冀东彭庄铍矿角砾岩锆石U-Pb 年龄及其地质意义

王云静, 陈 超, 崔 伟, 张福祥

1. 河北省战略性关键矿产资源重点实验室, 河北 石家庄 050031; 2. 河北地质大学 地球科学学院, 河北 石家庄 050031; 3. 河北省地矿局第二地质大队, 河北 唐山 063000

0 引言

稀有金属铍是一种灰白色的碱土金属, 资源用途广泛, 其矿床类型主要有岩浆型、 伟晶岩型和热液型3 种[1]。 铍矿资源的研究是近年国内外地质研究的热点, 中国铍资源较丰富, 但对外依存程度高[2]。 铍矿在中国主要分布在新疆、 内蒙古、 云南、 四川4 省(自治区), 新疆铍矿产资源储量约占全国的三分之一。 河北省也有少量铍矿资源, 主要分布在康保县兴隆村、 丰宁县窟窿山、 兴隆县大茂峪等地[3]。 但这些铍矿多为矿点, 勘查和研究工作程度很低, 可供大规模开采资源严重不足。

河北省迁西县彭庄铍矿位于华北地台燕山台褶带马兰峪复背斜核部, 即冀东幔枝构造核部处。 受幔枝构造影响, 区域内铷、 铌钽等稀有金属矿产富存[4,5]。彭庄铍矿产自太古宇迁西群变质岩系隐爆角砾岩筒之中。 关于本区的地层、 矿体等方面, 前人有着较丰富的研究成果。 例如, 崔伟(2021) 利用物探、 化探等技术手段得出该区铍、 铷等矿体以围绕隐爆角砾岩筒分布并在局部富集的结论[6]。 齐云飞(2021) 通过锆石U-Pb 测年, 认为测得的极少数160 Ma 左右的锆石年龄揭示了本区的花市铷矿的矿化作用时间, 多数25 亿年以上的锆石年龄则表明早期锆石受流体活动影响可能带来稀有金属局部富集的现象[4]。 然而, 对于隐爆角砾岩与稀有金属铍间的相互关系还未彻底查明, 区域地层的年龄还存在较多争议, 区域内矿体年龄还尚未有学者进行研究探讨。 因此, 在此基础上,笔者结合野外地质调查, 对迁西县彭庄地区的隐爆角砾岩筒及其围岩中的角砾岩块进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb 定年, 以期讨论本区成岩、 成矿年龄, 为进一步找矿提供参考依据。

1 区域地质背景

研究区距河北省迁西县北约12 km, 隶属于三屯营镇, 就大地构造而言, 其位于华北克拉通北段东缘; 以幔枝构造视角来看, 其位于冀东幔枝构造核部。 核部整体呈向上隆起的形态, 燕山期构造活动剧烈, 引起强烈的岩浆活动[7](图1)。

图1 彭庄铍矿区域地质简图Fig.1 Regional geological map of the beryllium deposit in Pengzhuang

区域地层主要为太古界迁西群、 遵化群, 元古界长城系及新生界第四系地层。 迁西群含紫苏斜长片麻岩、 二辉斜长麻粒岩和紫苏斜长麻粒岩; 遵化群含黑云角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩; 长城系含碎屑岩和高镁碳酸盐岩。

区内构造较复杂, 褶皱、 断裂十分发育。 遵化群经历了两次褶皱变形, 早期为近SN 向的紧密线性褶皱, 晚期则是近EW 向开阔褶皱。 总体呈单斜状态,由北向南地层变老; 迁西群在早期近EW 向同斜褶皱的基础上叠加了近SN 向的中常褶皱和近EW 向的开阔褶皱, 形成多个构造线近SN 向的背形、 向形褶皱区。 断裂以燕山期为主, 多显示剪切特征, 总体呈NE 走向, 次为NW 向, 多被岩脉充填。 构造控制了本区岩浆活动的规模和产出形态[8]。

区域内主要发育太古代和中生代岩浆岩。 太古代岩浆岩以超基性—基性岩体为代表, 岩体展布方向与围岩的构造线一致。 岩石类型主要为蛇纹岩、 橄榄辉石岩、 紫苏辉石角闪岩等; 中生代岩浆岩以高家店和青山口岩体为代表。 高家店岩体平面呈葫芦形, 出露面积约45 km2。 岩石类型主要为闪长岩类、 花岗质岩类和正长质岩类。 青山口岩体呈EW 向展布, 出露面积约28 km2。 岩石类型主要为闪长岩、 斜长花岗岩和二长花岗岩。

2 矿床地质特征

2.1 矿区地质

迁西彭庄铍矿位于高家店岩体东段、 青山口岩体SW 段。 区内出露地层为太古界迁西群和新生界第四系地层, 其中迁西群岩性主要为紫苏斜长麻粒岩, 次为角闪斜长片麻岩。 地层片麻理走向近南北, 倾向西, 倾角70°-75°。 区内未见明显断裂构造(图2)。

图2 彭庄铍矿矿区地质图及采样位置Fig.2 Geological map and sampling location of the beryllium deposit in Pengzhuang

