北京昌平地区串岭沟组沉积岩中独居石、金红石赋存状态及其成因
丁静+宋天锐+石玉若
摘要：对采自北京昌平地区串岭沟组下部层位粉砂质泥岩中的矿物进行了详细的能谱分析，发现了独居石和金红石颗粒。独居石最大粒径为88 μm，金红石最大粒径为20 μm。背散射图像显示独居石边缘不平整，形状不规则，呈现出“鱼形”、“鸟形”、“花形”、“虫形”等各种形状；金红石则呈串珠状分布。大量的观察发现，独居石和金红石绝大多数都分布在石英脉或赤铁矿细脉里，远离脉的地方几乎没有独居石和金红石的分布。独居石初步SHRIMP UPb原位定年结果为（152±11）Ma，表明这些独居石颗粒并非成岩期形成，而为次生独居石，其形成与后期的热液事件有关。
关键词：成因矿物学；串岭沟组；独居石；金红石；热液成因；SHRIMP UPb年龄；能谱分析；北京
中图分类号：P571文献标志码：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
图件引自文献[9]，有所修改
图1华北克拉通中—新元古代沉积盖层分布
Fig.1Distribution of the MesoNeoproterozoic Strata in North China Craton
国际上首次报道的沉积物中自生稀土矿物发现于匈牙利中部Transdanubian卡斯特岩的缝隙中[1]。在中国，宋天锐首次在大连地区前寒武纪沉积岩中发现了包裹在针铁矿细脉中的自生独居石，认为其形成于前寒武纪震旦系正常沉积环境中[2]。宋天锐等根据宏观、微观和地球化学研究结果，证明了在北京十三陵中元古界长城系串岭沟组有地质事件层，并提出串岭沟组的火山地震事件可能导致串岭沟组泥岩中存在自生独居石[3]。若设法找到这些自生独居石，并对其进行精确定年，将有效限定串岭沟组沉积岩的成岩年龄。因此，笔者对北京昌平地区中元古界长城系串岭沟组地层按层位进行采样，并对其下部层位岩石中的矿物进行了详细的能谱分析，发现确实存在不规则状的独居石，并发现了呈串珠状分布的金红石颗粒。本文对这些发现进行详细报道，并对其成因进行了探讨。
1地质背景和样品描述
北京昌平地区在大地构造位置上位于华北地块或中朝克拉通的北部（图1）。吕梁运动（1 800～1 900 Ma）之后，华北地块开始进入地台演化阶段，即裂谷系的发育与演化阶段[45]。裂谷系分南、北两个裂陷槽和北缘、东缘各一个裂谷带。华北地块南部的裂陷槽称为熊耳裂陷槽，华北地块北部的裂陷槽称为燕辽裂陷槽。研究区位于燕辽裂陷槽内。
北京昌平地区中元古界长城系地层自下而上包括常州沟组（Chc）、串岭沟组（Chch）、团山子组（Cht）、大红峪组（Chd）和高于庄组（Chg）共5个组。本次研究样品采自长城系第2个组——串岭沟组（图2）。
串岭沟组为一套近海澙湖沉积[68]，厚度约50 m，底部以平行不整合与常州沟组顶部的砂坝砂岩相接触，顶部与团山子组整合过渡。串岭沟组岩性组合分3段，下部层位为粉砂质泥岩，中部层位为粉砂岩与白云岩凸镜体，上部层位为黑灰色薄层砂岩粉砂岩互层。
Q为第四系；Jxt为铁岭组；Jxh为洪水庄组；Jxw为雾迷山组；Jxy为杨庄组；Qb为青白口系；Chg为高于庄组；Chd为大红峪组；Cht为团山子组；Chch为串岭沟组；Chc为常州沟组；Ar为太古代；图（a）引自文献[12]，有所修改
图2北京十三陵地区地质简图及长城系地层岩性柱状图
Fig.2Geological Map of the Ming Tombs Area of Beijing and Column of Stratum Lithology of Changcheng System
