辽东裂谷大映沟金矿区二长斑岩年代学、地球化学、Hf同位素特征及地质意义

张 朋, 赵 岩, 寇林林, 杨宏智, 毕中伟, 李伫民

(中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳 110034)

辽东裂谷是中国北方重要的金矿成矿区，裂谷内分布一系列大、中、小型金矿床(矿点)。辽东裂谷区主要分为3个金矿集区，分别为猫岭-岫岩金矿集区，主要分布有猫岭金矿、王家崴子金矿、金厂沟金矿、岫岩金矿等；青城子外围白云-小佟家堡子金矿集区，主要有白云金矿、林家金矿等；丹东五龙-四道沟金矿集区，其中分布五龙大型石英脉型金矿和四道沟蚀变岩型中型金矿[1]。辽东裂谷区金矿成矿时代主要分为3期，分别为晚三叠世(～220 Ma B.P.)、早侏罗世(～190 Ma B.P.)和早白垩世(～120 Ma B.P.)[2]；然而在成矿流体来源和矿床成因方面仍然存在较大争议，主要观点有：岩浆热液型金矿[3]，变质热液型金矿[4]，变质热液为主、岩浆热液叠加改造为辅型金矿[5]，层控型金矿[6]，韧性剪切带型金矿[4]。辽东裂谷金矿具有巨大资源潜力，通过详尽的地质找矿勘查工作，在地表及矿床深部发现一批中小型金矿，典型的矿床有杨树金矿、林家三道沟金矿和白云金矿等[7]。长期以来，地质工作者在本区开展的金矿找矿勘探工作均集中在盖县组赋矿层位，其他层位未见发现金矿的报道。然而，近期在辽东猫岭-岫岩金矿集区内岫岩大映沟地区里尔峪组铁矿开采过程中，发现了金矿床，这一新发现为本区金矿找矿勘探提供了新的线索。目前，对该矿床的研究仅限于金矿床的矿石类型、矿物组合和矿石组构等[8]，而有关该矿床成矿时代、矿区内构造岩浆活动、矿床成因和成矿构造背景等方面的研究较为薄弱，严重制约了对辽东裂谷金成矿理论、成矿规律的认识。鉴于此，本文对矿区内分布的与成矿有关的二长斑岩开展年代学、元素和同位素地球化学研究，对岩石成因、成岩时代和成矿背景进行探讨。

1 成矿地质背景

大映沟金矿地处华北克拉通北缘东段(图1-A)，辽吉古元古代裂谷带辽东段(图1-B)。辽东裂谷区是在太古宙克拉通基底之上发展的，裂谷演化经历了拉伸裂陷、沉积、底辟侵入、挤压褶皱、隆升拆离和消亡6个过程[9]。该地区在漫长的地质演化过程中沉积了巨厚的古元古代辽河群地层，自下而上分为浪子山组(Pt1l)、里尔峪组(Pt1lr)、高家峪组(Pt1g)、大石桥组(Pt1d)、盖县组(Pt1gx)[10]。浪子山组为一套火山岩-碎屑岩建造，是铜-钴-铁矿的主要赋矿层位，形成于裂谷初期的拉张破裂环境；里尔峪组主要为一套海底火山喷发沉积作用的产物，伴有少量陆源物质混合的火山-沉积岩建造，是硼矿和磁铁矿的主要含矿层位，形成于裂谷拉张裂陷作用；高家峪组形成于裂谷中期隆升阶段，为浅海-滨海相，富含有机质部分为火山碎屑的碳酸盐-陆源黏土-碎屑沉积建造，主要岩性有黏土岩、砂岩和碳酸盐岩；大石桥组形成于裂谷晚期，为碳酸盐沉积建造，主要岩性为灰岩和白云岩，含铅、金、银等成矿元素；盖县组形成于裂谷沉陷作用，主要岩性为黏土岩、长石砂岩和硬砂岩，该层位与大石桥组接触部位是辽东裂谷金的主要赋矿层位[11]。

裂谷内岩浆活动频繁，对矿床的形成起着极为重要的作用。裂谷演化晚期，形成古元古代的钠质花岗岩，如青城子多金属矿集区的大顶岩体(侵位时间为1 869±16 Ma B.P., SHRIMP U-Pb)[12]，该阶段构造岩浆活动是地层内成矿元素迁移活动的热源。中生代构造岩浆活动最为强烈，在印支中期和燕山早期到达高峰，强烈的岩浆活动是区内Au、Ag、Pb、Zn等矿床形成必不可少的再一次热动力。

