2018, Vol. 37
中亚造山带夹持于东欧板块、西伯利亚板块、塔里木板块和华北板块的结合部位(图 1a)，是世界上最大的增生型造山带之一(Jahn et al., 2004；Sun et al., 2008；Xiao et al., 2009, 2010a)。北山位于处中亚造山带中段南缘，西邻东天山，东接阿拉善，以阿尔金和星星峡两大走滑断裂为界，位于一个构造楔形区内(左国朝和何国琦，1990；聂凤军等，2002；龚全胜等, 2002, 2003；江思宏等，2003；卢进才等，2013)；其特殊的构造位置，复杂的物质组成和强烈的构造-岩浆活动，一直受到地质学界的广泛关注，特别是对该地区岩浆作用的研究，约束了古亚洲洋在北山造山带的构造演化过程(Lu et al., 1999；左国朝等，2003；李锦轶等，2006；Gao et al., 2009；Ao et al., 2010；Xiao et al., 2010a, 2010b；李向民等，2011；冯继文等，2012；Mao et al., 2012a, 2012b；Song et al., 2013b；邓晋福等，2015)。北山地区花岗岩类广泛发育，同时还发育一系列不同类型的脉岩。在一个造山旋回，脉岩可以贯穿始终，这对于再造区域地质演化具有重要意义(罗照华等，2006)。对该区基性脉岩前人已取得较为一致的认识，即其属于二叠纪裂谷作用产物(刘畅等，2006；校培喜等，2006)，但该区中生代酸性岩脉的形成时代、地球化学特征及成因机制等研究尚未开展，这极大限制了北山中生代岩浆作用及区域构造演化研究的深入。因此，笔者依托新近完成的甘肃北山牛圈子地区1 :5万区域地质调查项目，以北山芦草沟一带的酸性脉岩为研究对象，开展了岩石学、锆石U-Pb年代学及岩石地球化学研究，并探讨其成因，以期为北山中生代岩浆作用的系统研究提供支撑。
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(a)修改自Şengör等(1993)，Xiao等(2013)；(b)修改自Xiao等(2010b), Song等(2013a) 图 1 中亚造山带构造简图(a)、北山造山带构造简图(b)和芦草沟地区地质简图(c) Fig.1 Simplified tectonic map of the Central Asian Orogenic Belt(a), simplified tectonic map of the Beishan Orogenic Belt(b) and sketch geological map of the Lucaogou area(c) |
研究区位于甘肃省酒泉市肃北县马鬃山镇牛圈子地区，大地构造位置处于红柳河－牛圈子－洗肠井蛇绿混杂岩带与柳园蛇绿混杂岩带之间(图 1b)。区内主要断裂为北西西向和近东西向，岀露地层包括古元古代北山岩群，长城系古硐井群、蓟县系平头山组，青白口系野马街组、大豁落山组，震旦系洗肠井群，寒武系双鹰山组、西双鹰山组，奥陶系罗雅楚山组、锡林柯博组、白云山组，志留系公婆泉群，二叠系红岩井组，三叠系二断井组，侏罗系水西沟组。区内岩浆活动强烈，以古生代侵入岩最为发育，为规模巨大的复式岩基。侵入岩岩石类型复杂，基性-超基性、中酸性、酸性侵入岩均有出露。
本次研究样品采自二叠纪花岗闪长岩中的斜长花岗斑岩脉体(图 1c)，从无细脉、包体的新鲜岩石中获得全岩样品5件、同位素测年样品1件。脉体走向近东西，平行分布，宽2~5 m，长50~200 m。岩石呈灰白色，块状构造，斑状结构。斑晶约占1/3，斑晶中斜长石30%、黑云母3%、石英2%。长石斑晶大小为0.2×0.5~2×2.3 mm，有程度不同的绢云母化、黝帘石化，蚀变轻微的隐约可辨聚片双晶纹；黑云母斑晶呈条状，均绿泥石化，只保留黑云母片状假像；石英斑晶有强熔蚀，呈浑圆状、港湾状。基质为霏细交织结构、交代结构，主要由斜长石和石英组成，黑云母很少，且已绿泥石化，斜长石呈半自形粒状，石英呈微粒状，构成基质霏细交织结构。基质中斜长石约占35%，大小0.02~0.1 mm；石英约占25%，大小0.2~1 mm；黑云母约占1%，大小0.05×0.2~1×2 mm。副矿物为少量榍石和不透明矿物，次生矿物为绢云母、黝帘石、绿泥石、方解石。
