冈底斯西北缘晚白垩世石英二长岩的年代学、地球化学、构造环境及成矿意义

李华亮 , 杨 绍 , 李德威 , , 张 硕 , 吕志伟 , 陈桂凡

(1.中国地质大学(武汉) 地质调查研究院, 湖北 武汉 430074; 2.中国地质大学(武汉) 地球科学学院, 湖北武汉 430074; 3.中国地质大学(武汉) 青藏高原研究中心, 湖北 武汉 430074)

0 引 言

近十年来, 许多学者从不同角度对班公湖-怒江结合带的构造性质、构造演化及其岩浆活动、成矿作用作了较系统的研究(潘桂棠等, 2004; 朱弟成等, 2006; 史仁灯, 2007; 李德威, 2008; 康志强等,2008, 2010; 曲晓明等, 2009; 谢国刚等, 2009; 赵元艺等, 2010; 高顺宝等, 2011; 杜德道等, 2011; 耿全如等, 2011 )。初步总结班公湖-怒江结合带西段洋陆转换过程是: 晚三叠世至早侏罗世中特提斯洋盆扩张, 中侏罗世洋盆开始消减, 晚侏罗世洋盆南北双向俯冲作用加强, 早白垩世洋盆消亡, 出现由郎山组灰岩和多尼组含煤建造所指示的残余海盆和海陆交互沉积; 晚白垩世沿着班公湖-怒江结合带线性分布的竟柱山组陆相沉积的砾岩、含砾砂岩角度不整合覆盖在蛇绿岩及特提斯海相沉积岩系之上, 表明该带已经完成洋陆转换, 进入陆内构造环境, 同时区域上发育控制竟柱山组磨拉石建造的近EW向伸展构造和控制基性至中酸性岩脉的近 SN向伸展构造(李德威, 2008; 张硕, 2014; 周涛等, 2014 )。

近几年来, 在班公湖-怒江结合带中、西段北侧发现了多不杂超大型斑岩型铜矿床和弗野、材玛等富铁矿床, 在中、西段南侧发现了尼雄超大型铁矿床、尕尔穷金(大型)铜(中型)矿床和嘎拉勒金(大型)铜(小型)矿床。最近我们在班公湖北东侧20 km处的乌鲁穷一带找到出露长约5 km、宽数百米的富铁(含铜)矿床(将另文发表)。这些矿床宏观上呈EW向分布,但是从矿田、矿床到矿体却表现为近SN向分布, 主要受陆内热隆伸展构造控制, 不一定受花岗岩及其围岩接触带直接控制。由于矿石中没有可靠的定年矿物, 通常以邻近矿床的花岗岩的成岩年龄代表成矿年龄。一般认为这些矿床是班公湖-怒江洋俯冲形成的斑岩型铜矿床或矽卡岩型铁矿床。然而, 其成矿时代、成矿构造、形成机理还值得深入的研究和探讨。

花岗岩对于大地构造环境和大陆地壳厚度具有重要的指示意义(张旗等, 2011 )。本文在对冈底斯西北缘与成矿关系十分密切的扎隆琼娃石英二长岩进行详细的野外地质调查的基础上, 对石英二长岩的成岩成矿年代学、岩石地球化学和形成环境进行初步的研究, 以期为探讨班公湖-怒江结合带多金属矿床的成岩成矿时代、成矿构造环境和矿床成因提供有益的借鉴。

1 地质矿产特征

1.1 地质背景

班公湖-怒江结合带位于羌塘地块与冈底斯地块之间(图1)。主要经历了中特提斯洋开合演化和陆内盆山耦合两个不同性质的构造演化阶段, 认识这两个不同尺度的动力学过程的转换期是解决该带许多重大地质矿床问题的关键, 也有助于认识成矿大爆发的地质背景(曹圣华等, 2007 )。

