2017, Vol. 36
2. 青海省第五地质矿产勘查院, 西宁 810008;
3. 中国地质科学研究院 矿产资源研究所, 北京 100037;
4. 吉林大学 地球科学学院, 长春 130061
, SUN Fei-fei1, LI Yun-ping2, LI Dong-sheng1, YU Miao3, QIAN Ye4, LIU Yong-le1, BAI Gou-long1, ZHAO Meng-qi1, ZHANG Peng1, ZHANG Ai-kui1, MA Sheng-long1, LIU Gou-yan1, LIU Zhi-gang1
2. The No.5 Institute of Geology and Mineral Resources, Xining 810008, China;
3. Institute of Mineral Resoures, Chinese Academy of Geological Scieces, Beijing 100037, China;
4. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China
2012年，东昆仑地区发现了中国第二大镍矿床——夏日哈木岩浆型铜镍矿床，至2015年初，该矿床探明镍总资源量为1.06×106 t，共伴生铜2.1×106 t，伴生钴3.8×104 t(杨启安等，2014年)。东昆仑地区从此结束了无超大型岩浆型矿床的历史，也掀起了东昆仑地区寻找和研究岩浆型矿床的高潮(王冠等，2014；张照伟等，2015；Li et al., 2015；Peng et al., 2016；Song et al., 2016)。同处昆北断裂带的冰沟南矿区，2014年新发现基性-超基性杂岩(辉长岩-橄榄辉长岩，图 1)，为研究昆北带加里东晚期-海西早期铜镍成矿事件动力学环境及区域找矿方向提供了重要资料。随着冰沟南地区晚志留世-早泥盆世的岩浆事件被揭示(张建新等，2003；谌宏伟等，2006；龙晓平等，2006；赵振明等，2008；任军虎等，2009；陆露等，2010；郭通珍等，2011；刘彬等，2012)，预示在昆北断裂存在一期重要的与铜镍成矿作用密切相关的岩浆事件。本文就冰沟南矿区辉长岩体的岩石学、地质年代学和地球化学特征进行研究，探讨岩浆的起源、形成环境和大地构造意义。
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图 1 祁漫塔格冰沟南区域地质图 Figure 1 The regional geographic map of the Binggounan in Qiman Tagh area |
东昆仑造山带位于青藏高原北部，柴达木盆地南缘。带内构造线总体呈北西西向展布，由北向南发育昆北、昆中和昆南3条近东西向的区域性深大断裂带(黄汲清等，1997；姜春发等，1992；图 1a)。前人以上述3条断裂带为界，将东昆仑造山带自南向北划分为东昆南、东昆中和东昆北3个不同的构造带(袁万明等，2000；孙丰月等，2009)。
冰沟南位于东昆仑西段祁漫塔格造山带西部，北与柴达木盆地西南缘为邻，西北邻近阿尔金山。昆北断裂呈北西向从矿区南侧通过(图 1a)，它是多期次活动的深大断裂带，是形成本区辉长岩类侵入体的控岩-导岩构造通道。发育与深大断裂带有关的次级北西西向、北西向和北东向断裂构造，为本区基性-超基性岩类侵入体形成提供了定位空间，与镍铜矿在空间上关系密切。
矿区出露地层由老到新主要有蓟县系狼牙山组、奥陶-志留系滩间山群、上三叠统鄂拉山组及第四系(图 1b)；褶皱不发育，断裂活动较强烈，主要分布有一条断裂(昆北断裂的分支)；区内无大面积侵入岩体，仅有基性-酸性侵入岩脉如蚀变辉长岩、橄榄辉长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、花岗斑岩和闪长岩、辉绿玢岩等分布在矿区的中西部，与上三叠统鄂拉山组及蓟县系狼牙山组地层呈侵入接触关系。