2 样品分析测试方法样品的锆石U-Pb测年，主量、微量元素和稀土元素分析均在中国地质调查局西安地质调查中心国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。氧化物含量用X荧光光谱仪3080E测试，分析精度5%；微量元素用X荧光光谱仪2100测试，执行标准为JY/T016- 1996，分析精度优于5%。激光剥蚀系统为GeoLas Pro，ICP-MS为Agilent 7700x。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件Glitter 4.4(Van Achterbergh et al., 2001)完成，详细的仪器参数和测试过程参考李艳广等(2015)。锆石U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex ver 3(Ludwing，2003)完成。
3 岩石地球化学特征样品的主量元素、微量元素分析结果见表 1。由表 1可见，样品的主量元素含量变化不大，其SiO2含量为68.78%~70.10%，Al2O3为14.85%~15.64%，全碱为7.49%~7.79%(其中Na2O含量高于K2O)，MgO、CaO和TFe2O3含量分别为0.7%~1.5%、2.19%~2.46%和1.68~2.02，Na2O/K2O为1.39~1.90，里特曼指数δ为2.13~2.25(均值为2.19)。CIPW标准矿物计算出现刚玉(AC)，含量在0.10%~0.50%(均值为0.32%)；A/CNK值变化于0.99~1.02，说明岩石铝过饱和。在TAS图解(图 2a)中，样品部分落入花岗闪长岩-花岗岩分界线附近区域，均为亚碱性系列，在SiO2-K2O图解(图 2b)中样品基本落入钙碱性-高钾钙碱性过渡区域中。
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(a)底图据Middlemost(1994)；(b)底图据Peccerillo和Taylor(1976) Ir-分界线(上方为碱性，下方为亚碱性)；1-橄榄辉长岩；2a-碱性辉长岩；2b-亚碱性辉长岩；3-辉长闪长岩；4-闪长岩；5-花岗闪长岩；6-花岗岩；7-硅英岩；8-二长辉长岩；9-二长闪长岩；10-二长岩；11-石英二长岩；12-正长岩；13-似长辉长岩；14-似长二长闪长岩；15-似长二长正长岩；16-似长正长岩；17-似长深成岩；18-霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩 图 2 酸性脉岩TAS图解(a)和SiO2-K2O图解(b) Fig.2 TAS(a) and SiO2 vs. K2O diagram(b) of the felsic dikes |
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表 1 酸性脉岩主量元素、微量元素和稀土元素分析结果 Table 1 Whole-rock major, trace element and REE concentrations of the felsic dikes in the Lucaogou area |
由表 1还可见，样品的稀土元素总量较低，为74.4~92.8 μg/g，轻重稀土分馏较明显(LREE/HREE=15.67~19.62, LaN/YbN=31.63~47.26)，轻稀土富集、重稀土亏损, LaN/SmN=4.50~5.16，GdN/YbN=3.56~4.84；无明显铕、铈异常(δEu=0.85~1.04，δCe=0.97~1.03)(图 3a)。从原始地幔标准化配分图(图 3b)中可看出，样品多数元素含量显著高于原始地幔，较为明显的富集大离子亲石元素(LILE)Rb、Ba、Th、U、K等，而亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ta、Ti、P。此外，样品的相容元素Cr、Ni含量较低，分别为8.73~18.50 μg/g和4.88~11.80 μg/g，具有微弱的Sr正异常，较为低的HREE和Y、Yb含量(Y=5.46~5.94 μg/g，Yb=0.34~0.41 μg/g)，高的Sr/Y值(52.20~63.64)和(La/Yb)N值(31.63~47.26)。
