内蒙古赵井沟钾长花岗岩锆石U-Pb定年、Hf同位素和岩石地球化学特征

张 超，李志丹，李效广，奥 琮，俞 安，王佳营，李光耀，张 祺，段 明

(中国地质调查局天津地质调查中心， 天津 300170)

乌拉山-大青山成矿带为华北板块北缘重要贵金属及稀有金属成矿带，属于大青山推覆构造体系，近东西向断裂带发育，是内蒙古境内重要的钨、铁、铜、金、稀有金属成矿带(图1)(俞●安等， 2009； 杨亮， 2010； 杨文瑞等， 2010； 侯万荣等， 2011； 陈志广等， 2012； 聂风军等， 2013)。赵井沟铌钽矿位于成矿带中部呼和浩特市武川县境内，为一大型稀有金属矿床，储量在8 000吨以上(聂凤军等， 2013)。赵井沟黑云母钾长花岗岩是矿区内的主要侵入岩体，呈不规则状分布于矿区中部和东南部，出露面积约2 km2(图2b)。前人对矿区内与成矿有关的岩体进行过岩石学、岩相学及年代学研究(Hao， 2012； 聂凤军等， 2013； 柴华等， 2013； 黄从俊等， 2013； 高允等， 2017)，但对矿区内与成矿有密切关系的黑云母钾长花岗岩的时代和形成机制未给予应有的关注。为此，本文将以矿区内与成矿有关的细粒黑云母钾长花岗岩为对象，通过岩石地球化学、锆石U-Pb定年及Hf同位素特征分析，并结合前人研究成果，查明其时代、成因机制及其对成矿作用的制约。

图 1 内蒙古乌拉山-大青山一带地质矿产简图[a据Zhao和Cawood(2012)修改， b据王梁等(2015)修改]Fig.1 Simplified geological map of the Wulashan-Daqingshan area, Inner Mongolia (a modified after Zhao and Cawood, 2012;b modified after Wang Liang et al., 2015)

1 矿床地质概况

赵井沟铌钽矿区内出露的地层为石炭纪变质砾岩、粗砂岩及前寒武纪变质砂岩、石英岩和千枚岩，其间呈断层接触。第四系主要分布于沟谷、洼地中，主要为冲积、洪积及砂砾层等，呈松散状。区内构造为NE向和NW向两组韧性-脆韧性断裂带，总体上早期以北西向韧性剪切为特征，晚期以北东向脆性推覆构造为特点，其中规模较大的断裂有F1、F2、F3、F4、F5(图2b)。

区内的侵入岩体分布于矿区西南部，有早元古代闪长岩(Pt1δ)、二叠纪中粗粒花岗岩(Pγ)及早白垩世肉红色细粒钾长花岗岩(γ)，后者构成矿区内侵入岩的主体，与成矿关系密切。此外，矿区内还发育大量的脉岩，主要类型有花岗细晶岩脉、含钨石英脉、含天河石钠长石化花岗岩脉和含天河石花岗伟晶岩脉，它们受原生构造裂隙控制，其中含天河石钠长石化花岗岩脉是主要含铌钽矿岩脉。

矿区内现已发现W矿和Nb-Ta矿，呈脉状分布于石炭系拴马桩组中，呈单斜产出，局部有小褶曲及裂隙，走向一般为20°～40°，倾向北西，倾角15°～25°。地层中解理裂隙发育，多属剪性裂隙，裂隙按产状大体上分为北东、近东西向两组，延伸较远，倾角一般较陡，前者30°～70°，后者一般在80°左右。含矿岩脉多沿此两组裂隙分布，其中含铌钽矿钠长石化花岗岩主要充填于北东向裂隙中，是该区主要容矿构造。近东西向裂隙主要充填有含钨石英脉，从岩脉穿插关系来看，北东向裂隙先于近东西向裂隙形成，给各种矿化及成矿创造了良好条件(图2)。

矿区位于赵井沟、脑包山一带，东西宽约2.8 km，南北长约7.4 km，形状为不规则状，面积约18 km2。出露地层主要为中元古界渣尔泰山群(ChQnZ)、石炭系拴马桩组(C2sh)和少量第四系(Q)。矿区内出露的渣尔泰山群为一岩组地层，主要分布于矿区南部，出露面积约3.5 km2，呈近东西向分布，主要岩性有千枚岩、变质砂岩和片理化变质砂岩。石炭系拴马桩组主要分布于矿区北部，出露面积约12 km2，亦呈近东西向分布，与下伏渣尔泰山群呈断层接触，铌钽矿体赋存于该组地层近北东向裂隙中，主要出露岩性为轻变质砾岩和砂岩。第四系主要分布于沟谷、洼地中，主要为冲积、洪积及砂砾层等，呈松散状。