矿床类型主要有接触交代型、热液型锌铅铜银矿和岩浆熔离型。接触交代型锌铅铜银矿主要赋存于闪长岩与狼牙山组碳酸盐岩接触部位的矽卡岩中；热液型锌铜铅银矿主要赋存于F3断裂破碎蚀变带中；岩浆熔离型铜镍矿主要赋存于橄榄辉石岩中，目前初步提交锌铅金属资源量约5×104 t。
冰沟南辉长-辉石杂岩体呈近北西向岩株状产出，长约800 m、南北宽约10~50 m，呈团块状侵入狼牙山组地层中，被后期断裂切割。研究区内出露的杂岩体大致可分为辉长岩和橄榄辉长岩。从侵入关系推测，橄榄辉长岩形成于辉长岩之后，两者之间接触带被残坡积物覆盖。
2 岩相学特征与样品采集冰沟南矿区出露的基性岩脉与上三叠统鄂拉山组及蓟县系狼牙山组呈侵入接触，主要有苏长辉长岩及橄榄辉长岩。
苏长辉长岩：主要分布在矿区西北部，呈不规则状产出(图 2a)，与狼牙山组呈侵入接触，出露面积约0.35 km2。岩石呈灰绿色，由斜长石、单斜辉石组成(图 2c)。斜长石为半自形板状，大小1~2 mm，杂乱分布。单斜辉石为半自形柱状，大小1~2 mm，部分0.2~1 mm，杂乱分布，被绿帘石、黝帘石、绿泥石、阳起石交代，少部分为假象。岩石轻碎裂，沿裂隙有黝帘石、绿帘石充填交代。岩石蚀变弱，蚀变矿物为绿帘石、黝帘石、绿泥石、阳起石等。
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(a)野外露头照片；(b)钻孔揭露照片；(c)辉长岩镜下照片，块状构造，辉长结构；(d)橄榄辉长岩镜下照片，斜长石(Pl)中包含的橄榄石(Ol) 图 2 冰沟南辉长岩野外照片和镜下照片 Figure 2 Photographs and microphotographs of the Binggounan gabbro |
橄榄辉长岩：主要在C1ZK001中发现，岩石呈深灰绿色，细粒辉长结构，块状构造(图 2b)，主要矿物有斜长石(55%~60%)、单斜辉石(25%~30%)、橄榄石(10%~15%)、角闪石(5%~10%)。斜长石呈半自形板状，大小0.5~1 mm，部分1~2 mm，杂乱分布，局部被绢云母交代。浅绿色橄榄石呈半自形粒状，大小0.5~1 mm，部分0.2~0.5 mm，杂乱分布，被滑石、蛇纹石交代，部分为假象。角闪石为他形柱状，呈填隙状分布于斜长石、辉石之间(图 2d)。岩石具绢云母化和黄铁矿化、磁黄铁矿化等。
本次研究样品的苏长辉长岩主要采自地表，部分来自钻孔C1ZK001；橄榄辉长岩样品采自钻孔C1ZK001。样品尽量采集新鲜和蚀变程度较低的岩石。
3 测试方法 3.1 主微量元素测试方法样品BGS-4、BGS-6、BGS-7、BGS-8、BGS-9、BGS-28和BGS-29用于主量元素、微量元素和稀土元素分析，样品切去风化面，在玛瑙研钵中研磨至200目以下。分析测试均在核工业北京地质研究院地质分析测试研究中心完成。主量元素分析使用PhilipsPW2404型X荧光光谱仪(XRF)完成，按照国家标准GB/T14506 28-1993执行，分析精度优于1%，FeO用湿化学单独分析测定，烧失量在烘箱中经1000℃高温烘90 min后称重所得。微量元素分析使用FinniganMATElement Ⅰ型电感耦合等离子体质谱仪(ICP MS)完成，使用USGS标准W-2和G-2及国内标准GSR-1、GSR-2和GSR-3校正样品元素含量，分析精度多好于3%。
微量和稀土元素测试采用FinniganElement型ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)完成：称取200目样品40 mg放于150℃烤箱内保温5 h，以确保样品全溶，再将样品溶液转移到50 mL容量瓶中，加入10 mL的500×10-9 In内标，用1% HNO3稀释至50 mL刻度，摇至均匀，待测。测试过程中，每间隔10个待测样品选取一个样作为平行样，一批样品中带做1~2个空白样。以GRS1、GRS2、GRS3为标样来进行质量监控，采用标准曲线法(外标法)来校正，相对标准偏差一般小于10%。一般微量元素含量大于10×10-6的样品分析误差小于5%，含量小于10×10-6的样品分析的误差小于10%。
