地球科学  2017, Vol. 42 Issue (12): 2208-2228.   PDF    
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延边官地铁矿构造背景与和龙地块太古宙地壳增生:来自岩石地球化学、锆石U-Pb年代学及Hf同位素证据
商青青1, 任云生1, 陈聪2, 段明新3, 孙琦1, 薛世远4     
1. 吉林大学地球科学学院, 吉林长春 130061;
2. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁沈阳 110034;
3. 武警黄金部队第三支队, 黑龙江哈尔滨 150086;
4. 吉林省有色金属地质勘查局603 队, 吉林延吉 133300
摘要:延边地区官地铁矿床地处华北克拉通北缘与兴蒙造山带东段接合带附近的和龙地块北部,是东北地区发现和开发较早的典型BIF型铁矿床之一.该矿床的主矿体呈层状、似层状、透镜状赋存于鞍山群甲山组上段.为确定该矿床的形成与变质时代以及构造背景,重点对含矿岩系中的斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩进行岩石地球化学、锆石U-Pb年代学以及Hf同位素研究.原岩恢复表明,斜长片麻岩的原岩为流纹英安质-英安质火山碎屑岩,角闪斜长片麻岩的原岩为安山岩,斜长角闪岩的原岩为玄武岩.LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究发现,官地地区在新太古代末-古元古代初期发生了岩浆作用(2 508~2 483 Ma)和变质事件(2 472~2 459 Ma),且该期岩浆-变质事件与铁矿的形成有着密切的联系.斜长角闪岩的原岩-玄武岩形成于弧后盆地环境,反映了官地铁矿形成时的构造环境;角闪斜长片麻岩中锆石的εHft)值介于-5.0~+4.2,二阶段Hf模式年龄(tDM2)为3 182~2 889 Ma,表明岩浆源区以中太古代古老地壳物质的熔融为主.通过与国内外典型BIF型铁矿床的对比研究认为,官地铁矿属Algoma型BIF,与新太古代晚期华北克拉通大规模BIF成矿事件密切相关;官地地区在新太古代初期(2.8~2.7 Ga)可能存在地壳增生事件;和龙地块亲华北克拉通的构造属性,为索伦-西拉木伦-长春缝合带的东延问题研究提供了新的证据.
关键词Hf同位素    锆石U-Pb定年    地壳增生    官地铁矿    和龙地块    地球化学    
Tectonic Setting of Guandi Iron Deposit and Archean Crustal Growth of Helong Massif in NE China: Evidence from Petrogeochemistry, Zircon U-Pb Geochronology and Hf Isotope
Shang Qingqing1 , Ren Yunsheng1 , Chen Cong2 , Duan Mingxin3 , Sun Qi1 , Xue Shiyuan4     
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
2. Shenyang Center of Geology Survey, China Geological Survey, Shenyang 110034, China;
3. No.3 Gold Geological Party of CAPF, Harbin 150086, China;
4. The 603 Team of Jilin Nonferrous Metal Geological Exploration Bureau, Yanji 133300, China
Abstract: The Guandi iron deposit has been discovered and developed for several years and has been considered as a typical BIF-type iron deposit in Yanbian area, Northeast China. This deposit is located at the north part of the Helong massif, at the joint of the North China craton and the Xing'an-Mongolia orogenic belt. The stratiform and lenticular iron orebodies are dominantly hosted within the metamorphic rocks of Jiashan Formation, Anshan Group. In order to determine the formation age, metamorphic age and tectonic setting of the Guandi deposit, in this paper, the geochemistry, LA-ICP-MS zircon U-Pb dating and zircon Hf isotope for the ore-hosting plagiogneiss, amphibole plagiogneiss and amphibolite were conducted. The results indicate that the protolith of the plagiogneiss is rhyodacite and dacite pyroclastic rock, the protolith of the amphibole plagiogneiss is andesite, the protolith of the amphibolite is basalt. The LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data imply that the Guandi area experienced the late Neoarchean to early Paleoproterozoic magmatic event (ca. 2 508~2 483 Ma) and metamorphic event (ca. 2 472~2 459 Ma), both of which have closely genetic relationship with the iron formation of the Guandi iron deposit. Geochemical characteristics of the ore-hosting amphibolite indicate that they formed in the back-arc basin setting, which is also interpreted as the tectonic setting of the Guandi iron deposit. The εHf(t) values of zircon grains from amphibole plagiogneiss range from -5.0 to +4.2, and the corresponding two-stage Hf model ages (tDM2) are from 3 182 Ma to 2 889 Ma, both of which indicate that the initial magma was mainly derived from the partial melting of the Mesoarchean crust. On the basis of comparison with several representative banded iron formations (BIFs) at home and abroad, it can be concluded that the Guandi iron deposit belongs to the Algoma-type BIFs, and was caused by the late Neoarchean large-scale BIF metallogenic event, which were widely developed in the North China craton. The Guandi area took place a crustal growth event at the early Neoarchean (2.8-2.7 Ga). Moreover, this paper proposes that the Helong massif has affinities to the North China Craton, which provides new evidence for the eastward termination of the Solonker-Xar Moron-Changchun suture in the Yanbian area.
Key Words: Hf isotope    zircon U-Pb dating    crustal growth    Guandi iron deposit    Helong massif    geochemistry    

