赛马碱性杂岩体的岩浆演化与稀土富集*

付瑞鑫 李宁波 牛贺才 单强 赵旭 刘堃

碱性岩约占地球岩浆岩总量的1%(朱昱升, 2016),虽然体量有限但出露范围广,它以矿物组成复杂而著称,所含矿物种类超过目前已发现矿物总数的50%(Fitton and Upton, 1987; Yangetal., 2012)。更重要的是,碱性岩富集大离子亲石元素、稀土和高场强元素,是REE、Zr、Nb、Ta和U等战略金属的重要含矿建造,具有巨大的经济价值(Woolley, 2001; Beardetal., 2023)。如,南格陵兰与异霞正长岩杂岩体有关的Kvanefjeld 铀多金属矿床不但含有3.9万t的氧化铀(U3O8)、154万t的稀土氧化物(TREO)和28万t的Zn,还伴生大量的Nb、Ta等稀有金属(Greenland Minerals and Energy LTD, 2022);加拿大与霓霞正长岩杂岩体相关的Thor Lake稀土多金属矿床蕴藏着大量的锆、铌和重稀土(HREE)等战略金属资源(Sheardetal., 2012)。随着高新科学技术的发展,对稀土、Zr、Nb、Ta和U等战略金属的需求空前高涨,与碱性岩有关战略金属矿床的形成机制成为矿床学研究的新热点。一些学者探究了地幔源区和挥发份对碱性岩及相关矿床形成的影响(Petrellaetal., 2014; Möller and Williams-Jones, 2016);一些学者约束了循环洋壳对碱性岩及相关矿床形成的贡献(王建国等, 2013; Yangetal., 2017; Zhuetal., 2017);还有学者关注了碱性岩浆体系演化对REE、Zr、Nb、Ta和U等金属富集成矿的影响,初步探讨了岩浆-热液演化过程对这些金属富集成矿的制约(Kovalenkoetal., 1995; Salvietal., 2000; Sheardetal., 2012; Gysi and Williams-Jones, 2013; Petrellaetal., 2014; Dumańska-Sowik, 2016)。尽管学者已经重视源区性质、挥发份和岩浆演化对碱性岩及相关矿床形成的制约,但对这些关键科学问题的认识仍存在分歧。因此,加强和深化相关研究不但可以揭示碱性岩及相关矿床的形成机制,而且对于指导区域找矿也有一定的启示。

赛马碱性杂岩体位于我国辽东半岛,由东西向展布的碱性火山岩和侵入岩组成(图1)。自20世纪50年代起,中国科学院、辽宁省地质局、冶金东北地勘局和核工业部东北地勘局等单位先后对赛马碱性杂岩体进行了找矿勘探和相关研究,并在其中发现了大型铀-钍-稀土多金属矿床(景立珍等, 1995)。赛马碱性杂岩体主要由早期的角闪辉石正长岩、霓霞正长岩等钾质岩浆岩和晚期钠质异霞正长岩组成,其岩浆演化程度高,且岩浆热液活动痕迹明显(陈肇博等, 1996; Wuetal., 2016; 邬斌, 2016),为探究碱性岩浆演化过程中铀、钍和稀土等元素的地球化学行为提供了独特的研究窗口。如,邬斌等(2018)通过异性石化学组成及蚀变特征的研究,限定了赛马碱性岩浆演化过程铌和稀土的地球化学行为,并发现碱性岩浆分异流体的自交代作用不但可以使锆和稀土元素活化迁移,而且还使其进一步纯化;邬斌等(2020)基于层硅铈钛矿化学成分的精细研究,发现从霞石正长岩经霓霞正长伟晶岩至晚期异霞正长岩,不但层硅铈钛矿不断富集,而且Nb、Zr和REE(特别是HREE)等高场强元素含量也不断升高。

图1 赛马碱性杂岩体地质简图(a)赛马碱性岩的大地构造位置图(据钟军等,2020改); (b)赛马碱性杂岩体的地质简图(据朱昱升,2016改)Fig.1 Sketch geological maps of the Saima alkaline complex(a) geotectonic of the North China Craton, showing the location of the Saima alkaline complex (modified after Zhong et al., 2020); (b) sketch geological map of the Saima alkaline complex (modified after Zhu, 2016)

本文在详细岩相学研究基础上对赛马碱性杂岩体典型岩石和锆石的元素地球化学特征进行了系统研究,旨在刻画该杂岩体碱性母岩浆的演化过程,限定稀土元素的富集机制,为阐述碱性岩型稀土矿床形成机制提供新的科学素材。

