趙 巖，李生輝，楊中柱，張 朋，陳井勝，張 璟，陳 聰

1.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省自然資源廳深部礦產(chǎn)資源探測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110032；3.遼寧省有色地質(zhì)103 隊(duì)有限責(zé)任公司，遼寧 丹東 118008

0 引言

硼礦作為一種重要的工業(yè)原料，除了自身能夠提高玻璃制品強(qiáng)度和熔點(diǎn)外，還能與過渡元素及金屬氧化物反應(yīng)形成具有質(zhì)輕、阻燃、耐磨、高硬度、高導(dǎo)電率等特性的化合物，在機(jī)械、冶金、化工、軍事等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用［1-2］.在新一輪的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)找礦行動(dòng)（2021—2035 年）中，硼礦已被列為我國戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源.據(jù)自然資源部2021 年《中國礦產(chǎn)資源報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，我國硼礦資源分布以遼寧和青海為主，其中遼寧省硼礦稟賦最佳，儲(chǔ)量約占全國的65%左右，對(duì)其開展成因、成礦時(shí)代等相關(guān)研究對(duì)于國家自然資源戰(zhàn)略保障具有積極意義.

長(zhǎng)期以來，關(guān)于硼礦成礦時(shí)代研究較少，主要是直接測(cè)試含硼礦物形成時(shí)代存在難度.目前利用常用賦礦圍巖里爾峪組變質(zhì)火山巖原巖形成時(shí)代和變質(zhì)時(shí)代分別限定硼礦成礦的下限和上限年齡［3-5］，或利用與硼礦伴生的瀝青鈾礦測(cè)年［6］等方法取得了一定的成果，基本確定成礦發(fā)生在古元古代晚期，但成礦區(qū)間仍較寬，相差100 Ma 左右，在一定程度上影響了對(duì)硼礦成礦背景和成礦作用的理解.筆者在遼東半島鳳城地區(qū)翁泉溝硼礦露天采場(chǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)一條切穿硼鎂鐵礦體的二長(zhǎng)花崗巖脈，通過對(duì)其開展鋯石U-Pb 年代學(xué)研究，有效限定了硼礦成礦時(shí)代的下限，同時(shí)對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)硼礦與古元古代造山作用的關(guān)系進(jìn)行探討，深化對(duì)硼礦成礦作用的認(rèn)識(shí).

1 地質(zhì)背景與礦床地質(zhì)

遼東半島硼礦與金、鉛鋅、銅、鈷、菱鎂礦、石墨、玉石等構(gòu)成區(qū)域范圍內(nèi)重要的遼東-吉南成礦帶，其分布和產(chǎn)出與華北克拉通東部古元古代膠遼吉造山帶的演化具有密切關(guān)系［7-13］.膠遼吉古元古代造山帶從早期發(fā)育，經(jīng)歷了大洋開啟、島弧俯沖［14］（或稱“裂谷開合”［15］）、碰撞造山等階段，大量沉積巖系包括后期同造山花崗巖、基性巖脈等卷入了峰期造山作用［16-19］，并經(jīng)歷了1.95～1.9 Ga 和1.85 Ga 左右分別對(duì)應(yīng)峰期、峰后的變質(zhì)作用［20-23］，變質(zhì)作用引發(fā)的大量成礦流體發(fā)生廣泛水巖反應(yīng)，期間伴隨了多種礦床的就位［24-28］，或早期貧礦的重新富集等過程［29］.從遼東半島硼礦分布來看，目前已發(fā)現(xiàn)硼礦分布均與南遼河群變質(zhì)變形較強(qiáng)的地層和花崗巖體密切相關(guān).