3.2 LA-ICP-MS方法定年用于锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学分析的样品为BGS-N2，岩性为苏长辉长岩。分析测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。锆石按常规重力和磁选进行分选，对选出的锆石在双目镜下挑纯，将锆石样品置于环氧树脂中，然后磨至约一半，使锆石内部暴露，用阴极发光(CL)研究锆石形态，U-Pb同位素组成在激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)上完成。分析仪器为配备有193 nmArF-excimer激光器的Geolas200M(Microlas Gottingen Germany)激光剥蚀系统和Elan6100DRC型四极杆质谱仪。激光剥蚀孔径30 μm，剥蚀深度20~40 μm，激光脉冲为10 Hz，能量为32~36 mJ。测试中用人工合成的硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610进行仪器最佳化。锆石年龄计算采用国际标准锆石91500作为外标校正，每测定5个分析点后插入一次标样测定。在所测锆石样品分析前后各测一次NIST610，以29Si作为内标测定锆石的U、Th、Pb含量，用锆石91500进行外标校正。详细的分析方法和流程见袁洪林等(2003)、Gao等(2002)。
所测得的数据采用GLITTER(ver4.0，Macquarie University)程序进行处理，并用Anderson(2002)软件进行普通铅校正，年龄计算及谐和图绘制采用ISOPLOT(2.49版)软件完成。所有数据点年龄值的误差均为1σ，采用206 Pb/238U年龄，其加权均值具95%的置信度(Anderson，2002)。
4 岩石地球化学特征 4.1 主量元素特征采自矿区的7个辉长岩样品全分析结果如表 1所示。辉长岩中SiO2含量为44.34%~50.56%，平均为48.18%(表 1)，属于基性岩类；Al2O3含量为15.37%~21.22%，平均为17.45%，含量较高；MgO含量较为均一，为5.17%~7.09%，Mg#=49~63；TiO2含量较低，为1.22%~2.83%，平均为1.63%；Na2O含量为2.87%~3.61%，平均为3.24%；K2O含量为0.37%~2.56%，平均为1.21%；Na2O/K2O值为1.21~8.48，相对富钠；碱质Na2O+K2O含量相对较高，为3.30%~5.92%，平均为4.45%。在SiO2-(Na2O+K2O)图上，样品为位于碱性岩和亚碱性岩分界线附近，主体落于玄武岩和粗面玄武岩区域(图 3)。综上，冰沟南辉长岩具有高铝、低钛和偏碱性的特征。
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表 1 辉长岩主微量元素分析结果及参数特征表 Table 1 The major and trace element analysis of gabbro |
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图 3 冰沟南辉长岩TAS图解 Figure 3 Plots of Total alkali versus SiO2(TAS)diagram for of the Binggounan gabbro |
冰沟南辉长岩稀土元素分析结果及稀土参数特征见表 1，稀土元素总量变化较大，含量较低，为59.18×10-6~115.42×10-6，平均82.46×10-6，轻稀土元素含量44.60×10-6~91.24×10-6，平均62.29×10-6，重稀土元素含量14.41×10-6~27.30×10-6，平均20.18×10-6，轻稀土元素富集，轻重稀土元素比值3.08，(La/Yb)N=1.88~3.75、(La/Sm)N=1.46~1.79、(Gd/Lu)N=1.01~1.81，表明大多数样品轻、重两组稀土元素之间、以及两组内部的元素之间分馏都较弱(图 4a)。δEu为1.08~1.32，表现为较为明显的正铕异常；δCe=0.93~0.97，表现为微弱的负铈异常。球粒陨石标准化曲线呈向右倾斜，样品具有轻稀土元素弱富集型配分曲线特征(图 4a)；Sm/Nd=0.25~0.28，Rb/Sr=0.05~0.47显示岩石源于亏损地幔源的特征。
