柴达木西北缘大通沟南山北闪长岩年代学、地球化学特征及其地质意义

刘军，息朝庄，黄波，杨涛，夏浩东，邓会娟

(1.西安西北有色物化探总队有限公司，陕西 西安 710068；2.湖南城市学院土木工程学院，湖南 益阳 413000；3.贵州省有色金属和核工业地质勘查局物化探总队，贵州 都匀 558000；4.贵州理工学院建筑与城乡规划学院，贵州 贵阳 550000；5.中国地质调查局自然资源实物地质资料中心, 河北 燕郊 065201)

柴达木西北缘地处柴达木地块和阿尔金构造带交界处，柴达木地块和塔里木地块的交汇部位。阿尔金断裂从该区北侧穿过，次级构造发育，成矿条件和找矿前景优越。研究区成矿区域地层齐全，构造活动强烈，岩浆活动活跃，矿产资源丰富，有铜镍矿床、铜多金属矿点等(孙小攀等，2018a,2018b)。近年来，众多学者分别对大通沟闪长岩(刘军等，2020)、大通沟北山闪长岩体(孙小攀等，2018a，2018b)、柴北缘西段花岗岩、南阿尔金茫崖地区花岗岩、都兰花岗岩(吴才来等，2008，2014a，2014b，2016)和柴北缘双口山金-银-铅矿床(俞军真等，2020)进行年代学研究；钱兵等(2017)、李卓凡等(2020)对柴北缘榴辉岩进行岩石学和矿物学研究；也有学者对柴北缘赛坝沟金矿(唐名鹰等，2021)、柴达木西北缘古生代镁铁-超镁铁质岩体铜-镍成矿条件(钱兵等，2017)进行矿床成因研究。

柴北缘高压-超高压变质作用和蛇绿岩研究成为近年来的研究热点，尤其在研究超高压变质作用和大陆俯冲作用方面(王佳兴等，2020；刘良等，2015)。因为研究区自然条件恶劣，对这些岩体研究程度不高，仍需进一步做深入的研究工作。笔者选取大通沟南山北序列闪长岩为研究对象，在野外详细调查的基础上，开展LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学和地球化学研究，以期厘定其成岩时代，探讨岩石成因、源区性质和构造环境，为研究区构造演化过程和岩浆活动提供新认识。

1 区域地质背景与岩石学特征

1.1 区域地质背景

大通沟南山北岩浆岩序列大地构造位置位于柴达木板块、阿尔金构造带接触处(图1a)，主要位于调查区南部的大通沟南山北侧一带；岩体主要侵入于元古界青白口系小泉达坂组中，岩体南侧为大通沟南山序列(图1b)，北侧受大通沟南山北断裂控制，呈东西向长条状展布，出露面积小，东西长8 km，南北宽3 km，面积约为16.76 km2。笔者以同源岩浆演化序列观点为依据，对大通沟南山序列进行划分；结合花岗岩各类岩石学特征、花岗岩与围岩及相互间的接触关系、时代及分布特征，将大通沟南山北侧的花岗岩划分为大通沟南山北序列；其岩性为灰色中细粒石英闪长岩、灰白色中细粒闪长岩(图2a)。

1.第四系；2.中侏罗统采石岭组；3.中—下侏罗统大煤沟组；4.小泉达坂组；5.平洼沟组；6.闪长岩；7.石英闪长岩；8.花岗闪长岩；9.二长花岗岩；10.基性-超基性岩；11.断层；12.采样位置

岩石类型主要为闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩。其中，闪长岩沿岩体北侧边部分布；石英闪长岩为岩体的主要岩石类型，出露面积较大，局部夹花岗闪长岩。大通沟南山北序列与青白口系小泉达坂组接触界线呈港湾状；在二长花岗岩和闪长岩中可见小泉达坂组的捕掳体；剖面测制和地质填图中可见闪长岩与二长花岗岩呈涌动接触关系，同时在石英闪长岩中可见闪长岩包裹体(图2b)。

