高峰，菅坤坤，李寧，杜彪，趙端昌，易鵬飛

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068;2.長安大學(xué)，陜西 西安 710054)

北山造山帶位于華北板塊、塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊匯聚部位(劉雪亞等，1995；左國朝等，2003；李錦軼等，2009；王國強等，2014)，構(gòu)造背景復(fù)雜，巖漿活動頻繁。長期以來，眾多學(xué)者主要集中對蛇綠巖帶的研究，對北山地區(qū)構(gòu)造格局、構(gòu)造演化及板塊縫合線的位置提出了諸多認(rèn)識(左國朝等，2003；聶鳳軍等，2002；龔全勝等，2003；何世平等，2005；黃增保等，2006；楊合群等，2010，2012；楊建國等，2012)。然而，對于北山地區(qū)除蛇綠巖帶之外分布的基性侵入巖的研究報導(dǎo)甚少。近年來，北山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一系列與基性巖密切相關(guān)的金屬礦床。例如，紅石山南銻金礦(彭海練等，2011)、新金廠金礦(張道忠，2010)、老金廠金礦、鹿咀子銻礦等，對基性侵入體的認(rèn)識在一定程度上制約了區(qū)域找礦工作。因此，對北山地區(qū)輝長巖的形成時代、巖石成因的研究具有重要的意義。筆者在1∶5萬區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過對北山造山帶東段芨芨泉輝長巖體進(jìn)行鋯石U-Pb同位素年代學(xué)、巖石學(xué)和巖石地球化學(xué)特征研究，探討其形成時代、巖石成因及構(gòu)造背景，以期為北山地區(qū)的大地構(gòu)造演化及巖漿巖研究提供重要的參考依據(jù)，用以指導(dǎo)區(qū)域找礦。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于北山造山帶東段，內(nèi)蒙古西南側(cè)與甘肅省接壤位置。地質(zhì)背景較復(fù)雜，構(gòu)造單元劃分存在爭議。部分學(xué)者認(rèn)為其屬于塔里木板塊增生帶北緣(左國朝等，1990；龔全勝等，2002；何世平等，2002)；另一部分則認(rèn)為其屬于哈薩克斯坦板塊的南緣(劉雪亞等，1995；聶鳳軍等，2002)。筆者沿用楊合群等(2012)的劃分方案，以紅柳河-牛圈子-洗腸井縫合帶為界線，其北側(cè)為哈薩克斯坦板塊，南側(cè)為塔里木板塊，并將塔里木板塊進(jìn)一步劃分為3個三級構(gòu)造單元，分別為白玉山-方山口-鷹嘴紅山早古生代被動邊緣帶、磁海-紅柳園-白山堂晚古生代陸內(nèi)裂谷帶和敦煌地塊(圖1)。芨芨泉巖體位于磁海-紅柳園-白山堂晚古生代陸內(nèi)裂谷帶內(nèi)。

Ⅰ-1.大南湖-雀兒山-狐貍山早古生代活動邊緣帶；Ⅰ-2.雅滿蘇-紅石山-黑鷹山晚古生代陸內(nèi)裂谷帶；Ⅰ-3.星星峽-明水-旱山地塊；Ⅰ-4.公婆泉-東七一山早古生代活動邊緣帶；Ⅱ-1.白玉山-方山口-鷹嘴紅山早古生代被動邊緣帶；Ⅱ-2.磁海-紅柳園-白山堂晚古生代陸內(nèi)裂谷帶；Ⅱ-3.敦煌地塊圖1 (a)芨芨泉輝長巖體大地構(gòu)造位置圖及(b)地質(zhì)簡圖(據(jù)楊合群等，2012)Fig.1 (a) Simplified geological map and (b) tectonic location map of Jijiquan gabbro