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图 4 冰沟南辉长岩稀土元素球粒陨石标准化分布型式图(a)和冰沟南辉长岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) Figure 4 The Chondrodite-nomalised REE chondrodite nomalised patterns (a) and the Primitive mantle normalized trace element primitive mantle normalized spider pattern diabram of the Binggounan gabbro(b) |
冰沟南辉长岩微量元素分析结果见表 1。在原始地幔标准化蛛网图上(图 4b)，大部分样品都有Nb、Ta、Ti的亏损，亏损程度较弱；Nb/La为0.65~0.75( < 1)，具有大陆板内玄武岩特征(夏林圻等，2007)。样品具有较高的Zr(>70×10-6)的含量，Zr/Y为3.83~5.34(>3)，大部分样品Th、U亏损，暗示其经历过强蚀变交代作用。
5 测年结果 5.1 锆石特征从冰沟南区内杂岩体中苏长辉长岩样品(BGS-N2) 中分选出的锆石呈无色透明，金刚光泽，多为宽板状和粒状。锆石长50~120 μm，宽40~60 μm，长宽比为1 ︰ 1~2 ︰ 1。阴极发光(CL)图像(图 5)显示，锆石内部结构均匀，边部可见较窄的震荡环带，具有岩浆锆石结构特征。样品中锆石17个分析点结果(表 2)显示，该样品中17个锆石分析点的Th、U含量分别变化于612×10-6~2022×10-6和861×10-6~5995×10-6，Th/U值为0.27~0.93，均大于0.1，显示其为岩浆成因锆石。
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表 2 冰沟南蚀变辉长岩中锆石U-Pb同位素LA-ICP-MS方法定年分析结果 Table 2 The zircon LA-ICP-MS U-Pb dating results of the Binggounan gabbro |
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图 5 蚀变辉长岩中代表性锆石阴极发光(CL)图像(圆圈代表U-Pb分析点位) Figure 5 The Cathode luminescence photos of zircons from the Binggounan gabbro (the circles stand for the analytical points of U-Pb dating |
锆石LA-ICP-MS U-Pb测年结果如表 2所示。17个锆石分析点比较集中，均落于谐和线上及其附近，表现为较好的谐和性(图 6)，其206 Pb/238U分析数据的加权平均年龄为427.4±7.3 Ma，MSWD＝0.26(图 6)，样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄在误差范围内是可信的，代表了祁漫塔格冰沟南杂岩体中辉长岩的结晶年龄。因此，笔者认为祁漫塔格冰沟南杂岩体中辉长岩结晶年龄为427 Ma，形成时代为早-中志留世。
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图 6 辉长岩中锆石的U-Pb年龄谐和图 Figure 6 The Condordia diagram of zircon U-Pb age map from the Binggounan gabbro |
