甘肃龙首山西山头窑地区中酸性岩体年代学、地球化学特征及构造意义

董国强，余君鹏，李通国，刘涛，张炜

（甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000）

阿拉善地块南缘龙首山西段石炭—二叠纪岩浆活动由于所处构造空间的特殊性（位于祁连洋造山带与中亚造山带之间）及形成时间的特殊性（叠加在早期加里东活动陆缘带之上）[1-7]，是受控于南侧的祁连造山作用还是与北侧的中亚造山带构造演化相关，归属和形成机制目前仍然存在争论。研究表明，龙首山岩浆-构造带早古生代为活动大陆边缘，其上发育加里东期岩浆岩[1,4,5]，晚志留—早泥盆世随着祁连洋的闭合，中祁连岛弧地体与阿拉善陆块发生碰撞，在该区形成后碰撞花岗岩[5,6,8-11]；目前主流认识认为晚古生代阿拉善中北部石炭—二叠纪花岗岩受中亚洲洋控制[6,11-13,]，但对分布于阿拉善南缘龙首山构造带的石炭纪—二叠纪花岗岩的性质及归属则有不同认识，主要表现在（1）它们是否继承晚志留—早泥盆世花岗岩特点，与其一脉相承，具后碰撞花岗岩特点[1]；（2）它们是否与祁连后造山作用关系不大，而是受北侧古亚洲洋俯冲碰撞作用影响，与阿拉善陆块腹部霍尔森-查干楚鲁西端弧后洋盆的扩张、俯冲及闭合过程相关[7,11,13]。针对这一问题，本文选择龙首山陆缘带西段的山头窑岩体作为研究对象，对其岩相学、年代学、地球化学等方面进行了综合研究，这对本区地质构造演化及找矿方向有着十分重要的理论与实践意义。不同构造环境的岩浆岩具有不同的同位素、岩石组合和元素地球化学特征，蕴含着其岩浆源区、成岩过程等重要信息，是大陆形成演化的标志物，是了解地球深部信息的有效探针[14]。本次研究的目的就是为解决本区在上述两方面问题提供岩石学依据。

1 地质背景

研究区位于华北板块西南阿拉善陆块南部龙首山陆缘带西段[1]，其北为阿拉善陆块陆缘岩浆弧，南为北祁连加里东褶皱带河西走廊过渡带（图1-b）。阿拉善陆块北侧的恩格尔乌苏断裂带代表了古亚洲洋闭合的位置，南部的巴丹吉林断裂带被认为是霍尔森-查干楚鲁弧后盆地闭合的位置，两断裂带之间为宗乃山-沙拉扎山构造带，巴丹吉林断裂南部的雅布赖-巴音诺尔公-红古尔玉林构造带分别发育一条晚二叠世和石炭纪—早二叠世火山-侵入岩带，研究区处于其西南部。由于阿拉善陆块长期隆起而缺少沉积记录[15]，曾被称作“地盾”[16]，而该区所研究的岩体多侵入于前寒武纪地层中，为其形成时代的确定增加了的难度。

图1 研究区大地构造位置（a）及地质简图（b）Fig.1 Tectonic location and Geological sketch of the study

区内构造极为复杂，逆冲构造和伸展构造相互叠加，次级构造发育，总体构造为NWW 向，在红柳园一带发育近NW 向构造，主要为一系列线状紧闭褶皱和逆冲断层，电磁测深和重磁测量发现，龙首山边缘断裂为一向南逆冲的推覆构造。出露岩石为晚太古—早元古代龙首山岩群绿片岩相-角闪岩相变质岩，侏罗纪龙凤山组陆源碎屑岩局部夹薄煤层，南部大面积产出白垩纪庙沟组紫红色、砖红色砂岩、泥岩及古近系白杨河组砖红色砾岩、含砾砂岩、砂岩和石膏层（图1-a）。

