内蒙古哈达门沟石英正长岩锆石SHRIMP年龄及其地质意义

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侯洋沃
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1 Advances in Geosciences 地球科学前沿, 013, 3, Published Online February 013 ( SHRIMP U-Pb Zircon Age and Its Implications of uartz Syenite in Hadamengou, Inner Mongolia * Kangxu Ren 1,#, Guohan Yan, Jianhui Cai 3, Tianren Zou 4, Baolei Mu, Fengtang Li 1 Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 3 Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 4 Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing # renkangxu@163.com Received: Oct. 19 th, 01; revised: Oct. 7 th, 01; accepted: Nov. 11 th, 01 Abstract: Based on dating zircon TIMS and SHRIMP U-Pb ages for the ore-controlling quartz syenite of Hadamengou large gold deposit, Inner Mongolia, the authors confirmed that the quartz syenite intruded upon during the early of Paleoproterozoic. Its zircon SHRIMP U-Pb concordant point age was (483 ± 10) Ma(1σ) and the upper intersection age gived (508 ± 41) Ma(1σ) on the disaccording line respectively. The quartz syenite in Hadamengou was proved the oldest Paleoproterozoic alkali-rich intrusive rock in China till now. Its old age and its distribution of the alkali-rich intrusive rock had important tectonic significance. It revealed that after the amalgamation at the end period of Archean, the crust of North China Craton had reached some thickness and had transformed into a kind of extensional tectonic settings since the intrusion of the alkali-rich intrusive rock in Hadamengou. Keywords: TIMS; SHRIMP; Zircon U-Pb Age; Hadamengou Gold Deposit; Alkali-Rich Intrusive Rock; Paleoproterozoic 内蒙古哈达门石英正长岩锆石 SHRIMP * 年龄及其地质意义任康绪 1,#, 阎国翰, 蔡剑辉 3, 邹天仁 4, 牟保磊, 李凤棠 3 1 中国石油勘探开发研究院, 北京北京大学地球与空间科学学院, 北京中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 4 中国地质科学院地质研究所, 北京 # renkangxu@163.com 收稿日期 :01 年 10 月 19 日 ; 修回日期 :01 年 10 月 7 日 ; 录用日期 :01 年 11 月 11 日摘要 : 采用同位素稀释法 (TIMS) 和二次离子探针法 (SHRIMP) 对内蒙古哈达门大型金矿床主矿体控矿岩石进行了锆石测年研究, 最终确定了石英正长岩形成于古元古代早期, 其锆石 SHRIMP U-Pb 谐和年龄为 (483 ± 10) Ma(1σ), 上交点年龄为 (508 ± 41) Ma(1σ) 哈达门石英正长岩是国内迄今报道的元古代最古老的富碱侵入岩, 其时空分布具有重要大地构造意义, 指示了华北古陆在经历太古代末的碰撞拼合事件已经结束, 地壳具有一定厚度, 并已经开始向拉张性构造环境转变关键词 :TIMS;SHRIMP; 锆石 U-Pb 年龄 ; 哈达门金矿 ; 富碱侵入岩 ; 古元古代本文研究受国家自然科学基金 ( 批准号 :400704) 资助通讯作者 * # 4 Copyright 013 Hanspub

