遼東翁泉溝硼礦區(qū)二長花崗巖脈鋯石U-Pb 年齡及對(duì)成礦時(shí)代的制約

趙 巖，李生輝，楊中柱，張 朋，陳井勝，張 璟，陳 聰

1.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省自然資源廳深部礦產(chǎn)資源探測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110032；3.遼寧省有色地質(zhì)103 隊(duì)有限責(zé)任公司，遼寧 丹東 118008

0 引言

硼礦作為一種重要的工業(yè)原料，除了自身能夠提高玻璃制品強(qiáng)度和熔點(diǎn)外，還能與過渡元素及金屬氧化物反應(yīng)形成具有質(zhì)輕、阻燃、耐磨、高硬度、高導(dǎo)電率等特性的化合物，在機(jī)械、冶金、化工、軍事等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用［1-2］.在新一輪的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)找礦行動(dòng)（2021—2035 年）中，硼礦已被列為我國戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源.據(jù)自然資源部2021 年《中國礦產(chǎn)資源報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，我國硼礦資源分布以遼寧和青海為主，其中遼寧省硼礦稟賦最佳，儲(chǔ)量約占全國的65%左右，對(duì)其開展成因、成礦時(shí)代等相關(guān)研究對(duì)于國家自然資源戰(zhàn)略保障具有積極意義.

長期以來，關(guān)于硼礦成礦時(shí)代研究較少，主要是直接測(cè)試含硼礦物形成時(shí)代存在難度.目前利用常用賦礦圍巖里爾峪組變質(zhì)火山巖原巖形成時(shí)代和變質(zhì)時(shí)代分別限定硼礦成礦的下限和上限年齡［3-5］，或利用與硼礦伴生的瀝青鈾礦測(cè)年［6］等方法取得了一定的成果，基本確定成礦發(fā)生在古元古代晚期，但成礦區(qū)間仍較寬，相差100 Ma 左右，在一定程度上影響了對(duì)硼礦成礦背景和成礦作用的理解.筆者在遼東半島鳳城地區(qū)翁泉溝硼礦露天采場(chǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)一條切穿硼鎂鐵礦體的二長花崗巖脈，通過對(duì)其開展鋯石U-Pb 年代學(xué)研究，有效限定了硼礦成礦時(shí)代的下限，同時(shí)對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)硼礦與古元古代造山作用的關(guān)系進(jìn)行探討，深化對(duì)硼礦成礦作用的認(rèn)識(shí).

1 地質(zhì)背景與礦床地質(zhì)

遼東半島硼礦與金、鉛鋅、銅、鈷、菱鎂礦、石墨、玉石等構(gòu)成區(qū)域范圍內(nèi)重要的遼東-吉南成礦帶，其分布和產(chǎn)出與華北克拉通東部古元古代膠遼吉造山帶的演化具有密切關(guān)系［7-13］.膠遼吉古元古代造山帶從早期發(fā)育，經(jīng)歷了大洋開啟、島弧俯沖［14］（或稱“裂谷開合”［15］）、碰撞造山等階段，大量沉積巖系包括后期同造山花崗巖、基性巖脈等卷入了峰期造山作用［16-19］，并經(jīng)歷了1.95～1.9 Ga 和1.85 Ga 左右分別對(duì)應(yīng)峰期、峰后的變質(zhì)作用［20-23］，變質(zhì)作用引發(fā)的大量成礦流體發(fā)生廣泛水巖反應(yīng)，期間伴隨了多種礦床的就位［24-28］，或早期貧礦的重新富集等過程［29］.從遼東半島硼礦分布來看，目前已發(fā)現(xiàn)硼礦分布均與南遼河群變質(zhì)變形較強(qiáng)的地層和花崗巖體密切相關(guān).

