南祁連亞曲含鎳銅礦基性雜巖體形成年齡及機制探討

張照偉, 李文淵, 高永寶, 張江偉,郭周平, 李 侃, 王亞磊, 錢 兵

1)西安地質礦產研究所, 陜西西安 710054;2)長安大學地球科學與國土資源學院, 陜西西安 710054

南祁連亞曲含鎳銅礦基性雜巖體形成年齡及機制探討

張照偉1,2), 李文淵1)*, 高永寶1,2), 張江偉1),郭周平1), 李 侃1), 王亞磊1), 錢 兵1)

1)西安地質礦產研究所, 陜西西安 710054;2)長安大學地球科學與國土資源學院, 陜西西安 710054

通過亞曲巖體的實地調查和研究, 利用ID-TIMS方法對巖體定年, 獲得(440.74±0.33) Ma成巖年齡,為加里東期。巖石地球化學特征分析及區域對比研究表明, 亞曲基性雜巖體以低Ti、虧損Nb和Ta、富集輕稀土元素和大離子親石元素為特征。結合其同位素特征, 提出該巖體的形成與祁連山及其鄰區460～440 Ma時期俯沖向碰撞轉換的作用有關, 可能是島弧巖漿作用的結果。這對于南祁連化隆一帶區域銅鎳找礦具有重要意義, 亦對豐富完善早古生代巖漿銅鎳硫化物礦床的研究和形成機制具有借鑒作用。

基性雜巖體; ID-TIMS年齡; 形成機制; 銅鎳礦; 亞曲

青海省有八條基性-超基性巖帶, 且多數巖體與成礦關系密切。具體到化隆基性-超基性巖帶, 不僅是青海省八條基性-超基性巖帶之一, 更重要的是多數基性-超基性巖體與銅鎳成礦關系密切。在長160 km, 寬8～20 km不等, 西窄東寬的楔形地帶, 產出有 32個大小不同的基性-超基性雜巖體, 這些巖體的含礦性目前尚不清楚。要解決這個問題, 關鍵要查清這些巖體的成因以及巖體形成時的地球動力學背景, 結合亞曲典型礦床的剖析研究, 從巖體形成時代和區域研究入手, 試圖探討巖體的形成機制。前人對該礦床已進行了一些簡單研究(礦石的結構構造、礦石地球化學以及穩定同位素等), 盡管對其具體的形成過程還存在不同的看法(劉應漢, 2003;趙恒川等, 2007; 申勇勝等, 2009; 湯中立等, 1987;李文淵, 1996, 2004, 2006; 樊光明等, 2007; 張照偉等, 2009, 2011, 2012a, b), 但歸結起來主要認為銅鎳硫化物的形成與巖漿的熔離作用以及結晶分異作用相關, 很少從巖體的巖石地球化學角度探討該巖體的成因進而研究其形成機制(高永寶等, 2012; 王登紅等, 2001; 張招崇等, 2003; 錢壯志等, 2009)。同樣,對于侵入到化隆群中的基性-超基性巖帶, 其巖體形成時代也備受爭議, 有晉寧期之說和加里東期之說,但都沒有精確的年齡數據, 多是經過地層穿插及巖體侵入先后順序推測。該巖帶形成于什么樣的構造背景, 其地球動力學背景如何？對此我們選擇了化隆基性-超基性巖帶中典型的亞曲巖體作為精確定年的對象, 通過 ID-TIMS精確定年, 旨在闡明巖體形成時代及侵位構造背景, 解釋其地質意義。

