冀西北中山沟金矿区泥盆世A-型碱性杂岩侵位时代、岩石地球化学以及地质意义*

王丰翔，陈 超，张福祥，于灵艳，冯云磊，马 奎，王云静

（1河北省战略性关键矿产资源重点实验室河北地质大学地球科学学院，河北石家庄 050031；
2内蒙古自治区岩浆活动成矿与找矿重点实验室内蒙古自治区地质调查院，内蒙古呼和浩特 010020；
3中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037；
4河北地质大学华信学院，河北石家庄 050031）

全球＞20%的大型-超大型铜-金（钼）矿床与碱性岩浆有关，该类矿床具有规模大、品位高、贫硫化物和对环境破坏小等特点，成为世界金、铜、钼开发利用的重要对象（Bonha et al.,1983;Mutschle et al.,1984;Muller et al.,1993;Richards,1995;Jensen et al.,2000;聂凤军等，1997；
2014；
王丰翔等，2017）。因此，寻找碱性岩省成为寻找该类矿床的重要靶区。就中国而言，在华北克拉通北部及邻区发现和圈定富碱-碱性侵入岩体近百处，找矿潜力巨大（聂凤军等，2014）。截止目前，在该区域圈定与碱性岩体有关的铜-金矿集区有赛马-柏林川、河坎子-安子岭、哈达门沟-包头东以及水泉沟-后沟岩体（图1a）。本次研究的碱性杂岩体所在的中山沟金矿床，便是水泉沟-后沟碱性杂岩体内产出的金矿床（图1a～c）。

图1 中国东部地质简图（a,据Kusky et al.,2003;王丰翔等，2016修编）、冀西北水泉沟地区区域地质图（b,据Gao et al.,2017;Bao et al.,2016修编）和中山沟金矿床矿区地质图（c,河北地矿三队，1989；
1990）Fig.1 Tectonic setting of eastern China(a,modified after Kusky etal.,2003;Wang etal.,2016);regional setting of the Shuiquangou area,northwestern Hebei(b,modified after Gao et al.,2017;Bao et al.,2016)and geological map of the Zhongshangou gold deposit（c,after The 3rd Geological Brigade of Hebei Bureau of Geology,1989;1990）

关于中山沟及邻区金矿的成因研究，目前主要存在以下5种争议：①与侵入岩有关的碲-金矿床；
②与岩浆活动有关的热液裂隙充填脉型矿床；
③混合岩化热液成因；
④浅成中低温热液矿床；
⑤早白垩世造山型金矿（李昌存等,1999；
水兰素，2002；
吴珊珊等，2009；
邓晋福等，2009；
王宝德等，2010；
查钟健，2020；
甄世民等，2021;Fan et al.,2021）。显然，多数学者认为金成矿与水泉沟碱性杂岩体有着密切的成因联系，区域内金矿化的热源与碱性岩体的演化有关，并将其划分为与碱性岩体有关的金矿床（宋官祥等，1991；
王郁等，1994；
宋瑞先等，2013）、碱性岩体有关的改造热液型金矿（宋瑞国等，1996；
江思宏等，2000；
包志伟等，2000）和与地幔热柱多级演化有关的金矿床（王宝德等，2010；
牛树银等，2011）。然而，矿区碱性杂岩体的研究相对比较薄弱。尽管前人对区域水泉沟-后沟岩体做了精致的研究，其成果如下：①岩体侵位年龄跨度大，获得精确的U-Pb年龄为372～412 Ma（胡小蝶等，1997；
陆松年等，1997；
江思宏等，2000；
罗镇宽等，2001；
李长民等，2010，2014；
Bao et al.,2014）；
②岩体成因主要有3种观点：以幔源为主的岩浆成因（王蓉嵘，1992；
宋国瑞等，1994；
王宝德等，2010）；
以壳-幔混合的重熔（同熔）成因（王正坤等，1992；
包志伟等，1996；
2003；
2006；
张招崇，1997；
李长民，1999；
2014；
江思宏等，2003；
Jiang et al.,2005）；
以壳源为主的混合岩化-重熔（交代）成因（许云程等，1994；
宋瑞先等，2013）。

从区域地壳演化与地球动力学研究角度，将华北克拉通北缘张裂构造环境内产出的碱性和富碱性侵入岩体看作为一种特殊的“岩石探针”。本文通过对中山沟金矿区的碱性杂岩开展LA-MC-ICP-MS锆石测年、Hf同位素和岩体地球化学研究，一方面通过对岩浆岩的精确测年，从而查明矿区碱性岩浆活动的时间，以及大致限定中山沟金矿床的成矿时代；
另一方面，通过对矿区碱性岩浆岩地球化学研究，揭示其源区、动力机制，并初步讨论碱性岩浆活动与金成矿作用的成因联系，以期为区域找矿勘查工作的部署提供理论依据。

中山沟金矿位于河北省张家口西南约70 km，中心地理坐标115°05′33″E，40°54′302″N（图1a）。就大地构造而言，研究区位于华北克拉通北缘中段，内蒙断隆与燕山断陷的分界线之南侧（图1a、b）。区域上出露的地层有太古宇桑干群（角闪岩相的片麻岩、混合岩和麻粒岩）、下元古界红旗营子群变质岩系和中元古界长城系浅变质海相沉积碎屑岩系，以及白垩世中酸性火山岩（张家口组）和第四系（图1b；
河北地矿三队，1989；
1990；
宋瑞先等，2013；
陈超等，2021）。区域地层主要受EW向的尚义-崇礼深大断裂所控制，并叠加有NNE-NE向及NW向断裂（图1b）。

