中祁连西段肃北白石头沟辉长岩年代学、地球化学特征及地质意义

杨国林 任文秀 李军 王文佳 丁仨平 梁明宏

摘   要：为厘清白石头沟辉长岩体形成时代、成因及構造环境，对该岩体开展LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年和地球化学特征分析。结果显示，岩体锆石206Pb/238U同位素加权平均年龄为（300.8±3.5） Ma，时代为晚石炭世。肃北地区白石头沟辉长岩之锆石在CL图像呈条痕状吸收，Th/U比值较高，为0.30～2.97，为典型岩浆成因锆石。辉长岩具较低的SiO2含量（48.01%～49.32%）、较高的Al2O3（16.90%～17.42%）和CaO含量（8.19%～9.71%）;稀土总量较高，∑REE=129.77×10-6～145.53×10-6，具弱的Eu负异常，δEu=0.79，LREE/HREE=6.25～8.03，轻重稀土元素分馏相对明显，（La/Yb）N=9.36～12.55，稀土元素分布模式呈右倾型。在微量元素蛛网图上，相对富集大离子亲石元素（LILE）Rb，Ba，Sr，亏损高场强元素（HFSE）Th，Nb，Ta，Ce，Zr，Hf。结合区域构造演化历史，表明肃北地区晚石炭世辉长岩体可能形成于板内伸展构造环境。

关键词：中祁连;肃北;辉长岩;SHRIMP锆石U-Pb定年;晚石炭世

中亚造山带位于华北板块与西伯利亚板块之间，是当今地质学研究的热点区域之一[1-7]。祁连造山带处于中亚造山带南侧，在大地构造上位于秦-祁-昆三岔裂谷系交汇部位[8]。由于特殊的构造位置，研究该区岩浆作用对认识祁连造山带、中亚造山带和中国板块构造及演化历史具重要意义[4，9]。祁连山造山带位于阿拉善地块与柴达木板块之间[10-11]，由北往南依次划分为北祁连、中祁连和南祁连等3个构造单元。前人对北祁连基性火山岩、中祁连东段早古生代基性火山岩及早古生代闪长岩研究较多[8，11-16-18]，对中祁连西段晚古生代基性火山岩研究相对薄弱。本文通过对中祁西段肃北地区白石头沟辉长岩SHRIMP锆石U-Pb年代学、地球化学特征的研究，结合前人研究成果，讨论该岩体形成时的构造环境，为探讨中祁连山大地构造演化及地球动力学机制研究提供新证据。

1  区域地质背景

祁连山造山带是研究大陆造山带古构造体制、动力学和造山作用过程的理想场所[17]。北祁连造山带为加里东期增生造山带（图1），该造山带经历了早古生代俯冲消减、陆-陆碰撞及晚古生代以来的陆内汇聚等阶段[4，17，19-22]，北祁连洋壳向南俯冲最终消亡于中祁连和欧龙布鲁克隆起区之下[23]，发育有蛇绿岩残片、高压变质岩、中酸性侵入岩和岛弧火山岩、磨拉石建造和复理石建造等，至石炭纪祁连山造山运动完全终止，地壳相对稳定，火山活动减弱[4，17，19-22]。白石头沟辉长岩体位于肃北地区南东20 km处（图1），构造上处于阿尔金主断裂南侧，属中祁连山地块西段[11]。区内出露党河群、敦煌群和多若诺尔群组成的元古代变质结晶基底岩系，寒武系浅变质灰岩、碎屑岩及火山岩等覆盖于其上，石炭系为灰黑色页岩、砂岩、灰岩夹薄煤层[11]。

2  岩相学特征

辉长岩呈半自形粒状结构，块状构造。主要由斜长石（55%～57%）、角闪石（35%～37%）、石英（3%～5%）、辉石（1%～5%）和黑云母等组成（图2）。斜长石呈半自形-自形板柱状，无色，表面较脏，可见聚片双晶，少量长石表面发生绢云母化。角闪石呈柱状、粒状，横切面见两组闪石解理。角闪石颗粒边缘较破碎，多呈撕裂状，伴随有金属矿物的析出，沿解理部分发生阳起石化和绿泥石化。石英呈他形粒状，无色，表明较干净，沿长石和角闪石间分布。辉石呈自形-半自形短柱状。黑云母微量，呈片状，红褐色，局部析出铁质，可见绿泥石化。

3  样品采集和测试方法

在白石头沟辉长岩体中采集岩石地球化学样品4件，同位素测年样品1件，采样点地理坐标为： E95°15′28′′，N39°20′34′′。锆石分选在西安地质调查中心实验室进行，将原岩样品破碎至100 μm，采用磁法和重液进行分选，在双目显微镜下手工挑选，据宋彪等论述方法制作靶区[24]。本文锆石阴极发光（CL）图像在西安地质调查中心实验室电子显微镜专业实验室扫描电镜上完成。锆石U-Pb定年在西安地质调查中心实验室完成，使用分析仪器为激光等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）。数据处理、年龄计算和绘图采用ISOPLOT程序[25]。主量元素在长安大学成矿作用及动力学实验室分析完成，采用X荧光光谱（XRF）方法测试，测试精度在1%之内。微量和稀土元素在国土资源部武汉矿产资源监督检测中心分析测试完成。测试时室内温度20°C，相对温度35°C，仪器型号为ELEMENT等离子体质谱分析仪。

