甘肅北山地區(qū)花牛山群變英安巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡、地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

謝建強(qiáng)，第鵬飛，，楊婧，陳萬(wàn)峰，魏海峰，翟新偉

(1.甘肅省礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量評(píng)審中心，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院，甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘭州大學(xué)),甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000)

北山造山帶位于中亞造山帶南緣，經(jīng)歷了早古生代至早中生代長(zhǎng)期的、復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程(XIAO et al.，2004a，2004b；JAHN，2004；WINDLEY et al.，2007；TIAN et al.，2014)，其東西分別與阿拉善和天山相接，地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜(何世平等，2002；龔全勝等，2002；左國(guó)朝等，2003；賀振宇等，2014)。眾多研究學(xué)者對(duì)該區(qū)進(jìn)行了詳盡的研究，尤其對(duì)區(qū)域內(nèi)成礦作用和成礦模式研究較多，而對(duì)該區(qū)巖漿巖的年代學(xué)、地球化學(xué)研究相對(duì)較弱(左國(guó)朝等，1990a，1990b；張銘杰等，1998；聶鳳軍等，2002a，2002b；楊合群等，2010；殷勇等，2010；楊建國(guó)等，2010，2011；朱江，2013；SONG et al.，2013a，2013b；余吉遠(yuǎn)等，2015)。對(duì)于筆者研究的采集于花牛山群中的變英安巖，存在較大的爭(zhēng)議。楊建國(guó)等(2010)認(rèn)為花牛山鉛鋅礦區(qū)玄武巖形成于晚薊縣世，余吉遠(yuǎn)等(2015)認(rèn)為花牛山群有薊縣紀(jì)和奧陶紀(jì)兩期火山巖漿作用，但并沒(méi)有確切的年代學(xué)證據(jù)。

筆者以詳細(xì)野外地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，利用巖石學(xué)、地球化學(xué)及年代學(xué)手段，選擇北山花牛山鉛鋅礦區(qū)花牛山群變英安巖為研究對(duì)象，揭示花牛山群的沉積時(shí)代和形成環(huán)境及其與成礦的關(guān)系。

1 區(qū)域構(gòu)造背景及巖體特征

花牛山位于北山地區(qū)南部，牛圈子-洗腸井和輝銅山-帳房山兩條蛇綠巖帶之間，是連接塔里木板塊與哈薩克斯坦的關(guān)鍵部位(劉雪亞等，1995；代文軍，2002；左國(guó)朝等，2003)(圖1)，區(qū)域上產(chǎn)出輝鉬礦、金礦、鉛鋅礦等多種礦產(chǎn)，備受學(xué)者觀注。

本次研究的變英安巖位于花牛山鉛鋅礦三礦區(qū)，整合產(chǎn)出于奧陶系花牛山群，近東—西向展布，其周邊還有大量的變安山巖、砂巖、大理巖出露，并有超基性巖、花崗巖以及煌斑巖脈和斑狀花崗巖脈侵入(圖2、圖3)。

1.沖洪積物；2.花崗巖；3.變安山巖；4.砂巖；5.大理巖；6.變英安巖；7.矽卡巖；8.云斜煌斑巖脈；9.石英脈；10.蝕變超基性巖；11.斑狀花崗巖脈；12.鉛礦體；13.斷裂；14.斷裂破碎帶；15.地質(zhì)界線；16.同位素年齡；17.采樣位置及編號(hào)圖2 研究區(qū)內(nèi)巖體分布地質(zhì)簡(jiǎn)圖及變英安巖采樣位置圖Fig.2 The geological schematic diagram of rock mass distribution in the study area and the sampling location map of metamorphic dacite