区内岩浆岩多样, 在研究区周围分布有多个侏罗系次流纹斑岩岩株、 燕山期闪长岩岩株和侏罗系东岭台组火山岩。 研究区中部出露有变质辉长岩岩株, 其余为岩脉。 变质辉长岩地表出露范围约120×40 m,岩石新鲜面呈灰色, 变余辉长结构, 似片麻状构造。主要矿物成分为斜长石、 石英、 辉石、 角闪石及少量黑云母等; 区内岩脉发育, 主要为煌斑岩脉、 闪长玢岩脉和角闪辉石岩脉。

研究区晚期伴有隐蔽爆破作用, 形成典型的热液型隐爆角砾岩[9]。 隐爆角砾岩筒呈不规则椭圆状, 角砾状构造, 角砾含量一般60%～80%, 面积约4.1 万m2。角砾成分以片麻岩、 麻粒岩为主, 胶结物为石英, 呈细脉状或不规则网状充填在角砾之间, 局部石英呈团块状集中(图3a、 图3b)。 角砾岩与围岩为突变关系, 围岩在接触带附近有绢云母化、 钾长石化和绿帘石化等蚀变, 角砾岩中褐铁矿化较发育, 局部可见绿柱石带(图3c、 图3d)。

图3 角砾岩筒中角砾岩块的岩相学特征Fig.3 Petrographic characteristics of breccia blocks in breccia pipe

2.2 矿体地质特征

铍矿体呈透镜状赋存于矿区中部的隐爆角砾岩筒中, 走向近SN, 总体倾向NEE, 倾角55°-65°。 矿体单工程厚约1.7 m, BeO 平均品位0.102%。 晶体呈六方长柱状, 一般长10 ～20 mm, 大的可达70～80 mm;一般宽2 ～4 mm, 大的可达6 ～7 mm。 角砾岩中黄、褐铁矿化较为发育。

3 样品特征和分析方法

本次分析的样品采自研究区Tc1 处出露的新鲜的角砾岩(图2), 样品编号PZ08-1。 矿石总体为不等粒它形粒状变晶结构, 块状构造。 岩石大多发生蚀变, 褐铁矿化显著, 矿物成分主要为长石和石英, 局部可见少量晶型呈六方长柱状的绿柱石充填在石英脉中。

锆石样品的加工首先要进行碎样、 淘洗, 经强磁选、 电磁选后在双目体视显微镜下挑选纯锆石, 再将挑选好的锆石固定在玻璃板上, 对其表面进行抛光处理, 然后拍摄显微镜下照片以及扫描电镜的阴极发光图(CL 图像)。 根据图像选择晶形较好、 无裂纹、 生长环带较好、 透明度较好的锆石进行标记测年, 以保证最终数据反映出岩浆锆石的年龄。

本次锆石的LA-ICP-MS U-Pb 测年在河北地质大学区域地质与成矿作用重点实验室完成, 所用仪器为Finnigan Neptune 型 MC-ICP-MS 和New wave UP213 激光剥蚀系统。 测试数据经过ICPMSDataCal 软件进行处理[10], 采用Isoplot4.15 版软件对测试数据进行普通铅校正、 年龄加权平均值计算及U-Pb 年龄谐和图绘制。 具体测试和分析过程, 请参考侯可军(2007)文章[11]。

4 测试结果

4.1 锆石形态

在进行锆石微区原位定年之前, 判断锆石的类型是一项必不可少的工作。 虽然目前准确区分不同类型的锆石仍存在些许难度, 但有学者总结出了部分辨别规律。 锆石主要分为岩浆锆石、 变质锆石和热液锆石这3 种类型。 从内部结构来看, 典型的岩浆锆石一般具有典型的岩浆震荡环带且CL 图像亮度较高, 变质锆石无明显环带且CL 图像较暗, 热液锆石无震荡环带且CL 图像不发光。 从化学特征来看, 岩浆锆石Th、 U 含量较高, Th/U 比值一般＞0.4; 变质锆石Th、U 含量较低, Th/U 比值一般＜0.1; 热液锆石Th、 U、Th/U 比值都很高。 除此之外, 还可从形成环境、 结晶习性、 包裹体等方面进行鉴别[12,13]。

从彭庄铍矿PZ08-1 样品中分选出的锆石呈无色透明, 多为它形浑圆状或次浑圆状, 少数呈短柱状,长度在60～110 μm 之间, 长宽比在1 ∶1 ～2 ∶1之间,部分锆石无裂纹。 从阴极发光图像(CL 图像) 所显示的锆石内部结构来看(图4), 阴极发光强度较弱,多数锆石震荡环带清晰, 显示为典型的岩浆成因锆石; 少数锆石具有明显的核边结构, 呈弱分带现象,核部与边部界限清晰且部分锆石中有溶蚀现象, 推测为继承锆石。 从样品的30 个分析点中可看出(表1),Th 含量为18.48×10-6～438.83×10-6, 主要集中在60.12×10-6～130.64×10-6; U 含量为12.82×10-6～1 141.02×10-6, 主要集中在100.49×10-6～596.43×10-6。 个别分析点的Th、 U 含量偏低因而导致Th、 U含量变化范围较大, 这可能是由于后期构造热事件所引起的丢失。 Th/U 的比值在0.05 ～1.44 之间, 平均值约为0.52, Th/U 的比值多大于0.1, 以上特征表明锆石主要为岩浆成因锆石[12-14]。