2 黑云母钾长花岗岩特征

黑云母钾长花岗岩(Kγ)呈不规则状分布于矿区东南部和中部，侵位于早元古代和石炭纪地层中，出露面积约2 km2(图2)。岩石为肉红色，块状构造，中-粗粒花岗结构，块状构造(图3a、3b)，主要矿物为石英、钾长石、斜长石和少量黑云母，副矿物主要有锆石、磷灰石等，其中石英呈它形-半自形粒状，粒度0.1～1 mm，波状消光，含量35%；钾长石呈自形-半自形柱状，粒度0.1～0.6 mm，轻度蚀变，具卡式双晶，含量30%；斜长石呈自形-半自形柱状，粒度0.2～0.8 mm，具聚片双晶，含量20%；黑云母呈自形-半自形片状，粒度0.2～0.6 mm，含量15%(图3c、3d)。该岩体局部存在轻度Nb-Ta矿化，其中Nb2O5含量为0.01%～0.025%，Ta2O5含量为0.001%～0.002 5%。

3 样品及分析测试

实验样品均来自于赵井沟铌钽矿南部细粒黑云母钾长花岗岩体，采样坐标为E 41°08′10″，N111°46′59″，所有样品都是经挑选的无蚀变或蚀变较弱的样品。

用于地球化学样品分析的黑云母钾长花岗岩样品16ZG-23处理时首先去除其表面附着物及风化物质，而后低温烘干24 h，剔除样品中的所有脉体，最后将样品粉碎至200目，以备测试。

图 3 赵井沟铌钽矿钾长花岗岩野外露头和手标本(a、b)和正交偏光显微(c、d)照片 Fig.3 Petrological features (a, b ) and microphotographs under crossed nicols(c and d) of K-feldspar granite in the Zhaojinggou Nb-Ta depositQtz—石英； Kfs—钾长石； Pl—斜长石； Bi—黑云母Qtz—quartz; Kfs—K feldspar; Pl—plagioclase; Bi—biotite

锆石颗粒由廊坊宇能岩石矿物分选技术服务有限公司挑选，然后将单矿物粘贴在环氧树脂表层，待固化后对其进行打磨、清洗及抛光处理至表面光洁干净，进行透反射和阴极发光(CL)照相分析，选取最佳测试锆石区域，然后由北京锆年领航科技有限公司完成锆石制靶，中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成锆石照相工作。

中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成主微量元素、Hf同位素分析及锆石定年等工作。锆石U-Pb同位素测试实验流程和仪器配置参见李志丹等(2016)。以标准锆石GJ-1作为外部锆石年龄标样进行仪器U、Pb同位素分馏校正，采用ICPMSDataCal(Liuetal.， 2010)程序进行年龄数据处理，采用Isoplot(Ludwig， 2003)程序进行加权平均年龄计算及谐和图的绘制，采用NIST SRM610玻璃标样作为外标计算锆石中的Pb、Th、U含量，采用208Pb校正法对普通铅进行校正。测试数据误差为1σ。

主量元素采用PW4400型X荧光光谱仪(XRF)测定，分析误差低于5%，FeO采用氢氟酸-硫酸溶样、重铬酸钾滴定的方法，分析误差低于2%；微量元素和稀土元素采用X-seriesⅡ型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定，当元素含量大于10×10-6时，相对标准误差优于5%，当元素含量小于10×10-6时，相对标准误差优于10%。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb定年

锆石显微观察显示， 赵井沟黑云母钾长花岗岩 (样品16ZG-23) 锆石呈宽板状或不规则状， 晶体呈自形柱状， 长度70～120 μm， 宽度40～80 μm， 长宽比介于1.5∶1～1∶1之间。 阴极发光图像显示锆石震荡环带清晰， 部分具扇形分带(图4)。 锆石U-Pb定年分析结果见表1， 测试数据误差为1σ。 由表1可见， 锆石的U含量变化于277×10-6～8 134×10-6之间， Th含量为95×10-6～2 513×10-6，Th/U值在0.06～0.80之间(表1)，具有岩浆锆石特征。

样品16ZG-23中的26颗锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果表明锆石206Pb/238U年龄集中分布于130～122 Ma区间(表1)，在谐和图上集中分布于125 Ma区域，加权平均年龄为125±1 Ma(n=26， MSWD=2.8， 95%置信度)(图5)，反映锆石的结晶时代，同时也是对钾长花岗岩侵入时代的反映。