1.2 岩石学特征

大通沟南山北岩浆岩序列由早到晚由深灰色细粒闪长岩、灰色中细粒石英闪长岩组成，具体岩石学特征如下。

细粒闪长岩(图2c)：浅灰色，细粒半自形粒状结构，块状构造，斜长石含量为70%～75%，呈半自形板状、板条状，粒径大小为0.5～1.5 mm，成分是An≈30～40的中长石，发生了轻度绢云母化，聚片双晶清楚，杂乱分布；角闪石约占15%～20%，呈柱粒状，粒径大小为0.5～2 mm，少数发生了纤闪石化，杂乱分布；黑云母很少，少于5%，呈板状，片径小于1 mm，呈棕褐色，星点状散布；石英很少，呈他形粒状，粒径大小为0.1～0.5 mm，散布于部分斜长石之间；微量磁铁矿。

中细粒石英闪长岩(图2d)：灰色，中细粒半自形粒状结构，块状构造。斜长石含量为75%～80%，成分是An≈30～40的中长石，少数具环带构造，呈半自形板状，粒径为0.5～3 mm的中细粒级，有轻度绢云母化，聚片双晶清楚，杂乱分布；石英约占5%～10%，呈他形粒状，粒径大小为0.1～0.5 mm，杂乱散布于斜长石晶体之间；暗色矿物总含量约为10%～15%，成分以角闪石为主，其次为黑云母。角闪石呈柱粒状，粒径大小为0.5～2 mm，少数发生了绿泥石化和黑云母化，杂乱分布；黑云母呈板状，片径大小为0.5～2 mm，杂乱分布，少数黑云母呈细小片状分布于角闪石颗粒的边部，系角闪石次变形成。

Pl.斜长石；Hbl.角闪石

2 样品采集与测试方法

本次用于岩石地球化学和同位素测试的样品采自大通沟—斑红山之间分布面积最大的花岗岩体，确保样品的代表性。岩石地球化学在西北有色研究院实验室测试完成，主量元素由PANalytical 生产的AxiosmAX型X射线荧光光谱仪完成测试分析；微量元素与稀土原色由Agilent公司7700X型电感耦合等离子体质谱仪完成测试工作。

锆石LA-ICP-MS测年在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成，测试仪器为Agilent 7500型ICP-MS和德国Lambda Physik公司的ComPex102 ArF准分子激光器及MicroLas公司的GeoLas 200M光学系统。测年样品重约5kg，先在实验室将样品粉碎至80～100目，经常规浮选和磁选方法分选后得到>200粒锆石。在双目镜下选出晶型较完好的锆石作为测定对象。将锆石样品置于DEVCON环氧树脂中，待固结后拋磨至锆石粒径的大约二分之一，使锆石内部充分暴露，然后进行锆石显微(反射光和透射光)照相、CL显微图像研究及U-Pb定年分析。锆石的阴极发光(CL)照相在西北大学大陆动力学实验室扫描电镜实验室完成。测试点的选取首先根据锆石反射光和透射光照片进行初选，再与CL照片对比，力求避开内部裂隙和包裹体，以获得尽可能准确的年龄信息。

3 分析结果

3.1 主量元素

大通沟南山北闪长岩主量元素、稀土元素和微量元素分析结果见表1。从表1可看出，SiO2含量为60.57%～66.88%，介于中性至酸性岩石范畴；Na2O+K2O为5.06%～6.28%，平均为5.80%，富碱，K2O较低，相对富Na，K2O/Na2O值为0.13～0.44，平均为0.26。里特曼指数(σ)介于1.46～1.64，平均为1.53，反映其为钙碱性系列。在全碱-硅(TAS)图解中(图3a)，样品多处于花岗闪长岩区，其中有一个样品落入了闪长岩区。Al2O3含量为15.15%～16.76%，平均为15.98%，A/NK值介于2.56～3.31，平均为2.77，A/CNK值介于1.52～1.57，平均为1.55，在A/NK-A/CNK图解(图3b)中属过铝质花岗岩。在SiO2-Ce图解中(图3c)，样品均落在I-型花岗岩中；在SiO2-K2O图解(图3d)中投影在钙碱性系列和低钾系列范围内。

