红石泉白岗岩地球化学特征及其构造意义

张 林,刘文恒,王凯兴,刘晓东,潘家永,冷天赐

(1.东华理工大学地球科学学院，南昌 330000；2.江西省数字国土重点实验室，南昌 330000；3.九江学院，九江 332005；4.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，南昌 330000)

龙首山铀-多金属成矿带是西北内陆地区一条重要的铀成矿带[1]，现已发现碱交代型芨岭与新水井矿床、红石泉铀矿床、硅质脉型革命沟矿床、淋积型金边寺矿床五个铀矿床[2]，其中红石泉铀矿床是典型的岩浆岩型铀矿床[3]。红石泉铀矿床属于多期次多阶段复成因矿床，红石泉铀矿床含矿主岩为伟晶状白岗岩，是矿床成矿的基础。因此更深入厘清伟晶白岗岩的岩石成因，对研究红石泉铀矿床具有重要作用。

前人从岩相学、地球化学、年代学、岩石成因和构造背景等方面对红石泉岩体进行了研究，并取得了一系列成果，包括白岗岩的成因和年龄，基性岩脉煌斑岩的年龄[4-9]。对于白岗岩的成因研究，杨春四等[7]认为该地区白岗岩为S型花岗岩，其白岗岩的铝饱和指数(A/CNK)为0.90～1.19(平均1.07)却并没有大于1.1，这与典型的S型花岗岩特征不吻合。在结合野外地质调查及前人研究的基础上，对红石泉白岗岩体进行岩相学与元素地球化学研究分析，对红石泉白岗岩的岩石成因进行重新厘定，并进一步探讨红石泉岩体构造背景，为龙首山成矿带铀矿找矿提供一定的理论依据。

图1 研究区地质简图Fig.1 Geological sketch map of the study area

1 地质概况

研究区位于甘肃省张掖市山丹县内，大地构造位置位于华北地台西南部，阿拉善地块南部，以北西西走向坐落于龙首山的西段，南接乐民盆地，北与阿拉善台块潮水中新生代盆地相临(图1)。

研究区主要地层为古元古界龙首山群(Pt1L)、中元古界墩子沟群(Pt2D)、新元古界韩母山群(Pt3H)和下石炭统南洼顶组(C1n)。龙首山群下部以黑云片麻岩和斜长角闪岩为主，中部以石英片岩和云母片岩为主，上部以云母片岩和石英片岩为主。墩子沟群下部由灰白和紫红砾岩组成，上部为灰白色灰岩为主。韩母山群下部为砾状白云岩、含砾千枚岩和含炭绢云千枚岩。下石炭统南洼顶组岩性主要为青灰色灰岩及石英砂岩、页岩。龙首山地块具有双层结构，龙首山群为双层结构结晶基底，墩子沟群和韩母山群为龙首山地块盖层沉积[10]。

研究区发育有断裂构造和褶皱构造。断裂构造以北西西向发育为主，多沿伟晶状白岗岩与变质岩接触面展布，次要为北东向和近南北向，时常切割岩体或矿体。褶皱构造为北西西向复式向斜，核部为新元古界韩母山群绿片岩，中元古界的墩子沟群和古元古界龙首山群为两翼，轴面北东倾，倾角70°左右。

研究区岩浆具有多期次活动，有元古代白岗岩、石英闪长岩-斜长花岗岩、加里东期的中粒花岗岩、加里东晚期正长岩及脉岩、三叠纪的基性岩脉[4,7-8]。伟晶白岗岩为研究区的含矿主岩，呈近东西向展布。

2 样品分析及岩相学特征

2.1 样品分析

本次采集了红石泉地区地表的6件白岗岩样品，采样位置分布如图1所示，采样信息如表1所示。6件样品的全岩地球化学分析测试由广州澳实矿物实验室完成。主量元素采用荷兰PANalytical生产的X射线荧光光谱仪进行测定，型号为PW2424，精密度控制相对偏差(RD)<5%，准确度控制相对误差(RE)<5%，微量和稀土元素采用美国Agilent生产的电感耦合等离子体质谱进行测定，型号为7700x，精密度控制相对偏差(RD)<10%，准确度控制相对误差(RE)<2%。样品的详细分解处理见文献[11]。

表1 红石泉岩体样品野外采样信息Table 1 Field sampling information of Hongshiquan pluton samples

2.2 岩相学特征

红石泉伟晶白岗岩呈灰白色[图2(a)]、块状构造，造岩矿物以石英、斜长石和钾长石(图2)为主。钾长石在镜下能很明显观察到，并以条纹长石为主[图2(b)]，条纹长石呈细脉状，呈半自形板状，粒径为1.0～2.0 cm，含量约为35%。斜长石为自形-半自形板状，粒径为0.2～0.5 cm，含量约为10%，聚片双晶发育明显。石英呈他形粒状，粒径为0.4～1.1 cm，含量约为35%，后期有比较碎粒形式聚集的石英颗粒[图2(e)]。副矿物为黄铁矿和锆石，在镜下能明显观察到少量的黄铁矿分布[图2(f)]。

