冀西北太古宙雜巖體成因與成礦機(jī)制探討

冀西北太古宙雜巖體成因與成礦機(jī)制探討

華北克拉通北緣的堿性帶是中國(guó)的重要黃金帶。金礦礦床的活動(dòng)與克拉通邊緣的深斷裂活動(dòng)密切相關(guān)。冀西北水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體,由于其內(nèi)外接觸帶產(chǎn)出眾多的金礦床(點(diǎn)),特別是產(chǎn)于其內(nèi)接觸帶的東坪特大型金礦床(張招崇等,1997;NieFengjun,1998;魏家秀等,1999)的發(fā)現(xiàn),最為引人注目。由于其在金成礦方面的顯著地位和巨大的找礦潛力,很多學(xué)者曾對(duì)該巖體的成因(張招崇等,1995)和成巖時(shí)代(盧德林等,1993;江思宏等,2000)進(jìn)行過(guò)研究,提出了許多不同的認(rèn)識(shí)。對(duì)其巖石成因的認(rèn)識(shí)可以概括為4類:混合巖化成因;幔源巖漿成因(王蓉嶸,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;包志偉等,1996)。本文擬通過(guò)RE、Sr、Nd、Pb同位素的研究,對(duì)雜巖體的成因和成巖機(jī)制作進(jìn)一步探討。1成巖環(huán)境及成因水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體位于燕山西段,河北省崇禮、赤城兩縣境內(nèi),大地構(gòu)造上屬于華北克拉通北緣中段,內(nèi)蒙隆起與燕山坳陷帶的過(guò)渡部位,華北克拉通北緣深大斷裂——尚義-赤城-大廟斷裂的南側(cè)。該斷裂形成于太古宙,歷經(jīng)多次活化而演化成為大型韌-脆性剪切帶。巖體侵位于太古宙變質(zhì)雜巖中,中部為上侏羅統(tǒng)張家口組火山巖不整合覆蓋。圍巖太古宙桑干群為一套遭受強(qiáng)烈變質(zhì)、普遍達(dá)到角閃巖相一麻粒巖相的中高級(jí)變質(zhì)巖系。據(jù)河北省地質(zhì)三隊(duì)的資料,區(qū)內(nèi)出露的桑干群自下而上可劃分為:西噶峪組、水地莊組、化家營(yíng)組,澗溝河組和艾家溝組。澗溝河組是正長(zhǎng)巖雜巖體的主要圍巖,環(huán)水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體南北兩側(cè),呈不規(guī)則帶狀分布,其中下部巖石主要為斜長(zhǎng)角閃巖、透輝角閃片麻巖,上部為斜長(zhǎng)角閃巖、混合巖及磁鐵石英巖。其原巖以基性、超基性火山巖為主,多屬拉斑玄武巖系列,形成于大陸邊緣造山帶環(huán)境。水地莊組分布于巖體東南部邊緣,主要為片麻巖類巖石。有黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖、含紫蘇黑云斜長(zhǎng)片麻巖、石榴子石角閃斜長(zhǎng)片麻巖、石榴子石黑云斜長(zhǎng)片麻巖等,其原巖為中基性、中酸性火山巖和陸源沉積,形成的古地理環(huán)境類似于大陸邊緣火山一沉積環(huán)境。艾家溝組分布于研究區(qū)東部,主要巖性為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、含石墨黑云斜長(zhǎng)片麻巖、石墨斜長(zhǎng)變粒巖及大理巖,其次為混合巖、石榴子石斜長(zhǎng)角閃巖、角閃透輝變粒巖等,其源巖以陸源碎屑沉積為主,夾中基性火山巖,形成于淺海陸棚相環(huán)境?；覡I(yíng)組見(jiàn)于工作區(qū)的西南,為一套以淺色麻粒巖為主的巖石,原巖為基性、超基性火山巖、中酸性火山巖及少量的泥灰?guī)r。西噶峪組為一套暗色麻粒巖、斜長(zhǎng)片麻巖及混合巖化巖石。有人認(rèn)為崇禮深變質(zhì)麻粒巖一片麻巖中基性變質(zhì)巖系占70%以上(王仁民等,1994)。以超鎂鐵質(zhì)、鎂鐵質(zhì)為主的澗溝河組太古宙變質(zhì)巖為深變質(zhì)綠巖帶(賴興運(yùn)等,1994)。水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體呈東西向狹長(zhǎng)帶狀出露,東西長(zhǎng)約55km,南北寬5?8km,巖體總體上向南側(cè)傾伏,可延伸到小營(yíng)盤(pán)礦區(qū)。