内蒙古北山地区芨芨台子-小黄山蛇绿岩构造属性及与成矿关系:来自阿民乌素地幔橄榄岩印证

2022-08-01 04:47董洪凯薛鹏远刘思林
地质与勘探 2022年4期
关键词:基性岩公婆熔融

董洪凯,薛鹏远,刘 广,刘思林,于 龙

(河北省区域地质调查院,河北廊坊 065000)

0 引言

北山造山带处于哈萨克斯坦、塔里木和西伯利亚三大板块汇聚地带,地质构造复杂。该造山带经历了震旦纪-早古生代大陆裂解-会聚的洋陆转换和晚古生代碰撞造山及其之后的板内伸展作用,在古生代构造演化过程中形成了诸多蛇绿岩带,由南向北依次为辉铜山-帐房山蛇绿岩带、红柳河-洗肠井蛇绿岩带、芨芨台子-小黄山蛇绿岩带、红石山-蓬勃山蛇绿岩带(图1)。长期以来,众多学者对北山地区板块的缝合位置、形成时代进行了诸多研究,并且对其蛇绿岩的构造属性提出了不同的观点。一些学者认为红柳河-洗肠井蛇绿岩带为塔里木板块和哈萨克斯坦板块的缝合带(何世平等,2002,2005;侯青叶等,2012;李向民等,2012;杨合群等,2012;郑荣国等,2012;胡新茁等,2015;胡醒民等,2016);一些学者认为芨芨台子-小黄山蛇绿岩带为塔里木板块和哈萨克斯坦板块的缝合带(龚全胜等,2002;左国朝等,2003)。

近年来,随着1:5万区域地质矿产调查项目的开展①~④,笔者有幸参与了红柳河-洗肠井(月牙山段)、芨芨台子-小黄山(阿民乌素段)两条蛇绿岩带的研究工作,并取得相当丰硕的研究成果。本文以最新1:5万填图资料为基础,将阿民乌素地幔橄榄岩与月牙山地幔橄榄岩进行岩石化学、地球化学对比分析,为芨芨台子-小黄山蛇绿岩构造属性提供新依据,并对阿民乌素蛇绿岩成矿潜力进行了分析研究。

图1 北山地区蛇绿岩分布简图(据杨合群等,2010)

1 地质特征

阿民乌素构造带位于测区南西部,出露规模较小,呈北西西向展布。其北西端延入邻区,南东端被全新世松散堆积物覆盖,区内出露长约22.0 km,南北宽0.5~4.5 km。该构造带由强片理化的古元古代北山岩群、奥陶-志留纪公婆泉组、中奥陶世基性岩、超基性岩、晚奥陶世、早志留世侵入岩及韧性剪切带组成(图2b)。南北两侧地质体无明显差异,如南北两侧均发育古元古代北山岩群、奥陶-志留纪公婆泉组和晚奥陶世、早志留世侵入岩,不论是岩石组合、时代归属,还是岩石化学、地球化学特征均无明显差异(刘威等,2015;徐旭明等,2017;张正平等,2017;董洪凯等,2018),说明该构造带不具分界断裂的构造特征。

阿民乌素蛇绿岩出露于该构造带内,属芨芨台子-小黄山蛇绿岩带的一部分,为出露不完整的蛇绿岩,主要岩性为辉长岩,其边部或底部为少量强蛇纹石化超基性岩(图3a),二者呈迅速过渡关系。侵入体长轴走向北西西向,与构造带走向一致,呈枝脉状侵入奥陶-志留纪公婆泉组,外接触带公婆泉组变质砂岩发育角岩化接触变质特征(图3b),显示该构造带内变质辉长岩与奥陶-志留纪公婆泉组为热侵入接触关系,未见构造接触特征。

2 岩石学特征

岩石呈深灰色,粒状结构,块状构造。岩石由蛇纹石、残留橄榄石、不透明矿物组成。蛇纹石含量95%~100%,呈粒状结构,集合体主呈橄榄石假象。橄榄石假象具方向性排列,被蛇纹石及少量透闪石交代少见残留,另见较少量透闪石、滑石、绿泥石分布于橄榄石假象之间。不透明矿物含量2%~5%,呈黑色,粒状结构,集合体多呈条纹状分布,少量充填网孔间。岩石后期被少量碳酸盐、绿泥石、阳起石交代(图3c)。经光片鉴定,不透明矿物主要由磁铁矿、镍黄铁矿组成,磁铁矿含量3%±,呈它形粒状结构,粒径一般0.01~ 0.3 mm,多呈星散状分布,有的与透明矿物混杂在一起,少量集合体沿裂纹分布。较大颗粒的磁铁矿粒内有镍黄铁矿嵌布。镍黄铁矿含量0.3%±,呈它形粒状结构,粒径一般0.02~0.1 mm,主嵌布于磁铁矿粒内与磁铁矿共生,少量呈零星状分布(图3d)。