0 引言

条带状铁建造(BIF型铁矿)是世界上最主要的铁矿资源类型,形成于3.8~1.9 Ga(Huston and Logan, 2004沈保丰等,2005).我国的BIF铁矿主要分布于华北克拉通及其相邻区域,形成峰期为新太古代晚期(2.56~2.52 Ga)(张连昌等,20112012翟明国,2012),与华北克拉通早前寒武纪岩浆活动峰期(2.6~2.5 Ga)基本一致,但明显晚于包括华北克拉通在内的全球典型克拉通新太古代早期(2.8~2.7 Ga)地壳增生事件(Wu et al., 2005翟明国,2010Zhai and Santosh, 2011张连昌等,2012),其原因可能与新太古代晚期华北克拉通各陆块间发生强烈的侧向增生(板块俯冲-拼合)事件有关(沈其韩等,2005Zhai et al., 2007翟明国,2012张连昌等,2013).

吉林省延边地区官地铁矿为东北地区发现和开发较早的典型BIF型铁矿床之一.由于该矿床地处华北克拉通北缘与兴蒙造山带接壤部位,该矿床的成矿时代、地质演化以及构造背景的研究,不仅对东北地区BIF型铁矿的理论研究、成矿规律总结具有重要意义,而且对区内早前寒武岩浆事件和地壳增生事件的深入探讨,以及确定该区构造归属具有重要启示意义.近年来,围绕该矿床的成矿地质条件、矿床特征和找矿方向取得了一些资料和成果(李兴国等,2010李晨辉等,2011卢秀全等,2014),但该矿床形成与变质时代以及构造背景等研究仍是空白.为此,本文重点选取官地矿区含矿岩系中的斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩以及斜长角闪岩,通过岩石地球化学、锆石U-Pb年代学以及锆石Hf同位素分析,探讨该矿床的变质岩原岩类型、形成时限、地质演化、构造背景、岩浆源区以及区内太古宙地壳增生事件.

1 矿床地质特征

官地铁矿床位于华北克拉通北缘与兴蒙造山带东段接合带附近的和龙地块内(图 1).呈北西向展布的鞍山群是区内时代最老、分布最广的地层,构成和龙地块结晶基底,其自下而上可分为鸡南组、百日坪组与甲山组.其中,甲山组上段长英片麻岩层是官地铁矿区内的主要含矿地层,其主要岩性为斜长角闪岩、角闪长英片麻岩、长英片麻岩,局部夹斜长角闪岩、变粒岩(浅粒岩)、磁铁石英岩等.矿体主要赋存于大型向斜的核、翼交汇处,褶皱构造与矿体的形成有着密切的联系.区内北北西向大断裂和南西向小断裂对矿体具有不同程度的破坏作用.区内岩浆岩以花岗岩、闪长岩等脉岩为主,穿切区内主要含矿层位.

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图 1 延边地区大地构造位置图(a)及区域地质图(b) Fig. 1 Tectonic location of NE China (a) and geological sketch map of Yanbian Area (b) a.据金炳成(2012)修改;b.据Wu et al.(2011)修改

官地矿床的铁矿体主要呈层状、似层状、透镜状、扁豆状及簸箕状,产于甲山组上段长英片麻岩层,与围岩呈整合接触(图 2图 3a).其含矿岩石以磁铁石英岩为主,其次为黑云长英片麻岩、长英质片麻岩、云母片岩、斜长浅粒岩等.矿石类型主要为条带状磁铁石英岩矿石,其次为块状磁铁角闪岩矿石.条带状磁铁石英岩中的硅质层(宽2~3 mm)主要由石英和少量的磁铁矿组成,铁质层主要由磁铁矿和少量石英、角闪石组成;块状磁铁角闪岩主要由角闪石、磁铁矿和少量石英组成,其中角闪石含量约为45%.

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图 2 官地铁矿矿区地质图 Fig. 2 Geological sketch of Guandi iron deposit 吉林省有色金属地质勘查局603队(2013)修改
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图 3 官地铁矿矿体特征(a)及斜长片麻岩(b)、角闪斜长片麻岩(c)与斜长角闪岩(d~f)的岩相学特征 Fig. 3 Orebody characteristics (a) and petrographic characteristics of plagiogneiss (b), amphibole plagiogneiss (c), amphibolite (d-f) from Guandi iron deposit Pl.斜长石;Hbl.角闪石;Q.石英;Bt.黑云母;Ep.绿帘石;Chl.绿泥石;Spn.榍石
2 样品描述及测试方法

对矿区内含矿岩系中的斜长片麻岩(样品编号为15GD-11)、角闪斜长片麻岩(样品编号为15GD-12)和斜长角闪岩(样品编号为15GD-14)进行主微量元素分析、锆石LA-ICP-MS U-Pb测年和Hf同位素分析.3件样品的取样位置分别为:128°50.103′E,42°36.451′N;128°47.607′E,42°34.694′N;128°51.777′E,42°36.385′N(图 2).野外剖面观察分析发现,区内矿体的含矿岩石主要为斜长角闪岩、斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩,铁矿体与围岩产状一致,二者常呈整合接触,其中,斜长片麻岩产于矿体上盘,而角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩产于矿体下部,表明含矿变质岩与矿体在时空上关系密切(图 3a).

