內(nèi)蒙古衛(wèi)境地區(qū)查干哈達(dá)花崗巖體巖石地球化學(xué)特征及成因

李華明，李玲

（核工業(yè)二○八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

衛(wèi)境地區(qū)屬于華北板塊北緣［1-2］，行政區(qū)劃上屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，該地區(qū)是我國重要的有色金屬礦集區(qū)，同時(shí)也是稀土、煤等礦產(chǎn)的重要產(chǎn)出區(qū)［3-4］。2010 年以來，該區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多處熱液型鈾礦床，顯示出良好的鈾成礦前景。上述結(jié)果表明：衛(wèi)境地區(qū)是重要的花崗巖型鈾及多金屬成礦遠(yuǎn)景區(qū)，對(duì)于研究區(qū)花崗巖成巖和成礦特征的認(rèn)識(shí)是指導(dǎo)找礦和勘探的重要基礎(chǔ)，但目前對(duì)這方面的研究還很欠缺。因此，該區(qū)有必要進(jìn)行深入的巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)等綜合研究，進(jìn)一步查明巖體成因，從而確定成礦特征及找礦方向。

據(jù)此，本文選擇研究區(qū)內(nèi)主要的產(chǎn)鈾花崗巖體——查干哈達(dá)巖體作為研究對(duì)象，開展鋯石U-Pb 年代學(xué)、系統(tǒng)的地球化學(xué)研究，對(duì)進(jìn)一步加深研究區(qū)花崗巖成因的理解，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)背景及巖相學(xué)特征

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中北部，緊鄰中—蒙邊界，屬于興蒙造山帶（中亞造山帶）中段，艾勒格廟前寒武地塊的西段。興蒙造山帶是一條巨大的增生型造山帶［5-8］，把西伯利亞板塊和華北板塊分隔開來。研究區(qū)夾持于西伯利亞板塊和華北板塊的晚二疊世縫合線［9-14］與錫林浩特?cái)嗔阎g，西伯利亞板塊和華北板塊接壤部位。包含大地構(gòu)造單元（Ⅱ級(jí)）華北陸塊北緣造山帶、烏里雅斯臺(tái)活動(dòng)大陸邊緣等［15-20］（圖1）。

圖1 查干哈達(dá)花崗巖體地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Chaganhada granite

研究區(qū)屬于興蒙造山帶（中亞造山帶）中段，侵入巖極為發(fā)育，巖體受構(gòu)造控制較為明顯，燕山晚期侵入巖呈NNE 向展布，其他期次侵入巖呈NE 或NEE 向展布，少數(shù)呈EW 及NW向。區(qū)內(nèi)燕山晚期侵入巖規(guī)模較大，出露面積157 km2，占侵入巖總面積的46 %。巖體產(chǎn)狀以巖基和大巖株為主，其次為小巖株和脈群。巖石類型主要為花崗巖和閃長巖類，部分為輝長巖、正長斑巖類。此外，區(qū)內(nèi)還發(fā)育與上述侵入巖有關(guān)的各類脈巖，主要包括輝長玢巖、花崗巖脈、花崗細(xì)晶巖和花崗偉晶巖等［21-23］。

衛(wèi)境地區(qū)出露大量泥盆紀(jì)—白堊紀(jì)花崗巖體，其主體為燕山期侵入巖，為多期次侵入巖體，主體為查干哈達(dá)巖體。該巖體面積約65 km2，呈SN 向產(chǎn)出，巖性以黑云母花崗巖為主（圖2a），局部見黑云母二長花崗巖，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由堿性長石（30 %～34 %）、斜長石（27 %～29 %）、石英（21 %～28 %）和黑云母（5 %～9 %）組成（圖2b）。其中，堿性長石以條紋長石、微斜長石為主（圖2c），偶見正長石，多為半自形—他形板狀；斜長石多為自形—半自形板狀，發(fā)育聚片雙晶，部分斜長石蝕變強(qiáng)烈，主要為絹云母化；石英多為他形、不規(guī)則狀，黑云母較自形，蝕變強(qiáng)烈，普遍發(fā)育綠泥石化（圖2d）。查干哈達(dá)巖體中主要副礦物為榍石、鋯石和磷灰石，偶見鈦鐵氧化物（圖2e、f），榍石這類富鈦礦物的出現(xiàn)，說明查干哈達(dá)巖體中可能存在基性組分的混入，可能其巖漿源區(qū)存在富含基性鐵鎂質(zhì)組分的變質(zhì)巖，也可能是在巖漿演化或成巖過程中發(fā)生了基性巖漿的混合作用。

