北祁連西段玉石溝輝長巖巖石特征、LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及地質(zhì)意義

吳少鋒，何存發(fā)，張海青，袁桂林，陳禮標(biāo)，錢玉山

(青海省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海 西寧 810029)

北祁連位于華北克拉通西部阿拉善地塊與中祁連—柴達木泛地塊之間，是中國最具特色的造山帶之一。區(qū)內(nèi)發(fā)育了多條蛇綠混雜巖帶，其中玉石溝蛇綠巖是該區(qū)最為著名且國內(nèi)最早報道的蛇綠巖[1]。長期以來，許多學(xué)者就區(qū)內(nèi)的地層、巖漿巖、蛇綠巖、大地構(gòu)造等問題進行了大量的專題研究，其中對蛇綠巖的研究尤為突出。玉石溝蛇綠巖的形成時代目前還存在爭議，史仁燈等[2]通過對堆晶輝長巖中鋯石(SHRIMP)U-Pb法測年認定其時代為晚震旦世；夏林圻等[3]根據(jù)基性熔巖全巖Sm-Nd等時線測定年齡為522～495 Ma，認為玉石溝蛇綠巖形成于晚寒武世—早奧陶世；馮益民等[4]通過對沉積在火山巖上的硅質(zhì)巖中放射蟲時代研究，認為玉石溝蛇綠巖形成于早—中奧陶世。本文通過對玉石溝輝長巖的最新測年結(jié)果和巖石化學(xué)的分析，對玉石溝蛇綠巖的形成時代和形成環(huán)境進行了厘定和探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

北祁連山地區(qū)的大陸裂谷化起始于古元古代。由于古地幔柱的上涌，導(dǎo)致大陸巖石圈拉伸、減薄、裂谷化，至新元古代，裂谷作用進一步強化，到晚寒武世，最終發(fā)生大陸裂解和分離，形成北祁連早古生代洋盆，目前以構(gòu)造片形式被保存下來的托萊山晚寒武—早奧陶世洋脊—洋島型火山巖帶，就是北祁連山早古生代洋殼火山作用的產(chǎn)物。至早奧陶世，洋盆開始向北俯沖、消減，形成十分完整的北祁連早古生代脊—溝—弧—盆系[5]。玉石溝所處的北祁連中段寒武—奧陶紀(jì)地區(qū)為洋殼擴張和俯沖作用并存的機制，該地區(qū)分布的蛇綠巖為大洋擴張環(huán)境下所形成的洋殼殘片，現(xiàn)已仰沖構(gòu)造巖片形式被保存完整的蛇綠巖層序，超基性和基性巖為蛇綠巖的組成部分[1]。超基性巖體的巖石類型包括蛇紋石化輝橄巖、純欖巖及蛇紋巖等；基性巖體巖性較為單一，為輝長巖類，巖體內(nèi)時有超基性巖異離體。

2 巖相學(xué)

圖1 玉石溝地區(qū)地質(zhì)簡圖

玉石溝輝長巖是北祁連蛇綠混雜巖帶中出露面積較大的基性巖體，近東西向展布，南北最寬約5～5.5 km，東西最長為14.5 km，呈透鏡狀產(chǎn)出(圖1)，巖體南側(cè)與玄武巖斷層接觸，北側(cè)與輝橄巖、輝綠巖等呈斷層接觸。巖石為中細粒角閃輝長巖，露頭呈灰綠色，主要包括斜長石、暗色礦物、個別的副礦物等。斜長石為半自形晶板條狀、長柱狀，晶體的棱邊較平直，雙晶紋較寬，為中基性斜長石，含量約為63%，具較強烈的鈉黝簾石化。暗色礦物為角閃石和輝石，角閃石為長柱狀、柱粒狀，含量約為19%，具有纖閃石化、綠泥石化；輝石為短柱狀、柱粒狀，充填分布在斜長石的間隙中，粒徑多在1.0 mm以下，含量約為15%，見有少量綠泥石化。巖石的各類組份不均勻分布。偶見長柱狀、柱粒狀的磷灰石和粒狀的榍石出現(xiàn)，粒徑在0.1 mm以下，多包裹在角閃石之中。