4  LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果

BS01样品锆石颗粒大小不一，呈长柱状自形-半自形，少量为它形。锆石长宽比为1.2∶1～2.1∶1，CL图像显示（图3），锆石成分大多不均匀，具不规则振荡环带结构，部分显示核-边结构。对24个点的LA-ICP-MS进行定年分析，结果见表1。辉长岩样品BS01的23个锆石颗粒中（剔除测点号20异常值343.6），所有数据点均落在谐和线上及附近（图4）。206Pb/238U年龄集中于288.2～321 Ma，206Pb/238U加权平均值为（300.8±3.5） Ma（MSWD=2.4），代表岩浆结晶年龄。

5  岩石地球化学特征

选取新鲜岩石样品进行主、微量和稀土元素测量分析，结果见表2。

5.1  主量元素

晚石炭世辉长岩样品SiO2含量较低，为48.01%～49.32%，平均48.61%，属基性岩范围;Al2O3含量较高，为16.90%～17.42%，平均17.16%;Na2O含量较低，平均2.93%;K2O含量较高，平均1.16%;全碱（Na2O+K2O）含量较高，为3.72%～4.70%，平均4.09%;CaO含量较高，为8.19%～9.71%，平均8.97%;TiO2含量较低，为1.22%～1.45%，平均1.38%;TFeO含量较高，为9.72%～10.71%，平均10.34%，呈富铁特征;Mg#值较低，为35.46～37.53，平均36.39。岩体在TAS图解中落入辉长岩范围，为亚碱性系列基性岩。里特曼指数σ=1.46<3.3（图5-a），在AFM图解中落入钙碱性玄武岩系列（图5-b）。与中国辉长岩类平均值相比[26]，Al2O3含量偏高，TiO2含量偏低，P2O5含量略低。MgO含量与Na2O+K2O含量呈负相关，表明有斜长石结晶堆积[27]。

5.2  稀土元素

白石头沟辉长岩体稀土元素含量及特征值显示（表2）： 稀土总量较高，∑REE=129.77×10-6～145.53×10-6，平均139.07×10-6，高于N-MORB的39.11×10-6;LREE/HREE=6.25～8.03，平均7.24，说明轻稀土明显富集，重稀土亏损;（La/Yb）N=9.36～12.55，平均10.05，说明轻、稀土分馏明显。白石头沟辉长岩体球粒陨石标准化分布型式图中（图6-a）， 曲线总体呈轻稀土富集的右倾型特征。样品模式曲线大致平行，显示同源演化特征[28]。样品具Eu弱的负异常，δEu=0.79，Ce几乎无异常，δCe=1.04。

5.3  微量元素

从表2可见，白石头沟辉长岩体微量元素含量变化较大。原始地幔标准化蛛网图中（图6-b），白石头沟辉长岩体总体呈右倾[28]。大离子亲石元素（LILE）Rb，Ba，Sr等相对富集，高场强元素（HFSE）Th，Nb，Ta，Ce，Zr，Hf等相对亏损。Nb，Ta的亏损可能与地壳物质混染有关[30]。Th/Ta比值为0.43～3.96，平均2.29，比原始地幔Th/Ta比值（2.2）略高[31]，说明与地壳物质混染有关。

6  讨论

6.1  岩体成岩时代

1976年甘肃省地质局在1∶20万肃北幅地质图区域调查报告中1，将白石头沟附近元古代基底岩系中的侵入岩，划为早古生代岩浆岩。毛景文等获得北祁连山西段寒山金矿床石英流体包裹体同位素等时线年龄（303±10） Ma[32]。白石头沟辉长岩体锆石以自形柱状为主，具较好的生长环带或扇形分带，Th/U=0.30～2.97，平均1.57，为典型岩浆成因锆石[33-37]。利用LA-ICP-MS锆石获得白石头沟岩浆侵位时代为（300.8±3.5） Ma，为晚石炭世，属华力西期岩浆岩。晚古生代（300.8±3.5） Ma辉长岩在中祁连西段肃北白石头沟为首次报道。

6.2  源岩和构造环境分析

白石头沟辉长岩固结指数平均值SI=28，相对较高，说明其结晶分离程度低。其样品具Eu弱負异常，δEu=0.79，说明斜长石结晶分离作用不显著，可能是由于辉长岩发生混染所致。地壳La/Nb值（2.2）比原始地幔La/Nb值（0.98～1）高。据La/Nb值可判断地幔物质是否受到陆壳的混染[38]，当前样品La/Nb值为1.98（1.60～2.31），非常接近地壳，说明地壳混染程度较高。在Rb/Nb-Rb/Zr图解中（图7-a），辉长岩体具平行于部分熔融演化趋势，在Cr–Rb图解中（图7-b），样品呈近似平行部分熔融演化趋势，说明白石头沟辉长岩可能是幔源物质部分熔融产物[39-40]。稀土等分布图显示，成岩过程中有较多地壳成分混染（图6-a），表明岩浆在上升侵位过程中受到地壳混染作用。