圖2 查干哈達(dá)花崗巖手標(biāo)本及鏡下照片F(xiàn)ig.2 Hand specimens and microscopic photos of Chaganhada granites

2 分析方法

2.1 鋯石U-Pb 定年

以查干哈達(dá)巖體中采集的代表性花崗巖樣品為研究對(duì)象，應(yīng)用鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年法，對(duì)其成巖年齡進(jìn)行了精確厘定。鋯石分選在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，首先從每件樣品中分選出約100～200 顆單顆粒鋯石，然后制靶、打磨拋光，進(jìn)行鋯石CL（陰極發(fā)光成像）圖像采集，應(yīng)用Quanta 400 型掃描電子顯微鏡上的Mono CL3+陰極熒光探頭完成圖像采集，觀察鋯石的結(jié)構(gòu)。 鋯石LA-ICP-MS U-Pb 定年應(yīng)用Agilent 7500 ICP-MS、NEW Wave UP213 激光剝蝕進(jìn)樣系統(tǒng)共同完成，激光斑束直徑為33μm，頻率為10 Hz，分析過程參考Yang 等（2011）。樣品同位素?cái)?shù)據(jù)處理采用GLITTER 4.0 計(jì)算軟件，普通Pb 校正采用Andersen［24］的方法，校正以后的結(jié)果采用Isoplot 程序（V.3.23）計(jì)算年齡和繪制諧和圖。

2.2 全巖主量與微量元素

主量元素在核工業(yè)二〇八分析測(cè)試中心完成。將碎樣、研磨后的樣品粉末采用馬弗爐高溫灼燒法分析獲得燒失量。其余主量元素運(yùn)用XRF（X-ray fluorescence）進(jìn)行分析，分析精度優(yōu)于5 %。

微量元素和稀土元素含量分析工作，在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)儀器為ICP-MS，型號(hào)為Finnigan Element Ⅱ，分析精度優(yōu)于10 %。

3 分析測(cè)試結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb 同位素年代學(xué)

本次研究選取了查干哈達(dá)巖體中粗粒黑云母花崗巖的樣品（ZKC4-01），應(yīng)用鋯石LA-ICP-MS 法對(duì)其成巖年齡進(jìn)行了精確厘定［25-27］。樣品ZKC4-01 采自查干哈達(dá)地區(qū)ZKC4 鉆孔225 m 處，鋯石為無色透明或者黃褐色，多為自形長柱狀晶形，少數(shù)為等粒，鋯石CL（陰極發(fā)光）圖像顯示，查干哈達(dá)巖體中粗粒黑云母花崗巖中的鋯石可見明顯的振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，具有典型巖漿鋯石的特點(diǎn)（圖3）。針對(duì)樣品ZKC4-01 測(cè)量20 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，結(jié)果顯示，U、Th 含量變化較大，分別為變化在27×10-6～331×10-6之間、20×10-6～174×10-6之間，w（Th）/w（U）比值介于0.40～0.87 之間（表1）。206Pb/238U 年齡介于140～152 Ma 之間，協(xié)和年齡為147.9±1.5 Ma（MSWD=2.1），代表其成巖年齡（圖4）。

表1 查干哈達(dá)花崗巖體LA-ICPMS 鋯石U-Pb 定年結(jié)果Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating analysis of Chaganhada granites

圖3 查干哈達(dá)中粗粒黑云母花崗巖的鋯石CL 圖像Fig.3 Representative cathodoluminescence（CL）images of Chaganhada medium coarse-grained biotite granites

圖4 查干哈達(dá)中粗粒黑云母花崗巖的鋯石U-Pb 年齡諧和圖Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams for Chaganhada medium coarse-grained biotite granites