3 樣品采集與測試方法

地球化學(xué)樣品采用垂直巖體走向等間距采集，采集間距約為60 m。采樣時挑選堅硬致密，蝕變較弱的塊狀樣品，樣品采集點經(jīng)度98(°)53(′)32(″)，緯度38(°)37(′)14(″)。

主量元素和微量元素在國土資源部西寧礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，其中主量元素采用ELAN DRC-e電感耦合等離子質(zhì)譜儀測定，微量元素采用ZSX PrimusⅡ波長色散X熒光光譜儀測定。

野外采集的年代學(xué)測試樣品約為15 kg，破碎至0.15～0.18 mm(80～120目)，用清水淘洗粉塵后，先用磁鐵出去磁鐵礦等磁性礦物，再用重液選出鋯石，最后在雙目鏡下人工挑選出鋯石，鋯石由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室挑選。鋯石年代分析在中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室微區(qū)同位素地球化學(xué)實驗室完成。

4 巖石化學(xué)特征

輝長巖巖石化學(xué)分析結(jié)果見表1。樣品的SiO2含量為45.61%～52.63%，平均值48.55%，屬于基性巖。所有巖石皆顯示出低Ti、P的特點，其中TiO2含量為0.15%～1.01%，以0.15%～0.54%為主，平均0.40%，P2O5含量為0.008 3%～0.05%。在TAS圖解(圖2)上主要位于輝長巖區(qū)，所有巖石均落在亞堿性系列區(qū)。樣品以貧鉀(K2O<1.25%)為特征。Al2O3介于7.36%～15.69%之間，F(xiàn)eO*為6.14%～12.71%(FeO=Fe3O4×0.899 8)。巖石的鎂值(Mg#)在0.34～0.67之間，F(xiàn)eO*/MgO值在0.49～1.94之間。在AFM圖解中(圖3)可以看出巖石主要落在拉斑玄武巖系列區(qū)，并接近FM線分布，反映出貧堿的特點。在FeO*/MgO-FeO*圖解中(圖4)，巖石投點大多落在MORB區(qū)，總體顯示巖石在大洋擴張脊條件下形成。

圖2 玉石溝輝長巖TAS圖解(Wilson，1989)

圖3 玉石溝輝長巖AFM圖解

5 地球化學(xué)特征

5.1 微量元素

微量元素測試成果見表2，輝長巖微量元素標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖5)呈現(xiàn)規(guī)律性變化，Rb、Ba、Th、Ta元素富集，K2O、Nb、Ce較為富集，P2O5和Cr的配分曲線呈平坦的右傾分布，其特征與E型MORB一致。Ba、Rb、Th、K2O都是活躍于地殼中的元素，這4個元素豐度值高，說明巖漿上升侵位過程中受到地殼的混染作用比較強烈。利用微量元素在Zr/4-Nb/2-Y圖解(圖6)，投點大多落在E型MORB區(qū)及附近區(qū)域，總體顯示出巖石為洋殼擴張環(huán)境下的產(chǎn)物。

1 擴張中心島嶼；2 島弧及活動大陸邊緣；3 MORB；4 大洋島；5 大陸的

圖5 玉石溝輝長巖微量元素標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖

AⅠ 板內(nèi)堿性玄武巖；AⅡ 板內(nèi)玄武巖和板內(nèi)拉班玄武巖；B E型MORB；C 板內(nèi)拉斑玄武巖；D N型MORB和火山弧玄武巖

5.2 稀土元素

巖石的稀土總量總體偏低，ΣREE為53.26×10-6～105.03×10-6之間，低于上地殼平均值(210×10-6)，巖石的δEu在0.51～0.70之間，顯示具有負Eu異常特征，反映了巖石中基性斜長石經(jīng)歷了較為強烈的分離結(jié)晶作用。巖石(La/Yb)N=6.04～9.77之間，(La/Sm)N=3.84～4.35之間，LREE/HREE=5.67～8.79之間，表明輕稀土富集，重稀土虧損，其有明顯的E型MORB特征。在以球粒隕石為標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素配分模式圖(圖7)，明顯看出曲線呈右傾斜的輕稀土富集型式，曲線模式與E型MORB曲線相似，指示了虧損地幔源的特征。

