青海冷湖盐场北山黑云母二长花岗岩年代学、地球化学及其地质意义

董增产,杨 成,辜平阳,王 红,查显锋,陈锐明,张海迪

(1.西安地质调查中心(西安地质矿产研究所)岩浆作用成矿与找矿重点实验室,陕西 西安 710054;2.青海煤炭地质勘查院,青海 西宁 810000;3.河北省地矿局第十一地质大队，河北 邢台 054000)

柴北缘古生代岩浆岩分布广泛,断续出露于塞什腾山、大柴旦、绿梁山以及锡铁山等地。其中,早古生代岩浆岩最为发育。研究表明大体可分为三阶段,且对应于三种类型:第一阶段为俯冲型(晚寒武世-早中奥陶世),形成了滩间山弧火山岩(496±6 Ma,袁桂邦等,2002)、祁连南缘嗷唠山花岗岩(473±15 Ma,吴才来等,2001a)以及柴北缘西端大柴旦地区赛什腾岩体(465.4 Ma)、团鱼山岩体(469.7 Ma),具岛弧或活动陆缘花岗岩属性(吴才来等,2008;Wu et al.,2009);第二阶段为碰撞型(晚奥陶世),如柴达木山花岗岩(446±4 Ma,吴才来等,2001c);第三阶段为碰撞后拉张型(晚志留世-早泥盆世),如塔楞河环斑花岗岩(440±14 Ma,卢欣祥等,2007)、锡铁山中部花岗岩(428±1 Ma,孟繁聪等,2005)、绿梁山西侧志留纪花岗岩(Song et al.,2004)以及野马滩花岗岩(397±4 Ma,吴才来等,2004)。由此可见,柴北缘早古生代岩浆岩可能保存了一个较为完整的岩浆构造旋回记录。然而,较之早古生代,柴北缘晚古生代岩浆岩分布面积相对较小,且较为零散。目前,地表出露主要为晚泥盆世和二叠纪花岗岩。其中,晚泥盆世岩体被认为是造山后隆起阶段的产物(吴才来等,2007),如嗷唠河石英闪长岩(372 Ma,吴才来等,2008)、巴嘎柴达木湖岩体(374±4 Ma)和大头羊沟岩体(374±4 Ma)。另外,柴北缘地区缺失早、中泥盆世沉积记录的事实表明,区内在该时期已经处于隆升状态(郝国杰等,2004;辛后田等,2006)。之后,由于受到柴达木地块以南古特提斯洋扩张影响,全区转为挤压的构造背景,出现了260～270 Ma早-中二叠世花岗闪长岩(郝国杰等,2004;吴才来等,2001b,2008)。

近年来,笔者通过野外地质调查发现,在柴北缘西端发育大量二叠纪侵入岩,包括基性和中酸性岩体。其中,中酸性岩体分布面积相对较广,主要表现为石英闪长岩-花岗岩闪长岩-英云闪长岩-黑云母二长花岗岩-正长花岗岩等岩石组合。本文选择黑云母二长花岗岩为研究对象,试图通过分析其年代学、岩石地球化学等特征,确定岩体形成时代,及岩体成因类型,讨论岩体形成的构造背景,为进一步研究柴北缘晚古生代地质构造演化提供依据。

1 地质背景

研究区位于青藏高原北部边界,地处阿尔金造山带、柴达木地块,祁连地块等构造单元衔接部位(图1),阿尔金左行走滑断裂横贯其中,地质构造较为复杂。该区地层仅出露古元古代达肯大坂岩群,为一套片岩、片麻岩组合。在片麻岩中发育大量的花岗岩脉和长英质脉岩。经野外地质调查,脉体为后期岩浆侵入产物或变质分异脉。本文研究的黑云母二长花岗岩局部以脉体的形式沿片理或构造面理灌入片麻岩之中,与达肯大坂岩群为明显的侵入接触关系。除了黑云母二长花岗岩外,盐场北山还发育不同时期的志留纪石英闪长岩、早二叠世花岗闪长岩,少量闪长岩及基性-超基性岩等。其中,黑云母二长花岗岩是本次从石英闪长岩中解体出来的侵入岩,与石英闪长岩、花岗闪长岩均为侵入接触关系;而辉长岩位于该岩体东西两侧,露头可见黑云母二长花岗岩呈脉状侵位于辉长岩中,两者侵入接触关系明显。

