河北宣化姜家寨铁矿床串岭沟组底部碎屑锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄及其地质意义**

段超 李延河 魏明辉 杨云 侯可军 陈小丹 邹斌DUAN Chao, LI YanHe, WEI MingHui, YANG Yun, HOU KeJun, CHEN XiaoDan and ZOU Bin

1. 国土资源部成矿作用和资源评价重点实验室，中国地质科学院矿产资源研究所，北京 1000372. 河北省地勘局第三地质大队，张家口 0750001. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China2. The 3rd Geological Team of Hebei Geology and Mining Bureau, Zhangjiakou 075000, China2013-09-10 收稿, 2013-11-25 改回.

1 引言

华北克拉通是全球最古老的克拉通之一，具有3.8Ga的漫长的演化历史, 经历了多阶段的构造演化和强烈的变质改造，记录了几乎所有的地壳早期演化与中生代以来的重大构造事件(翟明国，2004，2008，2012；Zhaoetal.，2005；Luetal., 2008；吴昌华，2007；王惠初等，2011；郑永飞和吴福元，2009；朱日祥和郑天愉，2009)(图1)。目前，对华北克拉通前寒武纪演化过程的认识仍存在较多的争议(翟明国，2012；翟明国和彭澎，2007；Kusky and Li，2003；Polatetal., 2006；Li and Kusky，2007；Zhaoetal., 2001，2005，2012；Kröneretal., 2005a，b)。通过对华北克拉通沉积岩、变质岩和岩浆岩的锆石年代学研究，逐步精确地厘定了华北克拉通地质演化序列，以及前寒武纪地层的形成时代框架(李怀坤等，2011；和政军等，2011)。

华北克拉通前寒武纪矿产资源丰富，铁、稀土、铅锌、菱镁矿等储量巨大，其形成与克拉通的演化关系密切，表现出特征的时空分布规律(翟明国，2010；沈保丰等，2006)。铁矿床是华北克拉通前寒武纪最重要的矿产之一，条带状硅铁建造(BIF)型铁矿床是华北克拉通前寒武纪的标志性矿产，其资源储量约占我国沉积变质型铁矿总量的80%，形成时代集中于2.5～2.6Ga(赵一鸣，2013；李延河等，2011，2012；李厚民等，2012；万渝生等，2012；张连昌等，2012；沈保丰，2012)。此后发育的铁矿床主要有与斜长杂岩体有关的钒-钛-铁-磷矿床(大庙式)(1720Ma前后)(孙静等，2009；赵太平等，2004；Yeetal.，1996；周永昶和袁朝，1989)、与陆缘-浅海沉积有关的沉积型铁矿床(宣龙式)以及白云鄂博稀土-铌-铁矿床。

图2 样品标本采样位置(a、b)及显微镜下照片(c、d)Fig.2 Outcrop photos of the sandshale (a, b) and its micrographs (c, d)

其中，宣龙式铁矿床是我国铁矿床中沉积成因铁矿床的重要代表，尽管其形成规模较小，但形成于克拉通两次重要事件(25亿年、18亿年)之后，是华北克拉通前寒武纪成岩成矿作用的一部分，对成矿作用演化及地质构造环境演化的研究具有重要的标示意义。但是，目前对它的形成时代以及与其他前寒武纪铁矿床成因联系等方面的研究较少。宣龙式铁矿主要发育于河北宣化一带，赋存于中元古代串岭沟组底部。本文对宣化姜家寨宣龙式铁矿床顶部砂页岩中碎屑锆石进行年代学研究以期约束宣龙式铁矿床的成矿时代，并为揭示华北克拉通中元古代前的演化提供新证据。