研究區(qū)出露地層主要為薊縣系平頭山組(Jxp)、下石炭統(tǒng)紅柳園組(C1h)、下二疊統(tǒng)雙堡塘組(P1sh)、中二疊統(tǒng)金塔組(P2j)和上二疊統(tǒng)方山口組(P3f)。平頭山組為一套淺海相碳酸鹽建造，呈飛來峰壓覆于方山口組之上；紅柳園組為火山-碎屑巖建造；雙堡塘組整體為一套粗碎屑巖，與紅柳園組為角度不整合或斷層接觸；金塔組為火山-碎屑巖建造，與雙堡塘組為整合接觸；方山口組為碎屑巖建造，夾少量中酸性火山巖。區(qū)域上沿磁海-紅柳園-白山堂晚古生代陸內(nèi)裂谷帶廣泛分布華力西期侵入巖，走向北西—南東向，與區(qū)域構(gòu)造線方向一致，巖石類型基性-中性-酸性均有產(chǎn)出，基性侵入巖呈巖株、巖瘤、巖枝和巖瘤沿音凹峽—金廟井—芨芨泉—白山堂一線分布。芨芨泉巖體位于該巖漿巖帶中部，為帶內(nèi)規(guī)模最大的基性侵入巖體。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要為早期北西向逆沖推覆構(gòu)造和晚期北東向壓扭性斷裂組。

2 芨芨泉巖體地質(zhì)及巖相學(xué)特征

芨芨泉巖體研究區(qū)內(nèi)出露面積52.43km2，呈巖株、巖枝、巖脈狀產(chǎn)出，呈北西—南東向展布，與下石炭統(tǒng)紅柳園組為侵入接觸關(guān)系，界線清晰，平面及剖面均呈不規(guī)則彎曲狀，產(chǎn)狀多直立或向外陡傾，巖體內(nèi)部見橢圓狀、長條狀或不規(guī)則狀圍巖捕虜體。捕擄體未見明顯的葉理構(gòu)造，具有被動就位特征。芨芨泉巖體巖性較單一，主要為中細(xì)粒輝長巖及少量輝綠巖，巖體中心到邊部粒度由粗變細(xì)，輝綠巖呈巖脈產(chǎn)出，脈寬2～20m，延伸大于100m，走向北西—南東向。

輝長巖：輝長結(jié)構(gòu)，主要由輝石(30%～50%)和斜長石(40%～60%)組成；副礦物為榍石、磷灰石、鋯石及不透明礦物(約5%)。斜長石呈自形-半自形板狀為主，發(fā)育聚片雙晶，大部分表面絹云母化，粒徑0.5～4mm；輝石，半自形-他形狀產(chǎn)出，粒徑及自形程度與斜長石相近，局部發(fā)生纖閃石化和綠簾石化。

輝綠巖：巖石整體蝕變較強，輝綠結(jié)構(gòu)，主要礦物組成為輝石(約35%)和斜長石(約60%)；副礦物主要為榍石、鋯石及不透明礦物(約5%)。斜長石為半自形板狀，雙晶紋較寬，多為拉、倍長石，表面分布次生黏土礦物或細(xì)小絹云母礦物，整體表面“較臟”，粒徑0.3～3mm，常搭成三角形的格架，顆粒狀輝石及不透明金屬礦物充填其中；輝石呈半自形-他形顆粒狀產(chǎn)出，多發(fā)生纖閃石化和綠簾石化。

3 分析測試方法

對采集的樣品進(jìn)行主量元素及LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡測定。在進(jìn)行化學(xué)分析前，先在鏡下觀察薄片以確定樣品的適應(yīng)性。主量由中國冶金地質(zhì)總局西北地質(zhì)勘查院測試中心測定，采用XRF 熒光光譜樣分析方法，分析精度優(yōu)于5%。

用常規(guī)方法分選出鋯石單礦物，然后在雙目鏡下根據(jù)鋯石顏色、自形程度、形態(tài)、透明度等進(jìn)行初步分類，挑選出具有代表性的鋯石。將鋯石樣品用雙面膠粘在載玻片上，放上PVC 杯，然后將環(huán)氧樹脂和固化劑進(jìn)行充分混合后注入PVC 杯中，待樹脂充分固化后將其從載玻片上剝離，打磨和拋光至鋯石中心部位暴露，然后拍攝透射光、反射光和陰極發(fā)光(CL)圖像。最后用體積百分比為3%的HNO3清洗樣品制成樣品靶備用。LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 同位素測定在西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所實驗測試中心完成。測定時根據(jù)可見光、CL 和BSE(背散射電子成像)圖像選擇合適的測點位置，如避免包裹體、裂隙位置等。詳細(xì)的分析步驟和數(shù)據(jù)處理方法見HORN et al.(2000)，YUAN et al.(2004)，用Glitter(4.0 版)程序處理原始數(shù)據(jù)。年齡加權(quán)平均計算及U-Pb 諧和圖的繪制采用Isoplot(3.0 版)(LUDWIG, 2003)完成。

4 鋯石U-Pb年代學(xué)