化隆巖帶在大地構造位置上屬祁連褶皺系與松潘甘孜褶皺系之間的化隆晚元古隆起帶, 其南鄰秦嶺褶皺帶西延部分, 北部為拉脊山加里東褶皺帶。區內巖漿活動頻繁, 侵入巖廣泛分布, 構造運動強烈, 礦化現象不甚普遍。構造巖帶主要地層是元古界化隆群, 其次是少量的中、新生界地層。化隆群分布于整個巖帶, 北西端起自青海湖北的剛察縣,經日月山、拉脊山以南至貴德縣的阿什貢, 到尖扎、循化黃河沿岸以北地帶, 它是化隆巖帶基性-超基性巖侵入的主要圍巖(圖1), 巖性為中深變質的片巖、片麻巖夾大理巖及石英巖, 混合巖化顯著。

1 巖體地質、地球化學特征

亞曲巖體地表出露寬 10～25 m, 向深部 230 m

深度位置增至80 m左右(水平寬), 發育黃、棕褐色氧化帶。走向北西, 向北東傾斜, 呈北北西—北側伏,

其南端延深260 m, 向北部延深200 m以上(尚未控制)。巖體的形態比較復雜, 其北段為較簡單的薄透鏡狀; 巖體南段地表被片麻狀閃長巖殘余體所隔,

分成兩枝, 向深部合二為一, 并有尖滅趨勢。巖體的圍巖主要是一套化隆巖群的沉積變質巖, 主要巖石類型有灰黑色石英、云母片巖、石英角閃片巖夾灰白色含石墨質大理巖、紫灰色黑云母片巖、條帶狀黑云母片麻巖、角閃片巖及角閃斜長片麻巖, 局部有花崗巖和閃長巖脈貫入(圖2)。亞曲巖體基本上為輝長-輝石巖-閃長巖巖體, 可以劃分為輝長巖、輝長-輝石巖和閃長巖三個巖相帶, 巖石類型主要為角閃石化輝長-輝石巖、角閃石化黑云母輝長巖及石英閃長巖。

圖1 青海省化隆一帶區域地質圖Fig. 1 Regional geological map of Hualong County, Qinghai Province

圖2 亞曲巖體平面地質圖Fig. 2 Geological map of Yaqu intrusive rocks

角閃石化輝長-輝石巖主要分布于亞曲巖體的南段靠中下盤, 特別在氧化帶地段最為典型。主要由斜方輝石(紫蘇輝石)(約35%)、單斜輝石(約20%)、角閃石(約10%)、斜長石(約35%)組成, 其次可見少量黑云母(約3%)和石英(約2%)。金屬硫化物見有磁黃鐵礦, 鎳黃鐵礦、黃銅礦、黃鐵礦等呈浸染狀分布于巖石中, 也有呈細脈狀充填于巖石節理中。角閃石化黑云母輝長巖主要分布在巖體南段的上盤和北段。主要由淺棕色角閃石(約10%)、輝石(約50%)、斜長石(約35%)、黑云母(約10%)和少量石英、磷灰石等組成, 金屬硫化物含量不多。石英閃長巖主要有紫蘇輝石石英閃長巖和黑云母石英閃長巖。

在亞曲巖體硅酸鹽全分析中(表 1), MgO含量(3.22%～14.83%)變化較大, FeO+Fe2O3含量變化較小,為 4.95%～10.79%, 平均值為 7.19%。Al2O3值在10.4%～20.01%, 平均值為 15.92%, 變化范圍大。CaO含量介于4.51%～9.36%之間, 平均值為6.43%。Na2O 的含量介于 1.58%～3.28%之間, 平均值為2.39%。K2O 含量介于 0.15%～2.65%, 平均值為1.55%。TiO2含量介于 0.56%～0.91%, 平均值為0.74%。亞曲巖體巖石的 m/f值大部分介于 1.0～2.0之間, 與吳利仁(1963)劃分的鐵質基性巖特征一致,屬于鐵質類型的基性巖。在 SiO2-Na2O+K2O圖上,樣品均投影在亞堿性系列區(圖3)。在AFM圖解上,樣品投影于鈣堿性系列區(圖4)。

表1 亞曲巖體主量元素分析結果表(wt%)Table 1 Major elements analyses of Yaqu intrusion (wt%)