1 地质背景

赛马碱性杂岩体位于古元古代辽吉造山带北缘,紧邻辽东地块(图1a)。赛马碱性杂岩体由东西向展布的柏林川、叆阳、顾家和赛马4个中生代碱性岩体构成,虽然它们在地表呈独立岩体分布,但属于同一岩浆活动的产物(景立珍等, 1995; 陈肇博等, 1996)。东部的柏林川岩体以碱性正长岩为主,中部的叆阳岩体以碱性火山岩和次火山岩为主,而西部的顾家和赛马岩体则以霞石正长岩为主(图1b)。

区内出露的地层有下元古界大理岩、千枚岩和少量变粒岩,上元古界石英岩及页岩,寒武-奥陶系灰岩以及侏罗系煤系地层(陈肇博等, 1996)。中生代以来,受古太平洋板块北西向俯冲的影响,在赛马碱性杂岩体分布的辽东地区形成一系列北北东向的逆冲断裂和褶皱(李三忠等, 2004; Wuetal., 2005)。

2 岩相学特征

为了反演赛马碱性杂岩体的碱性岩浆的演化过程,本文对角闪辉石正长岩、正长岩、黑云母正长岩、云霓霞石正长岩和异霞正长岩5类碱性岩进行了系统研究,现将它们的岩石学特征分述如下。

角闪辉石正长岩主要分布在柏林川岩体,岩石为灰黑色,具中-中粗粒结构,块状构造。该类岩石主要由碱性长石(40%～50%)、辉石(～20%)、角闪石(15%～20%)、磷灰石(～3%)和榍石(～1%)组成,副矿物则以锆石和磁铁矿为主。碱性长石主要由钾长石和微斜长石组成,以自形为主,少数为半自形,局部可见微斜长石的格子双晶和钾长石的卡式双晶。辉石为浅绿色,呈自形-半自形粒状产出,常见八边形结构,个别呈短柱状,晶体表面发育许多裂纹,偶见辉石的简单双晶,粒径明显小于角闪石。角闪石具黄褐色-暗绿色多色性,呈半自形-他形粒状,个别矿物粒径可达5mm,可见两组夹角约60°的解理;角闪石含有少许长石、辉石、磷灰石及榍石等矿物包裹体。磷灰石主体呈半自形的圆状产出,个别呈等六边形随机分布在其他矿物之中,推测其属于最早期结晶矿物之一。榍石呈他形粒状,未见完整的晶型,多与角闪石共生(图2a)。

图2 赛马碱性杂岩体不同岩石的手标本及显微岩相学照片(a)角闪辉石正长岩; (b)正长岩; (c)黑云母正长岩; (d)云霓霞石正长岩; (e)异霞正长岩.(a、e)显微照片为单偏光下;(b-d)显微照片为正交偏光下Fig.2 Photographs and photomicrographs of the Saima alkaline complex(a) hornblende-pyroxene syenite; (b) syenite; (c) biotite syenite; (d) ijolite syenite; (e) lujauvrite. (a, e) photomicrographs under planed light; (b-d) photomicrographs under crossed light

正长岩主要分布在叆阳岩体,岩石为浅肉红色,具自形-半自形细粒似斑状结构,呈块状构造。斑晶以自形-半自形碱性长石为主,可见少量的黑云母,但其多蚀变成绿泥石。主要矿物组成为碱性长石(40%～50%)、斜长石(～30%)和少量的石英(～5%),副矿物以锆石、磷灰石和磁铁矿为主。碱性长石以钾长石为主,呈自形的短柱状交互生长,其粒径介于0.5～1mm之间,个别可达3mm,可见卡式双晶。斜长石与钾长石大小相当,可见聚片双晶。石英呈他形充填在长石的粒间(图2b)。

黑云母正长岩主要分布在赛马岩体中部,岩石为灰白色,具自形-半自形中-细粒结构,呈块状构造。该岩石主要由碱性长石(40%～50%)、斜长石(～30%)和黑云母(～10%)组成,含有少量的榍石和磷灰石,副矿物以磁铁矿和锆石为主。碱性长石(钾长石和微斜长石)以自形为主,少数呈半自形,局部可见微斜长石的格子双晶及钾长石的卡式双晶,部分蚀变为绢云母和粘土矿物。斜长石以自形为主,主要分布于碱性长石粒间,少数被钾长石包裹,可见聚片双晶。黑云母多呈半自形产出,局部蚀变成绿泥石。榍石呈他形-半自形粒状,偶见菱形状的晶型。磷灰石呈半自形-他形粒状产出,个别呈现出较好的六边形晶体,多与榍石,黑云母聚集共生(图2c)。