斜长片麻岩:片麻状构造,细粒板粒状变晶结构,主要由30%斜长石(0.1~0.6 mm,轻微绢云母化)和30%石英(0.1~0.3 mm)组成,其次为20%绿帘石(0.1~0.3 mm)、18%云母以及少量磁铁矿.其中褐绿色黑云母呈鳞片状,粒径为0.1~0.3 m,轻微绿泥石化(图 3b).

角闪斜长片麻岩:片麻状构造,中细粒柱状板状变晶结构,主要由58%斜长石(0.5~2.5 mm)、40%角闪石(0.5~3.0 mm,轻微绿泥石化)和少量绿帘石组成(图 3c).

斜长角闪岩:片麻状构造,中细粒板柱状变晶结构,主要由66%角闪石(0.5~3.0 mm)、34%斜长石(0.5~2.5 mm)和少量榍石组成(图 3d~3f).

主量和微量元素测试在中国地质大学(北京)科学研究院实验中心完成.主量元素采用Leeman Prodigy ICP-OES(美国)等离子体质谱仪分析完成,大部分检测精度优于1%;微量元素和稀土元素的测试分析采用ICP-MS-7500a型激光等离子体质谱仪(美国Agilent)完成,分析精度优于5%.分析结果如表 1所示.

表 1 官地铁矿含矿岩石主量元素(%)和微量元素(10-6)分析结果 Table 1 Major (%) and trace element (10-6) contents of the ore-hosting rocks from Guandi iron deposit

锆石单矿物的挑选、样品的制靶和反射光、透射光照相以及锆石阴极发光(CL)图像均由河北省廊坊市诚信地质服务有限公司完成.锆石U-Th-Pb同位素测试及锆石微量元素分析在吉林大学东北亚矿产资源评价国土资源部重点实验室完成,采用COMPExPro型193 nm ArF准分子激光器,束斑直径为32 μm,每测定6个样品点测定一个锆石91500和一个NIST610,年龄计算以标准锆石91500为外标进行同位素比值分馏校正,元素浓度计算采用NIST610作外标,Si作内标(Wiedenbeck et al., 1995),同位素比值及年龄误差均为1σ.其具体试验测定过程可参见侯可军等(2009).锆石同位素数据相关处理用Glitter 4.0完成,运用Anderson进行普通铅校正(Andersen et al., 2002),运用Isoplot 3.0计算锆石加权平均值(Ludwig,2003),并绘制锆石U-Pb年龄谐和图(图 5),运用minipet 2.02绘制207Pb/206Pb-Th/U年龄图解和稀土元素球粒陨石标准化配分图(图 6).

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图 5 官地铁矿含矿岩石锆石U-Pb谐和年龄图以及典型CL图像 Fig. 5 Concordia U-Pb ages and representative cathodoluminescence (CL) images for zircon grains from the ore-hosting rocks of Guandi iron deposit a.斜长片麻岩锆石岩浆核部;b.斜长片麻岩锆石变质边部;c.角闪斜长片麻岩锆石岩浆核部;d.角闪斜长片麻岩锆石变质边部;e.斜长角闪岩锆石岩浆核部;f.斜长角闪岩锆石变质边部
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图 6 官地铁矿含矿岩石锆石Th/U-207Pb/206Pb年龄图解(a)及稀土元素球粒陨石标准化配分图(b) Fig. 6 Diagrams of Th/U-207Pb/206Pb (Ma) (a), and chondrite-normalized REE patterns (b) for zircon grains from the ore-hosting rocks of Guandi iron deposit

锆石Hf同位素测试是在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成,采用Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS),测试中采用He作为剥蚀物质载气,束斑直径40 μm,激光剥蚀时间为26 s,同时使用锆石国际标样GJ-1作外标,分析过程中锆石标准GJ-1的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.282 015±8(2σ,n=10).相关仪器运行条件及详细分析流程见侯可军等(2007).

3 分析结果 3.1 岩石地球化学

官地矿区不同岩石类型的主量元素分析结果表明,在主量元素的平均含量上,斜长片麻岩与长英质火成岩类相似,SiO2含量为76.14%,Na2O+K2O为5.51%,Na2O>K2O,TFe3O2为2.20%,MgO和CaO含量较低;角闪斜长片麻岩与中性岩类接近,SiO2含量为63.02%,MgO+CaO为6.55%,Na2O为5.75%,Na2O>>K2O,TFe3O2为4.92%;斜长角闪岩与中性-基性岩类相似,SiO2含量为53.89%,MgO+CaO为14.20%,TFe3O2为11.60%,Na2O为2.12%,Na2O≫K2O.