区域岩浆活动贯穿于从前寒武纪经古生代到中生代地壳演化的全部过程，以铁镁质和花岗质岩浆侵入活动为主。其中，前寒武纪的代表性岩体主要有元古宙—太古宙片麻状花岗岩体（1.7～2.7 Ga）、和元古宙温泉斑状花岗岩体（～1.7 Ga）和镁铁质岩体（图1b；
Miao et al.,2002;Jiang et al.,2007;李长民等，2014；
Bao et al.,2016；
课题组，未发表）。古生代以来的岩浆侵入主要受E-W向构造控制。海西期则以水泉沟碱性花岗杂岩体（373～410 Ma）为代表，出露面积为340 km2，与区域金矿床在空间上有密切空间联系（图1b）；
中生代岩体以岩株、岩墙为主，主要有三叠世黑云花岗岩（233～237 Ma）、斑状花岗岩（234～238 Ma）、白垩世正长花岗岩（142～144 Ma）和二长花岗岩（133～135 Ma）。其中，水泉沟碱性花岗杂岩为中山沟金（钼）矿床的主要赋矿围岩，岩石类型主要有辉石闪长岩、角闪二长岩、正长岩，成岩时代为373～410 Ma（图1b；
陆松年等，1997；
胡小蝶等1998；
罗镇宽等，2001；
李长民等，1999；
2014；
Bao et al.,2016；
课题组，未发表）。

矿区共探明＞40条矿化体，呈脉群或脉带产出，主要寄宿在水泉沟二长杂岩体的内接触带，主要岩性为角闪石英二长岩和石英二长岩（图2a～i）。岩石受构造活动常形成碎裂岩，局部形成角砾岩和糜棱岩。

图2 中山沟金矿区典型侵入体照片和显微照片a～c.样品ZSG-01：新鲜的中粗粒的角闪石英二长岩，主要由斜长石（Pl）、微斜长石（Mc）、石英（Qz）和角闪石（Amp）组成，并含有少量榍石（Ttn）和磁铁矿（Mag）；
d～f.新鲜中细粒石英二长岩，由斜长石（Pl）、微斜长石（Mc）和石英（Qz）组成；
g～i.蚀变角闪石英二长岩，角闪石（Amp）和微斜长石（Mc）基本发生碳酸盐化、绢云母化和绿泥石化，局部可见石英（Qz）增大Fig.2 Photographs and photomicrographs of intrusive rocks from the Zhongshangou Au deposit a～c.Sample ZSG-01：fresh medium-coarsegrained amphibole-quartz monzonite,mainly comprising plagioclase(Pl),microcline(Mc),quartz(Qz)and amphibole(Amp)and containsasmall amount of titanite(Ttn)and magnetite(Mag);d～f.Sample ZSG-30：fresh medium-finegrained quartz monzonite,mainly comprising plagioclase(Pl),microcline(Mc),and quartz(Qz)；
g～i.altered amphibole-quartz monzonite,microcline(Mc)and amphibole(Amp)arebasically altered into carbonate,chlorite and muscovite；
Quartz(Qz)enlargement can beseen locally

矿体主要寄宿在蚀变的碱性杂岩内，呈脉群或脉带产出（图3a），且具有一定的分带性，主要由绿化带、钾化带、高硅-泥质蚀变带和碳酸盐化带。根据蚀变-矿化体的切割关系、矿石结构构造、矿物组合及共生关系，成岩成矿阶段可划分2期4阶段，分别为热液期（钾化-贫硫化物阶段、乳白色石英-贫化物阶段、强硅化-硫化物阶段和碳酸盐化阶段）和表生期。

其中，矿石矿物主要有硫化物（黄铁矿、方铅矿、黄铜矿、闪锌矿、辉钼矿）和贵金属矿物（自然金、碲金银矿和碲银矿），载金矿物主要为黄铁矿（图3b～d）。

图3 细脉-脉型矿石照片，扫描电镜及能谱图研究区位置a.细脉-脉型矿石照片；
b.扫描电镜（SEM）图像显示主要载金矿物：黄铁矿（Py）和贵金属矿物：自然金（Au）和碲金银矿（Krt）；
c、d.扫描电镜能谱图Fig 3 The photographs and scanning electron microscopy(SEM)image a.vein-typeand stringersores;b.scanning electron microscope(SEM)image:Pyrite(Py)and preciousmetals:Native gold(Au)and krennerite(Krt);c,d.SEM energy spectrum

2.1 样品采集

ZSG-01和ZSG-2号样品均采自中山沟金矿区道岔沟北坡，为新鲜的岩体样品（图1c）。根据野外及镜下特征观察，本文将其岩性定为粗粒角闪石英二长岩。岩石呈肉红色，花岗结构，交代结构，主要由微斜条纹长石（～75%）、更长石（～10%）、角闪石（～5%）、石英和副矿物组成（磁铁矿、磷灰石、榍石）组成（图2）。

样品ZSG-30和ZSG-31均采自中山沟金矿区#2脉与#1矿脉衔接部位（井下4中段）。定名为石英二长岩。根据镜下特征，笔者将其定名为中粒石英二长岩，其呈浅肉红色，不等粒半自形结构、交代结构，主要有微斜条纹长石（～70%）、更长石（～10%）、石英（～10%），普通角闪石及副矿物（磁铁矿、磷灰石和榍石）。