根据构造环境，裂谷区划分为北缘斜坡、中央凹陷和南缘浅台(图1-B)[13]，3个不同构造环境都经历了火山沉积、区域变质变形和中生代构造岩浆活动, 但中央凹陷表现最为强烈, 成矿作用也更加强烈[11]。中央凹陷区构造主要为深大断裂，断裂方向有EW、NW、NE。在中央裂谷区，EW和NE向构造交汇形成特有的菱形格状构造体系, 该构造体系与成矿密集区相吻合, 派生的次级构造亦发育, 控制矿床和矿体的空间分布。

图1 研究区及周边地质图Fig.1 Geological maps of the study area and its surrounding area(A)大地构造格架图(据文献[2]); (B)辽吉古元古代裂谷构造分带图(据文献[9]); (C)辽东岫岩大映沟矿区地质图

2 矿区及矿床地质特征

2.1 矿区地质特征

通过野外地质调查发现，大映沟金矿体主要分布在里尔峪组第二段地层中，主要岩性为电气石斜长变粒岩，含磁铁矿电气石斜长变粒岩，含金红石黑云母斜长变粒岩夹黑云母变粒岩。区内岩浆活动频繁，矿区北部分布磁铁矿条痕状混合岩，西北部分布二长斑岩，矿体主要分布在该二长斑岩与里尔峪组接触带；脉岩主要为闪长玢岩、辉绿岩、煌斑岩等。构造以断裂为主，呈北西及东西方向展布(图1-C)。

2.2 矿床地质特征

金矿体主要分为石英-硫化物脉型和蚀变岩型，赋存在里尔峪组第二段和断裂破碎带内。可分为2个矿带，南矿带为石英-硫化物脉状矿体分布区，北矿带为蚀变岩型矿体分布区。石英-硫化物脉状矿体赋存在里尔峪组含磁铁矿电气石斜长变粒岩中(图2-A)，矿石品位(质量分数：w)为(3～10)×10-6，最高可达20×10-6。目前控制矿体长约60 m，宽0.5～1 m，产状稳定，倾向223°，倾角23°左右。蚀变岩型矿体主要赋存在黑云母变粒岩和电气石斜长变粒岩中(图2-B)，矿石品位(3～8)×10-6，平均品位5×10-6左右。蚀变体近直立，宽1.5～2 m，呈上窄下宽的趋势向下延伸，倾向110°，倾角78°左右。

石英-硫化物脉型矿石金属矿物有黄铁矿和磁黄铁矿(图2-E、F、G)，偶见闪锌矿和方铅矿；非金属矿物主要为石英和长石，黑云母次之。蚀变岩型矿石主要金属矿物有黄铁矿，偶见黄铜矿、毒砂、闪锌矿和方铅矿(图2-H、I)；非金属矿物主要为石英和长石，黑云母、碳酸盐次之。矿石具有细脉浸染状构造和细脉状-网脉状构造(图2-A、B)，主要结构有细脉浸染状结构(图2-E)、自形-半自形结构(图2-F)、浸染状结构(图2-H)、交代结构等等(图2-G、I)。

围岩蚀变：石英-硫化物脉型矿体围岩蚀变主要有硅化、黄铁矿化；蚀变岩型矿体主要围岩蚀变为硅化、黄铁矿化、泥化。

根据矿脉间相关切割关系和镜下鉴定结果，划分出3个主要成矿阶段(表1)：(Ⅰ) 石英-黄铁矿阶段，该阶段是在硅化基础上产生的，主要形成石英，有少量自形黄铁矿呈细脉状和浸染状分布等；(Ⅱ)石英-金-多金属硫化物阶段，具有团块特征的硫化物矿脉和集合体在此阶段大量出现，金属矿物以黄铁矿为主，磁黄铁矿和黄铜矿次之，此该阶段是金成矿主要阶段；(Ⅲ)石英-方解石脉阶段，此阶段有大量石英和方解石脉出现，石英和方解石呈乳白色，可见少量浸染状黄铁矿。

