魯西潘店鐵礦成礦巖體成因： 鋯石UPb年代學和地球化學證據

秦杰 朱學強 王麗娟 郝興中

摘要： 潘店巖體為近年山東省齊河—禹城地區新發現的潘店鐵礦的成礦巖體，主要由輝石閃長巖組成。對郭店地區潘店巖體輝石閃長巖進行了SHRIMP鋯石U Pb定年，其結果為（124.4±1.4）Ma，表明該巖體形成于早白堊世。潘店巖體SiO2、K2O和Na2O含量分別介于59.68%～62.71%、0.13%～3.30%和6.57%～8.42%，Mg#值為54.23～78.17，A/CNK為0.52～0.71，具有輕稀土富集，重稀土虧損的右傾型稀土配分模式，輕、重稀土分餾明顯，具中—弱Eu負異常。富集大離子親石元素Ba、Sr和高場強元素U、Pb、Zr，與相鄰元素相比大離子親石元素Rb、K和高場強元素Nb、Ce、P、Ti明顯虧損。Nb/Ta、Zr/Hf比值及Nb、Ta的虧損等特征暗示原始巖漿可能來源于巖石圈地幔的部分熔融，并在巖漿上升侵位的過程中有地殼物質的同化混染。潘店巖體形成于巖石圈大規模快速減薄期，與燕山晚期太平洋板塊俯沖作用密切相關。

關鍵詞： 潘店鐵礦；輝石閃長巖；鋯石U Pb定年；地球化學；齊河—禹城地區

中圖分類號： P618.31;P54 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.003

引文格式： 秦杰，朱學強，王麗娟，等.魯西潘店鐵礦成礦巖體成因：鋯石U Pb年代學和地球化學證據［J］.山東國土資源，2023，39（3）：14 22.QIN Jie， ZHU Xueqiang， WANG Lijuan， et al. Ore-forming Origin of Rock Mass Zircon U ??Pb Chronology and Geochemical Evidence of Pandian Iron Deposit in Luxi ?Area［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：14 22.

0 引言

近年來在山東省齊河—禹城地區的鐵礦勘查過程中發現了多個接觸交代型鐵礦，該區鐵礦經勘查顯示有集中分布，厚度大、品位高、埋深大的特點［1 2］。主要的控礦要素包括侵入巖、地層、構造等［3］。其中成礦侵入巖主要為燕山晚期的潘店隱伏巖體，巖體侵入寒武 奧陶紀和石炭 二疊紀地層，圍巖接觸帶發生強烈的接觸交代作用，為鐵礦的形成提供成礦物質［4］。

成礦巖體隱伏于李屯—郭店—大張一帶，整體走向近NE向，與東阿斷裂近乎平行產出。巖性主要以中性閃長巖類為主，包括中細粒輝石閃長巖、中細粒含黑云角閃閃長巖及細粒角閃石英閃長巖等。參照對比《山東省地層侵入巖構造單元劃分對比意見》，潘店閃長巖應歸屬沂南序列［5］。由北向南成礦巖體分別在李屯［6］、郭店和大張地區表現為3個獨立的巖株。該區以往接觸交代型鐵礦研究工作在成礦背景、物探解譯、成礦規律［7］、找礦標志、成礦預測［8］、找礦方法［9］等方面進行了較為系統的研究，但在成礦巖體成因方面尚未開展深入的探討，本次工作以郭店地區為典型，通過對巖體巖石地球化學、同位素年代學等方面的研究，探討成礦巖體大地構造屬性及形成演化史，為該區今后鐵礦勘查工作提供基礎資料。