不同岩性的微量元素组成特征分析表明(表 1图 4a),3种岩性的样品均表现为富集Rb、Ba、K、Sr等大离子亲石元素,而亏损Th、Nb、Ta、Ti等高场强元素.其中斜长片麻岩中∑REE含量变化范围较大,位于43.72×10-6~186.10×10-6,平均值为90.19×10-6,LREE/HREE为17.16~27.46,(La/Yb)N为19.46~56.79,属轻稀土明显富集型,Eu正异常明显(δEu=1.49~5.39),Ce负异常明显(δCe=为0.78~0.89);角闪斜长片麻岩∑REE含量相对较高且较为稳定,介于112.50×10-6~136.10×10-6之间,平均值为126.20×10-6,LREE/HREE为10.32~12.01,(La/Yb)N为14.35~17.30,属轻稀土富集型,Eu和Ce异常均不明显(δEu=0.93~1.06,δCe=0.93~ 1.03);斜长角闪岩∑REE含量较为稳定,介于89.25×10-6~100.40×10-6之间,平均值为92.79×10-6,LREE/HREE为3.48~4.51,(La/Yb)N为2.79~3.89,属轻稀土轻微富集型,Eu负异常明显(δEu=0.81~0.86),Ce负异常不明显(δCe=0.98~0.99).

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图 4 官地铁矿区含矿岩石微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)和稀土元素球粒陨石标准化配分图(b) Fig. 4 Primitive-mantle-normalized trace element patterns (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) of the ore-hosting rocks from Guandi iron deposit 原始地幔标准化值与球粒陨石标准化值分别据Sun and McDonough(1989)Taylor and Mclennan(1985)

结合不同岩性的稀土元素球粒陨石标准化分布模式图(图 4b),三者倾斜程度逐渐减小,前两者属右倾型,表明两者轻重稀土存在着不同程度的分馏,而斜长角闪岩的稀土元素分配模式更趋向于平坦型,与玄武岩较为相似.

3.2 锆石U-Pb定年

不同样品中的锆石颗粒边部均较为圆滑,多为椭圆状;斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩的锆石颗粒较大,长度约为130~200 μm,宽度约为90~150 μm,长宽比为3:2~2:1,多具核边结构,核部较暗,具微弱岩浆环带,为岩浆成因,边部较亮,无分带或弱分带,多为变质成因;而斜长角闪岩的锆石颗粒较小,长度约为60~100 μm,宽度约为60~80 μm,长宽比为1:1~5:3,仅部分核边结构发育,核部岩浆环带清晰,为岩浆成因,边部较亮,无分带,为变质成因.结合锆石CL图像及U-Pb谐和年龄图(图 5),除去个别较不和谐的年龄数据,按成因类型可将锆石测年数据分成两组,分别为岩浆核年龄和变质边年龄.

斜长片麻岩中35个锆石核部测点207Pb/206Pb年龄范围为2 581~2 409 Ma,上交点年龄为2 542±37 Ma,207Pb/206Pb加权平均年龄为2 493±13 Ma(图 5a),在误差范围内基本一致;11个边部测点207Pb/206Pb年龄范围为2 489~2 402 Ma,上交点年龄为2 467±47 Ma,207Pb/206Pb加权平均年龄为2 459±13 Ma,在误差范围内基本一致(图 5b).岩浆核Th、U的质量分数分别为6.70×10-6~486.99×10-6和9.03×10-6~584.06×10-6,Th/U值为0.28~6.11;变质边部Th、U的质量分数分别为7.24×10-6~79.79×10-6和14.52×10-6~52.40×10-6,Th/U值为0.29~2.26(表 2图 6a).岩浆核∑REE=157.23×10-6~1 452.55×10-6,变质边∑REE=245.95×10-6~936.69×10-6(图 6b).在锆石的稀土元素球粒陨石标准化配分图(图 6b)上,核部Ce正异常(δCe=31.08~75.77)及Eu负异常(δEu=0.04~0.25);边部Ce正异常(δCe=39.00~77.20)及Eu负异常(δEu=0.04~0.12).

表 2 官地铁矿区含矿岩石LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析结果(单位:Ma) Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data of the ore-hosting rocks from Guandi iron deposit

角闪斜长片麻岩中15个锆石核部测点207Pb/206Pb年龄范围为2 567~2 430 Ma,207Pb/206Pb加权平均年龄为2 508±28 Ma(图 5c);9个边部测点207Pb/206Pb年龄范围为2 567~2 339 Ma,加权平均年龄为2 467±45 Ma(图 5d).岩浆核Th、U的质量分数分别为1.32×10-6~324.59×10-6和9.53×10-6~488.12×10-6,Th/U值为0.11~0.66;变质边Th、U的质量分数分别为1.05×10-6~262.11×10-6和7.90×10-6~458.12×10-6,Th/U值为0.12~0.57(表 2图 6a).岩浆核∑REE=144.37×10-6~664.12×10-6,变质边∑REE=157.64×10-6~564.09×10-6(图 6b).在锆石的稀土元素球粒陨石标准化配分图(图 6b)上,核部Ce正异常(δCe=1.58~90.23)及Eu负异常(δEu=0.29~0.42);边部Ce正异常(δCe=15.66~100.45)及Eu负异常(δEu=0.31~0.59).