Kfs为钾长石；Qtz为石英；Pth为条纹长石；PL为斜长石；Py为黄铁矿图2 红石泉岩体样品野外及镜下显微镜照片Fig.2 Microscope photo and field photos of Hongshiquan pluton samples

3 地球化学特征

3.1 主量元素特征

红石泉岩石主量元素含量如表2所示。白岗岩的主量元素中，SiO2含量为67.46%～75.56%,平均值为71.34%；全碱(ALK)含量为8.58%～10.91%，均值为10.10%；K2O/Na2O=3.02～6.15，均值为4.19；Al2O3含量为11.46%～14.80%，均值为13.68%；CaO含量为0.16%～1.89%，均值为0.84%；Fe2O3含量为0.53%～1.10%，均值为0.85%；MgO含量为0.11%～0.99%，均值为0.61%；在TAS分类图中[图3(a)]，样品点集中分布在花岗岩和石英二长岩区域内；里特曼指数值为2.25～4.46，均值为3.64；在A/CNK-A/NK图解中[图3(b)]，岩石样品整体处于准铝质与过铝质范围之中，且铝饱和指数(A/CNK)为0.86～1.12，均值为1.01，属于准铝质-弱过铝质花岗岩；碱度率(AR)为4.77～6.31，均值为5.64，在AR-SiO2图解中[图3(c)]，样品除1件SiO2过高超出投图范围，其余都落在碱性区域；在K2O-SiO2图解上[图3(d)]，样品均落入钾玄岩系列；固结指数(SI)为1.02～8.29，均值为5.17；原岩岩石分异演化程度较高，分异指数(DI)范围为89.79～96.89,均值为93。总体上该地区白岗岩具有高硅、富钾、贫镁、低铁的特征，属于准铝质-弱过铝质碱性花岗岩。

表2 红石泉岩体样品主量、微量和稀土元素测定结果Table 2 Determination results of major,trace and rare earth elements of Hongshiquan pluton sample

图3 红石泉岩体样品主量元素判别图Fig.3 Discrimination diagram of major elements of Hongshiquan pluton samples

3.2 微量元素

从微量元素蛛网图[图4(a)]明显看出，白岗岩样品显示出铀、铷等元素相对富集，相对亏损磷、钛、钡和铌等元素的特征，其原始地幔标准化蛛网图曲线呈现右倾现象。红石泉样品岩体整体上呈现P和Ti的亏损，可能由于磷灰石和钛铁矿的分离结晶作用或岩浆起源于磷灰石和钛铁矿的稳定区导致[14]。Nb的亏损暗示岩体物源可能来自地壳[15]。

图4 红石泉岩体样品微量元素蛛网图和稀土元素配分曲线[17]Fig.4 The trace element patterns and the chondrite-normalized REE patterns in Hongshiquan pluton samples[17]

3.3 稀土元素

各样品稀土元素分析测试结果和球粒陨石标准化稀土配分曲线如表2和图4(b)所示。白岗岩ΣREE为171.58×10-6～19.01×10-6，均值83.93×10-6。轻稀土(LREE)为143.68×10-6～15.9×10-6，均值65.11×10-6，重稀土(HREE)为32.85×10-6～3.11×10-6，均值18.82×10-6。轻重稀土分馏较弱，LREE/HREE为1.23～12.71，均值为4.52，其球粒陨石标准化稀土配分曲线倾斜程度不明显。白岗岩总体Eu负异常(0.38～0.97)，个别样品存在正异常(3.27)，这可能与岩浆形成过程中斜长石在岩浆中的堆晶有关[16]。

FG为高分异花岗岩；OGT为未分异I，S，M型花岗岩图5 红石泉岩体样品成因判别图Fig.5 Genetic discrimination diagram of Hongshiquan pluton samples

4 讨论

4.1 岩石成因

主流的花岗岩成因分类方案将花岗岩划分为A型(非造山型)、S型(壳源改造型)、I型(壳幔同熔型)和M型(幔源型)四类[18-20]。红石泉岩石样品岩性为伟晶白岗岩，地球化学特征显示其里特曼指数值大于3.3，铝饱和指数(A/CNK)为0.86～1.12，均值为1.01<1.1，属于准铝质-弱过铝质碱性花岗岩，岩浆系列判别图中样品整体落入钾玄岩系列；微量元素白岗岩样品显示出铀、铷等元素相对富集，相对亏损磷、钛、钡和铌等元素的特征；稀土元素相对富集轻稀土(197.79×10-6～15.9×10-6)，相对亏损重稀土(32.85×10-6～2.43×10-6)，总体Eu负异常，P2O5含量极少(0.03～0.08)远远低于0.15%[21]。