1 區域地質背景

潘店巖體位于華北板塊南緣，魯西隆起區的西北緣（圖 1）。區域地層區劃屬華北地層區之魯西地層分區，區域古老基底為新太古界，上覆地層由老至新為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系及第四系。區域巖漿巖發育新太古代巖漿巖和中生代巖漿巖。新太古代巖漿巖是魯西地區的主要結晶基底，在研究區隱伏于深部，以中酸性巖為主。區域上，中生代巖漿巖整體沿著淄博金嶺—鄒平—埠村—濟南—潘店這一隆起與坳陷的過渡帶構成一條雜巖體帶，是魯西地區重要的鐵成礦帶；在研究區分布局限，主要為濟南巖體和潘店巖體，以中基性巖為主。區域構造以斷塊發育為主要特征，褶皺次之。斷裂構造主要發育NE—NNE向、NW—NNW向、近EW向3組。區域性斷裂包括聊考斷裂和齊廣斷裂。規模較大的斷裂有NE—NNE向的茌平斷裂、東阿斷層，NW—NNW向的劉集斷層、長清斷層和桑梓店斷層等。主要褶皺構造均為隱伏構造，通過地質和物探推斷可知有潘店背斜、薛官屯穹窿和東阿向斜、后鄭向斜。

2 巖體特征

以航空重磁聯合反演剖面為基礎，綜合地面物探、鉆孔資料推斷巖體深度，整個研究區閃長巖巖體在李屯、郭店、大張地區的淺部凸出明顯，表現為3個獨立的小巖株。潘店巖體位于中部，面積約59km2，近ＳＮ向展布，整體埋深最大，巖體頂深最淺處埋深大于1300m，東部埋深超過2000m。

根據鉆孔巖心觀察，郭店地區潘店巖體巖性主要為閃長巖，通過鏡下觀察，可以細分為輝石閃長巖、輝石二長閃長巖，同時發育有閃長玢巖。

2.1 輝石（二長）閃長巖

輝石（二長）閃長巖，巖石新鮮面呈灰色，多發生蝕變而呈灰白色，中細粒半自形粒狀結構，部分具似斑狀結構，塊狀構造。主要礦物為斜長石（65%～75%）、鉀長石（5%～10%）、輝石（5%～20%）、角閃石（＜5%），基本不含黑云母。次生礦物以鈉長石為主，其次為綠簾石、高嶺土及次閃石。副礦物包括磁鐵礦、鋯石、磷灰石及榍石。斜長石隱約可見環帶結構，具鈉長石化、輕微高嶺土化，局部具綠簾石化。鉀長石隱約可見格子雙晶，為微斜長石，表面具高嶺土化，邊緣具鈉長石化。輝石呈他形柱、粒狀，局部邊緣輕微被角閃石交代，形成角閃石反應邊，具輕微的次閃石化。

2.2 閃長玢巖

巖石新鮮面呈灰色—灰白色，多斑結構，基質微晶結構，塊狀構造。巖石由斑晶和基質組成。斑晶由斜長石（25%～30%）、角閃石（20%～25%）及少量黑云母組成，偶見輝石；基質由斜長石（50%～55%）及少量角閃石組成。次生礦物包括高嶺土、絹云母、次閃石、綠泥石及黝簾石。副礦物包括磁鐵礦、鋯石及磷灰石。斑晶粒徑0.15～3mm不等，雜亂分布，有的呈聚斑狀、聯斑狀產出。斜長石可見環帶結構，牌號An=31～35，為中長石；可見角閃石交代輝石，黑云母交代角閃石。基質由微晶狀斜長石、角閃石組成。

3 樣品采集與分析方法

3.1 化學分析樣品

在PZK1鉆孔巖心中采集巖石化學樣品7件。樣品通過巖心切割的方式采集，所采樣品新鮮、純凈（無脈體等混入）。

巖石化學分析在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成。樣品前期進行200目無污染碎樣。主量元素分析采用Axios max X射線熒光光譜儀完成測定，分析精度為0.05%；FeO采用滴定分析完成；灼失量、H2O+和H2O 用重量法完成。微量元素分析采用HF+HClO3+HNO3溶解樣品，王水復溶，在線加入Rh內標溶液，采用ICAP Q series 電感耦合等離子體質譜儀完成測定，Cl采用Axios max X射線熒光光譜儀完成測定，F采用PXSJ 216 離子計完成測定。稀土元素分析精度為0.1×10 6，微量元素分析精度≤5×10 6。

