。

CIPW標準礦物計算結果表明，巖石礦物組合以石英、鈣長石、鈉長石、正長石為主，含少量剛玉、紫蘇輝石、磁鐵礦等。石英的質量分數一般為 17.36%～37.47%。在Q-A-P圖解上巖石定名為堿長花崗巖和花崗巖(圖5)；花崗巖類TAS分類圖中巖石為花崗巖和石英閃長巖，主要以花崗巖為主(圖6)。

Q.石英；A.堿性長石；P.斜長石。1.富石英花崗巖類;2.堿長花崗巖;3a.花崗巖(鉀長花崗巖);3b.花崗巖(二長花崗巖);4.花崗閃長巖;5.英云閃長巖;6*.石英堿長正長巖;6.堿長正長巖;7*.石英正長巖;7.正長巖;8*.石英二長巖;8.二長巖;9*.石英二長閃長巖、石英二長輝長巖;9.二長閃長巖、二長輝巖;10*.石英閃長巖、石英輝長巖、石英斜長巖;10.閃長巖、輝長巖、斜長巖。圖5 侵入巖石分類Q-A-P 圖解Fig.5 Rocks discrimination diagram

1.苦橄巖;2.輝長巖;3.輝長閃長巖;4.閃長巖;5.花崗閃長巖;6.花崗巖;7.石英閃長巖;8.二長巖;9.二長閃長巖;10.粗面玄武巖;11.碧玄巖和堿玄巖;12.響巖質堿玄巖;13.堿玄質響巖;14.響巖;15.似長石巖。底圖據文獻[21]。圖6 冀東花崗巖類TAS分類圖Fig.6 TAS classification diagram for the granite of eastern Hebei Province

3.2 微量元素和稀土元素地球化學

從微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖7)中可以看出，微量元素分配型式不規則，虧損和富集元素相間排列使得蛛網圖的分配型式呈鋸齒狀，巖石富集Th、U、K等大離子親石元素，虧損Ti高場強元素。其Ti偏低可能與磷灰石、鈦鐵氧化物和斜長石的結晶分異有關。

稀土元素球粒隕石標準化后的分布圖(圖8)及表3顯示出輕重稀土強烈分異的特征，其中w(∑LREE)為28.38×10-6～359.05×10-6，w(∑HREE)為7.62×10-6～59.24×10-6，∑LREE/∑HREE為1.55～23.86，為輕稀土富集型，δEu變化范圍為0.14～1.01，具有負銪異常的特性。(La/Sm)N值為0.82～7.83，大多數≥3.02；(Gd/Yb)N值為0.50～3.87，大多數≥0.96；(La/Yb)N值為1.10～45.48，大多數≥9.59；說明輕重稀土元素分餾明顯。

4 討論

4.1 巖石成因類型

本區巖石總體上Fe、Mg的質量分數較高，CaO質量分數主要集中于0.56%～2.49%，Na2O+K2O的質量分數為5.27%～9.53%，具有I-A型花崗巖的特性[25]，A/CNK值主要為1.02～1.25。

在微量元素中，出現Nb、Sr、Ti虧損，尤其是Ti虧損顯著，Rb、K、Hf等元素相對富集，微量元素的這些特性具有I型花崗巖的特性； Sr、Ti的強烈虧損，Rb、K、Hf等元素相對富集，具有A型花崗巖的特點。稀土元素的質量分數較高，輕、重稀土比重較大，為輕稀土富集型，在球粒隕石標準化圖中可以看出，巖石負銪異常明顯。綜上可知，所測巖體巖石類型為I-A過渡型花崗巖。

4.2 巖石構造環境判別

對于花崗巖構造環境的判別，利用多種判別圖解和區域地質環境分析相結合，在一定程度上可以厘定花崗巖形成的構造背景。

在研究碰撞帶巖漿作用的元素地球化學特征時，將碰撞帶巖漿侵入體劃分為火山弧侵入體、同碰撞侵入體、后碰撞侵入體及板內侵入體。后碰撞環境形成的高鉀鈣堿性侵入體的地球化學特征與火山弧環境所形成的高鉀鈣堿性侵入體的地球化學特征極為相似。從Rb-Hf-Ta構造環境判別圖解(圖9)可看出，巖石樣品點都落于后碰撞構造環境區域內，表明冀東主要金礦集區內的花崗巖為后碰撞構造環境形成的高鉀鈣堿性花崗巖；同時，研究區內花崗巖體Sr質量分數大部分為36.62×10-6～197.00×10-6，也反映了其為后造山階段的產物[26-27]。