宋天锐等认为，串岭沟组的地质事件是由于燕山裂陷槽形成早期的火山活动及由其引发的地震事件产生的[3]。串岭沟组下部旋回的上段与中部旋回的下段出现明显的地震构造。宏观标志包括典型的砂体液化构造、层内滑塌构造和层内断层构造（图3）。微观标志包括小型泄水构造、细脉充填和显微层内错动[3]。
图3中元古界串岭沟组古地震沉积构造
Fig.3Paleoseismic Sedimentary Structures of Mesoproterozoic Chuanlinggou Formation
本次研究样品MC1采自北京昌平地区十三陵德胜口附近（40°17′56.8″N，116°10′55.8″E），属串岭沟组下部层位，岩性为粉砂质泥岩。详细的能谱分析发现了大量的独居石和金红石颗粒。图4为串岭沟组底部粉砂质泥岩显微照片，赤铁矿脉和几条石英脉清晰可见，独居石和金红石即分布在这些脉中。
能谱分析在北京矿冶研究总院扫描电镜室EDAX能谱分析仪上完成。测试样品表面磨平抛光，表面喷镀金膜。电子束加速电压（HV）为2500 kV，所需工作距离（WD）为10.5 mm，束斑为4.5 μm。
2独居石特征
独居石别名磷铈镧矿、磷镧铈石，化学式为（Ce，La，Nd，Th）（PO4），是一种富含轻稀土元素的磷酸盐矿物。因其含有较高的U、Th及较低的普通Pb[1314]，经常能形成一致的UPb和ThPb年龄，而且独居石UPb同位素体系封闭温度较高（530 ℃～720 ℃）[15]，不易受到后期热事件的干扰，是理想的UThPb定年对象[1618]。
图4串岭沟组底部粉砂质泥岩显微照片
Fig.4Photomicrograph of the Silty Mudstone from the Lower Part of Chuanlinggou Formation
独居石在背散射图像中呈亮白色（图5），粒径为30～88 μm，具他形粒状结构，形状复杂，可呈现出“鱼形”、“鸟形”、“花形”、“虫形”等各种形状。独居石颗粒的边部出现晶棱圆化、港湾状结构等特征。从图5可以看出，独居石内部有细小石英的交代残余结构。独居石有两种产状：①以分散细粒状或团粒状集合体沿着赤铁矿脉分布；②以他形晶粒状结构被包裹在石英脉中。
图6展示了独居石及其周边石英脉的能谱曲线。图6（a）中，Ⅰ所在区域为一独居石颗粒，具他形晶粒状结构，边缘呈锯齿状，被包含在石英脉里，Ⅱ所在区域为石英脉。
3金红石特征
在发现独居石的同时，还发现了金红石（化学式为TiO2，图7），背散射图像中呈暗灰色。根据能谱曲线，独居石生长在赤铁矿脉[图7（a）、（c）中十字标记处]上，数量较少，颗粒较大，而金红石[图7（e）、（g）中十字标记处]数量较多，单个颗粒较小，最大粒径仅为20 μm，呈不规则粒状结构，沿着赤铁矿脉呈串珠状分布，构成一条金红石细脉。
图7（i）中独居石的边上生长有金红石颗粒，两者之间为共结边结构，界面平整呈舒缓波状，反映矿物是近于同时结晶的。独居石和金红石内部均有细小的长石残余。
4独居石成因讨论
4.1年龄
独居石SHRIMP UPb原位定年在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心SHRIMP Ⅱ仪器上完成。独居石测年原理和方法见文献[19]。一次离子流O-2强度为1.55 nA，束斑为15 μm左右。独居石定年时，每个数据点的测定由5组扫描构成，对203（CePO2）+、204Pb+、背景值、206Pb+、207Pb+、208Pb+、238U+、248（ThO）+和254（UO）+共9个质量峰进行数据采集。独居石标准样GM3（U含量（质量分数，下同）为0.658 8%，年龄为486 Ma）用于未知样品U 含量标定和年龄校正。用于年龄计算的衰变常数为IUGS 同位素年代学分会的推荐值[20]。标准样GM3 和待测样之比为1∶（3～4）。数据处理采用Squid和ISOPLOT程序[2122]。实测204Pb用于普通Pb校正。单个数据点误差类型为1σ。