雜巖體與桑干群變質(zhì)巖呈侵入接觸關(guān)系,局部地段呈漸變過(guò)渡,其南北兩側(cè)各有一寬數(shù)米至數(shù)十米的混染帶,但東部后溝一帶雜巖體常與圍巖呈斷層接觸,或?yàn)楹笃趲r體侵人,邊緣混染帶不發(fā)育(圖1)。雜巖體由西向東出露主要巖類有角閃正長(zhǎng)巖、角閃輝石二長(zhǎng)巖、角閃石堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖、霓輝堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖、堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖、石英堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖等。各巖性間呈漸變過(guò)渡關(guān)系,由西向東暗色礦物含量逐漸減少,巖石由中粗粒變?yōu)橹屑?xì)粒,由似斑狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榈攘＝Y(jié)構(gòu)。在巖石化學(xué)組成上,隨著K2O、Na2O、SiO2含量增加,CaO、MgO、FeO、Fe2O3含量降低。其中堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖和石英堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖為雜巖體的主要巖石類型,主要造巖礦物為最大微斜長(zhǎng)石、微斜條紋長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和鈉更長(zhǎng)石,一般占85%以上,及含量相對(duì)較少的石英、輝石和角閃石等礦物。主要副礦物組成為榍石、鋯石、磷灰石、石榴子石、磁鐵礦、金紅石等,石榴子石為鈣鐵榴石,TiO2平均含量為1.4%,為黑榴石,是典型的巖漿礦物。主要巖石類型的石英顆粒中均見(jiàn)有熔融包裹體的存在,均一溫度大于900℃(王蓉嶸,1992)。在雜巖體的邊部和頂部見(jiàn)有由柱狀角閃石、板條狀微斜長(zhǎng)石組成的原生流面或流線構(gòu)造,表明該雜巖體為巖漿作用的產(chǎn)物。2太古島桑干群變質(zhì)雜巖la/ybn水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體的稀土元素含量變化范圍較大(表1),∑REE在8.543×10-6～211.6×10-6之間,位于巖體西部的輝石角閃正長(zhǎng)巖和角閃正長(zhǎng)巖的稀土元素含量相對(duì)較高,變化范圍為107.3×10-6?211.6×10-6,堿性長(zhǎng)石正長(zhǎng)巖和石英堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖稀土元素含量較低(8.543×10-6～9.467×10-6),正長(zhǎng)巖的稀土元素含量介于前二者之間(51.85×10-6)。雜巖體的LREE/HREE=3.89?14.2,(La/Yb)N=1.36?22.1,Sm/Nd比值非常接近,為0.17?0.21.LREE/HREE比值由輝石角閃正長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)巖向堿性長(zhǎng)石正長(zhǎng)巖、石英堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖隨著巖石CaO、MgO、FeO、Fe2O3含量的降低和SiO2、K2O、Na2O含量的增大而減小,稀土分布模式由右傾直線型由于輕稀土元素含量的降低而變?yōu)榻街钡摹?”型,各巖類均無(wú)明顯的Eu異常,Eu*/Eu在0.84?1.06之間(圖2)。其稀土分布模式總體上與典型堿性巖類相似。雜巖體所侵位的太古宙桑干群變質(zhì)雜巖的稀土元素總量∑REE變化范圍為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。正長(zhǎng)巖雜巖體,特別是西部的輝石角閃正長(zhǎng)巖類的稀土元素分布模式與太古宙桑干群變質(zhì)雜巖非常相近,特別是其Sm/Nd比值很一致。