柴達木盆地北緣錫鐵山鉛鋅礦區(qū)輝長巖鋯石U-Pb年代、巖石地球化學(xué)和Hf同位素特征

廖宇斌，李碧樂，孫永剛，楊佰慧，高歌悅，劉國文

吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

0 引言

柴達木盆地北部邊緣(以下簡稱柴北緣)是青藏高原北部非常重要的構(gòu)造帶，帶內(nèi)發(fā)育海相火山巖、蛇綠巖套和超高壓變質(zhì)帶[1-7]，產(chǎn)出有中國著名的錫鐵山超大型鉛鋅礦床，以及近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的青龍溝、金龍溝、細晶溝和青龍灘等大型金礦。該帶以其獨特的構(gòu)造背景和找礦突破，近年來備受地學(xué)界和礦產(chǎn)勘查界關(guān)注。柴北緣海相火山巖為一套呈NW向展布的早古生代淺變質(zhì)火山巖組合，稱為灘澗山群，主要出露在賽什騰山—灘間山、綠梁山、錫鐵山和沙柳河等地，也是錫鐵山鉛鋅礦的容礦圍巖。前人趨同認為該區(qū)大部分基性巖是與俯沖有關(guān)的島弧火山巖，形成年齡在520～450 Ma[4-5,8]，這種島弧玄武巖是早古生代區(qū)域上洋陸俯沖過程中不同階段的產(chǎn)物[9]，柴北緣地區(qū)在早古生代已發(fā)育成為一個成熟的多島洋盆并開始發(fā)生俯沖消減[10]，進一步研究認為柴北緣西段綠梁山大平溝地區(qū)(535±2)Ma的變輝長巖為弧后盆地型蛇綠巖的組成部分[11]。本次工作在錫鐵山礦區(qū)灘間山群地層中發(fā)現(xiàn)了分布其中的輝長巖脈，本文旨在通過該輝長巖脈的巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)、鋯石U-Pb年齡和Hf同位素研究，揭示巖石成因和構(gòu)造背景，為柴北緣早古生代巖漿演化和構(gòu)造背景的研究提供重要資料，提升錫鐵山鉛鋅礦床成礦地質(zhì)背景的研究程度。

1 成礦地質(zhì)背景與礦床地質(zhì)

1.1 成礦地質(zhì)背景

錫鐵山鉛鋅礦床處于青海省中部，大地構(gòu)造位置處于柴達木地塊及祁連地塊的交界處的超高壓變質(zhì)帶內(nèi)。該超高壓變質(zhì)帶呈北西西向展布[12](圖1a)，東起都蘭縣，經(jīng)德令哈、錫鐵山、綠梁山和魚卡等地，西至小賽什騰山，延伸超過700 km，形成于早古生代[13-14]。

礦區(qū)及外圍出露的主要地層有古元古代達肯達坂群、早古生代灘間山群、晚泥盆世阿木尼克組以及早石炭世穿山溝組和新生界(圖1b)。其中，達肯達坂群出露范圍最廣，并且是形成時代最早的結(jié)晶基底，零星分布于礦區(qū)北西和北東兩側(cè)，主要由各種片巖、片麻巖以及規(guī)模不等的榴輝巖所組成。灘間山群是錫鐵山礦區(qū)主要賦礦層位，在礦區(qū)西北側(cè)與達肯達坂群呈斷層接觸，巖性主要為變質(zhì)火山巖和少量碳酸鹽巖，受綠片巖相變質(zhì)作用的影響。阿木尼克組沿斷層分布，由紫紅色復(fù)成分細礫巖、砂巖磨拉石沉積建造組成。穿山溝組主要由紅、棕色粉砂巖組成，細砂巖，夾砂質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑巖、含礫砂巖及礫巖。研究區(qū)南側(cè)斷續(xù)分布古近紀地層，巖性為赤色、棕色砂巖、含礫砂巖以及礫巖。

研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育，拉伸線理方向與鞘褶皺方向近平行，以長英質(zhì)塑性流變帶、右行剪切褶皺、σ型碎斑系、旋轉(zhuǎn)及拉長透鏡體為特征的糜棱巖化韌性剪切帶成為達肯達坂群及灘間山群地層的分界線；區(qū)內(nèi)礦化主要受北西向斷裂構(gòu)造控制。研究區(qū)發(fā)育不同期次的花崗巖、花崗斑巖、石英閃長巖、輝長巖、輝綠巖、玄武巖、安山巖和英安巖等。近兩年來在巖石地球化學(xué)方面的研究顯示錫鐵山礦區(qū)內(nèi)出露海西期花崗斑巖及二長花崗巖鋯石年齡相近，并且有南祁連地塊向柴達木板塊俯沖碰撞后伸展環(huán)境的結(jié)論[15-16]。