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球粒陨石和原始地幔标准化数据Sun和McDonough(1989) 图 3 酸性脉岩稀土元素球粒陨石标准化配分图和微量元素原始地幔标准化蛛网图 Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns and primitive-mantle normalized trace element spider diagrams of the felsic dikes |
根据斜长花岗斑岩脉样品的锆石LA-ICP-MS测试结果，在剔除异常点后得到可靠的18组数据(表 2)。
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表 2 芦草沟酸性脉岩锆石LA-ICP-MS U-Pb分析数据 Table 2 Zircons LA-ICP-MS U-Pb isotopic compositions of the felsic dikes in the Lucaogou area |
从样品的锆石CL图像(图 4)来看，斜长花岗斑岩脉体锆石较大，一般为50~240 μm，长宽比为3 :1~1 :1，多为长柱状，少量为短柱状，锆石环带不太清晰，多为白色，偶见震荡环带，个别锆石有破损。锆石U、Th含量变化不大(表 2)，U含量为79~687 μg/g，Th含量为78~648 μg/g，Th/U值为0.58~1.31，这些特征与典型的岩浆锆石一致(Claesson et al., 2000；Wu and Zheng, 2004)。18个锆石206Pb/238U表面年龄集中于242~253 Ma，基本落在谐和线上或其附近，其加权平均年龄为(248.8±1.8) Ma，代表了该岩体的形成年龄。
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图 4 酸性脉岩锆石阴极发光图像(CL)和LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图 Fig.4 Cathodoluminescence images for zircons and U-Pb Concordia and weighted mean ages of the felsic dikes |
MISA(即M、I、S和A型)是目前最常用的花岗岩成因分类方案，而角闪石、堇青石和碱性暗色矿物是判断I、S和A型花岗岩的重要矿物学标志(吴福元等，2007)。自然界中真正由地幔岩浆衍生的M型花岗岩极少，即使与蛇绿岩伴生的极少量的斜长花岗岩，以往都被当作典型的M型花岗岩，但现在的研究认为，它们并非是玄武质岩浆分离结晶的产物，而是辉长质岩石在含水条件下部分熔融形成的(张旗和周国庆，2001)。北山地区二叠纪末以后进入陆内演化阶段(左国朝和何国琦，1990；赵茹石等，1994；王元龙和成守德，2001；何世平等，2002)，不存在洋-陆或弧-陆俯冲碰撞作用，因此，可以排除M型花岗岩的可能。Whalen等(1987)的指标被认为是判别A型花岗岩最有效的方法，在以Zr＞250 μg/g、Zr+Nb+Ce+Y＞350 μg/g为判别标准的图解(图 5)中，样品点均落入I、S和M型区，从而排除了A型花岗岩的可能性。一般认为S型花岗岩的A/CNK＞1.1，且CIPW标准矿物中刚玉AC＞1%，本文样品的A/CNK值均小于1.1，且CIPW标准矿物中刚玉介于0.1%~0.5%，从而判断样品应为I型花岗岩。
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底图据Whalen等(1987) 图 5 花岗岩成因判别图解 Fig.5 Discrimination diagram of genesis of granitoids |