一般認(rèn)為,地殼物質(zhì)的部分熔融過(guò)程不會(huì)引起其Sm/Nd比值的顯著變化(McCullochetal.,1978;Depaolo,1988),正長(zhǎng)巖雜巖體與太古宙變質(zhì)巖REE分布模式的相似性似乎暗示著他們之間存在某種成因上的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)研究亦表明,含水地殼物質(zhì)的部分熔融可以形成正長(zhǎng)巖巖漿(Huangetal.,1975)。但正長(zhǎng)巖雜巖體相對(duì)較低的稀土元素含量與由太古宙桑干群變質(zhì)雜巖低程度部分熔融形成正長(zhǎng)巖巖漿的假設(shè)相矛盾。3巖石同位素組成水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體的鉛同位素組成為206Pb/204Pb=16.457～17.718;207Pb/204Pb=15.270～15.665;208Pb/204Pb=36.539?37.764(表2)。巖體鉛屬于正常鉛范疇,與其所侵入的太古宙桑干群變質(zhì)雜巖的鉛同位素組成(206Pb/204Pb=14.517?16.609;207Pb/204Pb=14.876～15.302;208Pb/204Pb=34.425?37.097)有明顯的差別,巖體相對(duì)富放射性成因鉛。在Zartman206P/204Pb-207Pb/204Pb構(gòu)造模式圖上落在地幔鉛同位素鉛演化線的附近,反映雜巖體成巖過(guò)程中可能有大量幔物質(zhì)的參與(圖3)。巖體Rb-Sr同位素組成的變化范圍很小(表3),對(duì)巖體不同巖性的18個(gè)樣品的分析表明,其87Sr/86Sr比值在0.70539?0.70772范圍內(nèi)變化,87Rb/86Sr比值的變化范圍很小(0.08324?0.5764),大多集中在0.1?0.2之間,表明巖體的分異程度相對(duì)較低,在87Rb/86Sr-87Sr/86Sr圖上這些點(diǎn)不構(gòu)成等時(shí)線,由于所選擇的樣品均為蝕變程度很低的巖石,同位素組成的的分散性很可能是由于在巖漿形成過(guò)程中殼幔物質(zhì)混合的不平衡且分異程度相對(duì)較低,未能達(dá)到同位素平衡的結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中的分布進(jìn)行線性擬合所得出的四條假等時(shí)線的年齡值在354.6±70.9Ma(MSWD=0.434)?103.2±10.8Ma(MSWD=1.72)范圍內(nèi)變化,其中一條包括了大部分樣品的假等時(shí)線年齡值為301.4±49.7Ma(MSWD=64.9),與巖體的角閃石Ar-Ar年齡(327Ma)相接近(包志偉等,1996),但明顯低于單顆粒鋯石的諧合年齡(410Ma)(陸松年等,1997),水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體的形成年齡可能介于327～410Ma之間且更接近于410Ma(后文將詳細(xì)討論)。以400Ma作為巖體結(jié)晶年齡,則(87Sr/86Sr)400Ma變化范圍為0.7040?0.7059,絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)在0.705左右,落在上地幔鍶同位素組成范圍內(nèi)。11個(gè)巖石樣品的Sm-Nd同位素分析結(jié)果表明(表4),巖石的143Sm/144Nd比值變化范圍在0.511703?0.512275,與區(qū)內(nèi)太古宙桑干群變質(zhì)雜巖的143Sm/144Nd比值范圍相近(0.510923?0.512689)。巖體的fSm/Nd值變化較小,介于0.18?-0.60,表明巖體的分異程度較低。巖體的模式年齡用二階段釹模式年齡公式計(jì)算(T2DM=[8.5-sNd(t)+9.19t]/11.3,取花崗巖147Sm/144Nd平均值作為下限(0.125),虧損地幔R1=0.2136)表明正長(zhǎng)巖模式年齡T2DM為1.38?2.29Ga,低于其圍巖太古宙桑干群變質(zhì)雜巖的Sm-Nd等時(shí)線年齡(2402±73(2σ),INd=0.50961,及其模式年齡(T2DM=2.44～3.36Ga)。