1.2 礦床地質(zhì)特征

錫鐵山鉛鋅礦目前被認為是一種噴流沉積-疊加改造型礦床[17]。熱水噴流不僅可以為成巖提供穩(wěn)定的熱力來源又可為其提供成礦壓力，也為后期熱液蝕變奠定基礎(chǔ)，遂可以解釋為何在巖相學(xué)鑒定中會有石英的出現(xiàn)。礦體主要賦存于正常沉積巖巖段與基性火山巖和酸性火山巖巖組中，可分為大理巖型、片巖型和復(fù)合型礦體；成礦期次分為噴流沉積成礦期、變形-變質(zhì)改造期和巖漿期后熱液疊加期；物質(zhì)來源為殼?；旌显矗畈炕鹕綆r和上部正常沉積巖的混合；流體以巖漿熱液為主，混合部分海水、變質(zhì)水及淺源水，也顯示出深源與淺源的混合。

2 樣品特征與分析方法

2.1 樣品特征

輝長巖出露在礦區(qū)中部，呈巖株狀和脈狀產(chǎn)出，采樣位置坐標37°26′40″N， 95°40′23″E(圖1b)。輝長巖樣品新鮮面呈灰綠色，主要礦物成分斜長石(±50%)和普通輝石(±30%)及角閃石(±10)。斜長石呈半自形，板狀，粒徑為 0.25～6 mm，有一定程度的碎裂和絹云母化，偶見聚片雙晶；輝石呈自形短柱狀-半自形，粒徑在0.2～3 mm，發(fā)育綠泥石化；角閃石粒徑在0.2～4 mm，變晶結(jié)構(gòu)，發(fā)育綠泥石化(圖2)。由于該輝長巖經(jīng)歷了后期的熱動力變質(zhì)作用，其中的主要礦物發(fā)生了碎裂和蝕變，故主要礦物顆粒大小差別大。通過鏡下觀察分析，原巖為中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。此外，在使用高倍鏡時可觀察到巖石中含極少量呈波狀消光的石英集合體狀圍繞斜長石晶體分布，應(yīng)是斜長石后期蝕變成石英和絹云母所致。副礦物有少量磷灰石、鋯石等。

Pl.斜長石; Aug.普通輝石; Px/Am.輝石或角閃石假象; Srt.絹云母。圖2 錫鐵山輝長巖顯微巖相學(xué)特征 (+)Fig.2 Microscopic characteristics of gabbro in Xitieshan area

2.2 LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年

在河北省廊坊區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所，利用標準重礦物分離技術(shù)對錫鐵山輝長巖鋯石進行分選、制靶以及陰極發(fā)光圖像分析。通過雙目鏡下挑選表面平整光潔且形狀規(guī)則的鋯石顆粒，將其粘在雙面膠上，并用環(huán)氧樹脂固定，待其固化對其表面進行拋光處理后送至鋯石中心。在進行分析前，利用陰極發(fā)光圖像觀測鋯石的晶形和結(jié)構(gòu)特征，選擇完整且無包裹體的樣品進行分析。LA-ICP-MS鋯石U-Pb的年齡測定在西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室完成，采用的激光器Geo Las 200M剝蝕系統(tǒng)以193 nmArF為準分子并使用He當作剝蝕載氣。ICP-MS為Agilent 7700，激光束斑直徑24 μm。外標準礦物以國際標準鋯石91500，元素含量采用NIST SRM 610，內(nèi)標元素為29Si，儀器參數(shù)及具體操作方法參考[18]；處理數(shù)據(jù)使用Glitter程序，校正普通鉛使用Anderson推薦的方法；鋯石年齡得計算及繪圖采用Isoplot 3.0插件。

2.3 巖石地球化學(xué)測試

在吉林大學(xué)測試實驗中心開展錫鐵山輝長巖的巖石地球化學(xué)分析測試。樣品制備時首先進行清洗，選擇蝕變程度低的樣品進行樣品粉碎工作。主量元素采用X射線熒光光譜(XRF)進行分析，分析精度優(yōu)于5%；稀土和微量元素采用Agilent 7500A型電感耦合等離子質(zhì)譜儀分析測試，采用國際標樣BHVO-2、BCR-2和國家標樣GBW07103、GBW07104作為參考物質(zhì)，分析精度優(yōu)于10%。詳細的實驗分析方法見文獻[19]。

