张家口朱家洼钼矿床锆石U-Pb、辉钼矿Re-Os 年龄及其地质意义

赵金龙,李随民,王 昕,赵 醒,陈 雨

1.河北地质大学,河北 石家庄 050031;2.河北省地质调查院,河北 石家庄 050081

0 引言

与酸性侵入体有关斑岩型钼矿床是在世界上重要的钼矿床之一,华北地台北缘是我国重要的钼成矿地区,矿床的形成时代较新,多晚于150 Ma[1]。其中,朱家洼钼矿床自2015 年河北省地矿局第三地质大队在张家口朱家洼地区进行矿产普查之后被发现,虽然矿床规模不大,但矿田资源远景好。该矿床自发现以来进行了大量的研究,主要集中在成矿流体、物质来源等方面[2,3]。关于成矿时代和赋矿岩石成矿年龄研究较少。确定朱家洼钼矿床的成矿年龄对研究矿床形成时的构造环境和物质来源至关重要,本次运用具有抗高温和抗热力干扰特点的ICP-MS 法直接测定辉钼矿Re-Os 同位素年龄与具有高空间分辨率、高效率等特点的LA-ICP-MS 法测定锆石U-Pb 年龄。在确定成岩成矿年代的基础上,结合前人的研究成果,总结了钼矿体与岩体的关系及其形成的成矿动力学背景。

1 区域地质背景

朱家洼钼矿位于华北地台北缘、内蒙地轴中段、燕山台褶带并且与天镇台穹紧邻(图1)。矿区区域内断裂构造发育,以北西向为主,主要受商都—兴和—蔚县断裂带控制。出露地层为以太古宙麻粒岩为其结晶基底,其上覆中—新元古代沉积盖层。其中太古界桑干岩群变质作用强烈,区域划分为马市口、右所堡两个岩组。两组地层主要以黑云紫苏变粒岩、二辉斜长变粒岩、二辉斜长麻粒岩为主。中—新元古界长城系主要岩性由砂质页岩、石英砂岩、页岩等岩石组成,与下伏太古宙地层呈平行不整合接触关系。古生代—中生代地层零星分布或缺失。古近纪、新近纪及第四纪主要以黏土、砂、砾石层等,在区域内广泛出露。区域内构造复杂,受NW 向马市口—右所堡—松枝口断裂控制,发育一系列NW—NE 向次一级断裂。研究区从太古代至中生代发育不同程度的岩浆活动,其中燕山期岩浆活动最为强烈,以浅成、超浅成侵入岩为主,并受北西向断裂构造控制,主要为石英斑岩、流纹斑岩、流纹岩等酸性小岩株、岩脉,一般出露面积均小于1 km2,与区域内钼矿具有密切的成矿关系。

2 矿床地质特征

图1 区域地质简图Fig.1 Regional geological map

矿区内出露地层简单,除第四系堆积物覆盖外,主要为太古界桑干群马市口岩组变质岩系(图2)。主要岩性有:黑云斜长变粒岩、斜长浅粒岩、铁质化碱长浅粒岩等。第四系的物质厚度变化较大,分布范围较广。矿区内构造以北西向断裂为主,骆驼山岩体在朱家洼村北部出露面积广泛,岩体呈不规则状,边部往往呈枝状向外延伸。地表出露岩性复杂,以石英斑岩为中心,向外依次为流纹斑岩、流纹质岩屑晶屑凝灰熔岩、流纹岩。

图2 矿床地质简图Fig.2 Geological sketch of the deposit

2.1 矿体特征

钼矿体全部分布于骆驼山斑岩体西南部,大致为半隐伏—隐伏状,控制走向长约600 m,宽约700 m,倾斜延深约700 m,赋存于马市口岩组变质岩、流纹(斑) 岩、隐伏花岗斑岩中,矿化与裂隙及微裂隙有关,构造发育地段矿化强烈。已知圈定的31 条矿体以深部单孔控制,大致呈平行的脉状、大脉状,以及透镜状,总体产状倾向南西,倾角70°左右。矿体赋存标高大致271～1 050 m 之间,埋深2～800 m 之间。单层厚度在1.34～11.92 m 之间,Mo 元素品位大致为0.05%～1.19%,最高品位为4.98%,各矿体间夹层含Mo 品位一般在0.005%～0.024%之间[3]。从勘查线剖面图看出,钼矿化多期性和分带性的特点(图3)。