亞曲巖體微量元素分析如表 2所示, 總體上顯示出相容元素(如Ni、Cr、Co、V)含量低, 不相容元素(如Rb、Ba、Th等)含量高的特點。在其不相容元素原始地幔標準化圖解上(圖5), 總體顯示出較為一致的分布模式, 可以看出其富集大離子親石元素(Sr、Rb、Ba)和相對虧損高場強元素(Nb、Ta、Hf、Zr)。與原始地幔(17.8與37)(McDonough et al., 1995)和地殼相應值(11和33)(Taylor et al., 1985)不同, 其Nb/Ta比值為9.81～17.19, 平均 14.96; Zr/Hf 比值為 31.3～40.0,平均38.56。在亞曲巖體過渡金屬元素含量中, 與原始地幔相比, 所有樣品均具Cr、Ni的負異常, Ti的正異常(圖6)。

亞曲巖體的稀土總量(ΣREE)介于(55.13～142.41)×10-6之間, 稀土元素分析數據見表 3, 大部分樣品(La/Yb)N值較高, 介于 2.09～13.06之間。(La/Sm)N介于 1.23～4.28之間, (Gd/Yb)N介于1.36～2.08之間,表明輕重稀土元素分餾較強, 而輕、重稀元素內部之間的分餾都較弱。亞曲巖體球粒隕石標準化分配曲線表現為輕稀土富集型特征(圖 7), 各樣品的δEu介于0.41～0.77之間, 顯示明顯的負異常。

圖3 亞曲巖體全堿-硅(TAS)圖解Fig. 3 Total alkali versus silica (TAS) diagram of Yaqu intrusion

圖4 亞曲巖體AFM圖解Fig. 4 AFM diagram of Yaqu intrusion

2 分析方法

巖體中采集樣品15 kg, 采樣位置如圖2所示。樣品巖性為輝石巖相, 鋯石分選工作在河北省區域地質調查研究院實驗室進行, 常規碎樣至 120目后手工淘洗, 挑選出鋯石進行年齡測定。

在加拿大多倫多大學杰克薩特利(Jack Satterly)年代學實驗室采用同位素稀釋熱電離質譜法(isotope dilution thermal ionization mass spectrometry)(ID-TIMS)進行鋯石U-Pb同位素分析。分析之前,鋯石晶體顆粒經熱退火并在 HF酸中部分溶解, 以此徹底消除出現 Pb丟失的蝕變區域同時提高一致性和諧和度。這些區域與在蝕變前遭受輻射破壞的高 U區域相關。前處理時, 首先將鋯石顆粒置于1000℃馬弗爐中加熱大約 60 h, 以修復輻射破傷和退火晶格, 接下來就是單步部分溶解過程, 用50%HF酸0.10 mL和7 mol/L HNO3酸0.020 mL聚四氟乙烯溶解皿中于 1 9 5℃的溫度下溶解6～12 h(Barnes et al., 1997)。通過硝酸和丙酮清洗,每個鋯石晶體顆粒的尺寸和重量進行測量和稱重,通過樣品裝載,205Pb-233U-235U示蹤劑溶液被加到馬弗爐器皿中。利用濃的HF酸0.10 mL和0.02 mL的7 mol/L HNO3酸于195℃的溫度下溶解3～5 d, 鋯石被溶解, 并再溶解于0.15 mL的3 mol/L的HCl酸中(Krogh, 1973)。使用鹽酸通過離子交換色譜使U和Pb從溶液中分離出來, 并將分離出來的樣品沉積在已經涂有硅膠的錸燈絲上, 在VG354質譜儀上進行分析, 應用戴利探測器的脈沖計數模式計算 Pb和U, 或者運用多法拉第富集模式收集Pb并且用靜態模式收集U。Pb和U測量系統測量時間為21.5 ns。戴利探測器修正偏差為一常數, 每原子質量單位0.05%。利用SRM982標準Pb對放大器和達利特性進行監控。每原子質量單位熱分餾校正 0.10%恰對應于鉛的0.06%誤差(2σ), 同時U分餾出來。假設最初巖漿中 Th/U比值為 4.2, 利用鋯石中的230Th 不平衡進行206Pb-238U 對207Pb/206Pb的年齡校正(Campbell et al., 1979)。鋯石中所有普通鉛被分配到鉛空白處, U空白估計為0.01 pg。U/Pb比值的標定誤差為0.04%(2σ)。所有年齡誤差標記在文本和表中,并在諧和圖給出在 95%置信區間的誤差橢圓。使用ISOPLOT程序3.00進行繪圖和年齡計算(張照偉等,2012b)。