图2 研究区构造格架简图(a)及地质简图(b)

图3 阿民乌素蛇绿岩野外地质特征及镜下特征

3 地球化学特征

3.1 主量元素特征

阿民乌素地幔橄榄岩岩石化学分析结果见表1。其SiO2=37.08%~40.53%,属于超基性岩类。镁值Mg#=89.66~90.90,显示地幔楔橄榄岩源区特征。镁铁指数MF=16.43~18.54,岩浆分离结晶作用程度较低,镁铁比值m/f=8.32~9.40,>6.5,属镁质超基性岩。分异指数DI=1.61~2.08,固结指数SI=81.12~83.19,岩浆分异程度极低。与月牙山地幔橄榄岩岩石化学参数对比,均说明两类岩石岩浆分异程度极低或未发生分异作用。

表1 阿民乌素、月牙山地幔橄榄岩岩石化学成分及特征参数一览表

续表1

3.2 稀土元素特征

阿民乌素地幔橄榄岩稀土元素含量及特征参数见表2。稀土总量ΣREE=1.33×10-6~4.41×10-6,轻重稀土之比LREE/HREE=1.63~3.68,(La/Yb)N=0.72~3.43,(La/Sm)N=1.70~6.92,(Gd/Yb)N=0.36~0.52,表明岩石轻稀土略富集,轻稀土分馏较重稀土分馏略明显。在地幔橄榄岩稀土配分模式图中(图4),阿民乌素地幔橄榄岩配分曲线呈不规则“U”型,而月牙山超基性岩配分曲线整体向左缓倾。由于HREE在俯冲过程中不受影响,所以可以较好地反映原始地幔岩的部分熔融程度。根据 Melcher et al.(2002)的原始地幔岩的分离熔融模式估算,月牙山的熔融程度集中在6%~10%之间,而阿民乌素地幔橄榄岩熔融程度集中在10%~20%之间。

表2 阿民乌素、月牙山地幔橄榄岩稀土元素含量及特征参数一览表

图4 地幔橄榄岩稀土配分模式图(据Sun and Mcdonough,1989;Melcher et al.,2002)

3.3 微量元素特征

阿民乌素地幔橄榄岩微量元素含量及特征参数见表3,其活动性元素Rb、Ba、K含量高于月牙山地幔橄榄岩和Sun and Mcdonough(1989)统计的地幔橄榄岩值。在地幔橄榄岩标准化蛛网图中(图5),阿民乌素地幔橄榄岩富集高场强元素U、Zr、Hf、Yb和大离子亲石元素Rb、Sr,亏损高场强元素Nb、Ti和大离子亲石元素Ba。与月牙山地幔橄榄岩标准化蛛网图对比,最大区别在于前者明显亏损高场强元素Ti。

表3 阿民乌素、月牙山地幔橄榄岩微量元素含量一览表

图5 地幔橄榄岩标准化微量蛛网图(据Sun and Mcdonough,1989)

4 含矿性及成矿潜力分析

4.1 含矿性

阿民乌素蛇绿岩带Ni、Cr、Co异常特征明显,辉长岩发育,其边部或底部为少量蛇纹石化橄榄岩,矿化与蛇纹石化橄榄岩关系密切。项目组共发现矿化体14条,呈不规则透镜状或枝脉状产出,长轴走向北西向或近东西向。与辉长岩为迅速过渡关系,矿化岩石为强蛇纹石化纯橄岩,主要发育磁铁矿化和镍矿化,光片鉴定可见磁铁矿粒内有镍黄铁矿嵌布或呈单晶状零星分布。通过探槽揭露,采集了28件刻槽化学样,其中TC10H27采样位置属该蛇绿岩带的下部层位,Ni含量0.20%,达边界品位,伴生Cr、Co等有益矿种,成矿类型属岩浆分异型。分析结果见表4。