翁泉溝硼礦是產(chǎn)于遼寧省鳳城市西的一處大型礦床，以富硼、鐵，同時(shí)伴生磷、鈾和稀土元素為特征.礦區(qū)出露的地層主要為南遼河群里爾峪組，地層分作兩段，一段為角閃變粒巖與鈉長淺粒巖互層，二段為蛇紋巖與硼鎂鐵礦互層.這兩段地層同時(shí)也是礦區(qū)范圍內(nèi)鈾、磷和稀土元素賦存的層位［6］（圖1）.礦區(qū)變質(zhì)沉積巖地層變形強(qiáng)烈，褶皺構(gòu)造發(fā)育，翁泉溝向斜屬區(qū)域范圍內(nèi)虎皮峪-翁泉溝-紅石砬子復(fù)式背斜的次級(jí)褶皺構(gòu)造.主礦體（包括附近的鐵、磷礦點(diǎn)）的產(chǎn)出均受到褶皺構(gòu)造的控制.礦區(qū)發(fā)育近南北向、北東向和北西向3 組主要斷裂構(gòu)造，其中近南北向和北東向斷裂較晚，為破礦構(gòu)造或與礦化關(guān)系不大，而北西向構(gòu)造對(duì)礦體有一定控制作用.古元古代二長花崗巖是礦區(qū)出露的主要侵入巖，與區(qū)域范圍內(nèi)古元古代片麻狀花崗巖巖石學(xué)特征相近，前人對(duì)其進(jìn)行過鋯石測(cè)年研究，結(jié)果顯示形成于2.17 Ga 前后［30-33］.

圖1 遼東半島翁泉溝硼礦床地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)文獻(xiàn)［6］修改）Fig.1 Geological sketch map of Wengquangou boron deposit in Liaodong Peninsula（Modified from Reference［6］）

翁泉溝硼鐵礦體嚴(yán)格受向斜構(gòu)造控制，局部被后期構(gòu)造破壞.可分為兩個(gè)含礦層：其一分布在翁泉溝、業(yè)家溝和東臺(tái)子地區(qū)；另一個(gè)分布在周家大院一帶.主要礦石類型有磁鐵礦型、硼鎂石型、硼鎂石-磁鐵礦型和含硼鎂鐵礦-磁鐵礦型4 種.主要礦石礦物為硼鎂鐵礦、磁鐵礦、硼鎂石和遂安石.脈石礦物有蛇紋石、鎂橄欖石、透輝石、透閃石等.圍巖蝕變主要有透閃石化、蛇紋石化、金云母化和電氣石化，其中蛇紋石化規(guī)模較大［3］.

2 樣品描述與測(cè)試方法

在翁泉溝露天采場(chǎng)北壁可以觀察到二長花崗巖脈切穿主礦體現(xiàn)象（圖2a）.二長花崗巖呈淺灰色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.主要礦物有：斜長石（約30%），常見其扭曲變形的雙晶紋；微斜長石（約35%），交代早期斜長石，常見其典型的格子雙晶；石英（約占20%），無色透明狀產(chǎn)出；白云母（約5%），呈無色至淺灰綠色，片狀產(chǎn)出（圖2）.研究中采集3 件二長花崗巖脈巖石樣品進(jìn)行主微量元素分析（編號(hào)WX-1—WX-3），3 件樣品分布在翁泉溝硼鎂鐵礦露天采場(chǎng)北壁，坐標(biāo)為123°49′46.6″E，40°39′40.2″N.同時(shí)采集鋯石UPb 年齡測(cè)試樣品1 件（編號(hào)21WZ），距離全分析樣品采樣點(diǎn)較近.

圖2 翁泉溝硼鎂鐵礦床及二長花崗巖圖片F(xiàn)ig.2 Photographs of Wengquangou ludwigite deposit and specimen and micrographs of monzogranite

2.1 地球化學(xué)成分測(cè)試

3 件巖石樣品的主量和微量元素分析測(cè)試在自然資源部東北礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成.主量元素測(cè)試分析利用了X 射線熒光光譜法，測(cè)試儀器為飛利浦PW2404X 射線熒光光譜儀，分析精度好于5%.微量元素分析利用酸溶法制備樣品并在HR ICPMS 電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)試，當(dāng)元素含量大于10×10-6，分析精度優(yōu)于5%；當(dāng)含量小于10×10-6時(shí)，精度優(yōu)于10%.