翁泉溝硼礦是產(chǎn)于遼寧省鳳城市西的一處大型礦床，以富硼、鐵，同時(shí)伴生磷、鈾和稀土元素為特征.礦區(qū)出露的地層主要為南遼河群里爾峪組，地層分作兩段，一段為角閃變粒巖與鈉長(zhǎng)淺粒巖互層，二段為蛇紋巖與硼鎂鐵礦互層.這兩段地層同時(shí)也是礦區(qū)范圍內(nèi)鈾、磷和稀土元素賦存的層位［6］（圖1）.礦區(qū)變質(zhì)沉積巖地層變形強(qiáng)烈，褶皺構(gòu)造發(fā)育，翁泉溝向斜屬區(qū)域范圍內(nèi)虎皮峪-翁泉溝-紅石砬子復(fù)式背斜的次級(jí)褶皺構(gòu)造.主礦體（包括附近的鐵、磷礦點(diǎn)）的產(chǎn)出均受到褶皺構(gòu)造的控制.礦區(qū)發(fā)育近南北向、北東向和北西向3 組主要斷裂構(gòu)造，其中近南北向和北東向斷裂較晚，為破礦構(gòu)造或與礦化關(guān)系不大，而北西向構(gòu)造對(duì)礦體有一定控制作用.古元古代二長(zhǎng)花崗巖是礦區(qū)出露的主要侵入巖，與區(qū)域范圍內(nèi)古元古代片麻狀花崗巖巖石學(xué)特征相近，前人對(duì)其進(jìn)行過鋯石測(cè)年研究，結(jié)果顯示形成于2.17 Ga 前后［30-33］.

圖1 遼東半島翁泉溝硼礦床地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)文獻(xiàn)［6］修改）Fig.1 Geological sketch map of Wengquangou boron deposit in Liaodong Peninsula（Modified from Reference［6］）

翁泉溝硼鐵礦體嚴(yán)格受向斜構(gòu)造控制，局部被后期構(gòu)造破壞.可分為兩個(gè)含礦層：其一分布在翁泉溝、業(yè)家溝和東臺(tái)子地區(qū)；另一個(gè)分布在周家大院一帶.主要礦石類型有磁鐵礦型、硼鎂石型、硼鎂石-磁鐵礦型和含硼鎂鐵礦-磁鐵礦型4 種.主要礦石礦物為硼鎂鐵礦、磁鐵礦、硼鎂石和遂安石.脈石礦物有蛇紋石、鎂橄欖石、透輝石、透閃石等.圍巖蝕變主要有透閃石化、蛇紋石化、金云母化和電氣石化，其中蛇紋石化規(guī)模較大［3］.

2 樣品描述與測(cè)試方法

在翁泉溝露天采場(chǎng)北壁可以觀察到二長(zhǎng)花崗巖脈切穿主礦體現(xiàn)象（圖2a）.二長(zhǎng)花崗巖呈淺灰色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.主要礦物有：斜長(zhǎng)石（約30%），常見其扭曲變形的雙晶紋；微斜長(zhǎng)石（約35%），交代早期斜長(zhǎng)石，常見其典型的格子雙晶；石英（約占20%），無色透明狀產(chǎn)出；白云母（約5%），呈無色至淺灰綠色，片狀產(chǎn)出（圖2）.研究中采集3 件二長(zhǎng)花崗巖脈巖石樣品進(jìn)行主微量元素分析（編號(hào)WX-1—WX-3），3 件樣品分布在翁泉溝硼鎂鐵礦露天采場(chǎng)北壁，坐標(biāo)為123°49′46.6″E，40°39′40.2″N.同時(shí)采集鋯石UPb 年齡測(cè)試樣品1 件（編號(hào)21WZ），距離全分析樣品采樣點(diǎn)較近.

圖2 翁泉溝硼鎂鐵礦床及二長(zhǎng)花崗巖圖片F(xiàn)ig.2 Photographs of Wengquangou ludwigite deposit and specimen and micrographs of monzogranite

2.1 地球化學(xué)成分測(cè)試

3 件巖石樣品的主量和微量元素分析測(cè)試在自然資源部東北礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成.主量元素測(cè)試分析利用了X 射線熒光光譜法，測(cè)試儀器為飛利浦PW2404X 射線熒光光譜儀，分析精度好于5%.微量元素分析利用酸溶法制備樣品并在HR ICPMS 電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)試，當(dāng)元素含量大于10×10-6，分析精度優(yōu)于5%；當(dāng)含量小于10×10-6時(shí)，精度優(yōu)于10%.