圖5 亞曲巖體不相容微量元素原始地幔配分模式圖(據Sun et al., 1989)Fig. 5 Primitive mantle distribution patterns for incompatible trace elements in Yaqu intrusive rocks(after Sun et al., 1989)

圖6 亞曲巖體相容微量元素原始地幔配分模式圖(據Sun et al., 1989)Fig. 6 Primitive mantle distribution patterns for compatible trace elements in Yaqu intrusive rocks(after Sun et al., 1989)

圖7 亞曲巖體REE球粒隕石標準化分布型式圖(球粒隕石數據據Sun et al., 1989)Fig. 7 Chondrite normalized REE patterns of Yaqu intrusive rocks(chondrite data after Sun et al., 1989)

表2 亞曲巖體微量元素分析結果表(單位: 10-6)Table 2 Trace elements analyses of Yaqu intrusion (unit: 10-6)

表3 亞曲巖體稀土元素分析結果表(單位: 10-6)Table 3 Rare earth elements analyses of Yaqu intrusion (unit: 10-6)

3 分析結果及討論

亞曲黑云母斜長輝長巖(09YQ-05)中的鋯石絕大多數為煙灰色、淺煙灰色、淺黃色半自形柱狀特征(部分殘缺鋯石屬于碎樣時機械破損, 或者碎樣目數較細所致), 少數為淺玫瑰紅色渾圓狀, 粒徑多在80 μm×60 μm 至 120 μm×90 μm。鋯石 CL 圖像(圖8)顯示, 鋯石呈淺灰-深灰色, 少數具有內核(圖8-B),多數發育有環帶結構(圖 8A、C、D), 且 Th/U比值一般在0.62～0.90之間(表4), 具巖漿結晶鋯石特征。

亞曲(09YQ-05)樣品在加拿大多倫多大學進行了 ID-TIMS鋯石 U-Pb年齡測定(表 4、圖 9), 獲得鋯石 U-Pb年齡為(440.74±0.33) Ma (MSWD=1.1),屬早志留世, 為加里東期巖體, 侵入于元古界化隆群中。

圖8 亞曲巖體輝石輝長巖鋯石CL圖像Fig. 8 CL images of zircon from pyroxenite of Yaqu intrusive body

表4 青海省亞曲巖體ID-TIMS鋯石U-Th-Pb同位素分析結果Table 4 U-Th-Pb isotopic data of Yaqu mafic intrusions, Qinhai Province

圖9 亞曲巖體鋯石U-Pb諧和圖Fig. 9 Concordia diagrams showing U-Pb analyses of zircons from Yaqu intrusion

利用ID-TIMS, 首次獲得了亞曲巖體(09YQ-05)的鋯石U-Pb年齡為(440.74±0.33) Ma (MSWD=1.1),也是在南祁連化隆基性-超基性巖帶中獲得的首個基性-超基性侵入巖精確年齡數據。與中祁連地塊基性-超基性巖體年齡相近, 秦祁造山帶結合部隴山巖群中的基性巖的年齡為(442.8±1.1)～(440±1.7) Ma,中祁連馬銜山巖群內基性巖的年齡為(441.1±1.4) Ma(陳雋璐等, 2006; 何世平等, 2008)。