2.2 鋯石LA-ICP-MS U-Pb 年齡測(cè)試

鋯石分析樣品在全巖樣品通過重磁分選后，在雙目鏡下通過手選挑選出晶形完好、具代表性的鋯石顆粒，用環(huán)氧樹脂固定于樣品靶后拋光.鋯石樣品陰極發(fā)光圖像拍攝和LA-ICP-MS 分析測(cè)試均在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，詳細(xì)的儀器參數(shù)和分析流程見文獻(xiàn)［34］.GeolasPro 激光剝蝕系統(tǒng)由MicroLas光學(xué)系統(tǒng)和COMPexPro 102 ArF 193 nm 準(zhǔn)分子激光器組成，ICP-MS 儀器型號(hào)為Agilent 7700e.分析的激光束斑和頻率分別為32 μm 和5 Hz.對(duì)分析數(shù)據(jù)的離線處理采用軟件ICPMSDataCal 完成［35］.鋯石樣品的U-Pb 年齡諧和圖繪制和年齡加權(quán)平均計(jì)算采用Isoplot/Ex_ver3［36］完成.

3 結(jié)果

3.1 主微量元素含量分析

二長花崗巖的主微量元素含量結(jié)果見表1.巖石SiO2含量高，為71.82%～75.68%；K2O 與Na2O 含量較高，分別為2.37%～3.96%及5.33%～7.22%；Al2O3含量中等，14.25%～16.06%；Fe2O3和FeO 含量很低，均不足1%；MgO 含量極低.反映了該二長花崗巖脈屬鈣堿性-高鉀鈣堿性巖石系列（圖3），具有A 型花崗巖的特征（圖4）.

圖3 翁泉溝硼礦二長花崗巖判別圖解（底圖據(jù)文獻(xiàn)［37-38］）Fig.3 Discrimination diagrams of monzogranite from Wengquangou boron deposit（After References［37-38］）

圖4 翁泉溝硼礦二長花崗巖巖性系列判別圖解（據(jù)文獻(xiàn)［39］修改）Fig.4 Genetic type discrimination diagrams of monzogranite from Wengquangou boron deposit（Modified from Reference［39］）

3.2 鋯石LA-ICP-MS 測(cè)年分析

從二長花崗巖脈中挑選的鋯石顆粒均勻，自形程度較好，呈淺紫色-透明無色.在CL 圖像上可以看到鋯石顆粒較黑，與鋯石內(nèi)U 含量較高有關(guān)，基本均呈自形柱狀，長約70～110 μm，寬約40～70 μm，內(nèi)部發(fā)育振蕩環(huán)帶.由于U 含量高，觀察不是十分明顯.鋯石顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)均一，甚少發(fā)育核幔結(jié)構(gòu)（圖5）.因?yàn)閁含量超高（通常在2 000×10-6～5 000×10-6之間），所以鋯石Th/U 值較低，但明顯具有巖漿鋯石特征.選取的25 個(gè)鋯石測(cè)點(diǎn)雖有一定鉛丟失現(xiàn)象，但是仍得出了1 842±29 Ma 的不一致曲線上交點(diǎn)年齡，MSWD 值為2.4（圖6a），其中9 個(gè)測(cè)點(diǎn)分析得出了1 842±30 Ma 的加權(quán)平均年齡（MSWD=1.6），二者吻合度高，1 842 Ma能夠代表二長花崗巖脈的形成年齡.

