 Advances in Geosciences 地球科学前沿, 2013, 3, 42-47 http://dx.doi.org/10.12677/ag.2013.31007 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ag.html) SHRIMP U-Pb Zircon Age and Its Implications of Quartz Syenite in Hadamengou, Inner Mongolia* Kangxu Ren1,2#, Guohan Yan2, Jianhui Cai3, T i anr en Zou4, Baolei Mu2, Fengtang Li2 1Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 2School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 3Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 4Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing Email: #renkangxu@163.com Received: Oct. 19th, 2012; revised: Oct. 27th, 2012; accepted: Nov. 11th, 2012 Abstract: Based on dating zircon TIMS and SHRIMP U-Pb ages for the ore-controlling quartz syenite of Hadamengou large gold deposit, Inner Mongolia, the authors confirmed that the quartz syenite intruded upon during the early of Pa- leoproterozoic. Its zircon SHRIMP U-Pb concordant point age was (2483 ± 10) Ma(1σ) and the upper intersection age gived (2508 ± 41) Ma(1σ) on the disaccording line respectively. The quartz syenite in Hadamengou was proved the oldest Paleoproterozoic alkali-rich intrusive rock in China till now. Its old age and its distribution of the alkali-rich in- trusive rock had important tectonic significance. It revealed that after the amalgamation at the end period of Archean, the crust of North China Craton had reached some thickness and had transformed into a kind of extensional tectonic settings since the intrusion of the alkali-rich intrusive rock in Hadamengou. Keywords: TIMS; SHRIMP; Zircon U-Pb Age; Hadamengou Gold Deposit; Alkali-Rich Intrusive Rock; Paleoproterozoic 内蒙古哈达门沟石英正长岩锆石 SHRIMP 年龄及其地质意义* 任康绪 1,2#，阎国翰 2，蔡剑辉 3，邹天仁 4，牟保磊 2，李凤棠 2 1中国石油勘探开发研究院，北京 2北京大学地球与空间科学学院，北京 3中国地质科学院矿产资源研究所，北京 4中国地质科学院地质研究所，北京 Email: #renkangxu@163.com 收稿日期：2012 年10 月19日；修回日期：2012年10 月27日；录用日期：2012年11 月11日 摘 要：采用同位素稀释法(TIMS)和二次离子探针法(SHRIMP) 对内蒙古哈达门沟大型金矿床主矿体控矿岩石进 行了锆石测年研究，最终确定了石英正长岩形成于古元古代早期，其锆石 SHRIMP U-Pb 谐和年龄为(2483 ± 10) Ma(1σ)，上交点年龄为(2508 ± 41) Ma(1σ)。