南祁连亚曲含镍铜矿基性杂岩体形成年龄及机制探讨

张照伟, 李文渊, 高永宝, 张江伟,郭周平, 李 侃, 王亚磊, 钱 兵

1)西安地质矿产研究所, 陕西西安 710054;2)长安大学地球科学与国土资源学院, 陕西西安 710054

南祁连亚曲含镍铜矿基性杂岩体形成年龄及机制探讨

张照伟1,2), 李文渊1)*, 高永宝1,2), 张江伟1),郭周平1), 李 侃1), 王亚磊1), 钱 兵1)

1)西安地质矿产研究所, 陕西西安 710054;2)长安大学地球科学与国土资源学院, 陕西西安 710054

通过亚曲岩体的实地调查和研究, 利用ID-TIMS方法对岩体定年, 获得(440.74±0.33) Ma成岩年龄,为加里东期。岩石地球化学特征分析及区域对比研究表明, 亚曲基性杂岩体以低Ti、亏损Nb和Ta、富集轻稀土元素和大离子亲石元素为特征。结合其同位素特征, 提出该岩体的形成与祁连山及其邻区460～440 Ma时期俯冲向碰撞转换的作用有关, 可能是岛弧岩浆作用的结果。这对于南祁连化隆一带区域铜镍找矿具有重要意义, 亦对丰富完善早古生代岩浆铜镍硫化物矿床的研究和形成机制具有借鉴作用。

基性杂岩体; ID-TIMS年龄; 形成机制; 铜镍矿; 亚曲

青海省有八条基性-超基性岩带, 且多数岩体与成矿关系密切。具体到化隆基性-超基性岩带, 不仅是青海省八条基性-超基性岩带之一, 更重要的是多数基性-超基性岩体与铜镍成矿关系密切。在长160 km, 宽8～20 km不等, 西窄东宽的楔形地带, 产出有 32个大小不同的基性-超基性杂岩体, 这些岩体的含矿性目前尚不清楚。要解决这个问题, 关键要查清这些岩体的成因以及岩体形成时的地球动力学背景, 结合亚曲典型矿床的剖析研究, 从岩体形成时代和区域研究入手, 试图探讨岩体的形成机制。前人对该矿床已进行了一些简单研究(矿石的结构构造、矿石地球化学以及稳定同位素等), 尽管对其具体的形成过程还存在不同的看法(刘应汉, 2003;赵恒川等, 2007; 申勇胜等, 2009; 汤中立等, 1987;李文渊, 1996, 2004, 2006; 樊光明等, 2007; 张照伟等, 2009, 2011, 2012a, b), 但归结起来主要认为铜镍硫化物的形成与岩浆的熔离作用以及结晶分异作用相关, 很少从岩体的岩石地球化学角度探讨该岩体的成因进而研究其形成机制(高永宝等, 2012; 王登红等, 2001; 张招崇等, 2003; 钱壮志等, 2009)。同样,对于侵入到化隆群中的基性-超基性岩带, 其岩体形成时代也备受争议, 有晋宁期之说和加里东期之说,但都没有精确的年龄数据, 多是经过地层穿插及岩体侵入先后顺序推测。该岩带形成于什么样的构造背景, 其地球动力学背景如何？对此我们选择了化隆基性-超基性岩带中典型的亚曲岩体作为精确定年的对象, 通过 ID-TIMS精确定年, 旨在阐明岩体形成时代及侵位构造背景, 解释其地质意义。

化隆岩带在大地构造位置上属祁连褶皱系与松潘甘孜褶皱系之间的化隆晚元古隆起带, 其南邻秦岭褶皱带西延部分, 北部为拉脊山加里东褶皱带。区内岩浆活动频繁, 侵入岩广泛分布, 构造运动强烈, 矿化现象不甚普遍。构造岩带主要地层是元古界化隆群, 其次是少量的中、新生界地层。化隆群分布于整个岩带, 北西端起自青海湖北的刚察县,经日月山、拉脊山以南至贵德县的阿什贡, 到尖扎、循化黄河沿岸以北地带, 它是化隆岩带基性-超基性岩侵入的主要围岩(图1), 岩性为中深变质的片岩、片麻岩夹大理岩及石英岩, 混合岩化显著。