2 地质背景和样品特征

根据目前比较流行的一种观点，华北克拉通可划分为三个次级构造单元：东部陆块、西部陆块和中部造山带(Zhaoetal., 2001，2005)。其中，中部带以信阳-开封-石家庄-建平断裂带和华山-离石-大同-多伦断裂带分别与东、西陆块为界。姜家寨铁矿床属于宣龙式铁矿，地处宣化以西45km、龙关镇以南8km，位于华北克拉通中部带北部(图1)，燕山台褶带宣龙复式向斜中。铁矿床呈层状赋存于长城系串岭沟组底部砂页岩。该层砂页岩在宣化地区广泛分布，有的地段碳含量较高，呈黑色，富钾。测试样品采自矿体顶板砂页岩(图2)，采样点地理座标为E115°34′54.66″，N40°42′24.73″。岩性为砂页岩，呈块状构造，夹薄层砂岩(1～2cm)，主要组成矿物为石英(30%～35%)、泥质成分约60%，含少量的长石、绿泥石和白云母等(图2)。

3 测试方法与结果

3.1 测试方法

测试样品经破碎后，通过常规重力和磁选方法分选出锆石，在双目镜下挑选。将待测锆石颗粒置于环氧树脂中制靶，然后磨至一半，用于透射、反射、阴极发光(CL)图像分析和U-Pb定年测试。锆石阴极发光图像分析在中国地质科学院地质研究所离子探针中心HITACHI S3000-N型扫描电子显微镜上完成。

图3 姜家寨宣龙式铁矿串岭沟组底部砂页岩典型碎屑锆石阴极发光照片与年龄数据Fig.3 Ages and cathodoluminescence images of zircons from the lower part of the Chuanlinggou Formation in Jiangjiazhai iron deposit

LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年测试分析在中国地质科学院矿产资源研究所MC-ICP-MS实验室完成，锆石定年分析所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统。所用激光剥蚀斑束直径为25μm，频率为10Hz，能量密度约为2.5J/cm2，以He为载气。信号较小的207Pb，206Pb，204Pb(+204Hg)，202Hg用离子计数器(multi-ion-counters)接收，208Pb，232Th，238U信号用法拉第杯接收，实现了所有目标同位素信号的同时接收并且不同质量数的峰基本上都是平坦的，进而可以获得高精度的数据。均匀锆石颗粒207Pb/206Pb，206Pb/238U，207Pb/235U的测试精度均为2%(2σ)左右，对锆石标准的定年精度和准确度在1%(2σ)左右。LA-MC-ICP-MS激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式，数据分析前用锆石GJ-1(年龄600Ma，Jacksonetal.，2004)进行调试仪器，使之达到最优状态， 锆石U-Pb定年以锆石GJ-1为外标，U、Th含量以锆石M257(U：923×10-6；Th：439×10-6； Th/U：0.475， Nasdalaetal.，2008)为外标进行校正。测试过程中在每测定10个样品前后重复测定两个锆石标准，对样品进行校正，并测量一个锆石标准Plesovice，观察仪器的状态以保证测试的精确度。数据处理采用ICPMSDataCal程序(Liuetal.，2010)，测量过程中绝大多数分析点206Pb/204Pb>1000，未进行普通铅校正，204Pb由离子计数器检测，204Pb含量异常高的分析点可能受包体等普通Pb的影响，对204Pb含量异常高的分析点在计算时剔除，锆石年龄谐和图用Isoplot 3.0程序获得。详细实验测试流程可参见侯可军等(2009)文章。样品分析过程中，Plesovice标样作为未知样品的分析结果为335.6±4.7Ma(n=10，2σ)，对应的年龄推荐值为337.13±0.37(2σ)(Slámaetal.，2008)，两者在误差范围内完全一致。单个测定的数据点误差采用1σ，年龄结果采用207Pb/206Pb加权平均值，误差为2σ(95%的置信度)。

3.2 测试结果

本文对姜家寨铁矿床矿体上覆围岩样品100颗碎屑锆石进行了年代学测试，锆石颗粒磨圆度好，呈浑圆状，粒径大小不一分布于100～500μm(图3)，测试结果见表1。去掉其中6个谐和度低于95%的测试年龄。94颗锆石Th含量为5×10-6～561×10-6；U含量为8×10-6～220×10-6；Th/U比值为0.2～4.5，多数点集中于0.5～1.5之间(图4)。测试锆石Th/U比值多大于0.4，且环带发育，多为岩浆成因，代表沉积岩源区锆石寄主侵入岩或火山岩的形成年龄(图4)。