云霓霞石正长岩主要分布于赛马岩体边缘,岩石为灰色,具自形-半自形粗粒结构,矿物粒径介于5～10mm之间,呈块状构造。该岩石主要由碱性长石(30%～40%)、霞石(20%～30%)、霓辉石(20%～30%)和黑云母(大约5%)组成,含少量的磁铁矿(1%～2%),副矿物以锆石、榍石和磷灰石为主。碱性长石(钾长石和微斜长石)呈半自形产出,可见钾长石的卡式双晶。霞石呈他形-半自形产出,颗粒大小不等,部分蚀变为钠沸石和钙霞石。霓辉石多呈半自形粒状产出,具深绿色-黄绿色多色性,常与碱性长石共生,小颗粒的霓辉石被长石所包裹,可见辉石式的解理。黑云母多呈自形产出,红棕色,主要与霓辉石共生(图2d)。

异霞正长岩主要呈岩脉分布在赛马岩体西部云霓霞石正长岩中,岩石呈草绿色,具中-细粒结构,块状构造。该岩石主要由碱性长石(25%～30%)、霞石(20%～25%)、霓辉石(30%～35%)和异性石(～10%)等矿物组成。碱性长石为他形至半自形板柱状,表面干净无明显蚀变。霞石为他形-半自形的粒状晶体,分布在碱性长石或霓辉石的粒间(图2e)。霓辉石为深绿色-黄绿色,呈两种类型产出,一类呈放射状、细针状、毡状和毛发状的集合体,另一类呈自形长柱状晶体被霞石和碱性长石所包裹,以前者为主。异性石是该类岩石的特征矿物,呈玫瑰色或淡红色,呈他形粒状或半自形颗粒产出,多具网状裂纹,常与霓石紧密共生或被其包裹(图2e)。该类岩石含有少量钠锆石、钙霞石、钠沸石和金属硫化物等副矿物。

角闪辉石正长岩的锆石为长柱状或短柱状,部分不透明,表面较平整,CL图中大多数锆石呈暗灰色,个别颜色较亮,所有锆石均有细的明暗环带(图3a)。正长岩的锆石为长柱状或短柱状,大部分锆石内部透明,个别表面发育微裂隙,CL图像呈均一的暗灰色且具有典型的震荡环带(图3b)。黑云母正长岩的锆石为不规则的长柱状,晶型较好且透明,局部可见微小包裹体,CL图像呈灰白色并具有典型的震荡环带 (图3c)。云霓霞石正长岩石的锆石形态主要有两类,一类为短柱状,透明度较好且表面较平整,CL图像呈暗灰色且有条带状震荡环带(图3d),但数量较少;另一类呈不规则的粒状,半透明,表面较粗糙,其CL图像呈海绵状或流动状分带,与典型岩浆成因锆石有明显差异,为热液锆石(图3e)。

图3 赛马碱性杂岩体不同岩石锆石的镜下显微特征及CL图像Fig.3 Photomicrographs and CL images of zircon from the Saima alkaline complex

3 分析方法

样品主、微量元素测试由南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成。全岩主量元素利用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)分析完成,检测结果相对误差小于3%。利用Agilent 7900型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行微量元素测定,使用湿法进样通过外标+内标(Rh)法对溶液样品中痕量元素进行全定量分析,所有元素重复扫描次数五次,其精度1RSD<5%。

新鲜岩石粉碎后采用重液法、磁选法、目视挑选法分选锆石,再用环氧树脂盘制成锆石靶。锆石阴极发光(CL)图像采集在广州拓岩检测技术有限公司完成。微量元素在中国科学院矿物学与成矿学重点实验室利用LA-ICPMS分析完成,激光剥蚀系统使用美国Applied Spectra公司Resolution S155准分子纳秒激光器,电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS) 为Agilent 7900;激光束斑直径为29μm,激光能量5.23J/cm2,频率6Hz,工作电压22.65kV。锆石微量元素以29Si作为内标校正。

4 分析结果

4.1 全岩主量元素

图4 赛马碱性杂岩体不同岩石的TAS图解(a)和AR-SiO2图解(b)Fig.4 TAS diagram (a) and AR vs. SiO2 classification diagram (b) of the Saima alkaline complex

尽管赛马碱性杂岩体这5类岩石的化学组成有一定的差异,但它们的投影点均落在碱性岩区域内(图4a),显示出典型碱性岩的特征。岩相学研究表明,赛马碱性杂岩体的角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩的主要组成矿物为碱性长石,显示出碱性岩的特征;而在云霓霞石正长岩和异霞正长岩中则出现了硅不饱和的副长石,则显示出过碱性岩石的特征。在AR-SiO2图解中,角闪辉石正长岩、正长岩、黑云正长岩的投影点落在碱性岩区域内,而云霓霞石正长岩和异霞正长岩的投影点则落在过碱性岩区域内(图4b)。云霓霞石正长岩的A/CNK值介于0.91～1.02之间,A/NK值介于0.97～1.06;异霞正长岩的A/CNK值从0.68变化到0.83,而A/NK值则从0.75变化到0.87,也显示出过碱性岩的特征。