班公湖-怒江结合带西段蛇绿岩套岩石组合齐全, 构造变形强烈, 构造-岩石分带性明显。根据蛇绿混杂岩带岩石形成的构造环境、岩石组合类型、产出状态及其接触关系, 划分出蛇绿混杂岩带、蛇绿构造混杂岩带和构造混杂岩带3个亚带。蛇绿混杂岩带由逆(冲)断层分割的变质橄榄岩、辉长岩、辉绿(玢)岩、火山岩、硅质岩等岩片组成, 出露不完整,分布在结合带中央; 蛇绿构造混杂岩带由逆(冲)断层分割的部分蛇绿岩岩片与早侏罗世-中侏罗世木嘎岗日群、晚侏罗世-早白垩世沙木罗组砂岩、板岩等岩(断)片和少量中二叠世吞龙共巴组、晚三叠世日干配错群灰岩岩块或飞来峰组成, 分布在蛇绿混杂岩带南北两侧; 构造混杂岩带常由不同方向的韧性和脆性构造边界分割的吞龙共巴组和日干配错群灰岩、砾岩等岩块与早-中侏罗世木嘎岗日群、晚侏罗世-早白垩世沙木罗组碎屑岩基质组成, 不对称分布在蛇绿构造混杂岩带两侧。班公湖-怒江结合带两侧不同程度地发育中、晚侏罗世与洋盆俯冲有关的岛弧岩浆组合(耿全如等, 2011)。班公湖SSZ型蛇绿岩中火山岩的锆石 U-Pb年龄为 163.9±0.7 Ma(MSWD=1.06), 形成于弧前盆地(周涛等, 2014 )。

JSSZ. 金沙江缝合带; BNSZ. 班公湖-怒江结合带; YZSZ. 雅鲁藏布江缝合带; 1. 晚侏罗世-早白垩世灰岩; 2. 南羌塘南缘晚侏罗世火山岩; 3. 北冈底斯晚白垩世侵入岩; 4. 南羌塘南缘晚侏罗世-早白垩世侵入岩; 5. 北冈底斯早白垩世侵入岩; 6. 班公湖蛇绿构造混杂岩; 7. 辉绿岩脉; 8.主断裂; 9. 次级断裂; 10. 矿点位置。

晚白垩世在陆内热隆伸展环境下发生的构造-岩浆-沉积-成矿事件, 形成受拆离断层和高角度正断层控制的竟柱山组磨拉石建造、结合带内部90.7±1.2 Ma和 82.9±1.2 Ma富 K 贫 Na, 低 Cr、Ni的埃达克质花岗岩(张硕等, 2014)、横跨结合带近SN向分布的基性岩脉(85.8±0.9 Ma、88.8±1.2 Ma)(张硕,2014)和花岗斑岩、闪长玢岩岩脉(79.59±0.32 Ma、75.9±1.2 Ma)(江军华等, 2011)。本文报道的班公湖-怒江结合带西段南侧晚白垩世构造-岩浆-成矿事件正是产于这种构造背景(图1)。

1.2 矿床地质特征

扎隆琼娃石英二长岩位于班公湖-怒江结合带南侧近EW向构造边界与近SN向正断层系及其地堑的交汇部位, 以岩株的形式产出, 并与花岗质岩脉共生。扎隆琼娃磁铁矿受一系列NNE向阶梯状平行排列的正断层控制, 与同向分布的花岗岩脉密切相关(图 2)。

近南北走向的伸展构造带由6条平行排列的正断层组成, 断层破碎带宽约 1 km, 主断层被第四纪洪冲积砾石层和含矿砾石层所覆盖, 出露的断层产状为: 112°~121°∠68°~79°(图 2)。断层面上发育擦痕、阶步、磨光镜面、构造薄膜、铁质浸染等标志(图3)。次级断层出现多条与断层活动同期的花岗岩脉,脉体不同程度的发生了矿化(图2, 3), 并出现钾化、硅化和绿帘石化, 绿帘石化集中分布在断层角砾岩带。因此, 花岗岩脉的结晶年龄可能代表了成矿年龄。