表4 阿民乌素地幔橄榄岩化学样分析结果表

4.2 成矿潜力分析

前人(戈德列夫斯基,1982)按照侵入岩中MgO的含量把超基性岩浆及其结晶产物分为3类:(1)无硫化物的镁铁质岩石(≤8%);(2)含铜镍中等镁铁质岩石(8%~30%);(3)无硫化物的超镁铁质岩石(>30%)。孙小攀等(2018)、王永等(2020)的研究证实了第二类超基性岩浆具有一定的含矿性,而无硫化物的第一类和第三类岩浆铜镍矿化很弱甚至无矿化。此次研究的蛇纹石化橄榄岩(MgO=36.90%~37.44%)属于无硫化物的超基性岩,不具Cu-Ni 硫化物矿床的成矿潜力。

吴利仁(1963)、王永等(2020)研究认为:m/f值为6.5~14的超基性岩具有形成铬铁矿的潜力。本次研究的蛇纹石化橄榄岩m/f值为8.32~9.40,属于与铬铁矿有关的镁质超基性岩,并且阿民乌素蛇绿岩带Ni、Cr、Co异常特征明显,具有寻找铬铁矿的成矿潜力。

世界上大型的铬铁矿床均产在SSZ型的地幔橄榄岩中(Pearce et al.,1984b),如西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带,该蛇绿岩带具有深海地幔橄榄岩和岛弧地幔橄榄岩两者的特点,属SSZ型地幔橄榄岩(熊发挥等,2015)。该地区已探明有罗布莎大型铬铁矿床和香嘎山中型铬铁矿床。

综上分析,阿民乌素蛇绿岩带是探寻铬铁矿的有利部位,具有一定的铬铁矿成矿潜力,但形成岩浆型铜镍硫化物矿床的潜力不大。

5 形成时代

区内地幔橄榄岩出露于辉长岩下部,二者呈快速过渡接触关系,沿石板井构造带分布,侵入最新地层为奥陶-志留纪公婆泉组,后期被晚奥陶世花岗岩侵入。小黄山一带基性岩(辉长岩、辉长闪长岩)锆石U-Pb年龄分别为472±1 Ma 、472.1±4.4 Ma①。孟庆涛等(2021)在阿民乌素辉长岩中获得锆石U-Pb年龄为462.5±3.2 Ma。结合野外地质接触关系和前人同位素年龄,将其侵位时代划归中奥陶世。

6 构造环境分析

Pearce et al.(1984b)根据蛇绿岩上部火山岩形成的构造背景分为俯冲带型(SSZ)和洋中脊型(MOR)两种。Vysotsky(1992)、Dilek and Furnes(2011)根据蛇绿岩形成的物理条件分为:高压型和低压型。高压型和低压型分别是SSZ型和MOR型蛇绿岩形成的压力条件。通常情况下,高压型地幔橄榄岩熔融程度要高于低压型地幔橄榄岩。

一般认为,Ti越低,熔融残留物的熔融程度越高(Coryell et al.,1963;Rollinson,1993;Parkinson and Pearce,1998),阿民乌素地幔橄榄岩的Ti为54.19×10-6~137.97×10-6,明显低于月牙山洋中脊地幔橄榄岩的119.52×10-6~289.47×10-6(胡新茁等,2015),且标准化蛛网图上明显亏损Ti,说明阿民乌素地幔橄榄岩熔融程度更高,属高压型(SSZ型)地幔橄榄岩特征。由于HREE在俯冲过程中不受影响,所以可以较好地反映原始地幔岩的部分熔融程度(Wood,1979;Melcher et al.,2002)。根据 Melcher et al.(2002)的原始地幔岩的分离熔融模式估算,月牙山地幔橄榄岩的熔融程度集中在6%~10%之间,而阿民乌素地幔橄榄岩熔融程度集中在10%~20%之间,同样能说明阿民乌素地幔橄榄岩熔融程度较月牙山地幔橄榄岩的高。

阿民乌素强蛇纹石化橄榄岩具较高的MgO(36.90%~37.44%),Mg#(89.66~90.90),与南祁连大道尔吉SSZ型地幔橄榄岩相当(MgO=40.41%~40.90%,Mg#=90~91,黄增保等,2016)。较低的TiO2(0.01%~0.02%)与南祁连大道尔吉(TiO2=0.03%~0.04%,黄增保等,2016)、西藏日喀则SSZ 型地幔橄榄岩(TiO2=0.00%~0.03%,佘宇伟等,2017)相当。与小黄山SSZ型蛇纹岩具有相同的MgO(37. 03%)、TiO2(0.01%)含量(宋泰忠等,2008)。

