山东金城地区焦家断裂带下盘隐伏花岗岩类岩石地球化学特征及锆石U-Pb年龄

祝培刚， 张文佳， 迟乃杰， 张春池， 彭观锋

(1.山东省地质调查院， 济南 250014； 2.山东省地质科学研究院, 济南 250013)

花岗岩类岩石是大陆上分布最广泛的岩石之一，是构成大陆地壳的重要组成部分。在大陆地壳形成发展的历史中，花岗岩类占十分重要的地位。因此，长期以来，花岗岩类一直是地质科学的主要研究对象之一[1]。最近十余年，受先进的测试技术和研究方法的推动，中国对花岗岩的研究出现了较大的进步，锆石定年、岩石地球化学、同位素地球化学、实验岩石学、热力学模拟等是主要的研究方法[2-8]。

胶西北地区是中国重要的金矿集区，区内中生代花岗岩类分布广泛，与区内金矿成矿关系密切[9]。区内中生代花岗岩类依据成岩时代可划分为四类，包括：中生代侏罗纪玲珑型花岗岩(140～160 Ma)、白垩纪郭家岭型花岗岩(123～132 Ma)、伟德山型花岗岩(108～126 Ma)及崂山型花岗岩(107～120 Ma)[10]。

王斌等[10]研究表明：玲珑型花岗岩属高钾钙碱性岩系，具有埃达克岩的特征，为下地壳重熔并有苏鲁超高压变质带深俯冲物质参与的S型花岗岩类；郭家岭型花岗岩属高钾钙碱性岩系，成岩物质来源于下地壳镁铁质岩石，继承了部分地幔物质，具有壳幔混合成因的特点，属I型花岗岩；伟德山型花岗岩属高钾钙碱性和橄榄安粗岩系列，为壳幔混合成因的I型花岗岩；崂山型花岗岩为典型的A型花岗岩，属高钾钙碱性岩系列。玲珑型花岗岩形成于挤压构造环境，是具有后碰撞特征的花岗岩；郭家岭型、伟德山型、崂山型花岗岩形成于俯冲构造环境。杨阳等[11]开展的胶西北地区玲珑型、郭家岭型、伟德山型花岗岩中暗色矿物的化学成分研究表明，胶西北中生代花岗岩的岩浆源区主要为壳源，郭家岭型、伟德山型和胶西北北部的玲珑型花岗岩有幔源组分加入。

赛盛勋等[12]通过对玲珑型花岗岩主要造岩矿物的电子探针分析，认为玲珑型花岗岩岩浆侵位温度为728～795 ℃，化学成分具有钙碱性花岗岩的特征，矿物学特征显示其为S型花岗岩、岩石物质来源为壳源，可能是胶东群部分熔融的产物，没有明显幔源物质的参与。林博磊等[13]认为玲珑型花岗岩属于富硅、高钾钙碱性、准铝质至弱过铝质系列花岗岩，具活动大陆边缘火山弧花岗岩特征，是由燕山早期太平洋板块俯冲引起幔源岩浆底侵使古老的镁铁质下地壳物质部分熔融而形成。

王中亮等[14]、宋英昕等[15]、王立功等[16]的研究表明，郭家岭型花岗岩新城、北截、仓上、三山岛岩体是陆壳酸性岩浆与幔源中基性岩浆混合而成，是太平洋板块向欧亚板块俯冲构造边缘火山弧的组成部分。耿科等[17]通过对郭家岭型花岗岩丛家岩体中的继承锆石年龄的分析认为，郭家岭型花岗岩岩浆源区主要以晚侏罗世花岗岩为主，还有前寒武纪基底、三叠纪花岗岩类及幔源组分的加入。刘跃等[18]研究表明胶西北新城金矿床内郭家岭型花岗岩岩浆来源于前寒武纪变质基底岩石，上升过程中混染了玲珑型花岗岩的物质成分。陈广俊等[19]研究表明郭家岭型花岗岩属于高钾钙碱性-钙碱性I型花岗岩，为壳幔混合源，岩浆源区为具有幔源特征的新生镁铁质下地壳，其形成与太平洋板块俯冲相关。罗贤冬等[20]通过对郭家岭型花岗岩的郭家岭岩体和上庄岩体的地球化学研究认为，郭家岭型花岗岩具有埃达克岩的特征，岩浆的形成与岛弧环境榴辉岩相压力条件下洋壳玄武质岩石的部分熔融相关。