哈达门沟石英正长岩是国内迄今报道的元古代最古老的富碱侵入岩， 其时空分布具有重要大地构造意义，指示了华北古陆在经历太古代末的碰撞拼合事件已经结束，地壳具有一定 厚度，并已经开始向拉张性构造环境转变。 关键词：TIMS；SHRIMP；锆石 U-Pb 年龄；哈达门沟金矿；富碱侵入岩；古元古代 *本文研究受国家自然科学基金(批准号：40072024)资助。 #通讯作者。 Copyright © 2013 Hanspub 42  内蒙古哈达门沟石英正长岩锆石 SHRIMP 年龄及其地质意义 Copyright © 2013 Hanspub 43 1. 引言 内蒙古哈达门沟(也有文献称哈德门沟)金矿是中 国著名的与碱性流体有关的大型金矿床[1,2]，由于大地 构造位置地处华北克拉通北缘西段、矿床地质特征特 殊，该金矿自发现以来，吸引了很多学者的注意力[1-9]。 该金矿矿化区及外围出露了不同规模的侵入岩体及 脉岩类，岩石类型有伟晶岩、黑云母花岗岩、碱性正 长岩、花岗闪长岩、闪长岩和细晶岩等，时代从古元 古代到中新生代都有分布[10]。 关于上述侵入岩早期活动时间或成岩时代，不同 研究者获得的结果不完全一致：邹天人等报道与金矿 成矿作用密切相关的山前两个钾化带为岩浆岩，其锆 石蒸发年龄为(1975 ± 12) Ma(北带)和(1981 ± 14) Ma(南带)[1]；苗来成等报道13 号矿脉附近伟晶岩的锆 石SHRIMP 年龄为(1836 ± 5) Ma[10]；聂凤军等报道金 矿化区黑云母–磁铁矿伟晶岩脉的 40Ar/39Ar 年龄为 (1992.73 ± 38.94) Ma，等等。上述年龄数据分布范围 大，且缺乏对深源低程度熔融岩石类型即碱性岩的过 硬测年数据，因此对矿区早期岩浆活动规律研究缺乏 完整性。碱性岩类岩石以其来源深、产出构造环境独 特而为广大学者所瞩目，是洞悉地球深部信息的重要 窗口[12,13]。为明确这一地区前寒武纪碱性岩时空分布 特征，本文以哈达门沟金矿矿化区最具代表性的 13 号矿脉群[11]的控矿岩石即石英正长岩为研究对象，开 展高精度锆石 U-Pb 年龄测定，并对其大地构造意义 进行探讨。 2. 地质概况和样品特征 内蒙古哈达门沟金矿位于包头市西约15 km 处， 矿床围岩主要为太古宙乌拉山群变质岩，岩性主要为 紫苏二长片麻岩、黑云石榴斜长片麻岩、紫苏石榴麻 粒岩[14]。主矿体 13号矿脉群位于矿区东部，是一条 近东西走向的脉带，总长近7500 m，其中 13 号主脉 长约 2200 m(图1)。控矿岩石类型主要为细晶正长岩、 细晶石英正长岩，呈脉状产出，具有富碱(主要是钾) 侵入岩特有的锆石和碳酸盐矿物，在细晶正长岩和细 晶石英正长岩分布带顶部，有细粒黑云母碱长花岗岩 脉和霓辉石微斜长石伟晶岩及霓辉石磁铁矿微斜长 石伟晶岩小脉[1]。 样品采自 13 号矿脉，手标本比较新 鲜，呈灰红– 暗肉红色，岩性为细晶石英正长岩，具有细粒结晶结 构，主要由约70%的钾长石(微斜长石 + 条纹 长石) 和约 30%的石英组成，有少量方解石，偶见斜长石， 副矿物有磁铁矿、锆石等(图2)。邹天人等详细研究过 13 号矿脉中石英正长岩的岩石化学特征，并通过 CIPW 标准矿物计算出现了锥辉石和似长石类矿物，按照当 代碱性岩分类方案属于碱性岩类无疑，通过构造环境 判别属于典型的非造山碱性岩[1]。 样品采用钢笨手工碎样，锆石经重选 + 电磁选 重矿物分离，然后在双目镜下人工挑选获得。挑选出 的锆石绝大多数为浅褐色–暗红褐色，短柱状，半透 明–透明，晶面光滑，但因棱角有一定的熔蚀现象使 锆石外形显现出似浑圆状，粒度一般 100~200 μm，极 Q K13 12345678910 11 哈 德 门 沟 2 800 m 13 22 24 8 113 59 78 121 Q 化德 白乃庙 温都尔庙 白云鄂博 临河 148Km QQ 大 坝 沟 乌 兰 不 浪 沟 沟 阿 贵 An wl An wl K N An wl 包头 哈德门沟金矿 呼和浩特 Figure 1. Sketch geological map of Hademengou gold deposit (modified after reference [1]): 1: Quantary; 2: Wulashan group; 3: Piedmont potassic zone; 4: Vein and serial number; 5: Ancient oceansuture zone; 6: Measured and presumed fault; 7: Archean- Paleopreterozoic strata; 8: Meso-Latepreterozoic strata; 9: Early- Paleozoic strata; 10: Late-Paleozoic strata; 11: Sample location 图1. 