内蒙古乌拉特中旗大乌淀石墨矿床石英片岩地球化学特征与SHRIMP锆石U-Pb年代学

杨培奇，刘敬党，刘淑梅，杨 飞，杨孝伟

(1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁省有色地质一○四队有限责任公司，辽宁 营口 115007；3.辽宁省化工地质勘查院有限责任公司，辽宁 锦州 121007)

0 引 言

华北地台北缘中西段是我国重要的石墨成矿区之一[1-2]，在被动陆缘隆起带上形成丰富的石墨矿产[3]。目前，许多学者对乌拉特中旗地区石墨矿的成矿地质特征及找矿前景进行了研究[4-8]，但对于该区石墨矿床的年代学和地球化学研究较少。本文采用地球化学和锆石SHRIMP U-Pb年代学方法，对该晶质石墨矿床的地球化学和年代学进行研究，不仅可以提高对晶质石墨矿床成矿作用的认识，而且对该地区进一步找矿具有重要的指导意义。

1 地质背景

研究区大地构造位于华北陆块北缘中部。中元古代进入隆起、裂陷为代表的被动大陆边缘构造发展期，形成了多条、多期裂谷[9-10]。研究区位于其中之一的霍各乞—白云鄂博陆缘裂陷带(图1)，早古生代由于受西伯利亚板块碰撞拼合的影响，发生强烈的岩浆侵入和火山作用，形成特殊的地质构造环境，为石墨成矿提供了有利的成矿条件[11-14]。

研究区位于大乌淀背斜核部，高勒图断裂带、石崩断裂带中间，背斜核部出露厚层石英岩，受两断裂带的挤压、剪切和多期活动的影响，此套残留地层发育一条顺层破碎带，且沿破碎带普遍发生了糜棱岩化作用。大乌淀逆断层在矿区北部通过，呈近东西向展布，公胡都格南逆断层斜穿矿区，呈北东向展布。区内岩浆活动频繁，侵入岩发育，主要有新元古代、晚石炭世、早二叠世、晚三叠世4期岩浆活动，其中晚石炭世和早二叠世侵入岩规模较大。晚石炭世灰色花岗闪长岩分布于研究区西部，侵入白云鄂博群尖山组，形成数十米宽的热接触变质带，使碳质板岩中的碳质结晶形成石墨。该岩体与石墨矿的成矿关系密切。

2 含矿岩系及矿体地质特征

大乌淀石墨矿床含矿岩系为白云鄂博群尖山组一段黑色岩系，原岩为碎屑岩-含炭粉屑岩-泥质岩-碳酸盐岩组合，属于白云鄂博裂谷下部沉积岩系[15-17]。尖山组一段岩性为深灰色(粉砂质)绢云母板岩、红柱石绢云绿泥石英片岩、变质微粒长石石英砂岩、变质中细粒石英砂岩、灰黑色粉砂质碳质板岩夹微粒石英砂岩透镜体等。

粉砂质绢云母板岩：呈灰黑色，鳞片粒状变晶结构，板状构造，矿物成分为绢云母约占18%、石墨15%、斜长石40%、石英25%等。红柱石绢云绿泥石英片岩：呈灰黑色，鳞片变晶结构，片状构造，主要矿物成分为石英50%～55%，呈拉长粒状，晶体粒径0.02 mm×0.06 mm～0.1 mm×0.2 mm；红柱石15%，呈柱状，大小0.5 cm×2 cm；绢云母15%～25%；石墨5%～10%，黑色微晶鳞片状，大小0.001～0.01 mm。变质石英砂岩夹石英岩：呈灰白色，变余砂状结构，块状及层状构造，矿物成分由石英95%、白云母3%及少量斜长石组成。