圖7 玉石溝輝長巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖

6 形成時代

史仁燈等[2]對玉石溝蛇綠巖中的蝕變的堆晶輝長巖挑選出11顆鋯石，其鋯石離子探針(SHRIMP)206Pb-238U加權(quán)平均年齡為 550 Ma±17 Ma，其MSWD=3.2，測試結(jié)果較為可靠。據(jù)夏林圻等[10]在上部具MORB特征的基性熔巖測得Sm-Nd等時線年齡522～495 Ma，代表了洋盆初具規(guī)模的時代。本次針對蛇綠巖中的堆晶輝長巖進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測年，其諧和年齡為502.0 Ma±4.3 Ma，屬于晚寒武世，應(yīng)該代表玉石溝輝長巖體的形成時間。本次研究采集的輝長巖較新鮮，塊狀構(gòu)造。在輝長巖樣品中選取了30鋯石進行了離子探針分析，選擇測年的鋯石大部分呈自形—半自形長柱狀，個別短柱狀，淡棕色，透明。絕大部分鋯石發(fā)育明顯的振蕩環(huán)帶，環(huán)帶窄而細密，個別鋯石中出現(xiàn)出現(xiàn)扇形分帶的結(jié)構(gòu)，鋯石陰極發(fā)光照片見，具有巖漿成因巖漿型鋯石的重要特征。鋯石同位素分析結(jié)果見表3，這30個點的Pb207/Pb206、Pb207/U235、Pb206/U238、Pb208/Th232有22個諧和性較好，8個不諧和。22個樣點鋯石U-Pb同位素諧和加權(quán)平均年齡為502.1 Ma±4.3 Ma。屬于晚寒武世，代表玉石溝蛇綠巖體的形成時間。綜上所述，玉石溝蛇綠巖主要是早寒武紀(jì)到早奧陶世形成，說明玉石溝古洋盆在早寒武紀(jì)已具有規(guī)模，其洋盆在550 Ma±17 Ma之前就已經(jīng)開啟。

7 構(gòu)造環(huán)境

洋中脊玄武巖(MORB)產(chǎn)于強擴張的大洋板塊邊緣，是洋殼的主要組成部分。MORB按照LREE虧損和富集分為N-MORB和E-MORB兩類，N-MORB相對虧損高度不相容元素和LREE，而E-MORB則相對富集不相容元素和LREE[6-7]。馮益民等[4]通過對玉石溝蛇綠巖的基性熔巖中的REE和微量元素的標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線的分析，認為玉石溝蛇綠巖接近N型MORB，而本次通過對玉石溝蛇綠巖套中的輝長巖進行微量元素、常量元素及稀土元素綜合分析，可以明顯的看出巖石不相容元素和LREE較富集，具有明顯的E型MORB特征，E型MORB被認為是富集的地幔柱與虧損的地幔組分不同程度混合的產(chǎn)物，通過大量具有E-MORB特征的熔巖出現(xiàn)在遠離地幔柱的洋中脊或慢速擴張的洋中脊以及弧后盆地構(gòu)造背景，說明了E-MORB是與地幔柱無關(guān)的，是洋脊自身的特點。玉石溝蛇綠巖具有N-MORB和E-MORB特征，N-MORB來自虧損的軟流圈地幔橄欖巖，是在洋脊下無水環(huán)境的中—高程度部分熔融形成的[7]，而產(chǎn)于洋中脊的E-MORB可能受下部富集地幔上來的包體的影響，具有富集LREE特征。因此，玉石溝蛇綠巖形成于玉石溝古洋中脊環(huán)境，同時受到下部富集地幔的影響。

8 結(jié) 論

通過對玉石溝蛇綠巖帶中的輝長巖開展了巖相學(xué)、LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素分析和地球化學(xué)研究，同時結(jié)合前人研究成果，獲得了以下初步結(jié)論。

1)玉石溝蛇綠巖帶中的輝長巖巖石化學(xué)組成屬于拉班玄武巖系列，巖石化學(xué)及稀土元素特征表明，玉石溝蛇綠巖具有N-MORB和E-MORB的特征，形成于玉石溝古大洋中脊環(huán)境。

2)玉石溝蛇綠巖套形成年齡段在550～495Ma，從而得出玉石溝洋盆開啟于前寒武紀(jì)并經(jīng)歷了相當(dāng)長的時間達到一定的規(guī)模。