图 4 锆石阴极发光图片Fig. 4 Cathodoluminescence images of zircons

4.2 岩石地球化学

赵井沟地区黑云母钾长花岗岩全岩的主量、微量元素分析结果见表2。黑云母钾长花岗岩具有高的硅含量(SiO2=75.83%～76.70%)、较高的碱含量(Na2O+K2O=8.67%～9.07%，平均8.86%)、中等的铝含量(Al2O3=12.53%～12.84%)、低的P2O5(0.02%～0.028%)和CaO(0.32%～0.44%)含量，里特曼指数介于2.26～2.48之间，FeOT/MgO值介于20.68～91.63之间，平均值为56.62。在(K2O+Na2O)-SiO2图上，数据点全部集中落入花岗岩区域(图6)；铝饱和指数(A/CNK)为0.97～1.02，在K2O-SiO2图上，数据点落入高钾钙碱性系列区域(图7a)，在A/NK-A/CNK图解中数据点集中于弱准铝质与弱过铝质区域(图7b)。

图 5 锆石LA-ICP-MS U-Pb定年谐和图Fig. 5 Zircon LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram

续表 2 Continued Table 2

图 6 赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩的(K2O+Na2O)-SiO2图解(底图据Middlemost， 1994)Fig. 6 Biotite K-feldspar granite samples from the Zhaojinggou Nb-Ta deposit plotted on (K2O+Na2O)-SiO2 (base dia-gram after Middlemost， 1994)

赵井沟铌钽矿岩浆岩的稀土元素球粒陨石标准化配分曲线具有极强的负Eu异常(δEu=0.01～0.02)，总体上呈非常典型的V字形(图8a)，与典型A型花岗岩稀土元素特征(Whalenetal.， 1987)相类似。稀土元素总量较低且变化范围相对不大(ΣREE=43.05×10-6～107.31×10-6，平均为74.89×10-6)，轻稀土元素富集，重稀土元素相对亏损，LREE/HREE=2.31～10.56，(La/Yb)N=1.89～9.60。微量元素标准化蛛网图(图8b)显示赵井沟铌钽矿钾长花岗岩明显亏损Ba、Sr、P、Ti等元素，富集高场强元素(HFSE)如Nd、Hf、Y和大离子亲石元素(LILE)如Rb、Th、U等。10 000 Ga/Al值变化于2.86～3.54之间，平均值为3.28，明显高于世界S型(2.39)花岗岩和I型(2.25)花岗岩平均值(Whalenetal.， 1987)，具有A型花岗岩特征。

图 7 赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩的K2O-SiO2图(a， 实线据Peccerillo and Taylor, 1976; 虚线据Middlemost， 1985)和含铝指数图(b， 据Maniar and Piccoli， 1989)Fig.7 K2O versus SiO2 diagram (a, solid line after Peccerillo and Taylor,1976; dotted line after Middlemost， 1985) and alumin-ous index diagrams (b, after Maniar and Piccoli， 1989) for biotite K-feldspar granite in the Zhaojinggou Nb-Ta deposit

图 8 赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(球粒陨石和原始地幔标准化数值据Sun and McDonough， 1989)Fig. 8 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b) for biotite K-feldspar granite in the Zhaojinggou Nb-Ta deposit (chondrite and primitive mantle values after Sun and McDonough， 1989)

4.3 锆石Hf同位素特征

在锆石U-Pb年代学测试的基础上，对已获得年代数据的26颗锆石进行了原位Hf同位素测试。其中16ZG.23.3、16ZG.23.16、16ZG.23.22及16ZG.23.24点在测试中受剥蚀程度和激光半径等的影响出现测试样成分混合的情况，数据信号具有较大波动，因而去除。具体测试结果(表3)显示，176Yb/177Hf和176Lu/177Hf的比值范围分别为0.012 5～0.084 5和0.000 5～0.003 0，εHf(t)值变化在-15.42～-5.55之间，平均值为-9.64；176Hf/177Hf值范围为0.282 189～0.282 479，平均值为0.282 360；根据锆石U-Pb年龄计算的亏损地幔二阶段模式年龄tDM2变化范围为2 247.24～1 640.62 Ma，平均值为1 876.03 Ma。