图1 青海冷湖盐场北山地区地质简图Fig.1 Geological sketch map of the Yanchangbeishan area in Lenghu,Qinghai

2 岩石学特征

黑云母二长花岗岩样品采集于冷湖镇北西约80 km 的盐场北山地区(图1),地理坐标为 E90°53′12″;N39°06′04″。岩石风化面呈灰褐色,新鲜面呈灰白色,半自形-他形粒状结构,块状构造,主要矿物组成为钾长石(34%)、斜长石(27%)、石英(26%)、黑云母(10%)、石榴子石(3%)和少量副矿物(图2)。斜长石粒径介于 0.3～2 mm,半自形板状或他形粒状,聚片双晶发育,具轻微绿泥石和绢云母化。钾长石多为微斜长石,可见格子双晶,少量为条纹长石,晶体形状呈不规则粒状,粒径大小介于 0.5～3.2 mm,局部见微斜长石交代斜长石现象。黑云母呈片状或集合体,少数晶体被绿泥石交代。石榴子石呈粒状,自形程度较高,无交代蚀变现象,粒径介于0.1～0.5 mm。

3 分析测试方法

图2 黑云母二长花岗岩岩石学特征Fig.2 Petrologic features of the biotite adamellite

对采集的6件黑云母二长花岗岩样品利用X射线荧光法(XRF)进行主量元素测试分析,用电感耦合等离子体质谱法(ⅠCP-MS)法进行微量及稀土元素测试分析。测试工作在西安地质矿产研究所实验室完成。首先将挑选锆石的样品在实验室粉碎至80～100目,经常规浮选和磁选方法分选后,在双目镜下先根据锆石的颜色、自形程度、形态等特征初步分类,挑选出具有代表性的锆石作为测定对象。将分选出的锆石分组置于 DEVCON环氧树脂中,待固结后将其抛磨至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、阴极发光(CL)显微图像研究及锆石微区 U-Pb同位素年龄测定。锆石CL图像、U-Pb测年工作分别在西北大学扫描电镜实验室和西北大学大陆动力学国家重点实验室的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ⅠCP-MS)上完成。详细分析步骤和数据处理方法参考有关文献(柳小明等,2002;Gao et al.,2002;袁洪林等,2003)。

4 地球化学

4.1 主量元素特征

岩石主量元素(表1)SiO2含量变化于 73.92%～75.98%,平均74.85%;Al2O3变化于13.49%～14.57%,Na2O 含量为 3.53%～4.31%,K2O=3.71%～4.78%,Na2O+K2O=7.87%～8.52%,平均为8.30%。在侵入岩TAS岩石分类图上样品落入亚碱性系列花岗岩区(图3);里特曼指数σ=1.91～2.32,属于钙碱性岩系。铝饱和指数A/CNK介于1.03～1.11,平均为1.05,具强过铝质花岗岩特征(图4a);刚玉标准分子含量介于0.3%～1.4%,平均为1%。岩体总体高硅、高钾、高铝,富碱特征,所有样品均属钾玄岩系列(图4b)。

图3 盐场北山黑云二长花岗岩TAS岩石分类图解(底图据Cox et al.,1979;Wilson,1989)Fig.3 TAS diagram for the Yanchangbeishan biotite adamellite

表1 盐场北山黑云母二长花岗岩主量元素(%)和微量元素(×10-6)丰度Table1 Major (%)and trace element (×10-6)contents of the Yanchangbeishan biotite adamellite