研究区侵入岩极为发育，出露面积较大，主体为华力西期大规模中酸性侵入体，具多期多次演化特征，多呈NWW向、近EW 向分布。主要分3个期次侵入，依次为白岗岩、石英闪长岩及二长花岗岩等，总面积超过120 km2，但大部分被风砂所覆盖。石英闪长岩出露面积最大，次为二长花岗岩及白岗岩，另有少量辉长岩、闪长岩及伟晶岩脉。白岗岩仅在山头窑地区出露，面积约4 km2，，多见石英闪长岩岩枝侵入，与石英闪长岩呈脉动接触，二者界线较为清晰，岩石裂隙中见钼矿化；石英闪长岩分布最广泛，面积大于102 km2，呈巨型岩基产出，分布于山头窑-红柳园一带，由于受第三期次侵入的二长花岗岩混染，部分岩石具明显的钾交代，与二长花岗岩呈“涌动”接触关系，该期岩石中见铜钼矿；二长花岗岩沿NWW 向呈岩枝、岩株，个别呈较小岩基产出，且多分布于负地形处，岩石风化强烈，局部沿第二期次侵入体裂隙呈脉状展出（图1-b）。

山头窑岩体可见明显的磁异常及铜钼金等地球化学异常，钻探及槽探也发现了钼铜矿化，阿拉善地块东北部也发现了斑岩型钼矿[17]。研究区及附近岩浆侵入活动与构造运动序次及矿产有较明显的依存关系，为近年来地质找矿工作的重点区域。

2 岩体地质及岩相学特征

华力西期侵入岩在研究区分布广、规模较大，主要分为3个期次侵入，现将其主要特征分述如下：

第一侵入期次白岗岩呈灰白色，具花岗结构，块状构造，主体由浅色矿物组成，暗色矿物含量很少（图2-a，b），主要组成为：斜长石含量55%～60%，柱粒状，粒径为0.5～3.0 mm；石英含量35%～40%，粒状，粒径为0.05～1.0 mm；钾长石含量0～5%，条纹状，长径为0.01～0.1 mm，与斜长石混杂为一体，呈条纹长石，具粘土化现象。

图2 山头窑岩浆岩岩相学特征Fig.2 Petrographic characteristics of the magmatic rocks in the Shantouyao area

第二侵入期次石英闪长岩呈半自形粒状结构，块状构造，由石英、黑云母、角闪石和斜长石组成，后三者总含量约90%（图2-c，d）。石英呈不规则粒状，粒径为0.03～0.78 mm，分布在长石颗粒间，或呈筛状包裹于角闪石中，含量为3%～12%；黑云母呈鳞片状集合体，粒径0.11～3.18 mm，常与角闪石交互相生，含量为20%～25%；角闪石呈不规则柱状，粒径0.10～3.05 mm，发育闪石式解理，含量约15%～20%；斜长石呈自形-半自形板状，粒径0.10～4.52 mm，发育细且密的聚片双晶和卡氏双晶，具微弱的中心蚀变现象，含量为40%～50%。偶见褐帘石等副矿物，含量约1%。

第三侵入期次二长花岗岩具半自形粒状结构，块状构造。岩石主要组成：石英，不规则粒状，粒径0.03～0.89 mm，常呈镶嵌粒状产出，并包裹次一级斜长石等矿物，含量约35%；斜长石，自形长板状，粒径0.06～1.32 mm，发育细且密的聚片双晶和卡氏双晶（图2-e，f），含量约25%；钾长石，呈半自形-他形板状，粒径变化范围较大，常包裹次一级云母和石英等矿物，含量为20%～30%；黑云母，呈鳞片状集合体，粒径0.03～0.88 mm，发育一组极完全解理，含量10%～15%。除石英新鲜外，斜长石和黑云母均发生明显次生变化，以黑云母绿泥石化和斜长石粘土化表现最为强烈。