综上所述，前人对胶西北地区中生代花岗岩特别是玲珑型和郭家岭型花岗岩的研究中，对地表出露或浅部坑道及钻孔岩体研究较多，对深部隐伏岩体研究较少，岩浆来源及成岩机理尚存争议。

根据近年来的矿产勘查资料，焦家断裂带深部下盘隐伏的岩体岩性以花岗岩类为主，对于其成岩时间及分类争议较多，本次在金城地区焦家断裂带下盘深部采取花岗岩类样品，开展了锆石U-Pb测年、主微量元素、同位素等测试工作，对花岗岩的岩相学特征、形成时间、岩石地球化学特征等进行了研究，讨论了隐伏花岗岩的形成期次、成因、构造环境，对区内中生代花岗岩的研究及金矿找矿预测模型的构建均具有重要的参考意义。

1 地质概况

胶西北金矿集区内金矿受控于三山岛、焦家、招远-平度三条北东向至北北东向的主干断裂及其次级断裂。白垩系沉积岩建造、火山岩建造广泛分布于胶莱盆地中，矿集区范围内仅在西南部有出露。中生代侵入岩在招平断裂带以西的矿集区中部大范围分布。招平断裂带以东广泛出露中太古代至新元古代变质表壳岩和变质深成侵入岩[21](图1)。

焦家断裂带是胶西北地区重要的金矿控矿断裂。该断裂走向NE-NNE，在寺庄以北总体走向40°，在寺庄以南走向近南北，断裂总体倾向西北，局部倾向南西，倾角15°～60°。在中部寺庄村北-红布地区断裂带沿中生代花岗岩类与前寒武变质岩接触带分布，接触带上往往发育几十米至几百米宽的赋存金矿的绢英岩化蚀变带，蚀变带以上为前寒武变质岩，以新太古代英云闪长质片麻岩为主，含大量新太古代变辉长岩包体，蚀变带以下为中生代花岗岩类。在南北两侧断裂蚀变带上下盘均为中生代花岗岩类。新城以北沿中生代白垩纪郭家岭型花岗岩类和侏罗纪玲珑型花岗岩接触带展布，在寺庄以南蚀变带上下均为玲珑型花岗岩(图2)。

图1 胶西北金矿集区区域地质简图[21]Fig.1 The simplified regional geological map of gold ore-concentrating area in the Northwestern Jiaodong[21]

图2 焦家金矿田基岩地质图[21]Fig.2 The bed rock geological map of the Jiaojia gold field[21]

2 花岗岩岩相学特征

本次采取的样品为88ZK07、184ZK09、184ZK05钻孔揭露的隐伏于焦家断裂带下盘的花岗岩类，岩性主要为似斑状花岗闪长岩、黑云母二长花岗岩(图3)。

2.1 似斑状花岗闪长岩

似斑状结构、块状构造。主要由斜长石(55%)、石英(20%)、钾长石(15%)、黑云母(8%)等矿物组成，副矿物有磷灰石、锆石、榍石等。斑晶主要为钾长石，大小一般1～2 cm，含量占全岩的15%左右，呈半自形板状，颗粒边界不规则，具条纹结构，颗粒中包含较多斜长石、石英、黑云母。基质成分主要为石英、长石及黑云母等，局部可见糜棱岩化，碎基围绕碎斑呈塑性流变状分布，形成眼球状定向构造。基质中斜长石呈板状、集合体状，局部具糜棱岩化而使碎斑呈眼球状、透镜状，大小一般为0.5～2 mm，少量大于2 mm，颗粒边缘多呈圆滑状，碎基呈细碎状颗粒分布在碎斑边部或与其他矿物一起呈细纹状集合体围绕碎斑分布，粒度一般小于0.2 mm，有些呈显微粒状及亚颗粒状；石英呈它形粒状，局部发生塑变拉长，呈透镜状或流动状条纹围绕碎斑分布，发生颗粒化及亚颗粒化，颗粒大的具带状消光现象；黑云母呈片状及鳞片状假象，有的组成细纹状集合体定向分布；副矿物主要为磷灰石和锆石，呈自形-半自形柱状微粒，多包含于长石、石英中。

Kfs为钾长石；Qtz为石英；Bt为黑云母；Pl为斜长石图3 金城地区深部隐伏花岗岩类照片Fig.3 Photos of deep concealed granitoids in Jincheng area