1 岩体地质、地球化学特征

亚曲岩体地表出露宽 10～25 m, 向深部 230 m

深度位置增至80 m左右(水平宽), 发育黄、棕褐色氧化带。走向北西, 向北东倾斜, 呈北北西—北侧伏,

其南端延深260 m, 向北部延深200 m以上(尚未控制)。岩体的形态比较复杂, 其北段为较简单的薄透镜状; 岩体南段地表被片麻状闪长岩残余体所隔,

分成两枝, 向深部合二为一, 并有尖灭趋势。岩体的围岩主要是一套化隆岩群的沉积变质岩, 主要岩石类型有灰黑色石英、云母片岩、石英角闪片岩夹灰白色含石墨质大理岩、紫灰色黑云母片岩、条带状黑云母片麻岩、角闪片岩及角闪斜长片麻岩, 局部有花岗岩和闪长岩脉贯入(图2)。亚曲岩体基本上为辉长-辉石岩-闪长岩岩体, 可以划分为辉长岩、辉长-辉石岩和闪长岩三个岩相带, 岩石类型主要为角闪石化辉长-辉石岩、角闪石化黑云母辉长岩及石英闪长岩。

图1 青海省化隆一带区域地质图Fig. 1 Regional geological map of Hualong County, Qinghai Province

图2 亚曲岩体平面地质图Fig. 2 Geological map of Yaqu intrusive rocks

角闪石化辉长-辉石岩主要分布于亚曲岩体的南段靠中下盘, 特别在氧化带地段最为典型。主要由斜方辉石(紫苏辉石)(约35%)、单斜辉石(约20%)、角闪石(约10%)、斜长石(约35%)组成, 其次可见少量黑云母(约3%)和石英(约2%)。金属硫化物见有磁黄铁矿, 镍黄铁矿、黄铜矿、黄铁矿等呈浸染状分布于岩石中, 也有呈细脉状充填于岩石节理中。角闪石化黑云母辉长岩主要分布在岩体南段的上盘和北段。主要由浅棕色角闪石(约10%)、辉石(约50%)、斜长石(约35%)、黑云母(约10%)和少量石英、磷灰石等组成, 金属硫化物含量不多。石英闪长岩主要有紫苏辉石石英闪长岩和黑云母石英闪长岩。

在亚曲岩体硅酸盐全分析中(表 1), MgO含量(3.22%～14.83%)变化较大, FeO+Fe2O3含量变化较小,为 4.95%～10.79%, 平均值为 7.19%。Al2O3值在10.4%～20.01%, 平均值为 15.92%, 变化范围大。CaO含量介于4.51%～9.36%之间, 平均值为6.43%。Na2O 的含量介于 1.58%～3.28%之间, 平均值为2.39%。K2O 含量介于 0.15%～2.65%, 平均值为1.55%。TiO2含量介于 0.56%～0.91%, 平均值为0.74%。亚曲岩体岩石的 m/f值大部分介于 1.0～2.0之间, 与吴利仁(1963)划分的铁质基性岩特征一致,属于铁质类型的基性岩。在 SiO2-Na2O+K2O图上,样品均投影在亚碱性系列区(图3)。在AFM图解上,样品投影于钙碱性系列区(图4)。

表1 亚曲岩体主量元素分析结果表(wt%)Table 1 Major elements analyses of Yaqu intrusion (wt%)

亚曲岩体微量元素分析如表 2所示, 总体上显示出相容元素(如Ni、Cr、Co、V)含量低, 不相容元素(如Rb、Ba、Th等)含量高的特点。在其不相容元素原始地幔标准化图解上(图5), 总体显示出较为一致的分布模式, 可以看出其富集大离子亲石元素(Sr、Rb、Ba)和相对亏损高场强元素(Nb、Ta、Hf、Zr)。与原始地幔(17.8与37)(McDonough et al., 1995)和地壳相应值(11和33)(Taylor et al., 1985)不同, 其Nb/Ta比值为9.81～17.19, 平均 14.96; Zr/Hf 比值为 31.3～40.0,平均38.56。在亚曲岩体过渡金属元素含量中, 与原始地幔相比, 所有样品均具Cr、Ni的负异常, Ti的正异常(图6)。

亚曲岩体的稀土总量(ΣREE)介于(55.13～142.41)×10-6之间, 稀土元素分析数据见表 3, 大部分样品(La/Yb)N值较高, 介于 2.09～13.06之间。(La/Sm)N介于 1.23～4.28之间, (Gd/Yb)N介于1.36～2.08之间,表明轻重稀土元素分馏较强, 而轻、重稀元素内部之间的分馏都较弱。亚曲岩体球粒陨石标准化分配曲线表现为轻稀土富集型特征(图 7), 各样品的δEu介于0.41～0.77之间, 显示明显的负异常。