ZSG-41和ZSG-50号样品采集于矿区4中段2号脉7线，为赋矿的赋存围岩，遭受一定程度的蚀变。根据详细的镜下鉴定，可以将其定为蚀变角闪石英二长岩。角闪岩和微斜长石基本遭受到碳酸盐化、绿泥石化；
部分石英发生次生增大，可能是硅化叠加的缘故。此外，样品还可观测到黄铁矿化。

样品ZSG-1、ZSG-2、ZSG-30、ZSG-31、ZSG-41用于岩石地球化学（主微量）测试；
ZSG-1和ZSG-50分别代表较为新鲜的碱性杂岩和蚀变的碱性杂岩，用于其LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb测年和微区Hf同位素的测定，详细测试方法如下。

2.2 样品测试方法

主元素分析采用X荧光光谱仪，Ba、Sr分析采用ICP-AES，其他元素（含稀土元素）分析采用ICPMS，分析测试工作是由核工业地质分析测试研究中心完成。测试精度：Fe2O3和FeO的RSD＜10%，其他主元素的RSD＜2%～8%，微量和稀土元素的RSD＜10%。

锆石微区LA-MC-ICP-MS测年在中国地质科学院（CAGS）矿产资源研究所LA-MC-ICP-MS实验室完成，锆石测年分析所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统。采用单点剥蚀的方式，数据分析前用锆石GJ-1进行调试仪器，使之达到最优状态，锆石U-Pb定年以锆石GJ-1为外标，w(U)、w(Th)以锆石M127（w(U)：923×10-6；
w(Th)：439×10-6；
Th/U：0.475；
Nasdala et al.,2008）为外标进行校正。测试过程中在每测定5个样品前后重复测定2个锆石GJ1对样品进行校正，并测量1个锆石Plesovice，观察仪器的状态以保证测试的精确度。数据处理采用ICPMSDataCal4.3程序，测量过程中绝大多数分析点的206Pb/204Pb＞1000，未进行普通铅校正，204Pb由离子计数器检测，204Pb含量异常高的分析点可能受包体等普通Pb的影响，对204Pb含量异常高的分析点在计算时剔除，锆石年龄谐和图用Isoplot 3.0程序获得。详细实验测试过程可参见侯可军等(2009)。

选择已经做过锆石年龄和微量元素的锆石，在相应的位置进行锆石Lu-Hf同位素分析。分析岩浆锆石和热液锆石Lu-Hf同位素组成的共、异性。锆石Hf同位素测试在CAGS国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成，所用仪器为Neptune多接收等离子质谱和Newwave UP 213紫外激光剥蚀系统（LA-ICP-MS），实验过程中采用He作为剥蚀物质载气，根据锆石大小，剥蚀直径采用40μm，测定时使用国际上通用的锆石标样GJ-1作为参考物质，分析过程中的测试条件据侯可军等（2007）。

3.1 年代学特征

3.1.1 锆石形态特征

ZSG-01样品所测的25颗锆石多为无色透明，表面清洁，多数晶形完好，呈长-短柱状，以自形晶为主，锆石颗粒较大，长度介于80～160μm，宽度介于50～80μm，CL图像（图4）显示，所有锆石内部结构均匀，且具有韵律环带，没有明显的蚀变边，具有典型的岩浆锆石特征。测试样品未发现较老锆石颗粒或残留锆石颗粒，只有少量锆石发育一圈具有明亮发光的较窄的生长边（＜3μm）。测试位置和测试数据分别见图4和表1。

ZSG-50样品所测锆石表面可能受到后期热液影响，部分有热液蚀变。总体而言，锆石呈长-短柱状（长宽比1.5∶1～3∶1），晶体较自形，CL图像显示其内部具有韵律环带，指示着岩浆成因（图4），且从锆石的阴极发光照片中，未发现较老的锆石颗粒或核部的残留锆石。

3.1.2 锆石U-Pb年龄

详细的锆石微区定年测试结果列于表1和图4。测试样品ZSG-01锆石Th和U的质量分数分别为(118～834)×10-6和(139～574)×10-6，Th/U比值在0.64～1.65之间变化，且Th、U之间正相关性较好，表现出岩浆锆石的地球化学特征（表1，Claesson et al.,2000）。去掉7个异常高或低的测点，采用18个锆石点进行计算、作图。在谐和图（图5a、b）中，锆石均落在谐和线上，仅少数稍微偏离，18个锆石的加权平均年龄为(390±2)Ma，MSWD=0.026，代表该期岩浆的侵位年龄，为泥盆世。

图4 中山沟金矿区样品ZSG-01和ZSG-50的锆石CL图像和测试点Fig.4 CL images of zircons from samples ZSG-01 and ZSG-50 in Zhongshangou Au deposit

测试样品ZSG-50锆石Th和U的质量分数分别为(134～789)×10-6和(119～484)×10-6，Th/U比值在0.66～1.63之间变化，且Th、U之间正相关性较好，表现出岩浆锆石的地球化学特征（表1，Claesson et al.,2000）。去掉5个异常高或低的测点，采用15个锆石点进行计算、作图。在谐和图里，大多数锆石落在谐和线上，或者稍微偏离。15个锆石的加权平均年龄为(392±3)Ma，（MSWD=0.016），代表该期岩浆的侵位年龄，为泥盆世（图5c、d）。

图5 中山沟金矿区碱性侵入岩样品锆石U-Pb年龄谐和曲线（a、c）和加权平均年龄图（b、d）Fig.5 Zircon U-PConcordiadiagram(a,c)and weighted mean age(b,d)showing all LA-MC-ICP-MSdata points for zircons from the alkaline intrusive rock samples in the Zhongshangou Au deposit