2.2 黑云母二长花岗岩

花岗结构，块状构造。主要由斜长石(45%)、钾长石(25%)、石英(20%)、黑云母(7%)等矿物组成，另含有少量不透明矿物。斜长石呈不规则状，粒度为0.5～4 mm，具聚片双晶，局部发生高岭土化蚀变；钾长石呈不规则状，粒度为0.5～4 mm，具条纹结构和格子双晶，颗粒边部发生破碎；石英呈他形粒状，波状消光，在斜长石和钾长石颗粒间紧密聚集分布，压扁拉长显塑性流动构造；黑云母颜色浅棕色-深棕色，呈片状，粒度为0.2～1 mm，平行消光，部分颗粒受压力发生弯曲；不透明矿物呈自形-半自形粒状分布于颗粒之间。

3 样品采集及分析方法

3.1 样品采集

本次采集的主微量元素样品6件，采集于深部钻孔中，采样位置均位于焦家断裂带下盘，均远离矿化蚀变带(表1)，岩性主要为黑云母二长花岗岩、似斑状花岗闪长岩。测年样品取样2件，编号为184ZK05TW1、184ZK09TW2，取样位置分别与主微量元素样品ML12、ML11相同。

表1 主微量元素样品取样情况一览表Table 1 List of sample sampling of major and trace elements

3.2 分析方法

锆石单矿物挑选和制靶工作由廊坊诚信地质服务公司完成，测试工作由国土资源部济南矿产资源监督检测中心完成。

3.2.1 定年样品制备及测试方法

将岩石样品破碎至80目，分离出锆石单矿物后在双目镜下挑选透明、晶形完好的锆石颗粒，制成锆石靶，2个样品锆石均在200颗以上，然后进行透、反射照相和阴极发光(cathodoluminescence, CL)成像，从图像选择合适的锆石以进行定年分析。锆石U-Pb测年工作采用的方法为激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱法(LA-MC-ICP-MS)，其激光剥蚀系统为Coherent公司的GeoLasPro，是193 nm准分子激光系统；MC-ICP-MS为Thermo Fisher公司的Neptune Plus。本次分析的激光束斑、剥蚀频率和能量密度分别为24 μm、2 Hz和2.5～5 J/cm2。每个时间分辨分析数据包括大约10 s的空白信号和40 s的样品信号。每分析6个样品点间插2个91500锆石标准样品进行校正。分析数据采用软件ICPMSDataCal完成。

3.2.2 地球化学样品测试方法

主量元素的测定采用电感耦合等离子体发射光谱法，采用的仪器为全谱直读等离子体发射光谱仪，型号为Icsp7400 Radial MFC。微量元素、稀土元素测试根据不同分析项目分别采用等离子体质谱法、原子荧光光谱法、原子吸收光谱法，使用的仪器为X荧光光谱仪(型号：ZSX PrimusⅡ)、等离子体质谱仪(型号：XSERIES 2)、原子吸收分光光度计(型号：PE-400)。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb年代学

88ZK07钻孔中的似斑状花岗闪长岩测定的年龄为127.59 Ma[22]。本次采取的两个样品测定的年龄数据见表2。测年锆石的阴极发光照片见图4。锆石长110～390 μm，测年所用的锆石多为自形-半自形柱状、双锥状，振荡环带结构发育，具岩浆成因锆石的特征，多具有继承锆石的残留核，少量为继承锆石或变质锆石。184ZK05TW1和184ZK09TW2利用谐和图(图5)求得的一致性年龄分别为(158.4±0.77) Ma和(160.4±0.74) Ma。

4.2 主量元素特征

样品测试结果见表3。其主量元素含量(质量分数)如下：SiO267.5%～70.48%，属酸性岩；Al2O315.41%～16.82%，含量较高；Fe2O3+FeO 1.29%～2.63%；MgO 0.38%～0.55%；全碱(Na2O+K2O)7.96%～8.28%；K2O/Na2O 0.46～0.78；CaO含量里特曼指数为2.32～2.72，为钙碱性岩；A/CNK 0.96～1.04，基本在偏铝质与过铝质的界限附近小范围变化，A/NK1.33～1.42(图6)[23]。在TAS图[24](图7)上除ML12样品落入石英二长岩区域内，其余均在二长花岗岩区域内，靠近花岗闪长岩与石英二长岩。

图4 锆石阴极发光( CL)图像及测点位置Fig.4 CL images of analyzed zircons with analytical position

