楊培奇，劉敬黨，劉淑梅，楊 飛，楊孝偉

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省有色地質(zhì)一○四隊(duì)有限責(zé)任公司，遼寧 營(yíng)口 115007；3.遼寧省化工地質(zhì)勘查院有限責(zé)任公司，遼寧 錦州 121007)

0 引 言

華北地臺(tái)北緣中西段是我國(guó)重要的石墨成礦區(qū)之一[1-2]，在被動(dòng)陸緣隆起帶上形成豐富的石墨礦產(chǎn)[3]。目前，許多學(xué)者對(duì)烏拉特中旗地區(qū)石墨礦的成礦地質(zhì)特征及找礦前景進(jìn)行了研究[4-8]，但對(duì)于該區(qū)石墨礦床的年代學(xué)和地球化學(xué)研究較少。本文采用地球化學(xué)和鋯石SHRIMP U-Pb年代學(xué)方法，對(duì)該晶質(zhì)石墨礦床的地球化學(xué)和年代學(xué)進(jìn)行研究，不僅可以提高對(duì)晶質(zhì)石墨礦床成礦作用的認(rèn)識(shí)，而且對(duì)該地區(qū)進(jìn)一步找礦具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位于華北陸塊北緣中部。中元古代進(jìn)入隆起、裂陷為代表的被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造發(fā)展期，形成了多條、多期裂谷[9-10]。研究區(qū)位于其中之一的霍各乞—白云鄂博陸緣裂陷帶(圖1)，早古生代由于受西伯利亞板塊碰撞拼合的影響，發(fā)生強(qiáng)烈的巖漿侵入和火山作用，形成特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，為石墨成礦提供了有利的成礦條件[11-14]。

研究區(qū)位于大烏淀背斜核部，高勒?qǐng)D斷裂帶、石崩斷裂帶中間，背斜核部出露厚層石英巖，受兩斷裂帶的擠壓、剪切和多期活動(dòng)的影響，此套殘留地層發(fā)育一條順層破碎帶，且沿破碎帶普遍發(fā)生了糜棱巖化作用。大烏淀逆斷層在礦區(qū)北部通過(guò)，呈近東西向展布，公胡都格南逆斷層斜穿礦區(qū)，呈北東向展布。區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，侵入巖發(fā)育，主要有新元古代、晚石炭世、早二疊世、晚三疊世4期巖漿活動(dòng)，其中晚石炭世和早二疊世侵入巖規(guī)模較大。晚石炭世灰色花崗閃長(zhǎng)巖分布于研究區(qū)西部，侵入白云鄂博群尖山組，形成數(shù)十米寬的熱接觸變質(zhì)帶，使碳質(zhì)板巖中的碳質(zhì)結(jié)晶形成石墨。該巖體與石墨礦的成礦關(guān)系密切。

2 含礦巖系及礦體地質(zhì)特征

大烏淀石墨礦床含礦巖系為白云鄂博群尖山組一段黑色巖系，原巖為碎屑巖-含炭粉屑巖-泥質(zhì)巖-碳酸鹽巖組合，屬于白云鄂博裂谷下部沉積巖系[15-17]。尖山組一段巖性為深灰色(粉砂質(zhì))絹云母板巖、紅柱石絹云綠泥石英片巖、變質(zhì)微粒長(zhǎng)石石英砂巖、變質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖、灰黑色粉砂質(zhì)碳質(zhì)板巖夾微粒石英砂巖透鏡體等。

粉砂質(zhì)絹云母板巖：呈灰黑色，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，礦物成分為絹云母約占18%、石墨15%、斜長(zhǎng)石40%、石英25%等。紅柱石絹云綠泥石英片巖：呈灰黑色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英50%～55%，呈拉長(zhǎng)粒狀，晶體粒徑0.02 mm×0.06 mm～0.1 mm×0.2 mm；紅柱石15%，呈柱狀，大小0.5 cm×2 cm；絹云母15%～25%；石墨5%～10%，黑色微晶鱗片狀，大小0.001～0.01 mm。變質(zhì)石英砂巖夾石英巖：呈灰白色，變余砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀及層狀構(gòu)造，礦物成分由石英95%、白云母3%及少量斜長(zhǎng)石組成。