變英安巖：風(fēng)化面呈深褐色，新鮮面呈灰色，具斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要由斑晶(24%)和基質(zhì)(76%)組成，其中斑晶為斜長(zhǎng)石，基質(zhì)為普通角閃石、斜長(zhǎng)石、石英及少量副礦物。斑晶斜長(zhǎng)石呈板條狀，可見(jiàn)聚片雙晶，粒徑遠(yuǎn)大于其他礦物粒度，具較強(qiáng)的破裂現(xiàn)象；基質(zhì)斜長(zhǎng)石大多呈粒狀，約占40%；普通角閃石呈短柱狀，約占22%，具多色性，破碎、蝕變嚴(yán)重，可見(jiàn)細(xì)小纖閃石化石英呈他形粒狀，約占14%，不均勻分布在斜長(zhǎng)石空隙間，副礦物含量不足1%(圖4)。

2 樣品測(cè)試方法

樣品采集以選擇新鮮巖體露頭巖石標(biāo)本為原則，經(jīng)薄片制作，室內(nèi)鏡下鑒定，選擇典型樣品用于主微量稀土元素分析及同位素年齡測(cè)定。主微量稀土元素由廣州澳實(shí)有限公司檢測(cè)。同位素年齡樣品由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用LA-ICP- MS鋯石U-Pb測(cè)年法分析檢測(cè)，其所使用的儀器為安捷倫-Agilient 7500a。

3 鋯石年代學(xué)特征

變英安巖中的鋯石大多呈暗灰色，自形程度較高，呈半自形-自形，多為長(zhǎng)柱狀，顆粒寬約40～90μm，長(zhǎng)約110～220μm。從圖5變英安巖部分鋯石陰極發(fā)光(CL)影像圖看，鋯石具明顯的巖漿振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)，其為典型的巖漿鋯石(HOSKIN et al.，2003)。

1.凝灰質(zhì)砂巖；2.變質(zhì)細(xì)粒巖悄砂巖；3.透閃石化細(xì)粒巖屑砂巖；4.硅質(zhì)巖；5.含黃鐵礦泥質(zhì)硅質(zhì)巖；6.含黃銅礦黃鐵礦化碎裂泥質(zhì)硅質(zhì)巖；7.石英透閃石巖；8.條帶狀大理巖；9.花崗閃長(zhǎng)斑巖；10.變石英安山巖；11.變安山巖；12.變英安巖圖3 花牛山地區(qū)實(shí)測(cè)剖面圖Fig.3 Huaniushan area measured sectional mapping

Hb.普通角閃石;Pl.斜長(zhǎng)石;Qz.石英圖4 變英安巖偏光顯微鏡下照片(左：10×5-；右：10×5+)Fig.4 Polarizing microscope photos of metamorphic dacite

圖5 變英安巖部分鋯石陰極發(fā)光(CL)影像圖及激光剝蝕位置Fig.5 Zircon crystal CL images of metamorphic dacite and laser denudation position

變英安巖LA-ICP- MS鋯石U-Pb測(cè)年法得到的年齡中有20個(gè)有效年齡(表1)，年齡主要分布在(443±5)～(458±3)Ma，諧和年齡為(455±1)Ma(MSWD=0.28)，加權(quán)平均年齡為(454±2)Ma(MSWD=1.01)(圖6)，加權(quán)平均年齡與諧和年齡基本一致，表明變英安巖形成于晚奧陶世早期。

表1 變英安巖LA - ICP - MS鋯石U-Pb年齡分析結(jié)果Tab.1 Zircon U-Pb LA - ICP - MS dating results of the metamorphic dacite

注：測(cè)試單位：西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。

圖6 鋯石U - Pb年齡諧和圖和加權(quán)平均年齡圖Fig.6 U-Pb Concordia age andweighted average age for zircon of metamorphic dacite

4 地球化學(xué)特征

花牛山地區(qū)變英安巖主微量、稀土元素分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，變英安巖具中等SiO2(57.36%～64.2%)、高Al2O3(16.67%～18.91%)、變化較大的Na2O(0.52%～3.24%)、高K2O(2.56%～4.40%)、略低的MgO(1.76%～2.95%，Mg#=24.13～29.48)。