輝長巖(樣品編號為TW02)采樣點坐標(biāo)為N：40°35′01″，E：98°31′47″。用于測試分析的鋯石顆粒顏色主要為淡黃色，透明狀、金剛光澤，粒徑40～160 μm，長寬比為2∶1～4∶1。根據(jù)鋯石陰極發(fā)光圖像，可以將鋯石劃分為2類：一類是不具有繼承核的巖漿鋯石，另一類是繼承鋯石或含古老核的鋯石(圖2)。第一類鋯石棱角分明，具有明顯的巖漿震蕩環(huán)帶，該類鋯石具有較高的Th、U含量，除3個測點Th/U值為0.3～0.36，其余的均介于0.41～0.82，Th/U平均值為0.55，這類鋯石的年齡能夠代表該期巖漿的結(jié)晶年齡(VAVRA et al., 1999;HOSKIN et al., 2003;吳元保等，2004)。第二類鋯石核部具有不規(guī)則的繼承鋯石，如測點4、測點9和測點19，代表了巖漿源區(qū)或者圍巖的年齡，能夠為北山地區(qū)古老構(gòu)造巖漿事件提供重要信息。

圖2 輝長巖鋯石CL圖像及U-Pb年齡分析點圖Fig.2 CL images of zircons from gabbro, and the points for U-Pb analysis

通過對24顆鋯石進(jìn)行同位素分析，獲得了24個年齡數(shù)據(jù)，分析結(jié)果見表1。結(jié)合陰極發(fā)光圖像，將24個年齡值歸為2類，即巖漿鋯石年齡和繼承鋯石年齡。根據(jù)鋯石U-Pb年齡的特點，大于1 000 Ma時采用207Pb/206Pb年齡值，小于1 000 Ma 時采用206Pb/238U年齡值，繼承鋯石包括3個測點，其年齡值為(454±10) Ma、(2420±35) Ma和(2521±36) Ma。巖漿鋯石共21個測點，其中7個測點諧和度很低，明顯偏離諧和曲線，考慮給予剔除，其余14個測點206Pb/238U年齡值集中在261～291 Ma，測點均投影在諧和曲線下方及其附近區(qū)域(圖3a)，表明鋯石雖有極少量的鉛丟失，但基本處于封閉體系之中，能夠代表輝長巖的形成時代，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(274.1±5.3) Ma(圖3b)，解釋為輝長巖的結(jié)晶年齡，說明芨芨泉巖體形成于早二疊世。

圖3 (a)輝長巖鋯石U-Pb年齡諧和圖和(b)加權(quán)平均年齡圖Fig.3 (a)Zircon U-Pb concordia diagram and (b)weighted average age for gabbro

5 巖石地球化學(xué)特征

5.1 主量元素特征

芨芨泉巖體地球化學(xué)分析結(jié)果見表2。巖石SiO2含量為44.36%～46.76%，平均為46.17%，MgO含量為6.47%～6.98%，平均為6.75%，Na2O+K2O含量為3.3%～4.9%，平均為3.95%，所有樣品Na2O>K2O，Al2O3和CaO含量較高，分別為16.36%～18.33%和7.9%～10.23%，平均分別為17.6%和9.34%，TiO2含量為0.86%～1.18%，平均為1.0%，與大陸溢流相拉斑玄武巖TiO2的平均含量(TiO2=1.0%，WILSON, 1989)相同。Mg#=50.49～55.78，平均為52.84，明顯低于原生巖漿范圍(68～75，WILSON, 1989)，TFe2O3的含量為9.87%～12.15%，平均為10.77%。由于所研究的樣品遭受了不同程度的蝕變作用，樣品燒失量較大，因此，只采用不活動的元素來討論地球化學(xué)特征和巖石成因。利用蝕變過程中不活潑元素(Zr、Ti、Nb、Y)進(jìn)行巖石分類判別，在Zr/TiO2-Nb/Y 分類圖解上(圖4a)，所有樣品落入安山玄武巖區(qū)域，在Ta/Yb-Th/Yb圖解中，所有樣品落在鈣堿性系列區(qū)域(圖4b)。

