冀北水泉沟碱性杂岩体的成因及成因

冀北水泉沟碱性杂岩体的成因及成因

该区域位于河北省张家口市宣化县和赤城县的交界处。也是中国北方地台北缘著名的“金三角”。区内已发现大型金矿3处(宣化县小营盘、崇礼县东坪和赤城县黄土梁)中型金矿4处(宣化县张全庄、韩家沟,崇礼县水晶屯、赤城县后沟)小型金矿及矿点百余处。这些金矿床的形成与水泉沟碱性岩体具有密切的时、空分布关系,前人对水泉沟杂岩体的岩石学、矿物学、岩体形成时代及其成因等做了大量工作。对杂岩体的成因认识主要有几种观点:混合岩化、壳慢混合源岩浆和富碱热液交代等成因观点。笔者20世纪80年代在该区进行过1:5万区域地质调查,90年代后期又参与了“碱性岩体与金矿成矿作用”的专题研究项目,近年来在该区又从事矿产调查工作,取得了大量资料,本文试图通过对水泉沟碱性岩体特征以及铅、锶同位素特征的研究,来探讨岩体的成因。1区域地质特征水泉沟碱性岩体产于华北地台北缘中段,东西向的尚义一赤诚一平泉深断裂南侧的燕山台褶带内。以东西向深断裂为界,南部为燕山台褶带,北部为内蒙地轴。区域出露的地层主要有太古宇桑干群的中高级变质岩系、中元古界长城系的海相沉积岩和晚侏罗世酸性一中酸性火山熔岩及火山碎屑岩(图1)。其中,太古宙变质岩构成了该区的结晶基底。区内构造活动强烈,断裂构造发育,总体构造格架以近东西向,尚义一崇礼一赤城深断裂为该区最重要的控岩控矿构造。区域岩浆侵人活动频繁而强烈。主要侵位时代为海西期和燕山期。水泉沟杂岩体与该区金矿床之间具有密切的时空分布关系。2水泉沟碱性岩体岩体碱性杂岩体呈东西向展布(图1),岩体东西长约55km,南北宽约5～8km,面积340km2,侵位于太古宇崇礼群中。其北与崇礼群涧沟河组接触,南与崇礼群涧沟河及元古代透辉岩呈侵入接触,中部有燕山期斑状花岗岩侵入,将岩体分割为东西两部分。杂岩体由4个单元组成。单元Ⅰ分布最广,包括2个岩体:东坪二长岩体和后沟二长岩体,其面积均在数十平方千米之上,呈近东西向,主要岩性为二长岩、石英二长岩、角闪二长岩、黑云二长岩等。单元Ⅱ呈条状分布在单元Ⅰ的两侧,包括后沟、黄土梁、东坪和中山沟4个正长岩体,每个岩体面积约30～40km2,主要岩性为正长岩、角闪正长岩和石英正长岩等,其与单元Ⅰ呈侵入接触。单元Ⅲ分布零星,呈等轴状产出,包括小赵家沟、西坪、狼窝沟、下三道河、地上和三道沟6个碱长正长岩体,每个岩体面积10km2,主要岩性为碱长正长岩、霓石碱长正长岩、钠闪石碱长正长岩,与Ⅱ、Ⅰ单元有明显侵入界线。单元Ⅳ呈规模不一的脉岩侵入上述3个单元和围岩中(图1)。单元Ⅰ的二长岩属于顶蚀侵位,单元Ⅱ的正长岩体属叠置侵位,单元Ⅲ和单元Ⅳ以贯入侵位形成。水泉沟碱性杂岩体中各单元关系清楚,岩石成分、结构、构造亦有较明显差别,其中斜长石含量由早到晚逐渐递减,微斜长石含量逐渐增多;岩石由细变粗,岩性也由多样变为单一;岩体中有大量涧沟河组变质岩捕掳体,很少见定向排列、椭圆状的深源包体,充分反映了水泉沟碱性岩体岩浆演化具有一定规律。据部分资料,水泉沟碱性岩体岩石化学特征如下:二氧化硅含量:二长岩类为60.76%而碱长正长岩为64.88%,岩性从二长岩类→正长岩类→碱长正长岩类演化,SiO2含量略有增加,岩石中SiO2含量偏低,但相对稳定。三氧化二铝含量:岩性从二长岩类→正长岩类→碱长正长岩类演化,Al2O3含量分别为18.47%、18.28%和16.81%,Al2O3含量逐渐递减,递减幅度较小。氧化钙:岩性从二长岩类→正长岩类→碱长正长岩类演化,CaO含量分别为4.31%、2.05%和1.67%,CaO含量逐渐递减,相互间相差接近一倍。