图3 亚曲岩体全碱-硅(TAS)图解Fig. 3 Total alkali versus silica (TAS) diagram of Yaqu intrusion

图4 亚曲岩体AFM图解Fig. 4 AFM diagram of Yaqu intrusion

2 分析方法

岩体中采集样品15 kg, 采样位置如图2所示。样品岩性为辉石岩相, 锆石分选工作在河北省区域地质调查研究院实验室进行, 常规碎样至 120目后手工淘洗, 挑选出锆石进行年龄测定。

在加拿大多伦多大学杰克萨特利(Jack Satterly)年代学实验室采用同位素稀释热电离质谱法(isotope dilution thermal ionization mass spectrometry)(ID-TIMS)进行锆石U-Pb同位素分析。分析之前,锆石晶体颗粒经热退火并在 HF酸中部分溶解, 以此彻底消除出现 Pb丢失的蚀变区域同时提高一致性和谐和度。这些区域与在蚀变前遭受辐射破坏的高 U区域相关。前处理时, 首先将锆石颗粒置于1000℃马弗炉中加热大约 60 h, 以修复辐射破伤和退火晶格, 接下来就是单步部分溶解过程, 用50%HF酸0.10 mL和7 mol/L HNO3酸0.020 mL聚四氟乙烯溶解皿中于 1 9 5℃的温度下溶解6～12 h(Barnes et al., 1997)。通过硝酸和丙酮清洗,每个锆石晶体颗粒的尺寸和重量进行测量和称重,通过样品装载,205Pb-233U-235U示踪剂溶液被加到马弗炉器皿中。利用浓的HF酸0.10 mL和0.02 mL的7 mol/L HNO3酸于195℃的温度下溶解3～5 d, 锆石被溶解, 并再溶解于0.15 mL的3 mol/L的HCl酸中(Krogh, 1973)。使用盐酸通过离子交换色谱使U和Pb从溶液中分离出来, 并将分离出来的样品沉积在已经涂有硅胶的铼灯丝上, 在VG354质谱仪上进行分析, 应用戴利探测器的脉冲计数模式计算 Pb和U, 或者运用多法拉第富集模式收集Pb并且用静态模式收集U。Pb和U测量系统测量时间为21.5 ns。戴利探测器修正偏差为一常数, 每原子质量单位0.05%。利用SRM982标准Pb对放大器和达利特性进行监控。每原子质量单位热分馏校正 0.10%恰对应于铅的0.06%误差(2σ), 同时U分馏出来。假设最初岩浆中 Th/U比值为 4.2, 利用锆石中的230Th 不平衡进行206Pb-238U 对207Pb/206Pb的年龄校正(Campbell et al., 1979)。锆石中所有普通铅被分配到铅空白处, U空白估计为0.01 pg。U/Pb比值的标定误差为0.04%(2σ)。所有年龄误差标记在文本和表中,并在谐和图给出在 95%置信区间的误差椭圆。使用ISOPLOT程序3.00进行绘图和年龄计算(张照伟等,2012b)。

图5 亚曲岩体不相容微量元素原始地幔配分模式图(据Sun et al., 1989)Fig. 5 Primitive mantle distribution patterns for incompatible trace elements in Yaqu intrusive rocks(after Sun et al., 1989)

图6 亚曲岩体相容微量元素原始地幔配分模式图(据Sun et al., 1989)Fig. 6 Primitive mantle distribution patterns for compatible trace elements in Yaqu intrusive rocks(after Sun et al., 1989)

图7 亚曲岩体REE球粒陨石标准化分布型式图(球粒陨石数据据Sun et al., 1989)Fig. 7 Chondrite normalized REE patterns of Yaqu intrusive rocks(chondrite data after Sun et al., 1989)

表2 亚曲岩体微量元素分析结果表(单位: 10-6)Table 2 Trace elements analyses of Yaqu intrusion (unit: 10-6)

表3 亚曲岩体稀土元素分析结果表(单位: 10-6)Table 3 Rare earth elements analyses of Yaqu intrusion (unit: 10-6)

3 分析结果及讨论

亚曲黑云母斜长辉长岩(09YQ-05)中的锆石绝大多数为烟灰色、浅烟灰色、浅黄色半自形柱状特征(部分残缺锆石属于碎样时机械破损, 或者碎样目数较细所致), 少数为浅玫瑰红色浑圆状, 粒径多在80 μm×60 μm 至 120 μm×90 μm。锆石 CL 图像(图8)显示, 锆石呈浅灰-深灰色, 少数具有内核(图8-B),多数发育有环带结构(图 8A、C、D), 且 Th/U比值一般在0.62～0.90之间(表4), 具岩浆结晶锆石特征。