圖5 二長花崗巖部分鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.5 The CL images of selected zircons in monzogranite from Wengquangou boron deposit

圖6 翁泉溝硼礦二長花崗巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb 年齡諧和圖和加權(quán)平均年齡圖解Fig.6 LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram and weighted average age of zircon grains in monzogranite from Wengquangou boron deposit

4 討論

4.1 二長花崗巖成巖年齡及其對(duì)硼鎂鐵礦成礦時(shí)代的制約

采自二長花崗巖脈的鋯石在CL 圖像和鋯石成分上均顯示出巖漿鋯石的特征.LA-ICP-MS 測(cè)試得出了良好的不一致曲線上交點(diǎn)年齡，為1 842±29 Ma（MSWD=2.4），其中的9 個(gè)測(cè)點(diǎn)分析得出的加權(quán)平均年齡也與此年齡一致，1 842±30 Ma.綜合認(rèn)為二長花崗巖脈的形成時(shí)代應(yīng)該為1 842 Ma，屬古元古代晚期，與區(qū)域范圍內(nèi)膠遼吉造山過程中變質(zhì)作用峰后變質(zhì)時(shí)代［21-23］相吻合.

研究中同位素結(jié)果提供了翁泉溝硼鎂鐵礦成礦時(shí)代的良好制約.正如前述，前人在遼東地區(qū)硼礦成礦時(shí)代研究方面做了有益探索.從早期利用賦礦圍巖里爾峪巖組的沉積時(shí)代對(duì)硼礦時(shí)代予以限定［15］，到利用里爾峪組變粒巖和電氣石巖中鋯石進(jìn)行U-Pb 年代學(xué)研究，得到變質(zhì)火山巖成巖年齡為2 170 Ma，認(rèn)為其限定了硼礦的成礦時(shí)代下限，而電氣石巖中鋯石變質(zhì)邊測(cè)定出的1 890～1 900 Ma 鋯石年齡則能夠代表區(qū)域范圍內(nèi)變質(zhì)熱液和硼成礦時(shí)代［3］.后期研究者利用翁泉溝硼礦內(nèi)與硼礦伴生的瀝青鈾礦和晶質(zhì)鈾礦，分別開展了LA-ICP-MS U-Pb 測(cè)年工作，獲得了1 908±23 Ma 和1 896±14 Ma 的加權(quán)平均年齡，認(rèn)為其代表了含鈾礦物的形成年齡［6］.有研究者在開展了白云母40Ar-39Ar 年代學(xué)，并結(jié)合了早期晶質(zhì)鈾礦TIMS 研究結(jié)果基礎(chǔ)上，認(rèn)為1 806 Ma 的結(jié)果能夠代表硼礦成礦時(shí)代，而1 908 Ma 的研究結(jié)果是混入了多余的Pb 所致［6］.本研究利用切穿硼礦體的二長花崗巖脈中采集的鋯石進(jìn)行U-Pb 年齡測(cè)試，獲得的巖脈年齡為1 842 Ma 左右.根據(jù)野外切穿關(guān)系巖脈形成明顯晚于硼鎂鐵礦成礦，即硼鎂鐵礦的成礦時(shí)代應(yīng)早于1 842 Ma.綜合前人對(duì)硼礦成礦時(shí)代的研究結(jié)果，其1 896～1 908 Ma的同位素測(cè)試結(jié)果應(yīng)該能夠比較好的限定翁泉溝硼鎂鐵礦的成礦時(shí)代.

4.2 地質(zhì)意義

研究中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)于翁泉溝硼鎂鐵礦的二長花崗巖脈年齡與華北克拉通完成克拉通化時(shí)間相吻合，應(yīng)形成于古元古代膠遼吉造山帶碰撞造山結(jié)束之后.從區(qū)域范圍來看，該階段仍伴隨了大量的巖漿活動(dòng)，以堿性花崗巖、花崗偉晶巖為代表，包括礦洞溝正長巖、三家子和寬甸地區(qū)花崗偉晶巖等，年代學(xué)研究顯示其形成年齡為1 840～1 880 Ma［21］.堿性花崗巖和偉晶巖脈的產(chǎn)出代表了造山后由擠壓變?yōu)閰^(qū)域拉伸的構(gòu)造環(huán)境［40-43］.本研究中的二長花崗巖脈同樣表現(xiàn)出全堿含量較高的地球化學(xué)特征，產(chǎn)于膠遼吉造山活動(dòng)晚階段區(qū)域范圍內(nèi)巖石圈減薄背景之下.該階段不僅伴隨了巖漿活動(dòng)，同時(shí)也對(duì)應(yīng)了峰后變質(zhì)作用.據(jù)報(bào)道，南遼河群的變質(zhì)作用局部能夠達(dá)到麻粒巖相程度［23，44］，伴隨了大量的變質(zhì)流體與水巖反應(yīng)、成礦作用的發(fā)生.