大烏淀礦區(qū)白云鄂博群尖山組紅柱石絹云綠泥石英片巖是主要的石墨礦化巖層，分布于區(qū)內(nèi)滾呼都格南東部，呈緊密復(fù)式向斜褶皺構(gòu)造，走向NEE，主要礦層傾向NNW。

石墨礦化層與變質(zhì)粉砂巖呈互層條帶構(gòu)造，形成石墨層和夾石的互層，經(jīng)1∶2 000地質(zhì)填圖及槽探工程揭露等詳查工作，礦體嚴(yán)格受地層控制，走向北東—南西向，依據(jù)品位變化可圈定8條層狀礦體，其中Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ礦層厚度大、走向延伸長(zhǎng)、品位穩(wěn)定，Ⅳ號(hào)礦體局部增厚呈透鏡狀，受勘查程度限制礦層延深沒(méi)有控制。

礦石由紅柱石絹云綠泥石英片巖和絹云綠泥石英片巖組成，礦層產(chǎn)狀嚴(yán)格受區(qū)域地層及區(qū)域構(gòu)造影響，呈層狀、似層狀、透鏡狀，北東向展布，礦層頂板為褐色中粗粒石英砂巖夾灰?guī)r，底板被花崗閃長(zhǎng)巖侵入。含礦巖石片理發(fā)育，面理密集平行排列，切割巖石呈葉片狀、透鏡塊狀，巖石中柱狀、針狀紅柱石平行片理分布，頁(yè)理面上顯示交織狀分布(圖2)。

石墨背散射電子圖像分析是在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 電子探針實(shí)驗(yàn)室完成，所用的電子探針型號(hào)為 EPMA-1600。從圖3中可看出，在礦石中石墨(含量6%～14%)分布不均，以不同的產(chǎn)狀與其他礦物共生組合存在，被石英(含量30%～35%)、鉀長(zhǎng)石(含量18%～23%)、白云母(含量10%～16%)、紅柱石(含量5%～8%)和獨(dú)居石等礦物包裹。石墨礦石主要礦物為石英碎屑、絹云母等黏土礦物，紅柱石、石墨、石英碎屑呈顆粒狀，絹云母等黏土礦物呈鱗片狀圍繞碎屑礦物分布。礦石呈變余碎屑結(jié)構(gòu)，絹云母等黏土礦物及紅柱石等礦物系原膠結(jié)物的變質(zhì)礦物。

3 巖石地球化學(xué)特征

本次研究所采用的樣品均采自大烏淀石墨礦礦區(qū)，樣品新鮮，結(jié)構(gòu)完整。巖石地球化學(xué)分析在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所完成，主量元素含量通過(guò)X-射線(xiàn)熒光光譜法、容量法和重量法測(cè)定，微量元素和稀土元素含量采用等離子體質(zhì)譜法測(cè)定。

本次測(cè)試樣品共12件，巖性為紅柱石絹云綠泥石英片巖(WLT-01、WLT-02、WLT-03、WLT-04、WLT-06、WLT-16、WLT-17)，絹云綠泥石英片巖(WLT-09、WLT-13-2、WLT-07、WLT-21)和石英巖(WLT-11)，樣品分析測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