大乌淀矿区白云鄂博群尖山组红柱石绢云绿泥石英片岩是主要的石墨矿化岩层，分布于区内滚呼都格南东部，呈紧密复式向斜褶皱构造，走向NEE，主要矿层倾向NNW。

石墨矿化层与变质粉砂岩呈互层条带构造，形成石墨层和夹石的互层，经1∶2 000地质填图及槽探工程揭露等详查工作，矿体严格受地层控制，走向北东—南西向，依据品位变化可圈定8条层状矿体，其中Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ矿层厚度大、走向延伸长、品位稳定，Ⅳ号矿体局部增厚呈透镜状，受勘查程度限制矿层延深没有控制。

矿石由红柱石绢云绿泥石英片岩和绢云绿泥石英片岩组成，矿层产状严格受区域地层及区域构造影响，呈层状、似层状、透镜状，北东向展布，矿层顶板为褐色中粗粒石英砂岩夹灰岩，底板被花岗闪长岩侵入。含矿岩石片理发育，面理密集平行排列，切割岩石呈叶片状、透镜块状，岩石中柱状、针状红柱石平行片理分布，页理面上显示交织状分布(图2)。

石墨背散射电子图像分析是在中国地质大学(北京) 电子探针实验室完成，所用的电子探针型号为 EPMA-1600。从图3中可看出，在矿石中石墨(含量6%～14%)分布不均，以不同的产状与其他矿物共生组合存在，被石英(含量30%～35%)、钾长石(含量18%～23%)、白云母(含量10%～16%)、红柱石(含量5%～8%)和独居石等矿物包裹。石墨矿石主要矿物为石英碎屑、绢云母等黏土矿物，红柱石、石墨、石英碎屑呈颗粒状，绢云母等黏土矿物呈鳞片状围绕碎屑矿物分布。矿石呈变余碎屑结构，绢云母等黏土矿物及红柱石等矿物系原胶结物的变质矿物。

3 岩石地球化学特征

本次研究所采用的样品均采自大乌淀石墨矿矿区，样品新鲜，结构完整。岩石地球化学分析在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成，主量元素含量通过X-射线荧光光谱法、容量法和重量法测定，微量元素和稀土元素含量采用等离子体质谱法测定。

本次测试样品共12件，岩性为红柱石绢云绿泥石英片岩(WLT-01、WLT-02、WLT-03、WLT-04、WLT-06、WLT-16、WLT-17)，绢云绿泥石英片岩(WLT-09、WLT-13-2、WLT-07、WLT-21)和石英岩(WLT-11)，样品分析测试结果见表1。

红柱石绢云绿泥石英片岩的SiO2含量比较均匀，分布在54.14%～70.63%之间，平均64.70%；以高铝富钾为特征，其中Al2O3含量平均为16.26%，最高19.34%；显示高钾低钠，K2O/Na2O比值平均为158.58。绢云绿泥石英片岩与红柱石绢云绿泥石英片岩的特征基本一致，只是SiO2含量稍高，平均为70.07%，Al2O3含量较低，平均为10.95%。这种岩石化学组分特征表明沉积环境比较稳定，沉积物以含钾矿物为主，分异分选较好，是稳定沉积环境的沉积物；WLT-17为镁质绢云绿泥石英片岩，MgO/CaO比值较高，为6.35，含有镁碳酸盐矿物，显示高盐度沉积环境，与裂谷环境是一致的。石英岩的成分比较纯，以SiO2为主，含量95.33%，虽然其他氧化物成分含量较少，但MgO/CaO的比值与红柱石绢云绿泥石英片岩的样品比值接近。

样品微量元素的原始地幔标准化图见图4，表明研究区含矿岩石较富集大离子亲石元素，轻稀土元素富集，而Nb、Sr、P、Ti、Ta元素明显亏损。Ti 和P 的负异常反映了沉积岩原岩的特征，由于风化作用造成Sr负异常，样品Rb和Ba等大离子亲石元素含量较高，Rb/Sr比值为0.24～1.53之间，平均值为1.06，高于上地壳值0.32，表明循环沉积作用较弱；高场强元素Zr和Hf含量相对较高，主要受重矿物控制。