古元古代晚期是遼東-吉南成礦帶中早期區(qū)域成礦作用的集中時(shí)段.早期研究通過似層狀產(chǎn)出的硫鐵礦、銅鈷礦等礦床特征，將其成礦時(shí)代限定在與賦礦圍巖時(shí)代一致的古元古代［15］.近年來同位素年代學(xué)測(cè)年技術(shù)的發(fā)展提供了更加有力的證據(jù)，如喻鋼等［45］和劉軍等［46］分別在貓嶺金礦獲得了2 316±140 Ma 和2 287±95 Ma 的等時(shí)線年齡；在青城子榛子溝鉛鋅礦獲得了1 798±8 Ma 的Rb-Sr 等時(shí)線年齡等［28］.同時(shí)，造山作用過程中的變質(zhì)作用也引起已有礦產(chǎn)的富集和改造，如在弓長嶺BIF 型鐵礦研究中發(fā)現(xiàn)，早期褐鐵礦經(jīng)歷了1 860 Ma 左右的變質(zhì)作用變?yōu)槠肺桓叩拇盆F礦［29］.翁泉溝硼鎂鐵礦的就位很可能就與造山過程晚期強(qiáng)烈變質(zhì)作用有關(guān).在高溫變質(zhì)流體的影響下，早期地層中預(yù)富集的硼元素開始活化、富集，最終在合適的構(gòu)造空間下就位成礦.

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)遼東半島鳳城地區(qū)翁泉溝硼鎂鐵礦內(nèi)切穿礦體二長花崗巖的相關(guān)研究，并對(duì)成礦帶內(nèi)多種礦床成礦時(shí)代進(jìn)行總結(jié)，得出如下結(jié)論.

1）二長花崗巖脈中鋯石顆粒呈現(xiàn)出明顯巖漿鋯石的特征，測(cè)試分析得出1 842±29 Ma 的U-Pb 上交點(diǎn)年齡，其中9 個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得了1 842±30 Ma 的加權(quán)平均年齡，反映了花崗巖脈侵位于古元古代晚期，翁泉溝硼鎂鐵礦成礦應(yīng)早于1 842 Ma.

2）二長花崗巖脈形成于拉伸環(huán)境，產(chǎn)于膠遼吉造山活動(dòng)晚階段區(qū)域范圍內(nèi)巖石圈減薄背景之下.

3）古元古代晚期是遼東-吉南成礦帶中早期區(qū)域成礦作用的集中時(shí)段之一，形成新的礦產(chǎn)資源或已有礦產(chǎn)的再次富集，包括硼礦在內(nèi)的金、鉛鋅、富鐵礦、石墨等.

致謝：謹(jǐn)以此文慶祝沈陽地質(zhì)調(diào)查中心成立六十周年！六十年砥礪前行，一甲子再創(chuàng)輝煌！祝沈陽地質(zhì)調(diào)查中心在推進(jìn)地質(zhì)調(diào)查事業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、開創(chuàng)新時(shí)代東北地區(qū)地質(zhì)調(diào)查新格局方面取得更大成就！感謝遼寧地質(zhì)勘探礦業(yè)集團(tuán)第七地質(zhì)大隊(duì)有限公司領(lǐng)導(dǎo)對(duì)野外考察的大力支持，感謝審稿人提出的建設(shè)性修改意見.