4.2 微量元素特征

分析结果显示(表2)盐场北山花岗岩体稀土总量较低(∑REE)=80.99×10-6～35.86×10-6,轻重稀土分馏变化范围较大(LREE/HREE=3.1～9.2,(La/Yb)N=10.83～46.35);轻稀土分馏相比重稀土更明显((La/Sm)N=4.23～5.87,(Gd/Yb)N=1.2～5.1);铕异常不明显(δEu=0.79～1.10),表明岩浆分离结晶作用较弱,在球粒陨石标准化稀土配分图上,呈弱负铕异常的右倾型(图5a)。原始地幔标准化微量元素蛛网图(图5b)显示样品富集大离子亲石元素(Rb、Th、U)、亏损高场强元素 Nb;除了一个样品亏损 Ta外,其他样品均富集 Ta、Zr、Hf。另外,样品明显亏损相容元素 Sr、弱不相容元素 Ti、P及强不相容元素Ba。

图4 盐场北山黑云二长花岗岩A/CNK-A/NK图解(a)及Na2O-K2O图解(b)Fig.4 A/CNK vs A/NK (a),and Na2O vs K2O (b)diagrams for the biotite adamellite in the Yanchangbeishan area

表2 盐场北山黑云二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年数据(样品D1037)Table2 LA-ICP-MS U-Pb results for zircons from the Yanchangbeishan biotite adamellite

图5 盐场北山岩体球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(球粒陨石标准化值引自Boynton et al.,1984;原始地幔标准化值引自McDonough &Sun,1995)Fig.5 Chondrite normalized REE patterns (a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b)for the Yanchangbeishan biotite adamellite

5 年代学分析

5.1 锆石特征

根据锆石反射光可将其分为两类,第一类为浑圆状或短柱状,粒径介于30～70 μm,CL图像呈灰-深灰色,发育核边结构,边部较窄,可能为后期增生所致(如锆石1、2、3、9、19),核部可见岩浆震荡环带(如锆石9),具继承性锆石特征。第二类呈长柱状,CL图像显示其整体呈深灰色,自形程度高,粒径约 130～250 μm,长宽比介于 5∶1～8∶1,锆石不发育震荡环带,且具弱分带或无分带特征(如 4、6、7、8、10、12、13、14 号等锆石)。

5.2 分析结果

根据前述锆石测年方法,对30粒锆石进行了测试分析,获得总测点数31个,去除其中206Pb/238U年龄谐和大于10%的年龄外,获得有效年龄数据20个,206Pb/238U年龄变化于275～242 Ma。在谐和曲线上形成了两个较大的年龄集中区(图6),加权平均年龄分别为 272±5 Ma(n=5,MSWD=1.4)和 254±4 Ma(n=15,MSWD=4.5),结合测年锆石内部结构特征,年龄为270 Ma左右的锆石为第一类(如锆石1、2、3、9、19),而 254 Ma左右年龄数据来自第二类(如锆石4、6、7、10、12、13、14等)。两类锆石 Th/U=0.1～0.4,均为岩浆锆石年龄。然而,由于一类锆石具有明显的增生边,可能为后期热事件改造所致,推测其来自于区内较早形成的花岗闪长岩体(待刊),具有捕虏锆石特征。据此,笔者认为254±4 Ma的年龄应为岩体的形成时代。

图6 盐场北山黑云二长花岗岩测年锆石CL图像及U-Pb年龄谐和图Fig.6 Cathodeluminescence images and U-Pb concordia diagram for zircons from the Yanchangbeishan biotite adamellite