3.2 同位素測年樣品

為了確定潘店巖體閃長巖形成時代，在郭店PZK1鉆孔選取輝石閃長巖樣品進行SHRIMP鋯石U Pb測年。

鋯石分選在北京科薈測試技術有限公司完成；鋯石SHRIMP U Pb測年在北京離子探針中心進行。測試之前對閃長巖中的鋯石進行挑選，將原巖樣品用潔凈水清洗干凈后破碎和粉碎，對通過120目篩選的粉末進行淘洗，去除輕礦物部分，保留重砂部分。將所得的重砂礦物經過電磁選，雙目鏡下挑選晶形好、無裂隙、無包裹體的鋯石。將挑選的鋯石用環氧樹脂制靶，將鋯石靶打磨、拋光后，進行反射光、透射光和陰極發光（CL）顯微觀察（圖2）。鋯石制靶及陰極發光照相在北京離子探針中心完成。鋯石U Pb測年分析使用北京離子探針中心的SHRIMP II二次離子探針質譜計進行。分別采用標準鋯石TEM和SL13進行元素間的分餾校正及U含量標定。原始數據的處理和鋯石U Pb諧和圖的繪制采用Ludwig編寫的Isoplot程序。普通鉛校正根據實測的204Pb進行。

4 測試結果

巖石全巖主量元素和微量元素地球化學分析結果如表 1、表 2所示。同位素測年結果如表 3所示。

4.1 巖石化學特征

4.1.1 主量元素

樣品主量元素最明顯特征為富鈉、貧鉀、低鐵和鈦（表1）。SiO2含量介于59.68%～62.71%，平均值為61.40%，屬中性巖。Na2O含量較高，介于6.57%～8.42%，平均值為7.52%；K2O含量介于0.13%～3.30%，平均值為1.05%，變化較大，部分樣品K2O含量較低，可能由于后期鈉長石化蝕變所致；全堿含量高（Na2O+K2O）=7.57%～9.88%，平均值為8.57%，K2O/Na2O=0.02～0.50。MgO含量介于2.43%～3.60%，平均值2.96%，TFeO含量為1.62%～4.28%，變化較大，平均值為2.90%。鎂指數Mg#為54.23～78.17，平均值為64.86，部分樣品可能因鈉長石化導致TFeO含量偏低，從而使鎂值偏高。樣品在TAS圖解中主要落入二長巖、石英二長巖區域內，2個樣品落入正長巖區域（圖3a）。在SiO2 K2O圖解中，主要落入低鉀（拉斑）系列區域，部分屬于高鉀鈣堿性系列區域，說明可能受后期蝕變作用影響較大（圖3b）。Al2O3含量介于14.76%～16.17%，平均值為15.73%，鋁飽和指數（A/CNK）=0.52～0.71，平均值為0.62。

4.1.2 微量元素

樣品稀土元素含量較低，稀土總量∑REE=88.22×10 6～108.03×10 6，平均值100.53×10 6。輕稀土總量∑LREE=79.57×10 6～99.08×10 6，重稀土總量∑HREE=8.34×10 6～9.54×10 6。∑LREE/∑HREE=9.20～11.88，（La/Yb）N=9.61～13.93，輕重稀土元素分餾明顯，呈現出輕稀土元素富集、重稀土元素相對虧損的右傾配分模式（圖4a）。其中，輕稀土配分曲線相對較陡，分餾較明顯，（La/Sm）N=3.20～4.47；重稀土配分曲線相對較平坦，分餾不明顯，（Gd/Yb）N=1.62～1.94。具有較弱的的負Eu異常，δEu=0.60～0.93，平均值0.75，暗示巖石經歷了斜長石分離結晶作用或源區有斜長石的殘留（表2）。按δEu對花崗巖進行分類屬于殼幔型（δEu＞0.7），即由基性巖漿分異或下地殼部分熔融形成。

原始地幔標準化微量元素蛛網圖（圖4b）整體表現為右傾特征，樣品富集大離子親石元素Ba、Sr和高場強元素U、Pb、Zr，與相鄰元素相比大離子親石元素Rb、K和高場強元素Nb、Ce、P、Ti明顯虧損。P和Ti的虧損可能由于磷灰石和鈦鐵礦的分離結晶作用或巖漿起源于磷灰石和鈦鐵礦的穩定區導致。Nb的虧損和Pb、U的富集顯示出陸殼成分的特征。

