柴达木盆地北缘锡铁山铅锌矿区辉长岩锆石U-Pb年代、岩石地球化学和Hf同位素特征

廖宇斌，李碧乐，孙永刚，杨佰慧，高歌悦，刘国文

吉林大学 地球科学学院，长春 130061

0 引言

柴达木盆地北部边缘(以下简称柴北缘)是青藏高原北部非常重要的构造带，带内发育海相火山岩、蛇绿岩套和超高压变质带[1-7]，产出有中国著名的锡铁山超大型铅锌矿床，以及近年来陆续发现的青龙沟、金龙沟、细晶沟和青龙滩等大型金矿。该带以其独特的构造背景和找矿突破，近年来备受地学界和矿产勘查界关注。柴北缘海相火山岩为一套呈NW向展布的早古生代浅变质火山岩组合，称为滩涧山群，主要出露在赛什腾山—滩间山、绿梁山、锡铁山和沙柳河等地，也是锡铁山铅锌矿的容矿围岩。前人趋同认为该区大部分基性岩是与俯冲有关的岛弧火山岩，形成年龄在520～450 Ma[4-5,8]，这种岛弧玄武岩是早古生代区域上洋陆俯冲过程中不同阶段的产物[9]，柴北缘地区在早古生代已发育成为一个成熟的多岛洋盆并开始发生俯冲消减[10]，进一步研究认为柴北缘西段绿梁山大平沟地区(535±2)Ma的变辉长岩为弧后盆地型蛇绿岩的组成部分[11]。本次工作在锡铁山矿区滩间山群地层中发现了分布其中的辉长岩脉，本文旨在通过该辉长岩脉的岩相学、岩石地球化学、锆石U-Pb年龄和Hf同位素研究，揭示岩石成因和构造背景，为柴北缘早古生代岩浆演化和构造背景的研究提供重要资料，提升锡铁山铅锌矿床成矿地质背景的研究程度。

1 成矿地质背景与矿床地质

1.1 成矿地质背景

锡铁山铅锌矿床处于青海省中部，大地构造位置处于柴达木地块及祁连地块的交界处的超高压变质带内。该超高压变质带呈北西西向展布[12](图1a)，东起都兰县，经德令哈、锡铁山、绿梁山和鱼卡等地，西至小赛什腾山，延伸超过700 km，形成于早古生代[13-14]。

矿区及外围出露的主要地层有古元古代达肯达坂群、早古生代滩间山群、晚泥盆世阿木尼克组以及早石炭世穿山沟组和新生界(图1b)。其中，达肯达坂群出露范围最广，并且是形成时代最早的结晶基底，零星分布于矿区北西和北东两侧，主要由各种片岩、片麻岩以及规模不等的榴辉岩所组成。滩间山群是锡铁山矿区主要赋矿层位，在矿区西北侧与达肯达坂群呈断层接触，岩性主要为变质火山岩和少量碳酸盐岩，受绿片岩相变质作用的影响。阿木尼克组沿断层分布，由紫红色复成分细砾岩、砂岩磨拉石沉积建造组成。穿山沟组主要由红、棕色粉砂岩组成，细砂岩，夹砂质灰岩、生物碎屑岩、含砾砂岩及砾岩。研究区南侧断续分布古近纪地层，岩性为赤色、棕色砂岩、含砾砂岩以及砾岩。

研究区构造发育，拉伸线理方向与鞘褶皱方向近平行，以长英质塑性流变带、右行剪切褶皱、σ型碎斑系、旋转及拉长透镜体为特征的糜棱岩化韧性剪切带成为达肯达坂群及滩间山群地层的分界线；区内矿化主要受北西向断裂构造控制。研究区发育不同期次的花岗岩、花岗斑岩、石英闪长岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩和英安岩等。近两年来在岩石地球化学方面的研究显示锡铁山矿区内出露海西期花岗斑岩及二长花岗岩锆石年龄相近，并且有南祁连地块向柴达木板块俯冲碰撞后伸展环境的结论[15-16]。