在Zr/TiO2-SiO2圖解中(圖7)，有3個(gè)樣品落入安山巖區(qū)域，2個(gè)樣品落入流紋—英安巖區(qū)。在TAS圖解中(圖8)，有2個(gè)樣品落入安山巖區(qū)域，3個(gè)樣品落入英安巖區(qū)。同時(shí)鏡下鑒定結(jié)果為變英安巖，結(jié)合野外巖體與地層的接觸關(guān)系最終將其定名為變英安巖。在K2O-SiO2圖解中(圖9)，有2個(gè)樣品落入高鉀鈣堿性系列，3個(gè)樣品落入鉀玄巖系列；在A/CNK - A/NK圖解中(圖10)，所有樣品均上落入過(guò)準(zhǔn)鋁質(zhì)范圍。

表2 變英安巖主(%)微量(10-6)元素含量表Tab.2 The major elements(%)and trace elements(10-6)of metamorphic dacite

續(xù)表2

樣品號(hào)HN4?1HN4?2HN4?3HN4?4HN4?5樣品號(hào)HN4?1HN4?2HN4?3HN4?4HN4?5Mg#26582674241329482539Y34631425926265FL4364391501831625991Ho11510208409087MF7043702673066735717Er335308243258261Cs317328233147141Tm05044037039042Ga25724822222215Yb328279235266254Rb193519452071005133Lu04904203404037Ba913891624500646∑REE370123185520346212992059Th30827813851485137δEu086096093088092U343388404384345(La/Yb)N19311921143213081341

圖7 Zr/TiO2-SiO2圖解(據(jù)WINCHESTER et al.，1976)Fig.7 Zr/TiO2-SiO2 discrimination diagram

圖8 TAS圖解(據(jù)MIDDLEMOST，1994)Fig.8 TAS discrimination diagram

圖9 K2O-SiO2圖解(據(jù)PECCERILLO et al.，1976)Fig.9 K2O-SiO2 discrimination diagram

圖10 A/CNK-A/NK圖解(據(jù)SHAND，1943)Fig.10 A/CNK-A/NKdiscrimination diagram

研究區(qū)變英安巖在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖11)中顯示出強(qiáng)烈的Rb、Th、U、K、Pb正異常、微弱的Zr、Hf正異常，強(qiáng)烈的Nb、Ta、Ti負(fù)異常，Th含量變化較大，具低的Nb/La(0.29～0.45)、Ta/Yb(0.55～0.64)和高的Rb含量，表明其在形成過(guò)程中受到俯沖流體的交代，并在侵位過(guò)程中受到地殼混染。

變英安巖稀土含量高，(La/Yb)N介于13.08～19.31，ΣLREE/ΣHREE為10.98～14.42，平均為12.36，輕重稀土元素分餾明顯；在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(圖12)中強(qiáng)烈右傾，并顯示出較弱的δEu負(fù)異常(0.82～0.91，平均為0.88)，同時(shí)具較高的Yb含量。

圖11 原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(原始地幔標(biāo)準(zhǔn)值據(jù)SUN et al.，1989)Fig.11 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams of metamorphic dacite

圖12 變英安巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)值據(jù)SUN et al.，1989)Fig.12 Chondrite-normalized REE patterns of metamorphic dacite

5 討論

5.1 巖石成因及構(gòu)造巖漿演化

花牛山地區(qū)出露有變玄武巖、變安山巖、變英安巖等一系列巖石組合，筆者研究的變英安巖由于受蝕變作用影響，故主要用高場(chǎng)強(qiáng)元素來(lái)討論其物源和成因。

變英安巖具很高的K2O含量，在蛛網(wǎng)圖中，虧損Nb、Ta、Ti，富集Rb、Th、U、K、Pb，顯示出典型的島弧性質(zhì)；變化的Th含量、高的Rb含量和弱的Zr、Hf正異常，表明其受到強(qiáng)烈的流體交代作用和地殼不均一混染。在稀土元素配分圖中顯示出輕重稀土元素強(qiáng)烈分餾，并且具微弱Eu負(fù)異常，以上均表現(xiàn)出典型的島弧型巖漿巖特征。變英安巖中Yb含量約2.72×10-6(<5×10-6)，推測(cè)其可能受俯沖流體的影響(CONDIE，1989)。