2.2 鋯石LA-ICP-MS U-Pb 年齡測(cè)試

鋯石分析樣品在全巖樣品通過重磁分選后，在雙目鏡下通過手選挑選出晶形完好、具代表性的鋯石顆粒，用環(huán)氧樹脂固定于樣品靶后拋光.鋯石樣品陰極發(fā)光圖像拍攝和LA-ICP-MS 分析測(cè)試均在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，詳細(xì)的儀器參數(shù)和分析流程見文獻(xiàn)［34］.GeolasPro 激光剝蝕系統(tǒng)由MicroLas光學(xué)系統(tǒng)和COMPexPro 102 ArF 193 nm 準(zhǔn)分子激光器組成，ICP-MS 儀器型號(hào)為Agilent 7700e.分析的激光束斑和頻率分別為32 μm 和5 Hz.對(duì)分析數(shù)據(jù)的離線處理采用軟件ICPMSDataCal 完成［35］.鋯石樣品的U-Pb 年齡諧和圖繪制和年齡加權(quán)平均計(jì)算采用Isoplot/Ex_ver3［36］完成.

3 結(jié)果

3.1 主微量元素含量分析

二長(zhǎng)花崗巖的主微量元素含量結(jié)果見表1.巖石SiO2含量高，為71.82%～75.68%；K2O 與Na2O 含量較高，分別為2.37%～3.96%及5.33%～7.22%；Al2O3含量中等，14.25%～16.06%；Fe2O3和FeO 含量很低，均不足1%；MgO 含量極低.反映了該二長(zhǎng)花崗巖脈屬鈣堿性-高鉀鈣堿性巖石系列（圖3），具有A 型花崗巖的特征（圖4）.

圖3 翁泉溝硼礦二長(zhǎng)花崗巖判別圖解（底圖據(jù)文獻(xiàn)［37-38］）Fig.3 Discrimination diagrams of monzogranite from Wengquangou boron deposit（After References［37-38］）

圖4 翁泉溝硼礦二長(zhǎng)花崗巖巖性系列判別圖解（據(jù)文獻(xiàn)［39］修改）Fig.4 Genetic type discrimination diagrams of monzogranite from Wengquangou boron deposit（Modified from Reference［39］）

3.2 鋯石LA-ICP-MS 測(cè)年分析

從二長(zhǎng)花崗巖脈中挑選的鋯石顆粒均勻，自形程度較好，呈淺紫色-透明無色.在CL 圖像上可以看到鋯石顆粒較黑，與鋯石內(nèi)U 含量較高有關(guān)，基本均呈自形柱狀，長(zhǎng)約70～110 μm，寬約40～70 μm，內(nèi)部發(fā)育振蕩環(huán)帶.由于U 含量高，觀察不是十分明顯.鋯石顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)均一，甚少發(fā)育核幔結(jié)構(gòu)（圖5）.因?yàn)閁含量超高（通常在2 000×10-6～5 000×10-6之間），所以鋯石Th/U 值較低，但明顯具有巖漿鋯石特征.選取的25 個(gè)鋯石測(cè)點(diǎn)雖有一定鉛丟失現(xiàn)象，但是仍得出了1 842±29 Ma 的不一致曲線上交點(diǎn)年齡，MSWD 值為2.4（圖6a），其中9 個(gè)測(cè)點(diǎn)分析得出了1 842±30 Ma 的加權(quán)平均年齡（MSWD=1.6），二者吻合度高，1 842 Ma能夠代表二長(zhǎng)花崗巖脈的形成年齡.