镁铁质岩浆在演化过程中普遍会发生分离结晶作用，它是镁铁质岩浆分异演化最重要的机制(Tao et al., 2015)。前人的研究认为，与地幔橄榄岩平衡的原生岩浆的Mg#=68~75(Frey et al., 1978)，该指标是原生岩浆的重要标志之一。冰沟南辉长岩的Mg#主要为51~63(表 1)，明显属于演化的岩浆。另外，冰沟南辉长岩相容元素Cr和Ni含量(表 1)远低于原生玄武岩岩浆范围(Cr=300×10-6~500×10-6，Ni=300×10-6~400×10-6)，表明其不是原始的地幔橄榄岩部分熔融的产物。岩体以富集轻稀土元素、贫重稀土元素以及Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素的亏损为特征。这一特征主要有2种形成机制: ① 强烈的地壳混染; ② 由于俯冲带流体/熔体交代作用而形成的富集地幔的部分熔融。
Nb/U、Ta/U和Ce/Pb值通常可以作为判断地壳混染的参考指示。冰沟南辉长岩的Nb/U值为1.27~31.53，均值17.97；Ta/U值为1.03~2.17，均值1.34；Ce/Pb值为1.09~3.25，均值2.34，3个值整体均远低于MORB/OIB(Nb/U≈47、Ta/U≈2.7和Ce/Pb≈25；Hofmann，1988)。比地壳Nb/U(≈12.1)、Ta/U(≈1.1) 稍高，但比地壳Ce/Pb≈4.1比值偏低(Wedepohl，1995)，暗示其可能遭到了一定程度的地壳混染。
样品具有较高的Ba/Nb、La/Nb值，在Ba/Nb-La/Nb相关图解中(图 7a)，除一个样品以外，其余样品全部位于洋脊玄武岩、洋岛玄武岩、原始地幔的上方，其中2个样品位于大陆地壳平均附近，但总体位于弧火山岩的范围内。显然辉长岩不可能由低La/Nb、Ba/Nb的幔源岩浆经陆壳混染或壳幔物质混合熔融而形成，简单陆壳混染的产物应该落在陆壳组成的下方，介于陆壳组成和幔源岩浆组成之间，因此，他们不是简单陆壳混染的产物。另外镜下观察锆石没有熔蚀，无包体，锆石年龄也均一，没有发现古老的残留锆石年龄，也表明没有显著的地壳物质混染。故所具有的地球化学特征较为合理的解释是与具有较低Nb/U、Ta/U和Ce/Pb特征的俯冲板片流体交代作用的有关。
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(b)据La Flèche et al.(1998) 图 7 冰沟南辉长岩的Ba/Nb-La/Nb图解(a)和(Hf/Sm)N-(Ta/La)N图解 Figure 7 Ba/Nb-La/Nb(a) and(Hf/Sm)N-(Ta/La)N diagrams of the Binggounan gabbro |
俯冲板片部分熔融，形成初始埃达克质熔体，对地幔楔产生熔体交代形成高镁安山岩、富Nb玄武岩和埃达克岩(Reagan and Gill, 1989；Defant and Drummond, 1990；Kelemen，1995)，与正常岛弧玄武岩相比，具有富Nb和较低的LREEs/HREEs值的特点，具有较高的P2O5、TiO2、Zr、Sc、V值，微量元素蛛网图中常表现出Nb的正异常或微弱的负异常(Sajona et al., 1993)；板片俯冲脱水形成的富含大离子亲石元素(如Rb、Sr、U、Th等)的流体进入上覆的地幔楔，发生交代作用，使地幔楔橄榄岩部分熔融，形成消减带岩浆岩(Abe et al., 1998；Eiler et al., 2000；Grove et al., 2003)，即岛弧钙碱性玄武岩-安山岩-流纹岩。
冰沟南辉长岩都具有低的P2O5、TiO2含量，及其Nb、Ta也显示为亏损的地球化学特征，明显不同于熔体交代地幔楔形成的岩石；而富集大离子亲石元素(LILE)和轻稀土元素(LREE)而亏损高场强元素(HFSE)的特征，暗示由于从洋壳释放出的流体交代地幔楔的成因(Gill，1981；Sun and McDonough, 1989；Cornell et al., 1996；MacDonald et al., 2000)。
