华北板块西南缘河西堡中酸性侵入岩岩石地球化学和环境演化特征

，，，，

(甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000)

华北板块西南缘龙首山地区经历了元古宙龙首山边缘沉降带形成和发展、古生代边缘沉降带活化隆起和陆缘带局部坳陷、中新生代断块活动等主要构造期(张新虎等，1992；李文渊，2015；安国堡等，2016)。分布有自古元古代以来多期次侵入岩体，位于金昌西北部207铀矿区石英闪长岩-斜长花岗岩体侵位于龙首山群，形成于(2147±74)Ma，是陆块碰撞的结果(马章海等，1986)。中新元古代随着板块裂解，龙首山地区在边缘沉降过程中伴随着局部褶皱隆起，引起较为强烈的岩浆活动，以金川铜镍矿赋存的超基性岩体为代表(李献华等，2004；李文渊等，2012)。加里东期花岗岩是龙首山花岗岩类的主体(赵亚云等，2015)，出露面积588.35km2。自20世纪末至今，对河西堡中酸性侵入体的研究不断深入，方同辉等(1997)对花岗岩体中闪长质包体进行了研究；魏俏巧等(1997)对河西堡花岗岩杂岩体中的孟家大湾岩体进行了年代学研究，探讨了花岗岩成因及大地构造意义。

河西堡中酸性杂岩体中各岩体的岩石学、地球化学系统研究欠深入，岩体之间的时空演化序列及时代有待进一步确定。笔者选择河西堡中酸性杂岩体作为研究对象，通过开展岩石学、矿物学和地球化学的研究，分析岩石特征及成因，并结合年代学研究，总结研究区时空演化规律，探讨龙首山陆缘带和祁连造山带之走廊过渡带结合部位的大地构造环境演化。

1 地质特征

研究区位于龙首山陆缘带和祁连造山带之走廊过渡带，地层分属华北地层区阿拉善分区龙首山小区和祁连地层区河西走廊-六盘山分区武威-中宁小区(汤中立等，1993；朱士兴等，1994；张本旗等，2005)。地层有上太古宇龙首山群白家嘴子岩组和东大山岩组、下元古界塔马子沟岩组、长城系牛圈沟组、震旦系烧火筒群、寒武系韩母山群(李文渊，1991；校培喜等，2011)、泥盆系臭牛泉组、石炭统太原组、二叠系山西组和下石盒子组、侏罗系泉脑组和青土井组、白垩系红潮泉组及新近系、第四系。

岩浆岩在区内出露有超基性、基性、中酸性岩，主要分布于宁远堡—河西堡—青山堡北一带，其次零星出露于白家嘴子、哈哈泉、白尔泉沟、金川峡、坟门山一带。超基性塔马子沟超基性岩和白家嘴子超基性杂岩体等；白家嘴子超基性杂岩体(Rb-Sr年龄1509Ma)(汤中立等，1993)，代表了地幔上涌和地壳裂解前阶段的产物。中酸性侵入岩主要有河西堡花岗岩质深成岩体、哈哈泉钾长花岗岩等，空间上主要分布于南部祁连造山带之走廊过渡带和北部龙首山造山带(左国朝等，1987)，均侵入于祁连造山带走廊过渡带和龙首山造山带之间的同心-固原大断裂(图1)。中酸性侵入岩岩石由石英闪长岩、英云闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩组成，自祁连造山带之走廊过渡带到龙首山造山带依次分布石英闪长岩、英云闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩(张本旗等，2005)；岩石结构由细粒、中粒到中粗粒似斑状结构为变化特征，形成明显的岩石、结构的序列演化特征；岩体Rb-Sr同位素年龄为592～403Ma，形成时代为加里东期(邢凤鸣等，1987)。

龙首山地区构造总体呈北西—南东向展布，褶皱、断裂及变形构造极为发育，自南向北展布有一系列同斜褶皱，褶皱总体为一轴线呈北西、轴面向南西倾斜的倒转复式向斜，南北界分别由南缘和北缘断裂相向倾斜组成。由于后期断裂构造的破坏及两翼次级褶皱的叠加，使其形态很不完整(张新虎等，1992)。区内断裂有北西西向、北东向及东西向和近南北向，其中，以北西西向断裂为主。由于受古板块碰撞(指华北古板块与柴达木-祁连古板块)的影响及青藏高原整体抬升产生侧压力的作用，龙首山地区早期的张性构造形迹被改造变形为与原来断面相反的高角度逆冲断层，这是古裂谷与现代裂谷的一个区别特征。沿龙首山南缘发育有一条构造岩带，由断续分布的碎裂岩、糜棱岩组成，出露较好的有河西堡北及民勤重兴堡等。该构造带是龙首山陆缘带和祁连造山带之走廊过渡带早古生代被动陆缘带的分界，到中新生代演变为河西走廊沉降盆地的边界断裂(左国朝等，1987；冯益民等，1992；许志琴等，1994)。