3 锆石U-Pb测年

在研究区白岗岩、石英闪长岩、二长花岗岩三期次侵入体中采集锆石U-Pb 同位素测年样品，其中白岗岩采集样品1 件，石英闪长岩采集样品2件，二长花岗岩采集样品1 件。由武汉上谱分析科技有限责任公司测试，锆石U-Pb年龄分析设备为安捷伦电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7 700)和相干193 nm准分子激光剥蚀系统(GeoLas-Pro)，激光能量80 mJ,频率5 Hz，激光束斑直径32 μm。测试锆石颗粒以自形-半自形柱状晶体为主，锆石颗粒具清晰韵律环带结构(图3)。

图3 山头窑岩浆岩锆石CL图像Fig.3 CL images of zircon for the magmatic rocks in the Shantouyao area

白岗岩中锆石在透射光下呈无色透明状，外形多为长柱状，少为短柱状，颗粒较小，粒径100～170 μm，长宽比为2∶1～3∶1，U/Th 值为0.81～2.18，比值跨度较大，平均值1.58。白岗岩测试点位25个，有效点位22 个，共获得22 个测点的可靠年龄，全部测点均投影于谐和线上或谐和线附近（图4-a），这些测点的206Pb/238U加权平均年龄为（304.3±2.2）Ma，为石炭纪晚期。

石英闪长岩在研究区出露范围大，东西绵延约20 km，两样品相距约8 km，具代表性。石英闪长岩两样品U/Th 值为1.17～1.73，数值较集中，平均1.46，锆石在透射光下呈无色透明状，样品PM801TW1外形多短柱状，颗粒较大，粒径200～300 μm，长宽比约1∶1 者居多，采集点位25 个，共获得25 个测点可靠年龄，全部测点均投影于谐和线上或附近（图4-b），这些测点的206Pb/238U 加权平均年龄为（285.2±1.6）Ma；样品YTW01 外形为长柱状或短柱状，粒径100～300 μm，长宽比为1∶1～3∶1，样品采集点位20 个，共获得20 个测点的可靠年龄，全部测点均投影于谐和线上或附近（图4-c），这些测点的206Pb/238U加权平均年龄为（287.5±2.4）Ma。由此可见，本区石英闪长岩为二叠纪早期侵入体。

二长花岗岩中锆石在透射光下呈无色透明状，外形多为长柱状或短柱状，颗粒较小，粒径100～200 μm，长宽比为1∶1～2∶1，U/Th 值为0.5～1.50，平均1.19，明显小于白岗岩和石英闪长岩。二长花岗岩测试点位20 点，共获得20 个测点的可靠年龄，全部测点均投影于谐和线上或谐和线附近（图4-d），这些测点的206Pb/238U 加权平均年龄为（281.1±0.88）Ma，为二叠纪早期。

图4 山头窑岩浆岩锆石U-Pb谐和年龄图Fig.4 Concordia diagram and weighted average ages of the zircons U-Pb date for the magmatic rocks in the Shantouyao area