表1 中山沟金矿区碱性花岗杂岩LA-ICP-MS锆石U/Pb分析结果统计表Table1 Statistical tableof LA-ICP-MSzircon U/Pb analytical resultsof alkalinegranitefrom the Zhongshangou Au deposit

3.1.3 锆石稀土元素特征

锆石原位微量元素分析结果和相关参数计算列于表2和图6。测试样品（ZSG-01和ZSG-50）中锆石的稀土元素含量相对高，ZSG-01和ZSG-50稀土元素总量（∑REE）分别介于(444～1082)×10-6和(480～1112)×10-6，平均值分别为620×10-6和741×10-6。具体而言，测试样品（ZSG-01和ZSG-50）∑LREE相对亏损，其数值分别介于(34.8～107.6)×10-6和(40.0～79.2)×10-6，平均含量分别为57.2×10-6和60.5×10-6。∑HREE则相对富集，其数值分别介于(412～999)×10-6和(349～1039)×10-6，平均值分别为589×10-6和681×10-6。测试样品（ZSG-01和ZSG-50）LREE/HREE值范围分别为0.05～0.14和0.06～0.13，（La/Yb）N分别为0.000 002～0.006 983和0.000 004～0.019 198。

表2 中山沟金矿区碱性花岗杂岩锆石稀土元素组成Table 2 The REE composition in zircon of alkaline granitefrom the Zhongshangou Au deposit

在球粒陨石标准化分布图（图6）中，测试样品（ZSG-01和ZSG-50）呈现出相似的展布样式，均呈现出相对低的LREE含量及较陡直的HREE富集模型，并伴随着中等-强烈的δCe异常（大部分测试点＞50）和不明显的δEu异常。

图6 中山沟金矿区样品ZSG-01（a）和ZSG-50（b）的锆石稀土元素陨石标准化配分图(标准化的球粒陨石数值据Sun et al.,1989)Fig.6 Chondrite-normalized REEpatternsof zirconsfromsamples ZSG-01(a)and ZSG-50(b)in Zhongshangou Au deposit（normalized datafrom Sunetal.,1989）

3.2 元素地球化学分析结果

3.2.1 主量元素

中山沟矿区碱性杂岩体主要为石英二长岩，测试全岩样品的化学分析数据以及计算所获有关参数列于表3。石英二长岩主量元素具有以下特征：

表3 中山沟金矿碱性岩全岩主量元素（w(B)/%），微量元素（w(B)/10-6）和稀土元素（w(B)/10-6）Table 3 Whole-rock major（w(B)/%）,trace（w(B)/%）and rare earth（w(B)/10-6）elements of alkaline rocksfrom the Zhongshangou Au deposit

（1）具 有 高Si高 碱 质 的 特 征，w（SiO2）为60.84%～67.34%，平均值为63.20%；
碱质组分w（K2O+Na2O)变化范围较小，但总体而言含量较高，全碱w（K2O+Na2O)变化范围为7.31%～10.10%，平均值为9.10%；
里特曼指数（σ）平均值为4.13，大多显示出碱性岩系列。K2O/Na2O比值的变化范围较大，介于0.54～0.99，平均值0.82，指示了相对富钠。在SiO2-K2O+Na2O和QAP图解（图7c）中，测试样品分布在（石英）正长岩、石英二长岩和二长岩区域（图7a、b），被定义为高钾钙碱性系列。

（2）铝质含量高，w(Al2O3)介于15.38%～18.81%，平均值为16.31%；
A/CNK比值为0.76～1.03，平均值为0.85，A/NK比值为1.10～1.62，平均值为1.30，为准铝质岩体（图7d）。

图7 中山沟金矿区典型侵入岩样品地球化学图解a.SiO2（-K 2O+Na2O）图解(Rollinson,1993)；
b.QAP图解；
c.SiO2-K 2O(Middlemost,1994);d.A/CNK-A/NK图解(Maniar et al.,1989)Fig.7 Geochemical diagrams of typical intrusive rock samples from Zhongshangou Au deposit a.SiO2 versus(K 2O+Na2O)diagram(Rollinson,1993);b.QAPdiagram;c.SiO2 versus K 2O diagram(Middlemost,1994);d.A/CNK versus A/NK diagram(Maniar et al.,1989)

（3）岩石分异程度较高，DI指数（标准矿物石英+正长石+钠长石，Thornton et al.,1960）变化于72.24～84.67之间，平均值为78.26。

在Harker图解（图8a～i）中多数样品表现了随SiO2增加，铁镁质矿物（TiO2、TFe2O3）降低，Al2O3和CaO也呈下降趋势，表现出同源岩浆演化特征。

图8 中山沟金矿区典型侵入体样品Hark图解a.CaO-SiO2图解；
b.MnO-SiO2图解；
c.K 2O-SiO2图解；
d.Al2O3-SiO2图解；
e.TiO-SiO2图解；
f.FeO-SiO2图解；
g.Rb-SiO2图解；
h.Nb-SiO2图解；
i.Zr-SiO2图解Fig.8 Hark diagram of typical intrusive rock samples from Zhongshangou Au deposit a.CaOversus SiO2 diagram;b.MnOversus SiO2 diagram;c.K 2Oversus SiO2 diagram;d.Al2O3 versus SiO2 diagram;e.TiO versus SiO2 diagram;f.FeO versus SiO2 diagram;g.Rb versus SiO2 diagram;h.Nb versus SiO2 diagram;i.Zr versus SiO2 diagram

