甘肃北山地区花牛山群变英安岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义

谢建强，第鹏飞，，杨婧，陈万峰，魏海峰，翟新伟

(1.甘肃省矿产资源储量评审中心，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学地质科学与矿产资源学院，甘肃省西部矿产资源重点实验室(兰州大学),甘肃 兰州 730000；3.甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000)

北山造山带位于中亚造山带南缘，经历了早古生代至早中生代长期的、复杂的构造运动过程(XIAO et al.，2004a，2004b；JAHN，2004；WINDLEY et al.，2007；TIAN et al.，2014)，其东西分别与阿拉善和天山相接，地质构造非常复杂(何世平等，2002；龚全胜等，2002；左国朝等，2003；贺振宇等，2014)。众多研究学者对该区进行了详尽的研究，尤其对区域内成矿作用和成矿模式研究较多，而对该区岩浆岩的年代学、地球化学研究相对较弱(左国朝等，1990a，1990b；张铭杰等，1998；聂凤军等，2002a，2002b；杨合群等，2010；殷勇等，2010；杨建国等，2010，2011；朱江，2013；SONG et al.，2013a，2013b；余吉远等，2015)。对于笔者研究的采集于花牛山群中的变英安岩，存在较大的争议。杨建国等(2010)认为花牛山铅锌矿区玄武岩形成于晚蓟县世，余吉远等(2015)认为花牛山群有蓟县纪和奥陶纪两期火山岩浆作用，但并没有确切的年代学证据。

笔者以详细野外地质调查为基础，利用岩石学、地球化学及年代学手段，选择北山花牛山铅锌矿区花牛山群变英安岩为研究对象，揭示花牛山群的沉积时代和形成环境及其与成矿的关系。

1 区域构造背景及岩体特征

花牛山位于北山地区南部，牛圈子-洗肠井和辉铜山-帐房山两条蛇绿岩带之间，是连接塔里木板块与哈萨克斯坦的关键部位(刘雪亚等，1995；代文军，2002；左国朝等，2003)(图1)，区域上产出辉钼矿、金矿、铅锌矿等多种矿产，备受学者观注。

本次研究的变英安岩位于花牛山铅锌矿三矿区，整合产出于奥陶系花牛山群，近东—西向展布，其周边还有大量的变安山岩、砂岩、大理岩出露，并有超基性岩、花岗岩以及煌斑岩脉和斑状花岗岩脉侵入(图2、图3)。

1.冲洪积物；2.花岗岩；3.变安山岩；4.砂岩；5.大理岩；6.变英安岩；7.矽卡岩；8.云斜煌斑岩脉；9.石英脉；10.蚀变超基性岩；11.斑状花岗岩脉；12.铅矿体；13.断裂；14.断裂破碎带；15.地质界线；16.同位素年龄；17.采样位置及编号图2 研究区内岩体分布地质简图及变英安岩采样位置图Fig.2 The geological schematic diagram of rock mass distribution in the study area and the sampling location map of metamorphic dacite

变英安岩：风化面呈深褐色，新鲜面呈灰色，具斑状结构，块状构造。主要由斑晶(24%)和基质(76%)组成，其中斑晶为斜长石，基质为普通角闪石、斜长石、石英及少量副矿物。斑晶斜长石呈板条状，可见聚片双晶，粒径远大于其他矿物粒度，具较强的破裂现象；基质斜长石大多呈粒状，约占40%；普通角闪石呈短柱状，约占22%，具多色性，破碎、蚀变严重，可见细小纤闪石化石英呈他形粒状，约占14%，不均匀分布在斜长石空隙间，副矿物含量不足1%(图4)。

2 样品测试方法

样品采集以选择新鲜岩体露头岩石标本为原则，经薄片制作，室内镜下鉴定，选择典型样品用于主微量稀土元素分析及同位素年龄测定。主微量稀土元素由广州澳实有限公司检测。同位素年龄样品由西北大学大陆动力学国家重点实验室采用LA-ICP- MS锆石U-Pb测年法分析检测，其所使用的仪器为安捷伦-Agilient 7500a。

3 锆石年代学特征

变英安岩中的锆石大多呈暗灰色，自形程度较高，呈半自形-自形，多为长柱状，颗粒宽约40～90μm，长约110～220μm。从图5变英安岩部分锆石阴极发光(CL)影像图看，锆石具明显的岩浆振荡环带结构，其为典型的岩浆锆石(HOSKIN et al.，2003)。

