冀西北太古宙杂岩体成因与成矿机制探讨

冀西北太古宙杂岩体成因与成矿机制探讨

华北克拉通北缘的碱性带是中国的重要黄金带。金矿矿床的活动与克拉通边缘的深断裂活动密切相关。冀西北水泉沟正长岩杂岩体,由于其内外接触带产出众多的金矿床(点),特别是产于其内接触带的东坪特大型金矿床(张招崇等,1997;NieFengjun,1998;魏家秀等,1999)的发现,最为引人注目。由于其在金成矿方面的显著地位和巨大的找矿潜力,很多学者曾对该岩体的成因(张招崇等,1995)和成岩时代(卢德林等,1993;江思宏等,2000)进行过研究,提出了许多不同的认识。对其岩石成因的认识可以概括为4类:混合岩化成因;幔源岩浆成因(王蓉嵘,1992);③重熔(同熔)-交代成因(王正坤等,1992;魏菊英等,1994);④同熔型(王郁等,1994;包志伟等,1996)。本文拟通过RE、Sr、Nd、Pb同位素的研究,对杂岩体的成因和成岩机制作进一步探讨。1成岩环境及成因水泉沟正长岩杂岩体位于燕山西段,河北省崇礼、赤城两县境内,大地构造上属于华北克拉通北缘中段,内蒙隆起与燕山坳陷带的过渡部位,华北克拉通北缘深大断裂——尚义-赤城-大庙断裂的南侧。该断裂形成于太古宙,历经多次活化而演化成为大型韧-脆性剪切带。岩体侵位于太古宙变质杂岩中,中部为上侏罗统张家口组火山岩不整合覆盖。围岩太古宙桑干群为一套遭受强烈变质、普遍达到角闪岩相一麻粒岩相的中高级变质岩系。据河北省地质三队的资料,区内出露的桑干群自下而上可划分为:西噶峪组、水地庄组、化家营组,涧沟河组和艾家沟组。涧沟河组是正长岩杂岩体的主要围岩,环水泉沟正长岩杂岩体南北两侧,呈不规则带状分布,其中下部岩石主要为斜长角闪岩、透辉角闪片麻岩,上部为斜长角闪岩、混合岩及磁铁石英岩。其原岩以基性、超基性火山岩为主,多属拉斑玄武岩系列,形成于大陆边缘造山带环境。水地庄组分布于岩体东南部边缘,主要为片麻岩类岩石。有黑云角闪斜长片麻岩、含紫苏黑云斜长片麻岩、石榴子石角闪斜长片麻岩、石榴子石黑云斜长片麻岩等,其原岩为中基性、中酸性火山岩和陆源沉积,形成的古地理环境类似于大陆边缘火山一沉积环境。艾家沟组分布于研究区东部,主要岩性为黑云斜长片麻岩、含石墨黑云斜长片麻岩、石墨斜长变粒岩及大理岩,其次为混合岩、石榴子石斜长角闪岩、角闪透辉变粒岩等,其源岩以陆源碎屑沉积为主,夹中基性火山岩,形成于浅海陆棚相环境。化家营组见于工作区的西南,为一套以浅色麻粒岩为主的岩石,原岩为基性、超基性火山岩、中酸性火山岩及少量的泥灰岩。西噶峪组为一套暗色麻粒岩、斜长片麻岩及混合岩化岩石。有人认为崇礼深变质麻粒岩一片麻岩中基性变质岩系占70%以上(王仁民等,1994)。以超镁铁质、镁铁质为主的涧沟河组太古宙变质岩为深变质绿岩带(赖兴运等,1994)。水泉沟正长岩杂岩体呈东西向狭长带状出露,东西长约55km,南北宽5〜8km,岩体总体上向南侧倾伏,可延伸到小营盘矿区。杂岩体与桑干群变质岩呈侵入接触关系,局部地段呈渐变过渡,其南北两侧各有一宽数米至数十米的混染带,但东部后沟一带杂岩体常与围岩呈断层接触,或为后期岩体侵人,边缘混染带不发育(图1)。杂岩体由西向东出露主要岩类有角闪正长岩、角闪辉石二长岩、角闪石碱长正长岩、霓辉碱长正长岩、碱长正长岩、石英碱长正长岩、石英二长岩等。各岩性间呈渐变过渡关系,由西向东暗色矿物含量逐渐减少,岩石由中粗粒变为中细粒,由似斑状结构变为等粒结构。在岩石化学组成上,随着K2O、Na2O、SiO2含量增加,CaO、MgO、FeO、Fe2O3含量降低。其中碱长正长岩和石英碱长正长岩为杂岩体的主要岩石类型,主要造岩矿物为最大微斜长石、微斜条纹长石、钠长石和钠更长石,一般占85%以上,及含量相对较少的石英、辉石和角闪石等矿物。