3.2.2 微量元素

石英二长岩样品中的地幔不相容元素总体上呈现富集的特征。就大离子亲石元素而言，相对于MORB值（Sun et al.,1989）Sr、Rb、K、Ba、La、Ce和Th呈现出中等-强富集。就高场强元素而言，其呈现弱富集或亏损，其中，Y呈现出略微亏损，为0.33～0.57；
Ti相对亏损了0.31～0.49倍；
Zr相对富集了1.36～2.21倍；
Hf相对富集了1.39～1.89；
Nb和Ta相对富集3.73～5.54倍和2.78～4.14倍。

在微量元素对原始地幔标准化分布蛛网图（图9a）中，随不相容程度不断减小的，元素整体上呈右倾形态，5件样品总体特征较为一致，呈现出富集大离子亲石元素（LILE）相对富集的形态，Ba、K、La、Sm、Y呈现明显的峰值；
部分大离子亲石元素具有相对亏损的形态，如Nb、P、Ti、HREEs。

矿区石英二长岩具有低Mg#值，且过渡金属元素（Cr、Co、Ni）的含量也明显偏低，远低于华北克拉通下地壳（平均值分别为221，35.78×10-6）（Gao et al.,1998），反映岩体部分熔融程度相对较低，或者岩体中地壳组分更高。此外，测试样品的放射性元素（Th、U）亦相对亏损，可能与下地壳源区在部分熔融之前发生麻粒岩相变质有关，或者代表一个氧化的环境。石英二长岩Rb/Sr和Rb/Ba比值分别在0.06～0.29和0.03～0.16，大多测试样品均小于0.1，较低的Rb/Sr可能反应幔源组分特征。

研究区石英二长岩的稀土元素总量较低且变化范围较大，范围介于106×10-6～227×10-6。稀土元素配分曲线（图9b）表现为轻稀土元素富集，重稀土元素亏损的右倾型，La相对于球粒陨石富集了95.4～289.2倍，Yb相对于球粒陨石参考值富集了7.53～12.21倍，(La/Yb)N则介于为12.67～28.29倍之间，相对富集轻稀土元素，亏损重稀土元素，这一特点也被LREE/HREE比值证实，数值介于10.61～16.30。需要指出的是，LREEs的分异也尤为明显，(La/Sm)N=3.84～7.17，但HREEs的分异不甚明显，(Gd/Yb)N=1.92～2.41。5件样品曲线基本平行，Eu/Eu*呈现出弱负至正Eu异常，分别介于0.87～1.23。

图9 中山沟金矿区典型侵入体样品微量元素蛛网图（a）稀土元素球粒陨石标准化（b）图解（标准化值据Wakita et al.,1971；
Sun et al.,1989）Fig.9 Trace element spider diagram(a)and Chondrite-normalized REEpatterns(b)of typical intrusive rock samples from Zhongshangou Au deposit（normalized data from Wakita et al.,1971；
Sun et al.,1989）

3.3 Hf同位素

在La-ICPMS锆石U-Pb测年的基础上，对矿区石英二长岩的2个样品（ZSG-01和ZSG-50）的锆石微区Lu-Hf同位素测定，结果详细见表4。

样品ZSG-01和ZSG-50锆石的176Lu/177Hf比值相对均一，分别介于0.000 76～0.002 04和0.000 78～0.003 13之间，均值分别为0.001 29±0.000 01（1σ，n=18）和0.001 66±0.000 02（1σ，n=18），均小于0.0020，显示锆石析出后具有少量或无放射成因Hf的积累（吴福元等，2007）。测试样品（ZSG-01和ZSG-50）锆石的176Hf/177Hf比值呈现低值且变化浮动小，分别介于0.282 012～0.282 138和0.281 993 5～0.282 142，对应的加权平均值则为0.282 070±0.000 244（2σ，n=18）和0.282 054±0.000 264（2σ，n=15）。εHf(t)值分别分布在-14.3688～-17.1591和-14.1 044～-19.3289。二阶段Hf模式年龄（TDM2）变化范围为分别为2284～2554 Ma和2269～2595 Ma，对应的平均值分别为2424 Ma和2465 Ma。

4.1 侵位时代与地质意义

从大地构造位置上看，水泉沟碱性侵入岩与EW向尚义-崇礼深大断裂带密切相关，并主要产出在近E-W向与NE向断裂的交汇部位。水泉沟碱性杂岩体具有规模大、岩性组合（角闪正长岩、角闪辉石二长岩、角闪石碱长正长岩、霓辉碱长正长岩、碱长正长岩、石英碱长正长岩、石英二长岩）复杂的特征。根据详细的地质观测，矿区的碱性侵入岩主要为角闪石英二长岩，其被矿区外围被早白垩世火山岩（136～143 Ma，韦忠良等，2008）不整合覆盖，且矿区碱性杂岩偶见中元古界长城系白云质灰岩捕虏体，表明碱性杂岩体侵入于中元古界。因此，从产状及接触关系上看，矿区碱性岩侵入的上限为早白垩（136～143 Ma），下限为中元古界。

?