图4 含绿柱石角砾岩中锆石阴极发光图像Fig.4 Cathodoluminescence image of zircons from green beryl breccias

4.2 锆石年龄

利用LA-ICP-MS 对PZ08-1 样品中的锆石进行同位素测年, 具体分析结果见表1。 除去4 个谐和度较低(小于90%) 的实验数据和1 个年龄误差偏大的实验数据, 其余数据分别生成锆石U-Pb 谐和年龄及加权平均年龄图(图5)。 筛选后的数据中,207Pb/206Pb年龄在 (2 477±13 ～2 532±13) Ma, 主要集中在(2 502±9～2 512±19) Ma。 由图5 可看出, 年龄数据在谐和图中大多位于谐和曲线的下方, 表明这些点经历了明显的放射性铅丢失。 由年龄数据总体构成的一条不一致线与谐和曲线相交得到了一个上交点, 上交点年龄为(2 515.5±9) Ma, 代表了原岩的形成时代。 除此之外, 该组年龄表明了原岩形成于新太古代晚期, 并在2 500 Ma 左右经历了一次强烈的变质作用, 侧面佐证了迁西杂岩形成于这一时期。

表1 含绿柱石角砾岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb 分析结果Table 1 LA-ICP-MS U-Pb analysis results of zircon in green beryl breccias

图5 含绿柱石角砾岩中锆石U-Pb 谐和年龄及加权平均年龄图Fig.5 Concordia diagram and weighted average age diagram of zircon U-Pb data from the green beryl breccias

5 讨论

迁西杂岩是存在于冀东的一套以角闪岩相—麻粒岩相为主的岩石组合, 主要由辉石斜长石麻粒岩、 紫苏麻粒岩夹石榴子石浅粒岩、 磁铁石英岩、 紫苏斜长片麻岩、 紫苏黑云斜长片麻岩夹斜长二辉麻粒岩、 斜长透辉麻粒岩、 二辉斜长角闪岩、 磁铁石英岩组成[15,16]。 一直以来, 从不缺少对于迁西群形成时代、地层划分、 岩石成因等方面的研究, 但其年龄至今仍饱受争议(表2)。 前人通过单颗粒锆石蒸发法测得羊崖山铁矿下盘的岩席状花岗岩的年龄为2 980 Ma 以及U-Pb 法测得水厂大桥周围紫苏花岗岩中黑云变粒岩包体的年龄为3 047 Ma, 认为迁西群应归属于中太古代[28,30]。 但近年, 锆石原位测年技术越来越精准, 相当多的数据表明迁西群的年龄应更为年轻, 可能不属于中太古代。 例如, 韩鑫采用U-Pb 法在迁安滦河西畔的紫苏花岗岩中获得的年龄为(2 544±22) Ma[18], 曲军峰在王寺峪铁矿围岩的黑云母斜长片麻岩中获得了(2 516±9) Ma 的锆石U-Pb 年龄数据[20]。 因此, 有的学者提出了迁西群可能属于新太古代晚期的观点[31]。 本次样品所测得的U-Pb 上交点年龄为(2 515.5±9) Ma, 表明锆石可能来自于赋矿围岩,由于迁西群经历了剧烈的变质和混合岩化作用, 使岩体混入了部分围岩中的锆石, 锆石大多发生了铅丢失,从而产生迁西群年龄比原本认为的较为年轻这一现象。同时推测热液引爆作用将地下Be 等元素带到地表形成铍矿体, 且这一构造热事件应不早于2.5 Ga。 本次结果符合近年来前人所测得迁西群的年龄, 近一步佐证了迁西群的年龄应更靠近2.5 Ga 左右这一说法, 同时也说明了角砾岩的成岩成矿年龄应晚于这一时期。

表2 有关迁西群的主要测年数据Table 2 The main related age data of the Qianxi Group

续表2

6 结论

(1) 通过对彭庄铍矿含绿柱石角砾岩中锆石的形态特征、 Th/U 比值的研究, 表明其主要为岩浆成因锆石。

(2) 彭庄铍矿的 U-Pb 年龄主要集中在(2 502±9～2 512±19) Ma 之间, 在年龄谐和图中大部分位于谐和曲线的下方, 显示放射性成因铅明显有不同程度的丢失。 经分析, 年龄数据所构成的不一致线与谐和曲线相交, 上交点年龄为(2 515.5±9) Ma,代表了原岩的形成时代, 实验数据一定程度上佐证了迁西群的形成时代为2.5 Ga 左右这一观点。

(3) 根据铍矿角砾岩的产出特征以及LA-ICP-MS U-Pb 测年综合表明, 成矿时代应晚于2.5 Ga。

致谢:本文在撰写过程中得到了陈超副教授、 张福祥老师的热情指导, 在此深表感谢!