图4 锆石Th/U-年龄图解Fig.4 Diagram of Th/U vs. age of zircons from the Chuanlinggou Formation

碎屑锆石年龄测试结果通过线性概率和概率密度分析(图5)，识别出三组主要峰值年龄，对他们进行加权平均年龄计算得出：(1) 1738.9～1799.1Ma，加权平均年龄为1774.1±7.9Ma(n=21，MSWD=0.72)；(2) 1838.9～1857.1Ma，加权平均年龄为1849.0±7.8Ma(n=22，MSWD=0.08)；(3) 2435.5～2464.8Ma，加权平均年龄为2453.0±7.8Ma(n=10，MSWD=0.71)(图5、图6)。此外，碎屑锆石年代学测试显示，在1872.2～1906.5Ma，1944.5～1999.7Ma出现较小峰值，少量锆石年龄散布于2068.2～2394.4Ma及2525.6～2611.11Ma(图5)。测试结果中存在4颗较年轻的岩浆成因碎屑锆石谐和年龄： JJZ12-08-2，1657.4±17.4Ma；JJZ12-08-1，1661.1±12.2Ma；JJZ12-08-84，1683.3±20.2Ma和JJZ12-08-17，1694.4±29.6Ma。4颗锆石CL图像显示锆石环带发育，测试位置位于锆石幔部，为岩浆锆石年龄。

图5 姜家寨铁矿串岭沟组碎屑锆石年龄概率分布图(a)和线性概率图(b)Fig.5 Probability density map (a) and linear probability plots (b) of ages of zircons from the Chuanlinggou Formation in Jiangjiazhai iron deposit

4 讨论

4.1 串岭沟组年龄及对成矿时代的约束

近年来，随着高精度锆石年代学测试技术的发展，对华北克拉通中元古代地层的年代学研究有了快速的发展，得到了许多重要的年代学数据(图7)，尤其是对中元古代的地层的时代界限有了新的认识(李怀坤等，2011；和政军等，2011)。

李怀坤等(2011)、和政军等(2011)、高维等(2008)对侵入密云群的环斑花岗岩进行的年代学研究得到其形成时代为1673～1708Ma，由此推断其不整合上覆的常州沟组沉积岩形成时代应不早于1673Ma。高林志等(2009)测得蓟县侵入串岭沟组的辉绿岩形成时代为1638±14Ma。张拴宏等(2013)测得蓟县青山岭侵入串岭沟组闪长玢岩脉锆石年龄为1634±9Ma。此外，孙会一等(2013)测得串岭沟组上部凝灰岩形成时代为1621±12Ma，此数据略小于前人获得的侵入串岭沟组岩脉的年龄，在误差范围内与其相似。根据上述研究，可以初步限定串岭沟组的形成时代应处于1673～1638Ma之间。

本次研究，通过对串岭沟组底部砂页岩碎屑锆石U-Pb年代学研究，获得了4颗较年轻的岩浆锆石谐和年龄(JJZ12-08-2，1657.4±17.4Ma；JJZ12-08-1，1661.1±12.2Ma；JJZ12-08-84，1683.3±20.2Ma和JJZ12-08-17，1694.4±29.6Ma)，进一步的限定了串岭沟组的形成下限，其形成时代不早于1657Ma。串岭沟组的形成时代应处于阈值1657～1638Ma之间，与张拴宏等(2013)推测的串岭沟组沉积的年龄(16.5～16.4亿年)一致。同时，结合本地区常州沟组地层的厚度，本次研究获得的数据亦支持李怀坤等(2011)提出的对长城系地层年代学的修改建议，长城系开始的时间应晚于1673Ma，可能为张拴宏等(2013)推测的16.6亿年。

如上所述，串岭沟组下部砂页岩是宣龙式铁矿床的赋矿层位，对姜家寨铁矿床赋矿围岩的研究约束了其形成时代，同时也制约了铁矿床的形成时代。宣龙式铁矿床的形成时代小于或接近于1657Ma。