2.4 鋯石Lu-Hf同位素測試

鋯石Lu-Hf同位素分析于中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所的實驗室中進行，使用Neptune多接收電感耦合等離子質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)完成鋯石分析測定。激光剝蝕系統(tǒng)為New Wave UP 213，激光束斑直徑根據(jù)鋯石大小采用40 μm或55 μm。實驗中采用He作剝蝕物質(zhì)載氣，采用國際標樣Plesovice作參考物質(zhì)。詳細儀器操作條件和分析方法可參照相關(guān)文獻[20]。

3 測試結(jié)果

3.1 巖石地球化學(xué)特征

錫鐵山輝長巖巖石主量元素化學(xué)分析計算結(jié)果如表1所示，SiO2含量范圍在47.88%～49.87%之間，具有典型的基性巖特征；全堿(Na2O + K2O)范圍在3.01%～3.74%之間，含量較低；Na2O含量為2.67%～3.24%，K2O含量為0.34%～0.56%，Na2O/K2O > 1，相對貧鉀富鈉；CaO含量為12.34%～12.51%；Al2O3含量為21.63%～22.08%，高鋁。MgO含量為4.66%～5.21%,里特曼指數(shù)σ的范圍在1.86%～2.12%，σ < 3.3,Mg#變化于62～66之間,TiO2含量為0.47%～0.51%。在TAS全堿-硅分類圖解[21]中(圖3a)，樣點集中分布于在輝長巖區(qū)域；在SiO2-K2O圖解[22]上(圖3b)樣點集中分布在中鈣堿性區(qū)域內(nèi)。在SiO2-K2O圖解中樣點均落入由低鉀拉斑玄武巖系列向鈣堿性玄武巖過渡區(qū)域內(nèi)， 在F1-F2圖解[23](圖4a)和F2-F3圖解中(圖4b)， 樣點主要落入鈣堿性(高鋁)和島弧玄武巖區(qū)域及附近。

圖3 青海錫鐵山輝長巖TAS (a) [21]和SiO2--K2O(b)圖解[22]Fig.3 TAS diagram (a) and SiO2 versus K2O diagram (b) for gabbro in Xitieshan area

表1 錫鐵山輝長巖主量元素分析結(jié)果及特征值Table 1 Analysis results and eigenvalues for major elements of gabbro in Xitieshan area /10-2

圖4 錫鐵山輝長巖F1--F2(a)和F2--F3(b)圖解[23]Fig.4 F1--F2 (a) and F2--F3 (b) diagrams of gabbro in Xitieshan area

輝長巖樣品的微量和稀土元素分析結(jié)果如表2所示，巖石稀土總量豐度較低，∑REE在18.38×10-6～22.65×10-6之間；輕重稀土之比LREE/HREE=3.43～3.79，(La/Yb)N=3.07～3.45，具有富集輕稀土，重稀土元素分餾的特征；δEu含量為1.84～1.92，全部>1，顯示出正銪異常特征，說明源區(qū)沒有斜長石結(jié)晶或殘留。Sm/Nd比值為0.22～0.28，具備典型地幔源巖漿特征[24]。稀土元素曲線總體呈現(xiàn)略微右傾且平坦的曲線變化形式(圖5a)。

表2 錫鐵山輝長巖微量和稀土元素含量分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)Table 2 Trace and rare elements analysis results and parameters of gabbro in Xitieshan area /10-6

續(xù)表2

在原始地幔為標準化的微量元素比值蛛網(wǎng)圖[26]上(圖5b)，樣品的(Rb/Yb)N比值>1，曲線呈雙隆起右傾的型式，其中富集大離子親石元素K、Ba、Sr，虧損高場強元素Nb、Zr。

圖5 球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(a) [25]和原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(b)[26]Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive matle-normalized trace element spider diagrams (b) of gabbro in Xitieshan area

3.2 LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡

錫鐵山輝長巖中的鋯石呈他形及長條狀自形晶體，長軸約100～350 μm，長寬比多介于(2∶ 1)～(3∶ 1)， 多具有比較明顯的韻律環(huán)帶及條帶結(jié)構(gòu)(圖6)，顯示為巖漿鋯石特征。此外在挑選的百粒鋯石樣品CL圖像下，僅見兩粒鋯石呈現(xiàn)核部為橢圓形邊部為環(huán)帶的捕獲鋯石。