在(Hf/Sm)N-(Ta/La)N的相关图解中(图 7b)，样品都落入俯冲带流体交代作用区。Rb、Ba等大离子亲石元素在流体中具有较高的活动性，因此在流体交代中向高Rb、Ba方向发展，特别是Ba是俯冲板块释放的流体中最活泼的不相容元素(Defant and Drummond, 1990；Kepezhinskas et al., 1997)，而Nb在熔体中活动性较高，若熔体交代则向Nb增加的方向发展，但Rb容易受到碳酸盐化的影响，因此研究区样品在流体及熔体交代相关图解中(图 8)均显示出流体交代富集的趋势。综上推测岩石的源区性质为受流体交代作用影响的地幔楔。
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(a)底图据Kepezhinskas et al.(1997) 图 8 冰沟南辉长岩的Rb/Y-Nb/Y图解和Ba-Nb/Y图解(b) Figure 8 Rb/Y-Nb/Y and Ba-Nb/Y diagrams(b) of the Binggounan gabbro |
近几年学者们对祁漫塔格地区基性、超基性岩浆侵入事件开展了较多的高精度的定年，如最近发现的超大型夏日哈木超大型岩浆矿床其基性-超基性杂岩体的4个锆石U-Pb年龄为423±1 Ma(王冠等，2014)、张照伟等(2015)对采集到的矿体顶底板无矿化的橄辉岩锆石U-Pb年龄为412.9±1.8 Ma；周伟等(2015)对同处昆中带上的石头坑德铜镍矿点的镁铁-超镁铁质岩体的进行了锆石U-Pb测年，获得了423.5 Ma的谐和年龄。结合本次工作所获得的冰沟南辉长岩锆石U-Pb年龄427.4 Ma，可以看出这些年龄数据正逐步揭示研究区志留世的镁铁-超镁铁质岩的侵入事件，以及与之相关的岩浆矿床的成矿事件。
已有的研究表明，晚寒武世-早志留世期间，原特提斯洋向北俯冲消减(刘战庆等，2011)，东昆仑地区在此时限内转化为沟-弧-盆体系。位于东昆中清水泉-可可沙-科科可特一线发育的岛弧型中酸性侵入岩(515~427 Ma，张亚峰等，2010；朱云海等，2002)，可能就是对该时期洋壳俯冲事件的响应。昆中缝合带出露的胡晓钦角闪辉绿岩(锆石U-Pb年龄为438±2，刘彬等，2013)、清水泉辉绿岩(锆石U-Pb年龄为436 Ma，任军虎，2009)等镁铁质岩石和基性岩脉可能代表了早古生代原特提斯洋俯冲最晚的岩浆记录(刘彬等，2013)。高压榴辉岩相变质年龄428 Ma(Meng et al., 2013)，中压(绿帘)角闪岩相变质峰期年龄427 Ma(陈能松等，2002)，以及韧性剪切带强变形角闪石的Ar-Ar坪年龄426.5±3.6 Ma(王国灿等，2003)，可能反映了特提斯洋的最终关闭。400~423 Ma磨拉石建造的出现则标志着洋盆最终关闭(陆露等，2010；张耀玲等，2010)。早泥盆世之后，东昆南大洋板块与东昆中带发生碰撞一拼贴，随后昆北弧后裂陷槽关闭，以冰沟南为代表的427~413 Ma的基性超基性杂岩(王冠等，2014；张照伟等，2015；周伟等，2015)以及412~391 Ma的A型花岗岩(刘彬等，2013；王冠等，2014；甘彩红，2014)同时大量出现在研究区，暗示该时期祁漫塔格地区的构造体制发生了重大转变，由洋壳俯冲体制转变为碰撞拼贴后的伸展体制。
结合区域构造演化，我们认为该辉长岩形成于加里东造山后期碰撞后伸展的构造环境。
7 结论(1) 冰沟南辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为427.4±7.3 Ma(MSWD＝0.26)，表明其形成时代为早古生代早-中志留世。
(2) 冰沟南辉长岩主量元素总体显示出高铝、低钛、中等碱度的特征；岩石富集LREE和LILE(Rb、Th、U、K)，相对亏损HFSE(Nb、Ta、Ti)，其原始岩浆应起源于受俯冲板片脱水流体交代的亏损地幔楔，在上升的过程中遭受地壳的轻微混染。
(3) 冰沟南辉长岩岩体形成于加里东造山后期碰撞后伸展的构造环境。
致谢: 孙丰月教授和丰成友研究员在成文过程中给予的大力帮助和支持，刘建楠博士和李大新研究员在研究中给予的指导和整体性建议，在此一并致谢!
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