斜长角闪岩中20个锆石核部测点207Pb/206Pb年龄范围为2 554~2 403 Ma,207Pb/206Pb加权平均年龄为2 483±25 Ma(图 5e);1个边部测点207Pb/206Pb年龄为2 472±10 Ma(图 5f).岩浆核Th、U的质量分数分别为40.36×10-6~443.02×10-6和139.75×10-6~1 441.74×10-6,Th/U值为0.07~2.64;变质边Th、U的质量分数分别为57.34×10-6~156.65×10-6和189.33×10-6~672.02×10-6,Th/U值为0.22~0.30(表 2图 6a).岩浆核∑REE=26.82×10-6~603.69×10-6,变质边∑REE=102.53×10-6~141.31×10-6(图 6b).在锆石的稀土元素球粒陨石标准化配分图(图 6b)上,核部Ce正异常(δCe=0.71~90.69)及Eu负异常(δEu= 0.39~1.25);边部Ce正异常(δCe=3.09~17.32)及Eu负异常(δEu=0.22~0.52).

此外,在角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩中,还发现3个较为年轻的锆石变质边部测点,其207Pb/206Pb年龄分别为2 308±21 Ma、2 304±40 Ma、2 357±10 Ma.

3.3 锆石Hf同位素

对角闪斜长片麻岩中的锆石进行U-Pb测年的同时,在年龄点的同一位置上进行锆石Hf同位素原位微区分析.其中8个岩浆核测点176Hf/177Hf值为0.281 153~0.281 198,εHf(t)值为-3.7~4.2,单阶段Hf模式年龄(tDM1)为2 866~2 811 Ma,二阶段Hf模式年龄(tDM2)为3 154~2 889 Ma;8个变质边测点176Hf/177Hf值介于为0.281 161~0.281 219,εHf(t)值均为负值(-5.0~-0.1),单阶段Hf模式年龄(tDM1)为2 858~2 808 Ma,二阶段Hf模式年龄(tDM2)为3 182~3 006 Ma(表 3).在εHf(t)与207Pb/206Pb年龄关系图解(图 7a)上,所有测点均落于3.2~2.8Ga地壳演化线之间,且εHf(t)值与207Pb/206Pb年龄值显示正相关关系.在tDM2207Pb/206Pb年龄关系图解(图 7b)上,16个锆石测点tDM2介于3 182~2 889 Ma之间,与锆石207Pb/206Pb年龄(2 339~2 686 Ma)显示负相关关系.

表 3 官地铁矿区角闪斜长片麻岩锆石Hf同位素分析结果 Table 3 Zircon Hf isotopic compositions of amphibole plagiogneiss from Guandi iron deposit
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图 7 官地铁矿角闪斜长片麻岩锆石εHf(t)-207Pb/206Pb年龄图解(a)和tDM2-207Pb/206Pb年龄图解(b) Fig. 7 Diagrams of εHf(t)-207Pb/206Pb (Ma) (a) and tDM2-207Pb/206Pb (Ma) (b) for the analyzed zircon grains from the amphibole plagiogneiss of Guandi iron deposit 鞍山地区BIF型铁矿床的年龄数据来自代堰锫等(2013a;2013b)
4 讨论 4.1 原岩建造类型

根据岩相学研究和岩石主量元素平均含量分析可知,官地铁矿含矿岩系中的斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩的原岩可能分别为酸性、中性和中基性火成岩.同时3种不同岩性岩石的稀土元素球分配模式图倾斜程度逐渐减小(图 4b),表明三者岩性存在着逐渐过渡趋势,而斜长角闪岩的稀土元素分配模式与玄武岩较为相似,表明其原岩很可能为玄武岩.

Shaw(1972)建立的变质岩(SiO2>53.5%)原岩性质判别函数的计算结果表明,斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩样品的DF值均大于0,表明其均偏向于正变质岩;结合西蒙南(al+fm)-(c+alk)/Si图解(Simonen,1953)、TiO2-SiO2图解(Tarney,1976)以及范德坎普和比克豪斯Si-mg图解(图 8a~8c)中,斜长片麻岩落入火成岩与沉积岩界线附近且有偏向于沉积的趋势,角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩均落入火成岩区,表明斜长片麻岩原岩很可能是介于火山岩与沉积岩之间的过渡岩石,即火山碎屑岩,角闪斜长片麻岩原岩为火成岩,而斜长角闪岩原岩有可能为火成岩.

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图 8 官地铁矿含矿岩石原岩恢复图解 Fig. 8 Diagrams of protolith restoration for the ore-hosting rocks from Guandi iron deposit

依据基性变质岩所建立的CaO-MgO-<FeO>图解(Walker et al., 1959)以及x1x2判别函数(Shaw and Kudo, 1965),斜长角闪岩落入正角闪岩类区(图 8d)且x1x2均大于零,故斜长角闪岩原岩为火成岩.在ACFM图解(王仁民等,1987)中,斜长片麻岩投入中酸性火山岩-泥质岩过渡区域,角闪斜长片麻岩投入中酸性火山岩内,斜长角闪岩投入基性火山岩及泥灰岩内(图 8e),进一步确定了斜长片麻岩的原岩为火山碎屑岩,角闪斜长片麻岩原岩为中酸性火山岩,而斜长角闪岩原岩为基性火山岩.在Zr/TiO2*0.000 1-Nb/Y图解(Winchester and Floyd, 1977)中,斜长片麻岩落入流纹英安岩-英安岩区域,角闪斜长片麻岩落入安山岩内,斜长角闪岩落入玄武岩内(图 8f).