圖5 二長(zhǎng)花崗巖部分鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.5 The CL images of selected zircons in monzogranite from Wengquangou boron deposit

圖6 翁泉溝硼礦二長(zhǎng)花崗巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb 年齡諧和圖和加權(quán)平均年齡圖解Fig.6 LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram and weighted average age of zircon grains in monzogranite from Wengquangou boron deposit

4 討論

4.1 二長(zhǎng)花崗巖成巖年齡及其對(duì)硼鎂鐵礦成礦時(shí)代的制約

采自二長(zhǎng)花崗巖脈的鋯石在CL 圖像和鋯石成分上均顯示出巖漿鋯石的特征.LA-ICP-MS 測(cè)試得出了良好的不一致曲線上交點(diǎn)年齡，為1 842±29 Ma（MSWD=2.4），其中的9 個(gè)測(cè)點(diǎn)分析得出的加權(quán)平均年齡也與此年齡一致，1 842±30 Ma.綜合認(rèn)為二長(zhǎng)花崗巖脈的形成時(shí)代應(yīng)該為1 842 Ma，屬古元古代晚期，與區(qū)域范圍內(nèi)膠遼吉造山過程中變質(zhì)作用峰后變質(zhì)時(shí)代［21-23］相吻合.

研究中同位素結(jié)果提供了翁泉溝硼鎂鐵礦成礦時(shí)代的良好制約.正如前述，前人在遼東地區(qū)硼礦成礦時(shí)代研究方面做了有益探索.從早期利用賦礦圍巖里爾峪巖組的沉積時(shí)代對(duì)硼礦時(shí)代予以限定［15］，到利用里爾峪組變粒巖和電氣石巖中鋯石進(jìn)行U-Pb 年代學(xué)研究，得到變質(zhì)火山巖成巖年齡為2 170 Ma，認(rèn)為其限定了硼礦的成礦時(shí)代下限，而電氣石巖中鋯石變質(zhì)邊測(cè)定出的1 890～1 900 Ma 鋯石年齡則能夠代表區(qū)域范圍內(nèi)變質(zhì)熱液和硼成礦時(shí)代［3］.后期研究者利用翁泉溝硼礦內(nèi)與硼礦伴生的瀝青鈾礦和晶質(zhì)鈾礦，分別開展了LA-ICP-MS U-Pb 測(cè)年工作，獲得了1 908±23 Ma 和1 896±14 Ma 的加權(quán)平均年齡，認(rèn)為其代表了含鈾礦物的形成年齡［6］.有研究者在開展了白云母40Ar-39Ar 年代學(xué)，并結(jié)合了早期晶質(zhì)鈾礦TIMS 研究結(jié)果基礎(chǔ)上，認(rèn)為1 806 Ma 的結(jié)果能夠代表硼礦成礦時(shí)代，而1 908 Ma 的研究結(jié)果是混入了多余的Pb 所致［6］.本研究利用切穿硼礦體的二長(zhǎng)花崗巖脈中采集的鋯石進(jìn)行U-Pb 年齡測(cè)試，獲得的巖脈年齡為1 842 Ma 左右.根據(jù)野外切穿關(guān)系巖脈形成明顯晚于硼鎂鐵礦成礦，即硼鎂鐵礦的成礦時(shí)代應(yīng)早于1 842 Ma.綜合前人對(duì)硼礦成礦時(shí)代的研究結(jié)果，其1 896～1 908 Ma的同位素測(cè)試結(jié)果應(yīng)該能夠比較好的限定翁泉溝硼鎂鐵礦的成礦時(shí)代.

4.2 地質(zhì)意義

研究中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)于翁泉溝硼鎂鐵礦的二長(zhǎng)花崗巖脈年齡與華北克拉通完成克拉通化時(shí)間相吻合，應(yīng)形成于古元古代膠遼吉造山帶碰撞造山結(jié)束之后.從區(qū)域范圍來看，該階段仍伴隨了大量的巖漿活動(dòng)，以堿性花崗巖、花崗偉晶巖為代表，包括礦洞溝正長(zhǎng)巖、三家子和寬甸地區(qū)花崗偉晶巖等，年代學(xué)研究顯示其形成年齡為1 840～1 880 Ma［21］.堿性花崗巖和偉晶巖脈的產(chǎn)出代表了造山后由擠壓變?yōu)閰^(qū)域拉伸的構(gòu)造環(huán)境［40-43］.本研究中的二長(zhǎng)花崗巖脈同樣表現(xiàn)出全堿含量較高的地球化學(xué)特征，產(chǎn)于膠遼吉造山活動(dòng)晚階段區(qū)域范圍內(nèi)巖石圈減薄背景之下.該階段不僅伴隨了巖漿活動(dòng)，同時(shí)也對(duì)應(yīng)了峰后變質(zhì)作用.據(jù)報(bào)道，南遼河群的變質(zhì)作用局部能夠達(dá)到麻粒巖相程度［23，44］，伴隨了大量的變質(zhì)流體與水巖反應(yīng)、成礦作用的發(fā)生.