主要副矿物组成为榍石、锆石、磷灰石、石榴子石、磁铁矿、金红石等,石榴子石为钙铁榴石,TiO2平均含量为1.4%,为黑榴石,是典型的岩浆矿物。主要岩石类型的石英颗粒中均见有熔融包裹体的存在,均一温度大于900℃(王蓉嵘,1992)。在杂岩体的边部和顶部见有由柱状角闪石、板条状微斜长石组成的原生流面或流线构造,表明该杂岩体为岩浆作用的产物。2太古岛桑干群变质杂岩la/ybn水泉沟正长岩杂岩体的稀土元素含量变化范围较大(表1),∑REE在8.543×10-6～211.6×10-6之间,位于岩体西部的辉石角闪正长岩和角闪正长岩的稀土元素含量相对较高,变化范围为107.3×10-6〜211.6×10-6,碱性长石正长岩和石英碱长正长岩稀土元素含量较低(8.543×10-6～9.467×10-6),正长岩的稀土元素含量介于前二者之间(51.85×10-6)。杂岩体的LREE/HREE=3.89〜14.2,(La/Yb)N=1.36〜22.1,Sm/Nd比值非常接近,为0.17〜0.21.LREE/HREE比值由辉石角闪正长岩、正长岩向碱性长石正长岩、石英碱长正长岩随着岩石CaO、MgO、FeO、Fe2O3含量的降低和SiO2、K2O、Na2O含量的增大而减小,稀土分布模式由右倾直线型由于轻稀土元素含量的降低而变为近平直的“〜”型,各岩类均无明显的Eu异常,Eu*/Eu在0.84〜1.06之间(图2)。其稀土分布模式总体上与典型碱性岩类相似。杂岩体所侵位的太古宙桑干群变质杂岩的稀土元素总量∑REE变化范围为88.29×10-6〜230.2×106,LREE/HREE=3.58～13.4,(La/Yb)N=3.22〜16.2,Sm/Nd=0.15〜0.25,Eu*/Eu=0.82〜1.04。正长岩杂岩体,特别是西部的辉石角闪正长岩类的稀土元素分布模式与太古宙桑干群变质杂岩非常相近,特别是其Sm/Nd比值很一致。一般认为,地壳物质的部分熔融过程不会引起其Sm/Nd比值的显著变化(McCullochetal.,1978;Depaolo,1988),正长岩杂岩体与太古宙变质岩REE分布模式的相似性似乎暗示着他们之间存在某种成因上的联系。实验研究亦表明,含水地壳物质的部分熔融可以形成正长岩岩浆(Huangetal.,1975)。但正长岩杂岩体相对较低的稀土元素含量与由太古宙桑干群变质杂岩低程度部分熔融形成正长岩岩浆的假设相矛盾。3岩石同位素组成水泉沟正长岩杂岩体的铅同位素组成为206Pb/204Pb=16.457～17.718;207Pb/204Pb=15.270～15.665;208Pb/204Pb=36.539〜37.764(表2)。岩体铅属于正常铅范畴,与其所侵入的太古宙桑干群变质杂岩的铅同位素组成(206Pb/204Pb=14.517〜16.609;207Pb/204Pb=14.876～15.302;208Pb/204Pb=34.425〜37.097)有明显的差别,岩体相对富放射性成因铅。在Zartman206P/204Pb-207Pb/204Pb构造模式图上落在地幔铅同位素铅演化线的附近,反映杂岩体成岩过程中可能有大量幔物质的参与(图3)。岩体Rb-Sr同位素组成的变化范围很小(表3),对岩体不同岩性的18个样品的分析表明,其87Sr/86Sr比值在0.70539〜0.70772范围内变化,87Rb/86Sr比值的变化范围很小(0.08324〜0.5764),大多集中在0.1〜0.2之间,表明岩体的分异程度相对较低,在87Rb/86Sr-87Sr/86Sr图上这些点不构成等时线,由于所选择的样品均为蚀变程度很低的岩石,同位素组成的的分散性很可能是由于在岩浆形成过程中壳幔物质混合的不平衡且分异程度相对较低,未能达到同位素平衡的结果。