铁矿化沿着近南北走向的正断层分布, 矿体主要呈脉状产于次级正断层中, 少量矿体沿着正断层伴生的张节理分布(图2, 3), 以块状矿石为主, 还有角砾状、细脉状矿石。此外, 有些矿体出现在受正断层控制的花岗岩脉中, 呈网脉状产出。矿脉宽0.3~3 m, 长 3~6 m, 与围岩界线清晰, 其产状与断层产状基本一致, 为平行于正断层的脉状矿体。绝大部分矿石致密, 品位高。根据 6个样品的分析结果, 矿石Fe品位为51%~60%, 平均56%。矿石为他形粒状结构、交代残余-假象结构等, 放射状构造、针状构造、蜂窝状构造、多孔状构造。矿石中主要金属矿物为赤铁矿、磁铁矿、针铁矿, 少量褐铁矿、黄铁矿、黄铜矿, 偶见斑铜矿。

2 样品采集与测试分析

图2 班公湖南侧扎隆琼娃磁铁矿矿区地质剖面Fig.2 Geological profile of the Zhalongqiongwa magnetite mining area in the southern Bangong Lake area

图3 扎隆琼娃断层带地质矿产野外照片Fig.3 Field photos of the deposits occurring along the Zhalongqiongwa fault zone

笔者采了 1件与成矿同期的含矿花岗岩脉PM95-15-2和 8件石英二长岩样品进行分析(图 2),其中 PM95-25-2用于薄片鉴定, PM95-15-2和PM95-25-1用于年代学分析，其余样品用于地球化学分析。石英二长岩主量、微量及稀土元素测试结果见表1, 年龄分析结果见表2。主量元素、微量元素及稀土元素分析均在武汉岩矿综合测试中心完成。主量元素采用X荧光光谱法(XRF)分析,微量元素和稀土元素的分析则采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)分析方法。锆石单矿物分离在河北省区域地质调查研究所完成, 首先清洗样品表面以防外界杂质污染, 然后将样品粉碎, 进行重选和电磁选后再在双目镜下挑纯。将选出的锆石贴在双面胶上, 然后用环氧树脂固定, 最后打磨抛光至锆石暴露, 锆石结构图像应用透射光、反射光和阴极发光(CL)采集, 透射光、反射光在中国地质大学(武汉)矿石学实验室完成, 阴极发光(CL)在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。锆石 U-Pb 定年在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成, 锆石定年仪器为带有 Shield Torch 的Agilient 7500a型ICP-MS; 激光剥蚀系统为德国 MicroLas 公司生产的 GeoLas200M, 激光器为 ComPex102 Excimer(工作物质 ArF, 波长193 nm)。采用He作为剥蚀物质的载气, 分析采用斑束直径为 30 μm, 频率为 10 Hz, 能量为 32~36 mJ, 每个分析点的气体背景采集时间为 20 s,信号采集时间为40 s。详细实验过程参见Yuan et al.(2004, 2008)。激光剥蚀方式为单点剥蚀, 分析仪器校正采用标准参考物质NIST610进行仪器最佳化。ICP-MS 数据采集选用质量峰采点的跳峰方式。年龄计算以国际标准锆石 91500 作为外标校正,29Si作为内标, 每测定6个分析点插入一次标样测定。以ICPMSDataCal(Liu et al., 2008, 2010)软件计算测试结果, 采用Isoplot3.0程序(Ludwig, 2003)绘制谐和图。

表1 扎隆琼娃石英二长岩的主量元素(%)和微量元素(×10-6)化学组成Table 1 Major (%) and trace element (×10-6) compositions of the quartz monzonite and granitic vein in Zhalongqiongwa

表2 扎隆琼娃石英二长岩和花岗质岩脉的锆石LA-ICP-MS U-Pb测年结果Table 2 Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating results of the quartz monzonite and granitic vein from Zhalongqiongwa

3 分析结果

3.1 岩体地质、地球化学特征

石英二长岩呈灰色、浅灰色, 中-细粒结构, 块状构造。主要造岩矿物为斜长石(35%~40%)、钾长石(30%~40%)、角闪石(10%~15%)、石英(8%~13%)、黑云母(3%~5%)、辉石(2%~5%)。副矿物包括磁铁矿、榍石、磷灰石等。斜长石半自形-自形, 发育聚片双晶, 有的发育环带构造, An=35~40, 石英呈它形粒状充填于其他矿物之间。