反映了随着岩浆演化,碱质交代加强,钙长石被钾长石取代的结果。铁、镁含量:岩性从二长岩类→正长岩类→碱长正长岩类演化,铁含量和镁含量均逐渐递减。钾、钠含量:岩性从二长岩类→正长岩类→碱长正长岩类演化,K2O含量比Na2O含量增加幅度大,二长岩类到正长岩类中K2O含量变化突然,反映了随着岩浆演化,钾质交代加强,钠长石被微斜长石交代。碱性程度:岩性从二长岩类→正长岩类→碱长正长岩类演化,里特曼值σ、碱度率AR和(K2O+Na2O)/Al2O3递增,由钙碱性演化为碱性,总体碱性程度不高,基本接近碱性岩标准。总之,岩石化学组成总的特征是贫硅、富碱,铝含量中至高。各类岩石间无明显的界线,一般为渐变过渡关系。见表1。3总铅含量测定水泉沟碱性岩体包括二长岩、正长岩类、碱长正长岩类三大单元(表2),铅同位素组成:二长岩206Pb/204Pb变化范围为17.03～17.51,平均17.21;207Pb/204Pb变化范围为15.11～15.62,平均为15.34;208Pb/204Pb变化范围为36.68～37.39,平均37.07。见表2。岩性从二长岩类→正长岩类→碱长正长岩类演化,206Pb/204Pb将从17.21→17.38→17.67,呈规律性上升,说明放射铅含量不断增加。同时各类岩石中ψ值、μ值和ω值不尽相同,而模式年龄变化甚大,从小于0到976Ma,说明铅同位素属异常铅的演化模式。在铅构造模式图上,大多数样品集中在地幔与下地壳演化线附近,部分在造山带、上地壳演化线上,说明铅来源以地幔与下地壳来源为主,但在岩浆上侵过程中由于大量上地壳物质的混入,使原始岩浆不同程度的污染,从而使岩浆由单一铅源变为多种铅源。见图2。4投入在大陆壳与国表海线上的岩石水泉沟碱性岩锶同位素(87Sr/86Sr)i为0.7044～0.7355,变化范围较大(表3)。若将其初始值投在Faure等(1972)的地球中锶的演化图(地幔演化线Rb/SrL比值为0.025,大陆壳开始形成于2.5Ga,87Sr/86Sr比值为0.701,大陆演化线Rb/Sr比值为0.18),结果有1/3的投点位于地幔区,其他大部分位于大陆壳与地幔增长线之间,只有少数点位于大陆壳演化线之上(图3)。若将其初始值投到Rolinson(1993)地球中锶的演化图上(地幔演化线Rb/Sr比值为0.03,大陆壳开始形成于2.7Ga,87Sr/86Sr比值为0.7014,大陆演化线Rb/Sr比值为0.17),结果除了极少数点于大陆壳演化线之上,绝大多数点在大陆壳与地幔增长线之间,有不少点紧靠地幔演化曲线。上述两种图解取得相同结果。投入地幔区的岩石,其成因一般认为是幔源。投入在大陆壳与地幔增长线之间,主要是由于含放射性成因的87Sr增加引起的,结合铅同位素研究,主要为地幔岩浆上侵中混入了地壳物质造成的。投点在大陆壳演化线之上的岩石是太古宙老变质岩局部熔融的产物。总之,该区锶也多源的,以壳幔混源为主。见图3。5基于耐心的讨论5.1壳源物质:地实行重熔或混合岩化关于碱性岩的原始岩浆来源有以下几种观点(邱家嚷,1991):①上地慢低度熔融产物;②玄武岩浆分异产物;③下地壳低度熔融产物;④花岗岩浆的分异产物。根据该区实际地质情况及同位素研究结果,水泉沟杂岩体可能首先产自上地幔的低度熔融产物。在同位素各式图解中,样品投点于地幔与大陆壳演化线之间,少量于陆壳演化线之上,说明铅、锶同位素不是单一来源,原始物质来源于地幔,部分来自地壳物质的混入。