岩石地球化学特征表明，芦草沟酸性脉岩具有类似埃达克岩的特征，即具有高SiO2(68.78%~70.10%)、Al2O3(14.85%~15.18%)(有1个数据低于15%)，低MgO(0.70%~1.50%)，高Sr(285~443 μg/g，均值为356.8 μg/g)、La/Yb(41.86~65.88)和Sr/Y(52.20~71.22)，低HREE和Y(Yb为0.34~0.41 μg/g，Y为5.46~6.22 μg/g)，具有不明显的铕异常(δEu=0.85~1.04)。埃达克岩是Defant和Drummond(1990)引入地学界的一个岩石学术语，最初被认为是年轻的(＜25 Ma)洋壳俯冲到一定深度发生部分熔融的产物(Defant and Drummond 1990，1993; Drummond and Defant, 1990；Kay et al., 1993)。随后，研究者发现一些具有埃达克岩的地球化学成分特征的中酸性火成岩，不一定产出在岛弧环境，也不是俯冲板片熔融产生的(许继峰等，2014)。为了与代表俯冲板片熔融形成的典型“埃达克岩”区分，多数学者称之为“C型埃达克岩”或“埃达克质岩”。在Sr/Y-Y和LaN/YbN-YbN图解(图 6)中，样品均落入埃达克岩区域，但其相对高的Na2O/K2O(1.39~1.90)值显示应为埃达克质岩。
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(a)底图据Defant和Drummond(1990)；(b)底图据Drummond和Defant(1990) 图 6 酸性脉岩Sr/Y-Y图解(a)和(La/Yb)N-YbN图解(b) Fig.6 Sr/Y vs. Y diagram(a) and (La/Yb)N vs. YbN diagram (b) of the felsic dikes |
许继峰等(2014)按不同的成因机制将埃达克质岩石划分为4种成因类型：①下地壳部分熔融的埃达克质岩；②拆沉下地壳部分熔融形成的埃达克质岩；③基性岩浆高压分异的埃达克质岩；④混合成因的埃达克质岩。Kay等(1993)首先提出，当地壳厚度足够大时，下地壳岩石将向榴辉岩转变，由于榴辉岩的密度大于地幔岩，榴辉岩即可能因重力差异脱离地壳而沉入地幔中(Nelson，1992；高山和金振民，1997)。拆离下沉的榴辉岩相下地壳物质在热的地幔物质作用下发生熔融，岩浆将通过地幔岩区上升到地壳或喷出地表，在这一过程中熔体可能受地幔橄榄岩的交代混染，形成的岩浆具较高的MgO、Cr、Ni含量(Smithies，2000；Prouteau et al., 2001；Martin et al., 2005；Wang et al., 2006；余红霞等，2011)，而芦草沟埃达克质岩脉较低的MgO、Cr、Ni含量表明其不可能是源于拆沉下地壳的部分熔融。高压下基性岩浆通过角闪石和石榴石分离结晶也会产生埃达克岩(Macpherson et al., 2006)，角闪石或石榴石的分离结晶会导致残留熔体中Y/Yb值的升高，而芦草沟埃达克质脉岩Y/Yb变化较小(14.32~16.06)。并且由La/Yb-La图(图 7a)可知，本文研究的埃达克岩的岩浆主要通过部分熔融形成。Castillo等(1999)认为埃达克岩可以在低压下通过基性岩浆分离结晶作用形成。在低压下斜长石、角闪石的分离结晶会使MREE和HREE之间产生向下凹的稀土配分模式，且Dy/Yb、δEu随SiO2增高呈降低趋势(朱明田等，2011)，芦草沟酸性脉岩不具备此特征(图 4a, 表 1)。
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(a)底图据Chung等(2009)；(b)底图据熊小林等(2011) 图 7 酸性岩脉La/Yb-La(a)和Mg#-La/Yb图解(b) Fig.7 La/Yb vs. La(a) and Mg# vs. La/Yb diagrams of the acidic dikes(b) |
岩浆混合作用可能是形成埃达克质岩的一种可能方式(许继峰等，2014)。已有不少研究者通过对高镁埃达克质岩研究(陈斌，2002；Gao et al., 2007；陈斌等，2013；Chen et al., 2013)，认为其形成于富集地幔起源的玄武质岩浆与壳源花岗质岩浆之间的岩浆混合，与拆沉下地壳的部分熔融形成的埃达克质岩相似，具有高的Mg#、MgO和Cr、Ni含量，而在Sr、Nd、Os同位素组分上差异较大。熊小林等(2011)认为高Mg#埃达克质岩Mg#的增加指示地幔端员物质的加入，地幔岩浆比地壳长英质岩石的Nb/La高，而La/Yb低，混合岩浆的Nb/La将随地幔岩浆的加入而增加，而La/Yb将减少。芦草沟埃达克质岩脉Nb/La值为0.12~0.14，在La/Yb-Mg#图解(图 7b)上，样品显示弱的负相关性，从而排除岩浆混合的可能性。