综上所述,斜长片麻岩的原岩应为流纹英安质-英安质火山碎屑岩,角闪斜长片麻岩的原岩应为安山岩,斜长角闪岩的原岩应为玄武岩.

4.2 变质岩形成时限及区域岩浆-变质事件

在岩石中锆石的微量元素组成以及相关模式图中(图 6),3种不同岩性变质岩的锆石中的Th、U、∑REE质量分数和Th/U值的平均值逐渐降低,说明三者岩性存在渐变趋势,进一步证实了上述原岩恢复结果的正确性;岩浆核的Th、U、∑REE质量分数和Th/U值均高于变质边,也证实了锆石核部与边部成因不同.锆石均表现富集重稀土的特征,且岩浆核与变质边均具明显Ce正异常和Eu负异常,显示岩浆成因特征(Hoskin and Schaltegger, 2003),表明变质边是在原有岩浆锆石的基础上发生重结晶作用而形成(Hoskin and Black, 2000吴元保和郑永飞,2004).因此,锆石核部测点所得加权平均年龄很可能代表了岩浆锆石的结晶年龄,间接指示原岩的形成时间;而锆石变质边部测点所得加权平均年龄很可能代表了原岩变质时限,间接指示区内变质事件的时限;3个较为年轻的锆石变质边部测点,207Pb/206Pb年龄分别为2 308±21 Ma、2 304±40 Ma、2 357±10 Ma,它们可能代表了区内后期改造事件的时限.

野外剖面观察发现,斜长片麻岩产于矿体上盘,而角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩产于矿体下部,故可根据3种岩石的形成时限来限定矿体的形成时间,从而判断出官地铁矿的形成时间.斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩的原岩依次为流纹英安质-英安质火山碎屑岩、安山岩、玄武岩,原岩形成时间依次为2 493±13 Ma、2 508±28 Ma、2 483±25 Ma,在误差范围内基本一致;变质时限依次为2 459±13 Ma、2 467±45 Ma、2 472±10 Ma,在误差范围内基本一致.

可见,新太古代末-古元古代初期(2 508~2 483 Ma),官地地区发生了基性-中酸性火山喷发事件,初期以大面积玄武质岩浆喷出为主,末期以安山质-流纹英安质岩浆的喷出为主,伴随着火山沉积作用,形成原始含铁建造层-玄武岩、安山岩和流纹英安质-英安质火山碎屑岩等;而后在古元古代初期(2 472~2 459 Ma),区内遭受区域变质作用,形成区内变质岩系-斜长角闪岩、角闪斜长片麻岩和斜长片麻岩等;随后在2 357~2 304 Ma期间,受后期构造热事件改造影响,区内成矿物质重新活化、迁移和聚集.

官地铁矿的形成与新太古代末-古元古代初的岩浆事件(2 508~2 483 Ma)有着密切的联系,该期岩浆事件很可能代表了一个火山-沉积旋回(沈保丰和骆辉,1994).

4.3 官地铁矿构造背景及成因类型

利用地球化学性质稳定的高场强元素,尤其是Zr、Hf、Nb、Ta以及HREE,可以对岩石的构造环境进行有效的示踪.斜长角闪岩Zr/Hf=37.10~38.63,Nb/Ta=8.77~15.79,Th/Ta=1.73~3.69,与弧后盆地玄武岩最为接近(38.13,14.88,3.69);Sm/Nd=0.24~0.25,与岛弧玄武岩最为接近(0.24;杨婧等, 2016a, 2016b).斜长角闪岩的Y/Nb值为3.64~6.86,符合拉斑玄武岩的特征(Pearce and Cann, 1973).在Ti-Zr-Y和Ti-Zr判别图解(Pearce and Cann, 1973)中,斜长角闪岩的样品多数落于MORB和岛弧拉斑玄武岩区(图 9a9b).在Zr/Y-Zr判别图解(Pearce and Norry, 1979)中,样品均落入MORB和火山弧玄武岩区域(图 9c).

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图 9 官地铁矿斜长角闪岩构造判别图解 Fig. 9 Tectonic discrimination diagrams of amphibolite from Guandi iron deposit

以上研究表明,斜长角闪岩的原岩具有岛弧拉斑玄武岩与洋中脊玄武岩(MORB)的双重特征.弧后盆地玄武岩既具有洋中脊的特征,又具有岛弧的特征(Fretzdorff et al., 2002Taylor and Martinez, 2003Gill,2010),故斜长角闪岩的原岩-玄武岩形成于弧后盆地中,间接指示了官地地区铁矿沉积时(2 556~2 542 Ma)的构造背景.华北克拉通东部地块的岩浆作用一直延续到了25×10-9 a,并发生了26~25×10-9 a的变质作用(Kröner et al., 1998Zhao et al., 2001);到了25×10-9 a左右,和龙地块发生了一次重要的新太古代末-古元古代初期的俯冲-碰撞拼合事件(翟明国,2012张连昌等,2013李忠水,2016沈其韩等,2016).故官地铁矿很可能形成于俯冲-碰撞拼合背景下的弧后盆地环境中.