根据前文所述测试锆石的形态特征，其具有较为显著的岩浆锆石特征，结合Th/U比值及两者正相关等参数，蚀变角闪黑云二长岩产出的锆石尽管遭受一定热液侵入，但未发生重置。其与新鲜角闪黑云二长岩中的锆石基本一致，均显示出典型岩浆锆石的特征。在锆石稀土元素配分图解，稀土元素呈现出LREE亏损、HREE逐步富集的“海鸥”上翘式展布，即从Sm到Lu逐渐增高，同时显示Ce的强烈正异常和Eu的负异常（图6），指示着他们在相对氧化的条件下结晶，与岩浆锆石的特征相似。(Sm/La)N-Ce/Ce*和La-(Sm/La)N的判别图（图10）进一步证实了该观点，大多数测试锆石均落入岩浆锆石范围内。因此，测试样品的锆石为岩浆锆石，并未遭受明显的后期蚀变，获得的U-Pb年龄（389～395 Ma）介于早白垩世与中元古界之间，为矿区碱性侵入岩的形成时代提供了较为可靠的年龄依据。

图10 中山沟金矿区碱性花岗杂岩锆石类型判别图（Hoskin，2005）a.(Sm/La)N-Ce/Ce*图解；
b.La-(Sm/La)N（b）图解Fig.10 Zircon type discrimination diagrams of alkaline granite from the Zhongshangou Au-deposi（tHoskin，2005）a.(Sm/La)N versus Ce/Ce*diagram;b.La versus(Sm/La)N diagram

前人对水泉沟-后沟杂岩体进行了较多的定年工作，本文统计了较为可信的年龄数据详细见表5。其中，水泉沟岩体西段的下双台的角闪正长岩和下盘地的角闪二长岩的年龄相对年轻，测得锆石U-Pb年龄分别为372～373 Ma（李长民等，2014）；
中山沟矿区外围和下三道河的角闪二长岩和二长岩的锆石U-Pb年龄为391～410 Ma（陆松年等，1997；
胡小蝶等，1998）。就东段而言，水泉沟东段东坪金矿区的蚀变细粒正长岩、石英二长岩和角闪二长岩的锆石U-Pb年龄分别为(381±3)Ma、(390±6)Ma、(400±4)Ma（罗镇宽等，2001；
李长民等，2010；
Bao et al.,2014);后沟矿区蚀变正长岩和新鲜正长岩的锆石U-Pb年龄均为(386±7)Ma（李长民等，2010a；
2010b）。从水泉沟的年代构架上看，碱性杂岩可能经历了长达～40 Ma演化，至少经历了3期热事件脉动的结果。其中，水泉沟碱性岩体热事件演化早期，岩石组合则以角闪二长岩和石英二长岩为主，形成时代为409～412 Ma；
水泉沟碱性岩体热事件演化中期，岩石组合与早期基本一致，其与区域金矿化（东坪、后沟以及本次中山沟）更为密切，形成时代为早志留世（389～395 Ma）；
岩体热事件演化晚期，岩石组合以角闪正长岩和角闪二长岩为主，形成时代为早志留世（372～375 Ma）。需要指出的是，志留纪侵入之后，矿区及外围的岩浆活动和构造也发生了多次脉动，绢云母或黑云母基本上存在多期次的特征，这些岩体的40Ar/39Ar统计年龄存在多期的特征（江思宏等，2000）。本次测得的矿区角闪石英二长岩的锆石UPb年龄为389～395 Ma，与水泉沟岩体东段的东坪金矿区石英二长岩（（390±6）Ma）和角闪二长岩（（400±4）Ma）的锆石U-Pb年龄、后沟金矿区正长岩的锆石U-Pb年龄（386±7Ma）基本相当，为水泉沟碱性杂岩第二期热事件的产物。

表5 水泉沟-后沟碱性杂岩测试年龄统计表Table 5 Statistical table of isotopic ages of the Shuiquangou-Hougou alkaline complex

赋矿碱性岩与金矿化的成因关系常常被讨论，世界许多典型的脉型金（-碲）矿化均与碱性岩浆有关（Cripple Creek,Emperor,Porgera,Ladolam and the Montana;Richards,1995）。Jensen等(2000)认为幔源的碱性岩浆可能是金-碲重要的物质来源。然而，部分学者认为碱性岩与金矿化的成因联系是否被过分强调了，许多在碱性岩省内的金矿床与钙碱性岩浆具有明确的成因联系（Baguio;Cook et al.,2005;Ciobanu et al.,2006）。冀北是华北克拉通北缘金成矿带重要组成部分，也是中国重要的金-碲矿化带。在中山沟矿区及邻区，显生宙以来岩浆热事件主要有373～410 Ma、233～237 Ma和144～142 Ma三个阶段。根据热液锆石和石榴石的U-Pb年代学测定，Miao等(2002)和Fan等(2021)认为东坪金矿化可能与早白垩世岩浆热事件有关。然而，本课题组测得含金黄铁矿和辉钼矿的Re-Os模式年龄分别为375～383 Ma和375～379 Ma（本课题组，未发表），表明中山沟金多金属矿化可能与水泉沟碱性岩浆期后热液有关。本次测得角闪石英二长岩的锆石U-Pb年龄（389～395 Ma）能代表中山沟金矿化的上限，也表明了两者存在着明显的成因联系。

4.2 岩浆岩的源区和源岩

4.2.1 成因类型

全岩地球化学表明，矿区角闪石英二长岩的主量元素以中-高w(SiO2)（60.84%～67.34%）、富碱和相对低的A/CNK值、CaO和Mg#为特征。微量元素方面，测试样品表现为富集LILEs和LREEs、亏损HFSEs和HREEs，并伴随着强烈的Nb、P、Ti亏损和无明显的δEu异常，明显不同于典型的I型和S型花岗岩（图11a～f）。测试样品显示出贫HFSEs，在Ga/Al*10000与Nb和Ga/Al*10000与Zr图解（图11a、b）中，测试样品基本落入在I/S型和A型花岗岩的过渡区域，显示出具有高分异I型或A型火山岩的特征。