3.1.1 主量元素特征

6件地球化学样品 SiO2的含量为 62.09%~65.54%, 为偏酸性的中性岩, MgO含量为2.58%~3.47%, 具有较高的 Mg#(52.9~56.8)。K2O含量为 3.21%~3.89%, 在 SiO2-K2O图中主要落在高钾钙碱性系列中(图 4), Al2O3含量为 15.08%~5.92%, 铝饱和指数(A/CNK)为 0.79~0.92, 为准铝质岩石。

3.1.2 稀土元素和微量元素特征

在岩体的球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图中(图5a), 所有样品曲线近乎一致, 呈右倾分布, 表现为轻稀土(LREE)富集型, 轻、重稀土分异比较明显(19.56<(La/Yb)N<26.69, 平均值为22.03), Eu轻微负异常(0.72<δEu<0.81)。在微量元素蜘网图上(图5b),石英二长岩总体上具有富集不相容元素Rb、Th、U、K、Pb, 而亏损Nb、Ta、Zr、Ti、P等高场强元素的特点, 显示出岛弧岩浆岩的特征, 暗示源区可能存在含钛矿物相或角闪石残留相, 并且Sr无明显负异常, 这与其无明显的Eu负异常是一致的。

3.2 年代学分析结果

3.2.1 石英二长岩成岩年龄

石英二长岩(PM95-25-1)共测定 24颗锆石, 锆石多呈长柱状, 少部分呈短柱状, 或为不规则的碎粒, 具有平行生长带, 粒径 100~300 μm, 长宽比值约1~3, 锆石阴极发光强度较弱(图6a)。锆石Th、U含量平均值分别为690×10-6和613×10-6, Th/U比值介于 0.54~1.42之间, 平均 1.09, 暗示其岩浆成因(Rubatto and Gebauer, 2000)。协和度高于90%的14颗锆石测点的206Pb/238U年龄值介于 84.3~86.6 Ma之间, 在一致曲线图中, 数据点成群分布(图6b), 加权平均年龄为 85.60±0.48 Ma(MSWD=1.3), 代表了石英二长岩的结晶年龄。

图4 石英二长岩SiO2-K2O图解Fig.4 SiO2 vs K2O plot for the quartz monzonite

图5 石英二长岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a, 标准化值据Boynton, 1984)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b, 标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams for the Zhalongqiongwa quartz monzonite (b)

图6 扎隆琼娃石英二长岩和花岗岩脉锆石阴极发光(CL)图像(a, c)和U-Pb年龄谐和图(b, d)Fig.6 Cathodoluminescence (CL) images (a, c) and U-Pb concordia diagrams (b, d) of zircons in the quartz monzonite and granitic vein in Zhalongqiongwa

3.2.2 含矿花岗岩脉成岩年龄

对含矿花岗岩脉(PM95-15-2)共测定24颗锆石,锆石自形或半自形, 长柱状, 粒径 100~500 μm, 长宽比值1~5, 锆石阴极发光强度较弱, 具岩浆环带或平行生长带, 内部无残留核(图6c), Th、U含量平均值分别为 407×10-6和 397×10-6, Th/U比值介于0.59~1.38之间, 平均值1.07, 为典型岩浆锆石。部分锆石由于铅丢失等原因, 导致协和度不高,为了数据质量, 将协和度小于90%的不予计算。协和度高于90%的16颗岩浆锆石中, 3个点(18、19、22)与总体年龄不和谐(误差大于5%), 不参与加权平均计算, 其余13颗锆石测点的206Pb/238U年龄值介于 83.33~88.39 Ma之间, 在一致曲线图中, 数据点成群分布(图 6d), 其加权平均年龄为85.51±0.77 Ma(MSWD=2.0), 代表了含矿花岗岩脉的结晶年龄。