古元古代晚期是遼東-吉南成礦帶中早期區(qū)域成礦作用的集中時(shí)段.早期研究通過似層狀產(chǎn)出的硫鐵礦、銅鈷礦等礦床特征，將其成礦時(shí)代限定在與賦礦圍巖時(shí)代一致的古元古代［15］.近年來同位素年代學(xué)測(cè)年技術(shù)的發(fā)展提供了更加有力的證據(jù)，如喻鋼等［45］和劉軍等［46］分別在貓嶺金礦獲得了2 316±140 Ma 和2 287±95 Ma 的等時(shí)線年齡；在青城子榛子溝鉛鋅礦獲得了1 798±8 Ma 的Rb-Sr 等時(shí)線年齡等［28］.同時(shí)，造山作用過程中的變質(zhì)作用也引起已有礦產(chǎn)的富集和改造，如在弓長(zhǎng)嶺BIF 型鐵礦研究中發(fā)現(xiàn)，早期褐鐵礦經(jīng)歷了1 860 Ma 左右的變質(zhì)作用變?yōu)槠肺桓叩拇盆F礦［29］.翁泉溝硼鎂鐵礦的就位很可能就與造山過程晚期強(qiáng)烈變質(zhì)作用有關(guān).在高溫變質(zhì)流體的影響下，早期地層中預(yù)富集的硼元素開始活化、富集，最終在合適的構(gòu)造空間下就位成礦.

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)遼東半島鳳城地區(qū)翁泉溝硼鎂鐵礦內(nèi)切穿礦體二長(zhǎng)花崗巖的相關(guān)研究，并對(duì)成礦帶內(nèi)多種礦床成礦時(shí)代進(jìn)行總結(jié)，得出如下結(jié)論.

1）二長(zhǎng)花崗巖脈中鋯石顆粒呈現(xiàn)出明顯巖漿鋯石的特征，測(cè)試分析得出1 842±29 Ma 的U-Pb 上交點(diǎn)年齡，其中9 個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得了1 842±30 Ma 的加權(quán)平均年齡，反映了花崗巖脈侵位于古元古代晚期，翁泉溝硼鎂鐵礦成礦應(yīng)早于1 842 Ma.

2）二長(zhǎng)花崗巖脈形成于拉伸環(huán)境，產(chǎn)于膠遼吉造山活動(dòng)晚階段區(qū)域范圍內(nèi)巖石圈減薄背景之下.

3）古元古代晚期是遼東-吉南成礦帶中早期區(qū)域成礦作用的集中時(shí)段之一，形成新的礦產(chǎn)資源或已有礦產(chǎn)的再次富集，包括硼礦在內(nèi)的金、鉛鋅、富鐵礦、石墨等.

致謝：謹(jǐn)以此文慶祝沈陽地質(zhì)調(diào)查中心成立六十周年！六十年砥礪前行，一甲子再創(chuàng)輝煌！祝沈陽地質(zhì)調(diào)查中心在推進(jìn)地質(zhì)調(diào)查事業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、開創(chuàng)新時(shí)代東北地區(qū)地質(zhì)調(diào)查新格局方面取得更大成就！感謝遼寧地質(zhì)勘探礦業(yè)集團(tuán)第七地質(zhì)大隊(duì)有限公司領(lǐng)導(dǎo)對(duì)野外考察的大力支持，感謝審稿人提出的建設(shè)性修改意見.