表2 锆石 LA-MC-ICP-MS U-Pb 测试结果Table 2 LA-MC-ICP-MS U-Pb isotopic analyses of zircons

似斑状花岗闪长岩较黑云母二长花岗岩的TiO2、Fe2O3、FeO、CaO等含量低，K2O含量、烧失量略高，反映了两者之间在矿物组成上的差异。似斑状花岗闪长岩含巨大的钾长石斑晶，钾长石含量略高，黑云母等暗色矿物略低。

4.3 稀土和微量元素特征

稀土及微量元素测试结果见表4。

稀土总量∑REE59.80×10-6～259.79×10-6，平均126.75×10-6；稀土元素配分模式呈现轻稀土富集，重稀土亏损的右倾型(图8)；δEu=1.18×10-6～2.03×10-6，呈正异常。

微量元素Rb、K、Ba、Th、La、Ce、Sr、Nd、Zr、Hf、Sm等元素富集，U、Nd、P、Ti、Y、Yb、Lu等元素亏损，显示负异常(图9)。

concordia age为谐和年龄；MSWD(of concordance)为一致性平均标准权重偏差图5 锆石U-Pb一致曲线图Fig.5 U-Pb concordia diagrams of zircons

表3 花岗岩主量元素分析结果Table 3 Major elements analyses of granite

图6 花岗岩A/NK-A/CNK图解[23]Fig.6 A/CNK versus A/NK plot for granite[23]

图7 花岗岩TAS图解[24]Fig.7 TAS diagram of granite[24]

表4 花岗岩微量元素和稀土元素分析结果Table 4 Trace and rare elements analyses of granite

图8 花岗岩稀土元素配分图解Fig.8 Chondrite-normalized REE distribution patterns for granite

图9 花岗岩微量元素蛛网图解Fig.9 Primitive mantle-normalized trace element patterns of granite

5 讨论

5.1 焦家带隐伏花岗岩的归属

88ZK07隐伏的似斑状花岗闪长岩的年龄为127.59 Ma，属白垩纪郭家岭型花岗岩。该类型花岗岩以矿物成分含有以钾长石为主的斑晶为特征。该类型花岗岩在北部的72ZK03、104ZK05钻孔中焦家主断裂下盘亦有揭露，地表出露岩体也主要分布于北部的新城。区域上该类型出露岩体三山岛、上庄、北截、丛家、曲家、郭家岭等岩体也主要分布于胶西北金矿集区北部，大致沿80°方向分布，且主要分布于主要控矿断裂带下盘。据此可以认为，郭家岭型花岗岩在胶西北金矿集区北部广泛出露，在主要控矿断裂下盘可能连为一体。在金矿集区中部地区，大多成岩株状在主断裂带下盘产出，在焦家带中部及夏甸-大尹格庄金矿区的深部钻孔中均有揭露。该类型花岗岩与金矿成矿关系密切。

184ZK05、184ZK09深部隐伏岩体黑云母二长花岗岩的年龄分别为158.4 Ma和160.4 Ma，属侏罗纪玲珑型花岗岩。该类型花岗岩在区内大面积分布，是胶西北金矿集区内分布面积最大的中生代地质体，是区内金矿的主要赋矿岩石。

5.2 岩石成因类型

本次测定的花岗岩K2O/Na2O范围0.46～0.78，均小于1；A/CNK 0.96～1.04，均小于1.1，具明显的地壳中火成岩源区重熔形成的I型花岗岩的特征[25]，在Collons的A型、I型花岗岩判别图解中[26]，郭家岭型花岗岩(ML6)和玲珑型花岗岩(ML7～ML12)均位于I型花岗岩范围内(图10)。林博磊等[13]研究认为玲珑型花岗岩属S型花岗岩，与本次研究结果不一致，这主要是由于其重熔的地壳物质不同造成的。I型花岗岩指示其为火成岩源岩或下地壳成因；S型花岗岩指示为沉积岩源岩上地壳成因[27]。玲珑型花岗岩分布较为广泛，其重熔物质较为复杂，含有的继承锆石年龄分布自太古代至中生代三叠纪均有分布[10,22,28-29]，其重熔的壳源物质可分为以下四类。