2 1. 引言暗肉红色岩性为细晶石英正长岩具有细粒结晶结内蒙古哈达门(也有文献称哈德门)金矿是中国著名的与碱性流体有关的大型金矿床[1,] 由于大地构造位置地处华北克拉通北缘西段矿床地质特征特殊该金矿自发现以来吸引了很多学者的注意力[1-9] 该金矿矿化区及外围出露了不同规模的侵入岩体及脉岩类岩石类型有伟晶岩黑云母花岗岩碱性正长岩花岗闪长岩闪长岩和细晶岩等时代从古元构主要由约 70%的钾长石(微斜长石 + 条纹长石) 和约 30%的石英组成有少量方解石偶见斜长石副矿物有磁铁矿锆石等(图 ) 邹天人等详细研究过 13 号矿脉中石英正长岩的岩石化学特征并通过 CIPW 标准矿物计算出现了锥辉石和似长石类矿物按照当代碱性岩分类方案属于碱性岩类无疑通过构造环境判别属于典型的非造山碱性岩[1] 样品采用钢笨手工碎样锆石经重选 + 电磁选古代到中新生代都有分布[10] 关于上述侵入岩早期活动时间或成岩时代不同研究者获得的结果不完全一致邹天人等报道与金矿重矿物分离然后在双目镜下人工挑选获得挑选出的锆石绝大多数为浅褐色暗红褐色短柱状半透成矿作用密切相关的山前两个钾化带为岩浆岩其锆明透明晶面光滑但因棱角有一定的熔蚀现象使石蒸发年龄为(1975 ± 1) Ma(北带)和(1981 ± 14) 锆石外形显现出似浑圆状粒度一般 100~00 μm 极 Ma(南带)[1] 苗来成等报道 13 号矿脉附近伟晶岩的锆矿化区黑云母磁铁矿伟晶岩脉的 Ar/39Ar 年龄为白云鄂博临河包头大且缺乏对深源低程度熔融岩石类型即碱性岩的过哈德门金矿硬测年数据因此对矿区早期岩浆活动规律研究缺乏 11 窗口[1,13] 为明确这一地区前寒武纪碱性岩时空分布特征本文以哈达门金矿矿化区最具代表性的 13 号矿脉群[11]的控矿岩石即石英正长岩为研究对象开展高精度锆石 U-Pb 年龄测定并对其大地构造意义进行探讨. 地质概况和样品特征内蒙古哈达门金矿位于包头市西约 15 km 处呼和浩特 148Km 门 K An wl 800 m 13 K 德 An wl 大坝 78 An wl 不 1 8 乌兰 113 浪阿贵完整性碱性岩类岩石以其来源深产出构造环境独特而为广大学者所瞩目是洞悉地球深部信息的重要哈化德白乃庙 40 ( ± 38.94) Ma 等等上述年龄数据分布范围 N 温都尔庙石 SHRIMP 年龄为(1836 ± 5) Ma[10] 聂凤军等报道金 Figure 1. Sketch geological map of Hademengou gold deposit (modified after reference [1]): 1: uantary; : Wulashan group; 3: Piedmont potassic zone; 4: Vein and serial number; 5: Ancient oceansuture zone; 6: Measured and presumed fault; 7: ArcheanPaleopreterozoic strata; 8: Meso-Latepreterozoic strata; 9: EarlyPaleozoic strata; 10: Late-Paleozoic strata; 11: Sample location 图 1. 哈达门金矿地质简图(据文献[1]修改) 1 第四系乌拉山群 3 山前钾化带 4 矿脉及编号 5 古大洋缝合带 6 实测和推测断裂 7 太古宙-古元古代地层 8 中晚元古代地层 9 早古生代地层 10 晚古生代地层 11 采样位置矿床围岩主要为太古宙乌拉山群变质岩岩性主要为紫苏二长片麻岩黑云石榴斜长片麻岩紫苏石榴麻磁铁矿脉石英 [14] 粒岩钾长石主矿体 13 号矿脉群位于矿区东部是一条近东西走向的脉带总长近 7500 m 其中 13 号主脉长约 00 m(图 1) 控矿岩石类型主要为细晶正长岩细晶石英正长岩呈脉状产出具有富碱(主要是钾) 侵入岩特有的锆石和碳酸盐矿物在细晶正长岩和细晶石英正长岩分布带顶部有细粒黑云母碱长花岗岩脉和霓辉石微斜长石伟晶岩及霓辉石磁铁矿微斜长石伟晶岩小脉[1] 样品采自 13 号矿脉手标本比较新鲜呈灰红 Copyright 013 Hanspub (a) (b) Figure. Petrological features of the studied quartz syenite: (a) Sample macroscopic fabric characteristics; (b) Microscopic fabric characteristics 图. 研究区石英正长岩岩石学特征 (a) 手标本宏观组构特征 (b) 显微组构特征 43