在图5(a)中，红石泉岩石样品远离A型花岗岩范围，落在高分异花岗岩和未分异I、S与M型花岗岩范围内。利用微量元素对红石泉岩石样品进行花岗岩类型判别，在10 000×Ga/Al-Zr图中[图5(b)]大部分样品点落在I&S型花岗岩之中。在花岗岩岩石系列Ce-SiO2判别图[图5(c)]与Y-SiO2图解中[图5(d)]，样品落入I型花岗岩区域。在Rb-Y图解[图5(e)]与Rb-Th图解中[图5(f)]，随着Rb的增加，Th和Y与Rb呈正相关增长，这与I型花岗岩趋势一致[22]。以上特征表明红石泉白岗岩应该属于碱性I型花岗岩。

4.2 岩浆源区

I型花岗岩的岩浆成因有以下三种：①幔源岩浆分离结晶[24]；②由于幔源岩浆底侵作用，致使地壳物质发生部分熔融而形成[25-26]；③幔源岩浆与壳源岩浆混合形成[27-30]。

红石泉白岗岩具有较高的SiO2(67.46%～75.56%)，较低的MgO(0.11%～0.99%)，属于淡色长英质岩石，且该区域无大范围基性岩体出露，因此直接由幔源岩浆分离结晶形成的可能性较低，野外白岗岩基本无暗色包体，由壳幔混合形成的可能性也低。

红石泉白岗岩富钾，富集大离子亲石元素，亏损高场强元素，属于钾玄岩系列，显示出大陆系列花岗岩特征[31]。微量元素原始地幔标准化蛛网图明显富集U和亏损Nb、Ta、Ti，显示陆壳的组成特征[32]，Rb/Sr均值为2.6，Ti/Zr均值为5.01，显示来源于壳源岩浆(Rb/Sr>0.5，Ti/Zr<20)[33-34]。Nb/Ta平均为9.11，处于下地壳Nb/Ta(8.30)与球粒陨石和原始地幔Nb/Ta(17.50)之间，说明红石泉源区物质来源与下地壳有关[7]。

实验表明，下地壳部分熔融需要1 000 ℃以上，上地壳部分熔融则需要700 ℃以上[35-36]，而I型花岗岩需要外部热源供应才能使花岗岩源区发生部分熔融[37]。白岗岩矿物中无捕掳体，表明岩浆形成温度较高。红石泉白岗岩样品的Mg#较高，范围为31.04～70.77，均值为56.14。实验岩石学表明，若中酸性岩浆具有较高的Mg#值，则被认为是受到地幔物质的结果影响[38]，也为幔源岩浆底侵提供一个证据。综合分析认为红石泉白岗岩是由于幔源岩浆底侵作用，提供充足外部热能，致使地壳物质发生部分熔融的产物。

4.3 构造背景

红石泉岩体位于华北地台西南部位置，阿拉善地块的南部，以北西西走向坐落于龙首山的西段[4]。龙首山地块具有双层地壳结构，归属于华北克拉通[39]。华北克拉通构造演化复杂且持续久，完整地记录了地壳演化各个时期的重大构造事件[40-43]。

在花岗岩构造环境判别Nb-Y图解[图6(a)]和Rb-Y+Nb图解中[图6(b)]，白岗岩样品整体落入图解中后碰撞构造区域内，与杨春四测得该区域后碰撞白岗岩样品相似[7]，前人测得该区域后碰撞伟晶白岗岩年龄为2 470 Ma[7-8]，整体上该地区白岗岩属于古元古代时期地质作用的产物。

图6 红石泉岩体样品构造环境判别图解[49]Fig.6 Structural environment discrimination diagram of Hongshiquan pluton samples[49]

华北克拉通自陆核形成于2.9～2.7 Ga中太古代进行了第一次早期地壳大规模生长，在2.5 Ga新太古代-古元古代的微陆块拼合[44-46]。同造山期进入后碰撞阶段，走滑剪切作用强烈[47]，持续时间长，伴有大量的岩浆活动，且伸展构造广泛发育[48]。红石泉白岗岩岩体在2.5 Ga新元古代-古元古代处于微陆块拼合和碰撞后，在古元古代早期进入微陆块后碰撞阶段，在后碰撞阶段由于幔源岩浆底侵，并产生充足的热能，为地壳的部分熔融提供热源，致使岩石圈的伸展以及软流圈的上涌，源区岩浆上涌过程中，白岗岩上涌至浅部地区而形成。因此，红石泉白岗岩应该形成于后碰撞伸展环境。

5 结论

(1)红石泉白岗岩具有高硅、富钾、贫镁、低铁特征，属于准铝质-弱过铝质碱性I型花岗岩。

(2)红石泉白岗岩可能形成于后碰撞伸展环境，是由于幔源岩浆底侵作用，提供充足外部热能，致使地壳物质发生部分熔融的产物。