4.2 全岩微量元素

赛马碱性杂岩体不同岩石微量元素含量分析结果见表1。

赛马角闪辉石正长岩稀土元素总量从840×10-6变化到1466×10-6,(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N分别介于75.7～84.8、4.96～5.74和5.96～7.14之间,轻重稀土分馏明显;δEu介于0.80～0.97之间,没有明显Eu异常,球粒陨石标准化的稀土元素分布模式是一条较陡的右倾曲线(图5a)。原始地幔标准化的微量元素蛛网图显示,角闪辉石正长岩明显富集大离子亲石元素、轻稀土等元素,具有明显的Nb、Ta和Ti亏损(图5b)和超球粒陨石的Nb/Ta比值(23.6～30.6;球粒陨石=19.9)。

图5 赛马碱性杂岩体不同岩石的球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b) (标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) of the Saima alkaline complex (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

赛马正长岩稀土元素总量从642×10-6变化到832×10-6,(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N分别介于91.6～115、7.26～8.40和5.19～5.38之间;与角闪辉石正长岩相比,其轻重稀土及轻稀土内部分馏更明显,但重稀土内部分馏变弱;δEu介于0.88～0.97之间,没有明显Eu异常,球粒陨石标准化稀土元素分布模式也是一条较陡的右倾曲线(图5a)。原始地幔标准化的微量元素蛛网图显示,赛马正长岩明显富集大离子亲石元素、轻稀土元素等,具有明显的Sr、Nb、Ta和Ti亏损(图5b)和超球粒陨石的Nb/Ta比值(18.4～29.0)。

赛马黑云正长岩稀土元素总量为480×10-6～857×10-6,(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N分别介于77.9～125、6.72～10.5和4.00～6.67之间;与角闪辉石正长岩相比,轻重稀土及轻稀土内部分馏更明显,而重稀土内部分馏程度则降低;δEu介于0.98～1.58之间,显示出明显的Eu正异常,球粒陨石标准化稀土元素分布模式也是一条较陡的右倾曲线(图5a)。原始地幔标准化微量元素蛛网图显示,黑云正长岩明显富集大离子亲石元素、轻稀土元素等,具有明显的Nb、Ta和Ti亏损(图5b)和超球粒陨石的Nb/Ta比值(19.6～24.0)。

赛马云霓霞石正长岩稀土元素总量从106×10-6变化到473×10-6,明显低于前三类岩石;该类岩石的(La/Yb)N和(La/Sm)N分别介于25.9～88.3和2.08～6.53之间,显示出明显的轻重稀土分异特征。虽然该类岩石的(Gd/Yb)N介于4.78～8.38之间,但重稀土中以Tm含量最低;δEu介于0.97～1.10之间,没有显示出明显Eu异常,球粒陨石标准化稀土元素分布模式是一条右倾但尾部翘起的曲线(图5a)。原始地幔标准化微量元素蛛网图显示,云霓霞石正长岩明显富集大离子亲石元素,Nb、Ta和Ti的亏损程度明显降低,并显示出Sr和Pb的正异常(图5b),其Nb/Ta比值变化较大(14.2～70.7)。

赛马异霞正长岩稀土元素总量从887×10-6变化到1831×10-6,明显高于前4类岩石;该类岩石的(La/Yb)N、(La/Sm)N和(Gd/Yb)N分别介于7.76～8.81、3.97～5.17和1.25～1.42之间,轻重稀土及轻重稀土内部分馏程度明显低于前4类岩石;δEu介于0.92～0.95之间,没有显示出明显Eu异常,球粒陨石标准化稀土元素分布模式是一条较为平坦的右倾曲线(图5a)。原始地幔标准化微量元素蛛网图显示,异霞石正长岩明显富集稀土元素和Nb、Ta、Zr和Hf等高场强元素,具有明显的Pb正异常和Ba、Ti的亏损(图5b),其Nb/Ta比值较高且稳定(25.7～34.2)。

