北京昌平地區串嶺溝組沉積巖中獨居石、金紅石賦存狀態及其成因

丁靜+宋天銳+石玉若

摘要：對采自北京昌平地區串嶺溝組下部層位粉砂質泥巖中的礦物進行了詳細的能譜分析，發現了獨居石和金紅石顆粒。獨居石最大粒徑為88 μm，金紅石最大粒徑為20 μm。背散射圖像顯示獨居石邊緣不平整，形狀不規則，呈現出“魚形”、“鳥形”、“花形”、“蟲形”等各種形狀；金紅石則呈串珠狀分布。大量的觀察發現，獨居石和金紅石絕大多數都分布在石英脈或赤鐵礦細脈里，遠離脈的地方幾乎沒有獨居石和金紅石的分布。獨居石初步SHRIMP UPb原位定年結果為（152±11）Ma，表明這些獨居石顆粒并非成巖期形成，而為次生獨居石，其形成與后期的熱液事件有關。

關鍵詞：成因礦物學；串嶺溝組；獨居石；金紅石；熱液成因；SHRIMP UPb年齡；能譜分析；北京

中圖分類號：P571文獻標志碼：A

Occurrence and Origin of Monazites and Rutiles from Sedimentary

Rocks of Chuanlinggou Formation in Changping Area of Beijing

DING Jing1，2， SONG Tianrui3， SHI Yuruo2

（1. School of Graduates， China University of Geosciences， Beijing 100083， China； 2. Beijing SHRIMP Center，

Institute of Geology， Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing 100037， China； 3. Institute of

Geology， Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing 100037， China）

Abstract： Monazite and rutile grains are found in the contribution by using energy spectrum analysis to study the silty mudstones， which are collected from the lower part of Chuanlinggou Formation in Changping area of Beijing. The maximum particle size of the monazite is up to 88 μm while the largest rutile is 20 μm. According to lots of backscattered images， the monazites show jagged edges and irregular shapes， appeared as fishes， birds， flowers， worms， and so on， while the rutiles are arranged as a string of beads. An overwhelming majority of the monazites and rutiles are distributed in quartz or hematite veins. However， monazites or rutiles are hardly found in the places far away from the veins. These monazites with the age of （152±11）Ma are dated using SHRIMP Ⅱ at Beijing SHRIMP Center. According to the preliminary age data， it is suggested that these monazites belong to secondary monazites， which are associated with the late hydrothermal event， not formed in the diagenetic stage.

Key words： genetic mineralogy； Chuanlinggou Formation； monazite； rutile； hydrothermal origin； SHRIMP UPb age； EDAX； Beijing

0引言

圖件引自文獻[9]，有所修改

圖1華北克拉通中—新元古代沉積蓋層分布

Fig.1Distribution of the MesoNeoproterozoic Strata in North China Craton

國際上首次報道的沉積物中自生稀土礦物發現于匈牙利中部Transdanubian卡斯特巖的縫隙中[1]。在中國，宋天銳首次在大連地區前寒武紀沉積巖中發現了包裹在針鐵礦細脈中的自生獨居石，認為其形成于前寒武紀震旦系正常沉積環境中[2]。宋天銳等根據宏觀、微觀和地球化學研究結果，證明了在北京十三陵中元古界長城系串嶺溝組有地質事件層，并提出串嶺溝組的火山地震事件可能導致串嶺溝組泥巖中存在自生獨居石[3]。若設法找到這些自生獨居石，并對其進行精確定年，將有效限定串嶺溝組沉積巖的成巖年齡。因此，筆者對北京昌平地區中元古界長城系串嶺溝組地層按層位進行采樣，并對其下部層位巖石中的礦物進行了詳細的能譜分析，發現確實存在不規則狀的獨居石，并發現了呈串珠狀分布的金紅石顆粒。本文對這些發現進行詳細報道，并對其成因進行了探討。

1地質背景和樣品描述

北京昌平地區在大地構造位置上位于華北地塊或中朝克拉通的北部（圖1）。呂梁運動（1 800～1 900 Ma）之后，華北地塊開始進入地臺演化階段，即裂谷系的發育與演化階段[45]。裂谷系分南、北兩個裂陷槽和北緣、東緣各一個裂谷帶。華北地塊南部的裂陷槽稱為熊耳裂陷槽，華北地塊北部的裂陷槽稱為燕遼裂陷槽。研究區位于燕遼裂陷槽內。

北京昌平地區中元古界長城系地層自下而上包括常州溝組（Chc）、串嶺溝組（Chch）、團山子組（Cht）、大紅峪組（Chd）和高于莊組（Chg）共5個組。本次研究樣品采自長城系第2個組——串嶺溝組（圖2）。

串嶺溝組為一套近海澙湖沉積[68]，厚度約50 m，底部以平行不整合與常州溝組頂部的砂壩砂巖相接觸，頂部與團山子組整合過渡。串嶺溝組巖性組合分3段，下部層位為粉砂質泥巖，中部層位為粉砂巖與白云巖凸鏡體，上部層位為黑灰色薄層砂巖粉砂巖互層。