摘要：对采自北京昌平地区串岭沟组下部层位粉砂质泥岩中的矿物进行了详细的能谱分析，发现了独居石和金红石颗粒。独居石最大粒径为88 μm，金红石最大粒径为20 μm。背散射图像显示独居石边缘不平整，形状不规则，呈现出“鱼形”、“鸟形”、“花形”、“虫形”等各种形状；金红石则呈串珠状分布。大量的观察发现，独居石和金红石绝大多数都分布在石英脉或赤铁矿细脉里，远离脉的地方几乎没有独居石和金红石的分布。独居石初步SHRIMP UPb原位定年结果为（152±11）Ma，表明这些独居石颗粒并非成岩期形成，而为次生独居石，其形成与后期的热液事件有关。
关键词：成因矿物学；串岭沟组；独居石；金红石；热液成因；SHRIMP UPb年龄；能谱分析；北京
中图分类号：P571文献标志码：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
图件引自文献[9]，有所修改
图1华北克拉通中—新元古代沉积盖层分布
Fig.1Distribution of the MesoNeoproterozoic Strata in North China Craton
国际上首次报道的沉积物中自生稀土矿物发现于匈牙利中部Transdanubian卡斯特岩的缝隙中[1]。在中国，宋天锐首次在大连地区前寒武纪沉积岩中发现了包裹在针铁矿细脉中的自生独居石，认为其形成于前寒武纪震旦系正常沉积环境中[2]。宋天锐等根据宏观、微观和地球化学研究结果，证明了在北京十三陵中元古界长城系串岭沟组有地质事件层，并提出串岭沟组的火山地震事件可能导致串岭沟组泥岩中存在自生独居石[3]。若设法找到这些自生独居石，并对其进行精确定年，将有效限定串岭沟组沉积岩的成岩年龄。因此，笔者对北京昌平地区中元古界长城系串岭沟组地层按层位进行采样，并对其下部层位岩石中的矿物进行了详细的能谱分析，发现确实存在不规则状的独居石，并发现了呈串珠状分布的金红石颗粒。本文对这些发现进行详细报道，并对其成因进行了探讨。
1地质背景和样品描述
北京昌平地区在大地构造位置上位于华北地块或中朝克拉通的北部（图1）。吕梁运动（1 800～1 900 Ma）之后，华北地块开始进入地台演化阶段，即裂谷系的发育与演化阶段[45]。裂谷系分南、北两个裂陷槽和北缘、东缘各一个裂谷带。华北地块南部的裂陷槽称为熊耳裂陷槽，华北地块北部的裂陷槽称为燕辽裂陷槽。研究区位于燕辽裂陷槽内。
北京昌平地区中元古界长城系地层自下而上包括常州沟组（Chc）、串岭沟组（Chch）、团山子组（Cht）、大红峪组（Chd）和高于庄组（Chg）共5个组。本次研究样品采自长城系第2个组——串岭沟组（图2）。
串岭沟组为一套近海澙湖沉积[68]，厚度约50 m，底部以平行不整合与常州沟组顶部的砂坝砂岩相接触，顶部与团山子组整合过渡。串岭沟组岩性组合分3段，下部层位为粉砂质泥岩，中部层位为粉砂岩与白云岩凸镜体，上部层位为黑灰色薄层砂岩粉砂岩互层。
Q为第四系；Jxt为铁岭组；Jxh为洪水庄组；Jxw为雾迷山组；Jxy为杨庄组；Qb为青白口系；Chg为高于庄组；Chd为大红峪组；Cht为团山子组；Chch为串岭沟组；Chc为常州沟组；Ar为太古代；图（a）引自文献[12]，有所修改
图2北京十三陵地区地质简图及长城系地层岩性柱状图
Fig.2Geological Map of the Ming Tombs Area of Beijing and Column of Stratum Lithology of Changcheng System
宋天锐等认为，串岭沟组的地质事件是由于燕山裂陷槽形成早期的火山活动及由其引发的地震事件产生的[3]。串岭沟组下部旋回的上段与中部旋回的下段出现明显的地震构造。宏观标志包括典型的砂体液化构造、层内滑塌构造和层内断层构造（图3）。微观标志包括小型泄水构造、细脉充填和显微层内错动[3]。