根据数据点在图中的分布进行线性拟合所得出的四条假等时线的年龄值在354.6±70.9Ma(MSWD=0.434)〜103.2±10.8Ma(MSWD=1.72)范围内变化,其中一条包括了大部分样品的假等时线年龄值为301.4±49.7Ma(MSWD=64.9),与岩体的角闪石Ar-Ar年龄(327Ma)相接近(包志伟等,1996),但明显低于单颗粒锆石的谐合年龄(410Ma)(陆松年等,1997),水泉沟正长岩杂岩体的形成年龄可能介于327～410Ma之间且更接近于410Ma(后文将详细讨论)。以400Ma作为岩体结晶年龄,则(87Sr/86Sr)400Ma变化范围为0.7040〜0.7059,绝大部分数据在0.705左右,落在上地幔锶同位素组成范围内。11个岩石样品的Sm-Nd同位素分析结果表明(表4),岩石的143Sm/144Nd比值变化范围在0.511703〜0.512275,与区内太古宙桑干群变质杂岩的143Sm/144Nd比值范围相近(0.510923〜0.512689)。岩体的fSm/Nd值变化较小,介于0.18〜-0.60,表明岩体的分异程度较低。岩体的模式年龄用二阶段钕模式年龄公式计算(T2DM=[8.5-sNd(t)+9.19t]/11.3,取花岗岩147Sm/144Nd平均值作为下限(0.125),亏损地幔R1=0.2136)表明正长岩模式年龄T2DM为1.38〜2.29Ga,低于其围岩太古宙桑干群变质杂岩的Sm-Nd等时线年龄(2402±73(2σ),INd=0.50961,及其模式年龄(T2DM=2.44～3.36Ga)。由于Sm-Nd同位素体系在成岩过程中分异程度低且未达到平衡,无论是单矿物一全岩还是岩石样品之间均无法构成等时线,不能据此进行同位素定年,但其模式年龄显示其形成时代应晚于1.38Ga。4讨论4.1水泉沟正长岩岩类水泉沟正长岩杂岩体的成因机制一直是个有争议的问题。其流动构造、主要岩石类型中石英熔融包裹体的存在以及典型岩浆矿物黑石榴子石的产出,表明岩体的形成经过岩浆阶段,不可能是由太古宙变质岩混合岩化的产物。该岩体的可能的成因为:相对贫放射性成因锶的太古宙基底的部分熔融,形成过程中有一定量的年轻地幔物质的加入;岩体直接来源于地幔岩浆的分异;③来源于上涌的地幔与下地壳物质的混熔作用。前已述及,岩体较低的稀土元素含量表明其不可能是太古宙变质杂岩部分熔融的产物。由于所分析的样品热液蚀变作用微弱,岩石的稀土元素分布特征亦未显示有强烈热液作用改造的迹象,岩体锶、钕同位素组成的不平衡性是由岩体的快速侵位而造成的弱分异而不可能是后期热液蚀变对同位素体系扰动的结果。在εSr(t)-εNd(t)图解上,水泉沟正长岩落在地幔演化线下方(图4)。岩体较低的87Sr/86Sr比值和较高的143Nd/144Nd比值显示岩体的源区物质中可能包含较多的地幔物质,包志伟等(1996)根据岩体的钕同位素组成推算出参与成岩的地幔物质应占46%〜72%,即杂岩体的源岩应以地幔物质为主。区内亦未见有海西期基性、超基性岩浆的活动,且正长岩杂岩体的稀土元素分布模式无明显的铕异常均表明岩体不可能由玄武质岩浆结晶分异形成,较高的钕模式年龄也与幔源岩浆分异成因的假设不相吻合。考虑到杂岩体较高的模式年龄值且其所侵位(部分地区为过渡关系)的太古宙桑干群变质杂岩原岩中基性火山岩占较大比例,不能排除参与成岩的地幔物质有一部分是太古宙地层中地幔物质的再循环。岩体εNd(400Ma)的值与岩石钕含量间无明显的协变关系(图5),正长岩杂岩体中的围岩捕掳体较少且仅见于岩体的边部,太古宙围岩对岩体的混染作用可能局限于岩体的边部,另外由于太古宙桑干群变质杂岩eNd(400Ma)具有很大的变化范围(一29.2〜+1.10)(沈其韩等,1994),假若存在广泛的围岩混染作用的话,正长岩体必然会显示出更大εNd(400Ma)变化范围,因而很难用岩浆演化后期的AFC模式来解释(Depaolo,1981)。