2.2 矿石特征

矿石矿物主要为辉钼矿、黄铁矿,次有磁黄铁矿、黄铜矿、磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿、方铅矿、闪锌矿、针铁矿等。脉石矿物主要为石英、斜长石、钾长石、绢云母,次有透辉石、普通角闪石、黑云母,少量绿泥石、绿帘石、白云母、萤石、方柱石等。矿石结构主要为半自形—他形晶粒状、片状、鳞片状、交代状结构。矿石构造为浸染状、脉状构造、似脉状构造、网脉状构造(图4)。

2.3 围岩蚀变

图3 朱家洼矿区2 号勘探线剖面图Fig.3 Profile of No.2 exploration line in Zhujiawa mining area

朱家洼钼矿区中心被骆驼山火山—次火山流纹花岗斑岩体侵位,造成围绕岩体分布的岩石均发生不同程度的高岭土化、绢云母化(图4a、图4b)。围岩的交代作用及蚀变较强,蚀变种类较多,主要有硅化、绢云母化、绿泥石化、绿帘石化、和黄铁矿化等;矿体与围岩无明显的界线。

3 样品特征及其测试方法

3.1 锆石样品采集及特征

本次对朱家洼矿床中的隐爆角砾岩、石英斑岩、流纹斑岩进行了样品采集。其中,隐爆角砾岩为微晶结构,块状构造;矿物成分:长英质矿物呈微晶状分布,石英呈微晶状分布,受变质作用影响部分重结晶,长石不同程度绢(白) 云母化,粒径0.02～0.06 mm;铁质呈浸染状、网脉状分布(图4f)。

石英斑岩为斑状结构,块状构造,矿物成分主要由斑晶和基质组成,斑晶主要由石英、碱性长石及少量黑云母组成,粒径0.15～2.1 mm,石英呈他形粒状分布,碱性长石呈他形粒状分,黑云母呈鳞片—叶片状分布;基质呈微晶结构,主要由长英质矿物、不透明矿物组成,粒径0.03～0.09 mm,长英质矿物呈微晶状分布,长石均强绢(白) 云母化,石英呈微晶状分布,部分重结晶;不透明矿物呈星散状分布(图4e)。

图4 朱家洼矿床野外及正交偏光照片Fig.4 Field and orthogonal polarization photos of Zhujiawa deposit

流纹斑岩为少斑结构,块状构造,矿物成分主要由斑晶和基质组成。斑晶主要由石英、碱性长石组成,粒径0.3～0.6 mm,石英呈他形粒状分布,碱性长石呈他形粒状分布,不同程度高岭土化和绢(白)云母化,弱明矾石化;基质呈微晶—霏细结构,主要由长英质矿物、铁质组成,粒径0.02～0.06 mm,长英质矿物:呈微晶—霏细状分布,长石不同程度绢(白) 云母化和高岭土化,石英呈微晶状分布,铁质:呈星散状、浸染状分布(图4a)。

根据隐爆角砾岩、石英斑岩、流纹斑岩三类岩石镜下分析,其中矿物均有不同程度中低温蚀变现象;锆石作为重要的副矿物分布在岩浆岩中,不仅分布广泛,稳定性极强,而且即使岩石发生变质现象,也不会丢失自身的源区信息,因此,使用锆石形成时的特征去指示岩石形成环境是可行的[5]。

3.2 辉钼矿样品采集及特征

采集辉钼矿样品共6 件,采自矿区ZK2-1、ZK2-2 不同深度的岩芯中,三个ZK2-1 钻孔的样品分别在地下深度160 m、249 m、270 m 处采集;三个ZK2-2钻孔的样品分别在地下深度325 m、334 m、670 m 处采集;六件辉钼矿样品在镜下主要为稀疏浸染状构造,镜下辉钼矿、磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿黄铁矿均呈星散分布,辉钼矿为灰白色半自形板状—他形鳞片状集合体,片径<0.3 mm,非均质,磁铁矿被赤铁矿交代呈残余状,矿交代磁铁矿,钛铁矿部分与磁铁矿连生(图4c、图4d)。