1.第四系；2.新近系；3.白垩系；4.二叠系；5.石炭系；6.寒武系；7.震旦系烧火筒群；8.前震旦系龙首山群；9.中粗粒似斑状二长花岗岩；10.中粗粒似斑状花岗闪长岩；11.中粒花岗闪长岩；12.石英闪长岩；13.花岗岩；14.地质界线；15.断层图1 研究区地质简图Fig.1 Geological map of Hexipu area

2 矿物学特征

河西堡中酸性侵入岩岩石矿物成分主要为石英、斜长石、钾长石、黑云母和角闪石；自石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩，石英、钾长石含量逐渐增加，黑云母和角闪石明显减少，岩石中的斑晶增加并增大。钾长石在各单元中主要为斑晶，包括微斜长石、正长石和条纹长石；斜长石一般呈自形、半自形板条状，具韵律环带和早期斜长石核心，包嵌磷灰石、锆石、磁铁矿、黑云母和角闪石，钾质交代普遍，斜长石环带结构普遍，有10个以上的环带韵律，斜长石牌号从石英闪长岩、英云闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩更、中长石过渡为更长石；黑云母呈鳞片状，常见磁铁矿、锆石、褐帘石等嵌晶，属镁质黑云母区；角闪石呈半自形柱、粒状，具单间双晶，含磁铁矿、磷灰石、锆石等微晶，属镁质角闪石(图2)。

a.二长花岗岩侵入花岗闪长岩；b.中粗粒似斑状花岗闪长岩中的中细粒花岗闪长岩包体图2 河西堡花岗岩岩石学特征图Fig.2 Petrologic feature of Hexipu granites

3 岩石化学、岩石地球化学特征

由宜昌地质矿产研究所中南实验检测中心对采集的样品进行了常量元素、微量元素、稀土元素的分析测试。

3.1 岩石化学特征

岩体中各类岩石的常量元素分析结果见表1。其中SiO2为65.49%～75.54%，在QAP图(图3)上投影在石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩区域内，并形成由英云闪长岩-二长花岗岩的连续演化趋势。

表1 河西堡岩体主量元素分析结果表(10-2)Tab.1 Geochemical composition of major elements of Hexipu granites(10-2)

注：测试单位：宜昌地质研究所。

各岩石碱度率为2.10～3.47，平均为2.63，在A.R-SiO2图解(图4)中，自石英闪长岩—花岗闪长岩—二长花岗岩由钙碱性过渡为碱性区。里特曼指数(δ)为1.57～3.76，属钙碱性岩石系列。含铝指数(ANKC)为0.91～1.06，大多为0.9～1.1，属低铝型，仅二长花岗岩少数属饱铝型。氧化系数(OX0/OX1)为0.87～1.5，自早到晚氧化程度减弱。

3.2 岩石地球化学特征

岩体中各类岩石的微量、稀土元素分析结果见表2、表3。通过地质填图划分4个侵入岩单元：中细粒石英闪长岩(金川峡单元)、中粒花岗闪长岩(西红岭单元)、中粗粒似斑状花岗闪长岩(东山单元)和二长花岗岩(北山单元)，各单元的稀土元素平均参数见表4。

3a.正长花岗岩；3b.二长花岗岩；4.花岗闪长岩；5.英云闪长岩；9*.石英二长闪长岩；10*.石英闪长岩图3 QAP分类图解Fig.3 QAP classification diagrams for Hexipu granites

图4 A.R-SiO2图解Fig.4 A.R-SiO2 diagrams for Hexipu granites

表2 河西堡岩体微量元素分析结果表(10-6)Tab.2 Geochemical composition of trace elements of Hexipu granites(10-6)

注：测试单位：宜昌地质研究所。

表3 河西堡岩体稀土元素分析结果表(10-6)Tab.3 Geochemical composition of race earth elements of Hexipu granites(10-6)

注：测试单位：宜昌地质研究所。

表4 稀土元素平均参数表(10-6)Tab.4 Average parameter of rare earth elements(10-6)

稀土元素总量ΣREE变化范围在70.41×10-6～386.34×10-6，平均为221.39×10-6，集中于130×10-6～360×10-6，从石英闪长岩到花岗闪长岩∑REE逐渐增加，而至二长花岗岩则呈下降趋势。稀土分配曲线均为右倾斜的平滑状曲线，在重稀土部分稍有曲折。石英闪长岩到花岗闪长岩ΣREE、ΣLREE/ΣHREE、La/Yb升高，分配曲线由缓变陡。二长花岗岩负Eu异常较为明显，∑REE显著增加(图5a)。