图3中元古界串岭沟组古地震沉积构造
Fig.3Paleoseismic Sedimentary Structures of Mesoproterozoic Chuanlinggou Formation
本次研究样品MC1采自北京昌平地区十三陵德胜口附近（40°17′56.8″N，116°10′55.8″E），属串岭沟组下部层位，岩性为粉砂质泥岩。详细的能谱分析发现了大量的独居石和金红石颗粒。图4为串岭沟组底部粉砂质泥岩显微照片，赤铁矿脉和几条石英脉清晰可见，独居石和金红石即分布在这些脉中。
能谱分析在北京矿冶研究总院扫描电镜室EDAX能谱分析仪上完成。测试样品表面磨平抛光，表面喷镀金膜。电子束加速电压（HV）为2500 kV，所需工作距离（WD）为10.5 mm，束斑为4.5 μm。
2独居石特征
独居石别名磷铈镧矿、磷镧铈石，化学式为（Ce，La，Nd，Th）（PO4），是一种富含轻稀土元素的磷酸盐矿物。因其含有较高的U、Th及较低的普通Pb[1314]，经常能形成一致的UPb和ThPb年龄，而且独居石UPb同位素体系封闭温度较高（530 ℃～720 ℃）[15]，不易受到后期热事件的干扰，是理想的UThPb定年对象[1618]。
图4串岭沟组底部粉砂质泥岩显微照片
Fig.4Photomicrograph of the Silty Mudstone from the Lower Part of Chuanlinggou Formation
独居石在背散射图像中呈亮白色（图5），粒径为30～88 μm，具他形粒状结构，形状复杂，可呈现出“鱼形”、“鸟形”、“花形”、“虫形”等各种形状。独居石颗粒的边部出现晶棱圆化、港湾状结构等特征。从图5可以看出，独居石内部有细小石英的交代残余结构。独居石有两种产状：①以分散细粒状或团粒状集合体沿着赤铁矿脉分布；②以他形晶粒状结构被包裹在石英脉中。
图6展示了独居石及其周边石英脉的能谱曲线。图6（a）中，Ⅰ所在区域为一独居石颗粒，具他形晶粒状结构，边缘呈锯齿状，被包含在石英脉里，Ⅱ所在区域为石英脉。
3金红石特征
在发现独居石的同时，还发现了金红石（化学式为TiO2，图7），背散射图像中呈暗灰色。根据能谱曲线，独居石生长在赤铁矿脉[图7（a）、（c）中十字标记处]上，数量较少，颗粒较大，而金红石[图7（e）、（g）中十字标记处]数量较多，单个颗粒较小，最大粒径仅为20 μm，呈不规则粒状结构，沿着赤铁矿脉呈串珠状分布，构成一条金红石细脉。
图7（i）中独居石的边上生长有金红石颗粒，两者之间为共结边结构，界面平整呈舒缓波状，反映矿物是近于同时结晶的。独居石和金红石内部均有细小的长石残余。
4独居石成因讨论
4.1年龄
独居石SHRIMP UPb原位定年在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心SHRIMP Ⅱ仪器上完成。独居石测年原理和方法见文献[19]。一次离子流O-2强度为1.55 nA，束斑为15 μm左右。独居石定年时，每个数据点的测定由5组扫描构成，对203（CePO2）+、204Pb+、背景值、206Pb+、207Pb+、208Pb+、238U+、248（ThO）+和254（UO）+共9个质量峰进行数据采集。独居石标准样GM3（U含量（质量分数，下同）为0.658 8%，年龄为486 Ma）用于未知样品U 含量标定和年龄校正。用于年龄计算的衰变常数为IUGS 同位素年代学分会的推荐值[20]。标准样GM3 和待测样之比为1∶（3～4）。数据处理采用Squid和ISOPLOT程序[2122]。实测204Pb用于普通Pb校正。单个数据点误差类型为1σ。