6 讨 论

6.1 岩体成因类型分析

花岗岩成因类型通常包括 Ⅰ、S、A、M 型,前人在研究澳大利亚东部拉克兰褶皱带中古生代花岗岩时,根据花岗岩成岩物质来源将花岗岩划分为 Ⅰ型和S型(Chappell and White,1974,1992)。S型花岗岩主要源自沉积岩,是上地壳物质直接熔融的产物;Ⅰ型花岗岩源岩多为火成岩,主要来自下地壳物质的部分熔融;A型花岗岩物源具有多样性(吴锁平等,2007;Frost and Frost,1997;王德滋和周新民,2002);M 型花岗岩则为幔源,如洋壳型蛇绿岩套中的斜长花岗岩和洋岛玄武岩中的花岗岩。众所周知,A型花岗岩首次提出就被赋予无水的、非造山环境的属性(Loiselle and Wones,1979),而且可通过Ga/Al比值进行判别(Collins et al.,1982),一般 A型花岗岩10000×Ga/Al＞2.6(Collins et al.,1982;Whalen et al.,1987),而且在(Yb+Nb)-Rb判别图上多位于板内花岗岩区域(图7a)。另外,Whalen et al.(1987)在总结了A花岗岩特征后,提出了一系列A型花岗岩判别图解。盐场北山黑云母二长花岗岩 10000×Ga/Al介于1.84～1.95,明显低于2.6,所有样品在Whalen et al.(1987)给出的A型花岗岩判别图上,均落在Ⅰ、S型区域(图8),而且在(Yb+Nb)-Rb和Y-Nb判别图上落在火山弧花岗岩区(图7),表明岩体不属于A型花岗岩。然而,Ⅰ型和 S型两类花岗岩不仅岩石化学存在很大差异,而且形成的源区、深度和组成均不同。如 S型花岗岩不含角闪石,富含黑云母及堇青石、矽线石、红柱石和石榴子石等富铝矿物(Sylvester,1998),铝饱和指数大于1.1,是强过铝质的,刚玉标准分子一般大于 1%,而 Ⅰ型花岗岩是弱过铝质的,一般含有角闪石和磁铁矿等副矿物。

图7 花岗岩(Y+Nb)-Rb (a)和Y-Nb (b)构造环境判别图(底图据Pearce et al.,1984)Fig.7 Y+Nb vs Rb (a),and Y vs Nb (b)tectonic discrimination diagrams of granite

图8 黑云二长花岗岩成因分类图(底图据Whalen et al.,1987)Fig.8 Discrimination diagrams for the biotite adamellite

岩相学表明,盐场北山黑云母二长花岗岩富含黑云母和富铝矿物石榴子石,而且不含角闪石。镜下特征表明石榴子石基本无蚀变和交代现象,推测为岩浆演化过程中原生矿物。铝饱和指数A/CNK介于 1.03～1.11,为强过铝质,刚玉标准分子平均约为1%,具有 S型花岗岩特征。罗万林和胡正言(1983)通过对滇西112个岩体的519件样品进行了岩石化学资料分析和岩石成因类型划分,统计结果表明:S型花岗岩 SiO2含量介于 65%～77%,平均为 72.2%,K2O/Na2O＞1.2～1.3;Ⅰ型花岗岩 SiO2含量变化于56%～69%,平均为 63.0% ,K2O/Na2O＜1.2～1.3,认为S型花岗岩较 Ⅰ型花岗岩具有高的 SiO2含量和K2O/Na2O比值。本次研究的岩体 SiO2含量平均为74.8%,K2O/Na2O比值平均为1.2,与滇西S型花岗岩岩石化学成分较为一致。另外,李献华等(2007)认为,可根据SiO2-P2O5相关性来区分Ⅰ型和S型花岗岩。Ⅰ型花岗岩的SiO2-P2O5呈负相关性,S型花岗岩的P2O5随SiO2的增加无明显降低趋势。本文岩体 SiO2含量变化于 73.92%～75.98%,P2O5含量介于0.06%～0.07%,两者呈正相关性(图略),与Ⅰ型花岗岩不同。除此之外,利用Rb与Th、Y的相关性,亦可区分岩体类型,如分异的 S型花岗岩 Th、Y含量低,且与Rb呈负相关性;分异的Ⅰ型花岗岩Th、Y含量高,与Rb呈正相关性(李献华等,2007)。样品地球化学分析表明Th、Y含量随Rb含量增加而减少(图略),呈负相关性。一般认为S型花岗岩的物源来自下地壳物质的直接熔融,源岩多为沉积岩。在Rb/Sr-Rb/Ba源岩判别图上(图9),样品落在砂页岩源区,可能与其围岩达肯大坂岩群黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩等有关。综上所述,盐场北山黑云母二长花岗岩应为S型花岗岩。