哈达门沟金矿地质简图(据文献[1]修改)：1：第四系；2：乌 拉山群；3：山前钾化带；4：矿脉及编号；5：古大洋缝合带；6： 实测和推测断裂；7：太古宙-古元古代地层；8：中–晚元古代地 层；9：早古生代地层；10：晚古生代地层；11 ：采样位置 磁铁矿脉 石英 钾长石 (a) (b) Figure 2. Petrological features of the studied quartz syenite: (a) Sample macr oscopic fabric characteristics; (b) Microscopic fabric characteristics 图2. 研究区石英正长岩岩石学特征：(a) 手标本宏观组构特征；(b) 显微组构特征  内蒙古哈达门沟石英正长岩锆石 SHRIMP 年龄及其地质意义 个别锆石颗粒较大(>200 μm)且颜色也比较深(深褐 色)、半透明状。 3. 分析方法和结果 3.1. 锆石 TIMS 法测年分析 TIMS 法(同位素稀释法)测年实验在中科院地质 与地球物理研究所同位素实验室完成。样品处理前先 在双目镜下将锆石筛分成不同粒级，然后挑选出若干 个晶形较好、无包裹体和连生体的颗粒，分别用 5 N 的HNO3和3 N的HCL 溶液低温洗涤 30 min，再用 蒸馏水清洗，烘干。经过上述处理后分选出若干组锆 石，然后在每组中选择数粒锆石置入清洗干净的聚四 氟乙烯高压釜内，称量加入大约130 mg的205Pb-235U 混合稀释剂溶液，蒸干后再加入约0.25 ml 的浓 HF， 在200℃条件下加热 7昼夜。U、Pb 的分离和提纯在 AGI × 8 (200~800 目)阴离子树脂上进行，采用氢溴酸 体系。U、Pb 同位素测定用硅胶做发射剂，在 VG354 固体源质谱计上进行计量测定。Pb 的全流程本底小于 50 × 10−12 g。获得的数据和拟合年龄结果见表1和图 3，数据拟合采用 Isoplot软件[15]。 TIMS 法分析结果表明 4组锆石测试数据 U含量 都比较高(117~685 μg·g−1)(表1)，反映出高铀锆石的特 征，并且 207Pb/206Pb表面年龄非常接近，每组数据都 显示出 207Pb/206Pb > 207Pb/235U > 206Pb/238U的不一致表 面年龄。出现这种特征是由于锆石放射成因铅近期不 同程度丢失引起的[16]，这种情况下的 207Pb/235U和 206Pb/238U表面年龄不能直接代表锆石形成的同位素 混合年龄，采用谐和图交点法可获得锆石样品的混合 年龄。根据上述 4组数据拟合出一条不一致线，数据 基本集中在该直线上，获得与谐和线的上交点年龄为 (2352 ± 49) Ma(2σ)，MSWD = 108，下交点年龄接近 零(图3)。由于 MSWD 值偏大，且在光学显微镜下观 察发现锆石晶体表面棱角熔蚀呈浑圆状，怀疑有可能 受到过后期热事件影响，需通过阴极发光开展锆石形 貌及内部结构研究，在此基础上开展单颗粒锆石测 年。 阴极发光(CL) 图像分析在北京大学采用 FEI PHILIPS XL30型扫描电镜完成。通过阴极发光对锆 石颗粒的观察，发现该锆石样品内部主体部分发育岩 浆成因的振荡环带[17,18]，外部常发育一层很薄的增生 边，阴极发光下呈白色(图4)。因此本文TIMS法获得 的(2352 ± 49) Ma的数据可能代表锆石岩浆成因年龄 与后期热变质壳年龄的混合值，不具有代表性，但能 指示出锆石的寄主岩石成岩年龄应该比这一数值要 大。为了获得过硬的 U-Pb同位素年代学数据，本文 进一步采用 SHRIMP 法对该批锆石样品进行高精度 微区原位测年分析。 3.2. 锆石 SHRIMP 法测年分析 锆石样品的 CL 图像显示其晶体外层增生壳很薄 (约5~10 μm)，SHRIMP 方法还无法对其进行微区测 年分析，因此仅对岩浆成因环带部分进行测定。测年 分析在中国地质科学院北京离子探针中心 SHRIMPⅡ 型仪器上完成，采用的锆石标样为SL13 (572 Ma)和 TEMORA (417 Ma)[19]，实验分析结果列于表 2，数据 拟合[15]谐和图见图 5。 