在岩石类型上，A型花岗岩包括从碱性花岗岩经碱长花岗岩到钾长花岗岩、石英正长岩、更长环斑花岗岩和紫苏花岗岩等多种岩石类型（许保良等，1998），一部分富碱质的I型花岗岩，如高分异I型花岗岩也被包括进去（张旗等，2012）。研究区所采样品主要为角闪石英二长岩和石英二长岩，浅色矿物以碱性长石为主，并含有部分斜长石，碱性长石与斜长石共生，碱性长石以微斜条纹长石为主，斜长石以更长石为主；
暗色矿物中以角闪石为主；
副矿物以磁铁矿、磷灰石、榍石为主。造岩矿物组成上，具有I型和A型花岗岩的矿物组成特征。

高分异的I-型花岗岩通常具有低w(FeOT)（＜1%），w(Zr+Nb+Ce+Y)（＜350×10-6）和w(Ga)（＜20×10-6）以及w(Rb)（＜100×10-6），锆石封闭温度普遍较低（～754℃）（Whalen et al.，1987；
王强等，2000；
隋振民等，2007）。相比之下，A-型花岗岩普遍具有高w(FeOT)、w(Zr+Nb+Ce+Y)、w(Rb)和w(Ga)，结晶温度普遍＞800℃。测试样品普遍具有高w(FeOT)（3.88%～6.79%）、w(Ga)（（20.47～23.79）×10-6）以及岩浆结晶温度（（916.33～1015.73℃）＞800℃）；
和较低的w(Rb)（（53.18～101.30）×10-6）和w(Zr+Nb+Ce+Y)（（206.22～258.04）×10-6；
图12）。源区亏损Nb、Ta与源区特征有关，可能受到富集地幔影响或源区可能存在金红石的残留有关；
与此同时，测试样品均显示较低的Y含量，显示源区可能存在石榴子石和角闪石的残留（Bea,1996）。为了进一步判断测试样品的岩体类型，在SiO2与FeO*/MgO和Al2O3与Ga图解（图11c、d）中，测试样品均落入了A型花岗岩区域。综上所述，中山沟碱性侵入体是具有低Zr+Nb+Ce+Y和Rb值的A型花岗岩。

图11 中山沟金矿区碱性花岗杂岩岩体类型判别图a.Ga/Al*10 000-Nb；
b.Ga/Al*10 000-Zr；
c.SiO2-FeOt/MgO；
d.Al2O3-Ga；
e.Y/Nb-Rb/Nb和Nb-Y-3Ga图解Fig.11 Classificationdiagramsof granitetype a.Ga/Al*10000versus Nb;b.Ga/Al*10000versus Zr;c.SiO2 versus FeoT/MgO;d.Al2O3 versus Ga;e.Y/NB versus RB/NB and NB-Y-3GA diagrams of alkalinegranitefrom the Zhongshangou Au deposit

图12 中山沟金矿区碱性花岗杂岩Zr-T图解Fig.12 Zr-T diagram of alkaline granite from the Zhongshangou Au deposit

4.2.2 源区性质和年龄

矿区石英二长岩为弱-中等LHEEs富集型，并伴随着低（La/Yb）N比值（12.67～28.29），可能指示起源于下地壳。考虑到矿区岩体包裹有大量的中元古代地层包体，且内部构造简单均一，并且与之接触的围岩产状并没有发生挤压流变构造，判断其是在拉张背景下的产物。此外，同化混染作用不可能同化如此多的地壳物质，所以推测源区为壳幔边界附近（过渡带）。根据前人研究，水泉沟杂岩体的δ18O值分布在6.5‰～9‰之间，锶同位素初始值较低，(87Sr/86Sr)i=0.7062，显示了壳-幔混合源的特征（张招崇等，1997）。在微量元素（Zr/Y-Zr/Nb-Y/Nb）三角图解（图13）中，测试样品落入到富集地幔和过渡型地幔之间，同样也显示了壳-幔混合源的特征。部分微量元素的特征可能来自对源区的继承以及遭受围岩混染的结果。

图13 中山沟金矿区碱性花岗杂岩微量元素Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb三角图解Fig.13 Trace element Zr/Nb-Zr/Y-Y/Nb triangle diagram of alkaline granite from the Zhongshangou Au deposit

具体而言，矿区岩体平均w(Sr)和w(Yb)分别为703×10-6和1.70×10-6，为高w(Sr)低w(Yb)型花岗岩w(Sr)＞400×10-6，w(Yb)＜2×10-6；
张旗等，2006）。该类侵入体的HREEs强烈亏损，无明显负至正δEu异常，暗示源区有石榴子石+辉石±角闪岩组成，残留相为榴辉岩或角闪榴辉岩相。δEu为弱异常-正异常，可能暗示斜长石的分异作用较低，源区无斜长石残留。Nb、Ta亏损以及较低的Y和Yb，同时也显示了源区可能残留了金红石、石榴子石、角闪石和单斜辉石。