亚曲(09YQ-05)样品在加拿大多伦多大学进行了 ID-TIMS锆石 U-Pb年龄测定(表 4、图 9), 获得锆石 U-Pb年龄为(440.74±0.33) Ma (MSWD=1.1),属早志留世, 为加里东期岩体, 侵入于元古界化隆群中。

图8 亚曲岩体辉石辉长岩锆石CL图像Fig. 8 CL images of zircon from pyroxenite of Yaqu intrusive body

表4 青海省亚曲岩体ID-TIMS锆石U-Th-Pb同位素分析结果Table 4 U-Th-Pb isotopic data of Yaqu mafic intrusions, Qinhai Province

图9 亚曲岩体锆石U-Pb谐和图Fig. 9 Concordia diagrams showing U-Pb analyses of zircons from Yaqu intrusion

利用ID-TIMS, 首次获得了亚曲岩体(09YQ-05)的锆石U-Pb年龄为(440.74±0.33) Ma (MSWD=1.1),也是在南祁连化隆基性-超基性岩带中获得的首个基性-超基性侵入岩精确年龄数据。与中祁连地块基性-超基性岩体年龄相近, 秦祁造山带结合部陇山岩群中的基性岩的年龄为(442.8±1.1)～(440±1.7) Ma,中祁连马衔山岩群内基性岩的年龄为(441.1±1.4) Ma(陈隽璐等, 2006; 何世平等, 2008)。

祁连山造山带是秦祁昆巨型造山带的组成部分, 属于中国中央造山带。新元古-早古生代秦祁昆大洋具有复杂的结构形式, 洋中有块、块中有裂陷是其主要特征之一(汤中立等, 1995; Barnes et al., 1985; Mckenzie et al., 1988; DePaolo et al.,1981)。大陆裂解形成一系列大小不等的海洋盆地,而会聚可使其盆地关闭, 经造山作用使堆积物发生变质变形。板块的裂解与关闭实际上是构造旋回中的一个开合过程的具体体现, 由于这种开合可以是原地开合, 也可以是异地开合, 最终使这些原来相关或不相关的一系列陆块聚合在一起,形成新的大陆块。祁连山地体是经加里东末期板块碰撞而形成的典型加里东造山带, 祁连山南东段是祁连山造山带的尾端, 该造山带有着复杂的物质组合和漫长的构造演化历史(Rad’ko, 1991;Naldrett et al., 1993; 孙涛等, 2012)。中祁连地块是秦祁昆洋中陆块群中的一个, 由新元古代以前的古老变质岩系组成, 其上发育有裂陷槽, 南祁连、拉脊山就是地块进一步裂解形成的两个盆地(或小洋盆), 它们是在加里东期闭合形成的造山带(Brügmann et al., 2001; Lightfood et al., 1993; 吕林素等, 2007; 王团华等, 2009)。

亚曲岩体所代表的基性-超基性岩带恰处于祁连造山带的南东段, 该岩带的所有基性-超基性岩体都无一例外地侵入在元古界化隆群中, 化隆群是一套以石英岩、黑云石英片岩、二云母片岩、石英片岩、角闪片岩、黑云斜长片麻岩、混合片麻岩和混合岩为主体, 变质程度较深的中-深变质岩系。基性岩墙群代表地质历史时期的伸展裂解事件, 其形成时代可以代表裂解的初始时限, 可为造山前期的地质作用过程提供研究基础。其变质变形又包含有造山过程区域构造作用叠加、改造的信息, 为造山过程的动力学研究提供了约束, 因而在大陆再造研究过程中, 越来越受到重视(Lightfood et al., 1997; Irvine, 1975; Keays, 1995; Wendlandt, 1982; 李文渊,2004; 徐德明等, 2006)。440 Ma左右的年龄, 与加里东中晚期祁连造山带火山弧或弧后盆地的裂解时代接近(汤中立等, 2006), 可代表加里东运动俯冲碰撞后火山弧的裂解拉张的形成时限, 因而对加里东中晚期在祁连地区的构造运动表现形式及造山作用过程的细节及其时限是一种很好的约束(Li et al.,2008; Wang et al., 2006a)。岩体岩石地球化学、稀土元素、微量元素特征说明岩体母岩浆至少是两种端元的混合, 并遭受了陆壳物质混染作用。岩体的岩石地球化学特征反映出与俯冲相关的地球化学特征(Irvine et al., 1975; 李锦轶等, 2006), 如Nb、Ta、Ti的亏损, 以及所有岩石均属于钙碱性系列等, 且轻稀土(LREE)和大离子亲石元素(LILE)相对富集, 适度亏损高场强元素, 应属于碰撞岛弧环境中岩浆系统(Wang et al., 2006b; Ebel et al., 1996)。随着祁连地块向华北克拉通俯冲的进行, 于450 Ma北祁连闭合形成缝合带, 同时柴达木地块向北俯冲, 也于该时期在柴北缘形成高压超高压变质带(宋述光等,2009)。而拉脊山有限小洋盆因俯冲挤压被迫闭合,形成北祁连-中祁连-南祁连-西秦岭等的由南向北的俯冲拼贴状貌, 同时产生了岛弧岩浆作用, 产生了化隆一带基性-超基性杂岩体的就位。设想在复杂的地质作用过程中, 地壳深处岩浆物质, 沿着地层构造的层间裂隙, 间歇性压滤侵位, 形成了一些规模极小, 点滴状、扁豆状排列无规律的基性-超基性岩体(宋谢炎等, 2009)。并在此过程中, 由于岩浆自身性质和演化作用, 并遭受上地壳物质混染, 发生了硫化物的不混溶, Ni等金属进入硫化物液相, 随着硫化物的聚集形成矿床。