4.2 对华北克拉通演化的指示

华北克拉通是全球最古老的克拉通之一， 经历了多阶段的构造演化和强烈的变质改造，目前对华北克拉通的形成时间以及演化过程仍然存在争议，主要有以下三种认识：(1)华北克拉通在太古代已开始形成陆核，然后由多个独立块体拼贴而成(白瑾等，1993；伍家善等，1998；Zhaietal., 2000；翟明国，2010，2012；Zhai and Santosh，2011)，进一步的研究认为华北克拉通在新太古代末(2.5Ga)，微陆块被火山-沉积岩系焊接，随后发生变质作用和花岗岩化，完成稳定大陆的克拉通化，古元古代(1.85Ga)经历了一次挤压构造事件(翟明国，2012；翟明国和彭澎，2007)；(2)华北克拉通东、西块体约于 2.5Ga 左右碰撞拼合(Kusky and Li，2003；Polatetal.，2006；Li and Kusky，2007；Kusky，2011)；(3)华北克拉通西部陆块与东部陆块沿中部带发生碰撞拼合，在1.85Ga形成现今统一的华北克拉通结晶基底(Zhaoetal.，2001，2005，2012；赵国春等，2002； Wildeetal.，2002；Kröneretal.，2005a，b，2006；Wilde and Zhao，2005；Zhangetal.，2007；Wuetal.，2000；刘超辉等，2012)。另有研究认为板块构造主导了古元古代的地壳运动和地幔相互作用，华北克拉通是Columbia超大陆的组成部分(Zhai and Liu，2003； 赵国春等，2002；陆松年等，2002； Zhaoetal.， 2002a，2012；Wildeetal.，2002；Rogers and Santosh， 2002；Santoshetal.， 2006)。

本文研究获得的华北克拉通中部带串岭沟组底部砂页岩中两组峰值年龄2.45Ga和 1.85Ga，分别清楚地记录了太古代晚期(2.5Ga左右)华北克拉通深变质作用和花岗岩化的时代和古元古代(1.85Ga)挤压构造事件或统一的华北克拉通结晶基底形成时代。尽管目前对克拉通拼合时间以及构造演化方式的争议依然存在，但1.8Ga之前的这两次重要的构造-热事件的形成时代在越来越多的得到了精确的趋同的年代学数据的证实(Diwuetal.，2012；刘超辉等，2012；Yangetal.，2012；Wuetal.， 2000； Zhaoetal.，2012；Wilde and Zhao， 2005；Guoetal.，2005；Kröneretal.，2005a，b；翟明国和彭澎，2007；Lietal.，2010；Gengetal.，2006；王惠初等，2005;彭澎和翟明国，2002)。

图6 姜家寨铁矿串岭沟组碎屑锆石三组主要峰值年龄谐和图Fig.6 Concordia plots for the three major age peaks of detrital zircons from the Chuanlinggou Formation in Jiangjiazhai iron deposit

图7 华北克拉通长城系地层锆石U-Pb年代学制约Fig.7 Zircon U-Pb age constraints on the Changcheng System strata in the NCC

华北克拉通在1.85～1.7Ga期间进入伸展构造体制(翟明国和彭澎，2007；Pengetal.，2005)，内部及边部发生了拉张，抬升等地质事件，以富镁基性岩墙、斜长岩-辉长岩-纹长二长岩-环斑花岗岩以及A型花岗岩和富钾火山岩广泛发育为特征，形成时代集中于18～16亿年，对应于古元古代末-中元古代初Columbia全球性的非造山岩浆活动，是一次超大陆裂解事件(Zhai and Liu，2003；翟明国，2004，2012；Windley，1995；郁建华等，1996；Rämöetal.，1995；赵太平等，2004；Zhaoetal.，2002b；彭澎等，2004；Luetal.，2002，2008；任康绪等，2006； Pengetal.，2005，2007；Kröneretal.，2005a, b，2006；杨进辉等，2005；Yangetal.，2012)。