由此可見，查干哈達(dá)巖體的形成與晚侏羅世-早白堊世的巖漿侵入作用有關(guān)，為燕山期巖體。

3.2 主量元素地球化學(xué)特征

選取7 個(gè)查干哈達(dá)巖體典型樣品，進(jìn)行主、微量元素含量分析［28-30］，分析結(jié)果列于表2。

表2 研究區(qū)花崗巖的主量元素（wt%）及微量稀土元素（10-6）分析結(jié)果Table 2 Analytic results of major elements(wt%)and trace rare earth elements(10-6)of granites in the study area

研究區(qū)查干哈達(dá)巖體中的樣品具有高SiO2含量的特征，其含量普遍大于70 %，僅個(gè)別樣品（ZKC9-01）SiO2含量略小于70 %，并顯示了較大的變化范圍（69.71 %～76.91 %）。利用TAS 圖解判斷巖性，結(jié)果顯示：樣品均投影于花崗巖區(qū)域（圖5a）。樣品中全堿含量（K2O+Na2O）介于8.14 % ～9.54 %之間，堿含量高，K2O/Na2O 比值均大于1，屬于富鉀花崗巖。巖體中大多數(shù)樣品A/CNK 值大于1（0.97 ～1.19），屬于強(qiáng)過鋁質(zhì)花崗巖（圖5b）。所有樣品的MALI（MALI=Na2O+K2O-CaO，修訂Peacock堿-鈣指數(shù)）值在7.71～9.02 之間變化，各樣品的Fe 指數(shù)=FeOt/（FeOt+ MgO），介于0.76～0.96之間，根據(jù)SiO2-MALI 圖和SiO2-Fe 指數(shù)圖（圖5c、d）判別，樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)隨SiO2含量升高，呈MALI 值降低而Fe 指數(shù)升高的演化趨勢(shì)，顯示了由堿性、鎂質(zhì)向堿鈣性、鐵質(zhì)演化的特征，表現(xiàn)出親A 型花崗巖的特征。

圖5 查干哈達(dá)巖體花崗巖分類圖Fig.5 Classification diagrams of Chaganhada granites

利用Hark 圖解判斷主量元素相關(guān)性，結(jié)果顯示（圖6），SiO2含量與Al2O3、P2O5、FeOt、MgO、CaO 和TiO2含量具有明顯的負(fù)相關(guān)性，說明查干哈達(dá)巖體在巖漿成巖演化過程中，斜長石、鐵鎂質(zhì)礦物和磷灰石等組分可能經(jīng)歷了不同程度的分離結(jié)晶作用。

圖6 研究區(qū)各巖體花崗巖Harker 圖解Fig.6 Harker variation diagrams of different granites in the study area

總之，查干哈達(dá)巖體SiO2含量變化大，在由弱過鋁質(zhì)花崗巖向強(qiáng)過鋁質(zhì)花崗巖演化過程中，顯示了由堿性、鎂質(zhì)向堿鈣性、鐵質(zhì)演化的特征，具有親A 型花崗巖的特征，在巖漿成巖演化過程中可能經(jīng)歷了不同程度的斜長石、鐵鎂質(zhì)礦物和磷灰石等的分離結(jié)晶作用。

3.2 微量元素地球化學(xué)特征

微量元素蛛網(wǎng)圖顯示（圖7），查干哈達(dá)巖體多數(shù)樣品表現(xiàn)出K、Rb、Zr、Hf 和Th 相對(duì)于相鄰元素的富集，而Ba、P、Ti、Nb 和Ta 則表現(xiàn)出相對(duì)于相鄰元素虧損的配分模式，值得注意的是樣品ZKC4-01、ZKC9-01 和ZKC2-10 顯示U相對(duì)于相鄰元素較為富集。

圖7 研究區(qū)各巖體花崗巖的微量元素蛛網(wǎng)圖和稀土元素配分模式圖Fig.7 Trace element spider diagram and chondrite normalized REE patterns for different granites in the study area