在微量元素原始地幔蛛网图上(图5b)，岩石均富集Rb、K等大离子亲石元素，贫Nb、Ta、P、Y和Ti等高场强元素，与活动陆缘岛弧区岩浆产物地球化学特征一致(PEARCE et al.，1984)。元素含量上从石英闪长岩—花岗闪长岩—二长花岗岩Zr、Nb、Sr、U趋向富集，Ta、Rb、Cr、Hf、Sc等变化不大，Rb/Sr、Nb/Ta值明显增高。

图5 (a)河西堡中酸性侵入岩稀土配分曲线和(b)微量元素蛛网图(标准化值见SUN et al., 1984)Fig.5 (a)Chondrite-normalized REE distribution patterns and (b)primitive mantle-normalized trace element spidergrams of the Hexipu granites(Standardized values after SUN et al.,1984)

3.3 锶同位素地球化学特征

研究区花岗岩Sr同位素(87Sr /86Sr)的变化范围为0.706 0～0.707 8，石英闪长岩87Sr /86Sr最低，二长花岗岩87Sr /86Sr而明显较高，在锶同位素演化图上，由玄武岩顶部渐变为过渡区，利用(邢风鸣，1987)估算壳幔物质混合比例的简单公式。

u=100×(Ic-Ii)/(Ic-Im)

其中：u——壳幔混源中幔源物质的比例；Ic=0.702 9-0.000 0024 7×t(Ma)；Ii——实测同位素初始比值；Im=0.704-0.000 001 1×t(Ma)。

计算出u值为36.36%渐变为22.235%、28.26%、8.7%，反映了幔源物质的逐渐减少。

4 成因分析

反映岩体成因特征见表5，石英闪长岩和中粒花岗岩为I型，似斑状花岗闪长岩为I-S过渡型，似斑状二长花岗岩为S型。

表5 河西堡花岗岩成因类型特征表Tab.5 The characteristics of genetic types for Hexipu granites

锆石在花岗岩中可作为岩浆来源提供岩浆起源的线索(PUPIN, 1980)，通过对239粒晶形完整的锆石统计表明，主要单形有{001}、{101}、{110}、{211}等，锆石的分布集中在类型图的中下部(54.4%)和上部(36.0%)(图6)，根据锥面指数和柱面指数，对各岩石求值在锆石演化图上石英闪长岩属4C区，为地壳+地幔成因，花岗闪长岩属4A区，靠近3区，说明以地壳为主加有地幔成分，二长花岗岩位于3区(图7)，以地壳成因为主。

图6 河西堡花岗岩锆石群型分布图(据PUPIN, 1980)Fig.6 Zircon group distribution type of Hexipi granites(After PUPIN, 1980)

1、2、3.地壳或主要为地壳成因；4a、4b、4c、5.地壳+地幔成因；6.地幔或主要为地幔成因；ch.紫苏花岗岩区图7 锆石群在锆石演化趋势图上投影图(据PUPIN, 1980)Fig.7 Projections of zircon groups in zircon evolution trend of map(After PUPIN, 1980)

在Sm-Nd图解(图8)上，各单元样品构成一条线性较好的直线，表明各岩石岩浆演化基本一致，但北山单元样品偏离这条曲线，反映了演化的独特性。

图8 河西堡花岗岩Sm-Nd图解Fig.8 Sm-Nd diagram of Hexipi granites

在(Gd/Yb)N-(La/Yb)N相关图解(图9)上，金川峡单元、西红岭单元构成一条线性较好的直线，反映了中基性熔浆与酸性熔体混合的产物，中基性熔浆聚集于上地幔与下地壳之间，多次向上贯入诱发酸性熔体与之混合，东山单元构成一条线性尚好的直线，亦反映了基底变质岩中碎屑组分的同化混染。北山单元已构不成直线，说明可能为基底酸性岩或变质岩组分再次重熔形成。在SiO2-Mg#图上(图10)，样品基本落在增厚下地壳熔融区域，但分布区域存在较大差异，部分北山单元样品落在范围下方，表明4个单元的侵入岩不仅存在时代差异、源岩成分不同，而且形成的源区压力条件存在差异。