1.凝灰质砂岩；2.变质细粒岩悄砂岩；3.透闪石化细粒岩屑砂岩；4.硅质岩；5.含黄铁矿泥质硅质岩；6.含黄铜矿黄铁矿化碎裂泥质硅质岩；7.石英透闪石岩；8.条带状大理岩；9.花岗闪长斑岩；10.变石英安山岩；11.变安山岩；12.变英安岩图3 花牛山地区实测剖面图Fig.3 Huaniushan area measured sectional mapping

Hb.普通角闪石;Pl.斜长石;Qz.石英图4 变英安岩偏光显微镜下照片(左：10×5-；右：10×5+)Fig.4 Polarizing microscope photos of metamorphic dacite

图5 变英安岩部分锆石阴极发光(CL)影像图及激光剥蚀位置Fig.5 Zircon crystal CL images of metamorphic dacite and laser denudation position

变英安岩LA-ICP- MS锆石U-Pb测年法得到的年龄中有20个有效年龄(表1)，年龄主要分布在(443±5)～(458±3)Ma，谐和年龄为(455±1)Ma(MSWD=0.28)，加权平均年龄为(454±2)Ma(MSWD=1.01)(图6)，加权平均年龄与谐和年龄基本一致，表明变英安岩形成于晚奥陶世早期。

表1 变英安岩LA - ICP - MS锆石U-Pb年龄分析结果Tab.1 Zircon U-Pb LA - ICP - MS dating results of the metamorphic dacite

注：测试单位：西北大学大陆动力学国家重点实验。

图6 锆石U - Pb年龄谐和图和加权平均年龄图Fig.6 U-Pb Concordia age andweighted average age for zircon of metamorphic dacite

4 地球化学特征

花牛山地区变英安岩主微量、稀土元素分析结果见表2。由表2可以看出，变英安岩具中等SiO2(57.36%～64.2%)、高Al2O3(16.67%～18.91%)、变化较大的Na2O(0.52%～3.24%)、高K2O(2.56%～4.40%)、略低的MgO(1.76%～2.95%，Mg#=24.13～29.48)。

在Zr/TiO2-SiO2图解中(图7)，有3个样品落入安山岩区域，2个样品落入流纹—英安岩区。在TAS图解中(图8)，有2个样品落入安山岩区域，3个样品落入英安岩区。同时镜下鉴定结果为变英安岩，结合野外岩体与地层的接触关系最终将其定名为变英安岩。在K2O-SiO2图解中(图9)，有2个样品落入高钾钙碱性系列，3个样品落入钾玄岩系列；在A/CNK - A/NK图解中(图10)，所有样品均上落入过准铝质范围。

表2 变英安岩主(%)微量(10-6)元素含量表Tab.2 The major elements(%)and trace elements(10-6)of metamorphic dacite

续表2

样品号HN4⁃1HN4⁃2HN4⁃3HN4⁃4HN4⁃5样品号HN4⁃1HN4⁃2HN4⁃3HN4⁃4HN4⁃5Mg#26582674241329482539Y34631425926265FL4364391501831625991Ho11510208409087MF7043702673066735717Er335308243258261Cs317328233147141Tm05044037039042Ga25724822222215Yb328279235266254Rb193519452071005133Lu04904203404037Ba913891624500646∑REE370123185520346212992059Th30827813851485137δEu086096093088092U343388404384345(La/Yb)N19311921143213081341

图7 Zr/TiO2-SiO2图解(据WINCHESTER et al.，1976)Fig.7 Zr/TiO2-SiO2 discrimination diagram

图8 TAS图解(据MIDDLEMOST，1994)Fig.8 TAS discrimination diagram

图9 K2O-SiO2图解(据PECCERILLO et al.，1976)Fig.9 K2O-SiO2 discrimination diagram

图10 A/CNK-A/NK图解(据SHAND，1943)Fig.10 A/CNK-A/NKdiscrimination diagram

研究区变英安岩在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图11)中显示出强烈的Rb、Th、U、K、Pb正异常、微弱的Zr、Hf正异常，强烈的Nb、Ta、Ti负异常，Th含量变化较大，具低的Nb/La(0.29～0.45)、Ta/Yb(0.55～0.64)和高的Rb含量，表明其在形成过程中受到俯冲流体的交代，并在侵位过程中受到地壳混染。