1.2 矿床地质特征

锡铁山铅锌矿目前被认为是一种喷流沉积-叠加改造型矿床[17]。热水喷流不仅可以为成岩提供稳定的热力来源又可为其提供成矿压力，也为后期热液蚀变奠定基础，遂可以解释为何在岩相学鉴定中会有石英的出现。矿体主要赋存于正常沉积岩岩段与基性火山岩和酸性火山岩岩组中，可分为大理岩型、片岩型和复合型矿体；成矿期次分为喷流沉积成矿期、变形-变质改造期和岩浆期后热液叠加期；物质来源为壳幔混合源，深部火山岩和上部正常沉积岩的混合；流体以岩浆热液为主，混合部分海水、变质水及浅源水，也显示出深源与浅源的混合。

2 样品特征与分析方法

2.1 样品特征

辉长岩出露在矿区中部，呈岩株状和脉状产出，采样位置坐标37°26′40″N， 95°40′23″E(图1b)。辉长岩样品新鲜面呈灰绿色，主要矿物成分斜长石(±50%)和普通辉石(±30%)及角闪石(±10)。斜长石呈半自形，板状，粒径为 0.25～6 mm，有一定程度的碎裂和绢云母化，偶见聚片双晶；辉石呈自形短柱状-半自形，粒径在0.2～3 mm，发育绿泥石化；角闪石粒径在0.2～4 mm，变晶结构，发育绿泥石化(图2)。由于该辉长岩经历了后期的热动力变质作用，其中的主要矿物发生了碎裂和蚀变，故主要矿物颗粒大小差别大。通过镜下观察分析，原岩为中粒结构，块状构造。此外，在使用高倍镜时可观察到岩石中含极少量呈波状消光的石英集合体状围绕斜长石晶体分布，应是斜长石后期蚀变成石英和绢云母所致。副矿物有少量磷灰石、锆石等。

Pl.斜长石; Aug.普通辉石; Px/Am.辉石或角闪石假象; Srt.绢云母。图2 锡铁山辉长岩显微岩相学特征 (+)Fig.2 Microscopic characteristics of gabbro in Xitieshan area

2.2 LA-ICP-MS锆石U-Pb测年

在河北省廊坊区域地质矿产调查研究所，利用标准重矿物分离技术对锡铁山辉长岩锆石进行分选、制靶以及阴极发光图像分析。通过双目镜下挑选表面平整光洁且形状规则的锆石颗粒，将其粘在双面胶上，并用环氧树脂固定，待其固化对其表面进行抛光处理后送至锆石中心。在进行分析前，利用阴极发光图像观测锆石的晶形和结构特征，选择完整且无包裹体的样品进行分析。LA-ICP-MS锆石U-Pb的年龄测定在西安地质矿产研究所国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成，采用的激光器Geo Las 200M剥蚀系统以193 nmArF为准分子并使用He当作剥蚀载气。ICP-MS为Agilent 7700，激光束斑直径24 μm。外标准矿物以国际标准锆石91500，元素含量采用NIST SRM 610，内标元素为29Si，仪器参数及具体操作方法参考[18]；处理数据使用Glitter程序，校正普通铅使用Anderson推荐的方法；锆石年龄得计算及绘图采用Isoplot 3.0插件。

2.3 岩石地球化学测试

在吉林大学测试实验中心开展锡铁山辉长岩的岩石地球化学分析测试。样品制备时首先进行清洗，选择蚀变程度低的样品进行样品粉碎工作。主量元素采用X射线荧光光谱(XRF)进行分析，分析精度优于5%；稀土和微量元素采用Agilent 7500A型电感耦合等离子质谱仪分析测试，采用国际标样BHVO-2、BCR-2和国家标样GBW07103、GBW07104作为参考物质，分析精度优于10%。详细的实验分析方法见文献[19]。