翟明国(2004)研究认为古元古代基性岩墙群均匀的分布在华北克拉通的各个地区，不同地区岩墙的展布特征有所不同，根据变质情况将其分为2类，一类遭受了高压麻粒岩-麻粒岩相变质作用，另一类未变质。其具有大陆碱性玄武岩和橄榄玄武岩的特征，富集Fe-Ti副矿物，有富集地幔的源区特征。变质岩墙多形成于或变质于1920～1890Ma，未变质的岩墙多形成于1800～1760Ma(张臣等，1994；彭澎等，2004)。彭澎等(2004)通过地质地球化学特征对比研究认为，晋冀蒙交界地区高密度发育的基性岩墙群可划分为三组：S-Ⅰ岩群NNW向展布，相对低FeO-TiO2-P2O5，成分相当于高MgO拉斑玄武岩；S-ⅡNNW向展布，岩墙高FeO-TiO2-P2O5，表现为Fenner趋势，由碱性到亚碱性高Fe玄武岩组成；S-EW岩墙EW向展布，表现为Bowen趋势，高Fe拉斑玄武岩和安山岩。他们都经历过壳幔的混染作用，而Fenner和Bowen趋势同时出现与峨眉山大火山岩省的特征类似，源于深部地幔，亦表明了拉张构造环境的特征。Luetal.(2008)对富镁基性岩墙、斜长岩-辉长岩-纹长二长岩-环斑花岗岩以及A型花岗岩和富钾火山岩形成年代学数据总结研究提出在1.8～1.6Ga时间内华北克拉通的拉张事件可分为三幕(时期)：1.78Ga、1.70Ga和1.62Ga。

在这一时期中(1720Ma前后)，以河北大庙地区为代表，发育有典型的矿浆型钒钛磁铁矿-磷灰石矿床。年代学和地球化学研究得出大庙斜长杂岩体中苏长岩(辉长岩)与大庙式钒钛磁铁矿-磷灰石铁矿具有同源特征，铁矿床的形成与斜长岩-苏长岩-辉长岩杂岩体有着密切的联系，是同一幔源岩浆不同演化阶段的产物(孙静等，2009；赵太平等，2004；Yeetal.，1996；周永昶和袁朝，1989)。

本文对姜家寨铁矿床串岭沟组砂页岩碎屑锆石年代学的研究中，测试得到1774.1Ma的峰值年龄与基性岩墙群一致，记录并证实了1.8Ga后在华北克拉通中部带发生的拉张-抬升、壳幔作用和地幔上涌的地质事件，揭示了华北克拉通演化在其不同陆块间演化整体的同一性。目前，尽管对于1.8～1.6Ga发育的富镁基性岩墙、斜长岩-辉长岩-纹长二长岩-环斑花岗岩以及A型花岗岩和富钾火山岩起始时间、相互关系、成岩成矿间的相互作用仍有很多未解答的问题，但是，串岭沟组的峰值年代学数据清楚表明了这次岩浆事件在该地区活动强烈，沉积岩在形成中接受了来自华北克拉通抬升事件中产生的基性岩墙群的剥蚀产物，他们是沉积岩形成中的主要的物质来源之一，基于时间和区域的一致性，我们推断这一时期上述富含铁质的基性岩墙群也极有可能是宣龙式铁矿床中铁质的主要物源之一。

5 结论

(1)对宣化姜家寨铁矿床串岭沟组铁矿体上部砂页岩进行的LA-MC-ICP-MS年代学研究，获得了三组主要的峰值年龄，加权平均值分别为1774.1±7.9Ma、1849.0±7.8Ma和2453.0±7.8Ma。代表了华北克拉通中部带经历的三期较为重要的地质构造、岩浆作用和变质作用事件的时间。

(2)我们获得的4颗较年轻的岩浆锆石，年龄为1657.4～1694.4Ma，这代表了沉积岩形成的时间下限，同时制约了姜家寨宣龙式铁矿床的形成时代不早于1657Ma。

(3)形成于17～18亿年的富铁基性岩墙群是串岭沟组的主要物源之一，其也可能是宣龙式铁矿床中铁质的主要物源之一。

致谢本文在野外地质调查期间得到了河北省地勘局第三地质大队的热情帮助和支持；审稿专家对本文提出了修改意见和下一步工作的建议；在此一并致以衷心的感谢。

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