阿民乌素地幔橄榄岩(La/Sm)N=1.70~6.92,(Gd/Yb)N=0.36~0.52,稀土配分曲线呈不规则“U”型,而月牙山地幔橄榄岩配分曲线整体向左缓倾。Pearce et al.(1984a,1992)研究认为N-MORB型地幔橄榄岩LREE是亏损的,稀土配分曲线为左倾特征,代表原始地幔岩的特征,SSZ型地幔橄榄岩稀土配分曲线呈LREE富集的U型配分模式,可能与俯冲过程中受到熔体的交代作用有关。所以阿民乌素地幔橄榄岩属SSZ型,与月牙山正常洋中脊型地幔橄榄岩差异明显。

刘威等(2015)及最新区调成果表明①,③~④,公婆泉组中出露的基性火山岩为岛弧拉斑玄武岩,时代为416~474 Ma,与阿民乌素地幔橄榄岩形成时代较为接近。通常认为形成于俯冲带的SSZ型蛇绿岩的上部火山岩为岛弧拉斑玄武岩和玻安岩等(Pearce et al.,1984b;Hess,1992;Gorton and Schandl,2000)。

此外,阿民乌素蛇绿岩带南北两侧地质体无明显差异,如南北两侧均发育古元古代北山岩群、奥陶-志留纪公婆泉组和晚奥陶世、早志留世岛弧型侵入岩,不论是岩石组合、时代归属,还是岩石化学、地球化学特征均无明显差异(董洪凯等,2018),说明该构造带不具分界断裂的构造特征。

综上所述,将阿民乌素蛇绿岩定义为SSZ型蛇绿岩较为可信。SSZ(Supra-Subduction Zone)的构造环境可划分为岛弧、弧前和弧后盆地等(Pearce et al.,1984b;Robertson,2002;Pearce,2003),由于阿民乌素蛇绿岩南北两侧均见公婆泉组岛弧拉斑玄武岩,且辉长岩侵入公婆泉组,所以该期蛇绿岩产于岛弧裂谷的构造环境更为符合事实。

区域上,红柳河-月牙山-洗肠井一线已经形成正常洋中脊(胡新茁等,2015;胡醒民等,2016),奥陶纪初期洋壳向北俯冲,洋盆进入俯冲-汇聚阶段。在此背景下,北山地区公婆泉-石板井-阿民乌素-涌珠泉一带发生中基性海相火山岩(公婆泉组岛弧拉斑玄武岩)喷发,形成区域公婆泉早古生代火山弧(阿民乌素奥陶-志留纪公婆泉组基性火山岩),中奥陶世随着洋壳俯冲作用的加剧,由于俯冲下降洋壳板片对软流圈的黏性拖拽作用,造成地幔发生补充性对称循环,导致地幔上隆,引起岛弧裂谷化。在此背景下,北山地区沿芨芨台子-石板井-阿民乌素-小黄山一线,岛弧裂谷扩张,导致芨芨台子、阿民乌素、小黄山基性、超基性岩侵位,形成北山地区芨芨台子-阿民乌苏-小黄山蛇绿岩带。本区阿民乌素地幔橄榄岩是该蛇绿岩带的组成部分(图6)。

图6 阿民乌素SSZ型蛇绿岩的形成构造背景示意图

7 结论

(1)阿民乌素蛇绿岩带南北两侧地质体无明显差异,不具分界断裂的构造特征,其上盖层发育岛弧拉斑玄武岩。蛇纹石化橄榄岩具高MgO、低TiO2的特征,(La/Sm)N=1.70~6.92,(Gd/Yb)N=0.36~0.52,稀土配分曲线呈不规则“U”型,标准化蛛网图上明显亏损Ti,源岩熔融程度较高,属高压型、SSZ型地幔橄榄岩,是岛弧裂谷的产物。

(2)阿民乌素蛇绿岩带Ni、Cr、Co异常特征明显,具有形成大型铬铁矿的成矿构造背景。该蛇绿岩带是探寻蛇绿岩型铬铁矿的有利部位,具有一定的成矿潜力,为该地区深部找矿提供了理论基础。

[注 释]

① 河北省区域地质矿产调查研究所. 2015. 内蒙古1:5万旱山、小尘包、望京山、涌珠泉幅区域地质矿产调查报告[R].

② 天津市地质调查研究院、河北省区域地质矿产调查研究所. 2015. 内蒙古1:5万1524.6高地、二龙包西、1580.8高地、炮台山西幅区域地质矿产调查报告[R].

③ 河北省区域地质矿产调查研究所. 2016. 内蒙古1:5万标山、咸味井、骨头井、化石山幅区域地质矿产调查报告[R].

④ 河北省区域地质矿产调查研究所. 2017. 内蒙古1:5万西林陶勒、梧桐井、石桩子井、石板井幅区域地质矿产调查报告[R].

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