表2 輝長巖地球化學(xué)分析結(jié)果表Tab.2 Element compositions of the Jijiquan gabbro

注：主量元素含量為%；微量元素含量為10-6。

5.2 稀土和微量元素特征

輝長巖樣品稀土元素總量較低，變化不大，∑REE=40.78×10-6～59.74×10-6，平均為50.07×10-6，高于N-MORB的39.11×10-6(SUN et al., 1989)，(La/Yb)N值范圍為1.3～1.87，平均為1.52，LREE/HREE=2.27～2.91，平均為2.51，輕重稀土元素分異較弱，略富集輕稀土元素。δEu=1.04～1.17，平均為1.09，弱正Eu異常。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(圖5a)呈近似平坦型。原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5b)，所有樣品具有相似的特征，暗示樣品具有同源性。巖石相對富集大離子親石元素(Rb、Ba、K)和不相容元素(Th、U、Sr)，相對虧損高場強元素(Nb、Ta、P、Zr)，巖石Pb正異常明顯，表明巖石可能受地殼物質(zhì)的混染(SUN et al., 1989)。

圖4 (a)輝長巖Zr/TiO2-Nb/Y圖解(底圖據(jù)WINCHESTER et al., 1977)和(b)Th/Yb-Ta/Yb圖解Fig.4 (a)Zr/TiO2-Nb/Y and (b) Th/Yb-Ta/Ybdiagrams of the Jijiquan gabbro (After WINCHESTER et al., 1977)

圖5 (a)輝長巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分圖和(b)原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖 (標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)SUN et al., 1989)Fig.5 (a)Chondrite-normalized REE abundances and (b)primitive mantle normalized trace element abundances of the Jijiquan gabbro (Normalizing values after SUN et al., 1989)

6 討論

6.1 源區(qū)性質(zhì)及巖石成因

RAPP et al.(1995)指出，由玄武質(zhì)下地殼部分熔融而來的熔體的Mg#一般較低(<40)，而Mg#大于40表明源區(qū)有地幔組分的參與或者直接來源于地幔。一般而言，由地幔二輝橄欖巖經(jīng)20%～30%的部分熔融后形成原生玄武質(zhì)巖漿的Mg#約為70(PERFIT et al., 1980; HERGT et al., 1989)，芨芨泉輝長巖Mg#為50.49～55.78，平均為52.84，均大于40，這表明其源區(qū)有幔源組分的參與。巖漿巖巖石的化學(xué)成分中的高場強元素，如Nb、Ta、Zr、Hf、Th以及HREE不易受后期熱液蝕變和低于角閃石相的變質(zhì)作用的影響(WINCHESTER et al., 1997; PEARCE et al., 1973; LEI Wanshan et al., 2016)，因此可用這些元素對巖漿源區(qū)進(jìn)行判別。研究表明，源于軟流圈地幔的玄武巖其La/Nb值約<1.5，La/Ta值約<22，巖石圈地幔來源的玄武巖則與之相反(HUANG et al., 2000)。芨芨泉輝長巖La/Nb值為2.27～2.82，平均為2.54，La/Ta值為19.7～33.5，平均為24.3，指示該輝長巖源區(qū)為巖石圈地幔，在Nb-Zr圖解上(圖6a)，所有樣品落在虧損型地幔區(qū)域，表明巖漿起源于虧損地幔。

圖6 (a)輝長巖Zr-Nb圖解和(b)Ti/100-Zr-Y×3圖解 (a.底圖據(jù)LE Roex et al., 1983; b.底圖據(jù)PEARCE et al., 1973)Fig.6 (a)Zr-Nb and (b)Ti/100-Zr-Y×3 diagram of the Jijiquan gabbro

通常，幔源巖漿侵入地殼過程中會不同程度受到地殼物質(zhì)的影響，而地殼物質(zhì)的加入使巖石富集LREE和LILE，虧損Ti、Nb 和Ta(RUDNICK et al., 2003)，同時會使La/Nb、Zr/Nb值升高，Ce/Pb值降低。因此，元素之間含量比值及元素比值之間相關(guān)關(guān)系(Ce/Pb、Nb/U) 可以準(zhǔn)確驗證同化混染作用是否存在(姜常義等，2015)。地殼中Ce/Pb<15，而典型地幔Ce/Pb=25±5(HOFMANN, 1986)，芨芨泉輝長巖Ce/Pb為3.4～9.13，顯示巖體受到同化混染作用。Nb/U值可作為判別地殼混染的標(biāo)志之一(TAYLOR et al., 1985；鄧晉福等，2015)，洋中脊玄武巖和洋島玄武巖Nb/U值為47±10，而大陸地殼和原始地幔Nb/U平均值分別為8.93和33.59，芨芨泉輝長巖Nb/U為4.17～6.33，平均為5.28，與大陸地殼較為相近，遠(yuǎn)離原始地幔平均值，反映巖漿上升過程中有地殼物質(zhì)的混入。芨芨泉輝長巖Nb/Ta值為8.0～12.5，平均為9.53，Zr/Hf值為30.67～33.15，平均為31.81，分別與大陸地殼值(Nb/Ta=11，Zr/Hf=33；據(jù)TAYLOR et al.,1985)接近，而低于洋中脊玄武巖值(Nb/Ta=17.7，Zr/Hf=36.1)(據(jù)SUN et al., 1989)，表明巖漿在上升過程中可能受到地殼物質(zhì)的混染。綜合主量、微量元素特征，表明芨芨泉輝長巖源于虧損地幔的部分熔融，在上升過程中明顯受到地殼物質(zhì)的混染。