图9 河西堡花岗岩(Gd/Yb)N-(La/Yb)N图解Fig.9 (Gd/Yb)N-(La/Yb)N diagram of Hexipi granites

图10 河西堡花岗岩源区SiO2-Mg#判别图Fig.10 SiO2 vs. Mg# diagrams for Hexipu granite

5 构造环境

河西堡中酸性侵入岩在微量元素Rb-Hf-Ta三角图解(图11)和Ta-Yb、Nb-Y、Rb-(Yb+Ta)和Rb-(Y+Nb)判别图解(图12)中，显示出较为一致的落点，金川峡单元和西红岭单元均落入火山岛弧花岗岩区，东山单元落入火山岛弧花岗岩区，北山单元落入火山岛弧区和同构造碰撞花岗岩区。在R1-R2图解(图13)中，金川峡单元和西红岭单元落入消减的活动板块边缘或板块碰撞前的消减地区，东山单元落入造山晚期花岗岩，北山单元落入地壳熔融的花岗岩-同碰撞花岗岩区。表明在591～402 Ma，华北板块西南缘发生了强烈的区域性构造岩浆过程；新元古代中晚期，华北板块、塔里木板块和柴达木板块的碰撞和拼合作用不太强烈，使得祁连地区出现明显的裂陷，伴随裂陷沉降的加剧，在震旦纪末伴随着大规模的中基性、酸性火山活动发生；此时华北板块西南缘龙首山隆起带南侧的走廊过渡带正处于北祁连海底火山-岩浆岛弧的弧后拉张阶段，金川峡单元和西红岭单元的中酸性岩为这一阶段岩浆活动的产物，表现出火山岛弧花岗岩特征。早古生代，北祁连洋持续消减使得阿拉善地块边缘发生碰撞造山运动(夏林圻等，2003)，北大山—龙首山一带花岗岩形成于阿拉善地块碰撞运动引起的构造热事件(周立发，1992)，东山单元花岗岩可能是不规则碰撞过程中具火山弧特征的基性火山岩部分熔融形成。北山单元花岗岩是强烈的碰撞造山作用导致基底变质岩系发生重熔形成，反映了早古生代晚期碰撞造山作用仍在持续，且局部区域较为强烈。

WP.板内；COLG.碰撞造山；VA.火山弧图11 Rb-Hf-Ta三角图解(据HARRIS et al., 1986)Fig.11 Rb-Hf-Ta triangular diagram(After HARRIS et al., 1986)

ORG.洋脊花岗岩；WPG.板内花岗岩；VAG.火山弧花岗岩；syn-COLG.同碰撞花岗岩图12 花岗岩形成的大地构造环境判别图解(据PEARCE et al., 1984)Fig.12 Discrimination diagrams of tectonic setting(After PEARCE et al., 1984)

1.地幔斜长花岗岩(拉斑玄武质)-幔源花岗岩(T型花岗岩)；2.钙碱性更长花岗岩(消减的活动板块边缘)-板块碰撞前消减地区(Ⅰ型)；3.高钾钙碱性花岗岩(加里东型深熔花岗岩)-板块碰撞后期(Ⅰ型加里东)；4.二长岩(造山晚期花岗岩-晚造山期花岗岩)；5.T.碱性、强碱性花岗岩；6.地壳熔融的花岗岩(同造山花岗岩)-同碰撞花岗岩(S型)图13 R1-R2图(据BATCHELOR et al, 1985)Fig.13 R1 vs. R2 diagrams(After BATCHELOR et al, 1985)

6 结论

(1)宁远堡—河西堡—青山堡一带中酸性侵入岩形成于龙首山陆缘带和祁连造山带之走廊过渡带，岩石由石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩组成，具中细粒、中粒、中粗粒似斑状结构，石英闪长岩和中粒花岗岩靠近祁连造山带之走廊过渡带一侧；似斑状花岗闪长岩和二长花岗岩靠近龙首山陆缘带。

(2)河西堡岩体中石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩具连续的演化趋势，各岩石岩浆演化基本一致，自石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩岩石由钙碱性到碱性具稀土总量逐渐增高、δEu变大的趋势，反映了在岩浆演化中岩浆侵入深度的变浅和地壳物质的增加。

(3)岩体中石英闪长岩和中粒花岗岩为I型花岗岩，源岩为上地幔顶部或下地壳底部中基性火山岩；似斑状花岗闪长岩为I-S过渡型花岗岩，源岩为下地壳—上地壳中基性火山岩和少量碎屑岩；似斑状二长花岗岩为S型花岗岩，源岩为上地壳基底变质岩系中低共熔组分。

(4)河西堡一带中酸性侵入岩体侵入于前震旦—寒武纪地层中，形成于加里东期。石英闪长岩、中粒花岗岩构造环境为火山岛弧区，可能是在北祁连向华北板块俯冲形成沟弧体系，在火山弧环境下形成。似斑状花岗岩为加里东中期挤压作用下导致碰撞造山深部重熔岩浆侵位形成的造山晚期花岗岩。二长花岗岩是龙首山在加里东晚期终止碰撞造山作用时由基底变质酸性组分等低共熔组分发生部分熔融的结果，为地壳熔融的碰撞型花岗岩。

以上研究成果为华北板块西南缘阿拉善地块与祁连造山带地质走廊的形成和演化研究提供了基础数据。

致谢：感谢审稿专家提出的宝贵意见和编辑部李辉老师的付出，特别感谢甘肃省地矿局野外工作项目组所有成员的辛勤工作。

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