4 结论

(1)亚曲岩体为一铁质系列的基性杂岩体, 岩体分异好, 有用元素Ni、Cu、Co丰度高, 是个有利成矿的岩体; (2)利用ID-TIMS方法首次获得亚曲岩体的精确年龄为(440.74±0.33) Ma, 亦是化隆基性-超基性岩带上获得的首例基性岩体的精确年龄。发育在化隆古老微陆块中的亚曲等铜镍矿化岩体, 形成于志留纪, 可能与祁连山及其邻区460～440 Ma时期俯冲向碰撞转换的作用有关, 是俯冲构造事件的岩浆活动和成矿作用在南祁连造山带的反映。

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致谢: 衷心感谢中国地质科学院矿产资源研究所李延河研究员、侯可军副研究员对论文提出的建设性意见！在数据测试中得到了美国印第安纳大学李楚思教授的有益帮助, 另外, 审稿人提出了具体修改建议, 谨此表示谢意！

The Formation Age of the Yaqu Ni-Cu Bearing Basic Complex in Southern Qilian Mountain and a Discussion on Its Mechanism

ZHANG Zhao-wei1,2), LI Wen-yuan1), GAO Yong-bao1,2), ZHANG Jiang-wei1),GUO Zhou-ping1), LI Kan1), WANG Ya-lei1), QIAN Bing1)
1)Xi’an Institute of Geology and Mineral Resources, Xi’an, Shaanxi710054;2)College of Earth Science and Resources, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi710054

This paper reports partial achievements in potential evaluation of magmatic type copper-nickel ore resources in Hualong County, Qinghai Province, mainly by field survey and investigation of Yaqu intrusive rocks,and obtained the zircon U-Pb age of rock formation (442.4±1.6) Ma by ID-TIMS. Geochemical studies of the basic complex closely associated with the deposit show that it is characterized by low Ti, depletion of Nb or Ta and enrichment of LREE and large lithosphile elements. These features, combined with the isotope geochemistry, have led the authors to believe that the magma occurred under the condition of the conversion of subduction to collision in 460–440 Ma in the Qilian Mountain and its adjacent areas, and might have resulted from arc magmatism. The results not only have great significance for regional prospecting of Ni-Cu ore resources in Hualong area but also have reference value for enrichment of the knowledge of early Paleozoic magmatic Ni-Cu sulfide deposits and their formation mechanism.

basic complex; ID-TIMS age; formation mechanism; Ni-Cu deposit; Yaqu

P588.124; P597

A

10.3975/cagsb.2012.06.11

本文由国家自然科学基金(编号: 40772062, 41102050)和中国地质调查局地质大调查项目(编号: 1212010911032, 1212011220897,121201112088和1212011121092)联合资助。

2012-08-11; 改回日期: 2012-10-17。责任编辑: 张改侠。

张照伟, 男, 1976年生。助理研究员, 博士研究生。主要从事岩浆作用矿床及区域成矿研究。通讯地址: 710054, 西安市友谊东路438号。E-mail: zhaoweiz@126.com。

*通讯作者: 李文渊, 男, 1962年生。研究员, 博士生导师。主要从事岩浆铜镍硫化物矿床与区域成矿研究。通讯地址: 710054, 西安市友谊东路438号。E-mail: xalwenyuan@126.com。