本文研究的北山芦草沟地区埃达克质岩脉具有富钾贫钠(Na2O/K2O=1.39~1.90，均值为1.58)，高的K2O含量(2.58%~3.19%，均值为2.98%)，低的Cr(8.73~40.80 μg/g)和Ni(4.88~21.40 μg/g)，高的Th含量、Th/La值、Th/U和Rb/Sr，相对低的Sr/Y，Ba、U相对亏损、Rb、Th相对富集等特征与俯冲洋壳熔融成因的埃达克岩及其他几类成因的埃达克质岩均不符，与加厚下地壳熔融成因的埃达克质岩特征相似(Chung et al., 2003；张旗等，2003；Moyen，2009；朱明田等，2011；魏艳红等，2012；刘建峰等，2013)。同时，在SiO2-MgO图解(图 8a)上，样品均落入加厚下地壳熔融形成的埃达克质岩和玄武岩实验熔体区域。
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(a)底图据Defant和Drummond(1990)；(b)底图据王强等(2004) 图 8 酸性脉岩SiO2-MgO(a)和Y-Sr/Y图解(b) Fig.8 SiO2 vs. MgO(a) and Y vs. Sr/Y diagrams(b) of the felsic dikes |
大量的高压试验(Green，1982；Rapp et al., 1991；Sen and Dunn, 1994；Liu et al., 1996；Winther，1996；Prouteau et al., 2001)已经证实，变质玄武岩熔融产生的埃达克熔体主要发生在角闪岩向榴辉岩过渡阶段，即角闪石分解释放出流体触发熔融。在Sr/Y-Y图解(图 8b)来看，芦草沟酸性岩脉源区的残留相落入石榴角闪岩和榴辉岩之间。熊小林等(2005)进一步指出：与角闪石(或角闪岩)共存的熔体不具有埃达克岩的高Sr/Y、低HERR和负Nb-Ta异常；与含石榴子石但不含金红石的残留体(石榴角闪岩)共存的熔体具有高Sr/Y和强烈的HREE亏损，但缺乏Nb-Ta异常；仅仅石榴子石和金红石同时存在于残留体(含金红石的榴辉岩和角闪榴辉岩时)，共熔体才具有相似于埃达克岩的高Sr/Y、低HREE和负Nb-Ta异常等微量元素特征。结合酸性脉岩亏损Nb(2.07~2.77 μg/g)、Ta(0.16~0.24 μg/g)的特征，笔者认为芦草沟酸性岩脉源区残留相为辉石+石榴子石+金红石±角闪石。根据实验岩石学资料，残留相有金红石和石榴子石同时共同存在(熔体强烈亏损Nb、Ta)，压力应当大于1.5 GPa，即大于50 km左右的深度(Xiong et al., 2005)；如果角闪石消失，压力将大于2.0 GPa(Peaclck et al., 1994)。由此推断芦草沟酸性岩脉形成源区压力至少为1.5 GPa，指示早三叠世北山地区地壳厚度应大于50 km。
实验岩石学证实，玄武岩部分熔融产生的熔体其Mg# < 45(Rapp，1997)，芦草沟埃达克质岩脉具有相对高的Mg#(49.20~63.34)，说明存在幔源物质的参与，可能与幔源玄武质岩浆底侵有关。已有资料显示(赵泽辉，2005；刘畅等，2006；郭召杰等，2010)，古生代多个洋盆闭合和增生造山作用致使中亚造山带岩石圈不断增厚，于古生代晚期发生拆沉，软流圈亏损地幔上涌底侵并且部分熔融形成了二叠纪镁铁-超镁铁岩系，拆沉的岩石圈以及俯冲下沉的洋壳和沉积物在地幔环境下改造形成的富集地幔部分熔融沿裂谷带或大型走滑断裂薄弱带上涌，形成了中新生代幔源岩浆的喷发。由此可见，中亚地区从晚古生代到中新生代一直存在幔源岩浆活动，芦草沟酸性脉岩应为加厚地壳底侵作用下部分熔融的产物。
6 结论(1) 芦草沟酸性脉岩为钙碱性-高钾钙碱性系列的I型花岗岩，锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为(248.8±1.8)Ma，为早三叠世岩浆活动的产物。
(2) 岩脉显示埃达克岩地球化学特征，成因判别与加厚下地壳熔融形成的埃达克质岩相似，但岩石具有相对高的Mg#指示可能与玄武质岩浆的底侵作用有关。
(3) 埃达克质脉岩高Sr/Y、低HREE和负Nb-Ta异常等微量元素特征显示，其源区残留可能为辉石+石榴子石+金红石±角闪石。
致谢: 余吉远、计波参与了野外样品采集及部分测试工作，在此一并表示感谢！
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