4 讨 论

4.1 成岩、成矿时代

从所研究的岩浆岩中锆石的结构和 Th/U比值来看, 石英二长岩和花岗岩脉均为岩浆成因, 所获得的加权平均年龄为85.60±0.48 Ma和85.51±0.77 Ma,分别代表了石英二长岩和花岗岩脉的形成时代。需要确定成矿作用与成岩时代、构造活动的关系。

野外基础地质调查和构造分析表明, 扎隆琼娃磁铁矿矿体主要受NNE向高角度正断层控制, 断层张裂隙中角砾岩的矿化(图 3e)表明断层活动与成矿同期。主断层两侧的多条平行排列的次级断层中可见多条花岗岩脉沿次级断层侵入, 脉体产状严格受断层控制, 并不同程度的发生矿化, 说明脉体年龄代表了断层活动年龄, 也即代表了成矿年龄。石英二长岩的成岩年龄与磁铁矿成矿年龄在误差范围内近于一致, 为同一连续的岩浆作用过程。总体上,上述岩脉与断层、矿体的地质关系反映了同陆内伸展构造-岩浆-成矿事件, 都是壳幔异常热活动背景下发生的地质作用, 因此花岗岩脉成岩年龄基本上代表了陆内伸展构造和成矿的年龄。并与陆内热隆伸展形成的近东西走向的线性断陷盆地(地堑)内晚白垩世竟柱山组磨拉石沉积同期。

4.2 岩石成因

扎隆琼娃石英二长岩具有相对高的 K2O(3.21%~3.89%)、MgO(2.58%~3.47%)、Mg#(52.9~56.8)、Cr(107×10-6~597×10-6, 均值 314×10-6)和 Ni(60.6×10–6~78.2×10-6, 均值68.5×10-6), 岩石中Cr和Ni含量明显高于地壳熔融形成的花岗岩的值。据 La-La/Yb图(图7), 判断石英二长岩主要通过部分熔融形成。而班公湖蛇绿混杂带中96 Ma左右的埃达克质花岗岩(张向飞, 2011)和91 Ma左右具埃达克质岩特征的花岗闪长岩脉(张硕等, 2014 )却显示低Mg、低Cr和Ni的特点。说明班公湖-怒江结合带在96~91 Ma发生洋陆转换造成地壳加厚, 其后在地幔软流圈底辟作用下, 地壳发生线性热隆伸展及薄化减压, 从而地幔热能和物质参与了地壳部分熔融和热隆伸展, 形成扎隆琼娃含矿的高K、Mg、Cr、Ni石英二长岩。其形成构造环境类似于鲁西中生代伸展环境下形成的高镁闪长岩(巫祥阳等, 2003; 杨承海等, 2006,2007)。

图7 扎隆琼娃石英二长岩La-La/Yb图(据Chung et al.,2009 )Fig.7 La vs La/Yb plot for the Zhalongqiongwa quartz monzonite

扎隆琼娃石英二长岩亏损Nb、Ta、Zr、Ti等高场强元素(图 5b), 指示其母岩浆经历了分离结晶作用。随着结晶分异的进行, 分配系数非常接近的微量元素的比值, 如 Nb/Ta, 不受结晶分异的影响, 可以代表原始岩浆特征。扎隆琼娃石英二长岩的Nb/Ta比值(11.27~12.59)(表 1)与班公湖南侧同期辉绿岩脉(图1)Nb/Ta比值(12.20~13.20)(张硕, 2014 )近于一致,说明两者可能为同一源区。元素La和Ce均为典型的不相容元素, 其比值也可反映它们初始岩浆特征(Marjorie, 1993)。石英二长岩La/Ce比值(0.49~0.53)与班公湖地区辉绿岩脉的La/Ce比值(0.50~0.53)(张硕, 2014)基本相同, 进一步佐证了两者源区相同。石英二长岩与研究区辉绿岩脉在时空上均能配套, 在物源上相似, 进一步支持陆内地幔软流圈底辟导致陆洋转换带构造薄弱部位地壳热隆伸展、壳幔相互作用形成扎隆琼娃石英二长岩的认识。