图2 大映沟金矿矿体、手标本及显微镜下照片Fig.2 Pictures and photomicrographs showing ore body, hand specimens and minerals in the Dayinggou gold deposit(A)石英硫化物脉矿体; (B)蚀变岩型矿体; (C)石英硫化物脉矿石; (D)蚀变岩型矿石; (E)细脉浸染状黄铁矿; (F)自形-半自形黄铁矿; (G)磁黄铁矿交代黄铁矿; (H)浸染状闪锌矿和黄铜矿; (I)方铅矿交代黄铁矿化; (J)二长斑岩手表本; (K)二长斑岩镜下照片。Cp.黄铜矿; Po.磁黄铁矿; Py.黄铁矿; Gn.方铅矿; Sp.闪锌矿; Qz.石英; Bi.黑云母; Pl.斜长石; Kp.钾长石

3 样品采集与测试

3.1 样品特征

本次测试的二长斑岩采自大映沟金矿露天采坑，用于岩石地球化学分析的样品无蚀变且新鲜，岩石具块状构造，斑状结构(图2-J)，主要由斜长石、正长石、黑云母组成，含少量的石英(图2-K)。斜长石(面积分数为40%)以基质和斑晶出现，斑晶中呈自形板状、长板状，粒径多在1.5 mm；基质中呈半自形、长板状，少量呈他形粒状，粒径0.05～0.15 mm。正长石(面积分数为35%)斑晶和基质中均有出现，斑晶中呈自形短柱状，粒径多在1.5 mm；基质中呈半自形-他形，粒径0.05～1.0 mm。黑云母(面积分数为15%)在斑晶和基质中均有，呈自形片状，粒径0.3～0.5 mm，含量为斑晶的20%±。石英(面积分数为10%)主要分布在基质中，粒径0.5 mm。

表1 大映沟金矿床成矿阶段划分表Table 1 The division of metallogenic stages for the Dayinggou gold deposit

3.2 样品处理

本次采集二长斑岩样品10 kg进行锆石挑选，样品的破碎和挑选工作均在河北廊坊诚信地质服务公司完成。采用常规方法分离，挑选锆石300余粒进行制靶、抛光、反射光和透射光照相，此项工作在北京锆年领航科技有限公司完成。

3.3 测试方法

3.3.1 锆石U-Pb年龄测定

锆石U-Pb年代学研究和痕量元素测定在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。详细的仪器参数和分析流程见文献[14]。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度[15]。锆石年龄测定和痕量元素分馏校正分别采用锆石标准91500和玻璃标准物质NIST610作外标。每个时间分辨分析数据包括20～30 s空白信号和50 s样品信号。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal完成[16]。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot/Ex_ver3完成[17]。

3.3.2 岩石元素地球化学分析

岩石元素地球化学分析在沈阳地质矿产研究所开展，主元素采用玻璃熔片大型X射线荧光光谱(XRF)分析，测试温度为24℃，湿度为45%，检测依据参照GB/T14506.28-93；痕量元素和稀土元素采用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)测定，测试温度为25℃，湿度为65%，相对误差小于5%[18]，检测依据参照DZ/T0223-2001。

3.3.3 锆石Hf同位素分析

锆石原位Hf同位素测试在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室开展。测试过程用氦气作为剥蚀物质载体，剥蚀束斑为55 μm，测定时使用锆石国际标样MT作为参考物质。分析过程中锆石标准MT的176Hf/177Hf测试加权平均值为 0.282 008±0.000 025(2δ,n=26)。详细的仪器参数和分析流程见文献[18]。

4 测试结果

4.1 锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄

大映沟金矿区二长斑岩LA-MC-ICP-MS 锆石U-Pb测试结果见表2。二长斑岩锆石阴极发光图像显示(图3)，锆石呈长条状、板状，粒径为70～100 μm，长宽比为50～80 μm，具有典型的环带结构，Th/U比值为0.14～1.2，均大于0.1，为岩浆锆石的特点[19-20]。30粒锆石样品点获得多组年龄(表2)，其中含有6颗古元古代锆石U-Pb年龄、1颗印支期年龄和3颗早侏罗世的年龄。研究表明，辽东地区辽河群和辽吉花岗岩成岩年龄为古元古代，同时该地区存在大量印支期和早侏罗世的成岩年龄[2]，因此推测本次获得的这3组年龄均为捕获的岩浆锆石年龄。剩余20颗锆石年龄均落在谐和线，加权平均年龄值为138±1 Ma，代表二长斑岩结晶年龄(图4)。