稀土元素組成特征上，大多數(shù)樣品均呈相對(duì)富集輕稀土元素的“右傾”型配分模式（圖6），稀土元素總量較高，由于稀土元素在巖石中多賦存于磷灰石、鋯石和獨(dú)居石等副礦物中，而這些副礦物多結(jié)晶于較高的溫度環(huán)境下。因此，查干哈達(dá)巖體相對(duì)較高的REE 含量指示它們可能具有較高的巖漿結(jié)晶溫度。查干哈達(dá)巖體中樣品的Eu 負(fù)異常程度具有隨REE 總量降低而升高的特征（圖8），其中具有最低稀土元素含量的WJ-04（∑REE=86.67 10-6）具有最低的δEu 值（δEu=0.04），暗示其成巖過程中經(jīng)歷了較強(qiáng)的長石礦物分離結(jié)晶作用。

圖8 研究區(qū)各巖體的REE 與δEu 關(guān)系圖解Fig.8 Diagram of the relation between REE and δEu from different granites

此外，對(duì)查干哈達(dá)巖體樣品ZKC-04 分析了25 個(gè)Hf 同位素測(cè)試點(diǎn)，獲得的εHf（t）=1.1～5.0，TDMc=870～1 122 Ma。

4 討 論

4.1 花崗巖巖漿演化

查干哈達(dá)巖體形成于燕山期，由Hark圖解（圖6）可見，巖體在形成過程中經(jīng)歷了較強(qiáng)的分異演化。通過Sr-Ba 以及Sr-Rb/Sr 的圖解可知（圖9a、b），查干哈達(dá)巖體花崗巖樣品中Sr與Ba含量存在顯著的負(fù)相關(guān)性，Sr 含量增加的同時(shí)，Ba 含量顯著下降；Sr 含量與w（Rb）/w（Sr）比值則存在顯著的正相關(guān)性，隨著Sr含量的增加，w（Rb）/w（Sr）比值顯示升高的演化趨勢(shì)，這一特征進(jìn)一步證明，查干哈達(dá)花崗巖體在成巖過程中，經(jīng)歷了很強(qiáng)的分異演化。巖體中弱/未分異的低硅樣品的10 000×Ga/Al>2.6，且Zr+Nb+Ce+Y>350 10-6（圖10a、b 和c），在A 型花崗巖的判別圖中都投影于A 型花崗巖區(qū)域（圖10a），且這些樣品的TZr（℃）>800（圖10d）。同時(shí)該巖體堿性長石含量較高（30%～34%），因此，查干哈達(dá)巖體應(yīng)屬于A 型花崗巖，并在成巖過程中經(jīng)歷較強(qiáng)的分異演化。

圖9 研究區(qū)各巖體花崗巖的Rb/Sr-Sr（a）和Ba-Sr（b）圖解（底圖據(jù)參考文獻(xiàn)［35］修改）Fig.9 Diagrams of Rb /Sr（a）and Ba-Sr（b）from different granites in the study area

圖10 查干哈達(dá)巖體花崗巖成因類型圖解（底圖據(jù)參考文獻(xiàn)［36］修改）Fig.10 Genetic type diagrams of Chaganhada granites

圖11 查干哈達(dá)巖體源區(qū)特征辨別圖解Fig.11（La/Yb）N-YbN（a）and Sr/Y- Y（b）provenance discrimination diagrams of Chaganhada granites

4.2 花崗巖來源

查干哈達(dá)巖體各樣品均具有高SiO2、K2O 和Na2O，低MgO、CaO 以及Mg#。同時(shí)表現(xiàn)出大離子親石元素（如Rb、K和Pb）和輕稀土元素相對(duì)富集，而Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti 和重稀土元素則相對(duì)虧損的特征（圖6 和11）。這一特征說明，查干哈達(dá)巖體花崗巖的主要物質(zhì)來源可能是地殼物質(zhì)熔融產(chǎn)生的熔體。查干哈達(dá)巖體具有高的εHf（t）值以及低的TDMc 值，εHf（t）值變化于1.1～5.0，TDMc值變化于870～1 122 Ma，這一特征說明，查干哈達(dá)巖體花崗巖的主要物質(zhì)來源于新生地殼物質(zhì)部分熔融，可能有少量老的地殼物質(zhì)再循環(huán)。

4.3 花崗巖形成構(gòu)造背景

通過Y-Nb 判別圖可知（圖12a），樣品點(diǎn)都落于火山弧-同碰撞構(gòu)造的區(qū)域內(nèi)。通過（Y+Nb）-Rb 判別圖可知（圖12b），樣品投影于同碰撞→后碰撞轉(zhuǎn)化的環(huán)境。

