乌克兰地盾中部新乌克兰卡花岗岩年代学、地球化学特征及成因

王永飞，李宝新，刘晨阳，曹 云，马昌威

（四川省核工业地质调查院，成都 610053）

新乌克兰卡岩体出露于基洛沃格勒断裂带西侧，50多年来在该岩体内相继发现米丘林、谢伟林、瓦杜津等20余处铀矿床，成矿环境极其优越。受经济发展影响，目前乌克兰多数铀矿床勘探或开采工作停止，报道的研究工作多涉矿床内岩体的年龄，而岩体的成因、构造意义方面的研究不系统，相关研究工作进展缓慢。

近几十年的研究表明，新乌克兰卡岩体是过铝质高钾钙碱性系列A型花岗岩。A型花岗岩被公认为非造山花岗岩，而是地壳早期熔融形成造山花岗岩后的耐熔残留物质再次熔融形成的［1］。近些年的研究工作发现，新乌克兰卡岩群的侵入，可作为侵入于超变质岩基底的组成部分，也是基洛沃格勒多金属矿区的三种不同地球动力机制之一，用转换地震法追索了岩体向下约15～20 km的深度［2］。笔者通过测定成矿区内新乌克兰花岗岩的精确年龄，利用地球化学特征，对其成因和形成的构造背景进行研究，对于研究该区矿床的动力学背景等方面具有重要的科学意义，也可为乌克兰基洛沃格勒多金属矿区动力机制研究提供支撑。

1 地质背景

图1 乌克兰前寒武纪地盾地质构造及次级断块组成 （a）和地质简图 （b）（据Michel Cuney，2012，有修改）Fig.1 Geological structure and secondary massif composition in Precambrian Ukraine shield （a） &geological sketch（b）（Modified after Michel Cuney， 2012）

乌克兰地盾主要形成演化时间为3.65～1.65 Ga，由五个断块组成，被四个地壳尺度的韧性剪切带所控制（图1a）。钠交代岩型铀矿床主要位于中部基洛沃格勒断块（I）中部。而乌克兰地盾前寒武纪花岗岩建造发育在东欧地台元古宙构造岩浆活化作用期，构造演化与岩浆作用强烈［3-8］。新乌克兰卡岩体位于地盾中部（图1a），面积约3 500 km2，岩体呈不规则状、近椭圆形，展布方向与基洛沃格勒断裂带平行（图1b）。岩体侵入于因古尔-因古列茨单元地层中，岩性为钾长花岗岩。

2 岩体岩石特征及时代

2.1 岩石特征

新乌克兰卡岩体新鲜岩石为肉红色，中-粗粒花岗结构， 块状构造 （图2a），主要矿物为石英、钾长石、斜长石和少量黑云母。石英呈他形-半自形粒状，粒度0.2～0.5 mm，波状消光，含量40%；钾长石呈自形-半自形柱状，粒度0.2～10 mm，个别达30 mm，轻度蚀变，具卡式双晶，含量35%，钾长石晶体中局部可见有小的石英、长石、黑云母（图2b）；斜长石呈自形-半自形柱状，粒度0.2～1 mm，具聚片双晶，含量15%；黑云母呈自形-半自形片状，粒度0.2～0.4 mm，含量10%。副矿物为磷灰石及不透明矿物。

2.2 岩体锆石U-Pb年龄

样品采自乌克兰中部基洛沃格勒市西约40 km处。锆石样品挑选由廊坊岩拓地质服务有限公司实验室完成，锆石阴极发光（CL）照相在北京中兴美科科技有限公司Gatan MonoCL4电子探针仪上完成。LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测定是在中核铀资源勘查与评价技术重点实验室的Nu Plasma II型多接收电感耦合等离子体质谱仪和Geolas 193准分子固体激光器进行。测试完成后，得到各同位素的强度，采用软件ICPMSDataCal对结果进行处理。

锆石样品多为无色透明-半透明，长柱状，自形程度较好，粒径一般在40～200 μm之间，个别为300 μm，长宽比值一般在1∶1～3∶1之间，少数达4∶1。CL图像上显示较为明显的韵律环带（图3a）。所测锆石的16个分析点的Th含量为 40×10-6～339×10-6，U含量为 39×10-6～1 336×10-6（表 1）， Th/U 值为0.04～1.52，相对较高，变化范围大，与典型岩浆岩锆石特征相似［7］。其中有4个206Pb/238U值较大的点：NK-1（2 136±11 Ma）、NK-3（2 272±25 Ma）、NK-4（2 263±32 Ma）和 NK-5（2 236±43 Ma），与乌克兰基洛沃格勒（Ingul）地块的变质年龄（2.3～2.1 Ga）一致，推测是基洛沃格勒地块围岩中的老锆石，代表了捕获老锆石的年龄信息。其余10个分析点的206Pb/238U年龄介于2 067～1 989 Ma之间，数据点组成交点年龄2 001±5.2 Ma（MSWD＝0.63），与加权平均值为2 004±11 Ma（n＝10）一致（图 3b、 c）， 代表了侵入岩的形成时代。