4.2 元素地球化学特征

二长斑岩分析结果(质量分数)显示(表3)：SiO2为61.92%～64.40%；Na2O和K2O分别为于3.06%～3.94%和2.85%～3.10%；K2O/Na2O=0.77～0.93；全碱为5.91%～6.99%。铝饱和指数A/CNK=1.03～1.24。在SiO2-(Na2O+K2O)判别图解中样品落入闪长岩和花岗闪长岩区域，并靠近石英二长岩区域(图5-A)。

图3 大映沟金矿二长斑岩部分锆石阴极发光图像Fig.3 Zircon cathodoluminescence images from monzonite porphyry in Dayinggou gold deposit

图4 大映沟金矿二长斑岩锆石年龄谐和图和加权平均年龄图Fig.4 Concordia and weighted mean age of zircon from the monzonite porphyry in Dayinggou gold deposit

在SiO2-K2O判别图解中，样品均落入高钾钙碱性岩系列(图5-B)；在A/CNK-A/NK图解中，样品落入准铝质-弱过铝质范围(图5-C)。二长斑岩稀土元素总质量分数(wΣREE)为139.25×10-6～ 172.63×10-6，平均为152.69×10-6，稀土配分曲线较一致(图6-A)，具右倾、富集轻稀土、亏损重稀土以及明显的轻重稀土元素分馏特点。δEu值为1.18～1.28，具有弱正Eu异常。在原始地幔标准化痕量元素蛛网图上(图6-B)，样品痕量元素配分一致。相对于原始地幔，显示富集Pb、Rb、K等大离子亲石元素和U、Th等活泼的不相容元素，亏损Ti、P、Nb、Ta等高场强元素。

4.3 锆石Hf同位素特征

本次在锆石U-Pb年龄测定基础上挑选15个测点开展原位Hf同位素测定。测试点位置见图3，测试结果见表4。锆石176Hf/177Hf值变化范围为 0.282 122～0.282 403，计算εHf(t)值范围为-20.1～-10.1，tDM2值为 2 460～1 833 Ma。

5 讨 论

5.1 岩石成因及源区性质

岩石地球化学研究表明，大映沟金矿二长斑岩A/CNK值为1.03～1.24，在A/CNK-A/NK图解中位于准铝质与弱过铝质之间，具有I型和S性花岗岩特点；但其暗色矿物以角闪石为主，矿物组合中未见富铝的堇青石和白云母等矿物，反映其不具有S型花岗岩的特点[25]。在Na2O-K2O判别图中(图7-A)，所有样品均落入I型花岗岩区域。二长斑岩属高钾钙碱性系列，Al2O3质量分数为15.92%～16.77%，Mg#值为76.9～84.3，表明岩石主要来源于深部陆壳[29]。δEu值为1.18～1.29，弱正Eu异常，说明长石结晶分异不明显；岩石富集轻稀土元素、亏损重稀土元素以及Nb、Ta等高场强元素，暗示岩浆源区可能残留石榴子石[20]。研究表明，锆石Hf同位素能够对岩浆源区性质提供有价值的信息[29-30]，当花岗岩锆石εHf(t)>0，岩浆主要来源于新生地壳；而εHf(t)<0则说明岩浆主要来源于古老地壳的重熔[31]。本次获得的大映沟金矿二长斑岩176Hf/177Hf值为0.282 122～0.282 403，相对变化较小，指示锆石Hf组成简单，岩浆源区单一。样品中锆石εHf(t)为-20.1～-10.1(<0)，平均为-16.95，在εHf(t)-t图解中，样品均分布在亏损地幔演化线之下，在1.8 Ga地壳演化线以下(图7-B)。样品的二阶段模式年龄(tDM2)均大于单阶段模式年龄(tDM1)。上述特征表明，大映沟金矿二长斑岩的岩浆源区可能来自古元古界古老地壳的再熔融。

表3 大映沟金矿二长斑岩元素分析结果Table 3 Element compositions of monzonitic porphyry in Dayinggou gold deposit