由于Sm-Nd同位素體系在成巖過(guò)程中分異程度低且未達(dá)到平衡,無(wú)論是單礦物一全巖還是巖石樣品之間均無(wú)法構(gòu)成等時(shí)線,不能據(jù)此進(jìn)行同位素定年,但其模式年齡顯示其形成時(shí)代應(yīng)晚于1.38Ga。4討論4.1水泉溝正長(zhǎng)巖巖類水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體的成因機(jī)制一直是個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。其流動(dòng)構(gòu)造、主要巖石類型中石英熔融包裹體的存在以及典型巖漿礦物黑石榴子石的產(chǎn)出,表明巖體的形成經(jīng)過(guò)巖漿階段,不可能是由太古宙變質(zhì)巖混合巖化的產(chǎn)物。該巖體的可能的成因?yàn)?相對(duì)貧放射性成因鍶的太古宙基底的部分熔融,形成過(guò)程中有一定量的年輕地幔物質(zhì)的加入;巖體直接來(lái)源于地幔巖漿的分異;③來(lái)源于上涌的地幔與下地殼物質(zhì)的混熔作用。前已述及,巖體較低的稀土元素含量表明其不可能是太古宙變質(zhì)雜巖部分熔融的產(chǎn)物。由于所分析的樣品熱液蝕變作用微弱,巖石的稀土元素分布特征亦未顯示有強(qiáng)烈熱液作用改造的跡象,巖體鍶、釹同位素組成的不平衡性是由巖體的快速侵位而造成的弱分異而不可能是后期熱液蝕變對(duì)同位素體系擾動(dòng)的結(jié)果。在εSr(t)-εNd(t)圖解上,水泉溝正長(zhǎng)巖落在地幔演化線下方(圖4)。巖體較低的87Sr/86Sr比值和較高的143Nd/144Nd比值顯示巖體的源區(qū)物質(zhì)中可能包含較多的地幔物質(zhì),包志偉等(1996)根據(jù)巖體的釹同位素組成推算出參與成巖的地幔物質(zhì)應(yīng)占46%?72%,即雜巖體的源巖應(yīng)以地幔物質(zhì)為主。區(qū)內(nèi)亦未見(jiàn)有海西期基性、超基性巖漿的活動(dòng),且正長(zhǎng)巖雜巖體的稀土元素分布模式無(wú)明顯的銪異常均表明巖體不可能由玄武質(zhì)巖漿結(jié)晶分異形成,較高的釹模式年齡也與幔源巖漿分異成因的假設(shè)不相吻合?？紤]到雜巖體較高的模式年齡值且其所侵位(部分地區(qū)為過(guò)渡關(guān)系)的太古宙桑干群變質(zhì)雜巖原巖中基性火山巖占較大比例,不能排除參與成巖的地幔物質(zhì)有一部分是太古宙地層中地幔物質(zhì)的再循環(huán)。巖體εNd(400Ma)的值與巖石釹含量間無(wú)明顯的協(xié)變關(guān)系(圖5),正長(zhǎng)巖雜巖體中的圍巖捕擄體較少且僅見(jiàn)于巖體的邊部,太古宙圍巖對(duì)巖體的混染作用可能局限于巖體的邊部,另外由于太古宙桑干群變質(zhì)雜巖eNd(400Ma)具有很大的變化范圍(一29.2?+1.10)(沈其韓等,1994),假若存在廣泛的圍巖混染作用的話,正長(zhǎng)巖體必然會(huì)顯示出更大εNd(400Ma)變化范圍,因而很難用巖漿演化后期的AFC模式來(lái)解釋(Depaolo,1981)。巖體中繼承性鋯石的普遍存在清楚地顯示太古宙變質(zhì)基底的廣泛參與。下地殼太古宙變質(zhì)雜巖參與成巖過(guò)程不是通過(guò)混染作用實(shí)現(xiàn)的,而是在母巖漿形成階段,由造山帶崩解過(guò)程中上涌的地幔物質(zhì)同下地殼巖石發(fā)生混熔而形成的正長(zhǎng)巖質(zhì)巖漿。雖然由于參與與成巖的端元同位素組成難以確定,目前仍無(wú)法給出一個(gè)完美的成巖模式,但地幔物質(zhì)與下地殼物質(zhì)同熔及快速侵位是一個(gè)比較合理的假設(shè)。在晚加里東至海西期,伴隨著內(nèi)蒙隆起的隆升和燕遼沉降帶的活動(dòng),華北地臺(tái)北緣深大斷裂——尚義一赤城大斷裂的大規(guī)模逆沖作用,地幔物質(zhì)的上涌,導(dǎo)致區(qū)域熱流值的升高,與部分太古宙變質(zhì)巖類發(fā)生混熔作用并快速上升侵位,形成弱分異的正長(zhǎng)巖巖漿巖。在同一構(gòu)造帶中廣泛產(chǎn)出印支至早燕山期(268?190Ma)的富堿侵入巖類,εNd(t)和εSr(t)的變化范圍分別為-17.2?