轻稀土明显富集，（La/Yb）N=9.36～12.55，平均10.05，大离子亲石元素（LILE）Rb，Ba，Sr等相对富集，高场强元素（HFSE）Th，Nb，Ta，Ce，Zr，Hf等相对亏损，与板内幔源岩浆作用产物一致[27，41-42]。在TiO2-K2O-P2O5图解上，白石头沟辉长岩4件样品均投在大陆玄武岩区（图8-a），指示辉长岩产出于板内环境[42-43];在2Nb-Zr/4-Y图解中，该岩体2件样品投在E-MORB，另2件样品投在板内碱性玄武岩或板内拉斑玄武岩向E-MORB过渡区域（图8-b）[44]。白石头沟辉长岩Ta/Hf=0.34、Th/Ta=2.29、Nb/Zr=0.17、Th/Nb=0.13和La/Nb=1.95，推测该辉长岩形成于大陆板内环境或大陆裂谷环境[42，45-46]。在Ta/Hf-Th/Hf微量元素构造判别图解中（图9-a）[46]，白石头沟辉长岩3件样品主要投在大陆板内初始裂谷区;在Nb/Zr-Th/Zr构造判别图解中（图9-b）[47]，白石头沟辉长岩2件样品投在大陆板内玄武岩区，说明白石头沟辉长岩可能形成于板内伸展构造环境。

6.3  地质意义

本文获得中祁西段肃北地区白石头沟辉长岩SHRIMP锆石U-Pb同位素年龄为（300.8±3.5） Ma，结合区域地质背景及构造环境判别图解，认为该岩体产出于板内伸展构造环境。从Rodinia超大陆裂谷化和裂解开始，经早古生代大洋打开和扩张形成北祁连洋，北祁连洋向南俯冲形成弧后拉伸和洋盆闭合，直至弧-陆碰撞和陆-陆碰撞，形成祁连山构造演化[4]。至石炭纪时，祁连山造山运动完全终止，地壳相对稳定[4，17，19-22]。

7  结论

（1） 甘肃肃北地区白石头沟辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为（300.8±3.5） Ma，表明其侵位时代为晚石炭世，属华力西期。

（2） 肃北地区白石头沟辉长岩呈亚碱性，属钙碱性岩石系列，SiO2含量较低、Al2O3和CaO含量较高，结合相对富集大离子亲石元素Rb，Ba，Sr，亏损高场强元素Th，Nb，Ta，Ce，Zr，Hf，说明岩浆上升侵位过程中受到地壳混染作用。

（3） 晚石炭世期间，肃北地区白石头沟辉长岩可能形成于板内伸展构造环境。

致谢： 感谢中国矿业大学资源与地球科学学院陈军林博士在论文撰写方面提供的指导与帮助。感谢匿名审稿人给予本文宝贵的修改意见与建议。

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Chronology and Geochemistry of Gabbro in Baishitougou area，the Western Segment of Central Qilian and Its Geological Implications

Yang Guolin1，Ren Wenxiu2，Li Jun3，Wang Wenjia2，Ding Sanping2，Liang Minghong2

（1.BaiLie School of Petroleum Engineering， Lanzhou City University， Lanzhou， Gansu，730070， China; 2.Gansu Geological Survey Institute， Lanzhou， Gansu， 730000， China; 3.College of Geography and Environmental

Engineering， Lanzhou City University， Lanzhou，Gansu，730070， China）

Abstract： In order to clarify the formation age， genesis and tectonic setting of the Baishitougou gabbro， LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic dating and geochemical characteristics were analyzed. The results show that the zircon 206Pb/238U isotope-weighted mean age is 300.8±3.5Ma， which is at the turn of the Late Carboniferous. The selected zircons of pluton exhibit striped absorption in cathodoluminescence （CL） images， and have high Th/U ratios （0.30～2.97）， implying a magmatic origin. Gabbro in Baishitougou， Subei area has low content of SiO2 （48.01%～49.32%）， high content of Al2O3 （16.90%～17.42%） and CaO （8.19%～9.71%）. And have high REE （∑REE=129.77×10-6～145.53×10-6）， with slightly Eu anomalies （δEu=0.79）， LREE/HREE=6.25～8.03， enrichment in LREE and relatively depletion in HREE [（La/Yb）N=9.36～12.55]. The rare earth element distribution patterns display as right-leaning. The trace element spider diagrams showed that they are enriched in LILE （Rb， Ba and Sr）， moderately depleted of HFSE （Th， Nb， Ta， Ce， Zr and Hf）. Combining with the tectonic implications， the Late Carboniferous gabbro was formed in intraplate extensional tectonic setting.

Key words：Central Qilian block;Subei;Gabbro;SHRIMP zircon U–Pb dating;Late Carboniferous