4.2 同位素測年

輝石閃長巖鋯石陰極發光圖像顯示鋯石粒度在60～150μm之間，形態主要分為三類：第一類鋯石呈板狀，長短軸比為1.5～2，環帶不發育，發育數量較少；第二類鋯石呈錐柱狀，長短軸比為1.2～1.5，發育完好的晶棱和晶面，核部環帶不發育，邊部環帶發育；第三類鋯石呈柱粒狀，長短軸比為1～1.2，近于等軸粒狀，震蕩環帶發育明顯，部分鋯石核部發育明顯的古老核心。鋯石中普遍發育后期熱液作用形成的孔洞現象。

對34顆鋯石進行了34個測點分析測試（表3），結果顯示Th含量介于75×10 6～1146×10 6，U含量介于96×10 6～580×10 6，Th/U=0.69～2.53，均大于0.4，具有巖漿鋯石的特征。其中32顆鋯石具有相似的206Pb/238U年齡，其加權平均值為（124.4±1.4）Ma。

5 討論

5.1 形成時代

以往工作對潘店巖體兩側的大張巖體和李屯巖體中的鋯石進行了LA ICP MS定年分析，大張巖體閃長巖鋯石加權平均年齡為（131.6±1.7）Ma，李屯閃長巖鋯石加權平均年齡為（130.0±2.3）Ma。二者中均有大量年齡為2.44～2.45Ga的古老鋯石，可能為巖漿上升過程中捕獲的鋯石 ?北京礦產地質研究院，山東省齊河 禹城地區接觸交代型富鐵礦綜合信息找礦預測地質模型成果報告，2017年。 ?。捕獲鋯石的存在，可能導致了平均年齡值的偏大。

本次工作在郭店鉆孔（PZK1）中選取輝石閃長巖進行SHRIMP鋯石U Pb測年。樣品的加權平均年齡為（124.4±1.4）Ma。鋯石的陰極發光圖像（圖5）和Th/U值顯示其具有典型的巖漿成因，所測得的年齡可以代表巖體的形成時代（圖6）。潘店閃長巖體侵位時代為早白堊世，與魯西濟南［10］、萊蕪［19］、金嶺［11 12］地區的大面積分布的中基性巖漿活動時間基本一致。

5.2 巖石成因

潘店巖體閃長巖、閃長玢巖礦物組成主要為斜長石、鉀長石和輝石以及少量的角閃石、黑云母等，具有中性侵入巖的礦物組成特征。地球化學分析表明，不同樣品具有相似的微量和稀土元素特征，暗示這些閃長巖和閃長玢巖是由相同的母巖漿演化形成的。

魯西高Mg閃長巖以高Mg#、富鈉、富含輕稀土元素、貧重稀土元素及高場強元素Nb、Ta、Zr、Hf的明顯虧損為特征，具有埃達克巖的特征［13］。潘店巖體Mg#值介于54.23～78.17（平均值64.86），MgO含量為2.43%～3.60%（平均值2.96%），Y含量為14.05×10 6～18.23×10 6（平均值16.73×10 6），Yb含量為1.20×10 6～1.50×10 6（平均值1.38×10 6），Sr含量為228.95×10 6～510.30×10 6（平均值384.84×10 6），∑LREE/∑HREE=9.20～11.88（平均值10.05），δEu為0.60～0.93（平均值0.75），這些地球化學特征與埃達克巖高硅（SiO2≥56%）、低鎂（MgO多小于3%），貧Y（≤18×10 6）和Yb（≤1.9×10 6），Sr含量高（＞400×10 6），LREE富集、輕微Eu負異常的地球化學標志存在一定的差別［14］。潘店巖體樣品的Nb/Ta=8.61～19.59，僅有2個樣品值小于11，平均值為14.78，接近于虧損地幔（15.1±1）。Zr/Hf=35.14～39.22，平均值為37.24，遠高于大陸地殼平均值（11.00），更接近于原始地幔的平均值（36.27）。這些巖石地球化學特征均暗示潘店巖體閃長巖并非埃達克巖［15］，原始巖漿可能為上地幔部分熔融的產物。

通常認為高La/Sm值（＞4.5）指示了地殼物質的混染［20］，樣品La/Sm=5.08～7.10，平均值為6.33，表明在巖漿演化過程發生了地殼混染作用。樣品Nb、Ta的虧損也暗示著有大陸地殼物質的混染，或源區存在俯沖的洋殼物質。另外，潘店巖體北側的李屯巖體中存在與華北克拉通基底物質年齡相近的繼承鋯石（2.44～2.45Ga），也證明了閃長巖巖漿演化過程中受到古老下地殼物質的混染作用。