4.3 锆石微量元素

本文对角闪辉石正长岩、正长岩、黑云正长岩和云霓霞石正长岩4类岩石中具有典型震荡环带的锆石进行了原位微量元素含量分析,分析结果详见电子版附表1。

角闪辉石正长岩锆石的Th含量为138×10-6～1564×10-6,U含量为184×10-6～1715×10-6,Th/U比值为0.5～1.5,稀土元素总量介于115×10-6～961×10-6之间。正长岩锆石的Th含量为223×10-6～2068×10-6,U含量为237×10-6～1100×10-6,Th/U比值为0.7～2.8,稀土元素总量介于310×10-6～2085×10-6之间。黑云正长岩锆石的Th含量为46×10-6～372×10-6,U含量为41×10-6～505×10-6,Th/U比值为0.8～1.9,稀土元素总量介于190×10-6～559×10-6之间。云霓霞石正长岩锆石的Th含量为316×10-6～8338×10-6,U含量为192×10-6～957×10-6,Th/U比值为1.6～38,稀土元素总量介于129×10-6～3105×10-6之间。球粒陨石标准化稀土元素分布模式曲线显示,角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩的锆石稀土元素地球化学特征十分相近,其轻稀土亏损且轻重稀土分馏明显,有较明显的正Ce异常但Eu异常不明显(图6a);与前3类岩石明显不同,云霓霞石正长岩锆石的轻稀土亏损和正Ce异常程度均明显降低(图6b)。

图6 赛马碱性杂岩体中岩浆锆石(a)和热液锆石(b)的球粒陨石标准化稀土元素配分图(标准化值据Sun and McDonough, 1989; Thor Lake数据来自Hoshino et al., 2013)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns of magmatic zircons (a) and hydrothermal zircons (b) in the Saima alkaline complex (normalization values after Sun and McDonough, 1989; data of zircons in Thor Lake from Hoshino et al., 2013)

5 讨论

5.1 赛马碱性杂岩体母岩浆的演化路径

赛马碱性杂岩体不但含有U和Th等金属矿化,而且还含有稀土和铌等稀有金属矿化。而已有的大量研究表明,稀土元素的超常富集与岩浆演化晚期阶段和热液阶段密切相关(Smithetal., 2000; Yang and Le Bas, 2004; Fanetal., 2014; Zirneretal., 2015; Polettietal., 2016)。显然,要探讨赛马碱性杂岩体多金属矿床的形成机制,必须约束其母岩浆的演化路径。

已有的研究显示,赛马碱性杂岩体的岩相组成复杂,根据侵位时序可以分为早晚两期,早期以响岩和正长岩等钾质岩浆活动为主,而富含成矿元素的钠质异霞正长岩则是晚期岩浆活动的产物(陈肇博等, 1996;Wuetal., 2016; 邬斌, 2016)。研究表明这些岩浆岩是同源岩浆活动的产物,整个岩浆活动从230Ma持续到220Ma,历时近10Myr(景立珍等, 1995; 陈肇博等, 1996; Wuetal., 2010; 邬斌, 2016; 朱昱升, 2016; 钟军等, 2020)。显然,赛马碱性杂岩体的母岩浆经历了充分演化,而异霞正长岩则是其演化的末端产物。

图7 赛马碱性杂岩体不同岩石主量元素的Harker图解Fig.7 Harker diagrams of different rocks in the Saima alkaline complex

图8 赛马碱性杂岩体不同岩石的ALK-P2O5 (a)和LI-Ga/Sc (b)图解Fig.8 ALK vs. P2O5 (a) and LI vs. Ga/Sc (b) diagrams of different rocks in the Saima alkaline complex

Winchester and Floyd(1977)认为,在岩浆体系中Sc是相对惰性的元素,其浓度在碱性岩浆分异过程中逐渐降低;而Ga的含量只随着碱性岩浆分异程度的增强逐渐增大(赵振华, 2016),因而用Ga/Sc比值可以表征岩浆、特别是碱性岩浆的分异程度。分析结果显示,从角闪辉石正长岩经正长岩和黑云正长岩到云霓霞石正长岩,其Ga/Sc比值从1.21～2.27经5.24～5.74和5.03～7.35上升到59.5～87.6(表1、图8b),显示出较好的演化趋势;但与早期的云霓霞石正长岩相比,晚期的异霞正长岩Ga含量明显增加,暗示其演化程度高于前者,但由于该类岩石的Sc含量也较前者升高了1个数量级导致相应的Ga/Sc比值明显降低(10.1～17.9)(表1)。虽然赛马碱性杂岩体的角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩的稀土元素La的含量从141×10-6变化到327×10-6,但其La/Sm比值却相对稳定,主要集中在9.07～13.5之间(表1),也显示结晶分异作用控制了碱性杂岩体母岩浆的演化。