3 个别锆石颗粒较大 (>00 μm) 且颜色也比较深 ( 深褐色 ) 半透明状 3. 分析方法和结果 3.1. 锆石 TIMS 法测年分析 TIMS 法 ( 同位素稀释法 ) 测年实验在中科院地质与地球物理研究所同位素实验室完成样品处理前先在双目镜下将锆石筛分成不同粒级, 然后挑选出若干个晶形较好无包裹体和连生体的颗粒, 分别用 5 N 的 HNO 3 和 3 N 的 HCL 溶液低温洗涤 30 min, 再用蒸馏水清洗, 烘干经过上述处理后分选出若干组锆石, 然后在每组中选择数粒锆石置入清洗干净的聚四氟乙烯高压釜内, 称量加入大约 130 mg 的 05 Pb- 35 U 混合稀释剂溶液, 蒸干后再加入约 0.5 ml 的浓 HF, 在 00 条件下加热 7 昼夜 U Pb 的分离和提纯在 AGI 8 (00~800 目 ) 阴离子树脂上进行, 采用氢溴酸体系 U Pb 同位素测定用硅胶做发射剂, 在 VG354 固体源质谱计上进行计量测定 Pb 的全流程本底小于 g 获得的数据和拟合年龄结果见表 1 和图 3, 数据拟合采用 Isoplot 软件 [15] TIMS 法分析结果表明 4 组锆石测试数据 U 含量都比较高 (117~685 μg g 1 )( 表 1), 反映出高铀锆石的特征, 并且 07 Pb/ 06 Pb 表面年龄非常接近, 每组数据都显示出 07 Pb/ 06 Pb > 07 Pb/ 35 U > 06 Pb/ 38 U 的不一致表面年龄出现这种特征是由于锆石放射成因铅近期不同程度丢失引起的 [16], 这种情况下的 07 Pb/ 35 U 和 06 Pb/ 38 U 表面年龄不能直接代表锆石形成的同位素混合年龄, 采用谐和图交点法可获得锆石样品的混合年龄根据上述 4 组数据拟合出一条不一致线, 数据基本集中在该直线上, 获得与谐和线的上交点年龄为 (35 ± 49) Ma(σ),MSWD = 108, 下交点年龄接近零 ( 图 3) 由于 MSWD 值偏大, 且在光学显微镜下观察发现锆石晶体表面棱角熔蚀呈浑圆状, 怀疑有可能受到过后期热事件影响, 需通过阴极发光开展锆石形貌及内部结构研究, 在此基础上开展单颗粒锆石测年阴极发光 (CL) 图像分析在北京大学采用 FEI PHILIPS XL30 型扫描电镜完成通过阴极发光对锆石颗粒的观察, 发现该锆石样品内部主体部分发育岩浆成因的振荡环带 [17,18], 外部常发育一层很薄的增生边, 阴极发光下呈白色 ( 图 4) 因此本文 TIMS 法获得的 (35 ± 49) Ma 的数据可能代表锆石岩浆成因年龄与后期热变质壳年龄的混合值, 不具有代表性, 但能指示出锆石的寄主岩石成岩年龄应该比这一数值要大为了获得过硬的 U-Pb 同位素年代学数据, 本文进一步采用 SHRIMP 法对该批锆石样品进行高精度微区原位测年分析 3.. 锆石 SHRIMP 法测年分析锆石样品的 CL 图像显示其晶体外层增生壳很薄 ( 约 5~10 μm),shrimp 方法还无法对其进行微区测年分析, 因此仅对岩浆成因环带部分进行测定测年分析在中国地质科学院北京离子探针中心 SHRIMPⅡ 型仪器上完成, 采用的锆石标样为 SL13 (57 Ma) 和 TEMORA (417 Ma) [19], 实验分析结果列于表, 数据 [15] 拟合谐和图见图 5 从表可见,SHRIMP 分析获得的 11 组数据 U TH 含量都在数百 μg g 1 以上, 且 Th/U 比值大于 0.4, 这些数据再次支持是岩浆锆石成因 [18] 11 组数据的 06 Pb/ 38 U 07 Pb/ 35 U 均不一致, 投射镜下见锆石裂缝也比较多, 表明锆石形成后遭受了不同程度的铅丢失 11 个数据中获得一个谐和点年龄 ( 测点 BT-1., 谐和度 > 99%), 其 07 Pb/ 06 Pb 表面年龄为 (483 ± 10) Table 1. TIMS zircon age data for the studied quartz syenite 1 表 1. 哈达门金矿石英正长岩 TIMS 锆石年龄分析结果组别 U/μg g 1 Pb/μg g 1 06 Pb/ 04 Pb 07 Pb * / 35 U σ% 06 Pb * / 38 U σ% 07 Pb/ 06 Pb * σ% 07 Pb/ 35 U 表面年龄 /Ma 06 Pb/ 38 U 07 Pb/ 06 Pb No No No No Pb * 表示放射成因铅 44 Copyright 013 Hanspub

Figure 4. CL images and dating positions on zircons of the studied quartz syenite 图 4. 石英正长岩锆石样品 CL 图像及 SHRIMP 测点位置 Figure 3. Concordia diagram for TIMS zircon ages of the studied quartz syenite 图 3.

哈达门金矿石英正长岩 SHRIMP 锆石年龄分析结果 04 测点编号 U/μg g 1 Th/μg g 1 Th/U Pb*/μg g 1 06 Pbc/% 07 35 Pb/ U 04 Pb 校正的数据 1σ% 06 38 Pb/ U 1σ% 06 38 Pb/ U Pb 校正的表面年龄/Ma ±1σ 07 Pb/06Pb ±1σ BT-1.1 731 461 0.65 51. 0.0 8.