2.4 锆石Lu-Hf同位素测试

锆石Lu-Hf同位素分析于中国地质科学院矿产资源研究所的实验室中进行，使用Neptune多接收电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)完成锆石分析测定。激光剥蚀系统为New Wave UP 213，激光束斑直径根据锆石大小采用40 μm或55 μm。实验中采用He作剥蚀物质载气，采用国际标样Plesovice作参考物质。详细仪器操作条件和分析方法可参照相关文献[20]。

3 测试结果

3.1 岩石地球化学特征

锡铁山辉长岩岩石主量元素化学分析计算结果如表1所示，SiO2含量范围在47.88%～49.87%之间，具有典型的基性岩特征；全碱(Na2O + K2O)范围在3.01%～3.74%之间，含量较低；Na2O含量为2.67%～3.24%，K2O含量为0.34%～0.56%，Na2O/K2O > 1，相对贫钾富钠；CaO含量为12.34%～12.51%；Al2O3含量为21.63%～22.08%，高铝。MgO含量为4.66%～5.21%,里特曼指数σ的范围在1.86%～2.12%，σ < 3.3,Mg#变化于62～66之间,TiO2含量为0.47%～0.51%。在TAS全碱-硅分类图解[21]中(图3a)，样点集中分布于在辉长岩区域；在SiO2-K2O图解[22]上(图3b)样点集中分布在中钙碱性区域内。在SiO2-K2O图解中样点均落入由低钾拉斑玄武岩系列向钙碱性玄武岩过渡区域内， 在F1-F2图解[23](图4a)和F2-F3图解中(图4b)， 样点主要落入钙碱性(高铝)和岛弧玄武岩区域及附近。

图3 青海锡铁山辉长岩TAS (a) [21]和SiO2--K2O(b)图解[22]Fig.3 TAS diagram (a) and SiO2 versus K2O diagram (b) for gabbro in Xitieshan area

表1 锡铁山辉长岩主量元素分析结果及特征值Table 1 Analysis results and eigenvalues for major elements of gabbro in Xitieshan area /10-2

图4 锡铁山辉长岩F1--F2(a)和F2--F3(b)图解[23]Fig.4 F1--F2 (a) and F2--F3 (b) diagrams of gabbro in Xitieshan area

辉长岩样品的微量和稀土元素分析结果如表2所示，岩石稀土总量丰度较低，∑REE在18.38×10-6～22.65×10-6之间；轻重稀土之比LREE/HREE=3.43～3.79，(La/Yb)N=3.07～3.45，具有富集轻稀土，重稀土元素分馏的特征；δEu含量为1.84～1.92，全部>1，显示出正铕异常特征，说明源区没有斜长石结晶或残留。Sm/Nd比值为0.22～0.28，具备典型地幔源岩浆特征[24]。稀土元素曲线总体呈现略微右倾且平坦的曲线变化形式(图5a)。

表2 锡铁山辉长岩微量和稀土元素含量分析结果及相关参数Table 2 Trace and rare elements analysis results and parameters of gabbro in Xitieshan area /10-6

续表2

在原始地幔为标准化的微量元素比值蛛网图[26]上(图5b)，样品的(Rb/Yb)N比值>1，曲线呈双隆起右倾的型式，其中富集大离子亲石元素K、Ba、Sr，亏损高场强元素Nb、Zr。

图5 球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a) [25]和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)[26]Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive matle-normalized trace element spider diagrams (b) of gabbro in Xitieshan area

3.2 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

锡铁山辉长岩中的锆石呈他形及长条状自形晶体，长轴约100～350 μm，长宽比多介于(2∶ 1)～(3∶ 1)， 多具有比较明显的韵律环带及条带结构(图6)，显示为岩浆锆石特征。此外在挑选的百粒锆石样品CL图像下，仅见两粒锆石呈现核部为椭圆形边部为环带的捕获锆石。