地质产状、主量和微量元素地球化学特征显示,赛马碱性杂岩体5类典型岩石的演化路径为角闪辉石正长岩→正长岩→黑云正长岩→云霓霞石正长岩→异霞正长岩,岩石经历了从碱性向过碱性的演化,最终形成了钠质过碱性的异霞正长岩,呈现出完整的碱性岩浆演化序列。

5.2 赛马碱性杂岩体母岩浆演化过程体系状态的变化

锆石是大多数火成岩的主要副矿物(Hoskin and Schaltegger, 2003; Zengetal., 2017),具有稳定的物理化学性质和较低普通Pb含量以及较高的U-Th-Pb同位素体系的封闭温度,被广泛用于同位素定年、限定岩浆源区性质、示踪岩浆及热液演化过程(Hoskin and Schaltegger, 2003; Hoskin, 2005; Geisleretal., 2007),形成了地球科学研究的新热点——锆石学(吴福元等, 2007; 邹心宇等, 2021)。近年研究还显示,锆石的矿物学和地球化学特征可以示踪岩浆演化过程挥发份的出溶及组分的变化,为约束岩浆体系的状态提供了有效方法(Zengetal., 2017; Quetal., 2019)。

球粒陨石标准化稀土元素分布模式图显示,角闪辉石正长岩、正长岩和黑云母正长岩锆石的稀土元素分布模式为明显的富集重稀土且具有显著正Ce异常弱Eu负异常的左倾曲线,与加拿大Thor Lake稀土矿床的云霞正长岩的典型岩浆锆石类似(图6a),暗示它们均形成于纯岩浆体系;而云霓霞石正长岩锆石的稀土元素分布模式为轻重稀土分馏不明显且中稀土略上凸的M型曲线,与加拿大Thor Lake稀土矿床的热液锆石相似(图6b),暗示它形成于流体过饱和的岩浆体系。

在La-(Sm/La)N和(Sm/La)N-Ce/Ce*锆石成因判别图解中,赛马碱性杂岩体角闪辉石正长岩、正长岩和黑云母正长岩锆石的投影点均落在典型岩浆锆石的区域内(图9a),暗示其形成于典型岩浆体系;而云霓霞石正长岩锆石的投影点明显偏离岩浆锆石区域,部分投影点甚至落在了热液锆石区域内(图9b),也暗示其形成受到流体的影响。稀土元素的离子半径从La3+到Lu3+逐渐减小,而Lu3+的半径与Zr4+接近,所以原子序数越大的离子越容易进入到锆石晶格中。Onumaetal.(1968)通过碱性橄榄玄武岩的研究发现,在岩浆体系中同一矿物与熔体稀土元素分配系数的对数与离子半径呈抛物线的关系。角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩稀土元素在锆石与岩石间的分配系数的对数与相应的离子半径构成一条完美的抛物线(图9c),这也表明3类岩石是纯岩浆固结的产物;而云霓霞石正长岩稀土元素在锆石与岩石间分配系数明显偏离这条抛物线(图9d),暗示其形成于纯岩浆体系向到流体体系的过渡阶段(Bau, 1996)。全岩微量元素含量分析结果也进步证明了这一推测,赛马碱性杂岩体角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩的Y/Ho比值分别介于28.6～29.7、29.2～30.7和28.7～31.9之间,落在球粒陨石的Y/Ho比值的变化内(图9e),显示出纯硅酸盐熔体的CHARAC行为,即相应岩石形成于纯岩浆体系;与前述3类岩石不同,云霓霞石正长岩的Y/Ho比值明显偏离球粒陨石的Y/Ho比值(图9e),表明在其形成过程中有流体的参与(Bau, 1996)。

图9 赛马碱性杂岩体不同岩石锆石分类图解(a-d)和全岩LI-Y/Ho图解(e)(a)杂岩体不同岩石锆石的(Sm/La)N-La图解(Hoskin, 2005); (b)杂岩体不同岩石锆石的Ce/Ce*-(Sm/La)N图解(据Hoskin, 2005); (c)杂岩体碱性岩锆石的Onuma图解; (d)杂岩体过碱性岩石中锆石Onuma图解; (e)杂岩体不同岩石LI-Y/Ho图解Fig.9 Zircon classification diagrams of different rocks (a-d) and LI vs. Y/Ho diagram (e) of the Saima alkaline complex(Sm/La)N vs. La (a) and Ce/Ce* vs. (Sm/La)N (b) diagrams of zircon from Saima alkaline complex (Hoskin, 2005); Onuma diagram of zircon from alkaline rocks (c) and from per-alkaline rocks (d) in Saima alkaline complex; (e) LI vs. Y/Ho diagram of Saima alkaline complex