祁連山造山帶是秦祁昆巨型造山帶的組成部分, 屬于中國中央造山帶。新元古-早古生代秦祁昆大洋具有復雜的結構形式, 洋中有塊、塊中有裂陷是其主要特征之一(湯中立等, 1995; Barnes et al., 1985; Mckenzie et al., 1988; DePaolo et al.,1981)。大陸裂解形成一系列大小不等的海洋盆地,而會聚可使其盆地關閉, 經造山作用使堆積物發生變質變形。板塊的裂解與關閉實際上是構造旋回中的一個開合過程的具體體現, 由于這種開合可以是原地開合, 也可以是異地開合, 最終使這些原來相關或不相關的一系列陸塊聚合在一起,形成新的大陸塊。祁連山地體是經加里東末期板塊碰撞而形成的典型加里東造山帶, 祁連山南東段是祁連山造山帶的尾端, 該造山帶有著復雜的物質組合和漫長的構造演化歷史(Rad’ko, 1991;Naldrett et al., 1993; 孫濤等, 2012)。中祁連地塊是秦祁昆洋中陸塊群中的一個, 由新元古代以前的古老變質巖系組成, 其上發育有裂陷槽, 南祁連、拉脊山就是地塊進一步裂解形成的兩個盆地(或小洋盆), 它們是在加里東期閉合形成的造山帶(Brügmann et al., 2001; Lightfood et al., 1993; 呂林素等, 2007; 王團華等, 2009)。

亞曲巖體所代表的基性-超基性巖帶恰處于祁連造山帶的南東段, 該巖帶的所有基性-超基性巖體都無一例外地侵入在元古界化隆群中, 化隆群是一套以石英巖、黑云石英片巖、二云母片巖、石英片巖、角閃片巖、黑云斜長片麻巖、混合片麻巖和混合巖為主體, 變質程度較深的中-深變質巖系。基性巖墻群代表地質歷史時期的伸展裂解事件, 其形成時代可以代表裂解的初始時限, 可為造山前期的地質作用過程提供研究基礎。其變質變形又包含有造山過程區域構造作用疊加、改造的信息, 為造山過程的動力學研究提供了約束, 因而在大陸再造研究過程中, 越來越受到重視(Lightfood et al., 1997; Irvine, 1975; Keays, 1995; Wendlandt, 1982; 李文淵,2004; 徐德明等, 2006)。440 Ma左右的年齡, 與加里東中晚期祁連造山帶火山弧或弧后盆地的裂解時代接近(湯中立等, 2006), 可代表加里東運動俯沖碰撞后火山弧的裂解拉張的形成時限, 因而對加里東中晚期在祁連地區的構造運動表現形式及造山作用過程的細節及其時限是一種很好的約束(Li et al.,2008; Wang et al., 2006a)。巖體巖石地球化學、稀土元素、微量元素特征說明巖體母巖漿至少是兩種端元的混合, 并遭受了陸殼物質混染作用。巖體的巖石地球化學特征反映出與俯沖相關的地球化學特征(Irvine et al., 1975; 李錦軼等, 2006), 如Nb、Ta、Ti的虧損, 以及所有巖石均屬于鈣堿性系列等, 且輕稀土(LREE)和大離子親石元素(LILE)相對富集, 適度虧損高場強元素, 應屬于碰撞島弧環境中巖漿系統(Wang et al., 2006b; Ebel et al., 1996)。隨著祁連地塊向華北克拉通俯沖的進行, 于450 Ma北祁連閉合形成縫合帶, 同時柴達木地塊向北俯沖, 也于該時期在柴北緣形成高壓超高壓變質帶(宋述光等,2009)。而拉脊山有限小洋盆因俯沖擠壓被迫閉合,形成北祁連-中祁連-南祁連-西秦嶺等的由南向北的俯沖拼貼狀貌, 同時產生了島弧巖漿作用, 產生了化隆一帶基性-超基性雜巖體的就位。設想在復雜的地質作用過程中, 地殼深處巖漿物質, 沿著地層構造的層間裂隙, 間歇性壓濾侵位, 形成了一些規模極小, 點滴狀、扁豆狀排列無規律的基性-超基性巖體(宋謝炎等, 2009)。并在此過程中, 由于巖漿自身性質和演化作用, 并遭受上地殼物質混染, 發生了硫化物的不混溶, Ni等金屬進入硫化物液相, 隨著硫化物的聚集形成礦床。