图6 锡铁山辉长岩锆石CL图像Fig.6 CL images of zircon grains from gabbro in Xitieshan area

选取14个分析点的U含量介于(30.25～408.43)×10-6、Th含量介于(22.71～396.24)×10-6，Th/U比值介于0.59～0.98之间，均值0.8，理论上指示了锆石为岩浆成因[27-28]。锆石206Pb/238U年龄范围于531～510 Ma之间(图7a)，206Pb/238U加权平均年龄为(514.7 ± 1.1)Ma(n= 22，MSWD = 0.27)(图7b)。锡铁山辉长岩U-Pb测年结果见表3。近年来也有研究表明，同成因锆石具有不同的Th、U含量及Th/U比值,但有些变质过程中形成的锆石不仅可能具有振荡环带，而且其 Th/U比值也有可能较高(>0.7)[29],而不同于以往通过对锆石Th/U比值的划分来区分锆石的成因。由于该辉长岩锆石年龄值较集中，谐和较好，基本可反映为岩石的形成年龄，属中寒武世。

图7 锡铁山辉长岩锆石U--Pb年龄谐和年龄(a)和加权平均年龄(b)Fig.7 Diagrams of zircon U--Pb concordia age(a) and weighted mean age (b) of gabbro in Xitieshan area

表3 锡铁山辉长岩锆石LA--ICP--MS U--Pb测年结果Table 3 LA--ICP--MS zircon U--Pb dating results of gabbro in Xitieshan area

3.3 锆石Lu-Hf同位素

在锆石测年基础上，开展了锆石中的Hf同位素分析(表4)。锆石中176Lu/177Hf=0.000 378～0.000 895， 表示锆石在形成后Hf呈低放射成因累积， 同时有较低的比值，结合地质背景考虑可能与浅变质作用有关， 例如某些矿物重结晶。 测得176Hf/177Hf=0.282 570～0.282 67， 均值为0.282 615， 结合辉长岩锆石U-Pb年龄计算得出Hf同位素εHf(t)值为4.0～7.7，单阶段模式年龄(TDM1)为950～812 Ma，均值为891 Ma，二阶段模式年龄(TDM2)为1 221～991 Ma，均值为1 123 Ma。

表4 锡铁山辉长岩锆石Lu--Hf同位素分析结果Table 4 Zircon Lu--Hf isotopic compositions for gabbro in Xitieshan area

4 讨论

4.1 岩石成因及岩浆源区

岩石地球化学特征上，锡铁山矿区辉长岩贫碱、富铝、贫钾、富钠、富钙，富集大离子亲石元素K、Ba、Sr，亏损高场强元素Nb、Zr。不相容元素具相近的分配系数而不受分离结晶作用影响，且当幔源物质在部分熔融过程时只产生微小的变化，因此常用来指示源区特征[30]。

锡铁山辉长岩的Th/La比为(0.036～0.063),均值为0.054,原始地幔和大陆壳的均值分别是0.125、0.204[31]，接近地幔值而明显低于大陆壳的均值；La/Sm比为(2.314～2.665)，均值为2.530，与受地壳物质混染的幔源岩浆值近一致(受到岩石圈地幔混染后La/Sm > 25，受地壳物质混染La/Sm > 5[32])。Nb/La比值为(0.521～0.926)，均值为0.705，来自软流圈的玄武岩质岩浆的比值较高,通常>1,而来自岩石圈的比值相对较低，一般<0.5[33]，反映岩浆源区主要为岩石圈地幔。(Th/Nb)N比值(0.33～0.90)<1又表明岩浆未受到明显地壳混染[34]。

研究岩石地球化学时Mg#数值主要跟原始岩浆的成分(源区+部分熔融程度)和岩浆演化程度有关。锡铁山辉长岩具有较高Mg#值(62～66),与原生幔源岩浆的Mg#值为(65～75)[35]相近；岩石Cr、Ni、Co、Sc和V含量分别为(70.9～77.8)×10-6、(31.5～35.4) ×10-6、(16.6～21.3)×10-6、(10.7～19.0)×10-6、(96.5～145.1)×10-6，含量均较高； Sr元素含量(499.80～551.00)×10-6，平均值为534.88×10-6，明显比原始地幔值17.8×10-6 [30]更高；上述岩石地球化学数据反映岩浆源区不仅来自于地幔，还很有可能遭受到来自围岩的混染或是由于俯冲板块产生的流体交代作用所影响[36-37]。