通常二长岩类异常铅和锶初始值较低,向正长岩类和碱长正长岩类的演化中逐渐增高。该区岩石中具较高的异常铅和较高的锶初始值,且二长岩类与正长岩类之间增幅大,而正长岩类和碱长正长岩类之间增幅相对小,说明在地幔岩浆上侵过程中壳源物质的混入是肯定的,且是不均衡混入的。根据该区实际地质情况及铅、锶同位素研究结果,水泉沟杂岩体不可能是太古宙变质岩的重熔或混合岩化产物,而极可能是地幔岩浆与重熔的下地壳物质不均匀混合造成的。早期地幔岩浆部分混入重熔壳源物质后,演化成二长岩浆侵位;稍后的碱性岩浆在上侵过程中,又有重熔壳源物质不均匀混入,进一步演化成正长岩浆及碱长正长岩浆侵位。虽然岩体中有大量太古宇涧沟河组变质岩捕掳体,很少见定向排列、椭圆状的深源包体,显然涧沟河组是岩浆上侵时接触的浅部围岩,仅是壳源物质的一部分而不是全部,混入岩浆中的壳源物质并起重要作用的应该是更深层次的基底围岩或更多是下地壳物质。在讨论碱性岩成因及金矿成矿作用应充分考虑这种关系。5.2水泉沟碱性岩体的构造作业期和岩浆活动的强烈改造时间鉴于K-Ar同位素体系“封闭性”较差,对于经历多次岩浆活动等热扰动的岩体,K-Ar法一般给出的是最后一幕热扰动事件的时间。该区地质构造环境复杂,岩浆活动频繁,无疑对岩体有强烈影响,因此K-Ar法给出的年龄值虽不能作为本岩体的成岩时代,却可以反映岩体受后期构造一岩浆活动的时间。本人20世纪90年代曾在水泉沟碱性杂岩体获得了大量的K-Ar同位素测年数据,K-Ar法测年数据组直方图的峰值段为180～200Ma,正好与该区的燕山早期岩浆侵人活动时间一致(红花梁花岗岩176.6Ma,谷嘴子花岗岩188Ma,温泉斑状花岗岩198.42±3.3Ma),K-Ar法测年数据反映的是水泉沟碱性岩体受燕山早期岩浆活动的强烈改造的时间。20世纪90年代末,本人与聂凤军等人在水泉沟碱性岩体不同地段采样,获得的39Ar-40Ar年龄值集中在288～327.4Ma,见表4,属海西晚期。对比研究,采用39Ar-40Ar年龄值288～327.4Ma,作为水泉沟碱性岩体成岩时代较为合适。5.3碱性岩体的形成过程涂光炽(1989)等研究认为,富碱侵入岩是一组产于特定环境、具有特殊性质的岩石类型,产于裂谷、地堑、地幔上拱的拉张条件下,常与幔源岩浆活动相联系。该区在海西晚期发生了古蒙古洋板块向南俯冲,造成古蒙古洋的消失,天山一兴蒙褶皱系与华北地台连为一体。在这种大的构造背景下,华北地台北缘一度成为活动的大陆边缘,由于超壳断裂——尚义一赤城一平泉深断裂发生大规模逆冲活动,造成内蒙地轴的隆升和燕山台褶带的下降。根据重磁异常研究,尚义—赤城一平泉深断裂向下延续较深,可能深达下地壳深部或深达上地幔。深断裂构造频繁活动,表现为剪切挤压为主,局部引张的构造环境。且由于局部构造应力的降低,在上地慢熔融出了碱性岩浆,大规模的构造活动也造成下地壳物质的局部熔融。地幔碱性岩浆在上升过程中与熔融的下地壳物质发生混合,由于岩浆上升速度较快,因此两者之间既没有充分的均匀混合,也没有充分的结晶分异,这样就造成了碱性岩体中同位素体系没有充分地均一,碱性岩体缺少明显的岩相分带。水泉沟碱性岩体侵位成岩过程漫长,来自地幔的偏碱性二长岩浆沿尚义一赤城深断裂带东西向上涌顶蚀侵位,然后捕获上地壳围岩并消纳了顶部围岩,形成有大量围岩捕掳体和顶垂体存在的规模巨大的东西向展布的二长岩体;稍后在二长岩半炽热半塑性半固结状态时,碱性的正长岩浆发生叠置侵位,形成结晶粗大、成分均一的4个正长岩体;在二长岩和正长岩基本固结成岩时,由于深断裂活