Zhai and Santosh(2011)沈其韩等(2016)对华北克拉通前寒武纪演化史的研究表明,华北克拉通各微陆块在2.6~2.5 Ga以陆-陆碰撞、弧-弧碰撞、弧-陆碰撞的形式拼合;2.5~2.45 Ga,以各陆块间的变质和岩浆侵入作用为标志,华北克拉通基本形成;而在此期间,华北克拉通内鞍-本地区处于岛弧或弧后+地幔柱背景下.这也进一步证实了官地铁矿形成于弧后盆地环境.

根据条带状铁建造(BIF)的形成条件,可将BIF型铁矿分为Algoma型和Superior型(Gross,1980).Algoma型BIF单层厚度较小,通常分布于绿岩带附近,常与镁铁质、超镁铁质和长英质的火山岩或火山碎屑岩相关联,一般形成于岛弧-弧后盆地或克拉通内裂谷带环境;而Superior型BIF规模较大,常与碎屑岩-碳酸盐岩相密切伴生,一般形成于被动大陆边缘或克拉通盆地环境(Gross,1983).

绿岩带主要由基性-酸性火山旋回组成,其被变质沉积岩分隔,多经历了低绿片岩相或绿片岩相-角闪岩相,有些甚至达到麻粒岩相的区域变质作用(如Superior绿岩带中的North Caribou绿岩带和Abitibi绿岩带;Biczok et al., 2012Thurston et al., 2012).华北克拉通太古宙绿岩带由以镁铁质为主的变火山-沉积岩系组成,多分布在花岗岩类或灰色片麻岩内,自下而上可分为下部的变镁铁质火山岩、中部的变长英质-安山质火山岩和上部的变浊积岩、变碳酸盐岩(沈保丰和骆辉,1994).前人将吉林省太古宙绿岩地体分为早期绿岩带和晚期绿岩带,其中和龙地块内的绿岩相当于晚期绿岩带的上部(杨复顶等,2009),其原岩由基性-中酸性火山岩或火山碎屑岩及沉积岩组成.

通过官地铁矿与国内外典型Algoma型铁矿(鞍山-本溪地区弓长岭铁矿和朝鲜茂山铁矿)、Algoma型向Superior型过渡型铁矿(鞍山-本溪地区西鞍山铁矿)和Superior型铁矿(山西袁家村铁矿)在成矿地质条件、矿床地质特征、成因类型以及成矿构造背景等方面的对比研究发现(表 4),官地铁矿与弓长岭铁矿、茂山铁矿的含矿变质岩系原岩均主要为一套基性-中酸性火山沉积建造,变质程度均主要为角闪岩相的中级区域变质,构造背景为弧后、岛弧或活动大陆边缘环境;而西鞍山铁矿和袁家村铁矿的含矿变质岩系原岩分别为一套沉积岩建造、碎屑岩-碳酸盐建造,变质程度均主要为绿片岩相的低级区域变质,构造背景均为稳定的大陆架浅海环境.综上所述,官地铁矿与弓长岭铁矿、茂山铁矿同属Algoma型铁矿床.

表 4 官地铁矿与国内外BIF型铁矿对比 Table 4 Comparison among Guandi iron deposit and BIF-type iron deposits at home and abroad
4.4 和龙地块太古宙地壳增生及构造意义

官地矿床角闪斜长片麻岩的锆石εHf(t)值变化范围较大,有正有负,可能是新生地壳物质与古老地壳物质共同参与熔融的结果,反映了岛弧岩浆的显著特征(张连昌等,2013李碧乐等,2016);锆石εHf(t)值多为负值,表明角闪斜长片麻岩的原岩-安山岩在形成过程中岩浆源区以古老地壳物质的熔融为主;部分εHf(t)值为正值,反映有部分幔源物质的加入.在εHf(t)-207Pb/206Pb年龄图解上(图 7a),锆石变质边部的εHf(t)值往往低于岩浆核部的εHf(t)值,同样指示了岩浆的壳幔混合作用;锆石沿着3.2~2.8 Ga地壳演化线变化,也表明岩浆源区以古老地壳物质的熔融为主.此外,锆石tDM2为3 182~2 889 Ma,与锆石207Pb/206Pb年龄(2 339~2 686 Ma)存在较大差异(图 7b),表明原岩岩浆源区存在大量中太古代(2 889~3 182 Ma)古老地壳物质的混染,并于2 601 Ma左右发生熔融形成安山质岩浆.结合代堰锫等(2013a, 2013b)对鞍山地区典型Algoma型铁矿锆石Hf同位素的研究(图 7a),表明官地铁矿床与鞍山地区Algoma型铁矿床在岩浆源区(以中太古代古老地壳物质的熔融为主)方面具有可比性.