紅柱石絹云綠泥石英片巖的SiO2含量比較均勻，分布在54.14%～70.63%之間，平均64.70%；以高鋁富鉀為特征，其中Al2O3含量平均為16.26%，最高19.34%；顯示高鉀低鈉，K2O/Na2O比值平均為158.58。絹云綠泥石英片巖與紅柱石絹云綠泥石英片巖的特征基本一致，只是SiO2含量稍高，平均為70.07%，Al2O3含量較低，平均為10.95%。這種巖石化學(xué)組分特征表明沉積環(huán)境比較穩(wěn)定，沉積物以含鉀礦物為主，分異分選較好，是穩(wěn)定沉積環(huán)境的沉積物；WLT-17為鎂質(zhì)絹云綠泥石英片巖，MgO/CaO比值較高，為6.35，含有鎂碳酸鹽礦物，顯示高鹽度沉積環(huán)境，與裂谷環(huán)境是一致的。石英巖的成分比較純，以SiO2為主，含量95.33%，雖然其他氧化物成分含量較少，但MgO/CaO的比值與紅柱石絹云綠泥石英片巖的樣品比值接近。

樣品微量元素的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖見(jiàn)圖4，表明研究區(qū)含礦巖石較富集大離子親石元素，輕稀土元素富集，而Nb、Sr、P、Ti、Ta元素明顯虧損。Ti 和P 的負(fù)異常反映了沉積巖原巖的特征，由于風(fēng)化作用造成Sr負(fù)異常，樣品Rb和Ba等大離子親石元素含量較高，Rb/Sr比值為0.24～1.53之間，平均值為1.06，高于上地殼值0.32，表明循環(huán)沉積作用較弱；高場(chǎng)強(qiáng)元素Zr和Hf含量相對(duì)較高，主要受重礦物控制。

兩種絹云綠泥石英片巖樣品的稀土元素含量較高，稀土元素總量平均為289.43×10-6和264.38×10-6，LREE/HREE平均值分別為9.81和10.06，δCe值略大于1，δEu平均值分別為0.57和0.47；而石英巖稀土元素總量明顯較低，δCe值略小于1，δEu值為0.49。稀土元素配分曲線(xiàn)顯示輕稀土元素富集、重稀土元素虧損，具有明顯負(fù)銪異常，紅柱石絹云綠泥石英片巖和絹云綠泥石英片巖不具有鈰異常，石英巖略具有負(fù)鈰異常(圖5、圖6)。這種稀土元素配分模式顯示了大烏淀石墨礦含礦建造具有濱淺海環(huán)境沉積的特征，石英巖原巖為潮坪相沉積，而絹云綠泥石英片巖原巖為潮下淺海環(huán)境沉積，兩種沉積環(huán)境是連續(xù)過(guò)渡環(huán)境。

4 年代學(xué)研究

4.1 測(cè)試方法

用于鋯石測(cè)年的樣品選自大烏淀礦區(qū)含石墨絹云綠泥石英片巖，在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院北京離子探針中心完成測(cè)年工作，分析儀器為高靈敏度高分辨率離子探針(SHRIMPⅡ)。將分選出來(lái)的鋯石與標(biāo)準(zhǔn)鋯石TEM一起制靶并進(jìn)行陰極發(fā)光(CL)照相，在同位素質(zhì)譜儀SHRIMPⅡ上完成測(cè)年。數(shù)據(jù)處理采用SQUIDI 1.0和ISOPLOT程序[19]。普通鉛根據(jù)實(shí)測(cè)204Pb進(jìn)行校正，單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差均為1σ，所采用的206Pb/238U加權(quán)平均年齡置信度為95%。

碎屑鋯石定年的待測(cè)樣品采用3～4組掃描，但標(biāo)準(zhǔn)鋯石仍采用5組掃描。分別獲得206Pb/238U、208Pb/232Th和207Pb/206Pb表面年齡，并且根據(jù)207Pb/235U-206Pb/238U求出諧和曲線(xiàn)與年齡模擬曲線(xiàn)的交點(diǎn)年齡，本次研究主要考慮碎屑鋯石的模擬曲線(xiàn)和交點(diǎn)年齡。