5 讨论

5.1 成岩时代

研究区属于大青山呼和浩特伸展拆离断层带，Davis和Darby (2010)从离研究区不远的该断层带下盘和上盘的黑云母和透长石中得到的40Ar-39Ar同位素年龄分别为125.8±0.6 Ma和121.4±0.75 Ma，认为伸展变形发生在126～121 Ma(刘正宏等， 2003)。锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果表明，锆石年龄集中分布于130～122 Ma区间(表1)，在谐和图上，集中于125 Ma附近，其平均年龄值为125±1 Ma(MSWD=2.8)(图5)。阴极发光图像显示大部分锆石呈灰黑色宽板状或不规则状，晶体形态相对较好，具有较暗的发光性，发育明显的岩浆振荡环带(图4)，具有典型的岩浆锆石特点，且可能被后期流体改造。结合测试点都分布在谐和线上的特点，说明样品锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄代表了黑云母钾长花岗岩的结晶年龄，证明成岩时代与大青山伸展变形同时代发生。另外，高允等(2017)得到的白云母坪年龄123.57±0.66 Ma(成矿年龄)和等时线年龄124.0±2.0 Ma(成岩年龄)相契合，也表明成岩时代与成矿时代相同(张超， 2014)，揭示赵井沟铌钽矿的成矿作用与黑云母钾长花岗岩岩浆活动存在密切成因联系。

表 3 锆石Hf同位素分析结果Table 3 Zircon Hf isotopic compositions

5.2 岩石成因

该地区位于临近中亚造山带的华北地台北缘，古生代经历古亚洲洋演化的过程，中生代受到华北克拉通减薄影响(陈志广， 2012)，经历了多期韧性剪切变形、推覆和褶皱等构造运动的影响，总体上早期以韧性剪切为特征，晚期以脆性推覆构造为特点，先后形成了较为复杂的构造-岩浆体系。

世界上S型、M型、I型花岗岩的划分均由其源岩性质决定，而A型花岗岩的分类不涉及其成岩物质来源，其特征为： ① REE具有明显的负Eu异常； ② 高Zr、Nb、Ga和Y； ③ 富SiO2； ④ 贫Al2O3、Ba、Sr、P和Ti(苏玉平等， 2005； 贾小辉等， 2009； 吴锁平等， 2007； 张旗， 2013)； ⑤ 以三“A”为特征，即非造山(anorogenic)、碱性(alkaline)、无水(anhydrous)(Loiselle and Wones, 1979)。通过数据对比，发现赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩具有典型A型花岗岩特征，即其稀土元素配分曲线呈典型的V字形，富SiO2，贫Al，明显亏损Sr、P、Ba、Ti等元素、10 000 Ga/Al值明显高于世界S型(2.39)花岗岩和I型(2.25)花岗岩的平均值(Whalenetal., 1987)。在A型花岗岩微量元素判别图(Whalenetal., 1987)中，所有样品数据均落入A型花岗岩的范围内(图9)，在A型花岗岩亚类判别图(Eby, 1990)中，均落入A1型区域内(图10)。综上所述，赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩成因类型为A1亚类的A型花岗岩。

5.3 构造环境判别

花岗岩的微量元素组成明显受其成岩构造环境的制约，将赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩样品投点于Rb-(Y+Nb)构造环境判别图解中，所有样品均落入板内环境中(图11)。这种环境有利于岩浆演化作用和底侵作用的发生，从而形成A型花岗岩(肖庆辉等， 2009)。

图 9 赵井沟铌钽矿钾长花岗岩10 000 Ga/Al-Ce、Zn、Nb、Zr、Y和K2O+Na2O图解(底图据Whalen et al., 1987)Fig. 9 Diagrams of 10 000 Ga/Al-Ce, Zn, Nb, Zr, Y and K2O+Na2O for K-feldspar granite in the Zhaojinggou Nb-Ta deposit (base map after Whalen et al., 1987)

图 10 赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩的Nb-Y-3 Ga和Nb-Y-Ce图解(底图据Eby et al., 1990)Fig.10 Nb-Y-3 Ga and Nb-Y-Ce diagrams for biotite K-feldspar granite in the Zhaojinggou Nb-Ta deposit (base map after Eby et al., 1990)

近年来在东北亚显生宙大陆演化研究中识别出一个超大面积的早白垩世巨型地壳伸展省(Wangetal.， 2011， 2012)，其地质特征包括一系列变质核杂岩、断陷盆地及大规模火山喷发活动(Mengetal.， 2003； Wangetal.， 2006； Donskayaetal.， 2008)。新获得的赵井沟花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为125±1 Ma(MSWD=2.8)，表明其侵位于早白垩世，形成年龄与内蒙古中东部包括大青山造山带大多数后造山A型花岗岩的年龄一致，与华北北缘150～110 Ma期间后造山阶段的晚期强烈伸展拉张阶段相吻合(刘红涛等， 2002)，属于东北亚显生宙巨型地壳伸展省，印证了大青山造山带在早白垩世为后造山伸展拉张构造演化阶段。