变英安岩稀土含量高，(La/Yb)N介于13.08～19.31，ΣLREE/ΣHREE为10.98～14.42，平均为12.36，轻重稀土元素分馏明显；在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(图12)中强烈右倾，并显示出较弱的δEu负异常(0.82～0.91，平均为0.88)，同时具较高的Yb含量。

图11 原始地幔标准化微量元素蛛网图(原始地幔标准值据SUN et al.，1989)Fig.11 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams of metamorphic dacite

图12 变英安岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(球粒陨石标准值据SUN et al.，1989)Fig.12 Chondrite-normalized REE patterns of metamorphic dacite

5 讨论

5.1 岩石成因及构造岩浆演化

花牛山地区出露有变玄武岩、变安山岩、变英安岩等一系列岩石组合，笔者研究的变英安岩由于受蚀变作用影响，故主要用高场强元素来讨论其物源和成因。

变英安岩具很高的K2O含量，在蛛网图中，亏损Nb、Ta、Ti，富集Rb、Th、U、K、Pb，显示出典型的岛弧性质；变化的Th含量、高的Rb含量和弱的Zr、Hf正异常，表明其受到强烈的流体交代作用和地壳不均一混染。在稀土元素配分图中显示出轻重稀土元素强烈分馏，并且具微弱Eu负异常，以上均表现出典型的岛弧型岩浆岩特征。变英安岩中Yb含量约2.72×10-6(<5×10-6)，推测其可能受俯冲流体的影响(CONDIE，1989)。

变英安岩具有较高的Th(20.20×10-6)、Th/Ta(12.32)，Ce/Th(5.62)和Ba/Th(35.39)，与典型的岛弧玄武岩特征相近(Th/Ta>1.6)，推测其源区可能有受到俯冲沉积物熔体的影响(EDWARDS et al.，1994；RUDNICK et al.，2003)。同时Nb含量为22.38×10-6，也与俯冲板片部分熔融产生的玄武质火山岩(Nb>7.0×10-6)一致(BARBARIN，1999；BADARCH et al.，2002)，加上样品具有高的Th/Yb和(La/Yb)N，均表明变英安岩具岛弧岩浆特征。

5.2 变英安岩年代学及地质意义

前人对花牛山群的沉积时代有多种认识：通过花牛山群上部薄层灰岩中产出的化石，将其时代笼统置于奥陶纪；其后赵泽辉等(2007)通过研究侵入于花牛山群的花岗岩〔(436±9)Ma〕，认为花牛山群玄武岩形成时代上限为晚奥陶世；杨建国等(2010)通过花牛山群玄武岩的锆石U-Pb年龄〔(1 071±5)Ma〕研究，认为在晚蓟县世花牛山地区发生火山喷溢活动，同时为花牛山银铅锌矿床的形成提供了物质来源；余吉远等(2015)认为花牛山群包含两期火山岩，分别为形成于裂谷环境的蓟县纪火山岩和形成于有限洋盆扩张环境的奥陶纪火山岩，但并未提供确切的年代学证据。而笔者研究的变英安岩整合产出于花牛山地区花牛山群，为真正意义上的花牛山群火山岩，其形成时代为早古生代晚奥陶世早期，为(454.7±0.87)Ma，代表了花牛山群的沉积时代，为晚奥陶世。

在晚奥陶世早期，牛圈子-洗肠井蛇绿岩带所代表的洋盆正在向南俯冲，软流圈地幔在俯冲板片脱水产生的流体加入后发生部分熔融，同时有少量的俯冲沉积物加入熔体，随后熔体快速上升喷出地表形成英安岩，并在漫长的地质过程中遭受一定程度的变质作用。花牛山群沉积于大陆边缘弧(活动陆缘)环境，与花牛山铅锌矿的喷流(气)沉积型块状硫化物矿床形成环境不符，与余吉远等(2015)认为的花牛山群火山岩形成于大陆裂谷环境不符，所以花牛山铅锌矿与上奥陶统花牛山群并无直接关系，其成矿物质可能来源于晚蓟县火山岩，因此花牛山地区的找矿重点应放于晚蓟县火山岩层位上。

6 结论

(1)变英安岩整合产出于花牛山群，本次研究获得其LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(455±1)Ma(MSWD=0.28)，该年龄可为准确厘定花牛山群的沉积时代提供新的依据，从而将其修订为上奥陶统。

(2)变英安岩形成的构造环境为大陆边缘弧(活动陆缘)环境，其形成与俯冲流体交代或俯冲沉积物的加入有关，为陆缘弧火山岩，其并非花牛山铅锌矿的赋矿层位。

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