Ir.Irvine岩石系列分界线

综上所述，该花岗侵入岩主要为高钠钙碱性岩石系列，具有碱性系列变化趋势。

3.2 稀土元素

大通沟南山北岩浆岩序列稀土总量(表1)变化较大，∑REE为43.09×10-6～102.45×10-6，平均为67.46×10-6，∑LREE为33.60×10-6～74.35×10-6，平均为49.82×10-6，∑HREE为9.49×10-6～28.10×10-6，平均为17.64×10-6，LREE/HREE值为2.78～3.54，具轻稀土富集、重稀土亏损特征。δEu介于0.74～1.10，多小于1.0，仅一个样品的δEu大于1.0，具负Eu异常。在岩石的稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图上可以看出，5个样品具有一致的稀土配分曲线，呈明显的右倾型分配模式(图4a)。

表1 大通沟南山北岩体主量元素、稀土元素和微量元素地球化学组成表

3.3 微量元素

大通沟南山北岩浆岩序列微量元素分析结果见表1。岩体各微量元素含量变化较大，Rb含量为2.77×10-6～35.93×10-6，Sr含量为266.9×10-6～354.6×10-6，Ba含量为98.8×10-6～365.6×10-6，Y含量为3.88×10-6～15.19×10-6，Nb含量为2.49×10-6～7.59×10-6，Ta含量为0.18×10-6～0.57×10-6。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图4b)中表现出不同程度的富集大离子亲石元素(LILE)Rb、Th、K等和轻稀土元素(LREE)，相对亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ti、Y、Yb，和Ti元素，呈“V”型谷，具有明显亏损。

图4 (a)闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(据Sun et al,1989)和(b)原始地幔标准化微量元素蛛网图(据SUN et al,1989)

3.4 锆石U-Pb同位素分析结果

在显微镜下观察，石英闪长岩和花岗闪长岩中的锆石呈无色透明或浅玫瑰色，锆石短轴长度为30～75 μm，长轴为55～120 μm，呈自形、短柱状、长条状。在锆石样品CL图像中发现清晰岩浆振荡环带结构(图5)。在测试数据中获得36个有效数据(表2)，U含量为37.74×10-6～89.44×10-6，Th含量为0.22×10-6～7.42×10-6，Rb含量为20.54×10-6～87.94×10-6，Th/U值为0.54～1.13，大于岩浆锆石Th/U值(>0.40)，属典型岩浆锆石(Wu et al.，2004)。锆石年龄数据集中于252～284 Ma，误差范围内基本一致，协和图上(图6a)可看出分析点位范围集中。石英闪长岩和花岗闪长岩的锆石年龄加权平均值为(270±3)Ma(95%置信度，MSWD=0.076)(图6b)。因此，将大通沟南山北花岗岩时代厘定为中—早二叠世。

图5 大通沟南山北闪长岩锆石CL图像

图6 (a)大通沟南山北闪长岩锆石U-Pb年龄谐和图和(b)频数图

4 讨论

4.1 岩石类型与岩浆源区

大通沟南山北花岗岩序列具有高硅、富碱、富铝、贫钛特征。铝饱和指数(A/CNK)为1.52～1.57，均大于1.10，为强过铝质花岗岩。在SiO2-Ce图解中(图3)，样品均落在I-型花岗岩中。5件样品∑REE含量较低，平均为67.46×10-6，具有负Eu异常，反映可能存在弱的斜长石的分离结晶作用或部分熔融过程中有斜长石的残留；(La/Sm)N值介于1.92～2.61，(La/Yb)N值为4.76～5.68，反映了岩石具有轻重稀土分馏，轻稀土富集的特征；重稀土表现的相对亏损，这可能是残留体中含量较高的富重稀土石榴子石和角闪石引起的(sun et al.，1989)。

LREE/HREE值为2.78～3.54，平均为2.91，轻重稀土分异程度较高。岩石学特征显示，研究区花岗闪长岩中斜长石广泛发育于斑晶及基质中，斜长石分离结晶作用明显。

