甘肃龙首山青山堡花岗闪长岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及地质意义

时间：2024-07-28

何佳军，邵东，王刚，陈云杰，李天石

(核工业二〇三研究所，陕西西安 710068)

0 引言

甘肃龙首山位于华北板块西南缘阿拉善地块南缘 (图1a)，南邻河西走廊过渡带，北接潮水盆地，是我国西北地区重要的铀成矿带[1-2]。中段的芨岭岩体和东段的青山堡岩体为区内出露面积最大的两个岩体，芨岭岩体因产有典型的钠交代型铀矿床而备受关注，众多学者对其进行了大量的研究[3-7]。相比对青山堡岩体的研究较为薄弱，部分学者对青山堡岩体的形成时代、成因和构造环境[8-10]、闪长玢岩的地球化学特征及其与铀矿化关系[11]、铀矿化特征及成矿条件[12]等做了一些研究。近年来，随着该地区找矿工作的不断推进，在花岗闪长岩和闪长岩接触带的两侧发现有较好的铀矿化，因此，对含矿主岩进行研究显得非常必要。

本文以青山堡岩体中的花岗闪长岩为研究对象，进行锆石U-Pb年代学和岩石地球化学特征的研究，讨论其形成时代、成因类型和构造环境，为阿拉善地块构造演化的研究和后期的找矿工作提供理论基础。

1 地质背景及样品采集

1.1 地质背景

研究区位于龙首山东段 (图1b)，区内地层由老至新依次为古元古界龙首山群塌马子沟组(Pt1t)、中寒武统香山群(∈2Xn)、上石炭统(C2)、上二叠统窑沟群(P2Yg)、下白垩统庙沟群(K1Mg)和新近系中新统(N1)。构造主要为走向NW向和SN向两组断裂。青山堡岩体为区内主要的岩浆岩，侵位于古元古界龙首山群塌马子沟组和中寒武统香山群地层中，主体由花岗闪长岩、似斑状花岗岩、黑云母二长花岗岩和小面积出露的闪长岩构成，晚期花岗斑岩和闪长玢岩呈细长的岩脉侵入其中 (图1c)。

1.2 样品采集

本次在青山堡地区采集了5件花岗闪长岩样品，新鲜面呈灰白色，中粗粒花岗结构，块状构造，主要矿物组成：斜长石约占47%，呈半自形—他形板柱状，粒度范围为2～8 mm，聚片双晶发育，部分见环带结构，表面发育弱的绢云母化；钾长石约占18%，主要为正长石和条纹长石，少量含斜长石包裹体，表面发育弱的高岭土化；石英约占22%，以半自形—他形粒状分布于长石矿物颗粒之间；暗色矿物角闪石和黑云母含量分别约占8%和5% (图2)，发育弱的绿泥石化。副矿物主要有锆石、榍石和磷灰石。

2 分析测试方法

锆石的挑选、制靶及透、反射光和阴极发光图像(CL)采集委托河北省区调地质勘查有限公司完成。样品经破碎、清洗、磁选和重选，在双目镜下挑选出晶形好、透明度高且无裂隙的锆石置于环氧树脂中固定，对其进行抛光致中心部位充分暴露后，进行透射光、反射光和阴极发光(CL)图像采集。锆石 LA-ICP-MS U-Pb 测年委托武汉上谱分析科技有限责任公司完成。激光剥蚀系统为 GeoLasHD，等离子体质谱仪为Agilent7900，本次分析的激光束斑直径为32 μm，频率为5 Hz，采用锆石标准91500和玻璃标准物质 NIST610 作外标分别进行同位素和微量元素分馏校正，采用 ICPMSDATACAL 10.8 软件对分析数据进行离线处理，U-Pb 年龄加权平均值的计算及谐和图的绘制采用 Isoplot/Ex_ver3[13]，具体流程见文献[14-15]。

主量、稀土和微量元素的分析测试工作由核工业二〇三研究所分析测试中心完成，使用仪器为荷兰帕纳科公司制造的 AxiosX 射线光谱仪和美国 ThermoFlsher 公司制造的 XseriesⅡ 型 ICP-MS，分析测试数据的精度符合各项规范要求。

3 锆石U-Pb年龄

花岗闪长岩锆石的晶体形态呈简单的短柱状、长柱状，长为150～230 μm，宽为70～110 μm，长宽比为1.7～2.7，阴极发光(CL)图像显示其内部发育清晰的岩浆震荡环带 (图3)，锆石中w(U)=(667～1391)×10-6，w(Th)=(331～1123)×10-6，Th/U 值为0.46～0.82，均大于0.40，属岩浆成因锆石[16]。LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 定年共测20个点，获得206Pb/238U 年龄值范围为444.3 Ma～463.5 Ma (表1)，加权平均年龄为 (451.5±3.2) Ma，n=20，MSWD=3.0 (图4a、4b)，表明青山堡花岗闪长岩侵位时代为晚奥陶世。

表1 青山堡花岗闪长岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄分析结果

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素特征

主量元素分析结果显示 (表2)，岩石w(SiO2)为67.06%～68.23%，w(Al2O3)为14.21%～14.79%，w(Na2O)为3.55%～3.72%，w(K2O)为2.64%～3.26%，全碱 (Na2O+K2O) 为6.36%～6.93%，Na2O/K2O 值介于1.13～1.41之间，平均为1.20，铝饱和指数A/CNK为0.99～1.02，仅1件样品小于1，w(TFe2O3)为3.19%～3.82%，w(TiO2)为0.47%～0.58%，w(MgO)为1.58%～1.94%，w(CaO)为3.02%～3.35%，w(P2O5)为0.25%～0.29%，岩石整体表现为Al2O3含量中等，相对富钾、钠而贫镁、铁、钛、锰的特征。TAS图解中，5件样品全部落入花岗闪长岩区域和亚碱性区域 (图5)，SiO2- K2O 图解中，1件样品落入钙碱性系列区域，4件样品落入高钾钙碱性系列区域 (图6a)，A/NK -A/CNK 图解中4件样品落入过铝质区域，1件样品落入准铝质区域 (图6b)，显示弱过铝质特征。