官地地区角闪斜长片麻岩中年龄最老锆石岩浆核测点的176Hf/177Hf为0.281 198,εHf(t)为4.2,与同期亏损地幔值较为接近,其207Pb/206Pb年龄(2 686±14 Ma)、单阶段模式年龄(tDM1=2 811 Ma)及二阶段模式年龄(tDM2=2 889 Ma)也较为接近.同时作者在官地地区含矿岩石-斜长浅粒岩的锆石核部发现一颗207Pb/206Pb年龄为2 730±6 Ma的捕获锆石,指示官地地区可能存在新太古代初期(2.8~2.7 Ga)地壳增生事件.

结合翟明国(2010)张连昌等(2012;2013)万渝生等(2012)对华北克拉通内BIF铁矿及早前寒武纪地壳增生事件的研究,2.6~2.5 Ga是BIF形成的主要集中期,特别是新太古代晚期(2.56~ 2.52 Ga);2.8~2.7 Ga是华北克拉通地壳增生的重要阶段(Jiang et al., 2010Zhai and Santosh, 2011曹正琦等,2016).华北克拉通BIF形成时代与早前寒武纪岩浆活动时间(2.6~2.5 Ga)基本一致,而与地壳增生年龄峰值有偏差,表明BIF的形成与岛弧岩浆活动或地壳侧向增生作用具有成因联系,同时也说明在2.8~2.7 Ga的巨量地壳生长之后,华北地区并没有顺利进入稳定的克拉通阶段,而是继续发生小规模地壳生长和已有地壳的分异(沈其韩等,2005Zhai et al., 2007张连昌等,2012翟明国,2012),使各陆块间发生强烈的侧向增生(板块俯冲-拼合),从而导致华北克拉通内BIF成矿事件在新太古代晚期广泛发育.

华北克拉通与西伯利亚克拉通的最终闭合位置一直是中亚造山带研究的焦点问题之一.近年来,越来越多的研究表明,索伦-西拉木伦-长春缝合带可作为两者的最终闭合位置(Chen et al., 2009周建波等,2012韩杰,2013苏美霞等,2014).对于其在延边地区的东延位置普遍存在富尔河-古洞河一带(吉林省地质矿产局,1988Zhang et al., 2004)、敦化-延吉一线(张炯飞,1997)、大山咀-安图-开山屯一带(Jia et al., 2004)以及汪清-珲春一带(Sun et al., 2013Chen et al., 2014)等不同认识(图 1).官地铁矿区锆石年龄主要分布于2 600~2 400 Ma,与华北克拉通、佳木斯-兴凯地块的锆石年龄(Cope et al., 2005Yang et al., 2006Li et al., 2009胡国辉等,2012周建波等,2012)对比表明(图 10),官地铁矿区与华北克拉通更具亲缘性.

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图 10 华北克拉通(a)、佳木斯-兴凯(b)、官地铁矿区(c)锆石年龄频谱图 Fig. 10 Relative probability distribution of the zircon ages from the North China Craton (a), Jiamusi-Xingkai block (b), and Guandi iron deposit (c) 三者纵坐标一致;华北克拉通年龄数据源自Cope et al.(2005)Yang et al.(2006)Li et al.(2009)胡国辉等(2012);佳木斯-兴凯年龄数据源自周建波等(2012);官地铁矿区年龄数据源自商青青等(2017)和本文

综上,官地地区在BIF铁矿构造背景、岩浆源区以及早前寒武纪地壳增生事件上与华北克拉通具有可比性,说明官地地区在新太古代末-古元古代初期为华北地区克拉通前期的弧后盆地,其所属构造单元-和龙地块应属华北克拉通,进一步佐证了索伦-西拉木伦-长春缝合带向东延至官地铁矿以北地区.

5 结论

(1) 新太古代末—古元古代初期官地地区发生了岩浆作用(2 508~2 483 Ma)和变质事件(2 472~2 459 Ma).岩浆事件以基性-中酸性火山喷发为主,该期岩浆-变质事件与铁矿的形成有着密切的联系.

(2) 官地铁矿形成于弧后盆地中,属典型Algoma型铁矿,是广泛发育于华北克拉通内的新太古代晚期BIF成矿事件的结果;其所属的和龙地块存在着新太古代初期(2.8~2.7 Ga)地壳增生事件.

(3) 和龙地区在BIF铁矿形成时代、构造背景、岩浆源区、早前寒武纪地壳增生事件以及新太古代区域地质演化上与华北克拉通具有可比性.

(4) 官地地区在新太古代晚期为华北地区克拉通前期的弧后盆地,所属和龙地块应归属华北克拉通,为索伦-西拉木伦-长春缝合带的东延问题的研究提供了新的证据.

致谢 野外地质工作得到吉林省有色金属地质勘查局603队的大力帮助,杨群等同学参与野外样品采集,赵璇、赖科等同学帮助完成LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学测试分析工作,岩石地球化学分析和锆石Hf同位素测试分析分别得到中国地质大学(北京)科学研究院实验中心和中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室的帮助.两位审稿人对本文提出了宝贵的建议,在此一并表示衷心的感谢!

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