4.2 測(cè)試結(jié)果

鋯石在陰極發(fā)光下晶體顯示出圓化晶形，呈橢圓粒狀、渾圓粒狀、長(zhǎng)粒狀等形態(tài)(圖7)。大烏淀石墨礦石中分選出的鋯石樣品均為碎屑鋯石，沒(méi)有沉積期后變質(zhì)重結(jié)晶環(huán)帶，因此所測(cè)的鋯石只能是判別沉積物質(zhì)來(lái)源，以最年輕的碎屑鋯石推測(cè)最早的沉積年齡。鋯石SHRIMP U-Pb年齡數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。石墨礦石的碎屑鋯石206Pb/238U表面年齡為(2 590.57±22.62)～(1 792.09±17.12)Ma(表2)，為古元古代鋯石來(lái)源，因此可以推測(cè)石墨礦石的沉積年齡小于(1 792.09±17.12)Ma(圖8)，這一分析結(jié)果與馬銘株等[20]研究結(jié)果一致。烏拉特中旗大烏淀石墨礦床石墨所表現(xiàn)出來(lái)的成礦多期性，與華北陸塊發(fā)展階段基底構(gòu)造-熱事件在時(shí)間分布上所表現(xiàn)出來(lái)的多峰式特點(diǎn)吻合李江海等[21]2000年的研究成果。

表2 大烏淀石墨礦碎屑鋯石SHRIMP U-Pb年齡數(shù)據(jù)

5 討論與結(jié)論

5.1 源區(qū)性質(zhì)

由表1可以看出，含礦巖石的SiO2含量較高，且較為均勻，隨著混合巖化程度不同，K2O、Na2O、CaO含量起伏變化較大，說(shuō)明發(fā)生了不同的交代作用；K2O/Na2O比值為5.47～422.00，懸殊較大，表明交代作用比較復(fù)雜，說(shuō)明該區(qū)巖漿巖與變質(zhì)巖之間存在混合和對(duì)流作用，使得物質(zhì)成分發(fā)生交換。該石墨礦的巖石均表現(xiàn)出富Al貧Ca，且 K2O>Na2O，顯示了變質(zhì)沉積巖的特征。根據(jù)Zr/TiO2-Ni圖解(圖9)，樣品全部落在沉積巖區(qū)域，可見(jiàn)該樣品為副變質(zhì)巖，但是具備接近火成巖的趨勢(shì)。根據(jù)圖10可見(jiàn)，樣品全部落入沉積巖區(qū)，多數(shù)為基性鈣質(zhì)沉積巖，只有2個(gè)樣品顯示為基性泥砂質(zhì)沉積巖。表明該石墨礦的變質(zhì)巖具有以細(xì)碎屑穩(wěn)定沉積為主的特點(diǎn)。

含紅柱石和不含紅柱石的絹云綠泥石英片巖的微量元素含量相對(duì)石英巖明顯富集，尤其是具有富含Rb、Ba、F、Th、Zr、Y的特點(diǎn)，特征元素比值Rb/Sr、Th/U均較高，而Sr/Ba值較低，顯示了以陸源碎屑來(lái)源為主的特征，海源物質(zhì)較少；V/Ni、V/(Ni+V)比值顯示為缺氧還原沉積環(huán)境；Sr虧損的特征在酸性巖、基性巖類(lèi)中均普遍存在，砂巖、黏土巖也有出現(xiàn)。

由于在變質(zhì)過(guò)程中稀土元素并不活動(dòng)，沉積原巖在變質(zhì)作用過(guò)程中稀土特征得以保留，為確定沉積巖的物源區(qū)提供了重要信息，并且為穩(wěn)定沉積的構(gòu)造環(huán)境提供了有效的信息。稀土元素配分圖(圖5、圖6)均呈輕稀土元素富集、重稀土元素平坦的趨勢(shì)，具有以長(zhǎng)英質(zhì)組分為主物源區(qū)的特征。樣品具有明顯的Eu負(fù)異常特征，分析可能有兩種原因：一種是繼承了物源區(qū)的Eu負(fù)異常；另一種情況是物源區(qū)處于還原環(huán)境和化學(xué)風(fēng)化環(huán)境，因?yàn)镋u2+在沉積體系中與其他稀土元素相比，更容易被含水溶液帶走，導(dǎo)致了Eu負(fù)異常。根據(jù)樣品的長(zhǎng)英質(zhì)組分特征，第一種可能性較小，根據(jù)其具有弱Eu負(fù)異常的特征，且原巖為沉積巖，推斷為淺海相沉積環(huán)境。

