冀南西石門鐵礦金云母Rb-Sr等時線年齡及其地質意義

唐玉瑩，秦 超，白富生，金雅楠，范琳琳，王吉中，張聚全

河北地質大學，河北 石家莊 050031

邯邢地區的富鐵礦是中國重要的鐵礦類型，該礦集區目前已發現100多個規模不等的鐵礦床[1]，具有高品位、規模大、成礦元素單一等特點。目前，該地區的礦床成因還存在一定爭議[1-6]。關于年齡方面的研究，成巖年齡較多，成礦年齡較少。精確地測定成礦年齡，對于正確認識礦床成因、成礦規律、控礦因素以及找礦勘探等具有重要意義。因此，本次研究從冀南邯邢地區最典型的大型西石門鐵礦床中選取了含金云母的蝕變巖進行Rb-Sr等時線測年，測了5個樣品獲得了較好的等時線，目的是確定西石門鐵礦的成礦年齡，進而探討邯邢式鐵礦的多期成礦模式。

1 區域地質背景

測區位于華北板塊中部（圖1a），太行山南部東側山區向平原過渡區。區域地層、出露巖體自北西向南東發育（如圖1b），地層由老到新，巖體呈中偏基性—中性—中偏堿性—堿性過渡。主要巖體的產出受控于三條隱伏的東西向或北西西向的基底斷裂帶與北北東向或南北向深大斷裂的交匯部位[8]。巖漿活動集中在燕山期呈多期侵入，根據前人同位素年齡研究[9]，將巖漿活動主要分為兩期134 Ma和127 ～ 131 Ma。巖體侵位機制特征主要為氣球膨脹式（如礦山巖體）與頂蝕就位（符山巖體）[10]。巖漿巖的成分特征富Na，產狀以層狀、似層狀、復雜形態的巖株為主。區內鐵礦資源豐富，分布在測區中部與西部帶（如圖1b），與中奧陶世地層和閃長—二長巖侵入巖組合關系密切。而西石門、白澗、中關、北洺河等大型鐵礦都分布在中部帶，與二長巖聯系更加密切[8]。

圖1 （a） 華北克拉通 （據文獻[7]修改）；（b） 邯邢地區區域地質圖（據文獻[8]等修改）Fig.1 （a） Tectonic map for the North China Craton；（b） Regional geological map of the HanXing area

2 礦床地質特征

2.1 基本地質特征

西石門鐵礦體圍巖為中奧陶統峰峰組及馬家溝組灰巖，總厚度232 m。其中最佳礦化區出現在馬家溝組二段、三段（圖2）。鐵礦體的產出受NNE-NE向褶皺、NNE向斷裂和接觸帶控制[8]。與成礦相關的侵入巖包括134 ～ 127 Ma堿性正長巖、閃長巖、二長巖和石英二長巖體[9]。巖體呈層狀，由南東沿中奧陶統各組灰巖向北西方向侵位。

圖2 西石門鐵礦床地質圖（據文獻[13]修改）Fig.2 Geological map of Xishimen iron deposit

2.2 礦體特征

西石門礦床由28個獨立礦體組成。礦體形態完全受接觸帶控制，大型礦體以層狀、似層狀為主，主要分布在中奧陶統灰巖層與矽卡巖蝕變閃長巖接觸帶內；其他小型礦體，呈透鏡狀、扁豆狀、囊狀和不規則狀分布在灰巖層之間或接觸帶附近的巖漿巖內。

2.3 圍巖蝕變

除鈉長石化外，邯邢地區廣泛發育金云母矽卡巖，后者是強成礦的有利標志[11]。鈉長石化強度與成礦規模呈正比，主要包括兩個世代，前者以平面層狀分布，范圍大、面積廣，偶有出現在裂縫中，與成礦作用有關；后者以細脈狀分布，貫入式疊加于早期鈉長石化巖體之中，晚于鐵礦化作用。矽卡巖化帶主要由金云母和透輝石組成，往往與磁鐵礦體重疊。金云母明顯存在兩個世代，前者呈鱗片狀與磁鐵礦共生；后者以細脈狀出現[12]。