从表 2可见，SHRIMP 分析获得的 11组数据 U、 TH 含量都在数百 μg·g−1以上，且 Th/U 比值大于0.4， 这些数据再次支持是岩浆锆石成因[18]。11 组数据的 206Pb/238U、 207Pb/235U均不一致，投射镜下见锆石裂缝 也比较多，表明锆石形成后遭受了不同程度的铅丢 失。11 个数据中获得一个谐和点年龄(测点 BT-1.2， 谐和度 > 99%)，其 207Pb/206Pb 表面年龄为(2483 ± 10) Table 1. TIMS zircon age data for the studied quartz syenite 表1. 哈达门沟金矿石英正长岩 TIMS锆石年龄分析结果 1 表面年龄/Ma 组别 U/μg·g−1 Pb/μg·g−1 206Pb/204Pb 207Pb*/235U 2σ%206Pb*/238U2σ%207Pb/206Pb*2σ% 207Pb/235U 206Pb/238U 207Pb/206Pb No.1 555.71 340.91 251 8.3532 1.350.3999 1.330.1515 0.202270.1 2168.6 2362.8 No.2 685.16 199.70 490 4.3375 3.500.2128 3.470.1479 0.431700.5 1243.5 2321.3 No.3 362.08 13.82 680 0.5931 0.920.0286 0.850.1503 0.35472.8 181.9 2349.1 No.4 117.05 47.98 678 6.3607 0.270.3088 0.270.1494 0.042026.9 1734.7 2339.1 1 Pb*表示放射成因铅。 Copyright © 2013 Hanspub 44  内蒙古哈达门沟石英正长岩锆石 SHRIMP 年龄及其地质意义 Figure 3. Concordia diagram for TIMS zircon ages of the studied quartz syenite 图3. 石英正长岩 TIMS 锆石年龄图 Figure 4. CL images and dating positions on zircons of the studied quartz syenite 图4. 石英正长岩锆石样品 CL 图像及 SHRIMP 测点位置 Table 2. SHRIMP zircon age datafor the studied quartz syenite of Hadamengo u gold deposit2 表2. 哈达门沟金矿石英正长岩 SHRIMP锆石年龄分析结果 2 204Pb校正的数据 204Pb 校正的表面年龄/Ma 测点编号 U/μg·g−1 Th/μg·g−1 Th/U Pb*/μg·g−1 206Pbc/% 207Pb/235U 1σ%206Pb/238U 1σ%206Pb/238U ±1σ 207Pb/206Pb ±1σ BT-1.1 731 461 0.65 251.2 0.02 8.8864 1.87 0.3998 1.782168 33 2468 10 BT-1.2 653 298 0.47 264.1 0.01 10.5457 1.860.4704 1.762486 36 2483 10 BT-2.1 227 144 0.65 68.2 0.04 8.1663 1.97 0.3495 1.841932 31 2552 12 BT-3.1 686 306 0.46 287.3 0.01 10.9491 1.770.4875 1.752560 37 2485 4 BT-4.1 312 268 0.89 139.1 0.05 11.3262 4.440.5187 2.952694 65 2438 56 BT-5.1 477 306 0.66 186.6 0.01 10.5578 1.780.4555 1.762420 35 2539 5 BT-6.1 269 123 0.47 106.8 0.04 12.0821 2.820.4618 2.382447 48 2740 25 BT-6.2 1750 922 0.54 316.8 0.03 5.2289 1.82 0.2107 1.751232 20 2653 9 BT-7.1 198 142 0.74 87.4 0.01 12.2138 1.840.5148 1.782677 39 2578 8 BT-8.1 411 225 0.56 132.2 0.00 8.6272 1.83 0.3742 1.792049 32 2530 7 BT-9.1 239 214 0.92 74.3 0.00 8.3267 1.95 0.3619 1.821991 31 2527 12 2Pb*表示放射成因铅，206Pbc(%)为普通 206Pb 在整体 206Pb 中占的比例，普通铅用 204Pb 校正。 