Q為第四系；Jxt為鐵嶺組；Jxh為洪水莊組；Jxw為霧迷山組；Jxy為楊莊組；Qb為青白口系；Chg為高于莊組；Chd為大紅峪組；Cht為團山子組；Chch為串嶺溝組；Chc為常州溝組；Ar為太古代；圖（a）引自文獻[12]，有所修改

圖2北京十三陵地區地質簡圖及長城系地層巖性柱狀圖

Fig.2Geological Map of the Ming Tombs Area of Beijing and Column of Stratum Lithology of Changcheng System

宋天銳等認為，串嶺溝組的地質事件是由于燕山裂陷槽形成早期的火山活動及由其引發的地震事件產生的[3]。串嶺溝組下部旋回的上段與中部旋回的下段出現明顯的地震構造。宏觀標志包括典型的砂體液化構造、層內滑塌構造和層內斷層構造（圖3）。微觀標志包括小型泄水構造、細脈充填和顯微層內錯動[3]。

圖3中元古界串嶺溝組古地震沉積構造

Fig.3Paleoseismic Sedimentary Structures of Mesoproterozoic Chuanlinggou Formation

本次研究樣品MC1采自北京昌平地區十三陵德勝口附近（40°17′56.8″N，116°10′55.8″E），屬串嶺溝組下部層位，巖性為粉砂質泥巖。詳細的能譜分析發現了大量的獨居石和金紅石顆粒。圖4為串嶺溝組底部粉砂質泥巖顯微照片，赤鐵礦脈和幾條石英脈清晰可見，獨居石和金紅石即分布在這些脈中。

能譜分析在北京礦冶研究總院掃描電鏡室EDAX能譜分析儀上完成。測試樣品表面磨平拋光，表面噴鍍金膜。電子束加速電壓（HV）為2500 kV，所需工作距離（WD）為10.5 mm，束斑為4.5 μm。

2獨居石特征

獨居石別名磷鈰鑭礦、磷鑭鈰石，化學式為（Ce，La，Nd，Th）（PO4），是一種富含輕稀土元素的磷酸鹽礦物。因其含有較高的U、Th及較低的普通Pb[1314]，經常能形成一致的UPb和ThPb年齡，而且獨居石UPb同位素體系封閉溫度較高（530 ℃～720 ℃）[15]，不易受到后期熱事件的干擾，是理想的UThPb定年對象[1618]。

圖4串嶺溝組底部粉砂質泥巖顯微照片

Fig.4Photomicrograph of the Silty Mudstone from the Lower Part of Chuanlinggou Formation

獨居石在背散射圖像中呈亮白色（圖5），粒徑為30～88 μm，具他形粒狀結構，形狀復雜，可呈現出“魚形”、“鳥形”、“花形”、“蟲形”等各種形狀。獨居石顆粒的邊部出現晶棱圓化、港灣狀結構等特征。從圖5可以看出，獨居石內部有細小石英的交代殘余結構。獨居石有兩種產狀：①以分散細粒狀或團粒狀集合體沿著赤鐵礦脈分布；②以他形晶粒狀結構被包裹在石英脈中。

圖6展示了獨居石及其周邊石英脈的能譜曲線。圖6（a）中，Ⅰ所在區域為一獨居石顆粒，具他形晶粒狀結構，邊緣呈鋸齒狀，被包含在石英脈里，Ⅱ所在區域為石英脈。

3金紅石特征

在發現獨居石的同時，還發現了金紅石（化學式為TiO2，圖7），背散射圖像中呈暗灰色。根據能譜曲線，獨居石生長在赤鐵礦脈[圖7（a）、（c）中十字標記處]上，數量較少，顆粒較大，而金紅石[圖7（e）、（g）中十字標記處]數量較多，單個顆粒較小，最大粒徑僅為20 μm，呈不規則粒狀結構，沿著赤鐵礦脈呈串珠狀分布，構成一條金紅石細脈。

圖7（i）中獨居石的邊上生長有金紅石顆粒，兩者之間為共結邊結構，界面平整呈舒緩波狀，反映礦物是近于同時結晶的。獨居石和金紅石內部均有細小的長石殘余。

4獨居石成因討論

4.1年齡

獨居石SHRIMP UPb原位定年在中國地質科學院地質研究所北京離子探針中心SHRIMP Ⅱ儀器上完成。獨居石測年原理和方法見文獻[19]。一次離子流O-2強度為1.55 nA，束斑為15 μm左右。獨居石定年時，每個數據點的測定由5組掃描構成，對203（CePO2）+、204Pb+、背景值、206Pb+、207Pb+、208Pb+、238U+、248（ThO）+和254（UO）+共9個質量峰進行數據采集。獨居石標準樣GM3（U含量（質量分數，下同）為0.658 8%，年齡為486 Ma）用于未知樣品U 含量標定和年齡校正。用于年齡計算的衰變常數為IUGS 同位素年代學分會的推薦值[20]。標準樣GM3 和待測樣之比為1∶（3～4）。數據處理采用Squid和ISOPLOT程序[2122]。實測204Pb用于普通Pb校正。單個數據點誤差類型為1σ。