2.4 礦石特征

礦石主要礦物為磁鐵礦，副礦物為黃鐵礦、黃銅礦、假象赤鐵礦、少量的磁黃鐵礦、斑銅礦和輝銅礦。脈石礦物包括矽卡巖礦物（透輝石，透閃石，金云母，陽起石，綠泥石，綠簾石）、方解石和硅酸鹽礦物（長石和石英）。礦石構造以致密塊狀、浸染狀、條帶狀為主[7]，其中塊狀礦石品味最高，其次為侵染狀、條帶狀礦石，磁鐵礦含量分別為80%、60%、55%，TFe分別為68.26% ～ 45%、50% ～ 45%、45% ～ 30%[13]。

3 樣品特征及測試方法

3.1 樣品特征

本次研究對冀南邯邢地區西石門鐵礦區金云母矽卡巖進行顯微鏡下特征分析（圖3），可見樣品呈不等粒粒狀變晶結構，主要礦物組合為金云母、斜長石、透輝石、磁鐵礦等。單偏光鏡下特征顯示（圖3a），金云母呈淺綠—淺黃白色、具自形—半自形片狀、一組極完全解理、閃突起較明顯、弱多色性。斜長石呈無色板狀、兩組完全解理、正低突起。透輝石呈無色短柱狀、橫截面多為四邊形和八邊形，兩組近正交完全解理，縱切面長方形，一組完全解理，正高突起、常見裂理。礦石礦物磁鐵礦呈他形粒狀、淺灰微帶淺褐色、具蝕變或交代殘余結構、無解理。正交偏光顯微鏡下特征（圖3b），金云母干涉色為二—三級，且鮮艷，部分蝕變為靛藍異常干涉色的葉綠泥石，平行消光、正延性。斜長石具有明顯的聚片雙晶、斜消光、干涉色為一級灰。透輝石干涉色最高為二級藍綠—橙黃、橫截面多對稱消光。磁鐵礦為均質礦物，全消光。總體來看，斜長石被金云母、磁鐵礦等交代；磁鐵礦與透輝石接觸處顯不規則。磁鐵礦以侵染狀分布在以金云母為主的矽卡巖中，綠泥石交代金云母分解出許多粉末狀鐵氧、鈦氧（粉末狀和毛松狀金紅石等）。

圖3 西石門鐵礦金云母矽卡巖樣品的顯微照片Fig.3 Microscopics of phlogopite skarn samples in Xishimen iron deposit

3.2 測試方法

對與磁鐵礦伴生的金云母進行了Rb-Sr等時線測年的研究。為了達到Rb-Sr測年要求，樣品測試前需進行金云母的挑純與草測，具體步驟如下：（1）對矽卡巖樣品進行了破碎，雙目鏡下挑選金云母單顆粒至純度（>99%）；（2）將挑純的金云母用蒸餾水清洗和低溫烘干后待測；（3）對純凈的金云母單礦物在ICP-MS上完成草測，以挑選Rb、Sr含量均較高的金云母樣品。最終結果表明，有5件金云母樣品滿足Rb-Sr測年要求。

Rb、Sr含量和同位素測試工作在天津地質調查中心的Triton上完成，測試方法采用ID（Isotope Dilution）與IC（Isotope Concentration）雙流程分析測試程序。具體流程參考文獻廖震文等2015[14]。標樣NBS987：87Sr/86Sr = 0.710245 ± 0.000035，BCR-2：87Sr/86Sr = 0.704958 ± 0.000030。等時線擬合計算用Isoplot[15]，87Sr/86Sr比值誤差給定0.00025，87Rb/86Sr年齡誤差為0.2，置信度95%。

4 結果

對邯邢地區西石門鐵礦金云母Rb-Sr測試分析結果見表1。w（Rb）為383.2156 ～ 490.9537 μg / g，w（Sr）為8.8124 ～ 76.3707 μg / g。實驗結果如圖4，選取的金云母矽卡巖中與磁鐵礦伴生的5個金云母樣品在87Rb/86Sr -87Sr/86Sr圖上具有良好的線性關系（圖4），擬合的直線方程為y = 0.0018x + 0.68964，相關系數R2= 1，計算得到（87Sr/86Sr）i值為0.68964 ±0.00028，等時線年齡為126.12 ± 0.44 Ma（n = 5，MSWD = 0.75）。測年結果精確厘定了西石門鐵礦的主成礦年齡為126.12 ± 0.44 Ma，即為早白堊世。

圖4 西石門鐵礦金云母的Rb-Sr等時線年齡Fig.4 Rb-Sr isochron age for phlogopite from the Xishimen iron deposit

表1 邯邢地區西石門鐵礦Rb-Sr同位素分析結果Table 1 Rb-Sr isotopic analysis results of Xishimen iron deposit in Hanxing area