4 結論

(1)亞曲巖體為一鐵質系列的基性雜巖體, 巖體分異好, 有用元素Ni、Cu、Co豐度高, 是個有利成礦的巖體; (2)利用ID-TIMS方法首次獲得亞曲巖體的精確年齡為(440.74±0.33) Ma, 亦是化隆基性-超基性巖帶上獲得的首例基性巖體的精確年齡。發育在化隆古老微陸塊中的亞曲等銅鎳礦化巖體, 形成于志留紀, 可能與祁連山及其鄰區460～440 Ma時期俯沖向碰撞轉換的作用有關, 是俯沖構造事件的巖漿活動和成礦作用在南祁連造山帶的反映。

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致謝: 衷心感謝中國地質科學院礦產資源研究所李延河研究員、侯可軍副研究員對論文提出的建設性意見！在數據測試中得到了美國印第安納大學李楚思教授的有益幫助, 另外, 審稿人提出了具體修改建議, 謹此表示謝意！

The Formation Age of the Yaqu Ni-Cu Bearing Basic Complex in Southern Qilian Mountain and a Discussion on Its Mechanism

ZHANG Zhao-wei1,2), LI Wen-yuan1), GAO Yong-bao1,2), ZHANG Jiang-wei1),GUO Zhou-ping1), LI Kan1), WANG Ya-lei1), QIAN Bing1)
1)Xi’an Institute of Geology and Mineral Resources, Xi’an, Shaanxi710054;2)College of Earth Science and Resources, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi710054

This paper reports partial achievements in potential evaluation of magmatic type copper-nickel ore resources in Hualong County, Qinghai Province, mainly by field survey and investigation of Yaqu intrusive rocks,and obtained the zircon U-Pb age of rock formation (442.4±1.6) Ma by ID-TIMS. Geochemical studies of the basic complex closely associated with the deposit show that it is characterized by low Ti, depletion of Nb or Ta and enrichment of LREE and large lithosphile elements. These features, combined with the isotope geochemistry, have led the authors to believe that the magma occurred under the condition of the conversion of subduction to collision in 460–440 Ma in the Qilian Mountain and its adjacent areas, and might have resulted from arc magmatism. The results not only have great significance for regional prospecting of Ni-Cu ore resources in Hualong area but also have reference value for enrichment of the knowledge of early Paleozoic magmatic Ni-Cu sulfide deposits and their formation mechanism.

basic complex; ID-TIMS age; formation mechanism; Ni-Cu deposit; Yaqu

P588.124; P597

A

10.3975/cagsb.2012.06.11

本文由國家自然科學基金(編號: 40772062, 41102050)和中國地質調查局地質大調查項目(編號: 1212010911032, 1212011220897,121201112088和1212011121092)聯合資助。

2012-08-11; 改回日期: 2012-10-17。責任編輯: 張改俠。

張照偉, 男, 1976年生。助理研究員, 博士研究生。主要從事巖漿作用礦床及區域成礦研究。通訊地址: 710054, 西安市友誼東路438號。E-mail: zhaoweiz@126.com。

*通訊作者: 李文淵, 男, 1962年生。研究員, 博士生導師。主要從事巖漿銅鎳硫化物礦床與區域成礦研究。通訊地址: 710054, 西安市友誼東路438號。E-mail: xalwenyuan@126.com。