表2 青山堡花岗闪长岩主量元素分析结果

4.2 稀土元素特征

稀土元素分析结果显示 (表3)，花岗闪长岩稀土元素总量(ΣREE)为(191.10～204.33)×10-6，轻稀土(LREE)含量为(182.06～192.97)×10-6，重稀土(HREE)含量为(9.04～11.66)×10-6，LREE/HREE 值为16.52～20.14，轻稀土明显富集、重稀土亏损；(La/Yb)N值介于24.87～29.67之间，轻重稀土分馏明显；δEu 值为0.89～1.09，呈现弱的负异常或无明显异常。稀土元素球粒陨石标准化配分模式图 (图7a) 整体表现为较平滑的右倾曲线特征，轻稀土明显右倾，重稀土相对平缓。

表3 青山堡花岗闪长岩稀土元素分析结果

4.3 微量元素特征

微量元素分析结果 (表4) 及原始地幔标准化蛛网图显示 (图7b)，花岗闪长岩富集大离子亲石元素Rb、Th、U，亏损高场强元素Nb、P、Ti，总体呈左高右低的右倾型分布特征，其中P的亏损可能是磷灰石的分离结晶所导致，Nb的亏损反映了斜长石作为残留相或分离结晶相存在。

表4 青山堡花岗闪长岩微量元素分析结果

5 讨论

5.1 岩石类型

青山堡花岗闪长岩矿物成分中含有少量的角闪石和黑云母，未见白云母等过铝质矿物。岩石具有较高的SiO2(质量分数为67.06%～68.23%)，w(Na2O)为3.55%～3.72%，大于3.2%，K2O/Na2O值<1，A/CNK值均小于1.1，岩石呈现弱过铝质特征，与I型花岗岩的典型特征相似[21-22]。SiO2- K2O 图解中样品主要落入高钾钙碱性系列区域，Na2O - K2O 图解 (图8) 中，样品全部落入I型花岗岩区域，表明青山堡花岗岩闪长岩属弱过铝质高钾钙碱性I型花岗岩。岩石稀土元素配分图和微量元素蛛网图具有相似的变化趋势，均呈左高右低的右倾曲线形态，轻重稀土分馏明显，富集微量元素Rb、Th、U，亏损Nb、P、Ti，其特征与壳源岩浆相似[23]。此外，Rb/Sr值(0.13～0.14)、Nb/Ta值(7.94～14.46)、La/Nb值(1.8～3.0)及Th/Nb值(0.65～1.07)与原始地幔的平均值 (Rb/Sr比值=0.034，Nb/Ta比值=17.5，La/Nb比值=0.94，Th/Nb比值=0.177) 有明显差异，而与大陆地壳的平均值 (Rb/Sr比值=0.35，Nb/Ta比值=12～13，La/Nb比值=2.2，Th/Nb比值=0.44)[24-25]较为接近，暗示青山堡花岗闪长岩为下地壳物质部分熔融的产物。

5.2 构造环境恢复

北祁连是在新元古代岩石圈裂陷作用的基础上，于早古生代形成的具有现代板块构造体制的沟-弧-盆体系[27]，奥陶纪(495～440 Ma)时，自南西方向向北东方向俯冲于阿拉善地块之下，形成了一套岛弧钙碱性火山岩和拉斑玄武岩，并发育次级洋盆或弧后盆地(469 Ma～454 Ma)[28-29]，至晚奥陶世时北祁连洋闭合[30-31]，随后进入陆-陆碰撞或陆内俯冲阶段(445 Ma～420 Ma)[32-33]。阿拉善地块南缘龙首山出露大量的呈线性展布的花岗岩体，被广泛认为与北祁连洋板块俯冲消减作用之后的阿拉善地块碰撞运动有成因联系，如青山堡岩体的花岗岩和中粗粒钾长花岗岩侵位时代分别为(444±2.0)Ma和(441±4.2)Ma，两者同属北祁连岛弧与阿拉善地块碰撞环境下岩浆作用的产物[8，10]，而芨岭地区的花岗岩(428 Ma～401 Ma)[34]和龙首山东段的闪长玢岩(422.3±3.6)Ma[11]等侵位时代相对较晚，形成于碰撞后的伸展环境。此次获得的青山堡花岗闪长岩年龄为(451.5±3.2)Ma，其侵位时代为晚奥陶世，在Nb-Y判别图解中，样品全部落入同碰撞和火山弧花岗岩区域 (图9a)，用Rb -(Y+Nb)判别图解加以限定，样品全部落入火山弧花岗岩区域 (图9b)，R1- R2判别图解中，样品全部落入板块碰撞前环境区域 (图10)，表明青山堡花岗闪长岩为北祁连洋板块向阿拉善地块俯冲过程中岩浆作用的产物。结合上述研究成果，认为至少在451 Ma之前龙首山东段北祁连洋板块仍处于俯冲阶段，但已消减殆尽，同时为北祁连洋的闭合和陆弧碰撞阶段的开始提供了年龄上限约束。