5 討論

5.1 成礦時代

本次研究得出的西石門鐵礦的蝕變巖中金云母Rb-Sr年齡與魏宏飛等[16]測得武安雜巖體中二長巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡127.0 ± 1.1 Ma相接近。根據前人的前期工作表明，與鐵礦有關的武安雜巖體主要形成于127 ～ 134 Ma（二長巖127 ～ 131 Ma、閃長巖U-Pb年齡為134 Ma）[9]。武安巖體中閃長巖體的成巖時代與西石門鐵礦石中金云母的40Ar-39Ar測年確定的133.1 ± 1.3 Ma成礦年齡一致[12]。除分析誤差外，西石門鐵礦的成礦作用時間基本約為126 Ma和133 Ma，與兩期巖漿作用高峰時間一致。與野外地質現象中鐵礦體存在穿插關系[17]的宏觀證據相吻合。

重要的是，本研究報告的年齡數據與華北陸塊邊緣、甚至與中國東部的巖漿成礦高峰時間一致。年齡也與NCC巖石圈減薄或破壞的峰值時間一致[9,18]。表明126 Ma可能是該礦床的主要成礦時代，發生在巖漿熱液演化的晚期，而133 Ma可能為此次大規模成礦作用發生的前奏，在巖漿熱液演化早期發生了小規模的成礦作用。

5.2 成礦模式

西石門鐵礦位于板塊內部，遠離俯沖帶，由于巖漿巖、圍巖蝕變、礦化類型、巖體和礦體產狀方面的特點被歸類為邯邢式鐵礦。典型的邯邢式鐵礦成礦模型[1-6,11]為構造背景、成礦作用的時空關系和巖漿熱液演化關系提供了有力的解釋。根據本文對西石門鐵礦的研究，邯邢地區鐵礦的形成多與堿性—鈣堿性中酸性侵入巖有關，大型的成礦多形成于二長—閃長質巖漿系統。結合前人對邯邢式鐵礦成礦模型的研究，筆者試圖通過成礦年代學研究，建立NCC減薄或破壞背景下邯邢式鐵礦兩期巖漿—熱液成礦模型（圖5）。

圖5 西石門鐵礦成礦模式圖Fig.5 Metallogenic model of Xishimen iron deposit

本文研究獲得的年齡數據表明巖漿-熱液成礦期為126 Ma和133 Ma。這與NCC破壞高峰一致[19]。在133 Ma成礦期：（1）巖石圈減薄導致地幔巖石圈部分熔融形成基性巖漿。[6，18-19]（2）基性巖漿一部分通過底侵作用熔融加厚下地殼底部形成酸性巖漿，并定位于10 ～ 20 km形成中性閃長質巖漿房，該過程經歷了巖漿的混合、同化、存儲、均一；另一部分通過深大斷裂被動侵位至地殼變質基底形成基性巖漿房或與閃長質巖漿房混合被同化。（3）由于角閃石的結晶分異作用或外來堿性流體注入[20]，地殼深部巖漿房活化開始快速上升侵位，于134 Ma最終定位在地殼下約2.1 km[21]，出溶成礦流體與碳酸鹽地層發生交代，經過約1 Ma，形成鐵礦體。

在126 Ma成礦期：由于早期角閃石的大量結晶，深部閃長質巖漿房內變為二長質巖漿。由巖漿到熱液成礦：（1）巖石圈減薄導致深部巖漿房經歷了快速上升侵位。（2）于127 Ma最終侵位在約5 km[21]處形成二長巖，與早期閃長巖組成雜巖體。出溶的成礦流體交代早期巖體發生“鈉化去鐵”，繼承了巖漿高氧逸度特征的成礦流體與碳酸鹽發生矽卡巖化，經過約1 Ma，形成大規模磁鐵礦床。

6 結論

（1）首次采用金云母Rb-Sr等時線測年方法，獲得西石門鐵礦精確的主成礦期年齡126.12 ± 0.44 Ma。

（2）兩期成礦年齡（133 Ma，126 Ma）與兩期成巖年齡（閃長巖134 Ma，二長巖127 Ma）相接近；

（3）結合前人成巖成礦年齡數據，建立了兩期成礦模式：巖漿演化早期（133 Ma）發生小規模成礦作用，巖漿演化晚期（126 Ma）成礦流體交代碳酸鹽地層大規模成礦。