4.3 陆内构造-成岩-成矿系统

在研究区及其周边地区, 班公湖-怒江缝合带南北两侧均发育晚白垩世矿床(点), 其中以我们在班公湖北侧最新发现的晚白垩世乌鲁穷富铁(含铜)矿床最为显著, 近南北向延伸的主矿体长度超过3000 m, 宽250~560 m。成矿期与伸展构造环境下的岩浆活动同时, 近南北走向的辉绿岩脉成群侵入于班公湖蛇绿岩带及两侧陆块之中(图1), 地质和地球化学特征均显示为陆内伸展环境, 其年龄为85.8~88.8 Ma(张硕, 2014), 说明成岩成矿作用与地幔软流圈底辟及其相关的地壳线性热隆伸展是一个机理关联的系统。

区域上, 青藏高原85~90 Ma形成的矿床(点)集中分布在冈底斯中北部, 如日阿铜矿床、尕尔穷铜矿床、拔拉扎铜钼矿床等。措勤日阿铜矿床有关的晚白垩世含铜双峰式岩石组合中基性端元的年龄为87.2 Ma(曲晓明等, 2006); 革吉县尕尔穷铜矿床含矿斑岩成岩年龄为 87.1 Ma(姚晓峰等, 2013), 辉钼矿模式年龄为86.87~89.7 Ma(曲晓明和辛洪波, 2006;李志军等, 2011)。Lu-Hf同位素测定结果显示, 尕尔穷铜矿床与成矿关系密切的石英二长岩具有幔源源区特征, 其主要起源于具有幔源印记的初生地壳(姚晓峰等, 2012)。控矿构造为NNE向和近SN向断层;尼玛县拔拉扎铜钼矿床含矿斑岩成岩年龄为88.0~93.8 Ma, 辉钼矿模式年龄为88.2~89.6 Ma, 同时具有高Mg#、Cr、Ni等幔源特征(余红霞等, 2011;王保弟等, 2013)。

冈底斯中北部晚白垩世可能发生过金属成矿大爆发, 其成矿环境、成矿条件、控矿构造、岩体地球化学特征等都具有相似性, 可能属于同一成矿系统, 并与班公湖-怒江构造带陆内地幔软流圈沿着构造薄弱的结合带线性底辟及其相关的地壳热隆伸展作用有关, 同期的热隆伸展作用在地壳浅表层次表现为近东西向地堑及其充填的竟柱山组磨拉石建造。

5 结 论

(1) 锆石LA-ICPMS U-Pb年代学分析结果表明,冈底斯西北缘扎隆琼娃石英二长岩的结晶年龄为85.60±0.48 Ma, 成矿年龄为 85.51±0.77 Ma, 成岩成矿为同一连续的岩浆作用过程。

(2) 扎隆琼娃石英二长岩高 SiO2、Al2O3、Sr、Sr/Y比值, 低Y、Yb, 轻稀土富集, 轻重稀土分异明显, 弱负Eu异常, 同时具有高K、Mg#、Cr、Ni等特征, 可能是班公湖-怒江构造带中特提斯洋陆转换及其地壳加厚之后, 由于地幔软流圈底辟作用造成先存的构造薄弱带发生地壳线性热隆伸展和部分熔融,形成扎隆琼娃含矿石英二长岩及同期的磁铁矿床。

(3) 晚白垩世中期班公湖-怒江构造带及其冈底斯北部陆内热隆伸展成岩成矿系统的新认识对于进一步探讨青藏高原中部的构造演化、洋陆转换及其成矿作用和找矿方向具有重要的意义。

致谢: 本文是我们1∶5万区域地质矿床调查团队共同成果的一部分, 在野外工作期间与中国地质调查局成都地质调查中心耿全如研究员进行了有益讨论,成文过程中得到中国科学院地质与地球物理研究所张旗研究员和中国地质科学院矿产资源研究所唐菊兴研究员富有建设性的审稿意见, 中国地质大学(武汉)廖群安教授提出了修改建议, 在此深表感谢！

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