6.2 源区判别

图9 Rb/Sr-Rb/Ba关系图(据 Sylvester,1998)Fig.9 Rb/Sr vs Rb/Ba diagram

众多资料表明,中酸性岩浆岩的Sr和Y元素含量及其比值可能与花岗岩源区的残留相组成有关(Defant and Drummond,1990;Defant et al.,2002;Kay and Kay,2002;张旗等,2005、2006)。然而,随着研究的深入,发现Sr和Yb的含量相对Sr/Y(Sr/Yb)比值判别花岗岩源区更加重要(张旗等,2008)。Sr相对于 Rb具有更小的离子半径而更加稳定,Yb为高场强元素在各种地质环境中均比较稳定,花岗岩中能够容纳Yb或Y的矿物主要有角闪石、石榴子石及少量副矿物等(张旗等,2008),容纳Sr的矿物主要为斜长石。黑云母二长花岗岩中贫 Yb(0.16×10-6～0.22×10-6,平均为 0.57×10-6)、Sr(41.8×10-6～90.0×10-6,平均为 70.62×10-6),源区残留相可能为角闪石和石榴子石。Kay and Kay (2002)标定 Sr=400×10-6和Yb=1.9×10-6作为高Sr和低Sr、高Yb和低Yb的界线,本次研究的岩体为低Sr和低Yb型花岗岩,在花岗岩 Yb-Sr分类图上,落入喜马拉雅型花岗岩区域(图10),而且地球化学特征与冀北中生代低Sr低Yb型花岗岩较为一致(李承东等,2004)。另外,由于岩体较为新鲜,蚀变较弱,Sr的亏损可能与岩体自身斜长石的含量有关。岩体具有微弱的负Eu异常,说明残留相中可能有富Ca的斜长石存在,致使熔融的岩浆贫Ca和Sr(Hollccher et al.,2002)。低Yb说明花岗岩熔融的源区有石榴子石存在,HREE和Y的含量低也表明源区有石榴子石存在(李承东等,2004)。综上认为,花岗岩的源区熔融后的残留相由斜长石+石榴子石+角闪石组成。

6.3 构造环境及地质意义

图10 花岗岩Yb-Sr分类图(据张旗等,2008)Fig.10 Granite classification on the basis of Yb vs Sr contents