底圖據文獻[23]。圖7 微量元素原始地幔標準化蛛網圖Fig.7 Primitive mantle-normalized trace elements spider diagram

巖體樣號YBaHfRbScSrGaNbTa高家店JD02822．3021841．0557．005．11600．0021．000．77羅文峪JD02980．801777．64171．0011．6543．0084．303．06賈家山JD03412．909400．6632．0021．32669．006．100．24青山口JD03513．006072．34136．002．53158．0022．801．57青山口Q1[22]16．684322．17130．641．90128．1416．4428．783．93青山口Q2[22]12．657173．84144．422．00156．6416．2225．384．08峪耳崖JDY00918．103906．23138．003．56191．0021．801．93蛇盤兔JD05027．607032．3286．005．10197．0031．802．83都山JD10712．7014212．1462．007．22945．0021．201．76牛心山JDH01537．502289．41289．005．1646．0080．4017．96牛心山H2[12]35．281904．02277．804．6536．6222．20102．2017．33巖體樣號ThULaCePrNdSmEuGd高家店JD0287．4010．7372．56207．0015．0654．588．181．676．81羅文峪JD02949．306．2125．9793．678．1233．5710．040．429．89賈家山JD0344．60156．3017．2738．155．0420．193．581．033．15青山口JD03512．909．1724．7162．464．8915．912．700．432．66青山口Q1[22]4．765．1125．9049．525．4018．283．270．432．88青山口Q2[22]6．447．9333．8258．525．6418．032．700．472．30峪耳崖JDY00924．0015．5827．2959．556．3521．604．050．693．72蛇盤兔JD05013．8025．6176．12155．7016．9359．579．311．408．19都山JD10712．8063．7565．88128．7013．2344．326．231．455．43牛心山JDH01536．401．938．6121．923．0312．284．690．394．53牛心山H2[12]31．700．534．4811．301．607．333．430．244．66巖體樣號TbDyHoErTmYbLu∑LREE∑HREE高家店JD0280．894．320．782．230．311．910．29359．0517．54羅文峪JD0292．4317．123．5510．541．8512．081．78171．7959．24賈家山JD0340．442．080．391．160．171．000．1585．268．54青山口JD0350．402．350．461．350．241．530．21111．109．20青山口Q1[22]0．412．630．511．570．231．590．22102．8110．05青山口Q2[22]0．311．880．371．150．171．260．18119．187．62峪耳崖JDY0090．563．120．632．030．342．370．39119．5313．16蛇盤兔JD0501．166．061．133．270．523．380．49319．0324．20都山JD1070．562．230．381．160．140．860．13259．8110．89牛心山JDH0151．016．301．173．240．533．610．5850．9220．97牛心山H2[12]0．855．330．962．770．412．930．4128．3818．32

續表3

注：微量、稀土元素質量分數單位為10- 6。

圖9 Rb-Hf-Ta花崗巖構造環境判別圖解Fig.9 Rb-Hf-Ta tectonic setting discrimination diagrams of granite

4.3 花崗巖體的地質意義

冀東地區金礦是在多期次疊加成礦作用基礎上形成的，礦集區內疊加成礦作用的時代為燕山早期，該時期是冀東地區金礦的主要成礦期，其主要成礦年齡為181.1～110.0 Ma。在冀東主要金礦集區內，眾多金礦床與花崗巖在空間上的關系非常密切，金廠峪、峪耳崖、牛心山等大中型金礦床或產在花崗巖體的周圍或產在花崗巖體的內部，金礦床分布在距花崗巖體0～5 km范圍內。采用LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年測得的高家店巖體((198.8±0.75) Ma)和蛇盤兔巖體年齡((184.7±1.0) Ma)與青山口巖體((199.1±2.0) Ma)、峪耳崖巖體 ((175.0±1.0) Ma)、牛心山巖體((173.0±2.0) Ma)、羅文峪巖體年齡((196.7±7.0) Ma)都處于為燕山期早侏羅世；并且由青山口巖體、峪耳崖巖體、牛心山巖體等花崗巖體的成巖年齡和冀東金礦的成礦年齡可以看出，在冀東地區花崗巖體的形成時代與金的成礦時代一致。

5 結論

1)通過LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年測得高家店巖體的形成時代為(198.8±0.8)Ma，蛇盤兔巖體的形成時代為(184.7±1.0)Ma。

2)結合地質構造背景和巖石地球化學分析，巖石類型為I-A過渡型高鉀鈣堿性系列花崗巖，巖體的構造環境為后碰撞構造環境。

致謝:中國地質科學院國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室LA-MC-ICP-MS實驗室相關人員對樣品的LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析給與了悉心指導和大力支持，在此表示衷心的感謝。

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