鞍本地区早前寒武纪地球化学、年代学及铀成矿作用同位素示踪

摘要

本文通过系统的资料调研、室内样品测试、岩石学和岩石地球化学的研究，结合野外地质和矿床地质勘查等，在总结前人同位素地质年代学成果的基础上，以U-Pb同位素体系演化的理论、特点、方法为指导，对鞍本地区出露的太古界-古元古界花岗岩和辽河群层状变质地层的形成、改造历史和铀成矿年代学时序、铀矿体时空间分布特征、成矿物质来源和成矿机制，古老花岗岩体的成因、演化期次、构造背景等进行了深入探讨，主要获得以下一些成果或创新认识：
　　 1、全面研究分析了鞍本地区早前寒武纪地体时空演化规律和地质背景，划分出该区早前寒武纪主要构造-岩浆活动事件的年代学格架。指出鞍本地区太古代-古元古代所发生的具有区域性规模的地质事件至少有五次，年龄分别为3300～3000Ma、2800Ma、2500Ma、2200Ma、1900～1800Ma。岩浆侵入、先成岩类(基底)重熔和区域变质作用是这些地质事件的主要表现：
　　 第一次，3800～3000Ma。3804Ma和3812Ma的鞍山白家坟花岗岩表明鞍本地区在始太古代就有了古老的硅铝质地壳。侵入于变质岩中年龄为3300～3000Ma的花岗闪长岩、花岗质片麻岩，揭示了早-中太古代本区出现了早期构造、岩浆活动。
　　 第二次，2900～2700Ma。新太古代早期大规模的火山-岩浆构造事件发生，岩浆侵入和沉积变质岩系形成本区主要的太古代花岗-绿岩带。
　　 第三次，2500Ma±。鞍山运动期间，鞍本古陆核与辽东-吉南分布的太古界陆核拼接碰撞形成了华北地台太古界结晶基底，同时发生了强烈的地幔岩浆底侵和壳幔分离事件。火山-岩浆作用造就了鞍山、齐大山、弓长岭、连山关、八河川等地区钾质花岗岩。
　　 第四次，2200Ma±。本溪、弓长岭、连山关等地形成于2500Ma的钾质花岗岩在2200Ma经历了构造、岩浆活动和变质作用改造。其构造背景为地幔上涌引发的辽东古裂谷伸展开裂。
　　 第五次，1900～1800Ma。以弓长岭、连山关二长花岗岩(不透明锆石年龄)为代表，是辽东裂谷闭合背景下地壳重熔改造的产物，属于强不相容元素富集的“S”型花岗岩。其元素特征与古元古代钾质花岗岩相似，为钾质钙碱系列，准铝质-过铝质岩石，岩浆分异程度较高。
　　 2、明确指出22亿年重融岩浆活动的地质意义。根据弓长岭、连山关、营口后仙峪二长花岗岩锆石U-Pb LA-ICP-MS年龄的测定和锆石成因分析，提出约2200Ma是鞍本地区古元古代中期一次重要的花岗岩重熔、侵入事件的时间，标志着辽东裂谷的形成。
　　 3、提出鞍本地区早前寒武纪花岗岩类为岩浆成因而非混合岩化或花岗岩化成因。古元古代钾质花岗岩为太古代基底重熔，并历经多次重熔改造的壳源岩浆成因花岗岩。构造背景为地幔上侵引发地壳张裂形成的大陆裂谷环境。
　　 以弓长岭、连山关、八河川钾质花岗岩为代表的古元古代花岗岩具有以下地球化学性质：高Si、K，低Al、Ca、Fe、Mg，K2O>Na2O，微量元素中Ba、P、Ti强烈亏损，Sr、Rb、Th富集，为铝过饱和、钾质过碱系列岩石。从2500Ma到1800Ma，钾质花岗岩浆分异程度、亲石元素和稀土元素含量、轻重稀土分馏增大，负铕异常减弱。
　　 从野外观察和岩石学特征来看，弓长岭、连山关岩体钾质花岗岩与辽河群呈侵入和平行不整合两种接触关系：辽河群浪子山组底部石英砾岩、石英云母片岩(古老残积层)与花岗岩呈平行不整合关系；弓长岭、连山关岩体二长花岗岩与辽河群地层呈侵入接触(穿插)关系，BIF建造、绿泥石英片岩、斜长角闪岩、早期片麻状黑云母花岗岩则以残留体或捕虏体的形式产出于钾质花岗岩中；岩体中心部位具有典型的岩浆成因结构；在标准矿物分类图解上均落在花岗岩区，各种主要成分变异图上反映岩浆成因的特点。
　　 4、论述了鞍本地区早前寒武纪地壳演化特点和规律。上述中太古代TTG岩系和新太古代、古元古代花岗片麻岩、钾质花岗岩从老到新的时空分布规律，以及众多地质证据表明，它们是相互交叉的、形成于同一大地构造背景下的复合演化系列。随着时间的推移，TTG岩系不断减少，钾质花岗岩逐渐增多，熔融母岩从幔源逐渐过渡到壳源岩浆，标志着本区地壳演化达到较高的成熟度，有利于铀元素的富集。
　　 辽河群地层则是在2200～1800Ma基础上经区域变质作用下形成于辽东裂谷环境的层状变质火山-沉积岩系。除大理岩为化学沉积形成和斜长角闪岩类来自镁铁质火山岩比较特殊外，辽河群底部变质岩化学元素特征与花岗岩相似，并具有与花岗岩相同的副矿物组成特征，如连山关白色花岗岩与浪子山组云母石英片岩的副矿物均为锆石-磷灰石-电气石-石榴石组合辽河群变质岩，这些说明辽河群底部碎屑岩系的源岩为古元古代钾质花岗岩。