3 岩体地球化学特征

图2 新乌克兰卡钾长花岗岩野外露头（a）和正交偏光显微（b）照片Fig.2 Field outcrops（a）and microphotographs of thin section （＋）（b）of K-feldspar granite in Novoukrainka

图3 新乌克兰卡岩体锆石阴极发光图像 （a）、锆石U-Pb年龄谐和图 （b）及206Pb/238U加权平均年龄 （c）Fig.3 Cathodoluminescence images （a）， U-Pb age concordia diagram （b） and206Pb/238U weighted average age（c） of zircon from Novoukrainka pluton

表1 新乌克兰卡钾长花岗岩 （NK）LA-ICP-MS单颗粒锆石U-Pb定年分析结果Table1 The LA-ICP-MS simple grained zircon U-Pb data of Novoukrainsk （NK）K-feldspar granite

全岩主、微量元素分析分别在核工业北京地质研究院分析测试研究中心国家重点实验室AB104L Axios-mAX型波长色散X射线荧光光谱仪、ELEMENT XR等离子体质谱仪上完成。分析方法参照 《硅酸盐岩石化学分析方法第29部分：稀土等22个元素量测定》（GB/T 14506.29—2010）和《硅酸盐岩石化学分析方法 第30部分：44个元素量测定》（GB/T 14506.30—2010）两个标准执行。全岩元素分析结果见表2。

3.1 主量元素

花 岗 岩 总 体 高 硅 （SiO2＝69.96%～72.53%），富碱（ALK＝7.59%～9.04%）、 高 K2O/Na2O比值 （K2O/Na2O＝1.50～2.22）， 过铝质（A/CNK＝1.32～1.51），与典型 A型花岗岩一致。在侵入岩TAS图解（图4a）中样品点落入花岗岩区，在A/CNK-A/NK图解（图4b）中落入过铝质区，SiO2-MALI图上落在PeacockFe定义的钙碱性系列（图4c）。在SiO2-K2O图解中，样品落入钾玄岩-高钾钙碱性系列范畴（图 4d）。

3.2 稀土、微量元素

稀土元素总量高（∑REE）为321.01×10-6～375.59×10-6。样品在球粒陨石标准化稀土元素分布模式图上呈现出相似的右倾配分模式（图 5a）， （La/Yb）N=9.39～36.64， 轻重稀土分异较明显。为轻稀土（LREE）元素富集型，重稀土（HREE）元素相对亏损，∑LREE/∑HREE＝9.03～14.97， 负 Eu异常明显（δEu＝0.31～0.35）。

在原始地幔标准化微量元素蛛网图上（图5b），花岗岩样品表现为Rb、Th、Ba、Pb等大离子亲石元素的富集，及Nb、Ta、Zr、Hf等元素的亏损。

4 岩体成因判别与构造意义

4.1 岩体成因判别与形成时代

Shumlansky等人（2008）对新乌克兰卡岩体进行了铀矿物和锆石U-Pb同位素研究，获得了该岩体的锆石 U-Pb年龄为2 039±6～2 025±48 Ma［6］。本次获得的新乌克兰卡钾长花岗岩LA-ICP-MS锆石 U-Pb年龄为2 001±5.2 Ma，与前人研究结果基本一致，表明岩体形成于古元古代中晚期，对应于中国吕梁晋宁期花岗质岩浆活动第一阶段早期，同属于古元古代岩浆活动的产物。

前人对乌克兰古元古代花岗岩的研究表明，古元古代花岗岩岩体主要集中分布于基洛沃格勒地区和基辅西南部日托米尔一带。新乌克兰卡岩体位于基洛沃格勒断裂以西，为一套铝质A型花岗岩或碱性岩。同时Sr和Nd同位素研究表明，初始熔体是由于古元古代地壳的熔融造成的［12］。

表2 新乌克兰卡岩体主量、微量和稀土元素含量Table 2 Contents of Major，trace and rare earth elements from Novoukrainsk pluton

图4 新乌克兰卡钾长花岗岩分类判别图［9-11］Fig.4 Classfication of Novoukrainka K-feldspar granite［9-11］

图5 新乌克兰卡花岗岩球粒陨石标准化稀土元素分布模式图 （a）和原始地幔标准化微量元素蛛网图 （b）Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns （a） and primitive mantle-normalized trace elements patterns （b）of Novoukrainka K-feldspar granite

新乌克兰卡岩体中微量元素表现出低Sr、Eu和富集Rb、Th，为典型A型花岗岩特点，反映了源区存在斜长石的残留，也推测出不是幔源岩浆分异而来的或者不是来源于镁铁质源岩的部分熔融，与钙碱性花岗岩部分熔融的实验熔体有相似特征［13-14］。综上认为该岩体来源于地壳部分熔融，这与花岗岩的地壳深融理论相吻合。而前文所述，用转换地震法解译的新乌克兰岩体向下延伸约15～20 km的深度，正好与浅部地壳深度一致。Cuney等人［8］研究认为乌克兰中部约2.05 Ga造山事件后有地幔热羽流开始渗透和加热过程，暗示了地壳深部存在热异常，间接指示了浅部地壳发生了高温部分熔融。而锆石样品中测出了4个较老的年龄，正与乌克兰基洛沃格勒（Ingul）地块的变质年龄一致，也显示了基洛沃格勒地块捕获老锆石的信息，也同样指示出新乌克兰卡花岗岩体是古老基底物质部分熔融的产物。