除火成岩微量稀土素外，锆石Hf同位素对岩浆源区性质同样可以提供制约[38-39]。辉长岩岩浆锆石εHf(t)为+4.0～+7.7,均 > 0。在T-εHf(t)图解(图8)上位于球粒陨石与亏损地幔的过渡区域，指示岩浆主要来源于亏损地幔。

图8 锡铁山辉长岩石Hf同位素锆石特征Fig.8 Zircon Hf isotopic compositions for gabbro in Xitieshan area

综上所述，该辉长岩岩浆主要来源于俯冲板块脱水及岩石圈地幔交代共同作用所形成的流体，岩浆侵位过程中可能有少量地壳物质的加入。

4.2 构造背景

锡铁山辉长岩为钙碱性系列岩石，高铝(Al2O3=21.63%～22.08%)、钾含量低(K2O = 0.34%～0.56%)、全碱含量低(Na2O + K2O = 3.01%～3.74%)的特点与典型的高铝玄武岩相似[40]。岩石Zr含量(17.7～24.22) ×10-6< 130×10-6，Zr/Y比值为2.85～4.58(总体 < 4)，具有岛弧玄武岩特征[41]；La/Nb比值(1.08～1.92)>1。

a/Yb比值(0.38～0.54)>0.2，也与活动陆缘环境钙碱性玄武岩的特征相似[26]。Zr/Nb比值(9.09～12.21)< 30，指示辉长岩不具备典型N-MORB性质[42]。岩石微量元素标准分配图并不是呈现出显著的线性特点，而是指示富集K、Ba、Sr等大离子亲石元素还有Nb、Zr等元素的亏损，尤其是Nb的亏损，暗示了这与典型大洋中脊玄武岩根本区别[43]。岩石富集大离子亲石元素K、Ba、Sr和不相容元素U，亏损高场强元素Nb、Ta、P和Ti，显示为典型的岛弧火山岩特征。在Ti-Zr构造判别图解上(图9)，样点落入火山弧和岛弧区域[44]。

图9 锡铁山辉长岩岩石成因判别图解[44]Fig.9 Tectonic discrimination diagrams for gabbro in Xitieshan area

史仁灯等在柴北缘发现了代表岛弧环境的埃达克质英安岩，其锆石U-Pb年龄为(514.2±8.5)Ma，袁桂邦等[45]在柴北缘的绿梁山地区发现了形成于岛弧环境的辉长岩(锆石U-Pb年龄为496.3 Ma)，与锡铁山辉长岩形成年龄(514.7±1.1)Ma一致，因此二者形成于同一构造背景，均为柴达木盆地北缘洋向祁连地块俯冲的岛弧环境，说明柴北缘在中寒武世已经发生了洋壳俯冲作用。由于区内缺乏同时期典型的枕状熔岩和超镁铁质岩体的证据，未能确定该辉长岩是否为蛇绿岩的组成部分，需要进一步工作。

5 结论

(1)锡铁山铅锌矿区辉长岩锆石U-Pb年龄为(514.7±1.1)Ma，岩石地球化学特征表现为高铝的中钾钙碱性系列，岩石中富含大离子亲石元素K、Ba、Sr与不相容元素U,并且高场强元素Nb、Ta和P和Ti较为亏损，具有典型岛弧岩浆岩特征。

(2)岩石锆石Hf同位素εHf(t)为4.1～7.67，单阶段模式年龄(TDM1)为950～812 Ma，岩浆源区为亏损地幔。

(3)锡铁山辉长岩形成于柴达木洋壳向祁连地块俯冲的岛弧环境，表明柴北缘在中寒武世已经发生了洋壳俯冲作用。