-3.2和11.7?71.5(Yanetal.,1999),也表明古生代區(qū)內(nèi)可能存在比較強(qiáng)烈的殼幔相互作用。雜巖體的Sr、Nd、Pb同位素組成特征明顯支持這一成因假設(shè)。4.2巖石學(xué)和年代學(xué)及熱事件水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體的形成年齡也是個(gè)有爭(zhēng)論的問(wèn)題,對(duì)巖體的定年涉及到對(duì)巖體成因及與正長(zhǎng)巖雜巖體有關(guān)的金成礦問(wèn)題的探討,有必要作一簡(jiǎn)單討論。不同的研究者用不同的方法所給出的同位素年齡值變化很大。K-Ar法所給出的年齡值在126?564Ma,且主要集中分布在160?220Ma范圍內(nèi)(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)黃金指揮部,1996)。由于長(zhǎng)石、角閃石等造巖礦物易受后熱事件的影響,K-Ar法很難給出正確的地質(zhì)年齡。大量的Rb-Sr,Sm-Nd同位素組成分析表明,該雜巖體成巖過(guò)程中巖石的Rb-Sr、Sm-Nd同位素體系未達(dá)到同位素平衡。根據(jù)本研究所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合所得出的四條假等時(shí)線的年齡值在354.6±70.9Ma(MSWD=0.434)～103.2±10.8Ma(MSWD=1.72)范圍內(nèi)變化。其他研究者所給出的Rb-Sr等時(shí)線年齡變化范圍在260?749Ma(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)黃金指揮部,1996)。巖石的Sm-Nd同位組成無(wú)論是其組成礦物內(nèi)部還是不同巖類之間均明顯存在同位素不平衡,不可能給出合理的地質(zhì)年齡數(shù)據(jù)。鋯石作為一種穩(wěn)定的副礦物具有較高的U-Pb封閉溫度,一般認(rèn)為鋯石U-Pb法是一種較“理想”的定年手段(李獻(xiàn)華等,1990),但水泉溝正長(zhǎng)巖雜巖體中普遍存在鋯石的環(huán)帶和重結(jié)晶現(xiàn)象,給鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)的解釋帶來(lái)了困難。梁華英等(1998)用單顆粒鋯石鉛蒸發(fā)-沉淀法對(duì)東坪石英堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖中的鋯石進(jìn)行的測(cè)定所給出的年齡為1.6?1.7Ga?？紤]到巖體中鋯石的繼承性,筆者等認(rèn)為鋯石的U-Pb不一致線的下交點(diǎn)(454±40Ma)可能更能接近巖體的結(jié)晶年齡。陸松年等(1997)對(duì)下三道河村西采石場(chǎng)的石英堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖中選出的淺紫色透明不規(guī)則狀鋯石的化學(xué)稀釋法得到了完全諧合的顆粒鋯石年齡,即410.5±1.4Ma;苗來(lái)成等(2001)用SHRIMP方法測(cè)定了東坪礦區(qū)及后溝石英堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖中鋯石U-Pb年齡分別為390±6Ma和386±6Ma。鋯石U-Pb年齡結(jié)果高于包志偉等(1996)報(bào)道的下雙臺(tái)輝石角閃正長(zhǎng)巖中的角閃石(鐵韭閃石)的Ar-Ar坪年齡(327.4±9Ma),這種差異可能是雜巖體中的角閃石不同程度的綠簾石化造成了一定程度的Ar丟失而使所給出的年齡值偏低。后期熱事件的疊加也可能造成角閃石給出看似完美的坪年齡(Berger,1975),因此,角閃石所給出的Ar-Ar年齡可能低于其巖體實(shí)際結(jié)晶年齡。而由于成巖母質(zhì)中含有一定量的下地殼物質(zhì),存在下地殼與地幔鉛同位素體系的混合作用,可能會(huì)使所計(jì)算出的U-Pb年齡值略偏高。所以,正長(zhǎng)巖雜巖的實(shí)際結(jié)晶年齡應(yīng)略低于410Ma(顆粒鋯石U-Pb年齡)但高于327Ma(角閃