5.2 成巖時(shí)代

前人工作一般認(rèn)為含礦地層白云鄂博群尖山巖組的地層時(shí)代屬于中元古代，也有資料認(rèn)為是古元古代。馬銘株等[20]采集了寬溝背斜東段腮林忽洞群和白云鄂博群底部礫巖樣品，采用鋯石SHRIMP U-Pb法進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)年。測(cè)得樣品表面年齡集中在晚太古代(3 037±120)～(2 449±14)Ma和古元古代晚期(2 243±38)～(1 785±10)Ma兩個(gè)年齡段。本文采用同樣方法測(cè)得樣品的表面年齡為(2 590.57±22.62)～(1 792.09±17.12)Ma，表明鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)可靠，屬古元古代。

5.3 成礦機(jī)制

從礦床地球化學(xué)和年代學(xué)分析，結(jié)合野外石墨礦化的特征，本文取得如下認(rèn)識(shí)：研究區(qū)古元古代處于淺海相沉積環(huán)境，接受剝蝕區(qū)大量富鋁質(zhì)黏土物質(zhì)沉積，初步形成大烏淀石墨礦含礦建造。該含礦建造石英巖的原巖為潮坪相沉積，絹云綠泥石英片巖的原巖為潮下淺海環(huán)境沉積，兩種沉積環(huán)境是連續(xù)過(guò)渡環(huán)境。中元古代研究區(qū)進(jìn)入隆起、裂陷為代表的被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造發(fā)展期，研究區(qū)所處的霍各乞—白云鄂博陸緣裂陷帶，受早古生代西伯利亞板塊碰撞的影響，遭受多期次強(qiáng)烈?guī)r漿侵入活動(dòng)，尤其以晚石炭世巖漿活動(dòng)對(duì)研究區(qū)石墨礦床的成礦貢獻(xiàn)作用最大，中酸性巖漿巖侵入中元古代白云鄂博群尖山組地層中的富鋁質(zhì)含碳質(zhì)板巖，在巖漿熱液的熱力作用下碳質(zhì)再次富集，最終形成接觸變質(zhì)型晶質(zhì)石墨礦床。

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古烏拉特中旗大烏淀石墨礦含礦巖石地球化學(xué)和年代學(xué)的研究，獲得以下認(rèn)識(shí)：

(1)大烏淀石墨礦床產(chǎn)于華北地臺(tái)北緣中元古代白云鄂博群黑色片巖中，為沉積巖在侵入巖熱接觸作用下形成的變質(zhì)微晶石墨礦床，其礦床礦化特征與深變質(zhì)巖型石墨礦床有明顯不同。

(2)大烏淀礦區(qū)含石墨絹云綠泥石英片巖的鋯石通過(guò)SHRIMP U-Pb測(cè)年法測(cè)定石墨礦石沉積年齡應(yīng)小于(1 792.09±17.12) Ma。

(3)大烏淀礦區(qū)絹云綠泥石英片巖、紅柱石絹云綠泥石英片巖和石英巖的特征基本一致，反映為穩(wěn)定沉積環(huán)境的沉積物，具有砂巖、片巖的特征；絹云綠泥石英片巖明顯富集Rb、Ba、F、Th、Zr、Y等元素，顯示了以陸源碎屑來(lái)源為主的特征，為缺氧還原沉積環(huán)境；輕稀土元素富集、重稀土元素虧損，表現(xiàn)出明顯的負(fù)銪異常，石英巖略具有負(fù)鈰異常，顯示大烏淀石墨礦具有濱淺海環(huán)境沉積的特征。