图10 A型、I型花岗岩判别图解Fig.10 Discrimination diagram of A-type and I-type granite

(1)前寒武基底太古代TTG。继承锆石184ZK05TW2-1207Pb/206Pb年龄为2 880.6 Ma，说明其重熔的壳源物质含太古代TTG。

(2)三叠纪火成岩类。本次研究中的样品中有2颗锆石测定的年龄在三叠纪，应为继承锆石，前人针对继承锆石的研究表明，玲珑型花岗岩中印支期继承锆石占继承锆石总量的80%，这些继承锆石的源岩可能为秦岭—大别造山带的印支期花岗岩[28-29]。

(3)太古代、古元古代表壳岩。包括太古代唐家庄岩群、胶东岩群，古元古代粉子山群、荆山群，中元古代芝罘群、新元古代蓬莱群。

(4)太古代TTG中分布着的太古代—古元古代基性、超基性岩，多呈包体状、透镜状、脉状分布。

因此若重熔的地壳源岩为太古代TTG，太古代—古元古代基性、超基性岩，三叠纪印支期火成岩类，其地球化学特征显示为火成岩源区重熔形成的I型花岗岩的特征；若重熔的地壳源岩为表壳岩类，其地球化学特征显示为沉积壳源区重熔形成的S型花岗岩的特征。

花岗岩主要是壳源的，中国东部及华北地区的中生代花岗岩主要为I型[30]。玲珑型花岗岩是胶东地区分布最为广泛的中生代花岗岩，源岩物质成分的不同而使其表现为I型或S型花岗岩的特征。

5.3 构造环境类型

据Maniar和Piccoli的花岗岩构造环境类型判别方法[31]，本次研究的花岗岩类均位于大陆弧花岗岩类和大洋斜长花岗岩类(图6)范围内。大洋斜长花岗岩类具有缺少碱性长石的矿物学特征，而本次研究的花岗岩类为含钾长石斑晶的似斑状花岗闪长岩和二长花岗岩，因此应属大陆弧花岗岩类，为大洋板块俯冲在大陆板块之下在大陆上形成的岩浆弧岩石[31]，即为大洋-大陆碰撞环境下生成的花岗岩[25]。在Pearce的构造背景判别图解中[32](图11)，样品均落入火山弧构造环境的范围内，微量元素Rb、K、Ba、Th、Ce、Sr、Sm等元素富集，Y、Yb等元素亏损(图9)，具该类型花岗岩的微量元素特征。根据花岗岩构造环境的R1-R2[R1=4Si-11(Na+K)-2(Fe+Ti)，R2=6Ca+2Mg+Al。其中“Si”代表1个分子中Si的含量，根据岩石中SiO2含量及其分子式求算]因素判别图解(图12)，花岗岩形成时的构造环境应为造山晚期。

图11 花岗岩构造环境判别图解Fig.11 Tectonic discrimination diagrams for granite

以上表明，太平洋板块的俯冲对区内花岗岩的形成具有重要作用。

华北地区大规模岩浆活动的原因是岩石圈减薄，造成软流圈上涌，使地壳部分熔融而产生岩浆活动，而造成减薄的机制主要有拆沉和热侵蚀，热侵蚀过程较为缓慢，而拆沉过程快速而短暂，拆沉过程主要大量流体的改造使岩石圈地幔流变性质发生根本性的变化[30]。

胶东地区中生代花岗岩的形成温度均低于750 ℃[11]，属低温花岗岩，与流体的加入相关，其构造背景与俯冲相关[30]。由于太平洋板块的俯冲提供的大量流体改变了岩石圈的流变性质导致拆沉作用的发生。

1为地幔分异产物；2为板块碰撞前；3为碰撞后隆起；4为造山晚期；5为非造山；6为同碰撞；7为造山后图12 花岗岩构造环境R1-R2因子判别图解Fig.12 R1-R2 factor discrimination diagram of granite tectonic environment

6 结论

(1)金城地区焦家断裂带下盘深部隐伏的花岗岩为白垩纪郭家岭型花岗岩和玲珑型花岗岩。

(2)岩石的地球化学特征表明：郭家岭型花岗岩表现为I型花岗岩的特征。玲珑型花岗岩若重熔的地壳源岩为太古代TTG，太古代—古元古代基性、超基性岩，三叠纪印支期火成岩类，其地球化学特征显示为火成岩源区重熔形成的I型花岗岩的特征；若重熔的地壳源岩为表壳岩类，其地球化学特征显示为沉积壳源区重熔形成的S型花岗岩的特征。

(3)白垩纪郭家岭型花岗岩和玲珑型花岗岩的形成与太平洋板块俯冲华北板块有关，属大陆弧花岗岩类，为火山弧构造环境。