图 11 赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩构造环境判别图解(底图据Pearce， 1996)Fig. 11 Discrimination diagrams of tectonic setting for biotite K-feldspar granite in the Zhaojinggou Nb-Ta deposit (base map after Pearce， 1996)Syn-COLG—同碰撞花岗岩； VAG—火山弧花岗岩； ORG—洋脊花岗岩； WPG—板内花岗岩Syn-COLG—syn-collision granites; VAG—volcanic arc granites; ORG—ocean ridge granites; WPG—intraplate granites

5.4 岩浆源区特征

由于锆石Lu-Hf同位素体系封闭温度较高，其比值不会随后期部分熔融或分离结晶等岩浆作用而发生变化( Schereretal.， 2000)，因此锆石原位Hf同位素分析是示踪岩浆源区的重要方法之一(Griffinetal.， 2000； Bouvieretal.， 2008； 周振华等， 2014； 关俊雷等， 2014； 赵辛敏等， 2014； 原垭斌等， 2014)。锆石εHf(t)值反映了岩浆源区的成分特征，通常认为低的εHf(t)值指示岩浆组分由古老基底下地壳物质熔融形成，并未受幔源组分影响，而偏高的εHf(t)值则指示其形成受到了幔源岩浆的加入及不同程度的混染及结晶作用影响(邱检生等， 2008)。赵井沟铌钽矿细粒黑云母钾长花岗岩岩浆锆石的εHf(t)值为-15.42～-5.55，全部为负值且值较低；同时，在εHf(t)-t图解(图12)中，绝大多数样品点落在下地壳和地壳平均区域，显示赵井沟铌钽矿花岗岩岩体源岩物质主要来源于下地壳。

图 12 赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩的锆石Hf同位素演化图解Fig. 12 Hf isotopic diagram of the biotite K-feldspar granite in the Zhaojinggou Nb-Ta deposit

赵井沟花岗岩锆石的176Lu/177Hf值为0.000 5～0.003 0，且大多数小于0.002，表明锆石在花岗岩岩体形成之后漫长的演化过程中176Lu衰变生成的176Hf极少，所以锆石176Lu /177Hf值可以为讨论岩体成因提供重要信息(吴福元等， 2007 )。同时，样品所有测点的fLu/Hf值介于-0.98～-0.91之间，明显小于铁镁质地壳fLu / Hf值(-0.34)和硅铝质地壳fLu / Hf值(-0.72，Vervoortetal.， 1996)，故二阶段模式年龄(tDM2)更能反映其源区物质在古老下地壳的平均留存年龄。其岩浆锆石的二阶段模式年龄tDM2为2 247.24～1 640.62 Ma远远大于岩体锆石U-Pb年龄(125 Ma)，暗示本区古元古代时期发生了一次重要的地壳增生事件(吴福元等， 1999； 隋振民等， 2010)。

受岩石圈地幔上拱作用和早期各种深大断裂活化等的影响，上地壳火山-沉积岩和下地壳基性岩均有可能发生变质变形及部分熔融；同时，古老地壳熔融形成的岩浆在各种地质条件下上升过程中受到上地壳不同程度的混染，进而产生富碱含铌钽中酸性岩浆，形成规模不等、空间形态分布不同的花岗岩类侵入岩，赵井沟铌钽矿黑云母钾长花岗岩就是此阶段岩浆作用的产物(聂风军等， 2013)。

6 结论

(1) 锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果表明赵井沟铌钽矿花岗岩体形成年龄为125±1 Ma；

(2) 岩石地球化学分析结果表明，矿区晚古生代白垩纪花岗岩为准铝-弱过铝质、高钾钙碱性系列，轻稀土元素富集，具极强的Eu负异常，大离子亲石元素(Rb、Th、U)和高场强元素(Nd、Hf、Y)强烈富集；

(3) 矿区钾长花岗岩成因类型为A1亚类的A型花岗岩；

(4) 花岗岩体主要是在多种地质因素影响下由部分下地壳物质熔融形成，在后期上升过程中受少量上地壳物质混染；

(5) 赵井沟铌钽矿钾长花岗岩成岩时代与成矿时代相同，揭示黑云母钾长花岗岩岩浆活动与铌钽矿的成矿作用存在密切成因联系。