Amelin等（2005）和Vervoort等（1996）认为，ƒLu/Hf值小于镁铁质地壳和硅铝质地壳的ƒLu/Hf，TDM2反映源区其源区物质从亏损地幔被抽取的时间。所测样品锆石的ƒLu/Hf值分别分布于-0.9284～-0.9771和-0.9058～-0.9765，均值分别为-0.9610和-0.4999，明显小于镁铁质地壳和硅铝质地壳的ƒLu/Hf（-0.72和-0.34；
Amelin et al.,2000；
Vervoort et al.,1996)，可能二阶段模式年龄（TDM2）更能反应其源区物质从亏损地幔被抽取的时间。测得锆石TDM2变化范围分别为2284～2554 Ma和2269～2595 Ma，对应的平均值分别为2424 Ma和2465 Ma，表明该源区的形成时间可能对应于华北板块的克拉通化以及地壳的生长阶段。测试样品εHf(t)均为较低的负值，数值介于-18.0399～-14.3688。在εHf(t)-t图解（图14）中，所有样品点位于古元古代—晚太古代地壳（～2.5 Ga地壳）演化线附近，可能为老地壳物质再熔融或古元古代—晚太古代底侵地壳物质熔融的产物。根据前人与本次研究，桑干群花岗闪长片麻岩获得的锆石UPb年龄为2.30～2.54 Ga（李创举等，2012；
本课题组），可以解释为矿区碱性杂岩的古老地壳物质来源。

图14 中山沟金矿区碱性花岗岩锆石εHf(t)-t图解Fig.14 εHf(t)-t plot for the zircons in alkaline granite from the Zhongshangou Au deposit

综上所述，中山沟矿区岩体显示了源区主要为晚太古代下地壳，反映他们的源岩以地壳物质为主。此外，微量元素特征均显示着岩体有富集地幔的混入。如果是(87Sr/86Sr)i较高的地幔橄榄岩类与下地壳不同比例的混合，则与岩体具有较低的Mg#不一致。因此，矿区岩体具有明显的壳源地球化学特征和富集型的同位素特征，可能为增厚下地壳的部分熔融，不可能为板片熔体。因此，本文研究认为，矿区碱性侵入体可能是在伸展作用下幔源岩浆底侵，诱发玄武质岩浆的析取、岩浆底垫、分异、新生基性下地壳的重熔及其分异等一系列深部流体活动（张晓晖等，2010）。这一研究结果也间接支持了泥盆世为华北板块与西伯利亚板块主碰撞的重要时期。

4.3 构造环境与动力机制

中山沟矿区A-型侵入体的锆石LA-MC-ICP-MS测年结果为390～392 Ma，代表了泥盆世的一期构造-岩浆活动。Frost等（2001；
2007）认为，A-型花岗岩形成的构造环境为造山后伸展或者非造山环境的大陆裂谷。依据构造背景（A1=非造山裂谷，A2=造山后）和地幔（＜1.2）与地壳（＞1.2）的Y/Nb比值差异，Eby（1990；
1992）将其进一步划分了A1和A2型花岗岩，分别代表非造山裂谷环境下的幔源溶体的分离结晶和造山后环境下地壳部分熔融的产物。所有测试样品的Y/Nb比值介于1.20～1.70，均值为1.47＞1.20。在Rb/Nb-Y/Nb图解和Nb-Y-Ga*3三角图解（图11e、f）中，测试样品均落入到A2型花岗岩范围内。在Y与Nb图解（图11e）中，测试样品落入到ORG范围和典型A型花岗岩之内；
在Y+Nb与Rb图解（图11f）中，测试样品落入到后碰撞花岗岩范围内（Pearce,1996）。

综上所述，矿区碱性侵入体的形成动力机制可能为西伯利亚板块和华北克拉通发生碰撞后伸展的产物。随之碰撞后应力松弛，逐渐传递到碰撞边界的附近，并沿着赤城-尚义区域深大断裂。在地幔和下地壳的过渡部位，发生部分熔融，形成钙碱性岩石组合为主的水泉沟岩体，其形成过程可能比较漫长，并伴随着3次大的脉动。大约392～393 Ma之间，在矿区范围内有一次碱性岩浆入侵定位，形成了矿区的石英二长岩。随后，岩浆期后热液或后期碱性岩体的新一次脉动引起了区域广泛的金矿化。

（1）根据锆石的形态特征以及稀土元素分布特征，均指示为岩浆成因。LA-MC-ICP-MS锆石测年结果表明，中山沟矿区新鲜和蚀变的角闪石英二长岩锆石U-Pb年龄在误差范围基本一致，年龄区间为388～395 Ma，为泥盆世，是区域水泉沟碱性杂岩的一部分，可能为水泉沟碱性杂岩第二期脉动的产物。

（2）岩石地球化学分析结果表明，矿区碱性杂岩具有富SiO2、富碱、准铝的钙碱性岩石，为相对低的Mg#的高钾钙碱性岩浆系列；
岩体具有LREE、LILE元素（Sr、Rb、Ba）富集和高场强元素、放射性元素（Th、U）、HREE相对亏损特征，并伴随着弱负-正Eu异常，岩体类型为A2-型花岗岩。

（3）岩体具有高Sr低Yb型花岗岩特征，呈现HREEs强烈亏损，弱负至正δEu异常，暗示源区有石榴子石+辉石±角闪岩组成，残留相为榴辉岩或角闪榴辉岩相。岩体源区可能为下地壳，并含有一定量的富集地幔的物质。

（4）矿区碱性杂岩年代学、岩石学特征表明，碱性岩浆的侵位可能为西伯利亚板块和华北克拉通微地块发生碰撞后伸展的产物。结合矿区地质和前人研究成果，认为中山沟金矿床主要与泥盆世岩浆活动有关，是区域拉张构造背景下岩浆活动的产物。

致谢本课题工作得到了河北地质大学的张建珍教授、郭襄博士和张家口市海龙金矿有限公司的杨宝军、刘洪利、张小波以及李勇先生的热情指导与帮助，在此表示衷心感谢。

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