4 地球化学特征

4.1 主量元素特征

龙首山西山头窑地区华力西期3个期次侵入体白岗岩体、石英闪长岩体及二长花岗岩体主量元素分析结果见表1。白岗岩铝饱和系数ASI（Al2O3/（CaO+Na2O+K2O））为1.09～1.46，为强过铝质花岗岩，石英闪长岩ASI 为0.94～0.99，数据较集中，均小于等于1.0，为偏铝质花岗岩，二长花岗岩ASI 为1.03、大于等于1.0，为过铝质花岗岩；从SiO2-(K2O+Na2O-CaO)图解中可看出（图5-a），白岗岩落入钙性-钙碱性区域，总体处于钙碱性区域，石英闪长岩落于钙性-钙碱性分界线上，二长花岗岩落入钙碱性-碱钙性区域内。白岗岩、石英闪长岩全碱含量（K2O+Na2O）为5.3%～7.12%，含量较低，二长花岗岩为7.94%、9.51%，且K2O 含量4.60%、7.10%，相对较高，显示具“A”型花岗岩特征，由于该二长花岗岩10 000 Ga/Al、(Na2O+K2O)/CaO 和Zr+Nb+Ce+Y 均较低，故不是典型“A”型花岗岩，只有一个样品落入“A”型花岗岩区域（图5-b），二长花岗岩应为“I”型-“A”型过渡的岩石类型；白岗岩、石英闪长岩K2O/Na2O较低，为0.21～0.94，二长花岗岩为1.38～2.95，明显二长花岗岩更偏碱性。组合指数（σ）为0.90～2.77，具中-强钙碱性岩系特征，但总体数据明显三分，白岗岩为0.90～1.68，石英闪长岩为1.60～2.01，二长花岗岩为2.13～2.77。固结指数也明显3分（表1），白岗岩为7.78～10.74，石英闪长岩为11.73～16.15，二长花岗为1.63～5.31，白岗岩、二长花岗岩分异程度更高，特别是二长花岗岩，具较贫MgO（0.17%、0.6%），为高分异花岗岩。

表1 山头窑岩浆岩主量元素分析结果Table 1 Contents of major elements for the igneous in the Shantouyao area 单位：%

图5 山头窑岩浆岩地化学图解Fig.5 Discrimination of the magmatic rocks in the shantouyao area

4.2 微量元素特征

样品微量元素分析结果见表2，从微量元素蛛网图中可看出（图6-a），各类样品分布曲线型式趋于一致，显示同源特征，总体呈右倾，岩石相对富集Rb，Ba，Th，K 等大离子亲石元素，相对亏损Ta，Nb，P，Zr，Hf，Ti等高场强元素。Nb 明显负异常，指示出活动大陆边缘花岗岩的特征，Nb，Ta负异常和Zr，Hf正异常同时出现，表明地壳物质参与了岩浆过程。白岗岩、石英闪长岩Rb/Sr比值（0.07～0.32）较低，Sr/Ba为0.45～2.23，Sr/Ba＞Rb/Sr，具幔源花岗岩特征，二长花岗岩侵入体Rb）/ Sr 为3.35、0.59，比值相对较高，Sr/Ba 为1.02、0.44，Sr/Ba＜Rb/Sr，具壳源花岗岩特征[18]。

图6 山头窑岩浆岩微量元素蛛网图（a）及稀土元素分布模式图（b）Fig.6 Primitive-mantle normalized trace element patterns(a)and Chondrite-normalized Ree patterns(b)of magmatic rocks in the Shantouyao area

表2 山头窑岩浆岩微量元素分析结果表Table 2 Trace elements of the magmatic rocks in the Shantouyao area 单位：×10-6

稀土元素分析结果见表3。从稀土元素分布曲线图中可看出，除白岗岩样品TCS2102为陡倾斜，轻稀土明显富集，其余样品均呈缓的右倾斜，LREE/HREE 3.26～23.51，轻稀土较富集，重稀土亏损；白岗岩δEu为0.6～1.78，兼具明显正、负铕异常，石英闪长岩δEu为0.91～1.16，铕异常不明显，二长花岗岩具较明显的负铕异常。岩石均无铈异常，ΣREE（30.56～111.95）总体不高；(La/Sm)N为1.50～5.99，轻稀土分馏作用较强，(Gd:Yb)N为0.58～3.05，重稀土之间分馏不明显。

表3 山头窑岩浆岩稀土元素分析结果表Table 3 Rare earth elements of the magmatic rocks in the Shantouyao area 单位：×10-6