在异霞正长岩中锆主要赋存在异性石中,异性石蚀变不但形成了钠锆石,也形成了部分锆石(邬斌等, 2018)。显然,晚期蚀变成因的锆石不能有效地约束岩浆体系的物理化学状态。为约束异霞正长岩结晶时体系的状态,本文对主要造岩矿物钾长石进行了包裹体岩相学研究。在异霞正长岩的钾长石颗粒边缘分布大量的流体包裹体,包裹体为椭圆状、近圆状和长条状,呈线状分布(图10a),主要为含子晶矿物的流体包裹体。其中晶体相所占比例低于5vol%,气相所占比例介于10vol%～15vol%之间(图10b)。子晶矿物为透明的立方体均质矿物,更可能是NaCl晶体,有些流体包裹体含有液相CO2(图10a)。包裹体岩相学特征显示,异霞正长岩钾长石流体包裹体所捕获的流体应为富CO2高盐度的热液。在赛马碱性杂岩体异霞正长岩多呈岩脉状产于云霓霞石正长岩体内,侵位晚于后者(陈肇博等, 1996; 邬斌等, 2018),而包裹体赋存在钾长石中,且具有高盐度特征,可以排除所捕获流体来自地下水的可能;与云霓霞石正长岩相比,异霞正长岩的Sr和Nd同位素组成没有明显的变化(朱昱升, 2016),暗示岩浆演化过程没有外来物质的加入。基于上述分析,有理由认为这种富CO2高盐度的流体是异霞正长岩母岩浆自身分异的产物。由于在异霞正长岩存在着大量含子晶矿物的富CO2的流体包裹体,而在云霓霞石正长岩中没有发现流体包裹体,可以推测异霞正长岩母岩浆的流体饱和程度明显高于云霓霞石正长岩的母岩浆。

图10 赛马碱性杂岩体异霞正长岩钾长体包裹体显微岩相学照片(a)气液流体包裹体和含CO2三相流体包裹体; (b)含子矿物的流体包裹体Fig.10 Microphotographs of fluid inclusions in potassium feldspar of lujauvrite from the Saima complex(a) gas-liquid fluid inclusions and CO2-containing three-phase fluid inclusions; (b) minerals bearing fluid inclusions

锆石地球化学和包裹体研究显示,在赛马碱性杂岩体母岩浆演化过程中不但岩浆化学组成发生了明显变化,而且其体系状态也发生了相应变化;角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩均结晶于纯岩浆体系,而云霓霞石正长岩和异霞正长岩则形成于流体过饱和的岩浆体系,且异霞正长岩母岩浆流体的饱和程度明显高于云霓霞石正长岩的母岩浆。

5.3 赛马碱性杂岩体稀土元素富集机制

赛马碱性杂岩体的稀土、铌和铀矿化主要集中在晚期的异霞正长岩中(邬斌等, 2018),表明这些金属元素的富集受碱性母岩浆充分演化的控制。因此,反演赛马碱性杂岩体母岩浆演化过程稀土元素的地球化学行为可以揭示其超常富集机制。

本文研究的赛马碱性杂岩体5类典型岩石的主要造岩矿物为碱性长石,在角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩这些碱性岩石中还分布着辉石、角闪石和黑云母等暗色造岩矿物,而在云霓霞石正长岩和异霞石正长岩这两类过碱性岩石中则出现了霞石、霓石等典型碱性矿物。辉石等暗色矿物富含稀土,如川西成矿带石英正长岩辉石稀土含量最高可达500×10-6,但其(La/Yb)N小于20(Wengetal., 2022);而碱性长石和霞石稀土含量较低,如川西稀土成矿带石英正长岩中碱性长石的总稀土含量仅为20×10-6(Wengetal., 2021)。

赛马碱性杂岩体碱性母岩浆纯岩浆演化过程形成的角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩的轻重稀土分馏均十分强烈((La/Yb)N大于70),而云霓霞石正长岩的(La/Yb)N也大于25,这表明造岩矿物对上述岩石的稀土元素地球化学行为没有明显的影响。副矿物磷灰石和锆石是典型的富稀土矿物,其中磷灰石富集轻稀土,而锆石则富集重稀土。赛马碱性杂岩体磷灰石的稀土含量介于10300×10-6～26600×10-6之间,锆石的稀土含量在300×10-6～1200×10-6之间变化。基于赛马碱性杂岩体不同岩石的稀土元素地球化学特征,本文认为角闪辉石正长岩、正长岩、黑云正长岩和云霓霞正长岩的稀土元素主要赋存在磷灰石中。从纯岩浆体系的碱性岩(角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩)到流体过饱和的过碱性云霓霞石正长岩,随着P2O5含量的降低岩石的稀土总量也相应地降低(图11),这表明在钾质碱性向钾质过碱性岩浆演化过程中磷灰石结晶的多寡控制了相应岩石稀土元素的地球化学特征。由于稀土元素等对于大多数矿物来说是强不相容元素,它们主要与碱金属(K和Na)及挥发份(H2O、Cl、F等)一起富集在残余岩浆中(Prokopyevetal., 2016; Chebotarevetal., 2019)。显然,在赛马碱性杂岩体碱性母岩浆演化过程中,稀土元素主要富集在富碱和挥发份的残余岩浆固结的异霞正长岩内,并形成了相应的稀土及铌和铀等矿化。