　　 根据铁架山钾质花岗片麻岩形成于2876Ma，以及铁架山、齐大山、弓长岭、连山关钾质花岗岩在2200Ma～1800Ma之间经历多期岩浆侵位和重熔改造的事实，早前寒武纪地质历史发展的过程中，从鞍山运动、古元古代早期(辽河运动)到古元古代晚期的吕梁运动，地质运动的周期迅速缩短，岩浆分异程度加大、侵位深度变浅，伴随持续的热液蚀变和变质作用，铀的富集倍数增大，花岗岩体铀含量逐渐升高，形成了本区古元古代富铀花岗岩体。由于这些花岗岩具有的较高Pb同位素组成和原始铀含量，接近国内外富铀地区的成矿条件和地质演化特征。因此，鞍本地区是我国古老地质体起步较早、成熟度较高的地区之一，铀源条件较好。
　　 5、利用岩石及矿石Pb同位素组成及锆石铀含量示踪铀成矿前景。全面系统总结了研究区古老地质体铅同位素特征，确定鞍本地区早前寒武纪岩石具有较高的放射性铅同位素组成和花岗岩锆石铀含量，是华北地台地壳成熟度最高的地区之一，有很好的铀成矿前景。同时佐证了古元古代钾质花岗岩来源于高成熟度的上地壳。
　　 弓长岭、连山关地区古老的花岗岩和变质岩都具有较高的放射性成因Pb同位素组成，特别是连山关地区方铅矿显示出极高的放射性成因铅特征：206Pb/204Pb=20.932～550.845。这些高放射性成因铅均产在连山关多次重融型花岗岩体的内外接触带中。由鞍本地区矿石铅H-H模式计算出的μ0值平均达9.87，在华北地台中也是最高的，明显来自于上地壳铅(在方铅矿构造模式图上沿着20～18亿年等时线演化，与根据二阶段普通铅模式计算出的年龄是吻合的)。此外，早前寒武纪花岗岩透明锆石和不透明锆石平均铀含量分别为小于1000×10-6、接近和大于2000×10-6。这三项证据表明，该区除了已发现的铀矿床值得进一步扩大勘查外，其它地段也存在着古老铀矿床或铀矿化可能。
　　 6、用U-Pb同位素体系演化特征示踪成矿铀源。根据古老地质体铀含量变化的定量计算结果，古元古代钾质花岗岩是华北地台古老地体中原始铀含量最高的岩石之一，是本区主要的铀源体。铀丢失主要发生在吕梁运动期间(1900～1800Ma)，这些丢失的铀成为本区铀成矿的主要物质来源。
　　 U-Pb同位素三阶段演化模式计算结果显示，鞍本地区太古代花岗岩原始铀含量达8.06×10-6(非矿区)，古元古代花岗岩原始铀含量达16.4×10-6(非矿区)，弓长岭、连山关地区各类岩石的原始铀含量比这些正常地区的至少高出一个数量级。与原始铀含量相比，齐大山、铁架山、弓长岭、连山关钾质花岗岩丢失了9％～74％的铀，为主要的供铀源体，辽河群其它变质岩类和BIF捕虏体则获得铀。尽管海城地区TTG岩类和黑云母花岗岩、南芬花岗闪长岩、浪子山组片岩、Chy岩类都表现为铀丢失(片岩丢失了41％的铀，Chy最多丢失27％的铀)，由于大部分岩石原始铀含量较低(花岗闪长岩为3.5×10-6，片岩为5×10-6，海城花岗质岩类为6.47×10-6)，以及分布不连续、面积较小，供铀能力较低。大量分布的富铀花岗岩除了使变质地层的铀含量增加外，多余的铀则在构造适合的部位富集成矿。结合对连山关接触带花岗岩和Chy成因的分析，本文认为吕梁运动下压性和张性构造的转折部位，重熔花岗岩(与浪子山组变质岩同熔)侵入就位与变质岩接触部位是铀成矿适合地段。铀矿石和花岗岩中铀的富集系数(Fu)计算表明，铀含量变化主要发生在1900～1800Ma吕梁运动期间，后期叠加、改造发生在300～200Ma的印支-燕山期。
　　 7、重新厘定鞍本地区古老铀成矿作用年代学格架。根据对鞍本地区铀矿化年龄序列、古老地质体演化和U-Pb同位素示踪结果的系统总结，探讨了铀成矿模式。
　　 首次获得了弓长岭、连山关岩体代表性铁铀型铀矿化点-417、183矿点主成矿年龄为约2000Ma(U-Pb一致线和三阶段拟合年龄分别为1960Ma和1994Ma)；确定了连山关岩体接触带分布的单铀型矿床、矿点成矿年龄为1900～1800Ma(均为沥青铀矿U-Pb同位素年龄)。结合典型铀矿床、矿点的产出特征和早前寒武纪地质演化规律，本区花岗岩热液型铀矿床的成矿模式归纳如下：太古界地层初步富集铀元素，此后鞍山运动和辽河运动形成富铀钾质花岗岩体。吕梁运动变质作用、岩浆活动提供了丰富的热源，热液破坏了富铀花岗岩的结构并浸出铀矿物。吕梁运动晚期岩石垮塌直接沟通了地壳与地幔，在富含矿化剂的岩浆流体(富碱质、氧化剂F、O)作用下，花岗岩中的晶质铀矿被氧化(U4+→U6+)，形成含矿热液(部分以U4+溶出)。含矿热液上移过程中不断萃取沿途围岩中的铀，到浅部后，随着压力降低而沸腾，大量矿化剂CO2逸出，阴离子活度降低(pH值向弱碱-弱酸性转变)，铀酰络合离子大量解体，并被地层中的S2-、Fe2+等还原，进而沉淀成矿。