圖6 錫鐵山輝長巖鋯石CL圖像Fig.6 CL images of zircon grains from gabbro in Xitieshan area

選取14個分析點的U含量介于(30.25～408.43)×10-6、Th含量介于(22.71～396.24)×10-6，Th/U比值介于0.59～0.98之間，均值0.8，理論上指示了鋯石為巖漿成因[27-28]。鋯石206Pb/238U年齡范圍于531～510 Ma之間(圖7a)，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(514.7 ± 1.1)Ma(n= 22，MSWD = 0.27)(圖7b)。錫鐵山輝長巖U-Pb測年結(jié)果見表3。近年來也有研究表明，同成因鋯石具有不同的Th、U含量及Th/U比值,但有些變質(zhì)過程中形成的鋯石不僅可能具有振蕩環(huán)帶，而且其 Th/U比值也有可能較高(>0.7)[29],而不同于以往通過對鋯石Th/U比值的劃分來區(qū)分鋯石的成因。由于該輝長巖鋯石年齡值較集中，諧和較好，基本可反映為巖石的形成年齡，屬中寒武世。

圖7 錫鐵山輝長巖鋯石U--Pb年齡諧和年齡(a)和加權(quán)平均年齡(b)Fig.7 Diagrams of zircon U--Pb concordia age(a) and weighted mean age (b) of gabbro in Xitieshan area

表3 錫鐵山輝長巖鋯石LA--ICP--MS U--Pb測年結(jié)果Table 3 LA--ICP--MS zircon U--Pb dating results of gabbro in Xitieshan area

3.3 鋯石Lu-Hf同位素

在鋯石測年基礎(chǔ)上，開展了鋯石中的Hf同位素分析(表4)。鋯石中176Lu/177Hf=0.000 378～0.000 895， 表示鋯石在形成后Hf呈低放射成因累積， 同時有較低的比值，結(jié)合地質(zhì)背景考慮可能與淺變質(zhì)作用有關(guān)， 例如某些礦物重結(jié)晶。 測得176Hf/177Hf=0.282 570～0.282 67， 均值為0.282 615， 結(jié)合輝長巖鋯石U-Pb年齡計算得出Hf同位素εHf(t)值為4.0～7.7，單階段模式年齡(TDM1)為950～812 Ma，均值為891 Ma，二階段模式年齡(TDM2)為1 221～991 Ma，均值為1 123 Ma。

表4 錫鐵山輝長巖鋯石Lu--Hf同位素分析結(jié)果Table 4 Zircon Lu--Hf isotopic compositions for gabbro in Xitieshan area

4 討論

4.1 巖石成因及巖漿源區(qū)

巖石地球化學(xué)特征上，錫鐵山礦區(qū)輝長巖貧堿、富鋁、貧鉀、富鈉、富鈣，富集大離子親石元素K、Ba、Sr，虧損高場強元素Nb、Zr。不相容元素具相近的分配系數(shù)而不受分離結(jié)晶作用影響，且當幔源物質(zhì)在部分熔融過程時只產(chǎn)生微小的變化，因此常用來指示源區(qū)特征[30]。

錫鐵山輝長巖的Th/La比為(0.036～0.063),均值為0.054,原始地幔和大陸殼的均值分別是0.125、0.204[31]，接近地幔值而明顯低于大陸殼的均值；La/Sm比為(2.314～2.665)，均值為2.530，與受地殼物質(zhì)混染的幔源巖漿值近一致(受到巖石圈地?；烊竞驦a/Sm > 25，受地殼物質(zhì)混染La/Sm > 5[32])。Nb/La比值為(0.521～0.926)，均值為0.705，來自軟流圈的玄武巖質(zhì)巖漿的比值較高,通常>1,而來自巖石圈的比值相對較低，一般<0.5[33]，反映巖漿源區(qū)主要為巖石圈地幔。(Th/Nb)N比值(0.33～0.90)<1又表明巖漿未受到明顯地殼混染[34]。

研究巖石地球化學(xué)時Mg#數(shù)值主要跟原始巖漿的成分(源區(qū)+部分熔融程度)和巖漿演化程度有關(guān)。錫鐵山輝長巖具有較高Mg#值(62～66),與原生幔源巖漿的Mg#值為(65～75)[35]相近；巖石Cr、Ni、Co、Sc和V含量分別為(70.9～77.8)×10-6、(31.5～35.4) ×10-6、(16.6～21.3)×10-6、(10.7～19.0)×10-6、(96.5～145.1)×10-6，含量均較高； Sr元素含量(499.80～551.00)×10-6，平均值為534.88×10-6，明顯比原始地幔值17.8×10-6 [30]更高；上述巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)反映巖漿源區(qū)不僅來自于地幔，還很有可能遭受到來自圍巖的混染或是由于俯沖板塊產(chǎn)生的流體交代作用所影響[36-37]。