据前人研究指出Rb元素和K元素地球化学特征相似，在地球演化中Rb元素和K元素逐渐迁移演化进入硅铝层；而Sr元素和Ca元素地球化学特征相似，并富集于斜长石中，取代Ca(徐克勤等，1982；王德滋等，1993)。因此，花岗闪长岩Rb/Sr值和Rb/Ba值越高，则表明源岩多来自于上部陆壳。部分学者认为幔源Rb/Sr<0.05，壳幔混合源Rb/Sr值为0.05～0.5，壳源Rb/Sr>0.5(Tischendorf，1986)。研究区花岗闪长岩Rb/Sr值为0.01～0.10，表明源区物质主要为壳幔混合源。前人研究表明(桑明帅等，2020)，属不同源区的部分熔融而形成的过铝质花岗岩具有不同的CaO/Na2O值；CaO/Na2O<0.3，暗示岩浆可能形成于泥质岩石重熔；若CaO/Na2O >0.3，则砂屑岩石重熔而形成过铝质花岗岩(钟长汀等，2007)。研究区花岗闪长岩CaO/Na2O 值为0.85～1.34，表明源区可能以砂屑岩为主。综上所述，笔者认为岩浆来源于以砂屑岩为主的壳幔混合源。

4.2 构造环境

研究区位于青海柴北缘大通沟地区，构造位置隶属柴达木板块、阿尔金构造带接触处。区内岩浆活动强烈，侵入岩广泛分布，由于受后期阿尔金断裂影响，呈现从北东向南带状展布，分别有闪长岩-石英闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩的岩石组合与岩浆序列特征(图1)。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果显示，大通沟南山北花岗闪长岩形成于中—早二叠世，其时代为(270±3)Ma。据吴才来等(2014a)研究，将研究区岩浆活动划分为3期：①大于(460～450)Ma，岩石组合包括石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩。②(410～400)Ma，岩石组合包括花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩。③265 Ma，岩石为石英闪长岩和二长花岗岩。由表3可看出，研究区锆石U-Pb年龄为(458.3±8.2)～(263.0±2.0)Ma，与前人研究成果基本符合。

表3 大通沟南山闪长岩锆石U-Pb同位素年龄表

据吴才来等(2008)研究，认为柴北缘西段三岔沟花岗岩体锆石SHRIMP U-Pb年龄为(260.4±2.3)Ma和(271.2±1.5)Ma，通过分析认为其形成时代为晚石炭世—早二叠世，由于古特提斯洋的关闭，柴北缘的构造应力从拉张改为收缩，从而发生陆内俯冲，致使本区隆升为古陆，并且深部幔源物质与能量的上侵造成区内中下部地壳重熔，形成丰富的花岗质岩浆。

本区花岗岩是由基性岩浆上升底侵从而导致地壳物质熔融的产物，具岛弧岩浆岩特征。因此，认为区内花岗岩应该形成于火山弧构造环境；本文花岗岩里特曼指数介于1.46～1.64，平均为1.53，为钙碱性火成岩系列，铝饱和指数平均为1.55，与RRG及CEUG具有强过铝质(A/CNK>1.15)相似。在 Pearce等提出的Rb-Hf-3Ta和Rb-Y+Nb构造环境判别图中(图7)，样品分别落在火山弧花岗岩范围内，这反映了岩石为俯冲环境下的岛弧花岗岩(Pearce et al.，1984)。

Syn-COLG.通碰撞花岗岩；WPG.板内花岗岩；VAG.火山弧花岗岩；ORG.洋脊花岗岩

5 结论

(1)大通沟南山北闪长岩具有高硅、富碱、富铝、贫钛特征。铝饱和指数(A/CNK)为1.52～1.57，均大于1.10，为强过铝质花岗岩。轻稀土富集，重稀土亏损。具负Eu异常。呈明显的右倾型曲线。富集大离子亲石元素(LILE)Rb、Th、K等和轻稀土元素(LREE)，相对亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ti、Y、Yb，Sr和Ti元素，呈“V”型谷，具有明显亏损。岩浆来源于以砂屑岩为主的壳幔混合源，属I-型花岗岩。

(2)大通沟南山北闪长岩锆石U-Pb定年结果表明，其形成时代为(270±3)Ma(MSWD=0.076),厘定为中—早二叠世。

(3)本区岩石为俯冲环境下的岛弧花岗岩，是由基性岩浆上升底侵导致地壳物质熔融的产物。