6.2 構(gòu)造地質(zhì)背景探討

盡管前人對北山地區(qū)古洋盆的位置有不同的觀點(左國朝等，1990；徐學(xué)義等，2008，2009)，但對洋盆開始裂解時限的認(rèn)識基本一致。大量研究表明，北山地區(qū)古大陸自震旦紀(jì)開始有裂解前兆，至少到晚奧陶世洋盆已經(jīng)形成(左國朝等，2003；龔全勝等，2002；楊合群等，2008，2012；陳超等，2017)。

北山南帶洋盆閉合的時限存在泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)3種不同的認(rèn)識：左國朝等(1990)認(rèn)為，不整合在早古生代地層之上的泥盆系海陸相粗碎屑巖磨拉石建造標(biāo)志著碰撞造山和洋盆閉合；何世平等(2005)認(rèn)為，石炭紀(jì)末洋盆閉合，哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊相互靠攏，形成新的統(tǒng)一大陸，北山地區(qū)自此進(jìn)入板內(nèi)演化階段；劉雪亞等(1995)認(rèn)為，在早二疊世之前，隨著北山南帶及南天山古洋盆的封閉，敦煌地塊北緣的安北-舊寺墩構(gòu)造帶與北山造山帶前緣的柳園-大奇山地體碰撞，導(dǎo)致塔里木板塊、哈薩克斯坦板塊和西伯利亞板塊最終拼接。結(jié)合北山南帶發(fā)育大量后碰撞階段花崗巖類，時代集中在304～266 Ma(馮繼承等，2012；張文等，2011；易鵬飛等，2017)。綜上所述，早二疊世北山南帶洋盆已經(jīng)閉合，區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)入板內(nèi)演化階段。

大量研究表明，北山南帶晚古生代為板內(nèi)裂谷環(huán)境，區(qū)內(nèi)晚石炭世可能存在裂谷回返碰撞，導(dǎo)致石炭系與下二疊統(tǒng)之間的角度不整合接觸，早二疊世裂谷再次拉開，并在中二疊世達(dá)到鼎盛(趙澤輝等，2006；姜常義等，2006；何世平等，2005；左國朝等，1990)，產(chǎn)生大量伸展背景的幔源巖漿活動，如區(qū)內(nèi)出露的二疊紀(jì)雙峰式火山巖，以及大量的輝長巖和輝綠巖，表明北山南帶二疊紀(jì)整體處于伸展拉伸的構(gòu)造背景，芨芨泉輝長巖的被動就位特征也支持這一觀點。在TiO2-Zr-3×Y構(gòu)造環(huán)境判別圖解中(圖6b)，所有樣品落在板內(nèi)區(qū)域。綜合巖體主、微量元素特征及區(qū)域構(gòu)造演化，表明芨芨泉輝長巖形成于早二疊世板內(nèi)伸展構(gòu)造背景。

7 結(jié)論

(1)北山地區(qū)芨芨泉輝長巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為(274.1±5.3) Ma，代表了輝長巖的形成年齡，時代為早二疊世。

(2)巖石地球化學(xué)特征表明輝長巖源于虧損地幔的部分熔融，在上升侵位過程中發(fā)生明顯的地殼混染。

(3)結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景及巖體主、微量元素特征綜合分析，芨芨泉輝長巖形成于板內(nèi)伸展的構(gòu)造背景。

致謝：本文在撰寫過程中得到了崔繼崗高級工程師的精心指導(dǎo)，審稿專家提出了諸多寶貴且中肯的意見，在此一并表示衷心的感謝!