两种绢云绿泥石英片岩样品的稀土元素含量较高，稀土元素总量平均为289.43×10-6和264.38×10-6，LREE/HREE平均值分别为9.81和10.06，δCe值略大于1，δEu平均值分别为0.57和0.47；而石英岩稀土元素总量明显较低，δCe值略小于1，δEu值为0.49。稀土元素配分曲线显示轻稀土元素富集、重稀土元素亏损，具有明显负铕异常，红柱石绢云绿泥石英片岩和绢云绿泥石英片岩不具有铈异常，石英岩略具有负铈异常(图5、图6)。这种稀土元素配分模式显示了大乌淀石墨矿含矿建造具有滨浅海环境沉积的特征，石英岩原岩为潮坪相沉积，而绢云绿泥石英片岩原岩为潮下浅海环境沉积，两种沉积环境是连续过渡环境。

4 年代学研究

4.1 测试方法

用于锆石测年的样品选自大乌淀矿区含石墨绢云绿泥石英片岩，在中国地质科学院北京离子探针中心完成测年工作，分析仪器为高灵敏度高分辨率离子探针(SHRIMPⅡ)。将分选出来的锆石与标准锆石TEM一起制靶并进行阴极发光(CL)照相，在同位素质谱仪SHRIMPⅡ上完成测年。数据处理采用SQUIDI 1.0和ISOPLOT程序[19]。普通铅根据实测204Pb进行校正，单个数据点误差均为1σ，所采用的206Pb/238U加权平均年龄置信度为95%。

碎屑锆石定年的待测样品采用3～4组扫描，但标准锆石仍采用5组扫描。分别获得206Pb/238U、208Pb/232Th和207Pb/206Pb表面年龄，并且根据207Pb/235U-206Pb/238U求出谐和曲线与年龄模拟曲线的交点年龄，本次研究主要考虑碎屑锆石的模拟曲线和交点年龄。

4.2 测试结果

锆石在阴极发光下晶体显示出圆化晶形，呈椭圆粒状、浑圆粒状、长粒状等形态(图7)。大乌淀石墨矿石中分选出的锆石样品均为碎屑锆石，没有沉积期后变质重结晶环带，因此所测的锆石只能是判别沉积物质来源，以最年轻的碎屑锆石推测最早的沉积年龄。锆石SHRIMP U-Pb年龄数据测试结果见表2。石墨矿石的碎屑锆石206Pb/238U表面年龄为(2 590.57±22.62)～(1 792.09±17.12)Ma(表2)，为古元古代锆石来源，因此可以推测石墨矿石的沉积年龄小于(1 792.09±17.12)Ma(图8)，这一分析结果与马铭株等[20]研究结果一致。乌拉特中旗大乌淀石墨矿床石墨所表现出来的成矿多期性，与华北陆块发展阶段基底构造-热事件在时间分布上所表现出来的多峰式特点吻合李江海等[21]2000年的研究成果。

表2 大乌淀石墨矿碎屑锆石SHRIMP U-Pb年龄数据

5 讨论与结论

5.1 源区性质

由表1可以看出，含矿岩石的SiO2含量较高，且较为均匀，随着混合岩化程度不同，K2O、Na2O、CaO含量起伏变化较大，说明发生了不同的交代作用；K2O/Na2O比值为5.47～422.00，悬殊较大，表明交代作用比较复杂，说明该区岩浆岩与变质岩之间存在混合和对流作用，使得物质成分发生交换。该石墨矿的岩石均表现出富Al贫Ca，且 K2O>Na2O，显示了变质沉积岩的特征。根据Zr/TiO2-Ni图解(图9)，样品全部落在沉积岩区域，可见该样品为副变质岩，但是具备接近火成岩的趋势。根据图10可见，样品全部落入沉积岩区，多数为基性钙质沉积岩，只有2个样品显示为基性泥砂质沉积岩。表明该石墨矿的变质岩具有以细碎屑稳定沉积为主的特点。