綜上所述，推斷潘店巖體原始巖漿來源于巖石圈地幔部分熔融產生的巖漿熔體，在上侵過程中經歷了地殼混染。

5.3 構造背景

早白堊世為華北克拉通巖石圈減薄的高峰期［16］。潘店閃長巖鋯石年齡為（124.4±1.4）Ma，與華北克拉通減薄破壞的峰期相一致。據朱日祥等［17］研究，華北克拉通減薄和破壞是太平洋板塊的俯沖引起的［17 18］。Pierce構造環境判別圖解中潘店巖體樣品均落于火山弧花崗巖范圍內（圖 7），表明它們具有火山弧巖漿巖的地球化學屬性，巖漿的形成可能與太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖構造背景有關。利用全巖鋯飽和溫度計算巖漿結晶溫度介于654.67～770.29℃，屬于低溫閃長巖。研究認為低溫閃長巖形成主要與流體加入有關［19 22］，反映了一種與俯沖作用有關的構造背景［19］，說明其應該受到冷的太平洋板塊的俯沖作用的影響。綜上，潘店巖體應形成于太平洋板塊的俯沖引起巖石圈大規模快速減薄環境。

6 結論

（1）潘店巖體位于華北克拉通東南部，主要由輝石閃長巖組成，SHRIMP鋯石U Pb測年表明潘店閃長巖結晶年齡為（124.4±1.4）Ma，為早白堊世晚期巖漿活動的產物。

（2）巖石地球化學表明潘店巖體具有富硅、鋁，富堿，富集大離子親石元素Ba、Sr和高場強元素U、Pb、Zr，虧損大離子親石元素Rb、K和高場強元素Nb、Ce、P、Ti，輕稀土富集，重稀土虧損，δEu為中—弱負異常等地球化學特征，其源巖可能是上地幔物質發生部分熔融，并在巖漿上升侵位的過程中與下地殼物質發生了同化混染。

（3）潘店巖體形成于巖石圈大規模快速減薄期，與燕山晚期太平洋板塊俯沖作用密切相關。

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Ore-forming Origin of Rock Mass Zircon U ??Pb Chronology and ??Geochemical Evidence of Pandian Iron Deposit in Luxi ?Area

QIN Jie， ZHU Xueqiang， WANG Lijuan， HAO Xingzhong

（Shandong Institute of Geological Surveying， Shandong Ji'nan 250014，China）

Abstract： Pandian rock mass is a newly discovered ore-forming body of Pandian iron deposit in Qihe-Yucheng area in Shandong province. It is mainly composed of pyroxene diorite. SHRIMP zircon U ??Pb dating of pyroxene diorite in Pandian pluton has been carried out. The result is （124.4±1.4） Ma， indicating that the pluton was formed in the early Cretaceous. The contents of SiO2， K2O and Na2O in Pandian rock mass are 59.68%～62.71%， 0.13%～3.30% and 6.57%～8.42% respectively. The Mg# value is 54.23～78.17， and the A/CNK value is 0.52～0.71，It has a right-dip rare earth distribution pattern of light rare earth enrichment and heavy rare earth depletion. Comparing the light and heavy rare earth fractionation is obvious， with a medium-weak Eu negative anomaly. Enrichment of large ion lithophile elements Ba， Sr and high field strong elements U，Pb， Zr with adjacent elements， large ion lithophile elements Rb， K and high field strong elements Nb，Ce，P，Ti are obviously depleted. The characteristics of Nb/Ta， Zr/Hf ratios and Nb/Ta depletion indicate that the original magma may come from the partial melting of lithospheric mantle， and there is assimilation and contamination of crustal materials in the process of magma ascending and emplacement. The Pandian intrusion was formed during the large scale and rapid thinning of the lithosphere， which is closely related to the subduction of Paleo-Pacific plate in late Yanshan period.

Key words： Pandian iron deposit; augite diorite;zircon U Pb dating；geochemistry；Qihe Yucheng area