4 Figure 4. CL images and dating positions on zircons of the studied quartz syenite 图 4. 石英正长岩锆石样品 CL 图像及 SHRIMP 测点位置 Figure 3. Concordia diagram for TIMS zircon ages of the studied quartz syenite 图 3. 石英正长岩 TIMS 锆石年龄图 Table. SHRIMP zircon age datafor the studied quartz syenite of Hadamengou gold deposit 表. 哈达门金矿石英正长岩 SHRIMP 锆石年龄分析结果 04 测点编号 U/μg g 1 Th/μg g 1 Th/U Pb*/μg g 1 06 Pbc/% Pb/ U 04 Pb 校正的数据 1σ% Pb/ U 1σ% Pb/ U Pb 校正的表面年龄/Ma ±1σ 07 Pb/06Pb ±1σ BT BT BT BT BT BT BT BT BT BT BT * 06 Pb 表示放射成因铅 Pbc(%)为普通 06 Pb 在整体 06 Pb 中占的比例普通铅用 04 Pb 校正 Ma(1σ) 由于锆石 U-Pb 同位素谐和年龄数据铅丢失期形成的 CL 分析表明该锆石颗粒具有核幔边非常微小因此可以代表寄主岩石的成岩年龄在谐结构及成分的不均一性(图 4) 核幔部分具有规则振和图解上其他测点由于铅丢失导致 Pb/ U 年龄荡环带表明其为岩浆成因核部 07Pb/06Pb 表面年龄不同程度偏差谐和线(图 4) 9 组数据点(BT-6 除外值(740 ± 5) Ma 可能指示了源区残留锆石年龄信息另行讨论)的上交点年龄值为(508 ± 41) Ma(1σ) 且它不能代表石英正长岩的成岩年龄们的 Pb/ Pb 表面年龄很集中(加权平均值 515 ± 7Ma(1σ)) 表明为同期成因锆石这一年龄数据在误 4. 讨论和结论差范围内与(483 ± 10) Ma 的谐和年龄吻合上述几本文采用目前最有效的测年方法即锆石 SHRIMP 组年龄数据比较接近据此可将哈达门金主矿区石 U-Pb 法限定了哈达门金矿区石英正长岩的成岩时英正长岩的成岩年龄限定在.48~.51 Ga 左右对于代不仅对探讨该矿床的控矿岩石时空分布具有重要编号为 BT-6 的锆石显然与分析的其他锆石不是同意义更重要的是通过对该碱性岩的研究能深入了解 Copyright 013 Hanspub 45

5 华北克拉通北缘古元古代早期大地构造演化特征及克拉通深部的信息按照涂光炽院士的学术观点 [0], 石英正长岩这类富碱侵入岩起源于地球深部, 是上地幔部分熔融产生的富碱岩浆, 顺着区域性大断裂上升, 与硅铝层发生混染较多时形成的岩石类型, 这类岩石的出现一般代表着非挤压构造环境但正如前文所述, 此前该金矿床控矿岩石之一的石英正长岩由于缺乏过硬的年代学数据, 其时空分布意义未能在前寒武纪尤其是古元古代大地构造研究中引起重视综合分析前人对哈达门金矿区有关的年代学研究 [,8], 早期主要应用 K-Ar Rb-Sr 法来进行测年, 虽然获得了多组年龄信息, 但由于该方法的局限性, 对于比较古老且又遭受过后期热事件影响的地质体测年通常难以凑效, 往往揭示的是后期强烈热事件干扰信息苗来成等 [11] [10] 聂凤军等用 SHRIMP 法获得了高精度的数据, 但都没有针对该矿床主体控矿岩石的石英正长岩, 而测定的是矿脉旁侧的钾化蚀变岩和伟晶岩本文研究表明, 该矿区的碱性岩脉形成于古元古代早期由此进一步揭示出该金矿区控矿岩石时空分布的复杂性前人资料表明, 华北克拉通.5 Ga 左右有一期强烈的地壳增生事件 [1,], 时限范围 550~475 Ma, 表现为巨型麻粒岩带岩浆构造热事件沉积建造开始和环境变化等, 是华北陆块一次重要的拼合事件 [3] 本文获得哈达门石英正长岩.48~.51 Ga 的锆石 U-Pb 年龄, 一方面表明哈达门金矿区发育国内迄今最古老的元古代富碱侵入岩, 另一方面也揭示这一时期的克拉通地壳已经达到相当的厚度, 华北陆块太古宙末期的碰撞拼合事件已经结束并开始向拉张环境转变, 揭示这种变化的文献还有郎殿有 [4]( 揭示本区 500~400 Ma 有一次深层塑性变形事件 ) 及 Kusky 等 [5] ( 华北克拉通北缘.50~.40 Ga 处于拉张裂陷盆地的构造格局 ) 学者综上所述, 本文得出如下结论 :1) 哈达门金矿区石英正长岩形成于古元古代早期, 锆石 SHRIMP U-Pb 谐和年龄为 (483 ± 10) Ma, 上交点年龄值为 (508 ± 41) Ma;) 哈达门金矿区发育国内最古老的元古代富碱侵入岩, 它的时代限定具有重要的大地构造意义, 指示了华北古陆太古代末期碰撞事件的结束并开始向拉张环境转变 5. 