含红柱石和不含红柱石的绢云绿泥石英片岩的微量元素含量相对石英岩明显富集，尤其是具有富含Rb、Ba、F、Th、Zr、Y的特点，特征元素比值Rb/Sr、Th/U均较高，而Sr/Ba值较低，显示了以陆源碎屑来源为主的特征，海源物质较少；V/Ni、V/(Ni+V)比值显示为缺氧还原沉积环境；Sr亏损的特征在酸性岩、基性岩类中均普遍存在，砂岩、黏土岩也有出现。

由于在变质过程中稀土元素并不活动，沉积原岩在变质作用过程中稀土特征得以保留，为确定沉积岩的物源区提供了重要信息，并且为稳定沉积的构造环境提供了有效的信息。稀土元素配分图(图5、图6)均呈轻稀土元素富集、重稀土元素平坦的趋势，具有以长英质组分为主物源区的特征。样品具有明显的Eu负异常特征，分析可能有两种原因：一种是继承了物源区的Eu负异常；另一种情况是物源区处于还原环境和化学风化环境，因为Eu2+在沉积体系中与其他稀土元素相比，更容易被含水溶液带走，导致了Eu负异常。根据样品的长英质组分特征，第一种可能性较小，根据其具有弱Eu负异常的特征，且原岩为沉积岩，推断为浅海相沉积环境。

5.2 成岩时代

前人工作一般认为含矿地层白云鄂博群尖山岩组的地层时代属于中元古代，也有资料认为是古元古代。马铭株等[20]采集了宽沟背斜东段腮林忽洞群和白云鄂博群底部砾岩样品，采用锆石SHRIMP U-Pb法进行系统测年。测得样品表面年龄集中在晚太古代(3 037±120)～(2 449±14)Ma和古元古代晚期(2 243±38)～(1 785±10)Ma两个年龄段。本文采用同样方法测得样品的表面年龄为(2 590.57±22.62)～(1 792.09±17.12)Ma，表明锆石U-Pb年龄数据可靠，属古元古代。

5.3 成矿机制

从矿床地球化学和年代学分析，结合野外石墨矿化的特征，本文取得如下认识：研究区古元古代处于浅海相沉积环境，接受剥蚀区大量富铝质黏土物质沉积，初步形成大乌淀石墨矿含矿建造。该含矿建造石英岩的原岩为潮坪相沉积，绢云绿泥石英片岩的原岩为潮下浅海环境沉积，两种沉积环境是连续过渡环境。中元古代研究区进入隆起、裂陷为代表的被动大陆边缘构造发展期，研究区所处的霍各乞—白云鄂博陆缘裂陷带，受早古生代西伯利亚板块碰撞的影响，遭受多期次强烈岩浆侵入活动，尤其以晚石炭世岩浆活动对研究区石墨矿床的成矿贡献作用最大，中酸性岩浆岩侵入中元古代白云鄂博群尖山组地层中的富铝质含碳质板岩，在岩浆热液的热力作用下碳质再次富集，最终形成接触变质型晶质石墨矿床。

6 结 论

通过对内蒙古乌拉特中旗大乌淀石墨矿含矿岩石地球化学和年代学的研究，获得以下认识：

(1)大乌淀石墨矿床产于华北地台北缘中元古代白云鄂博群黑色片岩中，为沉积岩在侵入岩热接触作用下形成的变质微晶石墨矿床，其矿床矿化特征与深变质岩型石墨矿床有明显不同。

(2)大乌淀矿区含石墨绢云绿泥石英片岩的锆石通过SHRIMP U-Pb测年法测定石墨矿石沉积年龄应小于(1 792.09±17.12) Ma。

(3)大乌淀矿区绢云绿泥石英片岩、红柱石绢云绿泥石英片岩和石英岩的特征基本一致，反映为稳定沉积环境的沉积物，具有砂岩、片岩的特征；绢云绿泥石英片岩明显富集Rb、Ba、F、Th、Zr、Y等元素，显示了以陆源碎屑来源为主的特征，为缺氧还原沉积环境；轻稀土元素富集、重稀土元素亏损，表现出明显的负铕异常，石英岩略具有负铈异常，显示大乌淀石墨矿具有滨浅海环境沉积的特征。