除火成巖微量稀土素外，鋯石Hf同位素對巖漿源區(qū)性質(zhì)同樣可以提供制約[38-39]。輝長巖巖漿鋯石εHf(t)為+4.0～+7.7,均 > 0。在T-εHf(t)圖解(圖8)上位于球粒隕石與虧損地幔的過渡區(qū)域，指示巖漿主要來源于虧損地幔。

圖8 錫鐵山輝長巖石Hf同位素鋯石特征Fig.8 Zircon Hf isotopic compositions for gabbro in Xitieshan area

綜上所述，該輝長巖巖漿主要來源于俯沖板塊脫水及巖石圈地幔交代共同作用所形成的流體，巖漿侵位過程中可能有少量地殼物質(zhì)的加入。

4.2 構(gòu)造背景

錫鐵山輝長巖為鈣堿性系列巖石，高鋁(Al2O3=21.63%～22.08%)、鉀含量低(K2O = 0.34%～0.56%)、全堿含量低(Na2O + K2O = 3.01%～3.74%)的特點與典型的高鋁玄武巖相似[40]。巖石Zr含量(17.7～24.22) ×10-6< 130×10-6，Zr/Y比值為2.85～4.58(總體 < 4)，具有島弧玄武巖特征[41]；La/Nb比值(1.08～1.92)>1。

a/Yb比值(0.38～0.54)>0.2，也與活動陸緣環(huán)境鈣堿性玄武巖的特征相似[26]。Zr/Nb比值(9.09～12.21)< 30，指示輝長巖不具備典型N-MORB性質(zhì)[42]。巖石微量元素標準分配圖并不是呈現(xiàn)出顯著的線性特點，而是指示富集K、Ba、Sr等大離子親石元素還有Nb、Zr等元素的虧損，尤其是Nb的虧損，暗示了這與典型大洋中脊玄武巖根本區(qū)別[43]。巖石富集大離子親石元素K、Ba、Sr和不相容元素U，虧損高場強元素Nb、Ta、P和Ti，顯示為典型的島弧火山巖特征。在Ti-Zr構(gòu)造判別圖解上(圖9)，樣點落入火山弧和島弧區(qū)域[44]。

圖9 錫鐵山輝長巖巖石成因判別圖解[44]Fig.9 Tectonic discrimination diagrams for gabbro in Xitieshan area

史仁燈等在柴北緣發(fā)現(xiàn)了代表島弧環(huán)境的埃達克質(zhì)英安巖，其鋯石U-Pb年齡為(514.2±8.5)Ma，袁桂邦等[45]在柴北緣的綠梁山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了形成于島弧環(huán)境的輝長巖(鋯石U-Pb年齡為496.3 Ma)，與錫鐵山輝長巖形成年齡(514.7±1.1)Ma一致，因此二者形成于同一構(gòu)造背景，均為柴達木盆地北緣洋向祁連地塊俯沖的島弧環(huán)境，說明柴北緣在中寒武世已經(jīng)發(fā)生了洋殼俯沖作用。由于區(qū)內(nèi)缺乏同時期典型的枕狀熔巖和超鎂鐵質(zhì)巖體的證據(jù)，未能確定該輝長巖是否為蛇綠巖的組成部分，需要進一步工作。

5 結(jié)論

(1)錫鐵山鉛鋅礦區(qū)輝長巖鋯石U-Pb年齡為(514.7±1.1)Ma，巖石地球化學(xué)特征表現(xiàn)為高鋁的中鉀鈣堿性系列，巖石中富含大離子親石元素K、Ba、Sr與不相容元素U,并且高場強元素Nb、Ta和P和Ti較為虧損，具有典型島弧巖漿巖特征。

(2)巖石鋯石Hf同位素εHf(t)為4.1～7.67，單階段模式年齡(TDM1)為950～812 Ma，巖漿源區(qū)為虧損地幔。

(3)錫鐵山輝長巖形成于柴達木洋殼向祁連地塊俯沖的島弧環(huán)境，表明柴北緣在中寒武世已經(jīng)發(fā)生了洋殼俯沖作用。