變英安巖具有較高的Th(20.20×10-6)、Th/Ta(12.32)，Ce/Th(5.62)和Ba/Th(35.39)，與典型的島弧玄武巖特征相近(Th/Ta>1.6)，推測(cè)其源區(qū)可能有受到俯沖沉積物熔體的影響(EDWARDS et al.，1994；RUDNICK et al.，2003)。同時(shí)Nb含量為22.38×10-6，也與俯沖板片部分熔融產(chǎn)生的玄武質(zhì)火山巖(Nb>7.0×10-6)一致(BARBARIN，1999；BADARCH et al.，2002)，加上樣品具有高的Th/Yb和(La/Yb)N，均表明變英安巖具島弧巖漿特征。

5.2 變英安巖年代學(xué)及地質(zhì)意義

前人對(duì)花牛山群的沉積時(shí)代有多種認(rèn)識(shí)：通過(guò)花牛山群上部薄層灰?guī)r中產(chǎn)出的化石，將其時(shí)代籠統(tǒng)置于奧陶紀(jì)；其后趙澤輝等(2007)通過(guò)研究侵入于花牛山群的花崗巖〔(436±9)Ma〕，認(rèn)為花牛山群玄武巖形成時(shí)代上限為晚奧陶世；楊建國(guó)等(2010)通過(guò)花牛山群玄武巖的鋯石U-Pb年齡〔(1 071±5)Ma〕研究，認(rèn)為在晚薊縣世花牛山地區(qū)發(fā)生火山噴溢活動(dòng)，同時(shí)為花牛山銀鉛鋅礦床的形成提供了物質(zhì)來(lái)源；余吉遠(yuǎn)等(2015)認(rèn)為花牛山群包含兩期火山巖，分別為形成于裂谷環(huán)境的薊縣紀(jì)火山巖和形成于有限洋盆擴(kuò)張環(huán)境的奧陶紀(jì)火山巖，但并未提供確切的年代學(xué)證據(jù)。而筆者研究的變英安巖整合產(chǎn)出于花牛山地區(qū)花牛山群，為真正意義上的花牛山群火山巖，其形成時(shí)代為早古生代晚奧陶世早期，為(454.7±0.87)Ma，代表了花牛山群的沉積時(shí)代，為晚奧陶世。

在晚奧陶世早期，牛圈子-洗腸井蛇綠巖帶所代表的洋盆正在向南俯沖，軟流圈地幔在俯沖板片脫水產(chǎn)生的流體加入后發(fā)生部分熔融，同時(shí)有少量的俯沖沉積物加入熔體，隨后熔體快速上升噴出地表形成英安巖，并在漫長(zhǎng)的地質(zhì)過(guò)程中遭受一定程度的變質(zhì)作用?；ㄅＩ饺撼练e于大陸邊緣弧(活動(dòng)陸緣)環(huán)境，與花牛山鉛鋅礦的噴流(氣)沉積型塊狀硫化物礦床形成環(huán)境不符，與余吉遠(yuǎn)等(2015)認(rèn)為的花牛山群火山巖形成于大陸裂谷環(huán)境不符，所以花牛山鉛鋅礦與上奧陶統(tǒng)花牛山群并無(wú)直接關(guān)系，其成礦物質(zhì)可能來(lái)源于晚薊縣火山巖，因此花牛山地區(qū)的找礦重點(diǎn)應(yīng)放于晚薊縣火山巖層位上。

6 結(jié)論

(1)變英安巖整合產(chǎn)出于花牛山群，本次研究獲得其LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為(455±1)Ma(MSWD=0.28)，該年齡可為準(zhǔn)確厘定花牛山群的沉積時(shí)代提供新的依據(jù)，從而將其修訂為上奧陶統(tǒng)。

(2)變英安巖形成的構(gòu)造環(huán)境為大陸邊緣弧(活動(dòng)陸緣)環(huán)境，其形成與俯沖流體交代或俯沖沉積物的加入有關(guān)，為陸緣弧火山巖，其并非花牛山鉛鋅礦的賦礦層位。

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