花岗岩形成的构造环境是指形成时的地球动力学背景,主要包括了洋脊环境、岛弧环境,洋岛环境和裂谷环境。也有人提出了碰撞前、同碰撞、后碰撞和陆内四种构造环境(张旗等,2008)。Simonen (1960)在研究瑞芬造山带花岗岩时,将造山过程从早期到晚期分为同造山、晚造山、后造山与非造山四个阶段。Maniar and Piccoli (1989)认为花岗岩类岩石形成的构造环境总体可分为造山和非造山两类。其中造山花岗岩类又细划为岛弧花岗岩类(ⅠAG)、大陆弧花岗岩类(CAG)、大陆碰撞花岗岩类(CCG)和后造山花岗岩类(POG);非造山花岗岩类可分为与裂谷有关的花岗岩类(RRG)、大陆的造陆抬升花岗岩类(CEUG)以及大洋斜长花岗(OP)岩类(Maniar and Piccoli,1989)。不同构造环境的花岗岩岩石化学不同。CAG、 CCG、CAG 、POG和OP为钙碱性,CEUG、 RRG为碱性,本文黑云母二长花岗岩里特曼指数平均为 2.17,为钙碱性火成岩系列,铝饱和指数平均为1.05,与RRG和CEUG具碱性和强过铝质(A/CNK＞1.15)的特性不同,结合岩体矿物组合特征碱性长石含量低而区别于大洋斜长花岗岩类(OP),在R1-R2图解中(图11),样品投在同碰撞、造山晚期边界区,认为岩体与造山作用关系密切。在Maniar and Piccoli (1989)构造环境判别图上(图12a、b),样品落入造山后花岗岩和弧型花岗岩混合区,具有后造山和弧型花岗岩的共同特征;而图12c和12d又将岩体明显地划归于弧型花岗岩区。说明黑云母二长花岗岩可能产于与板块俯冲作用有关的岩浆弧环境,与 (Y+Nb)-Rb和 Y-Nb构造环境判别图(图7)给出的结果较为一致。晚泥盆世古特提斯洋的打开,柴北缘处于拉伸的构造环境,至晚石炭世-早二叠世,古特斯洋关闭,进而发生陆内俯冲,引起柴北缘隆升(郝国杰等,2004;吴才来等,2008)。吴才来等(2001b)认为柴北缘晚古生代的隆升与柴达木地块向祁连地块的俯冲碰撞有关,且在柴北缘发育海西期岩浆岩,

图11 R1-R2图解(据Batchelor and Bowderr,1985)Fig.11 R1 vs R2 diagram

图12 花岗岩构造环境判别图(据Maniar and Piccoli,1989)Fig.12 Discriminant diagrams for tectonic setting of granites

如冷湖海西期花岗闪长岩和二长花岗岩就形成于活动板块或板块碰撞前消减到碰撞后隆起阶段,具有岛弧花岗岩性质(吴才来等,2001b)。也有学者认为中石炭世-早二叠世巴颜喀拉洋的扩张是导致柴北缘构造应力场由拉张转为收缩的主要原因,进而使柴达木地块中-下地壳重熔侵位(辛后田等,2006)。研究区位于柴北缘西端,在晚二叠世,可能受到巴颜喀拉洋扩张的远程效应影响使柴达木地块向祁连地块俯冲碰撞,下插的俯冲板片流体交代地幔楔源区的部分熔融形成玄武质岩浆,即产生研究区内与黑云母二长花岗岩伴生的基性岩浆岩,如辉长岩等(董增产等,2014)。该基性岩浆上升底侵导致区域热流值升高,为地壳岩石发生熔融提供热源,

从而引发低熔点的源岩(如沉积岩)开始熔融,进而形成花岗质岩浆。至此认为,柴北缘至晚二叠世处于俯冲消减机制下的构造背景,具有活动大陆边缘性质。

7 结 论

(1)青海冷湖盐场北山黑云母二长花岗岩形成于254±4 Ma,为晚二叠世岩浆活动产物。

(2)岩体高硅、富钾,贫镁、钙,属钙碱性岩石系列;铝饱和指数 A/CNK 介于 1.03～1.11,A/NK=1.61～1.75,为强过铝质 S型花岗岩,源岩为沉积岩;岩体Sr和Yb含量低,具低Sr低Yb喜马拉雅型花岗岩特征。

(3)岩体形成于俯冲消减机制下的岛弧构造环境,是玄武质岩浆底侵作用引发上覆地壳物质部分熔融的产物,揭示晚二叠世柴北缘具有活动大陆边缘性质。

致谢:本文实验测试部分得到了西北大学张瑞英、张宇昆硕士的帮助,长安大学李永军教授以及本单位校培喜教授级高工、陈奋宁工程师等在本文撰写过程中给予了建议和帮助;两位审稿人提出的大量中肯和建设性的修改意见,对本文的改进和最终定稿起到了重要的作用,在此一并表示衷心感谢。

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