3.3 锆石U-Pb 测年研究方法

所有样品在野外观察和描述,室内称重、编号、登记,样品重量一般在0.5～1.0 kg,个别达到2.0 kg,从中挑选的单矿物重量均满足分析测量要求。在河北省区域地质调查院实验室用人工破碎重砂淘洗法从花岗岩样品中分离出锆石,最后在双目镜下挑纯,锆石纯度达99%以上,并且无氧化、无污染。从采集的样品中根据锆石的颜色、形态、透明度进行挑选,制靶,然后选取合适的测试点位用于CL 图像拍摄。为了解不同岩石的形成时代,再选用岩体样品中的锆石大于1 000 粒的用于U-Pb 同位素测年。测试单位是核工业北京地质研究院分析测试研究中心,ICP-MS型号为Nu Plasma II 型多接收电感耦合等离子体质谱仪。数据的分析与处理由软件GLITTER 完成,加权年龄计算及U-Pb 年龄谐和图的绘制工作由Isoplot 软件完成[6,7]。

3.4 Re-Os 同位素测年研究方法

本次运用辉钼矿Re-Os 同位素测年法不仅能获得矿体形成时的年龄,并且可为矿区域成矿演化提供可靠依据,所以该法被广泛应用于地质学中。本次所样品来自于朱家洼矿区ZK2-1、ZK2-2 不同深度的岩芯,在河北省区域地质调查院实验室进行分选工作,以保证辉钼矿样品的细颗粒和完全均匀性。然后再进行无污染粉碎、浮选、重液等工作,挑选出辉钼矿晶体颗粒,对选出的辉钼矿颗粒提纯,最后得到均一的钼颗粒。在国家地质实验测试中心运用Carius 管进行样品的分解工作,直接蒸馏分离Os 与萃取分离Re 具体步骤见文献[8-10],最后运用美国TJA 公司生产的电感耦合等离子体质谱仪TJA X-series ICP-MS 进行同位素比值的测定[7]。对于Re-Os 含量很低的样品采用美国热电公司(Thermo Fisher Scientific) 生产的高分辨电感耦合等离子体质谱仪HR-ICP-MS Element 2进行测量。

4 结果

4.1 锆石U-Pb 年龄测试结果

这三类岩石中锆石形貌特征基本为颗粒晶面完整、平直光滑,长大约在100～200 μm,宽为100 μm左右,呈自形或者半自形结构;可观察到锆石阴极发光图像上有明显的岩浆韵律环带,并且根据数据显示,Th/U 值均大于0.4,是典型的岩浆锆石(表1～3)。对三个岩体样品206Pb/238U 年龄加权计算,并对207Pb/235U 与206Pb/238U 年龄进行锆石谐和年龄投图(图5)。其中隐爆角砾岩的加权平均年龄为(156.8±1.0) Ma,流纹斑岩加权平均年龄为(157.21±0.82) Ma,石英斑岩的加权平均年龄为(146.1±1.2) Ma(图5)。其中隐爆角砾岩20 个分析点年龄范围在151±2～160±2 Ma,流纹斑岩154±2～160±2 Ma,石英斑岩23 分析点年龄范围在141±2～150±1 Ma。三组数据点在锆石谐和图中成组分布,可代表岩石结晶年龄。

4.2 辉钼矿Re-Os 年龄测试结果

模式年龄t 按(1) 式计算,其中λ (187Re 的衰变常数) = 1.666×10-11a-1[11]。通过Isoplot 计算得出表4,计算出辉钼矿的模式年龄为(140.3±1.9) Ma,六件辉钼矿样品在等时线图中呈一条直线排列,得出其同位素比值等时线年龄为(141.7±2.9) Ma (图6)。

5 讨论

5.1 成岩成矿时代

运用ICP-MS 技术测出锆石U-Pb 年龄为146.1～157.21 Ma,锆石U-Pb 年龄代表岩体形成的年龄,明显可见这三组年龄分为两个期次,157.21～156.8 Ma和146.1 Ma;三组年龄显示其形成年代为燕山中晚期,燕山期该研究区受到了多次强烈的岩浆活动影响,同时根据岩相学特征与锆石Th/U>0.4 说明隐爆角砾岩、流纹斑岩与石英斑岩属于酸性岩浆的产物,石英斑岩出现在隐爆角砾岩与流纹斑岩之后,认为钼矿体受到了早期酸性岩株岩脉的侵入。朱家洼辉钼矿Re-Os 同位素等时线年龄为(141.7±2.9) Ma,加权平均年龄为(140.3±1.9) Ma ,二者年龄基本吻合,并且辉钼矿加权平均年龄与等时线年龄可信度较高,除此之外,辉钼矿Re-Os 同位素体系极易发生失耦现象,但在颗粒小于2 mm 时测试,可以消除失耦现象,因此年龄可代表辉钼矿结晶时间[12,13]。通过对比曹四夭、大苏记钼矿床与朱家洼钼矿床的矿体赋存形态、矿石结构构造、矿物组成、矿床蚀变特征以及矿化特征,表明了朱家洼钼矿床与上述2 个钼矿床同属于斑岩型钼矿[14,15];同时对比三个矿床辉钼矿Re-Os同位素数据,曹四夭 (148.3±1.3) Ma 与大苏记(223.5±5.5) Ma,认为燕山期至少有两次成矿时期[13]。由于酸性岩体形成时代早于矿体形成时代,并且时间线非常连续,认为朱家洼辉钼矿成矿受早期酸性岩体控制并且为钼矿化提供了母岩支持。