岩体中继承性锆石的普遍存在清楚地显示太古宙变质基底的广泛参与。下地壳太古宙变质杂岩参与成岩过程不是通过混染作用实现的,而是在母岩浆形成阶段,由造山带崩解过程中上涌的地幔物质同下地壳岩石发生混熔而形成的正长岩质岩浆。虽然由于参与与成岩的端元同位素组成难以确定,目前仍无法给出一个完美的成岩模式,但地幔物质与下地壳物质同熔及快速侵位是一个比较合理的假设。在晚加里东至海西期,伴随着内蒙隆起的隆升和燕辽沉降带的活动,华北地台北缘深大断裂——尚义一赤城大断裂的大规模逆冲作用,地幔物质的上涌,导致区域热流值的升高,与部分太古宙变质岩类发生混熔作用并快速上升侵位,形成弱分异的正长岩岩浆岩。在同一构造带中广泛产出印支至早燕山期(268〜190Ma)的富碱侵入岩类,εNd(t)和εSr(t)的变化范围分别为-17.2〜-3.2和11.7〜71.5(Yanetal.,1999),也表明古生代区内可能存在比较强烈的壳幔相互作用。杂岩体的Sr、Nd、Pb同位素组成特征明显支持这一成因假设。4.2岩石学和年代学及热事件水泉沟正长岩杂岩体的形成年龄也是个有争论的问题,对岩体的定年涉及到对岩体成因及与正长岩杂岩体有关的金成矿问题的探讨,有必要作一简单讨论。不同的研究者用不同的方法所给出的同位素年龄值变化很大。K-Ar法所给出的年龄值在126〜564Ma,且主要集中分布在160〜220Ma范围内(中国人民武装警察部队黄金指挥部,1996)。由于长石、角闪石等造岩矿物易受后热事件的影响,K-Ar法很难给出正确的地质年龄。大量的Rb-Sr,Sm-Nd同位素组成分析表明,该杂岩体成岩过程中岩石的Rb-Sr、Sm-Nd同位素体系未达到同位素平衡。根据本研究所得数据进行线性拟合所得出的四条假等时线的年龄值在354.6±70.9Ma(MSWD=0.434)～103.2±10.8Ma(MSWD=1.72)范围内变化。其他研究者所给出的Rb-Sr等时线年龄变化范围在260〜749Ma(中国人民武装警察部队黄金指挥部,1996)。岩石的Sm-Nd同位组成无论是其组成矿物内部还是不同岩类之间均明显存在同位素不平衡,不可能给出合理的地质年龄数据。锆石作为一种稳定的副矿物具有较高的U-Pb封闭温度,一般认为锆石U-Pb法是一种较“理想”的定年手段(李献华等,1990),但水泉沟正长岩杂岩体中普遍存在锆石的环带和重结晶现象,给锆石U-Pb年龄数据的解释带来了困难。梁华英等(1998)用单颗粒锆石铅蒸发-沉淀法对东坪石英碱长正长岩中的锆石进行的测定所给出的年龄为1.6〜1.7Ga。考虑到岩体中锆石的继承性,笔者等认为锆石的U-Pb不一致线的下交点(454±40Ma)可能更能接近岩体的结晶年龄。陆松年等(1997)对下三道河村西采石场的石英碱长正长岩中选出的浅紫色透明不规则状锆石的化学稀释法得到了完全谐合的颗粒锆石年龄,即410.5±1.4Ma;苗来成等(2001)用SHRIMP方法测定了东坪矿区及后沟石英碱长正长岩中锆石U-Pb年龄分别为390±6Ma和386±6Ma。锆石U-Pb年龄结果高于包志伟等(1996)报道的下双台辉石角闪正长岩中的角闪石(铁韭闪石)的Ar-Ar坪年龄(327.4±9Ma),这种差异可能是杂岩体中的角闪石不同程度的绿帘石化造成了一定程度的Ar丢失而使所给出的年龄值偏低。后期热事件的叠加也可能造成角闪石给出看似完美的坪年龄(Berger,1975),因此,角闪石所给出的Ar-Ar年龄可能低于其岩体实际结晶年龄。而由于成岩母质中含有一定量的下地壳物质,存在下地壳与地幔铅同位素体系的混合作用,可能会使所计算出的U-Pb年龄值略偏高。所以,正长岩杂岩的实际结晶年龄应略低于410Ma(颗粒锆石U-Pb年龄)但高于327Ma(角闪