图11 赛马碱性杂岩体不同岩石的P2O5-ΣREE图解Fig.11 P2O5 vs. ΣREE diagram of different rocks in the Saima alkaline complex

已有研究显示,许多碱性岩型稀土矿床均是岩浆与热液过程共同作用的产物(Kovalenkoetal., 1995; Gysi and Williams-Jones, 2013),两个过程贡献的相对大小会导致其成矿机制不同。赛马碱性杂岩体早期结晶的岩浆岩以富轻稀土为特征,而晚期却形成中重稀土矿化,揭示这一转变的机制和控制因素可以深化对中重稀土成矿过程的认知。与轻稀土相比,重稀土更倾向进入流体相,比如岩浆成因的方解石富集轻稀土,而热液成因的方解石的轻重稀土分馏程度明显降低(Singhetal., 2022)。研究显示,流体中碱含量的增加不但可以提高稀土元素的溶解度,而还能提高重稀土的比例,导致低温富碱流体具有较高的重稀土溶解度(Anenburgetal., 2020; Louveletal., 2022)。而富卤素(F和Cl)的岩浆热液可以有效溶解和传输高场强元素(Williams-Jonesetal., 2012; Timofeevetal., 2015, 2017; Nisbetetal., 2019, 2022)。异霞正长岩钾长石中包裹体岩相学特征显示,与异霞正长岩结晶相关的岩浆热液是高盐度流体,即有较高的卤素和碱含量。正如前文所述,在异霞正长岩中少数霓石与碱性长石和霞石共生或被后二者包裹,而更多的是呈放射状、细针状、毡状和毛发状的集合体分布在造岩矿物的粒间。邬斌等(2018)将前者列为造岩矿物,即岩浆成因;认为后者是蚀变产物,其形成与热液过程有关。电子探针分析结果显示,与岩浆成因霓石相比,与热液有关的霓石明显富钠(邬斌等, 2018),这也暗示异霞正长岩母岩浆分异的岩浆热液具有较高的碱含量。因此,有理由认为在异霞正长岩结晶过程中热液控制了稀土元素和锆及铌的地球化学行为,由于分异的岩浆热液富碱和卤素,使稀土、特别是中重稀土和锆及铌进入流体相,并随体系降温等物理化学条件的变化形成相应的矿石矿物。邬斌等(2018)将赛马碱性杂岩体异霞正长岩的异性石分为岩浆早期和岩浆晚期至热液期两类,与未受后期热液影响的异性石(早期核部异性石)相比,晚期异性石的铌和稀土元素的含量明显提高,这也充分显示岩浆分异的富CO2高盐度流体对稀土和铌等元素的富集成矿具有明显的控制作用。

6 结论

(1)赛马碱性杂岩体的母岩浆经历了钾质碱性经钾质过碱性向钠质过碱性的充分演化,其中角闪辉石正长岩、正长岩和黑云正长岩为典型的钾质碱性岩石,云霓霞石正长岩为典型的钾质过碱性岩石,而异霞正长岩则为钠质过碱性岩石。

(2)赛马碱性杂岩体母岩浆演化过程其体系状态发生了明显变化,从角闪辉石正长岩经正长岩到黑云正长岩的演化受纯岩浆体系的控制;而云霓霞石正长岩和异霞正长岩则形成于流体过饱和的岩浆体系,且后者母岩浆流体的饱和程度明显高于前者。

(3)赛马碱性杂岩体的角闪辉石正长岩、正长岩、黑云正长岩和云霓霞石正长岩的稀土元素地球化学行为主要受以磷灰石为主的富稀土矿物结晶分异作用的制约,而异霞正长岩中稀土、锆及铌等元素的富集成矿则主要受富CO2高盐度岩浆热液的控制。

致谢中国地质调查局沈阳地质调查中心鞠楠和伍月高级工程师在野外考察过程中给予了真诚帮助,两位匿名评审人提出的宝贵意见使论文质量有了明显提升,在此一并表示衷心的感谢。