4.3 白岗岩Sr-Nd同位素

对白岗岩样品TCS2102进行全岩Rb-Sr和Sm-Nd同位素分析（表4），研究区87Sr/86Sr初始值为0.712 568，143Nd/144Nd初始值为0.512 205，ISr为0.708 6，INd为0.512 0。其值高于全球幔源镁铁质岩石Sr同位素的平均值0.703 50，低于壳源硅铝质岩Sr 同位素平均值0.720[19]，受幔源物质混染的花岗岩初始比值为0.706～0.719[17]，表明本区白岗岩为幔源Sr 和壳源Sr 的混合物，为“壳幔混合”来源的产物；εNd(t)为-4.899 225，具壳源成因，但有幔源物质加入。总体认为研究区白岗岩为“壳幔混合”来源的产物。

表4 山头窑白岗岩（TCS2102）Rb-Sr、Sm-Nd同位素组成Table 4 Rb-Sr and Sm-Nd isotopic compositions of the Alaskite（TCS2102）in the Shantouyao area

4.4 构造环境的判别

二长化岗岩具“A”型花岗岩特征，但并非典型“A”型花岗岩，为“I”型-“A”型过渡的岩石类型。从Nb-Y-3Ga 图解中可看出（图7-a），样品落入“A2”造山后“A”型花岗岩区域。从Rb-(Yb+Ta)判别图解中可看出（图7-b），白岗岩、石英闪长岩落入火山弧花岗岩区域，二长花岗岩落入同碰撞花岗岩区域，但靠近syn-CLOG、VAG、WPG 三者交汇部位，具后造山花岗岩特征，从R1-R2构造环境判别图解中可看出（图7-c），白岗岩样品主体落入同撞花岗岩类及边缘，石英闪长岩投于板块碰撞前花岗岩中，二长花岗岩处于同碰撞-造山晚期花岗岩区域。从SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)判别图解中可看出（图7-d），白岗岩、石英闪长岩完全落入IAG+CAG+CCG 区域，而二长花岗岩完全落入POG后造山花岗岩类区域，与Nb-Y-3Ga图解结果相同。

图7 山头窑岩浆岩成岩环境判别图解Fig.7 Diagenetic setting discrimination of of the magmatic rocks in the Shantouyao area

研究区岩浆岩Y含量比较低，重稀土不富集，可排除洋脊花岗岩特征，Nb，Ta含量较低，未显示具板内花岗岩特征。白岗岩、石英闪长岩具钙-钙碱性，可能为岛弧岩浆活动产物，二长花岗岩为高钾、钙碱性-碱钙性，为后造山花岗岩。

5 讨论

前述表明，本区白岗岩（～304.3 Ma）、石英闪长岩（～285.2 Ma）为钙性-钙碱性过渡，具岛弧花岗岩类的成岩大地构造环境特点，Nb 明显负异常，暗示了地壳物质参与了岩浆过程，Sr/Ba＞Rb/Sr，反映岩体在形成过程中有幔源物质加入，白岗岩Rb-Sr 和Sm-Nd 同位素表现其为“壳幔混合”成因，具板块碰撞花岗岩特征，这些特点反映了白岗岩、石英闪长岩可能来源于俯冲板片的熔融作用。张伟等认为阿拉善南西缘302 Ma 的石英闪长岩为埃达克岩[7]，肯定了本区石炭纪晚期岛弧-弧后盆地环境的存在，从而否定了其为后造山作用产物的观点，表明该区岩浆岩与北侧中亚洲洋俯冲带有明显的空间联系，岩体分布于霍尔森-查干楚鲁弧后盆地范围，距恩格尔乌苏俯冲带不足50 km，而与祁连造山带南侧新的俯冲带相距约数百公里；另外，祁连造山带晚古生代中酸性岩浆岩主要分布于南祁连造山带，它与柴达木陆块南侧的洋壳俯冲作用有关[20]，且中祁连、北祁连及河西走廊缺少同期岩浆活动。因此，本区晚古生代岩浆作用与其缺乏空间上的联系，应与北侧的中亚洲洋活动有关，再考虑到该区中酸性岩石所携载的俯冲作用信息，故不应将其与地幔柱活动联系[21]。