表1 朱家洼1 号样品中锆石U-Pb年龄测试结果Table 1 Zircon U-Pb age test results of Zhujiawa No.1 sample

表2 朱家洼2 号样品中锆石U-Pb年龄测试结果Table 2 Zircon U-Pb age test results of Zhujiawa No.2 sample

表3 朱家洼3 号样品中锆石U-Pb年龄测试结果Table 3 Zircon U-Pb age test results of Zhujiawa No.3 sample

图5 朱家洼1-3 样品LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图Fig.5 LA-ICP-MS zircon U-Pb age concordance of Zhujiawa 1-3 samples

5.2 成矿动力学背景

一般情况下,斑岩型矿床大多在弧环境形成,成矿作用不仅与俯冲构造有关,同时与陆陆碰撞环境也有紧密的联系[16]。由于朱家洼钼矿床处于华北板块北缘、内蒙地轴中段,属燕辽多金属成矿带。古生代—中生代华北板块运动大致可分为古亚洲洋闭合和太平洋俯冲运动阶段[16,17]。古生代古大洋闭合以后,中生代时期蒙古板块与华北板块碰撞接合,随后受到蒙古—鄂霍茨克板块俯冲作用导致了华北板块处于挤压环境;这一时期欧亚大陆板块受太平洋板块俯冲的影响并在晚侏罗—早白垩世达到了板块运动巅峰期,导致了华北板块再次受到挤压作用影响,这一时期华北地台北缘的矿化同时也达到了巅峰期[18-21]。这一阶段具有多期次、多方式的推覆构造事件,中生代时期华北地台北缘地区地壳深部处于挤压、上部处于引张的状态,造成了大陆活化,形成了燕山中部构造—岩浆—成矿带[22];最为重要的是由于华北地区构造环境的改变,导致结晶基底熔融,产生中酸性熔融体,在地下深部高温高压的条件下,促使熔融体沿着构造裂隙上涌,为钼矿床的形成带来了成矿元素。综上所述,由于燕山期华北地台发生了多次构造运动,导致了区域性大断裂,断裂带为含钼的酸性岩浆从上地幔或下地壳向上多次侵位提供了通道,为钼矿的形成提供了有利的条件;并且通过锆石年龄结果显示深部岩浆分为两次上侵,形成了矿区周围的赋矿岩体。毛景文等(1999) 通过比较我国已经发表的钼矿床中辉钼矿中Re 含量,提出Re 含量从幔源→壳幔混源→地壳依次减少;Re 含量从(10～1000) ×10-4→(n×10) ×10-6→(1～10) ×10-6,因此,辉钼矿中的Re含量可以指示成矿物质来源[23]。朱家洼钼矿床Re 含量 为 (7.18 ～ 39.91) × 10-6( 表 4),平 均 为16.91×10-6。表明了朱家洼钼矿床成矿物质来源于地壳与地幔混合源区。

图6 朱家洼辉钼矿 Re-Os 同位素等时线年龄与加权平均年龄值图解Fig.6 diagram of Re Os isotopic isochron age and weighted average age of Zhujiawa molybdenite

表4 朱家洼钼矿床辉钼矿Re-Os同位素数据Table 4 Molybdenite Re-OS isotope data of Zhujiawa Molybdenum deposit

6 结论

(1) 朱家洼辉钼矿的主要成矿期年龄为143.0±1.9Ma。根据锆石U-Pb 年龄与Re-Os 测年结果显示,成岩成矿时代均在燕山期,并且岩体早于矿体形成,二者年代相距不大。

(2) 朱家洼钼矿床位于深大断裂交汇处,该矿床形成受到了板块运动的影响(多处于挤压环境);同时一系列的构造运动导致了地下深部岩浆热液向上侵位,同时,得出朱家洼钼矿床中Re 含量为(7.18～39.91) ×10-6(表4),平均为16.91×10-6,表明了其成矿物质来源于壳幔混源。