图5 大映沟金矿二长斑岩判别图Fig.5 Discrimination diagram of monzonitic porphyry in Dayinggou gold deposit(A)作图方法据文献[21]; (B)作图方法据文献[22]; (C)作图方法据文献[23]

图6 大映沟金矿二长斑岩球粒陨石标准化稀土元素配分图和原始地幔标准化的痕量元素蛛网图Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle normalized trace elements spider diagram for the monzonitic porphyry in Dayinggou gold deposit(球粒陨石标准化值和原始地幔标准化值据文献[24])

5.2 成岩、成矿时代

前人对辽东地区主要金矿的成岩成矿时代做了大量研究，结果大致可分为2个成矿期：印支期和燕山期。印支期成矿主要分布在青城子地区，代表性矿床有白云金矿(黄铁矿Re-Os等时线年龄为225.3±7.0 Ma[32])、小佟家堡子金矿(硅钾蚀变岩Rb-Sr等时线年龄为233±31 Ma[7])、高家堡子金银矿(石英Ar-Ar和Rb-Sr等时线年龄为234～238 Ma[7])。燕山期成矿主要分布在辽东盖县猫岭矿集区和丹东青城子五龙-四道沟矿集区，代表性矿床有猫岭金矿(黑云母Ar-Ar坪年龄为188.9±1.2 Ma[33])、五龙金矿(绢云母Ar-Ar坪年龄为122.8±0.8 Ma[34])。本次获得大映沟金矿二长斑岩138±1 Ma成岩年龄，这一结果与本人获得该矿床载金黄铁矿Rb-Sr等时线年龄为137±2 Ma具有较好的一致性(将另文发表数据)，说明大映沟金矿成岩成矿作用均发生在早白垩世，属于辽东地区的燕山期成矿。

图7 大映沟金矿二长斑岩判别图Fig.7 Discrimination diagrams for monzonitic porphyry in Dayinggou gold deposit(A)作图方法据文献[26]; (B)作图方法据文献[27]; (C)作图方法据文献[28]; (D)作图方法据文献[20]

5.3 构造背景

在Hf-Rb-Ta判别图解中(图7-C)，所有样品点均落入火山弧区； 在Th/Hf-Ta/Hf判别图解中，所有数据点均落入活动大陆边缘(图7-D)，说明研究区此时具有活动大陆边缘性质。前人研究表明，早白垩世岩浆活动在东北地区普遍存在，如松辽盆地和黑龙江大兴安岭地区的流纹岩和玄武岩双峰火山岩[35]，吉林临江地区钙碱性火山岩和辽南饮马泉闪长质岩石[36]，显示强烈伸展环境，因此研究区早白垩世岩浆活动可能形成于弧后盆地的伸展环境。研究表明，兴蒙造山带和扬子克拉通对辽东的影响在晚三叠世就已经结束，晚三叠世之后，研究区处于碰撞后的伸展环境[37-39]。古地磁资料显示，华北、华南和西伯利亚板块的古地磁在早白垩世重合，研究区乃至中国东部地区处于东部太平洋构造域控制之下，因此，研究区早白垩世构造岩浆活动与古太平洋板块以NW向向欧亚大陆之下俯冲折返作用相关(图8)。

图8 研究区早白垩世构造演化图Fig.8 Diagram showing the tectonic evolution of early Cretaceous in the study area(据Zhang P.等[40]修改)

6 结 论

a.大映沟金矿二长斑岩的LA-ICP-MS锆石年龄为138±1 Ma，结合载金黄铁矿Rb-Sr等时线年龄，确定大映沟金矿成岩成矿时代为早白垩世，为燕山期构造-岩浆-成矿作用的产物。

b.岩石地球化学特征表明，大映沟金矿二长斑岩富硅、富碱、富钾，属高钾钙碱性系列。轻稀土元素富集，重稀土元素亏损；富集大离子亲石元素和不相容元素，而亏损高场强元素；具活动大陆边缘火山弧花岗岩特点，属I型花岗岩，为古元古界形成的古老地壳的再熔融的产物。

c.结合区域构造演化，认为大映沟金矿成岩成矿构造背景为早白垩世古太平洋板块向欧亚大陆之下俯冲折返构造环境。