区域研究表明，显生宙以来阿拉善陆块处于“活化”阶段，块断作用和各类岩浆侵入活动异常发育，以晚古生代最为强烈[22]。阿拉善地块发育2条火山-侵入岩带；一条为宗乃山-沙拉扎山晚二叠世火山-侵入岩带；另一条为雅布赖-巴音诺尔公-红古尔玉林晚石炭—早二叠世碰撞型火山-侵入岩带，二者分别对应于恩格尔乌苏北蒙古洋壳（中亚洲洋中国部分）和霍尔森-查干楚鲁洋壳俯冲消减作用[23]。恩格尔乌苏蛇绿岩混杂带通常被认为是塔里木板块与华北板块拼合的位置[24]，以南的沉积建造具弧后盆地特征。前人研究结果表明，与查干楚鲁弧后盆地消失过程有关的岩体分布在雅布赖-巴音诺尔公大陆边缘及以南（图1-a），其成岩年龄集中于（304.5±2.8）～（284.0±1.8）Ma 之间，岩浆侵入具多阶段多次侵入特征[25,26]。成岩环境主要为俯冲挤压环境[8,12,27,28]。山头窑白岗岩、石英闪长岩位于布赖-巴音诺尔公大陆边缘西南侧，岩石特征与其主体部分相同，可推断山头窑白岗岩、石英闪长岩也形成于霍尔森-查干楚鲁弧后盆地向南侧大陆边缘俯冲挤压构造环境。

山头窑二长花岗岩（～281.2 Ma）显示为高分异的“I”型-“A”型过渡型岩石类型，高SiO2含量、过铝质、高钾、钙碱-碱钙性，具后造山花岗岩类成岩大地构造背景，Nb 明显负异常，Zr，Hf 正异常，Sr/ Ba＜Rb/Sr等地球化学特征显示了岩体在形成过程中有较多上地壳物质的加入，具壳源花岗岩特征，此类岩体形成于陆块碰撞之后地壳加厚伸展过程，岩浆源区应位于地壳[29,30]。推测其形成于雅布赖-巴音诺尔公大陆弧与宗乃山-沙拉扎山火山弧碰撞之后的伸展构造环境，而与地幔柱活动无关[21]。

研究区岩浆事件为霍尔森-查干楚鲁弧后盆地的形成与闭合提供了时间约束。霍尔森-查干楚鲁弧后盆地在晚石炭—早二叠世内完成拼合碰撞，二长花岗岩形成年龄（（281.2±1.7）Ma）可为其碰撞完成时间上限。该成果填补了查干楚鲁弧后洋盆在阿拉善地块西端闭合时限的空缺[31]。

不同构造环境形成的岩浆形成不同的成矿系统。研究区中酸性岩浆与铜钼金铀矿相关，为形成斑岩型矿床的有利地段。另外阿拉善陆块东北已发现大型钼矿，其相邻天山地区也广泛形成海西期花岗岩及相关铜金矿床，因此，该区应开展区域对比，进一步寻找斑岩型矿床。

6 结论

（1）据侵入岩接触关系特征，龙首山西山头窑地区至少有3个期次中酸性岩浆侵入。锆石U-Pb测年结果表明，研究区3次侵入的白岗岩、石英闪长岩及二长花岗岩形成时代分别为（304.3±2.2）Ma、（287.5±2.4）～（285.2±1.6）Ma、（281.2±1.7）Ma，所测定年龄数据与野外观察岩浆侵入序次一致。

（2）龙首山西山头窑地区华力西期白岗岩、石英闪长岩具火山弧花岗岩特征，二长花岗岩具后造山花岗岩特征。其岩浆事件形成于阿拉善陆块霍尔森-查干楚鲁西端弧后洋盆闭合过程中，是古亚洲洋向南俯冲的结果。