圖12 研究區(qū)花崗巖的Y-Nb（a）以及（Nb+Y）-Rb（b）構(gòu)造判別圖（底圖據(jù)參考文獻(xiàn)［39］）Fig.12 Y-Nb（a）and（Nb+Y）-Rb（b）tectonic discrimination diagrams of Chaganhada granites

查干哈達(dá)巖體屬于A 型花崗巖，指示其可能形成于拉張伸展的構(gòu)造環(huán)境，在Y-Nb 以及（Y+Nb）-Rb 判別圖中（圖12），樣品點(diǎn)基本都投影于板內(nèi)構(gòu)造的區(qū)域內(nèi)，通過Y-3Ga-Nb 以及Y-Ce-Nb 三角圖解可知（圖13），樣品點(diǎn)全部落于A1型花崗巖區(qū)域內(nèi)，這些特征均表明：查干哈達(dá)巖體形成的構(gòu)造環(huán)境為板內(nèi)拉張環(huán)境。巖體相對(duì)較高的鋯石飽和溫度（TZr>800 ℃），指示其成巖過程中需要有高溫幔源巖漿的參與。研究區(qū)西北部的賀根山鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖體的SHRIMP 鋯石U-Pb 定年工作獲得了139～125 Ma 的年齡，表明了該區(qū)域在早白堊世存在一次幔源巖漿事件［15-16］。與該事件相呼應(yīng)，同期的查干哈達(dá)巖體A 型花崗巖的形成應(yīng)歸因于中亞造山帶南緣的巖石圈伸展作用而引起的軟流圈上涌并底侵到下地殼致使下地殼熔融所致。區(qū)域上發(fā)育的晚侏羅世—早白堊世的伸展盆地（如二連盆地）和變質(zhì)核雜巖也支持上述的動(dòng)力學(xué)過程［40-42］。以上證據(jù)證明：在晚侏羅世—早白堊世（148～138 Ma）時(shí)期，研究區(qū)轉(zhuǎn)入了板內(nèi)伸展環(huán)境，此時(shí)巖石圈減薄，軟流圈上涌并底侵到下地殼致使地殼熔融產(chǎn)生花崗質(zhì)巖漿上升侵位形成查干哈達(dá)A 型花崗巖。

圖13 查干哈達(dá)巖體的Y-3Ga-Nb 以及Y-Ce-Nb 三角圖解（底圖據(jù)參考文獻(xiàn)［43］）Fig.13 Triangular plot diagrams of Y-3Ga-Nb and Y-Ce-Nb and for Chaganhada granites

5 結(jié) 論

1）查干哈達(dá)巖體鋯石LA-ICP-MS U-Pb 定年結(jié)果表明，其成巖年齡為147.9±1.5 Ma，屬于晚侏羅世—早白堊世花崗巖。

2）查干哈達(dá)巖體在由弱過鋁質(zhì)花崗巖向強(qiáng)過鋁質(zhì)花崗巖演化過程中，顯示了由堿性、鎂質(zhì)向堿鈣性、鐵質(zhì)演化的特征，屬于富鉀、強(qiáng)過鋁質(zhì)的A 型花崗巖，巖體同時(shí)顯示K、Rb、Zr、Hf、Th 和LREE 的相對(duì)富集，Ba、P、Ti、Nb、Ta 和HREE 的相對(duì)虧損，在成巖過程中經(jīng)歷較強(qiáng)的分異演化。

3）查干哈達(dá)巖體主要來源于新生地殼物質(zhì)部分熔融，同時(shí)有少量老的地殼物質(zhì)再循環(huán)，其形成于拉張伸展的構(gòu)造環(huán)境，這意味著在晚侏羅世—早白堊世時(shí)期，研究區(qū)轉(zhuǎn)入了板內(nèi)伸展的環(huán)境。

致謝：本次研究得到中國核工業(yè)地質(zhì)局地勘費(fèi)項(xiàng)目的資金資助，樣品分析過程中得到南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及核工業(yè)208 分析測(cè)試中心的支持，再此一并致謝。