4.2 构造意义

A型花岗岩是判断伸展背景的重要岩石学标志，花岗岩的构造背景类别主要为洋脊花岗岩（ORG）、火山岛弧花岗岩（VAG）、板内花岗岩（WPG）和碰撞花岗岩（COLG）。

图6 新乌克兰卡钾长花岗岩构造环境判别图解Fig.6 Tectonic setting discrimination diagrams of Novoukrainka K-feldspar granite

新乌克兰卡钾长花岗岩样品在Maniar and Piccoli等［15］花岗岩 Al2O3-SiO2构造环境判别图（6a）上主要落在后造山花岗岩类区；在Pearce and Harris等［16］花岗岩微量元素 Rb-Y＋Nb 和Y-Nb构造环境判别图（6b、c）上主要落在火山岛弧、碰撞与板内花岗岩区交界处，反映本区存在一个伸展拉张环境的时期；在Harris等［17］的花岗岩类微量元素Rb/30-Hf-3Ta构造判别图解（图6d）上主要落在火山弧花岗岩区。对古元古代A型花岗岩成因及构造研究也表明，其可以产于伸展环境中［18］。乌克兰中部早元古代裂陷槽处于基洛夫深大断裂带与克里沃罗格深大断裂带之间的一个粗粒钾质花岗岩体内，在太古宙地盾结晶基底之上［6］，也反映了张性环境。

全球A型花岗岩大多数在古元古代末期开始大量出现［19-21］。大量的资料显示，大多数前寒武纪岩石在2.5～1.6 Ga期间，尤其是古元古代末陆陆碰撞期间，均遭受了广泛的变质变形，于1.85 Ga完成拼合［22-24］，对应于中国的吕梁-晋宁期的构造-热事件［25］。乌克兰地盾 2.04～1.75 Ga［6，26-29］岩浆活动记录也逐渐被识别出来，如新乌克兰卡深成花岗岩体年龄为2 039±6～2 001±5.2 Ma、科森-新麦戈罗德环斑花岗岩体年龄为1 754±4～1 725±11 Ma、基洛沃格勒岩体年龄为2 060～2 020 Ma、及比它们稍晚的基性岩墙群（1 600±50 Ma），而 Svecofennian造山运动发生在1 800±50 Ma［7］， 表 明 乌 克 兰 地 盾 在2.39～1.80 Ga之间存在一次大规模的伸展事件。

本次研究的新乌克兰卡花岗岩，与乌克兰中部基洛沃格勒岩体属于同期岩浆作用，代表了一期整体伸展的岩浆-热事件。古元古代中末期的岩浆作用使基洛沃格勒地块（I）的地层岩石发生部分熔融，在结晶过程中基洛沃格勒地块经历了强烈的韧性变形，被花岗岩岩浆的进一步侵入所打断，形成了一个非均质的内部结构。而该结构因区域NE-SW、NW-SE和N-S向的脆性断裂和伴生破碎带的叠加及岩石退变质作用而进一步加剧。构造和岩石学资料表明，区域基洛沃格勒断层（f2）和安诺夫—兹韦尼哥罗德断层（f1）起源于新乌克兰卡花岗岩的形成时期，深入侵入超变质基底，形成后期的叠加构造变形。

5 结论

1）新乌克兰卡岩体的形成时代为古元古代中期2001±5.2 Ma。

2）新乌克兰卡钾长花岗岩为一套钾玄岩—高钾钙碱性系列的A型花岗岩，高硅、富碱、富钾、过铝质，稀土元素特征表现为轻稀土元素富集型，负Eu异常明显，微量元素表现为Rb、Th、Ba、Pb等大离子亲石元素的富集，Nb、Ta、Zr、Hf等元素的亏损。

3）新乌克兰卡花岗岩形成于火山岛弧、碰撞与板内花岗岩区交叉的伸展拉张环境中，属于后造山花岗岩类，也反映了乌克兰地盾在2.39～1.80 Ga之间存在一次大规模的伸展岩浆-热事件。该岩体与同期的区域基洛沃格勒断层（f2）和安诺夫—兹韦尼哥罗德断层（f1），共同作用后期的叠加构造变形。

致谢：野外调研工作中得到了乌克兰国家科学研究院地球化学、矿物学和成矿学研究所Leonid首席研究员、Volodymyr、Vitalii等海外同行；核工业北京地质研究院项目负责人蔡煜琦正高级工程师以及虞航、张闯、冯延强等同行的帮助，在此对他们表示衷心感谢。