致谢本文完成过程中北京大学刘树文教授李江海教授提供了具体的修改意见, 在此表示感谢! 参考文献 (References) [1] 邹天人, 徐珏, 夏凤荣. 内蒙古自治区乌拉山金矿床的成因 [J]. 矿床地质, 1998, 17( 增刊 ): [] 中国人民武警黄金部队指挥部. 内蒙古自治区哈达门伟晶岩金矿地质 [M]. 北京 : 地震出版社, [3] 李强之, 陈衍景, 徐登科等. 内蒙古哈达门金矿床单矿物金浸出实验研究及其地质意义 [J]. 矿床地质, 003, (3): [4] 周坤. 内蒙古哈达门金矿床地质特征及成因探讨 [J]. 黄金, 1995, 16(10): 5-8. [5] 梁海军, 赵春荣. 内蒙古哈达门金矿床成矿条件及控矿因素 [J]. 黄金地质 1999,5():4-46. [6] 张庆辉. 哈德门金矿区矿体定位规律研究 [J]. 黄金, 1997, 18(11): [7] 郭砚田. 内蒙古乌拉山哈德门式金矿床成矿地质特征 [J]. 贵金属地质, 199, (-3): [8] 孟伟, 陈小伍, 李蒙文. 内蒙古哈达门金矿成矿时代及成矿阶段研究 [J]. 黄金地质, 00, 8(4): [9] 王彦君, 刘明戍. 哈德门金矿床地质若干特点 [J]. 采矿技术, 006, 6(4): [10] 聂凤军, 江思宏, 刘妍等. 再论内蒙古哈达门金矿床的成矿时限问题 [J]. 岩石学报, 005, 1(6): [11] 苗来成, 裘有守, 关康等. 哈达门金矿床成岩成矿时代的定点定年研究 [J]. 矿床地质, 000, l9(): [1] H. Sørensen. The Alkaline Rocks. London: John Wiley & Sons, 1974: [13] 任康绪, 阎国翰, 蔡剑辉等. 华北克拉通北部古中元古代富碱侵入岩的 Nd Sr Pb 同位素地球化学 : 岩石圈地幔富集的证据 [J]. 岩石学报, 006, (): [14] 甘盛飞. 内蒙古大青山太古宙麻粒岩带的变质构造演化及金的成矿 [M]. 沈阳 : 辽宁科学技术出版社, 199: 57. [15] K. R. Ludwig. ISOPLOT/Ex, Version.49: A geochronological toolkit for Microsoft Excel. Berkeley: Berkeley Geochronology Center, 001: 1-8. [16] 蔡剑辉, 阎国翰, 牟保磊等. 辽宁盖县梁屯矿洞碱性正长岩杂岩石体的 U-Pb 和 Sm-Nd 年龄及其地质意义 [J]. 岩石学报, 00, 18(3): [17] A. P. Nutman, D. H. Green, C. A. Cook, et al. SHRIMP U-Pb zircon dating of the exhumation of the Lizard Peridotite and its emplacement over crust rocks: Constraints for tectonic models. Journal of the Geological Society, 001, 158(5): [18] 钟玉芳, 马昌前, 佘振兵. 锆石地球化学特征及地质应用研究综述 [J]. 地质科技情报, 006, 5(1): [19] L. P. Black, S. L. Kamo, C. M. Allen, et al. TEMORA 1: A new zircon standard for Phanerozoic U-Pb geochronology. Chemical Geology, 003, 00(1-): [0] 涂光炽. 关于富碱侵入岩 [J]. 矿产与地质, 1989, 13: 1-4. [1] 耿元生, 万渝生, 沈其韩. 华北克拉通早前寒武纪基性火山作用与地壳增生 [J]. 地质学报, 00, 76(): [] 翟明国, 卞爱国. 华北克拉通新太古代末超大陆拼合及古元古代末中元古代裂解 [J]. 中国科学 (D 辑 ), 000, 30(1): [3] 彭澎, 翟明国. 华北陆块前寒武纪两次重大地质事件的特征 46 Copyright 013 Hanspub

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