Ma(1σ)。由于锆石 U-Pb 同位素谐和年龄数据铅丢失 非常微小，因此可以代表寄主岩石的成岩年龄。在谐 和图解上，其他测点由于铅丢失导致 206Pb/238U年龄 不同程度偏差谐和线(图4)，9组数据点(BT-6 除外， 另行讨论)的上交点年龄值为(2508 ± 41) Ma(1σ)，且它 们的 207Pb/206Pb 表面年龄很集中(加权平均值 2515 ± 27Ma(1σ))，表明为同期成因锆石，这一年龄数据在误 差范围内与(2483 ± 10) Ma的谐和年龄吻合。上述几 组年龄数据比较接近，据此可将哈达门沟金主矿区石 英正长岩的成岩年龄限定在2.48~2.51 Ga左右。对于 编号为 BT-6 的锆石，显然与分析的其他锆石不是同 期形成的，CL 分析表明该锆石颗粒具有核–幔–边 结构及成分的不均一性(图4)：核–幔部分具有规则振 荡环带表明其为岩浆成因，核部207Pb/206Pb 表面年龄 值(2740 ± 25) Ma可能指示了源区残留锆石年龄信息， 不能代表石英正长岩的成岩年龄。 4. 讨论和结论 本文采用目前最有效的测年方法即锆石 SHRIMP U-Pb 法限定了哈达门沟金矿区石英正长岩的成岩 时 代，不仅对探讨该矿床的控矿岩石时空分布具有重要 意义，更重要的是通过对该碱性岩的研究能深入了解 Copyright © 2013 Hanspub 45  内蒙古哈达门沟石英正长岩锆石 SHRIMP 年龄及其地质意义 华北克拉通北缘古元古代早期大地构造演化特征及 克拉通深部的信息。 按照涂光炽院士的学术观点[20]，石英正长岩这类 富碱侵入岩起源于地球深部，是上地幔部分熔融产生 的富碱岩浆，顺着区域性大断裂上升，与硅铝层发生 混染较多时形成的岩石类型，这类岩石的出现一般代 表着非挤压构造环境。但正如前文所述，此前该金矿 床控矿岩石之一的石英正长岩由于缺乏过硬的年代 学数据，其时空分布意义未能在前寒武纪尤其是古元 古代大地构造研究中引起重视。 综合分析前人对哈达门沟金矿区有关的年代学 研究[2,8]，早期主要应用 K-Ar、Rb-Sr 法来进行测年， 虽然获得了多组年龄信息，但由于该方法的局限性， 对于比较古老且又遭受过后期热事件影响的地质体 测年通常难以凑效，往往揭示的是后期强烈热事件干 扰信息。苗来成等[11]、聂 凤军 等 [10]用SHRIMP 法获得 了高精度的数据，但都没有针对该矿床主体控矿岩石 的石英正长岩，而测定的是矿脉旁侧的钾化蚀变岩和 伟晶岩。本文研究表明，该矿区的碱性岩脉形成于古 元古代早期。由此进一步揭示出该金矿区控矿岩石时 空分布的复杂性。 前人资料表明，华北克拉通 2.5 Ga 左右有一期强 烈的地壳增生事件[21,22]，时限范围 2550~2475 Ma，表 现为巨型麻粒岩带、岩浆构造热事件、沉积建造开始 和环境变化等，是华北陆块一次重要的拼合事件[23]。 本文获得哈达门沟石英正长岩2.48~2.51 Ga 的锆石 U-Pb 年龄，一方面表明哈达门沟金矿区发育国内迄今 最古老的元古代富碱侵入岩，另一方面也揭示这一时 期的克拉通地壳已经达到相当的厚度，华北陆块太古 宙末期的碰撞拼合事件已经结束并开始向拉张环境 转变，揭示这种变化的文献还有郎殿有[24](揭示本区 2500~2400 Ma有一次深层塑性变形事件)及Kusky等 [25](华北克拉通北缘 2.50~2.40 Ga处于拉张裂陷盆地 的构造格局)学者。 综上所述，本文得出如下结论：1) 哈达门沟金矿 区石英正长岩形成于古元古代早期，锆石 SHRIMP U-Pb 谐和年龄为(2483 ± 10) Ma，上交点年龄值为 (2508 ± 41) Ma；2) 哈达门沟金矿区发育国内最古老 的元古代富碱侵入岩，它的时代限定具有重要的大地 构造意义，指示了华北古陆太古代末期碰撞事件的结 束并开始向拉张环境转变。 5. 致谢 本文完成过程中北京大学刘树文教授、李江海教 授提供了具体的修改意见，在此表示感谢！ 参考文献 (References) [1] 邹天人, 徐珏, 夏凤荣. 内蒙古自治区乌拉山金矿床的成因 [J]. 矿床地质, 1998, 17(增刊): 373-376. 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